KR100959597B1 - 노즐 헤드용 재질 및 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드 - Google Patents

노즐 헤드용 재질 및 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드 Download PDF

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Abstract

연소 기관, 특히 대형 디젤 기관의 연료 분사 노즐(1)의 노즐 헤드(2)용 재질이 제공되고, 상기 재질은 일반적으로 발생하는 불순물을 제외하고, 중량 퍼센트로 0% 내지 50%의 니켈(Ni), 0% 내지 5%의 탄소(C), 0% 내지 5%의 규소(Si) 및 적어도 50%의 크롬(Cr)을 포함하는 크롬계 합금인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드(2)가 제공된다.
노즐, 노즐 헤드, 크롬, 연료 분사, 디젤 기관, 연소, 엔진, 재질

Description

노즐 헤드용 재질 및 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드 {A MATERIAL FOR A NOZZLE HEAD AND A NOZZLE HEAD MADE OF SUCH A MATERIAL}
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 노즐 헤드를 구비한 연료 분사 노즐의 단면도이다.
본 발명은 연료 분사 노즐의 노즐 헤드용 재질, 상기 재질로 만들어진 노즐 및 연소 기관, 특히 대형 디젤 기관의 연료 분사 노즐에 관한 것이다.
예를 들면, 선박 또는 고정 설비의 동력 발생용 구동부로서 사용되는 대형 디젤 기관에서, 연료, 즉 일반적으로 중유 또는 다른 디젤 연료가 연료 분사 노즐에 의하여 연소실로 안내된다. 일반적으로 이들 분사 노즐들은 부분적으로 연소실 내부로 분사하며 또한 분무기로 불리는 노즐 헤드를 포함한다. 상기 노즐 헤드는 고열, 기계적 및 화학적 부하 상태를 받는 마모 부품이다. 변형의 정도에 따라, 노즐 헤드에서, 예를 들면 개별적으로 파괴까지 이르게 할 수 있는, 부식, 침식 및/또는 마모, 또는 균열의 결과로서 재질 제거와 같은 손상이 발생될 수 있다.
또한 기계적인 변형은 천 바 이상일 수 있는 고 분사압에 기인한다. 재질 손실은 캐비테이션(cavitation) 및/또는 침식 때문에 노즐 헤드의 내부에서 발생될 수 있다. 열 변형은 연소실의 고온 및 연소 온도와 새로이 공급되는 분출 공기의 온도 사이의 심한 온도 변화에 기인한다. 또한 간헐적인 분사는 연료가 도입되는 노즐 헤드의 내부에서 충격형 온도 변화를 발생시킨다. 상기 노즐 헤드의 화학적인 변형은 고온 부식 또는 열간 부식에 주로 기인한다. 상기 연료에 포함된 바나듐, 나트륨 및 황에 의하여 주로 발생되는 열간 부식은 재질 시닝(thining) 및 침식을 촉진시킨다. 특히 부식은 노즐 헤드가 쓸모 없고 작업의 단지 수천 시간 후에 교체되어야 한다는 사실에 대한 이유이다.
현재, 강철 또는 니켈 또는 코발트계 합금, 예를 들면 스텔라이트(stellite)6이 대형 디젤 기관의 노즐 헤드용 재질로 사용된다. 충분한 성분 수명이 스텔라이트6의 코발트계의 합금으로 침식, 마모 및 캐비테이션(특히 노즐 헤드의 구멍)에 대한 대형 디젤 기관의 노즐 헤드용에서 현재 얻어질 수 있다. 그러나, 열간 부식에 대한 저항 및 그 때문에 발생되거나 증대되는 재질 손실에 대하여 여전히 개선될 필요가 있다. 개선은 미래의, 더욱더 강력한 대형 디젤 기관에 대하여, 스트레스 요구가 특히 노즐 헤드용으로 계속하여 증가될 기대를 가능하게 한다.
