(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項２】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、ＶとＮｂとの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂで２％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項３】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、Ｃｏ：６％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項４】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、Ｃｕ：３．５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項５】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、ＶとＮｂとの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂで２％以下、Ｃｏ：６％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項６】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、ＶとＮｂとの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂで２％以下、Ｃｕ：３．５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項７】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、Ｃｏ：６％以下、Ｃｕ：３．５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項８】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、Ｍｏまたは更にＷをＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、ＶとＮｂとの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂで２％以下、Ｃｏ：６％以下、Ｃｕ：３．５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させることを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項９】
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁の弁体または弁座であって、
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の添加元素に加えて、重量％で、Ｐｂ：０．２％以下、Ｓ：０．０５％以下、及びＳｅ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含むことを特徴とする燃料噴射弁の弁体または弁座。
【請求項１０】
１次炭化物の平均粒度が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の燃料噴射弁の弁体または弁座。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料を燃焼室または予備燃焼室内に噴射するようにした所謂筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射弁のための弁体または弁座に関し、特にその材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジン用燃料噴射弁のための弁体並びに弁座用材料の特性として、摺動部の耐摩耗性、燃料中の微量水分に対する耐食性などが、特に重要な点として挙げられる。そして現在の量産型燃料噴射弁は、使用環境温度が１５０℃以下であるため、その弁体並びに弁座用材料として、ＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃを焼入れ後、２００℃以下の低温焼戻ししたものが一般に使用されている。
【０００３】
他方、環境問題に対処するために、稀薄燃焼エンジンに関する研究が近年盛んになりつつあるが、その１つに、燃焼室または予備燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンに関するものがある。この型式のエンジンに於ては、燃料噴射弁の一部が燃焼室内に露出するため、その耐熱性が問題となる。即ち、筒内噴射の場合、雰囲気温度が３００℃以上になるので、上記した従来の低温焼戻し材を用いると、通常使用の状態で焼戻されてしまう。このため、硬度の低下や寸法変化を招かないようにするためには、４００℃以上の高温で焼戻しを行うことが必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来のＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃに対して高温焼戻しを行うと、以下のような問題が生ずる。
（１）２次Ｃｒ・Ｆｅ複合炭化物の析出に起因する耐食性劣化。
