KR101131658B1

KR101131658B1 - 커먼 레일의 제조 방법 및 부분 강화된 커먼 레일

Info

Publication number: KR101131658B1
Application number: KR1020097013339A
Authority: KR
Inventors: 아쯔시 스기하시; 고오지 히라노; 야스시 하세가와
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2012-03-28
Also published as: EP2211050A4; US8354613B2; WO2009064013A1; CN101578446A; EP2211050B1; US20130160743A1; PL2211050T3; ES2677594T3; KR20090092304A; CN101578446B; US20100055490A1; JP4790844B2; JPWO2009064013A1; US9464611B2; EP2211050A1

Abstract

본 발명은, 저렴한 강재를 사용하여 우수한 피로 강도를 갖는 커먼 레일과 그 제조 방법을 제공하는 것이며, 커먼 레일의 소재로서, 질량％로, C : 0.01 내지 0.3％, Si : 0.01 내지 0.5％, Mn : 0.01 내지 3.0％, Cr : 1.0 내지 12.0％, Mo : 0.1 내지 2.0％, V : 0.01 내지 1.0％, B : 0.0003 내지 0.01％, Ti : 0.01 내지 0.05％, N : 0.001 내지 0.01％를 함유하고, P : 0.03％ 이하, S : 0.01％ 이하, O : 0.01％ 이하로 제한하고, 또한 입계 편석 취화 원소, As, Sn, Sb, Pb, Zn의 총 합계를 0.015％ 이하로 제한하고, 잔량부가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지는 인성 및 피로 강도를 갖는 고강도 액상 확산 접합용 강을 사용하여 액상 확산 접합을 행한다. 그 제조 방법은, 분기 구멍(6)의 개구 주변부에 위치하는 분기 구멍(6)의 내면(21)과, 레일 구멍(5)의 내면(22)과의 경계 주변부에 대해, 투명 액체를 존재시켜 펄스 레이저 빔을 조사하는 레이저 피닝 처리를 실시한다. 그 후, 개구 주변부의 재료의 표층을 제거한다.

커먼 레일, 레일 구멍, 분기 구멍, 내면, 레일 본체

Description

커먼 레일의 제조 방법 및 부분 강화된 커먼 레일{PROCESS FOR PRODUCTION OF COMMON RAILS AND PARTIALLY STRENGTHENED COMMON RAILS}

본 발명은, 디젤 엔진의 축압식(蓄壓式) 연료 분사 시스템에 있어서의 커먼 레일의 제조 방법 및 부분 강화된 커먼 레일에 관한 것이다.

유체 통로를 갖는 기계 부품에 있어서, 유체가 통과하는 관의 단부나, 직경이 극단적으로 변화되는 부위에 있어서는 응력 집중이 발생하기 쉽고, 유체의 압력 변동의 결과로서 발생하는 피로 파괴가 문제로 된다.

커먼 레일은, 디젤 엔진의 축압식 연료 분사 시스템에 있어서 연료의 경유를 압송하는 펌프와 인젝터 사이에 위치하고, 경유를 축압하는 파이프 형상의 부품이다.

도 1은 커먼 레일(1)의 단면의 개략을 도시하고 있다. 레일 구멍(5)이 커먼 레일(1)의 주된 파이프이고, 경유를 축압하는 역할을 갖는다. 레일 구멍(5)에는 수직으로 개방되는 분기 구멍(6)이 복수개 배치되고, 분기 구멍(6)을 통해 각 인젝터에 경유가 압송된다. 레일 구멍(5)의 내경 d₁은 10㎜ 정도, 분기 구멍(6)의 내경 d₂는 1㎜ 정도이다. 엔진의 작동에 수반하여, 경유가 주기적으로 압송되고, 커먼 레일(1) 내의 경유의 압력이 주기적으로 변동한다. 이때, 도 1의 레일 구멍(5) 및 분기 구멍(6)에는, 주기적으로 둘레 방향의 인장 응력에 변동이 발생한다. 도 2는, 분기 구멍(6)의 개구 주변부인 분기 구멍(6)의 내면과 레일 구멍(5)의 내면과의 경계 주변부를 확대하여 도시하고 있다. 분기 구멍(6) 개구 주변부 중에서도 특히, 분기 구멍(6)의, 레일 구멍의 길이 방향으로 평행이 되는 직경의 양단부 근방(7)에서는, 양 구멍(5, 6)의 인장 응력이 합성되기 때문에, 다른 부분보다도 큰 인장 응력이 발생하고, 내압의 변동에 의해 피로 파괴되기 쉽다는 문제가 있다. 내압의 변동에 대한 피로 강도(내압 피로 강도)를 향상시키면, 연료의 고압 분사가 가능해지고, 배기 가스의 클린화나 연비의 향상으로 이어지기 때문에, 피로 강도 향상이 기대되고 있다.

종래, 이와 같은 피로 강도의 향상을 향한 접근으로서는, 일반적으로 고강도의 강재를 사용함으로써 커먼 레일의 피로 강도를 높이는 방법이 채용되고 있으나, 소재의 고강도화에 의한 성형성이나 가공성의 저하, 고성능화에 수반하는 비용의 증대의 문제가 발생하고 있다. 그로 인해 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2004-83979호 공보에는, 종래 단조 일체 성형 및 기계 가공에 의한 커먼 레일의 제조 방법에 대체하는 제조 방법으로서, 액상 확산 접합에 의한 용접 커먼 레일에 관한 발명이 개시되어 있다. 또한 일본 특허 출원 공개 제2007-40244호 공보에는, 접합시의 제어 냉각을 불필요로 하는 액상 확산 접합에 적합한 강재에 관한 발명이 개시되어 있다. 그러나, 이들 특허 문헌에 개시되어 있는 강재는, 인장 강도가 600㎫ 정도의 강재이고, 최근 지향되고 있는 고연비 성능을 실현하기 위한 1500 기 압이나 또는 2000 기압을 초과하는 커먼 레일에 사용하는 데에는 강도 부족이다. 또한, 열처리 등의 고안으로 강재 강도를 현저하게 향상시키는 것은 가능하나, 그 경우에는 가공이 곤란해지고, 현저한 생산 비용의 증대를 초래한다. 게다가, 최대 주 응력부에서 MnS, Al₂O₃, CaO 등의 개재물이나 산화물이 가공의 결과 표면에 노출된 경우에는, 내압 인가시의 피로 파괴의 기점으로 되어, 고강도 커먼 레일의 안정 생산을 현저하게 저해한다는 과제는 해결할 수 없다.

또한, 강재의 강도를 높이는 정통적인 방법뿐만 아니라, 예를 들어 커먼 레일의 강화에 대해, 일본 특허 출원 공개 제2004-204714호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2004-27968호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 유체 연마나 코이닝 가공의 수법을 사용하여 분기 구멍 개구 단부의 에지를 모따기하여, 응력 집중을 완화시키는 방법이 알려져 있다. 또한, 압축 응력 부여에 의한 피로 강도 향상도 검토되고 있다. 최근 개발이 진행되고 있는 레이저 피닝은, 금속 물체의 표면에 액체 등의 투명 매질을 배치한 상태에서, 그 표면으로 높은 피크 파워 밀도를 갖는 펄스 레이저 빔을 조사하고, 거기서 발생하는 플라즈마의 팽창 반력을 이용하여, 금속 물체의 표면 근방에 비접촉 처리로 잔류 압축 응력을 부여하는 기술이고, 예를 들어 특허 제3373638호 공보에 그 방법이 개시되어 있다. 레이저 빔은, 커먼 레일의 레일 구멍 내면, 분기 구멍 내면 등의 협애부(狹隘部)로도 전송 가능하고, 레이저 피닝은 커먼 레일의 분기 구멍 개구부 근방으로, 높은 압축 응력을 부여하기 위한 현재 상태의 유일한 방법이다. 따라서, 일본 특허 출원 공개 제2006-322446호 공보에 개시된 바와 같이, 레이저 피닝을 커먼 레일로 적용하기 위한 효과적인 방법에 대해 검토되어 오고 있다.

그러나, 일본 특허 출원 공개 제2006-322446호 공보에 개시된 방법은, 커먼 레일의 피로 강도를 크게 향상시키는 것이나, 장치, 효과의 관점에서 이하와 같은 문제가 있었다. 레이저 피닝 처리에 있어서 샘플 표면에 레이저 빔을 조사하면, 조사 스폿부 표층 근방이 용융ㆍ재응고함으로써 상기 스폿부의 표층 근방의 압축 응력이 감소하는 경우가 많다. 이 문제를 회피하기 위해, 레이저 빔을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하는 방법이 알려져 있으나, 이 흡수 재료층을 커먼 레일의 분기 구멍 개구부로 형성하기 위해서는 복잡한 장치를 필요로 하기 때문에, 상기 공정의 생략이 비용이나 생산성의 관점에서 기대된다.

일본 특허 제3373638호 공보에는, 열 영향부를 제거하기 위한 방법으로서, 레이저 광 조사면과 그 근방에 대향하여 설치한 전극 사이에 레이저로 제어한 방전을 발생시키는 방법이나, 레이저 조사면에 접하는 투명 액체를 전해액으로 하고, 레이저 조사 중에 조사면과 그 근방에 대향하여 설치한 전극 사이에서 전해 연마를 행하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이들 방법은, 레이저 조사의 영향이 크기 때문에, 원하는 가공 형상을 고정밀도로 안정적으로 얻는 것이 어려워, 커먼 레일의 공업 생산에는 적합하지 않다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제2006-322446호 공보로 개시되어 있는 바와 같이, 펄스 레이저의 빔 스폿의 중첩 면적 비율을 높임으로써, 상술한 압축 응력의 감소의 문제는 완화된다. 그러나, 커먼 레일의 피로 강도의 향상 효과를 더 끌어 올리기 위해서는, 표층 근방의 압축 응력을 최대한 높일 필요가 있어, 다른 접근이 기대되고 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하고, 응력 집중에 의해 피로 파괴의 기점이 되기 쉬운 커먼 레일의 분기 구멍의 개구부 근방을 레이저 피닝 처리에 의해 부분적으로 강화함으로써, 저렴한 강재를 사용하여 우수한 피로 강도를 갖는 커먼 레일의 제조 방법 및 커먼 레일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 검토를 행한 결과, 액상 확산 접합에 적합한 600㎫ 초과급의 강도를 갖고, 또한 접합부 강도도 우수한 특정한 성분을 갖는 저렴한 고강도 강재를, 가공이 용이한 형상의 블록 단위로 나누어 제조 후, 액상 확산 접합하고, 커먼 레일 개략 형상을 우선 형성하고, 또한 피로 강도가 문제로 되는 분기 구멍의 레일 구멍측 개구부 주변에 대해 레이저 피닝 처리에 의한 압축 응력 도입 후에 전해 연마 등에 의해 레이저 피닝 처리한 부분을 포함하는 영역의 재료를 제거하면, 저렴한 강재를 사용하여 커먼 레일의 피로 강도를 크게 향상시키는 것을 알았다. 여기서, 액상 확산 접합을 사용하여 분기 구멍의 끝에 배관을 고정하는 홀더를 접합하는 것은, 고강도 강재의 가공을 용이하게 하여 공정 비용을 낮추는 동시에, 고강도재로 치명적인, 최대 주 응력부(분기 구멍 개구 부위)에 개재물 또는 산화물이 노출될 때에 발생하는 피로 강도의 저하를 커먼 레일 강화용으로 조정한 레이저 피닝에 의해 보완함으로써, 종래에 없는 고압에 견디는 커먼 레일의 제조를 저렴하게 실현할 수 있는 것을 의미하고, 본 발명의 독자성을 형성하고 있는 것에 귀착한다.

