(57)【要約】本発明は、安価な鋼材を用いて優れた疲労強度を持つコモンレールとその製造方法を提供するもので、コモンレールの素材として、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％，Ｓｉ：０．０１〜０．５％，Ｍｎ：０．０１〜３．０％，Ｃｒ：１．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．１〜２．０％，Ｖ：０．０１〜１．０％，Ｂ：０．０００３〜０．０１％，Ｔｉ：０．０１〜０．０５％，Ｎ：０．００１〜０．０１％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｏ：０．０１％以下に制限し、さらに、粒界偏析脆化元素、Ａｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｚｎの総和を０．０１５％以下に制限し、残部が不可避的不純物及びＦｅからなる靭性および疲労強度を有する高強度液相拡散接合用鋼を用いて液相拡散接合を行う。その製造方法は、分岐穴６の開口周辺部に位置する分岐穴６の内面２１と、レール穴５の内面２２との境界周辺部に対し、透明液体を存在させてパルスレーザビームを照射するレーザピーニング処理を施す。その後、開口周辺部の材料の表層を除去する。
2009064013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部にレール穴が形成され、前記レール穴を取り囲む筒壁部に前記レール穴に開口する複数の分岐穴が形成されたコモンレールの製造方法であって、
前記コモンレールの素材として、
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％，Ｓｉ：０．０１〜０．５％，Ｍｎ：０．０１〜３．０％，Ｃｒ：１．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．１〜２．０％を含有し、更にＶ：０．０１〜１．０％，Ｂ：０．０００３〜０．０１％，Ｔｉ：０．０１〜０．０５％，Ｎ：０．００１〜０．０１％を含有し、Ｐ：０．０３％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｏ：０．０１％以下に制限され、さらに、粒界偏析脆化元素、Ａｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｚｎの総和を０．０１５％以下に制限し、残部が不可避的不純物及びＦｅからなる、靭性および疲労強度を有する高強度液相拡散接合用鋼を用いて、液相拡散接合によって組み立て接合したコモンレールであって、前記分岐穴の開口周辺部に位置する前記分岐穴の内面と、前記レール穴の内面との境界周辺部の領域に、透明液体を存在させてパルスレーザビームを照射するレーザピーニング処理を施した後に、前記開口周辺部の材料の表層を除去することにより、前記開口周辺部の疲労強度を高めることを特徴とするコモンレールの製造方法。
【請求項２】
前記素材として、更にＮｉ：０．０１〜９．０％，Ｃｏ：０．０１〜５．０％，Ｃｕ：０．０１〜５．０％，Ｗ：０．０１〜２．０％のうち少なくとも１種以上を含有する液相拡散接合用鋼を用いることを特徴とする請求項１に記載のコモンレールの製造方法。
【請求項３】
前記素材として、更にＺｒ：０．００１〜０．０５％，Ｎｂ：０．００１〜０．０５％，Ｔａ：０．００１〜０．２％，Ｈｆ：０．００１〜０．２％のうち少なくとも１種以上を含有する液相拡散接合用鋼を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のコモンレールの製造方法。
【請求項４】
前記素材として、更にＣａ：０．０００５〜０．００５％，Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％，Ｂａ：０．０００５〜０．００５％等の硫化物形態制御用元素、およびＹ：０．００１〜０．０５％，Ｃｅ：０．００１〜０．０５％，Ｌａ：０．００１〜０．０５％等の希土類元素のうち少なくとも１種以上を含有する液相拡散接合用鋼を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコモンレールの製造方法。
【請求項５】
前記開口周辺部の材料の表層の除去は、電解研磨もしくは流体研磨によって行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコモンレールの製造方法。
【請求項６】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギーが１ｍＪ〜１０Ｊであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコモンレールの製造方法。
【請求項７】
前記レーザピーニング処理を施す領域と前記表層を除去する領域が、それぞれ前記レール穴の内面において（１）式を満足する領域を包含するものであって、除去する表層の厚みが（１）式を満足する領域において０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のコモンレールの製造方法。
分岐穴の中心からの距離≦分岐穴の直径×０．６
分岐穴の中心へ線分を引いたときの該線分とレール穴の長手方向のなす角≦±１０°    （１）
【請求項８】
前記開口周辺部の材料の表層の除去により、分岐穴の中心軸を含みレール穴の長手方向に沿った断面における分岐穴の開口部周辺部における形状線の曲率が、（２）式を満足する領域の各点において、１５μｍ以上となることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のコモンレールの製造方法。
分岐穴の直径×０．５≦分岐穴の中心からの距離≦分岐穴の直径×０．６    （２）
【請求項９】
前記レーザピーニング処理を施す前に、前記開口周辺部を面取り加工することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のコモンレールの製造方法。
【請求項１０】
前記面取り加工を施す領域が前記（１）式を満足する領域を包含することを特徴とする請求項９に記載のコモンレールの製造方法。
【請求項１１】
前記レーザピーニング処理に用いる透明液体がアルコールもしくは防錆剤の入った水であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のコモンレールの製造方法。
【請求項１２】
中心部にレール穴が形成され、前記レール穴を取り囲む筒壁部に前記レール穴に開口する複数の分岐穴が形成されたコモンレールであって、前記コモンレールの素材が、
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％，Ｓｉ：０．０１〜０．５％，Ｍｎ：０．０１〜３．０％，Ｃｒ：１．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．１〜２．０％を含有し、更にＶ：０．０１〜１．０％，Ｂ：０．０００３〜０．０１％，Ｔｉ：０．０１〜０．０５％，Ｎ：０．００１〜０．０１％を含有し、Ｐ：０．０３％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｏ：０．０１％以下に制限され、さらに、粒界偏析脆化元素、Ａｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｚｎの総和を０．０１５％以下に制限し、残部が不可避的不純物及びＦｅからなる、靭性および疲労強度に優れた高強度液相拡散接合用鋼材であって、前記分岐穴の開口周辺部における形状が、分岐穴の中心軸を含みレール穴の長手方向に沿った断面における分岐穴の開口部周辺部における形状線の曲率が、前記（２）式を満足する領域の各点において、１５μｍ以上となり、且つ前記断面におけるレール穴の長手方向に垂直な圧縮応力値が−２００ＭＰａ以上であることを特徴とする疲労強度特性に優れたコモンレール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの蓄圧式燃料噴射システムにおけるコモンレールの製造方法および部分強化されたコモンレールに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体通路を持つ機械部品において、流体が通過する管の端や、径が極端に変化する部位においては応力集中が発生しやすく、流体の圧力変動の結果として生ずる疲労破壊が問題となる。
コモンレールは、ディーゼルエンジンの蓄圧式燃料噴射システムにおいて燃料の軽油を圧送するポンプとインジェクターとの間に位置し、軽油を蓄圧するパイプ状の部品である。
