WO2011001977A1

WO2011001977A1 - 内燃機関燃料噴射ノズル、ノズル素材およびその製造方法

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Publication number: WO2011001977A1
Application number: PCT/JP2010/061054
Authority: WO
Inventors: 正宏木村; 真洋新澤; 敦也青木; 大宮　隆雄; 貴幸後藤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2011-12-30
Also published as: JP5518861B2; CN102472224A; JPWO2011001977A1; EP2450557B1; EP2450557A4; KR20120026580A; KR101452034B1; CN102472224B; EP2450557A1

Abstract

工程が簡素で、生産性高く、しかも安価で、精度高く製造できる、内燃機関燃料噴射ノズル、ノズル素材およびその製造方法を提供する。　内燃機関燃料噴射ノズルを、ノズル本体とその先端部外面側を覆うように配設されたノズル先端部外面側材とからなる異種材料製の二層構造とする。ノズル本体は金属粉末射出成形法で所定の形状に成形して成形体とし、ついで脱脂工程を施しノズル本体脱脂体とする。これとは別に同様にノズル先端部外面側材を金属粉末射出成形法で所定の形状に成形して成形体とし、ついで脱脂工程を施しノズル先端部外面側材脱脂体とする。ノズル先端部外面側材脱脂体をノズル本体脱脂体の先端部外面側を覆うように重ね合わせ、ついで、拡散焼結して、接合一体化する。なお、拡散焼結の後に、熱間等方圧プレス処理を施すことが好ましい。

Description

内燃機関燃料噴射ノズル、ノズル素材およびその製造方法

　本発明は、内燃機関燃料噴射用ノズルに係り、内燃機関のうち、とくにディーゼルエンジン用として好適な、耐久性に優れ安価な燃料噴射ノズル、ノズル素材およびその製造方法に関する。

　船舶等用の内燃機関の燃焼室内に配置される燃料噴射ノズル１は、従来から、例えば図５の断面図に示されるように、一方の端部には噴射口2aが、他方の端部にはニードルバルブ３の弁座４が形成されたノズルヘッド（ノズル）２と、該ノズルヘッド（ノズル）２の弁座４に当接可能に配設されたニードルバルブ３とを有し、燃料タンク（図示せず）から燃料通路1aを介し供給された燃料を、所定のタイミングで噴射口2aから噴射可能とする構造とされていた。このため、耐熱性、耐エロージョン性を考慮して、ノズルヘッド（ノズル）２は、例えば、高速度工具鋼ＳＫＨ51を用いて製作されていた。

　しかし、近年の、エンジンの高性能化にともなう苛酷な使用条件下では、このようなノズルヘッド（ノズル）では、耐久性が低く、ノズルヘッド（ノズル）の更なる寿命延長のために、耐久性の向上が熱望されていた。
　このような要望に対し、例えば特許文献１には、ノズルチップ（ノズル）の寿命を向上させることのできる、ディーゼル機関用燃料噴射ノズルが提案されている。特許文献１に記載された技術では、ノズルチップ（ノズル）を高Ni－Cr－Al系合金で形成し、さらにはノズルチップ（ノズル）と弁座とを別体とし、弁座の材料をノズルチップ（ノズル）の材質よりも硬度の高い材料とするとしている（第１図、第２図参照）。また、特許文献１に記載された技術では、さらにノズルチップ（ノズル）を先端部と基端部とを別体とし、燃焼室内に露出される先端部を高Ni－Cr－Al系合金で、装着用キャップで覆われる基端部をノズルチップ（ノズル）の材質よりも硬度の高い材料とし、両者を冶金的に接合して一体とすることが好ましいとしている。特許文献１に記載された技術によれば、ノズルチップ（ノズル）寿命を著しく延長できるとしている。

