JP2020084900A

JP2020084900A - 燃料圧送配管

Info

Publication number: JP2020084900A
Application number: JP2018221438A
Authority: JP
Inventors: 剛人池ノ谷; Taketo IKENOYA
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-06-04
Also published as: WO2020110596A1

Abstract

【課題】腐食性燃料に対して高い耐性を有するとともに、追従性を持ちめっき後の加工が可能な燃料圧送配管であって、内径が小さい場合であっても製造が容易であり、量産にも適する、燃料圧送配管を提供する。【解決手段】母材鋼管１１の内表面にリン含有量（共析率）が１．１％〜２．０％の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４が形成され、該無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４は、母材鋼管１１の母材とＮｉ−Ｐの相互拡散層４ａと、該相互拡散層４ａの最表面に形成されたＮｉ−Ｐのみの非相互拡散層４ｂとで構成され、かつ前記非相互拡散層４ｂの層厚が３μｍ以上で、前記相互拡散層４ａと前記非相互拡散層４ｂの合計層厚が６μｍ以上１６μｍ以下とされた燃料圧送配管である。【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いて燃料をエンジンに供給する配管として用いて好適な燃料圧送配管に係り、特に粗悪な腐食成分を含む燃料に対して耐性を有する燃料圧送配管に関するものである。

出願人は、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いて燃料をエンジンに供給する配管として用いて好適な燃料圧送配管について、特許文献１に記載の特許を取得している。この特許に係る燃料圧送配管は、スチール製母材鋼管の内表面に電気めっきによるＮｉめっき層が形成され、そのＮｉめっき層は母材とＮｉの相互拡散層と、前記相互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ものである。この特許発明によれば、腐食性燃料に対して高い耐性を有するとともに、追従性を持ちめっき後の加工が可能な配管が得られることから、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が奏される。

特許第６２４５６８７号公報

しかしながら、前記従来の燃料圧送配管は電気めっきを用いて製造されるため、例えば、内径が３．０ｍｍ以下のような、内径の小さい鋼管を母材とする場合には、母材鋼管の内部に挿入した電極が母材鋼管の内面に接触し易いことから、通電不良が起き易いという問題がある。この問題は母材鋼管の内径が小さくなればなるほど起こり易く、細径の燃料圧送配管の量産の大きな障害となっていた。

本発明は、前記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、腐食性燃料に対して高い耐性を有するとともに、追従性を持ちめっき後の加工が可能な燃料圧送配管であって、母材鋼管の内径が小さい場合であっても製造が容易であり、量産にも適する、燃料圧送配管を提供しようとするものである。

前記課題を解決するため、請求項１の本発明に係る燃料圧送配管は、母材鋼管の内表面にリン含有量（共析率）が１．１％〜２．０％の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層が形成され、該無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は、母材鋼管の母材とＮｉ−Ｐの相互拡散層と、該相互拡散層の最表面に形成されたＮｉ−Ｐ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、前記相互拡散層と前記非相互拡散層の合計層厚が６μｍ以上１６μｍ以下であることを特徴とするものである。また、前記相互拡散層と前記非相互散層とで構成される前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき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態様とするものである。

本発明によれば、母材鋼管内に形成されるリン含有量（共析率）が１．１％〜２．０％の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層であって、３μｍ以上の層厚のＮｉ−Ｐのみの非相互拡散層と、該非相互拡散層との合計層厚を６μｍ以上１６μｍ以下とする母材とＮｉ−Ｐの相互拡散層と、からなる無電解Ｎｉ−Ｐめっき層により、管内表面の防食・防錆効果が奏され、腐食性燃料に対して高い耐性を有するとともに、追従性を持ちめっき後の加工が可能な燃料圧送配管となる。また、電気めっきではなく無電解めっき（化学めっき）を用いるので、被めっき材となる母材鋼管の内部に電極を挿入する必要がない。このため、母材鋼管内への電極挿入に起因する前記従来の問題点が解消され、内径が小さい母材鋼管の内表面にも容易且つ迅速にめっき層を形成することができる。したがって、量産にも適するものとなる。

本発明の実施の一形態に係る燃料圧送配管の接続構造の一例を示す要部断面図である。図１の燃料圧送配管の要部拡大断面図である。図１の燃料圧送配管の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を拡大して示した模式断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の一形態について説明する。
図１は、本発明の実施の一形態に係る燃料圧送配管１の接続構造の一例として、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圧送配管１と相手部品２との接続構造を示している。

