KR102880816B1 - 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법 - Google Patents

Abstract

헤드부와 스템부를 갖는 선박 엔진용 배기밸브 스핀들을 제조하는 방법을 제시하며, 니켈이 함유된 합금소재로 이루어지고, 소정의 길이를 갖는 환봉 형태의 빌렛을 제작하는 단계; 상기 빌렛을 전기 업세팅 장치로 가공하여 상기 빌렛의 선단부의 직경을 확장시키는 단계; 직경이 확장된 상기 빌렛의 선단부를 열간 단조방식으로 가공하여 예비헤드부를 형성하는 단계; 상기 예비헤드부가 형성된 상기 빌렛을 소정의 온도에서 소정의 시간동안 열처리하는 단계; 및 상기 예비헤드부를 절삭가공하여 상기 헤드부를 완성하는 단계를 포함한다.

Description

선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR EXHAUST VALVE SPINDLE OF MARINE ENGIN}

본 명세서에서 개시되는 실시예들은 선박 엔진용 배기밸브 스핀들 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내마모성 및 내식성이 요구되는 선박 엔진의 배기밸브로 사용되는 스핀들의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 컨테이너선이나 탱커 또는 벌크선과 같은 대형 선박에 사용되는 엔진 부품 중 하나인 배기밸브는 고부하에서 작동하도록 설계되었으나, 근래에 들어서는 연료 효율을 개선하기 위하여 낮은 부하에서 작동하도록 설계되고 있다.

이러한 선박용 디젤엔진의 배기밸브 스핀들은 엔진의 배기포트를 개폐하는 헤드부와, 이 헤드부의 직선 왕복운동을 가이드하는 스템부로 구성되어 있으며, 엔진의 실린더 내에서 연료가 폭발할 때에는 상부로 이동하여 실린더의 기밀을 유지하고, 폭발 후에는 하부로 이동하여 연소가스를 배기포트로 배출하는 부품이다.

이러한 선박엔진의 배기밸브 스핀들은 고온 고압의 환경에 노출되어 있기 때문에 고온에서의 높은 강도와 내식성 및 내마모성이 요구되고 있다.

종래기술의 배기밸브 스핀들은 대한민국 등록특허공보 제10-0543295호에 개시된 바와 같이 내열 합금소재로 헤드부를 별도로 제작하여 스템부에 용접을 통해 접합하여 제작하였다.

그러나 상기와 같은 접합방식은 제조과정이 복잡하고, 접합부위의 강도가 약화되어 내구성이 저하되는 문제점이 있다.

한편, 최근에는 고온특성이 우수한 니켈(Ni) 합금인 니모닉(Nimonic) 80A나 인코넬(Inconel 625, Inconel 718)을 사용하여 배기밸브 스핀들을 제작하고 있으나 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금의 사용량이 많아지게 되어 제조비용을 절감하는데 한계가 있었다.

또한, 종래에는 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0091833호에 개시된 바와 같이 압연 및 단조의 공정을 통해 계단식 환봉을 형성한 후 밸브로 제작하였다.

그러나, 상기와 같은 종래기술은 계단식 환봉을 자유단조나 로타리포징(rotary forging) 방식으로 제작하기 때문에 연속작업이 불가능하며, 이에 따라 생산속도가 늦어서 대량생산이 어려운 문제점이 있다.

이에 따라, 상기와 같은 선행기술의 한계점을 극복하기 위한 새로운 기술이 요구되고 있다.

한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 명세서에서 개시되는 실시예들은, 헤드부와 스템부를 갖는 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제시하는 데 목적이 있다.

특히, 본 명세서에서 개시되는 실시예들은, 헤드부와 스템부를 접합하지 않고 빌렛의 선단부를 전기 업세팅 가공하여 헤드부를 형성함으로써 제조과정의 단순화를 통해 생산속도를 향상시킬 수 있는 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제시하는 데 목적이 있다.

또한, 본 명세서에서 개시되는 실시예들은, 초내열성을 갖는 니켈계 합금소재를 이용하여 스핀들을 제조함으로써 스핀들의 내구성과 함께 내식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있는 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제시하는 데 목적이 있다.

또한, 본 명세서에서 개시되는 실시예들은, 업세팅 가공에 의해 형성되는 예비헤드부의 표면에 별도의 니켈합금을 용착시켜 가공함으로써 헤드부의 내식성 및 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있고, 니켈합금의 용접부를 복수로 구성하여 예비헤드부에 부분적으로 형성하면서 각 부분의 니켈 함량을 서로 다르게 형성함으로써 헤드부의 내식성 및 내마모성을 부분적으로 향상시킬 수 있는 선박 엔진용 스핀들의 제조방법을 제시하는 데 목적이 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법의 일 실시예는, 헤드부와 스템부를 갖는 선박 엔진용 배기밸브 스핀들을 제조하는 방법에 있어서, 니켈이 함유된 합금소재로 이루어지고, 소정의 길이를 갖는 환봉 형태의 빌렛을 제작하는 단계; 상기 빌렛을 전기 업세팅 장치로 가공하여 상기 빌렛의 선단부의 직경을 확장시키는 단계; 직경이 확장된 상기 빌렛의 선단부를 열간 단조방식으로 가공하여 예비헤드부를 형성하는 단계; 상기 예비헤드부가 형성된 상기 빌렛을 소정의 온도에서 소정의 시간동안 열처리하는 단계; 및 상기 예비헤드부를 절삭가공하여 상기 헤드부를 완성하는 단계를 포함하는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법.