30% 내지 48%의 니켈 함유량을 갖고 있으며 또한 1.5% 내지 15%의 텅스텐 및/또는 1% 내지 6.5%의 몰리브덴을 포함하고, 텅스텐 및 몰리브덴 함유량의 합계가 15%를 초과하지 않는 크롬계 합금이 EP-A-0 529 208에 공지되어 있다. 이 합금은 자동차 엔진의 밸브 코팅에 특히 적합한 코팅 재질[견고한 면(hard facing)]로 개시되어 있다. 상기 텅스텐 및/또는 몰리브덴 함유량은 상기 코팅 재질에 필요한 강도 및 경도를 주기 위하여 중요하다.
본 발명의 목적은 대형 디젤 기관에서 고 부하 상태와 잘 조화될 수 있고 특히 고 열간 부식 저항을 갖는 재질 및 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드를 제공하는데 있다.
상기 목적을 만족시키는 본 발명의 주제는 각각의 카테고리의 독립항의 특징에 의하여 특성을 나타낸다.
따라서 본 발명에 따른, 연소 기관, 특히 대형 디젤 기관의 연료 분사 노즐의 노즐 헤드용 재질이 제공되고, 상기 재질은 일반적으로 발생하는 불순물을 제외하고, 중량 퍼센트로 0% 내지 50%의 니켈(Ni), 0% 내지 5%의 탄소(C), 0% 내지 5%의 규소(Si) 및 적어도 50%의 크롬(Cr)을 포함하는 크롬계 합금이다.
본 발명에 따라 연소 기관, 특히 대형 디젤 기관의 연료 분사 노즐용 노즐 헤드가 상기한 재질로 제조된다.
본 발명에 따른 크롬계 합금은 부식, 특히 열간 부식, 침식, 마모, 재질 손실 및 캐비테이션에 대하여 특별한 저항이 있는 것으로 입증되었다. 상기한 크롬계 합금으로 제조되는 노즐 헤드는 대형 디젤 기관의 고부하 상태를 매우 양호하게 견딜 수 있다. 또한 상기 재질의 기계적인 강도, 균열 형성에 대한 저항 및 진동 변형에 대한 장기 저항은 요구조건을 만족시킨다. 8,000 내지 15,000 작동 시간의 작동 기간은 본 발명에 따른 대형 디젤 기관의 노즐 헤드로 가능하다는 것이 입증 되었다.
특히 본 발명에 따른 재질의 고 크롬 함유량은 중유로 작동되는 대형 디젤 기관의 연소실 내에서 일반적으로 발생하는 바와 같은 고온 부식에 의한 강한 침범에 대한 저항에 특히 중요하다. 크롬은 재질에 화학적인 저항을 주는 노즐 헤드의 표면에 콤팩트하고 견고하게 부착된 크롬 산화물층을 형성한다. 고 크롬 함유량 때문에, 또한 크롬은 노즐 헤드의 내부로부터 노즐 헤드의 표면으로 신속하게 확산될 수 있고 그곳에서 발생하는 산화물층에 대한 손상을 방지할 수 있다.
바람직하게 상기 재질은 최대 5%인 각 반응 원소의 함유량을 갖고, 란탄(La), 세륨(Ce), 이트륨(Y), 하프늄(Hf), 스칸듐(Sc) 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터의 적어도 하나의 반응 원소를 포함한다.
상기 재질에서 반응 원소의 기능은 그 내부에서 크롬 산화물층의 안정성과 상기 노즐 헤드에 그 부착을 긍정적인 방식으로 영향을 미친다는 것이다. 상기한 반응 원소의 작은 양까지도 산화물 반응, 및 특히 산화물층-또한 특히 온도 변화 스트레인을 갖는-의 부착을 명백히 개선할 수 있다.