図１は、コモンレール１の断面の概略を示している。レール穴５がコモンレール１の主なるパイプであり、軽油を蓄圧する役割を有する。レール穴５には垂直に開口する分岐穴６が複数個配設され、分岐穴６を通って各インジェクターに軽油が圧送される。レール穴５の内径ｄ１は１０ｍｍ程度、分岐穴６の内径ｄ２は１ｍｍ程度である。エンジンの作動に伴い、軽油が周期的に圧送され、コモンレール１内の軽油の圧力が周期的に変動する。この際、図１のレール穴５および分岐穴６には、周期的に周方向の引張応力に変動が生じる。図２は、分岐穴６の開口周辺部である分岐穴６の内面とレール穴５の内面との境界周辺部を拡大して示している。分岐穴６開口周辺部の中でも特に、分岐穴６の、レール穴の長手方向に平行となる直径の両端近傍７では、両穴５、６の引張応力が合成されるため、他の部分よりも大きな引張応力が発生し、内圧の変動により疲労破壊しやすいという問題がある。内圧の変動に対する疲労強度（内圧疲労強度）を向上させれば、燃料の高圧噴射が可能となり、排気ガスのクリーン化や燃費の向上につながるため、疲労強度向上が望まれている。
従来、このような疲労強度の向上に向けたアプローチとしては、一般的に高強度の鋼材を用いることでコモンレールの疲労強度を高める方法が採られているが、素材の高強度化による成形性や加工性の低下、高性能化に伴うコストの増大の問題が発生している。そのため例えば、特開２００４−８３９７９号公報には、従来の鍛造一体成形及び機械加工によるコモンレールの製造方法に代替する製造方法として、液相拡散接合による溶接コモンレールに関する発明が開示されている。さらに特開２００７−４０２４４号公報には、接合時の制御冷却を不要とする液相拡散接合に適した鋼材に関する発明が開示されている。しかし、これらの特許文献に開示されている鋼材は、引張強度が６００ＭＰａ程度の鋼材であり、近年指向されている高燃費性能を実現するための１５００気圧やさらには２０００気圧を超えるコモンレールに使用するには強度不足である。また、熱処理等の工夫で鋼材強度を著しく向上させることは可能であるが、その場合には加工が困難となり、著しい生産コストの増大を招く。しかも、最大主応力部でＭｎＳ、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ等の介在物や酸化物が加工の結果表面に露呈した場合は、内圧印可時の疲労破壊の起点となり、高強度コモンレールの安定生産を著しく阻害するという課題は解決できない。
また、鋼材の強度を上げるというオーソドックスな方法のみならず、例えばコモンレールの強化について、特開２００４−２０４７１４号公報、特開２００４−２７９６８号公報に開示されているように、流体研磨やコイニング加工の手法を用いて分岐穴開口端部のエッジを面取りして、応力集中を緩和する方法が知られている。また、圧縮応力付与による疲労強度向上も検討されている。近年開発が進められているレーザピーニングは、金属物体の表面に液体等の透明媒質を置いた状態で、その表面へ高いピークパワー密度を持つパルスレーザビームを照射し、そこから発生するプラズマの膨張反力を利用して、金属物体の表面近傍に非接触処理で残留圧縮応力を付与する技術であり、例えば特許第３３７３６３８号公報にその方法が開示されている。レーザビームは、コモンレールのレール穴内面、分岐穴内面といった狭隘部へも伝送可能であり、レーザピーニングはコモンレールの分岐穴開口部近傍へ高い圧縮応力を付与するための現状唯一の方法である。そこで、特開２００６−３２２４４６号公報に開示されたように、レーザピーニングをコモンレールへ適用するための効果的な方法について検討されてきている。
しかし、特開２００６−３２２４４６号公報に開示された方法は、コモンレールの疲労強度を大きく向上させるものであるが、装置、効果の観点から以下のような問題があった。レーザピーニング処理においてサンプル表面にレーザビームを照射すると、照射スポット部表層近傍が溶融・再凝固することにより該スポット部の表層近傍の圧縮応力が減少することが多い。この問題を回避するために、レーザビームを吸収する吸収材料層を設置する方法が知られているが、この吸収材料層をコモンレールの分岐穴開口部へ設置するには複雑な装置を必要とするため、同工程の省略がコストや生産性の観点から望まれる。
特許第３３７３６３８号公報には、熱影響部を除去するための方法として、レーザ光照射面とその近傍に対向して設置した電極間にレーザで制御した放電を生じさせる方法や、レーザ照射面に接する透明液体を電解液とし、レーザ照射中に照射面とその近傍に対向して設置した電極間で電解研磨を行う方法が開示されている。しかし、これらの方法は、レーザ照射の影響が大きいために、所望の加工形状を精度良く安定的に得ることが難しく、コモンレールの工業生産には適さない。また、特開２００６−３２２４４６号公報に開示されているように、パルスレーザのビームスポットの重畳面積割合を高めることで、上述の圧縮応力の減少の問題は緩和される。しかしながら、コモンレールの疲労強度の向上効果をさらに引き上げるためには、表層近傍の圧縮応力を最大限高める必要があり、別のアプローチが望まれている。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、上記の問題を解決し、応力集中により疲労破壊の起点となりやすいコモンレールの分岐穴の開口部近傍をレーザピーニング処理にて部分的に強化することにより、安価な鋼材を用いて優れた疲労強度を持つコモンレールの製造方法およびコモンレールを提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するために検討を行った結果、液相拡散接合に適した６００ＭＰａ超級の強度を有し、かつ接合部強度にも優れた特定の成分を有する安価な高強度鋼材を、加工が容易な形状のブロック単位に分けて製造後、液相拡散接合し、コモンレール概略形状をまず形成し、さらに、疲労強度が問題となる分岐穴のレール穴側開口部周辺に対してレーザピーニング処理による圧縮応力導入後に電解研磨等によりレーザピーニング処理した部分を含む領域の材料を除去すれば、安価な鋼材を用いてコモンレールの疲労強度を大きく向上させられることが判った。ここで、液相拡散接合を用いて分岐穴の先に配管を固定するホルダーを接合することは、高強度鋼材の加工を容易にして工程コストを下げると同時に、高強度材で致命的な、最大主応力部（分岐穴開口部位）に介在物または酸化物が露出する際に生じる疲労強度の低下をコモンレール強化用に調整したレーザピーニングによって補完することで、従来にない高圧に耐えるコモンレールの製造を安価に実現できることを意味し、本発明の独自性を形成していることに帰着する。
本発明の第一の発明は、中心部にレール穴が形成され、前記レール穴を取り囲む筒壁部に前記レール穴に開口する複数の分岐穴が形成されたコモンレールの製造方法であって、前記コモンレールの素材として、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％，Ｓｉ：０．０１〜０．５％，Ｍｎ：０．０１〜３．０％，Ｃｒ：１．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．１〜２．０％を含有し、更にＶ：０．０１〜１．０％，Ｂ：０．０００３〜０．０１％，Ｔｉ：０．０１〜０．０５％，Ｎ：０．００１〜０．０１％を含有し、Ｐ：０．０３％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｏ：０．０１％以下に制限し、さらに、粒界偏析脆化元素、Ａｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｚｎの総和を０．０１５％以下に制限し、残部が不可避的不純物及びＦｅからなる、靭性および疲労強度を有する高強度液相拡散接合用鋼を用いて、液相拡散接合を行い、前記分岐穴の開口周辺部に位置する前記分岐穴の内面と、前記レール穴の内面との境界周辺部の領域に、透明液体を存在させてパルスレーザビームを照射するレーザピーニング処理を施した後に、前記開口周辺部の材料の表層を除去することにより、前記開口周辺部の疲労強度を高めることを特徴とする、コモンレールの製造方法である。
本発明の第二の発明は、上記第一の発明の素材として、更にＮｉ：０．０１〜９．０％，Ｃｏ：０．０１〜５．０％，Ｃｕ：０．０１〜５．０％，Ｗ：０．０１〜２．０％のうち少なくとも１種以上を含有する液相拡散接合用鋼を用いることを特徴とするコモンレールの製造方法である。
本発明の第三の発明は、上記第一、第二の発明の素材として、更にＺｒ：０．００１〜０．０５％，Ｎｂ：０．００１〜０．０５％，Ｔａ：０．００１〜０．２％，Ｈｆ：０．００１〜０．２％のうち少なくとも１種以上を含有する液相拡散接合用鋼を用いることを特徴とするコモンレールの製造方法である。
