HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Verwendung von Materialien, die
zum Herstellen von Vorrichtungen geeignet sind, bei denen
alkoholische Treibstoffe oder Mineralöl-Treibstoffe nit
Alkoholzumischung (hier gattungsmäßig als alkoholische
Treibstoffe bezeichnet, die solche Treibstoffe und
organische Treibstoffe wie Ether enthalten) verwendet werden,
insbesondere für Pumpen, Düsen, Ventile und andere Teile,
auf die schlagende oder gleitende Elemente in elektronischen
Kraftstoff-Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren
einwirken.
Beschreibung der einschlägigen Technik
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Mineralöl-Treibstoffe wie Benzin und Leichtöl werden in
Verbrennungsinotoren für Kraftfahrzeuge verwendet, und bei
Motoren, bei denen derartige Treibstoffe verwendet werden,
werden computergesteuerte Kraftstoff-Einspritzsysteme dazu
verwendet, die Abgase zu reinigen, den
Leistungswirkungsgrad zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu
erniedrigen, um gute Ergebnisse zu erzielen. In elektronischen
Kraftstoff-Einspritzsystemen wird ein wärmebehandelter, in
JIS spezifizierter Stahl SUS444C (entsprechend AISI440C) mit
hervorragender Abnutzungsbeständigkeit für den Ventilteil
(elektronische Kraftstoff-Einspritzdüse) zum Zuführen und
Kontrollieren von Treibstoff verwendet, und der Ventilteil
wird im allgemeinen bis zum Verschrotten des Autos ohne
Austausch
verwendet.
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Als Treibstoffe für Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge
wurde die Verwendung alkoholischer Treibstoffe anstelle von
Mineralöl-Treibstoffen wegen der jüngsten Begleitumstände
bei Mineralöl (Anstieg der Mineralölkosten und Verringerung
der Herstellung) und zum Verringern von Abgasen (NOx)
untersucht, und einige derselben wurden Praxistests unterzogen.
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Hinsichtlich alkoholischen Treibstoffen wurde die Verwendung
von Methylalkohol, Ethylalkohol, Methyltertbutylether und
dergleichen untersucht.
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Diese alkoholischen Treibstoffe haben schlechteres
Schmiervermögen als Mineralöl-Treibstoffe, und es besteht die
Schwierigkeit, daß Abrieb und Abschälen von Materialien an
Rotoren in Treibstoffpumpen und gleitenden Teilen oder
Teilen, die in Kraftstoff-Einspritzdüsen Schlägen unterliegen,
auftreten, wie auch das Problem einer Korrosion der
Treibstoffsysteme, hervorgerufen durch in alkoholischen
Treibstoffen enthaltenes Wasser, Oxide von Alkoholen
(Acetaldehyd, Formaldehyd) und Verunreinigungen in alkoholischen
Treibstoffen (Essigsäure, Ameisensäure).
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Als Materialien für Vorrichtungselemente, bei denen
alkoholische Treibstoffe verwendet werden, haben die Japanischen
Patente, Kokoku (Veröffentlichung nach der Prüfung) Nr.
Hei 1-15585 und 1-15584 sowie die Japanische
Patentanmeldungs-Offenlegung, Kokaj Nr. Sho 62-93347 Sinterlegierungen
auf Fe-Basis mit sowohl Abriebbeständigkeit als auch
Korrosionsbeständigkeit für Kraftstoffpumpen vorgeschlagen, die
aus Stählen bestehen, die Nb als wesentliche Komponente
enthalten, Stähle, die mindestens P und/oder B, zumindest Ti
und/oder Zr als wesentliche Komponenten enthalten, bzw.
Stähle, die nur C und Ni als Zusatzelemente enthalten.
Ferner
schlug die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegung Kokai
Nr. Sho 61-6260 Stahlbleche für Treibstofftanks vor, jedoch
wurden Abriebbeständigkeit und Abschälbeständigkeit nicht
berücksichtigt.
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Bei der Entwicklung von Materialien für Elemente von
Vorrichtungen, bei denen alkoholische Treibstoffe verwendet
werden, haben die Erfinder einen Arbeitstest ausgeführt, bei
dem ein geschlossener Kreislauf aus einem Treibstofftank,
einer Treibstoffpumpe und einer elektronischen Kraftstoff-
Einspritzdüse aufgebaut wird und alkoholischer Treibstoff
umgewälzt wird, um die elektronische
Kraftstoff-Finspritzdüse zu betreiben, und Untersuchungen des Ventilteils der
Düse in einem mit alkoholischem Treibstoff betriebenen Motor
haben nach dem Ausführen eines praxisgerechten Tests als
Ergebnis bestätigt, daß eine Verschlechterung der
Dichtungseigenschaften des Ventils leicht auftritt, wenn die
Einspritzdüse aus herkömmlichem Stahl SUS440C besteht.
