JP2019531414A

JP2019531414A - バーミキュラ鋳鉄合金及び内燃エンジンヘッド

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Publication number: JP2019531414A
Application number: JP2019535423A
Authority: JP
Inventors: ゲッセル，ウィルソン・ルイス; ラモス，アンドレ・コエリッシュ; カベッサス，カルロス・デ・ソウザ; モリナル，エクトル・マンチャ
Original assignee: テュピー・エシ・アー
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-10-31
Also published as: ZA201902299B; MX2016016208A; WO2018049497A1; US20190256956A1; EP3512975A1; KR20190067781A; BR102016021139B1; US11377717B2; CN109937264B; BR102016021139A2; EP3512975A4; CN109937264A

Abstract

本発明は、自動車用途及び同様の用途のための鋳鉄合金の技術分野に関する。解決すべき課題は、今のところ、内燃エンジンの構造部品が、３５０ＭＰａ超の範囲の引張強度限度を持つことがほとんどないねずみ鋳鉄合金、又は高温にて安定のままでないバーミキュラ鋳鉄合金で作製されていることである。この課題の解決策として、耐熱係数（ＨＲＦ＝３×（Ｍｏの％）＋１×（Ｓｎの％）＋０．２５×（Ｃｕの％））が０．５〜１．７％となるような量の、モリブデン、銅及びスズを添加することによって、室温で及び３００℃までで５００〜５５０ＭＰａの引張強度限度、並びに４００℃で４３０〜４５０ＭＰａの引張強度限度を達成するバーミキュラ鋳鉄合金を開示する。

Description

本発明は、内燃エンジンヘッドの製造のために設計された新規なバーミキュラ鋳鉄合金に関し、より詳細には、高温での機械的特性のための特別な必要条件を有して、高効率の内燃エンジンヘッドの製造にとって特に好適である、バーミキュラ鋳鉄合金に関する。

検討中の本発明はまた、本明細書で開示されるバーミキュラ鋳鉄合金で作製された内燃エンジンヘッドにも関する。

当業者に周知であるように、内燃エンジンは、化学反応によるエネルギーを、使用可能な機械的エネルギーへと変換することに優れた機械類を備える。一般に、エネルギー変換のプロセスは、燃料の物理的−化学的特徴を管理操作することの機能として生じ、この燃料は、体積、圧力及び温度における修正を受ける。当然ながら、燃料の物理化学的特徴の管理操作は、管理環境の内側、すなわち内燃エンジン自体の内部で起きる。この意味において、内燃エンジン、特に自動車車両に適用されるものの管理環境は、エンジンブロック及びエンジンヘッドとして一般に知られる構造部品が接合することから生じる体積において規定されることが既知である。

このことは、これらの構造部品の構成材料が、全体として内燃エンジンの効率に直接影響を及ぼすことを意味し、結局のところ、こうした製造用材料は、これらの構造部品が体積、圧力及び燃料温度における修正に耐えることができるようにする、特別な特徴をまとめ上げる必要がある。

したがって、自動車産業による、エンジン出力を増大することを目的とした、機械的強度の高い鋳造材料への要求が厳しいことが留意される。

いずれにせよ、内燃エンジンの構造部品が高強度のねずみ鋳鉄又は高強度のバーミキュラ鋳鉄で作製されることが多いことは、当業者に周知である。

内燃エンジンヘッドの製造のために特に使用されるねずみ鋳鉄合金の例が、特許文献、ＵＳ９，１３２，４７８に記載されている。こうした文献は、炭素（２．８０％〜３．６０％）、ケイ素（１．００％〜１．７０％）、マンガン（０．１０％〜１．２０％）、硫黄（０．０３％〜０．１５％）、クロム（０．０５％〜０．３０％）、モリブデン（０．０５％〜０．３０％）及びスズ（０．０５％〜０．２０％）の鋳鉄への添加から本質的になり、合金の構造マトリックスは、最大５％のフェライトで構成される、層状ねずみ鋳鉄合金について記載している。特許文献、ＵＳ９，１３２，４７８に記載のねずみ鋳鉄合金は、良好な機械的特性を提供するために好ましい高含量のモリブデンを含有しているものの、それは依然としてねずみ鋳鉄に関しているため、強度値は最大３５０ＭＰａと限定されている。

