KR20050051634A

KR20050051634A - 디젤 엔진의 연료 밸브용 노즐 제조방법 및 이러한 방법에의해 제조된 노즐

Info

Publication number: KR20050051634A
Application number: KR1020057000911A
Authority: KR
Inventors: 하로 안드레아스 훼그
Original assignee: 엠에이엔 비앤드떠블유 디젤 에이/에스
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-06-01
Also published as: ES2318153T3; NO20052218L; EP1549449B1; ATE416056T1; WO2004030850A1; JP5680859B2; NO337143B1; DE60325077D1; JP2010144251A; RU2313422C2; CN100579690C; RU2005114359A; JP2006502334A; CN1691995A; JP4529159B2; KR101073494B1; EP1549449A1; AU2003269842A1

Abstract

몰드(13)에서, 내부식성 합금(10)은 노즐 보어 주위의 노즐의 외측면을 이루는 적어도 외측 영역에 배치된다. 제 2 합금(11)은 노즐이 다른 영역에 사용된다. 몰드의 재료는 고형화된 재료로 평형 압축되어 처리된다. 두 합금(10, 11) 사이의 경계 영역에는 크랙이 없다.

Description

디젤 엔진의 연료 밸브용 노즐 제조방법 및 이러한 방법에 의해 제조된 노즐 {Method of manufacturing a nozzle for a fuel valve in a diesel engine, and a nozzle}

본 발명은 디젤 엔진, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 연료 밸브용 노즐의 제조방법에 관한 것으로서, 내부식성 합금으로 된 제 1 재료가 노즐 보어 주위의 노즐의 외측면을 형성하는 외측영역의 몰드에 배치된다.

노즐 전체를 이루는 제 1 재료를 충진한 후에 몰드가 HIP 처리되어 노즐에서 노즐의 강도와 내부식성에 있어서 상당히 우수한 성능을 나타내는 이러한 방법은 WO95/24865에 이미 설명된 방법이다. 또한, 노즐 보어 주위의 형상이 정밀하게 가공된다면, 연료를 양호하게 분무시킬 수 있게 된다. 이러한 HIP처리(Hot Isostatic Pressing)에서, 미세하게 분말화된 파우더는 고온 고압에서 전체 노즐 블랭크로 고형화(consolidation)되며, 제조된 상기 노즐 블랭크는 평형을 이루면서 아주 미세하게 분말화된 합금 구조를 유지하게 된다.

EP 0 982 493 A1은 주 밸브 시트 지나서 밸브 하우징 위로 그리고 슬라이더 가이드를 지나서 위로 연장된 노즐을 구비한 연료 밸브를 설명한다. 연료 밸브의 이러한 부품들은 밸브 시트 등에 필수 불가결한 경도를 제공하는 강으로 형성된다. 상기 노즐의 최하측에는 레이저 용접, 플라즈마 용접 또는 열 파우더 스프레이에 의해 내부식성 코팅이 형성되어, 용융된 재료의 전체 또는 일부는 강(steel)과 결합하게 된다. 결합 영역의 재료는 작업이 끝난 후 또는 경도와 관련하여 내부식성 합금이 떨어져 나가게 하는 성질을 가진다. 이러한 과정에서, 노즐은 내부식성 합금의 접착력을 저하시키는 위험을 발생시키는 강한 주기적 열 부하(thermal load)에 노출된다.

도 1은 연료 밸브의 하단부에 장착된 노즐을 통하여 바라본 길이 방향의 단면도이다.

도 2 내지 도 7은 노즐을 HIP 처리하는데 사용되는 다양한 파우더로 충진된 몰드의 단면도이다.

본 발명의 목적은 수명이 긴 노즐을 제조하는 것이다.

이와 관련하여, 본 발명에 따른 먼저 언급한 노즐 제조방법은, 제 2 합금의 제 2 재료가 몰드의 내측 영역에 배치되고, 배치된 상기 재료는 제 1 합금과 제 2 합금 사이의 경계 영역의 미세한 크랙이 없는 노즐 블랭크에 의해 처리되는 것을 특징으로 한다.

상기 노즐에 제 2 합금을 사용함으로써, 노즐의 구조에 변화가 발생하고, 재료나 구조의 변화는 수명에 부정적인 영향을 미침에도 불구하고, 노즐의 수명은 향상된다. 두 합금 사이의 경계 영역에는 미세한 크랙이 없기 때문에 노즐의 수명이 향상된다. 균일하게 압축함으로써 서로 다른 재료가 고형화(단일화)되는 것은 고체 재료상에 용융된 재료를 가하는 것으로 알려진 적절한 종류의 경계 영역 없이도 확산-조절된 고형물을 형성한다. EP 0 982 493 A1으로 알려진 종류의 노즐이 사용전에 보다 균일한 경도로 열처리된다고 하더라도, 미세한 크랙은 적용 직후에 얇으면서도 매우 강한 용융-기반 혼합 영역과 강의 열-영향 영역에서 발생한다. 본 발명에 따른 확산-조절된 고형화 작업은 열-영향 영역을 유지한 상태로 어떠한 용융-기반 혼합 영역도 형성하지 않는다. 두 개의 서로 다른 재료 사이의 전이부에 미세한 크랙이 발생하는 것을 방지하면, 노즐에 피로 파괴가 발생할 근본 원인을 제거할 수 있게 되어, 노즐의 수명을 상당히 향상시킬 수 있게 된다. 확산-조절된 고형화 작업으로 인하여, 두 개의 서로 다른 재료 사이의 결합 오류가 발생하는 위험이 감소된다.

