JP2007203358A - 蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射管やコモンレールに非金属介在物が存在しない蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなり、かつ結晶粒を再結晶させて微細化した結晶粒を有する金属材料からなることを特徴とする。また、その製造方法は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を軸方向に穿孔して素管となし、該素管を伸管工程にて縮径方向に圧延した後、熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させ、さらに必要に応じて前記伸管工程および熱処理工程を繰り返し、その後、必要に応じてオートフレッテージ処理を施すことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主としてディーゼルエンジン用の蓄圧式燃料噴射システムに組込まれるコモンレールと、ポンプ〜コモンレール間およびコモンレール〜インジェクタ間に配設される燃料噴射管からなる高圧燃料配管とその製造方法に関する。

ディーゼルエンジン用の蓄圧式燃料噴射システムに組込まれるコモンレールや、ポンプ〜コモンレール間およびコモンレール〜インジェクタ間に配設される燃料噴射管等からなる従来の燃料配管には、連続鋳造して得られた断面丸形ビレットをマンネスマン・マンドレルミル方式やマンネスマン・プラグミル方式の穿孔機を使って穿孔・圧延・伸管して製造した継目無鋼管や、前記ビレットを押出しや引抜きにより圧延した鍛造用丸棒等が採用されるのが一般的である。

ところで、連続鋳造された鋳片は周知の通り、鋳造時の最終凝固位置に相当する鋳片の横断面（引抜き方向に対して直角方向の断面）中心部に、軸方向に不連続の内部空隙（センターポロシティー）が存在する。この内部空隙が穿孔圧延時に十分に圧着されないで管内面に露出して管内面疵となる場合がある。
このような欠点を解決するために、連続鋳造時の最終凝固位置をビレット中心より外側にずらしたり、鋳型直下から凝固を開始するまでの冷却強度をビッレット外周方向で変化させて鋳造片中心に対して非対称の凝固シェルを生成させた後凝固冷却を開始して、ビレット中心部に空隙部分が発生して非金属介在物が偏析するのを防止する継目無鋼管素材用連続鋳造鋳片の製造方法が提案されている（特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載されている方法は、連続鋳造装置の鋳型直下から鋳片中心部が凝固を開始し出すより以前までの間の二次冷却を、鋳片周方向に冷却強度を変化させて施すことにより、鋳片中心に対して非対称の凝固シェルを生成させた後、さらに凝固末期二次冷却を、未凝固液芯の中心部が凝固を開始し出した後から液芯の中心固相率が０．８以上となるまで継続して施す方法である。
この方法によれば、空隙（センターポロシティー）を鋳片中心から外れた位置に生成させることができると共に、偏心して生成するポロシティーを低減させることができる。

また、特許文献２に記載されている方法は、鋳片が鋳型直下から完全凝固に至る間に、長さ３ｍ以上の二次冷却帯で、鋳片周方向の冷却強度を変化させ、鋳片の最終凝固位置を鋳片中心より外側へずらす方法であり、さらに鋳片の最終凝固位置を鋳片中心よりずらした鋳片を、圧延温度に加熱しビレット中心をセンターとして穿孔圧延した鋼管素材から継目無鋼管を製造する方法である。
この方法によれば、鋳片の周囲から内部へ向けて凝固速度の異なる凝固シェルが成長して最終凝固部が鋳片中心より偏寄し、内部空隙も鋳片中心から外れた位置に形成される。
特開平８−１５０４５１号公報 特開平８−０５２５５５号公報

