KR100324398B1 - 연료밸브용노즐및그제조방법 - Google Patents

Abstract

내연기관용 연료 밸브 (1)를 위한 노즐 (4)이, 목적하는 외부 노즐 형상을 실질적으로 갖는 몰드내의 등방성의 미세하게 입자화된 분말에 최소한 1시간동안 최소한 1000℃의 온도와 최소한 800 바아의 압력을 가함으로써 제조되고 다수의 노즐 구멍 (5)을 갖는 흐름 통로가 이렇게 HIP 처리된 노즐 블랭크 내에서 기계가공된다. 20-30%의 Cr, 4.8%의 A1과 0.2-0.55%의 C 그리고 가능하게는 1.8% 양의 W, Hf, Nb, Mo, Si, Y 및/또는 Fe로 구성되는 니켈을 주원료로 하는 합금 또는 스텔라이트 6 같은 코발트를 주원료로 하는 합금으로 노즐이 HIP 처리된다. HIP 처리된 노즐 (4)은 실질적으로 큰 피로 강도를 갖고 최종 형상으로 기계가공되기 쉽다.

Description

연료 밸브용 노즐 및 그 제조 방법

종래의 노즐은 고온 내식성이 있고 연료로 부터 부식 영향을 받지 않는 재료로 이루어진다. 주조 스텔라이트 6 ( cast Stellite 6 )으로 만들어진 노즐은 공지되어 있다. 이러한 노즐은 모래 몰드가 왁스로 된 노즐의 실재적인 몰드 둘레에 형성되는 정밀 주조, 소위 인베스트먼트법에 의해 제조되는데 상기 몰드는 왁스가 녹으면서 동시에 베이킹되어 노즐 블랭크가 주조된다.

주조된 노즐의 강도 성질을 고려하면 완성된 노즐내에 충분히 미세한 입자 구조를 얻기 위해 주물은 매우 빨리 냉각되어야만 한다. 급속 냉각하면 다공성과 주물의 저온 흐름 위험이 증가한다. 즉 개별적 층들 사이에 적절한 완전한 금속 결합없이 재료의 일종의 박판화가 증가적으로 일어난다. 박판화는 노즐의 피로 강도를 감소시킨다. 그러므로, 노즐 재료 안으로 기계 가공되어 형성될 수 있는 노즐 구멍수에 제한이 있게되는데 이는 구멍이 재료를 약화시키고 응력 집중을 유발시키기 때문이다. 공지된 노즐내에 응력이 너무 높게되면 갈라진 부분이 형성되고 후속적으로 노즐이 파열되며 최악의 경우 피스톤 표면을 향해 직접 연료가 집중된 제트로 주입되므로 공지된 노즐에서는 노즐 구멍이 가깝게 인접되게 제조되지 않았다. 이렇게 됨으로써 엔진 싸이클당 연료 밸브 각각에 주입될 수 있는 연료의 양이 제한되게 된다.

구멍 뚫려진 노즐 구멍을 갖는 스텔라이트 6 으로된 공지된 노즐에서는 노즐의 중앙 세로 보어내의 개구부에서 노즐 구멍이 심하게 파손된 가장자리 부분을 갖는다. 즉, 많은 작은 칩이 구멍 가장자리를 두들겨 떨어뜨린다. 불균일한 구멍 가장자리는 노즐의 피로 강도를 감소키는 노치 효과를 유발시킨다.

EP-A-0 569 655 에는 소위 ODS ( 강화된 산화물 분산 ) 합금이라는 기계적으로 합금된 분산 강화된 니켈을 주성분으로 하는 초합금으로 이루어지는 노즐이 기술되어 있다. 기계적 합금은, 니켈을 주 원료로 하는 합금 성분과 산화 이트륨의 분산물 성분으로 이루어진 분말 및/또는 박편 출발 물질이 균질하며 매우 미세한 마이크로 구조를 갖는 재료안으로 기계적으로 혼합되는 대형 볼 밀 같은 고 에너지 밀에서 일어난다. 그후, 여러 단계에서, 재료는 저온 또는 고온 단조되어 원하는 형상으로 된 후 침전 경화를 유발하도록 열처리된다. 산화물로 분산 강화하는 결과, 상기 공지된 노즐은 매우 높은 온도에서 상대적으로 높은 강도를 갖게된다. 이러한 노즐을 제조하려면 매우 많은 비용이 소요되며 노즐 구멍 형성이 어려운데 이는 재료내에 미세하게 분포된 매우 단단한 산화 이트륨이 기계가공을 어렵게 하기 때문이다.

제 1-21594 호로 공고된 일본 특허출원에는 합금내의 극도로 단단한 입자 침전물 성분으로 잘 알려진 TiAl과 Ni₃Al의 금속간 화합물로된 소결 재료로부터 상기 서언에 기술된 방법으로 제조된 노즐이 기술되어 있다. 이 금속간 화합물로부터 노즐을 제조함으로써 내마모성은 매우 높으나 완성된 형태로 노즐 블랭크를 기계 가공하는 것은 어렵고 돈이 많이 들게되는 것은 자명하다. 부가적으로, HIP 처리는 예를들어 30분의 짧은 주기동안 이루어질 수 있는데, 이는 합금이 보다 긴 유지 주기에서는 특성을 바꾸기 때문이다. 그러므로, 소형 노즐 블랭크에의 HIP 처리로만 끝나는 것이 아니라 노즐 블랭크를 원하는 형상으로 단조가 행해져야 하고 완성된 노즐로 기계 가공되어야 한다. Ni₃Al과 TiAl 합금의 내고온성은 중유로 작동되는 엔진에 사용하는 경우 불충분하다.

