JP2008536058A - 窒化された金属層を備える多層鋼ガスケット - Google Patents

Abstract

多層鋼ガスケットが活性層を冷間圧延し、かつ窒化することによって、製造される。冷間圧延は望ましい層の硬さを提供し、窒化は、クラッキングおよび摩耗に耐える望ましい層の強度を提供する。

Description

本発明は、多層鋼（ＭＬＳ）ガスケット（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｓｔｅｅｌ ｇａｓｋｅｔ）に関し、詳細には、望ましいガスケットの特徴を改良するために、ＭＬＳガスケット活性層（ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）の物理的特性を変えるプロセスに関する。

最近、すべての（通常、少なくとも２つの）ガスケット層が鋼から成形される、ＭＬＳシリンダ・ヘッド・ガスケットが好ましい設計の選択になってきた。一般に、「活性層」とも呼ばれるビード状の層（ｂｅａｄｅｄ ｌａｙｅｒ）は、ガスケットの耐用寿命にわたって、必要な性能要求に適合するために、対応して高いばね定数を備える比較的頑丈な金属である３０１ステンレス鋼から製作される。

燃料の消費および排出を低減させる傾向が、これらのガスケットの性能に増大された要求を提示した。使用されたより軽い合金は、一般に、等しいシリンダ圧縮比で、より大きい曲げを経験するが、エンジン・シリンダ・ブロックおよびヘッド・アセンブリ内に、より軽い材料を使用することによって、燃料の消費を低減させることが成功であることが示された。この低減された剛性は、ヘッド・アセンブリおよびシリンダ・ブロック内に追加の曲げをもたらし、ヘッド・アセンブリとシリンダ・ブロックの間でより大きな運動をもたらし、したがって、相対的な曲げに対応するためにシリンダ・ヘッド・ガスケットに増大された要求をもたらすことがある。

エンジンの圧縮比を増加させることによって排出物質を低減させられることも、成功であることが示された。しかし、一般に、シリンダ圧力のこの増加は、ヘッド・アセンブリとシリンダ・ブロックの合わせ面の間の運動の増大をもたらす。これらの寄与因子および他のものは、ＭＬＳガスケット技術が絶え間ない技術革新の領域になるようにさせた。

エンジン・シリンダ・ボアの開口の円周にすぐ隣接するガスケット領域は、開口から径方向に遠いガスケット領域より、適切な密封を保証するために、相当に大きい応力にさらされる。エンジン・シリンダ・ボアの開口の円周にすぐ隣接するこれらのガスケット領域は、開口から径方向に遠いガスケット領域より、合わせ面（ｍａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）の間で大きな動的変位も経験する。

合わせ面の間のこの変位は、活性層の内部に軸運動をもたらし、活性層と任意の隣接した面の間に微細運動（ｍｉｃｒｏ ｍｏｔｉｏｎ）を生成する。この運動は、一般に、相対運動の領域で、通常、擦過（ｆｒｅｔｔｉｎｇ）と呼ばれる面の摩耗をもたらす。隣接した面がガスケットの他の層であるとき、この層の摩耗がガスケットの裂け（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）または亀裂（ｃｒａｃｋｉｎｇ）をもたらすことがある。隣接した面が合わせ部品の１つであるとき、面の摩耗が有効でない密封をもたらし得る。一般に、密封可能性を改良し、かつビード状の層が合わせ面に沿って滑ることを可能とするために、エラストマーのコーティングがＭＬＳガスケット層に塗られる。

擦過を低減させるために、表面強度を増加させるプロセスは、合わせ面の間の相対変位に対応するためのビード部分の能力を望ましくなく低減させる。３０１ステンレス鋼のビード部分を、３／４硬度と超硬度（３５０から５００Ｈｖ）の間の望ましい範囲に硬度を増加させるために熱処理することができる。一般的な熱処理プロセスは、マルテンサイトの含有量および構造を変えるために、４００から４５０°Ｃの範囲まで鋼を加熱することを含む。これらの熱処理プロセスは、ビード部分の面のところで強度を望ましく増加させる他のプロセスと適合しないことがある。したがって、必要なのは、望ましい硬度、表面強度およびばね定数を与えるように処理された金属ガスケット用の活性層である。

１つの実施形態では、本発明は、少なくとも１つのビード領域と、窒化プロセスにさらされる表面とをもつＭＬＳガスケット用の金属層を提供する。金属層は臨界温度範囲を超えて金属層を加熱する熱処理プロセスにはさらされない。

他の実施形態では、活性層を備えるＭＬＳガスケットを製造する方法は、活性層内に少なくとも半分のビードを成形するステップと、活性層の少なくとも一部を窒化するステップとを含む。窒化は、臨界温度範囲を超えて金属層を加熱することを含まない。

