JP6456000B2 - 燃料噴射装置の部品を窒化する方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射装置の、高圧で負荷された合金鋼製の部品を窒化する方法に関する。

特許文献１からは、燃料噴射装置の噴射ノズルが窒化状態である場合、この噴射ノズルは非常に耐久性がある、ということが公知である。このとき、とりわけ、耐食性と耐摩耗性が高くなる。しかし、この公報では、窒化方法自体には言及していない。

さらに、特許文献２から、噴射ノズルの窒化方法が公知である。この公知の窒化方法は、第１の工程において塩浴中での浸炭窒化法を有し、その後、第２の工程において５２０℃から５８０℃の温度で低い窒化ポテンシャルもしくは低い窒化指数（０．０８から０．５の範囲）、すなわち、いわゆるレーラー状態図におけるα‐範囲内での、ガス窒化法を有する。

非常に高い圧力下にある燃料によって燃料噴射装置の部品を負荷すると、特に、絞られた箇所の範囲では、この部品がキャビテーションにより非常に大きな負荷を受ける可能性がある。これにより、上記の窒化方法で処理された部品の場合でさえ、比較的大きなキャビテーション被害に繋がる可能性がある。

独国特許出願公開第１０２５６５９０号明細書 国際公開第２００１／０４２５２８号パンフレット

それに対して、本発明による窒化方法は、前記部品の材料表面下の延性（靭性）を窒化方法によりさらに高めることにより、高い圧力負荷により引き起こされるキャビテーション被害を最小限にするものである。加えてさらに、この窒化方法は疲労強度に対してプラスに作用する。これにより、前記部品の寿命もしくは耐久限度が上昇する。

そのために、燃料噴射装置の、高圧で負荷された合金鋼製の部品を窒化する方法は、以下の工程を有する：
− 無機酸中で前記部品を活性化する工程、
− 酸素含有雰囲気中、３８０℃から４２０℃で前記部品を予備酸化する工程、
− ε窒化物範囲内の高い第１の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，１において５２０℃から５７０℃で前記部品を窒化する工程、
− γ’窒化物範囲内の低い第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２において５２０℃から５７０℃で前記部品を窒化する工程。

活性化することにより、窒素の拡散に対する部品の抵抗が減少する。この工程は、すなわち、部品の窒化性を高める。引き続いて行なわれる予備酸化により、使用中の部品の耐食性はより高くなる。

本来の窒化は、２つの工程に分けられ、そこでは、好ましくはアンモニア含有ガスが使用される：
− ε窒化物範囲内の第１の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，１を有する第１の窒化工程は、部品表面のいわゆる化合物層内においても、その下にある拡散層内においても、部品の窒素吸収及びそれによる部品の硬度上昇に寄与する。
− γ’窒化物範囲内の第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２を有する第２の窒化工程により、前記化合物層は厚くなり過ぎない。化合物層は、高い強度を有するが、しかし同時に大変脆く、したがってキャビテーションによる負荷を非常に受けやすい。

本発明による窒化方法により、脆い化合物層の厚みが減少することに加えて、公知の窒化方法に比べて、とりわけ、拡散層内の粒界に沿った窒化物の介在物が減少する。これにより粒界は破損しにくくなり、それにより、キャビテーションの浸食に対する部品の靭性及び頑丈さ、並びに疲労強度が高くなる。

好適には、第１の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，１は、１と１０の間、好ましくは２と８の間である。第１の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，１はしたがって比較的高い。これにより、レーラー状態図では、５２０℃から５７０℃の間の温度で実質的にε窒化物範囲内にあり、ここでは、活性化され窒化ガスが環流する部品で高い窒素吸収率が保障される。

さらに好適には、第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２は、０．２と０．４の間である。第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２はしたがって比較的低い。これにより、高い窒素分が部品内に深く拡散することが阻止される。主に、化合物層の窒素分が高くなる；基材では、窒素の質量分率は上昇しても約６％を超えない。したがって、部品の靭性は可能な限り維持されている。

好適な実施様態では、本発明による方法に従って窒化された部品は、その表面で、１１％から２５％の間の窒素の質量分率を有する。これにより、非常に硬く、耐キャビテーション性、耐摩耗性及び耐食性を有する部品表面が得られる。

