JP3142224B2 - フェライト系耐熱鋳鋼およびこれを用いたディーゼルエンジン予燃焼室部材 - Google Patents
フェライト系耐熱鋳鋼およびこれを用いたディーゼルエンジン予燃焼室部材Info
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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Description
に優れたフェライト系耐熱鋳鋼およびこれを用いたディ
ーゼルエンジン用予熱焼室部材に関するものである。
ば図1に示すようにシリンダヘッド2に予熱焼室4を有
している。この予燃焼室4には噴口5を有する予燃焼室
部材であるチャンバ3と燃料噴射ノズル6とグロープラ
グ7が設けられている。予燃焼室にはピストン1により
圧縮された空気が、チャンバ3の噴口5を通過して流入
して、高い圧力の渦流を発生し、この状態で燃料噴射ノ
ズル6から燃料を噴射し着火される。着火による爆発
で、噴口5を通してピストン1の上面に高圧を作用さ
せ、ピストン1を押し下げる。したがってチャンバ3
は、非常に厳しい熱負荷がかかることになる。特に近年
ターボチャージャー等による過給機の搭載の一般化に伴
う高回転化あるいは排ガス規制による燃焼温度の上昇等
により、チャンバの噴口部周辺は部分的に900℃を超
える場合もあり、従来以上に耐熱、耐ヒートクラック性
の優れた材料が要求される。
ス精密鋳造法または機械加工、鍛造法で作られ、その要
求特性上材料は、SUH616等のマルテンサイト系耐
熱鋼、SUS310S、LCN155等のオーステナイ
ト系耐熱鋼又はNi基超耐熱合金が使用されていた。ま
た最近では特開昭63−47346号に記載されるよう
に熱負荷の高い噴口部周辺をNi基超耐熱合金、その他
の部分をマルテンサイト系耐熱鋼で形成する複合材、ま
た最近ではセラミック材の利用も考えられている。
ンバ材として使用する試みも行われている。たとえば、
特公昭46−18845号には、C0.05〜0.4
%、Si0.5〜1.0%、Mn0.2〜1.0%,C
r20〜23%,Mo0.5〜2.5%,W0.5〜
3.5%,Nb0.5〜3.5%残部Feの材料が知ら
れている。このフェライト系耐熱鋳鋼は、被削性、鋳造
性に優れ、耐ヒートクラック性の高い材料として有効で
ある。
は、上述した通り優れた耐熱性が必要であると同時に、
常に加熱、冷却が繰り返されるため、噴口部周辺の薄肉
部にヒートクラックが発生し、熱焼ガスのリーク、シリ
ンダヘッドの損傷につながる場合がある。これを最小限
にする為に熱間強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼や
Ni基超耐熱合金が使用されているが、これは熱膨張係
数が大きく、熱伝導率が低いため、加熱、冷却時の内部
応力が高くなり、また、極部的な蓄熱により、十分な耐
ヒートクラック性が得られないという問題が有った。マ
ルテンサイト系耐熱鋼は、耐酸化性が低く、またα→γ
への変態点での膨張、収縮により、十分な性能を発揮す
ることが困難である。
の耐熱および耐酸化性とマルテンサイトステンレス鋼の
高い熱伝導率を合わせ持ち、優れた耐ヒートクラック性
を有するが、部材コスト的に問題が有る。またセラミッ
ク材は靭性の問題および加工性が悪いため実用化に際し
ては、問題が有る。また従来のフェライト系耐熱鋼で
は、噴口周辺の結晶粒度が大きく、また結晶粒界が弱い
為、ヒートクラックの伝搬を助長する傾向に有った。本
発明は上記問題点に鑑み、被削性に優れ、安価であるフ
ェライト系耐熱鋳鋼の耐酸化性、高温強度を向上し耐ヒ
ートクラック性を高めた新しいフェライト系耐熱鋳鋼お
よびディーゼルエンジン予燃焼室部材を提供することを
目的とする。
ラック性が高いフェライト系耐熱鋳鋼に着目し、高温強
度、耐酸化性を兼ね備え、耐ヒートクラック性を一段と
向上させるためには、C、Nb、Cr量の適正化により
達成できることを見いだし本発明に到達した。すなわち
本発明は、重量比率でC:0.15〜0.3%以下、S
i:2.0%以下、Mn:1.0%以下、Cr:15〜
25%、Nb:2.0%を超え3.0%以下、残部Fe
および不可避的不純物からなり、Nb%/C%=10〜
15としてNbをフェライト基地に固溶させたことを特
徴とするフェライト系耐熱鋳鋼である。また好ましく
は、Niを0.1〜5.0%含有させる。またMoおよ
びWのどちらか一方または両方で3.0%以下含有して
も良い。
鋳鋼で形成されていることを特徴とするディーゼルエン
ジン用予熱焼室部材であり、好ましくは噴口部側の結晶
粒径を部材内部の結晶粒径よりも小さくする。
ェライト系耐熱鋳鋼においてC、Nb、Cr量の適正化
を行ったことである。その基本的な技術はまず、Cを
0.15〜0.3重量%とNbを2.0%を超えて3.