しかしながら、上記した継目無鋼管素材用連続鋳造鋳片の製造方法では、いずれも鋳造時の鋳造金属（溶鋼等）の先端に発生する内部空隙（ポロシティー）部の表面付近に非金属介在物が偏析するため、当該連続鋳造鋳片を穿孔、伸管、圧延、あるいは押出し、引抜き、鍛造等の種々の加工を施しても前記非金属介在物は存在し除去することができないこと、またこの非金属介在物が管体の内面あるいは内面直下に存在すると、管体の使用時に圧力が上昇しかつその圧力が変動すると非金属介在物付近の母材に応力集中をきたし疲労破壊の基点となり得ること、等の問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、高圧燃料噴射管やコモンレールに非金属介在物が存在しない蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる組織を再結晶させて微細化した結晶粒を有する金属材料からなることを特徴とするものである。
本発明に係る蓄圧式燃料噴射システム用燃料配管の製造方法は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を管軸方向に穿孔して素管となし、該素管を伸管工程にて縮径方向および／または管軸方向に圧延した後、熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させ、さらに必要に応じて前記伸管工程および熱処理工程を繰り返し、その後、必要に応じてオートフレッテージ処理を施して高圧燃料噴射管とすることを特徴とするものである。
さらに、本発明に係る蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管の製造方法は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させ、この再結晶させた丸棒を軸方向に穿孔した後、機械加工および／または分岐金具あるいは分岐管をろう付け、溶接もしくは組立て加工を施し、その後、必要に応じてオートフレッテージ処理を施してコモンレールとすることを特徴とするものである。
またさらに、本発明に係る蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管の製造方法は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を縮径および／または軸方向に圧延後切断して鍛造素材とした後、該鍛造素材を鍛造加工し、さらに熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させ、この再結晶させた鍛造素材を軸方向に穿孔した後、機械加工を施し、その後、必要に応じてオートフレッテージ処理を施してコモンレールとすることを特徴とするものである。

なお、Ｏ．Ｃ．Ｃ．は、Ｏｈｎｏ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃａｓｔｉｎｇの略で、等軸晶の全くない、一方向凝固組織のみからなる任意の断面形状の金属材料を、連続的に鋳造する方法である。

本発明の蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管は、等軸晶の全くない、一方向凝固組織のみからなる継目無鋼管素材用連続鋳造鋳片を素材としているため、非金属介在物が極めて少なく、引張応力が加わっても非金属介在物がほとんど存在しないのでその界面に発生する応力集中が発生せず内圧疲労強度が優れている。
また、本発明方法は、等軸晶の全くない、一方向凝固組織のみからなる継目無鋼管素材用連続鋳造鋳片を素材とし、該素材を伸管、鍛造、圧延等の塑性加工を施した後に再結晶温度以上に加熱して軸方向に連続していた結晶粒を再結晶させるので、機械的強度の高い高圧燃料配管が得られる。さらに、本発明方法によれば、配管の内面およびその表面直下に非金属介在物が存在しないので、引張応力が加わっても応力集中が発生せず、疲労強度も低下することなく内圧疲労強度の優れた高圧燃料配管を得ることができる。

本発明に係るＯ．Ｃ．Ｃ．プロセスの原理は、図１にその概要を示すごとく、従来の冷却鋳型に替えて、ヒーター１ａが埋設された加熱鋳型１を用い、該鋳型の内壁面の温度を溶湯（鋳造金属）２の凝固温度以上に保持し、鋳塊３の冷却を加熱鋳型１の外に配置した冷却水スプレー４等で行う方法である。図中、５は溶湯膜である。
この方法によれば、鋳塊３の凝固は鋳壁面上を避けて等軸晶が生成遊離する機会のないうちに徐々に進行し、また、加熱鋳型１内の温度分布を適切に選択することによって、加熱鋳型１内に突出するような形状の凝固界面を作らせることができるので、鋳塊３の中心部が先に凝固し、その際溶湯中の非金属介在物は鋳塊３の先端に閉じ込められることがなく溶湯中に存在し続け、最後に薄い表面層だけが加熱鋳型１のすぐ外で凝固することになり、鋳壁上における結晶の生成遊離を完全に阻止できることにより、等軸晶が全くなく非金属介在物をほとんど含有しない完全な一方向凝固組織からなる鋳塊３を得ることができる。しかも、この方法は、新たな結晶が生成される機会がないために、結晶は成長するにつれ競争によってその数を減ずるだけであるから、単結晶からなる鋳塊が極めて容易に得られるし、また、丸とか四角の断面はもちろん、種々の断面形状をもった材料を、直接、鋳造によって作ることができ、さらに塑性加工が困難な堅くて脆い合金の管や板を直接連続的につくることができる等の特徴を有する。

