JPH0748653A - 排気系部品 - Google Patents
排気系部品Info
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- JPH0748653A JPH0748653A JP31774192A JP31774192A JPH0748653A JP H0748653 A JPH0748653 A JP H0748653A JP 31774192 A JP31774192 A JP 31774192A JP 31774192 A JP31774192 A JP 31774192A JP H0748653 A JPH0748653 A JP H0748653A
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Abstract
品1、2は、重量比率で、C:0.05〜0.45%及
びCr:16.0〜25.0%を含有し、通常のα相の
ほかに、γ相からα相+炭化物に変態した相(以下α’
相)を有するとともに、α’相の面積率(α’/α+
α’)が20〜90%である。 【効果】 フェライト基地および結晶粒界が強化され、
室温の延性を損なわずに変態点も高く、特に重要な高温
引張強度、耐熱疲労性、耐酸化性について、従来の排気
系部品を上回る特性を示す。
Description
気系部品に関し、特に熱疲労性、耐酸化性といった耐久
性に優れているとともに、構造用部品として室温延性に
優れ、かつ鋳造性及び機械加工性に優れ、安価なコスト
で製造可能なフェライト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品
に関する。
の比較例に示す組成からなる耐熱鋳鉄及び耐熱鋳鋼を用
いたものがある。自動車のエキゾーストマニフォールド
やタービンハウジングなどの排気系部品等においては、
使用条件が高温過酷であることから、表1に示すような
高Si球状黒鉛鋳鉄、ニレジスト鋳鉄(Ni−Cr系オ
ーステナイト鋳鉄)等の耐熱鋳鉄や、特例的にはオース
テナイト鋳鋼等の高価な高合金耐熱鋳鋼が採用されてい
る。
鋳鉄、耐熱鋳鋼のうち、例えば高Si球状黒鉛鋳鉄やニ
レジスト鋳鉄は、比較的鋳造性が良好であるものの、耐
熱疲労性、あるいは耐酸化性といった耐久性が劣ること
から、900℃以上の高温となる部材には適用できな
い。また、オーステナイト系耐熱鋳鋼等の高合金耐熱鋳
鋼は、900℃以上での耐久性に優れているものの、熱
膨張係数が大きいことに起因して熱疲労寿命が短いとい
う欠点を有する。また、鋳造性が悪いために、鋳造時に
ひけ巣や湯廻り不良等の鋳造欠陥が発生しやすく、さら
に機械加工性が悪いために、それから部品等を製造する
場合に、生産性が低いという問題点もあった。なお、そ
の他にフェライト系ステンレス鋳鋼もあるが、通常のフ
ェライト系ステンレス鋳鋼は、高温強度を改善しようと
すると、室温における延性に乏しくなる。これらを用い
た排気系部品は高価なうえ、極めて短寿命である。
耐熱鋳鋼を用いた排気系部品の問題点を解決し、耐熱疲
労性、耐酸化性といった耐久性、及び鋳造性、機械加工
性に優れ、安価に製造可能なフェライト系耐熱鋳鋼から
なる長寿命の排気系部品を提供することを目的とする。
の結果、本発明者らは、C及びCrを適正量に調整する
ことにより、フェライト基地および結晶粒界を強化し、
室温における延性を損なわずに変態点を上昇させ、高温
強度を向上することができるフェライト系耐熱鋳鋼から
なる排気系部品は、耐熱疲労性、耐酸化性といった耐久
性に優れており、安価に製造可能であることを見出し、
本発明に想到した。
率で、C:0.05〜0.45%及びCr:16.0〜
25.0%を含有し、通常のα相のほかに、γ相からα
相+炭化物に変態した相(以下α’相)を有するととも
に、α’相の面積率(α’/α+α’)が20〜90%
であるフェライト系耐熱鋳鋼からなることを特徴とす
る。
て、重量比率で、Cを0.05〜0.45%、Crを1
6.0〜25.0%に調整し、さらに使用目的により、
所定量のSi、Mn、Mo、W、Nbおよび/またはV
を単独で又は組み合わせて添加すると、α’相を含有す
