JP3748586B2

JP3748586B2 - 耐久性に優れた燃料噴射弁装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP3748586B2
Application number: JP07816995A
Authority: JP
Inventors: 善昭高木; 純滝沢; 晃義喜多; 捷昭福島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: JPH08246109A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料噴射弁の摺動部及びストッパ部の耐久性を向上させるようにした燃料噴射弁装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガソリンエンジン用の燃料噴射弁装置のバルブ及びバルブシートの材料として、ＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃを焼入れ、焼戻し処理したものが、またバルブの作動を規制するストッパ部材の材料としてＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃを焼なまし処理したものが知られている。
また、ディーゼルエンジン用の燃料噴射弁装置のバルブとしてＪＩＳ−ＳＫＨ２を焼入れ、焼戻し処理したものが、またバルブシートとしてＪＩＳ−ＳＣＭ４２０Ｈに浸炭焼入れしたものが知られている。
【０００３】
一方、近年重要視されている環境問題に対処するため、ガソリン、軽油等の石油系燃料に代えてアルコール系燃料の使用が検討され、アルコール系燃料は石油系燃料に較べて潤滑性に劣り、材料の摩擦が生じやすく、含有水分とかアセトアルデヒド、ホルムアルデヒド等のアルコールの酸化物とか、酢酸、蟻酸等の不純物によって腐食性が生じやすいため、アルコール系燃料に適合する燃料噴射装置のバルブ及びバルブシートとして、特開平４−１４１５６０号公報に示されるようなものが知られている。
【０００４】
更に、環境問題対処技術の一環として燃焼室等に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンも検討されており、このような形式のエンジンでは、燃料噴射弁の一部が燃焼室内に臨み、その周囲の雰囲気温度は摂氏３００℃以上にも及ぶことから、高温化での耐久性と耐摩耗性を一層高めるため例えば特願平５−１６３９８０号公報に示されるようなものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような燃料噴射弁装置の各種材料でも、使用環境が厳しい場合、特に燃料噴射弁に激しい振動が加わるような状況下では、耐摩耗性が不足し、この摩耗に起因して作動特性にバラツキが生じるという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、燃料噴射弁のバルブ又はバルブシートとして、重量％でＣ；１．７５〜３．０％、Ｓｉ；１．０％以下、Ｍｎ；１．０％以下、Ｃｒ；９．０〜２０．０％、ＭｏとＷの一種又は二種をＭｏ＋１／２Ｗ；１．０〜１０．０％、ＶとＮｂの一種又は二種をＶ＋１／２Ｎｂ；１．０〜６．５％、Ｃｏ；１．０〜５．０％、を含有し残部がＦｅからなる成分を有し、熱処理後の硬さＨＲＣ６３以上で且つ素地中の炭化物粒径が１０μｍ以下の鋼材を使用するようにした。そしてこの鋼材は、例えば上記成分の合金微粉末を熱間等方圧縮（ＨＩＰ）して得たビレットを更に熱間鍛造して形成した圧密体である。
また、燃料噴射弁のストッパ部材に、ビッカース硬さ１０００以上の炭化物等の硬質微細粒子を含まず、且つ母材の硬さがビッカース硬さ１７０以上のオーステナイト系ステンレス鋼を使用するようにした。
【０００７】
更に、本発明に係る燃料噴射弁装置の製造方法は、重量％でＣ；１．０〜３．０％、Ｓｉ；１．０％以下、Ｍｎ；１．０％以下、Ｃｒ；９．０〜２０．０％、ＭｏとＷの一種又は二種をＭｏ＋１／２Ｗ；１．０〜１０．０％、ＶとＮｂの一種又は二種をＶ＋１／２Ｎｂ；１．０〜６．５％、Ｃｏ；１．０〜５．０％、を含有し残部がＦｅからなる成分割合の合金粉末を熱間等方圧縮（ＨＩＰ）してビレットとし、このビレットを熱間鍛造・圧延により素地中の平均炭化物粒径が１０μｍ以下の圧密鋼材とし、この鋼材を燃料噴射弁のバルブ又はバルブシートに加工後、熱処理によりＨＲＣ６３以上の硬さとなるようにした。
【０００８】
【作用】
バルブ又はバルブシートの成形にあたり、上記成分の鋼材（圧密体）を焼入れ、焼戻し処理すると、マルテンサイト素地中に炭化物が微細に析出して、耐摩耗性に優れた特性が得られる。従って激しい振動下でアルコール系燃料を使用した場合とか、燃焼室内に燃料を直接噴射するような場合でも、摺動部の耐久性を向上させることが出来る。
【０００９】
上記効果を得るために熱処理硬さをＨＲＣ６３以上とした。また耐摩耗性を良好とするためには素地中の炭化物を微細に分散させて偏摩耗を防止して摩耗の均一性を維持することが重要で、上記効果を得るために素地中の平均炭化物粒径を１０μｍ以下とした。
【００１０】
