KR20080108013A - 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 - Google Patents
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Abstract
Description
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.The present invention relates to a material based on CrNi alloys used in the production of semifinished products as starting materials for forming components of combustion engines, in particular large diesel engines, semifinished products made of the material according to the invention, and A component for a combustion engine manufactured from a finished product. The present invention also relates to a process for the preparation of the material and to a process for the preparation of the semifinished product by the isostatic pressing method.
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.For example, semifinished products of starting materials for combustion engines, in particular components of diesel engines, can be produced from suitable materials using hot isostatic pressure (HIP). Examples of such diesel engine components include, among others, four-stroke engines, in particular diesel engines, especially prechambers for large diesel engines or fuel atomisers or fuel nozzle heads for all types of two-stroke and four-stroke engines. to be.
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.In this regard, using the HIP process described above, it is possible to produce alloys that cannot be produced by molten metallurgy or other methods, or which must be accompanied by high cost and complexity.
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.For example, in the case of large diesel engines used above all as drive aggregates for power generation in ships or stationary installations, the fuel (which is typically heavy oil or other diesel fuel) is the combustion chamber by means of fuel injection nozzles. Is introduced. Such injection nozzles normally comprise a nozzle head that partially protrudes into the combustion chamber, which is also referred to as a nebulizer. Nozzle heads are wear parts that are subjected to high thermal, mechanical and chemical loads. Depending on the degree of load, the nozzle head may have cracks that may lead to damage or even breakage, such as loss of material, for example as a result of corrosion, erosion and / or wear.
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.The mechanical load is also due to high injection pressures, which can exceed 1,000 bar. Material loss can occur inside the nozzle head through cavitation and / or erosion. The thermal load is due to the high temperature in the combustion chamber and the enormous temperature change between the combustion temperature and the temperature of the newly supplied scavenging air. Inside the nozzle head through which fuel is introduced, intermittent injection also results in a sharp change in temperature. The chemical load on the nozzle head is mainly due to high temperature corrosion, ie hot corrosion. Hot corrosion caused mainly by vanadium, sodium and sulfur contained in the fuel promotes material weakening. Corrosion in particular is the cause of the nozzle head being already unusable after only a few thousand hours of operation and must be replaced.
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.Today, steel or alloys based on nickel or cobalt, for example Stellite 6, are commonly used as materials for nozzle heads in large diesel engines. Acceptable component life associated with erosion, wear and cavitation (particularly in the bore of the nozzle head) can be achieved today using cobalt-based alloy Stellite 6.
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.In this regard, alloys with high chromium and nickel content, for example alloys with a content of about 50% by weight of chromium and nickel, among others, for example Cr / Ni 65/35 produced using one of the HIP processes described above It is evident that alloys with a chromium content of more than 50% by weight, such as alloys, have very good properties with regard to the above-mentioned problems of hot and hot corrosion. Materials having such a high chromium content and good chemical properties with respect to high temperature and hot corrosion are already disclosed and described in EP 1 353 061.
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.At the same time, however, these materials produced by the HIP process tend to have poor toughness properties, such that the materials themselves exhibit very low notch impact values, for example. That is, these known alloys are relatively fragile and lack ductility, which, as is well known, results in low notch impact values.
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.Thus, there is room for improvement over the aforementioned materials, in particular for brittleness or ductility. Especially in engine configurations, especially in the case of the two-stroke large diesel engines, the development of even more powerful engines, mechanical load requirements in the future, especially for high load parts such as nozzle heads or prechambers, may also be expected. This is because it enables the expectation of further increase. This means that more and more new or modified materials will be required, but at the same time it means maintaining the good chemical properties of the known materials described above with regard to hot or hot corrosion.
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.Accordingly, it is an object of the present invention to respond to a high overall load in a large diesel engine, in particular as a nozzle head or prechamber for the injection of one material and components made therefrom, in particular engine components, inter alia, fuels, and particularly high ductility. It is also to provide a component, which has a notch bar impact value which is significantly increased compared to the known material, and at the same time the material exhibits excellent chemical properties with respect to hot and hot corrosion.
