JPH02277749A - 燃料噴射用電磁弁およびその材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、磁気吸引力によって動作する電磁式弁に係り
、特に、自動車用の燃料噴射装置に用いられ、高速応答
性に優れ、かつ、冷間鍛造性に優れた高性能・低コスト
の燃料噴射弁に関する。

〔従来の技術〕

従来、自動車用燃料噴射弁に用いられる磁気回路部材は
、一般に、磁気特性及び耐食性の面から１３〜１５ｗｔ
％Ｃｒを含んだ電磁ステンレス鋼が用いられてきている
。また、複雑な形状から機械切削性を改善するための元
素としてｐｂ、Ｃａ。

Ｓｓ、Ｔｅ、等を添加している。その他、更に耐食性を
改善するためにＭｏ、Ｎｉ等の元素を添加している材料
が多い６ しかし、近年の塑性加工の発達から機械切削を極力省い
て、冷間鍛造により部品の最終形状に近い形に成形する
ニアネットシエイプ技術が採用されて来ている。従って
、使用される材料も磁気特性を損わずに冷間鍛造に優れ
たものへと移行して来ている。冷間鍛造性は、一般に、
加工硬化係数＝ｎ値（以下ｎ値と記す）、変形抵抗の小
さい材料はど良いとされている。従来、噴射弁に使用さ
れている材料は例えば特開昭４８−７８０１８号公報に
述べられているように耐食性及び切削性を重視している
ために、１３Ｃｒ〜１５Ｃｒ−Ｆｅ　（ｗｔ％）をベー
スに電磁気特性を確保するためにＡｌ及びＳｉを０．２
〜２ｗｔ％含み、それに耐食性。

切削性を改善するためにＭｏ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｔｅ。

Ｓｓ等を少量複合添加した材料が用いられている。

あるいは切削加工性を高めるためにＴｉ等を添加した材
料が特公昭６１−４６５４７号に述べられている。

また、特開昭５９−７６８６２号公報に記載されている
ように、Ｃｒ量６〜１３ｗｔ％を含む噴射弁用材料では
ターボ過給機搭載用を主眼においているため、材料の電
気抵抗を１００μΩ・備と著しく大きくするためにＳｉ
、あるいは、Ａｌ量を１〜６ｗｔ％とかなり多く添加し
ているため、硬さがビッカースで１７０以上と高く本発
明の目的とする冷間鍛造は不可能である。このように、
磁気特性に優れ、かつ、冷間鍛造性にも優れた機械的特
性をもつ材料が必要とされて来た。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、この種の噴射弁の磁気回路部材には小さい磁化
電流で磁気吸引力を大きくする必要から磁束密度が人き
く、かつ、保磁力の小さい軟磁気材料であること、また
、高速作動とするためパルス電流で磁化するために磁力
の追従性をよくするため、過電流の発生を極力抑えるた
めに電気抵抗が大きいことが要求される。従って、軟磁
性で電気抵抗が高いという相反する性質が要求される。

具体的には、磁化力２５エルステッドにおける磁束密度
Ｂ２５（以下８２Ｂと記す）が１．２テスラ以上、保磁
力Ｈａ（以下Ｈａと記す）が１エルステッド以下、電気
抵抗が７ｏμΩ・１以上が要求される。

一方、冷間鍛造性は材料の機械的性質である伸び、絞り
が大きいこと、ｎ値及び変形抵抗の小さいことが要求さ
れる。具体的には、強度の冷間鍛造を必要とするこの種
の噴射弁用材料は５０％以上の伸び、７５％以上の絞り
が要求される。従来、この種の噴射弁に用いられている
１３Ｃｒ系、及び、１５ｃｒ系に切削性及び耐食性を向
上させるためにＰｂ、あるいは１Ｍｏ等を添加した電磁
ステンレス鋼は伸びが４０〜５０％、絞りが４０〜７０
％と小さく、硬さもビッカースで１３５〜１６０と硬い
ため冷間鍛造の際に割れが発生するという欠点があった
。

