JPH06128696A - 耐摩耐食燃料噴射ノズル材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルコール系燃料を用いる内燃機関に用いる
耐摩耗耐食性燃料噴射ノズル材の提供。 【構成】 重量比で、Ｃ；0.80〜1.30％、Ｓｉ；1.5％
以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；17.0〜22.0％、Ｗおよ
びＭｏの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで；2.0〜5.0％
含有し、残部がＦｅおよび不純物元素からなるもの、な
らびに上記にさらにＶ；0.1〜2.0とＣｏおよびＮｉの１
種または２種を合計で；0.5〜4.0％とＣｕ；0.5〜3.0％
のそれぞれ単独または複合して添加したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルコール燃料、アル
コール混合燃料を使用する内燃機関の電子燃料噴射ノズ
ルに用いられる耐摩耗性、耐食性を高めたノズルボデ
ィ、ノズルニードル（ボールタイプの場合はボール）の
材質に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子燃料噴射装置は、内燃機関に使用し
て、動力性能の向上、燃料消費量の低下、排気ガスの浄
化に対し有効な装置として、年々装着率が高くなってい
る。本装置は、内燃機関の時々刻々の必要燃料量をコン
トロールユニットで算出し、その結果をノズルの開弁時
間として制御するものであり、該ノズルは、毎吸引工程
毎に正確に作動する必要から、それに用いる材料には高
い耐摩耗性が要求されている。ノズルの材料（ノズルボ
ディ、ノズルニードル、ボール）としては、現在のガソ
リンを燃料とする機関では、主としてＳＵＳ４４０Ｃ
が、熱処理により硬さHRC60前後として使用され、廃車
まで使用した場合でもシート部の摩耗、腐食に関し問題
はない。しかし、ＳＵＳ４４０Ｃのノズルにおいても燃
料がアルコールまたは、アルコール混合燃料となった場
合、燃料中に含まれるカルボン酸、水分、塩類等による
ノズル材の腐食や、燃料の潤滑性の低下によるシート
部、摺動部の摩耗が生じ、燃料の供給量、タイミングに
異常が生じてくるため、長期間の使用はできない状況で
あり、これらの腐食、摩耗に対応する材料の開発が望ま
れている状況にある。

【０００３】特開平４−１４１５６０号は、同用途用の
燃料噴射ノズルボディ用として、Ｃ0.5〜1.6％、Ｓｉ
2.0％以下、Ｍｎ 1.5％以下、Ｃｒ 2.0〜17.0％、Ｗお
よびＭｏの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで4.5%以下、
ＶおよびＮbの１種または２種をＶ＋1/2Ｎbで2.0%以
下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる材料および該
材料にさらに、Ｃｕ 0.5〜3.0%、Ｃｏ 6.0%以下、Ｎｉ
3.0%以下の１種または２種以上を適宜添加した材料を開
示している。

【０００４】また、特開平４−２２８５４４号は、やは
り同用途用材料として、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系鋼であって、
ＣとＣｒの関係がＣｒ(%)＋25×Ｃ(%)≦32であり、かつ
材料の一次炭化物の面積率が1.5%以下である材料、Ｆｅ
−Ｃｒ−Ｃ−Ｃu系(Ｃｕ 3.0wt%以下)の同様な材料、お
よび重量％でＣ 0.6%以上0.80%未満、Ｓｉ 1.5%以下、
Ｍｎ 1.5%以下、Ｃｒ 8.0%以上16.0%未満、ＷとＭoの１
種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで0.5〜3.5%、Ｖ 0.02〜1.5
%、Ｃｕ 0.05〜3.0%、残部Ｆｅおよび不可避不純物から
なり、かつＣとＣｒの関係がＣｒ(%)＋25×Ｃ(%)≦32で
一次炭化物の面積率が1.5%以下である材料、以下上記の
各添加元素を規定した材料に対し、さらにＣｏ 0.1〜5.
0wt%、Ｎｉ 2.0wt%の１種または２種を適宜添加した材
料を開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は噴射ノズルの
材質について、アルコール燃料やアルコール混合燃料に
使用してもシート部の腐食、摩耗が十分に少ない材料を
供することを目的とする。すなわち、本発明の目的は、
アルコール燃料、アルコール混合燃料中に含まれるカル
ボン酸、水分、塩類等に対して十分な耐食性をもち、さ
らに、燃料の潤滑性の低下によるシート部、摺動部の摩
耗に対して十分な耐摩耗性をもつ材料を提供することに
ある。

