JP2000178676A

JP2000178676A - 耐熱鋳鉄材及びその鋳鉄材を利用したシリンダヘッド

Info

Publication number: JP2000178676A
Application number: JP10358785A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kanai; 保博金井; Seiji Matsumoto; 誠二松本; Tomoya Ogino; 知也荻野; Masahiro Nakamura; 正弘中村
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-06-27
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP3778713B2

Abstract

(57)【要約】【課題】モリブデン等の耐熱疲労特性を向上させるた
めの材料を含有した鋳鉄材に対し、モリブデン等を含む
炭化物の晶出を抑制し、モリブデン等の基地組織への固
溶を確実にして耐熱疲労特性の向上を図る。【解決手段】銅、クロム、モリブデンが含有され、イ
オウの含有量が０．１重量％以下の鋳鉄材に対し、希土
類金属を０．０１５〜０．３重量％含有させる。この鋳
鉄材により、ディーゼルエンジン用のシリンダヘッドを
作製し、エンジンの高出力化、高性能化、長寿命化を図
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱疲労特性に優
れた耐熱鋳鉄材及びその鋳鉄材を利用して作製されたシ
リンダヘッドに係る。特に、モリブデン等の耐熱疲労特
性を向上させるための元素を含有した鋳鉄材に対し、更
なる耐熱疲労特性の向上を図るための対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関、特に、ディーゼル
エンジンにおいては、高出力化、高性能化及び長寿命化
が要求されている。特に、高出力化及び高性能化に伴っ
て熱負荷が過酷になるシリンダヘッドの材料としては優
れた耐熱疲労特性が要求される。一般に、このシリンダ
ヘッドの材料としては、耐熱性及び製造コストを考慮し
て片状黒鉛鋳鉄が採用されている。このことは、例えば
「鋳鉄の５００℃までの諸性質」第１部テキスト編
（社）新日本鋳鍛造協会発行の第９頁）に開示されてい
る。

【０００３】この種の片状黒鉛鋳鉄としては、炭素が
２．６〜３．８重量％、ケイ素が１．１〜２．５重量
％、マンガンが０．３〜０．９重量％、リンが０．３重
量％以下、イオウが０．０３〜０．１５重量％で、残部
が鉄である組成のものが一般に採用されている。また、
この片状黒鉛鋳鉄に、クロム、ニッケル、銅、モリブデ
ン、バナジウム、チタン、すず等の材料を含有させるこ
とも行われている。例えば、特開昭６０−１２５３５１
号公報には、クロム、銅、モリブデン、バナジウムを含
有させたものが開示されている。また、特公平７−６０
３２号公報には、クロム、ニッケル、モリブデン、アン
チモンを含有させたものが開示されている。これら元素
を含有させることにより、鋳鉄の耐熱疲労特性等を改善
し、エンジンの高出力化及び高性能化に適した耐久性の
高いシリンダヘッドの実現を図っている。その結果、高
出力、高性能且つ長寿命のエンジンを搭載した車両の実
用化を図り、一般ユーザの要求に応える高い性能を有す
る車両が得られるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ディーゼル
エンジンの更なる高出力化、高性能化及び長寿命化の要
求に応えようとした場合、従来の鋳鉄材では、耐熱疲労
特性の向上に限界があり、この要求に応えることができ
なかった。

【０００５】上記シリンダヘッドの耐熱疲労特性に関し
て説明すると、このシリンダヘッドは、エンジンの発停
が繰り返されることにより熱疲労が生じ、過酷な条件で
使用された場合には、この熱疲労が原因で部分的に亀裂
が発生することがある。

【０００６】この亀裂発生のメカニズムについて図１を
用いて説明する。この図１における縦軸はシリンダヘッ
ドに作用する荷重であり、横軸はシリンダヘッドの歪み
である。縦軸の荷重零点よりも上側は引張荷重を、下側
は圧縮荷重をそれぞれ示している。

【０００７】また、図２はディーゼルエンジンのシリン
ダヘッド１周辺を示している。この図２ではシリンダヘ
ッド１を実線で示している。図３はシリンダヘッド１の
下面（シリンダブロック２に当接する側）を示してい
る。この図のように、シリンダヘッド１は、燃焼室３を
形成する部分（以下、この部分を燃焼面１１と呼ぶ）
と、この燃焼面１１の外側に位置して本シリンダヘッド
１をシリンダブロック２に締結するための外縁部分１２
とを備えている。燃焼面１１には、吸排気用のポート
４，５、燃料噴射ノズル６を装着するためのノズル装着
部７が形成されている。