　また、特許文献２には、Ｃ，Al，Ti，Fe，Ｎ，Ｏ及び酸化イットリウムとともに合金化されてなるメカニカル合金化クロム・ニッケル鋼からなる噴射ノズル用ノズルヘッド（ノズル）が提案されている。特許文献２に記載された技術によるノズルヘッド（ノズル）は、ディーゼルエンジンのような内燃機関の燃焼室における浸食的、化学的及び熱的環境においても、従来のノズルヘッド（ノズル）に比して、期間として約２倍の耐用年数を持つとしている。なお、特許文献２には、噴射ノズル用ノズルヘッド（ノズル）を「インコネルアロイＭＡ７５８」（商標名）という名称の合金で製造すると、耐用年数が２倍又は３倍となるという記載がある。

　特許文献１、特許文献２に記載された技術では、噴射ノズル用ノズルヘッド（ノズル）の少なくとも、内燃機関の燃焼室内に露出される先端部を、高Ni－Cr－Al系合金、あるいはメカニカル合金化クロム・ニッケル鋼製として、噴射ノズル用ノズルヘッド（ノズル）の耐久性を向上させている。そして、特許文献１に記載された技術では、噴射ノズル用ノズルヘッド（ノズル）の先端部と基端部とを異種材料製の別体とし、溶接、圧接等の冶金的接合により一体化することが好ましいとしている。

　また、特許文献５には、図８に示すような形式の燃料噴射ノズルが記載されている。特許文献５に記載された燃料噴射ノズル１は、単一体の基体（中心部材）２ｂと、その下部末端に被覆（外被）２ｃを被せたノズルヘッド（ノズル）２を含んでいる。基体２ｂの長手軸方向には、上部領域と、その下部に配置されノズルニードル（ニードルバルブ）３の水圧作動のための圧力室と、その下部に配置される下部領域とを有する長手軸方向穴が形成されている。特許文献５に記載された技術では、被覆（外被）２ｃを高温腐食耐性合金で形成するとしている。基体への高温腐食耐性合金製被覆の接合は、レーザ適用法、プラズマスプレー、溶接又は粉末冶金法などが適切であるとしている。

　このような異種材料を組み合わせた構造のノズルの製造方法としては、先端部と基端部とを別体とし、溶接、圧接等の冶金的接合を用いることに代えて、最近では、例えば、蝋付けを利用した接合を用いるノズルの製造方法が提案されている。
　例えば、特許文献３には、図６に示すような形式のノズルが記載されている。特許文献３に記載されたノズル２は、多数のノズル穴（噴射口２ａ）と連通している中心の長手方向チャンネルを有し下方部分を備えた中心部材２ｂと該中心部材の下方部分を包囲する外被２ｃとからなり、該中心部材２ｂと該外被２ｃとを相互に蝋付けされてなるノズルである。そして、特許文献３に記載された技術では、外被２ｃを耐食性合金で、中心部材２ｂを±500MPaの疲労強度を有する鉄系合金で構成するとしている。これにより、長寿命のノズルが提供できるとしている。なお、特許文献３に記載された技術では、ニードルバルブ３が、噴射の終了時に噴射穴２ａを迅速に閉じるためのリング形状の閉塞部材３ａを担持している。しかし、特許文献３に記載された技術では、蝋付け工程が複雑で生産性の低下を招くという問題があった。

　また、特許文献４には、図７に示すような形式のディーゼルエンジン燃料バルブ用ノズルが記載されている。特許文献４に記載されたノズルは、外側領域（外被）２ｃを耐食性の第一の合金からなる第一の材料で、外側領域以外のその他の領域（中心部材）２ｂを第二の合金からなる第二の材料で構成し、その間の境界領域が微小ひび割れが存在しない固化された（一体形成された）構造を有する材料からなるとしている。特許文献４に記載された技術では、第一の合金は、耐食性を有する合金とし、第二の合金は第一の合金より高い疲労強度を有する合金とすることが好ましいとしている。

