JP2011064204A - 窒化処理した合金鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料が供給されるノズル本体1の内部でニードル弁2を移動させることによりノズル本体とニードル弁が接触するシート面6,11を開閉し、ノズル本体に開口したノズル孔8からの燃料噴射を制御するディーゼルエンジン用燃料噴射装置において、ノズル本体とニードル弁の各シート部6,11となる部分を窒化処理した合金鋼で構成し、その表面から化合物層及び拡散層の第1層を除去する。靭性の高い第2層がシート面となるので、耐摩耗性と耐疲労性が向上し、特にノズル本体のシート部のスポーリング発生を防止できる。
【選択図】図1
Description
すなわち、シート部の耐磨耗性に影響する因子として、SKH51に析出している比較的大きな共結晶物(MC、M6 C)が考えられる。ニードル弁のシート部に析出したこの炭化物は角張っており、素地より硬いため磨耗せずに表面に浮き出て、ノズルボデー側のシート部を削ることが考えられる。特に焼入れ温度が高すぎたり、保持時間が長すぎると角型化し、粗大化するので注意が必要である。
窒化処理した合金鋼の表面から最表面にある脆く衝撃力に弱い化合物層及びその下層であって窒化処理した合金鋼の拡散層において疲労破壊が発生する部位の表面側にある比較的窒素含有量が多く硬い窒化物が粒界および粒内に析出しやすく衝撃力の繰返しにより損傷しやすい拡散層の表面側の第1層が除去されて、前記第1層の下層であって窒化処理した合金鋼の拡散層において疲労破壊が発生する部位の内部にある比較的窒素含有量が少なく靱性がある拡散層の内部の第2層が露出していることを特徴としている。
前記第2層が、研磨によって表面粗さが少なくともRa0.4未満の滑らかさとされていることを特徴としている。
合金鋼の全面を窒化処理し、
次に表面を研磨して最表面にある脆く衝撃力に弱い化合物層及びその下層であって窒化処理した合金鋼の拡散層において疲労破壊が発生する部位の表面側にある比較的窒素含有量が多く硬い窒化物が粒界および粒内に析出しやすく衝撃力の繰返しにより損傷しやすい拡散層の表面側の第1層を除去して、前記第1層の下層であって窒化処理した合金鋼の拡散層において疲労破壊が発生する部位の内部にある比較的窒素含有量が少なく靱性がある拡散層の内部の第2層を露出させることを特徴としている。
窒化処理された合金鋼の断面を鏡面研磨し、該断面を10%以上の硝酸アルコールでエッチングした後に顕微鏡で観察して拡散層の前記第1層と前記第2層の境界を確認し、前記合金鋼の表面を研磨して前記化合物層及び拡散層の前記第1層を除去するために必要な研磨量を決定する工程を含むことを特徴としている。
図1は本発明の実施形態のディーゼルエンジン用燃料噴射装置の断面図である。
図2は同実施形態のディーゼルエンジン用燃料噴射装置のノズル本体の加工工程を示す断面図、図3は同実施形態のディーゼルエンジン用燃料噴射装置のニードル弁の加工工程を示す断面図、図4は同実施形態のディーゼルエンジン用燃料噴射装置の材料である窒化された合金鋼(SKD61)の窒化層形態を示す電子顕微鏡写真の図である。
図5は同実施形態と比較例の各素材に適用した往復動摩耗試験の概要を示す模式図、図6は同往復動摩耗試験における焼付き試験の要領を示す図、図7は同往復動摩耗試験における摺動速度変動試験の要領を示す図である。
図8は同往復動摩耗試験で得られた同実施形態と比較例の各素材の摩擦力を比較する図、図9は同往復動摩耗試験後における比較例の試験片の外観写真を示す図、図10は同往復動摩耗試験後における同実施形態の試験片の外観写真を示す図、図11は同往復動摩耗試験後における同実施形態の試験片の外観写真を示す図、図12は同往復動摩耗試験後における同実施形態の試験片の外観写真を示す図である。
図13は、本発明の他の実施形態であって、ディーゼルエンジン用燃料噴射装置にチェックバルブやリリーフバルブ等として適用される弁装置の断面図である。
図1に示すように、本例のディーゼルエンジン用燃料噴射装置は、燃料が供給されるノズル本体1(ノズルボデー)と、その内部で移動自在とされたニードル弁2を有している。