る組織が得られ、それにより、従来の高合金鋼を上回る
耐熱疲労性および耐酸化性を有し、室温における延性を
損なうことなく耐熱鋳鉄と同等の鋳造性、機械加工性を
有し、かつ低価格な耐熱鋳鋼が得られる。このようなフ
ェライト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品は、従来の排気
系部品にくらべて極めて耐久性に優れ、長寿命である。
フェライト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品では、次のよ
うに条件を設定する。
熱鋳鋼として通常のα相のほかに、γ相からα相+炭化
物に変態したパーライトコロニー状のα’相を析出さ
せ、これらの相の面積率を適正にした基地組織とするこ
とが重要である。なお、通常のα相とは、δ(デルタ)
フェライト相を意味する。また、析出した炭化物は、F
e、Cr、W、またはNb等の炭化物(M23C6 、M7
C3、MC等)である。
20%未満では、室温における延性が低く、極めて脆
い。一方、α’相の面積率が90%を越えると硬くなり
すぎ、室温の延性が低下するとともに、機械加工性が著
しく悪くなる。そのためα’相の面積率は20〜90%
とする。ここで、α’相の面積率とは、後述の図3の金
属組織写真中のふちどりの内部のやや灰黒色に見える組
織(α’相)の面積を全体(α+α’)の面積で割って
求めたものである。
使用温度域にα相からγ相への変態点が存在すると、加
熱−冷却のサイクルを受けて発生する熱応力が増大し、
熱疲労寿命が短くなる。そのため、本発明の排気系部品
を構成するフェライト系耐熱鋳鋼は900℃以上の変態
点を有するのが好ましい。このように高い変態点を有す
るためには、フェライト生成元素であるCrとオーステ
ナイト生成元素であるCのバランスが適正であることが
必要である。なお、使用目的によりフェライト生成元素
としてSi、Mo、W、Nb、オーステナイト生成元素
としてMn、Niを添加してもよい。
ライト系耐熱鋳鋼は、鋳造後にα’相がγ相に変態しな
い温度域で焼鈍してもよい。このときの焼鈍処理の温度
は、一般に700〜850℃であり、焼鈍時間は1〜1
0時間である。
ライト系耐熱鋳鋼の各合金元素の組成範囲の限定理由に
ついて詳細に説明する。上記フェライト系耐熱鋳鋼にお
いては、C及びCrを必須元素とする。
に、α’相を適当量生成する作用を有し、さらには変態
点以下の高温における強度を高く維持する働きがある。
このような作用を有効に発揮するために、Cは0.05
%以上必要である。なお、一般のフェライト系耐熱鋳鋼
では室温でα相のみであるが、炭素量の調整により、高
温から常温まで存在するα相(δ−フェライト相)のほ
かに、高温ではCが固溶したγ相ができる。このγ相は
冷却過程で炭化物を析出してパーライトコロニー状のα
相+炭化物に変態する。このような相をα’相と呼び、
通常のα相にくらべて極めて強靱な相となる。
α’相が存在しにくくなって、マルテンサイト組織にな
り、また耐酸化性、耐食性および機械加工性の低下を引
き起こすCr炭化物の析出が顕著になる。このため、C
は0.05〜0.45%とする。好ましくは0.15〜
0.40%とする。
% Crは耐酸化性を改善し、フェライト組織を安定にする
元素であるが、その効果を確実にするため16.0%以
上必要である。一方、多量の添加はCrの一次炭化物を
粗大化させ、また高温でのδ−フェライト相の形成を助
長し、著しい脆化を起こす。このため、Crの上限を2
5.0%とする。好ましくは17.0〜21.0%とす
る。
o、W、Nbおよび/またはVを添加するが、そのとき
の各々の元素の範囲は以下のように限定する。なお、そ
れぞれの元素は単独で添加してもよいし、組み合わせて
添加してもよい。
ェライト基地の安定性を増し、耐酸化性の改善効果もあ
る。さらに鋳造性の改善、脱酸剤としての作用、鋳物の
ピンホール欠陥の低減効果等もある。しかし多すぎる
と、Cとのバランス(炭素当量)により一次炭化物を粗
大化し、鋳鋼の加工性を低下させたり、またフェライト
基地中のSiの含有量が過多となって延性の低下を起こ
したり、高温でのδ−フェライト相を増加したりする。
このためSiの含有量は2.0%以下とする。好ましく