【０００８】エンジンが始動すると、シリンダヘッド１
の燃焼面１１が燃焼室３内の熱によって加熱され熱膨張
する。これに対し、シリンダヘッド１の外縁部分１２
は、比較的温度が低いためその熱膨張量は燃焼面１１に
比べて小さい。また、この外縁部分１２はシリンダブロ
ック２に強固に締結されている。このため、シリンダヘ
ッド１の燃焼面１１及びその周辺部分の熱膨張は、外縁
部分１２による拘束を受ける。その結果、燃焼面１１及
びその周辺部分には圧縮荷重が作用する（図１のＡ）。
これにより、シリンダヘッド１は降伏して収縮する。特
に、ディーゼルエンジンにあっては、ガソリンエンジン
に比べて筒内燃焼圧力が高いため、エンジン全体の剛性
が高く設計されている。このため、シリンダヘッド１の
燃焼面１１及びその周辺部分の熱膨張に対する外縁部分
１２の拘束力は大きく、シリンダヘッド１の収縮量も大
きくなる傾向がある。

【０００９】その後、所定時間だけエンジンが継続して
運転すると、シリンダヘッド１全体の温度上昇に伴い上
記圧縮荷重が緩和される（図１のＢ）。この状態からエ
ンジンを停止すると、エンジンが冷却される。完全に冷
却した状態では、上記圧縮降伏変形した部位（燃焼面１
１及びその周辺部分）に引張荷重が作用することになる
（図１のＣ）。このため、このエンジン始動から停止ま
での１サイクルで、図中Ｌの引張荷重が燃焼面１１及び
その周辺部分に残留する。

【００１０】このようなサイクルが繰り返されると（図
中Ｄ〜Ｆ）、その度に残留した引張荷重が蓄積されてい
き、シリンダヘッド１に次第に大きな引張荷重が作用し
ていく。

【００１１】このような圧縮及び引張の繰り返しに伴う
荷重によりシリンダヘッド１に部分的に亀裂が発生す
る。特に、シリンダヘッド１では、吸排気の各ポート
４，５とノズル装着部７との間や、各ポート４，５間に
亀裂（所謂、弁間亀裂）が生じやすい。これはシリンダ
ヘッド１の形状に起因している。つまり、エンジンの空
気充填効率や燃焼ガスの排気効率を向上させるために、
各ポート４，５の径をできるだけ大きく確保するように
シリンダヘッド１は設計されている。このため、ポート
４，５とノズル装着部７との間や、各ポート４，５間の
肉厚寸法が小さくなっていて、この部分に応力が集中し
やすく、これらの部分に亀裂が生じやすい。図３は、シ
リンダヘッド１の排気ポート５とノズル装着部７との間
に亀裂８が発生した状態を示している。

【００１２】このような亀裂が生じた場合、エンジンの
性能が維持できなくなるばかりでなく、エンジンの耐久
性が低下してしまう。即ち、ユーザの要求するエンジン
性能を発揮することができず、また、エンジンの寿命が
短くなってユーザの不満を招くことになってしまう。従
って、この亀裂が発生しない温度域までしか筒内燃焼温
度を上昇させることができず、エンジンの高出力化及び
高性能化には限界があった。

【００１３】また、この亀裂の発生を抑制するためにシ
リンダヘッドを冷却する構成も講じられている。例え
ば、各ポート間に冷却水を流すための冷却水通路を形成
することが行われている。ところが、この冷却水通路の
加工には高い精度が要求され、シリンダヘッドの加工効
率を著しく阻害していた。

【００１４】このように、シリンダヘッド１にあって
は、エンジンの大型化を招くこと無しに空気充填効率や
燃焼ガス排気効率の向上を図るといった要求と、熱疲労
による亀裂の発生を回避するといった要求とがある。し
かし、この両要求の両立は困難であり、この両要求を十
分に満たすといったシリンダヘッドに特有の課題を解決
した手段は未だ実現されていない。

【００１５】本発明の発明者らは、上記の点を考慮し、
鋳鉄材の耐熱疲労特性について種々の考察を行った。そ
して、以下の点に着目した。通常、鋳鉄材は、セメンタ
イトとフェライトとの層状の共析晶であるパーライト基
地組織を有している。そして、耐熱性を向上させるため
にモリブデンやクロム等を含有させた場合、これら含有
材料を含む遊離炭化物が晶出することがあり、この場
合、基地組織の黒鉛量が減少することに伴って固くて脆
い鋳鉄材になってしまう。つまり、被削性に劣り、シリ
ンダヘッドには採用し難い材料になってしまう。