本発明の第四の発明は、上記第一〜第三の発明の素材として、更にＣａ：０．０００５〜０．００５％，Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％，Ｂａ：０．０００５〜０．００５％等の硫化物形態制御用元素、およびＹ：０．００１〜０．０５％，Ｃｅ：０．００１〜０．０５％，Ｌａ：０．００１〜０．０５％等の希土類元素のうち少なくとも１種以上を含有する液相拡散接合用鋼を用いることを特徴とするコモンレールの製造方法である。
本発明の第五の発明は、前記開口周辺部の材料の表層の除去は、電解研磨もしくは流体研磨によって行うことを特徴とする第一〜第四の発明のいずれかに記載のコモンレールの製造方法である。
本発明の第六の発明は、前記パルスレーザビームのパルスエネルギーが１ｍＪ〜１０Ｊであることを特徴とする第一〜第五の発明のいずれかに記載のコモンレールの製造方法である。
本発明の第七の発明は、前記レーザピーニング処理を施す領域と前記表層を除去する領域が、それぞれ前記レール穴の内面において（１）式を満足する領域を包含するものであって、除去する表層の厚みが（１）式を満足する領域において０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴とする第一〜第六の発明のいずれかに記載のコモンレールの製造方法である。
分岐穴の中心からの距離≦分岐穴の直径×０．６
分岐穴の中心へ線分を引いたときの該線分とレール穴の長手方向のなす角≦±１０°    （１）
本発明の第八の発明は、前記開口周辺部の材料の表層の除去により、分岐穴の中心軸を含みレール穴の長手方向に沿った断面における分岐穴の開口部周辺部における形状線の曲率が、（２）式を満足する領域の各点において、１５μｍ以上となることを特徴とする第一〜第七の発明のいずれかに記載のコモンレールの製造方法である。
分岐穴の直径×０．５≦分岐穴の中心からの距離≦分岐穴の直径×０．６    （２）
本発明の第九の発明は、前記レーザピーニング処理を施す前に、前記開口周辺部を面取り加工することを特徴とする第一〜第八の発明のいずれかに記載のコモンレールの製造方法である。
本発明の第十の発明は、前記面取り加工を施す領域が前記（１）式を満足する領域を包含することを特徴とする第九の発明に記載のコモンレールの製造方法である。
本発明の第十一の発明は、前記レーザピーニング処理に用いる透明液体がアルコールもしくは防錆剤の入った水であることを特徴とする第一〜第十の発明のいずれかに記載のコモンレールの製造方法である。
本発明の第十二の発明は、中心部にレール穴が形成され、前記レール穴を取り囲む筒壁部に前記レール穴に開口する複数の分岐穴が形成されたコモンレールであって、前記コモンレールの素材が、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％，Ｓｉ：０．０１〜０．５％，Ｍｎ：０．０１〜３．０％，Ｃｒ：１．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．１〜２．０％を含有し、更にＶ：０．０１〜１．０％，Ｂ：０．０００３〜０．０１％，Ｔｉ：０．０１〜０．０５％，Ｎ：０．００１〜０．０１％を含有し、Ｐ：０．０３％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｏ：０．０１％以下に制限し、さらに、粒界偏析脆化元素、Ａｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｚｎの総和を０．０１５％以下に制限し、残部が不可避的不純物及びＦｅからなる、靭性および疲労強度を有する高強度液相拡散接合用鋼材であって、前記分岐穴の開口周辺部における形状が、分岐穴の中心軸を含みレール穴の長手方向に沿った断面における分岐穴の開口部周辺部における形状線の曲率が、前記（２）式を満足する領域の各点において、１５μｍ以上となり、且つ前記断面におけるレール穴の長手方向に垂直な圧縮応力値が−２００ＭＰａ以上であることを特徴とする疲労強度特性に優れたコモンレールである。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、コモンレールのレール穴長手方向の断面図。
図２は、コモンレールの分岐穴開口周辺部の平面図。
図３は、コモンレールの製造過程を示す斜視図。
図４は、コモンレールの分岐穴開口周辺部を示す断面図。
図５は、ＨＴＬ値と液相拡散接合継手の室温における引張り強さとの関係を示すグラフ。
図６は、ＨＴＬ値と液相拡散接合継手部の靱性との関係を示すグラフ。
図７は、レーザピーニング処理した試験片の残留応力を示すグラフ。
図８は、レーザビーム照射装置を示す平面図。
図９は、図８の正面図。
図１０は、レーザビーム照射方法を示す平面図。
図１１は、分岐穴開口周辺部のレーザ処理領域を示す斜視図。
図１２は、分岐穴開口周辺部の材料除去前後の状態を示す断面図。
図１３は、分岐穴開口周辺部の面取り加工を行った場合の材料除去後の状態を示す断面図。
図１４は、分岐穴開口周辺部のレーザ照射領域の角度範囲を示す説明図。
図１５は、分岐穴開口周辺部のレーザ照射方法を示す説明図。
図１６は、分岐穴開口周辺部の異なるレーザ照射方法を示す説明図。
図１７は、試験片を示す平面図。
図１８は、分岐穴開口周辺部への面取り加工を示す断面図。
図１９は、分岐穴開口周辺部へのレーザ照射方法を示す断面図。
図２０は、分岐穴開口周辺部への電解研磨を示す断面図。
図２１は、分岐穴開口周辺部の断面形状を示す図。
図２２は、レーザ加工装置の照射ヘッド部分を示す断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明のコモンレールの製造方法およびコモンレールにかかる最良の形態例として、以下、図面に基づいて説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１はコモンレール１の断面の概略を示している。筒壁部２内に形成されるレール穴５がコモンレール１の主なるパイプであり、軽油を蓄圧する役割を有する。レール穴５には、垂直に開口する分岐穴６が複数個配設されている。
本発明では、安価なコモンレールの製造方法として、液相拡散接合による組立て接合を行う。図３に示すように、長手方向に貫通する管路１３を有するコモンレール本体１１と円筒形のホルダー１２とで形成されるリング状の接合面間に、液相拡散接合用の非晶質合金箔１５を介在させて突合せた後、１１００℃以上の温度に加熱して、接合部に５ＭＰａ以上の応力を、鋼材の接合温度における降伏応力以上負荷して液相拡散接合し、合金箔１５とコモンレール本体１１及びホルダー１２とを溶融圧接して、まず、継ぎ手部を形成する。なお、図３は、便宜上、１つの支管１４のみを示したものであるが、通常は、エンジン燃焼室の複数の噴射ノズルに対応し、複数の支管１４を備えている。そして、ホルダー１２は、これらの支管１４と、エンジン燃焼室の噴射ノズルまで燃料を圧送するための配管とを接続するために、コモンレール本体１１の支管１４に対応して複数設けられている。このように形成されたコモンレールにおいて、図３の管路１３が図１のレール穴５に対応し、図３の支管１４の内部が図１の分岐穴６に対応する。
本発明では、液相拡散接合後の制御冷却が無くとも十分な低温変態組織、すなわち材料の必要な部位あるいは全体にわたってベイナイトもしくはマルテンサイト変態を誘起させうる焼き入れ性の高い材料を、予め継手設計の段階から選択して、液相拡散接合で形成される等温凝固継手部位においても十分に均質な組織を得られる合金組成の鋼材を用いる。以下に、本発明に記載の液相拡散接合用鋼の化学成分を限定した理由について述べる。
Ｃは、鋼の焼き入れ性と強度を制御する最も基本的な元素である。０．０１％未満では強度が確保できず、０．３％を超えて添加すると強度は向上するものの、継手に靭性が確保できないことから、０．０１〜０．３％に限定した。この範囲であれば、鋼材の組織制御は接合まま材でも可能である。ただし、炭素の添加効果を工業的に安定して得るためには、好ましくは０．０５〜０．３％添加すべきである。
Ｓｉは鋼材の脱酸元素であり、通常Ｍｎとともに鋼の酸素濃度を低減する目的で添加される。同時に、粒内強化に必要な元素であって、その不足は強度低下を来す。本発明でも同様に、脱酸と粒内強化を主目的として添加し、０．０１％以上で効果を発揮し、０．５％を超えて添加した場合には鋼材の脆化を招く場合があることから、その添加範囲を０．０１〜０．５％に限定した。なお好ましくは液相拡散接合継手においてＳｉＯ２を含む複合酸化物、例えばＳｉＯ２−ＭｎＯ、ＳｉＯ２−ＦｅＯ等が生成することが懸念される場合があることから、添加範囲は０．０１〜０．３％である。
ＭｎはＳｉとともに脱酸にも効用があるが、鋼中にあって材料の焼き入れ性を高め、強度向上に寄与する。その効果は０．０１％より発現し、３．０％を超えると粗大なＭｎＯ系酸化物を晶出し、かえって靭性を低下させる場合があることから、その添加範囲を０．０１〜３．０％に限った。Ｍｎ添加量についても前記Ｓｉと同様にＳｉＯ２−ＭｎＯ生成の抑制の観点からは０．０１〜２．０％の添加に制限することが好ましい。