기계적으로 기술적인 성질에 대하여, 바람직하게 상기 니켈 함유량은 적어도 45%이다. 상기 재질은 취성이 아주 작고 결과적으로 크롬 함유량 때문에 더욱 양호하게 처리되고 가공될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 재질은 일반적으로 발생하는 불순물을 제외하고, 중량 퍼센트로 적어도 45%의 니켈(Ni), 50% 내지 55%의 크롬(Cr), 0% 내지 5%의 탄소(C), 0% 내지 5%의 규소(Si), 및 0% 내지 5%의 하나 이상의 반응 원소로 이루어진다. 노즐 헤드는 특별한 방식으로 대형 디젤 기관에 고 부하 상태를 견딜 수 있고 특히 고온 부식 저항을 갖는 합금의 상기한 구성으로 제조될 수 있다는 것을 알게 되었다.
경도 또는 강도를 증가시키는, 텅스텐 또는 몰리브덴과 같은 구성물의 추가는 본 발명에 따른 재질에 반드시 필요하지 않게 된다.
반응 원소 각각의 함유량은 최대 1%, 특히 최대 0.2%인 것이 실제 바람직하다는 것이 입증되었다. 바람직하게 탄소(C)의 함유량은 최대 1%, 특히 최대 0.05%이고 규소(Si)의 함유량은 최대 1%, 특히 최대 0.5%이다.
본 발명에 따른 재질의 반응 원소 중 하나의 반응 원소의 존재는 일반적으로 충분하다. 그러나, 적용에 따라, 또한 복수의 반응 원소를 갖는 재질을 제조하는 것이 바람직할 수 있다.
종종, 재질, 특히 합금의 성질에 중요한 것은 그 화학적 구성 뿐만 아니라 제조 방법이다. 본 발명에 따른 재질, 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드, 열간 정수압 소결법으로 제조되는 노즐 헤드가 바람직하다는 것이 입증되었다.
바람직하게 상기 재질은 대부분의 입도가 10 내지 200 마이크로미터, 특히 40 내지 150 마이크로미터에 상응하는 금속 분말로 제조된다. 상기 분말 입자의 현저한 부분은 10 내지 200, 특히 40 내지 150 마이크로미터의 크기를 갖는 분말에 의하여 나타난다.
바람직한 실시예에서, 상기 노즐 헤드는 길이방향 구멍 및 상기 길이방향 구멍으로부터 시작되고 연료를 연소실로 안내하기 위한 적어도 하나의 노즐 구멍을 갖고 있고, 상기 길이방향 구멍에서 노즐 구멍으로의 변화가 바람직하게 전기-화학적으로[전해 연마로((elysed)] 둥글게 된다. 상기 연료의 흐름 통로에서 날카로운 에지는 변화 구역의 둥근형에 의하여 방지되며, 그 때문에 흐름 조건이 최적화된다.
본 발명에 따른 노즐 헤드는 연소 기관, 특히 디젤 기관용 연료 분사 노즐에 적합하다. 본 발명에 따른 노즐 헤드, 또는 상기 노즐 헤드를 구비한 연료 분사 노즐은 대형 디젤 기관, 예를 들면 크로스헤드 드라이브(crosshead drive)를 갖는 유니플로 소기를 갖는 2행정 대형 디젤 기관 및 4행정 대형 디젤 기관에 특히 적합하다.
또한 본 발명의 바람직한 조치 및 실시예가 종속항에서 발생된다.
본 발명은 실시예 및 도면을 참조하여 다음에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도면은 단지 개략적으로 도시된다.
도 1은 대형 디젤 기관, 특히 전체적으로 참조번호 1로 지시되는 유니플로 소기(uniflow scavenging)를 갖는 2행정 대형 디젤 기관의 연료 분사 노즐의 단면도를 도시한다. 상기 연료 분사 노즐(1)은 노즐 보디(3)에 고정되는 본 발명에 따른 노즐 헤드(2)의 일 실시예를 포함한다. 바람직하게 상기 노즐 헤드(2)는 도시된 바와 같이 노즐 보디(3)에 분리가능하게 연결되어 상기 노즐 헤드가 단독으로, 즉 전체 연료 분사 노즐(1)이 교체될 필요없이 교체될 수 있다.