수명을 보다 더 향상시키기 위해, 제 2 합금의 제 2 재료는 마무리된 노즐의 내부식성 제 1 합금보다 우수한 피로 강도를 가진다. 노즐에 가해지는 일반적인 열적 부하에 추가하여, 디젤 엔진의 연료 분사를 보다 정밀하게 제어하고 이로 인하여 연료 연소를 향상시키며 오염 물질의 발생을 감소시키기 위하여, 피로 하중의 상당한 증가 현상은, 가해진 것 보다 높은 분사 압력과 빠른 압력 진동의 사용이 연속적으로 발생할 것으로 예상이 되기 때문에, 피로 강도는 노즐의 수명에 있어서 중요한 요소이다.

적어도 내부식성 합금이 0.6% 이상의 Al을 포함할 때, 산소-제한 확산 장벽이 균일 압축을 행하기 전에 제 1 재료와 제 2 재료 사이에 사용되는 것이 바람직하다. 산소-제한 확산 장벽은 제 2 합금으로부터 제 1 합금으로 배출된 확산 산소와 상호 작용하며, 합금 성분 또는 바람직하지 않은 Al과 반응한다. 예를 들어, 산소는 제 2 합금에서 용해된 상태로 존재하며, 재료를 가열하는 동안 제 2 합금에서 산화물을 용해하는 시점에서 배출된다. 수 ppm 의 작은 산소량으로 인하여 알루미늄 산화물을 침전을 일으키거나 노즐의 전체 피로강도를 저하시키는 두 합금 사이의 경계 영역에서 다른 바람직하지 않은 침전을 일으킨다.

확산 장벽은 산소의 유해한 확산을 방지하여, 노즐은 높은 피로 강도를 유지하게 된다. 확산 장벽은 합금이 정확히 0.6% 또는 그 이하의 Al을 포함하는 경우에 이용될 수도 있다. 예를 들어, 장벽의 긍정적인 효과는 0.1 내지 0.5%의 Al을 함유하는 알루미늄 합금에서 얻어질 수 있다. 합금이 금속간 화합물의 침전, 탄화물, 산화물 또는 알루미늄 산화물과 같은 바람직하지 않은 침전물을 일으키는 야금 과정의 위험에 노출된다면, 상기 장벽이 사용될 수 있다. 상기 확산 장벽은 하나의 재료에서 다른 재료로의 산소와는 다른 합금 성분을 운반하는 데 있어서 제한적인 효과를 나타낸다. 특히, 탄소와 보론(boron)과 같은 작은 성분은 그 자유 형태로서 함량이 높은 성분의 합금으로부터 상기 함량이 낮은 성분의 합금으로 확산된다. 확산 장벽을 사용함으로써, 다른 합금의 성분과는 무관한 합금 성분을 선택할 수 있게 된다. 예를 들어 높은 경도의 노즐에 있어서 제 2 재료의 탄소 성분을 제한함으로써, 제 2 재료는 노즐 보어와 같은 복잡한 형상의 노즐의 영역의 크랙을 경화하는 경향을 감소시키는 장점을 나타내게 된다.

예를 들어, 니켈과 구리는 노즐 재료로 사용되기에 적합한 내부식성 합금과 관련한 소밀하고 안정적인 코팅을 형성하는데 적합하므로, 이러한 확산 장벽은 니켈, 구리, 또는 니켈 합금으로 형성된다. 선택적으로 코발트 코팅이나, 코발트 합금 또는 크롬 코팅이 고려될 수 있다.

노즐 제조 공정은 제 1 재료의 사전 조립된 부재의 내측면상에 또는 제 2 재료의 예비 조립된 외측면상에 확산 장벽을 배치함으로써 단순화될 수 있다. 사전 조립된 부재는 모든 재료가 몰드에 배치되고 균일 압축 과정이 수행되며 상기 재료가 고형화될 때까지 확산 장벽의 운반자로서 작용한다. 동시에, 사전 조립된 부재로 인하여, 상기 부재는 몰드의 부재 내부로 또는 그 주위에 충진되는 미립자의 재료를 지지하는 홀더로서 사용되거나 다른 예비조립된 부재와 함께 적층되기 때문에 압축되기 전에 몰드는 신속하고 용이하게 충진된다.

후자의 경우, 예비 조립된 부재는 제 1 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 제 2 합금의 미립 출발 재료(particulate starting material)로 충진된다. 제조 단계에서, 이러한 사항은 몰드가 신속하게 충진될 수 있는 장점을 제공한다. 동시에, 제 2 재료는 파우더 야금에 의해 제조되어, 특히 바람직한 피로도를 나타내는 균일 구조를 얻을 수 있게 된다.