は0.4〜2.0%とし、さらに好ましくは0.5〜
1.5%とする。
また鋳造時の湯流れ性を向上させて生産性を改善する
が、多すぎると延性が低下するので、Mnの含有量は
1.0%以下とする。好ましくは0.3〜1.0%と
し、さらに好ましくは0.3〜0.7%とする。
まり損なわず高温強度を向上させる作用を有する。しか
し、多量に添加するとα’相が生成しにくくなって脆化
し、延性の低下を引き起こすので2.5%以下とする。
好ましくは、0.5〜2.0%とする。
性をあまり損なわず高温強度を向上させる作用を有す
る。Wは原子量がMoの1/2なので、添加量は重量比
率でMoの2倍までにするのが好ましい。多量に添加す
るとα’相が生成しにくくなり脆化し、延性の低下を引
き起こすので5.0%以下とする。好ましくは1.0〜
5.0%とし、さらに好ましくは1.0〜4.0%とす
る。なお、Mo,Wは単独で又は組み合わせて添加する
ことができるが、組み合わせて添加する場合には(2M
o+W)で5%以下とする。好ましくは1.0〜4.0
%とする。また、MoはWに比べ耐熱性が若干劣るの
で、本発明のような排気系部品ではWのみを添加するほ
うが好ましい。
(バナジウム):1.0%以下 Nb及びVはCと結合して微細な炭化物を形成し、高温
での引張強さならびに耐熱疲労性を増大させる。またC
rの炭化物の生成を抑制することによって耐酸化性と切
削性を向上させる。しかし、多量に添加すると、結晶粒
界に炭化物を形成し、またNb及びVの炭化物を生成す
ることによりCが消費され、α’相が形成されにくくな
り、強度と延性が著しく低下するため、各々0.50%
以下(合計1.0%以下)とする。好ましくは各々0.
01〜0.5%とし、さらに好ましくは各々0.03〜
0.3%とする。
域が異なるので、広い温度域にわたり析出強化(硬化)
作用が期待できる。従って、どちらか一方の単独含有の
みならず、複合添加により大きな効果が期待できる。
に、Ni、Nを単独で又は組み合わせて含有してもよ
い。
量存在させるのに有効な元素である。しかし、多量に添
加すると耐酸化性に優れたα相が減少し、かつα’相が
マルテンサイト化して著しく延性を低下させるため、
2.0%以下とする。好ましくは0.1〜2.0%と
し、さらに好ましくは0.1〜1.5%とする。
素であるが、製造の安定性を確保するためとCr窒化物
の析出により脆化を避けるため、0.15%以下とす
る。好ましくは0.01〜0.15%とする。
使用し得るフェライト系耐熱鋳鋼の組成例は、以下の通
りである。
る面積率及び変態点は以下の通りである。
ト系耐熱鋳鋼を用いて製造する。ここで、自動車用排気
系部品の例として、過給機付き直列4気筒エンジンに取
り付けられた一体構造型エキゾーストマニフォールドを
図1に、過給機付きV型6気筒エンジンに取り付けられ
た一体構造型エキゾーストマニフォールドを図2に示
す。エキゾーストマニフォールドは、図1で示すフレキ
シブル型(たこ足型)1aと、図2で示すリジッド型
(いも虫型)1bがある。
は、それぞれターボチャージャのタービンハウジング2
に結合しており、またタービンハウジング2には、エキ
ゾーストアウトレットパイプ3を介して、排気ガス浄化
用触媒コンバータ容器4が接続している。さらにコンバ
ータ容器4にはメインキャタライザ5が接続している。
メインキャタライザ5の出口はマフラー(D)に連通し
ている。一方、タービンハウジング2は、インテークマ
ニフォールド(B)に連通しており、かつ(C)より吸
気されるようになっている。なお排気ガスは、(A)よ
りエキゾーストマニフォールド1a及び1bに流入す
る。
a及び1bやタービンハウジング2は、熱容量を小さく
するために、できるだけ薄肉にするのが好ましい。エキ
ゾーストマニフォールド1a、1bおよびタービンハウ
ジング2の肉厚は、例えば、それぞれ2.5〜3.4m
m、2.7〜4.1mmである。なお、各々のフランジ
部の肉厚は5.0〜10.0mmである。
らなるエキゾーストマニフォールド1a及び1bやター
ビンハウジング2は、加熱−冷却の熱サイクルを受けて
も亀裂が生じることがなく、優れた耐久性を有する。
る。
て、鋳造によりJIS規格のY形B号供試材を作製し