이러한 목적을 충족시키는 본 발명의 대상은 각각의 카테고리에서의 독립 청구항의 특징부를 특징으로 한다.The subject matter of the present invention that meets this object is characterized by the features of the independent claims in each category.
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:Thus, as a starting material for forming components of combustion engines, in particular large diesel engines, a material based on CrNi alloys used in the production of semifinished products is provided, which has the following chemical composition:
[CrxNiyAz]Nk, 여기서 x+y+z+k = 100%,[Cr x Ni y A z ] N k , where x + y + z + k = 100%,
성분 Az는 {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 Az의 함량은 중량%로 0%≤z<50%이다. 본 발명에 따르면, 상기 물질의 질소 함량은 중량%로 0.01%≤k≤0.1%이다.Component A z is one selected from the group of chemical elements consisting of {La, Ce, Y, Hf, Sc, Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, Mn, O, and rare earths} The above element. The Cr-content of the material is 50% <x <100% by weight, the Ni-content of the material is y> 0% by weight, and the content of component A z in the material is 0% by weight. ≤ z <50%. According to the invention, the nitrogen content of the material is 0.01% ≦ k ≦ 0.1% by weight.
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.That is, surprisingly, in chromium-nickel alloys with a nitrogen content of less than about 0.1% by weight, the notch bar impact value of a semifinished product made from the material in the isostatic compression process, also known as the HIP method in the material or the subject matter, and thereby Ductility has increased enormously in the lower concentration of nitrogen. Therefore, in some cases, in the case of less than about 0.1% by weight, the experiment showed that the notch bar impact value increased substantially stepwise in the lower direction in the form of a power law as a function of the concentration of nitrogen. Could indicate.
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/㎡.The following notch bar impact values were determined depending on the nitrogen concentration of the NiCr material: 8.84 J /
이와 관련하여, 다른 경우에, 노치 바 충격값은 편향적으로(tendentially) 떨어지는 질소 농도의 함수로서 또 다른 법칙을 따를 수도 있다.In this regard, in other cases, the notch bar impact value may follow another law as a function of the concentration of nitrogen falling definitively.
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. However, it is clear that the notch bar impact value always increases somewhat rapidly or semi-stepwise in the low direction in CrNi alloys having a chromium concentration of at least 50% by weight and a nitrogen concentration of less than about 0.1% by weight.
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.At a nitrogen concentration of about 0.1% by weight, the notch bar impact value only varies slightly with the nitrogen concentration, or in a technically unrelated amount, so that the smallest change in the low concentration range of less than 0.1% by weight of such nitrogen It is even more surprising that we could not think that a technically meaningful change in the notch bar impact could result.
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.Therefore, in the present invention, for example, starting from a material known from EP 1 353 061, the notch bar impact value and thus accordingly, without affecting the good physical-chemical properties with regard to hot and hot corrosion Certain reductions in nitrogen content with respect to ductility can be used to improve these very substantially.
이와 관련하여, 본 발명은 전술한 물질로 유리하게 적용될 수 있을 뿐 아니라, 다른 관련 물질로도 유사하게 양호한 결과를 가져온다.In this regard, the present invention not only can be advantageously applied with the above-mentioned materials, but also similarly with other related materials has good results.
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.In fact, the nitrogen content of the material according to the invention is 0.01% by weight ≤ k ≤ 0.1% by weight, in particular 0.01% by weight ≤ k ≤ 0.05% by weight, the nitrogen content being in particular 0.02% by weight. Which nitrogen content is actually chosen depends in particular on the requirements for notch bar impact values and the ductility of the semifinished product and the components to be produced therefrom.
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.When the notch bar impact value or the requirement for ductility of the component to be manufactured is not too high, it will be understood that for economic reasons alone a not too low nitrogen concentration of less than 0.1% by weight is chosen, because the material with an extremely small concentration of nitrogen This is because the production of the correspondingly expensive.