（２）焼戻しによる軟化及び高温使用による硬度低下、耐摩耗性劣化。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の不都合を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、ガソリン燃料エンジンに用いる筒内噴射用燃料噴射弁として、高温状態で使用しても、その耐食性および耐摩耗性に問題を生じることのない燃料噴射弁の弁体または弁座を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、本発明によれば、重量％で、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜１８％、ＭｏとＷとの１種または２種をＭｏ＋１／２Ｗで１〜６％、または更に、ＶとＮｂとの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂで２％以下、Ｃｏ：６％以下、Ｃｕ：３．５％以下、及びそれぞれ特定量の快削元素Ｐｂ、Ｓ、Ｓｅのうちの１種または２種以上の各グループを適宜含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなると共に、３００℃に於ける硬さがＨｖ５８０以上となるように、焼入れ後４８０℃〜５２０℃で焼き戻しを行って２次炭化物を析出させることにより２次硬化させるマルテンサイト系ステンレス鋼材にて燃料噴射弁の弁体または弁座を製造することによって達成される。さらに、本発明の弁体または弁座のように、高Ｃ、高Ｃｒ鋼に、Ｍｏ、ＷやＶなどを含有させた場合、１次炭化物としてＣｒを主体とするＭ７Ｃ３、Ｍ２３Ｃ６は、Ｍｏ、ＷやＶ等を固溶した複合炭化物となる。この複合炭化物が巨大であると、燃料噴射弁の弁座や弁体の弁座に接する部分での高速度、高頻度の打撃によって割れを発生し、シール性能の低下を招くことが判明した。またこの現象は、１次炭化物の粒度を平均で１５μｍ以下とすることでほぼ解消可能であること、そしてこの条件は、本発明の成分範囲内では、造塊時の急冷、熱間加工での強圧下で可能であることがそれぞれ判明した。
【０００７】
【作用】
これによれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどを適当に合金させたマルテンサイト系ステンレス鋼を焼入れ後、４５０〜５５０℃の高温で焼戻すと、２次炭化物の析出によって硬化する。この２次硬化を利用して３００℃に於ける硬さ（ビッカース硬度）をＨｖ５８０以上、望ましくはＨｖ６１０以上とすることにより、ガソリン燃料エンジンに用いる筒内噴射用燃料噴射弁の弁体または弁座としての耐摩耗性の向上が得られる。しかも上記した組成とすることにより、筒内燃料噴射弁としての耐食性、耐摩耗性（高温硬さ、焼戻し２次硬化、耐クリープ性、焼戻し軟化抵抗）が向上する。
【０００８】
以下に本発明材の化学的成分の限定根拠について述べる。
【０００９】
ＣはＦｅ中に固溶し、焼入れした際に基地をマルテンサイト化し、また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、及びＷとの炭化物を形成するため、硬度および耐摩耗性の向上には必須の元素である。
【００１０】
本発明が適用される燃料噴射弁に必要な硬度を得るには、最低０．６％の添加が必要であり、更に耐摩耗性向上のために炭化物形成をさせ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、０．６％〜１．５％の範囲とした。
【００１１】
Ｓｉは、鋼の脱酸材として添加されるが、基地を強化し、高温強さを増加し、耐摩耗性を向上する効果がある。しかしながら、過剰に添加すると熱間加工性の劣化を招くので、２．０％以下とした。
【００１２】
Ｍｎは、鋼の精練に使用される元素であり、また焼入れ性を向上する効果がある。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硬度が出難くなる上、経時変化による寸法変化が懸念される。そこで１．０％以下とした。
【００１３】
Ｃｒは、鋼を不働態化させて耐食性を向上する効果がある。また、焼戻し軟化抵抗、焼入れ性、及びクリープ強さを向上すると共に、Ｍ７Ｃ３、Ｍ２３Ｃ６タイプの炭化物を形成して耐摩耗性を向上するのに必須の元素である。更にＣｒは、材料の耐酸化性を向上させるのに有効である。筒内燃料噴射弁の如く３００℃以上の温度に曝される場合に表面状態を良好に保つには、１０％以上含有する必要がある。特に鋼の耐食性向上には、１０％以上、望ましくは１２％以上の添加が必要であるが、過剰に添加すると、基地の硬度が低下し、かつ熱間加工性が劣化するので、１０％〜１８％の範囲とした。
【００１４】
Ｍｏ及びＷは、基地を強化し、耐食性および焼戻し軟化抵抗を向上する効果がある。また高温焼戻しによってＣｒとの複合炭化物及び炭化物を析出し、２次硬化性および高温硬さを向上する作用がある。従って、耐食性、耐摩耗性を向上するうえに本発明には必須元素であるが、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％〜６％の範囲とした。
【００１５】
Ｖ、Ｎｂは、２次炭化物を析出させ、２次硬化性を向上すると共に、高温強さを改善し、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、基地中のＣｒ、Ｍｏ量を高くして耐食性を間接的に向上する。Ｖ、Ｎｂともに同様な効果をもたらすが、ＮｂがＶに対して約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。また両元素は共に高価である上、過剰に添加すると硬質な炭化物が生成されて研削性が劣化するので、２％以下（Ｖ＋１／２Ｎｂ≦２％）とした。もしもＮｂ単独、またはＶが微量の場合は、Ｎｂを４％近くまで添加できる。
【００１６】
Ｃｏは、基地を強化して基地の高温強さを高めると共に、靱性並びに耐クリープ性を向上する効果がある。また炭化物の保持力を強化して耐摩耗性を向上する上、耐食性にも効果がある。これも高価な元素であるので、性能／コストのバランスから、６％以下とした。
【００１７】
Ｃｕは、基地の耐食性を向上させると同時にＣｕ固溶体を析出し、被削性をも高める。しかしながら４％以上の添加は鋼の熱間加工性を著しく低下させるので、３．５％以下とした。
【００１８】
Ｓ、Ｐｂ、及びＳｅは、切削性向上元素であるが、過剰に添加すると耐摩耗性が劣化する。またＳ、Ｐｂの過剰添加によって耐食性も劣化するので、Ｓは０．０５％以下とし、Ｐｂは０．２％以下とした。またＳｅは耐食性向上には効果的であるが、耐摩耗性を劣化するので、０．１％以下とした。
【００１９】
