JP2016069674A - ピストン用球状黒鉛鋳鉄、一体型ピストン及び舶用エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】強度及び硬さを維持しつつ、耐熱性及び寿命に優れたピストン用球状黒鉛鋳鉄、この球状黒鉛鋳鉄によって形成された一体型ピストン、及びこのピストンを備える舶用エンジンを提供する。
【解決手段】 実施形態のピストン用球状黒鉛鋳鉄は、質量で、Ｃ：２．７〜４．３％、Ｓｉ：２．０〜３．５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｍｇ：０．０２〜０．１０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．９０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。そして、Ｃ含有量及びＳｉ含有量が、Ｃ含有量とＳｉ含有量との関係を示す図において、（Ｃ含有量，Ｓｉ含有量）で示される点Ａ（２．７％，３．５％）、点Ｂ（３．２％，２．０％）、点Ｃ（４．３％，２．０％）、点Ｄ（３．８％，３．５％）の各点を順次結ぶ線で囲まれた組成範囲内にある。
【選択図】なし

Description

本発明の実施の形態は、ピストン用球状黒鉛鋳鉄、一体型ピストン及び舶用エンジンに関する。

従来、プレジャーボートや汽船などの小型の舶用エンジンのピストンや、タンカー船の補機や主機などの舶用エンジンのピストンとして、クラウンとスカートの二つの構成部を有する組立型ピストンや、全体が一体的に形成された一体型ピストンが使用されている。組立型ピストンにおいて、ヘッド部を構成するクラウンは、低合金鋼で形成され、スカートは鋳鉄で形成される。一方、一体型ピストンは、球状黒鉛鋳鉄で形成される。

ここで、一体型ピストンは、二つの構成部を有する組立型ピストンに比べて、製造工程の削減が図れる。さらに、球状黒鉛鋳鉄で形成される一体型ピストンは、低合金鋼を使用する組立型ピストンに比べて、製造コストが低い。一体型ピストンは、このような利点を有している。

従来の球状黒鉛鋳鉄は、従来の舶用エンジンの運転条件の下において、一体型ピストンを構成する材料として、耐熱性や寿命に関する問題を生じることなく使用されてきた。

舶用エンジンにおいては、近年、排ガス規制対応や高効率化が進められている。これにより、舶用エンジンにおいて高出力化が求められている。そのため、エンジンを構成するピストンに作用する熱負荷は上昇する。すなわち、一体型ピストンを構成する球状黒鉛鋳鉄に作用する熱負荷は上昇する。この熱負荷の上昇の下、エンジンの作動と停止を繰り返すことによって、一体型ピストン、すなわち球状黒鉛鋳鉄にかかる熱疲労は大きくなる。

特開平０８−２６０１６１号公報 特開２００３−８３１５９号公報

上記した高出力化に伴う熱疲労の増大により、一体型ピストンにき裂が発生するおそれがある。すなわち、一体型ピストンを形成する従来の球状黒鉛鋳鉄では、高出力化が図られたエンジンの運転条件下において、十分な耐熱性や寿命を得ることが困難である。

本発明が解決しようとする課題は、強度及び硬さを維持しつつ、耐熱性及び寿命に優れたピストン用球状黒鉛鋳鉄、この球状黒鉛鋳鉄によって形成された一体型ピストン、及びこのピストンを備える舶用エンジンを提供することである。

実施形態のピストン用球状黒鉛鋳鉄は、質量で、Ｃ：２．７〜４．３％、Ｓｉ：２．０〜３．５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｍｇ：０．０２〜０．１０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．９０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。そして、Ｃ含有量及びＳｉ含有量が、Ｃ含有量とＳｉ含有量との関係を示す図において、（Ｃ含有量，Ｓｉ含有量）で示される点Ａ（２．７％，３．５％）、点Ｂ（３．２％，２．０％）、点Ｃ（４．３％，２．０％）、点Ｄ（３．８％，３．５％）の各点を順次結ぶ線で囲まれた組成範囲内にある。

本発明では、強度及び硬さを維持しつつ、耐熱性及び寿命に優れたピストン用球状黒鉛鋳鉄、この球状黒鉛鋳鉄によって形成された一体型ピストン、及びこのピストンを備える舶用エンジンを提供することができる。

