KR20160101115A - 금속 클래딩을 갖는 연료 노즐 블랭크의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

열간 정수압 소결에 의한 코어 (5) 및 금속 클래딩 (60) 을 갖는 금속 보디 (50) 의 제조 방법으로서, 본 방법은, - 저부 벽 (3), 코어 (5) 및 측벽 (4) 을 포함하는 중공 보디 (2) 를 제공하는 단계로서, 상기 중공 보디는 클래딩 재료 (8) 로 충전되는, 상기 중공 보디 (2) 를 제공하는 단계; 및 - 상기 중공 보디 (2) 의 저부 벽 (3) 및 상부 벽 (9) 에, HIP 단계 이전에, HIP 단계에서 획득되는 최종 보디 (20) 를 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤하기 위한 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

금속 클래딩을 갖는 연료 노즐 블랭크의 제조 방법{A METHOD FOR MANUFACTURING A FUEL NOZZLE BLANK WITH A METALLIC CLADDING}

본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 클래딩을 갖는 금속 보디의 제조 방법에 관한 것이다.

열간 정수압 소결 (HIP) 은 금속 재료의 부품을 제조하기 위한 통상적인 방법이다. 이 방법은 유사-그물 (near-net) 형상의 복잡한 부품의 제조 및 동일한 제품의 상이한 물질들의 통합을 허용한다. HIP 에서, 부품의 최종 형상을 규정하는 강 (steel) 캡슐은 금속 분말로 충전되고 그 후 고온 및 고압을 거쳐서, 금속 분말의 입자들이 결합되어 솔리드 부품으로 된다.

열간 정수압 소결은 금속 재료의 클래딩을 미리 제조된 코어에 적용하는데 이용될 수도 있다. WO2004/030850A1 에는 연료 밸브 노즐의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 방법에 따르면, 금속 튜브 섹션이 미리 단조된 노즐 코어의 주위에 공간을 형성하도록 배치된다. 공간은 금속 분말로 충전되고, 배열체는 캡슐에 에워싸이고 HIP 를 거쳐서, 금속 분말, 코어 및 튜브 섹션이 결합되어 솔리드 부품으로 된다.

밸브 노즐을 제조하기 위한 유사한 방법이 유럽특허출원 EP12173411 에 기재되어 있다. 이 방법은 금속 기계가공 작업에서 솔리드 블랭크를, 코어가 연장되는 저부 벽 및 코어 주위의 공간을 에워싸는 측벽을 포함하는 중공 보디로 형성하는 단계를 포함한다 공간은 금속 클래딩 재료로 충전되고, 상부 벽에 의해 폐쇄되고, 후속하여 HIP 를 거친다.

HIP 후에, 솔리드 부품은 코어 상의 클래딩을 노출시키기 위해 전형적으로 기계가공을 거친다. 전형적으로, 기계가공은 선삭 또는 밀링에 의해 행해진다.

그렇지만, 종종 최종 통합된 부품은 HIP 프로세스 중에 변형된다. 이는, 정확하게 클램핑하고 부품을 기계가공 장치에 중심맞춤하는 것이 어렵게 되므로, 부품의 기계가공에서 문제를 야기한다. 그 결과, 클래딩은 정확한 두께로 기계가공되지 않을 수도 있다. 종래 기술의 다른 단점은 부품의 기계가공은 힘든 수작업 및 용인되는 부품의 불량한 수율로 인해 시간 소모적이고 비용이 많이 든다는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 클래딩을 갖는 금속 부품을 HIP 에 의해 제조하는 것 (최종 부품 상의 클래딩이 매우 낮은 두께 변화를 가짐) 을 허용하는 향상된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 클래딩을 갖는 금속 부품을 제조하기 위한 비용 효과적인 방법을 획득하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 클래딩을 갖는 금속 부품의 제조 방법으로서, 단시간에 적은 노력으로 수행될 수 있는 상기 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기한 목적들 중의 적어도 하나가, 코어 (5) 및 금속 클래딩 (60) 을 갖는 금속 보디 (50) 의 제조 방법으로서,

- 저부 벽 (3), 상기 저부 벽 (3) 으로부터 연장되는 코어 (5), 및 상기 저부 벽 (3) 으로부터 연장되고 상기 코어 (5) 주위에 내부 공간 (6) 이 형성되도록 상기 코어 (5) 를 에워싸는 측벽 (4) 을 포함하는 적어도 하나의 중공 보디 (2) 를 제공하는 단계;

- 상기 내부 공간 (6) 을 금속 클래딩 재료 (8) 로 충전하는 단계;

- 상기 측벽 (4) 에 상부 벽 (9) 을 배치함으로써 상기 내부 공간 (6) 을 폐쇄하는 단계;

- 충전된 상기 중공 보디 (2) 를 캡슐 (10) 내에 위치시키고 상기 캡슐 (10) 로부터 공기를 배출시키고 상기 캡슐 (10) 을 밀봉하는 단계;

- 상기 클래딩 재료 (8) 가 상기 중공 보디 (2) 에 결합되어 솔리드 보디 (20) 가 형성되도록, 미리 결정된 온도와 미리 결정된 압력에서 미리 결정된 시간 동안 상기 캡슐 (10) 에 열간 정수압 소결 (HIP) 을 행하는 단계; 및

- 금속 기계가공 장치 (30) 에서 상기 솔리드 보디 (20) 를 기계가공하는 단계로서, 상기 측벽 (4) 의 적어도 일부가 제거되고, 노출된 클래딩 재료 (8) 가 미리 결정된 두께의 클래딩 (60) 으로 기계가공되는, 상기 솔리드 보디 (20) 를 기계가공하는 단계를 포함하고,

상기 중공 보디 (2) 의 상기 저부 벽 (3) 및 상부 벽 (9) 에는 각각, 열간 정수압 소결의 단계 이전에, 열간 정수압 소결의 단계에서 획득되는 최종 보디 (20) 를 상기 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤하기 위한 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공되는, 금속 보디의 제조 방법에 의해 달성된다.