0重量%と高めに規定し、かつ化学量論的なNbとCの
化合物すなわちNbCの生成に必要なNbとCの重量比
Nb/C=7.73よりも顕著にNb量を増やすためN
b/Cを10以上として、炭化物とはならないNb量を
充分に確保すれば、結晶粒の著しい微細化が達成でき、
加えてフェライトマトリックスの強化を行なえることを
見いだしたことである。
物による粒界の強化による耐ヒートクラック性の改善が
充分ではなく、また溶湯の流動性が悪くなり、鋳造性が
劣化するので下限を0.15%とした。またCが0.3
0%を越えるとマルテンサイト組織となり、耐酸化性、
耐食性および加工性を劣化するとともに、Nbの多い合
金組成において、NbCの生成量が多くなりすぎ、鋳造
性を劣化するため、0.30%以下と規定した。
ラック性の確保にとって最も重要な元素の一つである。
本発明においては、NbCの化合物が生成するのに必要
なNb量、すなわち重量比でNb/C=7.73よりも
Nbを顕著に多く(Nb/C:10〜15)添加するも
のである。これにより本発明においては、Nbをフェラ
イトマトリックスに固溶させ、高温強度および熱疲労強
度を高いものとし、耐ヒートクラック性を向上するもの
である。また上述したように本発明は、NbをCに対し
て顕著に多く添加すれば、結晶粒が著しく微細化できる
という新たな知見により見い出されたものである。した
がって結晶粒の微細化による耐ヒートクラック性を確保
する上でもNbは、重要な元素である。
著に現れず、3%を越えて添加してもさらなる効果が得
られないとともに鋳造性を劣化するため2%を超え、3
%以下と規定した。またNb/C量を10〜15と規定
したのは、Nb/Cが10未満であると、余剰Nbによ
るフェライトマトリックスの強化の効果および結晶粒の
微細化の効果が少ないためである。またNb/CでNb
を高めると大部分のCはCrより活性なNbと結合する
ため、Crの粗大な炭化物が生成するのを抑えることが
でき、脆化を防止する効果もある。一方Nb/C量を1
5を超えて添加すると靭性を劣化するため、15未満と
した。
り、フェライト組織の安定化に作用する。そのためは最
低15%必要とし、25%を超えても耐酸化性はほとん
ど変わらず高温でσ相を形成し脆化する。従って含有量
は15〜25%とした。望ましくは17〜23%とす
る。
つ鋳造性の改善、脱酸作用が有るが、多すぎると靭性の
低下を起こし、高温でのσ相を形成する。従ってSiの
含有量は2%以下とする。MnはSiを同様脱酸元素で
あり、また溶湯の流動性も向上させる。しかし、多すぎ
ると靭性を低下させる為、1%以下とした。Moおよび
Wは、フェライトマトリックスを強化し高温強度を増加
する元素として同様の効果を有する元素であり、3%以
下添加することができる。MoおよびWの過剰な添加
は、粗大な共晶炭化物を生成して機械加工性を劣化する
ため、3%以下とした。
性向上のために、0.1%以上添加することが望まし
い。しかし5%を超えるとフェライト相が不安定とな
り、耐酸化性が劣化するため、5%以下とした。特にC
rが20%を超える場合靭性改善のため2〜5%が望ま
しい。
ディーゼルエンジン用予熱焼室部材として使用すること
により、予燃焼部材の高寿命化が達成できる。好ましく
は、噴口部側の冷却速度を速めて噴口の結晶粒径を部材
内部の結晶粒径よりも小さくすることが好ましい。より
好ましくは、噴口より5mmの範囲において結晶粒径を
0.05mm以下の微細組織とすることによって、ヒー
トクラックの伝搬を著しく抑制することができる。
および図3に示すディーゼルエンジン用予燃焼室部材で
あるチャンバ形状に精密鋳造し、表1に示す組成のフェ
ライト系耐熱鋳鋼を製造した。表1において試料1〜試
料6は他の元素量を固定しNb量を増減したものであ
る。試料7〜試料10はC量を増加したものである。試
料11〜試料14はCr量を増減したものである。試料
15〜試料18はNi量を増減したものである。
温および900℃の引張強度、伸びを測定した。また直
径10mm長さ10mmの丸棒試験片を作成し、900
℃、1100℃において200時間保持し、冷却後サン
ドブラスト処理を施して酸化スケールを除去し酸化試験
前後の単位面積あたりの重量変化(mg/cm2)を求
めることにより耐酸化性を評価した。また、製品形状に
鋳造した試料は、噴口5をプロパンガスバーナで加熱
し、次いで水噴霧によって冷却する図2に示すヒートサ
イクルによって耐ヒートチェック性を評価した。加熱、
冷却のヒートサイクルを1サイクル190秒で、合計3
00サイクル実施後、図3に示す部分で切断し、その図
4に示す断面を得た後噴口周辺部に発生した最大ヒート
クラック長さを測定した。また噴口周辺部(噴口表面か
ら5mm)の平均結晶粒径を各材料別にまとめて表2に示
す。また、本発明の噴口周辺部の金属組織写真を図5に
示す。図5に示すのは、本発明の試料20における1.
