JP3541502B2 - エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材 - Google Patents
エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材に関し、例えば、ディーゼルエンジンのホットチャンバー（コンバッションチャンバー）に好適な耐熱部材（部品ないしは素材）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材、例えば、ディーゼルエンジンのホットチャンバーは、加熱および冷却が繰り返し付与される状態で使用されるため、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等）および耐酸化性などに優れていることが要求されると共に、冷却時の耐スケール剥離性にも優れていることが要求される。
【０００３】
ディーゼルエンジンのホットチャンバーは、図１に示すように、吸気ポート１を開閉する吸気バルブ２および排気ポート３を開閉する排気バルブ４を備えたシリンダボア５の上部ないしはやや側方にホットチャンバー（コンバッションチャンバー）６として取り付けられており、このホットチャンバー６には副噴口６ａが設けられていると共に、グロープラグ７および噴射ノズル８が設けられている。
【０００４】
このホットチャンバー６は、渦流式タイプのものに適用されており、シリンダボア５により形成される主燃焼室の上部ないしは側方に球形状ないしは繭形状の副燃焼室を設け、圧縮工程時においてこの副燃焼室の部分で空気の渦流を発生させると同時にこの副燃焼室の部分に噴射ノズル８から燃料を噴射し、この渦流を利用して高圧空気と燃料とをよく混合させて燃焼させる方式のものに使用される。
【０００５】
そのため、加熱−冷却の繰り返しの環境の下で使用されることとなるので、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等），耐酸化性，耐スケール剥離性などに優れていることが要求される。
【０００６】
従来、このようなホットチャンバーの素材としては、マルテンサイト系，フェライト系，オーステナイト系のステンレス鋼ないしは耐熱鋼が使用されており、冷間鍛造か精密鋳造により製造されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの出力向上や排ガス規制対策などにより、ホットチャンバー内の温度はさらに上昇する傾向を示しており、今後、より一層の耐熱性，耐酸化性を有するものが要求されていることから、このような特性の優れたホットチャンバーなどのエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材の開発が望まれているという課題があった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等）および耐酸化性により一層優れているエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、請求項１に記載しているように、重量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．６％以下、Ｃｒ：１６〜２１％、Ｔａ：１．５〜６％、およびＭｏ：０．５％以下，Ｖ：０．２％以下，Ｗ：２．０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不純物の組成を有するフェライト系耐熱鋳鋼からなることを特徴としている。
【００１０】
そして、本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材においてはさらに、請求項２に記載しているように、Ｔａの一部をＮｂで置換してなるものとすることができる。
【００１１】
また、本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、請求項３に記載しているように、エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材が、ディーゼルエンジンのホットチャンバーであるものとすることができる。
【００１２】
【発明の作用】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、上記した化学成分組成（重量％）を有するものであるが、次に、その成分組成の限定理由を各元素の作用と共に説明する。
【００１３】
Ｃ：０．１〜０．４％
Ｃは高温クリープ強度を高めるのに寄与する析出強化元素であり、このような作用を得るためには０．１％以上、より好ましくは０．１５％、さらに好ましくは０．１８％以上含有させることとしている。しかし、多すぎるとマルテンサイト組織となり、耐酸化性および耐食性を低下させるため、０．４％以下、より好ましくは０．３５％以下、さらに望ましくは０．３％以下としている。
【００１４】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉはγ相の範囲を狭め、フェライト組織を安定化するのに寄与すると共に、耐酸化性被膜の生成に有効であって耐酸化性の向上に寄与する元素であるが、多すぎると靭性および加工性を低下させることから１．０％以下、より好ましくは０．９５％以下としている。
