KR100611092B1 - 디젤 엔진용 고압 연료 배관 - Google Patents

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우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 내압 피로 저항성, 진동 피로 저항성, 캐비테이션 저항성, 시트면 내스크래치성, 굽힘 형상 안정성이 우수하고, 추가로 박육화(薄肉化) 및 경량화할 수 있는 디젤 엔진용 고압 연료 배관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 디젤 엔진용 고압 연료 배관은, 잔류 오스테나이트를 5∼40 wt% 갖는 저합금 변태 유기 소성형 강도 강(綱)으로 이루어지고, 유로 내표면의 스크래치 깊이가 20 ㎛ 이하이며, 유로 내표면에 소성 가공을 행한 것이다.

Description

디젤 엔진용 고압 연료 배관{HIGH-PRESSURE FUEL PIPE FOR DIESEL ENGINES}
도 1은 본 발명이 대상으로 하는 고압 연료 분사관의 일례를 보여주는 주요부 단면도.
도 2는 본 발명이 대상으로 하는 고압 연료 분사관의 다른 예를 보여주는 주요부 단면도.
도 3은 본 발명이 대상으로 하는 보스 일체형의 커먼 레일의 일례를 보여주는 종단 정면도.
도 4는 링 형상의 이음쇠를 사용하는 동일한 커먼 레일의 일례를 보여주는 주요부 종단 측면도.
도 5는 통 형상의 슬리브 니플을 요철 끼워맞춤 나사 부착 방식으로 본관 레일에 장착하는 구성의 동일한 커먼 레일의 일례를 보여주는 종단 측면도.
도 6은 통 형상의 슬리브 니플을 용접에 의해 본관 레일에 장착하는 구성의 동일한 커먼 레일의 일례를 보여주는 종단 측면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21 : 강관
12, 22 : 접속 헤드부
13, 23 : 시트면
31 : 본관 레일
31-1 : 유통로
31-2 : 분기 구멍부
31-3 : 수압(受壓) 시트면
32 : 분기 지관
32-2 : 접속 헤드부
32-3 : 압압 시트면
33 : 이음쇠
33-1 : 나사벽
33a, 33b : 슬리브 니플
33c : 보스
34 : 너트
35 : 슬리브 와셔
본 발명은 디젤 엔진 내연 기관의 고압 연료 배관(커먼 레일, 커먼 레일용 공급관, 연료 분사관을 포함함)에 관한 것이다.
디젤 엔진용 고압 연료 배관의 하나인 연료 분사관으로서는, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 두께가 두꺼운 강관(11)의 단부에 마련되고 외주면이 직선형 시 트면(13)인 절두원추형의 접속 헤드부(12), 또는 도 2에 도시된 바와 같이 두께가 두꺼운 강관(21)의 단부에 마련되고 외주면이 원호형 시트면(23)인 접속 헤드부(22)가, 각각 외측으로부터의 펀치 부재에 의한 축심 방향으로의 압압에 의한 좌굴(挫屈) 가공에 의해 성형된 것 등이 알려져 있다(일본 특허 공개 제2002-295336호 참조).
이러한 디젤 엔진용 연료 분사관에는 일반적으로 인장 강도 340 N/㎟급∼410 N/㎟급의 강관(JISG3455의 STS370,410)이 사용되어 왔지만, 디젤 엔진의 배출 가스 규제에 의한 정화 기술의 개발에 따라, 연료를 고압, 미립화 분사함으로써 배출 가스를 청정화하는 수법을 취하게 되었기 때문에, 연료 분사관에는 종래의 1200 bar 이상의 높은 내압(內壓)이 부하되고, 높은 내압 피로 강도가 요구되어, 그 대응책으로서 인장 강도 490 N/㎟급∼600 N/㎟급의 고항장력 강관이 사용되는 경향이 있다.
