CN108474473A - 气缸盖衬垫及气缸盖衬垫用不锈钢板 - Google Patents

气缸盖衬垫及气缸盖衬垫用不锈钢板 Download PDF

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Abstract

一种气缸盖衬垫，其特征在于，其为夹在气缸盖与气缸体的接合面之间的、对气缸盖与气缸体的接合部进行密封的气缸盖衬垫，其具有包含金属制的基板和设置在该基板的两面的橡胶层的复合构件，所述基板由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成，形成该基板的不锈钢的0.2％屈服强度为1300～1500MPa。根据本发明，能够提供一种即使使用无镍不锈钢或低镍不锈钢作为基材的材质，密封性能的耐久性也高的气缸盖衬垫。

Description

气缸盖衬垫及气缸盖衬垫用不锈钢板
技术领域
本发明涉及：夹在内燃机的气缸体与气缸盖的接合面之间的、对气缸体与气缸盖之间进行密封的金属制的气缸盖衬垫；以及作为该气缸盖衬垫的基板使用的气缸盖衬垫用不锈钢板。
背景技术
一直以来，夹在气缸体与气缸盖的接合面之间而发挥密封性的金属制的衬垫、即气缸盖衬垫是已知的。
这样的气缸盖衬垫具有形成为接合面形状的密封部，在密封部形成有凸缘(bead)。就气缸盖衬垫而言，当通过拧紧螺栓来通过气缸体和气缸盖强力夹持气缸盖衬垫的密封部时，面压力集中于气缸盖衬垫的凸缘，因此衬垫的密封部与接合部的两个面之间密合，气密性提高。
另外，在气缸盖衬垫的表面形成有橡胶层。通过该橡胶层吸收气缸体及气缸盖的接合面的表面粗糙度、确保密封性。
现有的气缸盖衬垫的基板通常使用SUS301H材料，近年来，正在谋求衬垫的低成本化。作为其手段之一，有通过改变基材的种类而实现的低成本化。
SUS403系不锈钢不含会导致价格高昂的Ni，因此可能实现低成本化。另外，还有不会受到Ni的价格变动的影响的优点。因此，可列举SUS403系不锈钢这种无镍系不锈钢或Ni含量少的低镍系的不锈钢作为用于低成本化的材质。
发明内容
发明要解决的问题
但是，本发明人们对使用SUS403系等无镍不锈钢或低镍不锈钢作为气缸盖衬垫的基材用的材质这一点进行了研究，结果获知，存在密封性能的耐久性低的问题。
因此，本发明的目的在于，提供即使使用无镍不锈钢或低镍不锈钢作为基材的材质、密封性能的耐久性也高的气缸盖衬垫。
用于解决问题的方案
在所述实际情况之下，本发明人进行了深入研究，结果发现，当减少镍含量或使其不含镍时，通过使不锈钢的0.2％屈服强度值在特定范围内，能够在耐久试验中使凸缘不易疲劳，从而即使使用无镍不锈钢或低镍不锈钢作为基材，也能得到密封性能的耐久性高的气缸盖衬垫，由此完成了本发明。
即，本发明(1)提供一种气缸盖衬垫，其特征在于，其为夹在气缸盖与气缸体的接合面之间的、对气缸盖与气缸体的接合部进行密封的气缸盖衬垫，
其具有包含金属制的基板和设置在该基板的两面或单面的橡胶层的复合构件，
所述基板由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成，
形成该基板的不锈钢的0.2％屈服强度为1300～1500MPa。
另外，本发明(2)提供一种气缸盖衬垫用不锈钢板，其特征在于，其由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成，
其0.2％屈服强度为1300～1500MPa。
发明的效果
根据本发明，能够提供使用无镍不锈钢或低镍不锈钢作为基材的材质的、密封性能的耐久性高的气缸盖衬垫。
附图说明
图1是示出本发明的气缸盖衬垫的形态例子的示意性的俯视图。
图2是以图1中的X-X线剖切后的剖视图。
图3是图2中的凸缘附近的放大图。
图4是示出本发明的气缸盖衬垫的形态例子的示意性的剖视图。
图5是示出实施例及比较例的衬垫评价用样品的形状的图。
具体实施方式
参照图1～图3对本发明的气缸盖衬垫的形状进行说明。图1是本发明的气缸盖衬垫的形态例子的示意性的俯视图。图2是以图1中的X-X线剖切后的剖视图。图3是图2的凸缘附近的放大图。
如图1所示，气缸盖衬垫1a具有开口15，开口15的直径比缸膛的膛径稍大，其它部分具有同气缸盖与气缸体的接合面对应的形状。该气缸盖衬垫1a按照包围开口15的方式设置有圆形的密封部6，用以将开口15的内侧和外侧密闭。
如图2所示，图1所示的气缸盖衬垫1a的密封部6的结构为由一个金属薄板3和配置在金属薄板3的两面侧的2个复合构件2构成的三层结构。并且，密封部6的复合构件2形成有凸缘5。需要说明的是，在图1中，凸缘5的中心线以点划线来表示。
如图3所示，复合构件2包含：不锈钢制的基板11、和设置在基板11的两面的橡胶层12。
气缸盖衬垫1a设置在气缸盖与气缸体的接合面之间，当通过将气缸盖和气缸体拧紧而被强力夹持在接合面之间时，面压力集中于密封部6的凸缘5，因此气缸盖衬垫1a的密封部6与气缸盖和气缸体的接合面之间密合。并且，由于在形成有凸缘5的复合构件2中，在两面设置有橡胶层12，因此气缸盖及气缸体的表面粗糙度被橡胶层12吸收、气密性提高。