또한, 상기 합금소재는, 탄소 0.00 내지 0.10중량%, 규소 0.00 내지 1.00중량%, 크롬 37.00 내지 39.00 중량%, 구리 0.00 내지 0.05 중량%, 알루미늄 3.00 내지 4.00중량% 및 니켈 잔여량을 포함할 수 있다.

또한, 상기 빌렛을 제작하는 단계는, 상기 환봉을 규격된 길이로 절단하는 단계; 및 절단된 상기 환봉의 길이방향 양단부 중 적어도 하나의 단부의 모서리 둘레를 깎아서 면취가공하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계를 수행하는 상기 전기 업세팅 장치는, 상기 빌렛을 이동 가능하게 지지하면서 전극 중 하나를 이루는 클램프전극과, 상기 빌렛의 선단부를 지지하면서 전극 중 나머지 하나를 이루는 앤빌과, 상기 빌렛의 후단부 쪽에 배치되어 상기 앤빌 방향으로 이동하면서 상기 빌렛을 가압하는 가압실린더와, 상기 앤빌을 이동 가능하게 지지하면서 상기 가압실린더와 동일한 방향으로 이동하되 상기 가압실린더와 다른 속도로 이동하는 후퇴실린더를 포함할 수 있다.

또한, 상기 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계는, 상기 클램프전극에 상기 빌렛을 고정하는 단계; 상기 클램프전극과 상기 앤빌 중 하나에 전류를 인가하여 발생하는 전기 저항열을 통해 상기 빌렛을 가열하는 단계; 및 상기 가압실린더를 상기 앤빌 쪽으로 이동시켜 상기 빌렛을 가압하고, 상기 후퇴실린더를 상기 가압실린더와 동일한 방향으로 이동시키면서 가압실린더보다 느린 속도로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 예비헤드부를 형성하는 단계는, 직경이 확장된 상기 빌렛의 선단부를 950 ~ 1100의 온도로 20분 이상 예열하는 단계; 예열된 상기 빌렛의 선단부를 금형에 장입 후 가압하여 상기 예비헤드부로 단조하는 단계; 및 단조된 상기 예비헤드부를 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제조방법은, 상기 예비헤드부를 형성하는 단계의 이후에 수행되고, 상기 예비헤드부의 표면에 소정의 깊이를 갖는 복수의 제1 용접홈을 형성하는 단계; 상기 제1 용접홈에 니켈합금을 용착시키면서 상기 예비헤드부의 표면에 제1용접부를 형성하는 단계; 상기 예비헤드부 및 상기 제1 용접부의 둘레에 소정의 깊이를 갖는 제2 용접홈을 형성하는 단계; 상기 제2 용접홈에 니켈합금을 용착시키면서 상기 예비헤드부 및 상기 제1 용접부의 둘레에 제2 용접부를 형성하는 단계; 상기 예비헤드부의 시트면에 소정의 깊이를 갖는 제3 용접홈을 형성하는 단계; 및 상기 제3 용접홈에 니켈합금을 용착시키면서 상기 예비헤드부의 시트면에 제3 용접부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 용접부는, 상기 제2 용접부 및 상기 제3 용접부보다 상대적으로 많은 함량의 니켈을 포함하고, 상기 제2 용접부는, 상기 제3 용접부보다 상대적으로 많은 함량의 니켈을 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들은, 상기의 제조방법 중 어느 하나에 의해 제조될 수 있다.

전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 헤드부와 스템부를 갖는 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제시할 수 있다.

특히, 전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 빌렛의 선단부를 자유단조나 로타리포징(rotary forging) 방식으로 가공하지 않고 전기 업세팅 방식으로 가공하고 직경을 확장시킴으로써 생산속도가 상대적으로 빠르고 연속작업을 통한 대량생산이 가능한 선박엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제시할 수 있다.

또한, 전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 초내열성을 갖는 니켈계 합금소재를 이용하여 스핀들을 제조함으로써 스핀들의 내구성과 함께 내식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 예비헤드부의 표면에 별도의 니켈합금을 용착시켜 가공할 경우에는 헤드부의 내식성 및 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있는 선박 엔진용 스핀들의 제조방법을 제시할 수 있다.

개시되는 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 개시되는 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법 중 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법 중 예비헤드부를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 나타내는 모식도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 상이한 형태로 변형되어 실시될 수도 있다. 실시예들의 특징을 보다 명확히 설명하기 위하여, 이하의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서 자세한 설명은 생략하였다. 그리고, 도면에서 실시예들의 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성이 어떤 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법을 나타내는 모식도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법 중 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계를 나타내는 모식도이고, 도 4는 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법 중 예비헤드부를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.