た。なお、鋳造にあたっては、100kg用高周波炉を
用いて大気中溶解し、直ちに1550℃以上で出湯して
約1500℃で注湯した。
ついては、鋳造時の湯流れが良く、鋳造欠陥の発生が見
られなかった。次に、鋳造した本発明材(実施例1〜1
0)の供試材(Yブロック)を加熱炉中にて800℃で
2時間保持後空冷する熱処理を行った。一方、比較材
(比較例1〜4)については全て鋳放しのまま試験に供
した。
自動車のターボチャージャー用ハウジングやエキゾース
トマニフォールド等の耐熱部品に使用されているもの
で、比較例1の供試材は高Si球状黒鉛鋳鉄であり、比
較例2の供試材はニレジスト鋳鉄であり、比較例3の供
試材はACI(Alloy Casting Inst
itute)規格のCB−30であり、また比較例4の
供試材はオーステナイト系耐熱鋳鋼(JIS規格SCH
12)と称されるものの一種である。
態点温度が950℃以上であり、比較例1および3に比
較して高いことがわかる。
種の評価試験を行った。 (1) 室温引張試験 標点間距離が50mm、標点間の直径が14mmの丸棒
試験片(JIS4号試験片)を用いて行った。
つき試験片を用いて、900℃で行った。
試験片を用い、加熱−冷却による伸び縮みを機械的に完
全に拘束した状態で、下記の条件下で、加熱−冷却サイ
クルを繰り返し、熱疲労破壊を起こさせた。
験機を用いた。
00℃において200時間大気中に保持し、取り出し後
にショットブラスト処理を施して酸化スケールを除去
し、酸化試験前後の単位面積当たりの重量変化(酸化減
量;mg/cm2)を求めることにより、耐酸化性を評
価した。
張試験、熱疲労試験および酸化試験の結果を表3にそれ
ぞれ示す。
明材1〜10はいずれも従来例である比較例1〜4の供
試材と比較して、高温強度、耐酸化性および熱疲労寿命
が著しく改善されていることがわかる。これは、C及び
Crが適正量に調整されているとともにα’相の面積率
が適正な値を示すことにより、フェライト基地が強化さ
れ、室温の延性を損なわずに変態点が950℃以上に上
昇したためである。0.2%耐力、引張強さ、伸び、熱
疲労寿命および酸化減量等の材料特性を各々単独で比較
すると、比較材のなかに本発明材より優れるものがある
が、総合的にみると本発明材は、諸性質のバランスが良
好で、排気系部品材料として極めて優れている。
1〜10)は硬さ(HB )が170〜223と比較的低
く、機械加工性にも優れていることがわかる。
その顕微鏡写真(100倍)をそれぞれ図3および図4
に示す。図3の白色部はδ−フェライトと呼ばれる通常
のα相で、ふちどりの内部のやや灰黒色部はγ相からα
相+炭化物に変態したα’相である。実施例5における
α’の面積率α’/(α+α’)は75%であり、比較
例3におけるα’相の面積率は95%であった。
て、実施例1と同様にしてJIS規格のY型B号の供試
材を作製した。
いては、鋳造時の湯流れ性が良く、鋳造欠陥の発生が見
られなかった。次に、鋳造した本発明材(実施例11〜1
9)の供試材(Yブロック)を加熱炉中にて800℃で
2時間保持後空冷する熱処理を行った。一方、比較材
(比較例5〜9)については、すべて鋳放しのまま試験
に供した。
自動車のターボチャージャー用ハウジングやエキゾース
トマニフォールド等の耐熱部品に使用されているもの
で、比較例5の供試材は、高Si球状黒鉛鋳鉄であり、
比較例6の供試材はニレジスト球状黒鉛鋳鉄であり、比
較例7の供試材はACI(Alloy Casting Institute )
規格のCB−30であり、また比較例8の供試材は、オ
ーステナイト系耐熱鋳鋼(JIS規格SCH12)と称
されるものの一種であり、さらに比較例9の供試材は、
高性能エンジン用エキゾーストマニフォールドに使われ
ているフェライト系耐熱鋳鋼(NSHR−F2、日立金
属(株)の商標)である。
が900℃以上であり、比較材5及び7に比較して高い
ことがわかる。次に、鋳造後の各供試材を用いて、室温
引張試験、高温引張試験、熱疲労試験及び酸化試験を、
実施例1〜10と同じ条件で行った。
引張試験、熱疲労試験及び酸化試験の結果を表6にそれ
ぞれ示す。
材11〜19はいずれも従来例である比較例5〜9の供試材