열간 정수압 소결의 단계 이전에 중공 보디에 중심맞춤 수단을 제공함으로써, 솔리드 보디가 HIP 중에 변형되더라도, 솔리드 보디의 코어의 중심에 대해 금속 기계가공 장치에서 열간 정수압 소결된 (HIPed) 솔리드 보디를 정확하게 중심맞추는 것이 가능하다. 코어의 중심으로부터의 거리로서 결정된 소정의 두께로 금속 클래딩을 후속하여 기계가공함으로써, 코어 주위의 클래딩의 두께는 매우 좁은 공차 범위 내로 유지될 수 있다.

도 8 을 참조하여 본 발명의 원리를 더 설명한다. 도 8 은 저부 벽 (3), 상부 벽 (9) 및 코어 (5) 를 구비하는 중공 보디 (2) 를 포함하는 열간 정수압 소결된 솔리드 부품 (20) 의 길이방향 단면을 개략적으로 보여준다. 코어부 (5) 는 클래딩 재료 (8) 에 매립된다. 캡슐 (10) 이 솔리드 보디를 둘러싼다. 돌출하는 절두 원뿔 및 절두 원뿔 리세스 형태의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 저부 벽 (3) 및 상부 벽 (9) 에 제공된다.

도 8 은 HIP 프로세스 중에 발생한 변형을 개략적으로 보여준다. 이 변형은 어느 정도 종종 이방성 (anisotropic) 이고, 특히 세장형의 실린더형 부품의 경우, 열간 정수압 소결된 보디의 주변은 불균일하게 변형될 수도 있다.

그렇지만, 도 8 이 개략적이라는 것과, 변형의 이방성 특성이 설명적 이유를 위해 매우 과장되어 있다는 것을 이해하여야 한다. 실제로는, 변형이 훨씬 더 복잡하다.

본 발명에 따르면, 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 중공 보디의 저부 및 상부 벽 (3, 9) 의 중심 (위치 X1) 에 HIP 전에 적용된다. 치밀화 중에, 솔리드 보디 (20) 와 캡슐 (10) 의 주변은 도 8 에 도시된 것처럼 반경방향에서 이방성으로 변형된다. 그렇지만, 중심맞춤 수단 (11, 12) 의 위치는 변형에 의해 영향을 받지 않는다. 솔리드 보디가 후속하여 선반에서의 선삭 형태의 기계가공 작업을 거치는 때, 솔리드 보디 (2) 는 금속 기계가공 장치의 상응하는 센터들에 의해 선 X1 을 따라 중심맞춤될 수도 있다. 그러면, 솔리드 보디 (2) 는 코어 (5) 의 진 중심 (true center) 에 대해 중심맞춤될 것이고, 기계가공 작업에 의해, 코어 주위에서 매우 작은 두께 변화를 갖는 클래딩이 획득될 것이다.

클래딩된 (cladded) 부품의 종래 제조 (중심맞춤 수단을 포함하지 않음) 의 경우, 솔리드 보디 (20) 의 단부는 일반적으로 척에 의해 파지되고, 따라서 솔리드 보디는 척의 중심에 대해 중심맞춤될 것이다. 그렇지만, 솔리드 보디의 주변이 이방성으로 변형되므로, 척의 중심은 미리 제조된 보디의 코어의 중심과 정렬되지 않을 것이다. 대신에, 솔리드 보디는 코어의 중심으로부터 오프셋된 선 X2 를 따라 중심맞춤될 것이다. 솔리드 보디가 기계가공되는 때, 오프셋 중심맞춤은 솔리드 보디를 편심적으로 회전하게 하고 두께를 코어 상에서 변하게 할 것이다.

종속 청구항들 및 이하의 상세한 설명에서 본 발명의 다른 실시형태들 및 이점들이 개시된다.

도 1 내지 도 7 은 본 발명의 방법의 단계들을 보여준다.
도 8 은 본 발명에 따라 제조된 중공 보디를 개략적으로 보여준다.
도 9 는 본 발명의 방법에 의해 획득된 연료 밸브 노즐 블랭크를 보여준다.

이하에서, 디젤 엔진, 특히 2행정 디젤 엔진용 연료 분사 노즐 블랭크의 제조를 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 추가 상세에 대해서는, 유럽특허출원 EP12173411 을 참조하고, 그 내용을 참조로써 원용한다.