実開平１－134773号公報特開平７－19147号公報特表2005－537438号公報特表2006－502334号公報特開2000－73919号公報

　特許文献４には、先端部が異種材料の二層構造となるノズルを製造する方法の一例として、例えば、図４に示すような、粉末冶金を利用した方法が示されている。
　ノズルの外側領域（ノズル先端部外面側）以外の領域を形成する中子部材（芯材）10を、第二の合金からなる溶製材等で予め所定の形状（完成品となるノズル２の内面側材22に近似した形状）に成形しておく。そして、成形された中子部材（芯材）10を、鋳型（容器）100内に、挿入する。鋳型100は、底壁14、側壁15、カバー16、充填ノズル17から構築されている。ついで、鋳型（容器）100内に充填ノズル17を介して、ノズルの外側領域（ノズル先端部外面側）を構成する第一の合金の粉末を、中子部材（芯材）10の周りの空洞部へ充填する。その後、必要に応じて鋳型は吸引され、気密状態になるように閉鎖される。その後、鋳型100を、所定の温度に加熱して、熱間等方圧プレス処理（ＨＩＰ処理）を施すとともに焼結されて、孔が無い濃密なボディと固化され、先端部が異種材料の二層構造となるノズル用素材となる。この素材を機械加工して、所望形状のノズル２（完成品）とする。

　しかし、この方法では、外被（ノズル先端部外面側材）21を構成する高価な材料を多量に使用し、しかも大部分を機械加工で除去する必要があり、材料コストが高くなり、燃料噴射ノズルの製造費が高騰するという問題がある。また、外被（ノズル先端部外面側材）を構成する材料は、硬く加工が難しい難加工材であることが多く、機械加工に長時間を必要とし、燃料噴射ノズルの生産性が低下するという問題もある。

　本発明は、このような従来技術の問題を解決し、少なくとも図６～図８に示すような形式の内燃機関燃料噴射用ノズルに適用可能であり、製造工程が簡素で、生産性高く、しかも安価で、精度高く製造できる、内燃機関燃料噴射ノズル、ノズル素材およびその製造方法を提供することを目的とする。なお、本発明が対象とするノズルは、内燃機関、なかでもディーゼルエンジンの燃料噴射ノズル用である。ディーゼルエンジンは、４ストローククロスヘッドエンジンとしてもよいが、とくに２ストローククロスヘッドエンジンとすることが好ましい。このエンジンは、硫黄を含むことさえある重燃料オイルでしばしば作動する。このため、このエンジンで使用するノズルには、ノズルの長寿命が厳しく要求される。

　本発明者らは、上記した目的を達成するため、金属粉末射出成形法（ＭＩＭ法）の適用を想到した。そして、ＭＩＭ法を適用し、ノズルを構成する、ノズル本体22と、該ノズル本体22とは異種の材料製で、該ノズル本体の先端部外面側を覆うノズル先端部外面側材21とを別々に成形することに思い至った。そして、それらを重ね合わせ（組み合わせ）、接合して一体化すれば、一回の成形、接合処理で完成品に近い形状に成形でき、材料コスト、機械加工コストの低減を図れるとともに、生産性が顕著に向上することを知見した。
　本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を重ねて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。

　（１）ノズル本体と該ノズル本体とは異種の材料製で、該ノズル本体の先端部外面側を覆うように配設されたノズル先端部外面側材とからなる内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材であって、前記ノズル本体が金属粉末射出成形法で成形されたもので、前記ノズル先端部外面側材が、前記ノズル本体とは別に金属粉末射出成形法で成形されたものであり、該ノズル本体と該ノズル先端部外面側材とを重ね合わせ、接合一体化してなることを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材。

　（２）（１）において、前記ノズル本体が熱間金型用合金工具鋼製または高速度工具鋼製であり、前記ノズル先端部外面側材がNi基超合金製であることを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材。
　（３）（１）または（２）に記載のノズル素材に、所定の噴射口、中心孔を仕上加工してなる内燃機関燃料噴射ノズル。