【課題を解決するための手段〕

そこで、本発明の目的はこれらの要求に対して電磁気特
性及び冷間鍛造性の両者を共に満足する材料を提供する
ことにある。

それには、先ず、この種噴射弁用材料に必要な電磁気特
性を確保するための組成を選定し、それに対して冷間鍛
造性を検討し、最終的な合金組成を選定することである
。

一般に、この種噴射弁を冷間鍛造を採用して製品化する
には第２図に示した加工チャートが考えられる。ここで
重要なのは磁気焼鈍後に噴射弁に要求される電磁気特性
を確保できる合金組成であること、熱間鍛造後に冷間鍛
造によって所定の形状・寸法に成形可能な合金組成であ
り、かつ必要な機械的性質を備えていることである。冷
間鍛造性には最適結晶粒度の選定、ｎ値、伸び、絞り等
の機械的性質及び実際の冷間鍛造機におけるプレス荷重
が小さく、機械に負担のかからないこと等が挙げられ、
これらについて合金組成との関係について調べた。

そこで、先ず、冷間鍛造性を重視するためには合金元素
量を磁気特性が確保できる範囲で極力低減することであ
る。従って、従来の１３Ｃｒ系、あるいは、１５Ｃｒ系
電磁ステンレス鋼に比べてＣｒを低くした８〜１２Ｃｒ
系電磁ステンレス鋼を検討し、それに保磁力を低下させ
るためと、電気抵抗を高める目的でＳｉ及びＡｆｉを添
加し、その添加量は磁束密度をあまり低下させない範囲
、機械的性質を劣化させない範囲とした。第３図は、第
２図に示した熱間鍛造後の試験片、即ち、冷間鍛造性の
良否を調べる目的で７５０℃、ｌｈ熱処理後の機械的特
性を調べた結果である。合金組成はＣｒ量を８〜１５ｗ
ｔ％の範囲に変えた０、５ＡＩ２−ＩＳｉ−Ｃｒ−Ｆｅ
である。この結果から、冷間鍛造性に適した伸び５０％
以上、絞り７５％以上を得るためのＣｒ量は１２ｗｔ％
以下であることがわかる。

また、Ｓｉ及びＡｆｌ量を低減すれば若干Ｃｒ量は多く
することが可能であるが、後で示す電気抵抗あるいは磁
気特性の面で好ましくない。第４図は冷間鍛・・通性を
、直接、調べる目的で第３図で示した中間の組成、即ち
、０．５　　Ａｌ−ＩＳｉ−１０Ｃｒ−Ｆｅ　（ｗｔ％
）の試験片について熱処理温度を変えることにより材料
の結晶粒度を変え、結晶粒度と冷間鍛造性との関係を調
べたものである。結晶粒度Ｎα４以上と結晶粒が大きく
なると割れ発生率は大きくなり、また、結晶粒度がＮα
８以上と極めて小さくなると割れ発生率がまた大きくな
ってくる。結晶粒度Ｎα４〜Ｎα７の範囲に調整するこ
とにより割れ発生率を零にできることを見出した。結晶
粒度Ｎαが４以下と結晶粒が大きくなると硬さは軟かく
なるが粒界が脆くなるために割れが多くなり、また１粒
度Ｎα８以上になり結晶粒が小さくなりすぎてかえって
硬くなるために割れが発生し易くなる。また、Ａｌ及び
Ｓｉ量を減らすと金属組織的に８〜１２Ｃｒ−Ｆｅ合金
は状態図的にγループがあるためマルテンサイトが析出
しやすくなり、かえって、硬さも増し冷鍛性を阻害する
。Ａｌ及びＳｉ量が多くなりすぎると後で述べる電気抵
抗は大きくなるが、同じく硬さも大きくなり冷鍛性はか
えって悪くなる。

第５図は冷間鍛造性の良否を判定するための他の因子で
ある硬さ、ｎ値、１１移温度、及び、変形抵抗とＣｒ量
との関係を示したものである。ｎ値はＣｒ量によってほ
とんど変らないが、硬さ、変形抵抗及び遷移温度はＣｒ
量が多くなるにつれてほぼ直線的に増大し、特に、硬さ
及び変形抵抗の増大は著しい、従って、Ｃｒ量が１３ｗ
ｔ％以上になると冷間鍛造性が悪くなることがわかる。

