Vehicular Turbine Housing
Sang-Yun Shin, Do-Hoon Lee, Soon-Jea Won, Dong-Hyoung Kim* and Byung-Joon Ye†
Depatment of Metallurgical Engineering Graduate School of Kyungpook National University, Daegu 41566, Republic of Korea
*Korea Institute of Industrial Technology, Daegu 42990, Republic of Korea
Abstract
To improve the durability of the turbocharger, it is important to suppress cracking of the turbine housing; therefore, we inves- tigated the initiation and growth of these cracks. First, we initiated a crack in the turbine housing using endurance experiments.
After the endurance test, cracks mainly occurred in the valve seat, the nozzle area, and the scroll part of the turbine housing. The results of a fracture analysis of the cracks showed that cracks in the valve seat were initiated by fatigue fracture. This seems to be caused by the accumulation of mechanical and thermal stresses due to vibration of the turbine wheel and high-temperature exhaust gas. Also, cracks in nozzle and scroll area were initiated by intergranular corrosion due to the exhaust gas. Thus, although there are differences in the cause of initiation according to the site, a concentric waveform was observed in all fracture planes. This phe- nomenon indicates that cracks gradually grow due to repeated stress changes, and the main causes are the temperature difference of the exhaust gas and the vibration caused by the turbine shaft.
Key words : Turbine housing, Fracture surface, Fatigue fracture, Thermal stress, Integranular corrosion
1. 서 론
최근 자동차에 대한 연비향상과 CO2와 같은 환경규제 등 으로 인하여 고효율 저배기 내연기관에 대한 기술개발 요구 및 수요가 급증하고 있다. 따라서 자동차의 연비개선 및 CO2저감을 위한 다양한 시도들이 수행되고 있으나, 디젤 및 가솔린 엔진을 통틀어 전반적으로 가장 주목 받는 기술은 다운사이징(downsizing) 및 다운스피딩(down-speeding) 기술 이라 할 수 있다. 다운사이징 및 다운스피딩 기술은 엔진의 배기량 및 무게절감을 통한 연비 및 비출력 향상과 최적 효 율 조건에서 동력전달계와의 매칭을 통하여 수행되어질 수
있다. 터보 과급기는 자동차용 내연기관의 연비개선과 CO2
저감을 위한 다운사이징의 핵심기술로 평가받고 있으며, 이에 따른 기술의 고도화와 시장 증대가 진행되고 있다[1].
터보 과급기는 Fig. 1의 모식도와 같이 터빈과 압축기로 구성되며, 엔진의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하고 같은 축으로 연결된 공기압축기로 강제적인 공기과급을 수행한다.
이때 터빈을 가동시키는 원동력이 되는 배기가스는 약 800~1000oC 수준으로 상당히 높은 온도를 가지고 있으며, 질소산화물(NOx)이나 황산화물 등의 배기가스는 산화성 분위 기를 가지고 있기 때문에 터빈 하우징의 내구성에 심각한 악 영향을 미친다[2,3]. 또한 가속 및 감속 시에 배기압의 변화
Received: Dec. 6, 2017 ; Revised: Feb. 21, 2018 ; Accepted: Apr. 24, 2018
†
Corresponding author: Byung-Joon Ye (Kyungpook Nat'l Univ.) Tel: +82-53-950-5567, Fax: +82-53-950-5559
E-mail: [email protected]
Journal of Korea Foundry Society 2018. Vol. 38 No. 2, pp. 48~54 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2018.38.2.48 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381
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가 나타나며, 그에 따른 회전수의 변화로 진동이 발생할 수 있다[4]. 이와 같이 터빈 하우징에 균열을 유발할 수 있는 다양한 요인이 존재하며, 실제 가동 중 하우징에서 많은 균 열이 나타난다.
따라서 본 연구에서는 터빈 하우징의 균열을 분석하여 발 생 원인을 밝히고자 하였다. 그러나 실제 고품에서의 균열 파단면은 손상 및 부식이 심하여 분석에 문제점이 많다. 따 라서 가솔린 엔진용 터보 과급기의 구동환경과 유사한 조건 을 재현하기 위해 실제 엔진을 이용한 벤치 테스트(bench test)를 실시하여 균열을 발생시켰다. 그리고 생성된 터빈 하 우징 균열의 파단면을 분석하여 균열의 생성과 진행에 지배 적으로 영향을 미치는 요인을 확인하였다. 이 연구에 대한 결과는 향후 터빈 하우징의 고품분석 및 내구성 향상을 위한 연구개발에 도움을 줄 것으로 판단한다.