本発明方法は、上記Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織からなる連続鋳造鋳片を用いて蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管を製造する方法であり、その第１の製造方法は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒をマンネスマン・マンドレル方式やマンネスマン・プラグミル方式にて軸方向に穿孔して素管とし、該素管を伸管工程で例えばプラグ／ダイスを用いて縮径方向および管軸方向に圧延する。次いで伸管されて高い引張り応力の残留した素管を熱処理工程で再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させる。さらに必要に応じて前記伸管工程および熱処理工程を複数回繰り返して、所定の寸法（外径、内径、肉厚）の継目無鋼管に仕上げる。
第２の製造方法は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒をマンネスマン・マンドレル方式やマンネスマン・プラグミル方式にて管軸方向に穿孔して素管とした後、伸管加工品を熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させる。次いで、この再結晶させた管を管軸方向に伸管、熱処理して継目無鋼管に仕上げる。
第３の製造方法は、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を縮径および／または軸方向に圧延後切断して鍛造素材とした後、該鍛造素材を鍛造加工し、さらに熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させる。次いで、この再結晶させた鍛造材を軸方向に穿孔してコモンレールに仕上げる。

上記第１〜第２の方法により製造した後は、その原管を所定の長さに切断し、例えば端末成形及び曲げ加工を施して高圧燃料噴射管としたり、前記原管に機械加工および／または分岐金具あるいは分岐管をろう付けもしくは溶接加工を施してコモンレールとする。
なお、高圧燃料噴射管やコモンレールの場合は、必要に応じてオートフレッテージ処理を施してもよい。

ＪＩＳ ＳＴＳ−４８０の溶鋼を用い、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造して一方向凝固組織からなる丸棒を製造し、次いで該丸棒をマンネスマン・マンドレル方式にて軸方向に穿孔して素管とし、この素管を伸管工程でプラグダイスを使用して縮径方向および管軸方向に圧延した後、熱処理工程で当該鋼の再結晶温度以上（８００℃以上）に加熱して結晶粒を再結晶させ、さらに前記伸管工程および熱処理工程を繰り返して外径φ８．０ｍｍ、内径φ３．０ｍｍ、肉厚ｔ２．５ｍｍの高圧燃料噴射管用鋼管を製造し、該鋼管を長さ３５０ｍｍに切断し、頭部成形した後曲げ加工を施して高圧燃料噴射管を得た。そして、さらに得られた高圧燃料噴射管内に３０００ｂａｒの高圧水を封じ込んでオートフレッテージ処理を施した。
オートフレッテージ未処理の燃料噴射管と、オートフレッテージ処理を施した高圧燃料噴射管の内圧疲労強度を調べた結果を表１に示す。

ＪＩＳ ＳＴＳ−４１０の溶鋼を用い、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造して一方向凝固組織からなる丸棒を製造し、この丸棒をマンネスマン・プラグミル方式にて軸方向に穿孔して素管とし、次いで該素管に伸管工程および熱処理工程を繰り返して管状部の外径φ３２ｍｍ、内径φ１０ｍｍ、肉厚ｔ１１ｍｍの管材としてコモンレール用素材とし、この素材を熱処理工程で当該鋼の再結晶温度以上（８００℃以上）に加熱して結晶粒を再結晶させ、さらに特開平１０−３１８０８３号に記載されている内周面への圧縮応力の残留加工を実施した後、φ３．０ｍｍの分岐孔を穿孔し、頂部に頂角６０度の円錐状シート面を形成し、外周にリテーナ（分岐管継手金具）を装着して得られたコモンレールに、さらに４０００ｂａｒの高圧水を封じ込んでオートフレッテージ処理を施した。
オートフレッテージ未処理のコモンレールと、オートフレッテージ処理を施したコモンレールの内圧疲労強度を調べた結果を表１に併せて示す。

ＪＩＳ ＳＴＳ−４１０の溶鋼を用い、Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造して一方向凝固組織からなる丸棒を製造し、この丸棒を押出しおよび／または引抜き加工しかつ切断して鍛造素材を製造し、この鍛造素材を型鍛造して外径φ３２ｍｍの本体部に外径φ１８ｍｍのボス部を多数突出させ、かつ複数のブラケット部を形成してコモンレール用素材とし、この素材を熱処理工程で当該鋼の再結晶温度以上（８００℃以上）に加熱して結晶粒を再結晶させた後、内径φ１０ｍｍのガンドリル加工を施し、さらに特開平１０−３１８０８３号に記載されている内周面への圧縮応力の残留加工を実施した後、各ボス部にＭ１６の雄ねじ加工とその頂部に頂角６０度の円錐状シート面を形成するとともに、当該ボス部にφ３ｍｍの分岐孔を穿孔し、最終仕上げ加工を施して得られたコモンレールに、さらに４０００ｂａｒの高圧水を封じ込んでオートフレッテージ処理を施した。
オートフレッテージ未処理のコモンレールと、オートフレッテージ処理を施したコモンレールの内圧疲労強度を調べた結果を表１に併せて示す。
［比較例１］