이러한 고항장력 강관은 잉곳으로부터 열간 가공에 의해 강이 제조될 때, 그리고 그 대직경 관으로부터 인발 가공(관 연신)에 의해 필요 치수로 가공될 때에, 내면에 깊이 100 ㎛ 정도의 미세한 주름 자국(결함)이 발생하는 경우가 있다. 이 주름 자국은, 관 연신 가공시에 관의 외경을 다이스에 의해 축소시키고 내측에서 플러그로 압연하는 때에 발생하는 외측과 내측과의 재료 흐름의 차에 기인하는 것이 알려져 있다. 즉, 이러한 현상은 두께가 두꺼운 관에 있어서 현저히 발생한다. 또한, 플러그에 의해 압연되는 내측의 주름도 연성이 적기 때문에 주름 자국이 되어 남는다. 특히, 관 내면에 깊이 100 ㎛ 정도의 미세한 주름 자국이 존재하면, 관내에 1200 bar∼1600 bar의 고내압이 반복해서 걸렸을 때에 그 주름 자국 부분에 생기는 응력 집중에 의해 피로 파괴가 발생한다.
이러한 대책으로서, 종래에는 내압 피로 파괴의 기점이 되는 관 내주면의 상기 주름 자국을 특수한 절삭 기술에 의해 제거하는 방법이 있다. 그러나, 특수 절삭에 의해 내압 피로 파괴의 기점이 되는 내주면의 결함을 제거하고, 내압 피로 강도를 높일 수 있지만, 재료의 강도상의 한계로 인해 1800 bar 정도 이상의 압력에 견딜 수 없었다. 한편, 진동 피로 강도는 거의 상승하지 않기 때문에, 외표면이 기점이 되어 파괴가 진행하는 진동 피로 파괴에 대해서는 효과가 없었다.
한편, 관내에 압력을 가하여 내표면에 압축 잔류 응력을 발생시키는 방법(오토프레타즈법)이 있다. 그러나, 이 방법은 그 후의 소성 변형에 의해 잔류 응력의 분포가 변화되어 소실된다. 또한, 내표면에 압축 잔류 응력을 발생시킨 경우, 내표면은 가공경화(加工硬化)되지만, 통상 재료의 가공경화 정도로는 내면 피로 강도가 부족하다. 진동 피로는 주로 관의 외표면이 기점이 되어 진행되지만, 외표면의 강도는 일체 향상되지 않기 때문에 진동 피로 특성은 전혀 개선되지 않았다.
또한, 디젤 엔진용 고압 연료 배관 중의 커먼 레일로서는, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이 본관 레일(31)에 이 본관 레일(31)과 일체인 보스(33c)를 형성하고, 분기 지관(32)의 접속 헤드부(32-2)가 이루는 압압 시트면(32-3)을 본관 레일(31)측의 수압(受壓) 시트면(31-3)에 접촉 결합시키며, 상기 보스(33c)의 외주면에 마련된 나사부(33-2)에 나사 결합하는 캡 너트(36)를 조여 접속하는 방식의 것이나; 도 4에 도시된 바와 같이 본관 레일(31)측의 주벽부에 마련되고 원형 내부 단 면의 유통로(31-1)로 통하는 분기 구멍부(31-2)를 외측으로 개구하는 수압 시트면(31-3)을 형성하며, 이 수압 시트면 부근의 본관 레일(31)의 외주부를 둘러싸는 링 형상의 이음쇠(33)를 사용하고, 단부의 직경이 좌굴 성형에 의해 확장된 (예컨대 끝이 가는 원추형의) 분기 접속체인 분기 지관(32)측의 접속 헤드부(32-2)가 이루는 압압 시트면(32-3)을 접촉 결합시키며, 상기 본관 레일(31)의 직경 방향으로 돌출하도록 상기 이음쇠에 마련되고 본관 레일(31)의 외측으로 돌출하는 나사벽(33-1)부와, 분기 지관(32)측에 미리 넣은 슬리브 와셔(35)를 매개로 하여 조립된 너트(34)와의 나사 결합에 의하여, 상기 접속 헤드부(32-2) 수하(首下)에서의 압압에 따라 조여 접속하는 방식의 것이나; 또는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 링 형상의 이음쇠(33) 대신에 통 형상의 슬리브 니플(33a, 33b)을 본관 레일(31)의 직경 방향에서 외측으로 돌출하도록 각각 요철 끼워맞춤 나사 부착 방식, 용접 등에 의해 직접 본관 레일(31)의 외주벽에 장착하고, 분기 지관(32)측의 접속 헤드부(32-2)가 이루는 압압 시트면(32-3)을 본관 레일(31)측의 수압 시트면(31-3)에 접촉 결합시키며, 상기 슬리브 니플(33a, 33b)에 나사 결합하는 너트(34)를 조여 접속하는 방식의 것이나; 블록 레일형 커먼 레일(도면 생략) 등도 알려져 있다(일본 특허 공개 제2002-310034호 참조).