본 방법의 제 1 단계에서, 중공 보디 (2) 가 제공된다. 도 1 은, 실린더형이며 회전 대칭 형태를 갖는 중공 보디 (2) 의 측면도를 개략적으로 보여준다. 중공 보디 (2) 는 공구 강, 예컨대 AISI H13/SS2242 로 제조될 수도 있다. 중공 보디 (2) 는 저부 벽 (3) 을 갖고, 저부 벽으로부터 코어 (5) 와 측벽 (4) 이 연장된다. 코어 (5) 는 저부 벽 (3) 의 중심으로부터 연장되고, 측벽 (4) 은 저부 벽의 주변으로부터 연장된다. 측벽 (4) 은 코어 (5) 를 둘러싸고, 즉 코어 (5) 와 동축을 이루어서, 벽 (4) 의 내주부와 코어 (5) 의 외주부 사이에 공간 (6) 이 제한된다. 길이방향에서, 측벽 (4) 은 코어 (5) 를 지나 연장된다. 이로써, 측벽 (4) 의 내주부는 반경 방향에서 공간 (6) 의 한계를 결정하고, 길이방향의 측벽 (4) 의 연장부는 공간 (6) 의 상측 연장부를 결정한다. 저부 벽 (3) 은 실질적으로 평평한 단부 표면 (3a) 을 가져서, 중공 보디 (2) 는 HIP 캡슐의 저부에 똑바로 놓일 수 있다. 클래딩된 부품의 제조에 중공 보디를 사용함에 따른 이점은, 측벽 (4) 의 제공이 HIP 중에 중공 보디의 반경 방향에서 더 균질한 변형을 초래한다는 것이다. 그리고, 이는 클래딩의 낮은 두께 변화를 초래한다. 다른 이점은, 충전된 중공 보디들이 미리 제조될 수 있고 이는 여러 노즐 블랭크들의 효과적인 동시 제조에 바람직하다는 것이다.

본 발명의 방법의 제 1 대안예에 따르면, 중공 보디 (2) 는 금속의 솔리드 블랭크, 즉 금속의 단일 피이스, 예컨대 강의 솔리드 실리더형 바아의 기계가공에 의해 제조된다. 솔리드 강 블랭크는 금속 기계가공 작업, 예컨대 밀링을 거치고, 이때 블랭크로부터 금속이 제거되어서, 코어 (5), 공간 (6) 및 측벽 (4) 이 블랭크 (1) 의 일 단부에 형성되고, 블랭크의 타 단부에 저부 벽 (3) 이 남는다. 이것의 이점은 중공 보디의 다양한 부분들, 즉 코어, 저부 벽 및 상부 벽의 위치가 서로에 대해 매우 정확하게 될 수 있다는 것이다. 또한, 중공 보디의 부분들을 서로 부착하기 위한 용접과 같은 보조 작업이 필요하지 않다.

본 발명의 방법의 제 2 대안예에 따르면, 중공 보디 (2) 는 미리 형성된 노즐 프리보디 (1) 에 튜브 섹션 (19) 을 부착함으로써 형성된다 (도 3 참조). 노즐 프리보디 (1) 는 예컨대, 가능하게는 기계가공과 조합으로, 단조 또는 주조에 의해 제조될 수도 있다. 노즐 프리보디는 코어 (5) 및 저부 벽 (3) 을 포함한다. 저부 벽 (3) 의 상측 부분은 코어 (5) 의 베이스를 둘러싸서 튜브 섹션 (19) 을 위한 지지 표면을 제공하는 숄더 (3b) 를 포함한다. 튜브 섹션 (19) 은 그의 단부 표면들 중의 하나가 숄더 (3a) 에 지지되도록 그리고 튜브 섹션이 코어 (5) 를 둘러싸고 길이방향으로 코어를 지나 연장되도록 배치된다. 이로써, 튜브 섹션 (19) 은 측벽 (4) 이고 코어 (5) 주위에 공간 (6) 을 형성한다. 바람직하게는, 튜브 섹션의 단부는 HIP 중에 저부 벽을 안정적인 위치에 유지하기 위해 저부 벽 (3) 에 용접된다. 미리 제조된 보디를 제조하는 이러한 방식은 빠르고 비싸지 않다. 튜브 섹션 (19) 은 1312 (E235) 와 같은 건축용 강으로 제조될 수도 있다.

제 2 단계에서, 공간 (6) 은 코어 (5) 가 금속 클래딩 재료에 매립되도록 금속 클래딩 재료 (8) 로 충전된다 (도 3 참조). 바람직하게는, 금속 클래딩 재료 (8) 는 금속 분말이다. 분말을 사용하는 이점은, 코어가 복잡한 형태를 갖더라도 공간 (6) 을 용이하게 충전할 수 있다는 것이다. 금속 클래딩 재료 (8) 는 코어 (5) 와 상이한 화학 조성을 갖는다. 본 실시형태는 연료 분사 노즐에 관한 것이고, 금속 클래딩 재료의 목적은 노즐의 코어 부분에 내식성 층을 제공하는 것이다. 그러므로, 금속 클래딩 재료가 니켈계 합금, 예컨대 NiCr49Nb1 또는 NiCr22W6Al5 또는 NiCr22MoNbTi 로 구성되는 것이 바람직하다. 충전 후, 금속 클래딩 재료 (8) 는 중공 보디에서 모든 보이드가 충전되는 것 (도시 안 됨) 을 보장하기 위해 스탬핑 또는 셰이킹에 의해 콤팩트화될 수도 있다.