さらに他の実施形態では、ＭＬＳガスケットの少なくとも一部を製造する方法は、金属層を冷間成形する（ｃｏｌｄ ｆｏｒｍｉｎｇ）ステップと、金属層の少なくとも一部を窒化する（ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ）ステップとを含む。窒化は、臨界温度範囲を超えて金属層を加熱することを含まない。

次に、本発明が添付の図面に関して一例として説明される。

図１は、シリンダ・ヘッド・ガスケットである金属ガスケット２０の実施形態を示す。ガスケット２０は、シリンダ・ヘッド・アセンブリ（図示せず）の合わせ面と内燃機関のシリンダ・ブロック（図示せず）との間に配置される。ガスケット２０は、少なくとも１つの金属層２４を含む。図示されたように、最も上の金属層２４だけが示される。各金属層２４は、複数のシリンダ開口２６、ボルト開口２８およびジャケット開口３０によって画定される。各ジャケット開口３０は、冷却流体または潤滑流体を運ぶことができる。金属層２４は、開口２６、２８、３０がほぼ一直線にそろえられるように配置される。

図２は、ガスケット２０が、第２金属層３２をさらに含むことを示す。第２金属層３２は、第１面３６と、第２面３８と、シリンダ領域面４０と、外側エッジ４４とを含む。第２金属層３２は、ビード領域４６と、ストッパ領域４８も含む。図示されたように、ビード領域４６およびストッパ領域４８が軸方向Ａに延びる部分をもつ状態で、第２金属層３２は径方向Ｒに延びる。

図１および２のガスケットの設置の間、ビード領域４６は、軸方向Ａに部分的に圧縮され、それによって、ビード領域４６を軸方向Ａに短縮させ、ビード領域４６の部分に径方向Ｒにいくらかの運動を経験させる。エンジン動作の間、合わせ面の間の軸方向Ａの相対運動は、合わせ面を適切に密封するために、ビード領域４６の部分が軸方向Ａに弾性的に運動することを必要とする。ビード領域４６の軸方向Ａへのこの弾性的な運動は、第１面３６および第２面３８に接触する面に対して、径方向Ｒにビード領域４６の部分に微細運動を引き起こす。ビード領域４６が面３６、３８のところで十分な強度をもたないとき、亀裂および擦過が起こり得る。

擦過、亀裂および他のタイプの望ましくないＭＬＳガスケット内部の摩耗を低減させるために、活性層は十分な硬度および強度をもつ必要がある。増加した軸方向の変位の動作の間、ビード領域が密封を続けることを保証するために、ビード領域の耐久性を改善することができる。

金属層３２、１３２、１３４用の望ましい硬度を得るために、冷間成形プロセスが使用される。好ましくは、冷間圧延プロセスが、後で金属層３２、１３２、１３４へと成形されるシート鋼に行われる。冷間成形プロセスを使用して、金属層３２、１３２、１３４の硬度は、（冷間加工硬化のために）３／４硬度と超硬度（３５０から５００Ｈｖ）の間の望ましい範囲に増加される。

図３はガスケット２０の他の実施形態を、ガスケット１２０として示す。ガスケット１２０は、第２金属層１３２と第３金属層１３４の間に挿入された第１金属層１２４を含む。第２金属層１３２は、第１面１３６と、第２面１３８と、シリンダ領域面１４０と、外側エッジ１４４とを含む。第２金属層１３２は、ビード領域１４６と、ストッパ領域１４８も含む。第３金属層１３４は、第１面１５６と、第２面１５８と、シリンダ領域面１６０と、外側エッジ１６４とを含む。第３金属層１３４は、ビード領域１６６と、ストッパ領域１６８も含む。

金属層２４、３２、１２４、１３２、１３４の強度を増加するために、窒化が行われる。液体およびプラズマ窒化を使用することができるが、好ましくは、ガス窒化が行われる。ガス窒化は、加熱された金属部品を、無水アンモニアなどの窒素の豊富な媒体にさらす従来のプロセスである。窒化の間、窒素原子は媒体からはぎ取られ、鉄原子と結合して、拡散層を金属内部に生成する。金属部品は、鋼を今の状況に保ち、窒素と鉄の反応を促進するために、（一般に５４０°Ｃより低く）加熱される。したがって、窒化は、３０１ステンレス鋼などの鋼のための臨界温度範囲より低いところで達成され、鋼の急激な相変化を含まない。

少なくともビード領域４６、１４６、１６６の窒化は、金属層３２、１３２、１３４の強度を増加させ、それによって擦過を低減させるＦｅ_ＸＮの拡散層を形成する。窒化はビード領域４６、１４６、１６６の内部で非常に有益であるが、好ましくは、金属層３２、１３２、１３４のすべての部分が窒化される。