【００１５】
Ｍｎ：０．６％以下
Ｍｎはエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材を鋳造によって製造する場合の鋳造性を向上させるのに有効な元素であるが、多すぎると靭性や加工性を害することとなるので０．６％以下、より好ましくは０．５５％以下としている。
【００１６】
Ｃｒ：１６〜２１％
Ｃｒは耐酸化性の向上に有効な元素であると共に炭化物，窒化物などを析出することによって高温強度を向上させるのにも有効な元素であるので、このような作用を得るために１６％以上、より好ましくは１６．５％以上、さらに好ましくは１７％以上としている。しかし、多すぎると一次炭化物の粗大化を生じたり高温でのσ相の生成などをきたしたりするので、２１％以下、より好ましくは２０％以下、さらに好ましくは１９％以下としている。
【００１７】
Ｔａ：１．５〜６％
ＴａはＣと結合して共晶炭化物を形成することにより高温強度を向上させるのに有効な元素であるので、このような作用を得るために１．５％以上、より好ましくは２％以上含有させることとしている。しかし、多すぎると靭性を害することとなるので、６％以下としている。
【００１８】
そして、このＴａに代えてＮｂを含有させることによっても高温強度を向上させる作用が得られ、Ｔａの上限である６％と同価の作用は４％Ｔａ＋１．２％Ｎｂ，２％Ｔａ＋１．５％Ｎｂ，０％Ｔａ＋２．５％Ｎｂであることが認められたので、Ｎｂは２．５％以下の範囲で置換するようになすことも場合によっては望ましい。
【００１９】
Ｍｏ：０．５％以下，Ｖ：０．２％以下，Ｗ：２．０％以下のうちの１種または２種以上
Ｍｏ，Ｖ，Ｗは高温強度を向上させるのに有効な元素であるので、これらの元素のうちの１種または２種以上を含有させる。そして、Ｍｏは少量の添加で高温クリープ強度を向上させるのに有用な元素であるが、多すぎると靭性を害することとなるので０．５％以下、場合によっては０．４％以下とするのがよく、ＶはＣと結合して析出強化することによって高温での強度を向上させるのに有用な元素であるが、多すぎると靭性を害することとなるので０．２％以下とするのがよく、Ｗはフェライト基地を固溶強化して室温における延性を損なわずに高温強度を向上させるのに有用な元素であるが、多すぎると靭性を害することとなるので２．０％以下とするのがよい。
【００２０】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、このような組成としたことにより、９００℃以上、さらには１０５０℃程度の高温においても耐熱性および耐酸化性に優れたものとなり、高温での耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等）および耐酸化性ならびに冷却時の耐スケール剥離性に優れていることが要求されるディーゼルエンジン用ホットチャンバーとして好適なものとなる。
【００２１】
【実施例】
表１に示した化学成分組成の合金溶湯を溶製したのち、精密鋳造鋳型を用いた減圧吸引鋳造法によってディーゼルエンジン用ホットチャンバーに鋳造成形した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
次いで、各鋳造成形品において、ゲートカットおよびサンドブラストを行った後、７８０℃×１Ｈ加熱保持→空冷の応力除去焼鈍を実施し、各試験のテストサンプルとした。
【００２４】
各試験のうち、引張試験は、常温（２０℃）および高温（９００℃）で実施した。この結果を表２に示す。
【００２５】
また、耐酸化性の評価試験は、φ５×２０ｍｍの試験片を１０００℃×２０Ｈ加熱保持→空冷の加熱・冷却を３回繰り返し、その都度、酸化による重量増加量を測定した。この結果を同じく表２に示す。
【００２６】
そして、耐スケール剥離性の評価試験は、上記耐酸化性の評価試験において、スケールの剥離の有無を目視によって評価した。この結果を同じく表２に示すが、○はスケールの剥離が全くなかったこと、△はスケールの剥離が若干認められたことを示している。
【００２７】
さらに、熱疲労試験は、各ホットチャンバー材について 常温⇔９５０℃ の加熱・冷却を４００サイクル繰り返し、その後の耐熱変形性および耐熱亀裂性を評価した。これらの結果を同じく表２に示す。
【００２８】
【表２】
【００２９】
表１および表２に示した結果より明らかなように、本発明例Ｎｏ．７〜９では、比較例Ｎｏ．１（ＳＵＳ４３０）に比べて、常温での引張強度特性に優れているだけでなく、高温での引張強度特性にも優れていることが明らかである。
【００３０】
また、本発明例Ｎｏ．７〜９では、比較例Ｎｏ．１（ＳＵＳ４３０）に比べて酸化増量が少なく、耐酸化性に優れていることが明らかであり、耐スケール剥離性にも優れていると共に、耐熱変形性および耐熱亀裂性も良好なものであることが認められた。
【００３１】