【０００６】現在、アルコール燃料、アルコール混合燃
料としては、ＦＦＶ（フレキシブル・フューエル・ビー
クル）、Ｍ８５（メタノール 85%＋ガソリン 15%）、Ｅ
２０（エタノール 20%＋ガソリン 80%）等が提唱されて
いるがノズルの摩耗、腐食の最も苛酷な燃料としては、
Ｍ８５である、この燃料中には、概略して、水 0.5％、
蟻酸 10ppm、酢酸 20ppm、ＮａＣｌ 2ppm、の不純物が
混入しており、これらの不純物により燃料が腐食性とな
り、電食、エロージョンが生じやすくなる、また、潤滑
性については、粘度的にはガソリンとメチルアルコール
では大きな差異は認められないが、分子構造的に低級ア
ルコールは、潤滑性がなく、摺動部、シール部での摩耗
が大きい。

【０００７】模擬装置での作動テスト（燃料ポンプ−噴
射ノズル−フィルタ の閉回路を作り1.5億回作動）を行
なった場合、ＳＵＳ４４０Ｃ製の噴射ノズルのボディ、
ニードルでは、燃料としてガソリンを使用すると噴射ノ
ズルのシート面および摺動面の摩耗、腐食は認められな
いが、Ｍ８５にて作動テストを行なった場合、摺動部の
摩耗、シート部の摩耗、およびシート部下流側のエロー
ジョンを伴った腐食が生じることが明らかになった。同
様に、前述の２提案の各材料についてのテスト結果で
は、耐食性については、ほぼ満足できるが、耐摩耗性に
ついては、程度の差はあるがやはり有害な程度の摩耗を
生ずることが明らかとなった。本発明はＭ８５燃料等を
使用することによる腐食環境、および摩耗環境に対し、
十分な耐久性を有する噴射ノズル材料を提供することを
目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】アルコール燃料中での腐
食性に対して、種々な成分の鋼の腐食減量からアルコー
ルに含まれる蟻酸、酢酸に対して有効な添加元素を見出
した。また、Ｍ８５燃料での摺動部、シート部の摩耗の
形態はアブレッシブな摩耗形態を示すことを見出し、こ
れに対する耐摩耗性を高める組織要因から、炭化物の形
態、組成およびマトリックス組成を変更した種々の材料
を製造して噴射ノズルを製作し、作動テストを行なっ
た。その結果、耐摩耗性の向上には、炭化物の改善が重
要で、具体的には、主にＣｒ炭化物について炭化物の増
量、炭化物の粗大化、炭化物の高硬度化が、また、マト
リックスに対しては、アルコールでの耐食性との兼ね合
いからＭｏとＷの１種または２種、ＣｏまたはＮｉの１
種または２種、Ｃｕの添加がそれぞれ有効であることを
見出した。また、エロージョンを伴った腐食に対して
は、できるだけ高硬度化することが効果的であることを
見出した。これらの検討結果から耐摩耐食燃料噴射ノズ
ル材として、具体的に以下の成分の材料が有効であるこ
とが判明した。

【０００９】すなわち、本発明は、重量比で、Ｃ；0.80
〜1.30％、Ｓｉ；1.5％以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；
17.0%を越え22.0%以下、ＷおよびＭｏの１種または２種
を1/2Ｗ＋Ｍｏで；2.0〜5.0％含有し、残部がＦｅおよ
び不純物元素からなることを特徴とする耐摩耐食燃料噴
射ノズル材であり、また、上記材料に対し、さらにＶ；
0.1〜2.0％と、ＣｏおよびＮｉの１種もしくは２種を合
計で；0.5〜4.0％と、Ｃｕ；0.5〜3.0％をそれぞれ単独
または適宜複合して添加したものである。