　（４）ノズル本体と該ノズル本体とは異種の材料製で、該ノズル本体の先端部外面側を覆うように配設されたノズル先端部外面側材とからなる内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法であって、前記ノズル本体を金属粉末射出成形法で所定の形状に成形しノズル本体成形体としついで該ノズル本体成形体に脱脂工程を施しノズル本体脱脂体とし、これとは別に前記ノズル先端部外面側材を金属粉末射出成形法で所定の形状に成形しノズル先端部外面側材成形体とし、ついで該ノズル先端部外面側材成形体に脱脂工程を施しノズル先端部外面側材脱脂体としたのち、該ノズル先端部外面側材脱脂体を前記ノズル本体脱脂体の先端部外面側を覆うように重ね合わせて配設し、ついで、拡散焼結して、前記ノズル先端部外面側材脱脂体と前記ノズル本体脱脂体とを接合一体化し、内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材とすることを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。

　（５）（４）において、前記拡散焼結の後に、熱間等方圧プレス処理を施すことを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。
　（６）（４）または（５）において、予め、前記拡散焼結に際し、前記ノズル先端部外面側材脱脂体と前記ノズル本体脱脂体の接合界面に接合用塗布剤を塗布することを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。

　（７）（６）において、前記接合用塗布剤が、前記ノズル本体または前記ノズル先端部外面側材を構成する金属粉末と同種の金属粉末と水溶性糊状物質とを水で希釈したペースト状の塗布液であること特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。
　（８）（４）ないし（７）のいずれかにおいて、前記ノズル本体が熱間金型用合金工具鋼製または高速度工具鋼製であり、前記ノズル先端部外面側材がNi基超合金製であることを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。

　本発明によれば、異種材料の成形体をＭＩＭ法で、別々に完成品（製品）の形状に近い、ニアネット形状に成形したのち、重ね合わせて接合し一体化するので、その後の機械加工工程を短縮でき、生産性高く、しかも安価に、寸法精度に優れた、異種材料の二層構造を有する内燃機関燃料噴射ノズルを製造でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明のノズル素材の断面形状の一例を模式的に示す説明図である。本発明のノズル素材の製造工程を模式的に示す説明図である。本発明のノズル素材の接合部の好ましい断面形状の例を模式的に示す説明図である。従来のノズル素材の製造工程の一例を模式的に示す説明図である。内燃機関用燃料噴射ノズルの構成の一例を示す断面図である。内燃機関用燃料噴射ノズルの構成の一例を示す断面図である。内燃機関用燃料噴射ノズルの構成の一例を示す断面図である。内燃機関用燃料噴射ノズルの構成の一例を示す断面図である。

　内燃機関用燃料噴射ノズルに用いられる本発明の内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材20は、図１に示すように、ノズル本体22と、該ノズル本体22の先端部外面側を覆うように、ノズル先端部外面側材21を配設した構造を有する。ノズル先端部は、ノズル本体22とノズル先端部外面側材21との界面で、冶金的に接合した状態を呈する。
　ノズル２の先端部は、内燃機関の燃焼室に露出するように配置されるため、燃焼室内の浸食的、化学的及び熱的な負荷に晒される。このような負荷に抗するため、ノズル素材20の先端部は、ノズル本体22とは異なる耐熱、耐食性、耐浸食性に優れた材料製のノズル先端部外面側材21で覆われる。耐熱、耐食性、耐浸食性に優れた材料としては、Ni基超合金、Co基超合金、Fe基超合金等が挙げられ、Ni基超合金としては、インコネル625合金、インコネル686合金等が、Co基超合金としては、S-816合金、Fe基超合金としては、インコネル800合金等例示できる。

　なお、インコネル625合金としては、質量％で、Ｃ：0.1％以下，Si：0.5％以下，Mn:0.5％以下、Cr：20.0～23.0％、Mo：8.0～10.0％、Nb：3.15～4.15％、Fe：５％以下を含み、残部Niおよび不可避的不純物からなる組成とすることが好ましい。なお、さらに、Ti：0.4％以下、Al：0.4％以下を含んでも良い。なお、MIM法を用いる場合には、Ti、Alは無添加とし、不可避的不純物とすることが好ましい。不可避的不純物としてTiは0.15％以下、Alは0.1％以下が許容できる。