그런데, 상기한 종래의 커먼 레일은 모두 본관 레일(31)의 내압과, 분기 지관(32)과 같은 분기 접속체의 접속 헤드부(32-2)의 압압에 따라 수압 시트면(31-3)에 걸리는 축력(軸力)에 의해 분기 구멍(31-2)의 하단 내주연부(P)에 큰 응력이 발생하고, 이 하단 내주연부(P)가 기점이 되어 균열이 생기기 쉬우며, 연료의 누출을 초래할 가능성이 있었다. 또한, 이어서 균열이 생기기 쉬운 곳은 본관 레일의 내표면이다. 본관 레일은 두꺼운 원통이기는 하지만, 내경이 커서 내표면에 큰 원주 방향의 인장 응력이 발생하기 때문이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 내압 피로 저항성, 진동 피로 저항성 및 캐비테이션 저항성이 우수하고, 또한 시트면 내스크래치성, 굽힘 형상 안정성도 우수하며, 추가로 박육화, 경량화가 도모되는 디젤 엔진용 고압 연료 배관을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 관한 디젤 엔진용 고압 연료 배관은 잔류 오스테나이트를 5∼40 wt% 갖는 저합금 변태 유기 소성형 강도 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 또한, 유로 내표면의 스크래치 깊이가 20 ㎛ 이하인 것, 유로 내표면에 소성 가공을 행한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서, 저합금 변태 유기 소성형 강도 강의 잔류 오스테나이트를 5∼40 wt%로 한정한 것은 5 wt% 미만에서는 높은 응력에 노출되었을 때, 잔류 오스테나이트로부터 마르텐사이트로의 변태량이 적어 충분한 강도 상승이 도모되지 않는 반면에, 한편 40 wt%를 초과하면 원하는 강도를 확보하기 어렵기 때문이다.
또한, 유로 내표면의 스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 한 것은, 상기 강 속의 비금속 개재물의 크기가 일반적으로 20 ㎛를 초과하고 있기 때문이다.
또한, 유로 내표면에 소성 가공을 행하는 것은 마르텐사이트 변태를 유기(誘 起)시켜 항장력을 높여 내압 피로 강도를 높이기 위함이다.
본 발명에 따른 디젤 엔진용 고압 연료 배관은, 소성 변형능이 높고, 또한 소성 가공에 의해 마르텐사이트 조직이 되는 강도와 경도가 모두 높은 저합금 변태 유기 소성형 강도 강으로 제조되기 때문에, 관 전체가 고강도, 고경도이며, 내압 피로 저항성, 진동 피로 저항성, 캐비테이션 저항성, 시트면의 내스크래치성 및 굽힘 형상 안정성이 우수하고, 또한 박육 경량화도 가능하다.
또한, 가공 도중에는 가공성이 좋고, 내표면이 평활한(스크래치가 없는) 관으로 되어 있다. 또한, 관을 연신할 때의 리덕션을 크게 잡기 때문에 관 연신 횟수를 줄일 수 있고, 추가로 동일한 리덕션이라면 작은 관 연신기, 작은 다이스로 가공이 가능하다는 등의 효과가 있다.
