(57)【要約】【課題】材料強度が大きく、かつ疲労破壊が起こらない限界内圧が高くて疲労寿命が長く、信頼性の高い燃料噴射管用鋼管を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：0.12〜0.27％、Si：0.05〜0.40％およびMn：0.8〜2.0％を含有し、残部はFeおよびその他不純物からなり、不純物中のCaが0.001％以下、Ｐが0.02％以下、Ｓが0.01％以下であり、引張強度が500Ｎ／mm2以上の鋼管であって、少なくとも鋼管の内表面から20μｍまでの深さに存在する非金属介在物の最大径が20μｍ以下であることを特徴とする燃料噴射管用鋼管。この鋼管は、さらにCr：１％以下、Mo：１％以下、Ti： 0.04％以下、Nb：0.04％以下およびＶ：0.1％以下のうちの１種または２種以上を含有することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：0.12〜0.27％、Si：0.05〜0.40％およびMn：0.8〜2.0％を含有し、残部はFeおよびその他不純物からなり、不純物中のCaが0.001％以下、Ｐが0.02％以下、Ｓが0.01％以下であり、引張強度が500Ｎ／mm2以上の鋼管であって、少なくとも鋼管の内表面から20μｍまでの深さに存在する非金属介在物の最大径が20μｍ以下であることを特徴とする燃料噴射管用鋼管。
【請求項２】
Feの一部に代えて、Cr：１％以下、Mo：１％以下、Ti： 0.04％以下、Nb：0.04％以下およびＶ：0.1％以下のうちの１種または２種以上を含有する請求項１に記載の燃料噴射管用鋼管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に燃焼を噴射するために用いられる鋼管に係り、より詳しくは、ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料液滴を供給するための燃料噴射管用の鋼管に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来的なエネルギーの枯渇への対策として、省エネルギーを促す運動や資源のリサイクル運動およびこれらの目的を達成する技術の開発が盛んに行われている。特に近年は、世界的な取り組みとして地球の温暖化を防止するために燃料の燃焼に伴うＣＯ2の排出量を低減させることが強く求められている。
【０００３】
ＣＯ2の排出量の少ない内燃機関として、自動車などに用いられるディーゼルエンジンが挙げられる。しかし、ディーゼルエンジンには、ＣＯ2の排出量が少ない反面、黒煙が発生するという問題がある。黒煙は、噴射された燃料に対し酸素が不足した場合に発生する。すなわち、燃料が部分的に熱分解されることにより脱水素反応が起こり、黒煙の前駆物質が生成して、この前駆物質が再び熱分解し、凝集・合体するにより黒煙となる。こうして発生した黒煙は大気汚染を引き起こし、人体に悪影響を及ぼす。
【０００４】
上記の黒煙は、ディーゼルエンジンの燃焼室への燃料の噴射圧を高めることにより、その発生量を低減することができる。しかし、そのためには、燃料噴射に用いる鋼管には高い疲労強度が求められる。このような燃料噴射に用いる鋼管を得る製造方法については、以下のような発明が開示されている。
【０００５】
特許文献１には、熱間圧延したシームレス鋼管素材の内面をショットブラスト処理により、研削・研磨を行った後に、冷間引抜き加工を行うディーゼルエンジンの燃料噴射に用いる鋼管の製造方法が開示されている。この製造方法を採用すれば、鋼管内面の疵（凹凸、ヘゲ、微細クラックなど）の深さを0.10ｍｍ以下にできるので、燃料噴射に用いる鋼管の高強度化が図れるという。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−５７３２９号公報
【０００７】
上述の特許文献１に開示された方法で製造された燃料噴射に用いる鋼管は、高い強度を持つものの、その鋼管材料の強度に見合った疲労寿命を得ることができない。鋼管材料の強度が高くなれば、当然に、鋼管の内側にかかる圧力を高くすることができるが、鋼管の内側に圧力を加えた場合に鋼管内面に疲労による破壊の発生することがない限界となる内圧（以下、「限界内圧」という）は、鋼管材料の強度のみには依存しない。すなわち、鋼管材料の強度を大きくしても期待以上の限界内圧は得られない。最終製品の信頼性などを考慮に入れると、疲労寿命は長いほど好ましいが、前記の限界内圧が低ければ、高い内圧による使用によって鋼管が疲労しやすいため疲労寿命も短くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、材料強度を高めるとともに、高い限界内圧を確保することにより、疲労寿命の延長を図り、信頼性の高い燃料噴射管用鋼管を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上述の課題を解決するため、鋼管材料の引張強度と鋼管の限界内圧との関係について詳細に調査した。まず、材料の組成を変化させて、引張強度が異なる鋼管を複数用意し、引張試験と限界内圧との関係を調べた。そして、限界内圧を調べる際に得られた疲労破壊した鋼管についても、その破損部を調査した。