　また、ノズル本体22は、内面側で、ニードルバルブが摺動し、あるいは弁座に着座を繰り返すため、耐摩耗性に優れた材料製とすることが好ましい。耐摩耗性に優れた材料としては、ＳＫＤ61等のJIS G 4404－2006に規定された熱間金型用の合金工具鋼や、SKH51等のJIS G 4403－2006に規定された高速度工具鋼、トリバロイ、ステライト等の合金等が挙げられる。

　なお、ノズル本体22とノズル先端部外面側材21との接合面積を大きくして接合強度を向上させるために、ノズル本体22とノズル先端部外面側材21との接合部の形状を、図３に示す各種形状としてもよい。図１に示したノズル素材20では、図３（ａ）に示す接合部形状としているが、接合面積をより大きくするという観点からは、図３（ｂ）～（ｄ）とすることが好ましい。また、接合部の形状を断面で直線状としたい場合には、図３（ｅ）に示す接合部形状が考えられるが、この接合部形状では加工は容易となるが接合面積が少なくなるため、図３（ｆ）のような形状とすることがより好ましい。

　本発明になるノズル素材20は、金属粉末射出成形法で別々に、ニアネット形状に成形されたノズル本体22とノズル先端部外面側材21とを、重ね合わせして組み合せ、拡散焼結により接合して一体化したものである。そして、ノズル本体22とノズル先端部外面側材21との界面は、冶金的に強固に接合していることは言うまでもない。
　つぎに、本発明ノズル素材の好ましい製造方法について説明する。

　まず、ノズル本体22またはノズル先端部外面側材21を、それぞれ金属粉末射出成形法で図２に示すような所定の形状（断面図）に成形し、ノズル本体成形体（Ａ）、またはノズル先端部外側材成形体（Ｂ）とする。なお、使用する金属粉末射出成形法は、常用の金属粉末射出成形法（ＭＩＭ）がいずれも適用できる。
　金属粉末射出成形法では、金属粉末と、あるいはさらに炭素粉末等の合金用粉末と、バインダーとを加熱、加圧して混合する混練工程と、冷却固化した混練物を粉砕する粉砕工程を経て得られた混練物を射出成形機によって、所定の形状に加工された金型内に可塑化された混練物を射出成形し、冷却固化させて、所定形状の金属粉末射出成形体を得る。

　使用する金属粉末としては、水アトマイズ法、あるいはガスアトマイズ法で製造された金属粉末がいずれも好適であり、ノズル本体では、JIS G 4404－2006に規定されたＳＫＤ61等の熱間金型用の合金工具鋼や、JIS G 4403－2006に規定されるSKH51等の高速度工具鋼や、トリバロイ、ステライト等の耐摩耗性に優れた材料の粉末とすることが、また、ノズル先端部外面側材では、耐熱、耐食性、耐浸食性に優れた、Ni基超合金、Co基超合金等、Fe基超合金の粉末とすることが好ましい。なお、水アトマイズ粉末、ガスアトマイズ粉末に代えて、鉄、Niのカルボニル粉末を使用して目的の材料組成としてもよい。

　なお、使用するバインダーとしては、通常の金属粉末射出成形用のバインダーがいずれも適用できるが、ワックス成分と、プラスチックス成分とさらに植物油とを配合したバインダーとすることが好ましい。
　ワックス成分は、脱脂処理時に主として抽出される成分であり、その種類を限定する必要はないが、好ましいワックス成分としては、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等が例示できる。

　また、配合するプラスチックス成分は、ポリプロピレン、ポリエチレン、アタクチックポリプロピレン、エチレン－酢酸ビニール共重合体（EVA）等の熱可塑性樹脂が例示できるが、なかでもポリプロピレンまたはポリエチレンとすることが成形性と製造コストの観点から好ましい。
　植物油としては、不乾性の植物油とすることが好ましい。不乾性の植物油としては、落花生油、ひまし油、オリーブ油、サラダ油が例示でき、それらのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。上記した範囲のワックス成分とプラスチックス成分に加えて、植物油を配合することにより、バインダーの凝固点が低下して、バインダーの流動性が向上し、金属粉末やプラスチックス粉末へのバインダーのなじみ性等が向上するとともに、冷却時の収縮量が低減して、成形体の割れの発生が抑制され、さらには金型からの離脱性が向上する。