と比較して、高温強度、耐酸化性及び熱疲労寿命が著し
く改善されていることがわかる。これは適量のW、N
b、Ni及びNを含有することにより、フェライト基地
が強化され、室温の延性を損なわずに変態点が900℃
以上に上昇したためである。
さ(HB )が179〜235と比較的低く、機械加工性
にも優れていることがわかる。
ついて、顕微鏡写真(100 倍)をそれぞれ図5及び図6
に示す。
用いて、図1及び図2に示すエキゾーストマニフォール
ド(パイプ部の肉厚:2.5〜3.4mm)1a、1b
およびタービンハウジング(肉厚:2.7〜4.1m
m)2の排気系部品を鋳造した。得られた排気系部品は
いずれも健全なものであった。
して、切削性の評価を行ったが、いずれのものにも何等
問題は生じなかった。
フェライト系耐熱鋳鋼製エキゾーストマニフォールド1
bとタービンハウジング2を組み付けたV型6気筒の高
性能ガソリンエンジンに相当する排気ガスを発する排気
シミュレータにより、耐久試験を実施した。試験条件と
して、6000回転相当での全負荷運転(連続14分)
−アイドリング(1分)−完全停止(14分)−アイド
リング(1分)を1サイクルとする熱冷(GO−STO
P)サイクルを、500サイクルまで実施した。全負荷
時の排気ガス温度は、タービンハウジング2の入口で、
930℃であった。この条件下でのエキゾーストマニフ
ォールド1bの表面最高温度は、エキゾーストマニフォ
ールド1bの集合部で、約870℃、タービンハウジン
グ2の表面最高温度は、ウエストゲート部で約890℃
であった。評価試験の結果、熱変形によるガスの漏洩や
熱亀裂は生じず、優れた耐久性および信頼性を有するこ
とが確認された。
鉛鋳鉄によりエキゾーストマニフォールドを作製し、ま
た同表の化学成分のNI−RESIST D2(INC
O社の商標名)なるオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄によ
りタービンハウジングを作製し、同じエンジンにこれら
の部品を取り付けて、前記と同じ条件で試験を行った。
この結果、高Si球状黒鉛鋳鉄製エキゾーストマニフォ
ールドは、98サイクルで集合部近傍に酸化による熱亀
裂を生じ、使用不能となった。その後、エキゾーストマ
ニフォールドを実施例5のものに取り替え、試験を続行
したところ、324サイクル目にオーステナイト系球状
黒鉛鋳鉄のタービンハウジングのスクロール部に肉厚を
貫通する亀裂が生じた。以上の結果、本発明品であるエ
キゾーストマニフォールドおよびタービンハウジング
は、優れた耐久性を有していることが明らかになった。
フェライト系耐熱鋳鋼製エキゾーストマニフォールド1
aと、タービンハウジング2を組み付けた直列4気筒の
高性能ガソリンエンジンに相当する排気ガスを発する排
気シミュレータにより、耐久試験を実施した。試験条件
として、6000回転相当での全負荷運転(連続14
分)−アイドリング(1分)−完全停止(14分)−ア
イドリング(1分)を1サイクルとする熱冷(GO−S
TOP)サイクルを、500サイクルまで実施した。全
負荷時の排気ガス温度は、タービンハウジングの入口
で、930℃であった。この条件下でのエキゾーストマ
ニフォールドの表面最高温度は、エキゾーストマニフォ
ールドの集合部で、約870℃、タービンハウジングの
表面最高温度は、ウエストゲート部で約890℃であっ
た。評価試験の結果、熱変形によるガスの漏洩や熱亀裂
は生じず、優れた耐久性および信頼性を有することが確
認された。
重量比率で含有し、通常のα相のほかに、γ相から変態
したパーライトコロニー状のα’相を有するとともに、
これらの相の面積率を適正にしたフェライト系耐熱鋳鋼
からなる本発明の排気系部品は、フェライト基地および
結晶粒界が強化され、室温の延性を損なわずに変態点も
高く、特に重要な高温引張強度、耐熱疲労性、耐酸化性
について、従来の排気系部品を上回る特性を示す。その
ため、本発明の排気系部品は熱亀裂を生じることなく、
極めて優れた耐久性を示す。また、本発明を構成するフ
ェライト系耐熱鋳鋼は、鋳造性、機械加工性に優れてい
るので、本発明の排気系部品を安価に製造することがで
きる。
