KR20120026580A

KR20120026580A - 내연 기관 연료 분사 노즐, 노즐 소재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120026580A
Application number: KR1020117031551A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 기무라; 마사히로 신자와; 아츠야 아오키; 다카오 오미야; 다카유키 고토
Original assignee: 닛폰 피스톤 린구 가부시키가이샤; 미쯔이 죠센 가부시키가이샤
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-03-19
Also published as: KR101452034B1; EP2450557B1; CN102472224B; EP2450557A4; WO2011001977A1; EP2450557A1; JP5518861B2; JPWO2011001977A1; CN102472224A

Abstract

공정이 간소하고, 생산성 높으며, 또한 염가로 정밀도 높게 제조할 수 있는 내연 기관 연료 분사 노즐, 노즐 소재 및 그 제조 방법을 제공한다.
내연 기관 연료 분사 노즐을 노즐 본체와 그 선단부 외면측을 덮도록 배설된 노즐 선단부 외면측재로 이루어지는 이종 재료제의 2층 구조로 한다. 노즐 본체는 금속 분말 사출 성형법으로 소정의 형상으로 성형하여 성형체로 하고, 그 다음에 탈지 공정을 시설하여 노즐 본체 탈지체로 한다. 이것과는 별도로 마찬가지로 노즐 선단부 외면측재를 금속 분말 사출 성형법으로 소정의 형상으로 성형하여 성형체로 하고, 그 다음 탈지 공정을 실시하여 노즐 선단부 외면측재 탈지체로 한다. 노즐 선단부 외면측재 탈지체를 노즐 본체 탈지체의 선단부 외면측을 덮도록 중합하고, 그 다음, 확산 소결하여, 접합 일체화한다. 또한, 확산 소결의 후에, 열간 등방압 프레스 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

Description

내연 기관 연료 분사 노즐, 노즐 소재 및 그 제조 방법{FUEL INJECTION NOZZLE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE, NOZZLE BLANK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은, 내연 기관 연료 분사용 노즐에 따른 내연 기관 중, 특히 디젤 엔진용으로서 매우 적합한 내구성이 뛰어나고 염가인 연료 분사 노즐, 노즐 소재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

선박용 등의 내연 기관의 연소실내에 배치되는 연료 분사 노즐(1)은, 종래부터, 예를 들면 도 5의 단면도에 도시하는 바와 같이, 한쪽의 단부에는 분사구(2a)가, 다른쪽의 단부에는 니들 밸브(3)의 밸브 시트(4)가 형성된 노즐 헤드(노즐)(2)와, 상기 노즐 헤드(노즐)(2)의 밸브 시트(4)에 접촉 가능하게 배설된 니들 밸브(3)를 갖고, 연료 탱크(도시하지 않음)로부터 연료 통로(1a)를 거쳐서 공급된 연료를 소정의 타이밍에 분사구(2a)로부터 분사 가능하게 하는 구조로 되어 있었다. 이 때문에, 내열성, 내침식성(耐エロ-ジョン性)을 고려하여, 노즐 헤드(노즐)(2)는 예를 들면, 고속도 공구강 SKH51을 이용하여 제작되고 있었다.

그렇지만, 최근, 엔진의 고성능화에 따르는 가혹한 사용 조건하에서는, 이와 같은 노즐 헤드(노즐)에서는 내구성이 낮고, 또한, 노즐 헤드(노즐)의 수명 연장을 위해서, 내구성의 향상이 열망되고 있었다.

이와 같은 요망에 대하여, 예를 들면 특허 문헌 1에는, 노즐 팁(노즐)의 수명을 향상시킬 수 있는 디젤 기관용 연료 분사 노즐이 제안되어 있다. 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 노즐 팁(노즐)을 고 Ni－Cr－Al계 합금으로 형성하고, 또한, 노즐 팁(노즐)과 밸브 시트를 별체로 하며, 밸브 시트의 재료를 노즐 팁(노즐)의 재질보다 경도가 높은 재료로 한다고 되어 있다(제 1 도, 제 2 도 참조). 또한, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 또한 노즐 팁(노즐)을 선단부와 기단부를 별체로 하고, 연소실내에 노출되는 선단부를 고 Ni－Cr－Al계 합금으로 하고 장착용 캡으로 덮이는 기단부를 노즐 팁(노즐)의 재질보다 경도가 높은 재료로 하고, 양자를 야금적으로 접합하여 일체로 하는 것이 바람직하다고 되어 있다. 특허 문헌 1에 기재된 기술에 의하면, 노즐 팁(노즐) 수명을 현저하게 연장할 수 있다고 되어 있다.

또한, 특허 문헌 2에는, C, Al, Ti, Fe, N, O 및 산화 이트륨과 함께 합금화 되어 이루어지는 메커니컬 합금화 크롬?니켈강으로 이루어지는 분사 노즐용 노즐 헤드(노즐)가 제안되어 있다. 특허 문헌 2에 기재된 기술에 의한 노즐 헤드(노즐)는, 디젤 엔진과 같은 내연 기관의 연소실에서의 침식적, 화확적 및 열적 환경에서도, 종래의 노즐 헤드(노즐)에 비하여, 기간으로서 약 2배의 내용 연수를 가진다고 되어있다. 또한, 특허 문헌 2에는, 분사 노즐용 노즐 헤드(노즐)를 「인코넬 합금(Inconel alloy)MA758」(상표명)이라고 하는 명칭의 합금으로 제조하면, 내용 연수가 2배 또는 3배가 된다는 기재가 있다.