燃料圧送配管１は、先端に接続頭部１−１を有すると共に、軸芯に流路１−２を有する。接続頭部１−１の先端には、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が形成されている。また、燃料圧送配管１には袋ナット３が抜け出し不能に取り付けられている。この袋ナット３は、接続頭部１−１の形成前に燃料圧送配管１に装着され、燃料圧送配管１の先端に接続頭部１−１を形成することにより抜け出し不能となる。

相手部品２は、軸芯に貫通孔２−１を有する筒状のものであり、外周面に雄螺子２−３を有する。この雄螺子２−３は、袋ナット３とねじ結合可能である。相手部品２には、貫通孔２−１の一端に、外向きに拡開する円錐形状の受圧座面２−２が形成されている。この受圧座面２−２は、燃料圧送配管１のシート面１−４と密着可能である。

前記構成において、燃料圧送配管１のシート面１−４を相手部品２の受圧座面２−２に当接させ、相手部品２の雄螺子２−３に対して袋ナット３をねじ結合させることにより、袋ナット３が接続頭部１−１の首下を相手部品２に対して押圧する。これによって、燃料圧送配管１と相手部品２とが液密に締結される。

図２に示すように、燃料圧送配管１は、スチール製の母材鋼管１１の内表面に無電解Ｎｉ（ニッケル）−Ｐ（リン）めっき層４が形成されたものである。この無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４は、圧送される燃料と接触する部位の全てを保護するために、燃料圧送配管１の接続頭部１−１の端末シール部位（シート面１−４等）まで施されていることが好ましい。

燃料圧送配管１の基材として用いるスチール製の母材鋼管１１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。また、燃料圧送配管１の接続頭部１−１を、例えば座屈加工によって成形することで、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。

図２に示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４は、燃料圧送配管１の端末シール部位（シート面１−４等）を含む燃料流路領域の全体に設けられる。無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４は、その断面を図３に示すように、母材鋼管１１の母材（鉄Ｆｅ）とＮｉ−Ｐとの相互拡散層（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐ）４ａと、該相互拡散層４ａの最表面に形成されたＮｉ−Ｐのみの非相互拡散層４ｂとで構成され、かつ非相互拡散層４ｂの層厚は３μｍ以上で、相互拡散層４ａと非相互拡散層４ｂの合計層厚は６μｍ以上１６μｍ以下とするのが好ましい。

ここで、非相互拡散層４ｂの層厚を３μｍ以上とし、かつ相互拡散層４ａと非相互拡散層４ｂの合計層厚を６μｍ以上１６μｍ以下とするのは、これらの数値範囲とすることで、熱処理によって無電解Ｎｉ−Ｐ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１１への腐食攻撃に対するバリア機能を十分に保持できるからである。なお、相互拡散層４ａと非相互拡散層４ｂの合計層厚が１６μｍ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ったり、追従性が弱くなったりするおそれがあるので、合計層厚は１６μｍ以下とするのが好ましい。相互拡散層４ａと非相互拡散層４ｂの合計層厚は８μｍ程度とするのが最も好ましい。

前記のように、母材鋼管１１の母材（Ｆｅ）とＮｉ−Ｐとの相互拡散層４ａと、この相互拡散層４ａの最表面に形成されたＮｉ−Ｐのみの非相互拡散層４ｂとで構成される無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を管内表面に有する燃料圧送配管１において、非相互拡散層４ｂの層厚が３μｍ以上で、相互拡散層４ａと非相互拡散層４ｂの合計層厚が６μｍ以上１６μｍ以下とすることにより、例えば、管外表面に施されたＺｎ（亜鉛）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。また、母材鋼管１１の母材（Ｆｅ）とＮｉ−Ｐの相互拡散層４ａは、配管母材１１とＮｉ−Ｐの相互拡散により強固なアンカー効果を持つ一方、非相互拡散層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、相互拡散層４ａと非相互拡散層４ｂとからなる所定の層厚を有する無電解Ｎｉ−Ｐ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１は腐食性燃料に対する耐食性を保持することができる。

次に、燃料圧送配管１の製造方法について説明する。燃料圧送配管１は、無電解めっき工程と、加熱工程と、加工工程と、を順次備える製造方法によって製造される。

無電解めっき工程は、被めっき材である母材鋼管１１の内表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４を形成する工程である。無電解めっき工程は、周知のめっき液に母材鋼管１１を浸漬することによって行われる。

