KR20200011786A

KR20200011786A - 인젝터 부품의 물성 강화 방법 및 그 방법에 의해 제조된 인젝터

Info

Publication number: KR20200011786A
Application number: KR1020180086676A
Authority: KR
Inventors: 박헌준; 차성철; 정원기; 김세헌
Original assignee: 주식회사 현대케피코; 동우에이치에스티 주식회사
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-02-04
Also published as: KR102106645B1

Abstract

본 발명은 금속으로 제조된 인젝터 부품의 표면의 Cr₂O₃ 부동태층을 제거하는 표면 활성화 단계, 상기 표면 활성화 단계 후 질소를 침투시켜 열처리하는 열처리 단계 및 상기 열처리 단계 후 냉각 단계를 포함하는 인젝터 부품의 물성 강화 방법으로서, 본 발명에 의하면, 기존에 비해 인젝터 부품의 경도의 향상, 내식성의 증대 등으로 물성을 강화할 수가 있다.

Description

인젝터 부품의 물성 강화 방법 및 그 방법에 의해 제조된 인젝터{METHOD FOR ENHANCING THE PROPERTY OF A INJECTOR COMPONENT AND AN INJECTOR MANUFACTURED THROUGH THE METHOD}

본 발명은 차량의 인젝터에 구성되는 부품의 물성을 강화하는 방법과 그 방법에 의해 제조된 인젝터에 관한 것이다.

도 1은 엔진에 연료를 분사하기 위한 연료 분사 노즐인 인젝터(injector)를 도시한 것이다.

인젝터는 코일 어셈블리(1)에 의해 아마추어(2)가 자화되면 아마추어(2)가 상승하게 된다.

상승한 아마추어(2)는 스톱퍼(3)와 부딪히며, 니들 어셈블리(4) 전체를 들어 얼려 유로가 열리게 한다.

이와 같이 아마추어(2)의 자화 유무에 따라 아마추어(2)의 상하 운동이 반복되고, 그 결과 아마추어(2)가 상측으로는 스톱퍼(3), 하측으로는 포지션링(5)과 반복적으로 부딪히게 된다.

그래서, 인젝터용 스톱퍼와 포지션링은 경도, 내식성 등의 물성이 중요한데, 이를 위해 종래에는 완성된 스톱퍼와 포지션링 부품을 침탄 열처리를 통해서 후처리하였다.

즉, 850℃ 이상의 온도에서 4h 이하의 시간동안 침탄 열처리를 하였으며, 대체로 804~913의 경도(Hv), 16.1~21.5(㎛)(불균일부 최대 55.4㎛)의 층 두께를 가지고, 내식성(NaClO 8.25% 침적 발청 시간)은 1h을 나타낸다. 열복합 내구 또한 1,500h에 불과하다.

그러나, 이와 같이 제조되는 인젝터용 스톱퍼와 포지션링은 경도, 층의 두께, 내식성 및 열복합 내구상 보다 개선의 필요가 있다.

또한, 종래의 침탄 열처리에 의하면 850℃ 이상의 높은 온도에서 처리하여 부품 변형 유발할 수 있고, 열처리층 두께가 불균일하여 조립 공차 이탈 불량률도 문제가 된다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허공보 제10-1777872호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 기존에 비해 경도의 향상, 내식성의 증대 등으로 물성을 강화할 수 있는 인젝터 부품의 제조방법과 그 제조방법에 의해 제조되는 인젝터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 인젝터 부품의 물성 강화 방법은, 금속으로 제조된 인젝터 부품의 표면의 Cr₂O₃ 부동태층을 제거하는 표면 활성화 단계, 상기 표면 활성화 단계 후 질소를 침투시켜 열처리하는 열처리 단계 및 상기 열처리 단계 후 냉각 단계를 포함한다.

