KR101534536B1

KR101534536B1 - ＣｒＮｉ 합금을 기재로 하는 물질, 준완성품, 연소 엔진용컴포넌트, 및 상기 물질과 상기 준완성품의 제조 방법

Info

Publication number: KR101534536B1
Application number: KR1020080050828A
Authority: KR
Inventors: 디에트마르 쉴라저
Original assignee: 빈터투르 가스 앤 디젤 아게
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2015-07-07
Also published as: JP2014088624A; RU2008122858A; CN104674094A; CN101319288A; JP5711443B2; EP2000550A1; KR20080108013A; JP2008303461A; BRPI0803766A2

Abstract

본 발명은 연소 엔진, 특히 대형 디젤 엔진의 컴포넌트(1)를 형성하기 위한 출발 물질로서 준완성품의 제조에 사용되는 CrNi 합금을 기재로 하는 물질에 관한 것으로서, 상기 물질은 하기 화학 조성을 가지고:

[Cr_xNi_yA_z]N_k, 여기서 x+y+z+k = 100%,

성분 A_z는 {La, Ce, Y, Hf, Sc, Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, Mn, O, 및 희토류}로 이루어지는 화학적 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이다. 상기 물질의 Cr-함량은 중량%로 50%＜x＜100%이고, 상기 물질의 Ni-함량은 중량%로 y＞0%이고, 상기 물질에서의 성분 A_z의 함량은 중량%로 0%≤z＜50%이다. 본 발명에 따르면, 상기 물질의 질소 함량은 중량%로 0.01%≤k≤0.1%이다. 본 발명은 또한, 본 발명에 따른 물질로 만들어진 준완성품, 및 상기 준완성품으로부터 제조된, 연소 엔진용 컴포넌트(1)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 등압 압축 공정에 의한 물질의 제조 방법, 및 준완성품의 제조 방법에 관한 것이다.

CrNi 합금, 준완성품, 등압 압축, 노즐 헤드, 노치 바 충격값

Description

ＣｒＮｉ 합금을 기재로 하는 물질, 준완성품, 연소 엔진용 컴포넌트, 및 상기 물질과 상기 준완성품의 제조 방법 {A MATERIAL ON THE BASIS OF A CrNi ALLOY, A SEMI-FINISHED PRODUCT, COMPONENTS FOR A COMBUSTION ENGINE, AND ALSO A METHOD FOR THE MANUFACTURE OF THE MATERIAL AND OF THE SEMI-FINISHED PRODUCT}

본 발명은 연소 엔진, 특히 대형 디젤 엔진의 컴포넌트(component)를 형성하기 위한 출발 물질로서 준완성품의 제조에 사용되는 CrNi 합금을 기재로 하는 물질, 본 발명에 따른 물질로 만들어진 준완성품, 및 상기 준완성품으로부터 제조되는 연소 엔진용 컴포넌트에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 물질의 제조 방법 및 등압 압축성형법(isostatic pressing method)에 의한 준완성품의 제조 방법에 관한 것이다.

예를 들면 연소 엔진, 특히 디젤 엔진의 컴포넌트를 위한 출발 물질의 준완성품은 고온 등압(hot isostatic pressure=HIP)을 이용하여 적합한 물질로부터 제조될 수 있다. 그러한 디젤 엔진 컴포넌트의 예는 여러 가지 중에서 4행정 엔진, 특히 디젤 엔진, 그중에서도 대형 디젤 엔진용 프리챔버(prechamber) 또는 모든 종류의 2행정 및 4행정 엔진용 연료 분무기(fuel atomiser) 또는 연료 노즐 헤드 등 이다.

이와 관련하여, 전술한 HIP 공정을 이용하여, 용융 야금법 또는 그 밖의 방법으로는 제조할 수 없거나, 많은 비용과 복잡성을 수반해야 제조될 수 있는 합금을 제조할 수 있다.