　ついで、得られたノズル本体成形体またはノズル先端部外面側材成形体に、脱脂工程を施し、ノズル本体脱脂体またはノズル先端部外面側材脱脂体とする。本発明で好適に使用できる脱脂工程としては、溶剤脱脂処理、加熱脱脂処理のいずれでもよい。なお、溶剤脱脂処理を行う場合には、溶剤脱脂処理でバインダーの一部を除去し、さらに残部を、焼結処理を兼ねた脱脂焼結処理で除去することが好ましい。また、脱脂工程は、溶剤脱脂、加熱脱脂に代えて、超臨界二酸化炭素脱脂としてもよい。

　脱脂工程を施されたノズル先端部外面側材脱脂体は、接合面の異物等を除去した後、図２に示すように、同じく脱脂工程を施され、接合面の異物等を除去されたノズル本体脱脂体の先端部外面側を覆うように重ね合わせて配設し、重ね合わせ体（Ｃ）として、ついで、拡散焼結による接合を行う。これにより、ノズル先端部外面側材脱脂体とノズル本体脱脂体とを接合一体化できる。

　拡散焼結の温度は、1150～1400℃の範囲の温度とすることが好ましい。拡散焼結の温度が1150℃未満では、所望の拡散焼結が進行せず、所望の界面の接合強度を確保できない。一方、1400℃を超える温度では、結晶粒が粗大化し、機械的特性が劣化する。なお、より好ましくは1150～1300℃である。なお、拡散焼結の雰囲気は、真空雰囲気、あるいはアルゴン等の不活性ガス、あるいは窒素等を用いた減圧雰囲気とすることが好ましい。

　また、ノズル先端部外面側材脱脂体とノズル本体脱脂体とを重ね合わせて重ね合わせ体（Ｃ）とした際に、界面に隙間が生じるような場合などでは、確実に接合一体化させるために、接合界面に接合用塗布剤を塗布してもよい。接合用塗布剤としては、ノズル本体またはノズル先端部外面側材を構成する金属粉末と同種の金属粉末と水溶性糊状物質とを水で希釈したペースト状の塗布液とすることが好ましい。ここで、水溶性糊状物質は、水に溶けて糊状を呈する物質をいい、穀類の澱粉質を原料として、糊状に形成したものを指す。なお、穀類としては小麦、米、豆類、馬鈴薯、タピオカ等が例示できる。澱粉質糊状物質は、市販のでんぷん糊を使用してもなんら問題ない。澱粉質糊状物質以外の水溶性糊状物質としては、ＰＶＡ等が挙げられる。なお、ペースト状の塗布液の配合は、金属粉末を65～90質量％、残部が５～34質量％の水と澱粉質糊状物質との混合物とすることが好ましい。

　重ね合わせ体（Ｃ）は、拡散焼結を施され、接合一体化されて結合体とされる。本発明では、この結合体に、さらに、熱間等方圧プレス処理（以下、ＨＩＰ処理ともいう）を施すことが好ましい。拡散焼結後にさらにＨＩＰ処理を施すことにより、界面はさらに強固な接合状態を呈するようになり、さらに焼結密度も真密度のほぼ100％まで向上する。これにより、ノズルの耐疲労特性が向上し、焼結材であるにもかかわらず、溶製材と同等またはそれ以上の疲労強度を確保することができるようになる。なお、ＨＩＰ処理は、処理温度：1000～1300℃、50MPa以上好ましくは100～200MPa程度の圧力で、アルゴンまたは窒素雰囲気中で行うことが好ましい。また、ＨＩＰ処理を施された結合体は、ＨＩＰ処理後直ちに、ノズル本体の機械加工性改善という観点から、炉中で冷却（炉冷）することが好ましい。なお、ＨＩＰ処理後、炉冷せずに冷却し、その後別工程で焼きなまし処理を行ってもよい。

