WO2019058754A1

WO2019058754A1 - 高圧燃料供給装置

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Publication number: WO2019058754A1
Application number: PCT/JP2018/028026
Authority: WO
Inventors: 大橋　健也; 徳尾　健一郎
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2019-03-28
Also published as: JP2019060251A

Abstract

従来よりも優れた耐腐食性と耐キャビテーション壊食性とを有し、アルコール燃料の使用に耐えられる高圧燃料供給装置を提供する。このため、本発明に係る高圧燃料供給装置は、5 MPa以上に加圧された液体燃料と接する高圧燃料流路部材を具備する燃料供給装置であって、前記高圧燃料流路部材は、該部材の本体を構成する基材の流路側の表面に耐腐食・耐壊食層が形成されており、前記耐腐食・耐壊食層は、急冷凝固微細組織を有するNi-Cr合金からなり、前記Ni-Cr合金は、0.1質量％以下のCと、20質量％以上85質量％以下のCrとを含み、残部がNiと合計4質量％未満の他成分とからなることを特徴とする。

Description

高圧燃料供給装置

　本発明は、内燃機関用の燃料供給機構の技術に関し、特に、アルコール燃料にも耐えられる高圧燃料供給装置に関するものである。

　近年の地球環境保護および内燃機関における燃焼制御技術の向上に伴って、内燃機関の燃料供給機構は、燃料の高圧化（例えば、5～60 MPa）が進展している。燃料の高圧化は、該高圧燃料と接する流路部材（高圧燃料流路部材）に対して、高い耐摩耗性と高い耐腐食性とを要求する。現在、自動車エンジン用の高圧燃料流路部材としては、マルテンサイト系ステンレス鋼のような高硬度・高耐腐食材料が主に用いられている。

　一方、化石燃料使用量低減・再生可能資源利用の観点から、従来の化石燃料（例えば、ガソリン、軽油）を代替する燃料として、アルコールまたはエーテルを含有する燃料（アルコール燃料と総称する）が、近年注目されている。ただし、内燃機関用燃料としてアルコール燃料を利用する場合、燃料性状の差異に対応するための技術が必要となる。

　例えば、特許文献１（特開2002-339832）には、燃料タンクから圧送されたジメチルエーテルを高圧燃料ポンプにて所定の圧力に高めて燃料噴射装置が接続されたコモンレールに送るジメチルエーテルエンジンの燃料制御機構において、上記高圧燃料ポンプと上記燃料噴射装置との間に余剰のジメチルエーテルを上記燃料タンクに戻す燃料戻し流路を接続し、上記高圧燃料ポンプと上記燃料噴射装置との間にその内部のジメチルエーテルの温度を検出する温度センサを設け、上記燃料戻し流路に上記燃料噴射装置内の圧力を制御する制御弁を設け、この制御弁に上記温度センサにより検出された温度より上記燃料噴射装置内のジメチルエーテルに気泡が発生しない圧力を算出すると共に制御弁を開けて上記燃料噴射装置内の圧力を算出された圧力にまで低下させるコントロールユニットを接続したことを特徴とするジメチルエーテルエンジンの燃料制御機構、が開示されている。特許文献１によると、エンジン停止後の燃料噴射装置から燃焼室への燃料のリークを防止できるジメチルエーテルエンジンの燃料制御機構を提供することができる、とされている。

　また、特許文献２（特開2012-215096）には、ガソリンまたはアルコール燃料を30 MPa以上の燃圧で燃焼室内に供給可能な高圧燃料ポンプを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、上記高圧燃料ポンプの加圧室からリークした燃料の温度を検出する温度検出手段と、このリーク燃料の検出温度が予め設定された基準温度よりも高いか否かを判別することにより、上記高圧燃料ポンプの摩耗が大きくなる異常が発生したか否かを判別する異常判別手段とを備えたことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置、が開示されている。特許文献２によると、高圧燃料ポンプの駆動抵抗が過大になって駆動損失が増大したり、加圧プランジャーの摺動部に焼き付きが生じたりすること等を効果的に防止できる火花点火式エンジンの制御装置を提供することができる、とされている。

特開２００２－３３９８３２号公報特開２０１２－２１５０９６号公報

　アルコール燃料は、ガソリンや軽油などの従来燃料に比して腐食性が高いことが知られている。その結果、アルコール燃料を使用する高圧燃料流路部材は、耐腐食性を従来よりも高めることが求められる。