특허 문헌 1, 특허 문헌 2에 기재된 기술에서는, 분사 노즐용 노즐 헤드(노즐)가 적어도, 내연 기관의 연소실내에 노출되는 선단부를 고Ni－Cr－Al계 합금, 혹은 메커니컬 합금화 크롬?니켈강 제로서 분사 노즐용 노즐 헤드(노즐)의 내구성을 향상시키고 있다. 그리고, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 분사 노즐용 노즐 헤드(노즐)의 선단부와 기단부를 이종 재료제의 별체로 하고, 용접, 압접 등의 야금적 접합에 의해 일체화하는 것이 바람직하다고 되어 있다.

또한, 특허 문헌 5에는 도 8에 도시하는 형식의 연료 분사 노즐이 기재되어 있다. 특허 문헌 5에 기재된 연료 분사 노즐(1)은, 단일체의 기체(중심 부재)(2b)와 그 하부 말단에 피복(외피)(2c)을 씌운 노즐 헤드(노즐)(2)를 포함하고 있다. 기체(2b)의 기다란 축방향에는, 상부 영역과, 그 하부에 배치되어 노즐 니들(니들 밸브)(3)의 수압 작동을 위한 압력실과, 그 하부에 배치되는 하부 영역을 갖는 기다란 축방향 구멍이 형성되어 있다. 특허 문헌 5에 기재된 기술에서는, 피복(외피)(2c)을 고온 부식 내성 합금으로 형성한다고 되어 있다. 기체에의 고온 부식 내성 합금제 피복의 접합은, 레이저 적용법, 플라스마 스프레이, 용접 또는 분말 야금법 등이 적절하다고 되어 있다.

이와 같은 이종 재료를 조합한 구조의 노즐의 제조 방법으로서는, 선단부와 기단부를 별체로 하고, 용접, 압접 등의 야금적 접합을 이용하는 것을 대신하여, 최근에는, 예를 들면, 납땜을 이용한 접합을 이용하는 노즐의 제조 방법이 제안되고 있다.

예를 들면, 특허 문헌 3에는, 도 6에 도시하는 형식의 노즐이 기재되어 있다. 특허 문헌 3에 기재된 노즐(2)은, 다수의 노즐 구멍[분사구(2a)]과 연통하고 있는 중심의 길이방향 채널을 가지며 하부 부분을 구비한 중심 부재(2b)와 상기 중심 부재의 하부 부분을 포위하는 외피(2c)로 이루어지고, 상기 중심 부재(2b)와 상기 외피(2c)를 서로 납땜하여 이루어지는 노즐이다. 그리고, 특허 문헌 3에 기재된 기술에서는, 외피(2c)를 내식성 합금으로, 중심 부재(2b)를 500MPa의 피로 강도를 갖는 철계 합금으로 구성한다고 되어 있다. 이것에 의해, 긴 수명의 노즐을 제공할 수 있다고 되어 있다. 또한, 특허 문헌 3에 기재된 기술에서는, 니들 밸브(3)가 분사의 종료시에 분사 구멍(2a)을 신속히 닫기 위한 링형상의 폐색 부재(3a)를 담지하고 있다. 그러나, 특허 문헌 3에 기재된 기술에서는, 납땜 공정이 복잡하고 생산성의 저하를 초래한다는 문제가 있었다.

또한, 특허 문헌 4에는, 도 7에 도시하는 형식의 디젤 엔진 연료 밸브용 노즐이 기재되어 있다. 특허 문헌 4에 기재된 노즐은, 외측 영역(외피)(2c)을 내식성의 제 1 합금으로 이루어지는 제 1 재료로, 외측 영역 이외의 기타 영역(중심 부재)(2b)을 제 2 합금으로 이루어지는 제 2 재료로 구성하고, 그 사이의 경계 영역이 미소 균열이 존재하지 않는 고체화 된(일체 형성된) 구조를 갖는 재료로 이루어진다고 되어 있다. 특허 문헌 4에 기재된 기술에서는, 제 1 합금은, 내식성을 가지는 합금으로 하고, 제 2 합금은 제 1 합금보다 높은 피로 강도를 갖는 합금으로 하는 것이 바람직하다고 되어 있다.

일본 실용 신안 공개 제 1989-134773 호 공보 일본 특허 출원 공개 제 1995-19147 호 공보 일본 특허 출원 공표 제 2005-537438 호 공보 일본 특허 출원 공표 제 2006-502334 호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2000－73919 호 공보

특허 문헌 4에는, 선단부가 이종(異種) 재료의 2층 구조가 되는 노즐을 제조하는 방법의 일례로서 예를 들면, 도 4에 도시하는 분말 야금을 이용한 방법이 도시되어 있다.

