KR940011851B1 - 직경이 작고 벽이 두꺼운 금속관 및 그 제조방법 - Google Patents

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Description

직경이 작고 벽이 두꺼운 금속관 및 그 제조방법

제1도는 본 발명의 직경이 작고 두꺼운 연료 분사관의 평면도.

제2도는 제1도의 일부를 절개한 확대 단면도.

제3도는 제2도의 A-A선에 따른 단면도.

본 발명은 디젤 엔진의 연료공급로용의 고압 연료 분사관에 관한 것이고, 특히 서로 야금적으로 프레스-피트된(Press-fitted) 내관과 외관을 갖으며 30mm 이하의 외경을 갖고, 내캐비테이션과 내압성이 우수한 직경이 작고 벽이 두꺼운 금속 연료 분사관 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤 엔진등의 상기한 형태의 고압 연료 분사관에서, 고압 연료는 약 5밀리초(millisecond) 분사시간, 200-600kg/cm²(피이크 압력)의 내압과 15m/sec 이하의 유속 조건하에서 분사관 안으로 흘러서 유속 또는 내압중의 하나가 빈번히 그리고 급격하게 변동한다.

예를들어, 고압 연료관용의 관재료에서 알 수 있는 바와같이, 이 종류의 중합금속관 재료는 각각 중합 주면에 미리 제공된 구리 도금막을 각각 갖는 크고 작은 직경의 고압 배관용 탄소 강판(JIS G3455 STS38)을 프레스-피팅시키고 나서, 가열처리하여 중합주면에 있는 구리 도금막을 충전재로서 납땜하는 단계로 구성되는 공정, 또는 서로 다른 직경을 갖는 2개의 관중 하나의 관을 다른관에 삽입시켜서 인발(引拔) 가공등에 의해 서로 프레스-피팅하는 단계로 구성되는 공정에 의해 형성된다.

그러나, 이러한 종래의 공정들중 전자에 따르면, 관의 내벽면과 외주면 주위에 구리도금을 해야 하기 때문에 복잡한 단계를 필요로 한다. 만약 납땜이 불충분한 경우에는, 서로 프레스-피트된 중합 주면은 헐거움 현상이 생겨, 시간이 경과함에 따라 피로(fatigue)로 인해 파손될 수 있는 갭(gap)이 발생한다. 그러나, 납땜이 충분한 경우에는, 기본금속이 납땜시 가열로 인해 연화됨에 따라 진동에 대하여 한정된 정도의 내구력만이 얻어질 수 있다. 그러므로, 우수한 연료 분사관을 제조할 수 없다.

종래의 공정중 후자에 따르면, 얻어진 형태는 간단하게 프레스-피팅을 행하는 중합면을 갖기 때문에, 중합 주면은 관이 연료 분사관으로서 사용될때 기계적 강도를 저하시키는 헐거움 현상을 일으키게 된다. 엔진의 회전시의 진동에 의해 때때로 균열 또는 파손을 발생시킨다.

최근에, 마력을 증가시킬 뿐만 아니라 NO_x를 감소시켜 시꺼먼 연기를 최소화시키는 대책이 행해져 왔으므로, 특히 고압 연료에 대하여 등귀하는 경향이 있다. 예를 들어, 1-2밀리초(millisecond) 분사시간, 약 50m/sec 이하의 유속과 600-1,000kg/cm²(피이크 압력)의 내압 조건하에서 사용될 수 있는 고압 연료 분사관이 요구되어 왔다. 결과적으로, 이와같은 과혹한 사용조건하에서 고압 연료 분사관은 (1) 반복된 고압부하로 인한 피로에 대한 내구력 (2) 내캐비테이션성 (3) 자동차체의 진동에 대한 내구력을 상당히 요한다. 그러므로, 관의 균열과 파손에 대한 안전대책은 매우 중요하다.

