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

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐ヒートクラック性
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。

【０００２】

【従来の技術】予熱焼室式ディーゼルエンジンは、例え
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。

【０００３】このようなチャンバは従来、ロストワック
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。

【０００４】またフェライト系耐熱鋳鋼を上述したチャ
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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】予熱焼室のチャンバ
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。

【０００６】また、前述の複合材は、Ｎｉ基超耐熱合金
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、耐ヒートク
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。

【０００８】また、本発明は上述したフェライト系耐熱
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。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の最大の特徴の一つは、フ
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。

【００１０】Ｃは０．１５％未満では、ＮｂとＣの化合
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。

【００１１】Ｎｂは上述したように本発明の耐ヒートク
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。

【００１２】Ｎｂ量が２％以下では上述はした効果が顕
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。

【００１３】Ｃｒは高温耐酸化性を決定する元素であ
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。

【００１４】Ｓｉは強度、耐酸化性を向上させ、なおか
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。

【００１５】Ｎｉはオーステナイト相生成元素であり靭
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。

【００１６】上述した本発明のフェライト系耐熱鋳鋼を
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。

【００１７】

【実施例】合金溶湯より引張強度試験片、耐酸化試験片
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。

【００１８】

【表１】

【００１９】得られた各試料は、引張試験機により、常
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。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２に示すように、Ｎｂ量が少なく、Ｎｂ
／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。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、安価で被削性の高いフェライ
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】ディーゼルエンジン予熱焼室周辺の断面図であ
る。

【図２】ヒートチェック試験のヒートサイクルを示す図
である。

【図３】ヒートチェック試験後のヒートクラック評価の
為のチャンバー切断面を示す図である。

【図４】ヒートクラックの様子を示す図である。

【図５】本発明のディーゼルエンジン予燃焼室部材の断
面金属組織写真である。

【符号の説明】

１ ピストン ２ シリンダヘッド ３ チャンバ ４ 予燃焼室 ５ 噴口 ６ 燃料噴射ノズル

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。