JP5774215B2 - 高温ガス耐食性の延性合金の用途 - Google Patents

Description

本発明は、高い温度と腐食性のガスに暴露されるコンポーネントでの、高温ガス耐食性の延性合金の用途に関する。たとえばこの合金は、ペンシル型グロープラグのグローパイプを製作するための素材として使用することができる。ペンシル型グロープラグはディーゼルエンジンのコールドスタートのために使用され、その際に、高い温度と腐食性のガスに暴露される。

ペンシル型グロープラグには、加熱速度と予熱温度に関して高い要求事項が課される。金属のグローパイプを備えるペンシル型グロープラグは、典型的には約１０００℃から１０５０℃の範囲内の予熱温度に達し、一時的にはこれよりも高い温度が生じる可能性がある。高い予熱温度にもかかわらず、グローパイプが形状安定的に保たれて曲がらないようにするために、使用される素材は良好なクリープ強さを有していなければならない。噴射流に対するペンシル型グロープラグの位置は、燃料の最善の引火にとって重要である。したがって変形したペンシル型グロープラグは、内燃機関で採用されると、有害物質の排出が多くなる不均一な燃焼を生じさせることになる。さらにペンシル型グロープラグは燃焼室で、グローパイプの材料を攻撃することがある腐食性のガスに暴露される。腐食したグローパイプは、空気、水、その他の物質の侵入を防ぐことができなくなり、含まれている抵抗素子の破損や、それに伴うペンシル型グロープラグの故障を生じさせる。高い温度と腐食性のガスに耐えるために、５０重量％を超える非常に高いニッケル含有率を有するニッケルベース合金がグローパイプに用いられる。

このようなグローパイプは、たとえば特許文献１から公知である。このグローパイプはニッケルベース合金から成形プロセス（深絞り）によって、または金属粉末からなるコンパウンドの押出成形によって、または金属粉末射出成形によって製作される。

ペンシル型グロープラグでの用途のほかにも、高温ガス耐食性合金からなるコンポーネントは広い用途に使用されており、特に自動車の分野では内燃機関のための点火プラグとして使用されたり、排ガスターボチャージャや、センサのための保護チューブで使用されたりしている。暖房技術においては、このような合金から点火電極やさまざまなセンサが製作される。

ニッケルベース合金は、ニッケルの価格が高いために非常に高価であり、組成によっては加工時に不都合な特性を有している。たとえば合金ＮｉＣｒ２５ＦｅＡｌＹは、卓越した耐酸化性ないし耐食性と高いクリープ強さとを有しているが、成形プロセスでは制約つきでしか加工することができない。たとえばグローパイプのようなコンポーネントは、この合金からたとえば深絞りによって製作することはできない。これ以外のコストの高い製造方法を採用せざるを得ない。それに対して合金ＮｉＣｒ２３Ｆｅは、良好に成形をすることができる。しかしこの合金から製作される部品は、その耐酸化性やクリープ強さが低いことから、腐食性のガスや非常に高い温度と関連するどのような用途にも適しているわけではない。

特許文献２より、高い耐酸化性とクリープ強さとを有する、４２重量％を下回る低いニッケルの含有率を有するニッケル・クロム・ケイ素合金が公知である。

ドイツ特許出願公開第１０２００９０００７５１Ａ１ 欧州特許第２１１５１７９Ｂ１号明細書

本発明によると、３６から３９重量％のニッケルと、２０から２３重量％のクロムと、０から０．１２重量％の炭素と、０から１重量％のマンガンと、１．３から２．２重量％のケイ素と、０から０．５重量％のアルミニウムと、０．０３から０．５重量％のランタンと、０から０．０３重量％の硫黄と、０から０．０３重量％の燐と、０から０．５重量％の銅と、残りの鉄とを含み、すべての成分の合計が１００重量％を超えない高温ガス耐食性の延性合金の用途であって、自己着火エンジンのためのペンシル型グロープラグのグローパイプの素材としての用途、および、高い温度と腐食性のガスに暴露されるその他のコンポーネントの素材としての用途が提案される。

このような合金は、素材番号１．４８８８（Ｘ１０ＮｉＣｒＳｉＬａ３８−２２）で提供されている。

素材の長期特性を向上させるために、セリウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタンの各元素のうちの１つまたは複数を最大０．５重量％で合金することができる。

表１には、ニッケル合金ＮｉＣｒ２５ＦｅＡｌＹと、ＮｉＣｒ２３Ｆｅと、グローパイプで適用するために提案される素材番号１．４８８８の合金との間の破断伸びの比較が示されている。これらのデータは、ＤＩＮ規格「ＤＩＮ１７７５０：２００２−０９」ならびにデータシート「Ｃｒｏｎｉｆｅｒ４０Ｂ材料データシートＮｏ．４０５１ ２０１０年３月版」から採ったものである。素材番号１．４８８８の合金は、低いニッケル含有率にもかかわらず高い破断伸びを有しており、成形によって良好に加工することができる。