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Das Teil mit verschlechterten Dichtungseigenschaften wurde
mikroskopisch untersucht. Im Ergebnis stellte sich heraus,
daß Korrosionsabnutzung und Abschälen aufgrund von Schlägen
im Oberflächenteil der Düse auftraten (was als "Reibabrieb"
oder "Fraßermüdung" bezeichnet wird), wie in Fig. 4
dargestellt, und dies ist der Grund für die
Abdichtungsverschlechterung.
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Aus dem Dokument US-A-2,478,723 ist eine Stahllegierung mit
der folgenden Zusammensetzung bekannt: 0,20 bis 1% C, 0,50
bis 1,50% Mo, 8 bis 30% Cr, 2 bis 3% Al, 0,50 bis 1,50% Cu,
0,20 bis 1% V, 0,25 bis 1,25% Si und 0,25 bis 1,25% Mn.
Diese Legierung hat die Fähigkeit, eine
Aluminiumoxid-Beschichtung auszubilden und diese bei schwierigen Wärme- und
Abriebbedingungen beizubehalten, wie auch ihre gegossene Form
bei schwerwiegenden Wärme- und Abriebbedingungen
beizubehalten.
Diese Legierung wird für Gußerzeugnisse wie Locheisen
und Schneidbohrer für Walzausrüstungen für nahtlose Rohre
verwendet.
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Im Buch "Stahlschlüssel" von C.W. Wegst, veröffentlicht vom
Verlag Stahischlüssel Wegst GmbH, Marbach, 1983,
insbesondere dessen Seiten 374 und 375, sind viele
Stahllegierungszusammensetzungen aufgelistet. Die Verwendung derartiger
Zusammensetzungen ist nicht angegeben. Ferner enthalten diese
Zusammensetzungen kein Cu.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Materialien zu
schaffen, die insbesondere hinsichtlich der
Abschälfestigkeit (Fraß- und Abriebfestigkeit) zusätzlich zu
Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit hervorragend sind, wie
sie bei der Verwendung mit alkoholischen Treibstoffen
gefordert wurden, z.B. Materialien, bei denen Widerstand
hinsichtlich einer Verschlechterung der
Abdichtungseigenschaften bei der Verwendung als elektronische
Kraftstoff-Einspritzdüse für alkoholische Treibstoffe besteht, und die
durch ein herkömmliches Schmelzverfahren erhalten werden
können, ohne daß ein pulvermetallurgisches Verfahren
verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1A und 1B sind teilgeschnittene Ansichten einer
elektronischen Kraftstoff-Einspritzdüse (die erstere zeigt den
Körper und die letztere die Nadel), wie sie für einen
Abriebtest und einen Abschältest verwendet wurde.
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Fig. 2 ist ein %-C-%Cr-Kurvenbild, in dem Bereiche (A) und
(B) gemäß der Erfindung dargestellt sind.
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Fig. 3A und 3B sind Mikroskop-Photographien (x100), die
Mikrostrukturen zeigen, die Abschreck- und Tempervorgängen
in den Bereichen (A) und (B) unterworfen wurden.