예를 들어, 무엇보다도 선박이나 고정 설비에서의 발전용 구동 유니트(drive aggregate)로서 사용되는 대형 디젤 엔진의 경우에, 연료(이것은 전형적으로 중유 또는 다른 디젤 연료임)는 연료 분사 노즐에 의해 연소 챔버에 도입된다. 이러한 분사 노즐은 정상적으로는 연소 챔버 내로 일부 돌출되는 노즐 헤드를 포함하는데, 이것은 또한 분무기라고 지칭된다. 노즐 헤드는 마모되는 부품으로서 높은 열적, 기계적 및 화학적 부하를 총체적으로 받게 되는 부품이다. 부하의 정도에 따라, 노즐 헤드에는 예를 들면 부식, 침식 및/또는 마모의 결과로서 물질의 소실과 같은 손상 또는 심지어는 파손으로 이어질 수 있는 균열이 일어날 수 있다.

기계적 부하는 또한 높은 분사 압력에 기인하며, 이 압력은 1,000 bar를 넘을 수 있다. 물질 손실은 캐비테이션(cavitation) 및/또는 침식을 통해 노즐 헤드 내부에서 일어날 수 있다. 열적 부하는 연소 챔버 내의 높은 온도 및 연소 온도와 새로 공급되는 배기용 공기(scavenging air)의 온도 사이의 엄청난 온도 변화에 기인한다. 연료가 통과하여 도입되는 노즐 헤드의 내부에서, 간헐적인 분사는 또한 온도의 급격한 변화를 초래한다. 노즐 헤드의 화학적 부하는 주로 고온 부식, 즉 핫 부식에 기인한다. 연료에 함유되어 있는 바나듐, 나트륨 및 황에 의해 주로 야기되는 핫 부식은 재료의 약화(emaciation)를 촉진한다. 특히 부식은, 노즐 헤드 가 몇천 시간의 가동만으로 이미 사용할 수 없게 되어 교체해야만 하게 하는 원인이다.

오늘날, 강철 또는 니켈이나 코발트를 기재로 하는 합금, 예를 들면 스텔라이트 6(Stellite 6)가 대형 디젤 엔진에서의 노즐 헤드용 물질로서 통상적으로 사용된다. 침식, 마모 및 캐비테이션(특히 노즐 헤드의 구멍(bore)에서의)과 관련된 허용 가능한 컴포넌트 수명은, 오늘날 코발트계 합금 Stellite 6를 이용하여 달성될 수 있다.

이와 관련하여, 크롬 및 니켈 함량이 높은 합금, 예를 들면 크롬과 니켈 함량이 약 50 중량%에 달하는 합금, 그중에서도 예를 들면 전술한 HIP 공정들 중 하나를 이용하여 제조되는 Cr/Ni 65/35 합금과 같은, 크롬 함량이 50 중량%를 넘는 합금은 전술한 고온 부식 및 핫 부식의 문제에 관해 매우 양호한 특성을 갖는 것이 확실하다. 그러한 크롬 함량이 높고 고온 부식 및 핫 부식에 관한 우수한 화학적 특성을 가진 물질은 이미 EP 1 353 061에 개시되고 구체적으로 기재되어 있다.

그러나, 동시에 HIP 공정에 의해 제조되는 이들 물질은 불량한 인성(toughness) 특성을 가지는 경향이 있어서, 그 물질 자체는, 예를 들어, 매우 낮은 노치 충격값(notch impact value)을 나타낸다. 즉, 이러한 공지된 합금들은 비교적 깨지기 쉽고 연성이 부족하고, 이 때문에, 잘 알려져 있는 바와 같이 낮은 노치 충격값을 초래한다.

따라서, 전술한 물질에 대한 개선, 특히 취성(brittleness) 또는 연성(ductility)에 관한 개선의 여지가 있다. 특히 엔진 구성에서의 개발, 그중에서 도 2행정 대형 디젤 엔진인 경우의 개발은, 장래에 훨씬 더 강력한 엔진, 기계적 부하 요건, 특히 노즐 헤드나 프리챔버와 같은 부하가 높은 부분에 대한 기계적 부하 요건도 더욱 증가될 것이라는 예상을 가능하게 하기 때문이다. 이것은 점점 더 많은 새롭거나 변형된 물질이 요구될 것임을 의미하지만, 동시에 고온 부식 또는 핫 부식에 관해 전술한 공지된 물질의 우수한 화학적 특성을 유지해야 한다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명의 목적은 하나의 물질 및 이로부터 제조되는 컴포넌트, 특히 엔진용 컴포넌트, 그중에서도 연료의 분사용 노즐 헤드나 프리챔버로서, 대형 디젤 엔진에서의 총체적인 높은 부하에 대응할 수 있고, 특히 높은 연성을 가지며, 또한 그에 따라 공지되어 있는 물질에 비해 상당히 증가된 노치 바(notch bar) 충격값을 가지며, 동시에 상기 물질은 고온 부식 및 핫 부식에 관해 우수한 화학적 특성을 나타내는, 컴포넌트를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 충족시키는 본 발명의 대상은 각각의 카테고리에서의 독립 청구항의 특징부를 특징으로 한다.