Ｃｒ、Ｍｏは、何れも鋼の焼き入れ性を高めて強度靭性を確保するのに重要な元素である。Ｃｒはその添加量が１．０％未満では、十分な焼き入れ性を発揮することができない。一方、１２．０％を超えると、δフェライトを生成して低温変態組織を生成し難くなり、かえって強度靭性を低下させる場合があるため、その範囲を１．０〜１２．０％に限定した。ただし、Ｃｒは液相拡散接合のために適用する箔中にＰが含有される場合、容易にＣｒ燐化物、Ｃｒ２Ｐを生成するため、添加範囲上減は低く抑制する必要があり、好ましくは１．０〜９．５％である。また、Ｍｏは、その添加量が０．１％未満では十分な焼き入れ性を発揮することができず、２．０％を超えて添加すると、液相拡散接合の拡散原子であるＢおよびＰと硼化物あるいは燐化物を生成し、継手の靭性を劣化させる場合があることから、その範囲を０．１〜２．０％に限定した。しかしながら液相拡散接合用合金箔中のＢが高い場合にはＭｏ硼化物の生成が粒界に発生する可能性が完全には払拭できない場合があるため、元来箔中のＢ含有量に応じたＭｏ添加量を制限すべきであるが、Ｂ添加量は液相拡散接合現象を決定する因子であるため、工業的な管理範囲として考える場合には０．１〜１．１％が好ましい。
Ｖは、微細な炭化物を析出して材料の強度を高めるが、０．０１％未満ではその効果は小さい。一方、１．０％を超えると、炭化物が粗大化して靭性低下を来すことから、その上限を１．０％とした。Ｖの添加は強度向上に有効であるが、高価であるため、好ましくは０．０１％〜０．５％である。
Ｂは、微量で鋼の焼き入れ性を高めるのに極めて効果があるが、その添加量が０．０００３％未満では焼き入れ性向上効果は小さい。一方、０．０１％を超えて添加すると、炭硼化物を形成して、かえって焼き入れ性を低下することになるので、Ｂの範囲は０．０００３〜０．０１％に限定した。一方でＢは粒界偏析が著しく、接合後の冷却条件によっては粒界のみに限って脆化を招く場合があるため、その添加量は０．０００３〜０．００５％が好ましい。
ＴｉはＢよりもＮと結合する力が強く、Ｂより優先的にＮと結合する。したがって、Ｔｉは焼き入れ性に有効な固溶Ｂを確保するに重要な元素であるが、０．０１％未満ではその効果は小さい。一方、０．０５％を超えて添加してもその効果は飽和するのみならず、粗大なＴｉ系炭窒化物が多数析出して靭性を低下させることになる。したがって、Ｔｉは、０．０１〜０．０５％に限定する必要がある。なお、Ｔｉも硼化物を形成する元素であるため、点か上限値は可能であれば低く抑制すべきであり、好ましくは０．０１〜０．０３％である。
Ｎは、ＴｉＮなどの窒化物を析出して結晶粒を微細化し鋼の靭性を高めるのに有効であるが、０．００１％未満ではその効果は小さい。また、０．０１％を超えるとＮを固定するためのＴｉを多量添加する必要が生じてコスト高になるので、Ｎは０．００１〜０．０１％に限定した。なお、通常の製鋼工程でＮを安定的に０．００８％以上添加することは工程上のコストが上昇するため、好ましくは０．００１〜０．００８％である。
なお、本発明鋼のような高強度鋼で靭性を高めるには、粒界への不純物濃化は極力回避する必要があり、ＰおよびＳは、この目的のためにそれぞれ０．０３％以下および０．０１％以下に制限した。また、鋼を清浄なものとして高い靭性を確保するために、Ｏは０．０１％以下に制限されなければならない。さらに、靱性の向上を確実に達成するために、粒界偏析元素であるＡｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｚｎの総和を０．０１５％以下に制限する必要がある。
以上の基本的な化学成分の制限に加えて、コモンレール用の鋼材として要求される、高圧下での繰り返し疲労強度を得るため、鋼材の強度が６００ＭＰａ以上であり、同時に靱性にも優れ、さらに非調質で疲労耐久性を獲得すべく、以下の（３）式による液相拡散接合継手専用の継手焼き入れ指標ＨＴＬ値が８以上となる鋼材を用いる事が、非常に有効である。
ＨＴＬ＝３．１×（Ｃｒ％）＋１．２×（Ｎｉ％＋Ｃｏ％＋Ｍｎ％）＋２×（Ｍｏ％＋Ｗ％）＋０．８×（Ｎｂ％＋Ｚｒ％＋Ｖ％＋Ｔｉ％＋Ｔａ％＋Ｈｆ％）＋２．７×（Ｃ％＋Ｎ％）＋１５００×（Ｂ％）      （３）
（３）式の係数、結合方式を決定するにあたっては、請求項１に記載の化学成分を有する鋼材において、一般に適用される鋼材の焼入れ性指標ＤＩ値の式（各元素の質量％に実験的係数を乗じ、それらの線形結合式に炭素の平方根を乗じることで、理想臨界焼入れ直径、すなわち鋼材を一定の冷却速度で冷却した際にマルテンサイト組織となる丸棒試験片の表面からの距離を推定する式）の係数を参照し、加えて各元素が冷却時に鋼材強度をどの程度向上させるかを相対的に比較して取り込む目的で、Ｃｒ等量式を同時に参照して、小数点以下１桁の係数として、フェライト安定化元素のＣｒに関しては３．１、オーステナイト安定化元素のＮｉ，Ｃｏ，Ｍｎは１．２、Ｍｏ，Ｗは２．０、Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｈｆ等の未再結晶温度低下元素に関しては０．８、侵入型固溶元素で、γ→α変態時に鉄の格子間に存在して組成的過冷却を促進するＣとＮは２．７、Ｂは粒界からの核発生を著しく抑制して焼入れ性を高めることから、溶接金属の炭素等量の式と実験的回帰により１５００という相対的に大きな値をそれぞれ係数として概略決定してＨＴＬ値を決定した。これらの係数はしたがって、多種の焼き入れ性向上元素の強度向上への効果を、発明者らが従来技術を参照して独自に実験的回帰を伴って初めて決定したものであり、従来の技術の単純な転写ではなく、本発明における独自の評価式を決定する重要な要素である。
前記のごとく決定したＨＴＬ値は本発明にのみ適用可能な値であるため、ＨＴＬ値がどの程度の値であれば鋼材の強度、特に液相拡散接合で形成される継手の強度を６００ＭＰａ以上とすることができるかを決定するために、以下の実験および解析を実施した。
実験室規模真空溶解、あるいは実機鋼板製造設備において、１００ｋｇ，３００ｋｇ，２ｔｏｎ，１０ｔｏｎ，１００ｔｏｎ，３００ｔｏｎの真空溶解、あるいは通常の高炉−転炉−炉外精錬−脱ガス／量元素添加−連続鋳造−熱間圧延によって製造した、本発明の請求項１〜４に記載の化学成分範囲の鋼材を、圧延方向と平行な方向から直径１０ｍｍで長さ５０ｍｍの簡易小型試験片に加工し、その端面をＲｍａｘ＜１００μｍ（９ｍｍ長さを測定）に研削加工して脱脂洗浄し、その端面を２つ突き合わせて接合試験片対となし、１５０ｋＷの出力を有する高周波誘導加熱装置を備えた引張／圧縮試験機を用い、接合面間には液相拡散接合を１０００〜１３００℃において実現可能なＮｉ基−Ｂ系（特開平２−１５１３７７号公報及び特開２００８−１１９７４４号公報参照）、Ｆｅ基−Ｂ系（特開２００８−１１９７４４号公報参照）、Ｎｉ基−Ｐ系（特開平７−２７６０６６号公報参照）、Ｆｅ基−Ｐ系（特開平９−３２３１７５号公報参照）または、Ｎｉ基あるいはＦｅ基にＰとＢを含有する系（特開２００４−１１４１５７号公報参照）の、体積分率で５０％以上が非晶質である厚み２０〜５０μｍのアモルファス箔を介在させ、必要な接合温度まで試験片全体を加熱し、１分から６０分の間、２〜２０ＭＰａの応力下で液相拡散接合し、接合後放冷した。冷却速度は設備と試験片形状によって変化し、０．０１℃／ｓから１０℃／ｓまで変化した。
得られた丸棒接合試験からは平行部直径６ｍｍの丸棒引張り試験片を採取し、角棒接合試験片からは１０ｍｍ角のＪＩＳ４号衝撃試験片を採取した。接合部は丸棒試験片では平行部中央に、引張り方向と垂直に位置し、シャルピー試験片では接合部中央に２ｍｍＶノッチの切り欠きが位置するように試験片を採取した。その後ＪＩＳ  Ｚ２２４１に記載の方法で材料の引張り強さを測定し、上述のＨＴＬ値の関係を調べた。結果を図５に示す。ＨＴＬ値が８以上でなければ、液相拡散接合継手の引張り強さは６００ＭＰａを超えない。なお、この場合の破断位置は、ＨＴＬ値が８以上では全て母材、８未満では全て接合部であった。また、ＪＩＳ  Ｚ２２０１に準拠して実施したシャルピー試験の結果得られた継手の吸収エネルギーとＨＴＬ値の関係を図６に示す。靱性を良好（０℃において４７Ｊ以上）に保つためには、同様にＨＴＬ値を８以上とする必要がある。すなわち、本発明で定義したＨＴＬ値が８以上であれば、強度と靱性に優れた液相拡散接合継手を形成することが可能であることを確認した。なお、このＨＴＬ値が８以上で本発明の液相拡散接合継手は強度と靱性を同時に目標値以上とすることが可能であるが、高いほど良く、工業生産におけるばらつきを考慮して、さらに好ましくは１０以上である。