본 발명에 있어서 저합금 변태 유기 소성형 강도 강은, 최근 승용차의 하부 프레스 성형 부품의 경량화를 목적으로 하여 개발된 것으로, 잔류 오스테나이트(γR)의 왜곡 유기 변태(TRIP)를 이용하여 프레스 성형성을 현저히 개선한 페라이트(αf)＋베이나이트(αb)＋γR 복합 조직 강[TRIP형 Dual-Phase강, TDP강] 및 베이니틱 페라이트(αbf)＋γR 강[TRIP형 베이나이트강, TB강] 등이 있다.
여기서 변태 유기 소성(transformation induced plasticity)이란, 과학적으로 불안정한 상태로 존재하는 오스테나이트(γ)층이 역학적 에너지의 부가에 의해 마르텐사이트로 변태할 때에 동반 발생하는 대규모 연신을 말한다.
즉, TRIP 강이란, 어떤 한정된 소성의 강에 있어서 특정한 열처리를 행함으 로써, α층의 입계를 중심으로 잔류 오스테나이트나 베이나이트 조직이 혼재(混在)된 금속 조직을 얻는 강을 말한다. 이러한 금속 조직을 갖는 TRIP 강의 특징으로서는 소성 변형능이 높다는 것과, 가공에 의해 마르텐사이트 조직이 되기 때문에 강도가 높고 또한 단단해진다는 것 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 고압 연료 배관은 이러한 특성이 있는 잔류 오스테나이트를 5∼40 wt% 갖는 저합금 변태 유기 소성형 강도 강으로 제조되기 때문에, 가공 도중에는 가공성이 좋고, 또한 유로 내표면은 스크래치 깊이가 20 ㎛ 이하인 관으로 되어 있다. 또한, 관 연신시의 리덕션을 크게 잡기 때문에 관 연신 횟수를 줄일 수 있고, 또한 동일한 리덕션이라면 작은 관 연신기, 작은 다이스로 가공이 가능하다.
또한, 오스테나이트(γ) 조직이던 것이 가공유기(加工誘起) 마르텐사이트의 석출에 의해 경도와 인장가 강도 모두 향상되기 때문에, 내압 피로 저항성, 캐비테이션 저항성, 시트면의 내스크래치성, 굽힘 형상 안정성이 우수하다.
또한, 저합금 변태 유기 소성형 강도 강은, 국부적으로 변형된 부분의 오스테나이트가 경질의 마르텐사이트로 변태하고, 그 부분을 강화한다고 하는 특성(TRIP 현상)을 갖기 때문에, 이 저합금 변태 유기 소성형 강도 강으로 제조된 고압 연료 배관의 경우에는, 진동 피로나 내압 피로가 진행되어도 상기 특성에 의해 그 피로 부분이 강화되어 관의 파괴를 저지하는 저항력이 생기기 때문에, 종래의 JISG3455의 STS370,410에 비하여 수명이 길다.