　また、アルコール燃料は、従来燃料に比してキャビテーションが生じ易いという性状がある。そのため、アルコール燃料を使用する高圧燃料流路部材は、耐キャビテーション壊食性（キャビテーション壊食に対する耐性）を従来よりも高めることが求められる。

　なお、キャビテーションとは、液体に作用する力によって該液体中に小さな気泡（キャビティ）が生成する現象を言い、ポンプやバルブなどの装置／部品で発生することがある。一方、壊食（エロージョン）とは、固体、液体および気体が材料との相対的動きや衝撃的な繰り返し作用によって生ずる機械的な力によって材料表面を変形・劣化させ、その箇所を徐々に減肉させる現象を言う。

　例えば、液体が急激な圧力変化を受ける場合、圧力の比較的低い領域にキャビティが生成することがある。さらに、液体に作用する圧力が高い場合、生成したキャビティが崩壊して衝撃波を生じさせることがある。金属表面近傍でのキャビティの崩壊は、その金属表面に繰返しの圧力波を与え、キャビテーション壊食と呼ばれる表面摩耗を引き起こす。また、キャビテーション壊食によって生じるピッチングは、金属部材の著しい摩耗を引き起こし、ポンプやバルブなどの装置／部品の寿命を著しく低下させるものである。

　内燃機関用燃料としてのアルコール燃料の利用は、上述したように高圧燃料流路部材に対して従来よりも優れた耐腐食性と耐キャビテーション壊食性とを要求する。しかしながら、特許文献１～２には、高圧燃料流路部材の耐腐食性や耐キャビテーション壊食性を向上させる技術について、残念ながら一切の記載・示唆がない。

　したがって、本発明の目的は、従来よりも優れた耐腐食性と耐キャビテーション壊食性とを有し、アルコール燃料の使用に耐えられる高圧燃料供給装置を提供することにある。

　本発明の一態様は、5 MPa以上に加圧された液体燃料と接する高圧燃料流路部材を具備する燃料供給装置であって、前記高圧燃料流路部材は、該部材の本体を構成する基材の流路側の表面に耐腐食・耐壊食層が形成されており、前記耐腐食・耐壊食層は、急冷凝固微細組織を有するNi-Cr合金からなり、前記Ni-Cr合金は、0.1質量％以下のC（炭素）と、20質量％以上85質量％以下のCr（クロム）とを含み、残部がNi（ニッケル）と合計4質量％未満の他成分とからなることを特徴とする高圧燃料供給装置、を提供する。

　本発明によれば、従来よりも優れた耐腐食性と耐キャビテーション壊食性とを有し、アルコール燃料の使用に耐えられる高圧燃料供給装置を提供することができる。

アルコール燃料による腐食性の事前実験の結果例を示すSEM像である。本発明に係る高圧燃料供給装置の一種である高圧燃料ポンプの概略構造例を示す断面模式図である。本発明に係る高圧燃料供給装置の他の一種である燃料噴射装置の概略構造例を示す断面模式図である。高圧燃料ポンプの吐出弁機構の動作例を示す断面模式図である。従来例１、比較例１および実施例１における試料深さとビッカース硬さとの関係を示すグラフである。

　本発明は、前述した高圧燃料供給装置において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記耐腐食・耐壊食層は、その表面にCrおよび／またはNiの酸化物皮膜を更に有する。
（ii）前記耐腐食・耐壊食層は、平均ビッカース硬さが600 Hv以上である領域を500μm以上の厚さで有する。
（iii）前記液体燃料は、アルコール燃料である。
（iv）前記急冷凝固微細組織は、前記Ni-Cr合金の扁平結晶粒が前記耐腐食・耐壊食層の厚さ方向に積層している。
（v）前記高圧燃料供給装置は高圧燃料ポンプであり、前記高圧燃料流路部材が該高圧燃料ポンプの吐出弁および吐出弁シートである。
（vi）前記高圧燃料供給装置は高圧燃料ポンプであり、前記高圧燃料流路部材が該高圧燃料ポンプのリリーフ弁およびリリーフ弁シートである。
（vii）前記高圧燃料供給装置は高圧燃料ポンプであり、前記高圧燃料流路部材が該高圧燃料ポンプの吸入弁および吸入弁シートである。
（viii）前記高圧燃料供給装置は燃料噴射装置であり、前記高圧燃料流路部材が該燃料噴射装置の噴射弁および噴射弁シートである。