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Fig. 4 ist eine Mikroskop-Photographie, die den
Abriebzustand eines Teils zeigt, der einer Schlag- und
Abschälwirkung insbesondere hinsichtlich Carbiden eines Stahls
SUS440C, wie er derzeit verwendet wird, unterzogen wurde,
wenn eine Einspritzdüse aus dem Stahl unter Verwendung eines
alkoholischen Treibstoffs (Mischung aus 85% Methylalkohol
und 15% Benzin) betrieben wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Gemäß den Ansprüchen 1 und 2 betrifft die Erfindung die
Verwendung von Materialien, die insbesondere als Teile in
Systemen mit alkoholischem Treibstoff verwendet werden, wie
als Körper und Nadel einer Düse, die Abschälfestigkeit und
Abriebfestigkeit bei Kontakt mit alkoholischen Treibstoffen
aufweisen müssen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein
erstes Material mit hervorragender Abschälfestigkeit, wobei
das Material ein Fe-Cr-C-Cu-Stahl ist, der gewichtsbezogen
folgendes enthält: mindestens 0,60% und weniger als 0,80% C,
1,5% oder weniger Si, 1,5% oder weniger Mn, 8,0% oder mehr
und weniger als 16,0% Cr, 0,5 bis 3,5% von wenigstens einem
von W und Mo in 1/2W + Mo, 0,02 bis 1,5% V, 0,05 bis 3,0%
Cu, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die
Beziehung zwischen dem C-Gehalt und dem Cr-Gehalt auf
Gewichtsbasis %Cr + 25 x %C ≤ 32 erfüllt, und wobei das
Flächenverhältnis des Primärcarbids auf der Querschnittsfläche
des Materials 1,5% oder kleiner ist. Das Material kann
ferner mindestens 0,1 bis 5,0% Co und/oder 2% oder weniger
Ni enthalten. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung
eines zweiten Materials mit hervorragender
Abschälfestigkeit, das für Gleitelemente und dergleichen wie
Einspritzpumpenelemente verwendet wird, die in einer Vorrichtung, in
der alkoholische Treibstoffe verwendet werden, relativ wenig
Stößen unterliegen, wobei das Material auf Gewichtsbasis
folgendes aufweist: mindestens 0,60% und weniger als 0,80%
C, 1,5% oder weniger Si, 1,5% oder weniger Mn, mehr als
12,0% und weniger als 16,0% Cr, 0,5 bis 3,5% von wenigstens
einem von W und Mo in 1/2W + Mo, 0,02 bis 1,5% V, 0,05 bis
10 3,0% Cu, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei
die Beziehung zwischen dem C-Gehalt und dem Cr-Gehalt auf
Gewichtsbasis %Cr + 25 x %C > 32 erfüllt, und wobei das
Flächenverhältnis des Primärcarbids auf der
Querschnittsfläche des Materials 8,0% oder kleiner ist. Das Material kann
ferner Co und Ni auf dieselbe Weise wie das erste Material
enthalten; ferner können das erste und das zweite Material
eine HRC-Härte von mindestens 52 aufweisen.
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Wie oben angegeben, betrachteten die Erfinder die
Innenfläche einer Düse und einer Nadel aus einem Stahl SUS440C,
deren Abdichtungseigenschaften sich verschlechterten, wobei
sich herausstellte, daß der Abrieb von Gleitteilen und der
Abschäleffekt des Schlägen unterliegenden Teils im
Endbereich auftraten, während Korrosion im Spitzenbereich
auftrat, was zu einer Verschlechterung der
Abdichtungseigenschaften führte.
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Unter diesen Umständen wurden Beziehungen zwischen der
chemischen Zusammensetzung sowie der Korrosion, dem Abrieb und
dem Abschälen auf die nachfolgend erläuterte Weise
untersucht.
(1) Korrosion
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Im Fall alkoholischer Treibstoffe wird die Korrosion von
Materialien durch in den Treibstoffen enthaltenes Wasser her
vorgerufen, wie auch durch Essigsäure und Ameisensäure als
Verunreinigungen in den Treibstoffen. Um die Abhängigkeit
chemischer Zusammensetzungen von Materialien von der
Korrosionsatmosphäre zu untersuchen, wurden Materialien auf Fe-
Basis, die verschiedene Legierungselemente und 0,5-1,0% C
enthielten, bei 60ºC für 30 Stunden in eine Lösung von
Wasser + 10% Essigsäure + 10% Ameisensäure eingetaucht, um den
gewichtsbezogenen Korrosionsverlust zu erhalten, und es
wurde der Einfluß der jeweiligen Legierungselemente untersucht.
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Die beim Korrosionstest verwendeten Materialien waren alles
solche, die einem Abschreckvorgang in Öl bei 1050ºC, einer
Behandlung unter 0º bei -78ºC und einem Tempervorgang bei
180ºC unterworfen wurden.
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Die Beziehung zwischen der chemischen Zusammensetzung und
dem gewichtsbezogenen Korrosionsverlust wurde auf Grundlage
der Versuchsergebnisse durch Regressionsanalyse erhalten,
wobei sich herausstellte, daß Cr, Ni, V und Cu Elemente
sind, die die Korrosionsbeständigkeit verbessern, C und Mn
Elemente sind, die die Korrosionsbeständigkeit
verschlechtern, und Co, Si, W und Mo keinen deutlichen Einfluß auf die
Korrosionsbeständigkeit haben.