2. 실험 방법 2.1 내구시험
Fig. 2는 실제 실험에 사용된 터보차저로서 배기 매니폴드 와 터빈 하우징이 일체형으로 되어 있다. 그리고 터빈 하우 징은 주행 중 배기가스에 의해 약 800~1000oC의 열을 전달 받으며, 고온 및 산화성 분위기, 진동 등에 노출되게 된다.
이러한 균열에 영향을 줄 수 있는 요인을 이해하기 위하여 배기가스 온도 및 작동 중의 소음을 가스 벤치 시험을 사용 하여 확인하였다. 그리고 실제 작동 상황과 최대한 유사하게 구현하기 위하여 Fig. 3의 엔진 동력계(dynamometer)를 이 용하여 Fig. 4와 같이 6000 rpm(엔진 동력계 기준)에서 3 분간 유지 후 정지 하는 방식으로 500 시간 동안 진행하였 다. 이러한 내구시험을 5회 반복하여 터빈 하우징에 있는 균 열을 분석하였다.
2.2 성분 분석
터빈 하우징은 높은 배기 온도 조건에서도 버틸 수 있는
고 내열 주강인 오스테나이트계 스테인레스강으로 주조하였다.
그리고 X-선 형광분석기(XRF, X-ray fluorescence)와 CS (carbon and sulfur) 분석기를 사용하여 성분을 측정하였다.
측정된 성분은 Table 1에 표시하였으며, UNS J92603 합금
Fig. 1. Schematic diagram of Turbocharger.
Fig. 3. The engine dynamometer used in the experiment.
Fig. 2. The turbocharger used in the experiment.
Fig. 4. Condition of engine dynamometer bench test.
과 유사하다.
2.3 균열 파단면 분석
터빈 하우징에서 균열부위를 채취하여 파단면이 드러나도록 가공하였다. 그리고 아세톤 용액으로 초음파 세척 후, 주사전 자현미경(SEM, scanning electron microscopy)을 이용하여 저배율에서는 전체적인 파단 진행을 관찰하였고, 고배율에서 는 파단 기점을 확인하였다. 그리고 균열 부위의 부식여부를 확인하기 위해 파단면을 연마 후, Pt로 코팅하여 X-선 분광 분석(EDS, energy dispersive spectrometer)으로 산소분율을 측정하였다.
2.4 미세조직 분석
미세조직 분석을 위해 내구시험이 끝난 터빈 하우징에서 시편을 채취하였다. 그리고 에폭시수지를 사용하여 마운팅한 후, 샌드페이퍼 및 알루미나로 연마하고 1 : 3 비율의 HNO3
와 HCl용액으로 식각(etching)하여 관찰하였다.
3. 결과 및 고찰 3.1 균열의 시작
Fig. 5는 내구시험을 마친 터빈 하우징에서 균열이 발생하 지 않은 부분의 시편을 채취하여 미세조직을 촬영한 것이다.
미세조직에서 석출물의 분포 형태가 수지상을 형성하고 있으 며, 망상형태의 공정탄화물이 관찰되는 것으로 내구시험 중의 온도 변화로 인한 상변태는 거의 발생하지 않았다고 추정된 다. 또한 전반적으로 수축공 등의 심각한 주조 결함은 거의
관찰되지 않는 것으로 보아 균열의 발생이 주조결함과 큰 영 향이 없을 것으로 판단하였다.
5 기의 터보차저를 내구시험 한 결과, Fig. 6과 같이 밸브 시트(valve seat), 스크롤(scroll) 및 노즐 부분(nozzle area) 에서 집중적으로 균열이 발생하였다. 이 3 가지 영역은 Fig.
2에 표시된 부분이다. 그리고 균열 중에서 길이가 1 cm 이하 인 경우를 제외하고, 서로 연결된 균열을 하나로 취급하여 발생한 균열의 개수를 정리한 것이 Table 2이다.
균열이 다수 발생한 부분 중에서 밸브 시트 부분은 형상과 두께 부분이 급격히 변하는 곳으로 쉽게 응력이 집중될 것으 로 예상 할 수 있다. 그와 유사하게 균열이 많이 발생한 스 크롤은 배기가스가 터빈 휠을 구동시키기 위해 유동흐름을 제어하도록 만들어진 얇은 판 형태의 부분이다. 이 스크롤은 터빈 하우징 내부에 존재하기 때문에 가장 직접적으로 배기 가스에 노출되어 있다. 마지막으로 언급한 노즐 영역은 터빈 에서 압축기(compressor)로 가동축이 연결되어 밀봉(sealing) 시키는 부분으로 2 건의 균열이 확인되었다.