제 3 단계에서, 충전된 중공 보디 (2) 가 폐쇄된다. 이로써, 측벽 (4) 의 상단부 위에 상부 벽 (9) 이 배치된다. 상부 벽 (9) 은 측벽 (4) 의 상단부에서 지지되는 하측 (9b) 및 중공 보디 (2) 로부터 멀어지는 쪽을 향하는 상측 (9b) 을 포함한다 (도 3 참조). 상부 벽 (9) 은, 중공 보디 (2) 의 상단부를 완전히 덮어서 중공 보디를 폐쇄하는 리드를 형성하도록 설계된다. 나중의 공기 배기 단계에서 중공 보디로부터 공기가 배출될 수 있도록, 상부 벽 (9) 은 측벽의 상단부에 밀봉되지 않아야 한다. 상부 벽 (9) 은 1312 (E235) 와 같은 건축용 강으로 제조될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 충전된 중공 보디 (2) 의 저부 벽 (3) 및 상부 벽 (9) 에는, 금속 기계가공 장치에서 열간 정수압 소결된 최종 보디를 중심맞춤하기 위한 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공된다. 도 4 는 충전된 중공 보디 (2) 에서 중심맞춤 수단의 위치를 개략적으로 보여준다. 제 1 중심맞춤 수단 (11) 은 저부 벽 (3) 의 단부 표면 (3b) 에 제공되고, 제 2 중심맞춤 수단 (12) 은 상부 벽 (9) 의 상측 (9b) 에 제공된다.

분명히, 중심맞춤 수단은 클래딩 재료에 의해 덮이지 않은, 따라서 클래딩 재료가 없는 중공 보디의 위치에 제공되어야 한다.

바람직하게는, 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 코어 (5) 의 중심을 통해 그리고 쌍방의 중심맞춤 수단 (11, 12) 을 통해 길이방향으로 연장되는 직선 (13) 을 따라 정렬되도록 저부 및 상부 벽의 중심에 위치된다.

중공 보디의 저부 벽과 상부 벽 쌍방의 중심맞춤 수단은 통상적인 금속 기계가공 장치의 대응 센터들과 결합하도록 설계되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, "금속 기계가공 공구" 또는 "기계가공 공구" 로도 알려진 "금속 기계가공 장치" 는 선반 또는 밀링 커터와 같은 금속 절삭기일 수도 있다. 금속 기계가공 장치는 또한 방전 가공 디바이스일 수도 있다.

바람직하게는, 금속 기계가공 장치는 선반, 즉 선삭에 의해 강을 기계가공하는 장치이다. 아래에서 더 설명하는 바와 같이, 선반의 센터는 원뿔 또는 절두 원뿔 형태의 이른바 "수형 센터" 이다. 대안적으로, 선반의 센터는 "테이퍼드 슬리브" 라고도 또한 알려진 원뿔형 개구를 갖는 슬리브 형태의 이른바 "암형 센터" 이다. 그러한 센터는 예컨대 Roehm (ROEHM GmbH, Heinrich-Roehm-Strasse 50, 89567 Sontheim/Brenz, Germany) 사로부터 상업적으로 입수 가능하다.

따라서, 중공 보디의 중심맞춤 수단은 "수형 중심맞춤 수단" 또는 "암형 중심맞춤 수단" 의 형태이다. 수형 중심맞춤 수단은 예컨대 원뿔 또는 절두 원뿔 형태의 돌출 요소이다. 암형 중심맞춤 수단은 리세스, 즉 보어이다. 예컨대, 암형 중심맞춤 수단은 원뿔 또는 절두 원뿔의 형상을 갖는 리세스 또는 보어의 형태이다. 중공 보디의 중심맞춤 수단이 선반의 상업적으로 입수가능한 센터와 상보적인 것이 바람직하다. 그렇지만, 수형 중심맞춤 수단은 임의의 형상의 돌출 요소일 수도 있고, 암형 중심맞춤 수단은 임의의 형상의 리세스일 수도 있다.

도 4 에서, 절두 원뿔형 리세스 형태의 암형 중심맞춤 수단 (11) 이 저부 벽 (3) 의 단부 표면 (3a) 에 제공된다. 중공 보디 (2) 의 하측 단부 표면에 암형 중심맞춤 수단을 제공하는 것이 바람직한데, 그러면 중공 보디 (2) 가 직립 위치로 견실하게 놓일 수 있기 때문이다. 상부 벽 (9) 의 상측 표면 (9a) 에, 돌출하는 절두 원뿔 형태의 수형 중심맞춤 수단 (12) 이 제공된다.

중공 보디 (2) 의 상부 벽 또는 저부 벽에 수형 중심맞춤 수단 또는 암형 중심맞춤 수단의 일방이 제공될 수 있다는 것이 분명하다. 예컨대, 저부 벽에 수형 중심맞춤 수단이 제공되고 상부 벽에 암형 중심맞춤 수단이 제공되거나, 또는 그 반대로 될 수도 있다. 또한, 저부 벽과 상부 벽 쌍방에 수형 중심맞춤 수단을 제공하는 것이 가능하다. 또는, 중공 보디 (2) 의 저부 벽 (3) 및 상부 벽 (9) 쌍방에 암형 중심맞춤 수단을 제공하는 것이 가능하다.

암형 중심맞춤 수단, 예컨대 리세스 또는 보어는 드릴링 또는 밀링에 의해 획득될 수도 있다. 수형 중심맞춤 수단, 예컨대 원뿔 또는 절두 원뿔은, 중공 보디의 저부 벽 또는 상부 벽의 단부 표면의 기계가공에 의해 획득될 수도 있다. 원뿔을 기계가공한 후 중공 보디의 상부 또는 저부 벽에 용접에 의해 부착함으로써 원뿔 또는 절두 원뿔을 미리 제조하는 것도 또한 가능하다.