(2) Abrieb
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Eine elektronische Kraftstoff-Einspritzdüse umfaßt eine
Nadel und einen Körper, in den die Nadel eingesetzt ist.
Daher wurde, betreffend Abrieb, zunächst eine tatsächliche
elektronische Kraftstoffdüse hergestellt und einem 2 x 10&sup8;-
maligen Betriebstest in einem Mischtreibstoff unterzogen,
der 85% Industriemethylalkohol und 15% Benzin enthielt, und
es wurde der Abriebzustand untersucht und die Beziehung zur
Härte der Materialien wurde untersucht. Die Fig. 1A und 1B
zeigen die Düse aus einem Körper (Fig. 1A) und einer Nadel
(1B), die eine Gleit- und schlagposition 1 sowie einen
Gleitteil 2 aufweisen.
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Die Zusammensetzung des verwendeten Materials war 0,69C-
9,3Cr-1,01Mo-0,25V-1,06Co-0,46Cu-Fe. Dieses wurde einem
Abschreckvorgang bei 1050ºC und einer Behandlung bei unter 0ºC
unterzogen und es wurde durch Ändern der Tempertemperatur
auf vier Härtearten eingestellt, nämlich HRC 63, 60, 57,5
und 55. Die Nadeln und Körper der elektronischen
Einspritzvorrichtungen für Treibstoffe wurden aus diesen Materialien
hergestellt und einem Betriebstest unterzogen.
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Im Ergebnis zeigte es sich, daß die Abnutzung durch Abrieb
bei zunehmender Härte kleiner war.
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Dann wurde die Beziehung zwischen der Abnutzung durch
Abrieb und der Mikrostruktur oder Zusatzelementen durch einen
elektronischen Einspritztest mit Treibstoff bei den
nachfolgend angegebenen Beispielen ausgeführt.
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Hinsichtlich der Beziehung zwischen der Mikrostruktur und
der Abnutzung durch Abrieb zeigte es sich, daß dann, wenn
die Materialien denselben Härtegrad hatten, diejenigen mit
einem Aufbau, bei dem ein Primärcarbid verblieb,
hinsichtlich der Abriebbeständigkeit etwas besser waren. Was den
Einfluß der Zusatzelemente auf den Abrieb betraf, waren die
Co enthaltenden Materialien wirkungsvoll.
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Wenn dieser Test an einer Nadel und einem Körper aus
voneinander verschiedenen Materialien ausgeführt wurde, von denen
jedes ein mikrostrukturmäßig großes Carbid enthielt, das mit
großer Menge verblieb, rieb das Material mit der höheren
Härte einen größeren Anteil des anderen Materials ab. Daher
wurden die Nadel und der Körper aus demselben Material
hergestellt und dem Test unterworfen.
(3) Abschälen
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Der Abschäleffekt der Teile im Körper und der Nadel einer
elektronischen Kraftstoff-Einspritzdüse, die Schlägen
unterliegen, führte im Fall herkömmlicher Mineralöl-Treibstoffe
wie Benzin zu keinen Schwierigkeiten, sondern dies ist ein
spezielles Problem, wenn alkoholische Treibstoffe verwendet
werden. Dieser Abschäleffekt ist ein solcher Effekt, daß der
Teil unmittelbar unter der Oberfläche des den
Schlagvorgängen unterworfenen Elements abspaltet und durch wiederholte
Belastungen bricht und so abgeschält wird, als würden Poren
an der Oberfläche gebildet. Es wird angenommen, daß dieser
Effekt auffällig auftritt, da die Schmierwirkung
alkohohscher Treibstoffe schlechter als die von
Mineralöl-Treibstoffen ist, weswegen die Schmierung zwischen den Elementen
beschädigt wird und die Aufprallwirkung zwischen der Nadel
und dem Körper zunimmt. Hinsichtlich dieses Abschälens wurde
die folgende Beziehung zwischen dem Abschälen und der
Mikrostruktur oder der Härte beim Test mit elektronischer
Kraftstoffeinspritzung erkannt, wie es durch die nachfolgend
angegebenen Beispiele dargelgt ist.
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(1) Der Abschäleffekt tritt bei einem Material mit höherer
Härte schwerer auf.