また、ストッパ部材に硬質微細粒子を含まない材料を使用することで、ストッパー部にバルブとの衝撃によるストッパー摩耗が生じても摩耗粉が摺動部に悪影響（摩耗粉が摺動部に入り込むことによる摺動部の摩耗、いわゆるアブレッシブ摩耗）を与えず、耐久性が向上する。
【００１１】
ここで、上記成分の限定理由について述べる。
Ｃは、Ｆｅ素地中に固溶し、焼入れした際に素地をマルテンサイト化するとともにＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂとの炭化物を形成するため、硬さ及び耐摩耗性の向上のためには必須の元素である。本案の噴射弁に必要な硬さを得るためには、最低１．０％の添加が必要であり、更に耐摩耗性向上のための炭化物を形成するためには多い方が望ましいが、過剰に添加すると熱間加工性が低下するので、１．０〜３．０％の範囲とした。
【００１２】
Ｓｉは、鋼の脱酸材として添加されるが、一部は鋼中に入り込んで素地を強化し耐摩耗性を向上させる効果がある。しかし、過剰に添加すると熱間加工性が低下するので１．０％以下とした。
【００１３】
Ｍｎは、鋼の精錬に使用される元素であり、また、焼入れ性を向上させる効果がある。しかしながら、これはオーステナイト生成元素であるため、過剰に添加すると焼入れ時の残留オーステナイトが過多になって必要な硬さが得られなくなり、経時変化による寸法変化が懸念されるため１．０％以下とする。
【００１４】
Ｃｒは、Ｍ₇Ｃ₃、Ｍ₂₃Ｃ₆タイプの炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる作用がある。また、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗を向上させるとともに鋼を不働態化して耐食性を向上させる効果がある。更に耐摩耗性を高め、特に燃料噴射弁のバルブ、バルブシートのように微小空壁間の摺動部分には良好な表面状態を維持する効果を有する。上記の効果を得るためＣｒは９．０％以上の添加が必要であるが、過剰に添加すると素地の硬さが低下し且つ熱間加工性が低下するので、９．０〜２０．０％の範囲とした。
【００１５】
ＭｏとＷは、焼戻しによってＣｒとの複合炭化物及び炭化物を析出し、耐摩耗性を向上させる作用がある。また、素地を強化し、耐食性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる効果がある。しかし、共に高価な元素でもあるので、性能／コストのバランスからＭｏ＋１／２Ｗで１．０〜１０．０％の範囲とした。
【００１６】
ＶとＮｂは、２次炭化物を析出させ、耐摩耗性を向上させるとともに、結晶を微細化させる作用がある。また、Ｃｒ、Ｍｏよりも炭化物生成傾向が高いため、結果として素地中のＣｒ、Ｍｏ量を高くして耐食性を向上させる。Ｖ、Ｎｂ共に同様な効果をもたらすが、ＮｂがＶに対して２倍の原子量であることから、Ｖ＋１／２Ｎｂにて規定すると良い。また、両元素共に高価である上、過剰に添加すると研削性が悪くなるので、性能／コスト／研削性のバランスから、Ｖ＋１／２Ｎｂを１．０〜６．５％の範囲とした。
【００１７】
Ｃｏは、炭化物の保持力を強化して耐摩耗性を向上させる効果がある。また、素地を強化するとともに、靭性を向上させ、耐食性にも効果がある。これも高価な元素であるため性能／コストのバランスから１．０〜５．０％の範囲とした。
【００１８】
本発明においては、Ｃ；２．５〜３．０％、Ｓｉ；０．５％以下、Ｍｎ；０．５％以下、Ｃｒ；１５．０〜１９．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ；１．５〜３．０％、Ｖ＋１／２Ｎｂ；２．０〜５．５％、Ｃｏ；１．０〜３．０％、残部は実質的にＦｅの組成、また、Ｃ；１．５〜３．０％、Ｓｉ；０．５％以下、Ｍｎ；０．５％以下、Ｃｒ；８．０〜１２．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ；５．０〜９．０％、Ｖ＋１／２Ｎｂ；４．０〜６．５％、Ｃｏ；１．５〜３．５％、残部は実質的にＦｅの組成が望ましい。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。図１に示すように、燃料噴射弁１はバルブシート２の中でコイル４の電磁力にて作動するバルブ３と、このバルブ３の作動を規制するストッパ部材５を備え、本発明はバルブ３及びバルブシート２並びにストッパ部材５の耐久性を向上させることを目的とし、まずバルブ３及びバルブシート２の材料として表１に示すような成分を有する材料を用いて試験を行った。そして、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８はバルブ３及びバルブシート２材料として有効性が確認された本発明に係る材料である。そして、Ｎｏ．９は特開平４−１４１５６０号公報に示された材料であり、Ｎｏ．１０は特願平５−１６３９８０号公報に示された材料である。また、Ｎｏ．１１は従来一般のガソリン燃料用噴射弁の材料であり、Ｎｏ．１２はディーゼルエンジン用燃料噴射弁の材料であり、いずれもＪＩＳに規格された材料である。
【００２０】
【表１】