Ｃ含有量とＳｉ含有量との関係を示す図である。 実施の形態の球状黒鉛鋳鉄で作製された一体型ピストンの側面図である。 実施の形態の一体型ピストンを備えたディーゼルエンジンの構成を示す図である。 実施の形態の舶用エンジンを備えた船舶の側面図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

以下の説明において組成成分を表す％は、特に明記しない限り質量％とする。図１は、Ｃ含有量とＳｉ含有量との関係を示す図である。

実施の形態のピストン用球状黒鉛鋳鉄（以下、球状黒鉛鋳鉄と称する。）は、Ｃ：２．７〜４．３％、Ｓｉ：２．０〜３．５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｍｇ：０．０２〜０．１０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．９０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。

また、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄におけるＣ含有量及びＳｉ含有量は、図１において、（Ｃ含有量，Ｓｉ含有量）で示される点Ａ（２．７％，３．５％）、点Ｂ（３．２％，２．０％）、点Ｃ（４．３％，２．０％）、点Ｄ（３．８％，３．５％）の各点を順次結ぶ線で囲まれた組成範囲内にある。なお、Ｃ含有量及びＳｉ含有量として、各点を順次結ぶ線上も含まれる。この囲まれた範囲内における炭素当量ＣＥ（ＣＥ＝Ｃ＋１／３×Ｓｉ）は、３．８７〜４．９７である。

ここで、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄における不可避的不純物としては、例えば、Ｓ、Ｐなどが挙げられる。これらの不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｓを０．０５％以下、Ｐを０．１％以下に抑制することが好ましい。

実施の形態の球状黒鉛鋳鉄は、基地組織の中に球状の黒鉛の結晶を備えている。この球状黒鉛鋳鉄における黒鉛の球状化率は、８０％以上である。この球状化率は、ＪＩＳ Ｇ５５０２に準拠して算出される。なお、一般に、黒鉛の球状化率が８０％以上の鋳鉄が球状黒鉛鋳鉄と称される。

実施の形態の球状黒鉛鋳鉄において、黒鉛組織を除いた基地組織における炭化物の割合は、１．６％以下であることが好ましい。なお、この炭化物の割合は、次に示す平均された炭化物の割合である。

炭化物の割合は、例えば、次に示す方法で算出される。球状黒鉛鋳鉄の組織断面をナイタール腐食液で腐食させる。続いて、組織断面を顕微鏡で観察する。この際、例えば、倍率を１００倍とし、５視野について観察する。各視野について画像処理を行い、炭化物が占める総面積及び黒鉛組織が占める総面積をそれぞれ算出する。

そして、黒鉛組織を除いた視野面積に対して炭化物が占める面積の割合を求める。すなわち、炭化物が占める面積を、黒鉛組織を除いた視野面積で除して、炭化物の割合を算出する。各視野に基づいて算出された炭化物の割合を算術平均して、平均された炭化物の割合を得る。

基地における炭化物は、靭性を低下させる。そのため、炭化物の割合を１．６％以下とすることで、靭性の低下が抑制される。なお、炭化物の割合は、この範囲の中でもより低いことが好ましい。

実施の形態の球状黒鉛鋳鉄は、パーライト系（パーライト主体）の球状黒鉛鋳鉄である。実施の形態の球状黒鉛鋳鉄の基地組織は、パーライト組織、フェライト組織、黒鉛組織及び炭化物で構成されている。ここで、パーライト系（パーライト主体）の球状黒鉛鋳鉄とは、黒鉛組織を除いた、球状黒鉛鋳鉄の基地組織において、パーライト組織の割合が、５０％を超える球状黒鉛鋳鉄をいう。

実施の形態の球状黒鉛鋳鉄において、パーライト組織の割合は、６０〜１００％であることが好ましい。この範囲が好ましいのは、靭性と強度を両立させることができるからである。さらに好ましいパーライト組織の割合は、９０〜１００％である。なお、このパーライト組織の割合は、次に示す平均されたパーライト組織の割合である。

パーライト組織の割合は、例えば、次に示す方法で算出される。球状黒鉛鋳鉄の組織断面をナイタール腐食液で腐食させる。続いて、組織断面を顕微鏡で観察する。この際、例えば、倍率を１００倍とし、５視野について観察する。各視野について画像処理を行い、パーライト組織が占める総面積及び黒鉛組織が占める総面積をそれぞれ算出する。