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.Particularly advantageously, depending on the component or application to be produced, the chromium content of the material is 52% by weight x 100% by weight, in particular 52% by weight x 70% by weight, in particular about 65% by weight, Preferably 52 wt% <x <60 wt%, inter alia 54 wt% <x <58 wt%, and the nickel content is at least 20 wt%.
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.The respective proportions of Cr and Ni, which are the base materials, are related to this, in this particular case, among other things, the requirements for hot corrosion and temperature loading, as well as the chemicals that the components to be manufactured from these materials will be exposed to in operation. This depends on physical problems and other environmental factors.
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.In addition to nitrogen, the material according to the invention may also contain oxygen, for example, and the oxygen content of the material is preferably 0.01% by weight ≦ O ≦ 0.5% by weight, in particular 0.01% by weight ≦ O ≦ 0.2% by weight. And, among others, about 0.1% by weight.
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.In particular, the high chromium content of the material according to the invention is particularly important for combating intensive attacks by high temperature corrosion, such as that typically occurs in the combustion space of large diesel engines driven using heavy oil. Chromium forms a layer of chromium oxide that adheres densely and firmly, which gives the material good chemical resistance. Due to the high chromium content, chromium can moreover rapidly diffuse out of the interior of the nozzle head and eliminate damage to the oxide layer generated there.
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. The material preferably contains at least one reactive element selected from the group consisting of lanthanum (La), cerium (Ce), yttrium (Y), hafnium (Hf), scandium (Sc) and rare earths, The content is up to 5% by weight.
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.The function of the reactive element in the material is to affect the stability of the chromium oxide layer itself and its adhesion to the nozzle head in a positive way. Reactive elements such as these elements, even in small amounts, can significantly improve the adhesion of the oxide layer, even with regard to oxidation behavior and, in particular, stresses associated with temperature changes.
기계적 및 기술적 특징을 감안할 때, 니켈 함량은 또한 20 중량% 이상, 특히 30 중량% 이상인 것이 바람직하다.In view of the mechanical and technical characteristics, the nickel content is also preferably at least 20% by weight, in particular at least 30% by weight.
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.Typically it is sufficient if one of the reactive elements is present in the material of the present invention. However, depending on the application, it may be advantageous to prepare a material containing a plurality of reactive elements.
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. In another specific embodiment, the material contains at least one element selected from the group consisting of elements Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe and Mn, the content of Si being 1% by weight Up to, in particular, up to 0.6% by weight, content of C is up to 1% by weight, in particular up to 0.6% by weight, and contents of S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe and Mn are each up to 1% by weight, in particular 0.1 wt% or less.
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.Indeed, it has proven advantageous for the content of each reactive element to be below 1% by weight, in particular below 0.2% by weight. In this connection, the content of carbon (C) is in a very special case up to 1% by weight, in particular up to 0.05% by weight, and the content of silicon (Si) is in particular up to 0.05% by weight.
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.In this regard, the material is a gas sprayed metallic powder, which metallic powder preferably has a primary grain size of 10 μm to 200 μm, in particular 45 μm to 150 μm. This means that most of the powder grains have a size of 10-200 μm, in particular 40-150 μm, in the grain size distribution.
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.The invention further relates to a semifinished product which is used as a starting material for the formation of a corresponding component from the material according to the invention, the semifinished product according to the invention being a high temperature isostatic compression process, also known as a HIP process. Is prepared by.
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.For example, fuel injectors, in particular but not limited thereto, are problematic as components that can be produced from the semifinished product according to the invention, and are used in particular in two-stroke or four-stroke engines, in particular in two-stroke large diesel engines. This includes nozzle heads for fuel injection nozzles. However, other components of the prechamber or combustion engine for four-stroke engines, in particular those that are exposed to high temperatures and / or hot corrosion in operation, can be produced very advantageously from the semifinished product according to the invention.
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.The nozzle heads for fuel injection nozzles in combustion engines, in particular large diesel engines, made from semifinished products according to the invention or materials according to the invention, are of particular importance for practical use.