　［本発明の基本思想］
　前述したように、アルコール燃料は、従来燃料（例えば、ガソリン、軽油）に比して腐食性が高いと一般的に言われている。より正確に言うと、アルコールは水とよく混合することから、アルコール燃料は経時的に水分を吸収し易いという性状がある。そして、吸収した水分や、該水分とアルコールとから生成するカルボン酸の存在によって、金属材への腐食性が高くなると言われている。

　本発明者等は、アルコール燃料による腐食性を確認するための事前実験を行った。実験方法としては、まず、エタノールを85体積％含有するガソリン（通称E85）に対して、2倍希釈酢酸水溶液（50体積％酢酸水溶液）を2～6体積％混合した試験アルコール燃料を用意した。金属材としては、マルテンサイト系ステンレス鋼（SUS420J2）の試験片を用意した。次に、金属試験片を試験アルコール燃料中に浸漬し、アノード分極測定（銀／塩化銀電極基準、電位掃引速度：20 mV/min）を行った。次に、アノード分極測定後の金属試験片表面の微細組織を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した。結果を図１に示す。

　図１は、アルコール燃料による腐食性の事前実験の結果例を示すSEM像である。図１に示したように、2体積％の酢酸水溶液（1体積％酢酸＋1体積％水）を含むE85では、金属試験片の表面に軽度の粗化が観察される（図１（ａ）参照）。4体積％の酢酸水溶液（2体積％酢酸＋2体積％水）を含むE85では、金属試験片の表面に直径約10μmの孔食が観察される（図１（ｂ）参照）。6体積％の酢酸水溶液（3体積％酢酸＋3体積％水）を含むE85では、金属試験片の表面に直径約20μmの孔食が観察される（図１（ｃ）参照）。これらの実験結果から、アルコール燃料中に水やカルボン酸などの不純物が存在すると、金属材への腐食性が高まることが確認された。

　また、前述したように、高圧流体と接する部材において、キャビテーション壊食への対策は極めて重要な課題である。さらに、工業製品（例えば、自動車用部品）においては、当然のことながら低コスト化の強い要求があり、当該製品の低コスト化技術は最重要課題のうちの一つである。

　そこで、本発明者等は、アルコール燃料の使用に耐えられる高圧燃料供給装置をできるだけ低コストで提供すべく、高圧燃料流路部材の耐腐食性と耐キャビテーション壊食性とを向上させる技術を鋭意研究した。その結果、高圧燃料流路部材の本体を構成する基材の流路表面に、急冷凝固微細組織を有するNi-Cr合金層を被覆形成することにより、耐腐食性と耐キャビテーション壊食性とを向上させられることを見出した。本発明は、当該知見に基づいて完成されたものである。

　以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながらより具体的に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。

　［高圧燃料供給装置］
　図２は、本発明に係る高圧燃料供給装置の一種である高圧燃料ポンプの概略構造例を示す断面模式図である。高圧燃料ポンプは、内燃機関における１回の燃焼に必要とされる燃料量を吐出する流量制御装置である。

　図２に示したように、高圧燃料ポンプ100は、概略的に、加圧していない燃料（低圧燃料）を受け容れる低圧燃料受容室10と、低圧燃料受容室10と接続され低圧燃料を燃料加圧室34に送り込む吸入弁機構20と、送り込まれた燃料を加圧する燃料加圧機構30と、燃料加圧室34と接続され加圧された燃料（高圧燃料）を吐出する吐出弁機構40と、吐出弁機構40と接続され吐出される高圧燃料の圧力調整を行うリリーフ弁機構50とから構成される。

　吸入弁機構20は、吸入弁21と吸入弁シート22とアクチュエータ23とを有する。燃料加圧機構30は、シリンダ31とプランジャ32とプランジャばね33とを有する。シリンダ31とプランジャ32とによって圧縮／膨張される空間が燃料加圧室34である。吐出弁機構40は、吐出弁41と吐出弁シート42と吐出弁ばね43とを有する。リリーフ弁機構50は、リリーフ弁51とリリーフ弁シート52とリリーフ弁ばね53とを有する。また、低圧燃料受容室10内には、低圧燃料の圧力脈動を緩衝するための脈動ダンパ11がしばしば配設される。なお、図２において、プランジャ32を駆動する（往復運動させる）ためのカムやタペットの図示は省略した。