別の好適な実施様態では、本発明による方法に従って窒化された部品は、その部品の第１の深さｔ_１である１０μｍから表面までは、３％から８％の間の窒素の質量分率を有する。部品深さ１０μｍですでに窒素の質量分率が比較的激しく低下することにより、部品の表面硬度が高いにも関わらず比較的高い靭性が得られる。だいたいこの部品深さに、化合物層から拡散層への移行部もある。

別の好適な実施様態では、本発明による方法に従って窒化された部品は、その部品の第２の深さｔ_２である１５μｍから表面までは、２％から７％の間の窒素の質量分率を有する。これにより、公知の窒化方法に比べて、部品の靭性がさらに高くなる。

別の好適な実施様態では、本発明による方法に従って窒化された部品は、その部品の第３の深さｔ_３である２０μｍから表面までは、２％から６％の間の窒素の質量分率を有する。これにより、公知の窒化方法に比べて、部品の靭性がさらに高くなる。

窒素分は、この部品深さから、拡散領域の末端部まで漸近的に推移し、拡散領域の末端部で、基材にすでに含有されている窒素分まで比較的急激に低下する。通常、拡散領域は、部品内部約５００μｍまで達している。窒素分は、第３の深さｔ_３からは、窒化物の介在物が僅かに形成される程度に下がっている。したがって、材料に不可欠な靭性はこの部品深さから生じている。

好適な実施様態では、前記部品は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射器のノズル体であり、前記燃料噴射器は、前記ノズル体内を縦移動可能にガイドされているノズルニードルを有する。燃料噴射器内及びそこでも特にノズル体内で燃料の圧力が高く流速が早いので、正にこのノズル体は本発明による窒化方法に適している。例えば、内燃機関の燃焼室に開口しているノズル体の噴射口では、事情により、非常に高いキャビテーション負荷が存在する。本発明による窒化方法によりノズル体の疲労強度が増すので、それにより引き起こされるキャビテーション被害を最小限にする、あるいはそれどころか全面的に回避することができる。

窒化ポテンシャルＫ_Ｎを窒化温度Ｔの上に記載したレーラー状態図を示しており、本発明による方法の第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２を有する工程に対する範囲を表示している。 本発明による方法で窒化された部品の、部品深さに依存した窒素の質量分率のグラフを示している。 燃料噴射器の一部の略図を示しており、基本的な範囲のみを表わしたものである。

図１は、レーラー状態図を示している：部品の鉄−窒素系の、温度Ｔ及び窒化ポテンシャルＫ_Ｎに依存した様々な状態相が示されている。窒化ポテンシャルＫ_Ｎは対数で窒化温度Ｔの上に記載されている。窒化期間は、レーラー状態図には記載されていないが、通常、１時間から１００時間の範囲である。

窒化ポテンシャルＫ_Ｎは、以下のように定義されている。

式中、ｐ（ＮＨ_３）はアンモニアの分圧であり、ｐ（Ｈ_２）は水素の分圧である。分圧は、それぞれ、理想気体混合物における個別の気体成分に割り当てられた圧力である。すなわち、分圧は、個別の気体成分が単独で該当する体積に存在する際にかけると仮定した圧力に相当する。溶解した気体の拡散性が観察される場合には、分圧は通常、質量濃度の代わりに使用される。

鉄−窒素系の状態相は、ε窒化物範囲、γ窒化物範囲、γ’窒化物範囲及びα窒化物範囲に分類される。ε窒化物は、非常に高い窒素の質量分率を有し、通常、窒化された部品の表面、いわゆる化合物層あるいはその下にある拡散層に存在する。γ’窒化物範囲は、同様に高い窒素分を有するが、窒素原子のオーダーはε窒化物範囲よりも多い。γ’窒化物範囲は、同様に、化合物層及び拡散層に存在する。ε窒化物範囲もγ’窒化物範囲も、比較的硬く、かつ脆い。非常に高い温度では、本発明による窒化方法以外では、非常に高い窒素濃度を有するγ窒化物も生じる。α窒化物範囲は、比較的低い窒素濃度を有し、比較的靭性がある。α窒化物範囲は、通常、拡散層及び基材中に存在する。