【００１６】また、上記モリブデンやクロムを含む遊離
炭化物の晶出に伴って、パーライト組織のセメンタイト
層の炭素が奪われることになり、このセメンタイト層の
化合炭化物が減少する。これにより、セメンタイト層の
厚さがフェライト層の厚さに比べて薄くなり、軟弱なパ
ーライト組織となってしまう。

【００１７】このように、耐熱性を向上させるために含
有させたモリブデンやクロムが原因となって鋳鉄材の被
削性や強度を劣化させてしまっていることに本発明の発
明者らは着目した。そして、このモリブデンやクロムを
含有させたことによる悪影響を排除し、且つこれらの含
有による耐熱疲労特性の向上といった有益な効果を確保
するための手段について研究を重ねた。

【００１８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、モリブデン等の耐熱
疲労特性を向上させるための元素を含有した鋳鉄材に対
し、モリブデン等を含む遊離炭化物の晶出を抑制し、モ
リブデン等の基地組織への固溶を確実に行わせて耐熱疲
労特性の向上を図ることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】−発明の概要− 上記目的を達成するために、本発明は、モリブデン等の
耐熱疲労特性の向上を図るための元素を含有した鋳鉄材
に対し、希土類金属を所定重量だけ含有させることで、
モリブデン等を含む炭化物の生成を抑制できるようにし
た。

【００２０】−解決手段− 具体的に、本発明が講じた第１の解決手段は、銅、クロ
ム、モリブデンが含有され、イオウの含有量が０．１重
量％以下の鋳鉄材に対し、希土類金属を０．０１５〜
０．３重量％含有させている。

【００２１】この特定事項により、クロム及びモリブデ
ンを含む炭化物の晶出が抑制され、このクロム及びモリ
ブデンの基地組織への固溶が確実に行われる。それに伴
って鋳鉄材の耐熱疲労特性が向上する。また、銅が含有
されていることによっても炭化物の晶出が抑制される。

【００２２】希土類金属の含有量を上述の如く特定した
理由を以下に述べる。クロム、モリブデンを含む炭化物
の晶出を抑制するためには０．０１５重量％以上の希土
類金属が必要である。つまり、希土類金属を含有させた
ことによる効果を発揮させるために最低限必要な量であ
る。一方、希土類金属が０．３重量％を超えるとチル化
傾向が増大し、鋳鉄材が脆弱化すると共に被削性が劣化
してしまう。また、イオウの含有量としては、このイオ
ウは溶解原料から不可避的に存在するが、多量に混入す
ると鋳造凝固過程で高温割れが生じ易く、その影響が無
視できる程度の０．１重量％以下としている。また、こ
のイオウの含有量と希土類金属の含有量とには相関関係
がある。具体的には、希土類金属をイオウ量の約３倍含
有させることが耐熱疲労性の向上に最も適していること
を本発明の発明者らは見出している。一般に、鋳鉄材に
は０．００５〜０．１重量％のイオウが含有している。
このため、希土類金属の含有量は、このイオウ含有量に
応じて０．０１５〜０．３重量％含有させることが好ま
しいのである。

【００２３】第２の解決手段は、銅、クロム、モリブデ
ンの含有量を特定したものである。つまり、上記第１の
解決手段において、銅を０．３〜１．２重量％、クロム
を０．１〜０．６重量％、モリブデンを０．３〜０．９
重量％含有させている。

【００２４】この特定事項において、各元素の重量比率
を上述のように限定した理由を以下に説明する。

【００２５】（銅）クロム、モリブデンを含む炭化物の
生成を抑制するためには０．３重量％以上の銅が必要で
ある。一方、銅の量が１．２重量％を超えると含有量に
見合った効果が得られなくなってしまう。

【００２６】（クロム）基地パーライトの高温安定化、
特に５００℃までのパーライトの分解を阻止するために
は０．１重量％以上のクロム量が必要である。一方、ク
ロム量が０．６重量％を超えると遊離炭化物が形成され
て脆弱化すると共に被削性が著しく劣化してしまう。