이 목적을 위하여, 과혹한 조건에 대한 시도 대책으로서, 외경에 대하여 25-40%의 벽두께를 갖는 직경이 작고 벽이 두꺼운 관의 고압 연료 분사관의 내관으로서 사용되고, 내관의 내벽면이 과류저항을 발생시키는 파면상(波面狀)의 불규칙한 기복을 가지지 않고, 내관의 파손 및/또는 연료 누출을 일으키는 벽이 두꺼운 내관과 외관 사이의 갭이 제거되어 있다는 것을 제안하여 왔다. 더욱이, 이러한 과류저항의 증대는 캐비테이션을 발생시켜서 내관의 내벽면을 케비테이션 부식하여, 내관을 파손시키게 된다.

그럼에도 불구하고, 상기한 과혹한 조건하에서 안전하게 사용할 수 있는 디젤엔진용 연료 분사관이 현재로서는 개발되어지지 않았다.

그러므로, 본 발명은 목적은 과혹한 조건하에서도 내캐비테이션성과 내압성이 우수한 디젤엔진용의 직경이 작고 벽이 두꺼운 연료 분사관을 제공하는 것이다.

본 발명의 첫번째 양상에 따라, 외관으로서의 탄소 강관 및, 인발공정에 의해 직경이 큰 탄소 강관에 프레스-피트된 내관으로서의 스테인레스 강관으로 이루어지고, 상기 내관 및 외관의 프레스 피트된 중합면이 야금적으로 결합되어 일체로 형성되며, 상기 내관인 스테인레스 강관의 적어도 내벽면이 Ni, Cr, Mo, Co, Al, Cu로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 1종의 금속 또는 이들의 2종 이상의 합금의 확산층을 갖는 직경이 작고 벽이 두꺼운 금속 연료 분사관이 제공되어 있다.

발명의 두번째 양상에 따라, 인발공정에 의해 내관의 탄소 강관에 Ni, Cr, Mo, Co, Al, Cu로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 1종의 금속 또는 이들의 2종 이상의 금속합금의 피복층을 갖는 내관으로서의 스테인레스 강관을 프레스-피팅하고, 다음에 무산화 분위기로 로(爐) 또는 진공로내에서 얻어진 프레스-피트된 내관과 외관을 가열처리하여 상기 내관과 외관의 중합면을 확산 접합시켜서 적어도 내관의 내벽면에 상기 합금 또는 금속의 확산층을 형성하는 단계로 이루어진 직경이 작고 벽이 두꺼운 금속 연료 분사관의 제조방법에 있다.

본 발명의 다른 장점, 특징과 또 다른 목적은 다음의 상세한 설명과 본 발명의 원리를 합체한 바람직한 실시예를 도시한 첨부된 도면에 의거하여 당업자에게 명백히 표출된다.

본 발명의 원리들은 제1, 2, 3도에 도시된 바와같이, 참조숫자 1로 표시된 직경이 작고 벽이 두꺼운 연료부사관(이하, "분사관"이라 칭함)으로 실시하였을때 특히 유용하다.

제2도와 제3도에 도시한 바와같이, 분사관 1은 외관 11과 외관 11을 통하여 그안에 삽입된 내관 12를 갖는 이중 금속관이며, 또 내관 12의 내벽면에 확산층(13)을 갖는다. 교대적을, 확산층은 내관 12의 외주면, 즉 외관 11과 내관 12를 접촉하는 경계면에 설치될 수도 있다.

본 발명에서, 탄소 강관(예를 들면, JIS G 3455 STS 38과 JIS G 3455 STS 42)는 내압성의 관점에서 특히 외관 11로서 사용되는 반면, 스테인레스 강관(예를 들면 JIS G 3459 SUS 304 TP, SUS 304 LTP)는 내캐비테이션성의 관점에서 내관 12로서 사용된다.

상기한 탄소강과 스테인레스 강의 화학 조성을 표 1에 표시하였다.