따라서, 연소 엔진, 특히 대형 디젤 엔진의 컴포넌트를 형성하기 위한 출발 물질로서 준완성품의 제조에 사용되는 CrNi 합금을 기재로 하는 물질로서, 하기 화학 조성을 가지는 물질을 제공하고:

[Cr_xNi_yA_z]N_k, 여기서 x+y+z+k = 100%,

성분 A_z는 {La, Ce, Y, Hf, Sc, Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, Mn, O, 및 희토류}로 이루어지는 화학적 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이다. 상기 물질의 Cr-함량은 중량%로 50%＜x＜100%이고, 상기 물질의 Ni-함량은 중량%로 y＞0%이고, 상기 물질에서의 성분 A_z의 함량은 중량%로 0%≤z＜50%이다. 본 발명에 따르면, 상기 물질의 질소 함량은 중량%로 0.01%≤k≤0.1%이다.

즉, 놀랍게도 질소 함량이 약 0.1 중량% 미만인 크롬니켈 합금에서, 상기 물질 또는 해당 주제에 대한 문헌에서 HIP법으로도 알려져 있는 등압 압축법에서 상기 물질로부터 제조된 준완성품의 노치 바 충격값 및 그로 인한 연성이, 질소의 농도가 더 낮은 방향으로 엄청나게 증가되는 현상이 일어났다. 그러므로, 경우에 따라서는 약 0.1 중량% 미만에서 노치 바 충격값이, 질소의 농도의 함수로서 멱수 법칙(power law)의 형태로 질소의 농도가 더 낮은 방향으로 거의 단계적으로 크게 증가된다는 것을 실험에서 나타낼 수 있었다.

다음의 노치 바 충격값은 NiCr 물질의 질소 농도에 의존하여 측정되었다: 질소 0.01 중량%에서 8.84 J/㎡, 질소 0.067 중량%에서 6.3 J/㎡, 질소 0.05 중량%에서 3.37 J/㎡, 질소 0.2 중량%에서 2.1 J/㎡, 질소 0.56 중량%에서 0.98 J/㎡.

이와 관련하여, 다른 경우에, 노치 바 충격값은 편향적으로(tendentially) 떨어지는 질소 농도의 함수로서 또 다른 법칙을 따를 수도 있다.

그러나, 노치 바 충격값은 항상, 50 중량% 이상의 크롬과 약 0.1 중량% 미만의 질소 농도를 가진 CrNi 합금에서 질소 농도가 낮은 방향으로 다소 급격히 또는 준 단계적으로 증가된다는 것은 명확하다.

약 0.1 중량%의 질소 농도에서, 노치 바 충격값은 질소 농도에 따라 약간만 변하거나, 기술적으로는 실제로 관계없는 양으로 변하므로, 그러한 질소 0.1 중량% 미만에 불과한 낮은 농도 영역에서의 가장 작은 변화가, 노치 바 충격값에서 기술적으로 의미 있는 변화를 초래할 수 있다고 생각할 수 없었다는 것은 더욱 놀라운 일이다.

그러므로, 본 발명에 있어서, 예를 들면 EP 1 353 061을 통해 알려져 있는 물질로부터 출발하여, 고온 부식 및 핫 부식에 관하여 우수한 물리적-화학적 특성에 영향을 주지 않으면서, 최초로 노치 바 충격값 및 그에 따른 연성에 관하여 질소 함량의 특정 감소를 이용하여 이것들을 매우 실질적으로 향상시킬 수 있다.

이와 관련하여, 본 발명은 전술한 물질로 유리하게 적용될 수 있을 뿐 아니라, 다른 관련 물질로도 유사하게 양호한 결과를 가져온다.