【００２１】
ここで表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．８の材料は、それぞれの成分の合金微粉末をアトマイズ法により製造し、熱間等方圧縮（ＨＩＰ）によって得られたビレットを熱間鍛造した圧密体であり、これを表２の温度条件下で熱処理を行った。また、Ｎｏ．９及びＮｏ．１０は、夫々の成分組成の鋼を溶解し、次いでこの溶鋼からインゴットを鋳造し高温で拡散焼なましを行った後、熱間加工、焼なましを行った材料に表２の温度条件下で熱処理を行った。また、従来材のＮｏ．１１及びＮｏ．１２は、市販の材料に表２の温度条件下で熱処理を行った。
【００２２】
【表２】

【００２３】
また、ストッパ部材５としては表３に示すような材質の▲１▼〜▲５▼の５種類を組合わせて試験した。
【００２４】
【表３】

【００２５】
そして、この熱処理を行ったＮｏ．１〜Ｎｏ．１２の各種合金鋼について、アルコール作動試験、高温作動試験及び耐食性試験を行った。ここで、アルコール作動試験は、実際に組立た燃料噴射弁にアルコール燃料を使用して加振状態で作動状況を試験したものであり、高温作動試験については高温条件下（約２５０℃程度）アルコールで作動状況を確認したものである。そしてこれら作動試験においては、３億回作動させて流量変動幅を確認し、流量変動幅が±３％以内なら◎、±３〜±４．５％なら○、±４．５〜±６％なら△、±６％以上なら×とした。また、耐食性試験については、メタノール＋１％ＮaＣl水の１％溶液浸漬テストを行って、表１の材料Ｎｏ．１１のＳＵＳ４４０Ｃを基準にして、錆発生時間が４倍以上であれば○、２〜４倍であれば△、２倍以下であれば×にした。そして、この評価試験結果は表４の通りとなった。
【００２６】
【表４】