【００１０】
上記の調査結果から、鋼管材料の引張強度が500Ｎ／ｍｍ2未満の場合であって、ほぼ同じ引張強度を有する材料からなる鋼管では、限界内圧が異なっていても、同じ破損形態を取るのに対し、鋼管材料の引張強度が500Ｎ／ｍｍ2以上の場合にあっては、ほぼ同じ引張強度を有する材料からなる鋼管であっても、限界内圧の大小によって、破損形態が違っていることを知見した。
【００１１】
すなわち、鋼管材料の引張強度が500Ｎ／ｍｍ2以上の場合、限界内圧が比較的大きい鋼管は、引張強度が500Ｎ／ｍｍ2未満の場合と同じような破損形態を取るが、限界内圧が比較的小さい鋼管では内表面付近に存在する介在物を起点として破壊が起こっているので、この介在物の発生を抑制すれば、限界内圧を高めることができる。
【００１２】
本発明は、上述の知見を基にして完成に到ったものであり、その要旨は下記（１）に記載の燃料噴射管用鋼管にある。
【００１３】
（１）質量％で、Ｃ：0.12〜0.27％、Si：0.05〜0.40％およびMn：0.8〜2.0％を含有し、残部はFeおよびその他不純物からなり、不純物中のCaが0.001％以下、Ｐが0.02％以下、Ｓが0.01％以下であり、引張強度が500Ｎ／mm2以上の鋼管であって、少なくとも鋼管の内表面から20μｍまでの深さに存在する非金属介在物の最大径が20μｍ以下であることを特徴とする燃料噴射管用鋼管。
【００１４】
上記（１）の燃料噴射管用鋼管は、Feの一部に代えて、Cr：１％以下、Mo：１％以下、Ti： 0.04％以下、Nb：0.04％以下およびＶ：0.1％以下のうちの１種または２種以上を含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の鋼管は、例えば、ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を供給するといった用途に用いるのに好適である。この鋼管を使用すれば、燃焼室への燃料の噴射圧をより高くすることができるので、ＣＯ2の排出を減少させながら黒煙の排出量も低減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の燃料噴射管用鋼管とは、燃料を噴射することによる圧力をその内面に繰り返し受ける鋼管のことをいう。鋼管内面には、短時間に極めて高い圧力がかかる場合や、常時高い圧力が作用し、かつ、この圧力が変動する場合がある。したがって、その衝撃による材料の疲労は極めて大きい。本発明の燃料噴射管用鋼管は、このような用途にも十分耐え得る疲労特性を有する。
【００１７】
本発明の燃料噴射管用鋼管が用いられる例として、蓄圧式燃料噴射システムを採用したディーゼルエンジンにおける燃料ポンプからコモンレール間、コモンレールから噴射ノズル間に配管されて燃料を導く鋼管が挙げられる。
【００１８】
ディーゼルエンジンでは、前述のように黒煙の発生を抑えるため、燃料噴射は極めて高い圧力で行う必要があり、燃料噴射管用鋼管の内面はその圧力に耐えられるものでなければならない。本発明の鋼管は、高い内圧がかかるディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射管用鋼管として開発されたものであるが、直接噴射型ガソリンエンジンなどの燃料噴射用鋼管などにも使用することができることはいうまでもない。
【００１９】
本発明の燃料噴射管用鋼管は、その鋼管材料の引張強度が500Ｎ／ｍｍ2以上であることが必要である。前述のように、燃料噴射管用鋼管には高い内圧がかかるため、鋼管材料は、一定以上の引張強度を有していなければならない。本発明の燃料噴射管用鋼管の引張強度を500Ｎ／ｍｍ2以上と規定したのは、この値が高圧化した燃料によって鋼管の内側にかかる圧力に十分耐えうる引張強度であるとともに、500Ｎ／ｍｍ2の引張強度を境に疲労破壊の破損形態が異なるからである。
【００２０】
上記の破損形態については、後述する実施例の欄で具体例を挙げて詳述するが、引張強度が500Ｎ／ｍｍ2以上では、引張強度がほぼ同等のとき、破損形態によって限界内圧の大小が決定される。破損形態が介在物を起点にするものである場合には、限界内圧は引張強度に比して大きくならない。本発明では、他の要件を満たすことで限界内圧を引張強度に比して大きくすることができる。
【００２１】