したがって、本発明によるフェライト系耐熱鋳鋼を素材とした耐熱部材は、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性），耐酸化性，耐スケール剥離性に優れていることから、ディーゼルエンジンのホットチャンバーに適用すると有効であることが確かめられた。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、重量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．６％以下、Ｃｒ：１６〜２１％、Ｔａ：１．５〜６％、およびＭｏ：０．５％以下，Ｖ：０．２％以下，Ｗ：２．０％以下のうちの１種または２種以上を含み、残部Ｆｅおよび不純物の組成を有するフェライト系耐熱鋳鋼からなるものであるから、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性）および耐酸化性に優れ、耐スケール剥離性にも優れたものであり、例えば、ディーゼルエンジンのホットチャンバー（コンバッションチャンバー）に好適なものであるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼルエンジンのホットチャンバー（コンバッションチャンバー）付近の構造を例示する斜面説明図である。
【符号の説明】
２ 吸気バルブ
４ 排気バルブ
６ ホットチャンバー
８ 噴射ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材に関し、例えば、ディーゼルエンジンのホットチャンバー（コンバッションチャンバー）に好適な耐熱部材（部品ないしは素材）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材、例えば、ディーゼルエンジンのホットチャンバーは、加熱および冷却が繰り返し付与される状態で使用されるため、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等）および耐酸化性などに優れていることが要求されると共に、冷却時の耐スケール剥離性にも優れていることが要求される。
【０００３】
ディーゼルエンジンのホットチャンバーは、図１に示すように、吸気ポート１を開閉する吸気バルブ２および排気ポート３を開閉する排気バルブ４を備えたシリンダボア５の上部ないしはやや側方にホットチャンバー（コンバッションチャンバー）６として取り付けられており、このホットチャンバー６には副噴口６ａが設けられていると共に、グロープラグ７および噴射ノズル８が設けられている。
【０００４】
このホットチャンバー６は、渦流式タイプのものに適用されており、シリンダボア５により形成される主燃焼室の上部ないしは側方に球形状ないしは繭形状の副燃焼室を設け、圧縮工程時においてこの副燃焼室の部分で空気の渦流を発生させると同時にこの副燃焼室の部分に噴射ノズル８から燃料を噴射し、この渦流を利用して高圧空気と燃料とをよく混合させて燃焼させる方式のものに使用される。
【０００５】
そのため、加熱−冷却の繰り返しの環境の下で使用されることとなるので、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等），耐酸化性，耐スケール剥離性などに優れていることが要求される。
【０００６】
従来、このようなホットチャンバーの素材としては、マルテンサイト系，フェライト系，オーステナイト系のステンレス鋼ないしは耐熱鋼が使用されており、冷間鍛造か精密鋳造により製造されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの出力向上や排ガス規制対策などにより、ホットチャンバー内の温度はさらに上昇する傾向を示しており、今後、より一層の耐熱性，耐酸化性を有するものが要求されていることから、このような特性の優れたホットチャンバーなどのエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材の開発が望まれているという課題があった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等）および耐酸化性により一層優れているエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、請求項１に記載しているように、重量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．６％以下、Ｃｒ：１６〜２１％、Ｔａ：１．５〜６％、およびＭｏ：０．５％以下，Ｖ：０．２％以下，Ｗ：２．０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不純物の組成を有するフェライト系耐熱鋳鋼からなることを特徴としている。
【００１０】
そして、本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材においてはさらに、請求項２に記載しているように、Ｔａの一部をＮｂで置換してなるものとすることができる。
【００１１】
また、本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、請求項３に記載しているように、エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材が、ディーゼルエンジンのホットチャンバーであるものとすることができる。