본 발명의 제1 발명은, 중심부에 레일 구멍이 형성되고, 상기 레일 구멍을 둘러싸는 통 벽부에 상기 레일 구멍에 개방되는 복수의 분기 구멍이 형성된 커먼 레일의 제조 방법이며, 상기 커먼 레일의 소재로서, 질량％로, C : 0.01 내지 0.3％, Si : 0.01 내지 0.5％, Mn : 0.01 내지 3.0％, Cr : 1.0 내지 12.0％, Mo : 0.1 내지 2.0％를 함유하고, 또한 V : 0.01 내지 1.0％, B : 0.0003 내지 0.01％, Ti : 0.01 내지 0.05％, N : 0.001 내지 0.01％를 함유하고, P : 0.03％ 이하, S : 0.01％ 이하, O : 0.01％ 이하로 제한되고, 또한 입계 편석 취화 원소, As, Sn, Sb, Pb, Zn의 총 합계를 0.015％ 이하로 제한하고, 잔량부가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지는, 인성 및 피로 강도를 갖는 고강도 액상 확산 접합용 강을 사용하여, 액상 확산 접합을 행하고, 상기 분기 구멍의 개구 주변부에 위치하는 상기 분기 구멍의 내면과, 상기 레일 구멍의 내면과의 경계 주변부의 영역에, 투명 액체를 존재시켜 펄스 레이저 빔을 조사하는 레이저 피닝 처리를 실시한 후에, 상기 개구 주변부의 재료의 표층을 제거함으로써, 상기 개구 주변부의 피로 강도를 높이는 것을 특징으로 하는 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제2 발명은, 상기 제1 발명의 소재로서, Ni : 0.01 내지 9.0％, Co : 0.01 내지 5.0％, Cu : 0.01 내지 5.0％, W : 0.01 내지 2.0％ 중 적어도 1종 이상을 더 함유하는 액상 확산 접합용 강을 사용하는 것을 특징으로 하는 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제3 발명은, 상기 제1, 제2 발명의 소재로서, Zr : 0.001 내지 0.05％, Nb : 0.001 내지 0.05％, Nb : 0.001 내지 0.05％, Ta : 0.001 내지 0.2％, Hf : 0.001 내지 0.2％ 중 적어도 1종 이상을 더 함유하는 액상 확산 접합용 강을 사용하는 것을 특징으로 하는 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제4 발명은, 상기 제1 내지 제3 발명의 소재로서, Ca : 0.0005 내지 0.005％, Mg : 0.0005 내지 0.005％, Ba : 0.0005 내지 0.005％ 등의 황화물 형태 제어용 원소, 및 Y : 0.001 내지 0.05％, Ce : 0.001 내지 0.05％, La : 0.001 내지 0.05％ 등의 희토류 원소 중 적어도 1 이상을 더 함유하는 액상 확산 접합용 강을 사용하는 것을 특징으로 하는 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제5 발명은, 상기 개구 주변부의 재료의 표층의 제거는, 전해 연마 혹은 유체 연마에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 제1 내지 제4 발명 중 어느 하나에 기재된 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제6 발명은, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 에너지가 1mJ 내지 10J인 것을 특징으로 하는 제1 내지 제5 발명 중 어느 하나에 기재된 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제7 발명은, 상기 레이저 피닝 처리를 실시하는 영역과 상기 표층을 제거하는 영역이, 각각 상기 레일 구멍의 내면에 있어서 식 1을 만족하는 영역을 포함하는 것이며, 제거하는 표층의 두께가 식 1을 만족하는 영역에 있어서 0.01㎜ 내지 0.3㎜인 것을 특징으로 하는 제1 내지 제6 발명 중 어느 하나에 기재된 커먼 레일의 제조 방법이다.

[식 1]

분기 구멍의 중심으로부터의 거리 ≤ 분기 구멍의 직경 × 0.6

분기 구멍의 중심으로 선분을 그었을 때의 상기 선분과 레일 구멍의 길이 방향이 이루는 각 ≤ ±10°

본 발명의 제8 발명은, 상기 개구 주변부의 재료의 표층의 제거에 의해, 분기 구멍의 중심축을 포함하고 레일 구멍의 길이 방향을 따른 단면에 있어서의 분기 구멍의 개구부 주변부에 있어서의 형상선의 곡률이, 식 2를 만족하는 영역의 각 점에 있어서, 15㎛ 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 제1 내지 제7 발명 중 어느 하나에 기재된 커먼 레일의 제조 방법이다.

[식 2]

분기 구멍의 직경 × 0.5 ≤ 분기 구멍의 중심으로부터의 거리 ≤ 분기 구멍의 직경 × 0.6

본 발명의 제9 발명은, 상기 레이저 피닝 처리를 실시하기 전에, 상기 개구 주변부를 모따기 가공하는 것을 특징으로 하는 제1 내지 제8 발명 중 어느 하나에 기재된 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제10 발명은, 상기 모따기 가공을 실시하는 영역이 상기 식 1을 만족하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 제9 발명에 기재된 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제11 발명은, 상기 레이저 피닝 처리에 사용하는 투명 액체가 알코올 혹은 방청제가 들어간 물인 것을 특징으로 하는 제1 내지 제10 발명 중 어느 하나에 기재된 커먼 레일의 제조 방법이다.

본 발명의 제12 발명은, 중심부에 레일 구멍이 형성되고, 상기 레일 구멍을 둘러싸는 통 벽부에 상기 레일 구멍에 개방되는 복수의 분기 구멍이 형성된 커먼 레일이며, 상기 커먼 레일의 소재가, 질량％로, C : 0.01 내지 0.3％, Si : 0.01 내지 0.5％, Mn : 0.01 내지 3.0％, Cr : 1.0 내지 12.0％, Mo : 0.1 내지 2.0％를 함유하고, 또한 V : 0.01 내지 1.0％, B : 0.0003 내지 0.01％, Ti : 0.01 내지 0.05％, N : 0.001 내지 0.01％를 함유하고, P : 0.03％ 이하, S : 0.01％ 이하, O : 0.01％ 이하로 제한되고, 또한 입계 편석 취화 원소, As, Sn, Sb, Pb, Zn의 총 합계를 0.015％ 이하로 제한하고, 잔량부가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지는, 인성 및 피로 강도를 갖는 고강도 액상 확산 접합용 강재이며, 상기 분기 구멍의 개구 주변부에 있어서의 형상이, 분기 구멍의 중심축을 포함하고 레일 구멍의 길이 방향을 따른 단면에 있어서의 분기 구멍의 개구부 주변부에 있어서의 형상선의 곡률이, 상기 식 2를 만족하는 영역의 각 점에 있어서, 15㎛ 이상으로 되고, 또한 상기 단면에 있어서의 레일 구멍의 길이 방향에 수직인 압축 응력값이 -200㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 피로 강도 특성이 우수한 커먼 레일이다.

도 1은 커먼 레일의 레일 구멍 길이 방향의 단면도.

도 2는 커먼 레일의 분기 구멍 개구 주변부의 평면도.

도 3은 커먼 레일의 제조 과정을 도시하는 사시도.

도 4는 커먼 레일의 분기 구멍 개구 주변부를 도시하는 단면도.

도 5는 HTL값과 액상 확산 접합 이음매의 실온에 있어서의 인장 강도와의 관계를 나타내는 그래프.

도 6은 HTL값과 액상 확산 접합 이음매부의 인성과의 관계를 나타내는 그래프.

도 7은 레이저 피닝 처리한 시험편의 잔류 응력을 나타내는 그래프.

도 8은 레이저 빔 조사 장치를 도시하는 평면도.

도 9는 도 8의 정면도.

도 10은 레이저 빔 조사 방법을 도시하는 평면도.

도 11은 분기 구멍 개구 주변부의 레이저 처리 영역을 도시하는 사시도.

도 12는 분기 구멍 개구 주변부의 재료 제거 전후의 상태를 도시하는 단면도.

도 13은 분기 구멍 개구 주변부의 모따기 가공을 행한 경우의 재료 제거 후의 상태를 도시하는 단면도.

도 14는 분기 구멍 개구 주변부의 레이저 조사 영역의 각도 범위를 도시하는 설명도.

도 15는 분기 구멍 개구 주변부의 레이저 조사 방법을 도시하는 설명도.

도 16은 분기 구멍 개구 주변부의 다른 레이저 조사 방법을 도시하는 설명도.

도 17은 시험편을 도시하는 평면도.

도 18은 분기 구멍 개구 주변부로의 모따기 가공을 도시하는 단면도.

도 19는 분기 구멍 개구 주변부로의 레이저 조사 방법을 도시하는 단면도.

도 20은 분기 구멍 개구 주변부로의 전해 연마를 도시하는 단면도.

도 21은 분기 구멍 개구 주변부의 단면 형상을 도시하는 도면.

도 22는 레이저 가공 장치의 조사 헤드 부분을 도시하는 단면도.

본 발명의 커먼 레일의 제조 방법 및 커먼 레일에 관한 최량의 형태예로서, 이하, 도면을 기초로 하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 요소에 있어서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

도 1은 커먼 레일(1)의 단면의 개략을 도시하고 있다. 통 벽부(2) 내에 형성되는 레일 구멍(5)이 커먼 레일(1)의 주된 파이프이고, 경유를 축압하는 역할을 갖는다. 레일 구멍(5)에는, 수직으로 개방되는 분기 구멍(6)이 복수개 배치되어 있다.

본 발명에서는, 저렴한 커먼 레일의 제조 방법으로서, 액상 확산 접합에 의한 조립 접합을 행한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 길이 방향으로 관통하는 관로(13)를 갖는 커먼 레일 본체(11)와 원통형의 홀더(12)로 형성되는 링 형상의 접합면 사이에, 액상 확산 접합용의 비정질 합금박(15)을 개재시켜 맞댄 후, 1100℃ 이상의 온도로 가열하여, 접합부에 5㎫ 이상의 응력을, 강재의 접합 온도에 있어서의 항복 응력 이상 부하하여 액상 확산 접합하고, 합금박(15)과 커먼 레일 본체(11) 및 홀더(12)를 용융 압접하여, 우선 이음매부를 형성한다. 또한, 도 3은, 편의상, 1개의 지지관(14)만을 도시한 것이나, 통상은, 엔진 연소실의 복수의 분사 노즐에 대응하고, 복수의 지지관(14)을 구비하고 있다. 그리고, 홀더(12)는, 이들 지지관(14)과, 엔진 연소실의 분사 노즐까지 연료를 압송하기 위한 배관을 접속하기 위해, 커먼 레일 본체(11)의 지지관(14)에 대응하여 복수 설치되어 있다. 이와 같이 형성된 커먼 레일에 있어서, 도 3의 관로(13)가 도 1의 레일 구멍(5)에 대응하고, 도 3의 지지관(14)의 내부가 도 1의 분기 구멍(6)에 대응한다.

