JPS60125352A

JPS60125352A - 耐熱鋳鉄

Info

Publication number: JPS60125352A
Application number: JP23115383A
Authority: JP
Inventors: Masami Suzuki; 鈴木　正実; Tsutomu Sekiguchi; 関口　勉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1983-12-06
Filing date: 1983-12-06
Publication date: 1985-07-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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Ｃｒｓ　
８０％　Ｖ　％　Ｎｔ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
できる耐熱鋳鉄にかかる。

〔従来技術〕

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すます苛酷とな
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。

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。

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。

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。

■、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。

等が試みられている。

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。

〔発明の目的〕

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Ｃｒ、　Ｍｏ−Ｖ、Ｎｉを添
加することにより、低ヤング率で、高い高温降伏点と優
れた熱伝導を有するとともに、高温において安定なパー
ライト組織とすることによって、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、好適に適用できる耐熱鋳鉄を、提供することを
目的としている。

〔発明の構成〕

このような目的は、本発明によれば、重量比率で、Ｃｉ
３．５〜３．９％、Ｓｉ；１．７〜２．２％、Ｍｎ；０
、５〜１．０％、Ｃｒ；　０．１〜０．５％、Ｍｏ；　
０．２〜１゜０％、Ｖ；０．１〜０．４％、Ｎ１Ｈ０，
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、低ヤング率で、高い高温降伏点と優れた熱伝導率を有す
るとともに、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。

〔発明の作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

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。

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。

本発明において、Ｃは、溶湯に流動性をもたせ鋳造性を
良好にするとともに、熱伝導率を高め、ヤング率を低下
させるためには、３．５％以上含有して黒鉛量を増すこ
とが望ましいが、３．９％を越えると、材質が脆弱とな
るとともに、機械加工性が劣化するので、３．５〜３．
９％とした。

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め、１．７〜２．
２％とした。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、０．１％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。

ｈ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。

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、０．１％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、材質をし
脆弱とするので、０．１〜０゜５とした。

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
った改善効果をえられないばかりでな（、鋳造欠陥を発
生しやすくなるため、０．２〜１．０％とした。

■は、Ｍｏ含有による高温強度向上をさらに高めるのに
有効な元素で、その効果を発揮するには、０．１％以Ｐ
必要であるが、０．４％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、Ｏ１１〜０．４％とした
。

Ｎｉは、炭素の黒鉛化を助長する元素であり、本発明鋳
鉄のように炭素含有量が比較的高く、しかも、炭化物形
成能の強いＣｒ、　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形成の抑制に有効
で、その効果を発揮するには０゜２％以上必要であり、
２．０％を越えて添加しても、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。

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、ヤング率を低下させ、その結果として弾
性変形能を改良し、しかも、高い高温降伏点と優れた熱
伝導率を有するとともに、高温においてパーライト基地
組織を安定に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。

〔実施例〕

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。

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。

第１表に、熱疲労試験に供した、供試材の化学成分を示
す。

第１表　供試材の化学成分（重量％）５の普通鋳鉄、比較材■は、Ｃｒｓ　Ｍｏを添加した合
金鋳鉄、比較材■はＣを本発明鋳鉄レベルまで高め、Ｃ
ｒ、、Ｍｏ、　Ｎｉを複合添加した合金鋳鉄である。

熱疲労試験は、φ１０ＩＩＩＩ１１の丸棒試験片を用い
、冷却下限温度を５０℃一定とし、加熱上限温度を４０
０℃、４５０℃の２水準に変化させ、加熱・冷却サイク
ルを、１サイクル１０分として試験した。

なお、試験片は熱疲労試験中、完全な拘束状態とした。

第１ＦｇＪに、熱疲労試験結果を示す。

この結果から明らかなように、Ｃｒｂ　Ｍｏ、ＶＳＮｉ
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■および比較材■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。

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。

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。

試験は、外形φ１００　＋ａｍ、外周板圧５ｍ＋ｍ、中
心部にφ５■の孔を有し、中心部φ６０ＩＩＩＩＩの範
囲で板厚を３１１ＩＩ１１とした、円板状試験片を用い
て、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。

なお、この時の平均冷却速度は１５００℃／秒であった
。

また、加熱・冷却サイクルは、１サイクル１５０秒とし
た。

第２図に、煕南撃試験結果を示す。

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■および比較材■に比べて、耐熱
衝撃性にも優れていることが理解される。

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。

第２表に、試験に供した供試品の化学成分を示す。

第２表　供試品の化学成分（重量％）比較品■は、ＪＩＳ規格ＦＣ２５の普通鋳鉄で製作した
もの、比較品■は、Ｃを本発明鋳鉄レベルまで高め、Ｃ
ｒｓ　Ｍｏ、Ｎｉを複合添加した合金鋳鉄で製作したも
のである。

試験は、４４００　ｒｐ＋＊全負荷５分と１００　Ｏｒ
ｐｍアイドル運転５分の繰り返し冷熱サイクルを、５０
０時間実施して評価した。

なお、全負荷時の冷却水温は１１０℃、アイドル運転時
の冷却水温は４０℃であった。

第３表に、ベンチ苛酷耐久試験結果を示す。

第３表　耐久試験結果評価品の耐久性は、弁間部に発生した熱亀裂長さで評価
した。

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　ｍｍの熱亀裂が発生した。

また、Ｃを本発明鋳鉄まで高め、Ｃｒｓ　Ｍｏ、Ｎｉを
複合添加した合金鋳鉄で製作したシリンダヘッド比較品
■は、１．０〜１．５の熱亀裂が発生した。

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。

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適用して、優れた熱
亀裂耐久性を確保できるものであることが明らかとなっ
た。

〔発明の効果〕

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ダヘッド用
材料（鋳鉄）に、微量のＣｒｓ　ＭＯ％Ｖ、Ｎｉを添加
することにより、低ヤング率で、高い高温降伏点と優れ
た熱伝導を有するとともに、高温においてパーライト基
地組織を安定にすることによって、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明鋳鉄の熱疲労試験結果を示すグラフ、第２図は、本発明鋳鉄のＪ！！）衝撃試験結果を示すグ
ラフである。出願人　トヨタ自動車搏手続補正書　（方式）１．事件の表示昭和５８年特許願第２３１１５３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　愛知県豊田型トヨタ町１番地　〒４７１昭和５９
年　２月２８日５、補正の対象明細書

Claims

【特許請求の範囲】１、重量比率で、Ｃ：　３．５〜３．９％、ｓｉｇＬ’
７〜２．２％、Ｍｎ；０．５〜１．０％、Ｃｒ；０．１
〜０．５％、Ｍｏ；０．２〜１．０％、ＶｉＯ，１〜０
．４％、Ｎｉ；０．２〜２．０％、残部Ｆｅおよび不可
避の不純物からなる耐熱鋳鉄であって・低ヤング率で、高い高温降伏点と優れた熱伝導率を有す
るとともに、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。