本発明の燃料噴射管用鋼管は、鋼管の内表面付近に存在する非金属介在物の最大径が20μｍ以下であることが必要である。非金属介在物とは、JIS G0202の「鉄鋼用語」の中の3131に定義される介在物である。非金属介在物の析出は、鋼管の組成や製造方法によって決定されるが、その析出の有無は、JIS G 0555に規定される鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法に沿って、鋼管断面を切り出して研磨した後、光学顕微鏡で研磨面を観察することで確認できる。
【００２２】
そして、本発明の燃料噴射管用鋼管では、多数析出する非金属介在物のうち、大きい非金属介在物の直径、すなわち最大径が20μｍ以下でなければならない。非金属介在物の最大径が20μｍを超えると、疲労破壊の形態が変わり、その最大径が20μｍを超える非金属介在物が疲労破壊の起点となり、疲労強度、即ち、限界内圧が低下するからである。
【００２３】
非金属介在物は必ずしも球状で存在しているとは限らない。そのため、非金属介在物の最大径は、介在物の長径相当長さをＬ、短径相当長さをＳとして、最大径＝（Ｌ＋Ｓ）／２と定義する。また、非金属介在物の最大径は、少なくとも高い圧力のかかる鋼管の内表面から20μｍまでの深さで、その最大径が20μｍ以下であればよく、それ以外の部分では非金属介在物の最大径が20μｍを超えていても疲労破壊の起点にはならない。
【００２４】
Ａ系介在物の最大径を小さくするには、鋼管に含まれるＳを0.01質量％以下にすればよい。Ｂ系介在物の最大径を小さくするには、鋳込み時の鋳片の断面積を大きくすればよい。鋳込み後、凝固するまでの間に大きな介在物は浮上するからである。鋳込み時の鋳片の断面積は200,000ｍｍ2以上であることが望ましい。
【００２５】
Ｃ系介在物の最大径を小さくするには、鋼管に含まれるCa含有量を低減させればよい。そのために、本発明の燃料噴射用鋼管に含まれるCaは、0.001質量％以下とする。CaにはＣ系介在物を凝集させる作用があるので、Ca含有量を制限することでＣ系介在物が大きくならないようにすることができ、Ｃ系介在物の悪影響を回避することができる。
【００２６】
なお、Ａ系、Ｂ系、Ｃ系のいずれの系であるかを問わず、鋳造速度を遅くすることにより、軽い非金属介在物をスラグとして浮上させて鋼中の非金属介在物そのものを減少させることができる。
【００２７】
本発明の燃料噴射管用鋼管は、Ｃ、SiおよびMnを含有する。以下に、本発明の燃料噴射管用鋼管に含有されるこれらの元素の作用および含有量の限定理由について説明する。なお、含有量についての％は、すべて質量％を意味する。
【００２８】
Ｃ：0.12〜0.27％
Ｃは、鋼管材料の強度を向上させるために含有させることが好ましい。強度を向上させるには、Ｃ含有量を0.12％以上とすることが必要である。しかし、Ｃ含有量が0.27％を超えると、加工性が低下し、鋼管に成形することが困難になる。Ｃ含有量は0.12〜0.2％であることがより好ましい。
【００２９】
Si：0.05〜0.40％
Siは、鋼管材料の脱酸のために含有させることが好ましい。脱酸の効果を確実にするためには、Si含有量を0.05％以上とすることが必要である。しかし、Si含有量が0.40％を超えると、靱性の低下を招くことがある。
【００３０】
Mn：0.8〜2.0％
Mnは、鋼管材料の強度を向上させるため含有させることが好ましい。強度を向上させるには、Mn含有量を0.8％以上とすることが必要である。しかし、Mn含有量が2.0％を超えると、偏析を助長し、靱性が劣化することがある。
【００３１】
本発明の鋼管の一つは、上記の成分のほか、残部がFeと不純物からなるものである。ただし、不純物中のCaは、前記のとおり0.001％以下にする必要があり、また、ＰおよびＳは下記のように規制しなければならない。
【００３２】
Ｐ：0.02％以下、Ｓ：0.01％以下
ＰおよびＳはともに熱間加工性および靱性に悪影響を及ぼす不純物元素であるため、ＰおよびＳの含有量は低いほど好ましい。Ｐ含有量およびＳ含有量がそれぞれ0.02％、0.01％を超える場合には、熱間加工性および靱性が著しく悪くなる。
【００３３】
本発明の鋼管の他の一つは、上記の成分に加えて以下に述べる成分の１種または２種以上を含有するものである。
【００３４】
Cr：１％以下
Crは、積極的に含有させる必要はないが、焼入れ性および耐摩耗性を向上させる効果を有するので含有させることが好ましい。これらの効果を得るには、Cr含有量を0.3％以上とすることが好ましい。しかし、Cr含有量が１％を超えると、ベイナイトが大量に発生し靱性が低下する。
【００３５】
Mo：１％以下