공지된 노즐 내의 교차하는 보어 사이의 불균일한 전이는 연료가 노즐 구멍을 흐를 때 바람직하지 않은 코스로 흐름이 이루어지게 하는데, 이는 연료가 상대적으로 긴 거리만큼 혼합된 제트로 연소 챔버 안으로 계속되기 때문이다. 이렇게 됨으로써 노즐로 부터 더 멀리 떨어진 성분에의 열 영향이 증가하게되고 연료의 급속하고 미세한 살포를 하지못하게하여 바람직하지 않게 엔진의 작동에 영향을 준다.

본 발명은 내연 기관용 특히 대형 2 행정 엔진 ( large two - stroke engine )용 연료 밸브를 위한 노즐 제조 방법에 관한 것으로서, 완성된 노즐이 고온 내식성을 갖도록 실질적으로 등방성인 미세하게 입자화된 분말이 한 모드에 배열되며 최소한 800 바의 입력으로 그리고 최소한 1,000℃ 의 온도로 HIP 처리된다.

각각의 엔진 사이클에서, 밸브 개구부에서 노즐의 내부 보어에 노즐 구멍을 통해 분사되는 가입된 연료가 공급될 때 내연 기관 노즐은 갑작스런 압력 영향을 받는다. 노즐 구멍 둘레의 지역에서, 연료는 노즐에 꽤 심한 부식이 일어나도록 영향을 주어 특히 입자 함량이 큰 부식 효과를 갖는 중유를 연료로 하는 대형 2 행정 엔진에서 노즐 재료의 강도가 클 것을 요구한다. 노즐이 연소 챔버 안쪽 밑으로 일정거리 돌출하게 되므로 노즐은 챔버내의 변하는 온도에도 영향을 받는다. 대형 2행정 엔진에서, 노즐 팁은 실제로는 냉각되지 않는다. 특히 연소시의 고온은 노즐 재료가 고온에서 적절한 강도를 가져야 하고 더욱이 고온 내식성을 가져야 하도록 한다

도 1은 연료 밸브에 장착된 노즐의 세로 단면도이고,

도 2 및 3은 두 개의 다른 종래 기술인 노즐 내의 노즐 구멍 사진이며,

도 4에서 6까지는 발명에 따른 노즐 내의 노즐 구멍의 상응하는 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연료 밸브 5 : 노즐 구멍

2 : 하우징 6 : 보어

3 : 표면 7 : 흐름 통로

4 : 노즐

도 1 에는 하우징의 하부 단부에 있는 환형의 경사 표면 (3)이 덮개 상의 상응하는 표면에 대해 인접하게 눌려지도록, 미도시된, 실린더 덮개에 장착되는 하우징 (2)을 갖는 연료 밸브 (1)의 하부 단부가 도시되어 있다. 노즐 (4)은 하우징 (2) 내의 중앙 구멍을 관통하면 연소 챔버안쪽 밑으로 돌출하여 노즐 측벽내의 노즐 구멍 (5)은 연소 챔버 내에서 밑으로 적절히 떨어져 위치된다. 경사 표면 (3)밑의 수준에서, 노즐은 실질적으로 냉각되지 않아 노즐 구멍(5)을 갖는 노즐 팁은연소 챔버 내의 뜨거운 개스에 의해 고온으로 가열된다.

노즐은 연료 밸브 내 흐름 통로 (7)로 부터 노즐 구멍 (5)보다 낮은 수준에 있는 노즐 팁까지 뻗어있는 중앙 보어 (6)를 갖는다. 노즐에서, 보어 (6)와 구멍 (5)은 기름 또는 개스인 연료용 흐름 통로를 형성한다.

노즐이 실린더 당 다수의 밸브를 갖는 2 행정 엔진용일 때, 각각의 연료 밸브 (1)는 연소 챔버의 수직 측벽 근처에 위치되는 것이 보통이다.

이 경우, 연소 챔버 중간을 향하는 팬형 연무로 분사되어야 하는데, 이는 노즐 구멍 (5) 모두가 노즐의 한 측부에 형성되고 노즐 구멍의 세로축이 서로 최대 100°의 각을 이룬다는 것을 의미한다. 실린더 당 둘 또는 세개의 연료 밸브가 사용될 때, 구형각은 종종 80°이하로 제한된다. 노즐 구멍 (5)은 노즐 측벽을 통해 중앙 보어 (6)까지 보링된다. 구멍은 또한 다른 방법으로 예를들어 스파크 기계 가공에 의해 만들어질 수 있으나, 보링 공정이 더욱 바람직한데, 이는 이것이 빠르고 간단한 기계 가공이기 때문이다.

주조 스텔라이트 6로 된 두 다른 종래 노즐은 예를들어 인간의 위 검사에 사용되는 내시경으로 검사되어왔다. 내시경에 의해 중앙 보어 내로의 노즐 구멍 개구부 사진이 찍혀졌다. 각각의 노즐의 중앙 보어 사진은 도 2 및 3 각각에 도시되어 있다. 노즐 구멍 (5) 가장자리 둘레 전체에서 박편이 중앙 보어 (6)의 측벽으로 부터 떨어져 나와 두 교차하는 보어 사이의 전이가 불균일하고 거칠다.