無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４におけるＰの含有量（共析率）は１．１％〜２．０％となるようにするのが好ましい。無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４のＰの含有量が１．１％未満ではめっき速度が落ちてしまい生産性が悪くなり、他方、２．０％を超えると、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４が硬くなってしまい、後で述べる加工工程で割れや剥離が発生しやすくなるためである。Ｐの含有量を前記数値範囲とすれば、めっき速度のアップと、加工時における無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４の耐性の向上とを両立できる。

無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４のＰの含有量は、前記数値範囲の中でも特に、１．５％程度とするのが好ましい。実験によれば、Ｐの含有量が１．０％以下の場合にはめっき速度が約１１μｍ／ｈｒ以下であるのに対し、Ｐの含有量を１．５％にすることでめっき速度が約１４μｍ／ｈｒとなり、処理速度を２０％以上アップさせることができた。

加熱工程は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４が形成された母材鋼管１１を加熱処理して、母材鋼管１１と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４との境界部に相互拡散層４ａを形成する工程である。加熱工程においては、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４が形成された母材鋼管１１を、真空炉等の熱処理炉内で加熱処理する。なお、加熱温度（設定管理温度）は、特に制限するものではないが、６５０℃〜８５０℃とするのが好ましく、また、加熱時間についての制約はない。この加熱工程で、母材鋼管１１の母材である鉄（Ｆｅ）と、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４のＮｉとＰとが熱により互いに反応し、母材鋼管１１と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４との境界部に相互拡散層４ａが形成される。この相互拡散層４ａが形成されることで、母材鋼管１１と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４との密着性が向上する。

加工工程は、無電解めっき工程と加熱工程とを終えた母材鋼管１１を、燃料圧送配管１の具体的な使用形態に適合する所定の形状に塑性加工する工程である。例えば、図１に示した、袋ナット３と接続頭部１−１とを有する燃料圧送配管１を製造する場合には、無電解めっき工程と加熱工程とを終えた母材鋼管１１の一端側に袋ナット３を装着し、袋ナット３を母材鋼管１１の他端側に退避させた状態で、母材鋼管１１の一端部に圧力をかけて接続頭部１−１を形成する。接続頭部１−１の形成は、図示しないチャックとパンチとを用いて、母材鋼管１１の一端部を軸方向に押圧することによって行われる。接続頭部１−１の形成時には、母材鋼管１１の一端部が圧縮されて塑性変形する。しかし、実験によれば、この塑性変形の際に無電解Ｎｉ−Ｐめっき層４に割れや剥離は全く生じなかった。

前記製造方法によれば、管内表面の防食・防錆効果が奏され、腐食性燃料に対して高い耐性を有するとともに、追従性を持ちめっき後の加工が可能な燃料圧送配管が得られる。また、電気めっきではなく無電解めっき（化学めっき）を用いることで、母材鋼管１１の内部に電極を挿入する必要がない。このため、母材鋼管１１内への電極挿入に起因する従来の問題点が解消され、例えば内径が３ｍｍ以下のような、内径が小さい母材鋼管の内表面にも容易且つ迅速にめっき層を形成することができる。したがって、量産にも適するものとなる。

なお、前記製造方法は、内面に防食・防錆性を有し、且つ熱処理後に塑性加工が必要な配管の製造について広く適用可能である。

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１〜７］
母材鋼管として外径６．３５ｍｍ、内径３ｍｍのスチール製管材（供試Ｎｏ．１〜７）を用いて、常法の無電解めっきと熱処理により各管内表面に層厚２．９〜５．７μｍの相互拡散層（母材鋼管の母材ＦｅとＮｉ−Ｐとの相互拡散層）と層厚３．２〜７．５μｍの非相互拡散層（Ｎｉ−Ｐのみの非相互拡散層）とから成る無電解Ｎｉ−Ｐめっき層（層厚６μｍ以上１６μｍ以下）を形成した。
本実施例におけるスチール製管材の相互拡散層と非相互拡散層とからなる無電解Ｎｉ−Ｐ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。

・無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の層厚の測定：
相互拡散層と非相互拡散層とからなる無電解Ｎｉ−Ｐ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：
内面全体に無電解Ｎｉ―Ｐ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体顕微鏡にて観察して判定した。
・追従性試験：
内面全体に無電解Ｎｉ−Ｐ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１〜６］
実施例１〜７と同じ外径６．３５ｍｍ、内径３ｍｍのスチール製管材を用いて、常法の無電解めっきと熱処理により各管内表面に層厚２．８〜９．３μｍの相互拡散層（母材鋼管の母材ＦｅとＮｉ−Ｐとの相互拡散層）と層厚２．５〜１０．６μｍの非相互拡散層（Ｎｉ−Ｐのみの非相互拡散層）とから成る無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を形成した。なお、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の層厚の測定は、前記実施例１〜７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相互拡散層と非相互拡散層からなる無電解Ｎｉ−Ｐ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１〜７と同様の方法で行った結果を表１に併せて示す。