　吸入弁21は、その開閉動作がアクチュエータ23によって制御される。吸入弁21が開の時、プランジャ32を下降させると燃料が燃料加圧室34に流入する。その後、プランジャ32を上昇させると燃料が加圧される。プランジャ32の上昇と吸入弁21の閉とのタイミングを制御することにより、加圧吐出する燃料量を調整することができる。加圧された燃料は、吐出弁41を押し開けて吐出される。また、吐出弁41を通過した燃料の圧力が過大の場合、リリーフ弁機構50を介して（リリーフ弁51を開けて）過大圧力が開放される。

　図３は、本発明に係る高圧燃料供給装置の他の一種である燃料噴射装置の概略構造例を示す断面模式図である。燃料噴射装置は、高圧燃料ポンプから吐出された高圧燃料を受けて、燃焼に適した混合気を作るために燃料を霧状に噴射する装置である。

　図３に示したように、燃料噴射装置200は、概略的に、噴射装置本体61と、弁体62と、噴射弁63と、噴射孔カップ64と、噴射孔カップ支持体65と、噴射弁ばね66と、電磁コイル67と、制御コネクタ68とを有する。図３の場合、噴射孔カップ64は、噴射弁63と当接する部分が噴射弁シートを兼ねている。燃料噴射装置200では、制御コネクタ68を介して送られる電気信号による電磁コイル67の励磁／減磁と、噴射弁ばね66の反発力とによって、弁体62の往復運動が制御され、噴射弁63と噴射孔カップ64との開閉が制御されて燃料が噴射される。

　ここで、高圧燃料ポンプ100の吐出弁機構40を例にして、キャビテーション壊食について具体的に説明する。図４は、高圧燃料ポンプの吐出弁機構の動作例を示す断面模式図である。燃料加圧機構30によって所定の圧力（例えば、5～60 MPa）まで加圧された燃料は、吐出弁41（可動側の部品）が開いた瞬間に、吐出弁41と吐出弁シート42（固定側の部品）との隙間を高速で通り抜ける。このとき、当該隙間の近傍領域（吐出弁41が閉状態時の吐出弁41と吐出弁シート42との弁／弁シート当接面近傍領域44）で急激な圧力低下が起こる。

　前述したように、アルコール燃料は、従来燃料に比してキャビテーションが生じ易いという性状がある。そのため、アルコール燃料を用いた場合、吐出弁41が開いた瞬間の急激な圧力低下によってキャビテーションが生じ、吐出弁41および吐出弁シート42の弁／弁シート当接面近傍領域44にキャビテーション壊食が生じ易いという問題がある。さらに、このキャビテーション壊食は、アルコール燃料の腐食性によって助長される可能性がある。

　同様の問題（弁／弁シート当接面近傍領域でのキャビテーション壊食）は、高圧燃料ポンプ100のリリーフ弁51およびリリーフ弁シート52の弁／弁シート当接面近傍領域や、吸入弁21および吸入弁シート22の弁／弁シート当接面近傍領域や、燃料噴射装置200の噴射弁63および噴射孔カップ64の弁／弁シート当接面近傍領域においても生じうる。

　本発明における高圧燃料流路部材とは、高圧燃料供給装置の動作中（内燃機関の運転中）にキャビテーション壊食が生じうる領域（例えば、吐出弁41、吐出弁シート42、リリーフ弁51、リリーフ弁シート52、吸入弁21、吸入弁シート22、噴射弁63、および噴射孔カップ64における弁／弁シート当接面近傍領域）の表面に、急冷凝固微細組織を有するNi-Cr合金からなる耐腐食・耐壊食層が形成されているものを言う。

　なお、本発明において、耐腐食・耐壊食層を形成する領域は、キャビテーション壊食が生じうる領域に限定されるものではない。例えば、高圧燃料と直接接触する全ての領域に、耐腐食・耐壊食層を形成してもよい。

　（耐腐食・耐壊食層の構成）
　本発明の耐腐食・耐壊食層は、急冷凝固微細組織を有するNi-Cr合金からなることが好ましい。急冷凝固微細組織は、緻密で結晶粒径が小さくなることから、機械的特性（例えば、硬さ）や耐食性の向上に寄与する。緻密な組織としては、2体積％以下の空隙率が好ましく、1体積％以下がより好ましい。