【００２７】
また、上記作動試験結果から流量変動幅をグラフ化すると図２乃至図４の通りとなる。そしてこのグラフは、図２がＮｏ．１〜Ｎｏ．１２のバルブ３等にＳＵＳ３０４−ＣＳＰ３／４Ｈのストッパ部材５を組合わせてアルコール作動試験を行った時の流量変動幅（絶対値％）を示すものであり、図３がＮｏ．１とＮｏ．９のバルブ３等に▲１▼〜▲５▼のストッパ部材５を組合わせてアルコール作動試験を行った時の流量変動幅（絶対値％）を示すものである。また、図４は高温作動試験の流量変動幅を示している。
【００２８】
この結果から、本案の燃料噴射弁装置は従来の噴射弁に較べて優れた耐久性を発揮することが確認された。
【００２９】
また、図５は表１のＮｏ．１材の金属組織を示す４００倍の顕微鏡写真、図６はＮｏ．９材の金属組織を示す４００倍の顕微鏡写真、図７はＮｏ．１１材の金属組織を示す４００倍の顕微鏡写真であり、これらの顕微鏡写真からも明らかなように、本発明材は従来材に比較して、その金属組織が緻密であることが分る。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料噴射弁装置は、バルブ及びバルブシートの摺動部の耐摩耗性を向上させることが出来るので、例えばアルコール系燃料を使用する場合や、燃焼室内に燃料を直接噴射する場合のように特に厳しい環境下で使用される燃料噴射弁において、摩耗に起因する耐久性の問題を解決することが出来る。また、ストッパ部材に硬質微細粒子を含まない材料を使用することで、ストッパ部材にバルブとの衝撃により摩耗が発生しても、摩耗粉が摺動部に入り込んでアブレッシブ摩耗を促進するような事態が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射弁の断面図
【図２】Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２のバルブ等とＳＵＳ３０４−ＣＳＰ３／４Ｈのストッパ部材を組合わせてアルコール作動試験を行った時の流量変動幅を示し、横軸が各材料、縦軸が流量変動幅（絶対値％）
【図３】Ｎｏ．１とＮｏ．９のバルブ等と▲１▼〜▲５▼のストッパ部材を組合わせてアルコール作動試験を行った時の流量変動幅を示し横軸が材料の組合わせ、縦軸が流量変動幅（絶対値％）
【図４】高温作動試験の特性ばらつきを示し、横軸が各材料、縦軸が特性ばらつき（絶対値％）
【図５】表１のＮｏ．１材の金属組織を示す４００倍の顕微鏡写真
【図６】表１のＮｏ．９材の金属組織を示す４００倍の顕微鏡写真
【図７】表１のＮｏ．１１材の金属組織を示す４００倍の顕微鏡写真
【符号の説明】
１…燃料噴射弁、２…バルブシート、３…バルブ、５…ストッパ部材。

Claims

燃料噴射弁のバルブ又はバルブシートとして、重量％でＣ；１．７５〜３．０％、Ｓｉ；１．０％以下、Ｍｎ；１．０％以下、Ｃｒ；９．０〜２０．０％、ＭｏとＷの一種又は二種をＭｏ＋１／２Ｗ；１．０〜１０．０％、ＶとＮｂの一種又は二種をＶ＋１／２Ｎｂ；１．０〜６．５％、Ｃｏ；１．０〜５．０％、を含有し残部がＦｅからなる成分を有し、熱処理後の硬さＨＲＣ６３以上で且つ素地中の平均炭化物粒径が１０μｍ以下の鋼材を使用したことを特徴とする耐久性に優れた燃料噴射弁装置。
請求項１記載の燃料噴射弁装置において、前記燃料噴射弁のストッパ部材に、ビッカース硬さ１０００以上の炭化物等の硬質微細粒子を含まず、且つ母材の硬さがビッカース硬さ１７０以上のオーステナイト系ステンレス鋼を使用することを特徴とする耐久性に優れた燃料噴射弁装置。
重量％でＣ；１．０〜３．０％、Ｓｉ；１．０％以下、Ｍｎ；１．０％以下、Ｃｒ；９．０〜２０．０％、ＭｏとＷの一種又は二種をＭｏ＋１／２Ｗ；１．０〜１０．０％、ＶとＮｂの一種又は二種をＶ＋１／２Ｎｂ；１．０〜６．５％、Ｃｏ；１．０〜５．０％、を含有し残部がＦｅからなる成分割合の合金粉末を熱間等方圧縮（ＨＩＰ）してビレットとし、このビレットを熱間鍛造・圧延により素地中の平均炭化物粒径が１０μｍ以下の圧密鋼材とし、この鋼材を燃料噴射弁のバルブ又はバルブシートに加工後、熱処理によりＨＲＣ６３以上の硬さとすることを特徴とする耐久性に優れた燃料噴射弁装置の製造方法。