［従来例］
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８．０μｍの相互拡散層（母材鋼管の母材ＦｅとＮｉとの相互拡散層）と層厚４．６μｍの非相互拡散層（Ｎｉのみの非相互拡散層）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１〜７と同じ方法で測定した。
従来例におけるスチール製管材の相互拡散層と非相互拡散層からなる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１〜７と同様の方法で行った結果を表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−Ｐの相互拡散層と、相互拡散層の最表面に形成されたＮｉ−Ｐのみの非相互拡散層とで構成され、かつ非相互拡散層の層厚が３μｍ以上で、相互拡散層と非相互拡散層の合計層厚が６μｍ以上１６μｍ以下の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を形成した本発明の実施例１〜７のスチール製管材は、いずれも熱処理によって無電解Ｎｉ−Ｐ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、非相互拡散層が３μｍ以上、かつ相互拡散層と非相互拡散層の合計が６μｍ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）本発明の実施例１〜７のものは、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層におけるＰの含有量（共析率）が１．１％〜２．０％の範囲内にあり、めっき速度のアップ（生産性の向上）と、加工時における無電解Ｎｉ−Ｐめっき層の耐性の向上とが両立できた。
（３）本発明の実施例１〜７のものは、熱処理時の加熱温度（熱処理温度）を６５０℃〜８５０℃の範囲内とすることで、生産性、追従性、耐腐食性の全てにおいて良好な結果が得られた。
（４）非相互拡散層の層厚が本発明の規定値より外れた比較例５（層厚２．５μｍ）のものは、追従性には問題はないが、腐食性試験の結果より明らかなように、皮膜が薄膜（合計層厚５．７μｍ）であることから本発明の実施例１〜７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）相互拡散層と非相互拡散層の合計層厚が本発明の規定値より外れた比較例６（合計層厚１６．９μｍ）のものは、追従性試験の結果は割れが見られたため不適であり、厚い層厚に起因すると思われる。さらに、比較例６のものは、層厚が厚いこともあり生産性にも問題がある。これらの理由により、比較例６のものは燃料圧送配管としては採用し難い。
（６）比較例１のものは、めっき速度が遅く、生産性に問題があった。これは、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層におけるＰの含有量（共析率）が０．８％であり、１．１％より低いことに起因すると思われる。
（７）比較例２のものは、追従性試験の結果に問題があった。これは、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層におけるＰの含有量（共析率）が２．２％であり、２％より高いことに起因すると思われる。
（８）比較例３のものは、追従性試験の結果に問題があった。これは、熱処理時の加熱温度（熱処理温度）が６００℃であり、６５０℃より低いことに起因すると思われる。
（９）比較例４のものは、腐食性試験の結果に問題があった。これは、熱処理時の加熱温度（熱処理温度）が９００℃であり、８５０℃より高いことに起因すると思われる。
（１０）従来例は、無電解Ｎｉ−Ｐめっきではなく電気Ｎｉめっきによるものであり、本願の出願人が所有している特許（特許第６２４５６８７号）の実施品である。この従来例は追従性、耐食性とも良好である。但し、電気めっきであるので、母材鋼管の内部に電極を挿入する必要がある。このため、母材鋼管の内径が小さい場合には生産性の点で本発明に優位性がある。

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貫通孔
２−２受圧座面
２−３雄螺子
３袋ナット
４無電解Ｎｉ―Ｐめっき層
４ａ相互拡散層
４ｂ非相互拡散層
１１母材鋼管

Claims

母材鋼管の内表面にリン含有量が１．１％〜２．０％の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層が形成され、該無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は、母材鋼管の母材とＮｉ−Ｐの相互拡散層と、該相互拡散層の最表面に形成されたＮｉ−Ｐ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、前記相互拡散層と前記非相互拡散層の合計層厚が６μｍ以上１６μｍ以下である、燃料圧送配管。
前記相互拡散層と前記非相互拡散層とで構成される前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき層が接続頭部の端末シール部位まで施されている、請求項１に記載の燃料圧送配管。