また、遷移温度がＣｒ含有量が少ないほど低いために、
特に１２％Ｃｒ以下では遷移温度が室温以下となるため
室温近傍での冷間鍛造が容易となることがわかる。

第６図は１以上の結果に基づいて０．５　Ａｌ−１Ｓｉ
−Ｃｒ−Ｆｅ合金を溶製し、結晶粒度尚６に調整した素
材を実際のインジェクト用コアを冷間鍛造により成型し
た場合のプレス荷重とＣｒ量との関係を示したものであ
る。Ｃｒ量は１０〜１５ｗｔ％まで変えた。冷間鍛造率
は８５％である。図かられかるように、Ｃｒ含有量が多
くなるに伴ってプレス荷重はほぼ直線的に増大すること
がわかった。プレス荷重は小さいほど冷間鍛造性が良好
で、また、プレス機械に与えるダメージも少なく型寿命
も延びる。機械によって異なるがプレス荷重は１２０ｔ
ｏｎ以下で冷間鍛造ができることが望ましく、従って、
Ｃｒ量が１２ｗｔ％以下が望ましい。

次に、第２図に示した冷間鍛造後・仕上げ切削した後、
磁気焼鈍を施し噴射弁用磁気回路コアとして要求される
電磁気特性を確保することが要求される。第７図は電磁
気特性とＣｒ含有量との関係を調べたものでＡｌ含有量
は０．５ｗｔ％。

Ｓｉ含有量は１．０ｗｔ％であり、磁気焼鈍は９５０℃
、ｌｈである。保磁力ＨｃはＣｒ量によってあまり変ら
ずＣｒ量が多くなるにつれて僅かに増大している。一方
、電気抵抗はＣｒ量が多くなるにつれ、はぼ直線的に増
大しており、Ｃｒが８ｗｔ％以下では噴射弁に要求され
る７ｏμΩ・■を割る恐れがある。

また、磁化力２５エルステッドにおける磁束密度Ｂ２δ
は電気抵抗の場合とは逆にＣｒ量が多くなるとほぼ直線
的に低減し、Ｃｒが１３ｗｔ％以上になると噴射弁に要
求される１、２５テスラ（Ｔ）を割る恐れがある。この
ように、電気抵抗と磁束密度に及ぼすＣｒ量は相反する
関係を示す。電気抵抗は噴射弁の高速応答性には高いほ
ど良く、磁束密度は磁気吸引力の面から高いほどよい。

従って、両者を満足させるＣｒ量は８〜１３ｗｔ％。

好ましくは、８〜１２ｗｔ％の範囲がよいことがわかっ
た。また、ＡｌおよびＳｉは電磁気特性とほぼ同じよう
な性質を示し、フェライトの均一組織とするためと、電
気抵抗を高める役割を示す。

Ｃｒ量を８〜１２ｗｔ％に抑えた磁気ステンレス鋼にお
いてＳｉ量の影響を調べた。代表的な１０Ｃｒ−Ｆｅ合
金についての結果を第８図に示す。

図はＳｉ量とＢｚａ、及び、電気抵抗ρを示したもので
参考に冷間鍛造性の目安となる硬さについても測定して
併記した。Ｓｉ含有量が多くなるにつれ、Ｂｚｓ及びρ
共にほぼ直線的に増大している。

噴射弁に要求されるＢ２δは１．２テスラ以上、ρは７
０μΩ・１以上を確保するためＳｉ量は１．５ｗｔ％以
上が必要であることがわかる。この場合、硬さは１５０
以上と著しく硬くなり冷間鍛造が困難である。一般には
、飽和に近い磁束密度（例えばＢ　ｘＢ）は非磁性元素
であるＳｉを添加することにより低減するが、この場合
、逆に増加している。