본 발명에 따른 고압 연료 배관의 제조 방법으로서는, (A) 잔류 오스테나이트를 5∼40 wt% 갖는 저합금 변태 유기 소성형 강도 강으로 제조된 모관을 이용하 여 관 연신ㆍ열처리를 반복 수행한 후, 잔류 오스테나이트 석출을 위한 처리를 행하여 최종 관 연신 가공을 행하고, 제품 치수에서 완전 풀림(full annealing)을 행하지 않고 이음부 성형과 굽힘을 행하는 방법, (B) 동일한 변태 유기 소성형 강도 강으로 제조된 모관을 이용하여 관 연신ㆍ열처리를 반복 수행하고, 최종 관 연신 공정을 거쳐 제품 치수로 마무리한 후에 잔류 오스테나이트 석출을 위한 처리를 행하며, 추가로 이음부 성형 및 굽힘 가공을 행하여 제조한 관체의 내표면층을 소성 가공하는 방법, (C) 동일한 변태 유기 소성형 강도 강의 성분을 갖는 강관에 있어서, 내표면의 스크래치 가공(스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 함) 및 관 연신 가공을 행하여 원하는 사이즈로 마무리한 후, 상기 강관을 950 ℃로 가열하여 오스테나이트 단층(單層)을 형성하고, 그 후 급냉하여 350 ℃∼500 ℃ 사이에서 오스템퍼링(austempering) 처리를 행하며, 냉각한 후, 내표면의 평활화를 행하고, 그 후 이음부 성형과 굽힘 가공을 행하는 방법 등을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 소성 가공 수단으로서는, 내압을 걸어 내주 표면만 소성 변형(오토프레타즈 가공)시키는 방법이 적합하다. 그 이유는 오토프레타즈(autofrettage) 가공의 경우에는, 오토프레타즈 가공에 의한 잔류 응력이 내압 피로 강도에 대하여 유효하기 때문이다. 즉, 상기 강의 종류는 잔류 오스테나이트를 포함하지 않는 강 종류보다도 가공경화성이 높다. 따라서, 오토프레타즈 가공에 의한 경도 증가에 따른 내압 피로 강도의 증가 정도도 크다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 실시예 1∼6와 비교예 1 ∼6은 도 1 및 도 2에 도시된 고압 연료 분사관의 경우이며, 실시예 7, 8은 도 3에 도시된 보스 일체형의 커먼 레일, 실시예 9는 도 4∼6에 도시된 강관제의 커먼 레일의 실시예를 각각 나타낸다.
실시예 1
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제로서, 외경 34 mm, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하여 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화를 행하며, 그 후 450 ℃에서 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 5.0%), 그 후 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 제품 치수에 있어서 풀림을 행하지 않고서 이음부 성형 및 굽힘 가공을 행하여 제품을 획득하였다.
실시예 2
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하여 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻고, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 425 ℃에서 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하며(잔류 오스테나이트의 체적율 11.2%), 그 후 제품 치수에 있어서 이음부 성형, 굽힘 가공 및 오토프레타즈 가공(내압은 내표면으로부터 두께의 50%까지가 항복하는 압력)을 행하였다.
실시예 3
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하여, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻고, 얻어진 TB강제 관을 780 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 400 ℃의 온도로 10분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하며(잔류 오스테나이트의 체적율 13.7%), 냉각후, 외면 방청 처리를 행하고, 그 후 제품 치수에서 이음부 성형 및 굽힘 가공을 행하여 제품을 획득하였다.
실시예 4
표 1에 나타내는 성분을 갖는 B 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하며, 절삭 가공에 의해 내표면의 스크래치 가공을 행하여 유로 내표면의 스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 하고, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 450 ℃의 온도로 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 22.0%), 냉각후, 내면 청정화 처리 및 외면 방청 처리를 행하며, 그 후 제품 치수에서 이음부 성형, 굽힘 가공 및 오토프레타즈 가공(내압은 내표면으로부터 두께의 50%까지가 항복하는 압력)을 행하여 제품을 획득하였다.
실시예 5
표 1에 나타내는 성분을 갖는 B 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하며, 절삭 가공에 의해 내표면의 스크래치 가공을 행하여 유로 내표면의 스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 하고, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한후, 425 ℃의 온도로 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 34.4%), 냉각후, 내면 청정화 처리 및 외면 방청 처리를 행하며, 그 후 제품 치수에서 이음부 성형, 굽힘 가공 및 오토프레타즈 가공(내압은 내표면으로부터 두께의 50%까지가 항복하는 압력)을 행하여 제품을 획득하였다.
실시예 6
표 1에 나타내는 성분을 갖는 B 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하며, 절삭 가공에 의해 내표면의 스크래치 가공을 행하여 유로 내표면의 스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 하고, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 얻어진 TB강제 관을 780 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한후, 400 ℃의 온도로 10분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 39.2%), 냉각후, 내면 청정화 처리 및 외면 방청 처리를 행하며, 그 후 제품 치수에서 이음부 성형, 굽힘 가공 및 오토프레타즈 가공(내압은 내표면으로부터 두께의 50%까지가 항복하는 압력)을 행하여 제품을 획득하였다.