실제로, 본 발명에 따른 물질의 질소 함량은 0.01 중량%≤k≤0.1 중량%, 특히 0.01 중량%≤k≤0.05 중량%이고, 상기 질소 함량은 특히 0.02 중량%이다. 어떠한 질소 함량이 실제로 선택되는가는, 특히 노치 바 충격값에 관한 요건 및 준완성품의 연성, 그리고 이로부터 제조할 컴포넌트에 의존한다.

노치 바 충격값 또는 제조할 컴포넌트의 연성에 대한 요구가 지나치게 높지 않을 때, 경제적 이유 하나만으로도 0.1 중량% 미만의 지나치게 낮지 않은 질소 농도가 선택되는 것을 이해할 것인데, 왜냐하면 극도로 작은 질소의 농도를 가진 물질의 제조는 그에 상응하여 비용이 많이 들기 때문이다.

특히 유리하게는, 제조할 컴포넌트 또는 응용 분야에 따라서, 상기 물질의 크롬 함량은 52 중량%≤x≤100 중량%, 특히 52 중량%≤x≤70 중량%, 구체적으로는 약 65 중량%이고, 바람직하게는 52 중량%≤x≤60 중량%, 그중에서도 54 중량%≤x≤58 중량%이고, 니켈 함량은 20 중량% 이상이다.

기본 물질인 Cr 및 Ni의 각각의 비율은 이와 관련하여, 이 특수한 경우, 다 른 여러 가지 중에서도, 핫 부식 및 온도 로딩에 관한 요구뿐 아니라, 상기 물질로부터 제조하고자 하는 컴포넌트가 가동 상태에서 노출될 화학적, 물리적 문제 및 그 밖의 환경적 요인에 의존한다.

질소에 더하여, 본 발명에 따른 물질은, 예를 들면 산소도 함유할 수 있고, 상기 물질의 산소 함량은 바람직하게는 0.01 중량%≤O≤0.5 중량%, 특히 0.01 중량%≤O≤0.2 중량%, 그중에서도 약 0.1 중량%일 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 물질의 높은 크롬 함량은, 중유를 사용하여 구동되는 대형 디젤 엔진의 연소 공간에서 전형적으로 일어나는 것과 같은, 고온 부식에 의한 집중적인 공격에 맞서기 위해 특히 중요하다. 크롬은 조밀하고 견고하게 부착하는 산화크롬층을 형성하고, 이것이 상기 물질에 양호한 내약품성을 부여한다. 높은 크롬 함량으로 인해, 크롬은 더욱이 노즐 헤드의 내부로부터 신속하게 확산되어 그곳에서 발생된 산화물층의 손상을 해소시킬 수 있다.

상기 물질은 란탄(La), 세륨(Ce), 이트륨(Y), 하프늄(Hf), 스칸듐(Sc) 및 희토류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 반응성 원소를 함유하는 것이 바람직하고 , 각각의 원소의 함량은 최대 5 중량%이다.

상기 물질에서의 반응성 원소의 기능은, 산화크롬층 자체의 안정성 및 노즐 헤드에 대한 접착성에 긍정적인 방식으로 영향을 주는 것이다. 이들 원소와 같은 반응성 원소는 소량이더라도 산화 거동(oxidation behaviour) 및 특히 온도 변화와 결부되는 응력에 관해서도 산화물층의 접착성을 상당히 향상시킬 수 있다.

기계적 및 기술적 특징을 감안할 때, 니켈 함량은 또한 20 중량% 이상, 특히 30 중량% 이상인 것이 바람직하다.

통상적으로 본 발명의 물질에 상기 반응성 원소들 중 하나가 존재하면 충분하다. 그러나 용도에 따라서는, 복수 개의 반응성 원소를 함유하는 물질을 제조하는 것이 유리할 수도 있다.

또 다른 특정 실시예에서, 상기 물질은 원소 Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe 및 Mn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 함유하고, Si의 함량은 1 중량% 이하, 특히 0.6 중량% 이하이고, C의 함량은 1 중량% 이하, 특히 0.6 중량% 이하이고, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe 및 Mn의 함량은 각각 1 중량% 이하, 특히 0.1 중량% 이하이다.

실제로, 각각의 반응성 원소의 함량이 1 중량% 이하, 특히 0.2 중량% 이하인 것이 유리한 것으로 입증되었다. 이와 관련하여, 탄소(C)의 함량은 매우 특별한 경우에 1 중량% 이하, 특히 0.05 중량% 이하이고, 실리콘(Si)의 함량은 특히 0.05 중량% 이하이다.