これは顕微鏡組織でａ察するとＳｉ量が１．５ｗ　ｔ％
径程度ではマルテンサイトが一部析出しているためで、
その結果として硬さもＳｉ量０，５　ｗ　ｔ％のものが
著しく高くなっている。これは、ベース合金が１０ｗｔ
％Ｃｒ−Ｆｅ合金であるため状態図的にγループに入る
ためで、これを避けるためには、更に、Ｓｉ量を多くす
るか、Ｃｒ量を１３ｗｔ％程度まで多くし、均一なフェ
ライト組織とする必要がある。しかし、その結果、硬さ
は更に増し冷間鍛造性を阻害すること、磁束密度が低下
するという欠点が出てくる。従って、Ｓｉのみでは目標
の機械的性質を満足させ、かつ磁気特性も満足させるこ
とは難しい。そこで、フェライト化元素であ河、磁気特
性的にも悪影響を及ぼさないＡｌを選定しＳｉとＡｆｌ
の複合添加・を試みた。

Ｓｉ量は硬さが高くなり過ぎないよう０．５　〜１．５
ｗｔ％の範囲とした。その結果を第９図に示す０図は１
０Ｃｒ−ＩＳｉ−Ｆｅ　（ｗｔ％）にＡｌｌを添加した
場合のρ、Ｂ２５、及び、硬さを示したものである。Ａ
ｌを０．５％以上添加することにより均一なフェライト
組織となりＢｚｓも高くなる。ＢｚｓはＡｌ量によって
ほとんど変らないが。

ρ及び硬さはＡｌ１量が多くなるにつれほぼ直線的に増
加する。

但し、Ｓｉのみの場合に比べＡｌを添加したものは添加
量が１ｗｔ％以下であれば硬さはむしろ低くなっている
。これは組織が均一なフェライト組織となったためであ
る。Ａｌ１量が１．５ｗｔ％以上、あるいはベースのＳ
ｉ量が１．５ｗｔ％以上になると硬さが１４０以上とな
り好ましくない。

〔作用〕

合金組成範囲の限定理由は、冷間鍛造が容易で、かつ、
磁気特性がこの種噴射弁の性能を満足するものとした。

即ち、母材のＦｅに固溶し、比較的磁束密度の低下が少
なく、かつ、電気抵抗の上昇が大きく、耐食性にも優れ
たＣｒを選定し、その含有量を８〜１２ｗｔ％とした。

その限定理由は。

８〜１２ｗｔ％Ｃｒ−Ｆｅの二元合金では磁化力２５０
ｅにおける磁束密度８２Ｂは約１．７テスラと高い値を
示すが電気抵抗は高々４０μΩ・１止まりと小さい。そ
の上、Ｃｒ含有のＣｒ−Ｆｅ合金は状態図的に８５０〜
１２００℃の温度範囲にγループがあり、熱処理条件に
よってはフェライト単相組織にならずマルテンサイトが
析出し、保磁力、及び、硬さが著しく増大させる。従っ
て、磁束密度をあまり低下させずに電気抵抗を大きくし
、冷間鍛造性を損なわない範囲で第三あるいは第四元素
を添加する必要がある。そこで、発明者等はＣｒ−Ｆｅ
合金に固溶し、安定なフエライ！・単相組織となる元素
としてＡｌ及びＳｉを選定し、それらを添加した上でＣ
ｒ量の範囲を限定した。

冷間鍛造は熱間鍛造後、第２図に示したように、冷間鍛
造性をよくするために結晶粒度調整のために熱処理を施
す、その温度は７００〜８５０℃程度がよく、従って、
状態図的にはγループにかからないので冷間鍛造性のみ
を考えればＣｒ含有量は少ないほど伸び、絞り、硬さ等
の機械的特性は向上するが、Ｃｒ量が少なすぎると噴射
弁組立前の磁気焼鈍の条件によってはマルテンサイトの
析出が起り、保磁力、硬さ等はかえって増大する。

また、マルテンサイトの析出を防止するためにＡｌある
いはＳｉを更に多く添加すると磁束密度が低下し、硬さ
が増大するので好ましくない、従って、Ａｒ１及びＳｉ
の添加量を考慮すればＣｒ量は８〜１２ｗｔ％と限定し
た。ＳｉとＡｌはフェライト安定化元素で磁気的・機械
的にも同じような性質を示すが、等量の場合、Ａｌの方
が若干硬さを大きくすること、フェライト安定化効果が
大きいと言える。Ｓｉの単独添加では１．５ｗｔ％以上
添加しないとρは７０μΩ・口以上にならず。