本発明のコモンレールの製造方法では、上で説明してきた成分を有する鋼材で作製したコモンレール本体と円筒形のホルダーを液相拡散接合により溶接した後、疲労強度が問題となるコモンレール本体にある分岐穴のレール穴側開口部周辺に対し、レーザピーニング処理を施し圧縮応力を導入した後、さらにその開口部周辺の材料を電解研磨等により除去する。
図４は、コモンレール１において強化すべき分岐穴６の開口周辺部の断面の拡大図である。本発明の部分強化法の第一の実施形態では、分岐穴６の貫通加工後、図４中の角ｅｇｆがほぼ垂直に残っている状態で、同図中線分ｇ１ｇで示した付近の領域にレーザピーニング処理を施した後に、開口周辺部付近にある材料を除去することで、疲労強度を高める。なお本願において分岐穴開口周辺部とは、レール穴内面２２において各分岐穴の中心からの距離が分岐穴の直径の５倍以内となる領域と、分岐穴内面２１においてレール穴内面開口部からの距離がレール穴直径の０．３倍以内となる領域と、それらに挟まれた分岐穴とレール穴の接続面２３の事を言う。
まず、レーザピーニング処理方法について説明する。レーザピーニング処理には、（ｉ）高いピークパワー密度を持つレーザビームと、（ｉｉ）照射表面近傍に水等の透明媒体を設置すること、が必要となる。（ｉ）については、照射表面におけるピークパワー密度を１〜１００ＴＷ／ｍ２とする。このピークパワー密度を得るために、レーザ装置は、パルス時間幅が１０ｐｓ〜１００ｎｓ程度、パルスエネルギーが０．１ｍＪ〜１００Ｊ程度で間欠的に発振するパルスレーザを用いる。このようなレーザ装置としては例えばＮｄ：ＹＡＧレーザが挙げられるが、上記条件（ｉ）を満たすレーザ装置であれば良い。上記（ｉ）および（ｉｉ）の条件が満たされると、高いピークパワー密度をもつパルスレーザビームの照射により発生したプラズマが、照射表面の近傍に存在する水等の透明媒体により膨張が抑えられ、プラズマの圧力が高められる。高圧となったプラズマの反力によって、照射点近傍に塑性変形を与え、残留圧縮応力を付与することができる。
ここで、本発明の製造方法により疲労強度が向上する理由について説明するために、レーザピーニング処理による応力導入特性について述べておく。図７は、引張強度が１０００ＭＰａの鋼材を用いて作製した平板形状の試験片に対してレーザピーニング処理を行ない、Ｘ線残留応力測定装置を用いて残留応力の深さ方向分布を測定した結果を示す。深さ方向の応力分布の測定は、電解研磨により逐次鋼材を除去しながら行なった。レーザピーニング処理には、図８（平面図）及び図９（正面図）に示した装置を用い、水槽３５の中で水に浸漬した試験片３７に、レーザビーム発振装置３１からレーザビーム３２を照射した。レーザビームは、水中透過性の良いＮｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いた。レーザビーム３２は焦点距離１００ｍｍの凸レンズからなる集光レンズ３３で集光し、光学窓３４を介して試験片３７に照射される。試験片３７上でのビームスポットの形状は直径０．８ｍｍの円形とした。レーザのパルスエネルギーは２００ｍＪ、ピークパワー密度は４０ＴＷ／ｍ２とした。パルス時間幅は１０ｎｓ、パルス繰り返し周波数は３０Ｈｚであった。試験片３７の後方は、支持部３８，３９を介して、図９に示すように上下方向（ｂ方向）にスライド可能なガイド４０に取り付けられている。また、ガイド４０は、図８に示すように水平方向（ａ方向）にスライド可能なガイド４２に取り付けられた支持部４１に連結されている。試験片３７は、走査装置４３の制御により、ガイド４０，４２に沿って、ａｂ両方向に移動可能に設置される。パルスレーザのビームスポットの重畳方法を図１０に示す。処理域は５ｍｍ×１０ｍｍの矩形とした（図１０中でｊ１ｊ２＝５ｍｍ，ｊ２ｊ３＝１０ｍｍ）。同一点に対するパルスレーザビームの照射回数の平均値は２５回に設定し、同一走査領域Ｌｉ内の隣接するビームスポットの間隔と、隣接する走査領域（例えば図１０中のＬ１とＬ２）の中心線間の距離が等しくなるように処理した。また走査領域の形成は、図１０において「Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３→…」のように連続的に行なった。図７の測定結果を見ると、圧縮応力が深さ約０．６ｍｍまで導入されている。また、図１０に示した重畳方法のために、図１０中Ｙ方向の圧縮応力が選択的に強化される。
図７に示すように、Ｙ方向の残留応力は、深さ３０μｍにおいて−７８３ＭＰａとなり残留圧縮応力が最大となった。しかし、被加工材表面（深さ０ｍｍ）の残留応力は−６５６ＭＰａにとどまっており、表面の残留応力を十分に強化できているとは言えない。これは、サンプル表面にレーザビームを照射すると、照射スポット部表層近傍が溶融・再凝固するためである。
本発明の製造方法では、以上説明してきたレーザピーニング処理を施した後、その処理面を含む領域の材料を除去する。機械研磨等による材料の除去は、除去後の表面に引張応力を残留させ疲労特性に悪影響を与えることがあるため、除去する方法としては、電解研磨法や流体研磨法が望ましい。電解研磨法では、開口部周辺にエッチング液を設置し、多くの場合は球状の突起を押し付けながら通電することで、研磨が進む。また流体研磨では、研磨剤を含む液体をレール穴５および分岐穴６に通すことで研磨が行われる。これらの方法では、いずれも分岐穴６の軸を中心として同心円状に研磨が進む。この除去工程によって、レーザピーニング処理で溶融・再凝固し応力が引張側にシフトしている表層近傍部の除去が可能になると同時に、開口部周辺の形状の変化により応力集中係数が緩和され、実際の使用時の最大負荷応力は低減される。本発明者らは、これらの複合的な効果が疲労強度を大きく向上させることを見出した。
本発明の好ましい実施形態においては、レーザビームのパルスエネルギーを１ｍＪ〜１０Ｊの範囲とするが、これは以下の理由による。本発明の方法では、レーザピーニング処理した後、材料を表面から除去するため、レーザピーニング処理で圧縮応力が導入される深さが小さすぎると、除去後の新しい表面における残留圧縮応力が小さくなってしまう。圧縮応力が導入される深さはパルスエネルギーが小さくなるほど浅くなる。これは、被加工材表面から投入されたレーザパルスエネルギーの三次元的な拡散が、パルスエネルギーが小さくなるほど大きくなってしまうためである。この制約のため、本発明の方法では１ｍＪ以上のパルスエネルギーで処理することが好ましい。また、パルスエネルギーの上限については、コモンレールのレール管に通すことが可能なレーザビームのビーム断面積と光学素子の耐光強度を勘案し、１０Ｊ以下とすることが好ましい。
必要となるレーザピーニング処理領域および材料の除去領域は、内圧変動負荷時の分岐穴開口周辺部の引張応力分布や、応力集中をどの程度緩和するかといった部品の設計思想に依存する。引張応力分布は、鋼材の強度、使用圧力、レール穴の直径ｄ１、分岐穴の直径ｄ２、等に依存する。この分布は有限要素法計算等に基づいて見積もることが可能であるが、以下では処理領域の一般的な指針を説明する。
レーザ処理後に除去工程を経た後、実際の使用時の内圧変動負荷に伴う分岐穴開口周辺部の引張応力の最大値は、分岐穴６の軸を含みレール穴５の長手方向に沿った断面上において、分岐穴内面と除去加工が施された面の接続部付近で生じ、その主応力方向はレール穴５の周方向である。疲労強度向上のためには、以下の式（１）で表わされる、この最大値を取る点を含む領域に対して高い圧縮応力が導入されていることが望ましい。
分岐穴の中心からの距離≦分岐穴の直径×０．６
分岐穴の中心へ線分を引いたときの該線分とレール穴の長手方向のなす角≦±１０°    （１）
従って、レール穴５の内面２２のレーザ処理領域は、この式（１）で表わされる領域を含むように取ることが望ましい。
また、疲労強度を最大化するためには、使用時の繰り返し負荷応力が最大となる部分の主応力方向であるレール穴５の周方向の圧縮応力を最大化することが求められる。このために効果的なビームスポットの重畳照射方法を図１５に示す。このように、分岐穴６の中心軸を含む平面内でビームスポットを走査し、該ビームスポットの走査を分岐穴６の周方向に位置をずらしながら複数回行う。これは、図１０に示した方法で処理すれば、図７に示すように、図１０中のＹ方向の応力が選択的に強化される事実を応用したものである。なお、走査方向は、分岐穴６の中心軸を含む平面内に限らずとも良い。例えば、図１６に示すように、レール穴５の長手方向と分岐穴６の長手方向を含む平面内でビームスポットを走査し、該ビームスポットの走査をレール穴５の周方向に位置をずらしながら複数回行う方法でも、同じ効果を得られる。
また、レーザ照射によって溶融・再凝固し応力が引張側にシフトしている表面を無くすことを目的に行われる材料の除去についても、上記式（１）で表わされる領域を含むようにすることが望ましい。