그리고 나서, 중공 보디는 캡슐 (10) 내에 놓인다 (도 5 참조). 캡슐은 바람직하게는 폐쇄된 저부 단부를 갖는 강 튜브이다. 바람직하게는, 강 튜브는 저탄소강으로부터 제조된다. 캡슐의 길이는 적어도 하나의 중공 보디의 길이보다 더 크다. 그렇지만, 도 5 에 도시된 것처럼, 복수의 중공 보디들이 일반적으로 하나의 단일 캡슐에서 동시에 열간 정수압 소결된다. 복수의 중공 보디들은 임의의 개수, 예컨대 2 이상, 5 이상, 또는 10 이상일 수 있다. 예컨대, 복수의 중공 보디들은 2 - 10, 또는 2 - 20 개일 수 있다. 그러므로, 캡슐의 길이는 HIP 를 거쳐야 하는 복수의 중공 보디들의 총 길이, 즉 개별 중공 보디들의 길이의 합계보다 더 크다. 튜브형 캡슐의 벽 두께는 캡슐의 내부가 HIP 중에 밀봉되는 것을 보장하기에 충분히 크다 (보통 적어도 1 ㎜). 캡슐의 내부 직경은 중공 보디의 외부 직경보다 약간 더 크다. 예컨대, 캡슐의 내부 직경과 중공 보디의 외부 직경 사이의 비 D_캡슐/D_{중공 보디} 는 1 - 1.10 이다.

도 5 를 참조하면, 복수의 중공 보디 (2) 는 캡슐 (10) 내에서 하나 위에 다른 하나씩 스테이플 고정된다 (stapled). 인접 중공 보디들이 서로 결합하는 것을 방지하기 위해, 중공 보디들의 상부 및 저부 표면들 (3a, 9a) 에는, 금속학적 결합을 방지하는 코팅이 제공된다. 예컨대, 코팅은 질화붕소이다.

중공 보디의 암형 중심맞춤 수단이 HIP 중에 변형되거나 심지어 폐쇄될 가능성이 존재한다. 이를 방지하기 위해, 중공 보디들을 캡슐에 삽입하기 전에, 캡슐의 저부에 덮개 피이스 (40) 가 놓일 수도 있다. 덮개 피이스 (40) 는 캡슐의 저부에서 지지되는 하나의 표면 (40a) 및 암형 중심맞춤 수단에 끼워 맞춰지도록 되어 있는 돌출 요소 (40c) 를 포함하는 하나의 표면 (40b) 을 포함한다. 이 경우, 돌출 요소 (40c) 는 절두 원뿔이다. 덮개 피이스 (40) 의 돌출 요소 (40c) 는 캡슐 (10) 내에서 제 1 중공 보디 (2) 의 암형 중심맞춤 수단 (11) 을 채우고, 중심맞춤 수단 (11) 이 HIP 중에 변형되는 것을 방지한다. 분명히, 결합을 방지하기 위해, 덮개 피이스에 질화붕소 코팅이 또한 제공될 수 있다. 충전 및 폐쇄된 다른 중공 보디들이 후속하여 캡슐에 삽입되고 하나 위에 다른 하나씩 스테이플 고정된다. 이로써, 하나의 중공 보디 (2) 의 수형 중심맞춤 수단 (12) 이 다음의 중공 보디 (2) 의 암형 중심맞춤 수단 (11) 에 수용된다. 최상측 중공 보디 (2) 의 위에, 제 2 덮개 피이스 (40) 가 놓인다. 제 2 단부 피이스는 최상측 중공 보디의 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 수용하도록 되어 있는 리세스 (40d) 를 구비하는 하나의 표면 (40b) 을 포함한다. 반대편 표면 (40a) 은 평평하고, 캡슐의 개구 쪽을 향한다. 제 2 덮개 피이스 (40) 의 배치는 최상측 중공 보디의 수형 중심맞춤 수단이 HIP 중에 캡슐을 손상시키는 것을 방지한다. 덮개 피이스들의 디자인이 중공 보디들의 중심맞춤 수단에 맞게 조정될 수도 있다는 것은 분명하다.

캡슐 내의 여러 중공 보디들의 묘사된 배치는 물론 다량의 주입 노즐들을 제조하는 비용 효과적인 방식이다. 그렇지만, 저부에 암형 중심맞춤 수단을 갖고 상부에 수형 중심맞춤 수단을 갖는 중공 보디들의 묘사된 배치는 부가적인 이점을 제공한다. 첫째로, 이 배치는 개별 중공 보디를 서로에 대해 스테이플에서 고정시키고, 중공 보디의 스테이플을 HIP 중에 비교적 안정적으로 유지되게 한다. 둘째로, 묘사된 배치에 의해, 하나의 중공 보디의 암형 중심맞춤 수단은 다른 중공 보디의 수형 중심맞춤 수단에 의해 HIP 중에 변형으로부터 보호된다. 그러므로, 최하측 중공 보디의 암형 중심맞춤 수단을 보호하기 위해 단 하나의 덮개 피이스만이 필요하다. 이는 비용을 더 줄인다.