본 발명에 따른 노즐은 스텔라이트 6로 된 등방성의 미세하게 입자화된 분말을 HIP 처리함으로써 제조되는데, 분말 입자는 300 ㎛ 이하이다. 스텔라이트 6는 1.14%의 C, 1.06%의 Si, 28.5%의 Cr, 0.43%의 Fe, 4.65% 의 W 및 나머지가 Co로 되어있다고 대략 분석된다. HIP 처리는 1100과 1200℃ 사이의 온도와 900과 1100 바아 사이의 압력에서 2시간의 유지 시간동안 수행된다. 중앙 보어 (6)는 HIP 처리된 블랭크 안으로 보링되며 노즐 구멍 (5)은 외부로 부터 중앙 보어까지 보링된다. 노즐은 내시경으로 검사되는데 중앙 보어 내의 노즐 구멍의 개구부에 부드러운 구멍 엣지가 있다. 그리하여, HIP 처리된 스텔라이트 6는 주조 스텔라이트 6 보다 대체로 좋은 기계가공성을 갖는다. 부드러운 구멍 엣지는 노즐에 보다 작은 스트레스 응집이 일어나도록 한다.

중량 퍼센트로 23%의 Cr, 7%의 W, 5.6%의 Al, 1%의 Si, 0.5%의 C와 0.4%의 Y로 대략 분석되는 니켈을 주원료로 하는 합금으로 HIP 처리된 노즐이 전술한 것과 같은 방법으로 제조된다. 노즐의 내시경 검사가 도 4-6에 도시되어 있는데 중앙 보어 (6)로의 개구부에 있는 노즐 구멍 엣지가 예리하고 떨어져 나간 것이 없음을 알 수 있다.

그 후 HIP 처리된 노즐은 시험 엔진에서 작동 시험에 의해 시험되었는데 두 타입의 HIP 처리된 노즐이 스텔라이트 6로 된 공지된 주조 노즐보다 내 고온 부식성을 갖고 마이크로크랙이 잘 형성되지 않음을 알 수 있다. 두개의 상호 최근접 노즐 구멍 사이의 지역에서, 재료내에 몇개의 매우 작은 틈이 스텔라이트 6로 된 HIP 처리된 노즐에서 관찰되는 반면 HIP 처리된 니켈을 주원료로 하는 노즐은 틈이 전혀 없다.

HIP 처리된 노즐에서 처럼 상응하게 가깝게 인접한 노즐 구멍과 주조 스텔라이트 6으로 된 노즐의 작동 시험으로부터 재료내에 주된 관통된 틈과 여러 작은 틈이 있음을 알 수 있다. 그리하여 비교 시험은 HIP 처리된 스텔라이트 6으로 된 노즐이 대체로 개선된 피로 강도를 갖는 것을 보여준다.

HIP 처리된 노즐은 또한 2%의 C, 28%의 Cr, 6.5% Ni, 10%의 W, 3.7% 의 Mo, 1.6% Cu 그리고 나머지가 Co 라고 대략 분석되는 코발트를 주원료로 하는 합금 Celsit 50-9 로 제조된다. 이런 노즐을 갖는 작동 시험은 피로 강도와 내고온 내식성이 HIP 처리된 스텔라이트 6으로 된 노즐과 같음을 보여준다.

비교 기계가공성 시험이 스텔라이트 6로 된 HIP 처리된 합금과 상기 니켈을 주원료로 하는 재료에 행해졌다. 구멍은 판형 블랭크에 보정되었고 판의 배면 상의 구멍 엣지 특성이 검사된바 상기 노즐과 같은 결과를 나타냈다. 즉, HIP 처리된 판내의 구멍 엣지는 스텔라이트 6로 된 판에서는 부서지지 않았고 니켈을 주원료로 하는 판에서는 엣지가 예리해졌다.

노즐 재료의 기계적 성질은 상기 판에 의해 그리고 HIP 처리된 니켈을 주원료로 하는 합금과 주조 스텔라이트 6으로 된 둥근 막대형 블랭크에 의해 검사되었다. 이 결과는 하기 표 1에 도시되어 있다. 경도 측정 및 인장 시험이 완전히 재래식 방법으로 수행되었다. 부가적으로, 막대형 블랭크가 피로 시험을 받았는데 각 블랭크는 양 단부에 설치되고 P ± P 크기로 맥동하는 세로 인장 부하, 즉, 0과 2P 사이에서 변하는 인장력을 받았다. 블랭크는 천만 (10,000,000) 싸이클을 거쳤다. 블랭크가 파열되지 않았다면, 부하 P는 10% 만큼 증가되었고 천만 싸이클이 반복되었다. 파열이 발생했다면, 새 블랭크가 설치되고 부하 P는 10% 감소되면서 공정이 전술한 바와같이 계속되었다. 각각의 재료 성분으로된 다수의 블랭크를 검사한 후, 피로 강도는 10⁷싸이클후 파열을 유발시키지 않는 낮은 스트레스 부하로 결정되었다. 표 1은 주조 스텔라이트 6이± 150 N/mm²의 피로 강도를 갖는 반면 HIP 처리된 니켈을 주원료로 하는 합금은± 275 N/mm²의 피로 강도를 갖는다.