일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들(10)은 컨테이너선이나 탱커 또는 벌크선과 같은 대형 선박의 엔진에 설치되어 엔진 피스톤의 행정에 따라 배기포트를 개폐하기 위한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 헤드부(100) 및 스템부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 배기밸브 스핀들(10)은 엔진의 폭발행정 시 우산형태를 이루는 헤드부(100)가 상승하면서 시트면(상부면)을 통해 배기포트를 차폐하고, 폭발행정 후 헤드부(100)가 하강하면서 배기포트를 개방할 수 있으며, 헤드부(100)의 이동을 스템부(200)가 가이드할 수 있다.

일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들(10)의 제조방법(S10)은 도 1에 도시된 바와 같이 빌렛을 제작하는 단계(S100), 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계(S200), 예비헤드부를 형성하는 단계(S300), 빌렛을 열처리하는 단계(S400), 빌렛을 절삭 가공하는 단계(S500)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 빌렛을 제작하는 단계(S100)는 스핀들(10)의 제조를 위해 모재가 되는 빌렛(1)을 소정의 길이로 제작하는 단계이다.

구체적으로, 빌렛을 제작하는 단계(S100)는 입고된 소재를 가공하여 환봉을 제작한 후(S110), 환봉을 규격된 길이로 절단(S120)할 수 있으며, 절단된 환봉의 단부를 면취가공하는 단계(s130)를 포함하여 수행될 수 있다.

상기 환봉을 제작하는 단계(S110)는 니켈(Ni)을 함유하는 합금소재를 가공하여 환봉을 제작할 수 있다.

여기서, 상기 환봉을 제작하는 단계(S110)는 하기의 [표 1]에 기재된 합금소재를 혼합하여 환봉을 제작할 수 있다.

즉, 합금소재는 탄소(C), 규소(Si), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni)을 포함하여 구성되어 환봉으로 제작될 수 있다.

C(탄소)는 탄화물을 형성하고 고온강도를 높이며 내마모성을 개선시키기 때문에 0.2 중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.2중량%를 초과하면 인성 및 연성이 낮아지므로 그 함량을 0.10중량% 이하로 한정할 수 있다.

Si(실리콘)은 탈산제로서 첨가하지만 다량 첨가하면 강도 및 인성이 저하되기 때문에 그 함량을 1.0 중량% 이하로 한정할 수 있다.

Cr(크롬)은 고온 내식성을 확보하기 위해 혼합될 수 있으며, 그 함량을 37.00~39.00중량%로 한정할 수 있다.

구리(Cu)는 내식성 확보를 위해 혼합될 수 있으며, 0.05중량% 이하로 한정할 수 있다.

알루미늄(Al)은 가벼우면서 높은 강도를 제공하기 위한 것으로, 그 함량이 3.00~4.00중량%로 한정할 수 있다.

니켈(Ni)은 고온강도 및 내식성을 개선시키는 것으로, 그 함량을 전술한 성분 및 기타 불가피한 불순물과 함께 100중량%를 이룰 수 있다. 이러한 니켈(Ni) 합금은 상대적으로 높은 내식성 및 내마모성을 가지므로 스핀들(10)의 내구성이 향상될 수 있다.

한편, 환봉을 이루는 합금소재는 니모닉(Nimonic) 80A로 알려진 NiCr20TiAl합금이나, 인코넬(Inconel) 625로 알려진 NiCr22Mo9Nb 또는 인코넬(Inconel) 718로 알려진 NiCr19Fe18Nb 합금으로 제작될 수 있으며, DSA760으로 불리는 NiCr38Al4 합금으로 제작될 수도 있다.

이와 달리, 환봉은 스테인리스 강 합금소재로 구성될 수 있으며, 예를 들어 내열성과 부식성이 우수한 SNCrW 소재로 구성될 수도 있다.

여기서, 상기 SNCrW는 중량부로 C:0.2~0.3중량부, Si:1.0~2.0중량부, Mn:0.75~1.35 중량부, Cr:18~20 중량부, Ni:8~10 중량부, W:1.6~2.5 중량부, 잔량부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.

환봉을 제작하는 단계(S110)에서는 빌렛(1) 길이의 2~3배의 길이로 제작될 수 있다.

상기 환봉을 규격된 길이로 절단하는 단계(S120)는 환봉을 규격된 길이로 절단하는 단계이다. 구체적으로, 환봉을 규격된 길이로 절단하는 단계(S120)에서는 띠톱(Band saw)를 이용하여 환봉을 규격된 길이로 절단할 수 있다.

상기 면취가공하는 단계(S130)는 규격된 길이로 절단된 환봉의 양단부 중 적어도 하나의 단부의 모서리 둘레를 깎는 단계이다.

구체적으로, 면취가공하는 단계(S130)는 절단된 환봉의 양단부의 모서리를 절삭기로 모따기하여 모서리 둘레를 면취함으로써 빌렛(1)의 제작을 완료할 수 있다.

