2행정 디젤 기관의 배기밸브 재생에 관한 연구

2.1 2행정 디젤기관에서의 배기밸브 스핀들 개요

Figure 1에 2행정 디젤엔진에서 사용되는 배기밸브 스핀들의 사진을 표시하였다. 배기밸브 스핀들은 엔진내부에서도 가장 높은 열 부하를 받는 부품으로 들 수 있다. 최근 엔진의 운전 패턴을 보자면, 열 부하의 증가원인은 높은 부하 밀도뿐만 아니라 저 부하 운전의 빈도가 높아진데 있다고 할 수 있다. 저 부하엔진은 연료 소모량을 낮출 수 있다는 장점이 있으나, 배기밸브 스핀들의 열 부하를 증가시키는 단점이 있다. 증가된 열 부하로 인하여, 배기밸브 스핀들의 서비스 수명 및 내구 연한이 감소될 수 있으며, 그 원인으로 고온 부식을 들 수 있다. 고온 부식은 고온의 작동환경에 의해 미소하게 녹아내린 일부 연소 부산물에 의해 발생되며, 배기 밸브표면에 코팅된 Cr₂O₃ 층을 용해시키는 Na₂SO₄ 및 V₂O₅가 주요 물질이라고 할 수 있다. 이러한 고온부식은 650-700℃ 온도 구간에서 주로 발생되며, 배기밸브스핀들에서도 하부의 스핀들 bottom에서 주로 발생된다. 통상적으로 알려져 있는 고온부식 수준은 0.1~0.4 mm/1,000 hrs 이다. 하지만, 최대 1 mm/1,000 hrs도 관찰된바 있다[6].

Figure 1:

Photo of exhaust valve spindles

2.2 엔진제조사의 배기밸브 스핀들 설계 및 기준

현재 엔진제조사의 배기밸브 스핀들에는 Dura spindle과 Nimonic spindle이 각각 표준으로 적용되고 있다. Dura spindle의 경우, 오스테나이트계인 강제 밸브에 Inconel 코팅을 입힌 형태로서, Dura spindle의 경도 강화를 위하여, 롤링 가공과정을 통하여 가공하고 있다. Figure 2에는 Dura spindle의 롤링 가공과정을 나타내었다.

Figure 2:

Rolling process of Dura spindle

Nimonic spindle은 통상 Nimonic 80A 소재를 사용하여 단조공정을 거쳐 제조된다. 대형엔진에 있어서 Nimonic과 Dura spindle의 성능은 상호 큰 차이가 없이 유사하며, Dura spindle의 경우 높은 강도와 내 마모 특성이 높으며, Nimonic spindle의 경우, 내 부식성이 우월한 것으로 알려져 있다[6].

엔진제조사의 Service letter에 따르면, 스핀들의 수명주기와 burn-away 판별 기준을 최신의 엔진 운전 패턴을 분석하여 갱신하였다[7].

Table 1에는 기존의 스핀들 수명주기를 표기하였다. 명시된 바와 같이, 기종 별로 burn-away나 수명주기가 다소 상이하나, 60MC-C를 기준으로 burn-away 11mm에 64,000 시간의 운전시간을 기준으로 수립한 바 있었다.

Table 1:

Previous spindle lifetimes

하지만, 저 부하 운전의 일상화에 따른 배기밸브 스핀들에 미치는 열 부하 패턴이 이전과 상이하다는 운전패턴의 분석을 기반으로, 최근의 운전 특성을 반영한 새로운 수명 주기와 burn-away 기준을 다음의 Table 2와 같이 개정하였다. Table 1과 Table 2에서 확인할 수 있듯이, burn-away와 운전 시간에 대한 기준 변경은 없으나, 스핀들의 수명주기가 늘어난 것을 확인할 수 있다.

Table 2:

Revised burn-away and spindle lifetime

Table 3에는 기종별로 최대 burn-away와 허용 가능한 burn-away rate를 표기하였다. 60 및 70 보어 기종에서는 burn-away가 9mm 및 10mm이다. 80, 90 및 98 보어 기종에서는 각각 14mm, 17mm, 20mm까지도 그 제한치를 확대하였다. Burn-away rate 또한 전체 보어에 대해 0.09~0.41 mm/1,000 hrs 수준으로 허용치가 확대되었다.

