JPS60138051A

JPS60138051A - 耐熱鋳鉄

Info

Publication number: JPS60138051A
Application number: JP25033783A
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: 1983-12-26
Filing date: 1983-12-26
Publication date: 1985-07-22

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Ｃｒ−、
８０％　Ｖ、Ｎｌ　＋　Ｃｕ０）適当量を複合添加して
、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〕

成年、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、Ｃｒｓ　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、高山−カディーゼル
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十Ｃｕ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、しかも、材料
を低コストとした耐熱鋳鉄を、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、Ｃ＋
　３．５〜３．９％、Ｓｉ；１．７〜２．２％、ＭｒＢ
Ｏ，５〜１．０％、Ｃｒ；　０．１〜０．５％、Ｍｏ；
　０．２〜１゜０％、ＶｉＯ，１〜０．４％、Ｎｉ＋Ｃ
ｕＨＯ，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。

Ｓｔ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。

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）が白銑化しやす（
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、５０
０℃までのパーライトの分解を阻止するに有効な元素で
、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。

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０６２％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、　０．２〜１６０％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
して材質を脆弱とするので、０．１〜０．４％とした。

また、Ｎｉ＋Ｃｕの複合添加において、Ｎｉは黒鉛化を
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、耽、■
を含有する鋳鉄に添加すると、材質を脆弱する遊離化物
の形成を抑制するのに有効である。

しかし、Ｎｉは高価な元素であることから、Ｎｉと同様
に炭化物形成抑制能のあるＣｕを複合添加することによ
って、Ｎｉの一部を代替して材料コストの低減をはかる
ことができる。

そして、Ｎｉ＋Ｃｕの複合添加の効果を発揮するには、
０．２％以上必要であるが、２．０％を越えて添加して
も、それに見合う改善効果が期待できないことから０．
２〜１．０％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、高温において安定な基地組織
とすることによって、熱亀裂耐久性を向上させることが
できるばかりでなく、材料コストを低減できるものであ
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。

熱疲労試験は、φ１０ｎｍの丸棒試験片を用い、冷却下
限温度を５０℃一定とし１．、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。

なお、試験片は熱疲労試験中、完全な拘束状態とした。

第１図に、熱疲労試験結果を示す。

この結果から明らかなように、Ｃｒｓ　ＭＯ％　Ｖｓ　
Ｎｓ＋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■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φ１００ｍｍ、外周板圧５１１１１１％中
心部にφ５ＩｌｌＩ１１の孔を有し、中心部φ６０の範
囲で板厚３ＩＩ１ｍの、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４
５０℃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、熱衝撃試験結果を示す。

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
衝撃性には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．
４Ｊ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、試験を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、４４０　Ｏｒｐｔｓ全負荷５分と１０００　ｒ
ｐｔａアイドル運転５分の繰り返し冷熱サイクルを、５
００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。

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。

晋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、Ｃｒ、　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、熱負荷のきびしてディ
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グヘッド用
材料（鋳鉄）に、微量のＣｒ、　Ｍｏ、■、Ｎｉ＋Ｃｕ
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、耐熱亀裂耐久性を
向上させて、熱負荷の＃１．Ｌ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、しかも、材料を低
コストとすることができる利点がある。

【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、本発明鋳鉄の熱衝撃試験結果を示すグラフで
ある。出願人　トヨタ自２宏閾践

Claims

【特許請求の範囲】１、重量比率で、Ｃｉ　３．５〜３．９％、５ｉＨ１，
７〜２．２％、Ｍｌｌ；０．５〜１．０％、Ｃｒ；０．
１〜０．５％、Ｍｏ；　０．２〜１．０％、Ｖｉｏ、１
〜０．４％、Ｎｉ＋ＣｕＨＯ８２〜２．０％、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５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。