노즐의 외측 영역(노즐 선단부 외면측) 이외의 영역을 형성하는 중심 부재(심재)(10)를, 제 2 합금으로 이루어지는 용제재 등으로 미리 소정의 형상[완성품이 되는 노즐(2)의 내면측재(22)에 근사한 형상]으로 성형해둔다. 그리고, 성형된 중심 부재(심재)(10)를 주형(용기)(100)내에 삽입한다. 주형(100)은, 저벽(14), 측벽(15), 커버(16), 충전 노즐(17)로 구축되어 있다. 그 다음, 주형(용기)(100)내에 충전 노즐(17)을 거쳐서, 노즐의 외측 영역(노즐 선단부 외면측)을 구성하는 제 1 합금의 분말을 중자 부재(심재)(10)의 주위의 공동부에 충전한다. 그 후, 필요에 따라서 주형은 흡인되어, 기밀 상태가 되도록 폐쇄된다. 그 후, 주형(100)을 소정의 온도로 가열하고, 열간 등방압 프레스 처리(HIP 처리)를 실시하는 동시에 소결되며, 구멍이 없는 농밀한 보디와 고체화 되어, 선단부가 이종 재료의 2층 구조로 이루어지는 노즐용 소재가 된다. 이 소재를 기계 가공하여, 소망 형상의 노즐(2)(완성품)로 한다.

그렇지만, 이 방법으로는, 외피(노즐 선단부 외면측재)(21)를 구성하는 고가의 재료를 다량으로 사용하며, 게다가 대부분을 기계 가공으로 제거할 필요가 있어, 재료 가격이 비싸지고, 연료 분사 노즐의 제조비가 상승한다는 문제가 있다. 또한, 외피(노즐 선단부 외면측재)를 구성하는 재료는 딱딱해서 가공이 어려운 난가공재인 것이 많아, 기계 가공에 장시간을 필요로 하여, 연료 분사 노즐의 생산성이 저하된다는 문제도 있다.

본 발명은, 이와 같은 종래 기술의 문제를 해결하여, 적어도 도 6 내지 도 8에 도시하는 형식의 내연 기관 연료 분사용 노즐에 적용 가능하고, 제조 공정이 간소하고, 생산성 높으며, 게다가 염가로, 정밀도 높게 제조할 수 있는 내연 기관 연료 분사 노즐, 노즐 소재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명이 대상으로 하는 노즐은 내연 기관, 그 중에서도 디젤 엔진의 연료 분사 노즐용이다. 디젤 엔진은, 4 스트로크 크로스 헤드 엔진으로 해도 좋지만, 특히 2 스트로크 크로스 헤드 엔진으로 하는 것이 바람직하다. 이 엔진은, 유황을 포함하는 것도 있는 중연료 오일로 자주 작동한다. 이 때문에, 이 엔진으로 사용하는 노즐에는 노즐의 긴 수명이 엄격하게 요구된다.

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 금속 분말 사출 성형법(MIM 법)의 적용을 상도(想到)했다. 그리고, MIM 법을 적용하여, 노즐을 구성하는 노즐 본체(22)와, 상기 노즐 본체(22)와는 이종의 재료제로 상기 노즐 본체의 선단부 외면측을 덮는 노즐 선단부 외면측재(21)를 따로 따로 성형하는 것에 생각이 미쳤다. 그리고, 그것들을 중합하여 맞추고(조합), 접합하여 일체화하면, 1회의 성형, 접합 처리로 완성품에 가까운 형상으로 성형할 수 있어 재료 가격, 기계 가공 가격의 저감을 도모할 수 있는 동시에, 생산성이 현저하게 향상하는 것을 지견했다.

본 발명은 이러한 지견에 근거하여, 더욱 검토를 거듭하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 노즐 본체와 상기 노즐 본체와는 이종(異種)의 재료제로, 상기 노즐 본체의 선단부 외면측을 덮도록 배설된 노즐 선단부 외면측재로 이루어지는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재에 있어서, 상기 노즐 본체가 금속 분말 사출 성형법으로 성형된 것이고, 상기 노즐 선단부 외면측재가 상기 노즐 본체와는 별도로 금속 분말 사출 성형법으로 성형된 것이며, 상기 노즐 본체와 상기 노즐 선단부 외면측재를 중합하여, 접합 일체화 되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재.

(2) (1)에 있어서, 상기 노즐 본체가 열간 금형용 합금 공구강 제 또는 고속도 공구강 제이며, 상기 노즐 선단부 외면측재가 Ni 기초 합금제인 것을 특징으로 하는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재.

(3) (1) 또는 (2)에 기재된 노즐 소재에 소정의 분사구, 중심 구멍을 마무리 가공하여 이루어지는 내연 기관 연료 분사 노즐.

