JP2015055165A - スチール製の燃料圧送配管 - Google Patents

Abstract

【課題】 腐食性燃料に対する高い耐性を有すると共に、追従性を持ちめっき後の加工が可能な高品質のスチール製の燃料圧送配管の提供。【解決手段】 スチール製母材鋼管の内表面にＮｉめっき層が形成され、かつそのＮｉめっき層は全部が母材とＮｉの相互拡散層と、拡散層の最表面に形成されたＮｉのみの非相互拡散層とで構成され、かつ前記非相互拡散層の層厚が３μｍ以上で、前記相互拡散層と非相互拡散層の合計層厚が１０μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、ガソリン直噴エンジンシステムやディーゼルエンジンシステムにおける燃料をエンジンに供給する配管に係り、特に粗悪な腐食成分を含む燃料に対して耐性を有する配管に関するものである。

近年、燃費向上による環境負荷低減を目的として開発が進んでいるガソリン直噴エンジンシステムでは、燃料（ガソリン）を燃料タンクからポンプを経てエンジンの直噴レールに供給する配管に対して、既存の各気筒吸気ポート噴射エンジンよりも高耐圧性・高機密性が要求されている（特許文献１参照）。又、ディーゼルエンジンシステムでは、共通の燃料供給通路から分岐した高圧燃料配管に気筒毎のインジェクタを結合した構成を有する燃料噴射装置において、高圧燃料配管に対して高耐圧性・高機密性が要求されている（特許文献２参照）。さらに、バイオ由来のアルコール燃料に代表されるような腐食性成分を多く含む燃料（以下、「腐食性燃料」と称する）を用いる内燃機関に対しても耐食性を有する配管が要求されている。

上記したガソリン直噴エンジンシステム、ディーゼルエンジンシステムに使用される燃料の圧送配管においては、前記の耐圧性、機密性及び耐食性等の諸性能を有する仕様として、ステンレス系の材料に各種塑性加工（管末成形加工、曲げ加工等）や接合加工（ろう付け加工等）を施して製品とされたものが最も多く採用されている。

一方、既存の各気筒吸気ポート噴射エンジンにおいては、前記したステンレス系配管より安価な低炭素鋼等のスチール系配管を採用した燃料圧送配管が提案されている（特許文献３参照）。このスチール製の燃料圧送配管は、特に腐食性燃料に対する高い耐性を得るために、腐食性燃料への耐性に優れる内表面処理及び／又は外表面処理を施したもので、スチール製配管内表面にＮｉめっき層を形成し、さらに前記Ｎｉめっき層上にＺｎめっき層又はＺｎ基合金めっき層からなる防錆皮膜層を設けたもの、さらにそのスチール製配管の外表面にＺｎめっき層又はＺｎ基合金めっき層を形成したもの等である。

特開２００６−１５２８５２号公報 特開２００２−５４３５４号公報 特開２０１２−２６３５７号公報

しかしながら、従来の前記塑性加工や接合加工が施されたステンレス配管では、塑性加工時の応力腐食割れ（ＳＣＣ）、接合加工時の熱影響による粒界腐食や鋭敏化（ＳＣＣの発生危険度の上昇）、機械的性質（強度）の低下等が懸念される。一方、スチール系配管の場合は、母材の鋼鉄より電気的に優れるＮｉ系、Ｃｒ系等の保護めっきを施すことでバリア機能を付加することが考えられるが、腐食の起点となり得るピンホール等の欠陥を完全になくすために相当量の膜厚・層厚（数十μｍレベル）を施す、又は複数の皮膜を複層化・合金化する必要があるためコスト高となること、又、母材の鋼鉄より電気的に劣るＺｎ系、Ａｌ系等の犠牲めっきを施すことで犠牲防食性を付加することが考えられるが、犠牲防食性を有するため腐食性燃料に防錆成分であるＺｎやＡｌがイオンとして溶出してしまい、これら溶出イオンが内燃機関各所に各種弊害をもたらすこと、等が懸念される。
さらに、腐食性燃料に対する高い耐性を得るために、腐食性燃料への耐性に優れる内表面処理及び／又は外表面処理を施したスチール製の燃料圧送配管の場合、例えば管内表面に所望層厚のＮｉめっき層を形成し、管外表面のＺｎめっきを管内表面の一部のみに付き回らせることで、防錆成分であるＺｎの溶出を極限にまで抑えた上で管内の耐食性をＺｎめっきの犠牲防食性で補うという手段をこうじた場合には、Ｚｎめっきが全て溶出すると犠牲防食性が無くなるという問題がある。又、Ｎｉめっき層に無電解ＮｉＰめっきを用いた場合、一般的にＮｉＰめっきは硬い皮膜であるため、めっき後の加工によって皮膜割れが発生してしまうおそれがある。このため、製品形状に加工した後に無電解ＮｉＰめっきを行わなければならず、コスト高を余儀なくされる。