るフレキシブル型エキゾーストマニフォールドおよびタ
ービンハウジングを示す概略図である。
るリジッド型エキゾーストマニフォールドおよびタービ
ンハウジングを示す概略図である。
示す顕微鏡写真(100倍)である。
真(100倍)である。
表す顕微鏡写真(100 倍)である。
真(100 倍)である。
Claims (7)
- 【請求項1】 重量比率で、C:0.05〜0.45%
及びCr:16.0〜25.0%を含有し、通常のα相
のほかに、γ相からα相+炭化物に変態した相(以下
α’相)を有するとともに、α’相の面積率(α’/α
+α’)が20〜90%であるフェライト系耐熱鋳鋼か
らなることを特徴とする排気系部品。 - 【請求項2】 請求項1に記載の排気系部品において、
α相からγ相への変態点が900℃以上であるフェライ
ト系耐熱鋳鋼からなることを特徴とする排気系部品。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の排気系部品に
おいて、α’相がγ相に変態しない温度領域で焼鈍処理
を施したことを特徴とする排気系部品。 - 【請求項4】 請求項1及至3のいずれかに記載の排気
系部品において、自動車用であることを特徴とする排気
系部品。 - 【請求項5】 請求項4に記載の排気系部品において、
エキゾーストマニフォールドであることを特徴とする排
気系部品。 - 【請求項6】 請求項4に記載の排気系部品において、
タービンハウジングであることを特徴とする排気系部
品。 - 【請求項7】 請求項5に記載のエキゾーストマニフォ
ールドと請求項6に記載のタービンハウジングを組み合
わせてなることを特徴とする排気系部品。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4317741A JP2542778B2 (ja) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | 排気系部品 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP4317741A JP2542778B2 (ja) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | 排気系部品 |
Related Parent Applications (1)
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0748653A true JPH0748653A (ja) | 1995-02-21 |
JP2542778B2 JP2542778B2 (ja) | 1996-10-09 |
Family
ID=18091521
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4317741A Expired - Lifetime JP2542778B2 (ja) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | 排気系部品 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2542778B2 (ja) |
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JPH0988578A (ja) * | 1995-09-25 | 1997-03-31 | Calsonic Corp | 二重管型排気マニホールド |
WO2018008674A1 (ja) * | 2016-07-06 | 2018-01-11 | 日立金属株式会社 | 燃料噴射部材用マルテンサイト系ステンレス鋼及びそれを用いた燃料噴射部材 |
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- 1992-11-02 JP JP4317741A patent/JP2542778B2/ja not_active Expired - Lifetime
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