(4) 노즐 본체와 상기 노즐 본체와는 이종의 재료제로, 상기 노즐 본체의 선단부 외면측을 덮도록 배설된 노즐 선단부 외면측재로 이루어지는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법으로서, 상기 노즐 본체를 금속 분말 사출 성형법으로 소정의 형상으로 성형하고 노즐 본체 성형체로 하며 그 다음 상기 노즐 본체 성형체에 탈지 공정을 실시하여 노즐 본체 탈지체로 하고, 이것과는 별도로 상기 노즐 선단부 외면측재를 금속 분말 사출 성형법으로 소정의 형상으로 성형하고 노즐 선단부 외면측재 성형체로 하며, 그 다음에 상기 노즐 선단부 외면측재 성형체에 탈지 공정을 실시하고 노즐 선단부 외면측재 탈지체로 한 후, 상기 노즐 선단부 외면측재 탈지체를 상기 노즐 본체 탈지체의 선단부 외면측을 덮도록 중합하여 배설(配設)하고, 그 다음, 확산 소결하며, 상기 노즐 선단부 외면측재 탈지체와 상기 노즐 본체 탈지체를 접합 일체화하여, 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재로 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.

(5) (4)에 있어서, 상기 확산 소결 후에, 열간 등방압 프레스 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.

(6) (4) 또는 (5)에 있어서, 미리, 상기 확산 소결시에, 상기 노즐 선단부 외면측재 탈지체와 상기 노즐 본체 탈지체의 접합 계면에 접합용 도포제를 도포하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.

(7) (6)에 있어서, 상기 접합용 도포제가 상기 노즐 본체 또는 상기 노즐 선단부 외면측재를 구성하는 금속 분말과 동종의 금속 분말과 수용성 풀형상 물질을 물로 희석한 페이스트형상의 도포액인 것을 특징으로 하는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.

(8) (4) 내지 (7)중 어느 하나에 있어서, 상기 노즐 본체가 열간 금형용 합금 공구강 제 또는 고속도 공구강 제이며, 상기 노즐 선단부 외면측재가 Ni 기초 합금제인 것을 특징으로 하는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 이종 재료의 성형체를 MIM 법으로, 따로 따로 완성품(제품)의 형상에 가까운 니어 네트 형상(near-net shape)으로 성형한 후, 중합하고 접합하여 일체화하므로, 그 후의 기계 가공 공정을 단축할 수 있어, 생산성 높고, 게다가 염가에 치수 정밀도가 뛰어난 이종 재료의 2층 구조를 갖는 내연 기관 연료 분사 노즐을 제조할 수 있어, 산업상 각별한 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명의 노즐 소재의 단면형상의 일례를 모식적으로 도시하는 설명도,
도 2는 본 발명의 노즐 소재의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 3은 본 발명의 노즐 소재의 접합부가 바람직한 단면형상의 예를 모식적으로 도시하는 설명도,
도 4는 종래의 노즐 소재의 제조 공정의 일례를 모식적으로 도시하는 설명도,
도 5는 내연 기관용 연료 분사 노즐의 구성의 일례를 도시하는 단면도,
도 6은 내연 기관용 연료 분사 노즐의 구성의 일례를 도시하는 단면도,
도 7은 내연 기관용 연료 분사 노즐의 구성의 일례를 도시하는 단면도,
도 8은 내연 기관용 연료 분사 노즐의 구성의 일례를 도시하는 단면도.

내연 기관용 연료 분사 노즐에 이용되는 본 발명의 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재(20)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 노즐 본체(22)와, 이 노즐 본체(22)의 선단부 외면측을 덮도록, 노즐 선단부 외면측재(21)를 배설한 구조를 갖는다. 노즐 선단부는 노즐 본체(22)와 노즐 선단부 외면측재(21)의 계면에서 야금적으로 접합한 상태를 나타낸다.

노즐(2)의 선단부는, 내연 기관의 연소실에 노출하도록 배치되기 때문에, 연소실내의 침식적, 화확적 및 열적인 부하에 노출된다. 이와 같은 부하에 저항하기 위해, 노즐 소재(20)의 선단부는 노즐 본체(22)와는 다른 내열, 내식성, 내침식성이 뛰어난 재료제의 노즐 선단부 외면측재(21)로 덮인다. 내열, 내식성, 내침식성이 뛰어난 재료로서는, Ni 기초 합금, Co 기초 합금, Fe 기초 합금 등을 들 수 있으며 Ni 기초 합금으로서는, 인코넬 625 합금, 인코넬 686 합금 등이, Co 기초 합금으로서는, S-816 합금, Fe 기초 합금으로서는 인코넬 800 합금 등을 예시할 수 있다.

또한, 인코넬 625 합금으로서는, 질량 %로, C：0.1% 이하, Si：0.5% 이하, Mn:0.5% 이하, Cr：20.0 내지 23.0%, Mo：8.0 내지 10.0%, Nb：3.15 내지 4.15%, Fe：5% 이하를 포함하고, 잔여부 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 더욱, Ti：0.4% 이하, Al：0.4% 이하를 포함해도 좋다. 또한, MIM 법을 이용하는 경우에는, Ti, Al는 무첨가로 하여, 불가피적 불순물로 하는 것이 바람직하다. 불가피적 불순물로서 Ti는 0.15% 이하, Al는 0.1% 이하를 허용할 수 있다.