【００１２】
【発明の作用】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、上記した化学成分組成（重量％）を有するものであるが、次に、その成分組成の限定理由を各元素の作用と共に説明する。
【００１３】
Ｃ：０．１〜０．４％
Ｃは高温クリープ強度を高めるのに寄与する析出強化元素であり、このような作用を得るためには０．１％以上、より好ましくは０．１５％、さらに好ましくは０．１８％以上含有させることとしている。しかし、多すぎるとマルテンサイト組織となり、耐酸化性および耐食性を低下させるため、０．４％以下、より好ましくは０．３５％以下、さらに望ましくは０．３％以下としている。
【００１４】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉはγ相の範囲を狭め、フェライト組織を安定化するのに寄与すると共に、耐酸化性被膜の生成に有効であって耐酸化性の向上に寄与する元素であるが、多すぎると靭性および加工性を低下させることから１．０％以下、より好ましくは０．９５％以下としている。
【００１５】
Ｍｎ：０．６％以下
Ｍｎはエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材を鋳造によって製造する場合の鋳造性を向上させるのに有効な元素であるが、多すぎると靭性や加工性を害することとなるので０．６％以下、より好ましくは０．５５％以下としている。
【００１６】
Ｃｒ：１６〜２１％
Ｃｒは耐酸化性の向上に有効な元素であると共に炭化物，窒化物などを析出することによって高温強度を向上させるのにも有効な元素であるので、このような作用を得るために１６％以上、より好ましくは１６．５％以上、さらに好ましくは１７％以上としている。しかし、多すぎると一次炭化物の粗大化を生じたり高温でのσ相の生成などをきたしたりするので、２１％以下、より好ましくは２０％以下、さらに好ましくは１９％以下としている。
【００１７】
Ｔａ：１．５〜６％
ＴａはＣと結合して共晶炭化物を形成することにより高温強度を向上させるのに有効な元素であるので、このような作用を得るために１．５％以上、より好ましくは２％以上含有させることとしている。しかし、多すぎると靭性を害することとなるので、６％以下としている。
【００１８】
そして、このＴａに代えてＮｂを含有させることによっても高温強度を向上させる作用が得られ、Ｔａの上限である６％と同価の作用は４％Ｔａ＋１．２％Ｎｂ，２％Ｔａ＋１．５％Ｎｂ，０％Ｔａ＋２．５％Ｎｂであることが認められたので、Ｎｂは２．５％以下の範囲で置換するようになすことも場合によっては望ましい。
【００１９】
Ｍｏ：０．５％以下，Ｖ：０．２％以下，Ｗ：２．０％以下のうちの１種または２種以上
Ｍｏ，Ｖ，Ｗは高温強度を向上させるのに有効な元素であるので、これらの元素のうちの１種または２種以上を含有させる。そして、Ｍｏは少量の添加で高温クリープ強度を向上させるのに有用な元素であるが、多すぎると靭性を害することとなるので０．５％以下、場合によっては０．４％以下とするのがよく、ＶはＣと結合して析出強化することによって高温での強度を向上させるのに有用な元素であるが、多すぎると靭性を害することとなるので０．２％以下とするのがよく、Ｗはフェライト基地を固溶強化して室温における延性を損なわずに高温強度を向上させるのに有用な元素であるが、多すぎると靭性を害することとなるので２．０％以下とするのがよい。
【００２０】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、このような組成としたことにより、９００℃以上、さらには１０５０℃程度の高温においても耐熱性および耐酸化性に優れたものとなり、高温での耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性等）および耐酸化性ならびに冷却時の耐スケール剥離性に優れていることが要求されるディーゼルエンジン用ホットチャンバーとして好適なものとなる。
【００２１】
【実施例】
表１に示した化学成分組成の合金溶湯を溶製したのち、精密鋳造鋳型を用いた減圧吸引鋳造法によってディーゼルエンジン用ホットチャンバーに鋳造成形した。
【００２２】
【表１】
次いで、各鋳造成形品において、ゲートカットおよびサンドブラストを行った後、７８０℃×１Ｈ加熱保持→空冷の応力除去焼鈍を実施し、各試験のテストサンプルとした。
【００２４】
各試験のうち、引張試験は、常温（２０℃）および高温（９００℃）で実施した。この結果を表２に示す。
【００２５】
また、耐酸化性の評価試験は、φ５×２０ｍｍの試験片を１０００℃×２０Ｈ加熱保持→空冷の加熱・冷却を３回繰り返し、その都度、酸化による重量増加量を測定した。この結果を同じく表２に示す。
【００２６】
そして、耐スケール剥離性の評価試験は、上記耐酸化性の評価試験において、スケールの剥離の有無を目視によって評価した。この結果を同じく表２に示すが、○はスケールの剥離が全くなかったこと、△はスケールの剥離が若干認められたことを示している。
【００２７】