[표 1]

도시된 바와같이, HIP 처리된 노즐 재료는 HIP 처리된 재료가 실질적으로 개선된 피로 강도를 갖는 것 처럼 주조 노즐 재료보다 실질적으로 강하고 실질적으로 연성이 커진다.

본 발명의 목적은, 한편으로 연료 주입을 개선시키게 되는 정확하게 목적하는 기하학적 형태로 간단한 기계 가공을 하게하고, 다른 한편으로 고온에서 상대적으로 높은 강도를 갖는 재료로 노즐을 제조하는 간단한 방법을 제공하는 것이다.

이 목적의 관점에서, 첫째로 언급된 방법은, 몰드가 실질적으로 원하는 외부 노즐 형상이고, 언급된 온도와 압력에서 최소한 한 시간동안 HIP 처리가 지속되고, 다수의 노즐 구멍과 중앙 세로 보어를 갖는 흐름 통로가 HIP 처리된 노즐 블랭크안에 생기게되어 중앙 보어로의 전이시 노즐 구멍의 구멍 엣지가 예리해지는 특징이 있다.

노즐 블랭크의 치수가 작으므로, 최소한 1시간의 유지 시간동안 몰드내의 재료가 온도와 압력의 원하는 값까지를 갖게될 때 밀도가 높아지게 된다. 이 유지 시간동안 분말 입자 사이의 필요한 결합은 확산에 의해 이루어져 노즐 블랭크는 균일한 구조를 갖는다. 미세하게 입자화되어 있고 고밀도이며 균일한 구조물은 예리한 구멍 엣지를 갖는 노즐 구멍을 뚫려질 수 있게 한다. 중앙 보어로의 전이시의, 즉노즐 구멍 입구에서의 예리한 구멍 엣지는 노즐의 외부 측부에서의 노즐 구멍의 대향 단부로 부터 분사되는 연료 제트의 살포를 더 용이하게 한다.

미세하게 입자화된 분말은 노즐의 HIP ( 고온 아이소스태틱 압력 ) 처리시 혼합되어 분말이 녹지 않게 하면서 강하고 응집력이 있는 재료가 된다. 녹지 않게 됨으로써, 공지된 방법으로 노즐내의 재료는 매우 작은 크리스탈 입자를 갖는 미세하게 입자화된 분말로된 등방성 구조를 갖게된다. 미세한 입자 크기는 기계 가공이 어렵게 하지는 않으면서 동시에 재료가 고강도를 가지게 한다.

노즐 제조는 유리하게도 간단한데, 이는 HIP 처리가 미세하게 입자화된 분말로 부터 직접 간단한 공정으로 HIP 처리가 수행될 수 있고, 복잡하지 않고 중간 과정에서 번거롭고 공구가 필요한 공정없이 노즐 구멍이 블랭크내에 뚫려질 수 있기 때문이다. HIP 처리시 노즐 재료는 모든 횡단면에서 대체로 같은 처리를 받게되어 노즐 블랭크의 재료 성질의 국부적 변화를 피할 수 있다. 노즐 재료가 내부 취약부를 갖지 않으므로 노즐은 같은 분석을 할 때 재료의 주조 노즐의 강도에 대해 높은 피로 강도를 갖는다.

상대적으로 저렴하고 개스 분무 분말 재료가 HIP 처리시 사용되고 HIP 처리가 분무화된 분말 투입량의 주 부분을 활용할 수 있다는 것 또한 장점이다.

압력, 온도 또는 유지 시간이 언급된 값보다 낮거나 짧아지면, 미세하게 입자화된 분말의 충분한 결합이 얻어질 수 없다. 노즐 블랭크의 미세하게 분말화된 구조는 사용되는 합금의 실제 성분과 무관하게 얻어질 수 있다.

HIP 처리는 0에서 1000 ㎛ 까지 간격의 분말 입자 크기와 900에서 1100 바아까지 간격의 압력과 1100에서 1200℃ 까지 간격의 온도를 갖는 출발 물질로 HIP 처리가 수행될 수 있다. 시험되는 합금에서, 이 간격 한계는 충분히 등방성인 성질, 즉, 모든 방향으로 균일한 성질을 갖는 HIP 처리된 노즐 블랭크를 만드는 것으로 증명되었다. 대부분의 합금에 대해, 1100 바아 이상의 압력 그리고 1200℃ 이상의 온도는 입자 성장을 촉진시키고 재료를 초기에 녹게하는 위험을 유발하여 분말 출발 물질의 매우 작은 크리스탈 입자크기를 파괴시키게 한다. 900 바아와 1100℃의 하한과 최소한 1 시간의 유지 시간은 대부분의 합금에 대해 분말이 균일체가 되게 결합되는 것을 보장한다.

크롬이 많이 함유된 니켈을 주원료로 하는 합금의 경우 적용될 수 있는 다른 상황에서, 본원 발명인 방법은, 노즐 블랭크가 오스테나이트 니켈상으로 구성되며 기계 가공후 블랭크는 최소한 5 시간의 주기 동안 550-1100℃, 바람직하기로는 700-850℃ 간격의 온도에서 열처리되어 고상 변환이 일어나 페라이트 α상이 오스테나이트 니켈상에 매우 미세하게 분포되며 미립 침출되는 것을 특징으로 한다. 그리하여 합금의 원하는 높은 경도와 결과적인 낮은 기계 가공성은 HIP 처리된 기계 가공이 완료될 때 생기게 된다.