제 1 합금의 사전 조립된 부재가 사용되면, 그것은 균일 상태로 압축되어 사용되는 몰드의 일부를 형성하는 사발(bowl) 형상이나 관형상의 벽 내부로 파우더 야금에 의해 주조되거나 제조되는 것이 바람직하다. 몰드와 같은 사전 조립된 구성요소를 사용하면, 사전 조립된 구성요소는 마무리된 블랭크의 일부가 되므로, 제조된 블랭크로부터 몰드를 제거하는 후속 공정을 제거하거나 단순화할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 제조방법의 다른 실시예에서, 제 2 재료의 예비 성형된 코어 부재는 균일 압축이 행해지기 전에 제 1 합금의 파우더가 배열되는 몰드 내부에 배치된다. 제 2 재료의 적어도 일부분은 미리 성형되기 때문에, 상기 코어 부재는 제 1 합금의 파우더를 배치하는 것을 제어하는데 사용된다. 상기 파우더는 제 1 합금 및 제 2 합금으로부터 파우더를 혼합하는 위험 없이 상기 코어 부재에 바로 인접하게 배치된다. 예비 성형된 코어 부재는 정확하게 원하는 위치에 미립의 재료를 배치할 수 있게 한다.

제 1 재료의 예비 성형된 부재 및/또는 제 2 재료의 예비 성형된 부재는, 예를 들어, 가공 또는 분출 과정에 뒤따르는 CIP 처리나 HIP처리 공정에 의해, 또는 부재가 바람직한 평형 구조를 가지도록 후속의 가압 공정과 함께 신터링(sintering)함으로써 미립의 재료로부터 제조될 수 있다. 균일 압축에 의해 그 성질이 향상된 다수의 주철이나 연철재료를 사용하는 것도 가능하다.

균일하게 압축하는 것이 적절한 HIP 처리공정인데, 그 결과, 입자가 성장하지 않게 하면서 확산에 의해 재료를 고형화하여, 하나 이상의 재료가 용융되지 않고 응집된 재료로 고형화된 미세하게 분말화된 재료로 이루어진다는 사실로부터 미세하게 분말화된 구조를 유지할 수 있게 된다. 이러한 평형 압축 과정은 HIP 처리시보다 상당히 낮은 온도에서 압축이 일어나는 CIP 처리과정일 수도 있다.

다른 특징으로서, 본 발명은 디젤 엔진, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 연료 밸브용 노즐에 관한 것으로, 본 발명은 노즐의 외측면 상에 개방된 다수의 노즐 보어와 연통하는 중앙의 길이방향 채널을 구비하며, 상기 노즐은 노즐 보어 주위의 외측 영역에서 적어도 내부식성 제 1 합금으로 이루어지며, 그 외측 영역과 다른 영역에서는 제 2 합금으로 이루어진다.

노즐의 길이가 향상됨으로써, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전술한 방법에 대한 설명과 관련하여 이미 언급한 바와 같이, 상기 노즐은 제 1 합금과 제 2 합금 사이의 경계 영역의 재료에 미세한 크랙이 없는 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 노즐에 의해 달성되는 효과와 장점에 있어서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 방법에 관한 설명을 참조하기 바란다.

바람직한 실시예로서, 제 2 합금은 전술한 수명 이상의 수명을 달성할 수 있는, 내부식성 제 1 합금 보다 큰 피로 강도를 가진다.

일실시예에서, 산소-제한 확산 장벽은 제 1 합금과 제 2 합금 사이의 노즐에 설치된다. 확산 장벽으로 인하여, 원하는 특징에 기초한 내부식성 제 1 합금을 분석하는 것과 이러한 합금이 제 2 합금의 성분과 부정적으로 반응하는지 여부를 고려하지 않고도 이러한 합금의 제조 조건을 결정하는 것이 가능하게 된다. 유사하게, 제 2 합금을 분석하는 것은 제 1 합금의 성분을 고려하지 않고도 결정될 수 있게 된다.

제 2 합금은 파우더 야금으로 이루어지는데, 이로 인하여 원하는 부재를 용융함으로써 단독으로 제조된 재료와 비교하여 성능이 향상된다.

바람직한 실시예에서, 제 1 합금은 니켈계 합금(nickel based alloy)이며, 제 2 합금은 철계 합금(iron-based alloy)이다. 다수의 노즐 보어는 작은 공간에 위치되며 서로 다른 각도로 길이 방향의 중앙 채널에 의해 분할되어 있기 때문에, 노즐 내부에 사용되는 철계 합금은 복잡한 형상을 구비한 노즐의 영역에 높은 강도를 제공한다.

니켈계 합금은 탄소 형성물에 민감하며, 이에 따라 예를 들어 중량 기준으로 0.6% 이하의 제한된 탄소 성분을 가질 뿐이다. 높은 피로 강도를 가진 일반적인 철계합금은 중량 기준으로 수 퍼센트 까지의 높은 탄소 성분을 가진다. 필요하다면, 철계 합금은 니켈계 합금보다 노즐의 작동 온도에서 탄소를 덜 가지도록 선택된다. 철계 합금에서 탄화물로 형성된 합금의 성분은 예를 들어 탄소의 용해 온도가 노즐의 작동온도 이상이며 HIP 처리에 의해 노즐이 제조될 때 HIP 온도 이상이 되도록 선택된다. 용해된 탄화물에 의해 자유 탄소가 방출되는 것이 방지된다. 또한, 강탄화물 형성체가 합금 성분으로서 선택되어, 임의의 자유 탄소를 잡아서 고정시키는 것을 도와주게 된다.

상기 노즐은 연료 밸브의 주 밸브 시트를 탑재한 연속적인 스핀들 가이드의 연료 밸브에 위치된 분리 유니트로서 적절하게 지정된다. 이러한 구조에서, 상기 노즐은 주 밸브 시트에서 발생하는 다소 큰 응력에 의해 영향을 받지 않거나 최소한의 영향을 받는다. 노즐 교체시에, 이러한 교체 작업은 연소실로 돌출된 연료 밸브의 일부를 주로 구성하는 작은 부품에 한정된다.