상기 노즐 헤드(2)는 길이방향 구멍(20) 및 도 1에서는 2개만이 도시되어 있 는 복수의, 예를 들면 5개의 노즐 구멍(21)을 갖고 있다. 상기 노즐 구멍(21) 각각은 길이방향 구멍(20)으로부터 시작하고 약간 하향 경사진 방식으로 방사상으로 뻗어있다.
작동시, 연료, 일반적으로 중유 또는 다른 디젤 연료가 대형 디젤 기관의 작동 사이클에 원래 알려진 방식으로 간헐적으로 조화되고 길이방향 구멍(20) 및 노즐 구멍(21)을 통하여 연소실(더 상세하게 도시되지 않음) 내부로 고압으로 분사된다.
이 실시예에서, 상기 노즐 헤드(2)는 반응 원소를 포함하는 크롬계 합금(chromium based alloy)인 재질로 이루어진다. 희토류 원소(rare earth) 또는 유사한 금속이 반응 원소로 적합하다. 특히, 란탄(La), 세륨(Ce), 이트륨(Y), 하프늄(Hf), 스칸듐(Sc)이 적합하다. 바람직하게 상기 재질은 양호한 가동성(workability)을 보장하기 위하여 중량에 대한 45% 내지 50%의 고 니켈 비율을 갖고 있다.
본 실시예에서, 상기 합금의 니켈 함량은 45% 이상이고 란탄은 0.1% 이하의 중량비를 갖는 반응 원소로서 포함된다. 일반적인 불순물을 제외한 나머지는 크롬이다.
또한 상기 재질이 하나 이상의 반응 원소를 포함하는 것이 물론 가능하다. 바람직하게 각각의 반응 원소는 중량에 대하여 많아야 1%, 특히 많아야 0.2% 포함된다.
바람직하게 본 발명에 따른 상기 노즐 헤드(2)는 열간 정수압 소결법(hot isostatic pressing; HIP) 공정에 의하여 제조된다.
제조를 위하여, 출발 재질-즉, 본 발명에서는 반응 원소로서 크롬, 니켈 및 란탄임-은 원래 알려진 방식으로 분말로 무화된다. 이 실시예에서 분말의 입도는 주로 45와 150 마이크로미터 사이에 있다. 블랭크(blank) 또는 반제품, 예를 들면 바(bar)가 열간 정수압 소결법에 의하여 분말로 제조된다. 상기 노즐 헤드(2)는 기계적인, 일반적으로 절삭 가공법에 의하여 상기 블랭크로부터 제조된다. 상기 길이방향 구멍(20) 및 노즐 구멍(21)이 뚫린다. 또한 길이방향 구멍(20)과 노즐 구멍(21) 사이의 변화 영역(에지)은 바람직하게 둥글게 된다. 바람직하게는 이 에지들은 전기-화학적으로(electro-chemically)[전해 연마로((elysed)] 둥글게 된다.
열간 정수압 소결법용 공정 파라미터가 각 적용에 최적화될 수 있다.
본 발명에 따른 재질, 또는 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드(2)는 열 부식 및 그와 관련되는 재질 소모에 우수한 저항을 갖고 있다. 또한 열적, 기계적 및 화학적 부하 상태의 다른 요구조건에 매우 양호하게 대처하는 것이 가능하다. 8,000 내지 15,000 시간의 작동 시간이 상기한 노즐 헤드(2)로 얻어질 수 있다. 상기한 노즐 헤드는 상기한 긴 작동 기간 이후에도 여전히 양호한 상태로 제공된다. 이 엄청난 수명은 경제적인에서 특히 큰 장점이다.
