JP2012246901A

JP2012246901A - 自動車用排気系部品

Info

Publication number: JP2012246901A
Application number: JP2011121704A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ota; 晃浩太田
Original assignee: Maruyasu Industries Co Ltd
Current assignee: Maruyasu Industries Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】低品質燃料を、排気再循環（ＥＧＲ）システム等を備えた内燃機関に使用しても、熱交換器等に孔食が発生するおそれがない自動車用排気系部品を提供すること。
【解決手段】内燃機関の自動車用排気系部品。該自動車排気系部品は、母材であるステンレス鋼板の少なくとも凝縮水発生側面にＮｉクラッド層を備えたクラッドシートで形成する。ステンレス鋼板は、フェライト系又はオーステナイト系を使用する。Ｎｉクラッド層の厚さを１５〜１５０μｍとすることにより、凝縮水が硫化物イオンや塩化物イオンを含んでいても、孔食が進行しない。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気系凝縮水が発生し易い自動車用排気系部品に関する。

自動車用排気系部品としては、ＥＧＲクーラ・パイプ・バルブ・バイパスバルブや排気管、エキゾーストマニホールド等を挙げることができる。

ここでは、排ガス熱交換器を例に採り説明する。また、「ＥＧＲ」とは、「Exhaust Gas Recirculation」の略で、排気ガス再循環システムのことを意味する。

上記で例示したような自動車用排気系部品における排ガス熱交換器では、高温（４００℃以上）のＥＧＲガスおよび硫化物イオンや塩化物イオンを含む凝縮水に晒されるので、高い耐食性が要求される（特許文献１段落０００２）。

このため、排ガス熱交換器における耐食性向上に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１・２等がある。

特許文献１には、ステンレス鋼板の熱交換器の成形プレート（部品）の耐腐食性改善が要求されるロウ付け面に、電解Ｃｒめっき層（Ｃｒ系ロウ材層）と無電解Ｎｉ−Ｐめっき層（Ｎｉ系ロウ材層）を形成後、成形プレート（部品）を組み立て、真空炉で組み立て品のＮｉ系ロウ材層を溶融させて、ロウ付け面にＮｉ−Ｃｒ−Ｐ系合金層を形成する熱交換器の製造方法が開示されている（要約等）。

特許文献２には、ステンレス鋼板の熱交換器の成形プレート（部品）に無電解Ｎｉ−Ｐめっき層（Ｎｉ系ロウ材層）を形成後、成形プレート（部品）を組み立て、真空炉で組み立て品のＮｉ系ロウ材層を溶融させて、内部拡散によるＮｉ富裕化層を形成する熱交換器の製造方法が開示されている。

特許文献１・２のいずれも、電解乃至無電解めっきを製品組み立て前に行なってめっき層をロウ材として使用する技術であり、本発明の特許性（新規性・進歩性：特許法第２９条第1・２項）に影響を与えるものではない。

更に、本発明と同様に、クラッドシートで形成された熱交換器に係る先行技術文献として、特許文献３・４が存在する。

しかし、特許文献３におけるクラッド層は、Ｎｉの金属層（鉄の拡散防止層）形成の一態様として、めっきとともに例示されているに過ぎない。即ち、本発明の如く、積極的に、排ガス熱交換器における高含イオウ凝縮水にさらされる母材であるステンレス鋼板の耐孔食性を意図したものではない。

特許文献４におけるクラッド層は、Ｃｒ等の合金粉末とＮｉ粉末を混合された混合粉末からステンレス基材に対して形成するものであり、本発明の如く、薄膜Ｎｉシートを熱間圧延クラッドしたクラッドステンレス鋼（クラッドシート）とは異質である。

特開２００２−２８７７５号公報（要約書等）特開２００４−２０５０５９号公報（要約書等）特開２００１−１１３３号公報（要約書等）特開２００８−２７５１８３号公報（要約書、請求項６等）

昨今、エネルギー事情の悪化から、硫黄率が高い原油を原料としたり、ガソリン収率を高めるために脱硫処理を経なかったりして、地域によっては、硫黄含有率や塩素含有率が高い低品質の燃料（ガソリン）の比率が増大傾向にある。

そして、排気再循環（ＥＧＲ）装置を備えた内燃機関に使用すると、熱交換器に凝縮水が発生する。そして、該凝縮水に高濃度の硫化物イオンや塩化物イオン等が含まれていると（低品質燃料の場合そのようになり易い。）、通常のステンレス（オーステナイト系やフェライト系）では孔食が発生することが分かった（図５参照）。

この孔食を防止するために、前記特許文献１・２等に記載されているＮｉ等の無電解めっきを施して対処することが考えられる。しかし、本発明者らが試験したところ、無電解めっきだけでは、充分な耐孔食性をステンレス鋼には付与できないことが分かった。