본 발명은 또한 중앙 세로 보어와 다수의 노즐 구멍이 노즐의 측벽에 위치되고 세로 보어와 함께 가압 연료의 흐름 통로를 구성하며 노즐은 고온 내식성이고 연료로 부터의 부식 및 공동화 영향을 받지 않는 재료로 만들어지는 내연 기관용의 특히 대형 2 행정 기관용의 연료 밸브를 위한 노즐에 관한 것이다. 대형 2 행정 엔진에서, 사용되는 연료는 연료 내의 입자 함량등으로 부터 노즐에 상당한 부식 영향을 주는 중유이며, 부가적으로 종종 아황산 기름은 연소 챔버내에 매우 부식적인 환경을 존재케 한다. 대형 2 행정 엔진에서, 노즐은 큰 길이를 갖고 하부 단부에서 실질적으로 냉각되지 않는다.

한 실시예에서, 발명에 따른 노즐은 스텔라이트 6 같은 크롬 및 텅스텐으로 구성되는 열처리된 코발트를 주 원료로 하는 합금으로 만들어지며 연료용 흐름 통로는 HIP 처리후에 보링되는 특징이 있다. 노즐 재료의 HIP 처리시, 코발트를 주 원료로 하는 합금이 본질적으로 갖고 있다고 하는 연소 챔버내의 지배적 환경에 대한 높은 내성은 재료가 기계가공될 때 새로운 우수한 성질과 실질적으로 개선된 피로 강도와 관련된다.

다른 실시예에서, 중량 퍼센트로 그리고 일반적으로 발생하는 불순물 없이 20에서 30%의 크롬, 0에서 8%의 텅스텐, 4에서 8%의 알루미늄, 0.2에서 0.55%의 탄소, 0에서 2%의 하프늄, 0에서 1.5%의 니오븀, 0에서 8%의 몰리브덴, 0에서 1%의 규소, 0에서 1.5%의 이트륨 및 0에서 5%의 철로 구성되는 HIP 처리된 니켈을 주원료로 하는 합금으로 노즐이 만들어진다.

이 재료는 놀랍게도 양호한 기계 가공성과 높은 피로 강도 및 연료로 부터의 부식 영향과 고온 부식에 모두에 대한 내성을 갖는다. 노즐 구멍을 보링할 때, 보어의 단부에서 박편이 떨어져 나가는 것은 관찰되지 않는다. 마찬가지로, 시험에 의하면 매우 긴 작동 주기후에도 노즐 구멍의 나이프-엣지 입구가 유지되는 것을 알 수 있다.

합금의 Cr 함량은 고온 부식을 견디는 노즐의 능력에 있어 중요하며, 부가적으로 Cr 함량은 미세입자 구조외에 합금의 강도를 증가시키는 용액 강화 효과를 제공한다. 원하다면, 이 효과는 합금에 Mo 및/또는 W을 첨가함으로써 증대될 수 있다.

Cr과 함께, Al은 고온에서 노즐이 부식되지 않게 보호하는 Al₂O₃와 Cr₂O₃의 혼합된 표면층을 형성한다. 더욱이 Al 함량은 인터메탈( intermetal ) Ni₃Al로 이루어지는상을 제공하여 합금의 침출 경화를 유발하나 상대적으로 취성상이다. 8%이상의 Al 함량은 재료의 양호한 기계 가공성과 높은 피로 강도를 보장하는 연성 오스테나이트 상으로 둘러싸이는 대신상이 점착성이 있게되는 위험을 수반한다. 합금의 Al 함량은 최대 6 %로 적절히 제한될 수 있는데, 이는 Al의 실재하는 성질 대부분이상을 불완전하게 둘러쌈으로 인해 강도를 잃게되는 어떠한 위험도 없이 그후 활용되기 때문이다.

20% 이하의 Cr 함량에서, 노즐은 고온에서 부식 영향을 견딜 수 없다. 합금에 30% 이상의 크롬을 첨가할 수 있으나 이렇게 되면 어떤 현저히 개선된 내고온 내식성을 갖지 못하게된다. 반대로 높은 Cr 함량은 노즐의 기계 가공성을 손상시키므로 합금이 기껏해야 24%의 Cr으로 구성되는 것이 바람직하다.

합금의 가능한 철 함량은 노즐의 부식 성질을 열화시키지 않도록 최대 5% 로 유지된다.

HIP 처리시 출발 물질로 사용되는 분말의 미세하게 입자화된 구조는 상대적으로 찬 개스가 되게 용융된 재료를 압력 분무함으로써 얻어지는데 분무된 방울은재료내의 극히 작은 크리스탈 입자가 동시에 형성되는 동안 냉각된다. 냉각 되게되면 크리스탈 입자의 수지상 결정 브랜치 ( dendritic branch ) 사이가 극도로 작게 이격된다. 1% 까지의 합금의 Si 함량은 완성된 노즐에 어떤 특별한 장점도 전하지 못하나 분말 생산동안 환원 효과를 가져 바람직하지 않은 산화물을 갖는 분말 오염은 회피된다. 다른 방법으로, 다른 환원 성분은 작은 양으로 사용될 수 있다.

합금의 C 함량은 합금의 연성을 저하시키는 침상형 및 판형 탄화물의 침출을 막도록 최대 0.55%로 유지된다. 0.2% 이하의 C 함량에서, 합금은 연료로 부터의 부식 영향을 견디는데 필요한 경도를 갖지 못한다. Hf을 2% 까지 첨가하면 유감스러운 탄화물 침출물을 변화시켜 보다 둥근 형태로 만든다. 1.5% 까지의 양의 Nb을 첨가하면 합금에 보다 큰 연성을 전달하는 것으로 추측되는 금속 탄화물이 더 미세하게 침출된다.