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.As already mentioned, the chromium-based alloys claimed by the present invention prove to be particularly durable against corrosion, in particular hot corrosion, erosion, wear, material loss and cavitation. Nozzles made of this type of chromium-based alloy can very well withstand high load populations in large diesel engines. The mechanical stability of the nozzle, the resistance to the formation of cracks or ruptures, and the permanent resilience to pulsating loads meet the requirements.
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.In a preferred embodiment, the nozzle head bends one or more nozzle holes for introducing fuel into the combustion space, starting from the longitudinal holes and the longitudinal holes, the transition from the longitudinal holes being preferably electrical -It is chemically rounded (electrolytic polishing of hard metal). The rounding of the passage section eliminates sharp edges in the flow path of the fuel, thereby optimizing the flow conditions.
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.The nozzle head according to the invention is particularly suitable for fuel injection nozzles for combustion engines, in particular for diesel engines. The nozzle head according to the invention or the fuel injection nozzle provided therewith is suitable for large diesel engines, for example two-stroke large diesel engines or four-stroke large diesel engines which are exhausted in a longitudinal direction with a crosshead drive. Especially suitable.
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.The present invention further provides a process for the preparation of materials and semifinished products according to the invention, wherein the materials are prepared according to a gas spraying method, and noble gases, in particular argon and / or helium, are used as spraying gases, Semifinished products are manufactured by high temperature isostatic compression processes in process chambers.
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.Due to the fact that rare gases such as helium or ultrapure argon are used as spray gases in the preparation of powdered materials, in contrast to methods known in the art, in which nitrogen or air is generally used as the spray gas, the nitrogen content in the materials is reduced. Can be lowered to a concentration of less than 0.1% by weight.
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.In producing a semifinished product by a high temperature isostatic compression process in the process chamber, the pressure of the process gas in the process chamber is preferably higher than 800 bar, in particular higher than about 1,000 bar.
공정 챔버 내 공정 가스의 온도는 실제로 800℃보다 높게 선택되고, 바람직하게는 1,100℃ 이상으로 선택된다.The temperature of the process gas in the process chamber is actually chosen to be higher than 800 ° C, preferably at least 1,100 ° C.
준완성품의 제조를 위한 전형적인 공정 시간은 2시간 내지 5시간이고, 바람 직하게는 약 3시간이 되도록 선택된다.Typical process times for the preparation of the semifinished product are selected from 2 hours to 5 hours, preferably about 3 hours.
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.During the high temperature isostatic compression process in the process chamber, rare gas is also preferably used as the process gas, among which argon, in particular ultrapure argon, is used, which can subsequently prevent the transfer of nitrogen into the semifinished product during the HIP process. .
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
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.According to the present invention, particularly as an engine component, especially a nozzle head or prechamber for injection of fuel, it can cope with a high load group in a large diesel engine, has a particularly high ductility, and thus increases the notch bar impact value. Can simultaneously produce components that exhibit good chemical properties with respect to hot and hot corrosion.
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.In Fig. 1, the dependence of the notch bar impact value on the nitrogen content of the material is shown as an example in a semi-finished product made from CrNi material according to the invention. The circles in the diagram correspond to the measurements of the notch bar impact values for the various samples with respective nitrogen contents given on the abscissa. The notch bar impact value associated with it is recorded on the ordinate. The five samples corresponding to the five circles in the diagram are essentially different due to the value of the nitrogen concentration reproduced on the abscissa. Otherwise, the samples were almost identical with chromium content of over 50% by weight.
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.According to the behavior of the notch bar impact value higher than 0.1 wt% nitrogen which is known as a function of nitrogen content from the prior art, the dependence of the notch bar impact value on the nitrogen content corresponding to the straight line G is less than 0.1 wt% nitrogen content. It was expected at small concentrations of.
즉, 약 0.1 중량% 질소 미만의 질소 농도에서, 노치 바 충격값은 단지 미약하게 증가하는 것, 즉 연성이 단지 미약하게 향상되는 것으로 예상되었다.That is, at a nitrogen concentration of less than about 0.1 wt% nitrogen, the notch bar impact value was expected to increase only slightly, ie only slightly improved ductility.