この合金は高い耐酸化性と、予熱温度での良好なクリープ安定性とを有している。この合金は延性があり、ＮｉＣｒ２３Ｆｅのように容易に成形することができる。

グローパイプは、この合金から成形プロセスによって成形することができる。本発明によるペンシル型グロープラグで適用すれば、恒常的な最大１０５０℃の予熱温度が可能であり、一時的には最大１１００℃が可能である。この合金は、内燃機関の燃焼室に存在する腐食性の影響要因に対して耐性があり、高い温度のときでも形状安定的に保たれる。

合金番号１．４８８８の高温ガス耐食性は、合金ＮｉＣｒ２３ＦｅとＮｉＣｒ２５ＦｅＡｌＹの間である。

耐熱性と耐食性、ならびに容易な成形性といった素材番号１．４８８８の合金の好ましい特性により、この合金は、高い温度と腐食性のガスに暴露されるその他のコンポーネントにも適している。この合金の考えられる他の使用可能性は、たとえば内燃機関のための点火プラグ、排ガスターボチャージャ、センサのための保護チューブとして得られ、および、暖房技術においてオイルバーナやガスバーナにおける点火電極について、ならびに炎センサについて得られる。

素材番号１．４８８８の合金から製作されるグローパイプは、最大１１００℃の高い耐熱性を有している。耐用寿命の制約なしに、１１００℃の最大予熱温度と１０５０℃の高いアフタグロー温度を具体化することができる。さらにこのグローパイプは、内燃機関の燃焼室に存在する腐食性の影響要因に対して耐性がある。このことは、グローパイプで取り囲まれる抵抗素子も防護されることを保証し、コンポーネントの早期の故障を防止する。さらにこのグローパイプは、変形に対して良好な耐性を有している。このことは、ペンシル型グロープラグを内燃機関で使用するときに、燃料混合気の良好な引火およびこれに伴って少ないエミッションでの均等な燃焼を保証する。

現在頻繁に用いられているニッケルベース合金のうち、ＮｉＣｒ２５ＦｅＡｌＹは耐食性に関わる要求事項を満たしているものの、ニッケルの高い含有率に基づき、材料費が非常に高くなる。従来使用されているどの合金にも共通するのは、高いニッケル含有率およびこれと結びついた高い材料価格である。

グローパイプでの使用のために提案される合金は、低減されたニッケル含有率で良好な特性を示しており、その成形可能性によってペンシル型グロープラグの製作を容易にする。素材番号１．４８８８の合金は、たとえば押出成形、ストレッチ成形、深絞り、およびその他の方式の成形方法によって容易に成形することができる。

上述した利点は、たとえば内燃機関のための点火コイル、排ガスターボチャージャ、センサのための保護チューブ、ならびに暖房技術における点火電極や炎センサなど、合金のその他の用途にも転用することができる。

本発明によるペンシル型グロープラグの一実施例である。

図１には、ペンシル型グロープラグ１１のグローパイプ４のための素材としての、素材番号１．４８８８の合金の本発明による用途が示されている。ペンシル型グロープラグ１１は、抵抗素子１２を取り囲むグローパイプ４と、ハウジング５と、丸型プラグ１０の形態の電気接続装置とを含んでいる。

グローパイプ４で取り囲まれた抵抗素子１２は、内燃機関の燃焼室のほうを向く側に加熱巻線１を含むとともに、丸型プラグ１０のほうを向く側に制御巻線３を含んでいる。グローパイプ４の残りの内部空間は、たとえば酸化マグネシウム粉末のような電気絶縁性の熱伝導性粉末２で充填されている。加熱巻線１は、ほぼ温度非依存的な電気抵抗を有しているのに対して、制御巻線３の電気抵抗は温度の上昇に伴って増加する。抵抗素子１２が常温状態にあるとき、制御巻線３の電気抵抗は低く、大量の電流が加熱巻線１を通って流れることができる。そしてこれに続く加熱により、制御巻線３の抵抗および通電が減少していく。このようにして、グローパイプ４内の温度は外部の制御装置に関わりなくコントロールされる。しかしながら、温度がこれ以外の仕方で、たとえば外部の制御装置によってコントロールされる、制御巻線３のない実施形態も考えられる。

抵抗素子１２は一方の側で、グローパイプ４と導電接続されている。他方の側は、接続ボルト７により接触されている。接続ボルト７の側では、グローパイプはハウジング５により部分的に収容されている。グローパイプ４はハウジング５に対して、プレス嵌めにより密閉されている。グローパイプ４と接続ボルト７の間の密閉は、耐熱性のエラストマーシール材６によって行われる。このようなシール材６により、グローパイプの内部はエンジンルーム内の大気に対して気密に密封される。シール材６を閉じた後に残るグローパイプ４の中のＨ_２Ｏ，Ｎ_２またはＯ_２の残留量は、温度が高いときに加熱巻線１または制御巻線３と反応して、これを損傷させる恐れがある。そうした残留量を固定するために、グローランプ４の内面をゲッター材料でコーティングすることができる。たとえばアルミニウムやマグネシウムによるこのような厚さ数μｍのコーティングは、グローパイプ４の加熱時に、グローパイプ４の中のＨ_２Ｏ，Ｎ_２またはＯ_２の残留量と反応する。その追加または代替として、熱伝導性粉末２にゲッター材料を少量だけ添加することもできる。
接続ボルト７はハウジングを通って延びており、丸型プラグ１０として施工された接続装置と端部で結合されている。丸型プラグ１０とハウジング５の間には、導電性でない材料からなる絶縁ワッシャ９が配置されている。絶縁ワッシャ９の領域にある、たとえばエラストマーからなるシール材８が、ペンシル型グロープラグのハウジング５を周囲に対して密閉する。