이러한 면취가공하는 단계(S130)는 후술되는 업세팅장치(50)를 통해 빌렛(1)을 가공하는 과정에서 업세팅장치(50)를 구성하는 앤빌(51)의 부하를 감소시키고 예비 성형품의 표면 터짐을 예방할 수 있다.

상기 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계(S200)는 빌렛(1)의 선단부에 헤드부(100)를 성형하기 위하여 빌렛(1)의 선단부의 직경을 확장시키는 단계이다.

이러한 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계(S200)는 도 3에 도시된 바와 같이 전기 업세팅 장치(50)를 통해 빌렛(1)의 선단부를 가공하여 빌렛(1)의 선단부 직경을 확장시킴으로써 빌렛(1)의 선단부를 덩어리 형태로 성형할 수 있다.

즉, 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계(S200)는 자유단조나 로타리포징(rotary forging) 방식으로 가공했던 기존 방식을 벗어나 전기 업세팅 가공(Electrical upset forming)함으로써 생산속도가 상대적으로 빠르고 연속작업을 통한 대량생산을 도모할 수 있다.

구체적으로, 전기 업세팅 가공은 재결정(recrystallization) 온도로 가열, 가압하여 소성변형을 주는 공정이며, 횡으로 유동이 생겨 단면 형상이 커지는 원리 (Bulging)를 이용하는 기술로서 최종적으로 양파 모양이나 문 손잡이 모양의 원통으로 성형할 수 있다. 이러한 전기 업세팅 가공은 환봉을 사용함으로 연속적인 성형 작업이 가능하고, 가열에 의한 스케일 발생이 적고, 성형부의 체적량을 정밀하게 조정할 수 있으며, 재료의 결정립 흐름(grain flow)의 연속성이 유지되고 결정립(grain)이 미세하게 되어 밸브 스핀들의 피로 강도와 기계적 성질이 우수한 성형 공법이다.

여기서, 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계(S200)는 도 3에 도시된 바와 같이 전기 업세팅 장치(50)를 이용하여 수행될 수 있으며, 전기 업세팅 장치(50)는 도 3에 도시된 바와 같이 클램프전극(51), 앤빌(52), 가압실린더(53) 및 후퇴실린더(54)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 클램프전극(51)는 업셋 작업을 위해 빌렛(1)을 이동 가능하게 지지하면서 빌렛(1)의 가열을 위한 전극 중 하나의 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 클램프전극(51)은 좌우 분할 형성되어 빌렛(1)이 후술되는 앤빌(52)과 맞닿도록 잡아주면서 빌렛(1)의 이동을 가이드할 수 있으며, 높은 전기 전도율과 인장 강도를 확보하기 위해 인청동(phosphor bronze)과 베릴륨 동(beryllium copper)과 같은 동 합금을 주로 사용하여 제작될 수 있다.

상기 앤빌(52)은 클램프전극(51)와 함께 전극의 기능을 수행하면서 빌렛(1)의 선단부를 지지하는 구성요소이다. 이러한 앤빌(52)은 열 전도율이 낮고 전기 전도도가 우수하고 고온, 고압에서 변형이 적은 공구강 SCM440을 사용하여 제작될 수 있으며, 고온 고압을 받은 앤빌 표면은 손상되기 때문에 일정 시간 사용 후 손상 부위를 재 가공하여 사용할 수 있다.

상기 가압실린더(53)는 빌렛(1)을 앤빌(52)쪽으로 가압하는 구성요소로, 빌렛(1)의 후단부 쪽에 이동 가능하게 배치되어 빌렛(1)의 후단부를 지지하며, 앤빌(52) 방향으로 이동하면서 빌렛(1)을 가압할 수 있다.

상기 후퇴실린더(54)는 앤빌(52)을 이동가능하게 지지하면서 가압실린더(53)와 함께 이동하여 빌렛(1)의 선단부를 가공하는 구성요소이다. 구체적으로, 후퇴실린더(54)는 앤빌(52)을 지지한 상태로 가압실린더(53)와 동일한 방향으로 이동하되 가압실린더(53)보다 상대적으로 느린 속도로 이동하면서 속도 차를 통해 빌렛(1)의 선단부 직경을 확장시킬 수 있다.

구체적으로, 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계(S200)는 도 3에 도시된 바와 같이 전기 업세팅 장치(50)를 구성하는 클램프전극(51)에 빌렛(1)을 고정할 수 있다(S210).

이때, S210단계에서는 클램프전극(51)에 빌렛(1)을 고정시킨 후, 가압실린더(53)를 작동시켜서 빌렛(1)의 선단부를 앤빌(52)에 밀착시킬 수 있으며, 후퇴실린더(54)를 앤빌(52)에 밀착시킬 수 있다.

그리고 S210단계가 수행된 후에는 클램프전극(51)와 앤빌(52)에 각각 전류를 인가함으로써 빌렛(1)을 가열할 수 있다(S220).

이에 따라, 빌렛(1)은 클램프전극(51)와 앤빌(52)에 전류가 공급됨으로써 클램프전극(51)과 앤빌(52)의 사이 부분이 고온으로 가열될 수 있다.