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(2) Mikrostrukturmäßig tritt der Abschäleffekt mit einer
Zunahme der kontinuierlichen Verteilung eines groben
Primärcarbids auf, wie es in Fig. 3B (Mikroskop-Photographie mit
x400) dargestellt ist, und mikrostrukturmäßig ist es
erforderlich, daß der Anteil an Primärcarbid so eingestellt wird,
daß das Flächenverhältnis des Primärcarbids 1,5% oder
weniger ist, wie es sich durch Mikrostrukturbetrachtung der
Querschnittsfläche ergibt, und die Struktur sollte
vorzugsweise so sein, wie es in Fig. 3A dargestellt ist. Zu diesem
Zweck sollten die Anteile an C und Cr so eingestellt werden,
daß die Menge an Primärcarbid kontrolliert wird.
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Die Erfindung wurde auf Grundlage der obigen Erkenntnisse
erzielt.
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D.h., daß die Erfindung ein Material betrifft, das für die
Elemente von Vorrichtungen geeignet ist, die Schlagvorgängen
unterliegen und bei denen alkoholische Treibstoffe verwendet
werden, wobei dieses Material zusätzlich zur
Korrosionsbeständigkeit und Abriebbeständigkeit hinsichtlich der
Abschälbeständigkeit verbessert ist, bei der es sich um eine
spezielle Eigenschaft handelt, wie sie für Materialien für
Elemente von Vorrichtungen erforderlich ist, bei der
insbesondere alkoholische Treibstoffe verwendet werden, was durch
Begrenzen der Anteile von C und Cr auf Bereiche erfolgt, in
denen die Kristallisierung einer kleineren Menge an
Primärcarbiden erfolgt. Kristallisierung von Primärcarbid tritt
bei den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen bei einem
C-Gehalt und einem Cr-Gehalt von nahezu %Cr + 25 x %C = 32 auf,
und die Begrenzung erfolgt so, daß %Cr + 25 x %C ≤ gilt, wie
durch den Bereich (A) in Fig. 2 dargestellt, um die Menge an
Primärcarbid zu begrenzen, die bei Mikrostrukturbetrachtung
die Querschnittsfläche belegt.
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Was die für alkoholischen Treibstoffen ausgesetzten Elemente
verwendeten Materialien betrifft, werden diese nicht nur für
die Schlägen unterliegenden Elemente verwendet, sondern auch
für Elemente, die Abriebfestigkeit auf einem Niveau
aufweisen müssen, das der Abschälfestigkeit ähnlich ist. In diesem
Fall ist die Bedingung zum Kontrollieren der
Kristallisierung eines Primärcarbids %Cr + 25 x %C > 32, wie es durch
den Bereich (B) in Fig. 2 dargestellt ist. Jedoch ist es
erwünscht, daß die Materialien solche Komponentenbereiche
aufweisen, daß das Flächenverhältnis des Primärcarbids 8% oder
weniger beträgt. Diese Materialien haben, wie oben
angegeben, in gewissem Ausmaß verbesserte Abriebfestigkeit.
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Es werden nun Gründe zum Beschränken der chemischen
Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Materialien erläutert.
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Kohlenstoff (C) ist ein wesentliches Element zum
Aufrechterhalten einer Martensitstruktur einer abgeschreckten
Struktur, er verbessert die Härte durch Erzeugung von Carbiden
und er erhöht die Abriebfestigkeit. Um die Härte des
Materials, nachdem es einem Abschreckvorgang unterworfen wurde,
auf ein Niveau zu erhöhen, wie es für den Körper und die
Nadel einer Kraftstoff-Einspritzd+üse erforderlich ist, ist
die Zugabe von mindestens 0,6% C erforderlich. Wenn die
zugegebene Menge zu groß ist, tritt eine Verringerung der
Korrosionsbeständigkeit gegen Essigsäure + Ameisensäure auf,
weswegen die Obergrenze auf weniger als 0,8% gesetzt ist.
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Ferner ist hinsichtlich Materialien, die für Elemente
verwendet werden, die Schlägen unterliegen, wie der Körper oder
die Nadel einer Einspritzdüse und der Kolbenring in
Vorrichtungen, in denen alkoholische Treibstoffe verwendet werden,
da Primärcarbide bei der Verfestigung abhängig vom
relativen Verhältnis zur Menge an Cr in großer Menge erzeugt
werden und sich die Abschälfestigkeit der den Schlägen
ausgesetzten Elemente verschlechtert, der Wert %Cr + 25 x %C auf
32 oder weniger als Bereich spezifiziert, in dem das
verbliebene Primärcarbid 1,5% im erfindungsgemäßen
Zusammensetzungssystem nicht überschreitet.