【００２７】（モリブデン）耐熱疲労特性を向上させる
には、０．３重量％以上のモリブデン量が必要である。
一方、モリブデン量が０．９重量％を超えると含有量に
見合った効果が得られない。また、モリブデン含有量が
多過ぎると、引け巣等の鋳造欠陥が生じ易くなると共
に、遊離炭化物が形成されて脆弱化し、更に被削性が著
しく劣化してしまう。

【００２８】第３の解決手段は、上記第１の解決手段に
おいて、銅に代えてニッケルを含有させている。

【００２９】この特定事項により、銅を含有させた場合
と同様に炭化物の生成を抑制できる。また、ニッケルの
含有により耐蝕性の向上も図れる。

【００３０】第４の解決手段は、ニッケル、クロム、モ
リブデンの含有量を特定したものである。つまり、上記
第３の解決手段において、ニッケルを０．３〜１．２重
量％、クロムを０．１〜０．６重量％、モリブデンを
０．３〜０．９重量％含有させている。

【００３１】第５の解決手段は、上記第１の解決手段の
含有物と、第３の解決手段の含有物とを合わせ持ったも
のである。つまり、銅及びニッケルの両方を含有させて
いる。

【００３２】第６の解決手段は、銅、ニッケル、クロ
ム、モリブデンの含有量を特定したものである。つま
り、上記第５の解決手段において、銅とニッケルとの合
計含有量を０．３〜１．２重量％、クロムを０．１〜
０．６重量％、モリブデンを０．３〜０．９重量％含有
させている。

【００３３】これら解決手段において各元素の重量比を
上述のように限定した理由は、上述した第２の解決手段
の場合と同様である。

【００３４】第７の解決手段は、上述した各含有物以外
の元素の含有量を特定したものである。つまり、上記第
１〜第６のうち１つの解決手段において、炭素を２．８
〜３．５重量％、ケイ素を１．９〜２．４重量％、マン
ガンを０．３〜０．９重量％、リンを０．１重量％以
下、アンチモンを０．０１〜０．０５重量％含有させて
いる。

【００３５】この特定事項において各元素の重量比率を
上述のように限定した理由を以下に説明する。

【００３６】（炭素）炭素量が２．８重量％未満では、
引け巣等の鋳造欠陥を生じ易くなると共に、被削性が劣
化してしまう。一方、３．５重量％を超える場合には、
黒鉛晶出量が過多となって材質が脆弱化してしまう。

【００３７】（ケイ素）ケイ素量が１．９重量％未満で
は、溶湯の流動性が劣化して鋳造性が損なわれる。一
方、２．４重量％を超える場合には、基地組織中のフェ
ライトの析出量が多くなり、耐熱疲労特性が劣化する。

【００３８】（マンガン）基地パーライトの高温安定化
と、不純物としてのイオウの有害性を取り除くためには
０．３重量％以上のマンガン量が必要である。一方、マ
ンガン量が０．９重量％を超えるとチル化傾向が増大し
て脆弱化してしまう。

【００３９】（リン）リンは溶解原料から不可避的に存
在するが、多量に混入すると脆弱化するため、その影響
が無視できる程度の０．１重量％以下とした。

【００４０】（アンチモン）基地パーライトの高温安定
化のためには０．０１重量％以上のアンチモン量が必要
である。一方、アンチモン量が０．０５重量％を超える
とチル化傾向が増大して脆弱化してしまう。

【００４１】第８の解決手段は、上記第７の解決手段の
アンチモンに代えて、すずを０．０５〜０．１重量％含
有させている。

【００４２】この解決手段において、すずの重量比を上
述のように限定した理由は、上述した第７の解決手段に
おけるアンチモンの場合と同様である。

【００４３】第９の解決手段は、希土類金属を具体的に
特定したものである。つまり、上記第１〜第８のうち１
つの解決手段において、希土類金属を、セリウム、ラン
タン、ネオジウムのうち少なくとも１つを含んだものと
している。

【００４４】この特定事項により、本発明に係る耐熱疲
労特性に優れた鋳鉄材に含有させる希土類金属が具体化
され、鋳鉄材の実用性の向上が図れる。また、各種希土
類金属のうち、これら金属は比較的容易に精製すること
ができ、これによっても鋳鉄材の実用性の向上が図れ
る。

【００４５】第１０の解決手段は、上述した耐熱鋳鉄材
の適用形態を特定したものである。つまり、上記第１〜
第９のうち１つの解決手段の耐熱鋳鉄材により、ディー
ゼルエンジン用のシリンダヘッドを作製している。