이때, S220단계에서는 앤빌(52)과 클램프전극(51)로 전류를 제공하면서 전류를 조절할 수 있으며, 클램프전극(51)와 앤빌(52)의 거리 변화에 따라 전류의 변화를 감지하면서 전류를 균일하게 제어할 수 있다.

그리고, S220단계가 수행된 후에는 가압실린더(53)를 작동시켜 앤빌(52) 쪽으로 이동시키면서 빌렛(1)을 앤빌(52) 쪽으로 가압하면서 후퇴실린더(54)를 이동시킬 수 있다(S230).

이때, S230단계에서는 가압실린더(53)가 앤빌(52)쪽으로 이동하면서 빌렛(1)을 가압할 수 있으며, 후퇴실린더(54)가 가압실린더(53)와 동일한 방향으로 이동하되 가압실린더(53)보다 느린 속도로 이동하면서 앤빌(52)을 이동시킬 수 있다.

이에 따라, 빌렛(1)은 앤빌(52) 및 클램프전극(51)의 전류에 의해 계속 가열되면서 후퇴실린더(54)에 의해 가압되므로 선단부의 직경이 점점 커지면서 덩어리 형태로 뭉쳐질 수 있다.

좀 더 구체적으로, 빌렛(1)은 +, - 전극을 이루는 클램프전극(51)과 앤빌(52) 사이에서 발생하는 전기 저항열에 의해서 가열된다. 가열된 빌렛(1)은 재료의 유동 응력이 급속히 감소하면서 가압실린더(53)와 후퇴실린더(54)의 속도 차이에 의해 환봉의 끝이 둥근 양파 형태로 변형되면서 원래의 직경에서 1.8 ~ 2.2배의 직경으로 확장될 수 있다.

빌렛(1)을 이루는 Ni계 합금소재는 980 ~ 1090℃ 온도에서 소성 변형에 대한 저항성이 낮게 되어, 해당 온도 구간에서 성형이 되도록 하기 위해 적절한 전류를 인가 해야 한다. 전류는 표면효과에 의해 표면에서부터 내부 심부 층까지 흘러가며, 표면의 온도는 환봉의 중심부 보다 높고, 열전도에 의해 심부까지 가열 된다. 빌렛(1)은 후퇴실린더(54)의 이동 속도에 따라 앤빌(52)과 맞닿아 있는 부분은 온도가 떨어지게 되고 클램프전극(51)에 맞닿아 있는 부분은 고온을 유지하게 된다. 형상은 가압 실린더와 후퇴 실린더의 속도 차이에 의해 결정된다. 이때, 후퇴실린더(54)의 속도가 상대적으로 빠르면 빌렛(1)의 선단부 직경은 원래 직경에 비해 크게 증가되지 않으며, 성형 형상은 길이가 늘어난 형태가 된다. 후퇴실린더(54)의 속도가 상대적으로 느리면, 빌렛(1)의 선단부 직경은 증가되고 길이는 짧아지게 된다. 또한 이때, 가압실린더(53)의 속도가 빌렛(1) 선단부의 변형 속도보다 빠를 경우 빌렛(1)의 표면에 주름이 발생하게 되고, 그 주름은 열간 단조 시 제품 표면에 그대로 남게 될 수 있으므로 열간 단조를 위한 적절한 형상을 구현하기 위해서는 가압 속도와 후퇴 속도의 비율이 중요하다.

상기와 같은 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계(S200)를 통해 가공된 빌렛(1)은 선단부의 직경이 2배 이상으로 확장되는 것이 바람직하다.

상기 예비헤드부를 형성하는 단계(S300)는 전술한 업세팅 가공하는 단계(S200)에 의해 덩어리 형태로 직경이 확장된 빌렛(1)의 선단부를 열간 형단조 방식으로 1차 성형하여 예비헤드부(101)를 성형하는 단계이다.

이러한 예비헤드부를 형성하는 단계(S300)는 도 2에 도시된 바와 같이 빌렛(1)의 선단부를 단조금형(30)에서 열간 단조방식으로 가공하여 예비헤드부(101)를 성형할 수 있다.

구체적으로, 예비헤드부를 형성하는 단계(S300)는 도 4에 도시된 바와 같이, 예열하는 단계(S310), 단조하는 단계(S320) 및 냉각시키는 단계(S330)를 포함하여 수행될 수 있다.

상기 예열하는 단계(S310)에서는 직경이 확장된 빌렛(1)의 선단부를 가열로에 투입하여 950~1100℃로 20분 이상 가열할 수 있다. 이때에는 빌렛(1)의 합금소재가 갖는 결정립(grain)이 성장하지 않는 온도 범위에서 짧은 시간 가열할 수 있으며, 밸브 스핀들(10)의 결정 입도(grain size)는 ASTM Grain size NO.4 이상 요구된다.

상기 단조하는 단계(S320)에서는 예열된 빌렛(1)의 선단부를 헤드부(100)의 예비성형단계인 예비헤드부(101)로 가공하는 단계로, 도 2에 도시된 바와 같이 선단부가 예열된 빌렛(1)을 단조금형(30)에 장입하여 단조함으로써 예비헤드부(101)를 성형할 수 있다.