そして、黒鉛組織を除いた視野面積に対してパーライト組織が占める面積の割合を求める。すなわち、パーライト組織が占める面積を、黒鉛組織を除いた視野面積で除して、パーライト組織の割合を算出する。各視野に基づいて算出されたパーライト組織の割合を算術平均して、平均されたパーライト組織の割合を得る。

基地におけるパーライト組織は、強度（引張強度）を向上させる。そのため、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄をパーライト系の球状黒鉛鋳鉄とすることで、優れた強度（引張強度）が得られる。

実施の形態の球状黒鉛鋳鉄は、例えば、船舶用エンジンのピストンを構成する材料として好適である。船舶用エンジンとしては、例えば、ボア径（シリンダの直径）が１５０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度のエンジンが挙げられる。また、船舶用エンジンとしては、５００ＰＳ〜４５００ＰＳの出力のエンジンが挙げられる。すなわち、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄は、小型〜中型の船舶用エンジンのピストンを構成する材料として適用できる。このような船舶用エンジンの運転時において、ピストンの温度は、例えば、５００℃程度となる。

次に、上記した実施の形態の球状黒鉛鋳鉄における各組成範囲の限定理由を説明する。

（１）Ｃ（炭素）
Ｃは、球状黒鉛を晶出させるために必要な元素である。Ｃの含有率が２．７％以上において、球状化率が８０％以上の球状黒鉛が晶出する。一方、Ｃの含有率が４．３％以下において、黒鉛の著しい晶出を抑え、球状化率が８０％以上の球状黒鉛の晶出が維持される。さらに、８０％以上の球状化率を維持するため、Ｃの含有率は、Ｃ含有量とＳｉ含有量との関係を示す図１において、点Ａ（２．７％，３．５％）と点Ｂ（３．２％，２．０％）とを結ぶ直線ＡＢ以上で、かつ点Ｃ（４．３％，２．０％）と点Ｄ（３．８％，３．５％）とを結ぶ直線ＣＤ以下である。Ｃの含有率を直線ＡＢ以上とすることで、引け性の悪化が抑制される。一方、Ｃの含有率を直線ＣＤ以下とすることで、カーボンドロス欠陥や浮上黒鉛の発生が抑制される。

ここで、Ｃの含有率は、Ｃ含有量とＳｉ含有量との関係を示す図１において、点Ｅ（３．３％，２．８％）と点Ｆ（３．４３％，２．４％）とを結ぶ直線ＥＦ以上で、かつ点Ｇ（３．７％，２．４％）と点Ｈ（３．５７％，２．８％）とを結ぶ直線ＧＨ以下であることがより好ましい。

（２）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、球状黒鉛を晶出させるために必要な元素である。Ｓｉの含有率が２．０％以上において、球状化率が８０％以上の球状黒鉛が晶出する。また、Ｓｉの含有率が２．０％以上において、引け性の悪化が抑制される。一方、Ｓｉの含有率が３．５％以下において、強度が低下することなく、球状化率が８０％以上の球状黒鉛の晶出が維持される。また、Ｓｉの含有率が３．５％以下において、ドロス欠陥や浮上黒鉛の発生が抑制される。そのため、Ｓｉの含有率を２．０〜３．５％とした。より好ましいＳｉの含有率は２．４〜２．８％である。

上記したＣとＳｉの組成範囲から、球状黒鉛鋳鉄におけるＣ含有量及びＳｉ含有量は、図１において、（Ｃ含有量，Ｓｉ含有量）で示される点Ｅ（３．３％，２．８％）、点Ｆ（３．４３％，２．４％）、点Ｇ（３．７％，２．４％）、点Ｈ（３．５７％，２．８％）の各点を順次結ぶ線で囲まれた組成範囲内にあることがより好ましい。この範囲内における炭素当量ＣＥは、４．２３〜４．５０である。

（３）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、黒鉛を微細化するとともに、基地組織であるパーライトを強化する作用を有する元素である。これらの効果は、Ｍｎの含有率が０．３％以上において発揮される。一方、Ｍｎの含有率が０．８％以下において、伸びと脆性の悪化を防止し、引けの増加を抑制する。そのため、Ｍｎの含有率を０．３〜０．８％とした。より好ましいＭｎの含有率は、０．３〜０．５％である。