本发明的气缸盖衬垫的特征在于，其为夹在气缸盖与气缸体的接合面之间的、对气缸盖与气缸体的接合部进行密封的气缸盖衬垫，
其具有包含金属制的基板和设置在该基板的两面或单面的橡胶层的复合构件，
所述基板由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成，
形成该基板的不锈钢的0.2％屈服强度为1300～1500MPa。
本发明的气缸盖衬垫配置在气缸盖与气缸体的接合面之间，通过利用螺栓等将气缸盖与气缸体拧紧，从而夹在气缸盖与气缸体的接合面之间，具体而言，是衬垫的密封部夹在气缸盖与气缸体的接合面之间，从而将气缸盖与气缸体的密封面密封。
本发明的气缸盖衬垫具有与缸膛个数相应的缸膛用开口，所述开口的直径比缸膛的膛径稍大，其它部分具有同气缸体与气缸盖的接合面对应的形状。并且，本发明的气缸盖按照包围开口的方式形成有密封部，用以将缸膛用开口的内侧和外侧密闭。形成密封部的位置可根据气缸盖及气缸体的形状、发动机油孔、冷却水流路位置等适宜选择。
本发明的气缸盖衬垫具有包含不锈钢制的基板和设置在基板的两面的橡胶层的复合构件。即，本发明的气缸盖衬垫具有复合构件，所述复合构件包含1张为不锈钢板的成型体的基板和设置在基板的两面的橡胶层。
作为本发明的气缸盖衬垫，可列举：气缸盖衬垫的密封部的结构例如如图3所示的形态例子那样由一个金属薄板和配置在金属薄板的两面侧的复合构件构成的三层结构的气缸盖衬垫；例如如图4所示的形态例子那样由一个复合构件构成的一层结构的气缸盖衬垫；为多个复合构件和多个金属薄板的层叠结构的气缸盖衬垫等。本发明的气缸盖衬垫的密封部的结构可适宜选择。在如图4所示的形态例子中，气缸盖衬垫1b的密封部6由一个复合构件2构成，所述复合构件2包含不锈钢制的基板11和设置在基板11的两面的橡胶层12。密封部6形成有凸缘5。需要说明的是，图4为本发明的气缸盖衬垫的形态例子的示意性剖视图，是形成有凸缘的附近的放大图。
在复合构件的密封部沿着密封部形成有凸缘，所述凸缘从基板的表面以例如0.08mm左右的高度突出。需要说明的是，凸缘的高度没有特别限制，可根据气缸盖及气缸体的结构、刚性、紧固条件、气缸盖滑动量(head lift amount)(开口量)等使用环境适宜选择。凸缘是当密封部被气缸体和气缸盖夹持时通过面压力集中而提高密封性的部位。作为凸缘，可列举凸状凸缘或波状凸缘。凸缘既可以突出形成在基板的任意一面，也可以突出形成在基板的两面。凸缘的形成位置、形状、数量等可适宜选择。
基板由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成。即，基板由低镍不锈钢或无镍不锈钢板形成。因此，本发明的气缸盖衬垫成本低。需要说明的是，形成基板的不锈钢也存在C、Si、Mn、N、P、S及Ni中的任意1种或2种以上的含量为0质量％的情况。
形成基板的不锈钢的0.2％屈服强度为1300～1500MPa，优选为1300～1400MPa。通过使形成基板的不锈钢的0.2％屈服强度在上述范围内，从而即使由于发动机缸的猛烈燃烧而使气缸体与气缸盖的接合面反复上下运动、对凸缘反复施加负荷，凸缘也不易疲劳，密封性能的耐久性提高。另一方面，当形成基板的不锈钢的0.2％屈服强度低于上述范围时，凸缘容易疲劳，因此密封性能的耐久性变低；另外，当超过上述范围时，不锈钢的柔软性丧失，板矫直(plate straightening)性差，如果不强力拉伸则得不到平滑性，若得不到平滑性则难以均匀地涂布橡胶层；另外，过度变硬而难以进行凸缘加工，得不到目标形状。
形成基板的不锈钢的伸长率优选为2～10％，特别优选为2～6％。通过使形成基板的不锈钢的伸长率在上述范围内，从而凸缘不易疲劳，密封性能的耐久性提高。另外，形成基板的不锈钢的拉伸强度优选为1400～1600MPa，特别优选为1500～1600MPa。通过使形成基板的不锈钢的拉伸强度在上述范围内，从而凸缘不易疲劳，密封性能的耐久性提高。
形成基板的不锈钢板可如下制造，即，在铸造出上述规定组成的不锈钢合金铸锭、并且对得到的铸锭进行各种加工及热处理而加工成钢板的制造工序中，例如选择各化学成分的配混比来调节合金组成以及对冷加工的加工强度、在工序中途进行的热处理的条件进行选择等从而将形成基板的不锈钢板的0.2％屈服强度调节为1300～1500MPa、优选为1300～1400MPa，另外，根据需要将形成基板的不锈钢的伸长率调节为优选2～10％、特别优选2～6％，另外，将形成基板的不锈钢的拉伸强度调节为优选1400～1600MPa、特别优选1500～1600MPa。
复合构件中，在基板的两面或单面设置有橡胶层。作为设置在基板上的橡胶层，没有特别限制，只要是可作为气缸盖衬垫用的橡胶层使用的橡胶层即可，可列举例如：丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(H-NBR)或官能团改性丁腈橡胶(以下也简称为“NBR”。)、氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸丁二烯橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)。