【００１０】

【作用】本発明の材料は、前述の知見の下に、前述の２
提案の各材料に対し、耐摩耗性を向上することを重点に
して、添加合金成分を調整したものである。主要な調整
点は、以下の通りである。Ｃｒ炭化物の粗大化、増量
化、高硬度化を図った。一般に炭化物は高硬度のため、
これを粗大化、増量すると耐摩耗性を向上し得る。しか
し、Ｖ炭化物やＭｏ，Ｗ等の炭化物は、本用途に対して
は過度に高硬度のため、相手材の摩耗を促進し易いこ
と、したがって、Ｃｒ炭化物を適度に粗大化、増量する
と共に、高硬度化すべきことがわかった。これにより本
発明では、Ｃ，Ｃｒを増量するとともに、Ｗ，Ｍｏも1/
2Ｗ＋Ｍｏ量に下限を設け、その量を2.0〜5.0%とやや増
量してＣｒ炭化物の高硬度化を図り、また後述のように
マトリックスの耐食性の向上も達成している。本発明の
材料は、焼入れ焼もどし熱処理、つまりノズルとしての
使用状態では、マトリックス中にＣｒ，Ｍｏの一部が固
溶した状態となり、基地のカルボン酸に対する耐食性を
向上させる。なお、ＣｏやＮｉを添加したものでは、Ｃ
ｏやＮｉがマトリックスに全て固溶し、基地の耐食性を
高める効果が認められる。

【００１１】次に本発明材の化学成分限定理由について
のべる。Ｃは、本発明材の焼入れ組織をマルテンサイト
組織に保ち、硬さを高め、炭化物を生成し、耐摩耗性を
高めるための必須の元素である。耐摩耐食燃料噴射ノズ
ル材として必要な硬さ、特に十分なＣｒ炭化物量を得る
ためには最低 0.8％以上の添加が必要であるが、多い場
合は加工性を害し素材の製造が困難になるため最大量を
1.3％とした。Ｓｉは、鋼の脱酸元素として添加される
が、さらに基地に固溶して基地を強化し、耐摩耗性を高
める効果がある。また本発明材のように低温焼戻しを行
なって使用される場合は、焼戻し軟化抵抗を高める。し
かし、多量に添加した場合には熱間加工性を害するため
最大 1.5％とした。

【００１２】Ｍｎは鋼の精練上不可欠の元素であるが、
多量に含まれるとアルコール中の蟻酸、酢酸に対する耐
食性を悪くするため最大 1.5％とした。Ｃｒは、アルコ
ール中の蟻酸、酢酸に対する耐食性に対して有効な効果
を与え、多い方が望ましい。また、Ｃと結合して炭化物
となり耐摩耗性を高める効果がある。本発明は、特にＣ
ｒ炭化物を粗大化、増量化してこの目的を達成してい
る。これらの効果が有効に得られるには17％を越える添
加が必要である。しかし、多量に含まれると熱処理での
最高硬さが低下すること、および熱間加工性を害するこ
とから最大22％とした。Ｗ，Ｍｏ，は焼入れ性の向上、
焼入れ硬さの上昇、Ｃｒ炭化物の高硬度化、アルコール
中の蟻酸、酢酸に対する耐食性に対して有効な効果が認
められる。しかし、多量に含まれるとＭＣ型炭化物を多
量に作って相手材の摩耗を促進する、材料の加工性を悪
くする等の影響を生ずる。なお、ＭｏとＷは同様な働き
をするが、ＷはＭｏの２倍の原子量であるため、Ｍｏ当
量で整理し（1/2Ｗ＋Ｍｏ）として規定し、2.0〜5.0％
とした。