　また、当該耐腐食・耐壊食層は、その表面にCrおよび／またはNiの酸化物皮膜（平均厚さ1μm以上5μm以下）を更に有することが好ましい。該酸化物皮膜は、耐腐食・耐壊食層の耐腐食性の向上に大きく寄与する。

　当該耐腐食・耐壊食層は、耐壊食性の観点から厚さ方向の平均ビッカース硬さが600 Hv以上を有することが好ましく、630 Hv以上がより好ましく、650 Hv以上が更に好ましい。
当該耐腐食・耐壊食層の厚さとしては、形成する部位に要求される耐久性に合わせて適宜設定できるが、例えば、500μm以上1000μm以下が好ましく、500μm超800μm以下がより好ましい。

　当該耐腐食・耐壊食層の形成方法に関しては、望ましい急冷凝固微細組織が得られる限り特段の限定はなく、溶射法（例えば、高速フレーム溶射法、プラズマ溶射法、レーザー溶射法）や肉盛溶接法を好ましく用いることができる。

　当該耐腐食・耐壊食層を構成するNi-Cr合金は、0.1質量％以下のCと、20質量％以上85質量％以下のCrとを含み、残部がNiと合計4質量％未満の他成分とからなる化学組成を有することが好ましい。

　C成分は、炭化物粒子（例えば、Cr炭化物粒子）を形成し、Ni-Cr合金の硬さ向上に寄与する成分である。C成分は必須成分ではないが、含有させる場合、0.1質量％以下が好ましく、0.01質量％以上0.05質量％以下がより好ましい。ただし、Cr炭化物は耐食性が比較的低いことから、C含有率が0.1質量％超になると、Cr炭化物が溶出した箇所が耐腐食・耐壊食層の孔食の要因になる（すなわち、耐腐食性の低下要因になる）。

　Cr成分は、Ni-Cr合金の主要成分の一つであり、Ni-Cr合金の耐食性確保を担う成分である。Cr成分の含有率は、20質量％以上85質量％以下が好ましく、30質量％以上80質量％以下がより好ましい。Cr含有率が当該好ましい範囲を外れると、耐食性や機械的特性が不十分になる。

　Ni-Cr合金の残部は、Niと合計4質量％未満の他成分とからなる。Ni成分は、Ni-Cr合金の主要成分の一つであり、Cr成分と合金化することで耐食性確保に加えて、硬さ向上に寄与する成分である。他成分としては、例えば、Si（ケイ素）、Fe（鉄）、Mn（マンガン）、Co（コバルト）、Cu（銅）、O（酸素）、P（リン）、S（硫黄）が挙げられる。

　Si成分は、主相の脱酸素の役割を担って機械的特性の向上に寄与する成分である。Si成分は必須成分ではないが、含有させる場合、1質量％以下が好ましく、0.01質量％以上0.5質量％以下がより好ましい。Si含有率が1質量％超になると、酸化物（例えばSiO₂）の粗大粒子を形成して機械的特性の低下要因になる。

　Fe成分は、機械的特性の向上に寄与する成分である。Fe成分は必須成分ではないが、含有させる場合、1質量％以下が好ましく、0.01質量％以上0.5質量％以下がより好ましい。
Fe含有率が1質量％超になると、機械的特性や耐腐食性の低下要因になる。

　Mn成分は、脱硫の役割を担って機械的特性の向上や耐腐食性の向上に寄与する成分である。Mn成分は必須成分ではないが、含有させる場合、1質量％以下が好ましく、0.01質量％以上0.5質量％以下がより好ましい。Mn含有率が1質量％超になると、硫化物（例えばMnS）の粗大粒子を形成して機械的特性や耐腐食性の低下要因になる。

　Co成分は、Niに近い元素でありNiと置換する形で固溶し、耐腐食性の向上に寄与する成分である。Co成分は必須成分ではなく、Niよりも高価であることから、含有させる場合、1質量％以下が好ましい。

　Cu成分は、耐腐食性の向上に寄与する成分である。Cu成分は必須成分ではないが、含有させる場合、1質量％以下が好ましく、0.1質量％以上0.5質量％以下がより好ましい。Cu含有率が1質量％超になると、機械的特性の低下要因になる。

