JPS60125351A - Heat resistant cast iron - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To improve the heat check resistance and durability of cast iron contg. specified percentages of C, Si, Mn, Cr, Mo, V and Cu by providing a high yield point at high temp. and forming a structure contg. pearlite as the matrix and having stability at high temp. CONSTITUTION:Cast iron consisting of, by weight, 3.0-3.7% C, 1.7-2.2% Si, 0.5-1.0% Mn, 0.1-0.5% Cr, 0.2-1.0% Mo, 0.1-0.4% V, 0.2-2.0% Cu and the balance Fe with inevitable impurities is prepd. A high yield point at high temp. is provided to the cast iron, and a structure contg. pearlite as the matrix and having stability at high temp. is formed. Thus, heat resistant cast iron suitable for use as material of cylinder head of a diesel engine which undergoes severe thermal load is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐熱鋳鉄に関し、詳しくは、鋳鉄にＣｒ、　
Ｍｏ、　Ｖ、　Ｃｕの適当量を複合添加することにより
、耐熱疲労性を向上させることにより、熱負荷の厳しい
ディーゼルエンジンの、シリンダヘッドに好適に適用で
きる耐熱鋳鉄にがかる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to heat-resistant cast iron, and more specifically, the present invention relates to heat-resistant cast iron.
By adding appropriate amounts of Mo, V, and Cu in combination, the heat fatigue resistance is improved, resulting in a heat-resistant cast iron that can be suitably applied to cylinder heads of diesel engines that are subject to severe heat loads.

〔従来技術〕[Prior art]

近年、ディーゼルエンジンの高出力・高性能化に伴い、
そのシリンダヘッドに対する熱負荷がまずます苛酷とな
り、特に熱負荷の厳しい弁間部において、熱疲労現象に
起因した、熱亀裂が発生するという問題が生じている。In recent years, with the increase in the output and performance of diesel engines,
The thermal load on the cylinder head has become increasingly severe, and a problem has arisen in which thermal cracks occur due to thermal fatigue phenomena, particularly in the valve space where the thermal load is severe.

この熱疲労現象は、シリンダヘッド下面が燃焼室から伝
達された熱によって加熱され、材料は熱膨張しようとす
るが、シリンダヘッドが拘束されているため、圧縮応力
が作用することにより降伏して収縮し、エンジンの運転
が停止されて、シリンダヘッドが冷えると、シリンダヘ
ッドが拘束された状態で材料が熱収縮しようとするため
、前述の加熱状態時に圧縮降伏変形した部位に引張応力
が発生する。This thermal fatigue phenomenon occurs when the lower surface of the cylinder head is heated by the heat transferred from the combustion chamber, and the material tries to expand thermally, but since the cylinder head is restrained, compressive stress acts on it, causing it to yield and contract. However, when the engine is stopped and the cylinder head cools down, the material tends to thermally shrink while the cylinder head is restrained, so tensile stress is generated in the area that was subjected to compressive yield deformation during the above-mentioned heated state.

このような、エンジンの運転・停止に伴う、シリンダヘ
ッド材料に発生する、引張・圧縮応力の繰り返しによっ
て、熱亀裂が発生するものである。Thermal cracks occur due to repeated tensile and compressive stress generated in the cylinder head material as the engine starts and stops.

従来、このシリンダヘッドの熱亀裂対策として、■、水
冷によりシリンダヘッド表面温度を低下させる。Conventionally, as a countermeasure against thermal cracks in the cylinder head, (1) water cooling is used to lower the cylinder head surface temperature.

■、シリンダヘッド材料（鋳鉄）に、Ｃｒ、Ｍｏ等の耐
熱性向上元素を添加して、シリンダヘッド材料の熱疲労
耐久性を向上させる。(2) Heat resistance improving elements such as Cr and Mo are added to the cylinder head material (cast iron) to improve the thermal fatigue durability of the cylinder head material.

等が試みられている。etc. are being attempted.