이와 관련하여, 상기 물질은 가스 분무된 금속성 분말이며, 상기 금속성 분말은 바람직하게는 10㎛ 내지 200㎛, 특히 45㎛ 내지 150㎛의 주된 그레인 크기(primary grain size)를 가진다. 이것은 분말 그레인의 대부분이 그레인 크기 분포 내에서, 10~200㎛의 크기, 특히 40~150㎛의 크기를 가지는 것을 의미한다.

본 발명은 추가로, 본 발명에 따른 물질로부터, 대응하는 컴포넌트의 형성을 위한 출발 물질로서 사용되는 준완성품에 관한 것이며, 본 발명에 따른 상기 준완성품은, HIP 공정으로도 알려져 있는 고온 등압 압축 공정에 의해 제조된다.

예를 들어, 특히 연료 분사기가, 이것에 한정되지는 않지만, 본 발명에 따른 준완성품으로부터 제조될 수 있는 컴포넌트로서 문제시되는 것이며, 특히 2행정 또는 4행정 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진에 사용되는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드가 이에 포함된다. 그러나, 4행정 엔진용 프리챔버 또는 연소 엔진의 또 다른 컴포넌트, 특히 가동 상태에서 높은 온도 및/또는 핫 부식에 노출되는 컴포넌트는 본 발명에 따른 준완성품으로부터 매우 유리하게 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 준완성품 또는 본 발명에 따른 물질로부터 제조되는, 연소 엔진, 특히 대형 디젤 엔진 내 연료 분사 노즐용 노즐 헤드는 실제 용도로 특히 중요하다.

이미 언급한 바와 같이, 본 발명이 청구하는 크롬계 합금은 부식, 특히 핫 부식, 침식, 마모, 물질 손실 및 캐비테이션에 대해 특별히 내구성인 것으로 입증된다. 이 종류의 크롬계 합금으로 제조되는 노즐은 대형 디젤 엔진에서의 높은 부하 집단을 매우 양호하게 견딜 수 있다. 상기 노즐의 기계적 안정성, 균열 또는 파열의 형성에 대한 내구성, 및 맥동 부하(pulsating load)에 대한 항구적인 복원력은 요구조건을 충족시킨다.

바람직한 실시예에서, 노즐 헤드는 길이 방향 구멍 및 상기 길이 방향 구멍으로부터 시작하여 연료를 연소 공간에 도입시키기 위한 하나 이상의 노즐 홀을 구지며, 길이 방향 구멍으로부터의 전환부(transition)는 바람직하게는 전기-화학적으로 라운딩(rounding) 처리(경질 금속의 전해방식 연마)되어 있다. 통로 부위의 상기 라운딩에 의해 연료의 유동 경로 내의 날카로운 모서리가 배제되고, 그에 따 라 유동 조건이 최적화된다.

본 발명에 따른 노즐 헤드는 연소 엔진용, 특히 디젤 엔진용 연료 분사 노즐에 특히 적합하다. 본 발명에 따른 노즐 헤드 또는 그와 함께 제공되는 연료 분사 노즐은 대형 디젤 엔진, 예를 들면 크로스헤드 드라이브(crosshead drive)를 구비한 길이 방향으로 배기되는 2행정 대형 디젤 엔진 또는 4행정 대형 디젤 엔진에 특히 적합하다.

본 발명은 추가로, 본 발명에 따른 물질 및 준완성품을 제조하는 방법으로서, 상기 물질은 가스 분무 방법에 따라 제조되고, 분무 가스로서 희가스(noble gas), 특히 아르곤 및/또는 헬륨이 사용되고, 상기 준완성품은 공정 챔버에서 고온 등압 압축 공정에 의해 제조된다.

헬륨 또는 초순수 아르곤과 같은 희가스가 분말화 물질의 제조에서 분무 가스로서 사용된다는 사실로 인해, 일반적으로 분무 가스로서 질소 또는 공기가 사용되는 종래 기술에서 알려져 있는 방법과는 달리, 상기 물질 내의 질소 함량을 0.1 중량% 미만의 농도로 낮출 수 있다.