또한, 노즐 본체(22)는, 내면측에서 니들 밸브가 미끄럼 운동하고, 혹은 밸브 시트에 착석을 반복하기 위해, 내마모성이 뛰어난 재료제로 하는 것이 바람직하다. 내마모성이 뛰어난 재료로서는, SKD61 등의 JIS G 4404－2006에 규정된 열간 금형용의 합금 공구강이나, SKH51 등의 JIS G 4403－2006에 규정된 고속도 공구강, 트리바로이(tribaloy), 스텔라이트 등의 합금 등을 들 수 있다.

또한, 노즐 본체(22)와 노즐 선단부 외면측재(21)의 접합 면적을 크게 하고 접합 강도를 향상시키기 위해서, 노즐 본체(22)와 노즐 선단부 외면측재(21)와의 접합부의 형상을 도 3에 도시하는 각종 형상으로 해도 좋다. 도 1에 도시한 노즐 소재(20)로는, 도 3(a)에 도시하는 접합부 형상으로 하고 있지만, 접합 면적을 보다 크게 한다는 관점에서는, 도 3(b) 내지 (d)로 하는 것이 바람직하다. 또한, 접합부의 형상을 단면에서 직선 모양으로 하고 싶은 경우에는, 도 3(e)에 도시하는 접합부 형상을 생각할 수 있지만, 이 접합부 형상으로는 가공은 용이해지지만 접합 면적이 작아지기 때문에, 도 3(f)과 같은 형상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명이 되는 노즐 소재(20)는, 금속 분말 사출 성형법으로 따로 따로, 니어 네트 형상(near-net shape)으로 성형된 노즐 본체(22)와 노즐 선단부 외면측재(21)를 중합하여 조합하고 확산 소결에 의해 접합하여 일체화한 것이다. 그리고, 노즐 본체(22)와 노즐 선단부 외면측재(21)의 계면은, 야금적으로 강고하게 접합되어 있는 것은 말할 필요도 없다.

그 다음, 본 발명 노즐 소재의 바람직한 제조 방법에 대해 설명한다.

우선, 노즐 본체(22) 또는 노즐 선단부 외면측재(21)를 각각 금속 분말 사출 성형법으로 도 2에 도시하는 소정의 형상(단면도)으로 성형하고, 노즐 본체 성형체(A), 또는 노즐 선단부 외측재 성형체(B)로 한다. 또한, 사용하는 금속 분말 사출 성형법은, 상용의 금속 분말 사출 성형법(MIM)을 모두 적용할 수 있다.

금속 분말 사출 성형법에서는, 금속 분말과, 혹은 더욱 탄소 분말 등의 합금용 분말과, 바인더를 가열, 가압하여 혼합하는 혼련 공정과, 냉각 고체화 한 혼련물을 분쇄하는 분쇄 공정을 거쳐 얻어진 혼련물을 사출 성형기에 의해서, 소정의 형상으로 가공된 금형내에 가소화 된 혼련물을 사출 성형하여, 냉각 고체화시켜, 소정 형상의 금속 분말 사출 성형체를 얻는다.

사용하는 금속 분말로서는, 물 애터마이즈법, 혹은 가스 애터마이즈법으로 제조된 금속 분말이 모두 매우 적합하고, 노즐 본체에서는, JIS G 4404－2006에 규정된 SKD61 등의 열간 금형용의 합금 공구강이나, JIS G 4403－2006에 규정되는 SKH51 등의 고속도 공구강이나 트리바로이, 스텔라이트 등의 내마모성이 뛰어난 재료의 분말로 하는 것, 또한, 노즐 선단부 외면측재에서는 내열, 내식성, 내침식성이 뛰어난 Ni 기초 합금, Co 기초 합금 등, Fe 기초 합금의 분말로 하는 것이 바람직하다. 또한, 물 애터마이즈 분말, 가스 애터마이즈 분말을 대신하여, 철, Ni의 카르보닐 분말을 사용하여 목적의 재료 조성으로 해도 좋다.

또한, 사용하는 바인더로서는, 통상의 금속 분말 사출 성형용의 바인더를 모두 적용할 수 있지만, 왁스 성분과 플라스틱 성분과 식물유를 더 배합한 바인더로 하는 것이 바람직하다.

왁스 성분은, 탈지 처리시에 주로 추출되는 성분이며, 그 종류를 한정할 필요는 없지만, 바람직한 왁스 성분으로서는 파라핀 왁스, 마이크로 크리스탈린 왁스 등을 예시할 수 있다.

또한, 배합하는 플라스틱 성분은, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 어택틱 폴리프로필렌, 에틸렌 초산비닐 공중합체(EVA) 등의 열가소성 수지를 예시할 수 있지만, 그 중에서도 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 하는 것이 성형성과 제조 가격의 관점으로부터 바람직하다.

식물유로서는, 불건성의 식물유로 하는 것이 바람직하다. 불건성의 식물유로서는, 낙화생유, 피마자유, 올리브유, 샐러드유를 예시할 수 있으며, 그들 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상으로 하는 것이 바람직하다. 상기한 범위의 왁스 성분과 플라스틱 성분에 부가하여, 식물유를 배합함으로써, 바인더의 응고점이 저하하고, 바인더의 유동성이 향상하여, 금속 분말이나 플라스틱 분말에의 바인더의 친숙성 등이 향상하는 동시에, 냉각시의 수축량이 저감하고, 성형체의 분열의 발생이 억제되며 또한, 금형으로부터의 이탈성이 향상한다.