비교예 1
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하여, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행 한 후, 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 400 ℃에서 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 4.2%), 그 후 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 제품 치수에 있어서 풀림을 행하지 않고서, 이음부 성형 및 굽힘 가공을 행하여 제품을 획득하였다.
비교예 2
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하여, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻고, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 475 ℃로 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하며(잔류 오스테나이트의 체적율 1.7%), 그 후 제품 치수에서 이음부 성형, 굽힘 가공 및 오토프레타즈 가공(내압은 내표면으로부터 두께의 50%까지가 항복하는 압력)을 행하였다.
비교예 3
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하여, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻고, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 500 ℃에서 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하며(잔류 오스테나이트의 체적율 O%), 그 후 제품 치수에서 이음부 성형, 굽힘 가공 및 오토프레타즈 가공(내압은 내표면으 로부터 두께의 50%까지가 항복하는 압력)을 행하였다.
비교예 4
표 1에 나타내는 성분을 갖는 B 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하며, 절삭 가공에 의해 유로 내표면의 스크래치 가공을 행하여 유로 내표면의 스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 하고, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 400 ℃의 온도로 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 4.5%), 냉각후, 외면 방청 처리를 행하며, 그 후 제품 치수에서 이음부 성형 및 굽힘 가공을 행하여 제품을 획득하였다.
비교예 5
표 1에 나타내는 성분을 갖는 B 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하며, 절삭 가공에 의해 유로 내표면의 스크래치 가공을 행하여 유로 내표면의 스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 하고, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 475 ℃의 온도로 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 2.3%), 냉각후, 외면 방청 처리를 행하며, 그 후 제품 치수에서 이음부 성형 및 굽힘 가공을 행하여 제품을 획득하였다.
비교예 6
표 1에 나타내는 성분을 갖는 B 강제로서, 외경 34 ㎜, 두께 4.5 ㎜, 내경 25 ㎜의 이음매 없는 강관(모관)을 이용하며, 절삭 가공에 의해 유로 내표면의 스크래치 가공을 행하여 유로 내표면의 스크래치 깊이를 20 ㎛ 이하로 하고, 소정의 관 연신과 풀림을 반복 수행한 후, 최종 관 연신 가공을 행하여 외경 8 ㎜, 두께 2 ㎜, 내경 4 ㎜의 TB강제 관을 얻으며, 얻어진 TB강제 관을 950 ℃ ×12분간 오스테나이트화 행한 후, 500 ℃의 온도로 5분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 0%), 냉각후, 외면 방청 처리를 행하며, 그 후 제품 치수에서 이음부 성형 및 굽힘 가공을 행하여 제품을 획득하였다.
상기 실시예 1∼6 및 비교예 1∼6에서 얻어진 제품의 내구 시험 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 표 2에 있어서의 내구 시험 결과는 베이스압 18∼피크압까지의 유압에 의한 500만회의 반복 시험의 결과이다.
표 2의 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 잔류 오스테나이트의 체적율이 5% 이상인 TRIP 강제의 본 발명의 제품(실시예 1∼6)은 전부, 최종 관 연신 가공에 의해 유기되는 마르텐사이트 변태에 의해 내압 피로 저항성이 우수한 데 반하여, 동일한 TRIP 강제라도 잔류 오스테나이트의 체적율이 5% 미만인 TRIP 강제의 비교예 1∼6에서는 내압 피로 저항성이 뒤떨어지는 것으로 판명되었다.
또한, 비교를 위해 통상의 고강도강(SCM435)(C 0.33∼0.38 mass%, Si 0.15∼0.35 mass%, Mn 0.60∼0.85 mass%, P 0.030 mass% 이하, S 0.030 mass% 이하, Cr 0.90∼1.20 mass%, Mo 0.15∼0.30 mass%)제의 이음매 없는 강관을 이용하여 제조한 연신 관 완성품은, 가공경화하여 헤드부 성형 및 굽힘 가공을 행하는 것이 불가능 하고, 또한 통상의 열처리(담금질ㆍ뜨임)를 실시한 것은 굽힘 가공이 불가능하였다.