본 발명에서는, 액상 확산 접합 후의 제어 냉각이 없더라도 충분한 저온 변태 조직, 즉 재료의 필요한 부위 혹은 전체에 걸쳐 베이나이트 혹은 마르텐사이트 변태를 유기시킬 수 있는 켄칭성이 높은 재료를, 미리 이음매 설계의 단계로부터 선택하여, 액상 확산 접합으로 형성되는 등온 응고 이음매 부위에 있어서도 충분히 균질한 조직이 얻어지는 합금 조성의 강재를 사용한다. 이하에, 본 발명에 기재된 액상 확산 접합용 강의 화학 성분을 한정한 이유에 대해 서술한다.

C은, 강의 켄칭성과 강도를 제어하는 가장 기본적인 원소이다. 0.01％ 미만에서는 강도를 확보할 수 없고, 0.3％를 초과하여 첨가하면 강도는 향상되기는 하나, 이음매에 인성이 확보할 수 없기 때문에, 0.01 내지 0.3％로 한정했다. 이 범위이면, 강재의 조직 제어는 접합한 상태의 재료로도 가능하다. 단, 탄소의 첨가 효과를 공업적으로 안정적으로 얻기 위해서는, 바람직하게는 0.05 내지 0.3％ 첨가해야 한다.

Si는 강재의 탈산 원소이고, 통상 Mn과 함께 강의 산소 농도를 저감하는 목적에서 첨가된다. 동시에, 입내 강화에 필요한 원소이며, 그 부족은 강도 저하를 초래한다. 본 발명에서도 마찬가지로, 탈산과 입내 강화를 주 목적으로 하여 첨가하고, 0.01％ 이상에서 효과를 발휘하고, 0.5％를 초과하여 첨가한 경우에는 강재 의 취화를 초래하는 경우가 있기 때문에, 그 첨가 범위를 0.01 내지 0.5％로 한정했다. 또한 바람직하게는 액상 확산 접합 이음매에 있어서 SiO₂를 포함하는 복합 산화물, 예를 들어 SiO₂-MnO, SiO₂-FeO 등이 생성되는 것이 우려되는 경우가 있기 때문에, 첨가 범위는 0.01 내지 0.3％이다.

Mn은 Si와 함께 탈산에도 효용이 있으나, 강 중에 있어서 재료의 켄칭성을 높이고, 강도 향상에 기여한다. 그 효과는 0.01％부터 발현되고, 3.0％를 초과하면 조대한 MnO계 산화물을 정출하여, 오히려 인성을 저하시키는 경우가 있기 때문에, 그 첨가 범위를 0.01 내지 3.0％로 한정했다. Mn 첨가량에 대해서도 상기 Si와 마찬가지로 Si0₂-Mn0 생성의 억제의 관점에서는 0.01 내지 2.0％의 첨가로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr, Mo은, 모두 강의 켄칭성을 높여 강도 인성을 확보하는데 중요한 원소이다. Cr은 그 첨가량이 1.0％ 미만에서는, 충분한 켄칭성을 발휘할 수 없다. 한편, 12.0％를 초과하면, δ 페라이트를 생성하여 저온 변태 조직을 생성하기 어려워져, 오히려 강도 인성을 저하시키는 경우가 있기 때문에, 그 범위를 1.0 내지 12.0％로 한정했다. 단, Cr은 액상 확산 접합을 위해 적용하는 박 중에 P이 함유되는 경우, 용이하게 Cr 인화물, Cr₂P을 생성하기 때문에, 첨가 범위 상한은 낮게 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 1.0 내지 9.5％이다. 또한, Mo은, 그 첨가량이 0.1％ 미만에서는 충분한 켄칭성을 발휘할 수 없고, 2.0％를 초과하여 첨가하면, 액상 확산 접합의 확산 원자인 B 및 P과 붕화물 혹은 인화물을 생성하여, 이음매의 인성을 열화시키는 경우가 있기 때문에, 그 범위를 0.1 내지 2.0％로 한정했다. 그러나 액상 확산 접합용 합금박 중의 B가 높은 경우에는 Mo 붕화물의 생성이 입계에 발생할 가능성을 완전하게는 불식시킬 수 없는 경우가 있기 때문에, 원래 박 중의 B 함유량에 따른 Mo 첨가량을 제한해야 하나, B 첨가량은 액상 확산 접합 현상을 결정하는 인자이기 때문에, 공업적인 관리 범위로서 생각하는 경우에는 0.1 내지 1.1％가 바람직하다.

V은, 미세한 탄화물을 석출하여 재료의 강도를 높이나, 0.01％ 미만에서는 그 효과는 작다. 한편, 1.0％를 초과하면, 탄화물이 조대화되어 인성 저하를 초래하기 때문에, 그 상한을 1.0％로 했다. V의 첨가는 강도 향상에 유효하나, 고가이기 때문에, 바람직하게는 0.01％ 내지 0.5％이다.

B는, 미량으로 강의 켄칭성을 높이는데 매우 효과가 있으나, 그 첨가량이 0.0003％ 미만에서는 켄칭성 향상 효과는 작다. 한편, 0.01％를 초과하여 첨가하면, 탄붕화물을 형성하고, 오히려 켄칭성을 저하되게 되므로, B의 범위는 0.0003 내지 0.01％로 한정했다. 한편 B는 입계 편석이 현저하고, 접합 후의 냉각 조건에 따라서는 입계만에 한하여 취화를 초래하는 경우가 있기 때문에, 그 첨가량은 0.0003 내지 0.005％가 바람직하다.

Ti은 B보다도 N와 결합하는 힘이 강하고, B보다 우선적으로 N와 결합한다. 따라서, Ti은 켄칭성에 유효한 고용 B를 확보하는데 중요한 원소이나, 0.01％ 미만에서는 그 효과는 작다. 한편, 0.05％를 초과하여 첨가해도 그 효과는 포화될 뿐만 아니라, 조대한 Ti계 탄질화물이 다수 석출되어 인성을 저하시키게 된다. 따라서, Ti은 0.01 내지 0.05％로 한정할 필요가 있다. 또한, Ti도 붕화물을 형성하는 원소이기 때문에, 첨가 상한값은 가능하면 낮게 억제해야 하고, 바람직하게는 0.01 내지 0.03％이다.

N는, TiN 등의 질화물을 석출하여 결정립을 미세화하여 강의 인성을 높이는데 유효하나, 0.001％ 미만에서는 그 효과는 작다. 또한, 0.01％를 초과하면 N를 고정하기 위한 Ti을 다량 첨가할 필요가 발생하여 비용이 높아지므로, N는 0.001 내지 0.01％로 한정했다. 또한, 통상의 제강 공정에서 N를 안정적으로 0.008％ 이상 첨가하는 것은 공정상의 비용이 상승하기 때문에, 바람직하게는 0.001 내지 0.008％이다.

또한, 본 발명 강과 같은 고강도 강에서 인성을 높이기 위해서는, 입계로의 불순물 농화는 최대한 회피할 필요가 있고, P 및 S은, 이 목적을 위해 각각 0.03％ 이하 및 0.01％ 이하로 제한했다. 또한, 강을 청정한 것으로서 높은 인성을 확보하기 위해, O는 0.01％ 이하로 제한되어야만 한다. 또한, 인성의 향상을 확실하게 달성하기 위해, 입계 편석 원소인 As, Sn, Sb, Pb, Zn의 총 합계를 0.015％ 이하로 제한할 필요가 있다.

이상의 기본적인 화학 성분의 제한에 부가하여, 커먼 레일용의 강재로서 요구되는, 고압하에서의 반복 피로 강도를 얻기 위해, 강재의 강도가 600㎫ 이상이고, 동시에 인성도 우수하고, 또한 비조질이고 피로 내구성을 획득하기 위해, 이하의 식 3에 의한 액상 확산 접합 이음매 전용의 이음매 켄칭 지표 HTL값이 8 이상으로 되는 강재를 사용하는 것이, 매우 유효하다.

[식 3]

식 3의 계수, 결합 방식을 결정하는데 있어서는, 청구항 1에 기재된 화학 성분을 갖는 강재에 있어서, 일반적으로 적용되는 강재의 켄칭성 지표 DI값의 식[각 원소의 질량％에 실험적 계수를 곱하고, 그들의 선형 결합식에 탄소의 제곱근을 곱함으로써, 이상(理想) 임계 켄칭 직경, 즉 강재를 일정한 냉각 속도로 냉각했을 때에 마르텐사이트 조직으로 되는 둥근 막대 시험편의 표면으로부터의 거리를 추정하는 식]의 계수를 참조하고, 부가하여 각 원소가 냉각시에 강재 강도를 어느 정도 향상시키는지를 상대적으로 비교하여 도입하는 목적에서, Cr 등량식을 동시에 참조하여, 소수점 이하 한자릿수의 계수로서, 페라이트 안정화 원소의 Cr에 관해서는 3.1, 오스테나이트 안정화 원소의 Ni, Co, Mn은 1.2, Mo, W은 2.0, Nb, Zr, V, Ti, Ta, Hf 등의 미재결정 온도 저하 원소에 관해서는 0.8, 침입형 고용 원소로, γ → α 변태시에 철의 격자 사이에 존재하여 조성적 과냉각을 촉진하는 C과 N는 2.7, B는 입계로부터의 핵 발생을 현저하게 억제하여 켄칭성을 높이기 때문에, 용접 금속의 탄소 등량의 식과 실험적 회귀에 의해 1500이라는 상대적으로 큰 값을 각각 계수로서 개략 결정하여 HTL값을 결정했다. 이들 계수는 따라서, 다종의 켄칭성 향상 원소의 강도 향상으로의 효과를, 발명자들이 종래 기술을 참조하여 독자적으로 실험적 회귀를 수반하여 처음으로 결정한 것이고, 종래 기술의 단순한 전사가 아 닌, 본 발명에 있어서의 독자의 평가식을 결정하는 중요한 요소이다.

상기와 같이 결정한 HTL값은 본 발명에만 적용 가능한 값이기 때문에, HTL값이 어느 정도의 값이면 강재의 강도, 특히 액상 확산 접합으로 형성되는 이음매의 강도를 600㎫ 이상으로 할 수 있는지를 결정하기 위해, 이하의 실험 및 해석을 실시했다.