　O成分は、Cr成分および／またはNi成分と化合して耐腐食性の酸化物皮膜を形成する成分である。O成分は、耐腐食・耐壊食層形成前のNi-Cr合金母材に積極的に含有させる成分ではなく、耐腐食・耐壊食層の形成時および／または高圧燃料供給装置の動作中に環境から取り込まれる成分と考えられる。耐腐食・耐壊食層におけるO含有率は、0.004質量％以上0.04質量％以下が好ましい。当該範囲を外れると、耐腐食性または機械的特性の低下要因になる。

　P成分は、合金の結晶粒界に偏析し易く、該粒界の耐腐食性を低下させる不純物成分である。S成分は、合金の構成成分と化合して硫化物を生成し易く、耐腐食性を低下させる不純物成分である。これら不純物成分は、極力低減することが望ましい。P含有率を0.04質量％以下に制御し、S含有率を0.03質量％以下に制御することで、それらの負の影響を抑制することができる。

　以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

　［実験１］
　（実験合金材１～６および従来合金材１の用意）
　まず、表１に示す化学組成を有するNi-Cr合金材（実験合金材１～６）およびマルテンサイト系ステンレス鋼材（SUS420J2、従来合金材１）を用意した。より具体的には、実験合金材１～６は、それぞれ平均粒径約3μmの粉末として用意した。従来合金材１は、市販の板材（厚さ2 mm）を用意した。

　（実施例１～６、比較例１～６および従来例１，１’の用意）
　実験合金材１～６の粉末を用いて、SUS420J2の基板上に溶射膜（厚さ約1000μm）を形成して高圧燃料流路部材の模擬試料（実施例１～６）を作製した。溶射膜の形成条件は、高速フレーム溶射装置（Praxair Surface Technology, Inc. 製、型式：JP-5000）を用い、燃料流速0.25 L/min、酸素流速600 L/min、燃焼圧0.7 MPaとした。形成した溶射膜が耐腐食・耐壊食層に相当する。

　また、実験合金材１～６の粉末を用いて、粉末冶金法により焼結体ペレット（直径10 mm、厚さ3 mm）を形成して高圧燃料流路部材の模擬試料（比較例１～６）を作製した。粉末冶金の熱処理条件は、真空中、1273～1573℃の等温焼結とした。作製した焼結体ペレットは、上記の溶射膜よりも結晶粒径が大きく緻密性が低い試料例として用意した。

　また、従来合金材１に対して、焼入れ焼戻しの熱処理を施して高圧燃料流路部材の模擬試料（従来例１）を作製した。熱処理条件は、1050℃の焼入れ、180℃の焼戻しとした。
本熱処理材は、従来の高圧燃料流路部材の試料例として用意した。従来例１の比較試料として、焼入れ焼戻しの熱処理を行っていない従来合金材１そのまま（従来例１’）も用意した。

　［実験２］
　（微細組織の観察・評価）
　実験１で用意した各試料の断面の微細組織を走査型電子顕微鏡により観察した。その結果、実施例１～６においては、扁平化した微小結晶粒（微小な液滴が潰れた状態で急冷固化したような結晶粒）が耐腐食・耐壊食層の厚さ方向に積層している微細組織が観察された。観察像の画像解析により求めた空隙率は、約1体積％であった。

　比較例１～６においては、金属粉末を基にする焼結組織が観察された。焼結過程において、粉末粒子同士の合体・粒成長が起きたと考えられ、平均結晶粒径が約10μmに粗大化していた。観察像の画像解析により求めた空隙率は、約4体積％であった。

　従来例１においては、マルテンサイト系ステンレス鋼における典型的な焼入れ焼戻しの微細組織（焼戻しマルテンサイト相と微小な炭化物粒子とからなる微細組織）が観察された。

　次に、実施例１～６の各試料に対して、オージェ電子分光分析装置（アルバック・ファイ株式会社製、型式：PHI 700Xi）を用いて、耐腐食・耐壊食層の表層領域における厚さ方向の組成分布を調査した。その結果、最表面から約5μm深さまでの領域において、O原子およびCr原子の比率が合金組成よりも高くなっていた。当該領域よりも深くなると、O原子の比率は急激に低下してほぼゼロとなり、Cr原子の比率は合金組成の比率に収束していた。また、Ni原子の比率は、当該領域では合金組成よりも低くなっていたが、当該領域よりも深くなると合金組成の比率に収束していた。