次に、材料の除去工程において、除去する厚みについて述べる。本願では以下のように、除去後の面上各点に対し除去厚みを定義する。除去後の面上のある点における除去厚みは、考えている除去後の面上の点からの距離が最小となる点を除去前の面上から選び出し、その最小値として定義する。図１２の分岐穴断面図を例として説明する。図中、点線で示す曲線ｅｊｆが除去前の線、ｅからｋ１、ｋ２を経てｆに至る曲線が除去後の線である。上述の定義によると、除去後の線ｋ１点における除去厚みはｔ１で表され、ｋ２点における除去厚みはｔ２で表される。ここでは２次元的な断面図を例に採って説明したが、実際の除去厚みは、図１２で考えた除去前後の線を、それぞれ面として三次元的に捉えることで定義される。
レーザピーニング処理領域内の除去厚みは以下の範囲にするのが効果的である。まず、レーザ照射によって溶融・再凝固し応力が引張側にシフトしている表面近傍を除去するために、除去後表面の各点における除去厚みは０．０１ｍｍ以上とする。一方で、図７に示したように、レーザピーニングで導入される圧縮応力は表面からの深さが大きくなるに従って減少する傾向にある。例えば図７のＹ方向応力の深さ分布からは、表面から深さ０．１ｍｍ程度以上まで材料を除去すると、除去後の表面応力が除去前と比較してむしろ小さくなってしまうことが予想される。パルスエネルギー（図７の条件では２００ｍＪ）を大きくすることで深さ方向への圧縮応力の減衰は緩和できる。すなわち、パルスエネルギーを大きくすることでより大きな除去厚みを得ることも可能であるが、除去厚みは０．３ｍｍ程度以下としておくのが効果的である。
材料の除去により、レーザ照射によって溶融・再凝固し応力が引張側にシフトしている表面近傍を除去する効果のみならず、開口部周辺の形状の変化による応力集中係数が緩和される効果も得られる。疲労強度を向上させるには、使用時の内圧変動負荷に伴う分岐穴開口周辺部の引張応力が最大となる部分において応力集中が生じないよう、滑らかな除去面となる事が必要である。この観点から、分岐穴の中心軸を含みレール穴の長手方向に沿った断面における分岐穴の開口部周辺部における形状線の曲率が、（２）式を満足する領域の各点において、１５μｍ以上となることが望ましい。
分岐穴の直径×０．５≦分岐穴の中心からの距離≦分岐穴の直径×０．６    （２）
図２１にこの曲率の定義を示す。
以上においては、図４中レール穴５の内面２２からのみレーザ照射を行う方法について説明してきたが、疲労強度を高めるためには、分岐穴６（直径：ｄ２）の内面２１とレール穴５の内面２２の双方から行う形態も効果的である。以下でこの理由について説明する。レーザピーニング処理では、図７に示したように、深さ方向に進むに従って、付与される圧縮応力の絶対値は小さくなっていく。したがって、レール穴５の内面２２のみに処理する場合、レール穴５の内面２２から遠ざかる内部、例えば図４中のｇ２点では、圧縮応力の絶対値は表層よりも小さくなることがある。一方で、開口周辺部の材料を除去後、実際の使用時の繰り返し負荷応力は、このｇ２点付近で最大になることが多い。分岐穴６の内面２１とレール穴５の内面２２の双方からレーザピーニング処理を行っておけば、それぞれの面の処理によって導入される圧縮応力が加算され、ｇ２点の圧縮応力の絶対値を引き上げることが可能となり、より高い疲労強度が実現される。
分岐穴６の内面２１にもレーザ処理する場合、処理範囲の深さｈは、レール穴内面２２と分岐穴内面２１とが交わることで形成される円を高さの基準として、レール穴直径ｄ１の２０％程度とすれば十分である。ただし、分岐穴内面２１の深い部分まで処理するためには、分岐穴内面２１に対するレーザビームの入射角度を大きくする必要がある。同じピークパワーを持つレーザビームであっても、入射角度が大きくなるにつれて照射点におけるピークパワー密度は減少する。このため，直径ｄ２が小さい場合は、深さｈが適切なピークパワー密度にて照射できる限界に支配されることが多い。
一方で、レール穴５の内面２２からのみ行う照射方法は、分岐穴６の内面２１を処理するために必要なミラーのあおり機構等が不要となるため、装置を簡略化できるという利点を持つ。
本発明の別の実施形態では、分岐穴６の貫通加工後、分岐穴６の開口周辺部を研磨または機械加工により所定量だけ面取り加工した後、該開口周辺部にレーザピーニング処理を施し、さらに該開口周辺部にある材料を除去することで、開口周辺部の疲労強度が高められたコモンレールを得る。これは、主に応力集中係数を大きく緩和する目的で、分岐穴６の貫通加工時点から最終加工形状に至るまでの除去厚みを大きくする部品設計を採る場合に特に有効である。図１３は本実施形態の一例を示す模式図である。図中に点線で示す角ｅｇｆが貫通加工時点の断面、一点鎖線が面取り加工後の断面、そしてｅからｋ３，ｋ４を経てｆに至る曲線がレーザピーニング処理後、さらに材料の除去を施した後に得られる最終加工形状である。同図中、ｔ１やｔ２で示される貫通加工時点から最終加工形状に至るまでの除去厚みが０．３ｍｍを越えるような場合に対して、上述した第一の実施形態を適用すると、図中に点線で示す角ｅｇｆの表面からレーザピーニング処理を施し、その後、材料の除去によって最終加工形状（図１３中曲線ｅｋ３ｋ４ｆ）を得ることになる。この場合、材料の除去厚みが０．３ｍｍを越えるため、上述したように、材料を除去した後に得られる最終加工形状の表面における残留圧縮応力が小さくなってしまう。一方、ここで説明した実施形態によると、図１３中一点鎖線で示される断面まで面取り加工した後にレーザピーニング処理を施すため、レーザピーニング処理後の材料の除去厚みを小さく抑えることができる。したがって、最終加工形状（図１３中曲線ｅｋ３ｋ４ｆ）の表面においても大きな圧縮応力を得られるという利点がある。
レーザピーニング処理前に実施する面取り加工は、実際の使用時の内圧変動負荷に伴う分岐穴開口周辺部にかかる引張応力の応力集中係数を緩和する目的で行われるものであるから、その応力が最大値となる付近の領域、すなわち上述の式（１）で表わされる領域を含むように行われることが効果的である。面取り加工後、分岐穴６開口周辺部の応力集中は緩和されるが、応力分布の最大値は依然として、分岐穴６の軸を含みレール穴５の長手方向に沿った断面上において、分岐穴内面と除去加工が施された面の接続部付近で生じる。よって、その後行われる分岐穴開口部周辺のレーザ処理領域、およびレーザ照射によって溶融・再凝固し応力が引張側にシフトしている表面を無くすことを目的に行われる材料の除去についても、上述の式（１）で表わされる領域を含むようにすることが望ましい。
また、除去する厚みは、レーザ処理領域において０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。材料の除去による除去後表面の圧縮応力の低下を抑えるという観点からは、レーザピーニング処理前に行う面取り加工で最終加工形状の近くまで加工しておくことにより、レーザピーニング処理後の除去厚みを０．１ｍｍ以下に小さく抑えるのが特に好ましい範囲である。
コモンレールは、多くの場合、高強度の鋼で作られる。そこで、レーザビーム照射表面に設置する透明液体は、アルコール（メチルアルコールまたはエチルアルコール）等、鋼を錆びさせる性質を持たない液体、もしくは、水にメチルアルコール及びエチルアルコールを任意の配分で混合した液体、純水、水道水もしくは、ミネラルウォーターのいずれかに、水に防錆剤が入っている液体とし、コモンレールが錆びないようにする実施形態が好ましい。防腐剤については、市販のもので問題ないが、液体に着色させないものが好ましい。この様にして、元々強度が６００ＭＰａ超級の鋼材を、工程コストの低い液相拡散接合で組立て、高強度材で不可避の介在物起点疲労破壊を根絶するには、内圧負荷時に最大主応力の印可される分岐穴周りにレーザピーニングを施すことで、初めて２０００気圧以上の超高圧に余裕をもって耐久可能な安価なコモンレールの提供が可能となり、この点が本発明の最大の特徴となっている。
なお、本発明では、第一の発明に記載の鋼であれば、第二〜第四の発明に記載の通り、Ｎｉ：０．０１〜９．０％，Ｃｏ：０．０１〜５．０％，Ｃｕ：０．０１〜５．０％，Ｗ：０．０１〜２．０％のうち少なくとも１種以上、または、Ｚｒ：０．００１〜０．０５％，Ｎｂ：０．００１〜０．０５％，Ｔａ：０．００１〜０．２％，Ｈｆ：０．００１〜０．２％のうち少なくとも１種以上、あるいは、さらにＣａ：０．０００５〜０．００５％，Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％，Ｂａ：０．０００５〜０．００５％等の硫化物形態制御用元素、および、Ｙ：０．００１〜０．０５％，Ｃｅ：０．００１〜０．０５％，Ｌａ：０．００１〜０．０５％等の希土類元素のうち少なくとも１種以上を含有しても良い。