本発明に従って、窒化は高い表面硬度を得て、摩耗抵抗を増加させ、疲労寿命を改良する。窒化は、材料の耐久性および亀裂に対する抵抗も増加させる。密封可能性を改良するために、金属層３２、１３２、１３４は、好ましくは、知られているエラストマー配合物で覆われるが、窒化された活性層は、ガスケットの寿命全体にわたって、有効な密封を維持するためにエラストマーへの依存を低減させる。他の適用例でも同様に、硬化され、窒化された層は、低減された擦過を経験するので、本発明により製造された、改良されたガスケットを、シリンダ・ヘッド・アセンブリと排気マニホルドとの間で密封するために使用することもできる。

プラズマまたはイオン窒化は、窒化される部品の分離した加熱を含まず、金属部品を真空中に置き、プラズマを形成する高圧電気エネルギー使用することによって行われ、そのプラズマを通して、窒素原子が加速されて、部品に衝突する。金属部品の表面への窒素原子のこの衝突は、部品を加熱するが、プラズマ窒化は、より少ない変形をもたらすことができる窒化のための低温のオプションを提供する。金属部品の部分を選択的に窒化するために、マスキング技術を使用することができる。

窒化プロセスを、冷間成形プロセスの前または後に行うことができる。冷間成形プロセスを、ビード領域４６、１４６、１６６の少なくとも部分を成形するために使用することもできる。ビード領域４６、１４６、１６６は、半分のビード、全面的なビード、または、ガスケット２０が合わせ面の間で圧縮されるとき、曲げを経験し、かつ密封接触を提供する平面のガスケット内部に成形される他の変形でよい。金属層３２、１３２、１３４は、ビード領域４６、１４６、１６６によって経験される運動のために、一般に、活性層と呼ばれる。

本発明は、本発明を実行する好ましいモードを含む特定の例に関して説明されたが、当分野の技術者は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲の内部にある、上で説明されたシステムおよび技術の多くの変形および変更があることを理解するであろう。

本発明の実施形態による多層鋼のシリンダ・ヘッド・ガスケットの部分図である。 明らかにするために層が分離された、線２−２に沿ってとられた図１のガスケットの断面図である。 明らかにするために層が分離された、図２に似た、本発明の実施形態によるガスケットの他の実施形態の断面図である。

Claims (20)

1. 多層鋼ガスケットであって、
   少なくともビード領域と、窒化プロセスにさらされる表面とをもつ金属層を含み、前記金属層が臨界温度範囲を超えて前記金属層を加熱する熱処理プロセスにさらされない多層鋼ガスケット。
2. 硬度を増加するために、前記金属層が冷間圧延される請求項１に記載の前記多層鋼ガスケット。
3. 前記硬度が、約Ｈｖ＝３５０から約Ｈｖ＝５００の範囲にある請求項２に記載の前記多層鋼ガスケット。
4. 前記金属層が３０１ステンレス鋼から成形される請求項１に記載の前記多層鋼ガスケット。
5. 前記ガスケットが、ヘッド・アセンブリと排気アセンブリの間を選択的に密封する請求項１に記載の前記多層鋼ガスケット。
6. 前記ガスケットが、ヘッド・アセンブリとシリンダ・ブロックの間を選択的に密封する請求項１に記載の前記多層鋼ガスケット。
7. 前記開口の周りに配置されたストッパをさらに含む請求項６に記載の前記多層鋼ガスケット。
8. 前記ビード領域が全面的なビードを含む請求項１に記載の前記多層鋼ガスケット。
9. 熱処理されない活性層を備えるＭＬＳガスケットを製造する方法であって、
   活性層内に、少なくとも半分のビードを成形するステップと、
   前記活性層の少なくとも一部を窒化するステップであって、前記窒化が、前記臨界温度範囲を超える前記金属層の加熱を含まないステップとを含む方法。
10. 前記窒化がガス窒化を含む請求項９に記載の前記方法。
11. 前記窒化がプラズマ窒化を含む請求項９に記載の前記方法。
12. 前記窒化が液体窒化を含む請求項９に記載の前記方法。
13. 前記活性層内に、全面的なビードを成形する前記ステップをさらに含む請求項９に記載の前記方法。
14. 前記活性層内に、少なくとも半分のビードを成形する前記ステップをさらに含む請求項９に記載の前記方法。
15. 硬度を増加させるために、前記金属層を加工硬化する前記ステップをさらに含む請求項９に記載の前記チューニング・ケーブル。
16. ＭＬＳガスケットの少なくとも一部を製造する方法であって、
    金属層を冷間成形するステップと、
    前記金属層の少なくとも一部を窒化するステップであって、前記窒化が、前記臨界温度範囲を超える前記金属層の加熱を含まないステップとを含む方法。
17. 冷間成形の前記ステップが窒化の前記ステップの前に行われる請求項１６に記載の前記方法。
18. 窒化の前記ステップが冷間成形の前記ステップの前に行われる請求項１６に記載の前記方法。
19. 冷間成形の前記ステップが冷間圧延をさらに含む請求項１６に記載の前記方法。
20. 活性層を生み出すために、前記金属層にビード部分を成形するステップをさらに含む請求項１６に記載の前記方法。

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