熱間強度の適正な値を有する、クロム及びモリブデンの添加による他のねずみ鋳鉄合金もまた公知である。しかし、新しいエンジンにおける燃焼ガスの温度の増大は、こうした技術が、新しい状況にとってもはや適切でないことを示している。モリブデン含量の０．３５％までの増加が、一定程度の耐熱性を増大させて、課題を部分的に解決するが、含量の増加が、ねずみ鋳鉄の限度値である抵抗限度の最大３５０ＭＰａまでに制限されるため、決定的な解決には当てはまらない。

これは、既知のねずみ鋳鉄合金が、３５０ＭＰａを超える引張強度限度（ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｌｉｍｉｔ）範囲をほとんど持たず、このことによって、より高い機械的応力レベルを有する内燃エンジンの構造部品の製造のための、この概念の合金タイプの使用が制限されることを意味する。

バーミキュラ鋳鉄合金に関する限り、Ｇｕｅｓｓｅｒら（ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｅｒｍｉｃｕｌａｒｃａｓｔｉｒｏｎｔｈｒｏｕｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｓｔｓ、２０１１年４月１１日〜１５日にブラジル、ＲＳ、カシアスドスルで開催された第６回製造エンジニアリングブラジル会議で公開）は、特許文献、ＵＳ３，４２１，８８６に記載されているように、球状鋳鉄（ｎｏｄｕｌａｒｃａｓｔｉｒｏｎ）を製造している間の化学的組成の間違いに起因して偶然得られたバーミキュラ鋳鉄合金が、１９６５年半ば以降、先行技術の一部であったことを教示している。概念的観点から、バーミキュラ鋳鉄は、これが、パーライト系又はフェライト系／パーライト系マトリックスでも配置された、虫の形（丸めた端を有する、延ばされてランダムに配向された形態）の黒鉛を備えているという事実により特徴づけられる。

特許文献、ＵＳ３，４２１，８８６に記載されている最初のバーミキュラ鋳鉄合金は、炭素（２％〜４％）、ケイ素（１．５％〜３．５％）、ニッケル（約３６％）、マグネシウム（０．００５％〜０．０６％）、周期表の３Ｂ族金属の１つ（０．００１％〜０．０１５％）及びチタン（０．１５％〜０．５％）の、鋳鉄中の添加から本質的に構成され、マグネシウム、周期表の３Ｂ族金属及びチタンは、鋳鉄中でバーミキュラ型の黒鉛（少なくとも５０％）の晶出（ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ）を制御するのに有効である。このバーミキュラ黒鉛の量は、今日、ブロック及びエンジンヘッドの国際標準によって、もはや受け入れられず、この国際標準は、最小で８０％のバーミキュラ黒鉛を確立している。

当然ながら、バーミキュラ鋳鉄合金は、複数の及び異なる所望の用途に応じて、何年にもわたり進化してきた。

自動車用途のためのバーミキュラ鋳鉄合金の例は、特許文献ＰＩ０１０５９８７−４に記載されている。こうした文献は、炭素（３．５％〜３．８％）、ケイ素（２．０％〜２．６％）、クロム（０．０５％未満）、マンガン（０．４０％未満）及びチタン（０．０１５％未満）の、鋳鉄中の添加から本質的になるバーミキュラ鋳鉄合金を記載しており、クロム、マンガン及びチタンは、層状黒鉛のない、鋳鉄の微細組織における主として１０〜１３％のバーミキュラ黒鉛及び主として２０％までの球状黒鉛の晶出を制御するのに効果的である。加えて、特許文献ＰＩ０１０５９８７−４で開示されているバーミキュラ鋳鉄合金は、その金属マトリックスがフェライト及びパーライトから構成され、パーライトの比率が５０％以上である微細組織を備えていることが更に実証されている。