次に硬度について述べる。本発明者等は、高温焼戻しした材料または弁体と弁座について、後記する単体摩耗試験を行い、その結果と３００℃に於ける硬さとの間に強い相関関係があることを見いだした。ここで筒内噴射弁の作動温度は、３００℃またはそれ以上となることは前記した通りである。即ち、従来のインテークマニホールド内の燃料噴射弁に於けるＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃの低温焼戻し材と同程度の摩耗状況を得るためには、ほぼ硬さがＨｖ５８０以上であること、望ましくはＨｖ６１０以上であることが必要なことが判明した。
【００２０】
【実施例】
以下に本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００２１】
表１に試験に用いた各材料の化学成分を示す。表１に於て、Ｎｏ．１〜１４は弁体並びに弁座用材として有効な本発明材である。そしてＮｏ．１５は従来の一般のガソリン噴射弁用材であり、Ｎｏ．１６、１７はディーゼル機関用噴射弁用材であり、全てＪＩＳに規定されたものである。
【００２２】
【表１】
0003559307.tif 000002
【００２３】
これら各組成の材料に関する各種試験を行った。試験項目は、焼入れ、高温焼戻し後の常温ビッカース硬さ及び３００℃での高温ビッカース硬さ試験、単体摩耗試験、アセンブリでの耐久試験、耐食性試験及び被削性試験である。また、いくつかの材料については、１次炭化物の平均粒度を測定した。その結果を表２にまとめて示す。
【００２４】
【表２】
0003559307.tif 000003
【００２５】
以下に上記各試験の条件及び熱処理条件を示す。
（１）単体摩耗試験
試験形式  ：  チップオンディスク
相手材    ：  同材（但し、Ｎｏ．１６、１７については、実際のディーゼルノズルを想定し、Ｎｏ．１６をチップ、Ｎｏ．１７をディスクとして組合せて試験を行った。）
面圧      ：  １００ｋｇｆ／ｃｍ２
摺速      ：  １ｍ／ｓｅｃ
環境温度  ：  ２５０℃
潤滑      ：  なし
テスト時間：  ２０ｍｉｎ
判定基準  ：  ＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃを１８０℃で焼戻したもの（硬度ＨＲＣ５９）について環境温度１５０℃で上記試験を行ない、その摩耗状況を基準とし、同等以上のものを○とし、同程度のものを△とし、劣るものを×とした。
【００２６】
（２）アセンブリ耐久試験
実際に噴射弁を組み立てた物を３００℃に加熱した状態で作動耐久試験を行った。３億回作動後にリフト特性のばらつきの有無をオシロスコープでチェックして評価した。
【００２７】
（３）耐食性試験
試験形式  ：  浸漬試験
溶液      ：  エタノール＋（１％ＮａＣｌ水）１％
温度      ：  常温
判定基準  ：  ＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃを４８０℃で焼戻したものを基準として、赤錆発生時間が５倍以上を○とし、２倍以上を△とし、２倍以下を×とした。
【００２８】
（４）被削性試験
試験形式  ：  ドリル加工後の面粗度比較
使用工具  ：  スパイラルドリル
切削送り  ：  ３２ｍｍ／ｍｉｎ
試料状態  ：  焼きなまし
判定条件  ：  ＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃに比して良いものを◎とし、同程度のものを○とし、少し劣るものを△とし、劣るものを×とした。
【００２９】
（５）熱処理条件
Ｎｏ．１〜１５；
焼入れ    ：  １０５０〜１１００℃（供試材の組成に応じて変更）の真空中で２時間保持後、Ｎ２ガスにて冷却
サブゼロ  ：  −７５℃で３０分間保持
焼戻し    ：  ４８０〜５２０℃（供試材の組成に応じて変更）の真空中で１．５時間保持後、Ｎ２ガスにて冷却
Ｎｏ．１６；
焼入れ    ：  １２５０℃
焼戻し    ：  ５４０℃で２回
Ｎｏ．１７；
浸炭後焼入れ、焼戻し、有効浸炭深さ０．５〜０．８ｍｍ
【００３０】
上記素材にて製造した燃料噴射弁の要部を図１に示す。図中１はニードル弁体を、２は弁座を示している。
【００３１】
表２から以下のことが判断できる。
【００３２】
本発明の弁体または弁座は、それぞれ適正な化学成分により、ＳＵＳ４４０Ｃの４８０℃焼戻し材との対比で２倍以上の赤錆発生時間が得られ、また、この科学成分で３００℃に於ける硬さをＨｖ６１０以上とすることで、いずれも十分に高い単体摩耗性が得られることが分かる。また、硬さをＨｖ５８０以上とすることで従来のインテークマニホールド内の燃料噴射に於けるＪＩＳ−ＳＵＳ４００Ｃと同程度の摩耗状況（前記単体摩耗試験の判定基準を参照）を得られることが分かる。
【００３３】
Ｎｏ．７は、高温硬さがＨｖ５８０と実施例中最も低く、単体摩耗試験の評価が△になったが、耐久試験結果は良好であることから、この試験を省略したものについても、高温硬さ及び単体摩耗試験結果から、良好な耐久試験結果が得られるものと推定できる。
【００３４】
これに対してＮｏ．１５は、高温硬さがＨｖ５６５と低く、このため単体摩耗試験及び耐久試験結果も不良であり、かつ耐食性も劣っている。さらにＮｏ．１５は、１次炭化物の平均粒度が１６．４μｍと大きく、耐久試験後のシート面及び弁座のシート面に接する部分に炭化物の脱落痕が認められた。またＮｏ．１６、１７は、ディーゼル用のため、共にＣｕ量、Ｍｏ量が低く、絶対的に耐食性に劣っている。また単体摩耗試験は、Ｎｏ．１７が高温硬さがＨｖ５４５と低いため、その結果は不良であった。
【００３５】
以上の結果をまとめると、本発明の弁体または弁座は、その適正な化学成分によって高い高温硬さと高温焼戻し後の高い耐食性が得られるため、現有材に比して筒内噴射用として優れていることが判る。
【００３５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、表２から明かなように、作動テスト後の摩耗、腐食が共に著しく減少するので、筒内噴射エンジンのための燃料噴射弁の弁体並びに弁座用材として極めて優れた特性が得られる。従って、燃料噴射弁の耐久性を向上するうえに極めて大きな効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料噴射弁の要部を示す縦断面図。
【符号の説明】
１  ニードル弁体
２  弁座
【図１】
0003559307.tif 000004