本発明は、上記にかんがみて、低品質燃料を、排気再循環（ＥＧＲ）システム等を備えた内燃機関に使用しても、熱交換器等に孔食が発生するおそれがない自動車用排気系部品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鋭意開発に努力をする過程で、Ｎｉクラッド層を備えたステンレス鋼板で自動車用排気系部品を形成すれば、充分な耐孔食性を凝縮水発生側面に付与できることを知見して、下記構成の自動車用排気系部品に想到した。

内燃機関の自動車用排気系部品において、
該自動車用排気系部品が、母材であるステンレス鋼板の少なくとも凝縮水発生側面にＮｉクラッド層を備えたクラッドシートで形成されていることを特徴とする。

ここで、クラッド層の態様としては、特に限定されないが、通常、基材板（ステンレス鋼板）と被覆材（Ｎｉ）を圧接し、拡散焼鈍により接合させたもの、いわゆる熱間圧延クラッドシートを使用する。

なお、Ｎｉクラッド層を備えたクラッドシートで、硫化物イオンや塩化物イオンを含む凝縮水に対する耐孔食性向上のために積極的に使用する先行技術は、本発明者らは、寡聞にして知らない。

ちなみに、＜高橋清他監修「半導体・金属材料用語辞典」株式会社工業調査会、1999年＞の「孔食（pitting）」の項には、「ニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）のような不動態金属又はそれらの合金を塩化物水溶液中に浸漬する場合、不動態皮膜がピット（食孔）に成長する局部腐食現象を指す。不動態皮膜が破壊した場所は電気化学的なアノードとなり金属イオン（Ｍⁿ⁺）を溶出し、周辺部でカソード反応が生じ、耐食性のあるステンレス鋼も塩化物による孔食を生じる。」と記載されている。

母材であるステンレス鋼板の凝縮水発生側面にＮｉクラッド層を備えたクラッドシートを、使用することにより、孔食現象が発生しない。後述の実施例で示す如く、クラッドシートのＮｉクラッド層が減肉するのみである。

上記構成において、ステンレス鋼板は、フェライト系又はオーステナイト系とする。フェライト系においては、オーステナイト系に比して、熱膨張係数が小さく、熱疲労性の見地から望ましく、また、Ｎｉ含有率が低いため、コスト変動リスクの見地から望ましい。他方、オーステナイト系においては、フェライト系に比して、機械的性質である「伸び」が大きいため、三次元形状のものに加工する見地から望ましい。

通常、母材であるステンレス鋼板の厚さは、0.１〜２.０ｍｍ（望ましくは0.５〜1.５ｍｍ）とし、クラッド層の厚さは、１５〜１５０μｍ（望ましくは２０〜１００μｍ）とする。

本発明の自動車用排気系部品は、ＥＧＲシステムを備えている内燃機関に適用することが望ましい。ＥＧＲを備えた内燃機関では、排気系凝縮水が発生し易くて、孔食が発生し易いためである。

本発明を適用する排ガス熱交換器の一例を示す縦断面図である。図１の２−２線断面である。図１の伝熱管構成部の分解斜視図である。本発明における孔食試験に適用した試験片の断面図である。各試験片（実施例の各ステンレス鋼板）の孔食試験の結果を示すグラフ図である。実施例のクラッド層における試験サイクル数とクラッド層減肉量との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

ここでは、図１〜３に示す排ガス熱交換器（多管式）を例に採り説明する。

図例の熱交換器１１は、角筒胴体１４内に、両端に配された導入側・導出側保持板１３、１５を介して、複数本の伝熱管群１９、１９…が配設されている。角筒胴体１４の両端には四角錐台状の導入側・導出側整流筒部（整流部）２１、２３が接続され、さらに、各整流筒部２１、２３の端部には導入側・導出側フランジ２５、２７を備えて、第一流体（高温ガス）が伝熱管群１９、１９…内を導通可能となっている。

また、角筒胴体１４の上下には、導入・排出ノズル２９、３１を備え伝熱管群１９、１９…の外側に第二流体（冷却水）を導通可能となっている。

なお、各伝熱管１９は、伝熱効率向上の観点から伝熱管本体１９ａ内に矩形波形の波板の伝熱フィン１９ｂを備えたものである。

これらの相互部品間は、殆どがロウ付け接合されている（一部溶接接合されている。）。即ち、導入側・導出側フランジ２５、２７と整流筒部２１、２３、整流筒部２１、２３と角筒胴体１４、角筒胴体１４と導入・排出ノズル２９、３１、等は全周に亘り、さらに、伝熱フィン１９ｂと伝熱管本体１９ａはそれぞれ接合部において、ロウ付け固定されている（図１・２の薄墨着色部）。

そして、本実施形態ではロウ付けは、高温流体（排ガス：800℃前後）が流れることを想定して、融点（液相温度）1000℃以上のＮｉ合金ロウを使用する。ロウ付け時の加熱温度は1050〜1200℃とする。