特許文献ＰＩ０１０５９８７−４に記載のバーミキュラ鋳鉄合金は、室温において機械的特性が高いことが見出されるものの、こうした特性は高温において安定のままでなく、そのため、高温で作動する内燃エンジンの構造部品の製造にこうした合金の使用を制限していることが留意される。

自動車用途のための鉄の合金の別の例が、特許文献、特開１９８６−０２６７５４号公報に記載されている。こうした文献は、炭素（２．５％〜４．０％）、ケイ素（０．８％〜１．５％）、マンガン（０．３％〜１．５％）、リン（０．０５％〜１．５％）、硫黄（０．３％未満）、ニッケル（０．５％以下）、クロム（１．５％以下）、モリブデン（０．８％以下）、スズ（０．５％以下）、銅（４．０％以下）及びジルコニウム（１％以下）の、鋳鉄中の添加から本質的になる鋳鉄合金（これは、可鍛鋳鉄、ねずみ鋳鉄又はバーミキュラ鋳鉄であってよい）を記載している。具体的には、こうした鋳鉄合金は、とりわけ内燃エンジンの二重壁シリンダライナ（ｃｙｌｉｎｄｅｒｌｉｎｅｒｓ）の製造に使用される。

特許文献、特開１９８６−０２６７５４号公報で開示されている合金は、クロムリン化物及びモリブデンリン化物のような硬質粒子（高温において硬質で安定な粒子）の形成によって、高い耐熱摩耗性を提供する。こうした合金は、シリンダライナのような単純な幾何形状の切片において、耐摩耗性の硬質粒子の形成に好適な高いリン含量（＞０．０５％）を有するが、エンジンヘッドのような複雑な鋳造部品の生産とは不適合であり、高いリン含量の効果は、微細な収縮の存在に好都合となり、内部の健全性がきわめて困難となる。その上、伝統的なねずみ鋳鉄合金で起きるのと同じ様式におけるこうした合金は、高い引張強度値、例えば、５００ＭＰａ超は提示せず、その理由は、これらの粒子が機械的応力下でマトリックス中に亀裂の形成を誘起して、これが高いリン含量に由来する微小細孔の存在によって更に悪化されるために、結局、微細組織中のリンの存在が引張強度の低下を引き起こすためである。摩耗性用途の特定の事例では、この事実は大きい問題とならず、したがってこうした合金はシリンダライナに好適であるが、複雑な幾何形状の部品では、及び高レベルの機械的応力下での使用では、この代替品は解決策にならない。したがって、これは、本発明が提起するこうしたシナリオに基づく。

米国特許第９，１３２，４７８号明細書米国特許第３，４２１，８８６号明細書ＰＩ０１０５９８７−４特開昭６１−２６７５４号公報

ＧｕｅｓｓｅｒらＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｅｒｍｉｃｕｌａｒｃａｓｔｉｒｏｎｔｈｒｏｕｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｓｔｓ、２０１１年４月１１日〜１５日にブラジル、ＲＳ、カシアスドスルで開催された第６回製造エンジニアリングブラジル会議で公開

したがって、室温で及び３００℃までで５００〜５５０ＭＰａの引張強度限度、並びに４００℃で４３０〜４５０ＭＰａの引張強度限度を有する、新規なバーミキュラ鋳鉄合金を開示することが、本発明の主要な目的である。

更に、高い作動温度及び高レベルの機械的応力に耐えることができる、室温で及び３００℃までで５００〜５５０ＭＰａの引張強度限度、並びに４００℃で４３０〜４５０ＭＰａの引張強度限度を有する、新しいバーミキュラ鋳鉄合金から作製される内燃エンジンヘッドを開示することも、本発明の目的である。