（４）Ｍｇ（マグネシウム）
Ｍｇは、球状黒鉛を得るために必要な元素である。Ｍｇの含有率が０．０２％以上において、球状化率が８０％以上の球状黒鉛が得られる。一方、Ｍｇの含有率が０．１０％以下において、引け巣、ドロス欠陥、逆チル、材質硬化およびガス欠陥が抑制される。そのため、Ｍｇの含有率を０．０２〜０．１０％とした。より好ましいＭｇの含有率は、０．０２〜０．０５％である。

（５）Ｃｕ（銅）
Ｃｕは、Ｃｒなどの白銑鉄化元素の添加における炭化物を抑制する。Ｃｕの含有率が０．３％以上において、この効果が得られる。一方、Ｃｕの含有率が１．０％以下において、８０％以上の球状化率が維持される。そのため、Ｃｕの含有率を０．３〜１．０％とした。より好ましいＣｕの含有率は、０．３〜０．５％である。

（６）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、耐熱性や硬さを向上させる。Ｃｒの含有率が０．０５％以上において、これらの効果が得られる。一方、Ｃｒの含有率が０．９０％以下において、適切な硬さを維持しつつ、靱性を低下させる炭化物の過剰な形成を抑制する。そのため、Ｃｒの含有率を０．０５〜０．９０％とした。より好ましいＣｒの含有率は、０．２〜０．４％である。

（７）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、Ｃｒと同様に、耐熱性や硬さを向上させる。Ｍｏの含有率が０．０５％以上において、これらの効果が得られる。一方、Ｍｏの含有率が１．００％以下において、適切な硬さを維持しつつ、靱性を低下させる炭化物の過剰な形成を抑制する。そのため、Ｍｏの含有率を０．０５〜１．００％とした。より好ましいＭｏの含有率は、０．３〜０．５％である。

（８）Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）
Ｓ及びＰは、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが好ましい。また、これらの不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｓは０．０５以下、Ｐは０．１以下に抑制されることが好ましい。

Ｓは、Ｍｇなどとの親和力が大きく、球状化剤のＭｇを消費する。さらに、ＭｇＳを生じ、鋳物の品質を劣化させる。そのため、Ｓの残存含有率を０．０５％以下とし、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが好ましい。

Ｐは、基地の粒界にステダイトの析出（晶出）を促す。これにより、脆化が進む。そのため、Ｐの残存含有率を０．１％以下とし、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが好ましい。

次に、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄、及びこの球状黒鉛鋳鉄を用いて製造される一体型ピストンの製造方法について説明する。

実施の形態の球状黒鉛鋳鉄や一体型ピストンは、例えば、次のように製造される。球状黒鉛鋳鉄を構成するための溶湯は、例えば、１４８０〜１５５０℃の温度に維持される。溶湯は、例えば、電気炉などによって形成される。

この溶湯に対して、球状化処理を行う。ここで、球状化処理の方法は、特に限定するものではなく、球状黒鉛鋳鉄を作製する際に広く一般的に行われている方法である。なお、球状化剤として、Ｍｇ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金などが用いられる。球状化処理の温度は、製品への鋳込み温度から逆算して、１４８０〜１５５０℃とする。

ここで、球状化処理前の溶湯に対して、溶湯中のＳ及びＰの含有量がそれぞれ０．０５％以下、０．１％以下となるように脱硫及び脱リンを行ってもよい。

球状化処理後、砂型により形成した鋳型へ注湯する。ここで、鋳型へ注湯するための取鍋に溶湯を移し替えるときに、接種剤を添加して接種する。接種温度は、注湯温度から逆算して、例えば、１３８０〜１４５０℃で実施する。注湯温度が高いと引け不良が発生しやすくなり、注湯温度が低いとガス欠陥や湯回り不良が発生しやすいため、注湯温度は、例えば、１３３０〜１４１０℃に設定される。なお、これらの温度は、例えば、浸漬型温度計で測定される。ここで、一体型ピストンを形成する場合、鋳型は、一体型ピストンの形状に形成されている。

鋳型内の注湯は、冷却場において、例えば３５０℃以下の温度になるまで、自然冷却される。

冷却後、解枠して鋳型から鋳物を取り出す。鋳物に付着した砂は、例えば、ショットピーニングなどによって落とされる。また、湯道や押湯などの構成部以外の部分は、例えば、プラズマ溶断などによって切り離される。