그리고, 상기 표면 활성화 단계는, 상기 인젝터 부품 표면에 NH₄Cl(s)을 처리하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열처리 단계는, 350℃~450℃의 온도로 9 내지 36 시간 실시하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 열처리 단계는, 상기 인젝터 부품 표면에 NH₃를 침투시키는 질화 단계 및 상기 인젝터 부품 표면에 10% CO 및 NH₃를 침투시키는 연질화 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그 결과, 상기 열처리 단계에 의한 열처리 층의 두께는 5~40㎛인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 열처리 단계에 의해 상기 열처리 층의 오스테나이트 조직에 질소 또는 탄소가 고용된 S-phase가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 인젝터 부품은 이상의 방법에 의해 제조될 수 있다.

본 발명의 인젝터 부품의 물성 강화 방법에 의해 제조되는 인젝터는, 미열처리 대비 경도가 1,000Hv 이상으로 향상되어 내구 수명이 기존과 대비하여 약 4배가 증대된다.

그리고, 내석성이 약 3.5배 증대되고, 비용 또한 절감 가능하다.

도 1은 인젝터를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 과포화 연질화 열처리 공정의 개념을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 물성 강화 방법의 공정상 시간과 온도의 관계를 도시한 것이다.
도 4 및 도 6은 비교예 2의 내식성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 7은 본 발명에 의한 실시예1의 내식성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 내구 평가의 시험 방법을 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 과포화 연질화 열처리 공정의 개념을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 물성 강화 방법의 공정상 시간과 온도의 관계를 도시한 것이다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 인젝터 부품의 물성 강화 방법 및 그 방법에 의해 제조된 인젝터를 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 인젝터 부품의 물성 강화 방법은 스톱퍼, 포지션링 등 인젝터 내부에 구성되어 아마추어의 상하 운동에 의해 충분한 경도가 요구되는 부품을 사후 공정에 의해 그 물성을 강화하기 위한 방법이다.

그 예로서 스톱퍼와 포지션링을 들었지만, 이 외에도 피스톤, 피스톤 씰, 실린더, 밸브 슬리브, 밸브 플레이트, 밸브 바디, 아마추어, 하우징 등의 고압 펌프 부품에도 적용될 수 있고, 아마추어나 코어 등의 솔레노이드 구동부 부품에도 적용될 수가 있다.

본 발명에 의한 인젝터 부품의 물성 강화 방법은 제조된 인젝터 부품을 대상으로 표면 활성화 단계, 연질화 단계 및 냉각 단계를 거침으로써 인젝터 부품의 경도 및 내식성 등을 향상시킨다.

기존에는 경도 향상을 위해 침탄 열처리에 의하였던 반면, 본 발명은 과포화 연질화 열처리 공정(SSNC, SuperSaturated NitroCarburizing)에 의하여 경도 등을 향상시키는 것이다.

도 2의 좌측의 도시와 같이, 종래에 금속 표면에는 Cr₂O₃ 부동태층이 형성되고, 이 부동태층으로 인해 연질화를 위해서는 플라즈마 질화만 가능하였다.

반면, 본 발명은 표면 활성화 단계 후 열처리 단계를 실시한다.

즉, 도 2의 우측의 도시와 도 3에서 참조되는 바와 같이, NH₄Cl(s)을 부품 표면에 처리하는 표면 활성화 단계(Activation)에 의해 부동태층을 제거하게 된다.

NH₄Cl(s)은 NH₃(g)와 HCl(g)로 분리되어, HCl에 의해 부동태층을 제거시키는 것이다. 이는 360℃에서 1시간 가량 진행시킨다.

그런 다음, 열처리 단계는 질화 단계 및 연질화 단계를 포함하여, 저온(350℃~450℃)에서 금속 표면에 9~36h 가량 질소(NH₃) 또는 탄소(CO)를 침투시켜 격자 내 고용시켜 열처리한다.

보다 구체적으로, 열처리 단계는 질화 단계 6h, 연질화 단계 6h으로 진행될 수 있고, 질화 단계는 NH₃만 처리하게 되며, 연질화 단계는 10% CO와 NH₃를 처리하는 것이다.

그리고, 열처리층 두께는 5~40㎛인 것이 바람직하며, 열처리층 두께의 균일도는 10㎛이내인 것이 바람직하다.