　この調査結果から、実施例１～６の耐腐食・耐壊食層は、その表面にCrおよび／またはNiの酸化物皮膜が形成されていることが確認された。

　［実験３］
　（機械的特性の評価）
　実験２で微細組織観察を行った試験片に対して、マイクロビッカース硬さ試験機（有限会社アキタ試験機製、型式：M499276）を用いて、約50μm間隔で厚さ方向（深さ方向）のビッカース硬さの分布を調査した。なお、実施例１～６においては耐腐食・耐壊食層の表面を「深さ0μm」とし、比較例１～６および従来例１においては一方の主表面を「深さ0μm」とした。

　図５は、従来例１、比較例１および実施例１における試料深さとビッカース硬さとの関係を示すグラフである。図５に示したように、従来例１は、ビッカース硬さ520 Hvで試料深さに関係なく一様な硬さ分布を示した。比較例１は、全体として従来例１よりも硬さが低く、かつ深くなるほど硬さが低下する傾向が見られた。これらに対し、実施例１は、耐腐食・耐壊食層の範囲において、従来例１よりも高いビッカース硬さ620 Hvを示し、かつ一様な硬さ分布を示した。他の実施例および比較例においても、図５と同様な傾向が得られた。

　実施例と比較例との結果の違いを考察すると、微細組織（例えば、結晶形状、結晶粒径、空隙率）の差異に起因するものと考えられた。言い換えると、Ni-Cr合金の急冷凝固微細組織を形成することにより、従来例１よりも硬くかつ一様な硬さ分布を有する耐腐食・耐壊食層が形成できることが確認された。

　次に、実験１で用意した各試料に対して、松原式摩擦摩耗試験機（株式会社エー・アンド・デイ製、型式：EFM-III-E）を用いて、摩擦摩耗試験を行った。従来例１の減肉量を基準として（従来例１の減肉量を「1」として）、規格化減肉量で評価した。規格化減肉量0.50以下を合格と判定し、0.50超を不合格と判定する。結果を表２に示す。

　表２に示したように、焼入れ焼戻しの熱処理を行っていない従来例１’は、焼入れ焼戻しの熱処理を行った従来例１よりも硬さが低いことから、規格化減肉量が1.59と大きい。
また、比較例１は、図５に示したように従来例１よりも硬さが低かったことから、規格化減肉量が1を超えている。比較例２～６は、規格化減肉量が1未満となったが、いずれも0.5を超えており不合格と判定された。これらに対し、実施例１～６は、いずれも規格化減肉量が0.50以下であり、合格と判定された。

　実施例と比較例との結果の違いを考察すると、微細組織および硬さの差異に起因するものと考えられた。

　［実験４］
　（耐キャビテーション壊食性の評価）
　実験１で用意した各試料に対して、キャビテーション壊食試験を行った。具体的には、まず、試験条件の統一を図るため、各試料の試験評価面（実施例では溶射膜の表面、比較例および従来例では一方の主表面）のみが露出するように、他の表面はポリテトラフルオロエチレンで防食被覆した。次に、用意した試験片をエタノール中に浸漬し、市販の超音波洗浄器を用いて10時間の超音波洗浄を行った。

　該超音波洗浄前後の質量変化を壊食量とし、従来例１の壊食量を基準として（従来例１の壊食量を「1」として）、規格化壊食量で評価した。規格化壊食量0.50以下を合格と判定し、0.50超を不合格と判定する。結果を表３に示す。

　表３に示したように、従来例１’は、従来例１よりも硬さが低いことから、規格化壊食量が1.57と大きい。また、比較例１も、従来例１より硬さが低かったことから、規格化減肉量が1.56と大きい。比較例２～６は、規格化壊食量が1未満となったが、いずれも0.5を超えており不合格と判定された。これらに対し、実施例１～６は、いずれも規格化壊食量が0.50以下であり、合格と判定された。

　［実験５］
　（耐腐食性の評価）
　実験１で用意した従来例１および実施例１～６に対して、腐食試験を行った。具体的には、実験４と同様に、試験条件の統一を図るため、各試料の試験評価面のみが露出するように、他の表面はポリテトラフルオロエチレンで防食被覆した。次に、用意した試験片を人工海水（大気飽和、pH：8.2、電気伝導度：5 S/m）中に浸漬し、アノード分極測定（銀／塩化銀電極基準、電位掃引速度：20 mV/min）を行って、自然電位（腐食電位とも言う）を示す電流密度を求めた。