【００１３】Ｖは本発明材の組織の均一化に有用であ
り、またアルコール中の蟻酸、酢酸に対する耐食性に対
して有効な効果が認められるが、場合によってはＶＣ炭
化物を多量につくり摩擦相手を摩耗させるため、無添
加、および添加する場合では0.1〜2.0％とした。Ｃｏお
よびＮｉは、マトリックスに固溶して耐食性の向上に極
めて有効な元素であり、また耐摩耗性、耐焼付性の向上
にも効果がある。しかし、多く含まれた場合、加工性の
低下があり、添加する場合の規定として0.5〜4.0％とし
た。Ｃｕは、マトリックスに固溶して、アルコール中の
蟻酸、酢酸に対する耐食性に対して有効な効果をあた
え、その効果は0.5％から顕著になり、多くなるほどそ
の効果は高まるが、熱処理硬さが低下すること、材料の
熱間加工が困難になることより最大3.0％とした。

【００１４】

【実施例】以下に実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。表１に、実施例に用いた噴射ノズル材の化学
成分を示す。表１の鋼 No1〜15は本発明鋼であり、従来
材（比較鋼）No21は従来ガソリン燃料で使用されている
ＳＵＳ４４０Ｃ鋼であり、Ｎo.22,23は、特開平４−１
４１５６０号にて開示された代表的鋼、Ｎo.24,25は特
開平４−２２８５４４号で開示された代表的鋼である。
電気炉で熔製した各実施例鋼は鋳造後、分塊、仕上げ鍛
造、焼なまし後、試料を採取するとともに、図１に示し
た噴射ノズルのノズルボディ、ノズルニードルに加工す
るため、荒加工を施し、前記試料とともに焼入れ(1080
℃)−サブゼロ(-75℃)−焼戻し(180℃)を行なったのち
仕上げ加工を行なった。仕上げ加工の精度は、摺動面の
ノズルボディ、ノズルニードル間のギャップを50μ以下
とし、摺動面、シール面はラッピング仕上げを行なっ
た。

【００１５】

【表１】

【００１６】テスト装置は、市販の燃料噴射ノズルのノ
ズルニードル、ノズルボディを外し、そこに実施例鋼に
て作成した各材料のノズルニードル、ノズルボディを組
付けポンプ−噴射ノズル−フィルタ−タンク の閉回路
を作り作動テストを行なった。作動テストに使用した評
価装置の概念図を図２に示す。燃料は水0.5％、蟻酸10p
pm、酢酸 20ppm、ＮａＣｌ 2ppm、の不純物を添加した
Ｍ８５を使用し、100回／秒でノズルを作動させ、計１.
5億回（約１７日間）連続運転し、該運転後、摺動部、
シール部の観察をＳＥＭにて行なった。

【００１７】摩耗部の観察は、摺動部とシール部につい
て行ない、摩耗形態によりＡ〜Ｄにランク分けした。Ｓ
ＥＭでの摩耗形態の評価基準を以下に示す。 「評価基準」 Ａ----研磨面にかすかにスジ状摩耗痕が認められるも
の。 Ｂ----研磨面の一部分研磨目が潰れているもの。 Ｃ----研磨面が全面摩耗し、平滑になっているもの。 Ｄ----研磨面が波状に（凹凸状に）摩耗しているもの。

【００１８】腐食部の観察は、本試験ではノズルボディ
およびノズルニードルで腐食部分はシール面の下流部の
みであり、その形態からエロージョンを伴った腐食によ
るものである。しかしその腐食程度は、実施例鋼によっ
て異なり、その腐食の程度により評価基準を設定した。 「評価基準」 Ａ----腐食の痕跡なし。 Ｂ----シール面下流に僅かに腐食が認められる。 Ｃ----シール面下流に腐食が明瞭に認められる。（面積
率小） Ｄ----シール面下流に腐食が明瞭に認められる。（面積
率大）