즉, 표면 일정 두께에 걸쳐 오스테나이트 조직에 질소 또는 탄소가 고용된 상태인 S-phase를 형성시키는 것으로서, 표면 압축잔류응력에 의해 조직이 치밀화 되어 내마모성과 내식성을 향상시키는 것이다.

이 같은 연질화 열처리 후 냉각을 실시하고, 그 결과, 높은 경도(1,200~1,400Hv)를 나타내며, 저온 공정인 바 변형률도 낮아지게 된다.

구체적으로, 열처리(질화+연질화) 온도가 350℃보다 낮으면 질소, 탄소 확산 저하에 따른 열처리 층 두께가 부족하게 되어 내구성이 저하하게 된다.

반면, 열처리(질화+연질화) 온도가 450℃보다 높으면 오스테나이트계 SUS 임계 크롬 소실로 인해 내식성이 저하(예민화)되고, 부품의 변형이 초래된다.

또한, 열처리(질화+연질화) 시간이 9h보다 짧은 경우에도 질소, 탄소 확산 저하에 따른 열처리 층 두께가 부족하게 되어 내구성이 저하하게 된다.

반면, 열처리(질화+연질화) 시간이 36h보다 길면 공정 시간의 증대에 따라 원가가 상승하며, brittle화되고, 부품의 변형 및 두께 성장 효율이 저하된다.

그리고, 열처리층 두께가 5㎛보다 얇으면 열처리층 두께의 부족에 따라 내구성이 저하되고, 열처리층 두께가 40㎛보다 두꺼우면 공정 시간의 증대에 따라 원가가 상승하며, brittle화되고, 부품의 변형 및 두께 성장 효율이 저하된다.

한편, 열처리층 두께의 균일도가 10㎛ 이내인 경우에는 경도, 내마모, 내식성이 각 부위별로 균일하고, 부위별 치수 균일도가 2㎛ 이내가 되나, 10㎛를 초과하면 경도, 내마모, 내식성이 각 부위별로 불균일하고, 부위별 치수 불균일이 5㎛ 이상이 된다. 결과적으로, 공차가 ±5㎛를 만족하지 못하면 조립 불가 현상이 발생하게 된다.

이와 같은 본 발명의 조건에 따른 실시예와 종래 기술을 포함한 비교예를 다음 표와 같이 정리하였다. 또한, 각 실시예와 비교예에 따른 물성 비교 결과도 표에 정리하였다.

경도는 마이크로 비커스 경도기(AMT-X7FS)를 이용하여 측정하였으며, 층 두께는 공구현미경(STM-LM-354U), 3D 컨포칼 현미경(VK-X250K/260K)를 이용하여 측정하였다.

그리고, 열복합 내구 평가는 도 8과 같은 테스트 챔버 내 엔진 장착부 형상의 지그에 인젝터를 조립하여 실시하고, 26 vol.% 에탄올 함유 바이오 연료(시험간 50℃ 유지)를 사용하여 1 cycle 당 6시간씩 총 200cycle(1,200시간) 실시하였다.

1cycle당 6시간은 -40℃/40분, 90℃/100분, 150℃/30분, 가열, 냉각으로 이루어졌다.

	실시예1	비교예1 (미 열처리)	비교예2 (종래, 침탄)	비교예3	비교예4	비교예5	비교예6	비교예7
질화+연질화 온도	450℃	-	-	450℃	330℃	480℃	450℃	450℃
질화(NH3)+연질화(10% CO+NH3) 시간	질화 6h+연질화 6h	-	-	연질화 12h	질화 6h+연질화 6h	질화 6h+연질화 6h	질화 6h+연질화 2.5h	질화 6h+연질화 30.5h
경도(Hv50) 평균	1,360	232	859	1,320	1,274	1,317	1,287	1,372
층 두께(㎛) 평균	21.7	-	18.8(불균일부 최대 55.4)	20.6	4.8	23.2	4.5	40.8
층 두께(㎛) 균일도	2 이내	-	40 이내	2 이내	1 이내	3 이내	1 이내	12 이내
부품 치수 균일도(㎛)	2 이내	1 이내	20 이내	2 이내	1 이내	3 이내	1 이내	7 이내
내식성(NaClO 8.25% 침적 발청시간)(h)	3.5	1	1	3	2.7	0.8	2.5	4
열복합 내구(h)	2,500	600	1,500	2,200	1,000	2,400	900	2,700

표를 참조하면, 비교예 4와 같이 열처리 온도가 낮으면 열처리 층 두께가 부족하고 내구성이 저하됨을 확인할 수 있다.