실험실 규모 진공 용해, 혹은 실제 기계 강판 제조 설비에 있어서, 100㎏, 300㎏, 2ton, 10ton, 100ton, 300ton의 진공 용해, 혹은 통상의 고로-전로-노외 정련-탈가스/미량 원소 첨가-연속 주조-열간 압연에 의해 제조한, 본 발명의 청구항 1 내지 4에 기재된 화학 성분 범위의 강재를, 압연 방향으로 평행한 방향으로부터 직경 10㎜이고 길이 50㎜의 간이 소형 시험편으로 가공하고, 그 단부면을 Rmax < 100㎛(9㎜ 길이를 측정)로 연삭 가공하여 탈지 세정하고, 그 단부면을 2개 맞대어 접합 시험편쌍으로 이루고, 150㎾의 출력을 갖는 고주파 유도 가열 장치를 구비한 인장/압축 시험기를 사용하고, 접합면 사이에는 액상 확산 접합을 1000 내지 1300℃에 있어서 실현 가능한 Ni기-B계(일본 특허 출원 공개 평2-151377호 공보 및 일본 특허 출원 공개 제2008-119744호 공보 참조), Fe기-B계(일본 특허 출원 공개 제2008-119744호 공보 참조), Ni기-P계(일본 특허 출원 공개 평7-276066호 공보 참조), Fe기-P계(일본 특허 출원 공개 평9-323175호 공보 참조) 또는, Ni기 혹은 Fe기에 P과 B를 함유하는 계(일본 특허 출원 공개 제2004-114157호 공보 참조)의, 체적 분율로 50％ 이상이 비정질인 두께 20 내지 50㎛의 아몰퍼스 박을 개재시키고, 필요한 접합 온도까지 시험편 전체를 가열하고, 1분 내지 60분 동안에, 2 내지 20㎫의 응력하에서 액상 확산 접합하고, 접합 후 방치하여 냉각했다. 냉각 속도는 설비와 시험편 형상에 의해 변화되고, 0.01℃/s로부터 10℃/s까지 변화되었다.

얻어진 둥근 막대 접합 시험으로부터는 평행부 직경 6㎜의 둥근 막대 인장 시험편을 채취하고, 각 막대 접합 시험편으로부터는 한 변이 10㎜인 정사각형의 JIS4호 충격 시험편을 채취했다. 접합부는 둥근 막대 시험편에서는 평행부 중앙에, 인장 방향과 수직으로 위치하고, 샤르피 시험편에서는 접합부 중앙에 2㎜ V 노치의 절결부가 위치하도록 시험편을 채취했다. 그 후 JIS Z 2241에 기재된 방법으로 재료의 인장 강도를 측정하고, 상술한 HTL값의 관계를 조사했다. 결과를 도 5에 나타낸다. HTL값이 8 이상이 아니면, 액상 확산 접합 이음매의 인장 강도는 600㎫를 초과하지 않는다. 또한, 이 경우의 파단 위치는, HTL값이 8 이상에서는 모두 모재, 8 미만에서는 모두 접합부였다. 또한, JIS Z 2201에 준거하여 실시한 샤르피 시험의 결과 얻어진 이음매의 흡수 에너지와 HTL값의 관계를 도 6에 나타낸다. 인성을 양호(0℃에 있어서 47J 이상)하게 유지하기 위해서는, 마찬가지로 HTL값을 8 이상으로 할 필요가 있다. 즉, 본 발명에서 정의한 HTL값이 8 이상이면, 강도와 인성이 우수한 액상 확산 접합 이음매를 형성하는 것이 가능한 것을 확인했다. 또한, 이 HTL값이 8 이상에서 본 발명의 액상 확산 접합 이음매는 강도와 인성을 동시에 목표값 이상으로 하는 것이 가능하나, 높을수록 좋고, 공업 생산에 있어서의 변동을 고려하여, 더욱 바람직하게는 10 이상이다.

본 발명의 커먼 레일의 제조 방법에서는, 상기에서 설명해 온 성분을 갖는 강재로 제작한 커먼 레일 본체와 원통형의 홀더를 액상 확산 접합에 의해 용접한 후, 피로 강도가 문제로 되는 커먼 레일 본체에 있는 분기 구멍의 레일 구멍측 개구부 주변에 대해, 레이저 피닝 처리를 실시하여 압축 응력을 도입한 후, 또한 그 개구부 주변의 재료를 전해 연마 등에 의해 제거한다.

도 4는, 커먼 레일(1)에 있어서 강화해야 할 분기 구멍(6)의 개구 주변부의 단면의 확대도이다. 본 발명의 부분 강화법의 제1 실시 형태에서는, 분기 구멍(6)의 관통 가공 후, 도 4 중의 각 egf가 대략 수직으로 남아 있는 상태에서, 도 4 중 선분 g₁g로 나타낸 부근의 영역에 레이저 피닝 처리를 실시한 후에, 개구 주변부 부근에 있는 재료를 제거함으로써, 피로 강도를 높인다. 또한 본원에 있어서 분기 구멍 개구 주변부라 함은, 레일 구멍 내면(22)에 있어서 각 분기 구멍의 중심으로부터의 거리가 분기 구멍의 직경의 5배 이내로 되는 영역과, 분기 구멍 내면(21)에 있어서 레일 구멍 내면 개구부로부터의 거리가 레일 구멍 직경의 0.3배 이내로 되는 영역과, 그들 사이에 끼워진 분기 구멍과 레일 구멍의 접속면(23)의 것을 말한다.

우선, 레이저 피닝 처리 방법에 대해 설명한다. 레이저 피닝 처리에는, (i) 높은 피크 파워 밀도를 갖는 레이저 빔과, (ii) 조사 표면 근방에 물 등의 투명 매체를 설치하는 것이 필요해진다. (i)에 대해서는, 조사 표면에 있어서의 피크 파워 밀도를 1 내지 100TW/㎡로 한다. 이 피크 파워 밀도를 얻기 위해, 레이저 장치는, 펄스 시간 폭이 10ps 내지 100ns 정도, 펄스 에너지가 0.1mJ 내지 100J 정도에서 간헐적으로 발진하는 펄스 레이저를 사용한다. 이와 같은 레이저 장치로서는 예를 들어 Nd : YAG 레이저를 들 수 있으나, 상기 조건 (i)을 만족하는 레이저 장치이면 된다. 상기 (i) 및 (ii)의 조건이 만족되면, 높은 피크 파워 밀도를 갖는 펄스 레이저 빔의 조사에 의해 발생한 플라즈마가, 조사 표면의 근방에 존재하는 물 등의 투명 매체에 의해 팽창이 억제되어, 플라즈마의 압력이 높여진다. 고압으로 된 플라즈마의 반력에 의해, 조사점 근방에 소성 변형을 부여하고, 잔류 압축 응력을 부여할 수 있다.

여기서, 본 발명의 제조 방법에 의해 피로 강도가 향상되는 이유에 대해 설명하기 위해, 레이저 피닝 처리에 의한 응력 도입 특성에 대해 서술해 둔다. 도 7은, 인장 강도가 1000㎫인 강재를 사용하여 제작한 평판 형상의 시험편에 대해 레이저 피닝 처리를 행하고, X선 잔류 응력 측정 장치를 사용하여 잔류 응력의 깊이 방향 분포를 측정한 결과를 나타낸다. 깊이 방향의 응력 분포의 측정은, 전해 연마에 의해 차례로 강재를 제거하면서 행했다. 레이저 피닝 처리에는, 도 8(평면도) 및 도 9(정면도)에 도시한 장치를 사용하고, 수조(35) 중에서 물에 침지한 시험편(37)에, 레이저 빔 발진 장치(31)로부터 레이저 빔(32)을 조사했다. 레이저 빔은, 수중 투과성이 좋은 Nd : YAG 레이저의 제2 고조파(파장 : 532㎚)를 사용했다. 레이저 빔(32)은 초점 거리 100㎜의 볼록 렌즈로 이루어지는 집광 렌즈(33)에서 집광하고, 광학창(34)을 통해 시험편(37)에 조사된다. 시험편(37) 상에서의 빔 스폿의 형상은 직경 0.8㎜의 원형으로 했다. 레이저의 펄스 에너지는 200mJ, 피크 파워 밀도는 40TW/㎡로 했다. 펄스 시간 폭은 10ns, 펄스 반복 주파수는 30㎐였다. 시험편(37)의 후방은, 지지부(38, 39)를 통해, 도 9에 도시한 바와 같이 상하 방향(b 방향)으로 슬라이드 가능한 가이드(40)에 장착되어 있다. 또한, 가이드(40)는, 도 8에 도시한 바와 같이 수평 방향(a 방향)으로 슬라이드 가능한 가이드(42)에 장착된 지지부(41)에 연결되어 있다. 시험편(37)은, 주사 장치(43)의 제어에 의해, 가이드(40, 42)를 따라, ab 양방향으로 이동 가능하게 설치된다. 펄스 레이저의 빔 스폿의 중첩 방법을 도 10에 도시한다. 처리 영역은 5㎜ × 10㎜의 직사각형으로 했다(도 10 중에서 j₁j₂ = 5㎜, j₁j₃ = 10㎜). 동일점에 대한 펄스 레이저 빔의 조사 횟수의 평균값은 25회로 설정하고, 동일 주사 영역 Li 내의 인접하는 빔 스폿의 간격과, 인접하는 주사 영역(예를 들어 도 10 중의 L₁과 L₂)의 중심선 사이의 거리가 동등해지도록 처리했다. 또한 주사 영역의 형성은, 도 10에 있어서 「L₁ → L₂ → L₃ → …」와 같이 연속적으로 행했다. 도 7의 측정 결과를 보면, 압축 응력이 깊이 약 0.6㎜까지 도입되어 있다. 또한, 도 10에 도시한 중첩 방법 때문에, 도 10 중 Y방향의 압축 응력이 선택적으로 강화된다.

도 7에 나타낸 바와 같이, Y방향의 잔류 응력은, 깊이 30㎛에 있어서 -783㎫로 되어 잔류 압축 응력이 최대로 되었다. 그러나, 피가공재 표면(깊이 0㎜)의 잔류 응력은 -656㎫에 머물러 있어, 표면의 잔류 응력을 충분히 강화할 수 있다고는 말할 수 없다. 이것은, 샘플 표면에 레이저 빔을 조사하면, 조사 스폿부 표층 근방이 용융ㆍ재응고되기 때문이다.