しかし、最近では、このような従来の対策だけでは、熱
亀裂耐久性を確保できないような、高出力ディーゼルエ
ンジンの設計がなされており、これに対処できる熱亀裂
耐久性に優れた、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド
用耐熱鋳鉄の開発が望まれている。However, in recent years, high-output diesel engines have been designed that cannot ensure durability against thermal cracks using conventional measures alone. The development of heat-resistant cast iron for cylinder heads is desired.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、従来のディーゼルエンジンのシリンダヘッド
用材料（鋳鉄）に、微量のＣｒｓ　Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕを添
加することにより、材料の高温降伏点を高めるとともに
、基地パーライトの高温での組織安定性、ならびに、高
温強度を改良することによって、耐熱亀裂耐久性を向上
させて、熱負荷の厳しいディーゼルエンジンのシリンダ
ヘッドに、好適に通用できる耐熱鋳鉄を、提供すること
を目的とする。The present invention improves the high-temperature yield point of the material by adding small amounts of Crs Mo, V, and Cu to the conventional diesel engine cylinder head material (cast iron), and improves the structural stability of base pearlite at high temperatures. The present invention also aims to provide a heat-resistant cast iron that has improved heat-resistant cracking durability by improving its high-temperature strength and can be suitably used in cylinder heads of diesel engines that are subjected to severe heat loads.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

このような目的は、本発明によれば、重量比率で、Ｃ９
３，０〜３．７％、５ｉＨ１，７〜２．２％、Ｍｎ；０
、５〜１．０％、ＣｒＨｏ、１〜０．５％、Ｍｏ；　０
．２〜１゜０％、Ｖｉｏ、１〜０．４％、Ｃｕｔｏ、２
〜２．０％、残部Ｆｅおよび不可避の不純物からなる耐
熱鋳鉄であヮて、 高い高温降伏点を有し、高温において安定なパーライト
基地組織としたことを特徴とする耐熱鋳鉄によって達成
される。Such an objective is achieved according to the invention by weight proportions of C9
3.0-3.7%, 5iH1.7-2.2%, Mn; 0
, 5-1.0%, CrHo, 1-0.5%, Mo; 0
．． 2~1゜0%, Vio, 1~0.4%, Cuto, 2
This is achieved by a heat-resistant cast iron consisting of ~2.0% Fe and unavoidable impurities, having a high high-temperature yield point and a pearlite matrix structure that is stable at high temperatures.

〔発明の作用〕[Action of the invention]

以下、本発明の作用について説明する。 Hereinafter, the effects of the present invention will be explained.

まず、本発明の耐熱鋳鉄を構成する各成分の、範囲限定
理由について述べる。First, the reason for limiting the range of each component constituting the heat-resistant cast iron of the present invention will be described.

なお、以下の説明において、合金元素の含有量はすべて
重量比率（％）で表示する。In addition, in the following description, all contents of alloying elements are expressed in weight ratio (%).

本発明において、Ｃは、溶湯に流動性をもたせ鋳造性を
良好にするには、３．０％以上必要であるが、３８７％
を越えると、材質が脆弱となるとともに、機械加工性を
劣化するので、３．０〜３．７％とした。In the present invention, C is required to be 3.0% or more in order to give fluidity to the molten metal and improve castability, but 387%
If it exceeds 3.0% to 3.7%, the material becomes brittle and the machinability deteriorates.

Ｓｉは、鋳造性を悪化させないために、１．７％以上必
要であるが、２．２％を越えると熱伝導率を低下させ、
材料内の温度ムラを生じやすくなるたや・１．７〜２．
２％とした。Si needs to be at least 1.7% in order not to deteriorate castability, but if it exceeds 2.2%, it will reduce the thermal conductivity.
Temperature unevenness within the material is likely to occur.・1.7~2.
It was set at 2%.

Ｍｎは、基地パーライトの安定化と、不純物として不可
避のＳの弊害を防止するため、０．５％以上必要である
が、１．０％を越えると材料（鋳鉄）が白銑化し易く脆
弱となりやすいため、０．５〜１．０％とし、た。Mn is required in an amount of 0.5% or more in order to stabilize base pearlite and prevent the adverse effects of S, which is inevitable as an impurity, but if it exceeds 1.0%, the material (cast iron) tends to become white and becomes brittle. Since it is easy to use, it was set at 0.5 to 1.0%.

Ｃｒは基地パーライトの高温安定化、とりわけ、５００
℃までのパーライトの分解を阻止するのに有効な元素で
、その効果を発揮するには０．１７％以上必要であるが
、０．５％を越えると遊離炭化物が析出して、材質を脆
弱とするので、０．１〜０．５％とした。Cr is used for high temperature stabilization of base pearlite, especially 500
This element is effective in inhibiting the decomposition of pearlite at temperatures up to Therefore, the content was set at 0.1 to 0.5%.