なお、耐食性並びにめっき密着性に優れた鋼帯（鋼板を含む）として、Ｎｉめっき層の一部又は全てをＦｅ−Ｎｉ拡散層とし、かつ表層のＦｅ露出率を３０％以下とした高耐食性Ｎｉめっき鋼帯が提案（特開平６−２１０４号公報）されているが、内面の清浄度が規定されている燃料圧送配管においては赤錆に対してより厳しい管理下にあるため、この高耐食性Ｎｉめっき鋼帯は本願発明の改善の対象とする燃料圧送配管の材料としては十分とはいい得ない。

本発明は、前記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、ガソリン直噴エンジンシステムやディーゼルエンジンシステムにおける燃料をエンジンに供給する配管において、腐食性燃料に対する高い耐性を有すると共に、追従性を持ちめっき後の加工が可能な高品質のスチール製の燃料圧送配管を提供しようとするものである。

本発明に係るスチール製の燃料圧送配管は、ガソリン直噴エンジンシステム、ディーゼルエンジンシステムにおける燃料を高圧ポンプから直噴レールに圧送するスチール製燃料圧送配管であって、当該スチール製燃料圧送配管は、スチール製母材鋼管の内表面にＮｉめっき層が形成され、かつそのＮｉめっき層は全部が母材とＮｉの相互拡散層（以下、説明の便宜上「拡散層」と称する）と、前記拡散層の最表面に形成されたＮｉのみの非相互拡散層（以下、説明の便宜上「非拡散層」と称する）とで構成され、かつ前記非拡散層の層厚が３μｍ以上で、前記拡散層と非拡散層の合計層厚が１０μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とするものである。また、前記相互拡散層と非相互拡散層が接続頭部の端末シール部位まで施されていることを好ましい様態とするものである。

本発明は、管内表面、即ち燃料流路領域において、母材とＮｉの拡散層と、拡散層の最表面に形成されたＮｉのみの非拡散層とで構成され、かつ前記非拡散層の層厚が３μｍ以上で、前記拡散層と非拡散層の合計層厚が１０μｍ以上２５μｍ以下のＮｉめっき層を設けたことにより、管内表面全ての領域において腐食性燃料に対する防食性のより優れた燃料圧送配管が得られると共に、ガソリン直噴エンジンシステム、ディーゼルエンジンシステムの信頼性が大きく高められるという優れた効果を奏する。

本発明の燃料圧送配管の一実施態様を示す要部断面図である。 図１に示す燃料圧送配管の要部を拡大して示す断面図である。 図１に示す燃料圧送配管のＮｉめっき層を拡大して示す模式断面図である。

図１は本発明の燃料圧送配管の接続構造を例示したもので、外方に円錐形状に開口する受圧座面２−２が形成された貫孔２−１を有し、外周面に雄螺子２−３が形成された筒状の相手部品２の前記受圧座面２−２に、軸芯に流路１−２を有すると共にその先端に先細略円錐形状でかつ円弧状のシート面１−４を有する押圧座面１−３が形成された接続頭部１−１を有する燃料圧送配管１を当接させ、前記相手部品２に設けられた雄螺子と、予め燃料圧送配管１に組込まれた袋ナット３による螺合により、燃料圧送配管１の接続頭部１−１の首下での押圧によって締結される構造となっている。

本発明の燃料圧送配管１の配管母材として用いるスチール系配管としては、腐食性燃料に対してより有効な作用効果を奏する適正な高耐久性を期待できるシームレス管を用いるのが好適である。又、その端末部の接続頭部１−１は例えば挫屈加工によって成形するため接合加工のための溶接工程を省略できる。このため、従来のステンレス系配管で見られる塑性加工時の応力腐食割れ（ＳＣＣ）がなく、接合加工時の熱影響による粒界腐食や鋭敏化（ＳＣＣの発生危険度の上昇）、機械的性質（強度）の低下を防止できる。

