초록 ▼

증기터빈 및 디젤엔진에 사용되는 고성능 엔진밸브 개발을 위한 기초 연구로써, 마찰압접 및 단조기술을 이용하여 Ni기 초내열합금인 Nimonic 80A와 내열강을 이용한 밸브 제작 및 공정별 부품 특성 평가를 수행하고자 하였다. Nimonic 80A는 고온에서 우수한 기계적 성질과 내산화성을 지니고 있어 가스터빈 재료로 광범위하게 사용되고 있지만 고가인 Ni을 기지로 한 합금이기 때문에 그 우수한 특성에도 불구하고 사용에 많은 제약을 받고 있다. 따라서 부품의 중요한 부분은 Nimonic 80A를 사용하고자 마찰압접 공정을 사용

증기터빈 및 디젤엔진에 사용되는 고성능 엔진밸브 개발을 위한 기초 연구로써, 마찰압접 및 단조기술을 이용하여 Ni기 초내열합금인 Nimonic 80A와 내열강을 이용한 밸브 제작 및 공정별 부품 특성 평가를 수행하고자 하였다. Nimonic 80A는 고온에서 우수한 기계적 성질과 내산화성을 지니고 있어 가스터빈 재료로 광범위하게 사용되고 있지만 고가인 Ni을 기지로 한 합금이기 때문에 그 우수한 특성에도 불구하고 사용에 많은 제약을 받고 있다. 따라서 부품의 중요한 부분은 Nimonic 80A를 사용하고자 마찰압접 공정을 사용하였다. 마찰압접은 접합공정 중에서 통상 널리 사용되고 있는 fusion welding의 경우와는 달리 접합부의 온도가 모재의 용융온도 이하로 유지되는 조건하에서 이루어지므로 용접부에서의 응고과정에 따른 결함 발생의 요인을 배제할 수 있는 고상 접합방법이고 이종 금속간에도 접합이 가능한 잇점을 지니고 있다. 또한 마찰압접은 압접물의 형상 및 치수의 제한이 거의 없고 특별한 전처리가 필요하지 않으며 작업효율이 높은 장점도 지니고 있다. 초내열합금은 고온에서의 기계적 성질이 우수한 반면 소성가공에 의한 부품으로의 성형은 매우 어렵다. 엔진 밸브의 경우 성형시 상대적으로 많은 소성변형을 가하여야 하기 때문에, 고온에서의 재료 거동에 관한 기본 자료가 필요하다. 성형온도에서의 소성가공 특성과 조직 및 기계적 성질과의 상관관계를 규명함으로써 최적특성을 얻기 위한 공정변수를 도출할 필요가 있다. 본 연구에서는 마찰압접을 한 후에 접합부의 기계적 특성, 미세조직 변화 등의 관찰을 통하여 최적의 마찰압접 공정을 개발하고 초내열합금 단조공정 설계 및 후처리, 열처리 기술을 개발함으로써 궁극적으로 선박용 엔진 밸브 개발을 목적으로 본 연구를 수행하였다.

Abstract ▼

Research on superalloy remains at the early stage in Korea, even though the superalloys are widely used in gas turbine industries. Only a limited work has been done on friction welding and plastic forming of superalloys. This work is thus aimed at developing the related process of superalloys for ma