【００４６】この特定事項により、特に優れた耐熱疲労
特性が要求されるディーゼルエンジンのシリンダヘッド
に対して、その耐熱疲労特性の大幅な向上が図れる。こ
のため、吸排気の各ポートとノズル装着部との間や、各
ポート間における亀裂の発生を回避することができる。
その結果、高性能を長期間に亘って維持でき、且つ耐久
性の高いエンジンを実用化できる。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態とし
て、本発明に係る鋳鉄材と、従来の鋳鉄材との耐熱疲労
試験及び実機耐久試験について説明する。

【００４８】（第１試験例）先ず、第１試験例について
説明する。本例は、銅を含有させた本発明に係る鋳鉄材
と、同じく銅を含有させた従来の鋳鉄材とを比較するた
めに行った試験である。

【００４９】表１に示す組成成分からなる各試験片（実
施例１〜３、比較例１〜３）を実験室規模で溶製した。
つまり、各組成成分の材料を７０kg高周波溶解炉を用い
て大気溶解し、Ｆｅ−Ｓｉ（７５％）合金０．３％で接
種後、直径３０mm、長さ５００mmの丸棒試験材に鋳造
し、この各試験材から下記に示す標点間距離及び標点間
径を有する熱疲労試験片を製作した。この各試験片につ
いて耐熱疲労試験を行った。

【００５０】この耐熱疲労試験では、電気−油圧サーボ
方式の熱疲労試験機を用い、各試験片に対する耐熱疲労
特性の評価を行った。尚、この耐熱疲労試験は、標点間
距離を１５mm、標点間径を１０mmとした丸棒試験片を用
い、加熱による試験片の熱膨張伸びを機械的に完全拘束
させた状態で、１サイクル１０分とする加熱冷却サイク
ル（下限温度：３５℃、上限温度４００℃）を繰り返
し、試験片が破断するまでの繰り返し数によって、各試
験片の耐熱疲労特性を評価した。その結果を表１に合わ
せて示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】この表１から明らかなように、本発明に係
る試験片（実施例１〜３）は、破断までの繰り返し数が
６７０回以上であり、いずれも比較例１〜３の試験片
（繰り返し回数が１３０〜３００回程度で破断してい
る）に比べて耐熱疲労特性に優れていることが判る。

【００５３】−金属組織の比較− また、本発明に係る鋳鉄材と従来の鋳鉄材との金属組織
を比較するために、上記実施例２、比較例１及び比較例
３に使用した鋳鉄材の金属組織の顕微鏡写真を図４、図
５及び図６に示す。図４は実施例２の金属組織を示し、
図５は比較例１の金属組織を示し、図６は比較例３の金
属組織を示している。

【００５４】これら金属組織を比較すると、比較例３
（図６）では、パーライト基地組織のフェライト層（顕
微鏡写真において黒色の部分）に対してセメンタイト層
（顕微鏡写真において白色の部分）の厚さが薄くなって
いる。これは、モリブデンやクロムを含む遊離炭化物の
晶出に伴って、パーライト組織のセメンタイト層の炭素
が奪われることになり、このセメンタイト層の化合炭化
物が減少しているためであると考えられる。また、比較
例１（図５）では、パーライト組織を構成するセメンタ
イト層及びフェライト層が粗大となっており、高温安定
性に劣る組織となっている。これは、モリブデンやクロ
ムを含有させていないためであると考えられる。

【００５５】これに対し、実施例２（図４）では、フェ
ライト層とセメンタイト層との厚さが概略等しくなって
いる。これは、希土類金属の含有により、モリブデンや
クロムを含む遊離炭化物の晶出が抑制され、セメンタイ
ト層にクロムやモリブデンが良好に固溶しているためで
あると考えられる。また、パーライト組織も微細であ
り、高温安定性に優れた組織となっている。

【００５６】（第２試験例）次に、第２試験例について
説明する。本例も、銅を含有させた本発明に係る鋳鉄材
と、同じく銅を含有させた従来の鋳鉄材とを比較するた
めに行った試験である。

【００５７】表２に示す組成からなる本発明の実施例４
及び比較例４、５の鋳鉄を用いて高出力ディーゼルエン
ジンのシリンダヘッドを作製し、全負荷ないしエンジン
停止の繰り返しからなる実機耐久試験を実施した。そし
て、６００時間終了後のシリンダヘッドの熱疲労亀裂状
況を表２に合わせて示す。