[표 1]

내관과 외관의 화학 조성

고압연료를 안전하게 통과시키기 위하여, 이중 금속관의 형태로 분사관 1은 외경은 30mm 이하, 그 벽두께는 외경에 대하여 25-40%를 갖는 것이 바람직하다. 외경과 두께는 당업계에서 관용되어 있는 것으로 부터 용이하게 규정되며, 적의 소정의 값으로 각각 규정될 수 있다.

고압 연료 분사관 1의 제조에 있어서, 어떠한 갭도 외관과 내관사이에서 발생되지 않아야 하고, 또한 어떠한 파면상의 기복도 분사관의 내벽면 14에서 발생되지 않아야 하는 것이 중요하다. 즉, 어떠한 통과저항도 내캐비테이션성의 관점에서 연료 유통로 벽면에 발생되지 않아야 한다.

이중 금소속관으로서 분사관의 제조공정의 관점으로 부터, 내관과 외관 사이의 갭과 분사관의 내벽면 14상의 불규칙한 기복은 내관과 외관을 인발공정에 의해 프레스-피팅시켜 그들의 직경을 감소시킬때와 특히 프레스-피트된 외관과 내관을 열처리 한후에 교정(矯正)롤러에 의해 교정할때(이중금속관은 열처리할때 급격하게 변형된다)발생된다. 이와같은 제조공정의 실제의조건을 유지하기 위하여, 본 발명자들은 분사관의 내벽면에 어떠한 불규칙한 기복과 내, 외관 사이의 어떠한 갭도 발생시키지 않게 하기 위하여 내관 12의 두께를 제한하는 것이 중요하다는 것을 알았다. 본 발명의 분사관 1에 대하여, 내관 12로서 스테인레스 강관의 두께는 이중금속관 전체의 외경에 대하여 1.5%-8.5%로 하는 것이 바람직하다. 이것은 다음의 이유에서 규정되어진 것이다. 만약 내관 12의 두께가 8.5%를 초과하면, 내관과 외관사이의 큰 갭을 일으키는 경향은 인발공정후와 열처리에 의한 확산전의 프레스-피팅시 교정으로 인하여 외관 11의 축방향으로 소성변형으로 급격하게 증가한다. 만약 내관 12의 두께가 1.5%를 초과하지 않는다면, 내관의 유통로의 내벽면 14에 파면상의 기복을 일으키는 경향이 교정시 롤로 트레이스(trace)로 인하여 급격하게 증가한다.

본 발명의 가장 뚜렷한 특징에 대하여, 내관 12의 적어도 내벽면은 Ni, Cr, Mo, Co, Al, Cu로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 적어도 1종의 금속 또는 이들의 2종 이상의 금속 합금의 확산층을 갖는다. 교대적으로, 확산층은 내관 12의 외벽면, 즉 외관 11의 내관 12 사이의 서로 인접하는 경계면에 설치할 수도 있고, 금속 또는 합금의 경우는 외관 11과 내관 12 사이의 경계면 주위에 확산되어, 2개의 관을 견고하게 접합하는 기능을 하게 되도록 한다.

상기한 금속 또는 합금의 확산층을 형성하기 위하여, 금속 또는 합금의 피복은 미리 내관 12의 내벽면 14에 도금등에 의해 형성되고, 외관 11과 내관 12는 프레스-피트된 후에 열처리된다. 도금 또는 압착에 의해 상기한 금속 또는 합금으로 미리 피복된(내관 형성용) 스테인레스 후우프(hoop) 또는 띠강판을 사용함으로써 내관을 제조하고, 그 다음에 열처리하여 금속 또는 합금의 확산층을 형성할 수도 있다. 확산층을 형성하는 방법은 설명한 예에 제한되지 않는다.

내관 12의 내벽면 또는 내벽면과 외벽면에 상기한 금속 또는 합금의 피복을 형성하는 것은 화학 도금에 의해 달성될 수 있다. 더욱이, 피복의 두께는 특히 제한되지 않고, 통상 1-20㎛일 수 있다.