図１には、約５２０℃から５７０℃の範囲の温度Ｔと約０．２から０．４の範囲の窒化ポテンシャルＫ_Ｎを有する、実質的にγ’窒化物範囲にある範囲１２が細い平行線で示されている。細い平行線で示されたこの範囲は、本発明による窒化方法において、低い第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２を有する工程を示している。

図２には、本発明による方法で窒化された部品の窒素の質量分率「Ｍａｓｓ−％ ｏｆ Ｎ」を、部品深さ「ｔ［μｍ］」の上に記載したグラフが示されている。ここでは、部品深さｔは表面に対して垂直に延びており、窒素の質量分率は、一番近い縁部あるいは一番近い輪郭移行部に対して少なくとも１ｍｍの間隔を有する範囲について記載している。曲線「ＭＡＸ」は、処理された部品の窒素の最大質量分率を表し、曲線「ＭＩＮ」は、その最小分率を表す。

図２では、本発明による方法で処理された部品の窒素含有化合物層が約５μｍから１０μｍの厚さしかなく、その後に拡散層が始まっていることが認められる。拡散層は、部品深さ５００μｍ過ぎまで達することができるが、説明上の理由から、図２には示していない。

図３には、燃料噴射器１の一部の略図が示されており、基本的な範囲のみが表されている。燃料噴射器１は、ノズル体４を有しており、その中に圧力室２が形成されている。圧力室２は、高圧下にある燃料で満たされており、例えば、燃料噴射装置の、図示されていないコモンレール又は図示されていない高圧ポンプから供給を受けている。圧力室２内にはノズルニードル３が縦移動可能に配置されている。ノズルニードル３は、その縦移動によって、図示されていない内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための、ノズル体４内に形成された噴射口５を開閉する。ノズル体４は、特に噴射口５の範囲で、キャビテーションの危険にさらされている。ノズル体４の耐キャビテーション性を高めるために、本発明による窒化方法が使用される。

燃料噴射装置の、高圧で負荷された合金鋼製の部品、例えば前記ノズル体４、を窒化するための、本発明による方法は、以下の工程から成っている：
１） 無機酸中で前記部品を活性化する工程。
２） 酸素含有雰囲気中、３８０℃から４２０℃で前記部品を予備酸化する工程。
３） ε窒化物範囲内の高い第１の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，１、好ましくは１≦Ｋ_Ｎ，１≦１０、において５２０℃から５７０℃で前記部品を窒化する工程。
４） γ’窒化物範囲内の低い第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２、好ましくは０．２≦Ｋ_Ｎ，２≦０．４、において５２０℃から５７０℃で前記部品を窒化する工程。

これにより、前記部品に対して、図２に示したように、部品深さｔに依存した窒素の質量分率が生じる。

１ 燃料噴射器
２ 圧力室
３ ノズルニードル
４ ノズル体
５ 噴射口

Claims (3)

1. 燃料噴射装置の、高圧で負荷された合金鋼製の部品を窒化する方法において、
   以下の工程を特徴とする、燃料噴射装置の部品を窒化する方法であって、
   − 無機酸中で前記部品を活性化する工程、
   − 酸素含有雰囲気中、３８０℃から４２０℃で前記部品を予備酸化する工程、
   − ε窒化物範囲内の高い第１の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，１において５２０℃から５７０℃で前記部品を窒化する工程、
   − γ’窒化物範囲内の低い第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２において５２０℃から５７０℃で前記部品を窒化する工程、
   前記ε窒化物範囲及び前記γ’窒化物範囲が、部品の鉄−窒素系の、温度Ｔ及び窒化ポテンシャルＫ_Ｎに依存した様々な状態相が示された、レーラー状態図における、状態相を示すものであり、
   前記窒化ポテンシャルＫ_Ｎが、
   で定義される燃料噴射装置の部品を窒化する方法。
2. 前記第１の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，１が１から１０の間であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の窒化ポテンシャルＫ_Ｎ，２が０．２から０．４の間であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。