【００５８】

【表２】

【００５９】この表２から明らかなように、本発明に係
る鋳鉄材を用いて製作したシリンダヘッドは熱疲労によ
る亀裂の発生は認められなかった。一方、比較例４、５
の鋳鉄を用いて製作したシリンダヘッドは、いずれも熱
疲労による亀裂（弁間亀裂等）の発生が認められた。

【００６０】この結果から、実施例４の鋳鉄材は、耐熱
疲労特性に優れており、本実施例の鋳鉄を高出力のディ
ーゼルエンジンのシリンダヘッドに適用すれば、耐久性
に優れた製品を得ることができることが判る。

【００６１】（第３試験例）次に、第３試験例について
説明する。本例は、上述した第１試験例の銅に代えてニ
ッケルを含有させた本発明に係る鋳鉄材と、同じくニッ
ケルを含有させた従来の鋳鉄材とを比較するために行っ
た試験である。

【００６２】表３に示す組成成分からなる各試験片（実
施例５〜７、上記と同様の比較例１〜３）に対し、上述
した第１試験例の場合と同様にして耐熱疲労試験を行
い、各試験片の耐熱疲労特性を評価した。その結果を表
３に示す。

【００６３】

【表３】

【００６４】この表３から明らかなように、本発明に係
る試験片（実施例５〜７）は、破断までの繰り返し数が
６９０回以上であり、第１試験例の場合と同様に、いず
れも比較例１〜３の試験片に比べて耐熱疲労特性に優れ
ていることが判る。

【００６５】（第４試験例）次に、第４試験例について
説明する。本例も、ニッケルを含有させた本発明に係る
鋳鉄材と、同じくニッケルを含有させた従来の鋳鉄材と
を比較するために行った試験である。

【００６６】表４に示す組成からなる本発明の実施例８
及び上記と同様の比較例４、５の鋳鉄を用いて高出力デ
ィーゼルエンジンのシリンダヘッドを作製し、上述した
第２試験例の場合と同様にして実機耐久試験を行った。
シリンダヘッドの熱疲労亀裂状況を表４に示す。

【００６７】

【表４】

【００６８】この表４から明らかなように、本例の場合
も、上述した第２試験例の場合と同様に、本発明に係る
鋳鉄材を用いて製作したシリンダヘッドは熱疲労による
亀裂の発生は認められなかった。一方、比較例４、５の
鋳鉄を用いて製作したシリンダヘッドは、いずれも熱疲
労による亀裂の発生が認められた。

【００６９】以上の結果から、実施例８の鋳鉄材も、耐
熱疲労特性に優れており、本実施例の鋳鉄を高出力のデ
ィーゼルエンジンのシリンダヘッドに適用すれば、耐久
性に優れた製品を得ることができることが判る。

【００７０】（第５試験例）次に、第５試験例について
説明する。本例は、上述した銅及びニッケルを共に含有
させた本発明に係る鋳鉄材と、同じく銅及びニッケルを
含有させた従来の鋳鉄材とを比較するために行った試験
である。

【００７１】表５に示す組成成分からなる各試験片（実
施例９〜１１、比較例１〜３）に対し、上述した第１試
験例の場合と同様にして耐熱疲労試験を行い、各試験片
の耐熱疲労特性を評価した。その結果を表５に示す。

【００７２】

【表５】

【００７３】この表５から明らかなように、本発明に係
る試験片（実施例９〜１１）は、破断までの繰り返し数
が６７０回以上であり、第１及び第３試験例の場合と同
様に、いずれも比較例１〜３の試験片に比べて耐熱疲労
特性に優れていることが判る。

【００７４】（第６試験例）次に、第６試験例について
説明する。本例も、銅及びニッケルを共に含有させた本
発明に係る鋳鉄材と、同じく銅及びニッケルを含有させ
た従来の鋳鉄材とを比較するために行った試験である。

【００７５】表６に示す組成からなる本発明の実施例１
２及び比較例４、５の鋳鉄材を用いて高出力ディーゼル
エンジンのシリンダヘッドを作製し、上述した第２試験
例の場合と同様にして実機耐久試験を行った。シリンダ
ヘッドの熱疲労亀裂状況を表６に示す。

【００７６】

【表６】

【００７７】この表６から明らかなように、本例の場合
も、上述した第２及び第４試験例の場合と同様に、本発
明に係る鋳鉄材を用いて製作したシリンダヘッドは熱疲
労による亀裂の発生は認められなかった。一方、比較例
４、５の鋳鉄を用いて製作したシリンダヘッドは、いず
れも熱疲労による亀裂の発生が認められた。