바람직하게는, 수형 중심맞춤 수단은 경사각이 최대 60°, 바람직하게는 40 - 60°인 절두 원뿔 형태를 갖는다. 바람직하게는, 암형 중심맞춤 수단은 동일한 절두 원뿔 형상, 즉 경사각이 최대 60°, 바람직하게는 40 - 60°인 보어이다. 시험은, 이러한 치수를 갖는 정합 중심맞춤 수단이 HIP 중에 암형 중심맞춤 수단의 변형을 거의 또는 전혀 초래하지 않는다는 것을 보여주었다. 또한, 시험은 이러한 치수가 HIP 중에 수형 중심맞춤 수단이 암형 중심맞춤 수단에 걸리는 것을 방지한다는 것을 보여주었다. 이로써, 중공 보디들은 HIP 후에 서로 용이하게 분리될 수 있다.

모든 중공 보디들이 캡슐 내에 위치된 때, 개구 (10c) 를 갖는 리드 (10b) 가 캡슐의 상단부 위에 용접된다. 캡슐은 코어에의 클래딩의 결합에 부정적인 영향을 미치는 공기를 포함할 수도 있다. 그러므로, 공기는 캡슐에 진공을 도입함으로써 캡슐 (10) 로부터 배출된다. 진공은 리드의 개구를 통해 도입되고, 후속하여 리드의 개구는 용접되어 차단되어서, 캡슐은 밀봉된다.

그 후, 중공 보디 (2) 는 열간 정수압 소결 (HIP) 을 거친다 (도 6 참조). 이로써, 중공 보디를 갖는 캡슐은 HIP 노 (furnace) (100) 내에 놓이고, 소정의 시간 동안 소정의 온도 및 소정의 압력을 거쳐서, 금속 클래딩 재료, 코어, 측벽, 상부 벽 및 저부 벽이 서로 결합하여 조밀한 솔리드 최종 보디로 된다. 전형적으로, 노 내의 압력은 700 - 1100 bar, 바람직하게는 900 - 1100 bar, 가장 바람직하게는 약 1000 bar 이다. 온도는 최저 융점을 갖는 재료의 융점 미만으로 선택된다. 온도가 융점에 가까울수록, 취성 스트리크 (brittle streaks) 가 형성될 수도 있는 용해된 상 (melted phases) 이 형성될 위험이 높아진다. 그렇지만, 낮은 온도에서, 확산 프로세스가 느려지고, 열간 정수압 소결된 재료는 잔류 다공성을 함유할 것이고, 재료들 사이의 금속 결합이 약해질 것이다. 따라서, 온도는 900 - 1200℃, 바람직하게는 1100 - 1200℃, 가장 바람직하게는 약 1150℃ 이다. HIP 프로세스의 지속시간은 부품들의 크기에 의존하지만, 효율적인 생산성을 위해 짧은 시간이 바람직하다. 그러므로, HIP-단계의 지속시간은, 일단 상기 압력 및 온도에 도달하고 나면, 1 - 4 시간이다. HIP 프로세스가 완료된 후, 상기 솔리드 보디는 바람직하게는 임의의 적절한 열처리, 예컨대 어닐링을 거칠 수도 있다. HIP 후, 솔리드 보디들은 캡슐을 절단함으로써 분리된다. 캡슐은 예컨대 산세척에 의해 개별 솔리드 보디들로부터 제거될 수도 있다. 또한, 캡슐은 개별 솔리드 보디들에 유지되고, 대신에 기계가공 중에 제거될 수도 있다. 도 8 은 HIP 후의 솔리드 보디를 보여준다.

본 방법의 최종 단계에서, HIP 프로세스로부터 얻어지는 솔리드 보디는 측벽 (4) 의 적어도 일부가 제거되는 금속 기계가공 작업을 거치고, 노출된 클래딩 재료 (8) 는 소정 두께의 클래딩 (60) 으로 기계가공된다. 전형적으로, 기계가공 작업은 선반에서의 선삭에 의해 수행된다.

도 7 은 선반 (30) 형태의 금속 기계가공 장치 (30) 를 개략적으로 보여준다. 선반은 페이스 드라이버 (32) 가 연결된 주축대 (31) 을 포함한다. 페이스 드라이버 (32) 는 선반의 구동 유닛 (도시 안 됨) 에 의해 회전되고, 밀링 중에 솔리드 보디 (20) 를 회전시키기 위해 솔리드 보디와 맞물린다. 솔리드 보디와 맞물리기 위해, 페이스 드라이버 (32) 에는, 페이스 드라이버의 회전 운동이 솔리드 보디 (20) 에 전달되도록 솔리드 보디 (20) 의 단부 표면 (3a) 을 무는 경화 구동 핀 (33) 이 제공된다. 페이스 드라이버의 중심에는, 절두 원뿔 형태의 수형 센터가 위치된다. 선반의 수형 센터는 솔리드 보디의 암형 중심맞춤 수단 (11) 과 맞물리도록 되어 있다. 따라서, 금속 기계가공 장치의 중심은 솔리드 보디의 중심맞춤 수단과 맞물리도록 설계되고, 반대도 마찬가지이다.

선반의 심압대 (35) 는 절두 원뿔 형태의 내부 형상을 갖는 테이퍼드 슬리브 (37) 로 구성된 암형 센터 (36) 를 포함한다. 슬리브는 솔리드 보디 (20) 의 상부 벽 (9) 의 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 수용하도록 되어 있다. 센터는 샤프트 (도시 안 됨) 를 더 포함하고, 이 샤프트에 의해 선반의 심압대에 부착된다. 이 경우, 센터는 심압대에 회전가능하게 배치된 라이브 센터이다. 그렇지만, 또한 이른바 데드 센터일 수도 있다. 솔리드 보디로부터 금속을 제거하기 위해 금속 절삭 공구 (38), 즉 선반 공구 또는 선반 강이 제공된다.

작동에 있어서, 페이스 드라이브의 수형 센터 (34) 는 솔리드 보디의 제 1 단부 표면 (3a) 에서 암형 중심맞춤 수단 (11) 에 삽입되고, 선반의 심압대의 암형 센터 (37) 는 솔리드 보디 (20) 의 제 2 단부 표면 (4a) 에서 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 수용한다. 페이스 드라이버는 선반의 심압대에서 암형 센터를 향해 솔리드 보디를 가압하고, 동시에 구동 핀 (33) 은 솔리드 보디의 단부 표면 (3a) 에 강제로 들어간다. 솔리드 보디는, 선반의 수형 및 암형 센터 쌍방이 솔리드 보디의 수형 및 암형 중심맞춤 수단과 맞물리는 때에 선반에서 중심맞춤된다.

필요하다면, 솔리드 보디 (20) 의 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 선반에서의 솔리드 보디의 중심맞춤 전에 노출될 수도 있다. 예컨대, 파지형 공구를 사용한 그라인딩에 의해 캡슐의 일부를 제거함으로써 노출될 수도 있다.

솔리드 보디의 중심맞춤 후에, 원하는 두께의 클래딩이 획득될 때까지 선삭이 행해진다. 이는 선반의 제어 시스템이 미리 제조된 보디의 센터와 선반 공구 사이의 미리 결정된 거리로 프로그래밍되어서 달성된다. 선삭 중에, 측벽 (4) 의 적어도 일부가 선반 절삭 공구 (38) 에 의해 제거된다. 전형적으로, 전체 측벽이 제거된다. 그리고 나서, 노출된 클래딩 재료는, 미리 결정된 거리에 도달되고 미리 결정된 두께의 클래딩이 획득될 때까지, 선반 공구에 의해 또한 제거된다.

그 후, 분사 노즐 블랭크는 추가의 기계가공, 예컨대 구멍의 드릴링을 거쳐 최종 분사 노즐로 될 수도 있고, 클래딩의 추가의 기계가공을 거칠 수도 있다.

예

이하에서, 비교 예를 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명의 방법에 따라 6 개의 분사 노즐 블랭크를 제조하였다. 분사 노즐은 분말 형태의 클래딩 재료 NiCr22MoNbTi 로 충전된 강 AISI H13/SS2242 의 중공 보디를 포함하였다. 노즐 블랭크는 다음의 치수를 가졌다 (도 9 참조): 높이 (H) 62.7 ㎜, 베이스 직경 (BD): 32.5 ㎜, 상부 직경 (UD): 21.5 ㎜.

노즐 블랭크들의 제조에 사용된 미리 제조된 보디들에는 상부에 절두 원뿔 형태의 수형 중심맞춤 수단이 제공되었고, 저부에 절두 원뿔 형태의 암형 중심맞춤 수단이 제공되었다. 수형 중심맞춤 수단은 11 ㎜ 의 베이스 직경, 5.5 ㎜ 의 높이, 및 60°의 경사각을 가졌다.

6 개의 미리 제조된 보디들을 캡슐 내에 놓고, 970 bar 의 압력 및 1150 ℃ 의 온도에서 1 시간 동안 열간 정수압 소결시켰다. 후속하여, Okuma Space Turn LB3000EX 타입의 선반에서 솔리드 보디들을 기계가공하였다. 선반에는, 솔리드 보디들의 상부 벽과 저부 벽의 중심맞춤 수단에 대응하는 페이스 드라이버 및 심압대의 센터들이 제공되었다.

선삭 후, 상부로부터 14 - 16 ㎜ 의 위치에서 노즐들을 절단하였고, 광학 현미경으로 절단 표면들을 조사하여 클래딩 층의 두께를 결정하였다. 도 9 의 파선이 절단 위치를 보여준다. 절단 표면 주위에서 4 번 측정하였고, 최대 및 최소 측정치를 기록하였다.

비교로서, 6 개의 추가 노즐을 제조하고, 전술한 것처럼 측정을 행하였다. 그렇지만, 이 노즐들을 위한 미리 제조된 보디들에는 중심맞춤 수단이 제공되지 않았다. 비교 노즐들은 또한 전술한 것처럼 선반에서 선삭되었지만, 솔리드 보디의 일 단부에서 척에 의해 클램핑되었다.

측정 결과를 표 1 에 나타낸다:

결과는, 통상적으로 제조된 노즐에 비해, 본 발명의 방법에 의해 제조된 노즐에서 클래딩 두께의 매우 좁은 공차가 달성되는 것을 보여준다. 본 발명의 노즐의 목표 클래딩 두께는 3 ㎜ 이고, 코어 주위에서의 측정된 두께 변화는 0.03 - 0.12 ㎜ 이다. 대조적으로, 비교 노즐은 코어 주위에서 0.16 - 0.95 ㎜ 의 범위에서 변하는 클래딩 두께를 갖는다.

Claims (14)

1. 코어 (5) 및 금속 클래딩 (60) 을 갖는 금속 보디 (50) 의 제조 방법으로서,
   - 저부 벽 (3), 상기 저부 벽 (3) 으로부터 연장되는 코어 (5), 및 상기 저부 벽 (3) 으로부터 연장되고 상기 코어 (5) 주위에 내부 공간 (6) 이 형성되도록 상기 코어 (5) 를 에워싸는 측벽 (4) 을 포함하는 적어도 하나의 중공 보디 (2) 를 제공하는 단계;
   - 상기 내부 공간 (6) 을 금속 클래딩 재료 (8) 로 충전하는 단계;
   - 상기 측벽 (4) 에 상부 벽 (9) 을 배치함으로써 상기 내부 공간 (6) 을 폐쇄하는 단계;
   - 충전된 상기 중공 보디 (2) 를 캡슐 (10) 내에 위치시키고 상기 캡슐 (10) 로부터 공기를 배출시키고 상기 캡슐 (10) 을 밀봉하는 단계;
   - 상기 클래딩 재료 (8) 가 상기 중공 보디 (2) 에 결합되어 솔리드 보디 (20) 가 형성되도록, 미리 결정된 온도와 미리 결정된 압력에서 미리 결정된 시간 동안 상기 캡슐 (10) 에 열간 정수압 소결 (HIP) 을 행하는 단계; 및
   - 금속 기계가공 장치 (30) 에서 상기 솔리드 보디 (20) 를 기계가공하는 단계로서, 상기 측벽 (4) 의 적어도 일부가 제거되고, 노출된 클래딩 재료 (8) 가 미리 결정된 두께의 클래딩 (60) 으로 기계가공되는, 상기 솔리드 보디 (20) 를 기계가공하는 단계
   를 포함하고,
   상기 중공 보디 (2) 의 상기 저부 벽 (3) 및 상부 벽 (9) 에는 각각, 열간 정수압 소결의 단계 이전에, 열간 정수압 소결의 단계에서 획득되는 최종 보디 (20) 를 상기 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤하기 위한 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공되는, 금속 보디의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 최종 보디 (20) 는 상기 최종 보디 (20) 의 상기 중심맞춤 수단 (11, 12) 과 상기 금속 기계가공 장치 (30) 의 대응 센터 (34, 37) 사이에서의 결합에 의해 상기 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤되는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 수형 중심맞춤 수단 (12) 또는 암형 중심맞춤 수단 (11) 인 금속 보디의 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   수형 중심맞춤 수단 (12) 은 원뿔 또는 절두 원뿔인 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   암형 중심맞춤 수단 (11) 은 원뿔 형상을 갖는 리세스 또는 절두 원뿔 형상을 갖는 리세스인 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중심맞춤 수단 (11, 12) 은, 열간 정수압 소결 이전에, 상기 중공 보디 (2) 의 상기 저부 벽 (3) 의 중심 및 상기 상부 벽 (9) 의 중심에 제공되고, 상기 중공 보디 (2) 의 상기 코어 (5) 의 중심 및 쌍방의 중심맞춤 수단 (11, 12) 을 통해 연장되는 수직 축선 (13) 을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 캡슐 (10) 내에 적어도 제 1 덮개 피이스 (40) 를 배치하는 단계를 포함하고,
   상기 덮개 피이스 (40) 는 암형 중심맞춤 수단 (11) 에 완전히 수용되도록 되어 있는 돌출부 (40c) 를 포함하거나, 또는 상기 덮개 피이스 (40) 는 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 완전히 수용하도록 되어 있는 리세스 (40d) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중공 보디 (2) 는 솔리드 블랭크 (1) 로부터 금속이 제거되는 금속 기계가공 작업에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중공 보디 (2) 는, 코어 (5) 가 연장되는 저부 벽 (3) 을 포함하는 프리보디 (pre-body; 1) 에, 튜브 섹션 (19) 이 상기 코어 (5) 주위에 상기 측벽 (4) 형성하도록, 상기 튜브 섹션 (19) 을 부착함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 중공 보디들 (2) 을 제조하고 상기 중공 보디들 (2) 을 하나 위에 다른 하나씩 상기 캡슐 (10) 내에 놓는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    각 중공 보디 (2) 의 저부 벽 (3) 은 암형 중심맞춤 수단 (11) 을 포함하고, 각 중공 보디 (2) 의 상부 벽 (9) 은 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 포함하고, 상기 암형 및 수형 중심맞춤 수단은 수형 중심맞춤 수단이 암형 중심맞춤 수단에 완전히 수용될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 중공 보디들 (2) 의 상기 저부 벽 (3) 및/또는 상기 상부 벽 (9) 에는 인접한 중공 보디들 (2) 의 결합을 방지하는 코팅 (21) 이 제공되는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 캡슐 (10) 내에 제 1 덮개 피이스 (40) 를 놓은 후, 상기 중공 보디들 (2) 을 하나 위에 다른 하나씩 상기 캡슐 내에 위치시키는 단계를 포함하고,
    상기 덮개 피이스 (40) 는 상기 캡슐 (10) 의 저부를 향하는 제 1 표면 (40a) 및 암형 중심맞춤 수단 (11) 에 완전히 수용되도록 되어 있는 돌출부 (40c) 를 포함하는 제 2 표면 (40b) 을 구비하는 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 기계가공 장치 (30) 는 선반 (lathe) 인 것을 특징으로 하는, 금속 보디의 제조 방법.

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