공정 챔버에서 고온 등압 압축 공정에 의해 준완성품을 제조하는 데 있어서, 공정 챔버 내 공정 가스의 압력은 바람직하게는 800 bar보다 높고, 특히 약 1,000 bar보다 높다.

공정 챔버 내 공정 가스의 온도는 실제로 800℃보다 높게 선택되고, 바람직하게는 1,100℃ 이상으로 선택된다.

준완성품의 제조를 위한 전형적인 공정 시간은 2시간 내지 5시간이고, 바람 직하게는 약 3시간이 되도록 선택된다.

공정 챔버에서의 고온 등압 압축 공정을 수행하는 동안, 공정 가스로서 희가스가 또한 바람직하게 사용되고, 그중에서도 아르곤, 특히 초순수 아르곤이 사용되므로, 후속하여 HIP 공정중에 질소를 준완성품 내로 전달되는 것을 방지할 수 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에 의하면, 특히 엔진용 컴포넌트, 그중에서도 연료의 분사용 노즐 헤드나 프리챔버로서, 대형 디젤 엔진에서의 높은 부하 집단에 대응할 수 있고, 특히 높은 연성을 가지며, 그에 따라 증가된 노치 바 충격값을 가지는 동시에 고온 부식 및 핫 부식에 관해 우수한 화학적 특성을 나타내는 컴포넌트를 제조할 수 있다.

도 1에서, 물질의 질소 함량에 대한 노치 바 충격값의 의존성은, 본 발명에 따라 CrNi 재료로부터 제조된 준완성품에 있어서의 예로서 제시되어 있다. 도표에서의 원은 가로 좌표 상에 주어진 각각의 질소 함량을 가진 여러 가지 샘플에 대한 노치 바 충격값의 측정치에 대응한다. 그와 관련된 노치 바 충격값은 세로 좌표 상에 기록되어 있다. 도표에서 5개의 원에 대응하는 5개의 샘플은 가로 좌표 상에 재현된 질소 농도의 값으로 인해 본질적으로 상이하다. 그 외에는, 샘플들은 50 중량%를 넘는 크롬 함량으로 거의 동일하였다.

종래 기술로부터 질소 함량의 함수로서 알려져 있는 0.1 중량%의 질소보다 높은 노치 바 충격값의 거동에 따르면, 직선(G)에 대응하는 질소 함량에 대한 노치 바 충격값의 의존성은 질소 함량 0.1 중량% 미만의 작은 농도에서 예상되었다.

즉, 약 0.1 중량% 질소 미만의 질소 농도에서, 노치 바 충격값은 단지 미약하게 증가하는 것, 즉 연성이 단지 미약하게 향상되는 것으로 예상되었다.

따라서, 이제까지 물질 내의 질소 함량을 더욱 낮추는 것은 관련된 향상을 가져오지 않을 것으로 확신하였다. 사실과는 별도로 노치 바 충격값과 질소 농도 사이의 관계는 실제로 알려져 있지 않았다.

상기 도면에 따른 도표의 좌측에 있는 3개의 점은 질소 함량이 0.1 중량% 미만인 본 발명에 따른 샘플을 나타내는 것으로, 본 발명에 다른 준완성품은 질소 함량이 0.1 중량%를 넘는 공지된 물질로 출발하여 예상되었던 것보다 훨씬 큰 노치 바 충격값을 가지는 것을 입증하며, 상기 노치 바 충격값은 질소 농도가 낮아지는 방향으로 대략 곡선 K를 따르고, 이제까지 생각했던 바와 같이 직선 G를 따르지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 샘플에서 질소 비율 약 0.1 중량% 미만에서 노치 바 충격값의 증가는 정말 놀라울 정도로 훨씬 강하며, 도 1의 예에서 질소 농도에 따라 멱수 법칙을 따르고 이제까지 추정했던 바와 같이 평탄한 직선적 경사를 따르지 않는다.

도 2는 대형 디젤 엔진, 그중에서도 길이 방향 배기부를 구비한 2행정 대형 디젤 엔진의 연료 분사 노즐의 단면도를 나타낸다. 연료 분사 노즐(2)은 노즐 본 체(5)에 고정되어 있는, 본 발명에 따른 노즐 헤드(1, 11)의 예를 포함한다. 도시된 바와 같이, 노즐 헤드(1, 11)는 바람직하게는 노즐 본체(5)에 탈착 가능하게 연결되어 있어서, 노즐 헤드(1, 11)는 별도로, 즉 연료 분사 노즐(2) 전체를 교환할 필요 없이 교환할 수 있다.