고온에서의 노즐의 내식성이 1.5% 까지의 이트륨 양을 첨가함으로써 개선될 수 있다. 이트륨을 더 첨가해도 더 개선되지는 않는다.

부식 영향이 큰 응용품에 노즐이 사용될 때, C 함량은 합금 경로를 고려할 때 최소한 0.35%인 것이 바람직하다.

다른 대체 실시예에서, 중량 퍼센트로 그리고 일반적으로 불순물이 생기지 않으면서 40에서 50% 까지의 크롬, 0에서 0.55% 까지의 탄소, 1.0% 이하의 규소, 0에서 5.0%의 망간, 1.0% 이하의 몰리브덴, 0에서 0.5% 이하의 붕소, 0에서 8.0% 까지의 알루미늄, 0에서 1.5% 까지의 티타늄, 0에서 0.2% 까지의 지르코늄, 0에서 3.0% 까지의 니오비듐, 최대 0,01%의 산소, 최대 0.03%의 질소, 최대 2%의 하프늄,최대 1.5%의 이트륨, 최대 5%의 혼합된 함량의 코발트와 철 및 나머지가 니켈로 구성되는 HIP 처리된 니켈을 주 원료로 하는 합금으로 노즐이 만들어진다.

이 재료는 높은 피로 강도를 가지며 연료로 부터의 부식 영향 및 고온 부식에 극도로 잘 견딘다.

합금의 크롬 함량은 고온 부식에 견디는 노즐의 능력에 중요하며 크롬 함랑은 또한 미세 입자 구조외에도 합금의 강도를 증가시키는 용액강화 효과를 갖는다. 원한다면, 이 효과는 합금에 몰리브덴 및/또는 텅스텐을 첨가함으로써 증대될 수 있다.

크롬과 함께, 알루미늄은 고온에서 부식이 안되도록 노즐을 보호하는 Al₂O₃와 Cr₂O₃의 혼합된 표면 층을 형성한다. Al 함량은 또한 인터메탈 Ni₃Al로 구성되는상을 제공하는데 이는 합금의 침출 경화를 유발하나 상대적으로 취성이 있는 상이다. 바람직하기로는, Al 함량은 원하는 표면 층의 적절한 양을 얻기 위해 2.5% 이상이다. 8% 이상의 Al 함량은 실온에서 합금의 연성을 감소시키며 고온에서 합금의 강도를 감소시키는 β상을 형성하는 위험을 수반하게 한다. 합금의 Al 함량은 최대 6%로 적절히 제한될 수 있는데, 이는 Al의 실재하는 성질의 대부분이 알맞지 않은 구조적 성분으로 인해 강도 손실 위험 없이 활용되기 때문이다.

합금의 가능한 철 함량은 노즐의 부식 성질 열화를 방지하도록 최대 5%로 유지된다. 철과 코발트 모두는 합금내의 불순물이고 혼합 함량을 최대 5.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

HIP 처리시 출발 물질로 사용되는 분말의 미세하게 입자화된 구조는 용융된 재료의 압력 분무로 상대적으로 찬 개스가 됨으로써 얻어지게 되는데 분무화된 방울은 재료내의 극도로 적은 크리스탈 입자를 동시에 형성하는 동안 냉각된다. 냉각시키면 크리스탈 입자의 수지상 결정 브랜치 사이는 극도로 작게 이격되게 된다. 1% 까지의 합금의 규소 함량은 완성된 노즐에 어떤 특별한 장점을 전달하지 않으나 분말 생산중 환원 효과를 가져 원하지 않는 산화물을 갖는 분말의 오염은 회피된다. 다른 방법으로, 티타늄 또는 망간 같은 다른 환원 성분이 작은양 사용될 수 있다. 망간은 효율적인 환원제는 아니나 완성된 합금내의 효율적인 성분을 희석시키지 않기 위해 최대 5%로 망간의 양을 제한하는 것이 바람직하다. 예를들어 최소한 0.5% 양의 티타늄을 첨가함으로써, 특히 합금이 C 및 O와 N으로 부터의 불순물로 구성된다면 소위 이전 입자경계 ( PPB )를 형성하는 위험이 증가하는데, 이러한 이유로 해서 Ti과 동시에 합금에 약 0.5%의 HF가 이러한 경향을 상쇄시키도록 첨가되는 것이 바람직하다.

B 함랑은 높은 Cr 함량을 갖는 니켈 합금에 의해 피로 강도에 유리한 높은 연성을 이루는데 중요하다고 놀랍게도 판명되었다. 이미 0.05%의 이러한 작은 양으로 B는 용융된 재료의 고체화로 변화시키는데, 수지상 결정 브랜치는 연결되며 구조성 성분을 기하학적으로 얽히게 한다. B은와 α상에서 대개 불용성이며, 고화가 되면 다수의 붕소화물을 갖는 공융 혼합물이 얻어진다고 추정된다. B의 큰 함량은 큰 강도를 갖지 않는 잘 알려져 있고 바람직하지 않은 저온 용융 공정 혼합물 침출을 유발한다.