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Dagegen ist für Materialien für Elemente von
Vorrichtungen, bei denen alkoholische Treibstoffe verwendet werden
und die in einem Teil verwendet werden, der keine speziellen
Schlagkräfte erfährt, der jedoch Abriebfestigkeit erfordert,
wie der Kolben und der Körper, die bei einer Einspritzpumpe
eines Dieselmotors verwendet werden, auf eine weitere Ver
besserung der Abriebfestigkeit hin gezielt, wobei die
Bedingung %Cr + 25 x %C > 35 erfüllt sein soll, was die
Bedingung zum Erzeugen des Primärcarbids ist (mit der
Voraussetzung, daß das Flächenverhältnis des Primärcarbids 8% oder
weniger beträgt).
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Silicium (Si) hat die Wirkung, den Grundbestandteil zu
festigen und die Abriebfestigkeit dadurch zu erhöhen, daß es
eine feste Lösung mit dem Grundbestandteil bildet. Darüber
hinaus hat Si den Effekt, wenn das Material einem
Tempervorgang bei niedriger Temperatur unterworfen wird und so wie
bei der Erfindung verwendet wird, daß es die Beständigkeit
gegen Erweichen beim Tempern erhöht. Wenn jedoch Si mit
großer Menge zugegeben wird, ist die Warmbearbeitbarkeit
beeinträchtigt, und die Menge an Si beträgt 1,5% oder
weniger.
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Mangan (Mn) ist ein wesentliches Element zum Veredeln von
Stahl, jedoch wird, wenn es mit großer Menge enthalten ist,
Austenit stabilisiert und Restaustenit nimmt zu, und im
Ergebnis zeigt sich nur schwer Härte bei der Wärmebehandlung
und die Korrosionsbeständigkeit gegen Essigsäure und
Ameisensäure, wie in alkoholischen Treibstoffen enthalten, ist
verschlechtert. Demgemäß beträgt die Menge an Mn 1,5% oder
weniger.
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Chrom (Cr) hat ebenfalls die Wirkung, die
Korrosionsbeständigkeit gegen Essigsäure und Ameisensäure, wie in
alkohohschen Treibstoffen enthalten, zu verbessern. Darüber hinaus
erzeugt es als Carbidausbildungselement ein Chromcarbid, und
es verbessert die Abriebfestigkeit. Wenn die Menge an Cr zu
groß ist, wird Härte nach einer Wärmebehandlung (Abschrecken
und Tempern) nur schwer erzielt und außerdem wird das
Primärcarbid aufgrund der Beziehung zum C-Gehalt erzeugt, und
in alkoholischen Treibstoffen tritt leicht Abschälen eines
Schlägen unterworfenen Teils auf. Daher beträgt die Menge an
Cr mindestens 8,0% und weniger als 16% und die Beziehung
zwischen dem C-Gehalt und dem Cr-Gehalt ist so begrenzt, daß
die Bedingung %Cr + 25 x %C ≤ 32 erfüllt ist und das
Primärcarbid auf den kleinen Wert von 1,5% oder weniger
hinsichtlich des Flächenverhältnisses verringert ist, wobei die
Abschälfestigkeit berücksichtigt ist.
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Ferner wird, um hauptsächlich eine Verbesserung der
Abriebfestigkeit gegen eine Verringerung der Schmierwirkung
aufgrund der Verwendung alkoholischer Treibstoffe zu erzielen,
Primärcarbid mit einem Flächenverhältnis von 8% oder weniger
kristallisiert, und die Menge an Cr beträgt mehr als 12,0%
und weniger als 16,0% und sie genügt der Beziehung %Cr + 25
x %C > 32.
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Molybdän (Mo) und Wolfram (W) sind zum Verbessern der
Härtbarkeit, zum Erhöhen der Abschreckhärte und zum Verbessern
der Abriebfestigkeit wesentlich, jedoch müssen sie nicht mit
großen Mengen zugegeben werden. Wenn sie in großen Mengen
enthalten sind, verschlechtert sich die Warmbearbeitbarkeit
wegen der Entstehung grober Carbide, und W und/oder Mo ist
mit einer Menge von 0,5-3,5% gemäß 1/2 W + Mo enthalten. Ein
bevorzugter Bereich für 1/2 W + Mo ist 0,5-2,0%.