노즐 헤드(1, 11)는 길이 방향 구멍(3)과 아울러 복수 개, 예를 들면 5개의 노즐 홀(4)을 가지고, 그중 2개만이 도 1에 도시되어 있다. 노즐 홀(4) 각각은 길이 방향 구멍으로부터 출발하여 약간 아래쪽으로 경사를 이루고 반경 방향으로 연장된다. 조작시, 통상 중유 또는 다른 디젤 연료인 연료는 길이 방향 구멍 및 노즐 홀(4)을 통해 도시되지 않은 연소 공간 속으로 이미 알려져 있는 방식으로, 대형 디젤 엔진의 작업 사이클에 맞추어 고압 하에 간헐적으로 분사된다.

이 실시예에서, 노즐 헤드(1, 11)는 반응성 원소를 포함하는 크롬계 합금인 물질을 포함하고, 상기 물질 중 크롬의 함량은 50 중량%보다 많고 질소의 함량은 약 0.02 중량%이다. 반응성 원소로서는 희토류 금속 또는 그와 유사한 금속의 군으로부터 선택되는 원소가 적합하다. 특히 적합한 원소는 란탄(La), 세륨(Ce), 이트륨(Y), 하프늄(Hf), 및 스칸듐(Sc)이다. 상기 물질은, 무엇보다도 보다 양호한 가공성을 보장하기 위해 중량에 대해 20% 내지 50%의 높은 비율의 니켈을 가지는 것이 바람직하다.

본 실시예에서, 합금의 니켈 함량은 45 중량%보다 많고, 란탄은 반응성 원소로서 0.1 중량% 미만의 비율로 함유되어 있다. 통상적인 오염물을 제외하고, 그 나머지는 크롬이다.

자연히 상기 물질은 하나 이상의 반응성 원소를 포함할 수도 있다. 각각의 반응성 원소는 총 중량에 대해 최대 1 중량%의 양, 그중에서도 최대 0.2 중량%의 양으로 함유되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 준완성품 또는 노즐 헤드(1, 11)는 고온 등압 압축 공정(HIP; hot isostatic pressing)에 의해 제조되는 것이 바람직하다.

상기 제조에 있어서, 출발 물질, 다시 말하면 여기서는 반응성 원소로서의 크롬, 니켈 및 란탄은 상기 물질 중의 질소 함량을 감소시키기 위해 초순수 아르곤에 의해 분말로 분무된다. 상기 분말의 그레인 크기는 이 실시예에서 대부분 45㎛과 150㎛ 사이이다. 상기 금속 분말로부터, 고온 등압 압축에 의해 블랭크(blank) 제품 또는 준완성품, 예를 들면 바(bar)가 제조된다. 노즐 헤드(1, 11)는 기계적 처리 방법, 통상적으로는 칩-생성(chip-producing) 처리 방법에 의해 상기 블랭크로부터 만들어진다. 길이 방향 구멍(3) 및 노즐 홀(4)이 천공된다. 이어서, 길이 방향 구멍(3)과 노즐 홀(4) 사이의 전환 영역(에지)은 바람직하게 라운딩 처리된다. 이들 에지는 전기-화학적으로 라운딩 처리(경질 금속의 전해방식 연마)되는 것이 바람직하다.

고온 등압 압축을 위한 공정 파라미터는 각각의 응용에 대해 최적화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 물질 또는 이로부터 제조되는 노즐 헤드(1, 11)는 핫 부식 및 그와 관련된 물질 손실에 대해 우수한 내구성을 가지며, 낮은 질소 함량으로 인해 높은 노치 바 충격값 및 그와 관련하여 물질의 명백히 증가된 연성이 얻어진다.

따라서, 이제까지 얻을 수 없었던 엄청난 작업 수명이 얻어지고, 이것은 자연히 경제적 관점에서 볼 때 커다란 이점이다.