上記燃料圧送配管１の管内表面、即ち当該配管の端末シール部位（シート面１−４等）を含む燃料流路領域に設けるＮｉめっき層４は、その断面を図３に示すように配管母材（Ｆｅ）１１とＮｉの拡散層（Ｆｅ−Ｎｉ）４ａと、該拡散層４ａの最表面に形成されたＮｉのみの非拡散層４ｂとで構成され、かつ非拡散層の層厚は３μｍ以上で、拡散層４ａと非拡散層４ｂの合計層厚は１０μｍ以上２５μｍ以下である。ここで、拡散層４ａの最表面に形成したＮｉのみの非拡散層４ｂの層厚を３μｍ以上とし、かつ前記拡散層４ａと非拡散層４ｂの合計層厚を１０μｍ以上２５μｍ以下と限定したのは、熱処理によってＮｉめっきの応力が除去されることにより加工部に対して追従性を有し、かつ腐食性燃料からの配管母材への腐食攻撃に対するバリア機能を十分に保持するためである。なお、拡散層４ａと非拡散層４ｂの合計層厚が２５μｍを超えると製造コストの上昇に見合う効果が得られないばかりか、当該管材の内径寸法が縮小されるため高圧燃料配管の寸法公差から外れるおそれがある。

本発明において、上記のように燃料圧送配管１の管内表面に、配管母材１１とＮｉの拡散層４ａと、前記拡散層４ａの最表面に形成されたＮｉのみの非拡散層４ｂとで構成され、かつ前記非拡散層４ｂの層厚が３μｍ以上で、前記拡散層４ａと非拡散層４ｂの合計層厚が１０μｍ以上２５μｍ以下のＮｉめっき層を設けることにより、例えば管外表面に施されたＺｎめっきを管内表面の一部に付き回らせた燃料配管のＺｎめっきが腐食性燃料によって全て溶出してしまっても耐食性が保持される。又、配管母材とＮｉの拡散層４ａは、配管母材とＮｉの相互拡散により強固なアンカー効果を持つ一方、非拡散層４ｂは熱処理によって応力が除去されるため展性が向上し追従性を持つため、端末加工や曲げ加工等の加工部においても皮膜割れが生じることはない。さらに、この拡散層４ａと非拡散層４ｂとからなる所定の層厚を有するＮｉめっき層を配管の端末シール部位を含む箇所に施すことで、Ｚｎめっきを施さなくても当該燃料圧送配管は腐食性燃料に対する耐食性を保持することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で変更・実施することは、全て本発明の技術的範囲に含まれる。
実施例では、配管内面に施したＮｉめっき層（防錆皮膜層）の示す効果について、腐食性燃料に対する腐食性試験を行い、腐食状況（耐食性）を目視並びに顕微鏡で観察して判定した。

［実施例１〜９］
配管母材に外径８ｍｍ、内径５ｍｍのスチール製管材（供試Ｎｏ．１〜９）を用いて、常法の電気めっきと熱処理により各管内表面に層厚０．６〜１９．６μｍの拡散層と層厚３．１〜２０．６μｍの非拡散層とから成るＮｉめっき層（層厚１０μｍ以上２５μｍ以下）を形成した。
本実施例におけるスチール製管材の拡散層と非拡散層からなるＮｉめっき層の層厚の測定、腐食性試験及び追従性試験（曲げ加工試験）を下記要領で行った結果を表１に示す。

・Ｎｉめっき層の層厚の測定：
拡散層と非拡散層からなるＮｉめっき層の層厚は、走査電子顕微鏡（ＪＥＯＬ製：６５１０ＬＡ）及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＪＥＯＬ製：ＪＥＤ−２３００）を用い線分析にて測定した。
・腐食性試験：
内面全体にＮｉめっきが施された各スチール製管材内に、腐食性燃料（２０％アルコール混合燃料（ガソリン）（有機酸（蟻酸及び酢酸）５００ｐｐｍ，水分５％、塩素１０ｐｐｍを含む）を封入して、温度１２０℃で１０００時間放置した時の管内の腐食状況を確認した。腐食評価は、赤錆の有無を目視及び実態顕微鏡にて確認して判定した。
・追従性試験：
内面全体にＮｉめっきが施された各スチール製管材をＲ１５でＵ字形に曲げ加工を施した後、走査顕微鏡を用いて当該曲げ加工部のめっき皮膜の皮膜割れ状況を観察した。