실시예 7
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제의 단조용 둥근 막대를 소정 치수로 절단하고, 열간 단조 온도까지 가열하며, 형 단조를 행함으로써, 보스 일체형의 커먼 레일 소재(관상부의 외경 34 ㎜Φ)를 단조하고, 계속해서 절삭 등에 의해 내경 10 ㎜Φ, 보스부 분기 구멍 직경 3 ㎜Φ, 시트면, 나사부 등 소망 가공을 행하며, 이것을 950 ℃ ×20분간 오스테나이트화 행한 후, 400 ℃ ×3분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 5.0%), α층의 입계를 중심으로 잔류 오스테나이트(γ)층이나 베이나이트 조직이 혼재한 조직을 갖는 보스 일체형의 커먼 레일로 만든 후, 이 커먼 레일의 각 보스의 분기 구멍부에 외압 방식으로 압압력을 부여하여 분기 구멍의 본관 레일 유통로 개구 단부 주변에 압축 잔류 응력을 발생시켰다. 또한, 절삭 가공시에는 잔류 오스테나이트층이나 베이나이트 조직이 적기 때문에 인장 강도가 낮고 연신도 작기 때문에 가공이 매우 용이하였다.
이 커먼 레일을 반복 압력 시험기에 걸어서 피로 한계를 조사한 결과, 비교재로서 이용한 통상의 고강도강(SCM435)(C 0.33∼0.38 mass%, Si 0.15∼0.35 mass%, Mn 0.60∼0.85 mass%, P 0.030 mass% 이하, S 0.030 mass% 이하, Cr 0.90∼1.20 mass%, Mo 0.15∼0.30 mass%)제의 동일 사이즈의 커먼 레일의 경우에는, 180∼1500 Bar의 유압에 의한 반복 시험에 있어서 80만회에서 파손한 데 반하여, 본 발명에 따른 커먼 레일은 2200 Bar에서 1000만회 반복 시험을 행하더라도 파손하는 일이 없고, 우수한 내압 피로 저항성을 나타내었다.
실시예 8
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제의 단조용 둥근 막대를 소정 치수로 절단하고, 이것을 950 ℃ ×20분간 오스테나이트화 행한 후, 350∼475 ℃의 범위에서 3분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하고(잔류 오스테나이트의 체적율 11.2%), α층의 입계를 중심으로 잔류 오스테나이트(γ)층이나 베이나이트 조직이 혼재한 조직으로 만들며, 이것을 형 단조하여 보스 일체형의 커먼 레일(관상부의 외경 34 ㎜Φ)을 단조하고, 계속해서 절삭 등에 의해 내경 10.6 ㎜Φ, 보스부 분기 구멍 직경 3 ㎜Φ, 시트면, 나사부 등 소망 가공을 행하여 보스 일체형의 커먼 레일로 만들며, 그 후 이 커먼 레일의 각 보스의 분기 구멍부에 외압 방식으로 압압력을 부여하여 분기 구멍의 본관 레일 유통로 개구 단부 주변에 압축 잔류 응력을 발생시켰다. 또한, 단조시에는 잔류 오스테나이트층이나 베이나이트 조직이 존재하고, 인장 강도가 높지만 연신이 크기 때문에 단조 가공은 가능하였다. 또한, 관상부의 내표면으로부터 두께의 50% 정도까지를 항복시킬 수 있는 내압을 작용시켜 오토프레타즈 가공을 행하였다.
이 커먼 레일을 반복하여 압력 시험기에 걸어 피로 한계를 조사한 결과, 2400 Bar에서 1000만회 반복 시험을 행하더라도 파손되는 일이 없고, 보다 우수한 내압 피로 저항성과 내구성을 나타내었다.