그 다음, 얻어진 노즐 본체 성형체 또는 노즐 선단부 외면측재 성형체에 탈지 공정을 실시하고, 노즐 본체 탈지체 또는 노즐 선단부 외면측재 탈지체로 한다. 본 발명에서 매우 적합하게 사용할 수 있는 탈지 공정으로서는, 용제 탈지 처리, 가열 탈지 처리의 어느쪽이라도 좋다. 또한, 용제 탈지 처리를 실행하는 경우에는, 용제 탈지 처리로 바인더의 일부를 제거하고, 잔여부를 더욱, 소결 처리를 겸한 탈지 소결 처리로 제거하는 것이 바람직하다. 또한, 탈지 공정은, 용제 탈지, 가열 탈지에 대신하여, 초임계 이산화탄소 탈지로 해도 좋다.

탈지 공정이 실시된 노즐 선단부 외면측재 탈지체는, 접합면의 이물 등을 제거한 후, 도 2에 도시하는 바와 같이, 동일하게 탈지 공정이 실시되고, 접합면의 이물 등이 제거된 노즐 본체 탈지체의 선단부 외면측을 덮도록 중합하여 배설하며, 중합체(C)로 하고, 그 다음, 확산 소결에 의한 접합을 실행한다. 이것에 의해, 노즐 선단부 외면측재 탈지체와 노즐 본체 탈지체를 접합 일체화할 수 있다.

확산 소결의 온도는, 1150 내지 1400℃의 범위의 온도로 하는 것이 바람직하다. 확산 소결의 온도가 1150℃ 미만에서는, 소망의 확산 소결이 진행하지 않아, 소망의 계면의 접합 강도를 확보할 수 없다. 한편, 1400℃를 초과하는 온도에서는 결정립이 조대화하여, 기계적 특성이 열화 한다. 또한, 보다 바람직하게는 1150 내지 1300℃이다. 또한, 확산 소결의 분위기는, 진공 분위기, 혹은 아르곤 등의 불활성 가스, 혹은 질소 등을 이용한 감압 분위기로 하는 것이 바람직하다.

또한, 노즐 선단부 외면측재 탈지체와 노즐 본체 탈지체를 중합하여 중합체(C)로 했을 때에, 계면에 간극이 생기는 경우 등에서는, 확실히 접합 일체화시키기 위해서, 접합 계면에 접합용 도포제를 도포해도 좋다. 접합용 도포제로서는, 노즐 본체 또는 노즐 선단부 외면측재를 구성하는 금속 분말과 동종의 금속 분말과 수용성 풀형상 물질을 물로 희석한 페이스트형상의 도포액으로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 수용성 풀형상 물질은, 물에 녹아 풀형상을 나타내는 물질을 말하며, 곡류의 전분질을 원료로 하여 풀형상으로 형성한 것을 가리킨다. 또한, 곡류로서는 밀, 쌀, 콩류, 감자, 타피오카 등을 예시할 수 있다. 전분질 풀형상 물질은, 시판의 전분풀을 사용해도 아무런 문제가 없다. 전분질 풀형상 물질 이외의 수용성 풀형상 물질로서는, PVA 등을 들 수 있다. 또한, 페이스트형상의 도포액의 배합은, 금속 분말을 65 내지 90 질량%, 잔여부가 5 내지 34 질량%의 물과 전분질 풀형상 물질의 혼합물로 하는 것이 바람직하다.

중합체(C)는 확산 소결을 실시하고, 접합 일체화되어 결합체가 된다. 본 발명에서는, 이 결합체에 또한, 열간 등방압 프레스 처리(이하, HIP 처리라고도 함)를 실시하는 것이 바람직하다. 확산 소결 후에 더욱 HIP 처리를 실시함으로써, 계면은 더욱 강고한 접합 상태를 나타내게 되고, 또한, 소결 밀도도 진밀도의 거의 100%까지 향상한다. 이것에 의해, 노즐의 내피로 특성이 향상하여, 소결재임에도 불구하고, 용제재와 동등 또는 그 이상의 피로 강도를 확보할 수 있게 된다. 또한, HIP 처리는 처리 온도：1000 내지 1300℃, 50MPa 이상 바람직하게는 100 내지 200 MPa 정도의 압력으로, 아르곤 또는 질소 분위기중에서 실행하는 것이 바람직하다. 또한, HIP 처리를 실시한 결합체는, HIP 처리 후 즉시, 노즐 본체의 기계 가공성 개선이라고 하는 관점으로부터, 로 중에서 냉각(로냉)하는 것이 바람직하다. 또한, HIP 처리 후, 로냉하지 않고 냉각하여, 그 후 별도 공정으로 시뮬레이티드 어닐링(simulated annealing) 처리를 실행해도 좋다.

이와 같이 일체화된 노즐 소재(20)는, 그 다음 마무리 가공을 실시하여 소망의 제품 치수 형상을 갖는 노즐(2)이 된다. 마무리 가공으로서는, 주로 절삭 가공 등의 기계 가공이지만, 금속 분말 사출 성형법으로 니어 네트 형상으로 성형되어 있기 때문에, 가공량은 약간으로 끝난다.