본 발명에 있어, 외관과 내관 11, 12가 프레스-피트된 후에, 외관과 내관 11, 12의 인접하는 경계면을 야금적으로 일체로 결합시키기 때문에, 외관과 내관 11, 12는 진공로, 또는 무산화 또는 환원성 분위기로 내에서 열처리된다. 그때의 열처리에 의해 동시에 확산층이 형성된다.

상기한 프레스-피팅후, 진공로 또는 환원성 분위기로에서의 열처리 조건으로서는 야금적으로 외관과 내관의 인접 경계면을 일체화하는데 충분한 조건이면 되고, 통상, 1-30분 동안 700-1200℃에서 행해진다.

본 발명의 직경이 작고 벽이 두꺼운 연료 분사관은 다음의 결과를 나타낸다.

(i) Ni 확산층이 내관의 내벽면 주위에 형성되기 때문에, 경도가 높은 내벽면이 얻어져서 내캐비테이션성과 내압성이 개선된다.

(ii) 외관(탄소 강관)과 내관(스테인레스 강관)의 프레스-피트된 중합면은 확산에 의해 견고하게 서로 결합되기 때문에, 이 두개의 관은 굽힘과 프레스 가공시에 거의 분리되지 않는다. 일반적으로, 외관과 내관사이에서 갭이 형성되는 경우, 내관은 고압 연료의 급격한 압력 변동으로 단기간에 파손될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따라 이와같은 갭이 발생되는 일이 없다.

(iii) 일반적으로, 이 종류의 연료 분사관의 제조에 있어서, 가공력, 특히 최종공정에서 관재로 하는 교정 가공시 가해지는 가공력으로 인해 내관의 내벽면에 불규칙한 기복이 발생하여, 내캐비테이션성을 저하시킨다. 그리나, 본 발명의 배열에 있어서는, 내관의 내벽면의 어떤 불규칙한 기복의 발생이 내관의 두께를 제한함으로써 방지될 수 있기 때문에, 내캐비테이션성과 내압성을 개선하는 것이 가능하다.

[실시예]

이제, 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명은 이들 특정 실시예에 제한되지 않는다.

[실시예 1]

외관으로서 STS 38(외경 10mm, 내경 5mm)의 탄소 강관을 사용한다. 내관으로서, 내벽면에 7㎛ 두께의 Ni 도금층을 갖는 SUS 304(외경 5mm, 내경 0.5mm)의 스테인레스 강관을 사용한다.

외관과 내관을 정화처리한 후, 특히 내관의 외주면과 외관의 외주면으로 부터 유저류, 탄소 스케일(scale)등의 불순물을 제거한후 내관을 외관내에 삽입한다. 그 다음에, 인발대(drawing bench)로 인발함으로서, 외관과 내관을 상호 감합시켜 6.35mm, 내경 2.0mm를 갖는 이중 금속관을 얻는다.

다음에, 이중 금속관을 무산화분위기의 연속 열처리로 내에서 5분간, 1,100℃에서 열처리를 하여, 내, 외관의 중합면을 서로 야금적으로 일체로 결합함과 동시에, Ni-도금층이 내관의 내벽면 주위에 확산하여 Ni 성분이 풍부하고, 우수한 피로 강도, 경고가 높은 확산층을 형성한다. 얻어진 이중금속관을 접속용 머리부를 형성하는 것 등의 소망의 연속적인 공정을 행하였다. 결과적으로, 디젤 엔진용의 고압 연료 분사관이 얻어지고, 이관은 종래의 관과 비교하여 내압성뿐만 아니라 내캐비테이션성이 우수하였다. 구체적으로는, 상기한 외경과 두께를 갖고 어닐(anneal)된 STS 38로 만들어진 단일재 분사관(종래)에 있어서, 캐비테이션 부식 시험은 캐비테이션 부식을 발생하는 관내 압력 파형이 0.6mm 이하인 분사 조건하에서 행해졌다. 결과적으로, 캐비테이션 부식이 단일층 분사관의 내벽면에 거의 발생되지 않았다. 더욱이, 내피로성의 특성은 종래 관에 비해 2.4배로 증가하였다. 소위 JA SOM 104 "브레이크 튜브 시험법(brake tube test method)"의 "5.8 굽힘 피로 시험"으로 여겨지는 굽힘 피로 시험에 있어서, 내진성이 15% 증가하였다.

