JP5924558B2 - 金属ガスケットの製造方法 - Google Patents

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関連出願への相互参照
この特許出願は、２００７年３月９日に提出された米国仮特許出願番号第６０／８９４，０７８号の優先権を主張し、その全体を本明細書に引用により援用する。

発明の背景
１．技術分野
本発明は、一般的には金属ガスケットの製造方法に関する。本発明は、より具体的には高温合金からなるエンボス加工された金属ガスケットの製造方法に関する。さらに具体的には、約１０００°Ｆまでの温度において機能する高温鉄ニッケルクロム合金からなるエンボス加工された金属ガスケットの製造方法に関する。

２．関連技術
ガソリン燃料エンジンおよびディーゼル燃料エンジン双方を含めた内燃機関の中温から高温のガスケットに、エンボス加工された金属を使用することは周知である。たとえば、冷間圧延により完全に硬化させた３０１ステンレス鋼（３０１ＦＨＳＳ）ガスケットは、約８００°Ｆまでの温度では良好に機能するが、約１０００°Ｆを超える温度では強度を失う。温度が約１０００°Ｆを超えると、エンボスが熱硬化し、使用時の実効的な封止状態を完全に取戻すことができないため、接合部を有効に封止する機能を失うのである。しかしながら、１０００°Ｆより低い動作温度でも、３０１ＦＨＳＳならびに３０９ＦＨＣＲおよび３１６Ｔｉといった他のステンレス鋼の性能は、図３に示されるように、室温から約１０００°Ｆまで温度が上昇するのに比例して低下し、全体的には８００°Ｆを上回ると低下率が増す。図３は、回復したエンボス高さを温度の関数として示している。この応力緩和は重要である。なぜなら、所与のガスケット設計について、約２３０−５５０°Ｆという中温でさえこのように特性が徐々に低下すると、ガスケット荷重が減少して封止に欠陥が生じる可能性があるからである。このような特性の低下に対しては、ガスケットの設計という面では、ガスケット層を追加して所要のガスケット高さおよび封止特性を得ることにより、対処することが多い。このようなガスケットの温度効果およびガスケットの限界は、封止という用途において、振動に晒される接合部、特に大きな温度変動にも晒される接合部といった、封止すべき接合部に、大きな熱的または動的機械運動が生じる場合、悪化する。これは、フランジ付き部材が、これと嵌め合わせる接合部材、特に別のフランジ付き接合部材に装着されている、多くの接合部において頻繁に生じる。内燃機関に関連する封止用途におけるこうした接合部の例は、何らかのヘッドガスケット構成、排気ダウンパイプクランプ、吸気マニホルドおよびターボチャージャ中間冷却器の接合部を含む。

本発明は、約１０００°Ｆの動作温度までの中温から高温のエンボス加工金属ガスケット用途に対し、商業的に好適な材料を提供するという課題に対する、費用対効果の高い解決策を提供する。

本発明のある局面において、金属ガスケットが提供され、この金属ガスケットは、約１０００°Ｆまでの動作温度において本質的に最大の機能回復および保持応力を示すエンボスを含み、冷間圧延された金属シート材料からなり、この金属シート材料のエンボスは、上記材料を硬化させる作用のあるエンボス加工後の熱処理を行なうことなく、加工硬化されたものであり、最大の動作強度を有する。

本発明の別の局面に従うと、ガスケットは、析出硬化可能な鉄ニッケルクロム合金からなり、この合金は、最初に冷間圧延によって硬化され、析出硬化熱処理によって析出硬化され、次にエンボス加工されてエンボスを形成するとともに加工硬化させる。その後、この材料を硬化させる作用のあるエンボス加工後の熱処理は行なわれない。

本発明のさらに他の局面に従うと、材料をさらに硬化させる作用のあるエンボス加工後の熱処理なしの冷間圧延／加工硬化エンボス加工処理に反応する鉄ニッケルクロム合金を、この種のガスケットの製造に使用することが意図されている。

本発明のさらに他の局面に従うと、材料をさらに硬化させる作用のあるエンボス加工後の熱処理なしの、冷間圧延加工硬化、続くコイル形状析出硬化、次のエンボス加工処理に反応する合金を、この種のガスケットの製造に使用することが意図されている。

本発明のさらに他の局面に従うと、重量で、１８％超のＮｉと、１４％超のクロムと、０．１−１０％の、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｕからなる群より選択された少なくとも１つの元素と、残余の実質的にＦｅとを含む合金からなる少なくとも１つのエンボス加工された封止ビードを有し、変形加工硬化微細構造を有するガスケットシートを、本発明のガスケットとして使用することが意図されている。

本発明のさらに他の局面に従うと、重量で、１８−２８％のＮｉと、１８−２３％のＣｒと、０−８％のＭｏと、０−１．５％のＣｕと、０−１％のＳｉと、０−３％のＭｎと、０−０．６％のＴｉと、０−０．６％のＡｌと、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、０−０．０３％のＰと、０−０．４％のＮと、残余の実質的にＦｅとを含む鉄ニッケルクロム合金からなる少なくとも１つのエンボス加工された封止ビードを有するガスケットシートを、本発明のガスケットとして使用することが意図されている。

本発明のさらに他の局面に従うと、重量で、２４−５５％のＮｉと、１３．５−２１％のＣｒと、１−３．３％のＭｏと、０−０．１５％のＣｕと、０−１％のＳｉと、０−２％のＭｎと、０．６５−２．３％のＴｉと、０−０．８％のＡｌと、０−０．５％のＶと、０．００１−０．０１％のＢと、０−１％のＣｏと、０−５．５％のＮｂまたはＴａの総量と、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、０−０．０１５％のＰと、残余の実質的にＦｅとを含む、鉄ニッケルクロム合金を有するガスケットシートを、本発明のガスケットとして使用することが意図されている。