作为在成为基板的不锈钢板的表面设置橡胶层的方法，例如，可列举如下方法：将使橡胶材料溶解于适当溶剂而成的橡胶溶液或分散于溶剂而成的橡胶分散液用间隙涂布机(日文：スキマコータ、英文：schema coater)、辊涂机等进行涂布，以150～250℃加热涂膜而形成橡胶层。从密封性更高的观点出发，优选在基板的两侧形成橡胶层。在本发明的气缸盖衬垫的制造中，既可以在平坦的不锈钢板上首先设置橡胶层、然后冲裁成规定形状而成型为衬垫的形状，也可以先将不锈钢板冲裁成型为规定的形状、然后设置橡胶层。
对设置在基材表面的橡胶层的厚度不做特别限定，通常为0.025～0.1mm，优选为0.025～0.05mm。
复合构件中，除了基板及橡胶层以外，根据需要，还可以出于防止衬垫制品彼此的固接、降低摩擦系数、提高耐磨耗性等目的而具有表面处理层。形成在基板表面的表面处理层只要能够达成上述目的则没有特别限制，可适宜选择。另外，复合构件中，除了基板及橡胶层以外，根据需要还可以为了提高橡胶层对基板的密合性而具有由例如聚丁二烯、氢化型聚丁二烯、改性聚丁二烯等聚丁二烯类、酚醛清漆型或甲阶型酚醛树脂等形成的底涂层。
如图4所示的形态例子那样，本发明的气缸盖衬垫为密封部的结构由复合构件和金属薄板构成的气缸盖衬垫时，作为金属薄板的材质，没有特别限制，可列举SUS304、SUS301等不锈钢、与复合构件的基板同样的不锈钢等，可适宜选择。
本发明的气缸盖衬垫用不锈钢板的特征在于，其由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成，
其0.2％屈服强度为1300～1500MPa。
本发明的气缸盖衬垫用不锈钢板作为本发明的气缸盖衬垫的基板用的材料来使用。例如，通过将本发明的气缸盖衬垫用不锈钢板成型为规定的气缸盖衬垫的基板的形状，然后，在规定的位置形成橡胶层；或者，在本发明的气缸盖衬垫用不锈钢板的两面或单面形成橡胶层，然后成型为规定的气缸盖衬垫的基板的形状，由此能够制造本发明的气缸盖衬垫。
本发明的气缸盖衬垫用不锈钢板的不锈钢的化学组成(C、Si、Mn、Cr、N、P、S、Ni)及物性(0.2％屈服强度、伸长率、拉伸强度)与本发明的气缸盖衬垫的不锈钢的化学组成(C、Si、Mn、Cr、N、P、S、Ni)及物性(0.2％屈服强度、伸长率、拉伸强度)相同。
然后，列举实施例更具体地说明本发明，但这些仅为例示，对本发明没有限制。
实施例
(实施例1)
准备表1所示的化学组成及物性的不锈钢板(厚度0.2mm)。然后，从得到的不锈钢板中用模具冲裁出物性试验用样品，得到物性试验用样品，测定0.2％屈服强度、伸长率、拉伸强度。将其结果示于表1。
然后，使得到的不锈钢板呈99mm见方，将内侧冲裁成内径(x)为64.85mm的圆形，然后，使中央径(y)为69.25mm、凸缘高度为0.08mm、凸缘宽度(w)为3mm的完整凸缘(fullbead)形成圆环状，得到图5所示的形状的衬垫评价用样品。
然后，按照下述的条件进行重复疲劳试验，测定残存凸缘高度。将其结果示于表1。
＜物性试验＞
基于JIS Z 2241测定0.2％屈服强度、伸长率、拉伸强度。另外，基于JIS Z 2244测定硬度。
＜重复疲劳试验＞
将衬垫评价用样品夹持设置在重复疲劳试验器的压缩面(外径80mm)之间，对于衬垫评价用样品，以频率30Hz(每秒30次)进行1×106次重复压缩，所述压缩以80kN的载荷使凸缘从完全弯曲至恢复7μm。然后，测定重复疲劳试验后的衬垫评价用样品的凸缘高度，作为残存凸缘高度。就残存凸缘高度的测定而言，在以中心角计彼此间隔90°的4个位置对图4所示的衬垫评价用样品进行测定，将它们的测定值平均而作为残存凸缘高度。需要说明的是，“凸缘被压缩至完全弯曲”是指被压缩到凸缘的高度变为0mm。残存凸缘高度越高，则由重复载荷造成的凸缘的疲劳评价为越小。
(比较例1)
除了准备表1的比较例1一栏所示的化学组成及物性的不锈钢板以外，与实施例1同样进行。将其结果示于表1。
(参考例)
除了准备表1的参考例1一栏所示的化学组成及物性的不锈钢板以外，与实施例1同样进行。将其结果示于表1。需要说明的是，参考例1的不锈钢的化学组成相当于SUS301。
[表1]
实施例1及2的衬垫评价用样品与比较例1～5的衬垫评价用样品相比，残存凸缘高度高，因此由重复载荷造成的凸缘的疲劳小，并且与参考例1的由重复载荷造成的凸缘的疲劳程度相同。需要说明的是，在上述实施例、比较例及参考例中，为了容易准确地测定凸缘的高度而没有设置橡胶层，衬垫评价用样品中不论是否设置橡胶层，只要作为基板的不锈钢相同则残存凸缘高度、即由重复载荷造成的凸缘的疲劳程度均相同。因此，在上述实施例1及2中形成有橡胶层的衬垫评价用样品与在上述比较例1～5中形成有橡胶层的衬垫评价用样品相比，由重复载荷造成的凸缘的疲劳小，并且与在上述参考例1中形成有橡胶层的衬垫评价用样品的凸缘的疲劳程度相同。
产业上的可利用性
根据本发明，即使使用无镍不锈钢或低镍不锈钢材作为基板，受到重复载荷时的凸缘的疲劳也小，因此能够以低成本提供密封性能的耐久性优异的气缸盖衬垫。