Ｍｏは、高温強度、とりわけ、高温降伏点を向上させる
ために有効な元素で、その効果を発揮するには０．２％
以上必要であるが、１．０％を越えると添加量に見合っ
た改善効果が得られないばかりでなく、鋳造欠陥を発生
しやすくなるため、０．２〜１．０％とした。Mo is an effective element for improving high-temperature strength, especially high-temperature yield point, and 0.2% is required to achieve this effect.
The above amount is necessary, but if it exceeds 1.0%, not only will it not be possible to obtain an improvement effect commensurate with the amount added, but also casting defects will easily occur, so it is set at 0.2 to 1.0%.

■は、Ｍｏ含有による高温強度向上をさらに高給るのに
有効な元素で、その効果を発揮するには、０．１％以上
必要であるが、０．４％を越えると、遊離炭化物を析出
して材質を脆弱するので、０．１〜０．４％とした。■ is an effective element to further improve the high-temperature strength due to Mo content, and 0.1% or more is required to exhibit its effect, but if it exceeds 0.4%, free carbides will precipitate. Since this makes the material brittle, it is set at 0.1 to 0.4%.

Ｃｕは、黒鉛化を助長する元素であり、本発明鋳鉄のよ
うに炭化物形性能の強い、Ｃｒｓ　ＭＯ％　Ｖを含有す
る鋳鉄に添加すると、材質を脆弱にする遊離炭化物の生
成の抑制に有効で、その効果を発揮するには０．２％以
上であり、２．０％を越える添加においては、それに見
、合う改善効果が得られないことから、０．２〜２．０
％とした。Cu is an element that promotes graphitization, and when added to cast iron containing Crs MO% V, which has strong carbide form properties like the cast iron of the present invention, it is effective in suppressing the formation of free carbides that make the material brittle. , in order to exhibit the effect, it is necessary to add 0.2% or more, and if it exceeds 2.0%, the corresponding improvement effect cannot be obtained, so 0.2 to 2.0%.
%.

本発明の耐熱鋳鉄は、上述の成分を上述の範囲で添加す
ることにより、鋳鉄の高温降伏点を高めるとともに、基
地パーライトの高温での組織安定性、ならびに、高温強
度を改善することによって、熱亀裂耐久性を向上させる
ことができるものである。The heat-resistant cast iron of the present invention increases the high-temperature yield point of the cast iron by adding the above-mentioned components in the above-mentioned range, and improves the structural stability and high-temperature strength of base pearlite at high temperatures. This can improve crack durability.

〔実施例〕〔Example〕

以下、表および添付図面に基づいて、本発明の詳細な説
明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the tables and the accompanying drawings.

実施例１ 電気−油圧サーボ方式熱疲労試験機により、本発明鋳鉄
の耐熱疲労性を、従来材を比較材として評価した。Example 1 The thermal fatigue resistance of the cast iron of the present invention was evaluated using a conventional material as a comparative material using an electric-hydraulic servo type thermal fatigue testing machine.

第１表に、熱疲労試験に供した、供試材の化学成分を示
す。Table 1 shows the chemical components of the sample materials subjected to the thermal fatigue test.

第１表　供試材の化学成分（重量％） この表において、比較材■はＪＩＳ規格ＦＣ２５の普通
鋳鉄、比較材■は、Ｃｒｓ　Ｍｏを添加した合金鋳鉄で
ある。Table 1 Chemical composition of sample materials (% by weight) In this table, comparative material (■) is ordinary cast iron of JIS standard FC25, and comparative material (2) is alloy cast iron to which Crs Mo is added.

熱疲労試験は、φ１０１１１１１の先棒試験片を用い、
冷却下限温度を５０℃一定とし、加熱上限温度を４００
℃、４５０℃の２水準に変化させ、加熱・冷却サイクル
を、ｌサイクル１０分として試験した。The thermal fatigue test used a tip bar test piece with a diameter of φ1011111,
The lower limit cooling temperature is constant at 50℃, and the upper limit heating temperature is 400℃.
The temperature was changed to two levels: ℃ and 450℃, and the heating/cooling cycle was tested for 1 cycle of 10 minutes.