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Vanadium (V) ist zum Homogenisieren der Struktur des
erfindungsgemäßen Materials wirkungsvoll, und es ist ferner zum
Verbessern der Korrosionsfestigkeit bei einem
Korrosionsfestigkeitstest gegen Essigsäure und Ameisensäure, wie in
alkoholischen Treibstoffen enthalten, wirksam. Wenn es jedoch
mit großer Menge enthalten ist, bildet sich zu viel
Primärcarbid, weswegen die Menge an V 0,02-1,5%, vorzugsweise
0,1-1,0% beträgt.
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Kupfer (Cu) ist das Element, das zum Verbessern der
Korrosionsfestigkeit gegen Essigsäure und Ameisensäure, wie in
alkoholischen Treibstoffen enthalten, am wirkungsvollsten
ist, jedoch bewirkt eine Zugabe mit großer Menge eine
Verringerung der Temperhärte sowie eine Verschlechterung der
Warmbearbeitbarkeit. Daher beträgt die Menge an Cu 0,05-
3,0%, vorzugsweise 0,5-3,0%.
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Kobalt (Co) ist insbesondere zum Verbessern der
Abriebfestigkeit und der Freßfestigkeit wirksam, und der Effekt
wurde bei den unten angegebenen Beispielen erkannt. Betreffend
die Menge an Co verbessert Zugabe von Co mit einer Menge von
5,0% oder weniger die Abriebfestigkeit deutlich, und der
Effekt steigt bei Zugabe mit einer Menge von mehr als 5,0%
allmählich an, jedoch verringert eine Zugabe mit großer
Menge eher die Zähigkeit. Daher beträgt die Menge an
zugegebenem Co 0,1-5,0%. Ein bevorzugter Bereich ist 0,5-2,5%.
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Nickel (Ni) ist wirksam zum Verbessern der
Korrosionsfestigkeit gegen Essigsäure und Ameisensäure, wie in alkoholischen
Treibstoffen enthalten, und es erhöht die Zähigkeit von
Stahl. Wenn es jedoch in großer Menge enthalten ist, nimmt
die kritische Temperatur ab und es wird leicht Restaustenit
erzeugt. Daher beträgt die Obergrenze des Ni-Gehalts 2,0%.
Beispiele
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele
detaillierter erläutert.
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Als erstes wurden Stähle mit den in der Tabelle 1
angegebenen zusammensetzungen durch ein Schmelzverfahren hergestellt
und die jeweiligen geschmolzenen Stähle wurden zu
vorgegebenen Barren gegossen. Diese Barren wurden bei hoher
Temperatur einem Diffusionstempervorgang unterzogen und dann
warmbearbeitet und getempert, um die gewünschten
Testmatenahen herzustellen.
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Die Probe Nr. 16 und die Probe Nr. 17, die als
Vergleichsmaterialien hergestellt wurden, entsprechen SUS440C bzw.
SUD420J2 gemäß JIS.
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Dann wurden die jeweiligen Testmaterialien für 20 Minuten
bei 1050ºC gehalten und danach einer Abkühlung in Öl, einer
Behandlung bei unter Null Grad C, d.h. bei -100ºC, einem
Tempervorgang bei 150ºC und dann einer Endbearbeitung
unterzogen, und diese Materialien wurden zum Testen verwendet.
Die Testergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 1
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Nr. 16:
Dieses Material entspricht SUS440C
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Nr. 17: Dieses Material entspricht SUS420J2
Tabelle 2
Wärmebehandlung des Materials: Nach 1050ºC für 20 Min. Abkühlen in Öl, dann
Behandlung unter 0ºC bei -100ºC, dann Tempern bei 150ºC
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Was die Härte betrifft, so ist diese durch die Rockwell-
Härte C (HRC-Härte) der Materialien dargestellt, die der
Bearbeitung bei 1050ºC für 20 Minuten, der Abschreckung in
Öl, der Behandlung unter 0ºC bei -100ºC und dann dem
Tempervorgang bei 150ºC unterzogen wurden. Die
Korrosionsfestigkeit wurde durch einen Eintauchtest in eine Lösung von
Wasser + 10% Essigsäure + 10% Ameisensäure bei 6º0C für 30
Stunden sowie in eine Lösung aus Industriemethylalkohol +
10% Essigsäure + 10% Ameisensäure bei 20ºC für 200 Stunden
bewertet. Die Ergebnisse sind durch die folgenden Kriterien
dargestellt:
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"X": Testergebnis ähnlich wie das von SUS440C.