본 발명의 제조 방법에서는, 이상 설명해 온 레이저 피닝 처리를 실시한 후, 그 처리면을 포함하는 영역의 재료를 제거한다. 기계 연마 등에 의한 재료의 제거 는, 제거 후의 표면에 인장 응력을 잔류시켜 피로 특성에 악영향을 미치는 일이 있기 때문에, 제거하는 방법으로서는, 전해 연마법이나 유체 연마법이 바람직하다. 전해 연마법에서는, 개구부 주변에 에칭액을 마련하고, 대부분의 경우는 구(球) 형상의 돌기를 압박하면서 통전함으로써, 연마가 진행한다. 또한 유체 연마에서는, 연마제를 포함하는 액체를 레일 구멍(5) 및 분기 구멍(6)에 통과시킴으로써 연마가 행해진다. 이들 방법에서는, 모두 분기 구멍(6)의 축을 중심으로 하여 동심원 형상으로 연마가 진행한다. 이 제거 공정에 의해, 레이저 피닝 처리에서 용융ㆍ재응고되어 응력이 인장측으로 시프트하고 있는 표층 근방부의 제거가 가능하게 되는 동시에, 개구부 주변의 형상의 변화에 의해 응력 집중 계수가 완화되고, 실제 사용시의 최대 부하 응력은 저감된다. 본 발명자들은, 이들 복합적인 효과가 피로 강도를 크게 향상시키는 것을 발견했다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서는, 레이저 빔의 펄스 에너지를 1mJ 내지 10J의 범위로 하나, 이것은 이하의 이유에 의해서이다. 본 발명의 방법에서는, 레이저 피닝 처리한 후, 재료를 표면으로부터 제거하기 위해, 레이저 피닝 처리에서 압축 응력이 도입되는 깊이가 지나치게 작으면, 제거 후의 새로운 표면에 있어서의 잔류 압축 응력이 작아져 버린다. 압축 응력이 도입되는 깊이는 펄스 에너지가 작아질수록 얕아진다. 이것은, 피가공재 표면으로부터 투입된 레이저 펄스 에너지의 3차원적인 확산이, 펄스 에너지가 작아질수록 커져 버리기 때문이다. 이 제약으로 인해, 본 발명의 방법에서는 1mJ 이상의 펄스 에너지로 처리하는 것이 바람직하다. 또한, 펄스 에너지의 상한에 대해서는, 커먼 레일의 레일관에 통과시키 는 것이 가능한 레이저 빔의 빔 단면적과 광학 소자의 내광강도를 감안하여, 10J 이하로 하는 것이 바람직하다.

필요하게 되는 레이저 피닝 처리 영역 및 재료의 제거 영역은, 내압 변동 부하시의 분기 구멍 개구 주변부의 인장 응력 분포나, 응력 집중을 어느 정도 완화시킨다는 부품의 설계 사상에 의존한다. 인장 응력 분포는, 강재의 강도, 사용 압력, 레일 구멍의 직경 d₁, 분기 구멍의 직경 d₂ 등에 의존한다. 이 분포는 유한 요소법 계산 등을 기초로 하여 견적하는 것이 가능하나, 이하에서는 처리 영역의 일반적인 지침을 설명한다.

레이저 처리 후에 제거 공정을 거친 후, 실제 사용시의 내압 변동 부하에 수반하는 분기 구멍 개구 주변부의 인장 응력의 최대값은, 분기 구멍(6)의 축을 포함하여 레일 구멍(5)의 길이 방향을 따른 단면 상에 있어서, 분기 구멍 내면과 제거 가공이 실시된 면의 접속부 부근에서 발생하고, 그 주 응력 방향은 레일 구멍(5)의 둘레 방향이다. 피로 강도 향상을 위해서는, 이하의 식 1에서 나타내어지는, 이 최대값을 취하는 점을 포함하는 영역에 대해 높은 압축 응력이 도입되어 있는 것이 바람직하다.

[식 1]

따라서, 레일 구멍(5)의 내면(22)의 레이저 처리 영역은, 이 식 1에서 나타내어지는 영역을 포함하도록 취하는 것이 바람직하다.

또한, 피로 강도를 최대화하기 위해서는, 사용시의 반복 부하 응력이 최대로 되는 부분의 주 응력 방향인 레일 구멍(5)의 둘레 방향의 압축 응력을 최대화하는 것이 요구된다. 이로 인해 효과적인 빔 스폿의 중첩 조사 방법을 도 15에 도시한다. 이와 같이, 분기 구멍(6)의 중심축을 포함하는 평면 내에서 빔 스폿을 주사하고, 상기 빔 스폿의 주사를 분기 구멍(6)의 둘레 방향으로 위치를 어긋나게 하면서 복수회 행한다. 이것은, 도 10에 도시한 방법으로 처리하면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 도 10 중의 Y방향의 응력이 선택적으로 강화되는 사실을 응용한 것이다. 또한, 주사 방향은, 분기 구멍(6)의 중심축을 포함하는 평면 내에 한정되지 않더라도 좋다. 예를 들어, 도 16에 도시한 바와 같이, 레일 구멍(5)의 길이 방향과 분기 구멍(6)의 길이 방향을 포함하는 평면 내에서 빔 스폿을 주사하고, 상기 빔 스폿의 주사를 레일 구멍(5)의 둘레 방향으로 위치를 어긋나게 하면서 복수회 행하는 방법에서도, 동일한 효과가 얻어진다.

또한, 레이저 조사에 의해 용융ㆍ재응고되어 응력이 인장측으로 시프트하고 있는 표면을 없애는 것을 목적으로 행해지는 재료의 제거에 대해서도, 상기 식 1에서 나타내어지는 영역을 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

다음에, 재료의 제거 공정에 있어서, 제거하는 두께에 대해 서술한다. 본원에서는 이하와 같이, 제거 후의 면 상 각 점에 대해 제거 두께를 정의한다. 제거 후의 면 상의 어느 점에 있어서의 제거 두께는, 고려하고 있는 제거 후의 면 상의 점으로부터의 거리가 최소로 되는 점을 제거 전의 면 상으로부터 선출하고, 그 최소값으로서 정의한다. 도 12의 분기 구멍 단면도를 예로서 설명한다. 도면 중, 점선으로 나타낸 곡선 ejf가 제거 전의 선, e로부터 k₁, k₂를 거쳐 f에 이르는 곡선이 제거 후의 선이다. 상술한 정의에 따르면, 제거 후의 선 k₁점에 있어서의 제거 두께는 t₁로 나타내어지고, k₂ 점에 있어서의 제거 두께는 t₂로 나타내어진다. 여기서는 2차원적인 단면도를 예로 채용하여 설명했으나, 실제 제거 두께는, 도 12에서 생각한 제거 전후의 선을, 각각 면으로 하여 3차원적으로 파악함으로써 정의된다.

레이저 피닝 처리 영역 내의 제거 두께는 이하의 범위로 하는 것이 효과적이다. 우선, 레이저 조사에 의해 용융ㆍ재응고되어 응력이 인장측으로 시프트하고 있는 표면 근방을 제거하기 위해, 제거 후 표면의 각 점에 있어서의 제거 두께는 0.01㎜ 이상으로 한다. 한편, 도 7에 나타낸 바와 같이, 레이저 피닝에서 도입되는 압축 응력은 표면으로부터의 깊이가 커짐에 따라서 감소하는 경향이 있다. 예를 들어 도 7의 Y방향 응력의 깊이 분포로부터는, 표면으로부터 깊이 0.1㎜ 정도 이상까지 재료를 제거하면, 제거 후의 표면 응력이 제거 전과 비교하여 오히려 작아져 버리는 것이 예상된다. 펄스 에너지(도 7의 조건에서는 200mJ)를 크게 함으로써 깊이 방향으로의 압축 응력의 감쇠는 완화시킬 수 있다. 즉, 펄스 에너지를 크게 함으로써 보다 큰 제거 두께를 얻는 것도 가능하나, 제거 두께는 0.3㎜ 정도 이하로 해 두는 것이 효과적이다.

재료의 제거에 의해, 레이저 조사에 의해 용융ㆍ재응고되어 응력이 인장측으로 시프트하고 있는 표면 근방을 제거하는 효과뿐만 아니라, 개구부 주변의 형상의 변화에 의한 응력 집중 계수가 완화되는 효과도 얻어진다. 피로 강도를 향상시키기 위해서는, 사용시의 내압 변동 부하에 수반하는 분기 구멍 개구 주변부의 인장 응력이 최대로 되는 부분에 있어서 응력 집중이 발생하지 않도록, 매끄러운 제거면으로 되는 것이 필요하다. 이 관점에서, 분기 구멍의 중심축을 포함하고 레일 구멍의 길이 방향을 따른 단면에 있어서의 분기 구멍의 개구부 주변부에 있어서의 형상선의 곡률이, 식 2를 만족하는 영역의 각 점에 있어서, 15㎛ 이상으로 되는 것이 바람직하다.

[식 2]

도 21에 이 곡률의 정의를 나타낸다.

이상에 있어서는, 도 4 중 레일 구멍(5)의 내면(22)으로부터만 레이저 조사를 행하는 방법에 대해 설명해 왔으나, 피로 강도를 높이기 위해서는, 분기 구멍(6)(직경 : d₂)의 내면(21)과 레일 구멍(5)의 내면(22)의 양쪽으로부터 행하는 형태도 효과적이다. 이하에서 이 이유에 대해 설명한다. 레이저 피닝 처리에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 깊이 방향으로 진행함에 따라서, 부여되는 압축 응력의 절대값은 작아져 간다. 따라서, 레일 구멍(5)의 내면(22)만으로 처리하는 경우, 레일 구멍(5)의 내면(22)으로부터 멀어지는 내부, 예를 들어 도 4 중의 g₂점에서는, 압축 응력의 절대값은 표층보다도 작아지는 경우가 있다. 한편, 개구 주변부의 재료를 제거 후, 실제 사용시의 반복 부하 응력은, 이 g₂점 부근에서 최대로 되는 경우가 많다. 분기 구멍(6)의 내면(21)과 레일 구멍(5)의 내면(22)의 양쪽으로부터 레이저 피닝 처리를 행해 두면, 각각의 면의 처리에 의해 도입되는 압축 응력이 가산되고, g₂점의 압축 응력의 절대값을 끌어 올리는 것이 가능해지고, 보다 높은 피로 강도가 실현된다.

분기 구멍(6)의 내면(21)에도 레이저 처리하는 경우, 처리 범위의 깊이(h)는, 레일 구멍 내면(22)과 분기 구멍 내면(21)이 교차함으로써 형성되는 원을 높이의 기준으로 하여, 레일 구멍 직경 d₁의 20％ 정도로 하면 충분하다. 단, 분기 구멍 내면(21)의 깊은 부분까지 처리하기 위해서는, 분기 구멍 내면(21)에 대한 레이저 빔의 입사 각도를 크게 할 필요가 있다. 동일한 피크 파워를 갖는 레이저 빔이라도, 입사 각도가 커짐에 따라서 조사점에 있어서의 피크 파워 밀도는 감소한다. 이로 인해, 직경 d₂가 작은 경우에는, 깊이(h)가 적절한 피크 파워 밀도로 조사할 수 있는 한계에 지배되는 경우가 많다.

한편, 레일 구멍(5)의 내면(22)으로부터만 행하는 조사 방법은, 분기 구멍(6)의 내면(21)을 처리하기 위해 필요한 미러의 틸트 & 시프트(tilt and shift) 기구 등이 불필요해지기 때문에, 장치를 간략화할 수 있다는 이점을 갖는다.