이때, S320단계에서는 단조금형(30) 내부에 열간 단조용 이형제를 도포 하거나 금형과 소재 간의 온도 차이를 줄이기 위해 단열재를 사용하여 단조를 수행할 수도 있다.

상기 냉각시키는 단계(S330)에서는 전술한 S320단계에 의한 열간 단조된 빌렛(1)을 냉각시키는 단계로서, 열간 단조 시 빌렛(1)의 표면은 심부보다 냉각 속도가 빠르고 심부는 상대적으로 냉각 속도가 느려서 결정립 성장이 일어나게 되므로 빌렛(1)을 수냉처리 또는 상온에서 공냉 처리할 수 있다.

상기 열처리하는 단계(S400)는 전술한 S300단계를 통해 예비헤드부(101)가 형성된 빌렛(1)을 시효 경화가 이루어지도록 열처리하는 단계이다.

빌렛(1)을 이루는 합금소재는 불연속 석출에 의해 형성된 γ/γ'(Ni₃Al)층과 α-Cr상이 층으로 구성된 미세한 lamellar 구조로 이루어진 소재로 Cr의 입계 확산으로 인해 생성되며, 고온에서는 γ상을 이루고 있어 가공성이 좋다. 또한, Cr의 함량이 높아 다양한 부식환경에서 높은 내식성을 보이고, α-Cr상이 높은 탄성변형을 일으키며 고 경도가 지속 가능하다. 또한 α-Cr상과 γ상의 lamellar 구조 사이 폭의 크기가 증가됨에 따라 기계적 강도가 증가하게 된다.

이때, 열처리하는 단계(S400)에서는 빌렛(1)을 가열로에 투입하여 800℃로 24시간동안 유지시켜 열처리할 수 있다.

S400단계를 수행한 빌렛(1)은 아래의 [표 2]와 같은 기계적 특성을 얻을 수 있다.

상기 헤드부를 완성하는 단계(S500)는 전술한 S300단계 및 S400단계에 의해 성형된 예비헤드부(101)를 절삭 가공하여 스핀들(10)의 헤드부(100)를 완성하는 단계이다.

이때, 헤드부를 완성하는 단계(S500)는 예비헤드부(101)를 황삭하는 가공을 수행하여 예비헤드부(101)를 1차로 절삭하고, 다시 롤링가공 및 정삭가공을 통해 예비헤드부(101)를 절삭하여 헤드부(100)로 성형할 수 있다.

상기와 같이 헤드부(100)가 성형된 빌렛(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 S600단계를 통해 샤프트부분을 가공하여 스핀들(10)의 스템부(200)가 성형될 수 있다.

S600단계에서는 빌렛(1)의 샤프트부분이 스템부(200)에 대응하는 외경을 갖도록 정삭가공하여 스템부(200)를 성형할 수 있으며, 샤프트의 일부분에 내식성 및 내마모성을 갖는 합금분말(201)을 코팅한 후, 코팅된 샤프트를 연삭가공 및 랩핑가공하여 스템부(200)를 완성할 수 있다.

한편, 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법(S10)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 전술한 예비헤드부(101)에 복수의 니켈합금 용접부를 형성하는 단계를 더 포함하여 수행될 수 있다.

즉, 일 실시예에 따른 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법(S10)은 도 5에 도시된 바와 같이 전술한 예비헤드부를 형성하는 단계(S300)를 수행한 후 수행되는 제1 용접홈을 형성하는 단계(S710), 제1 용접부를 형성하는 단계(S720), 제2 용접홈을 형성하는 단계(S730), 제2 용접부를 형성하는 단계(S740), 제3 용접홈을 형성하는 단계(S750) 및 제3 용접부를 형성하는 단계(S760)를 더 포함하여 수행될 수 있다.

상기 제1 용접홈을 형성하는 단계(S710)는 예비헤드부(101)의 표면, 즉 도면 상 하부면에 소정의 깊이를 갖는 복수의 제1 용접홈(71)을 형성하여 니켈합금의 제1 용접부(72)의 용착부위를 형성하는 단계이다.

이때, 제1 용접홈을 형성하는 단계(S710)는 대략 원판형을 이루는 예비헤드부(101)의 표면(하부면)에 복수의 동심원을 이루도록 제1 용접홈(71)을 형성할 수 있다.

상기 제1 용접부를 형성하는 단계(S720)는 제1 용접홈(71)에 니켈합금을 용착시키면서 예비헤드부(101)의 표면에 제1 용접부(72)를 형성하는 단계이다.

즉, 제1 용접부를 형성하는 단계(S720)는 예비헤드부(101)의 표면에 니켈합금의 용접비드를 다층으로 형성하여 니켈합금의 제1 용접부(72)를 형성할 수 있으며, 이때 제1 용접부(72)는 예비헤드부(101)의 표면에 형성된 복수의 제1 용접홈(71)에 용착됨으로써 좀 더 견고하게 용착될 수 있다.