　自然電位の電流密度が大きいほど腐食速度が速い（腐食し易い、耐腐食性が低い）ことを意味し、該電流密度が小さいほど腐食速度が遅い（腐食しにくい、耐腐食性が高い）ことを意味する。自動車用部品において、許容される最大腐食速度は4μm/yとされている。
当該腐食速度は、自然電位の電流密度において0.31μA/cm²に相当する。そこで、自然電位の電流密度0.31μA/cm²以下を合格と判定し、0.15μA/cm²以下を優秀と判定し、0.31μA/cm²超を不合格と判定する。結果を表４に示す。なお、表４には、実験３で測定したビッカース硬さを併記する。

　表４に示したように、従来例１は、自然電位の電流密度が0.40μA/cm²であり、不合格と判定される。これに対し、実施例１は、自然電位の電流密度が0.30μA/cm²であり、合格と判定される。また、実施例２～６は、いずれも自然電位の電流密度が0.15μA/cm²以下であり、優秀と判定される。

　以上の種々の実験から、基材表面に、急冷凝固微細組織を有するNi-Cr合金からなる耐腐食・耐壊食層が形成された部材は、従来材よりも優れた耐腐食性と耐キャビテーション壊食性とを有することが確認された。また、該耐腐食・耐壊食層は比較的安価な材料からなりかつ形成方法も簡単であることから、本発明の技術は低コスト化にも貢献すると言える。

　上述した実施形態や実験例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実験例の構成の一部について、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

　100…高圧燃料ポンプ、10…低圧燃料受容室、20…吸入弁機構、30…燃料加圧機構、
　40…吐出弁機構、50…リリーフ弁機構、
　11…脈動ダンパ、
　21…吸入弁、22…吸入弁シート、23…アクチュエータ、
　31…シリンダ、32…プランジャ、33…プランジャばね、34…燃料加圧室、
　41…吐出弁、42…吐出弁シート、43…吐出弁ばね、
　44…弁／弁シート当接面近傍領域、
　51…リリーフ弁、52…リリーフ弁シート、53…リリーフ弁ばね、
　200…燃料噴射装置、
　61…噴射装置本体、62…弁体、63…噴射弁、64…噴射孔カップ、
　65…噴射孔カップ支持体、66…噴射弁ばね、67…電磁コイル、68…制御コネクタ。

Claims

　5 MPa以上に加圧された液体燃料と接する高圧燃料流路部材を具備する燃料供給装置であって、前記高圧燃料流路部材は、該部材の本体を構成する基材の流路側の表面に耐腐食・耐壊食層が形成されており、前記耐腐食・耐壊食層は、急冷凝固微細組織を有するNi-Cr合金からなり、前記Ni-Cr合金は、0.1質量％以下のCと、20質量％以上85質量％以下のCrとを含み、残部がNiと合計4質量％未満の他成分とからなることを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記耐腐食・耐壊食層は、その表面にCrおよび／またはNiの酸化物皮膜を更に有することを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記耐腐食・耐壊食層は、平均ビッカース硬さが600 Hv以上である領域を500μm以上の厚さで有することを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記液体燃料がアルコール燃料であることを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記急冷凝固微細組織は、前記Ni-Cr合金の扁平結晶粒が前記耐腐食・耐壊食層の厚さ方向に積層していることを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記高圧燃料供給装置は、高圧燃料ポンプであり、前記高圧燃料流路部材が該高圧燃料ポンプの吐出弁および吐出弁シートであることを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記高圧燃料供給装置は、高圧燃料ポンプであり、前記高圧燃料流路部材が該高圧燃料ポンプのリリーフ弁およびリリーフ弁シートであることを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記高圧燃料供給装置は、高圧燃料ポンプであり、前記高圧燃料流路部材が該高圧燃料ポンプの吸入弁および吸入弁シートであることを特徴とする高圧燃料供給装置。
　請求項１に記載の高圧燃料供給装置において、前記高圧燃料供給装置は、燃料噴射装置であり、前記高圧燃料流路部材が該燃料噴射装置の噴射弁および噴射弁シートであることを特徴とする高圧燃料供給装置。