これらの合金成分は、以下の理由から添加範囲を制限してある。Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕはいずれもγ安定化元素であって、鋼材の変態点を下げて低温変態を促すことで焼き入れ性を向上させる元素である。ＨＴＬ値を向上させるためには有用な元素であり、それぞれ０．０１％以上の添加で効果が得られ、Ｎｉは９．０％、ＣｏとＣｕはそれぞれ５．０％を超えて添加すると残留γが増加して鋼材の靱性に影響を及ぼすことから、その添加範囲をＮｉは０．０１〜９．０％、ＣｏとＣｕについてはそれぞれ０．０１〜５．０％に限定した。ただし、何れも高価な元素であって、工業生産の観点からはＮｉは０．０１〜５．０％、ＣｏとＣｕは０．０１〜１．０％が好ましい。
Ｗはα安定化元素であるが、０．０１％添加で効果が認められ、２％を超えて添加すると、液相拡散接合の拡散原子であるＢおよびＰと硼化物あるいは燐化物を生成し、継手の靱性を劣化させる場合があることから、添加上限を２．０％に制限した。ただし、粒界偏析を考慮する場合には、添加上限値は１．０％が好ましい。
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆは炭化物として微細に析出し、材料の強度を高める。何れも０．００１％の添加で効果があり、Ｚｒ、Ｎｂは０．０５％で、またＴａとＨｆは０．２％の添加で炭化物が粗大化して靱性低下を来すことから、それぞれ上限を決定した。これらの添加元素上限値は、粒界における硼化物または燐化物生成を極度に嫌う場合には、ＮｂとＺｒについては０．０３５％が、ＴａとＨｆについては０．１％が好ましい。
加えて、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａ等の硫化物形態制御元素およびＹ、Ｃｅ、Ｌａ等の希土類元素は、全て鋼中の不純物であるＳとの親和力が高く、鋼材の靱性に影響するＭｎＳの生成を抑制する効果がある。従って、これらが有効となる濃度、すなわちＣａ、Ｍｇ、Ｂａは０．０００５％、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａは原子量が大きいことから０．００１％の添加が必要であって、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａは０．００５％以上の添加で粗大酸化物となって靱性を低下させること、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａは０．０５％の添加で同様に粗大酸化物が生成することから、その上限を決定した。
各群は、適宜組み合わせて複合添加しても、また各元素を単独で添加しても良く、本発明の効果を妨げることなく、鋼材に各種特性を付与する。
なお、本発明の鋼材の製造工程は、通常の高炉−転炉による銑鋼一貫プロセスを適用するだけでなく、冷鉄源を使用した電炉製法、転炉製法も適用できる。さらに、連続鋳造工程を経ない場合でも、通常の鋳造、鍛造工程を経て製造することも可能であり、請求項に記載の化学成分範囲と式の制限を満足していれば良く、本発明技術に対する製造方法の拡大適用が可能である。また、製造する鋼材の形状は任意であって、適用する部材の形状に必要な成型技術において実施可能である。すなわち、鋼板、鋼管、棒鋼、線材、形鋼など、本発明技術の効果を広範囲に適用することが可能である。また、本鋼は溶接性にも優れており、液相拡散接合に適していることから、液相拡散接合継手を含む構造体であれば、一部に溶接を適用して、あるいは併用した構造体の製造は可能であり、本発明の効果を何ら妨げるものではない。
【実施例１】
【０００６】
以下では、本発明の効果を検証するためにコモンレールを試作し、内圧疲労試験を行った結果について説明する。
図１７に例示したコモンレールを、次のように試作した。まず、２３０ｍｍ長、４０ｍｍ幅、３０ｍｍ厚みのレール本体５１と、高さ２５ｍｍ、２４ｍｍ外径、厚み４ｍｍのホルダー５２を作成した。レール本体及びホルダーは、請求項１〜４に記載の化学成分範囲の鋼材を、実験室規模真空溶解、あるいは実機鋼板製造設備において、１００ｋｇ〜３００ｔｏｎの真空溶解、あるいは通常の高炉−転炉−炉外精錬−脱ガス／微量元素添加−連続鋳造−熱間圧延によって製造し、図１７に示す形状に加工、成型した。次に、レール本体には、▲１▼長手方向中心に内径１０ｍｍのレール管を加工し、▲２▼深さ４ｍｍ、幅７ｍｍのホルダー接合位置決定用のガイド溝を加工し、▲３▼ホルダーが接合される予定位置のホルダー中心軸上にレール管に向けて直径１ｍｍの分岐穴６を開けた（ｄ２＝１．０ｍｍ）。また、ホルダーには内径側へ最大ネジ山高さ２ｍｍの燃料分配のための分岐配管を取付るための加工を施した。次に、レール本体とホルダーの接合部の端面をＲｍａｘ＜１００μｍ（９ｍｍ長さを測定）に研削加工して脱脂洗浄し、その端面を２つ突き合わせて接合試験片対となし、１５０ｋＷの出力を有する高周波誘導加熱装置を備えた引張／圧縮試験機を用い、接合面間には、質量％で、Ｎｉ：４７．０％、Ｂ：１４．０％、Ｃ：２．０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる、体積分率で５０％以上が非晶質である厚み２５μｍのアモルファス箔を介在させ、１０８０℃の接合温度まで試験片全体を加熱し、１０分の間、２ＭＰａの応力下で液相拡散接合し、接合後放冷した。
条件の一部では、以下で説明するレーザピーニング処理の前に、レール本体５１の分岐穴６のレール管側の開口端部のエッジを取る面取り加工を施した。この面取り加工においては、球状の突起を押し付けながら通電しながら、分岐穴６の軸を中心として同心円状に研磨した。突起の径と電解研磨の時間を変えることで、図１８に示すように、面取りされる領域の幅ｐ１と深さｐ２を変えた。
レーザピーニング処理は、貫通穴６のレール管側の開口周辺部に対して行なった。図２２に、処理に用いたレーザ加工装置の照射ヘッド６１と、それがレール穴５に挿入された様子を図示する。照射ヘッド６１は、パイプ６２に集光用レンズ６３とミラー６４が取り付けられている。図２２に示す実施形態では、ミラー６４は円柱を斜めに切断した形状である所謂ロッド型のミラーとなっており、ミラー台座６５に接着されている。コモンレール１のレール穴５を導光されてきたレーザビーム５７は、集光レンズ６３で屈曲された後、ミラー６４によって反射され、集光点６６に至る。集光レンズ６３の両側には水が存在するので、十分な屈曲を得るために、レンズは屈折率が高い材質を用いることが好ましい。同時に、高いピークパワー密度を持つレーザビームに耐久性を持った材質が好ましく、本実施例ではサファイアを用いた。また、レーザビーム照射点から発生する金属微粒子やプラズマがミラー６４を汚染するのを防ぐために、パイプ６２に一対の切欠き部６８，６９と、パイプ６２の周囲にリング状のシール部材７０を設けることによって、パイプ６２内に、一方の切欠き部６８から他方の切欠き部６９へと水の流れを生成し、ミラー６４面の保護の役割をさせた。レーザビームとしては、水中透過性の良いＮｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）もしくはＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた。パルスレーザビームの時間幅はそれぞれ、１０ｎｓ，１ｎｓであった。レーザ処理は、パルスエネルギーとスポット直径を変えながら行った。Ｎｄ：ＹＡＧレーザはパルスエネルギー１０ｍＪ以上の処理に対して、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザはパルスエネルギー１０ｍＪ未満の処理に対して、それぞれ使用した。照射点でのスポットの形はほぼ円形であり、ピークパワー密度は５０ＴＷ／ｍ２とした。
レール穴周方向の圧縮応力を高めるため、図１５に示すように、分岐穴６の中心軸を含む平面内でビームスポットを走査し、該ビームスポットの走査を分岐穴６の周方向に位置をずらしながら複数回行う。に示すように、試験片５１の長手方向に垂直な平面内でビームスポットを走査し、該ビームスポットの走査を長手方向に位置をずらしながら複数回行なう方法で、パルスレーザビームを照射した。レーザ処理した領域は、式（３）で示される領域であり、ｐ３とｐ４を変えながら処理した。ｐ３とｐ４の定義と処理域を図１９中に斜線で示す。
分岐穴の中心からの距離≦分岐穴の直径（ｄ２）×ｐ３
分岐穴の中心へ線分を引いたときの該線分とレール穴の長手方向のなす角≦±ｐ４°    （３）
同一点に対するパルスレーザビームの照射回数の平均値は６．９回に設定した。
レーザピーニング処理後、電解研磨により材料の除去を行った。球状の突起を押し付けながら通電しながら、分岐穴６の軸を中心として同心円状に研磨した。突起の径と電解研磨の時間を変えることで、図２０に示すように、電解研磨する領域の幅ｐ５と除去厚みｐ６を変えた。除去厚みの定義は上述した通りである。さらに、分岐穴（ｄ２＝１．０ｍｍ）の中心軸を含みレール穴の長手方向に沿った断面上の前述（２）式を満足する領域における分岐穴の形状線の曲率の最大値Ｒｍを評価した。以上述べてきた本実施例における電解研磨後の開口部形状に関わるパラメータ（ｐ１，ｐ２，ｐ５，ｐ６，Ｒｍ）は、各水準の疲労試験にかけないコモンレールを、分岐穴の中心軸を含みレール穴の長手方向に沿った断面を切断・研磨加工により得た後、光学顕微鏡を用いて形状を観察する事により求めた。
