노즐 베인식 터보과급기의 배기 가이드 부품

터보과급기에는 웨스트게이트식과 노즐 베인식이 잘 알려져 있다. 웨스트게이트식 터보과급기는 엔진의 출력 개선을 주체로 하였지만, 노즐 베인식 터보과급기는 출력 개선은 물론이거니와 또한 배기가스의 클린화에도 기여하기 때문에, 최근에는 특히 디젤엔진에도 탑재되게 되었다. 후자의 노즐 베인을 구성하기 위한 부품으로서, 터빈에 배기를 유도하기 위한 배기 가이드를 구성하는 부품은 주로 스테인레스강판 예를 들면 SUS310S 등의 내열강판을 사용하여 제작되었다. 특수한 예로서는, 특허문헌 1에는 고크롬 고니켈재에 의해 이와 같은 배기 가이드 어셈블리를 정밀 주조와 절삭 가공을 거쳐서 제작하는 발명이 기재되어 있다. 도 1에 노즐 베인식 터보과급기의 배기 가이드를 구성하는 부품의 일례를 분해도로 도시하였다. 이들은 드라이브 링(1), 드라이브 레버(2), 중간 노즐링(3), 노즐 베인(4) 및 외측 노즐링(5) 등이 있고, 노즐 베인(4)은 이것을 구성하는 복수의 베인(6)과 각 베인(6)을 지지하는 베인축(7)으로 이루어져 있다. 상기 부품 1 내지 5는 동심적으로 조립되어 터보과급기의 터빈 상류측에 설치되지만, 그 조립품은 노즐 베인(4)의 중앙 개구(8)를 통하여 터보과급기의 터빈에 배기를 유도하는 배기 가이드를 형성한다. 노즐 베인(4)의 각 베인(6)은 이들의 축(7)이 일제히 동일 방향으로 축 주위가 회전운동함으로써, 그 회전운동의 정도에 따라서 베인(6)으로 둘러싸이는 중앙 개구(8)의 개구 면적(개방도)을 증감시킨다. 엔진의 회전수가 낮을 때는 배기량도 적고 배기압도 낮지만, 이 상황에서는, 중앙 개구(8)의 개구 면적이 좁아지고, 회전수가 증가하여 배기량이 증가하면, 개구 면적이 넓어지도록 작동한다. 따라서, 터빈에 보내지는 배기의 속도가 이러한 노즐 베인을 갖고 있으면, 노즐 베인을 가지지 않는 경우와 비교하여, 엔진의 회전수에 따라서 회전수가 낮을 때에는 크고, 높을 때에는 작아지도록 작동한다. 이들의 부품은 부품마다 그들에 요구되는 재료 특성이 다음과 같이 다르다. 〔드라이브 링(1)과 드라이브 레버(2)〕 이들 부품은 액추에이터와 연동하여 노즐 베인의 개방도를 정밀도 좋게 조절시키기 위한 것으로, 통상은 프레스로 뚫어 제조되지만, 천공면이 모두 전단(剪斷)파면이 되는 파인 블랭킹(fine blanking)성(정밀 천공 가공성)이 요구된다. 또한, 사용환경에서는 온도가 500℃ 정도로 상승하기 때문에, 중온 영역의 고온 강도가 중요해진다. 〔중간 노즐링(3)과 외측 노즐링(5)〕 이들은 양자 모두 베인축(7)을 원활하게 회전시키기 위한 위치 결정용 구멍을 갖는다. 또한 외측 노즐링(5)에서는 터빈의 형상에 맞춘 형상으로의 구멍 확대 가공(버링 가공)부를 중앙 개구부에 갖는다. 따라서, 절삭성이나 프레스 성형성이 양호한 것이 요구된다. 그리고, 이들은 배기가스의 유도를 겸하는 부재이기도 하기 때문에, 약 800℃의 고온하에서 노출시켜도 양호한 고온 강도와 내산화성을 구비하는 것이 요구된다. 〔노즐 베인(4)〕 노즐 베인(4)은 배기가스 경로의 개구 면적을 컨트롤하는 것이다. 이 때문에 통류하는 배기 가스에 상시 노출되고, 부품 중에서 가장 높은 온도(800 내지 900℃)에도 노출된다. 따라서, 배기가스의 맥동 압력에 견딜 수 있기 위한 고온 강도와, 고온하에서도 원활하게 가동하기 위한 내고온 산화성이 요구된다. 이 요구 특성으로부터, 일반적으로는 SUS310S 등의 내열강판이 적용되지만, SUS310S 강판은 가공성이 부족하다. 이와 같이, 노즐 베인식 터보과급기의 배기 가이드 부품은 부품마다 요구되는 재료 특성이 다르기 때문에, 부품마다 다른 강종류를 사용하고, 또한 성형방법도 다른 공정을 갖는 것이 통상적이다. 그러나, 다른 재료로 이루어지는 부품으로 노즐 베인을 갖는 배기 가이드 어셈블리를 조립하면, 부품간에서 열팽창 계수의 차이나 생성하는 산화 스케일의 정도의 차이에 의해서, 노즐 베인식 터보과급기의 본래의 기능인 배기가스 경로의 개구 면적의 원활한 개방도 조절에 지장을 초래할 우려가 있다. 배기 가이드 부품을 모두 동일한 재료(강종류)를 사용하여 제조하면 이 문제는 해결할 수 있지만, 상기한 바와 같은 개별의 특성을 동시에 또한 충분히 만족시킬 수 있는 재료는 발견되지 않는다. 이 때문에, 각각의 요구 특성을 만족하는 재료로 각 부품을 제조하고 있는 것이 실상이다. 특허문헌 1에는, Pb, Se, Te를 함유한 특수한 고크롬 고니켈의 내열강으로부터 로스트 왁스 주조법을 사용하여 터보과급기의 배기 가이드 어셈블리를 제조하는 발명이 기재되어 있다. 이 발명에서는, 주된 가공은 절삭이나 연마이기 때문에, 강의 성형 가공을 생략할 수 있고, 이 때문에, 강에 요구되는 성형 가공성의 문제는 회피할 수 있다. 그러나, 이 강은 특수한 첨가 원소를 포함하고 또한 정밀 주조를 채용하기 때문에, 특수한 제조 프로세스가 되어, 범용의 제조라인으로 배기 가이드를 제조하는 것과 비교하면 양산성이 결여되고 또한 비용이 증가될 수 밖에 없게 된다. SUS31OS의 강판을 사용하는 경우에는, 더 한층 내고온 산화성이 요구되는 부품에 대해서는 그 강에 크로마이징 처리(강의 표면에 크롬을 확산 침투시키는 처리) 등의 표면 처리를 실시하는 것도 유익하지만, 제조공정이 커져, 코스트 상승이 될 수밖에 없다는 문제가 있다. 이러한 크로마이징 처리로서는 특허문헌 2에 기재된 것이 있다. 특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2002-332862호 특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 제(평)6-10114호