続いて、鋳物は、熱処理される。熱処理として、焼きならし処理及び焼きなまし処理を行う。

焼きならし処理は、例えば、強度を向上するためになされる。焼きならし処理は、例えば、８７０〜９４０℃の温度で、２〜３時間行われる。すなわち、焼きならし処理は、鋳物の温度が８７０〜９４０℃に到達後、２〜３時間行われる。この温度に到達するまでの昇温速度は、２５０〜３５０℃／ｈであることが好ましい。

一方、冷却は、例えば、５００〜１０００℃／ｈの冷却速度で室温まで行われることが好ましい。ここで、上記温度は、例えば、炉における温度に基づくものである。

焼きならしの温度を上記範囲にするのは、結晶粒の粗大化による靭性の低下を抑制するためである。

なお、焼きならし処理は、球状黒鉛鋳鉄や一体型ピストンにおいて、例えば、７００ＭＰａ以上の引張強度が必要な場合に実施される。すなわち、熱処理として、焼きならし処理及び焼きなまし処理の双方を施す場合と、焼きなまし処理のみを施す場合とがある。

焼きなまし処理は、例えば、応力を除去するためになされる。焼きなまし処理は、例えば、５５０〜６００℃の温度で、３〜４時間行われる。すなわち、焼きなまし処理は、鋳物の温度が５５０〜６００℃に到達後、３〜４時間行われる。この温度に到達するまでの昇温速度は、８０〜１２０℃／ｈであることが好ましい。

一方、冷却は、例えば、２０〜３０℃／ｈの冷却速度で、２５０〜３５０℃の温度まで行われることが好ましい。この冷却は、例えば、炉冷によって行われる。そして、鋳物は、大気中において、自然冷却によって室温まで冷却される。なお、上記温度は、前述した焼きならし処理と同様に、炉における温度に基づくものである。

焼きなましの温度を上記範囲にするのは、適正な応力の除去を行いつつ、パーライトの分解による強度の低下を抑制するためである。冷却速度を２０〜３０℃／ｈとするのは、部品全体を均一に冷却するためである。

上記した工程を経て、球状黒鉛鋳鉄や一体型ピストンが作製される。

ここで、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄で作製された一体型ピストンの構成について説明する。

図２は、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄で作製された一体型ピストン１０の側面図である。図２に示すように、一体型ピストン１０は、クラウン１１とスカート１２とが一体的に形成されている。クラウン１１は、略円筒形状を有している。スカート１２は、クラウン１１から下方に延びるように形成されている。

この一体型ピストン１０は、例えば、船舶用エンジンのピストンとして使用することができる。船舶用エンジンとしては、例えば、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、デュアルフューエルエンジンなどが挙げられる。船舶用エンジンとしては、例えば、ボア径（シリンダの直径）が１５０ｍｍ〜３５０ｍｍ、６〜１２気筒のエンジンが挙げられる。

このように、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄で作製された一体型ピストン１０は、優れた耐熱性や寿命を有する。そのため、従来の船舶用エンジンよりも、例えば、熱負荷が上昇した船舶用エンジンに、一体型ピストン１０を適用することが可能となる。

次に、実施の形態の一体型ピストンを備えた船舶用エンジンの構成について説明する。なお、この一体型ピストンは、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄で作製されている。ここでは、一体型ピストンをディーゼルエンジンに備えた一例を示す。

図３は、実施の形態の一体型ピストン３３を備えたディーゼルエンジン２０の構成を示す図である。図３に示すように、ディーゼルエンジン２０は、主体部３０と、吸気経路部４０と、排気経路部５０と、燃料供給部６０とを備えている。

主体部３０は、燃料を燃焼させて得られた熱エネルギを運動エネルギに変換する。具体的には、燃焼によって得られた熱エネルギをクランクシャフト３４の回転運動に変換する。主体部３０は、シリンダブロック３１と、シリンダヘッド３２と、一体型ピストン３３と、クランクシャフト３４と、カムシャフト３５とを備える。

シリンダブロック３１は、シリンダ３６を備える。このシリンダ３６には、一体型ピストン３３が摺動自在に収納されている。シリンダヘッド３２は、一体型ピストン３３に対向するように配置されている。そして、シリンダ３６、一体型ピストン３３及びシリンダヘッド３２によって、作動室３７が構成されている。