[실시예2]

내관으로서의 스테인레스 관이 스테인레스 후우프(띠강판)로 제조되는 것을 제외하고 이중 금속관을 실시예 1과 모두 동일하게 하여 얻었다. 특히, 내관을 스테인레스 후우프에 1㎛ 두께의 Ni-도금층과 6㎛ 두께의 Cr-도금층을 형성하고 나서, 관에 도금된 스테인레스 후우프를 형상화하여, 마지막으로 관을 플러그-인발하여 얻었다. 또한, 동일한 두께의 Ni층을 갖는 클래드 띠강판에서 내관을 얻는 것을 시도하였다. 고압 연료 분사관은 얻어진 이중 금속관으로 부터 얻어지고, 이관은 실시예 1의 관과 같이 내캐비테이션성과 내압성이 우수하였다.

Claims (9)

1. (a) 외관으로서의 탄소 강관 및, (b) 인발공정에 의해 직경이 큰 탄소 강관내에 프레스-피트된 내관으로서의 스테인레스 강관으로 구성되고, 상기 외관과 내관의 프레스 피트된 중합면을 서로 야금적으로 일체로 결합하고, 상기 내관의 스테인레스 강관의 내벽면에 적어도 Ni, Cr, Mo, Co, Al, Cu로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 1종의 금속 또는 이들의 합금의 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 직경이 작고 벽이 두꺼운 금속 연료 분사관.
2. 청구범위 제1항에 있어서, 상기 금속 연료 분사관이 30mm 이하의 외경을 갖는 금속 연료 분사관.
3. 청구범위 제1항에 있어서, 상기 금속 연료 분사관이 상기 금속 연료 분사관 외경의 25% 내지 40% 두께를 갖는 금속 연료 분사관.
4. 청구범위 제1항에 있어서, 상기 내관으로서의 스테인레스 강관이 상기 금속 연료 분사관 외경의 1.5% 내지 8.5% 두께를 갖는 금속 연료 분사관.
5. (a) 인발공정에 의하여 외관으로서의 탄소 강관내에 Ni, Cr, Mo, Co, Al, Cu로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 1종의 금속 또는 이들의 합금의 피복층을 갖는 내관으로서의 스테인레스 강관을 프레스-피팅시키고, (b) 무산화 분위기로 또는 진공로내에서 얻어진 프레스-피트된 내관과 외관을 열처리하여, 상기 내관과 외관의 중합면의 확산접합을 행하고 나서, 상기 내관의 내벽면에 적어도 상기 금속 또는 합금의 확산층을 형성시키는 것으로 구성되는 직경이 작고 벽이 두꺼운 금속 연료 분사관의 제조방법.
6. 청구범위 제5항에 있어서, 상기 무산화 분위기로 또는 진공로내에서 열처리가 700 내지 1200℃에서 행해지는 제조방법.
7. 청구범위 제5항에 있어서, 상기 금속 연료 분사관이 30mm 이하의 외경을 갖는 제조방법.
8. 청구범위 제5항에 있어서, 상기 금속 연료 분사관이 상기 금속 연료 분사관 외경의 25% 내지 40%두께를 갖는 제조방법.
9. 청구범위 제5항에 있어서, 상기 내관으로서의 스테인레스 강관이 상기 금속 연료 분사관 외경의 1.5% 내지 8.5% 두께를 갖는 제조방법.

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