Table 3:

Maximum burn-away and allowable burn-away rates

2.3 엔진제조사의 Dura spindle 재생 수리 절차

Figure 3에 Dura spindle의 재생 수리 절차를 도식화 하였다. 재생 수리가 필요한 Dura spindle이 입고되면, 현 상태를 진단하기 위한 초기 검사가 진행되고, 이의 결과에 따라, 작업 범위가 결정되며, 결정된 범위에 따라 W seat와 접촉하는 밸브 디스크 부분의 가공을 진행하게 된다. 이후, Inconel welding을 실시하고, 경도를 높이기 위해 밸브 디스크 부분의 롤링가공을 실시한다. 열처리를 거쳐, 정확한 가공 치수확보를 위한 최종 가공을 수행하게 되며, 출하 전 최종 검사를 진행한다.

Figure 3:

Procedure of Dura Spindle reconditioning

3.1 재생 수리 전 최초 검사 및 용접 전 Machining

접수된 재생 대상 품에 대하여 최초 소제를 실시하게 되고, 이후 스핀들의 스템, 시트 및 디스크 부의 치수를 기록하여, 그 결과를 분석함으로써 스핀들을 재생 수리 할 수 있는지를 판단하게 된다.

용접 전에 소재에 대하여 별도의 가공이 수행되어야 한다. 이 가공의 개념은 시트부의 경화된 표면을 제거하고, 디스크의 중앙 홀 및 소재에서 발생될 수 있는 흠집을 제거하는 절차라고 할 수 있다.

시트부의 경화된 표면을 제거하고, 새로운 용접 groove를 적게 해야만 품질을 보증함에 있어 유리하다. 또한 스핀들 디스크를 가공할 시, 외경부의 높이는 최소 10mm가 확보되어야 재생 수리를 할 수 있다. 이에 대한 요구 조건을 Figure 4에 도식화 하였다. 또한, 기계가공공정만으로 Blow-by 흔적을 충분히 제거하지 못했다면, ground나 milled out 처리하여 완벽히 제거 후 용접 작업으로 진행해야 한다. 시트부의 수리가 용접에 의해서만 복구될 수 있는 경우에는, 용접 전에 경화된 표면을 완벽히 제거해야만 한다.

Figure 4:

Requirement of the height of the outer diameter face

3.2 용접

용접 작업을 위하여 엔진제조사에서는 용접 소모재의 요건을 Table 4와 같이 정의하고 있다.

Table 4:

Requirements of welding consumables

Table 4에 기술된 충전제의 사양은, Inconel 625와 Inconel 718에 대해 분리하여 요건을 기술하였다. Inconel 625에 대해서는, GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 및 GMAW(Gas Metal Arc Welding)를 적용할 수 있으며, 이러한 공정은 통상 재생 공정에 흔히 적용될 수 있다. Inconel 718 또한 GTAW와 GMAW 모두 적용가능 하며, 시트부의 표면을 경화시키는 용도로 주로 활용된다. 본 논문의 기반이 되는 재생 작업은 GMAW를 적용하여 재생 작업을 수행하였으며[8], 이 용접법은 소재의 작은 흠결이나 디스크 하부의 Inconel 625, 시트부분의 Inconel 715 층의 용접에 적합하다. GMAW의 파라미터는 Table 5에 정리하였다.

Table 5:

Welding parameters for GMAW

Table 5에 기술된 바와 같이, 용접와이어는 ∅1.2mm가 적용되며, welding speed는 Inconel 625와 718 각각 최대 270 및 140 mm/min 수준이어야 한다[8]. Shielding gas flow는 15-20 l/min 및 최대 18 l/min이 되어야 한다. Figure 5와 Figure 6에는 재생 공정 개발 시 수행한 실제 Inconel 용접 상황을 기록하였으며, Figure 5에서는 스핀들 하부와 측면에 대한 Inconel 625를 Figure 6에서는 시트부 표면에 대한 Inconel 718 용접 사진을 나타낸다.