따라서 본 발명에 따른 노즐 헤드는, 한편으로는 훨씬 더 강력하고 노즐 헤드의 부하에 대한 훨씬 더 높은 요구에 부응하는, 대형 디젤 엔진의 미래 세대에 특히 적합하다. 다른 한편으로, 이미 가동중에 있는 엔진들도 본 발명의 물질 또는 준완성품으로부터 제조되는 컴포넌트로 개장(retrofit)될 수 있다.

도 1은 노치 바 충격값에 대한 질소 함량의 영향을 나타내는 도표이다.

도 2는 본 발명에 따른 노즐 헤드의 실시예에 의한 연료 분사 노즐의 단면을 나타내는 도면이다.

Claims

연소 엔진의 컴포넌트(component)(1)를 형성하기 위한 출발 물질로서 준완성품(semi-finished product)의 제조에 사용되는 CrNi계 합금재에 있어서,

상기 합금재는, 분무 가스로서 희가스(noble gas)가 사용된 가스 분무화(gas atomised) 금속성 분말로서, 하기 화학 조성을 가지고:

[Cr_xNi_yA_z]N_k, 여기서 x+y+z+k = 100%,

성분 A_z는 {La, Ce, Y, Hf, Sc, Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, Mn, O, 및 희토류}로 이루어지는 화학적 원소의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이되, 상기 합금재 중 산소 함량은 중량%로 0.01%≤O≤0.5%이고, Cr-함량은 중량%로 50%＜x＜100%이고, Ni-함량은 중량%로 y＞0%이고, 성분 A_z의 함량은 중량%로 0%≤z＜50%이며, 질소 함량은 중량%로 0.01%≤k≤0.1%인 것을 특징으로 하는 합금재.
제1항에 있어서,

질소 함량이 중량%로 0.01≤k≤0.05%인 것을 특징으로 하는 합금재.
제1항 또는 제2항에 있어서,

크롬 함량이 52 중량%≤x＜100 중량%인 것을 특징으로 하는 합금재.
제1항 또는 제2항에 있어서,

니켈 함량이 20 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 합금재.
제1항 또는 제2항에 있어서,

원소 La, Ce, Y, Hf, Sc 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 반응성 원소를 함유하고, 각각의 반응성 원소의 함량은 5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 합금재.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 합금재는 원소 Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe 및 Mn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 함유하고, Si의 함량은 1 중량% 이하이고, C의 함량은 1 중량% 이하이며, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe 및 Mn의 함량은 각각 1 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 합금재.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 가스 분무화(gas atomised) 금속성 분말은 10㎛ 내지 200㎛의 그레인 크기(grain size)를 가지는 것을 특징으로 하는 합금재.
제1항 또는 제2항에 따른 합금재로 만들어지는 준완성품으로서,

상기 준완성품은 고온 등압 압축 공정(hot isostatic pressing process)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 준완성품.
제8항에 따른 준완성품으로부터 제조된, 연소 엔진용 컴포넌트.
제9항에 있어서,

상기 컴포넌트(1)가 연료 분무기(atomiser)(11)인 것을 특징으로 하는 연소 엔진용 컴포넌트.
제8항에 따른 준완성품으로부터 제조된 노즐 헤드로서,

길이 방향 구멍(bore)(3), 및

연소 공간 내로 연료를 도입하기 위해 상기 길이 방향 구멍(3)으로부터 연장되어 있는 하나 이상의 노즐 홀(4)을 포함하고,

상기 길이 방향 구멍(3)으로부터 상기 노즐 홀(4)까지의 통로는 라운딩(rounding) 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 노즐 헤드.
제1항 또는 제2항에 따른 합금재를 제조하는 방법으로서,

상기 합금재는 가스 분무법에 따라 제조되고, 분무 가스로서 희가스(noble gas)가 사용되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 따른 합금재로부터 준완성품을 제조하는 방법으로서,

상기 준완성품은 공정 챔버에서 고온 등압 압축 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 준완성품의 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 공정 챔버 내 공정 가스의 공정 압력이 800 bar보다 높게 선택되는 것을 특징으로 하는 준완성품의 제조 방법.
제14항에 있어서,

상기 공정 챔버 내 공정 가스의 공정 온도가 800℃보다 높게 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 준완성품의 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 준완성품의 제조를 위한 공정 시간이, 2시간 내지 5시간 범위로 선택되는 것을 특징으로 하는 준완성품의 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 분무 가스로서 사용되는 희가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는 준완성품의 제조 방법.
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