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"o": Probe war überhaupt nicht korrodiert.
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"Δ": Probe war etwas korrodiert.
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Die Abriebfestigkeit und die Abschälfestigkeit wurden auf
die folgende Weise bewertet. Das Testmaterial wurde zu einer
elektronischen Kraftstoff-Einspritzdüse vom Nadeltyp, wie in
Fig. 1 dargestellt, ausgebildet, und diese Düse wurde einem
2 x 10&sup8;-maligen Betriebstest unter Verwendung eines
Treibstoffgemischs aus 85% Industriemethanol und 15% Benzin
unterzogen. Die Schlägen unterliegende Oberfläche und die
Gleitfläche wurden untersucht.
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Die Abnutzung durch Abrieb wurde aus dem Profil der
Gleitfläche und dem Schlägen unterliegenden Element gemessen, und
die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 mittels der folgenden
Kriterien dargestellt:
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"X": mehr als 5 µm
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"Δ": 3-5 µm
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"o": weniger als 3µm
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Das Abschälen wurde durch Betrachten der Schlagvorgängen
unterliegenden Nadelfläche mittels eines
Rasterelektronenmikroskops ausgewertet, und die Ergebnisse sind in der
Tabelle 2 mittels der folgenden Kriterien dargestellt:
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"X": Abschäldefekte waren in Form eines Rings (gesamte
Fläche) erkennbar.
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"Δ": Abschäldefekte waren nur vereinzelt vorhanden.
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"o": Es waren keine Abschäldefekte vorhanden.
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Aus den Ergebnissen in der Tabelle 2 ist es erkennbar, daß
die erfindungsgemäßen Materialien hinsichtlich der
Korrosionsfestigkeit und der Abschälfestigkeit gegenüber SUS440C
(Probe Nr. 16) überlegen sind, wie herkömmlich bei
Mineralöl-Treibstoffen verwendet und wie als Vergleichsmaterial
getestet, und außerdem sind sie hinsichtlich der
Abriebfestigkeit SUS420J2 (Probe Nr. 17) überlegen und sie sind
demgemäß für alkoholische Treibstoffe am geeignetsten.
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Die in der Tabelle 1 dargestellten Materialien, die
hinsichtlich Cr + 25C einen Wert von über 32 aufweisen (Proben
Nr. 5, 7, 8, 9 und 13) zeigen bei der Verwendung als
Elemente die Schlägen unterliegen, etwas an Abschälen, wie es in
der Tabelle 2 dargestellt ist, jedoch können sie für
Elemente verwendet werden, die keinen Schlägen unterliegen, oder
für Elemente, die nur Gleitvorgängen unterliegen, und zwar
hinsichtlich ihrer Abriebfestigkeit und ihrer
Korrosionsfestigkeit.
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Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Menge an C, der
Menge an Cr und der Fläche, in der das Primärcarbid erzeugt
wird, und sie zeigt die Bereiche A und B gemäß der
Erfindung. Die Fig. 3A und 3B zeigen die Mikrostruktur (x 400)
der Probe Nr. 1 in der Tabelle 1 für den Bereich A sowie der
Tabelle Nr. 5 für den Bereich B, nach der oben angegebenen
Wärmebehandlung (Abschrecken in Öl von 1050ºC x 20 Minuten,
Behandlung unter 0ºC bei -100ºC und Tempern bei 150ºC).
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Vorstehend wurde die Erfindung hauptsächlich betreffend eine
elektronische Kraftstoff-Einspritzdüse erläutert, jedoch
haben die erfindungsgemäßen Materialien bei anderen
Anwendungen wie Pumpen bei einer elektronischen
Kraftstoff-Einspritzdüse und anderen Vorrichtungen, bei denen alkoholische
Treibstoffe verwendet werden, hervorragende
Korrosionsfestigkeit, Abriebfestigkeit und Abschälfestigkeit. Darüber
hinaus können die erfindungsgemäßen Materialien mit
denselben Schritten hergestellt werden, wie sie bei der
Herstellung von herkömmlichem SUS440C verwendet werden, und sie
sind am meisten als Materialien für Elemente von
Vorrichtungen geeignet, bei denen alkoholische Treibstoffe verwendet
werden.
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Außerdem sind sie hinsichtlich der Abriebfestigkeit auch
als Materialien für elektronische Kraftstoff-Einspritzdüsen
für übliche Mineralöl-Treibstoffe hervorragend, und sie
zeigen ausreichende Eigenschaften.