본 발명의 다른 실시 형태에서는, 분기 구멍(6)의 관통 가공 후, 분기 구멍(6)의 개구 주변부를 연마 또는 기계 가공에 의해 소정량만큼 모따기 가공한 후, 상기 개구 주변부에 레이저 피닝 처리를 실시하고, 또한 상기 개구 주변부에 있는 재료를 제거함으로써, 개구 주변부의 피로 강도가 높여진 커먼 레일로 얻는다. 이것은, 주로 응력 집중 계수를 크게 완화시키는 목적에서, 분기 구멍(6)의 관통 가공 시점으로부터 최종 가공 형상에 이르기까지의 제거 두께를 크게 하는 부품 설계를 채용하는 경우에 특히 유효하다. 도 13은 본 실시 형태의 일례를 나타내는 모식도이다. 도면 중에 점선으로 나타내어지는 각 egf가 관통 가공 시점의 단면, 일점 쇄선이 모따기 가공 후의 단면, 그리고 e로부터 k₃, k₄를 거쳐 f에 이르는 곡선이 레이저 피닝 처리 후, 또한 재료의 제거를 실시한 후에 얻어지는 최종 가공 형상이다. 도 13 중, t₁이나 t₂로 나타내어지는 관통 가공 시점으로부터 최종 가공 형상에 이르기까지의 제거 두께가 0.3㎜를 넘는 경우에 대해, 상술한 제1 실시 형태를 적용하면, 도면 중에 점선으로 나타낸 각 egf의 표면으로부터 레이저 피닝 처리를 실시하고, 그 후, 재료의 제거에 의해 최종 가공 형상(도 13 중 곡선 ek₃k₄f)을 얻게 된다. 이 경우, 재료의 제거 두께가 0.3㎜를 넘기 때문에, 상술한 바와 같이, 재료를 제거한 후에 얻어지는 최종 가공 형상의 표면에 있어서의 잔류 압축 응력이 작아져 버린다. 한편, 여기서 설명한 실시 형태에 따르면, 도 13 중 일점 쇄선으로 나타내어진 단면까지 모따기 가공한 후에 레이저 피닝 처리를 실시하기 때문에, 레이저 피닝 처리 후의 재료의 제거 두께를 작게 억제할 수 있다. 따라 서, 최종 가공 형상(도 13 중 곡선 ek₃k₄f)의 표면에 있어서도 큰 압축 응력을 얻을 수 있다는 이점이 있다.

레이저 피닝 처리 전에 실시하는 모따기 가공은, 실제 사용시의 내압 변동 부하에 수반하는 분기 구멍 개구 주변부에 걸리는 인장 응력의 응력 집중 계수를 완화시키는 목적에서 행해지는 것이기 때문에, 그 응력이 최대값으로 되는 부근의 영역, 즉 상술한 식 1로 나타내어지는 영역을 포함하도록 행해지는 것이 효과적이다. 모따기 가공 후, 분기 구멍(6) 개구 주변부의 응력 집중은 완화되나, 응력 분포의 최대값은 여전히, 분기 구멍(6)의 축을 포함하여 레일 구멍(5)의 길이 방향을 따른 단면 상에 있어서, 분기 구멍 내면과 제거 가공이 실시된 면의 접속부 부근에서 발생한다. 따라서, 그 후 행해지는 분기 구멍 개구부 주변의 레이저 처리 영역, 및 레이저 조사에 의해 용융ㆍ재응고되어 응력이 인장측으로 시프트하고 있는 표면을 없애는 것을 목적으로 행해지는 재료의 제거에 대해서도, 상술한 식 1로 나타내어지는 영역을 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 제거하는 두께는, 레이저 처리 영역에 있어서 0.01㎜ 이상 0.3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 재료의 제거에 의한 제거 후 표면의 압축 응력의 저하를 억제한다는 관점에서는, 레이저 피닝 처리 전에 행하는 모따기 가공에서 최종 가공 형상의 부근까지 가공해 둠으로써, 레이저 피닝 처리 후의 제거 두께를 0.1㎜ 이하로 작게 억제하는 것이 특히 바람직한 범위이다.

커먼 레일은, 대부분의 경우, 고강도의 강으로 만들어진다. 따라서, 레이저 빔 조사 표면에 설치하는 투명 액체는, 알코올(메틸알코올 또는 에틸에탄올) 등, 강을 녹슬게 하는 성질을 갖지 않는 액체, 혹은, 물에 메틸알코올 및 에틸에탄올을 임의의 배분으로 혼합한 액체, 순수, 수돗물 혹은, 미네랄 워터 중 어느 하나에, 물에 방청제가 들어가 있는 액체로 하고, 커먼 레일이 녹슬지 않도록 하는 실시 형태가 바람직하다. 방부제에 대해서는, 시판되는 것으로 문제 없으나, 액체에 착색시키지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여, 원래 강도가 600㎫ 초과급의 강재를, 공정 비용이 낮은 액상 확산 접합으로 조립하고, 고강도재이고 불가피한 개재물 기점 피로 파괴를 근절하기 위해서는, 내압 부하시에 최대 주 응력의 인가되는 분기 구멍 주위에 레이저 피닝을 실시함으로써, 처음으로 2000 기압 이상의 초고압에 여유를 갖고 내구 가능한 저렴한 커먼 레일의 제공이 가능해지고, 이 점이 본 발명의 최대의 특징으로 되어 있다.

또한, 본 발명에서는, 제1 발명에 기재된 강이면, 제2 내지 제4 발명에 기재와 같이, Ni : 0.01 내지 9.0％, Co : 0.01 내지 5.0％, Cu : 0.01 내지 5.0％, W : 0.01 내지 2.0％ 중 적어도 1종 이상, 또는 Zr : 0.001 내지 0.05％, Nb : 0.001 내지 0.05％, Ta : 0.001 내지 0.2％, Hf : 0.001 내지 0.2％ 중 적어도 1종 이상, 혹은, 또한 Ca : 0.0005 내지 0.005％, Mg : 0.0005 내지 0.005％, Ba : 0.0005 내지 0.005％ 등의 황화물 형태 제어용 원소, 및 Y : 0.001 내지 0.05％, Ce : 0.001 내지 0.05％, La : 0.001 내지 0.05％ 등의 희토류 원소 중 적어도 1종 이상을 함유해도 좋다.

이들 합금 성분은, 이하의 이유로부터 첨가 범위를 제한하고 있다. Ni, Co, Cu는 모두 γ 안정화 원소이며, 강재의 변태점을 낮추어 저온 변태를 촉진함으로써 켄칭성을 향상시키는 원소이다. HTL값을 향상시키기 위해서는 유용한 원소이고, 각각 0.01％ 이상의 첨가로 효과가 얻어지고, Ni은 9.0％, Co와 Cu는 각각 5.0％를 초과하여 첨가하면 잔류(γ)가 증가하여 강재의 인성에 영향을 미치기 때문에, 그 첨가 범위를 Ni은 0.01 내지 9.0％, Co와 Cu에 대해서는 각각 0.01 내지 5.0％로 한정했다. 단, 모두 고가의 원소이며, 공업 생산의 관점에서는 Ni은 0.01 내지 5.0％, Co와 Cu는 0.01 내지 1.0％가 바람직하다.

W은 α 안정화 원소이나, 0.01％ 첨가로 효과가 인정되고, 2％를 초과하여 첨가하면, 액상 확산 접합의 확산 원자인 B 및 P과 붕화물 혹은 인화물을 생성하여, 이음매의 인성을 열화시키는 경우가 있기 때문에, 첨가 상한을 2.0％로 제한했다. 단, 입계 편석을 고려하는 경우에는, 첨가 상한값은 1.0％가 바람직하다.

Zr, Nb, Ta, Hf는 탄화물로서 미세하게 석출하고, 재료의 강도를 높인다. 모두 0.001％의 첨가로 효과가 있고, Zr, Nb는 0.05％이고, 또한 Ta와 Hf는 0.2％의 첨가로 탄화물이 조대화되어 인성 저하를 초래하기 때문에, 각각, 상한을 결정했다. 이들 첨가 원소 상한값은, 입계에 있어서의 붕화물 또는 인화물 생성을 극도로 싫어하는 경우에는, Nb과 Zr에 대해서는 0.035％가, Ta과 Hf에 대해서는 0.1％가 바람직하다.

부가하여, Ca, Mg, Ba 등의 황화물 형태 제어 원소 및 Y, Ce, La 등의 희토류 원소는, 모두 강 중의 불순물인 S과의 친화력이 높고, 강재의 인성에 영향을 미치는 MnS의 생성을 억제하는 효과가 있다. 따라서, 이들이 유효해지는 농도, 즉 Ca, Mg, Ba은 0.0005％, Y, Ce, La은 원자량이 크기 때문에 0.001％의 첨가가 필요하며, Ca, Mg, Ba은 0.005％ 이상의 첨가로 조대 산화물로 되어 인성을 저하시키는 것, Y, Ce, La은 0.05％의 첨가로 마찬가지로 조대 산화물이 생성되기 때문에, 그 상한을 결정했다.

각 군은, 적절하게 조합하여 복합 첨가해도, 또한 각 원소를 단독으로 첨가해도 좋고, 본 발명의 효과를 방해하지 않고, 강재에 각종 특성을 부여한다.

또한, 본 발명의 강재의 제조 공정은, 통상의 고로-전로에 의한 선강 일관 프로세스를 적용할 뿐만 아니라, 냉철원을 사용한 전기로 제법, 전로 제법도 적용할 수 있다. 또한, 연속 주조 공정을 거치지 않는 경우라도, 통상의 주조, 단조 공정을 거쳐 제조하는 것도 가능하고, 청구항에 기재된 화학 성분 범위와 식의 제한을 만족하고 있으면 좋고, 본 발명 기술에 대한 제조 방법의 확대 적용이 가능하다. 또한, 제조하는 강재의 형상은 임의이며, 적용하는 부재의 형상에 필요한 성형 기술에 있어서 실시 가능하다. 즉, 강판, 강관, 막대 강, 선재, 형강 등, 본 발명 기술의 효과를 광범위하게 적용하는 것이 가능하다. 또한, 본 강은 용접성도 우수하고, 액상 확산 접합에 적합하기 때문에, 액상 확산 접합 이음매를 포함하는 구조체이면, 일부에 용접을 적용하거나, 혹은 병용한 구조체의 제조가 가능하고, 본 발명의 효과를 어느 쪽도 방해하는 것은 아니다.

(제1 실시예)

이하에서는, 본 발명의 효과를 검증하기 위해 커먼 레일을 시험 제작하고, 내장 피로 시험을 행한 결과에 대해 설명한다.