또한, 노즐 본체와 노즐 선단부 외면재를 각각 별체로서 성형하고 접합체로서 노즐로 하는 것에 대신하여, 금속 분말 사출 성형법의 2색 성형법을 이용하여 노즐 본체에 노즐 선단부 외면재를 접합 일체화하여 제조할 수도 있다.

얻어진 노즐 소재(20)에, 절삭 가공 등의 기계 가공에 의해, 예를 들면 도 6 내지 도 8에 도시하는 각 형식의 연료 분사 노즐에 대응한 소정의 위치에 소정 치수 형상의 분사구(2a), 중심 구멍을 마무리 가공하여, 노즐(2)로 하는 것이 바람직하다.

이하에, 실시예에 근거하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

실시예

물 애터마이즈법으로 제조한 원료 분말을 2종 준비했다. 또한, 원료 분말은 평균 입경 5 내지 15㎛의 것을 사용했다. 원료분의 1종은, SKD61강 분으로 하고, 노즐 본체용으로 했다. 또 다른 원료분은 Ni 기초 합금 분말로 하고, 노즐 선단부 외면측재용으로 했다. SKD61강의 조성은, 질량%로, 0.35%C－0.97%Si－0.40%Mn－4.93%Cr－1.21%Mo－1.01%V－bal.Fe였다. 또한, Ni 기초 합금의 조성은, 질량%로, 0.02%C－0.18%Si－0.23%Mn－21.8%Cr－8.9%Mo－3.9%Nb－2.4%Fe－bal.Ni이었다.

이 원료분에 바인더를 40체적%가 되도록 배합하여, 120 내지 180℃의 온도로 혼련하여, 사출 성형용 혼련물로 했다. 바인더는 왁스 성분(PW), 플라스틱 성분(PE), 식물유 성분(낙화생유)을 혼합, 가열 교반하여 이용했다. 배합량은 왁스 성분：플라스틱 성분：식물유 성분의 비로, 35：40：25로 했다. 이들 혼련물을 냉각 고체화 한 후, 분쇄하고, 사출 성형기에 투입하여, 실린더 온도：110 내지 180℃로 하고, 가소화하여, 소정의 압력(100MPa)으로 소정의 금형에 사출하여, 도 2에 도시하는 형상의 노즐 본체 성형체(A), 노즐 선단부 외면측재 성형체(B)로 했다.

얻어진 성형체 A, B에 대해서, 용제 탈지 처리에 의한 탈지 공정을 실시하여, 각 탈지체를 얻었다. 또한, 탈지 조건은 온도：30℃, 용제는 염화 메틸렌으로 했다.

얻어진 노즐 본체 탈지체(A)와, 노즐 선단부 외면측재 탈지체(B)를 중합하여 도 2에 도시하는 중합체(C)로 했다.

그 다음에, 중합체(C)를 감압 질소 분위기중에서 가열(가열 온도：1250℃)하여, 상기 온도에서 확산 소결(소결 시간：2h)하고, 일체화시켜, 결합체로 했다. 확산 소결 후, 일부에 대해서는, 더욱 HIP 처리를 실시했다. HIP 처리의 조건은 아르곤 분위기중의 1200℃로, 압력：117MPa로 했다. 또한, 일부에서는 중합할 때에, 계면에 접합용 도포제를 도포했다.

얻어진 결합체에, 기계 가공을 하여 소정 치수의 제품을 얻었다.

또한, 비교예로서 도 4에 도시하는 종래의 방법으로, 동일한 치수의 노즐을 제작했다.

얻어진 결합체(노즐)에 대하여, 계면의 접합 상태의 관찰, 인장 시험, 피로 시험을 실시했다. 시험 방법은 다음과 같이 했다.

(1) 계면의 접합 상태의 관찰

얻어진 결합체에 대해서, 결합체의 축방향 단면을 광학 현미경(배율：200배)을 이용해 관찰하여, 접합계면의 접합 상태를 평가했다. 관찰한 접합 계면의 전체 길이 2% 이상으로 간극이 관찰되는 경우를 ×로, 간극이 2% 미만 내지 0.5% 이상의 경우를 △로, 간극이 0.5% 미만인 경우를 ○로서 계면의 접합 상태를 평가했다.

(2) 인장 시험

노즐 본체와 같은 원료분 및 노즐 선단부 외면측재와 동일한 원료분을 이용하고 사출 성형기를 이용하고 각각 환봉으로 사출 성형하여, 성형한 환봉끼리를 상기한 결합체의 접합 조건과 동일한 조건으로 접합했다. 얻어진 환봉으로부터 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험을 실시하여, 강도를 구하고, 계면의 접합 상태를 평가했다. 또한, 강도는 비교예인 제품 No.4를 기준 (1.0)으로 하여 상대비로 나타냈다.