따라서 본 발명에 따른 노즐 헤드는 더욱 높은 성능을 갖고 상기 노즐 헤드의 스트레스 평가에 대한 더욱 높은 요구조건을 만드는 대형 디젤 기관의 미래 생산에 더욱 적합하다.
본 발명에 따른 실시예는 대형 디젤 기관에서 고 부하 상태와 잘 조화될 수 있고 특히 고 열간 부식 저항을 갖는 재질 및 상기 재질로 제조되는 노즐 헤드를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 연소 기관의 연료 분사 노즐(1)의 노즐 헤드(2)용 재질에 있어서,
    상기 노즐 헤드(3)용 재질은 일반적으로 발생하는 불순물을 제외하고, 중량 퍼센트로 45% 이상 50% 미만의 니켈(Ni), 0% 초과 5% 이하의 탄소(C), 0% 초과 5% 이하의 규소(Si) 및 50% 이상 55% 미만의 크롬(Cr)을 포함하는 크롬계 합금(chromium based alloy)이며,
    상기 재질은 란탄(La), 세륨(Ce), 이트륨(Y), 하프늄(Hf) 및 스칸듐(Sc)으로 이루어지는 군으로부터의 적어도 하나의 반응 원소를 포함하며,
    상기 반응 원소 각각의 함유량은 최대 5%인, 노즐 헤드용 재질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 원소 각각의 함유량은 최대 1%이고, 상기 탄소(C)의 함유량은 최대 1%이고, 상기 규소(Si)의 함유량은 최대 1%인, 노즐 헤드용 재질.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 재질은 열간 정수압 소결법(hot isostatic pressing) 공정에 의하여 제조되는, 노즐 헤드용 재질.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 재질은 전체 입자의 50% 이상이 10 내지 200 마이크로미터의 입도를 갖는 금속 분말로 제조되는 노즐 헤드용 재질.
  5. 제1항에 따른 재질로 제조되는, 연소 기관의 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
  6. 길이방향 구멍(20) 및 상기 길이방향 구멍(20)으로부터 시작되고 연료를 연소실로 안내하기 위한 하나 이상의 노즐 구멍을 갖는 제5항에 따른 노즐 헤드에 있어서,
    상기 길이방향 구멍(20)에서 노즐 구멍(21)으로의 변화 영역이 둥글게 되는 노즐 헤드.
  7. 제5항 또는 6항에 따른 노즐 헤드를 갖는 연소 기관용 연료 분사 노즐.
  8. 제7항에 따른 연료 분사 노즐을 갖는, 연소 기관.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 반응 원소는 란탄(La) 및 세륨(Ce) 중 어느 하나 이상의 원소인, 노즐 헤드용 재질.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 반응 원소 각각의 함유량은 최대 0.2%인, 노즐 헤드용 재질.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 탄소(C)의 함유량은 최대 0.05%인, 노즐 헤드용 재질.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 규소(Si)의 함유량은 최대 0.5%인, 노즐 헤드용 재질.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 재질은 전체 입자의 50% 이상이 40 내지 150 마이크로미터의 입도를 갖는 금속 분말로 제조되는 노즐 헤드용 재질.
  14. 길이방향 구멍(20) 및 상기 길이방향 구멍(20)으로부터 시작되고 연료를 연소실로 안내하기 위한 하나 이상의 노즐 구멍을 갖는 제5항에 따른 노즐 헤드에 있어서,
    상기 길이방향 구멍(20)에서 노즐 구멍(21)으로의 변화 영역이, 전기-화학적으로(electro-chemically) 둥글게 되는 노즐 헤드.
  15. 제7항에 따른 연료 분사 노즐을 갖는, 대형 디젤 기관.
  16. 제2항에 따른 재질로 제조된, 연소 기관의 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
  17. 제3항에 따른 재질로 제조된, 연소 기관의 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
  18. 제4항에 따른 재질로 제조된, 연소 기관의 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
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