도 17에 예시한 커먼 레일을, 다음과 같이 시험 제작했다. 우선, 230㎜ 길이, 40㎜ 폭, 30㎜ 두께의 레일 본체(51)와, 높이 25㎜, 24㎜ 외경, 두께 4㎜의 홀더(52)를 제작했다. 레일 본체 및 홀더는, 청구항 1 내지 4에 기재된 화학 성분 범위의 강재를, 실험실 규모 진공 용해, 혹은 실제 기계 강판 제조 설비에 있어서, 100㎏ 내지 300ton의 진공 용해, 혹은 통상의 고로-전로-노외 정련-탈가스/미량 원소 첨가-연속 주조-열간 압연에 의해 제조하고, 도 17에 도시한 형상으로 가공, 성형했다. 다음에, 레일 본체에는, ① 길이 방향 중심으로 내경 10㎜의 레일관을 가공하고, ② 깊이 4㎜, 폭 7㎜의 홀더 접합 위치 결정용의 가이드 홈을 가공하고, ③ 홀더가 접합되는 예정 위치의 홀더 중심축 상에 레일관을 향해 직경 1㎜의 분기 구멍(6)을 뚫었다(d₂ = 1.0㎜). 또한, 홀더에는 내경측으로 최대 나사산 높이 2㎜의 연료 분배를 위한 분기 배관을 장착하기 위한 가공을 실시했다. 다음에, 레일 본체와 홀더의 접합부의 단부면을 Rmax < 100㎛(9㎜ 길이를 측정)로 연삭 가공하여 탈지 세정하고, 그 단부면을 2개 맞대어 접합 시험편쌍으로 이루고, 150㎾의 출력을 갖는 고주파 유도 가열 장치를 구비한 인장/압축 시험기를 사용하고, 접합면 사이에는, 질량％로, Ni : 47.0％, B : 14.0％, C : 2.0％를 포함하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는, 체적 분율로 50％ 이상이 비정질인 두께 25㎛의 아몰퍼스 박을 개재시키고, 1080℃의 접합 온도까지 시험편 전체를 가열하고, 10분 동안에, 2㎫의 응력하에서 액상 확산 접합하고, 접합 후 방치하여 냉각했다.

조건의 일부에서는, 이하에 설명하는 레이저 피닝 처리 전에, 레일 본체(51) 의 분기 구멍(6)의 레일관측의 개구 단부의 에지를 취하는 모따기 가공을 실시했다. 이 모따기 가공에 있어서는, 구 형상의 돌기를 압박하면서 통전하면서, 분기 구멍(6)의 축을 중심으로 하여 동심원 형상으로 연마했다. 돌기의 직경과 전해 연마의 시간을 변경함으로써, 도 18에 도시한 바와 같이, 모따기되는 영역의 폭 p₁과 깊이 p₂를 변경했다.

레이저 피닝 처리는, 관통 구멍(6)의 레일관측의 개구 주변부에 대해 행했다. 도 22에, 처리에 사용한 레이저 가공 장치의 조사 헤드(61)와, 그것이 레일 구멍(5)에 삽입된 모습을 도시한다. 조사 헤드(61)는, 파이프(62)에 집광용 렌즈(63)와 미러(64)가 장착되어 있다. 도 22에 도시한 실시 형태에서는, 미러(64)는 원기둥을 비스듬하게 절단한 형상인 소위 로드형의 미러로 되어 있고, 미러 받침대(65)에 접착되어 있다. 커먼 레일(1)의 레일 구멍(5)을 도광되어 온 레이저 빔(57)은, 집광 렌즈(63)에서 굴곡된 후, 미러(64)에 의해 반사되고, 집광점(66)에 이른다. 집광 렌즈(63)의 양측에는 물이 존재하므로, 충분한 굴곡을 얻기 위해, 렌즈는 굴절률이 높은 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 동시에, 높은 피크 파워 밀도를 갖는 레이저 빔에 내구성을 갖는 재질이 바람직하며, 본 실시예에서는 사파이어를 사용했다. 또한, 레이저 빔 조사점으로부터 발생하는 금속 미립자나 플라즈마가 미러(64)를 오염시키는 것을 방지하기 위해, 파이프(62)에 한 쌍의 절결부(68, 69)와, 파이프(62)의 주위에 링 형상의 밀봉 부재(70)를 설치함으로써, 파이프(62) 내에, 한쪽의 절결부(68)로부터 다른 쪽의 절결부(69)로 물의 흐름을 생 성하고, 미러(64)면을 보호하는 역할을 하게 했다. 레이저 빔으로서는, 수중 투과성이 좋은 Nd : YAG 레이저의 제2 고조파(파장 532㎚) 혹은 Nd : YVO₄ 레이저의 제2 고조파(파장 532㎚)를 사용했다. 펄스 레이저 빔의 시간 폭은 각각, 10ns, 1ns였다. 레이저 처리는, 펄스 에너지와 스폿 직경을 변경하면서 행했다. Nd : YAG 레이저는 펄스 에너지 10mJ 이상의 처리에 대해, Nd : YVO₄ 레이저는 펄스 에너지 10mJ 미만의 처리에 대해, 각각 사용했다. 조사점에서의 스폿의 형태는 대략 원형이고, 피크 파워 밀도는 50TW/㎡로 했다.

레일 구멍 둘레 방향의 압축 응력을 높이기 위해, 도 15에 도시한 바와 같이, 분기 구멍(6)의 중심축을 포함하는 평면 내에서 빔 스폿을 주사하고, 상기 빔 스폿의 주사를 분기 구멍(6)의 둘레 방향으로 위치를 어긋나게 하면서 복수회 행한다. 도 15에 도시한 바와 같이, 시험편(51)의 길이 방향에 수직인 평면 내에서 빔 스폿을 주사하고, 상기 빔 스폿의 주사를 길이 방향으로 위치를 어긋나게 하면서 복수회 행하는 방법으로, 펄스 레이저 빔을 조사했다. 레이저 처리한 영역은, 식 4에서 나타내어지는 영역이고, p₃과 p₄를 변경하면서 처리했다. p₃과 p₄의 정의와 처리 영역을 도 19 중에 사선으로 나타낸다.

[식 4]

분기 구멍의 중심으로부터의 거리 ≤ 분기 구멍의 직경(d₂) × p₃

분기 구멍의 중심으로 선분을 그었을 때의 상기 선분과 레일 구멍의 길이 방 향이 이루는 각 ≤ ±p₄°

동일점에 대한 펄스 레이저 빔의 조사 횟수의 평균값은 6.9회로 설정했다.

레이저 피닝 처리 후, 전해 연마에 의해 재료의 제거를 행했다. 구 형상의 돌기를 압박하면서 통전하면서, 분기 구멍(6)의 축을 중심으로 하여 동심원 형상으로 연마했다. 돌기의 직경과 전해 연마의 시간을 변경함으로써, 도 20에 도시한 바와 같이, 전해 연마하는 영역의 폭 p₅와 제거 두께 p₆을 변경했다. 제거 두께의 정의는 상술한 바와 같다. 또한, 분기 구멍(d₂ = 1.0㎜)의 중심축을 포함하고 레일 구멍의 길이 방향을 따른 단면 상의 전술한 식 2를 만족하는 영역에 있어서의 분기 구멍의 형상선의 곡률의 최대값(Rm)을 평가했다. 이상 서술해 온 본 실시예에 있어서의 전해 연마 후의 개구부 형상에 관계되는 파라미터(p₁, p₂, p₅, p₆, Rm)는, 각 수준의 피로 시험에 빠질 수 없는 커먼 레일을, 분기 구멍의 중심축을 포함하고 레일 구멍의 길이 방향을 따른 단면을 절단ㆍ연마 가공에 의해 얻은 후, 광학 현미경을 사용하여 형상을 관찰함으로써 구했다.

이상의 방법으로 제작한 커먼 레일을, 별도 가공하여 장착한 고정용 지그를 통해 내압 피로 시험 장치에 세트하고, 최대 분사 압력 300㎫로 15㎐에서 1000만회의 내압 피로 시험을 실시했다. 시험에 있어서는, 홀더 상부의 개구 단부를 폐색하는 나사를 홀더 내경측으로 가공한 나사 형상에 맞도록 선택하여 3ton의 최대 토크로 체결하고, 실제 엔진에 있어서의 사용 환경을 재현했다. 표 1에 피로 시험 결과를 나타낸다. 강재 성분의 조건을 나타내는 번호는 표 2에 나타낸 조건과 대 응하고 있다. 표에는, 도 19의 m₁점에 있어서의 레일 구멍 둘레 방향의 잔류 응력(σ_A)을 측정한 결과도 나타낸다. 또한, 잔류 응력(σ_A)은, 각 수준의 피로 시험에 빠질 수 없는 커먼 레일로부터 도 17에 도시한 바와 같이, 1개의 분기 구멍을 포함하는 일부분(24)을 잘라내고, X선 잔류 응력 측정 장치를 사용하여 측정했다. 이 잘라내기 가공에 있어서는, 레이저 피닝에 의해 도입된 잔류 응력이 변화하지 않도록, 분기 구멍의 레일 구멍측의 개구부로부터 이격된 위치에서 절단했다. 잘라낸 크기는 레일 구멍 길이 방향의 길이가 40㎜이고, 또한 분기 구멍의 축에 수직으로 레일 구멍의 축을 포함하는 평면으로 절단했다. X선 응력 측정의 빔 직경은 0.1㎜로 했다.

조건 126은, 레이저 피닝 처리는 실시했으나, 그 후 연마를 실시하지 않은 종래예이다. 조건 번호 106, 108, 111, 114, 116, 119는 레이저 피닝 처리 후 연마했으나, 조건이 적절하게 없기 때문에, 종래예에 대해 유의한 효과를 볼 수 없는 비교예이고, 그 이외의 조건이 본 발명예이다. 본 발명의 조건에서는 모두 종래예에 대해 피로 강도 향상이 얻어지고 있다.

조건 106은 펄스 에너지가 부족하기 때문에, 레이저 피닝 처리에서 압축 응력이 도입되는 깊이가 작고, 전해 연마 후의 σ_A가 작아져 버렸기 때문에 피로 강도 향상 효과가 작았던 예이다. 한편, 펄스 에너지가 1mJ 이상으로 되는 조건 101 내지 105에서는 모두 피로 강도 향상 효과가 얻어지고 있다.

조건 108과 111은 레이저 처리의 영역이 지나치게 작기 때문에, 내압 피로 시험시의 부하가 크게 되는 영역에 있어서의 인장 응력의 저감 효과가 충분하지 않고, 피로 강도 향상 효과가 작았던 예이다. 한편, 조건 108, 111과 동일한 레이저 펄스 에너지 조건이며, p₃ ≥ 0.6, p₄ ≥ 10°로 되는 조건 107, 109, 110에서는 모두 피로 강도 향상 효과가 얻어지고 있다.

조건 114는 전해 연마의 영역이 지나치게 작기 때문에, 내압 피로 시험시의 부하가 커지는 영역에 있어서의 응력 집중 계수의 저감 효과가 충분하지 않아, 피로 강도 향상 효과가 작았던 예이다. 전해 연마는 했으나 Rm은 조건 126의 종래예와 큰 차가 없었던 것을 알 수 있다. 한편, 조건 114와 동일한 레이저 펄스 에너지 조건이며, p₅ ≥ 0.6으로 되는 조건 103, 112, 113에서는 모두 피로 강도 향상 효과가 얻어지고 있다.

조건 116은 전해 연마의 두께가 0.4㎜로 지나치게 크기 때문에, 레이저 피닝 처리에서 압축 응력이 도입된 깊이를 제거한 결과, 전해 연마 후의 σ_A가 작아져, 피로 강도 향상 효과가 작았던 예이다.