更に、内燃エンジンにおいて非常に重要な熱抽出条件を最適化することができる、室温で及び３００℃までで５００〜５５０ＭＰａの引張強度限度、並びに４００℃で４３０〜４５０ＭＰａの引張強度限度を有する、新しいバーミキュラ鋳鉄合金から作製される内燃エンジンヘッドを開示することも、本発明の目的である。

本発明は、以下の図に基づいてより詳細に記載されることになる。

Ｓｎ、Ｃｕ及びＭｏと結合されたバーミキュラ鉄の、機械的特性の結果並びに微細組織の、従来のクラスの厚さ２５ｍｍの＃４５０ＢｌｏｃｋＹとの比較を示すグラフである。ＨＲＦ＝１．１５％（バーミキュラ黒鉛粒子及び精製されたパーライト）である、Ｓｎ、Ｍｏ及びＣｕを含有しているバーミキュラ鉄の典型的な微細組織を示す写真である。

したがって、上述した技術的目的及び効果を達成するために、本発明によるバーミキュラ鋳鉄合金が記載される。

この意味において、例えば、高レベルのリン（＞０．０５％）及び他のものを伴うクロムのような硬質リン化物を形成することができる他の元素の添加なしに、モリブデン、銅及びスズを、バランスの取れた割合及び好適な割合で、バーミキュラ鋳鉄において従来すでに使用されている合金元素のリストに加えることは、本発明の一般的な利点である。

炭素（３．０〜３．９％）、マンガン（０．１〜０．６％）、ケイ素（１．５〜３．０％）、マグネシウム（０．００５〜０．０３０％）、セリウム（０．００５〜０．０３０％）、並びに硫黄（０．０３０％未満）及びリン（０．０５０％未満）のような残留元素のような、これらの典型的な組成及び通常の含量においてバーミキュラ鋳鉄ですでに使用されている可能な合金元素の中で、本発明の目的であるモリブデン、スズ及び銅が、バーミキュラ鋳鉄合金へ添加される。

より特に、こうした合金元素は、具体的には以下の割合で添加される。
合金の総量の０．０５％〜０．４０％の範囲のモリブデン。
合金の総量の０．０１％〜０．１３％の範囲のスズ。
合金の総量の０．２％〜１．３０％の範囲の銅。

これらの、モリブデン、銅及びスズの量は、耐熱係数（ＨＲＦ）が０．５％〜１．７％となるようにバランスが取られるべきである。該係数は、本明細書では、
ＨＲＦ＝３×（Ｍｏの％）＋１×（Ｓｎの％）＋０．２５×（Ｃｕの％）（重量百分率）
と定義される。

明らかに、本発明の目的であるバーミキュラ鋳鉄合金は、更に他の典型的な鋳鉄の不純物を含有していてもよく、所望の特徴を変更すること、又は損なうことはない。

先に述べたように、前記所望の結果、周囲温度で及び３００℃までで５００〜５５０ＭＰａの引張強度限度、並びに４００℃で４３０〜４５０ＭＰａの引張強度限度は、具体的には、前述した範囲内、及び前述した耐熱係数内でのモリブデン、スズ及び銅の添加によって達成される。これらの、モリブデン、銅及びスズの添加は、溶融炉中で、輸送パン又は注入パン中で、注入炉中で、又は注入ジェット中で実施され得る。

上記で列挙した合金元素を、上記で付与した割合で、上記で説明したプロセスの手段によって添加した最終結果としてバーミキュラ鉄が得られ、その微細組織は、バーミキュラ型を主とする黒鉛粒子を伴い、及び２０％までの黒鉛粒（ｇｒａｐｈｉｔｅｎｏｄｕｌｅｓ）の存在を伴い、図１に示すように、例えば、厚さ２５ｍｍのＢｌｏｃｋＹにおけるパーライトの低減した平均層間間隔が０．３２μｍ〜０．２５μｍである、微細なパーライトマトリックスを備える。