さらに、高温ガス耐性のある延性合金は、ガソリンエンジンの点火プラグで採用することもできる。このとき素材番号１．４８８８の合金は、特に中心電極の電極材料として適している。

さらに、高温ガス耐性のある延性合金は、さまざまなセンサのための保護チューブとして適用することができる。多くのセンサは高い温度に敏感に反応し、あるいは腐食性のガスによる攻撃を受けやすい。素材番号１．４８８８の合金から製作される保護チューブは、たとえばオイルバーナやガスバーナのラムダセンサや炎センサのようなセンサを包囲して、これを有害な環境要因から防護する。

この合金は、高い耐酸化性とクリープ強さに基づき、暖房技術における点火電極の素材として良く適している。

１ 加熱巻線
２ 熱伝導性粉末
３ 制御巻線
４ グローパイプ
５ ハウジング
６ シール材
７ 接続ボルト
８ シール材
９ 絶縁ワッシャ
１０ 丸型プラグ
１２ 抵抗素子

Claims (8)

1. ３６から３９重量％のニッケルと、２０から２３重量％のクロムと、０から０．１２重量％の炭素と、０から１重量％のマンガンと、１．３から２．２重量％のケイ素と、０から０．５重量％のアルミニウムと、０．０３から０．５重量％のランタンと、０から０．０３重量％の硫黄と、０から０．０３重量％の燐と、０から０．５重量％の銅と、残りの鉄とを含み、すべての成分の合計が１００重量％を超えない高温ガス耐食性の延性合金からなる自己着火エンジンのためのペンシル型グロープラグのグローパイプの素材。
2. 前記合金はセリウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタンの各元素のうちの１つまたは複数をそれぞれ最大０．５重量％で含んでいる、請求項１に記載の素材。
3. 高い温度と腐食性のガスに暴露されるガソリンエンジンのための点火プラグの素材であって、
   ３６から３９重量％のニッケルと、２０から２３重量％のクロムと、０から０．１２重量％の炭素と、０から１重量％のマンガンと、１．３から２．２重量％のケイ素と、０から０．５重量％のアルミニウムと、０．０３から０．５重量％のランタンと、０から０．０３重量％の硫黄と、０から０．０３重量％の燐と、０から０．５重量％の銅と、残りの鉄とを含み、すべての成分の合計が１００重量％を超えない高温ガス耐食性の延性合金からなるガソリンエンジンのための点火プラグの素材。
4. 前記合金はセリウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタンの各元素のうちの１つまたは複数をそれぞれ最大０．５重量％で含んでいる、請求項３に記載の素材。
5. 高い温度と腐食性のガスに暴露される炎センサまたはラムダセンサのための保護チューブの素材であって、
   ３６から３９重量％のニッケルと、２０から２３重量％のクロムと、０から０．１２重量％の炭素と、０から１重量％のマンガンと、１．３から２．２重量％のケイ素と、０から０．５重量％のアルミニウムと、０．０３から０．５重量％のランタンと、０から０．０３重量％の硫黄と、０から０．０３重量％の燐と、０から０．５重量％の銅と、残りの鉄とを含み、すべての成分の合計が１００重量％を超えない高温ガス耐食性の延性合金からなる炎センサまたはラムダセンサのための保護チューブの素材。
6. 前記合金はセリウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタンの各元素のうちの１つまたは複数をそれぞれ最大０．５重量％で含んでいる、請求項５に記載の素材。
7. 高い温度と腐食性のガスに暴露されるオイルバーナまたはガスバーナにおける点火電極の素材であって、
   ３６から３９重量％のニッケルと、２０から２３重量％のクロムと、０から０．１２重量％の炭素と、０から１重量％のマンガンと、１．３から２．２重量％のケイ素と、０から０．５重量％のアルミニウムと、０．０３から０．５重量％のランタンと、０から０．０３重量％の硫黄と、０から０．０３重量％の燐と、０から０．５重量％の銅と、残りの鉄とを含み、すべての成分の合計が１００重量％を超えない高温ガス耐食性の延性合金からなるオイルバーナまたはガスバーナにおける点火電極の素材。
8. 前記合金はセリウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタンの各元素のうちの１つまたは複数をそれぞれ最大０．５重量％で含んでいる、請求項７に記載の素材。

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