상기 제2 용접홈을 형성하는 단계(S730)는 예비헤드부(101) 및 제1용접부(72)의 둘레에 소정의 깊이를 갖는 복수의 제2 용접홈(73)을 형성하여 니켈합금의 제2 용접부(74)의 용착부위를 형성하는 단계이다.

이때, 제2 용접홈을 형성하는 단계(S730)는 예비헤드부(101) 및 제1용접부(72)의 둘레를 따라 복수의 제2 용접홈(73)을 형성함으로써 예비헤드부(101) 및 제1용접부(72)의 둘레를 대략 톱니형과 같이 형성할 수 있다.

상기 제2 용접부를 형성하는 단계(S740)는 제2 용접홈(73)에 니켈합금을 용착시키면서 예비헤드부(101) 및 제1 용접부(72)의 둘레에 제2 용접부(74)를 형성하는 단계이다.

즉, 제2 용접부를 형성하는 단계(S740)는 예비헤드부(101) 및 제1 용접부(72)의 둘레에 니켈합금의 용접비드를 다층으로 형성하여 니켈합금의 제2 용접부(74)를 형성할 수 있으며, 이때 제2 용접부(74)는 복수의 제2 용접홈(73)에 용착됨으로써 좀 더 견고하게 용착될 수 있다.

상기 제3 용접홈을 형성하는 단계(S750)는 예비헤드부(101)의 시트면(상부면) 즉, 선박 엔진의 배기포트에 밀착되는 면에 소정의 깊이를 갖는 복수의 제3 용접홈(75)을 형성하여 니켈합금의 제3 용접부(76)의 용착부위를 형성하는 단계이다.

이때, 제3 용접홈을 형성하는 단계(S750)는 예비헤드부(101)의 시트면(상부면)에 복수의 동심원을 이루도록 제3 용접홈(75)을 형성할 수 있다.

상기 제3 용접부를 형성하는 단계(S760)는 제3 용접홈(75)에 니켈합금을 용착시키면서 예비헤드부(101)의 시트면에 제3 용접부(76)를 형성하는 단계이다.

즉, 제3 용접부를 형성하는 단계(S760)는 예비헤드부(101)의 시트면(상부면)에 니켈합금의 용접비드를 다층으로 형성하여 니켈합금의 제3 용접부(76)를 형성할 수 있으며, 이때 제3 용접부(76)는 복수의 제3 용접홈(75)에 용착됨으로써 좀 더 견고하게 용착될 수 있다.

제1 용접부(72), 제2 용접부(74) 및 제3 용접부(76)는 빌렛(1)을 이루는 합금소재와 동일한 합금소재로 구성될 수 있으며, 니모닉(Nimonic) 80A로 알려진 NiCr20TiAl니켈합금이나, 인코넬(Inconel) 625로 알려진 NiCr22Mo9Nb 또는 인코넬(Inconel) 718로 알려진 NiCr19Fe18Nb 니켈합금으로 제작될 수 있고, DSA760으로 불리는 NiCr38Al4 니켈합금으로 구성될 수도 있다.

한편, 배기밸프 스핀들(10)은 선박 엔진의 실린더와 대면하는 헤드부(100)의 표면(하부면)에 상대적으로 높은 온도와 압력이 가해지게 되며, 실린더의 반대편에 대면하는 시트면(상부면)에 상대적으로 낮은 온도와 압력이 가해지게 된다.

여기서, 전술한 제1 용접부(72)는 제2 용접부(74) 및 제3 용접부(76)보다 상대적으로 많은 함량의 니켈을 포함하는 합금으로 구성됨으로써 제2 용접부(74) 및 제3 용접부(76)에 비하여 상대적으로 높은 내식성 및 내마모성을 제공할 수 있다.

또한, 제2 용접부(74)는 제3 용접부(76)보다 상대적으로 많은 함량의 니켈을 포함하는 합금으로 구성됨으로써 제3 용접부(76)에 비하여 상대적으로 높은 내식성 및 내마모성을 제공할 수 있다.

상기와 같이 제1 용접부(72), 제2 용접부(74) 및 제3 용접부(76)가 형성된 이후에는 전술한 열처리하는 단계(S400) 및 헤드부를 완성하는 단계(S500)를 수행하면서 예비헤드부(101)가 제1 용접부(72), 제2 용접부(74) 및 제3 용접부(76)와 함께 절삭 가공됨으로써 헤드부(100)로 성형될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 상술한 과정을 통해 제조된 선박 엔진용 배기밸브 스핀들(10)은 헤드부(100)와 스템부(200)를 접합하거나 자유단조 방식으로 가공하지 않고, 빌렛(1)의 선단부를 전기 업세팅 방식으로 직경을 확장시켜 가공하므로 제조과정이 용이하여 대량생산이 가능하면서 내구성이 좀 더 향상될 수 있으며, 특히 니켈을 포함하는 합금소재를 이용하여 스핀들(10)을 제조함으로써 스핀들(10)의 내구성과 함께 내식성 및 내마모성을 좀 더 향상시킬 수 있다.