【００１９】実施例鋼についての作動試験後の評価結果
を表２に示す。ここで、いずれも評価Ｂは使用可能なも
のである。なお、表２には前記熱処理を施した試料によ
る熱処理後の硬さおよび炭化物（主にＣｒ炭化物からな
る）の面積率を示した。表から明らかなように、本発明
鋼は、Ｃｒ炭化物の粗大化、増量化、高硬度化を主とす
る成分元素調整により、Ｍ８５燃料の使用にもかかわら
ず、摺動部、シール部とも、各比較鋼に比し、耐摩耗
性、耐食性（エロージョンを伴った）に非常に優れ、ま
た、耐食性についても十分使用に耐えるものであり、ア
ルコール燃料を使用する噴射ノズル材として適した材料
であるといえる。なお、従来材Ｎo.21は、炭化物量は12
%とかなり高いが、成分的に1/2Ｗ＋Ｍoが低く、炭化物
の高硬度化、マトリックスの高硬度化が不十分で耐摩耗
性はいずれも低い。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の耐摩耐食
燃料噴射ノズル材は、内燃機関の燃料がガソリン等の石
油系燃料からアルコール系燃料に切り替えられた場合に
生じる、燃料の供給量の誤差、タイミングの誤差の原因
となる噴射ノズルの摩耗や腐食に対して、十分耐える材
料であり、従来の材料に対して、ＣとＣｒとの比率から
特にＣｒ炭化物の炭化物の量の適正化、Ｍｏ，Ｗさらに
はＶの添加による炭化物の硬さの上昇、Ｍｏ，Ｃｏ，Ｃ
ｕの添加によるマトリックスの耐食性の向上した材料で
ある。この材料の噴射ノズルは、ガソリンとアルコール
燃料との種々の比率の燃料に対し、摩耗、腐食を、従来
の材料に比し激減することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験に用いた噴射ノズルのボディおよびニード
ルを示す図である。

【図２】評価に使用した作動耐久試験装置を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ タンク、２ 燃料ポンプ、３ 噴射ノズル、４ チ
ャンバ、５ フィルタ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、Ｃ；0.80〜1.30％、Ｓｉ；1.
   5％以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；17.0%を越え22.0%以
   下、ＷおよびＭｏの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで；
   2.0〜5.0％を含有し、残部がＦｅおよび不純物元素から
   なることを特徴とする耐摩耐食燃料噴射ノズル材。
2. 【請求項２】 重量比で、Ｃ；0.80〜1.30％、Ｓｉ；1.
   5％以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；17.0%を越え22.0%以
   下、ＷおよびＭｏの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで；
   2.0〜5.0％、Ｖ；0.1〜2.0％を含有し、残部がＦｅおよ
   び不純物元素からなることを特徴とする耐摩耐食燃料噴
   射ノズル材。
3. 【請求項３】 重量比で、Ｃ；0.80〜1.30％、Ｓｉ；1.
   5％以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；17.0%を越え22.0%以
   下、ＷおよびＭｏの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで；
   2.0〜5.0％、Ｖ；0.1〜2.0％、ＣｏおよびＮｉの１種も
   しくは２種を合計で；0.5〜4.0％を含有し、残部がＦｅ
   および不純物元素からなることを特徴とする耐摩耐食燃
   料噴射ノズル材。
4. 【請求項４】 重量比で、Ｃ；0.80〜1.30％、Ｓｉ；1.
   5％以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；17.0%を越え22.0%以
   下、ＷおよびＭｏ１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで；2.0
   〜5.0％、Ｖ；0.1〜2.0％、Ｃｕ；0.5〜3.0％を含有
   し、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを特徴と
   する耐摩耐食燃料噴射ノズル材。
5. 【請求項５】 重量比で、Ｃ；0.80〜1.30％、Ｓｉ；1.
   5％以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；17.0%を越え22.0%以
   下、ＷおよびＭｏ１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで；2.0
   〜5.0％、Ｖ；0.1〜2.0％、ＣｏおよびＮｉの１種もし
   くは２種を合計で；0.5〜4.0％、Ｃｕ；0.5〜3.0％を含
   有し、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを特徴
   とする耐摩耐食燃料噴射ノズル材。
6. 【請求項６】 重量比で、Ｃ；0.80〜1.30％、Ｓｉ；1.
   5％以下、Ｍｎ；1.5％以下、Ｃｒ；17.0%を越え22.0%以
   下、ＷおよびＭｏ１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍｏで；2.0
   〜5.0％を含有し、さらにＣｏおよびＮｉの１種もしく
   は２種を合計で；0.5〜4.0％とＣｕ；0.5〜3.0％の少な
   くとも１種を含有し、残部がＦｅおよび不純物元素から
   なることを特徴とする耐摩耐食燃料噴射ノズル材。