以上の方法で製作したコモンレールを、別途加工して取り付けた固定用治具を介して内圧疲労試験装置にセットし、最大噴射圧力３００ＭＰａにて１５Ｈｚで１０００万回の内圧疲労試験を実施した。試験にあたっては、ホルダー上部の開口端を塞ぐネジをホルダー内径側に加工したネジ形状に合うよう選択して３ｔｏｎの最大トルクで締結し、実際のエンジンにおける使用環境を再現した。表１に疲労試験結果を示す。鋼材成分の条件を示す番号は表２に示す条件と対応している。表には、図１９のｍ１点におけるレール穴周方向の残留応力σＡを測定した結果も示す。尚、残留応力σＡは、各水準の疲労試験にかけないコモンレールから図１７に示すように、１つの分岐穴を含む一部分２４を切り出し、Ｘ線残留応力測定装置を用いて測定した。この切り出し加工においては、レーザピーニングにより導入された残留応力が変化しないように、分岐穴のレール穴側の開口部から離れた位置で切断した。切り出した大きさはレール穴長手方向の長さが４０ｍｍであり、また分岐穴の軸に垂直でレール穴の軸を含む平面で切断した。Ｘ線応力測定のビーム径は０．１ｍｍとした。
条件１２６は、レーザピーニング処理は施したが、その後研磨を施さない従来例である。条件番号１０６、１０８、１１１、１１４、１１６、１１９はレーザピーニング処理後研磨したが、条件が適切で無いために、従来例に対して有意な効果が見られない比較例であり、それ以外の条件が本発明例である。本発明の条件ではいずれも従来例に対し疲労強度向上が得られている。
条件１０６はパルスエネルギーが不足しているために、レーザピーニング処理で圧縮応力が導入される深さが小さく、電解研磨後のσＡが小さくなってしまったために疲労強度向上効果が小さかった例である。一方、パルスエネルギーが１ｍＪ以上となる条件１０１〜１０５ではいずれも疲労強度向上効果が得られている。
条件１０８と１１１はレーザ処理の領域が小さすぎたため、内圧疲労試験時の負荷が大きくなる領域における引張応力の低減効果が十分でなく、疲労強度向上効果が小さかった例である。一方で、条件１０８，
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１０°となる条件１０７，１０９，１１０ではいずれも疲労強度向上効果が得られている。
条件１１４は電解研磨の領域が小さすぎたため、内圧疲労試験時の負荷が大きくなる領域における応力集中係数の低減効果が十分でなく、疲労強度向上効果が小さかった例である。電解研磨はしたもののＲｍは条件１２６の従来例と大きな差がなかったことが判る。一方で
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となる条件１０３，１１２，１１３ではいずれも疲労強度向上効果が得られている。
条件１１６は電解研磨の厚みが０．４ｍｍと大きすぎたため、レーザピーニング処理で圧縮応力が導入された深さを除去した結果、電解研磨後のσＡが小さくなり、疲労強度向上効果が小さかった例である。
条件１１９は電解研磨の厚みが０．００５ｍｍと小さすぎたため、レーザ照射によって溶融・再凝固し応力が引張側にシフトしている表面を無くす効果が十分でなく、また、電解研磨による応力集中の緩和も十分でないために、疲労強度向上効果が小さかった例である。Ｒｍ，σＡともに、条件１２６の従来例と大きな差がなかったことが判る。
本発明によると、表面の圧縮応力が大きくなる効果とともに、形状変化による応力集中係数の緩和効果が複合的に作用し、従来技術に対して大きな疲労強度の向上が得られる。本試験の結果より、こ
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果的である事が判る。
なお、表３には本発明において適用する鋼材が第一の発明から第四の発明に記載の化学成分から逸脱した場合に、鋼材の液相拡散接合継手特性が、そもそも未達となるため、レーザピーニング処理を実施しても、鋼材自体、または液相拡散接合継手が内圧疲労の抵抗性を失ってしまう例を示した。レーザピーニング処理はいずれも表１に示す１２２番の条件で行った。５１番鋼はＣが過多となって液相拡散接合継手の靱性を獲得できなかった例（継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した）、５２番鋼はＳｉが、５３番鋼はＭｎが過多となって液相拡散接合継手においてＭｎＯ−ＳｉＯ２の複合酸化物を多量に生成し、継手の靱性が低下した結果、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、５４番鋼はＣｒが過多となってδフェライトが鋼材組織に多量に生成し、鋼材強度が低下して継手の強度もレーザピーニング処理した分岐穴開口部も疲労特性が低下した例、５５番鋼はＭｏが過多となって液相拡散接合継手に硼化物を多量に生成し、継手靱性が低下して、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、５６番鋼はＶが過多となり、接合継手で粗大Ｖ炭化物が生成して靱性が低下し、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、５７番鋼はＴｉ添加量が過剰となり、Ｔｉを含む炭窒化物が継手で多量に生成し、継手靱性が低下して継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、５８番鋼はＢ添加量が過多となって、Ｂを含む炭化物と硼化物が継手に生成し、靱性が低下した結果、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、５９番鋼、６０番鋼、６１番鋼はそれぞれＮｉ，Ｃｏ，Ｃｕ添加量が過多となって残留γが多量に生成し、接合継手の靱性が低下し、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、６２番鋼はＷ添加量が過多となって硼化物が継手に多量に生成し、靱性が低下して継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、６３〜６６番鋼はＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆがそれぞれ過多となり、何れもそれぞれの炭化物を接合継手に多く生成して靱性が低下し、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、６７〜６９番鋼はＣａ，Ｍｇ，Ｂａの添加量が過剰となり、それぞれの酸化物が生成し、接合継手の靱性が低下した結果、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、７０〜７２番鋼ではＹ，Ｃｅ，Ｌａの添加量が過剰となり、それぞれの酸化物が生成し、接合継手の靱性が低下した結果、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、７３番鋼はＡｓ＋Ｓｎ＋Ｓｂ＋Ｐｂ＋Ｚｎの添加量総和が０．０１５％を超え、粒界脆化を来したために、継手の靱性が低下し、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例、７４番鋼は化学成分こそ本発明鋼の範囲であるが、ＨＴＬ値が８を下回ったため、継手の強度と靱性が何れも低下し、継手の疲労特性がレーザピーニング処理した分岐穴開口部よりも低下した例である。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【産業上の利用可能性】
【０００７】
本発明によれば、拡散接合により６００ＭＰａ超級の鋼材であっても、母材を加工が容易な形状のブロック単位に分けて製造できるので、製造コストを安価にすることができる。また、コモンレールで疲労強度が問題となる分岐穴のレール穴側開口部周辺において、表面から高い圧縮応力が導入できると同時に、分岐穴開口部形状の改善により応力集中が緩和される結果、疲労強度を大きく向上させられる。この結果、安価な鋼材を使用して燃料の高圧噴射を行うことが可能なコモンレールシステムを構築できるので、排気ガスのクリーン化や燃費の向上が得られる。また、流体が通過する機械部品において径が極端に変化する部位や、管の端など、応力集中が発生しやすい部分の疲労強度を向上させるための製造方法として適用でき、産業上有用な効果を奏する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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