3倍の噴口周辺部の断面組織写真である。図5に示すよ
うに、本発明の耐熱鋳鋼によって得られるディーゼルエ
ンジン予燃焼室部材は、噴口側の結晶粒径が内部よりも
細かくなっていることがわかる。
/Cの値の低い比較例の試料1および2は本発明の規定
範囲にありnBをフェライトマトリックスに多く固溶さ
せた試料3〜5に比べて結晶粒度が大きく、耐ヒートク
ラック性が劣っている。一方Nb量が多くNb/Cの値
が高い試料6は本発明の試料3〜5に比べて耐ヒートク
ラック性が劣る。また、試料7はNb/Cが低く、また
試料10はCが低すぎて本発明の試料に比べて結晶粒度
が大きく、耐ヒートクラック性が劣る。また、Crが低
い試料11は耐酸化性が大幅に劣り、Crの高い試料1
4は靭性が劣ることがわかる。また、Niが低い試料1
5はNiが高い試料17に比べて靭性がやや劣り、Ni
が高すぎると比較例の試料18は耐ヒートクラック性が
劣ることがわかる。表2に示すように、本発明は、C,
Nb,Crの値の適正化により、耐ヒートクラック性が
極めて高く、またとくに高Cによる良好な鋳造性および
高生産性とフェライト系であるため高被削性という特性
も兼ね備えたディーゼルエンジン用予燃焼室部材として
優れたものであることがわかる。またMoまたはWを添
加した本発明の試料19および20は、たとえばCrと
Nb量の近い本発明の試料4と比較すると、900℃に
おける引張強さが高くなっており、MoまたはWの添加
が高温強度改善に効果があることがわかる。
ト系耐熱鋳鋼の欠点であった耐ヒートクラック性を改善
でき、熱的負荷の高いディーゼルエンジンの予燃焼室部
材等への使用が可能となった。
る。
である。
為のチャンバー切断面を示す図である。
面金属組織写真である。
Claims (4)
- 【請求項1】 重量比率でC:0.15〜0.3%、S
i:2.0%以下、Mn:1.0%以下、Cr:15〜
25%、Nb:2.0%を超え3.0%以下、Ni:
0.1〜5.0%、残部Feおよび不可避的不純物から
なり、Nb%/C%:10を超え15以下としてNbを
フェライト基地に固溶させたことを特徴とするフェライ
ト系耐熱鋳鋼。 - 【請求項2】 請求項1記載のフェライト系耐熱鋳鋼に
おいて、Feの一部を重量比率でMoまたはWのどちら
か一方または両方で3重量%以下置換したことを特徴と
するフェライト系耐熱鋳鋼。 - 【請求項3】 請求項1ないし2のいずれかのフェライ
ト系耐熱鋳鋼で形成されていることを特徴とするディー
ゼルエンジン用予燃焼室部材。 - 【請求項4】 噴口部側の結晶粒径は部材内部の結晶粒
径よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載のディ
ーゼルエンジン用予燃焼室部材。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07210062A JP3142224B2 (ja) | 1995-07-26 | 1995-07-26 | フェライト系耐熱鋳鋼およびこれを用いたディーゼルエンジン予燃焼室部材 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07210062A JP3142224B2 (ja) | 1995-07-26 | 1995-07-26 | フェライト系耐熱鋳鋼およびこれを用いたディーゼルエンジン予燃焼室部材 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0941073A JPH0941073A (ja) | 1997-02-10 |
JP3142224B2 true JP3142224B2 (ja) | 2001-03-07 |
Family
ID=16583193
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07210062A Expired - Lifetime JP3142224B2 (ja) | 1995-07-26 | 1995-07-26 | フェライト系耐熱鋳鋼およびこれを用いたディーゼルエンジン予燃焼室部材 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3142224B2 (ja) |
-
1995
- 1995-07-26 JP JP07210062A patent/JP3142224B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0941073A (ja) | 1997-02-10 |
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