조건 119는 전해 연마의 두께가 0.005㎜로 지나치게 작기 때문에, 레이저 조사에 의해 용융ㆍ재응고되어 응력이 인장측으로 시프트하고 있는 표면을 없애는 효과가 충분하지 않고, 또한 전해 연마에 의한 응력 집중의 완화도 충분하지 않기 때문에, 피로 강도 향상 효과가 작았던 예이다. Rm, σ_A 모두, 조건 126의 종래예와 큰 차가 없었던 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 표면의 압축 응력이 커지는 효과와 함께, 형상 변화에 의 한 응력 집중 계수의 완화 효과가 복합적으로 작용하여, 종래 기술에 대해 큰 피로 강도의 향상이 얻어진다. 본 시험의 결과로부터, 이것을 위해서는, σ_A의 절대값 200㎫ 이상, Rm ≥ 15㎛라는 조건이 효과적인 것을 알 수 있다.

또한, 표 3에는 본 발명에 있어서 적용하는 강재가 제1 발명으로부터 제4 발명에 기재된 화학 성분으로부터 일탈한 경우에, 강재의 액상 확산 접합 이음매 특성이, 애당초 미달로 되기 때문에, 레이저 피닝 처리를 실시해도, 강재 자체 또는 액상 확산 접합 이음매가 내압 피로의 저항성을 잃게 되는 예를 나타냈다. 레이저 피닝 처리는 모두 표 1에 나타낸 122번의 조건에서 행했다. 51번 강은 C이 과다로 되어 액상 확산 접합 이음매의 인성을 획득할 수 없었던 예(이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하되었음), 52번 강은 Si가, 53번 강은 Mn이 과다로 되어 액상 확산 접합 이음매에 있어서 MnO-SiO₂의 복합 산화물을 다량으로 생성하여, 이음매의 인성이 저하된 결과, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 54번 강은 Cr가 과다로 되어 δ 페라이트가 강재 조직에 다량으로 생성되어, 강재 강도가 저하되고 이음매의 강도도 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부도 피로 특성이 저하된 예, 55번 강은 Mo이 과다로 되어 액상 확산 접합 이음매에 붕화물을 다량으로 생성하여, 이음매 인성이 저하되고, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 56번 강은 V이 과다로 되어, 접합 이음매에서 조대 V 탄화물이 생성하여 인성이 저하되고, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부 보다도 저하된 예, 57번 강은 Ti 첨가량이 과잉이 되고, Ti을 포함하는 탄질화물이 이음매에서 다량으로 생성하여, 이음매 인성이 저하되고 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 58번 강은 B 첨가량이 과다로 되어, B을 포함하는 탄화물과 붕화물이 이음매에 생성하고, 인성이 저하된 결과, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 59번 강, 60번 강, 61번 강은 각각 Ni, Co, Cu 첨가량이 과다로 되어 잔류(γ)가 다량으로 생성되어, 접합 이음매의 인성이 저하되고, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 62번 강은 W 첨가량이 과다로 되어 붕화물이 이음매에 다량으로 생성되어, 인성이 저하되고 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 63 내지 66번 강은 Zr, Nb, Ta, Hf이 각각 과다로 되어, 모두 각각의 탄화물을 접합 이음매에 많이 생성하여 인성이 저하되고, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 67 내지 69번 강은 Ca, Mg, Ba의 첨가량이 과잉이 되고, 각각의 산화물이 생성되어, 접합 이음매의 인성이 저하된 결과, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 70 내지 72번 강에서는 Y, Ce, La의 첨가량이 과잉으로 되어, 각각의 산화물이 생성되어, 접합 이음매의 인성이 저하된 결과, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 73번 강은 As + Sn + Sb + Pb + Zn의 첨가량 총 합계가 0.015％를 초과하고, 입계 취화를 초래했기 때문에, 이음매의 인성이 저하되고, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예, 74번 강은 화학 성분이야말로 본 발명 강의 범위이나, HTL값이 8을 하회했기 때문에, 이음매의 강도와 인성이 모두 저하되고, 이음매의 피로 특성이 레이저 피닝 처리한 분기 구멍 개구부보다도 저하된 예이다.

본 발명에 따르면, 확산 접합에 의해 600㎫ 초과급의 강재라도, 모재를 가공 이 용이한 형상의 블록 단위로 나누어 제조할 수 있으므로, 제조 비용을 저렴하게 할 수 있다. 또한, 커먼 레일에서 피로 강도가 문제로 되는 분기 구멍의 레일 구멍측 개구부 주변에 있어서, 표면으로부터 높은 압축 응력을 도입할 수 있는 동시에, 분기 구멍 개구부 형상의 개선에 의해 응력 집중이 완화되는 결과, 피로 강도를 크게 향상시킨다. 이 결과, 저렴한 강재를 사용하여 연료의 고압 분사를 행하는 것이 가능한 커먼 레일 시스템을 구축할 수 있으므로, 배기 가스의 클린화나 연비의 향상이 얻어진다. 또한, 유체가 통과하는 기계 부품에 있어서 직경이 극단적으로 변화되는 부위나, 관의 단부 등, 응력 집중이 발생하기 쉬운 부분의 피로 강도를 향상시키기 위한 제조 방법으로서 적용할 수 있어, 산업상 유용한 효과를 발휘한다.

Claims

중심부에 레일 구멍이 형성되고, 상기 레일 구멍을 둘러싸는 통 벽부에 상기 레일 구멍에 개방되는 복수의 분기 구멍이 형성된 커먼 레일의 제조 방법이며,

상기 커먼 레일의 소재로서,

질량％로, C : 0.01 내지 0.3％, Si : 0.01 내지 0.5％, Mn : 0.01 내지 3.0％, Cr : 1.0 내지 12.0％, Mo : 0.1 내지 2.0％를 함유하고, 또한 V : 0.01 내지 1.0％, B : 0.0003 내지 0.01％, Ti : 0.01 내지 0.05％, N : 0.001 내지 0.01％를 함유하고, P : 0.03％ 이하, S : 0.01％ 이하, O : 0.01％ 이하로 제한되고, 또한 입계 편석 취화 원소, As, Sn, Sb, Pb, Zn의 총 합계를 0.015％ 이하로 제한하고, 잔량부가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지는, 인성 및 피로 강도를 갖는 고강도 액상 확산 접합용 강을 사용하여, 액상 확산 접합에 의해 조립 접합한 커먼 레일이며, 상기 분기 구멍의 개구 주변부에 위치하는 상기 분기 구멍의 내면과, 상기 레일 구멍의 내면과의 경계 주변부의 영역에, 투명 액체를 존재시켜 펄스 레이저 빔을 조사하는 레이저 피닝 처리를 실시한 후에, 상기 개구 주변부의 재료의 표층을 제거함으로써, 상기 개구 주변부의 피로 강도를 높이는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 소재로서, Ni : 0.01 내지 9.0％, Co : 0.01 내지 5.0％, Cu : 0.01 내지 5.0％, W : 0.01 내지 2.0％ 중 적어도 1종 이상을 더 함유하 는 액상 확산 접합용 강을 사용하는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소재로서, Zr : 0.001 내지 0.05％, Nb : 0.001 내지 0.05％, Ta : 0.001 내지 0.2％, Hf : 0.001 내지 0.2％ 중 적어도 1종 이상을 더 함유하는 액상 확산 접합용 강을 사용하는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소재로서, Ca : 0.0005 내지 0.005％, Mg : 0.0005 내지 0.005％, Ba : 0.0005 내지 0.005％ 등의 황화물 형태 제어용 원소, 및 Y : 0.001 내지 0.05％, Ce : 0.001 내지 0.05％, La : 0.001 내지 0.05％ 등의 희토류 원소 중 적어도 1 이상을 더 함유하는 액상 확산 접합용 강을 사용하는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개구 주변부의 재료의 표층의 제거는, 전해 연마 혹은 유체 연마에 의해 행하는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 에너지가 1mJ 내지 10J인 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 피닝 처리를 실시하는 영역과 상기 표층을 제거하는 영역이, 각각 상기 레일 구멍의 내면에 있어서 식 1을 만족하는 영역을 포함하는 것이며, 제거하는 표층의 두께가 식 1을 만족하는 영역에 있어서 0.01㎜ 내지 0.3㎜인 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.

[식 1]

분기 구멍의 중심으로부터의 거리 ≤ 분기 구멍의 직경 × 0.6

분기 구멍의 중심으로 선분을 그었을 때의 상기 선분과 레일 구멍의 길이 방향이 이루는 각 ≤ ±10°
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개구 주변부의 재료의 표층의 제거에 의해, 분기 구멍의 중심축을 포함하고 레일 구멍의 길이 방향을 따른 단면에 있어서의 분기 구멍의 개구부 주변부에 있어서의 형상선의 곡률이, 식 2를 만족하는 영역의 각 점에 있어서, 15㎛ 이상으로 되는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.

[식 2]

분기 구멍의 직경 × 0.5 ≤ 분기 구멍의 중심으로부터의 거리 ≤ 분기 구멍의 직경 × 0.6
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 피닝 처리를 실시하기 전에, 상기 개구 주변부를 모따기 가공하는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 모따기 가공을 실시하는 영역이 식 1을 만족하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.

[식 1]

분기 구멍의 중심으로부터의 거리 ≤ 분기 구멍의 직경 × 0.6

분기 구멍의 중심으로 선분을 그었을 때의 상기 선분과 레일 구멍의 길이 방향이 이루는 각 ≤ ±10°
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 피닝 처리에 사용하는 투명 액체가 알코올 혹은 방청제가 들어간 물인 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
중심부에 레일 구멍이 형성되고, 상기 레일 구멍을 둘러싸는 통 벽부에 상기 레일 구멍에 개방되는 복수의 분기 구멍이 형성된 커먼 레일이며,

상기 커먼 레일의 소재가,

질량％로, C : 0.01 내지 0.3％, Si : 0.01 내지 0.5％, Mn : 0.01 내지 3.0％, Cr : 1.0 내지 12.0％, Mo : 0.1 내지 2.0％를 함유하고, 또한 V : 0.01 내지 1.0％, B : 0.0003 내지 0.01％, Ti : 0.01 내지 0.05％, N : 0.001 내지 0.01％를 함유하고, P : 0.03％ 이하, S : 0.01％ 이하, O : 0.01％ 이하로 제한되고, 또한 입계 편석 취화 원소, As, Sn, Sb, Pb, Zn의 총 합계를 0.015％ 이하로 제한하고, 잔량부가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지는, 인성 및 피로 강도가 우수한 고강도 액상 확산 접합용 강재이며, 상기 분기 구멍의 개구 주변부에 있어서의 형상이, 분기 구멍의 중심축을 포함하고 레일 구멍의 길이 방향을 따른 단면에 있어서의 분기 구멍의 개구부 주변부에 있어서의 형상선의 곡률이, 식 2를 만족하는 영역의 각 점에 있어서, 15㎛ 이상으로 되고, 또한 상기 단면에 있어서의 레일 구멍의 길이 방향에 수직인 압축 응력값이 -200㎫ 이상인 것을 특징으로 하는, 피로 강도 특성이 우수한 커먼 레일.

[식 2]

분기 구멍의 직경 × 0.5 ≤ 분기 구멍의 중심으로부터의 거리 ≤ 분기 구멍의 직경 × 0.6