Research on superalloy remains at the early stage in Korea, even though the superalloys are widely used in gas turbine industries. Only a limited work has been done on friction welding and plastic forming of superalloys. This work is thus aimed at developing the related process of superalloys for marine engine applications. First phase of this research was conducted from Sept. 1993 to Aug. 1994. Nimonic 80A and 19% Cr - 9% Ni heat-resisting austenitic steels were purchased, characterized, and used as starting materials. Materials behavior during friction welding and high-temperature deformation was evaluated. Effects of friction welding parameters on the microstructure and mechanical properties were assesed. Post heat-treatment effects were also analyzed to optimize the final microstructure and mechanical properties. Based on the preliminary experiments, conditions for friction welding and post heat-treatment were selected. Forging dies were designed for a screw press to make marine engine valves. Second phase of the research was conducted from Sept. 1994 to July 1995. Forging of Nimonic 80A was simulated by a rigid-viscoelastic finite elemental method. Dies were designed not to form forging defects. Martensitic heat-resisting steel X45CrSi93 was chosen as a stem materials for friction welding against Nimonic 80A valve head. The martensitic steel was selected as a counterpart materials to obtain induction hardening at the end section exposed to contact fatigue environment during engine working. Similar to the previous year's research, effects of friction welding parameters on microstructure and mechanical properties were evaluated, and the conditions were carefully chosen to obtain defect - free bonding. Heat treatment cycle was selected eventually to obtain good mechanical properties. Forged and friction welded parts were evaluated and compared with imported valves.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...19
• 제 2 장 Nimonic 80A/x45CrSi93의 마찰압접 특성...21
• 2.1 서론...21
• 2.2 실험방법...22
• 2.2.1 원소재...22
• 2.2.2 열처리...22
• 2.2.3 시편준비...27
• 2.2.4 마찰압접...27
• 2.2.5 미세조직 관찰...30
• 2.2.6 경도시험방법...30
• 2.2.7 인장시험...32
• 2.2.7.1 상온인장시험...32
• 2.2.7.2 고온인장시험...32
• 2.3 실험결과 및 고찰...34
• 2.3.1 마찰압접 외양관찰...34
• 2.3.2 미세조직 관찰결과...34
• 2.3.2.1 As-welded 상태...34
• 2.3.2.2 열처리 후의 미세조직 변화...42
• 2.3.3 경도시험결과...46
• 2.3.4 마찰압접재의 인장특성...48
• 2.3.4.1 상온인장특성...48
• 2.3.4.2 고온인장특성...52
• 2.3.5 Blocker의 효과...62
• 제 3 장 Nimonic 80A/x45CrSi93 압접재의 미세조직...67
• 3.1 서론...67
• 3.2 실험방법...69
• 3.2.1 재료...69
• 3.2.2 마찰용접...69
• 3.2.3 조직검사...69
• 3.2.4 주사전자현미경 조직검사 및 성분분석...71
• 3.2.5 투과전자현미경 조직검사...71
• 3.2.6 경도시험...71
• 3.3 결과 및 고찰...72
• 3.3.1 모재의 조직...72
• 3.3.2 마찰용접상태의 조직...72
• 3.3.3 경도시험결과...78
• 제 4 장 Nimonic 80A/x45CrSi93 압접재의 피로특성...81
• 4.1 서론...81
• 4.2 재료 및 실험방법...82
• 4.3 실험결과 및 고찰...85
• 4.3.1 인장시험...85
• 4.3.2 시편의 미세구조...85
• 4.3.3 피로시험...89
• 4.3.4 파면관찰...93
• 4.3.4.1 Nimonic 80A/SNCrW 고온 피로파괴...93
• 4.3.4.2 SNCrW 고온 피로파괴...95
• 4.3.4.3 Nimonic 80A/x45CrSi93 고온 피로파괴...98
• 4.3.4.4 x45CrSi93 고온 피로파괴...98
• 제 5 장 밸브 단조 시뮬레이션...104
• 5.1 시뮬레이션 조건...104
• 5.2 시뮬레이션 결과...109
• 5.2.1 빌렛변형...109
• 5.2.2 변형률 분포...123
• 5.2.3 금형설계...123
• 5.2.4 예비성형체를 이용한 밸브단조의 시뮬레이션...127
• 제 6 장 선박엔진 밸브 시제품 제작 및 특성평가...135
• 6.1 단조공정의 표준화...135
• 6.1.1 원소재 검사, 절단, 그리고 deburr...135
• 6.1.2 블라스트 및 코팅...135
• 6.1.3 1차 단조...136
• 6.1.4 Deburr, 블라스트, 코팅...136
• 6.1.5 2차 단조...136
• 6.2 마찰압접...136
• 6.2.1 마찰압접...136
• 6.2.2 마찰압접재 검사...139
• 6.3 정밀가공 및 Cr 코팅...139
• 6.3.1 양 센터 hole 가공...139
• 6.3.2 선삭...139
• 6.3.3 1차연삭...140
• 6.3.4 경질 Cr 코팅...140
• 6.3.4.1 도금욕과 그 작용...140
• 6.3.4.2 도금작업...140
• 6.3.4.3 사양...140
• 6.3.5 유도경화열처리...141
• 6.3.6 2차연삭...141
• 6.3.7 Lapping...141
• 6.4 시제품 특성평가...141
• 제 7 장 결론...145
• 참고문헌...149