1 시간 이상의, 바람직하기로는 5 시간 이상 유지 기간을 갖는 열처리시, 합금은 고상 변환되는데 크롬으로 구성된 페라이트 α상은 매우 미세하게 분포된 침출물로서 오스테나이트 니켈 상에서 침출된다. Nb은 고상 변환에 영향을 주어 라멜라 ( lamellar ) 침출 보다는 글로불라 ( globular ) 침출을 하게 하는데, 이는 합금의 연성을 증가시킨다.

합금의 C 함량은 합금의 연성을 감소시키는 침상형과 판형상의 탄화물의 침출을 없애기 위해 최대 0.55%로 유지된다. Hf을 2% 까지 첨가하면 유감스러운 탄화물 침출물을 변화시켜 보다 둥근 형상을 갖게하고 동시에 가능한 Nb 함량이 탄화물 형성시 합체되지 않게 한다. 3.0% 까지의 양의 Nb을 첨가하면 합금에 보다 큰 연성을 전달하는 것으로 추정되는 금속 탄화물이 미세하게 침출되며, 동시에 유리된 Nb의 나머지 양이 고상 변환에 영향을 준다.

합금의 경도가 고상 변환에 의해 주로 얻어지는 실시예에서, C 함량은 최대 1.0%이고 Hf 함량은 0.5%인데, 이는 과도한 탄화물 조절제가 필요치 않기 때문이다. HIP 처리시 또는 550℃ 이상, 바람직하기로는 700 - 850℃ 간격에 있는 온도에서의 후속적인 열처리시의 유지 시간이 이 경우 5 시간 이상에서 변환시 확산이 일어날 수 있는 시간이 있다. 고온에서의 노즐의 내식성은 1.5% 이상의 Y를 첨가함으로써 향상된다. 더 이상의 Y를 첨가하더라도 더 향상되는 것은 아니다.

바람직한 실시예에서, 합금은 최대 0.45%의 알루미늄, 최대 0.1%의 탄소, 및 최대 0.1%의 티타늄으로 구성된다. 이러한 성분을 가질 때, 합금의 기본 매트릭스내의 탄화물 망상조직, 붕소화물 및/또는 Ni₃Al() 인터메탈 침출이 상당히 억제되므로 HIP 처리 후 합금은 높은 연성과 낮은 경도를 가져 HIP 처리된 블랭크는 그후 아무런 문제없이 원하는 형상으로 기계 가공된다. 완성된 블랭크는 최소한 5시간 동안 550 - 110℃, 바람직하기로는 700 - 850℃ 간격의 온도에서 열처리된다. 열 처리시, 고상 변환이 일어나 페라이트 α상은 오스테나이트 니켈에서 매우 미세한 분포를 가지며 입자 침출되고 합금은 경화되고 노즐에 양호한 내마모성을 주는 원하는 고 경도를 갖게된다. 상 침출물이 미세하게 분포되어 매트릭스의 마이크로 경도는 대개 균일하게 증가되어 내마모성 및 내고온 내식성 모두를 증진시킨다. 열처리 유지 시간은 최소한 20 또는 최소한 40 - 50 시간이다.

다른 실시예에서, 합금은 최소한 45%의 Cr과 0.15에서 0.45% 까지의 바람직하기로는 최대 0.25%의 B로 구성된다. B의 0.4%의 상한은 합금의 고체화시 경도 증가 붕소화물의 양이 합금이 취성화되는 수준을 넘지 않게 적절히 보장하며 0.15%의 하한은 45%의 Cr 함량에 대해 적절하다.

다른 실시예에서, 합금은 1.0에서 2.0% 까지의 유리된 Nb으로 구성된다. 글로불라 침출로 경화 메카니즘을 유리하게 바꾸는 것은 Nb의 고함량이 합금의 성질을 실질적으로 개선시키지 않으므로 유리된 Nb 함량이 최소한 1.0%이고 경제적 이유로 해서 상대적으로 비싼 Nb의 함량이 2.0%로 적절히 제한되다면 손쉬워진다.

발명에 따른 HIP 처리된 노즐의 높은 피로 강도로 인해, 다수의 노즐 구멍이 이전에 가능했던 것보다 서로 더 가까워지게 된다. 연료의 압력은 노즐 재료에 인장 스트레스를 생성케하는 과도한 압력으로 노즐의 중앙 보어에 작용한다. 노즐의 높은 피로 강도는 인장 스트레스 수준을 증가시켜 유리하게 높은 분사 압력을 증가시키는데, 이는 엔진 싸이클 동안 많은 연료를 분사시키는데 사용될 수 있다. 그리하여 발명에 따른 노즐과 방법은 높은 실린더 출력을 갖는 엔진을 제조할 수 있게 한다.

발명은 도면을 참조하여 하기에 더 상세히 설명될 것이다.