作動室３７は、一体型ピストン３３の摺動運動によって容積が変化する内部空間である。なお、本ディーゼルエンジン２０は、複数の作動室３７が設けられた多気筒エンジンである。

一体型ピストン３３は、コネクティングロッドによってクランクシャフト３４と連結されている。クランクシャフト３４は、一体型ピストン３３の摺動によって回転する。また、クランクシャフト３４は、複数のギヤを介してカムシャフト３５を回転させる。

吸気経路部４０は、外部から吸入された空気を作動室３７へ導く。吸気経路部４０は、空気が流れる方向に沿って、コンプレッサホイル（図示しない）と、吸気マニホールド４１とを備える。吸気マニホールド４１は、コンプレッサホイルによって圧縮された空気を作動室３７へ導く。

排気経路部５０は、作動室３７から排出された排気を外部へ導く。排気経路部５０は、排気が流れる方向に沿って、排気マニホールド５１と、タービンホイル（図示しない）とを備える。排気マニホールド５１は、作動室３７から排出された排気をタービンホイルへ導く。

燃料供給部６０は、燃料タンクから供給された燃料を作動室３７へ導く。燃料供給部６０は、燃料が流れる方向に沿って、燃料噴射ポンプ６１と、燃料噴射ノズル６２とを備える。燃料噴射ポンプ６１は、プランジャの往復運動によって加圧した燃料を燃料噴射ノズル６２へ送り出す。燃料噴射ノズル６２は、作動室３７の内部に燃料を噴射する。

このような船舶用エンジンに備えられた一体型ピストン１０は、優れた耐熱性や寿命を有する。そのため、一体型ピストン１０を備えた船舶用エンジンにおいて、従来の船舶用エンジンよりも、例えば、熱負荷を上昇させることが可能となる。

次に、実施の形態の船舶用エンジンを備えた船舶の概要について説明する。なお、この船舶用エンジンは、実施の形態の一体型ピストンを備えている。

図４は、実施の形態の舶用エンジンを備えた船舶７０の側面図である。図４に示すように、船舶７０は、船体７１と、キャビン７２と、ファンネル７３（煙突）と、プロペラ７４及び舵７５とを備える。

キャビン７２は、船体７１におけるデッキ７６上の後部に設けられている。ファンネル７３は、キャビン７２の後方に配置されている。プロペラ７４及び舵７５は、船体７１の後方下部に設けられている。

船体７１内の後部には、プロペラ７４の駆動源である主エンジン７７及び減速機７８が備えられている。プロペラ７４は、主エンジン７７から減速機７８を経由した回転動力によって回転駆動される。なお、実施の形態の舶用エンジンは、主エンジン７７として機能する。

さらに、船体７１内の後部には、船舶７０内の電気系統に電力を供給するための発電装置７９が設置されている。発電装置７９としてエンジンを備える場合には、実施の形態の船舶用エンジンを発電用エンジンとして適用してもよい。

上記した実施の形態の球状黒鉛鋳鉄は、強度及び硬さを維持しつつ、優れた耐熱性や寿命を有する。この球状黒鉛鋳鉄から作製された一体型ピストンにおいても、強度及び硬さを維持しつつ、優れた耐熱性や寿命を有する。この一体型ピストンを備えた舶用エンジンにおいては、ピストンの耐熱性や寿命に関して、高い信頼性を有する。

（球状化率、強度、硬さ、耐熱性、炭化物の割合、寿命及びパーライトの割合の評価）

ここでは、実施の形態の球状黒鉛鋳鉄において、８０％以上の球状化率を有し、優れた耐熱性及び寿命が得られることを説明する。

表１は、評価に用いられた試料１〜試料１７の化学組成を示す。なお、試料１〜試料１０は、本実施の形態の化学組成範囲にある球状黒鉛鋳鉄である。試料１１〜試料１７は、その化学組成が本実施の形態の化学組成範囲にない球状黒鉛鋳鉄又は黒鉛鋳鉄であり、比較例である。また、表１には、炭素当量ＣＥ（ＣＥ＝Ｃ＋１／３×Ｓｉ）も示している。

試料１〜試料１７の球状黒鉛鋳鉄について、球状化率、強度、硬さ、耐熱性、炭化物の割合、寿命及びパーライトの割合を評価した。なお、炭化物の割合とは、黒鉛組織を除いた基地組織における炭化物の割合であり、パーライトの割合とは、黒鉛組織を除いた基地組織におけるパーライト組織の割合である。