반면, 비교예 5와 같이 열처리 온도가 높으면 내식성이 저하됨을 알 수 있다.

그리고, 비교예 6과 같이 열처리 시간이 9h보다 짧으면 열처리 층 두께가 부족하여 내구성이 저하되면 알 수 있고, 비교예 7과 같이 열처리 시간이 36h보다 길면 층 두께가 크므로 원가가 상승되고 brittle화, 부품 변형으로 두께 성장에 대한 효율이 저하되며, 균일도가 나빠짐을 알 수 있다.

다음 표2는 구체적인 부품에서 깊이별 경도를 비교하였다.

구분		비교예2		비교예3		실시예1
부품		스톱퍼	포지션링	스톱퍼	포지션링	스톱퍼	포지션링
깊이별 경도(Hv)	0㎛	802	959	1,383	1,304	1,407	1,316
	4㎛	690	853	995	984	1,164	1,246
	8㎛	594	663	635	624	989	1,009
	12㎛	516	525	544	537	626	720
	16㎛	406	478	389	391	402	415
	20㎛	391	358	378	368	363	344
	24㎛	420	326	372	366	380	343

표와 같이 실시예1은 비교예3과 달리 질화(NH3) 선처리 후 연질화(10% CO + NH3)를 처리하는 것으로서, 이에 의하면 질소가 탄소 대비 확산율이 낮기 때문에 질소의 보다 효율적인 확산이 가능하다.

그래서, 깊이 방향의 경도 balance를 향상시키고, 내마모성 및 내구성을 보다 향상시킨다.

표에서 내식성은 NaClO 8.25% 용액에 침적하여 평가하였으며, 비교예 2의 경우 1시간 뒤 발청이 발생하고, 실시예 1의 경우는 3.5시간 후 발청이 발생하였다.

도 4는 4시간 침적 후 비교예 2를 촬영한 것이며, 도 5는 4시간 침적 후 실시예 1의 촬영 결과이다.

그리고, 도 6은 24시간 침적 후 비교예 2를 촬영한 것이며, 도 7은 24시간 침적 후 실시예 1의 촬영 결과이다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

1 : 코일 어셈블리
2 : 아마추어
3 : 스톱퍼
4 : 니들 어셈블리
5 : 포지션링

Claims

금속으로 제조된 인젝터 부품의 표면의 Cr₂O₃ 부동태층을 제거하는 표면 활성화 단계;
상기 표면 활성화 단계 후 질소를 침투시켜 열처리하는 열처리 단계; 및
상기 열처리 단계 후 냉각 단계를 포함하는,
인젝터 부품의 물성 강화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 표면 활성화 단계는,
상기 인젝터 부품 표면에 NH₄Cl(s)을 처리하는 것을 특징으로 하는,
인젝터 부품의 물성 강화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열처리 단계는,
350℃~450℃의 온도로 9 내지 36 시간 실시하는 것을 특징으로 하는,
인젝터 부품의 물성 강화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열처리 단계는,
상기 인젝터 부품 표면에 NH₃를 침투시키는 질화 단계; 및
상기 인젝터 부품 표면에 10% CO 및 NH₃를 침투시키는 연질화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
인젝터 부품의 물성 강화 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 열처리 단계에 의한 열처리 층의 두께는 5~40㎛인 것을 특징으로 하는,
인젝터 부품의 물성 강화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 열처리 단계에 의해 상기 열처리 층의 오스테나이트 조직에 질소 또는 탄소가 고용된 S-phase가 형성되는 것을 특징으로 하는,
인젝터 부품의 물성 강화 방법.
청구항 1 내지 청구항 6에 의해 제조되는 인젝터 부품.