【００７８】以上の結果から、実施例１２の鋳鉄材も、
耐熱疲労特性に優れており、本実施例の鋳鉄を高出力の
ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに適用すれば、耐
久性に優れた製品を得ることができることが判る。

【００７９】以上の各試験結果から、希土類金属を含有
させた鋳鉄材にあっては、優れた耐熱疲労特性を得るこ
とができ、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに適用
した場合には、高出力、高性能且つ長寿命のエンジンを
実現することができる。つまり、筒内燃焼温度及び筒内
圧力の向上に耐え得るシリンダヘッドを作製することが
できて、弁間亀裂の発生等も回避でき、ユーザの要求す
る高い性能を発揮するエンジンを実現することが可能に
なる。

【００８０】また、シリンダヘッドの冷却効率を高めて
おく必要がない。従来は吸排気のポート間に冷却水通路
を形成していたが、本発明の鋳鉄材を使用することによ
り、この冷気水通路の加工が不要になり、シリンダヘッ
ドの加工効率の向上を図ることができる。

【００８１】（その他の実施形態）上述した各実施形態
では、本発明に係る鋳鉄材をディーゼルエンジンのシリ
ンダヘッドに適用した場合について説明した。本発明は
これに限るものではない。例えば、ディーゼルエンジン
のシリンダブロック等のその他のエンジン構成部材の材
料として採用したり、ガソリンエンジン等のその他のエ
ンジン構成部材の材料として採用することも可能であ
る。また、エンジン以外のものへの適用も可能である。

【００８２】また、銅、ニッケル、クロム、モリブデ
ン、炭素、ケイ素、マンガン、リン、アンチモン、すず
の含有量は、上述したものに限らない、つまり、要求さ
れる耐熱疲労特性や、被削性に応じてこれら含有量は任
意に設定されるものである。

【００８３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、以下の
ような効果が発揮される。請求項１、３、５記載の発明
では、モリブデン等の耐熱疲労特性の向上を図るための
元素を含有した鋳鉄材に対し、希土類金属を所定重量だ
け含有させることで、モリブデン等を含む炭化物の生成
を抑制できるようにしている。このため、基地組織の黒
鉛量を良好に確保でき、被削性に富み且つ強度の高い鋳
鉄材を得ることができる。また、セメンタイト層の化合
炭化物が減少することもなく、このセメンタイト層の厚
さを十分に確保できるので、強度の高いパーライト組織
を有する鋳鉄材を実現できる。つまり、従来では、耐熱
性を向上させるために含有させたモリブデンやクロムが
原因となって鋳鉄材の被削性や強度を劣化させてしまう
ことがあった。本発明によれば、このモリブデンやクロ
ムを含有させたことによる悪影響を排除し、且つこれら
の含有による耐熱疲労特性の向上といった有益な効果を
確保することができる。

【００８４】特に、請求項１０記載の発明のように、こ
の鋳鉄材を利用してディーゼルエンジン用のシリンダヘ
ッドを作製した場合には、エンジンの構成部材のうち、
特に優れた耐熱疲労特性が要求される部分の耐熱疲労特
性を大幅に向上できる。このため、吸排気の各ポートと
ノズル装着部との間や、各ポート間における熱疲労に起
因する亀裂の発生を回避することができる。従って、エ
ンジンを大型化することなしに吸排気の各ポートを大き
くすることができ、空気充填効率や燃焼ガスの排気効率
の向上を図ることができる。また、上記亀裂の発生によ
りエンジンの耐久性が低下するといったこともなく、エ
ンジンの長寿命化が図れる。つまり、本発明に係る鋳鉄
材によるシリンダヘッドを使用してエンジンを構成した
場合には、エンジンの大型化を招くこと無しに空気充填
効率や燃焼ガス排気効率の向上を図るといった要求と、
熱疲労による亀裂の発生を回避するといった要求とを両
立させることができ、これまでに無かった優れたエンジ
ンを実現することができる。その結果、ユーザの要求す
る性能に応え、且つ耐久性に係る不満を招くことも無
く、ユーザが性能及び耐久性に十分に満足する車両を実
現することができるのである。更には、シリンダヘッド
の設計段階において、その冷却のための構成も簡素化で
きる。例えば、冷却水の通路を各ポート間に形成してお
く必要が無くなる。このため、シリンダヘッドの加工効
率の向上が図れ、低コストで量産が可能なシリンダヘッ
ドを実現することもできる。