ＪＩＳ ＳＴＳ−４８０の溶鋼を用い、通常の連続鋳造装置により製造された丸棒をマンネスマン・マンドレル方式にて管軸方向に穿孔して素管とし、該素管より実施例２と同じ寸法の燃料噴射管用鋼管を製造し、該鋼管を長さ３５０ｍｍに切断し、頭部成形した後曲げ加工を施して燃料噴射管を得た。
得られた燃料噴射管の内圧疲労強度を調べた結果を表１に併せて示す。
〔比較例２〕

ＪＩＳ ＳＴＳ−４１０の溶鋼を用い、通常の連続鋳造装置により製造された丸棒をマンネスマン・マンドレル方式にて管軸方向に穿孔して素管とし、該素管より実施例２と同じ寸法のコモンレールを得た。
得られたコモンレールの内圧疲労強度を調べた結果を表１に併せて示す。

表１に示す結果より明らかなごとく、本発明法による蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管はいずれも、等軸晶の全くない、一方向凝固組織のみからなる継目無鋼管素材用連続鋳造鋳片を素材としているため、非金属介在物が極めて少なく、機械的強度および内圧疲労強度共に優れている。

本発明の蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管は、等軸晶の全くない、一方向凝固組織のみからなる継目無鋼管素材用連続鋳造鋳片を素材としているため、非金属介在物が極めて少なく、引張応力が加わっても応力集中が発生せず内圧疲労強度が優れ、高い信頼性が得られる。
また、本発明方法は、等軸晶の全くない、一方向凝固組織のみからなる継目無鋼管素材用連続鋳造鋳片を素材とし、該素材を伸管、鍛造、圧延等の塑性加工を施した後に再結晶温度以上に加熱して軸方向に連続していた結晶粒を再結晶させるので、機械的強度の高い高圧燃料配管が得られる。さらに、本発明方法によれば、配管の内面およびその表面直下に非金属介在物が存在しないので、引張応力が加わっても応力集中が発生せず、疲労強度も低下することなく内圧疲労強度の優れた信頼性の高い高圧燃料配管を得ることができる。
したがって、本発明の蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管は、ディーゼルエンジン用の蓄圧式燃料噴射システムに組込まれるコモンレールや、ポンプ〜コモンレール間およびコモンレール〜インジェクタ間に配設される燃料噴射管等からなる高圧燃料配管のみならず、他の高圧流体用配管にも十分に適用できる。

本発明に係るＯ．Ｃ．Ｃ．プロセスの原理を示す概要図である。

符号の説明

１ 加熱鋳型
１ａ ヒーター
２ 溶湯（鋳造金属）
３ 鋳塊
４ 冷却水スプレー
５ 溶湯膜

Claims (4)

1. Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる組織を再結晶させて微細化した結晶粒を有する金属材料からなることを特徴とする蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管。
2. Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を軸方向に穿孔して素管となし、該素管を伸管工程にて縮径および／または管軸方向に圧延した後、熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させ、さらに必要に応じて前記伸管工程および熱処理工程を繰り返し、その後、必要に応じてオートフレッテージ処理を施して高圧燃料噴射管とすることを特徴とする蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管の製造方法。
3. Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させ、この再結晶させた丸棒を軸方向に穿孔した後、機械加工および／または分岐金具あるいは分岐管をろう付け、溶接もしくは組立て加工を施し、その後、必要に応じてオートフレッテージ処理を施してコモンレールとすることを特徴とする蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管の製造方法。
4. Ｏ．Ｃ．Ｃ．プロセスによって連続的に鋳造された一方向凝固組織のみからなる丸棒を縮径および／または軸方向に圧延後切断して鍛造素材とした後、該鍛造素材を鍛造加工し、さらに熱処理工程にて再結晶温度以上に加熱して結晶粒を再結晶させ、この再結晶させた鍛造材を軸方向に穿孔した後、機械加工を施し、その後、必要に応じてオートフレッテージ処理を施してコモンレールとすることを特徴とする蓄圧式燃料噴射システム用高圧燃料配管の製造方法。
   
   

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