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.Thus, it has been convinced that ever lowering the nitrogen content in the material will not result in a related improvement. Apart from the fact, the relationship between notch bar impact value and nitrogen concentration is not actually known.
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.The three dots on the left side of the diagram according to the figures represent samples according to the invention with a nitrogen content of less than 0.1% by weight, and other semi-finished products according to the invention start with known materials having a nitrogen content of more than 0.1% by weight. It is demonstrated that the notch bar impact value is much larger than expected, and the notch bar impact value follows approximately curve K in the direction of lowering the nitrogen concentration and does not follow straight line G as previously thought.
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.Thus, the increase in notch bar impact value at the nitrogen ratio of less than about 0.1% by weight in the sample according to the invention is surprisingly much stronger, following the power law according to the nitrogen concentration in the example of FIG. 1 and flat as previously estimated Do not follow a straight slope.
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.2 shows a cross-sectional view of a fuel injection nozzle of a large diesel engine, inter alia a two-stroke large diesel engine with a longitudinal exhaust. The
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.The nozzle heads 1, 11 have a plurality of, for example, five
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.In this embodiment, the nozzle heads 1, 11 comprise a material which is a chromium-based alloy containing reactive elements, wherein the content of chromium in the material is more than 50% by weight and the content of nitrogen is about 0.02% by weight. As the reactive element, an element selected from the group of rare earth metals or similar metals is suitable. Particularly suitable elements are lanthanum (La), cerium (Ce), yttrium (Y), hafnium (Hf), and scandium (Sc). The material preferably has a high proportion of nickel by weight of 20% to 50% by weight in order to ensure better processability, among other things.
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.In this embodiment, the nickel content of the alloy is greater than 45% by weight, and lanthanum is contained in a proportion of less than 0.1% by weight as a reactive element. Except for common contaminants, the rest is chromium.
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.Naturally the material may comprise one or more reactive elements. Each reactive element is preferably contained in an amount of up to 1% by weight relative to the total weight, inter alia up to 0.2% by weight.
본 발명에 따른 준완성품 또는 노즐 헤드(1, 11)는 고온 등압 압축 공정(HIP; hot isostatic pressing)에 의해 제조되는 것이 바람직하다.The semifinished or nozzle heads 1, 11 according to the invention are preferably produced by hot isostatic pressing (HIP).
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.In this preparation, the starting material, ie chromium, nickel and lanthanum as reactive elements here, is sprayed into the powder by ultrapure argon to reduce the nitrogen content in the material. The grain size of the powder is mostly between 45 μm and 150 μm in this example. From the metal powder, blank or semi-finished products, for example bars, are produced by hot isostatic compression. The nozzle heads 1, 11 are made from the blank by a mechanical treatment method, typically a chip-producing treatment method. The
고온 등압 압축을 위한 공정 파라미터는 각각의 응용에 대해 최적화시킬 수 있다.Process parameters for high temperature isostatic compression can be optimized for each application.
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.The material according to the invention or the nozzle heads 1 and 11 produced therefrom have excellent durability against hot corrosion and associated material losses, and due to the low nitrogen content the high notch bar impact value and the associated material Obviously increased ductility is obtained.
따라서, 이제까지 얻을 수 없었던 엄청난 작업 수명이 얻어지고, 이것은 자연히 경제적 관점에서 볼 때 커다란 이점이다.Thus, a tremendous working life which has never been achieved is obtained, which is naturally a great advantage from an economic point of view.
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.The nozzle head according to the invention is therefore particularly suitable for future generations of large diesel engines, which on the one hand are much more powerful and meet the much higher demands on the load of the nozzle head. On the other hand, engines already in operation can also be retrofitted with components made from the material or semifinished product of the invention.
도 1은 노치 바 충격값에 대한 질소 함량의 영향을 나타내는 도표이다.1 is a chart showing the effect of nitrogen content on the notch bar impact value.
도 2는 본 발명에 따른 노즐 헤드의 실시예에 의한 연료 분사 노즐의 단면을 나타내는 도면이다. 2 is a view showing a cross section of the fuel injection nozzle according to the embodiment of the nozzle head according to the present invention.
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