3.2 균열의 원인 해석
Fig. 7은 균열의 시발점으로 판단되는 부분을 촬영한 것이 다. 그 중 Fig. 7의 (a)와 (b)는 밸브 시트에서 발생한 균열 의 시발점으로서 동심원 모양의 파형(waveform)을 제외하면 상당히 평형한 면을 유지하고 있다. 이러한 단면은 일반적인 피로파괴에 의한 형상과 거의 동일하다[5]. 밸브 시트에서 발 생한 균열은 거의 유사한 형태의 시발점을 가지고 있기 때문 에 피로파괴를 유발할 수 있는 요인에 대하여 분석해 보았다.
Fig. 8은 터빈휠의 회전수에 따라 배기가스의 온도 및 작
Fig. 5. Optical microstructure of turbine housing; (a) magnification × 1.0k, (b) magnification 4.0k.
동소음을 측정하기 위해 실시한 가스벤치 실험 기기와 온도 결과이다. 배기가스의 온도는 터빈을 통과한 직후의 온도로서 최대 830oC에서 공회전 상태 가정 시, 300oC내외로 큰 온
도 범위를 가지는 것을 확인하였다. 이 자료를 바탕으로 열 유체 해석을 실행하여 Fig. 9의 결과를 얻었다. 여기에서 밸 브 시트와 스크롤은 가동할 때와 공회전 시에 온도변화가 크 게 나타난다. 이러한 온도 차는 내구시험 중 반복적인 열응 력을 발생시킬 것이다. 또한 무음실에서 터빈휠이 200,000 rpm의 속도로 가동 중일 때의 평균 소음은 80.3 dBA로 측 정되었다. 소음은 진동을 의미하므로 열응력만이 아니라 기계 적인 응력 또한 가중되어 피로파괴를 유발하였을 것으로 판 단된다.
그에 반해 Fig. 7의 (c)와 (d)는 각각 스크롤과 노즐 부위
Table 2. Number of cracks in the turbine housing at each location.
Fig. 6. The cracking area of turbine housing; (a) & (b) valve seat, (c) & (d) scroll, (c) & (f) nozzle area.
Fig. 7. SEM images of crack starting point; (a) & (b) valve seat, (b) scroll, (c) nozzle area.
에서 생성된 균열의 대표적인 시발점 촬영 사진이다. 이 스 크롤과 노즐 부위의 균열 시발점은 밸브 시트의 경우와는 다 르게 평탄하지 않다. Fig. 7의 (c)에서는 수지상을 연상시키 는 굴곡진 형태가 관찰되며, (d)에서는 결정립 사이사이에 틈 이 생성된 것처럼 보인다. 이러한 형상은 부식에 의한 것으 로 예상되었다[6,7]. 따라서 이를 확인하기 위해 유사한 부위 에서 생성된 균열을 이용하여 심층적으로 분석하였다.
Fig. 10은 스크롤 부위에서 생성된 균열 중 하나로서 (a) 에서는 산화 피막(scale)이 형성되어 부식이 심하게 진행되었 다는 것을 알 수 있다. Fig. 10의 (b)는 (a)의 파단면을 연 마하여 미세조직을 확인 한 것으로서 입계 부식을 확인하였
다. 부식이 심하게 진행된 부분을 SEM으로 확대 촬영한 것 이 Fig. 10의 (c)로서 결정립 사이에 유격이 발생한 것을 관찰 할 수 있다.
그리고 유사하게 부식에 의해 균열이 발생한 것으로 예상 되는 노즐 부위의 균열을 Fig. 11과 같이 횡단면으로 분석하 였다. 이 노즐 부위의 균열을 Fig. 11의 (c)와 같이 시편을 채취하여 연마 후, SEM으로 관찰하여 Fig. 11의 (a)와 같은 사진을 얻었다. 여기에서 균열이 터빈 하우징을 완전히 관통 하였다는 것을 알 수 있다. 또한 균열 주변부에 어둡게 나타 나는 부분이 관찰된다. 이러한 명암차이는 성분의 차이에 의 한 이차전지의 에너지 준위의 변화로 인해 나타난다. 그리고 Fig. 11의 (b)에서 EDS를 통해 확인된 산소분포와 (a)에서의 어두운 부분은 거의 일치한다. 즉, 어두운 영역은 산화된 영 역이라고 할 수 있으며, 터빈 하우징의 내측에 해당되는 부 분에서 더 많이 관찰된다. 따라서 이 균열에서의 부식은 배 기가스에 의한 것으로 판단된다.