［比較例１〜４］
実施例１〜９と同じ外径８ｍｍ、内径５ｍｍのスチール製管材を用いて、常法の電気めっきと熱処理により各管内表面に層厚１．０〜２２．０μｍの拡散層と層厚１．９〜６．０μｍの非拡散層とから成るＮｉめっき層を形成した。なお、Ｎｉめっき層の層厚の測定は、前記実施例１〜９と同じ方法で測定した。
本比較例におけるスチール製管材の拡散層と非拡散層からなるＮｉめっき層の腐食性試験及び追従性試験（曲げ加工試験）を実施例１〜９と同様の方法で行った結果を表１に併せて示す。

［従来例１］
実施例１〜９と同じ外径８ｍｍ、内径５ｍｍのスチール製管材を用いて、常法の電気めっきにより管内表面に層厚７．０μｍの非拡散層のみ形成し（拡散層なし）、腐食性試験及び追従性試験（曲げ加工試験）を実施例１〜９と同様の方法で行った結果を表１に併せて示す。なお、Ｎｉめっき層の層厚の測定は、前記実施例１〜９と同じ方法で測定した。

［従来例２］
実施例１〜９と同じ外径８ｍｍ、内径５ｍｍのスチール製管材を用いて、常法の電気めっき及び熱処理により管内表面に層厚７．５μｍの拡散層のみ形成し（非拡散層なし）、腐食性試験及び追従性試験（曲げ加工試験）を実施例１〜９と同様の方法で行った結果を表１に併せて示す。なお、Ｎｉめっき層の層厚の測定は、前記実施例１〜９と同じ方法で測定した。

［従来例３］
実施例１〜９と同じ外径８ｍｍ、内径５ｍｍのステンレス製管材（ＳＵＳ３０４製）の腐食性試験及び追従性試験（曲げ加工試験）の結果を表１に併せて示す。

［従来例４］
実施例１〜９と同じ外径８ｍｍ、内径５ｍｍのスチール製管材を用いて、無電解ＮｉＰめっきにより管内表面に層厚４．６μｍの非拡散層を形成し、その管内端末の一部をＺｎめっきで皮膜したものについて腐食性試験及び追従性試験（曲げ加工試験）を行った結果を表１に併せて示す。

表１の結果より、以下のように考察することができる。
（１）．管内表面において、母材とＮｉの拡散層と、拡散層の最表面に形成されたＮｉのみの非拡散層とで構成され、かつ非拡散層の層厚が３μｍ以上で、前記非拡散層と拡散層の合計層厚が１０μｍ以上２５μｍ以下のＮｉめっき層を形成した実施例１〜９の本発明のスチール製管材は、いずれも熱処理によってＮｉめっきの応力を除去できたことにより加工部に対しても追従性が見られ、非拡散層が３μｍ以上、かつ非拡散層と拡散層の合計が１０μｍ以上存在することで腐食性燃料に対する防錆力が十分保持されたことにより非加工部及び加工部共に赤錆の発生は見られず、追従性及び耐食性に優れることが明らかである。
（２）．非拡散層の層厚が本発明の規定値より外れた比較例１（層厚２．１μｍ）のものは、追従性には問題ないが、腐食性試験の結果より明らかなように、皮膜が薄膜であることから本発明の実施例１〜９に比べて耐食性が劣るため、燃料圧送配管としては採用し難い。
（３）．Ｎｉの非拡散層と拡散層の合計層厚が本発明の規定値より外れた比較例２（合計層厚２８．０μｍ）のものは、加工部に対しても追従性が見られ、かつ腐食性燃料に対する防錆力が十分保持されたことにより非加工部及び加工部共に赤錆の発生も見られないが、Ｎｉの非拡散層と拡散層の合計層厚が規定層厚２５μｍを超えると前記した通り当該管材の内径寸法が縮小されるため、この場合も燃料圧送配管としては採用し難い。
（４）．非拡散層の層厚が本発明の規定値より外れた比較例３（層厚１．９μｍ）のものは、比較例１と同様に、追従性には問題ないが、腐食性試験の結果より明らかなように、皮膜が薄膜であることから本発明の実施例１〜９に比べて耐食性が劣るため、燃料圧送配管としては採用し難い。
（５）．Ｎｉの非拡散層と拡散層の合計層厚が本発明の規定値より外れた比較例４（合計層厚５．５μｍ）のものは、追従性には問題ないが、腐食性試験の結果より明らかなように、皮膜が薄膜であることから本発明の実施例１〜９に比べて耐食性が劣るため、燃料圧送配管としては採用し難い。
（６）．従来例１では、熱処理を行わなかったため拡散層は見られず、追従性試験ではＮｉめっきの応力が除去できていないため加工部に皮膜の割れが確認され、又、腐食性試験では皮膜の割れが確認された加工部に赤錆の発生が確認されたことにより、本発明の表面処理管材より品質的に劣ることが明らかである。
（７）．従来例２では、熱処理によってＮｉめっきの応力が除去できたことにより、めっき後の加工で皮膜の割れは見られなかったが、表層までＦｅが拡散してしまい非拡散層が存在しなかったため、腐食性試験では表層に露出したＦｅを起点に赤錆の発生が見られたため、本発明の表面処理管材より品質的に劣ることが明らかである。
（８）．母材管材にステンレス鋼を用いた従来例３では、腐食性試験において加工部、非加工部共に赤錆の発生が見られ、燃料圧送配管としては品質的に十分とは言い得ない。
（９）．従来例４の場合は、無電界ＮｉＰめっきは一般的に追従性が無いことが知られているため、先に当該管材を加工した後無電解ＮｉＰめっきを施したものについて腐食性試験を行った。そのため、加工によるめっきの割れは見られず、腐食性試験でも赤錆の発生は確認されなかった。しかしながら、白錆（Ｚｎめっきの腐食）の発生は顕著に見られた。これは、無電解ＮｉＰめっきの場合は、ピンホール等の欠陥を完全になくすために数十μｍレベルの層厚（膜厚）が必要となるが、従来例４では層厚は４．６μｍと薄膜であるものの、Ｚｎめっきを管内表面の一部のみに付き回らせることで管内の耐食性をＺｎめっきの犠牲防食性で補っていたからだと考えられる。なお、この従来例４は曲げ加工後に当該曲げ部にめっき処理を施すため曲げ部の追従性試験及び腐食性試験は未実施である。