Moも、積極的に含有させる必要はないが、焼入れ性を向上させる効果を有するとともに、靱性改善にも効果があるので含有させることが好ましい。これらの効果を得るには、0.03％以上含有させるのが望ましい。しかし、Mo含有量が１％を超えると、ベイナイトが大量に発生し靱性が低下する。
【００３６】
Ti：0.04％以下
Tiは、積極的に含有させる必要はないが、強度および靱性を向上させる効果があるため含有させることが好ましい。これらの効果を得るには、Ti含有量を0.005％以上とすることが望ましい。しかし、Ti含有量が0.04％を超えると、窒素化合物の介在物が鋼管中に形成され、靱性が低下する。従って、Ti含有量は0.01〜0.04％とすることがより好ましい。
【００３７】
Nb：0.04％以下
Nbも、積極的に含有させる必要はないが、強度および靱性を向上させる効果があるため含有させることが好ましい。これらの効果を得るには、Nb含有量を0.005％以上とすることが望ましい。しかし、Nb含有量が0.04％を超えると、窒素化合物の介在物が鋼管中に形成され、靱性が低下する。従って、Nb含有量は0.01〜0.04％とすることがより好ましい。
【００３８】
Ｖ：0.1％以下
Ｖも、積極的に含有させる必要はないが、強度を向上させる効果があるため含有させることが好ましい。これらの効果を得るには、Ｖ含有量を0.01％以上とすることが望ましい。しかし、Ｖ含有量が0.1％を超えると、靱性が低下する。
【実施例】
【００３９】
本発明の効果を確かめるために、表１に示す化学組成の１０個の供試材を作製した。これらの化学組成を有する外径34ｍｍ、内径25ｍｍの素管を抽伸するために、まず素管先端を口絞りし、潤滑剤を塗布した。続いて、ダイスとプラグを用いて引抜加工を行い、徐々に管径を縮小し、管内面を切削、研磨した後、仕上工程として、縮径加工を実施して、外径6.4ｍｍ、内径3.0ｍｍの鋼管にした。そして、最終工程として、これらの鋼管を1000℃に温度制御された焼鈍炉に装入して20分間保持した後、放冷する熱処理を行った。
【００４０】
【表１】
2007284711.tif 000002
【００４１】
上記のそれぞれの供試材の一部をサンプルとして切り取り、そのサンプルをJISに11号試験片として規格される引張試験の試験片の大きさに加工し、引張試験を行った。また、同サンプルについて鋼管の内表面から深さ20μｍまでの範囲に当たる部分を光学顕微鏡にて観察し、析出した介在物の調査を行った。
【００４２】
表２に各供試材の引張強度と介在物の最大径を示す。表２の各番号は、表１の各番号に対応する。供試材No.１、３、５はそれぞれ供試材No.２、４、６に比べ、Caを多く含有するものである。表２から、供試材No.１と２、３と４、５と６はそれぞれ引張強度がほぼ同じであるが、Ca含有量が多い供試材No.１、３、５は、それぞれ供試材No.２、４、６に比べて、Ｃ系介在物の最大径が大きいことがわかる。また、供試材No.９はＡ系介在物の最大径が大きく、供試材No.10はＢ系介在物の最大径が大きい。
【００４３】
【表２】
2007284711.tif 000003
【００４４】
さらに、各供試材に対し、鋼管の内側に圧力をかけ疲労試験を行った。疲労試験では、最低内圧を18ＭPaとし、時間に対して正弦波をとる荷重条件で圧力を印加し、繰り返し回数が107回になっても破壊が起こらない最大内圧を限界内圧とした。そして、破壊が起こったものに対しては、その破壊された部分の状態を光学顕微鏡で確認した。
【００４５】
表２に各供試材の限界内圧と破壊状態を示す。ここでも、Ca含有量が多い供試材No.１、３、５は、それぞれ供試材No.２、４、６に比べて限界内圧が低い。そして、その破壊状態は、それぞれ圧力の最もかかる鋼管内面から疲労破壊が起こっていたが、供試材No.１、３、５では、供試材No.２、４、６と異なり、鋼管の内表面から深さ20μｍまでの範囲内に存在するＣ系介在物を起点として破壊が起こっている。また、供試材No.９では鋼管の内表面から深さ20μｍまでの範囲内に存在するＡ系介在物を起点として、供試材10では同じく鋼管の内表面から深さ20μｍまでの範囲内に存在するＢ系介在物を起点として、疲労破壊が生じている。
【００４６】
以上の試験結果から明らかなように、ほぼ同じ引張強度を有する供試材では、非金属介在物の最大径を小さく抑えることで、介在物を起点とする疲労破壊を回避でき、限界内圧を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の燃料噴射管用鋼管では内表面付近に存在する非金属介在物を起点とした疲労破壊を防止できるので、限界内圧を高くすることが可能となる。したがって、この燃料噴射管用鋼管をディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を供給する鋼管に用いれば、燃焼室への燃料の噴射圧を十分高くしても、疲労が起こらない。