その時、硬さはＩＩＨＶ　１５０　以上となり冷間鍛造
性を損なう。また、１．０ｗｔ％以下ではマルテンサイ
トの析出により硬さが著しく大きくなると共に磁束密度
も低くなり、電気抵抗も７０μΩ・■を割ってしまう。

Ａｌとの複合添加により硬さを大きくすることなく磁気
特性を改善できる。これは、Ａｌのフェライト組織化の
効果である。これらを総合して、Ｓｉ添加量は０．５〜
１．５ｗｔ％。

ＡＩ２添加量は０．５〜２ｗｔ％の複合添加とし、総量
で１〜３ｗｔ％とした。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について説明する０代表組成とし
てＩＡｌ−１ｓｉ−１０Ｃｒ−Ｔｅ　（ｗｔ％）を真空
溶解により溶製したインゴットを８００〜９００℃の温
度で熱間鍛造により直径４０ｍｍの丸棒を作製した。そ
の後、７５０℃、２ｈの調質熱処理により結晶粒を粒度
Ｎｏ　６に調整した。この素材を用いて噴射弁の磁気回
路を構成するヨーク１、コア２．プランジャ３の三つの
部材を冷間鍛造により作成し、仕上げ切削を施した後、
９５０℃、２ｈの磁気焼鈍を行ない他の部品と合せて噴
射弁として組立てた。その断面図を第１図に示す。

作製した員数は石側である。冷間鍛造における割れの発
生率は零で良好な鍛造性であることを確認した。また、
噴射弁の性能は磁束密度の増大、保磁力の低減とＣｒを
できるだけ低減した分だけ向上され、磁気的にも鋭敏と
なり、ダイナミックレンジは約２０％向上した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、磁気特性を改善すると共に、冷間鍛造
性に優れた材料組成としであるため噴射弁の性能向上が
図れ、冷間鍛造性がよいために材料コスト、製造コスト
は大幅に改善され、高性能・低コスト噴射弁の提供が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の冷間鍛造により製造した
噴射弁の断面図、第２図ないし第９図は本発明に至るま
での実験例を示した図である。 １・・・ヨーク、２・・・コア、３・・・プランジャ、
４・・・コイル、５・・・弁棒、６・・・ボール弁、７
・・・弁座、８・・・１−〜−ヨーフ ２−一−コア ３−一一アランシャ ア 〉′ＩＯμ几・Ｃ爪 嘉４図 ８晶辻＊Ｎｏ。 墓 図 ＣＩ−１＼有　ｌ （ｗｔ″／、） 針急有量 Ｃヒ令奮１ （Ｗｔ／、） 含有事 （ｖｖｔ″／、） 嵩′Ｖ区 Ｃ１含有１ （Ｗｔ７．．１ へ愛含有ｉ（ｗｔ　　Ｚ〕

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．磁気吸引力により弁の開閉を行なう電磁操作噴射弁
   において、 磁気吸引力を与える固定された電磁コイルを取り囲むよ
   うに配置された磁気回路部品、すなわち、ヨーク，コア
   ，プランジャの材質がＣｒ：８〜１２ｗｔ％，Ｓｉ：０
   ．５〜１．５ｗｔ％，Ａｌ：０．５〜２ｗｔ％，残部Ｆ
   ｅと若干の不純物で、かつ、ＡｌとＳｉの総和が１〜３
   ｗｔ％である電磁ステンレス鋼であり、かつ、均一なフ
   ェライト組織をもち、その電磁気特性は電気抵抗が７０
   μΩ・ｃｍ以上、保磁力１エルステッド以下、磁化力２
   ５エルステッドにおける磁束密度が１．２５テスラ以上
   をもつ磁気回路部材を用いたことを特徴とする燃料噴射
   用電磁弁。
2. ２．前記磁気回路部品の冷間鍛造前の素材が調質熱処理
   により結晶粒度が粒度番号Ｎｏ．４〜Ｎｏ．７の範囲に
   調整され、かつ、機械的特性が伸び４０％以上，絞り７
   ５％以上であり、遷移温度が冷間鍛造温度以下であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の組成をもつ燃料噴射弁
   用材料。