球状化率の測定は、ＪＩＳ Ｇ５５０２に準拠して行われた。

強度は、引張試験によって評価された。引張試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して行われた。破断時の伸びは、伸び計を用いて算出した。引張試験における試験片として、ＪＩＳ Ｚ２２４１における１４号Ａ試験片を使用した。

硬さは、ブリネル硬さ試験によって評価された。ブリネル硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４３に準拠して行われた。

耐熱性は、クリープ試験によって評価された。クリープ試験は、ＪＩＳ Ｚ２２７１に準拠して行われた。クリープ試験では、試験温度を４５０℃、負荷応力を３００ＭＰａとした。そして、応力載荷後２５時間後のひずみをクリープひずみとした。クリープひずみは、伸び計を用いて算出された。温度計測には、Ｒ型熱電対を用いた。クリープ試験における試験片として、ＪＩＳ Ｚ２２４１における１４号Ａ試験片を使用した。

耐熱性の向上の度合いを示す耐熱性向上度は、各試料におけるクリープひずみを、従来の球状黒鉛鋳鉄である試料１１におけるクリープひずみで除することで得られた（各試料におけるクリープひずみ／試料１１におけるクリープひずみ）。なお、この耐熱性向上度は、小さいほど耐熱性に優れている。

炭化物の割合及びパーライトの割合は、前述した方法で得られた。

寿命は、高温低サイクル疲労試験よって評価された。高温低サイクル疲労試験は、ＪＩＳ Ｚ２２７９に準拠して行われた。高温低サイクル疲労試験では、試験温度を４５０℃とした。温度計測にはＲ型熱電対を用い、ひずみ計測には伸び計を用いた。そして、各試料における結果を、従来の球状黒鉛鋳鉄である試料１１における結果で除して寿命比を算出した。なお、この寿命比は、大きいほど寿命が長いことを示す。

それぞれの試験に使用する試験片は、次のように作製された。電気炉において、球状黒鉛鋳鉄を構成するための溶湯を形成した。溶湯の温度を１５２０℃に維持し、球状化処理及び接種を行った。

続いて、浸漬型温度計によって注湯の温度が１３５０〜１３８０℃であることを確認し、砂型により形成した鋳型へ注湯した。そして、冷却場において、鋳型内の注湯を３５０℃以下の温度まで自然冷却した。

冷却後、解枠して鋳型から鋳物を取り出した。ショットピーニングによって、鋳物から砂を落とした。

続いて、各鋳物に対して、焼きなまし処理を行った。焼きなまし処理は、５７０℃の温度で、３．５時間行った。なお、この温度に到達するまでの昇温速度を１００℃／ｈとした。３．５時間の経過後、各鋳物を、炉冷によって、２５℃／ｈの冷却速度で２８０℃の温度まで冷却した。続いて、自然冷却によって、大気中において、各鋳物を室温まで冷却した。

冷却後、鋸盤によって各鋳物から丸棒を切り出し、旋盤加工によって各試験片に加工した。このようにして試験片を得た。

さらに、試料１〜１０試料に係る鋳物に対しては、焼きならし処理及び焼きなまし処理の双方を行ったものも作製した。焼きならし処理は、９００℃の温度で、２．５時間行った。なお、この温度に到達するまでの昇温速度を３００℃／ｈとした。２．５時間の経過後、各鋳物を、空冷によって、８００℃／ｈの冷却速度で１５０℃の温度まで冷却した。

続いて、焼きなまし処理を行った。焼きなまし処理は、上記した条件と同様の条件で行われた。冷却後、上記同様に加工し、試験片を得た。

各試料における試験結果を表２及び表３に示す。表２は、焼きなまし処理のみを行ったときの結果である。表３は、焼きならし処理及び焼きなまし処理を行ったときの結果である。

ここで、表２に示された結果において、試料１６及び試料１７については、球状化率が８０％未満である。そのため、試料１６及び試料１７を、球状黒鉛鋳鉄と称することはできないため、球状化率の測定以外の評価は行っていない。また、寿命に関しては、試料６〜試料１０及び試料１１〜試料１５について評価した。なお、球状化率及び炭化物の割合は、焼きならし処理をするか否かで変わらないため、表３には示していない。