なお、試験片は熱疲労試験中、完全な拘束状態とした。Note that the test piece was completely restrained during the thermal fatigue test.

第１図に、熱疲労試験結果を示す。Figure 1 shows the thermal fatigue test results.

この結果から明らかなように、Ｃｒ−ＭＯ％　Ｖ、Ｃｕ
を複合添加した本発明鋳鉄は、従来材である比較材■、
比較材■に比べて、明らかに耐熱疲労性が優れているこ
とが理解される。As is clear from this result, Cr-MO%V, Cu
The cast iron of the present invention with a composite addition of
It is understood that the thermal fatigue resistance is clearly superior to that of comparative material (3).

実施例２ 急速加熱・急速冷却を繰り返す熱衝撃試験により、本発
明鋳鉄および従来材としての比較材の耐熱衝撃性を評価
した。Example 2 Thermal shock resistance of the cast iron of the present invention and a comparative material as a conventional material was evaluated by a thermal shock test in which rapid heating and rapid cooling were repeated.

用いた供試材は、実施例１と同様に、第１表に示す成分
の鋳鉄である。The sample material used was cast iron having the components shown in Table 1, as in Example 1.

試験は、外形φｌ　００　ｍ＋ｗ、外周板圧５ＩＩＩ１
１、中心部にφ５■の孔を有し、中心部φ６０ｍｍの範
囲で、板厚を３１１Ｍとした、円板状試験片を用ｉ）で
、バーナーにより試験片中心部を、平均加熱速度１５℃
／秒で４５０℃まで加熱後、直ちに水冷して３５℃まで
冷却した。The test was performed using an outer diameter of φl 00 m+w and a peripheral plate pressure of 5III1.
1. Using a disk-shaped test piece with a hole of φ5■ in the center, a range of φ60 mm in the center, and a plate thickness of 311M, the center of the test piece was heated with a burner at an average heating rate of 15 ℃
After heating to 450° C./second, the mixture was immediately cooled with water to 35° C.

なお、この時の平均冷却速度は１５００ｔ／秒であった
。Note that the average cooling rate at this time was 1500 t/sec.

また、加熱・冷却サイクルは、ｌサイクル１５０秒とし
た。Further, the heating/cooling cycle was set to 1 cycle for 150 seconds.

第２図に、熱衝撃試験結果を示す。Figure 2 shows the thermal shock test results.

第２図から明らかなように、本発明鋳鉄は、従来材とし
ての比較材■、比較材■に比べて、耐熱衝撃性にも優れ
ていることが理解される。As is clear from FIG. 2, it is understood that the cast iron of the present invention is also superior in thermal shock resistance compared to the conventional materials Comparative Material (1) and Comparative Material (2).

実施例３ 本発明鋳鉄および従来材としての比較材を用いて、２．
４１デイーゼルターボエンジン用シリンダヘツドを製作
し、ベンチ苛酷耐久試験により耐久性を評価した。Example 3 Using the cast iron of the present invention and a comparative material as a conventional material, 2.
A cylinder head for a No. 41 diesel turbo engine was manufactured and its durability was evaluated through a bench severe durability test.

第２表に、試験に供した供試品の化学成分を示す。Table 2 shows the chemical components of the test samples.

製作したもの、比較品■は、Ｃｒ％朽０を添加した合金
鋳鉄で製作したものである。The manufactured product, Comparative Product (2), was manufactured from alloyed cast iron to which Cr% 0 was added.

試験は、４４００　ｒｐｓ全負［５分と１００９　ｒｐ
ｓアイドル運転５分の繰り返し冷熱サイクルを、５００
時間実施して評価した。The test was 4400 rps full negative [5 minutes and 1009 rps
s Repeated cooling/heating cycle of 5 minutes of idle operation, 500
The evaluation was carried out over a period of time.

なお、全負荷時の冷却水温は１１０’Ｃ、アイドル運転
時の冷却水温は４０ｔであった。The cooling water temperature during full load was 110'C, and the cooling water temperature during idle operation was 40t.

第３表に、ベンチ苛酷耐久試験結果を示す。Table 3 shows the bench severe durability test results.