다른 실시예에서, 제 2 합금은 상기 노즐이 응집된 덩어리의 70% 이상을 이루어, 제 2 합금이 제 1 합금보다 저렴하다면 강도면에서 유리하다는 것에 추가하여 비용면에서도 유리하다.

본 발명은 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 각 실린더에 하나 이상의 연료 밸브를 구비한 4행정 크로스 헤드 엔진, 바람직하게는, 2행정 크로스 헤드 엔진의 연료 밸브의 노즐(도면 부호 1로 표시)을 도시한다. 2행정 크로스헤드 엔진은 황을 함유한 무거운 연료에서 작동되기 때문에 노즐의 길이면에서 엄격한 조건을 요구한다.

상기 노즐은 밸브 하우징(2)의 단부의 중앙 홀을 통하여 돌출되며, 환상면(3)은 파선으로 도시된 실린더 커버 또는 실린더 라이너의 대응 접촉면에 대하여 압축되어, 노즐 보어(4)를 구비한 노즐의 팁은 연소실(A)내부로 돌출될 수 있으며, 연료 밸브가 개방되면 연료를 분사하게 된다. 연료 밸브는, 도시된 밸브 구조와 같이, 슬라이더 가이드(8)의 저단부에 위치된 밸브 시트(7)와 밸브 니들(6)을 구비한 밸브 슬라이더(5)를 구비한다. 상기 밸브 슬라이더는 노즐(1)에서 상향면에 대하여 아래로 압축된다.

노즐은 노즐 보어(4)가 노즐의 외측면에 이어진 노즐 보어로부터 중앙의 길이방향 채널(9)를 구비한다. 노즐은 내부식성의 제 1 재료로 구성된 제1합금(10) 및 제 2 재료로 구성된 제 2 합금(11)으로 이루어진다. 제 1 합금은 노즐 홀 주위의 영역에서 적어도 노즐의 최외곽부를 형성하며, 상향 연장되어 밸브 하우징(2)로부터 돌출된 노즐의 전체 부분 너머로 노즐의 외측면을 형성한다.

내부식성의 제 1 합금의 제 1 재료는 미립의 출발물질로 이루어지거나, 또는 예를 들어 주조의 방법으로 제조된다. 제 1 합금으로 적용가능한 합금은. 예를들면, 일반적인 불순물을 제외하고 중량 % 로 계산하여, 15 내지 30%의 Cr, 0.02 내지 0.55%의 C를 포함하며, 그리고 선택적으로 0 내지 15%의 W, 0 내지 8%의 Al, 0 내지 5%의 Ti, 0 내지 20%의 Co, 0 내지 2%의 Hf, 0 내지 5%의 Nb 및/또는 Ta, 0 내지 35%의 Mo, 0 내지 10%의 Si, 0 내지 1.5%의 Y, 0 내지 20%의 Fe 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함하는 니켈계 합금이다. 이러한 합금은 불가피한 불순물을 함유하며, 그 나머지는 니켈이다. 이러한 합금의 일반적인 예는 23%의 Cr, 7%의 W, 5.6%의 Al, 1%의 Si, 0.5%의 C, 0.4%의 Y의 구성을 가진다. 이와 같이 HIP처리된 합금은 약 ± 450 MPa의 피로 강도(σ_A)를 가진다.

니켈계 합금은, 중량 %로 계산하고 일반적인 불순물을 제외하면, 35 내지 60%의 Cr, 0.02 내지 0.55%의 C를 포함하며, 선택적으로 0에서 1.0% 이하의 Si, 0 내지 5.0%의 Mn, 0 내지 5.0%의 Mo 및/또는 W, 0에서 0.5% 이하의 B, 0 내지 8.0%의 Al, 0 내지 1.5%의 Ti, 0 내지 0.2%의 Zr, 0 내지 3.0%의 Nb, 0 내지 최대 2%의 Hf, 0 내지 1%의 N, 0 내지 최대 1.5%의 Y, 최대 5.0% 의 Co와 Fe의 집합 성분 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 이러한 합금은 불가피하게 불순물을 함유하며, 그 나머지는 Ni 이다. 이러한 소재는 높은 피로 강도와 연료로부터의 고온 부식이나 침식 모두에 상당히 높은 저항성을 가진다.

내부식성의 제 1 합금 소재로서 사용되는 합금의 예는 아래 표 1과 같다.

표 1

합금	불순물이 발생하지 않는 대략적 성분(중량 %)	열팽창 계수(10^-6/℃)
인코넬 625 (Inconel 625)	0.1% C, 22%Cr, 9%Mo, 3.5%Nb, 0.4%Al, 0.4%Ti, 나머지 Ni	13.9
인코넬 617 (Inconel 617)	0.07%C, 22%Cr, 12.5%Co, 9%Mo, 1.2%Al, 0.6%Ti, 나머지 Ni	13.8
인코넬 725 (Inconel 725)	0.03%C, 21%Cr, 8%Mo, 3.5%Nb, 1.4%Ti, 9%Fe, 나머지 Ni	14.1
인코넬 657 (Inconel 657)	0.1%C, 50%Cr, 1.5%Nb, 나머지 Ni	13.4
호스텔리 B2 (Hosterly B2)	0.01%C, 28%Mo, 1%Cr, 2%Fe, 1%Co, 나머지 Ni	11.6
하스텔로이 G30 (Hastelloy G30)	0.03%C, 30%Cr, 15%Fe, 5%Co, 5.5%Mo, 1.5%Nb, 2%Cu, 2.5%W, 나머지 Ni	15.2

열팽창계수는 섭씨 20도 내지 500도로 가열할 때의 평균 선형 열팽창계수로서 언급되는데, 환언하면, 섭씨 500도에 관련된다. 제 1 합금은 제 2 합금으로서 거의 동일한 열팽창계수를 가지는 것이 바람직하다. 선택적으로, 제 1 합금은 제 2 합금보다 높은 열팽창계수를 가져서, HIP 온도로부터 20도까지 냉각하는 경우와 관련하여 노즐의 중앙부에는 압축 응력이 발생한다.