表２および表３に示すように、試料１〜試料１０においては、８０％以上の球状化率を有し、従来の球状黒鉛鋳鉄（試料１１）と同等の引張強度及びブリネル硬さを維持しつつ、耐熱性が向上されている。また、試料１〜試料１０においては、炭化物の割合は、１．６％以下であり、パーライトの割合は、５０％を超えている。

さらに、表２に示すように、試料６〜試料１０における寿命比は、従来の球状黒鉛鋳鉄（試料１１）の寿命比の３倍以上である。これは、試料６〜試料１０において、耐熱性が向上されていること、及び炭化物の割合が１．６以下に抑えられていることが要因と考えられる。

なお、試料１〜試料５に関して、寿命比のデータは示されていないが、耐熱性が向上されていること、及び炭化物の割合が１．６以下に抑えられていることから、試料６〜試料１０における寿命比と同程度の寿命比が得られるものと考えられる。

また、表３に示すように、試料１〜試料１０において、７００ＭＰａ以上の引張強度が得られている。なお、表３には示されていないが、焼きならし処理及び焼きなまし処理を行ったときにおいても、寿命比は、従来の球状黒鉛鋳鉄（試料１１）３倍以上であった。

一方、表２に示すように、Ｃｒの含有量が多い試料１２及び試料１３、及びＭｏの含有量が多い試料１４及び試料１５においては、靭性を低下させる炭化物の割合が１．６％を超えている。寿命比に関して、これらの試料１２〜試料１５は、従来の球状黒鉛鋳鉄（試料１１）よりは高いが、試料６〜試料１０よりも低い。これは、試料１２〜試料１５において、耐熱性が向上されているものの、炭化物の割合が１．６を超えていることが要因と考えられる。すなわち、試料１２〜試料１５においては、靭性が低下しているため、試料６〜試料１０よりも寿命比が低いと考えられる。

Ｓｉの含有率が本実施の形態の範囲にない試料１６及び試料１７においては、球状化率が８０％未満である。

このように、試料１〜試料１０においては、８０％以上の球状化率を有し、優れた耐熱性及び寿命が得られることがわかる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，３３…一体型ピストン、１１…クラウン、１２…スカート、２０…ディーゼルエンジン、３０…主体部、３１…シリンダブロック、３２…シリンダヘッド、３４…クランクシャフト、３５…カムシャフト、３６…シリンダ、３７…作動室、４０…吸気経路部、４１…吸気マニホールド、５０…排気経路部、５１…排気マニホールド、６０…燃料供給部、６１…燃料噴射ポンプ、６２…燃料噴射ノズル、７０…船舶、７１…船体、７２…キャビン、７３…ファンネル、７４…プロペラ、７５…舵、７６…デッキ、７７…主エンジン、７８…減速機、７９…発電装置。

Claims (7)

1. 質量で、Ｃ：２．７〜４．３％、Ｓｉ：２．０〜３．５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｍｇ：０．０２〜０．１０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．９０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
   Ｃ含有量及びＳｉ含有量が、Ｃ含有量とＳｉ含有量との関係を示す図において、（Ｃ含有量，Ｓｉ含有量）で示される点Ａ（２．７％，３．５％）、点Ｂ（３．２％，２．０％）、点Ｃ（４．３％，２．０％）、点Ｄ（３．８％，３．５％）の各点を順次結ぶ線で囲まれた組成範囲内にあることを特徴とするピストン用球状黒鉛鋳鉄。
2. 質量で、Ｃｒを０．２〜０．４％含有していることを特徴とする請求項１記載のピストン用球状黒鉛鋳鉄。
3. 質量で、Ｍｏを０．３〜０．５％含有していることを特徴とする請求項１又は２記載のピストン用球状黒鉛鋳鉄。
4. 前記不可避的不純物のうち、質量で、Ｓを０．０５％以下、Ｐを０．１％以下に抑制されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のピストン用球状黒鉛鋳鉄。
5. 前記ピストン用球状黒鉛鋳鉄が、パーライト系の球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のピストン用球状黒鉛鋳鉄。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載のピストン用球状黒鉛鋳鉄を用いて作製されたことを特徴とする一体型ピストン。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項記載のピストン用球状黒鉛鋳鉄を用いて作製された一体型ピストンを備えることを特徴とする舶用エンジン。

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