실시예 9
표 1에 나타내는 성분을 갖는 A 강제의 이음매 없는 강관을 소정 치수로 절 단한 커먼 레일 소재(관의 외경 36 ㎜Φ, 내경 10 ㎜Φ)에, 절삭 등에 의해 분기 구멍 직경 3 ㎜Φ, 시트면, 나사부 등 소망 가공을 행하고, 이것을 950 ℃ ×20분간 오스테나이트화 행한 후, 350 ℃∼475 ℃의 범위에서 3분간 유지하는 오스템퍼링 처리를 행하며(잔류 오스테나이트의 체적율 13.7%), α층의 입계를 중심으로 잔류 오스테나이트(γ)층이나 베이나이트 조직이 혼재한 조직을 갖는 커먼 레일로 만들고, 그 후 이 커먼 레일의 분기 구멍부에 외압 방식으로 압압력을 부여하여 분기 구멍의 본관 레일 유통로 개구 단부 주변에 압축 잔류 응력을 발생시켰다. 또한, 절삭 가공시에는 잔류 오스테나이트층이나 베이나이트 조직이 적어서 인장 강도가 낮고 연신도 작기 때문에 가공은 매우 용이하였다.
이 커먼 레일을 반복하여 압력 시험기에 걸어 피로 한계를 조사한 결과, 본 실시예에 있어서도, 2200 Bar에서 1000만회 반복 시험을 행하더라도 파손되는 일이 없고, 우수한 내압 피로 저항성과 내구성을 나타내었다.
C Si Mn P S Al
A 강 0.17 1.40 1.80 0.010 0.003 0.03
B 강 0.40 1.51 1.50 0.015 0.003 0.023
(mass%)
공식 No. 강의 종류 스크래치 가공 유무 잔류 오스테나이트의 체적율(%) 내구 시험 결과 스크래치깊이(㎛)
본 발 명 1 A 강 무 5.0 18~250 MPa n=3 파손없음 20㎛이하
2 A 강 무 11.2 18~250 MPa n=3 파손없음 "
3 A 강 무 13.7 18~250 MPa n=3 파손없음 "
4 B 강 유 22.0 18~250 MPa n=3 파손없음 "
5 B 강 유 34.4 18~250 MPa n=3 파손없음 "
6 B 강 유 39.2 18~250 MPa n=3 파손없음 "
비 교 예 1 A 강 무 4.2 18~240 MPa n=1 파열 25
2 A 강 무 1.7 18~250 MPa n=1 파열 40
3 A 강 무 0 18~220 MPa n=1 파열 32
4 B 강 유 4.5 18~250 MPa n=1 파열 7
5 B 강 유 2.3 18~250 MPa n=1 파열 12
6 B 강 유 0 18~250 MPa n=1 파열 10
본 발명에 따른 디젤 엔진용 고압 연료 배관은, 내압 피로 저항성, 진동 피로 저항성, 캐비테이션 저항성이 우수하고, 또한 시트면 내스크래치성, 굽힘 형상 안정성도 우수하며, 추가로 박육화 및 경량화가 가능해진다.

Claims (5)

  1. 잔류 오스테나이트를 5∼40 wt% 갖는 저합금 변태 유기 소성형 강도 강으로 이루어지는 것인 디젤 엔진용 고압 연료 배관.
  2. 제1항에 있어서, 유로 내표면의 스크래치 깊이가 20 ㎛ 이하인 것인 디젤 엔진용 고압 연료 배관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유로 내표면에 소성 가공을 행하는 것인 디젤 엔진용 고압 연료 배관.
  4. 제3항에 있어서, 상기 소성 가공은 오토프레타즈(autofrettage) 가공인 것인 디젤 엔진용 고압 연료 배관.
  5. 제1항에 있어서, 상기 저합금 변태 유기 소성형 강도 강은, 잔류 오스테나이트(γR)의 왜곡 유기 변태(TRIP)를 이용하여 프레스 성형성을 개선한 페라이트(αf)＋베이나이트(αb)＋γR복합 조직강[TRIP형 Dual-Phase강, TDP강]과 베이니틱 페라이트(αbf)＋γR강[TRIP형 베이나이트 강, TB강]인 것인 디젤 엔진용 고압 연료 배관.
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