Figure 5:

GMAW, Bottom & side with Inconel 625

Figure 6:

GMAW, Seating surface with Inconel 718

3.3 Rolling

밸브 스핀들 디스크를 회전판에 고정시키고 롤링공정을 진행시킨다. 롤링공정에 있어 가장 중요한 절차가 롤링 공구를 정확한 가공위치에 두는 절차라고 할 수 있다. Figure 7에 롤링 공정에서의 롤링 깊이와 직경의 정의를 표기하였다.

Figure 7:

Definition of rolling diameter and rolling depth

일반적으로 롤링 공구 중 롤의 회전축이 스핀들의 축에 대해 반경을 가리키고 동시에 회전축이 스핀들 시트 평면에 평행하도록 롤링 롤을 배치하여 롤링을 수행하여야 한다. Figure 8에 재생작업에 수행한 롤링 공정의 사진을 표기하였다. 롤링은 가장 안쪽 groove부터 시작하여 동심원 바깥방향으로 수행해야 하고, 각 groove의 롤링은 다음 groove의 롤링 전에 마무리되어야 한다. 롤링 속도는 130m/min을, 가해지는 유압은 매 30초마다 2t 수준으로 상승시킬 것을 권고하고 있다.

Figure 8:

Photo of rolling process

3.4 열처리

롤링 처리된 시트 부위는 노에서 열처리를 하여 시효경화 시킨다. 열처리의 대상은 스핀들 디스크에 한해서만 적용하고 있으며, 밸브 스핀들 전체를 열처리하는 노 보다는 밸브 디스크만을 열처리 할 수 있는 노의 적용을 권장하고 있다. 밸브 스핀들의 베인 휠 하부의 스핀들 스템만을 강제 공랭식 방법으로 냉각하는 기법을 적용하였다. Table 6에 열처리 절차를 기술하였다. 열처리 사이클은 상온에서 720℃까지 최대한 신속하게 노의 온도를 상승시키고, 그 온도에서 8시간을 유지하게 된다. 이후, 노의 온도를 620℃까지 낮추고 6시간을 유지하게 된다. 이후 논의 온도를 최대 400℃까지 낮춘 이후에 상온으로 냉각처리하게 된다.

Table 6:

Heat treatment cycle for Inconel 718

Figure 9에는 실제 열처리를 수행한 노와 밸브스핀들을 사진으로 기록하였다. 열처리 대상 부품이 스핀들 디스크에 국한되기 때문에, 실제로는 Figure 9의 사진처럼 스핀들 가이드 전체를 열처리하는 설비보다는 스핀들 디스크만 국부적으로 열처리할 수 있는 시스템의 적용이 권장된다. 다만, 본 공정에서는 vane wheel의 열처리만 제외되어야 하므로, 밸브스핀들에서 vane wheel을 제외한 상태에서는 밸브스핀들 전체를 노에서 열처리 하여도 무방하다.

Figure 9:

Heat treatment at furnace

3.5 최종 가공 및 검사

배기 밸브 스핀들이 생산도면과 일치하는지 확인하고 수정하기 위한 절차로서, 도면을 기준으로 재생공정을 거친 현품에 대해 치수를 확인한다. 일련의 가공 공정이 완료되면, PT(Penetration Liquid Test) 및 UT(Ultrasound Test)를 통해 전체 시트부 표면을 검사하고 성적서를 발행한다[9].

유의할 점은 일련의 재생 수리 공정들은 엔진제조사가 수립하였으나, 재생 품질을 만족시키기 위한 연구는 재생수리업체에서 수행해야만 한다. 또한, 재생수리업체라도 엔진제조사의 재생품에 대한 품질 기준을 만족한다는 ‘First Time Approval(FTA)’을 받지 않는다면, 재생수리 작업 권한이 부여되지 않는다. 엔진제조사에서는 FTA 수행 시, 육안검사, UT, PT, 단면 샘플링 확보 및 이의 경도측정, 용접품질 평가를 FTA 항목으로 선정하고 재생수리업체는 그 기준을 통과해야만 한다. 본 논문에서 기술된 재생 수리 사례는 엔진제조사의 FTA를 수여하였다.