パーライトの平均層間間隔の減少（図２）が、本発明の目的であるバーミキュラ鋳鉄合金の機械的応力の増加の主な原因の１つをなすこともまた強調するに値する。

結果として、通常の含量の、炭素（３．０〜３．９％）、マンガン（０．１〜０．６％）、ケイ素（１．５〜３．０％）、マグネシウム（０．００５〜０．０３０％）、セリウム（０．００５〜０．０３０％）、並びに硫黄（０．０３０％未満）及びリン（０．０５０％未満）のような残留元素を含有する前記鋳鉄合金で内燃エンジンヘッド（及び付随的に内燃エンジンの他の構造部品）を製造することが可能になり、特に、合金の総量の０．０１〜０．１３％の範囲のスズ、合金の総量の０．２〜１．３％の範囲の銅、合金の総量の０．０５〜０．４０％の範囲のモリブデンが添加され、百分率は重量により表される。これらの、モリブデン、銅及びスズの量は、耐熱係数（ＨＲＦ）が０．５〜１．７％となるようにバランスが取られなければならない。こうした係数は、
ＨＲＦ＝３×（Ｍｏの％）＋１×（Ｓｎの％）＋０．２５×（Ｃｕの％）（重量百分率）
により定義される。

いずれの事例においても、バーミキュラ鋳鉄合金の微細組織のマトリックスの同じ特徴（バーミキュラ型を主とする黒鉛粒子及び２０％までの黒鉛粒の存在を伴う微細なパーライトマトリックス）、並びに所望の結果（室温で及び３００℃までで５００〜５５０ＭＰａの引張強度限度、並びに４００℃で４３０〜４５０ＭＰａの引張強度限度）が、内燃エンジンヘッド中に完全に存在する。

結果として、これらの、高い熱強度値は、成分の長い寿命を可能にし、或いは、切断面の厚さを低減させてヘッドの寸法の設計を修正することを可能にし、このことはまた、内燃エンジンヘッドにおける重要な態様である熱抽出条件の改善をもたらす。