本例のディーゼルエンジン用燃料噴射ノズルでは、ノズル本体1とニードル弁2に、SKD61又はそれに類する鋼の表面を所定の条件下で窒化処理した材料を使用する。ノズル本体1は高強度、耐衝撃性、耐摩耗性が同時に要求されるので、鋼以外の金属材料では代替できず、また安定な窒化物を作るAl、Cr、Mo、V 、Ti等を合金成分に持っている鋼が好ましい。SKD61でノズル本体1とニードル弁2を形成した後、これを窒化処理し、さらにノズル本体1とニードル弁2の各シート部6,11において化合物層と拡散層の第1層を研磨加工で除去し、靭性のある第2層をシート部6,11とする。
(1)試験方法(図5〜図7)
以上のようにして製造される本例のディーゼルエンジン用燃料噴射装置の効果を確認するために、本例においてノズル本体1とニードル弁2に供されるものと同材質の試験片を用意し、比較用の試験片とともに往復動摩耗試験に供し、その結果を比較する。
試験荷重:5kgf/5min保持にてステップアップし、100kgfまで荷重。
試験温度:板試験片加熱温度150℃一定、潤滑油容器は室温
平均摺動速度:1.5m/s
ストローク:100mm
潤滑油滴下量:9ml/h
潤滑油:新日本石油社製 MARINE T204
板試験片:SKD61窒化後研磨、SKD61窒化後研磨さらに#800研磨仕上げの2種類。
ピン試験片:SKD61、SKD61窒化後研磨の2種類。
すなわち、始動開始後、摺動速度0.02m/sにセットし、荷重を5kgfとして数サイクル保持する(a)。次に、1.5m/sにスピードアップし、5分間保持する(b)。次に、0.02m/sに落として数サイクル保持する(c)。次に、荷重を10kgfにステップアップした後、数サイクル保持する(d)。以降、同様に荷重を100kgfまでステップアップする(e)。
図8は、ピン試験片としてSKD61と、SKD61窒化後研磨の2種類を用い、板試験片としてSKD61窒化後研磨さらに#800研磨仕上げを追加したものを用いて行なった焼付き試験の結果を示す。この結果は、窒化して研磨したピンを用いると、窒化しない場合に比べて摩擦力が荷重100kgfに至るまで一貫して低いことを示している。
ピン試験片SKD61窒化処理無しと、板試験片SKD61窒化後研磨の組み合わせのものは、図9に示すように、ピン試験片の球面が完全に消滅するほど摩耗している。
ピン試験片SKD61窒化処理無しと、板試験片SKD61窒化後研磨の組み合わせのものは、荷重30kgfにてかじり発生のため、摩耗痕は7.81mmとほぼピン試験片のの外径に近い大きさとなった(図9に相当)。
本例のディーゼルエンジン用燃料噴射装置と、従来品とを、ディーゼルエンジンに実装して使用した後のシート部の摩耗状態を比較した。
本例のディーゼルエンジン用燃料噴射装置は、ノズル本体及びニードル弁のシート部が、SKD61窒化後研磨して化合物層及び拡散層の第1層を除去したものである。
従来品は、ノズル本体がSKD61であり、ニードル弁はSKH51である(ノズル本体は窒化する)。
同一条件で使用したところ、従来品の磨耗が3〜4μmであったのに対し、本例では磨耗が2μmに減少した。
以上説明した実施形態は、ディーゼルエンジン用燃料噴射装置中の燃料噴射が行なわれるノズル部分に関するものであったが、本例の弁装置は、ディーゼルエンジン用燃料噴射装置の燃料系統中に設けられ、燃料を圧送するポンプのチェックバルブ(吸入弁、吐出弁、等圧弁)、圧力が一定値以上にならないように作動するリリーフバルブ(安全弁)などに使用できる。
この弁装置の本体21は、燃料が流入する入口23と燃料が流出する出口24とを有し、入口23と出口24は内部の空間25で連通しており、前記入口23にはテーパ状の本体シート部26が形成されている。本体21の内部の空間25には、弁体22が移動可能に収納されている。弁体22の入口23側の一端部には、本体シート部26に当接して入口23を閉止するテーパ状の弁体シート部27が設けられている。そして、本体21の空間25内において、出口24と、弁体22の他端部に設けられた受け部28との間には、弁体22を所定の付勢力で入口23に向けて押圧する付勢手段としてのばね29が設けられており、後述するように入口23側の燃料圧力が小さい場合には、ばね29によって、弁体シート部27を本体シート部26に当接させて前記入口23が閉止されるように構成されている。なお、本例では、弁体シート部27はテーパ状とされているが、これ以外の形状、例えば平面状であってもよい。
すなわち、入口23における燃料圧力が弁体22に与える力が、出口24における燃料圧力が弁体22に与える力に対して、ばね29の付勢力以上の差で大きくなると、弁体22はばね29の付勢力にも係わらず出口24側(図中下方)に押し戻され、弁体シート部27と本体シート部26が離れて隙間ができ、その隙間を通って燃料が入口23から出口24に移動する。