셀시트 50-P(Celsit 50-P)와 같은 코발트계 합금이 사용될 수도 있는데, HIP 처리 조건에서, 이러한 합금은 ±150MPa 근방의 피로 강도(σ_A)를 가지는데 이런 이유로 이러한 합금은 선호되지 않는다.

제 2 합금용 합금 재료로서, 0.4%의 C, 1.0%의 Si, 0.4%의 Mn, 5.2%의 Cr, 1%의 V, 1.3%의 Mo, 나머지 성분으로 Fe를 포함하는 AISI H13 공구강, 또는 0.45%의 C, 0.4%의 Si, 0.4%의 Mn, 4.5%의 Co, 4.5%의 Cr, 0.5%의 Mo, 2%의 V, 4.5%의 W, 나머지 성분으로 Fe를 포함하는 AISI H19 공구강, 또는 0.5%의 C, 4.5%의 Cr, 1%의 V, 2.75%의 Mo, 2%의 W, 0.4%의 Si, 0.5%의 Mn, 나머지 성분으로 Fe를 포함하는 미국 스루셔블 리서치사의 공구강 CPM1V와, 0.8%의 C, 7.5%의 Cr, 2.5%의 V, 1.3%의 Mo, 0.9%의 Si, 0.4%의 Mn, 나머지 성분으로 Fe를 포함하는 공구강 CPM3V 이 선호된다.

공구강은 매우 정밀한 구조를 가진 정밀하게 분말화된 등방성의 파우더인 파우더 야금에 의해 제조되어, 추가된 합금 성분의 높은 비율에도 불구하고 탄화물 네트워크를 형성하는 것은 회피된다. 냉간 온도에서 가압-원자화 용융된 합금에 의해, 탄화물은 극히 작게 되며 균일하게 소산된다.

제 1 합금용 합금 소재의 예가 아래 표 2에 표시되며, 표 2에서 열팽창계수는 표 1과 동일한 방식으로 언급된다.

표 2

합금	불순물이 발생하지 않는 대략적 성분(중량 %)	열팽창 계수(10^-6/℃)
AISI H11	0.4%C, 5%Cr, 1.3%Mo, 0.5%V, 나머지 Fe	13.1
AISI H21	0.3%C, 3.5%Cr, 9.5%W, 0.5%V, 나머지 Fe	12.8
AISI A8	0.5%C, 5%Cr, 1.4%Mo, 1.2%W, 나머지 Fe	12.1
AISI M2	0.9%C, 4.3%Cr, 5%Mo, 6%W, 2%V, 나머지 Fe	12.3
AISI O1	0.9%C, 0.5%Cr, 0.5%W, 나머지 Fe	13.3

특정의 공구강에 있어서, 피로강도는 노즐 블랭크에 주어지는 열처리에 의해 조절된다. 노즐 블랭크를 평형하게 가압한 후에, 노즐 블랭크의 외부 형상과 내부 형상이 마무리된다. 이러한 방법은 길이 방향의 중앙 채널과 노즐 보어가 블랭크로 가공되는 것을 의미하며, 블랭크의 외측면은 터닝 가공되거나 그 최종 형상으로 그라운딩될 수 있다.

형상 가공이 마무리될 때, 노즐 블랭크는 적절한 경도로 제 2 합금이 경화되는 열처리를 겪게 된다. 예를 들어, 이러한 경화처리는 10 내지 40분의 침지 시간동안 섭씨 1000도 내지 1100도의 온도 범위에서 수행된다. 그러면, 최종적인 열처리는 하나 또는 그 이상의 템퍼링 처리의 형태로 수행되며, 이러한 템퍼링 가공은 마무리된 노즐의 피로강도를 결정한다는 점에서 중요하다. 예를 들어, 템퍼링 가공은 섭씨 450도 내지 600도의 온도 범위에서 2시간동안 침지되어 수행된다. 2시간의 2회 또는 3회 간격으로 이중 또는 삼중으로 템퍼링 가공하는 것이 바람직하다. 전술한 공구강은 마무리된 노즐에서 ±500-900MPa 근방의 피로 강도(σ_A)를 가진다. 피로 강도(σ_A)는 최소 ±750 MPa 이다. 동시에 상기 공구강은 높은 내마모성과 경도를 가지는 것이 바람직하다.

제 1 합금 및 제 2 합금에 있어서, 파우더는 0 내지 1000 마이크로미터의 범위의 크기를 가지는 것이 바람직하다.

상기 노즐 블랭크가 어떻게 균일하게 압축되어 처리되는지가 아래에 예시된다.