(3) 피로 시험

노즐 본체와 동일한 원료분(SKD61 분말)을 이용하고, 사출 성형기에 의해 둥근 막대형상으로 성형한 후, 탈지, 소결을 실행했다. 얻어진 환봉으로부터, 피로 시험편(6mmΦ×평행부 10mm 길이)을 채취하고, 인장-압축 피로 시험(부하 응력：±700 내지 1000MPa, 주파수：10Hz)을 실시하여, S－N 곡선으로부터 피로 한계를 구했다. 또한, 비교예(제품 No. 4)는 SKD61(용제재)제로 했다. 피로 한계는, 이 비교예의 값을 기준(1.0)으로서 상대비로 나타냈다. 노즐에서는, 노즐 본체의 피로 강도(피로 한계)가 문제되기 때문에, 노즐 본체에 대해서만 피로 시험을 실시했다.

얻어진 결과를 표 1에 나타낸다.

제 품 No.	접합용 도포제 사용의 유무	HIP 처리의 유무	계면의 접합 상태	계면 강도비	피로 강도비 *	종합 평가	비고
1	무	무	△	0.95	0.95	△	본 발명예
2	무	유	○	0.98	1.03	○	본 발명예
3	유	유	○	0.99	1.03	○	본 발명예
4	-	유	○	1.0	1.0	기준	비교예

*)피로 강도비는 노즐 헤드 본체에만 대하여 시험하고, 비교예를 기준(1.0)으로 한 상대비로 했다. 제품 No.4(비교예)는 SKD61(용제재)이다.

본 발명예는 모두, 비교예와 동등 혹은 그 이상의 계면의 접합 상태, 피로 강도를 나타내고, 또한 생산성, 가격은 비교예와 비교하여 각별한 향상이 인정된다.

1 : 연료 분사 노즐 1a : 연료 통로
2 : 노즐 2a : 분사구
2b : 중심 부재(외측 영역 이외의 영역) 2c : 외피(외측 영역)
20 : 노즐 소재
21 : 노즐 선단부 외면측재(외피)
22 : 노즐 본체(심재) 3 : 니들 밸브
3a : 폐색 부재
4 : 니들 밸브용 밸브 시트(밸브 시트)
10 : 심재 14 : 저벽
15 : 측벽 16 : 커버
17 : 충전 노즐 100 : 용기(주형)

Claims

노즐 본체와 상기 노즐 본체와는 이종의 재료제로, 상기 노즐 본체의 선단부 외면측을 덮도록 배설된 노즐 선단부 외면측재로 이루어지는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재에 있어서,
상기 노즐 본체가 금속 분말 사출 성형법으로 성형된 것으로, 상기 노즐 선단부 외면측재가 상기 노즐 본체와는 별도로 금속 분말 사출 성형법으로 성형된 것이고, 상기 노즐 본체와 상기 노즐 선단부 외면측재를 중합하여, 접합 일체화하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재.
제 1 항에 있어서,
상기 노즐 본체가 열간 금형용 합금 공구강제 또는 고속도 공구강제이며, 상기 노즐 선단부 외면측재가 Ni 기초 합금제인 것을 특징으로 하는
내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 노즐 소재에 소정의 분사구 및 중심 구멍을 마무리 가공하여 이루어지는
내연 기관 연료 분사 노즐.
노즐 본체와 상기 노즐 본체와는 이종의 재료제로, 상기 노즐 본체의 선단부 외면측을 덮도록 배설된 노즐 선단부 외면측재로 이루어지는 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법에 있어서,
상기 노즐 본체를 금속 분말 사출 성형법으로 소정의 형상으로 성형하고 노즐 본체 성형체로 하며, 그 다음에 상기 노즐 본체 성형체에 탈지 공정을 실시하여 노즐 본체 탈지체로 하고, 이것과는 별도로 상기 노즐 선단부 외면측재를 금속 분말 사출 성형법으로 소정의 형상으로 성형하고 노즐 선단부 외면측재 성형체로 하며, 그 다음에 상기 노즐 선단부 외면측재 성형체에 탈지 공정을 실시하고 노즐 선단부 외면측재 탈지체로 한 후, 상기 노즐 선단부 외면측재 탈지체를 상기 노즐 본체 탈지체의 선단부 외면측을 덮도록 중합하여 배설(配設)하고, 그 다음, 확산 소결하며, 상기 노즐 선단부 외면측재 탈지체와 상기 노즐 본체 탈지체를 접합 일체화하여, 내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재로 하는 것을 특징으로 하는
내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 확산 소결 후에, 열간 등방압 프레스 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는
내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 확산 소결시에, 미리, 상기 노즐 선단부 외면측재 탈지체와 상기 노즐 본체 탈지체의 접합 계면에 접합용 도포제를 도포하는 것을 특징으로 하는
내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 접합용 도포제가 상기 노즐 본체 또는 상기 노즐 선단부 외면측재를 구성하는 금속 분말과 동종의 금속 분말과 수용성 풀형상 물질을 물로 희석한 페이스트형상의 도포액인 것을 특징으로 하는
내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 노즐 본체가 열간 금형용 합금 공구강제 또는 고속도 공구강제이며, 상기 노즐 선단부 외면측재가 Ni 기초 합금제인 것을 특징으로 하는
내연 기관 연료 분사 노즐용 노즐 소재의 제조 방법.