3.3 균열의 성장
터빈 하우징에 균열이 생성되는 부위는 주로 3 부분이며, 원인은 크게 피로파괴와 입계부식에 의한 것으로 구분 할 수 있었다. 그러나 Fig. 12와 같이 모든 균열의 파단면에서 파 형이 관찰되었다. 이러한 파형은 주로 반복적인 응력 사이클 에 의해 점진적으로 균열이 성장할 때 생성되는 것이다. Fig.
13은 일반적인 취성파괴와 열적 사이클에 의한 파단면의 사 진이다. 취성파괴인 Fig. 13의 (a)에서는 균열 시발점에서부 터 계곡 형상이 방사형으로 퍼져있으며. 반복적인 열응력 발 생으로 점진적으로 성장한 균열인 (b)에서는 파형이 생성됨을 알 수 있다[8,9].
피로파괴에 의해 균열이 생성되더라도 균열의 성장이 취성 파괴 형식으로 일어난다면 파단면은 계곡형상의 무늬가 관찰 될 것이다[5]. 그러나 열이나 기계적인 원인 등으로 반복적인 응력이 발생하여 균열이 점진적으로 성장한다면 균열의 시발 점에서부터 동심원 형상으로 파형이 생성된다[10]. 또한 성장
Fig. 8. Measurement of simulation setting conditions; (a) gas bench used in the experiment, (b) thermal history of exhaust gas by rpm of
turbocharger.
Fig. 9. The result of turben houzing temperature simulation after 80
seconds at the exhaust gas having a maximum or minimum
temperature; (a) scroll at max-temperature, (b) valve seat at
max-temperature, (c) scroll at min-temperature, (d) valve
seat at min-temperature.
도중 인접한 균열과 접촉하면 이 파형은 하나로 합쳐지며, 더 큰 동심원 형태로 변화한다[11].
실제로 파단면 전체에 걸쳐 파형이 동심원 형상을 나타내 고 있는지를 확인하기 위하여 여러 장의 SEM 촬영사진을 하나로 병합한 것이 Fig. 14이다. 세 가지의 사진은 각기 다 른 부위의 균열이지만 모두 취성파괴에 의한 골짜기 형상이 나타나지 않고 파형이 관찰되었다. 그리고 파형은 균열의 시 발점에서부터 동심원을 형성하고 있으며, 인접한 시발점에서 출발한 파형과 접촉 시, 병합되는 형태도 확인하였다. 즉, 균 열이 발생하는 원인이 달라도 성장하는 원리는 동일한 것으 로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 차량용 터빈 하우징에서 나타나는 균열의 발생과 성장의 원인을 알아내고자 하였다. 그래서 엔진 벤치
머신을 이용하여 500 시간동안 3 분간 가동, 2 분간 휴식을 반복하는 내구시험을 5회 반복 실시하여 생성된 균열을 관찰 하였다. 이렇게 생성된 균열의 파단면을 관찰 및 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 내구시험에 의해 터빈 하우징의 밸브 시트와 스크롤 부 위에서 각각 4 건과 5 건으로 균열이 집중적으로 발생하였 다. 그 외에 2 건의 균열은 노즐 부위에서 확인되었다.
2) 밸브 시트 부분에서는 일반적인 피로파괴와 유사한 균 열의 시발점이 관찰되었다. 터보차저의 가동 시에 통과하는 약 830oC의 배기가스에 의한 열응력과 200,000 rpm으로 터 빈축이 회전할 때 발생하는 평균 80.3 dBA의 소음은 터빈 하우징에서 피로파괴가 발생하기에 충분한 요인으로 생각된다.
또한 밸브 시트 부분은 급격히 변화하는 곡률과 두께 변화가 심한 형상에 의하여 응력의 집중처가 되어 다수의 균열이 생 성된 것으로 판단된다.
3) 터빈 하우징 내부에서 얇은 판과 같은 형상을 가지고
Fig. 11. Analysis of the cross-section of crack in the nozzle area; (a) SEM image(SE mode), (b) oxygen mapping by EDS (c) specimen used in
the experiment.
Fig. 10. Analysis of crack starting point of the scroll; (a) corroded facture surface, (b) optical microstructure, (c) SEM image.
Fig. 12. SEM images of waveform in fracture surface; (a) valve seat, (b) scroll, (c) nozzle area.
있는 스크롤은 배기가스에 많이 노출되는 부분이다. 이 부분 에서 발생한 균열의 시발점에서는 입계부식이 진행된 것을 확인 할 수 있었다. 발생건수는 적으나 노즐 부위 역시 부식
이 논문은 2015학년도 경북대학교 복현학술연구비에 의하 여 연구되었음.
References