ここで、ステンレス鋼としては、汎用の下記フェライト系又はオーステナイト系とすることが望ましい。即ち、本発明は、Ｃｒ含量２５％以下、さらには、２０％以下のフェライト系、又は、Ｎｉ含量２５％（さらには２０％）以下かつＣｒ含量２６％以下（さらには２０％）以下のオーステナイト系など、インコネルなどの高Ｎｉ材に比して低耐食であるステンレス鋼に適用することが、効果が顕著となる。
・フェライト系：ＳＵＳ４３０・４３６・４４４・４４５系等
・オーステナイト系：ＳＵＳ３０４・３１０・３１２・３１６・３２１系等

そして、上記構成の熱交換器（ワーク）は、母材であるステンレス鋼板の少なくとも凝縮水発生側面にＮｉクラッド層を備えたクラッドシートで形成されている。具体的には、導入側・導出側整流筒部（整流部）２１、２３や伝熱管群１９、１９、…の各内面および伝熱フィン１９ｂの両面にクラッド層を備えたクラッドシートで形成する。

ここで、母材（ステンレス鋼板）の厚さは、使用部位により異なるが、0.１〜2.０ｍｍ、望ましくは、0.１〜1.５ｍｍの範囲から適宜選定する。母材（ステンレス鋼板）の厚さが薄くては、所要の強度を確保し難く、また、厚すぎては、重量増大につながるとともに、伝熱性低下につながる。

そして、クラッド層の厚さは、１５〜１５０μｍ、望ましくは２０〜１００μｍとする。クラッド層の厚さが薄すぎては、耐孔食性を含めた所要の耐食性を得難く、厚すぎては、過剰品質となるとともに、上記の如く、重量増大ないし伝熱性低下につながる。

以下、本発明の実施例について、比較例とともに行なった試験例について説明する。

先ず、実施例（Ｎｉクラッドシート）及び比較例（各種ステンレス鋼）の試験片を調製する。

各試験片の大きさは、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍｔにカットしたものとした。なお、実施例のクラッドシート（Ｎｉクラッドステンレス鋼）は、図４に示すような断面構成の母材ステンレス鋼がフェライト系であるものとした。各試験片は、熱処理条件を同じにするため、慣用のロウ付け熱処理を施した。

そして、各試験片（ＴＰ）について、表１に示す条件で５０サイクルの腐食促進サイクル試験を行った。

なお、試験液は、出願人が社内品質管理用としている模擬凝縮液（硫化物イオンおよび塩化物イオン含有）を用いた。

そして、５０サイクル試験後の各試験片について、孔食深さ（μｍ）を、顕微鏡による焦点深度法により測定した。

図５に示す孔食深さの結果から、実施例は、５０サイクル経過後も孔食が全く発生しなかった。これに対して、ニッケル基合金（ＮＣＦ６２５）を除く比較例（各ステンレス鋼）は全て孔食が発生した。

また、３０×３０×１ｍｍｔのステンレス鋼板（ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ）にニッケル電解めっきを施したもの（めっき厚：３０μｍ）についても、同様に腐食促進サイクル試験を行った。

めっきした対照例は、表２に示す。５サイクルで剥がれが発生したのに対し、実施例は５０サイクルまで表面良好（孔食や剥がれが発生せず）であった。同時にクラッド層の減肉量を測定した。

その結果を示す図６から、本発明におけるＮｉクラッド層の厚さ（肉厚）は、１５μｍ（望ましくは２０μｍ）以上あればよいことが伺える。

１１熱交換器
１３導入側保持板
１４角筒胴体
１５導出側保持板
１９伝熱管
１９ｂ伝熱フィン

Claims

内燃機関の自動車用排気系部品において、
該自動車用排気系部品が、母材であるステンレス鋼板の少なくとも凝縮水発生側面にＮｉクラッド層を備えたクラッドシートで形成されていることを特徴とする自動車用排気系部品。
前記母材が、フェライト系又はオーステナイト系であることを特徴とする請求項１記載の自動車用排気系部品。
前記母材がフェライト系で厚さが0.１〜2.０ｍｍであるとともに、前記クラッド層の厚さが１５〜１５０μｍであることを特徴とする請求項２記載の自動車用排気系部品。
前記母材がオーステナイト系で厚さが0.１〜2.０ｍｍであるとともに、前記クラッド層の厚さが１５〜１５０μｍであることを特徴とする請求項２記載の自動車用排気系部品。
前記クラッド層の厚さが２０〜１００μｍであることを特徴とする請求項３又は４記載の自動車用排気系部品。
前記内燃機関が、排気再循環（ＥＧＲ）システムを備えていることを特徴とする請求項５記載の自動車用排気系部品。
前記自動車用排気系部品が、多管式熱交換器であることを特徴とする請求項１〜６いずれか一記載の自動車用排気系部品。