さで評価した。It was evaluated by

普通鋳鉄で製作されたシリンダヘッド比較品■には、３
．２〜４．０　＋ｎｍの熱亀裂が発生した。The comparative cylinder head made of ordinary cast iron has 3
．． A thermal crack of 2 to 4.0 + nm was generated.

また、Ｃｒ、　Ｍｏを添加した合金鋳鉄で製作した比較
品■には、■、５〜２．６１１ＩＩ１１．の熱亀裂が発
生した。In addition, the comparative product (■) made of alloyed cast iron with addition of Cr and Mo has the following characteristics: ■, 5 to 2.611II11. thermal cracks occurred.

これらに比較して、本発明鋳鉄で製作したシリンダヘッ
ドには、熱亀裂発生が認められなかった。In comparison, no thermal cracking was observed in the cylinder head manufactured using the cast iron of the present invention.

以上の結果から、本発明鋳鉄は、熱負荷のきびしいディ
ーゼルエンジンのシリンダヘッドに通用して、優れた耐
久性を確保できるものであることが明らかとなった。From the above results, it has become clear that the cast iron of the present invention can be used in cylinder heads of diesel engines, which are subjected to severe heat loads, and can ensure excellent durability.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上により明らかなように、本発明にかかる耐熱鋳鉄に
よれば、従来のディーゼルエンジンのシリングヘッド用
材料（鋳鉄）に、微量のＣｒ−、Ｍｏ、Ｖ、’Ｃｏを添
加することにより、材料の高温降伏点を高めるとともに
、基地パーライトの高温での組織安定性、ならびに、高
温強度を改良することによって、耐熱亀裂耐久性を向上
させて、熱負荷の厳しいディーゼルエンジンのシリンダ
ヘッドに、好適に適用できる利点がある。As is clear from the above, according to the heat-resistant cast iron according to the present invention, by adding trace amounts of Cr-, Mo, V, and 'Co to the conventional diesel engine shilling head material (cast iron), the material is improved. By increasing the high-temperature yield point and improving the high-temperature structural stability and high-temperature strength of base pearlite, it improves heat cracking resistance and is suitable for use in diesel engine cylinder heads that are subject to severe heat loads. There are advantages that can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は、本発明鋳鉄の熱疲労試験結果を示すグラフ、 第２ＦｙＪは、本発明鋳鉄の熱衝撃試験結果を示すグラ
フである。 出願人　トヨタ自動車株文会社 手続補正ＩＦ（方式） １．事件の表示 昭和５８年特許願第２３１１５２号 ２、発明の名称 耐熱鋳鉄 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　愛知県豊田布トヨタ町１番地　〒４７１昭和５９
年　２月２８日 ５、補正の対象 明細書 ６、補正の内容FIG. 1 is a graph showing the thermal fatigue test results of the cast iron of the present invention, and 2nd FyJ is a graph showing the thermal shock test results of the cast iron of the present invention. Applicant Toyota Motor Corporation Procedural Amendment IF (Method) 1. Display of the case 1982 Patent Application No. 231152 2 Name of the invention Heat-resistant cast iron 3 Person making the amendment Relationship to the case Patent applicant address 1 Toyota-cho, Toyotafu, Aichi Prefecture 471 1988
February 28, 2015 5. Specification subject to amendment 6. Contents of amendment

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、重量比率で、Ｃ；３．０〜３．７％、Ｓｉ；１．７
〜２．２％、Ｍｎ；　０．５〜１．０％、ＣｒＨＯ，１
〜０．５％、Ｍｏ；　０．２〜１．０％、ｖ；ｏ、１−
０．４％、ＣＬＩ；０．２〜２０％、残部Ｆｅおよび不
可避の不純物からなる耐熱鋳鉄であって、 高い高温降伏点を有し、高温において安定なパーライト
基地組織としたことを特徴とする耐熱鋳鉄。[Claims] 1. Weight ratio: C: 3.0 to 3.7%, Si: 1.7
~2.2%, Mn; 0.5-1.0%, CrHO,1
~0.5%, Mo; 0.2-1.0%, v;o, 1-
Heat-resistant cast iron consisting of 0.4%, CLI; 0.2-20%, balance Fe and unavoidable impurities, and is characterized by having a high high temperature yield point and a pearlite base structure that is stable at high temperatures. Heat-resistant cast iron.