JP3778713B2 - 耐熱鋳鉄材及びその鋳鉄材を利用したシリンダヘッド - Google Patents
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Description
【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７−６０３２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１１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、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。また、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、残部を鉄及び通常の不純物としている。
また、本発明が講じた第２の解決手段は、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、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。また、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、すずを０．０５〜０．１重量％含有させ、残部を鉄及び通常の不純物としている。
【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。
また、以下の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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
また、第２の解決手段は、上記第１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。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１の解決手段におけるアンチモンの場合と同様である。
【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。また、第４の解決手段も、上記第２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。つまり、ニッケルを０．３〜１．２重量％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。
【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。また、第６の解決手段は、上記第２の解決手段の含有物と、第４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。そして、銅、ニッケル、クロム、モリブデンの含有量としては、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％としている。
【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、上述した各解決手段の場合と同様である。
【００４３】
第７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６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８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７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１２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、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。また、上述した効果に加えて、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もできる。
【００８４】
特に、請求項８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。
【００８７】
請求項７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
【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７−６０３２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１１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、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。また、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、残部を鉄及び通常の不純物としている。
また、本発明が講じた第２の解決手段は、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、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。また、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、すずを０．０５〜０．１重量％含有させ、残部を鉄及び通常の不純物としている。
【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。
また、以下の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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
また、第２の解決手段は、上記第１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。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１の解決手段におけるアンチモンの場合と同様である。
【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。また、第４の解決手段も、上記第２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。つまり、ニッケルを０．３〜１．２重量％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。
【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。また、第６の解決手段は、上記第２の解決手段の含有物と、第４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。そして、銅、ニッケル、クロム、モリブデンの含有量としては、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％としている。
【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、上述した各解決手段の場合と同様である。
【００４３】
第７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６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８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７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】
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】
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】
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】
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】
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１２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】
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、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。また、上述した効果に加えて、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もできる。
【００８４】
特に、請求項８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。
【００８７】
請求項７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
Claims (8)
- 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、
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％含有されていると共に、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％含有されており、残部が鉄及び通常の不純物からなることを特徴とする耐熱鋳鉄材。 - 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、
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％含有されていると共に、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％含有されており、残部が鉄及び通常の不純物からなることを特徴とする耐熱鋳鉄材。 - 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、
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％含有されていると共に、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％含有されており、残部が鉄及び通常の不純物からなることを特徴とする耐熱鋳鉄材。 - 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、
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％含有されていると共に、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％含有されており、残部が鉄及び通常の不純物からなることを特徴とする耐熱鋳鉄材。 - 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、
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％含有されていると共に、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％含有されており、残部が鉄及び通常の不純物からなることを特徴とする耐熱鋳鉄材。 - 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、
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％含有されていると共に、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％含有されており、残部が鉄及び通常の不純物からなることを特徴とする耐熱鋳鉄材。 - 請求項１〜６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１〜７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。
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