Claims (18)

1. 완성된 노즐이 내고온 내식성을 갖는 성분으로된 등방성의 미세하게 입자화된 분말이 몰드에 배열되고 최소한 800 바아의 압력과 최소한 1000℃의 온도에서 HIP 처리되는 내연기관용, 특히 대형 2행정 엔진용 연료 밸브 (1)를 위한 노즐 (4)을 제조하는 방법으로서, 몰드가 목적하는 외부 노즐 형상이고, HIP 처리가 언급된 압력과 온도에서 최소한 1시간동안 지속되고, 중앙 세로 보어 (6)와 다수의 노즐 구멍 (5)을 갖는 흐름 통로가 상기와 같이 HIP 처리된 블랭크안으로 보링되어 중앙 보어로의 전이시 노즐 구멍의 구멍 엣지가 예리해지는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 노즐 블랭크가 오스테나이트 니켈상으로 구성되고, 기계 가공후 블랭크가 최소한 5시간 동안 550-1100℃, 바람직하기로는 700-850℃ 간격의 온도에서 열처리되어, 고상 변환이 일어나 페라이트 α상이 오스테나이트 니켈 상에서 매우 미세한 분포로 미립 침출되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 중앙 세로 보어 (6)와 다수의 노즐 구멍 (5)이 노즐의 측벽에 위치되고, 세로 보어와 함께 가압된 연료용 흐름 통로를 구성하며 노즐 (4)이 내고온 내식성이고 연료로 부터 부식 영향을 받지 않는 재료로 만들어지는 내연기관용의, 특히 대형 2행정 엔진용의 연료 밸브 (1)를 위한 노즐 (4)로서, 스텔라이트 6과 같은 크롬과 텅스텐으로 구성되는 HIP 처리된 코발트를 주원료로 하는 합금으로 노즐 (4)이만들어지고, 연료용 흐름 통로가 HIP 처리 후 보링되어서 중앙 보어로의 전이시 노즐 구멍의 구멍 및 엣지가 예리해지는 것을 특징으로 하는 노즐.
4. 중앙 세로 보어 (6)와 다수의 노즐 구멍 (5)이 노즐 측벽에 위치되고, 세로 보어와 함께 가압된 연료용 흐름 통로를 구성하며, 노즐 (4)이 내고온 내식성을 갖고 연료로 부터의 부식 영향을 받지 않는 내연기관용, 특히 대형 2 행정 엔진용 연료 밸브 (1)를 위한 노즐 (4)로서, 중량 퍼센트로 그리고 불순물을 발생시키지 않으면서 20에서 30% 까지의 Cr, 4에서 8% 까지의 Al, 0.2에서 0.55% 까지의 C로 구성되는 HIP 처리된 니켈을 주원료로 하는 합금으로 노즐 (4)이 만들어지고, 연료용 흐름 통로가 HIP 처리후 보링되어 중앙 보어로의 전이시 노즐 구멍의 구멍 엣지가 예리해지는 것을 특징으로 하는 노즐.
5. 제 4 항에 있어서, 합금이 최대 6%의 Al으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
6. 제 4 항에 있어서, 합금이 0.35에서 0.55% 까지의 C로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
7. 제 4 항에 있어서, 합금이 최대 24%의 Cr으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
8. 중앙 세로 보어 (6)와 다수의 노즐 구멍 (5)이 노즐 측벽에 위치되고, 세로 보어와 함께 가압된 연료용 흐름 통로를 구성하며, 노즐 (4)이 내고온 내식성을 가지며 연료로 부터의 부식 영향을 받지 않는 재료로 만들어지는 내연기관용, 특히 대형 2행정 엔진용 연료 밸브 (1)를 위한 노즐 (4)로서, 중량 퍼센트로 그리고 불순물을 발생시키지 않으면서 40에서 50% 까지의 Cr, 최대 0.01%의 O, 최대 0.03%의 N, 최대 2%의 Hf, 최대 1.5%의 Y로 구성되는 HIP 처리된 니켈을 주원료로 하는 합금으로 노즐 (4)이 만들어지고, 연료용 흐름 통로가 HIP 처리후 보링되어 중앙 보어로의 전이시 노즐 구멍의 구멍 엣지가 예리해지는 것을 특징으로 하는 노즐.
9. 제 8 항에 있어서, 합금이 최대 6%의 Al으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
10. 제 8 항에 있어서, 합금이 최소한 2.5%의 Al으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
11. 제 8 항에 있어서, 합금이 최대 0.1%의 C와 최대 0.5%의 Hf으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
12. 제 8 항에 있어서, 합금이 최대 0.45%의 Al, 최대 0.1%의 C 및 최대 0.1%의Ti으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
13. 제 8 항에 있어서, 합금이 최소한 0.5%의 Ti 그리고 바람직하기로는 최소한 0.5%의 Hf으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
14. 제 8 항에 있어서, 합금이 최소한 45%의 Cr, 그리고 0.15%에서 0.40% 까지의, 바람직하기로는 최대 0.25%의 B으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
15. 제 8 항에 있어서 합금이 1.0에서 2.0% 까지의 유리된 Nb으로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐.
16. 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐은 6, 7개 또는 그 이상의 노즐 구멍 (5)을 가지며 노즐 구멍 모두가 최대 100°, 바람직하기로는 최대 80°의 구형각내에 위치되는 세로 축을 갖는 것을 특징으로 하는 노즐.
17. 제 4 항에 있어서, 합금의 8% 이하의 W, 2% 이하의 Hf, 1.5% 이하의 Nb, 8% 이하의 Mo, 1% 이하의 Si, 1.5% 이하의 Y, 및 5% 이하의 Fe 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐.
18. 제 8 항에 있어서, 합금이 0.55% 이하의 C, 1.0% 미만의 Si, 5.0% 이하의Mn, 1.0% 미만의 Mo, 0.5% 미만의 B, 8% 이하의 Al, 1.5% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr, 3.0% 이하의 Nb, 및 최대 5.0%의 혼합된 함량의 Co와 Fe중 적어도 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐.