KR20170031182A - 연료 분사 시스템의 부품을 질화 처리하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 하중을 받으며 합금강으로 형성된, 연료 분사 시스템의 부품을 질화 처리하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 무기산 내에서 부품을 활성화하는 단계와, 380℃ 내지 420℃의 산소 함유 분위기에서 부품을 사전 산화(pre-oxidation)하는 단계와, 520℃ 내지 570℃의 온도 및 ε-상 질화물 영역 내 높은 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)에서 부품을 질화 처리하는 단계와, 520℃ 내지 570℃의 온도 및 γ'-상 질화물 영역 내 낮은 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)에서 부품을 질화 처리하는 단계를 포함한다.

Description

연료 분사 시스템의 부품을 질화 처리하는 방법{METHOD FOR NITRIDING A COMPONENT OF A FUEL INJECTION SYSTEM}
본 발명은 고압 하중을 받으며 합금강으로 형성된, 연료 분사 시스템의 부품을 질화 처리하는 방법에 관한 것이다.
공개공보 DE 102 56 590 A1호로부터, 연료 분사 시스템의 분사 노즐이 질화 처리될 경우, 상기 분사 노즐의 내구성이 개선된다는 점이 공지되었다. 특히, 내식성 및 내마모성이 증대된다. 그러나 상기 공보에 질화법은 언급되어 있지 않다.
또한, 공개공보 WO 2001/042528 A1호로부터, 분사 노즐의 질화법이 공지되어 있다. 공지된 질화법은, 제1 단계에서의 염욕 내 침탄 질화법 및, 이어서 제2 단계에서 520℃ 내지 580℃의 온도 및 낮은 질화 퍼텐셜(0.08 내지 0.5의 범위)에서, 즉, 이른바 레러 다이어그램(Lehrer diagram)의 α-영역에서의 가스 질화법을 포함한다.
고압 연료를 이용하는 연료 분사 시스템의 부품들의 하중은, 특히 스로틀 지점(throttle point)의 영역에서, 상기 부품들의 매우 높은 캐비테이션 하중을 야기할 수 있다.
이는, 전술한 질화법으로 처리된 부품들에서조차도 더 큰 캐비테이션 손상을 초래할 수 있다.
그에 비해 본 발명에 따른 질화법은, 질화 처리를 통해 부품의 재료 표면 아래의 연성(인성)을 더욱 증가시킴으로써, 고압 하중에 기인한 캐비테이션 손상을 최소화한다. 추가로 상기 질화법은 피로 강도에 긍정적으로 작용한다. 그럼으로써 부품의 수명 또는 유효 수명이 증가한다.
이를 위해, 고압 하중을 받으며 합금강으로 형성된, 연료 분사 시스템의 부품을 질화 처리하는 방법은,
무기산 내에서 부품을 활성화하는 단계와,
380℃ 내지 420℃의 산소 함유 분위기에서 부품을 사전 산화(pre-oxidation)하는 단계와,
520℃ 내지 570℃의 온도 및 ε-상 질화물 영역 내 높은 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)에서 부품을 질화 처리하는 단계와,
520℃ 내지 570℃의 온도 및 γ'-상 질화물 영역 내 낮은 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)에서 부품을 질화 처리하는 단계를 포함한다.
상기 활성화에 의해, 질소 확산에 대한 부품의 저항이 낮아진다. 즉, 이 단계는 부품의 질화능을 증대시킨다. 후속하는 사전 산화는, 부품이 작동 시 더 높은 내식성을 갖도록 한다.
실질적인 질화는 하기와 같이, 바람직하게 암모니아 함유 가스가 사용되는 2개의 단계로 나뉜다.
- 부품 표면 근방의 이른바 연결층 및 그 아래에 놓인 확산층 모두에서 부품의 질소 흡수 및 그에 따른 부품 경도의 증대에 이용되는, ε-상 질화물 영역 내 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)에서의 제1 질화 단계.
- 상기 연결층이 너무 두꺼워지지 않게 하는, γ'-상 질화물 영역 내 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)에서의 제2 질화 단계. 상기 연결층은 높은 경도를 갖는 동시에 취성이 높기 때문에, 캐비테이션 하중에 대해 매우 민감하기도 하다.
본 발명에 따른 질화법을 통해, 공지된 질화법에 비해 취성 연결층의 두께 감소 외에도 무엇보다 확산층 내 결정입계를 따라 나타나는 질화물 축적 감소도 달성된다. 그럼으로써 결정입계의 파손 민감도가 덜해지고, 이는 부품의 연성 증대 및 그에 따른 캐비테이션 침식에 대한 내구성 및 피로 강도의 증대를 가져온다.
유리하게는 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)이 1 내지 10 사이이고, 더 바람직하게는 2 내지 8 사이이다. 즉, 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)은 상대적으로 높다. 그로 인해 Lehrer 다이어그램에서는 520℃ 내지 570℃의 온도에서 실질적으로 ε-상 질화물 영역이 존재하며, 이 영역은 질화 가스가 환류하는 활성 부품의 높은 질소 흡수를 보장한다.
또한, 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)은 바람직하게 0.2 내지 0.4 사이이다. 즉, 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)은 상대적으로 낮다. 그로 인해, 높은 질소 함량이 부품 내로 깊숙이 확산하는 점이 방지된다. 연결층에서는 질소 함량이 뚜렷하게 증가하며, 모재 내 질소 질량 분율은 약 6% 이하까지 증가한다. 따라서 부품의 연성이 전반적으로 유지된다.
한 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법으로 질화 처리된 부품은 그 표면에 11% 내지 25%의 질소 질량 분율을 갖는다. 이는 부품 표면의 높은 경도, 캐비테이션 저항성, 내마모성 및 내식성을 제공한다.
또 다른 한 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법으로 질화 처리된 부품은 상기 부품의 표면으로부터 10㎛의 제1 깊이(t1)에서 3% 내지 8%의 질소 질량 분율을 갖는다. 이미 10㎛의 부품 깊이에서 질소 질량 분율이 비교적 강하게 감소함에 따라, 높은 표면 경도에도 불구하고 부품의 비교적 높은 연성이 나타난다. 대략 상기 부품 깊이에서 연결층으로부터 확산층으로의 전이부도 존재한다.
또 다른 한 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법으로 질화 처리된 부품은 상기 부품의 표면으로부터 15㎛의 제2 깊이(t2)에서 2% 내지 7%의 질소 질량 분율을 갖는다. 이는 공지된 질화법들에 비해 부품의 연성이 더욱 증대되도록 한다.
또 다른 한 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법으로 질화 처리된 부품은 상기 부품의 표면으로부터 20㎛의 제3 깊이(t3)에서 2% 내지 6%의 질소 질량 분율을 갖는다. 이는 공지된 질화법들에 비해 부품의 연성이 더욱 증대되도록 한다.
상기 부품 깊이에서부터 확산 구역이 끝날 때까지 질소 함량이 점근적으로 진행됨에 따라, 확산 구역의 종단에서 모재 내에 기포함된 질소 함량으로 급격히 감소하게 된다. 일반적으로 확산 구역은 부품 내부로 약 500㎛까지 이른다. 질소 함량은 제3 깊이(t3)에서부터, 질화물 축적이 거의 형성되지 않을 정도로 감소한다. 따라서 필요한 재료 연성은 상기 부품 깊이에서부터 제공된다.
또 다른 한 바람직한 실시예에서, 상기 부품은 내연기관의 연소실 내로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기이며, 이 경우 연료 분사기는 노즐 몸체 내에서 종방향으로 움직일 수 있게 안내되는 노즐 니들을 갖는다. 연료 분사기 내 그리고 그곳에서도 특히 노즐 몸체 내 연료의 높은 압력 및 높은 유속으로 인해, 바로 상기 노즐 몸체가 본 발명에 따른 질화법에 적합한 것이다. 예컨대, 내연 기관의 연소실 내로 통하는 노즐 몸체의 분사 개구들에서 상황에 따라 매우 높은 캐비테이션 하중이 발생한다. 그로 인해 야기되는 캐비테이션 손상은, 본 발명에 따른 질화법을 통해 노즐 몸체의 피로 강도가 증대됨으로써 최소화되거나, 심지어 완전히 방지될 수 있다.
도 1은 질화 온도(T)에 대한 질화 퍼텐셜(KN)이 기입되어 있는 Lehrer 다이어그램으로서, 여기에는 본 발명에 따른 방법의, 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)을 이용한 방법 단계를 위한 영역이 표시되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 방법에 의해 질화처리된 부품의, 부품 깊이에 따른 질소 질량 분율이 표시되어 있는 다이어그램이다.
도 3은 주요 영역만을 도시한, 연료 분사기의 일부의 개략도이다.
도 1에 도시된 Lehrer 다이어그램에는 온도(T) 및 질화 퍼텐셜(KN)의 함수로서, 부품의 철-질소 시스템의 다양한 상태 단계가 도시되어 있다. 질화 퍼텐셜(KN)은 질화 온도(T)에 대한 로그 함수로서 기입되어 있다. 질화 지속시간은 Lehrer 다이어그램에 기입되어 있지 않지만, 통상 1시간 내지 100시간 사이이다.
질화 퍼텐셜(KN)은
Figure pct00001
로서 정의된다.
상기 식에서 p(NH3)는 암모니아의 부분압이고, p(H2)는 수소의 부분압이다. 부분압은 각각, 이상 기체 혼합물에서 개별 기체 성분들에 할당된 압력이다. 다시 말해, 부분압은, 개별 기체 성분들이 관련 체적 내에 단독으로 존재할 때 가할 수 있는 압력에 상응한다. 부분압은 통상, 용해된 기체의 확산 거동이 고려되는 경우에 질량 농도 대신 이용된다.
철-질소 시스템의 상(phase)은 ε-상 질화물 영역, γ-상 질화물 영역, γ'-상 질화물 영역 및 α-상 질화물 영역으로 나뉜다. ε-상 질화물은 매우 높은 질소 질량 분율을 가지며, 일반적으로 질화 부품의 표면에서, 이른바 연결층 또는 그 아래에 놓인 확산층에서 볼 수 있다. γ'-상 질화물 영역도 마찬가지로 높은 질소 함량을 가지나, ε-상 질화물 영역에서보다 더 많은 질소 원자 배열을 갖는다. γ'-상 질화물 영역도 마찬가지로 연결층 및 확산층에서 볼 수 있다. ε-상 질화물 영역과 γ'-상 질화물 영역 모두 비교적 경질이면서 취성을 갖는다. 그러나 본 발명에 따른 질화법 외에서는, 매우 높은 온도에서 매우 높은 질소 농도를 갖는 γ-상 질화물도 발생한다. α-상 질화물 영역은 비교적 낮은 질소 농도를 가지며, 비교적 연성이다. α-상 질화물 영역은 통상 확산층 및 모재 내에서 볼 수 있다.
도 1에 표시되어 있는, 실질적으로 γ'-상 질화물 영역에 놓인 음영 영역(12)에서 온도(T)는 약 520℃ 내지 570℃ 사이이고, 질화 퍼텐셜(KN)은 약 0.2 내지 0.4 사이이다. 이 음영 영역은 본 발명에 따른 질화법에서 낮은 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)을 이용한 방법 단계를 나타낸다.
도 2에 도시된 다이어그램에는, 본 발명에 따른 질화법으로 질화처리된 부품의 부품 깊이 "t[㎛]"의 함수로서 상기 부품의 질소 질량 분율이 "N의 질량%"로 기입되어 있다. 여기서 부품 깊이(t)는 표면에 대해 수직으로 연장되며, 질소 질량 분율은 바로 다음 에지 또는 바로 다음 윤곽 전이부까지 최소 1mm의 간격을 갖는 영역에 대해 명시되어 있다. 곡선 "MAX"는 처리된 부품의 최대 질소 질량 분율을, 그리고 곡선 "MIN"은 최소 질소 질량 분율을 나타낸다.
도 2에서는, 본 발명에 따른 질화법으로 처리된 부품의 질소 함유 연결층의 두께는 약 5㎛ 내지 10㎛에 불과하고, 그에 이어서 확산층이 시작됨을 알 수 있다. 확산층은 부품 깊이 내로 500㎛ 이상의 지점까지 이를 수 있지만, 도 2에는 표현의 한계상 거기까지는 도시되어 있지 않다.
도 3에는 연료 분사기(1)의 일부분이 개략적으로 도시되어 있으며, 여기에는 주요 영역만이 도시되어 있다. 연로 분사기(1)는 노즐 몸체(4)를 가지며, 노즐 몸체 내부에는 압력 챔버(2)가 형성되어 있다. 압력 챔버(2)는 고압 연료로 채워지고, 예컨대 연료 분사 시스템의 도시되지 않은 커먼 레일 또는 고압 펌프로부터 압력을 공급받는다. 압력 챔버(2) 내에는 노즐 니들(3)이 종방향으로 움직일 수 있게 배치되어 있다. 노즐 니들(3)은, 도시되지 않은 내연 기관의 연소실 내로의 연료 분사를 위해, 자신의 종방향 운동을 통해 노즐 몸체(4) 내에 형성되어 있는 분사 개구들(5)을 개폐한다. 노즐 몸체(4)는 특히 분사 개구들(5)의 영역에서 캐비테이션 위험에 노출된다. 노즐 몸체(4)의 캐비테이션 저항을 증대시키기 위해, 본 발명에 따른 질화법이 이용된다.
고압 하중을 받으며 합금강으로 형성된, 연료 분사 시스템의 부품, 예컨대 노즐 몸체(4)를 질화 처리하는 본 발명에 따른 질화법은, 하기의 방법 단계들, 즉,
1) 무기산 내에서 부품을 활성화하는 단계와,
2) 380℃ 내지 420℃의 산소 함유 분위기에서 부품을 사전 산화하는 단계와,
3) 520℃ 내지 570℃의 온도 및 ε-상 질화물 영역 내 높은 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)에서, 바람직하게는 1 ≤ KN,1 ≤ 10에서, 부품을 질화 처리하는 단계와,
4) 520℃ 내지 570℃의 온도 및 γ'-상 질화물 영역 내 낮은 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)에서, 바람직하게는 0.2 ≤ KN,2 ≤ 0.4에서, 부품을 질화 처리하는 단계를 포함한다.
그럼으로써 상기 부품에 대해, 도 2에 도시된 것처럼, 부품 깊이(t)의 함수로서 질소의 질량 분율이 설정된다.

Claims (8)

  1. 고압 하중을 받으며 합금강으로 형성된, 연료 분사 시스템의 부품을 질화 처리하는 방법에 있어서,
    무기산 내에서 부품을 활성화하는 단계와,
    380℃ 내지 420℃의 산소 함유 분위기에서 부품을 사전 산화하는 단계와,
    520℃ 내지 570℃의 온도 및 ε-상 질화물 영역 내 높은 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)에서 부품을 질화 처리하는 단계와,
    520℃ 내지 570℃의 온도 및 γ'-상 질화물 영역 내 낮은 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)에서 부품을 질화 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 질화 퍼텐셜(KN,1)은 1 내지 10 사이인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 질화 퍼텐셜(KN,2)은 0.2 내지 0.4 사이인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 질화되는 부품에 있어서,
    상기 부품의 표면에서 질소의 질량 분율은 11% 내지 25%인 것을 특징으로 하는, 부품.
  5. 제4항에 있어서, 상기 부품의 표면으로부터 10㎛의 제1 깊이(t1)에서 질소의 질량 분율은 3% 내지 8%인 것을 특징으로 하는, 부품.
  6. 제5항에 있어서, 상기 부품의 표면으로부터 15㎛의 제2 깊이(t2)에서 질소의 질량 분율은 2% 내지 7%인 것을 특징으로 하는, 부품.
  7. 제6항에 있어서, 상기 부품의 표면으로부터 20㎛의 제3 깊이(t3)에서 질소의 질량 분율은 2% 내지 6%인 것을 특징으로 하는, 부품.
  8. 노즐 몸체(4) 내에서 종방향으로 움직일 수 있게 안내되는 노즐 니들(3)을 가진, 내연기관의 연소실 내로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(1)에 있어서,
    노즐 몸체(4)는 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 부품인 것을 특징으로 하는, 연료 분사기(1).
KR1020177003639A 2014-07-11 2015-05-05 연료 분사 시스템의 부품을 질화 처리하는 방법 KR102337455B1 (ko)

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