【００８５】請求項２、４、６記載の発明では、銅、ク
ロム、モリブデンの含有量を特定したことにより、クロ
ム、モリブデンを含む炭化物の生成を抑制する効果、基
地パーライトの高温安定化を図る効果、良好な被削性を
確保する効果を発揮させることができ、鋳鉄材の実用性
を更に高めることが可能になる。

【００８６】請求項７、８記載の発明では、上記以外の
元素の重量比を特定したことにより、上述した各効果に
加えて、鋳造欠陥の防止、良好な鋳造性の確保、イオウ
の有害性の除去といった効果を得ることができる。

【００８７】請求項９記載の発明では、希土類金属を具
体的に特定したことにより、鋳鉄材の実用性の向上が図
れる。また、各種希土類金属のうち、これら金属は比較
的容易に精製することができ、これによっても鋳鉄材の
実用性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ディーゼルエンジンのシリンダヘッドにおける
熱疲労に起因する亀裂発生のメカニズムを説明するため
の図である。

【図２】ディーゼルエンジンの燃焼室周辺部の構成を示
す一部を破断した斜視図である。

【図３】シリンダヘッドの下面を示す図である。

【図４】本発明に係る鋳鉄材である実施例２の金属組織
を示す顕微鏡写真である。

【図５】従来の鋳鉄材である比較例１の金属組織を示す
顕微鏡写真である。

【図６】従来の鋳鉄材である比較例３の金属組織を示す
顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１シリンダヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荻野知也大阪府大阪市北区茶屋町１番32号ヤンマーディーゼル株式会社内 (72)発明者中村正弘大阪府大阪市北区茶屋町１番32号ヤンマーディーゼル株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅、クロム、モリブデンが含有された鋳
鉄材において、イオウの含有量が０．１重量％以下であって、希土類金
属が０．０１５〜０．３重量％含有されていることを特
徴とする耐熱鋳鉄材。
【請求項２】請求項１記載の耐熱鋳鉄材において、銅が０．３〜１．２重量％、クロムが０．１〜０．６重
量％、モリブデンが０．３〜０．９重量％含有されてい
ることを特徴とする耐熱鋳鉄材。
【請求項３】ニッケル、クロム、モリブデンが含有さ
れた鋳鉄材において、イオウの含有量が０．１重量％以下であって、希土類金
属が０．０１５〜０．３重量％含有されていることを特
徴とする耐熱鋳鉄材。
【請求項４】請求項３記載の耐熱鋳鉄材において、ニッケルが０．３〜１．２重量％、クロムが０．１〜
０．６重量％、モリブデンが０．３〜０．９重量％含有
されていることを特徴とする耐熱鋳鉄材。
【請求項５】銅、ニッケル、クロム、モリブデンが含
有された鋳鉄材において、イオウの含有量が０．１重量％以下であって、希土類金
属が０．０１５〜０．３重量％含有されていることを特
徴とする耐熱鋳鉄材。
【請求項６】請求項５記載の耐熱鋳鉄材において、銅とニッケルとの合計含有量が０．３〜１．２重量％、
クロムが０．１〜０．６重量％、モリブデンが０．３〜
０．９重量％含有されていることを特徴とする耐熱鋳鉄
材。
【請求項７】請求項１〜６のうち１つに記載の耐熱鋳
鉄材において、炭素が２．８〜３．５重量％、ケイ素が１．９〜２．４
重量％、マンガンが０．３〜０．９重量％、リンが０．
１重量％以下、アンチモンが０．０１〜０．０５重量％
含有されていることを特徴とする耐熱鋳鉄材。
【請求項８】請求項１〜６のうち１つに記載の耐熱鋳
鉄材において、炭素が２．８〜３．５重量％、ケイ素が１．９〜２．４
重量％、マンガンが０．３〜０．９重量％、リンが０．
１重量％以下、すずが０．０５〜０．１重量％含有され
ていることを特徴とする耐熱鋳鉄材。
【請求項９】請求項１〜８のうち１つに記載の耐熱鋳
鉄材において、希土類金属は、セリウム、ランタン、ネオジウムのうち
少なくとも１つを含んだものであることを特徴とする耐
熱鋳鉄材。
【請求項１０】請求項１〜９のうち１つに記載の耐熱
鋳鉄材により作製されていることを特徴とするディーゼ
ルエンジン用のシリンダヘッド。