상술된 실시예들은 예시를 위한 것이며, 상술된 실시예들이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 상술된 실시예들이 갖는 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 명세서를 통해 보호받고자 하는 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 빌렛
10 : 스핀들
30 : 단조금형
50 : 전기 업세팅 장치
51 : 전극클램프
52 : 앤빌
53 : 가압실린더
54 : 후퇴실린더
71 : 제1 용접홈
72 : 제1 용접부
73 : 제2 용접홈
74 : 제2 용접부
75 : 제3 용접홈
76 : 제3 용접부
100 : 헤드부
101 : 예비헤드부
200 : 스템부

Claims (9)

1. 헤드부와 스템부를 갖는 선박 엔진용 배기밸브 스핀들을 제조하는 방법에 있어서,
   니켈이 함유된 합금소재로 이루어지고, 소정의 길이를 갖는 환봉 형태의 빌렛을 제작하는 단계;
   상기 빌렛을 전기 업세팅 장치로 가공하여 상기 빌렛의 선단부의 직경을 확장시키는 단계;
   직경이 확장된 상기 빌렛의 선단부를 열간 단조방식으로 가공하여 예비헤드부를 형성하는 단계;
   상기 예비헤드부를 형성하는 단계의 이후에 수행되고, 상기 예비헤드부의 표면에 소정의 깊이를 갖는 복수의 제1 용접홈을 형성하는 단계;
   상기 제1 용접홈에 니켈합금을 용착시키면서 상기 예비헤드부의 표면에 제1용접부를 형성하는 단계;
   상기 예비헤드부 및 상기 제1 용접부의 둘레에 소정의 깊이를 갖는 제2 용접홈을 형성하는 단계;
   상기 제2 용접홈에 니켈합금을 용착시키면서 상기 예비헤드부 및 상기 제1 용접부의 둘레에 제2 용접부를 형성하는 단계;
   상기 예비헤드부의 시트면에 소정의 깊이를 갖는 제3 용접홈을 형성하는 단계;
   상기 제3 용접홈에 니켈합금을 용착시키면서 상기 예비헤드부의 시트면에 제3 용접부를 형성하는 단계;
   상기 예비헤드부가 형성된 상기 빌렛을 소정의 온도에서 소정의 시간동안 열처리하는 단계; 및
   상기 예비헤드부를 절삭가공하여 상기 헤드부를 완성하는 단계를 포함하며,
   상기 제1 용접부는,
   상기 제2 용접부 및 상기 제3 용접부보다 상대적으로 많은 함량의 니켈을 포함하고,
   상기 제2 용접부는,
   상기 제3 용접부보다 상대적으로 많은 함량의 니켈을 포함하는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 합금소재는,
   탄소 0.00 내지 0.10중량%, 규소 0.00 내지 1.00중량%, 크롬 37.00 내지 39.00 중량%, 구리 0.00 내지 0.05 중량%, 알루미늄 3.00 내지 4.00중량% 및 니켈 잔여량을 포함하는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 빌렛을 제작하는 단계는,
   상기 환봉을 규격된 길이로 절단하는 단계; 및
   절단된 상기 환봉의 길이방향 양단부 중 적어도 하나의 단부의 모서리 둘레를 깎아서 면취가공하는 단계를 포함하는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계를 수행하는 상기 전기 업세팅 장치는,
   상기 빌렛을 이동 가능하게 지지하면서 전극 중 하나를 이루는 클램프전극과, 상기 빌렛의 선단부를 지지하면서 전극 중 나머지 하나를 이루는 앤빌과, 상기 빌렛의 후단부 쪽에 배치되어 상기 앤빌 방향으로 이동하면서 상기 빌렛을 가압하는 가압실린더와, 상기 앤빌을 이동 가능하게 지지하면서 상기 가압실린더와 동일한 방향으로 이동하되 상기 가압실린더와 다른 속도로 이동하는 후퇴실린더를 포함하는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 빌렛의 선단부 직경을 확장시키는 단계는,
   상기 클램프전극에 상기 빌렛을 고정하는 단계;
   상기 클램프전극과 상기 앤빌 중 하나에 전류를 인가하여 발생하는 전기 저항열을 통해 상기 빌렛을 가열하는 단계; 및
   상기 가압실린더를 상기 앤빌 쪽으로 이동시켜 상기 빌렛을 가압하고, 상기 후퇴실린더를 상기 가압실린더와 동일한 방향으로 이동시키면서 가압실린더보다 느린 속도로 이동시키는 단계를 포함하는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 예비헤드부를 형성하는 단계는,
   직경이 확장된 상기 빌렛의 선단부를 950 ~ 1100℃의 온도로 20분 이상 예열하는 단계;
   예열된 상기 빌렛의 선단부를 금형에 장입 후 가압하여 상기 예비헤드부로 단조하는 단계; 및
   단조된 상기 예비헤드부를 냉각시키는 단계를 포함하는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나에 의해 제조되는, 선박 엔진용 배기밸브 스핀들.