　このように一体化されたノズル素材20は、ついで仕上加工を施され所望の製品寸法形状を有するノズル２となる。仕上加工としては、主として切削加工等の機械加工であるが、金属粉末射出成形法でニアネット形状に成形されているため、加工量はわずかで済む。
　なお、ノズル本体とノズル先端部外面材とをそれぞれ別体として成形し接合体としてノズルとすることに代えて、金属粉末射出成形法の２色成形法を利用してノズル本体にノズル先端部外面材を接合一体化して製造することもできる。

　得られたノズル素材20に、切削加工等の機械加工により、例えば図６～図８に示される各形式の燃料噴射ノズルに対応した、所定の位置に所定寸法形状の噴射口2a、中心孔を仕上加工し、ノズル２とすることが好ましい。
　以下に、実施例に基づいて本発明についてさらに詳細に説明する。

　水アトマイズ法で製造した、原料粉末を２種、用意した。なお、原料粉末は、平均粒径５～15μmのものを使用した。原料粉の１種は、ＳＫＤ61鋼粉とし、ノズル本体用とした。また他の原料粉は、Ｎｉ基超合金粉末とし、ノズル先端部外面側材用とした。ＳＫＤ61鋼の組成は、質量％で、0.35％Ｃ－0.97％Si－0.40％Mn－4.93％Cr－1.21％Mo－1.01％Ｖ－bal.Feであった。また、Ｎｉ基超合金の組成は、質量％で、0.02％Ｃ－0.18％Si－0.23％Mn－21.8％Cr－8.9％Mo－3.9％Nb－2.4％Fe－bal.Niであった。　　

　この原料粉にバインダーを40体積％となるように配合し、120～180℃の温度で、混練し、射出成形用混練物とした。バインダーは、ワックス成分（ＰＷ）、プラスチック成分（ＰＥ）、植物油成分（落花生油）を混合、加熱攪拌して用いた。配合量は、ワックス成分：プラスチック成分：植物油成分の比で、35：40：25とした。これら混練物を冷却固化したのち、粉砕して、射出成形機に投入し、シリンダ温度：110～180℃とし、可塑化し、所定の圧力（100MPa）で所定の金型に射出し、図２に示すような形状のノズル本体成形体（Ａ）、ノズル先端部外面側材成形体（Ｂ）とした。

　得られた成形体Ａ，Ｂについて、溶剤脱脂処理による脱脂工程を施し、各脱脂体を得た。なお、脱脂条件は、温度：30℃、溶剤は塩化メチレンとした。
　得られたノズル本体脱脂体（Ａ）と、ノズル先端部外面側材脱脂体（Ｂ）とを重ね合わせ、図２に示すような重ね合わせ体（Ｃ）とした。
　ついで、重ね合わせ体（Ｃ）を、減圧窒素雰囲気中で加熱（加熱温度：1250℃）し、該温度で拡散焼結（焼結時間：２ｈ）して、一体化させ、結合体とした。拡散焼結後、一部については、さらにＨＩＰ処理を施した。ＨＩＰ処理の条件は、アルゴン雰囲気中の1200℃で、圧力：117MPaとした。なお、一部では重ね合わせるに際し、界面に接合用塗布剤を塗布した。

　得られた結合体に、機械加工を施し所定寸法の製品を得た。
　なお、比較例として、図４に示す従来の方法で、同じ寸法のノズルを作製した。
　得られた結合体（ノズル）について、界面の接合状態の観察、引張試験、疲労試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。
（１）界面の接合状態の観察
　得られた結合体について、結合体の軸方向断面を光学顕微鏡（倍率：200倍）を用いて観察し、接合界面の接合状態を評価した。観察した接合界面の全長さの２％以上に隙間が観察される場合を×、隙間が２％未満～0.5％以上の場合を△、隙間が0.5％未満である場合を○として、界面の接合状態を評価した。
（２）引張試験
　ノズル本体と同じ原料粉、およびノズル先端部外面側材と同じ原料粉を用い、射出成形機を用いてそれぞれ丸棒に射出成形し、成形した丸棒同士を、上記した結合体の接合条件と、同じ条件で接合した。得られた丸棒から引張試験片を採取し、引張試験を実施し、強度を求め、界面の接合状態を評価した。なお、強度は、比較例である製品No.４を基準（1.0）として相対比で示した。
（３）疲労試験
　ノズル本体と同じ原料粉（ＳＫＤ61粉末）を用いて、射出成形機により丸棒状に成形したのち、脱脂、焼結を行った。得られた丸棒から、疲労試験片（６mmφ×平行部10mm長さ）を採取し、引張－圧縮疲労試験（負荷応力：±700～1000MPa、周波数：10Hz）を実施し、S－N曲線から疲労限を求めた。なお、比較例（製品No.４）はＳＫＤ61（溶製材）製とした。疲労限は、この比較例の値を基準（1.0）として相対比で示した。ノズルでは、ノズル本体の疲労強度（疲労限）が問題とされるため、ノズル本体のみについて疲労試験を実施した。