도 2는 몰드(13)에 삽입된 예비형상의 코어 부재(12)를 도시하는데, 상기 부재는 저부 패널(14), 측벽(15), 커버(16), 충진 노즐(17)로 구성된다. 상기 코어 부재는 제 2 합금으로 이루어지며, 우선 서로 신터링된 후 소위 그린 블랭크로 냉간 압축되어 형성된다. 상기 코어 부재는 고속 파우더 압축 또는 CIP 또는 HIP 처리에 의해 이루어진다. 상기 코어 부재는 일반적인 공구강을 위한 방법에 의해 형성되며, ESR(Electro Slag Refined) 리캐스팅일 수도 있다. 상기 코어 부재는 몰드(13)내부로 위로 돌출하는 본체부보다 약간 큰 직경을 가지는 헤드부(18)를 가진다. 상기 본체부는 마무리된 노즐의 중앙 채널(9) 주위의 영역 너머로 연장된다. 상기 본체부는 상기 노즐 보어로부터 일정 거리까지 연장되거나, 도 1에 도시된 바와 같이, 노즐 내부로 연장되어 중앙 채널 전체를 감싸게 된다. 후자의 경우, 상기 노즐 보어는 중앙 채널 주위의 영역의 제 2 합금을 통하여 그리고 노즐의 최외곽의 제 1 합금을 통하여 통과한다.

측벽(15)은 헤드부(18) 주위의 아래에서 결합되며 그 위로 갈수록 작은 직경을 가져서 좁아진다. 본체부에서, 측벽은 내부식성의 제 1 합금의 바람직한 두께에 상응하는 거리에 놓인다. 원형의 저부 패널(14)은 측벽(15)의 저부 림으로 전체 원주를 따라 용접된다. 유사하게, 상기 커버(16)는 측벽의 상부 림에 용접되며, 충진 노즐은 상기 커버의 상부면에 용접된다.

제 1 합금(10)의 정밀하게 분말화된 파우더는 상기 코어 부재(12) 주위의 캐비티 내부로 충진 노즐(17)을 통하여 충진되며, 파우더가 구비된 몰드는 진동되어, 필요하다면, 상기 몰드는 비워지게 되어 충진 노즐에서 압축되는 방식으로 폐쇄된다.

그 다음에, 몰드가 노(furnace)에 놓이게 되고, 노의 챔버는 아르곤과 같은 불활성 가스로 약 200바아의 압력까지 펌핑되어 섭씨 1000도 내지 1300도, 특히 1500도의 온도 범위로 가열된다. 동시에, 이러한 가열 과정에 의해, 노의 챔버 내부의 압력은 약 900 바 내지 1100 바까지 상승한다. 이러한 온도와 압력은 4 내지 8시간 동안 유지되며 그 동안 몰드 내부의 재료는 소밀하게 고형화되어 구멍이 없는 물체가 된다.

냉각후에, 상기 몰드는 HIP처리된 블랭크로부터 제거된다. 예를 들면, 사용되는 몰드는 강이나 유리 소재로 이루어진다. 유리의 경우, 전술한 용접은 유리를 가열하여 용융하는 것이다.

어닐링된 노즐 블랭크는 예를 들어 터어닝이나 보오링 공정에 의해 마무리 가공되며, 이러한 블랭크는 응력이 완화되고, 경화되며 템퍼링된다. 고온에서 HIP 처리되는 결과, 열처리가 HIP 온도보다 낮은 온도에서 수행된다면, 노즐의 열처리는 재료에서 입자가 성장하지 않고도 수행된다. 이러한 특징은 보다 큰 입자로 인해 보다 낮은 피로 응력이 발생하므로 유리한 점이 된다.

본 발명에 따른 노즐의 수명은 두 물질 사이의 전이 영역에 미세한 크랙이 없기 때문에 길어지게 된다. 미세한 크랙은 단일의 수정 입자의 크랙 또는 여러 수정 입자를 통하여 연장되는 크랙이다. 일반적으로, 크랙은 0.05mm 내지 0.5mm의 크기를 가진다. 크랙의 크기가 0.05mm 이하는 무시할 만하다. 미세한 크랙이 노즐에 발생하면, 노즐에는 크랙이 발생하게 된다. 그 이유는 전술한 열 영향 구역 또는 결합 오류에 의해 야기되는 크랙은 몇 개의 입자에만 영향을 주는 것이 아니라 큰 구간에 걸쳐서 영향을 주기 때문이다. 미세한 크랙의 존재는 노즐에서의 두합금 사이의 몇몇 응력 노출 경계영역을 검사함으로써 확인된다. 가장 노출된 영역에 미세한 크랙이 없다면, 노즐 전체에서 경계 영역에 미세한 크랙이 없는 것으로 판단될 수 있다.

편의를 위하여, 다른 실시예에 대한 하기의 설명에서 전술한 바와 동일한 기능을 가지는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 3은 동일한 몰드에서 많은 노즐을 제조하는데 적합한 몰드(13)의 형상을 도시한다. 측벽(15)은 헤드부(18)의 외경에 대응하는 내경의 원통형상이다. 제 1 합금의 두께는 파우더로 파이프를 충진하기 전에 본체부 주위에 원통형 충진 파이프(21)를 배치함으로써 제어된다. 도면에 도시된 것보다 크게 측벽(15)을 형성함으로써, 제 1 코어 부재(12)와 이에 연관된 확산 장벽(24)과 충진 파이프(21)는 커버(16)를 설치하기 전에 측벽 내부에 배치되어, 파우더는 그 상측 에지에 충진 파이프의 내부로 충진된다. 파이프(21)를 구비한 그 다음의 코어 부재, 장벽(24) 파우더는 첫 번째 것의 상부에 배치될 수 있으며, 측벽(15)이 충진될 때까지 몰드 전체는 커버(16)를 설치함으로써 폐쇄된다. 그 다음 HIP 처리가 전술한 바와 같이 행해진다.