さらに、熱疲労試験は、各ホットチャンバー材について 常温⇔９５０℃ の加熱・冷却を４００サイクル繰り返し、その後の耐熱変形性および耐熱亀裂性を評価した。これらの結果を同じく表２に示す。
【００２８】
【表２】
表１および表２に示した結果より明らかなように、本発明例Ｎｏ．７〜９では、比較例Ｎｏ．１（ＳＵＳ４３０）に比べて、常温での引張強度特性に優れているだけでなく、高温での引張強度特性にも優れていることが明らかである。
【００３０】
また、本発明例Ｎｏ．７〜９では、比較例Ｎｏ．１（ＳＵＳ４３０）に比べて酸化増量が少なく、耐酸化性に優れていることが明らかであり、耐スケール剥離性にも優れていると共に、耐熱変形性および耐熱亀裂性も良好なものであることが認められた。
【００３１】
したがって、本発明によるフェライト系耐熱鋳鋼を素材とした耐熱部材は、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性），耐酸化性，耐スケール剥離性に優れていることから、ディーゼルエンジンのホットチャンバーに適用すると有効であることが確かめられた。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係わるエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材は、重量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．６％以下、Ｃｒ：１６〜２１％、Ｔａ：１．５〜６％、およびＭｏ：０．５％以下，Ｖ：０．２％以下，Ｗ：２．０％以下のうちの１種または２種以上を含み、残部Ｆｅおよび不純物の組成を有するフェライト系耐熱鋳鋼からなるものであるから、耐熱性（耐熱変形性，耐熱亀裂性）および耐酸化性に優れ、耐スケール剥離性にも優れたものであり、例えば、ディーゼルエンジンのホットチャンバー（コンバッションチャンバー）に好適なものであるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼルエンジンのホットチャンバー（コンバッションチャンバー）付近の構造を例示する斜面説明図である。
【符号の説明】
２ 吸気バルブ
４ 排気バルブ
６ ホットチャンバー
８ 噴射ノズル
Claims (3)
- 重量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．６％以下、Ｃｒ：１６〜２１％、Ｔａ：１．５〜６％、およびＭｏ：０．５％以下，Ｖ：０．２％以下，Ｗ：２．０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不純物の組成を有するフェライト系耐熱鋳鋼からなることを特徴とするエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材。
- Ｔａの一部をＮｂで置換してなる請求項１に記載のエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材。
- エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材が、ディーゼルエンジンのホットチャンバーである請求項１，２のいずれかに記載のエンジンの燃焼部に使用される耐熱部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17249595A JP3541502B2 (ja) | 1995-07-07 | 1995-07-07 | エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17249595A JP3541502B2 (ja) | 1995-07-07 | 1995-07-07 | エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0925824A JPH0925824A (ja) | 1997-01-28 |
| JP3541502B2 true JP3541502B2 (ja) | 2004-07-14 |
Family
ID=15943041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17249595A Expired - Fee Related JP3541502B2 (ja) | 1995-07-07 | 1995-07-07 | エンジンの燃焼部に使用される耐熱部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3541502B2 (ja) |
-
1995
- 1995-07-07 JP JP17249595A patent/JP3541502B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0925824A (ja) | 1997-01-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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