［実施例１０］
図１、図２に示す燃料圧送配管の管内表面、特に当該配管の端末シール部位に施した防錆皮膜層の示す効果を調べるため、図１、図２に示すものと同様の接続頭部を有する外径８ｍｍ、内径５ｍｍのスチール製管材を用い、常法の電気めっきと熱処理により層厚７．３μｍの非拡散層と層厚７．５μｍの拡散層とから成るＮｉめっき層（合計層厚１４．８μｍ）を形成した。その際、層厚７．３μｍの非拡散層と層厚７．５μｍの拡散層が存在するＮｉめっき層をシール部位まで付き回らせ、燃料流路領域全てをＮｉめっきで被覆した。そのスチール製管材について、前記実施例１〜９と同様の要領で行った腐食性試験の結果を表２に示す。
表２に示す腐食性試験の結果より明らかなごとく、本実施例においても赤錆の発生は見られなかった。

［比較例５］
実施例１０と同じスチール製管材を用い、層厚６．９μｍの非拡散層と層厚７．６μｍの拡散層とから成るＮｉめっき層（合計層厚１４．５μｍ）を端末シール部位を除く内面端末部まで被覆したものについて、前記実施例１〜９と同様の要領で行った腐食性試験の結果を表２に併せて示す。
本比較例では、層厚６．９μｍの非拡散層と層厚７．６μｍの拡散層とから成るＮｉめっき層を端末シール部位まで付き回らせず、内面端末部までしか被覆しなかったため、腐食性試験ではＮｉめっき層が施されている箇所には赤錆の発生は見られなかったものの、Ｎｉめっき層が施されていない端末シール部位に赤錆の発生が確認された。

１ 燃料圧送配管
１−１ 接続頭部
１−２ 流路
１−３ 押圧座面
１−４ シート面
２ 相手部品
２−１ 貫孔
２−２ 受圧座面
２−３ 雄螺子
３ 袋ナット
４ Ｎｉめっき層
４ａ 拡散層
４ｂ 非拡散層
１１ 配管母材

Claims (2)

1. スチール製母材鋼管の内表面にＮｉめっき層が形成され、かつそのＮｉめっき層は全部が母材とＮｉの相互拡散層と、拡散層の最表面に形成されたＮｉのみの非相互拡散層とで構成され、かつ前記非相互拡散層の層厚が３μｍ以上で、前記相互拡散層と非相互拡散層の合計層厚が１０μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とするスチール製の燃料圧送配管。
2. 前記相互拡散層と非相互拡散層が接続頭部の端末シール部位まで施されていることを特徴とする請求項１に記載のスチール製の燃料圧送配管。

Images