Claims (4)

1.一种气缸盖衬垫，其特征在于，其为夹在气缸盖与气缸体的接合面之间的、对气缸盖与气缸体的接合部进行密封的气缸盖衬垫，
其具有包含金属制的基板和设置在该基板的两面或单面的橡胶层的复合构件，
所述基板由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成，
形成该基板的不锈钢的0.2％屈服强度为1300～1500MPa。
2.根据权利要求1所述的气缸盖衬垫，其特征在于，
所述气缸盖衬垫的密封部的结构为由一个所述复合构件构成的一层结构。
3.根据权利要求1所述的气缸盖衬垫，其特征在于，
所述气缸盖衬垫的密封部的结构为由一个金属薄板和配置在该金属薄板的两面侧的两个所述复合构件构成的三层结构。
4.一种气缸盖衬垫用不锈钢板，其特征在于，
其由不锈钢构成，所述不锈钢的C的含量为0～0.15质量％、Si的含量为0～0.5质量％、Mn的含量为0～2.0质量％、Cr的含量为11.5～13.0质量％、N的含量为0～0.5质量％、P的含量为0～0.040质量％、S的含量为0～0.030质量％、Ni的含量为0～0.6质量％，余部由Fe及不可避免的杂质构成，
其0.2％屈服强度为1300～1500MPa。
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