このことは、検討中の本発明が、高いエンジン作動温度及び高レベルの機械的応力に好適な、優れた性能のエンジンヘッドの開発を可能にすることを意味する。

Claims

通常の含量の元素、炭素（３．０〜３．９％）、マンガン（０．１〜０．６％）、ケイ素（１．５〜３．０％）、マグネシウム（０．００５〜０．０３０％）、セリウム（０．００５〜０．０３０％）を含有し、並びに硫黄（０．０３０％未満）及びリン（０．０５０％未満）のような残留元素も存在する、バーミキュラ鋳鉄合金であって、以下の合金元素：
合金の総量の０．０１％〜０．１３％の範囲で存在するスズ、
合金の総量の０．２％〜１．３％の範囲で存在する銅、及び
合金の総量の０．０５％〜０．４０％の範囲で存在するモリブデン
をそれらそれぞれの割合で有するバーミキュラ鋳鉄合金を含むという事実により特徴づけられ、
これらの濃度が、耐熱係数（ＨＲＦ）が０．５〜１．７％となるようにバランスが取られ、該係数が、
ＨＲＦ＝３×（Ｍｏの％）＋１×（Ｓｎの％）＋０．２５×（Ｃｕの％）（重量百分率）
により定義され、
ここで、バーミキュラ鋳鉄合金の微細組織のマトリックスは、バーミキュラ型を主とする黒鉛粒子を伴い、及び２０％までの黒鉛粒の存在を伴う、微細なパーライト系マトリックスを備えた、バーミキュラ鋳鉄合金。
通常の含量の元素、炭素（３．０〜３．９％）、マンガン（０．１〜０．６％）、ケイ素（１．５〜３．０％）、マグネシウム（０．００５〜０．０３０％）、セリウム（０．００５〜０．０３０％）を含有し、並びに硫黄（０．０３０％未満）及びリン（０．０５０％未満）のような残留元素も存在する、内燃エンジンヘッドであって、以下の合金元素：
合金の総量の０．０１％〜０．１３％の範囲で存在するスズ、
合金の総量の０．２％〜１．３％の範囲で存在する銅、及び
合金の総量の０．０５％〜０．４０％の範囲で存在するモリブデン
を含むという事実により特徴づけられ、
これらの濃度が、耐熱係数（ＨＲＦ）が０．５〜１．７％となるようにバランスが取られ、該係数が、
ＨＲＦ＝３×（Ｍｏの％）＋１×（Ｓｎの％）＋０．２５×（Ｃｕの％）（重量百分率）
により定義され、
ここで、バーミキュラ鋳鉄合金の微細組織のマトリックスは、バーミキュラ型を主とする黒鉛粒子を伴い、及び２０％までの黒鉛粒の存在を伴う、微細なパーライト系マトリックスを備えた、
内燃エンジンヘッド。
少なくとも以下の合金元素：
合金の総量の３．０％〜３．９％の範囲で存在する炭素、
合金の総量の０．１％〜０．６％の範囲で存在するマンガン、
合金の総量の１．５％〜３．０％の範囲で存在するケイ素、
合金の総量の０．００％〜０．０３０％の範囲で存在するマグネシウム、
合金の総量の０．００５％〜０．０３０％の範囲で存在するセリウム、
合金の総量の０．０３０％未満の範囲で存在する硫黄、
合金の総量の０．０５０％未満の範囲で存在するリン
をそれぞれの割合で含むバーミキュラ鋳鉄合金であって、
特に、以下の合金元素：
合金の総量の０．０１％〜０．１３％の範囲で存在するスズ、
合金の総量の０．２％〜１．３％の範囲で存在する銅、及び
合金の総量の０．０５％〜０．４０％の範囲で存在するモリブデン
をそれぞれの割合で更に含むという事実により特徴づけられ、
これらの濃度が、耐熱係数（ＨＲＦ）が０．５〜１．７％となるようにバランスが取られ、該係数が、
ＨＲＦ＝３×（Ｍｏの％）＋１×（Ｓｎの％）＋０．２５×（Ｃｕの％）（重量百分率）
により定義され、
ここで、バーミキュラ鋳鉄合金の微細組織のマトリックスは、バーミキュラ型を主とする黒鉛粒子を伴い、及び２０％までの黒鉛粒の存在を伴う、微細なパーライト系マトリックスを備えた、
バーミキュラ鋳鉄合金。
以下の合金元素：
合金の総量の３．０％〜３．９％の範囲で存在する炭素、
合金の総量の０．１％〜０．６％の範囲で存在するマンガン、
合金の総量の１．５％〜３．０％の範囲で存在するケイ素、
合金の総量の０．００％〜０．０３０％の範囲で存在するマグネシウム、
合金の総量の０．００５％〜０．０３０％の範囲で存在するセリウム、
合金の総量の０．０３０％未満の範囲で存在する硫黄、
合金の総量の０．０５０％未満の範囲で存在するリン、
合金の総量の０．０１％〜０．１３％の範囲で存在するスズ、
合金の総量の０．２％〜１．３％の範囲で存在する銅、及び
合金の総量の０．０５％〜０．４０％の範囲で存在するモリブデン
をそれぞれの割合で含み、
これらの濃度が、耐熱係数（ＨＲＦ）が０．５〜１．７％となるようにバランスが取られ、該係数が、
ＨＲＦ＝３×（Ｍｏの％）＋１×（Ｓｎの％）＋０．２５×（Ｃｕの％）（重量百分率）
により定義され、
バーミキュラ鋳鉄合金の微細組織のマトリックスは、バーミキュラ型を主とする黒鉛粒子を伴い、及び２０％までの黒鉛粒の存在を伴う、微細なパーライト系マトリックスを備えた、バーミキュラ鋳鉄合金で作製されているという事実により特徴づけられる、
内燃エンジンヘッド。