2 ディーゼルエンジン用燃料噴射装置のニードル弁
3 案内孔
4 燃料溜まり
5 燃料供給孔
6 ノズル本体のシート部
8 ノズル孔
10 ニードル弁の基部
11 ニードル弁のシート部
12 ニードル弁の先端部
21 弁装置の本体
22 弁装置の弁体
23 入口
24 出口
26 本体シート部
27 弁体シート部
29 付勢手段としてのばね
Claims (7)
- 燃料が供給されるノズル本体の内部でニードル弁を移動させることによりノズル本体とニードル弁が接触するシート部を開閉し、ノズル本体に開口したノズル孔からの燃料噴射を制御するディーゼルエンジン用燃料噴射装置において、
前記ノズル本体と前記ニードル弁の前記シート部となる部分は、窒化処理した合金鋼からなり、その表面から化合物層及び拡散層の第1層が除去されていることを特徴とするディーゼルエンジン用燃料噴射装置。 - 燃料が供給されるノズル本体の内部でニードル弁を移動させることによりノズル本体とニードル弁が接触するシート部を開閉し、ノズル本体に開口したノズル孔からの燃料噴射を制御するディーゼルエンジン用燃料噴射装置において、
前記ノズル本体と前記ニードル弁の前記シート部となる部分は、窒化処理した合金鋼からなり、前記ノズル本体の前記シート部となる部分の表面からは化合物層及び拡散層の第1層が除去されていることを特徴とするディーゼルエンジン用燃料噴射装置。 - 前記ノズル本体の前記シート部となる部分が、研磨によって表面粗さが少なくともRa0.4未満の滑らかさとされている拡散層の第2層であることを特徴とする請求項1又は2に記載のディーゼルエンジン用燃料噴射装置。
- 燃料が供給されるノズル本体の内部でニードル弁を移動させることによりノズル本体とニードル弁が接触するシート部を開閉し、ノズル本体に開口したノズル孔からの燃料噴射を制御するディーゼルエンジン用燃料噴射装置の製造方法において、
前記ノズル本体と前記ニードル弁を合金鋼で形成し、
次に前記ノズル本体と前記ニードル弁の全面を窒化処理し、
次に前記ノズル本体と前記ニードル弁の前記シート部となる部分の表面を研磨して化合物層及び拡散層の第1層を除去し、
次に前記ノズル本体と前記ニードル弁を組み立てることを特徴とするディーゼルエンジン用燃料噴射装置の製造方法。 - 前記ノズル本体及び前記ニードル弁と同材質で同様に窒化処理された合金鋼の断面を鏡面研磨し、該断面を10%以上の硝酸アルコールでエッチングした後に顕微鏡で観察して拡散層の第1層と第2層の境界を確認し、前記ノズル本体と前記ニードル弁の前記シート部となる部分の表面を研磨して化合物層及び拡散層の第1層を除去するために必要な研磨量を決定する工程を含むことを特徴とする請求項4記載のディーゼルエンジン用燃料噴射装置の製造方法。
- ディーゼルエンジン用燃料噴射装置に設けられ、入口から燃料が供給される本体の内部で弁体を移動させることにより本体と弁体が接触するシート部を開閉して本体の出口から燃料を流出させる弁装置において、
前記本体と前記弁体の前記シート部となる部分は、窒化処理した合金鋼からなり、その表面から化合物層及び拡散層の第1層が除去されていることを特徴とする弁装置。 - 燃料が流入する入口と燃料が流出する出口とを有し、前記入口には本体シート部が形成された本体と、
前記本体の内部に移動可能に収納され、前記本体シート部に当接して前記入口を閉止する弁体シート部を備えた弁体と、
前記本体の内部に設けられて前記弁体を所定の付勢力により前記弁体シート部を前記本体シート部に当接させて前記入口を閉止させる付勢手段と、
を有し、
前記入口の燃料圧力によって前記弁体に作用する力が、前記出口の燃料圧力によって前記弁体に作用する力に対して前記付勢力以上大きくなると、前記弁体シート部と前記本体シート部が離れて燃料が入口から出口に移動し、
前記入口の燃料圧力によって前記弁体に作用する力が、前記出口の燃料圧力によって前記弁体に作用する力と前記付勢力の和よりも小さくなると、前記弁体シート部と前記本体シート部が接触して燃料の流路が遮断されるように構成され、
ディーゼルエンジン用燃料噴射装置に設けられる弁装置において、
前記本体シート部と前記弁体シート部は、窒化処理した合金鋼からなり、その表面から化合物層及び拡散層の第1層が除去されていることを特徴とする弁装置。
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