　得られた結果を、表１に示す。

　本発明例はいずれも、比較例と同等もしくはそれ以上の界面の接合状態、疲労強度を示し、さらに、生産性、コストは比較例にくらべ、格段の向上が認められる。

１　燃料噴射ノズル
1a　　燃料通路
２　　ノズル
2a　　噴射口
2b 中心部材（外側領域以外の領域）
2c 外被（外側領域）
20 ノズル素材
21 ノズル先端部外面側材（外被）
22 ノズル本体（芯材）
３　　ニードルバルブ
3a　　閉塞部材
４　　ニードルバルブ用弁座（弁座）
10 芯材
14 底壁
15　　側壁
16　　カバー
17　　充填ノズル
100 容器（鋳型）

Claims

　ノズル本体と該ノズル本体とは異種の材料製で、該ノズル本体の先端部外面側を覆うように配設されたノズル先端部外面側材とからなる内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材であって、前記ノズル本体が金属粉末射出成形法で成形されたもので、前記ノズル先端部外面側材が、前記ノズル本体とは別に金属粉末射出成形法で成形されたものであり、該ノズル本体と該ノズル先端部外面側材とを重ね合わせ、接合一体化してなることを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材。
　前記ノズル本体が熱間金型用合金工具鋼製または高速度工具鋼製であり、前記ノズル先端部外面側材がNi基超合金製であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材。
　請求項１または２に記載のノズル素材に、所定の噴射口および中心孔を仕上加工してなる内燃機関燃料噴射ノズル。
　ノズル本体と該ノズル本体とは異種の材料製で、該ノズル本体の先端部外面側を覆うように配設されたノズル先端部外面側材とからなる内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法であって、前記ノズル本体を金属粉末射出成形法で所定の形状に成形しノズル本体成形体とし、ついで該ノズル本体成形体に脱脂工程を施しノズル本体脱脂体とし、これとは別に前記ノズル先端部外面側材を金属粉末射出成形法で所定の形状に成形しノズル先端部外面側材成形体とし、ついで該ノズル先端部外面側材成形体に脱脂工程を施しノズル先端部外面側材脱脂体としたのち、該ノズル先端部外面側材脱脂体を前記ノズル本体脱脂体の先端部外面側を覆うように重ね合わせて配設し、ついで、拡散焼結して、前記ノズル先端部外面側材脱脂体と前記ノズル本体脱脂体とを接合一体化し、内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材とすることを特徴とする内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。
　前記拡散焼結の後に、熱間等方圧プレス処理を施すことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。
　前記拡散焼結に際し、予め、前記ノズル先端部外面側材脱脂体と前記ノズル本体脱脂体の接合界面に接合用塗布剤を塗布することを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。
　前記接合用塗布剤が、前記ノズル本体または前記ノズル先端部外面側材を構成する金属粉末と同種の金属粉末と水溶性糊状物質とを水で希釈したペースト状の塗布液であること特徴とする請求項６に記載の内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。
　前記ノズル本体が熱間金型用合金工具鋼製または高速度工具鋼製であり、前記ノズル先端部外面側材がNi基超合金製であることを特徴とする請求項４ないし７のいずれかに記載の内燃機関燃料噴射ノズル用ノズル素材の製造方法。