확산 장벽(24)은 본체부(19)의 외측면 및 헤드부(19)의 상향면에 배치된다. 상기 장벽은 전해질 증착이나 플레이팅과 같은 다른 표면 처리 방법에 의해 예비 성형된 코어 부재에 코팅된다. 예를 들어, 상기 장벽은 니켈, 구리, 코발트 또는 니켈-인으로 구성된다. 선택적으로, 상기 코팅은 스프레이에 의하거나, 니켈, 코발트 또는 구리와 같은 순수한 금속으로 된 소정의 물질을 본체부(19) 주위에 얇게 호일링(foil)함으로써 이루어진다. 상기 장벽은 5 내지 400 마이크로미터, 바람직하게는 10 내지 100 마이크로미터의 두께 범위를 가진다.

도 4는 측벽(15)이 원통형이며 헤드부(18)의 어깨의 저부 림에 용접된 다른 구조를 도시한다. 이러한 구조로 인하여 몰드는 덜 비싸게 된다. HIP 처리후에 노즐을 정밀하게 가공하는 것과 관련하여, 열-영향 영역을 구비한 용접부가 터어닝에 의해 제거된다. 예비 성형된 코어부재는 예를 들어 선행의 HIP처리 또는 CIP 처리(cold isostatic process)에 의해 이루어지지만 어떠한 용접도 재료에 가해지지 않는다.

도 5는 제 1 합금의 원통형 관형상의 벽(22)이 본체부(19) 주위에 배치된 구조를 도시한다. 파이프의 내경은 본체부의 외경보다 커서, 확산 장벽(24)은 조립시에 손상되지 않는다. 벽(22)은 파우더 야금에 의해 제조되지만, 일반적인 파이프, 특히 이음매 없는 파이프로 제조된다. 제 1 합금의 파우더가 벽 내부에 충진된 후에, 벽(22)이 코어 부재 상에 남아 노즐 블랭크의 일부가 되는 경우를 제외하고는 전술한 바와 같은 HIP 처리가 행해진다.

도 6은 제1 합금의 벽(22)이 사발 형상이고, 확산 장벽(24)이 제공되어 있는 구조를 도시한다. 커버(16)를 장착한 후에, 상기 몰드는 제 2 합금의 파우더로 충진되며, 벽(22)이 노즐 블랭크의 HIP처리된 내부에 남아 있는 경우를 제외하고는 전술한 바와 같은 방식으로 HIP 처리가 수행된다.

벽(22) 형태의 내부식성 제 1 합금과 제 2 합금(11) 및 확산 장벽(23)는 둘중 하나 또는 다른 부재 상에 위치된 장벽으로써 2개의 사전 조립된 부재로 제조되며, 상기 부재들은 도 6에 도시된 바와 같이, 서로를 향해 삽입되며, 커버(16)가 장착되어 상기 몰드는 비워져서 폐쇄되며, 전술한 바와 같이 HIP 처리가 수행된다. 이 경우, 상기 부재들이 이미 전술한 바와 같이 사전 조립되므로 HIP처리는 미립 재료를 실제 고형화하는 단계를 포함하지 않지만, HIP 처리로 인하여 상기 부재는 인터페이스에서 확산 결합에 의해 접착성 블랭크로 고형화된다.

도 7은 제 1 및 제 2 합금 사이의 인터페이스에서 연장된 패널 파티션(23)에 의해 몰드가 내부적으로 분할된 실시예를 도시한다. 상기 패널 파티션(23)은 제 1 합금이나 제 2 합금으로 형성된다. 상기 패널 파티션(23)은 제 3의 물질로 이루어진 산소-제한 확산 장벽일 수도 있다. 패널 파티션은 상대적으로 두껍기 때문에, 제 2 합금으로부터의 성분은 제 1 합금으로 확산될 수 없다.

저부 패널에는 충진 파우더용 충진 노즐(17)이 장착된다. 우선 하나의 파우더가 충진 노즐을 통하여 충진되면, 공기가 배출되어서 노즐은 폐쇄된다. 그러면, 상기 몰드는 상하가 뒤집어져서 제 2 파우더가 제 2 노즐을 통하여 충진되고, 이에 따라 공기가 제 2 챔버로부터 배출된다. 그러면, 전술한 바와 같은 HIP 처리 과정이 수행된다.

상기 노즐은 도 1에 도시된 것 이상의 구조를 구비할 수 있다. 밸브 슬라이더는 연료 채널(9)에서 노즐 보어(4)를 차단하는 제 2 차단 부재를 구비한다. 제 2 차단 부재는 공구강으로 이루어진 길이 방향의 채널의 내측면을 따라 활주하므로 공구강으로 만들어지는 것이 바람직하다. 이러한 것은 두 공구강이 서로 양호하게 작동한다는 사실에 기인한다. 주 밸브를 노즐에 안착시키는 것도 가능하며, 그 결과, 밸브 시트 아래의 연료 채널은 최소 부피가 된다. 또한, 노즐 보어가 노즐의 일측뿐만 아니라 노즐의 양측이나 타측으로도 배향되며, 노즐의 전체 주변부를 따라 소산하게 된다.

제 2 합금의 사전 성형된 코어 부재 및/또는 제 1 합금의 사전 성형된 그릇 이나 파이프 형상의 벽은 주형이나 연철재료와 같은 미립 출발 재료로부터 선행하여 제조된다. HIP처리 과정 동안에 온도를 제어하여 제 2 물질이 경화되고 템퍼링되거나 HIP 처리 과정동안 어닐링되거나 이와 직접 관련되어 후속 열처리 단계를 생략할 수 있다.

다양한 실시예의 상세한 설명이 새로운 실시예와 결합될 수 있다. 다양한 파우더 크기의 제 1 합금 또는 제 2 합금을 혼합하는 것이 가능하며, 복수개의 다른 금속 합금의 파우더가 전술한 바와 같은 형태로 이루어져서 사용된다. 또한, 절연 효과를 얻기 위하여 세라믹 소재의 파우더를 추가로 혼합하는 것이 가능하다. 예를 들어, 세라믹 소재의 파우더는 노즐의 팁으로부터 짧은 거리의 레이어에 배치된다. 세라믹 파우더는 제 1 내부식성 합금의 파우더에 의해 덮이게 된다. 단계적으로 혼합된 다양한 파우더도 사용될 수 있다. HIP 처리 과정 전에 몰드를 충진함에 있어서, 예를 들어 도 2의 본체부(19) 위에 놓인 파우더와 같은 제 1 합금의 파우더에 세라믹 소재의 재료의 스크린을 설치하는 것이 가능하다. 제 1 합금의 파우더는 상기 스크린의 상부에 배치되어, 노즐의 최외곽은 내부식성 재료로 이루어진다.

Claims

내부식성 제 1 합금의 제 1 재료는 노즐 보어 주위의 노즐의 외측면을 이루는 적어도 외측 영역의 몰드에 배치되는 디젤 엔진, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 연료 밸브용 노즐 제조방법에 있어서,

제 2 합금의 제 2 재료는 내측 영역의 몰드에 배치되며, 배치된 상기 재료들은, 제 1 합금과 제 2 합금 사이의 경계 영역에서 미세한 크랙 없이 노즐 블랭크로 고형화되도록 균일하게 압축되어 처리되는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 합금의 제 2 재료는 마무리된 노즐의 내부식성 제 1 합금보다 큰 피로 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

적어도 내부식성 합금이 0.6% 이상의 Al을 함유하면, 산소-제한 확산 장벽은 균일 압축 단계 전에 제 1 합금과 제 2 합금 사이에 사용되는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 확산 장벽은 니켈, 구리, 또는 니켈 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

확산 장벽은 제 1 재료의 사전 조립된 부재의 내측면상에 배치되거나 제 2 재료의 사전 조립된 부재의 외측면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 재료의 사전 조립된 부재는, 바람직하게는 고속 파우더 압축에 의해, 제 2 합금의 미립 시작 재료(particulate starting material)로 충진되는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 6 항에 있어서,

제 1 합금의 사전 조립된 부재는 균일 압축에 사용되는 몰드의 부품을 형성하는 사발 형상 또는 관형상의 벽 내부로 파우더 야금을 주조되거나 제조되는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 2 재료의 사전 성형된 코어 부재는 제 1 합금의 미립 시작 재료가 균일 압축이 행해지기 전에 배치되는 몰드에 놓이는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 재료의 사전 성형된 부재 또는 제 2 재료의 사전 성형 부재는, 예를 들어, 마무리 가공이나 압출 공정이 후속될 수 있는 고속 파우더 압축, CIP 처리, HIP처리에 의해, 또는 후속 압축 공정이 있는 신터링 공정에 의해 미립 시작 재료로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

평형 압축 공정은 HIP 처리 공정인 것을 특징으로 하는 노즐 제조방법.
노즐의 외측면에서 개방되는 다수의 노즐 보어와 연통하는 중앙의 길이방향 채널을 구비하며, 상기 노즐은 노즐 보어 주위의 적어도 외측 영역의 내부식성 제 1 합금으로 이루어지고 상기 외측 영역과 다른 영역의 제 2 합금으로 이루어지는 디젤 엔진, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 연료 밸브용 노즐에 있어서,

제 1 합금과 제 2 합금 사이의 경계 영역의 재료는 미세한 크랙이 없는 구조인 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.
제 11 항에 있어서,

제 2 합금은 내부식성 제 1 합금보다 높은 피로 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

산소 제한 확산 장벽에는 제 1 합금과 제 2 합금 사이에 노즐이 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.
제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 2 합금은 파우더 야금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.
제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 합금은 니켈계 합금이며 제 2 합금은 철계 합금인 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.
제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 노즐은 연료 밸브의 주 밸브 시트를 탑재한 연속적인 스핀들 가이드의 연료 밸브에 배치된 분리 유니트인 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.
제 16 항에 있어서,

제 2 합금은 노즐의 응집 덩어리의 70% 이상을 이루는 것을 특징으로 하는 연료밸브용 노즐.
제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 2 합금의 피로 강도(σ_A)는 적어도 ±750MPa 인 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.
제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 합금으로 덮인 절연 세라믹 재료가 노즐에 제공된 것을 특징으로 하는 연료 밸브용 노즐.