本発明のさらに他の局面に従うと、本発明は、エンボス加工された金属ガスケットを製造する方法を含み、この方法は、鉄ニッケルクロム合金の焼なましされたシートを形成するステップと、変形した微細構造を有する変形シートを形成するために上記焼なましされたシートを変形するステップと、少なくとも１つのエンボス加工された封止ビードを有する前記変形シートからガスケットを形成するステップとを含み、前記エンボス加工された封止ビードは、完全にクランプされ封止された接合部で約１０００°Ｆまでの温度において実質的に最大の機能回復および保持応力で封止動作可能である。

本発明のさらに他の局面に従うと、本発明の鉄ニッケルクロム合金ガスケットシートは、耐熱コーティングで覆われてもよい。この耐熱コーティングは、化学的に剥離したバーミキュライトと、高温有機樹脂と、補助無機樹脂と、フレーク状の充填剤とを含んでいてもよい。

本発明の別の局面に従うと、エンボスは、完全なエンボスまたは少なくとも２分の１のエンボスを含む部分的なエンボスを含み得る。

本発明の上記およびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に関連付けて考慮するとさらに容易に理解されるようになるであろう。

図１は、クランプ検査を受けた先行技術のいくつかの金属ガスケット合金について、回復したエンボス高さを温度の関数として示すグラフである。 図２は、本発明のある代表的な実施例に従い構成されたガスケットの平面図である。 図３は、接合部における図２のガスケットの一部の拡大部分断面図である。 図４は、クランプ検査を受けた本発明のいくつかの合金について、回復したエンボス高さを温度の関数として示すグラフである。 図５は、定荷重クランプ検査を受けた本発明のいくつかの合金について、回復したエンボス高さを温度の関数として示すグラフである。 図６は、本発明のガスケットシートの断面サンプルの微細構造の、倍率２００倍の顕微鏡写真である。 図７は、本発明の方法のフローチャートである。

図２および図３は、本発明の代表的な実施例に従い構成された単一層の金属ガスケット１０を示す。単層エンボス加工金属ガスケットおよび多層エンボス加工金属ガスケット双方が意図されており、双方が本発明の範囲に含まれることが意図されている。エンボスは、最大の高さのエンボス、または少なくとも２分の１の高さのエンボスを含む部分的な高さのエンボスを含み得る。

ガスケット１０は少なくとも１つの金属層１２を含む。この層１２は、打抜き加工されるかまたは別の方法で形成されて少なくとも１つの流体搬送開口部１４を含むようにされた金属シート材料から作られる。しかしながら、ガスケット１０が任意の数の流体搬送開口部を含み得るものであり、多くの実施例がこのような開口部を複数含むであろうことは、容易に理解されるであろう。この層１２は、ガスケット１０によって封止されて封止された接合部を形成する排気マニホルド（図示せず）およびエンジンブロック（図示せず）のように、第１の部材２０と第２の部材２２との間でガスケット１０をクランプするのに使用できる留め具またはその他のクランプ装置（図示せず）を受ける他の開口部１６も含んでもよい。図３には、クランプされていない状態にある第１の接合部材２０および第２の接合部材２２ならびにガスケット１０が、クランプ直前にそれぞれの場所に位置する構成要素とともに、示されている。

上記少なくとも１つの金属層１２は、何らかの析出硬化可能な合金を含む適切な鉄ニッケルクロム合金から作られてもよい。選ばれた鉄ニッケルクロム合金の金属シート材料は、室温で測定した引張強度が１０００ＭＰａ以上の範囲、伸び率ができるだけ大きく少なくとも５％、より具体的には５−２５％、さらに具体的には５−１０％、最も具体的には６−９％となるように、冷間圧延されて材料が加工硬化される。材料に亀裂を生じさせずに、一方では、約１０００°Ｆまでの高温でガスケットとして機能しかつ十分な強度を維持することにより、高温動作条件下で、接合部に組込まれたガスケットが接合部を封止し続けるように、圧延、打抜き加工、プレスおよび他のエンボス加工ガスケット形成のための既知の処理方法によって、本明細書に記載のように所望のガスケット形状をシートまたはロールから切出し必要な開口部およびエンボスを形成する、またはその逆を行なうのに十分な、延性および伸び率を、上記金属シート材料は備えていなければならない。金属シート材料が析出硬化可能な鉄ニッケルクロム合金を含む場合、この材料を、適切な析出硬化熱処理を用いて、冷間圧延に続いて析出硬化させて、ガスケット１０の高温特性をさらに高めてもよい。

冷間圧延および任意の析出硬化熱処理に続いて、シート材料をブランキングしてガスケットにし、先に述べたようなさまざまな開口部を形成することができる。このブランキング作業中、またはブランキングの前または後の別の作業において、開口部１４のうち少なくとも１つを囲む少なくとも１つの封止エンボスまたはビード１８を作ることができる。エンボス１８は、典型的には円弧もしくは他の湾曲部である完全なエンボス、または、典型的には一連の相補的な半径もしくは円弧もしくは他の湾曲部を使用することによりシート表面の一部を他の部分よりも高くした２分の１のエンボスでもよい。このエンボス１８は、流体開口部を封止するのに十分な力を接合部材２０、２２それぞれの表面に対して加える、ガスケットシートに組込まれたばね部材を含む。冷間加工およびエンボス加工工程において加えられる変形は、エンボス１８を含む金属シートの部分に対して、有効な付加的強度を加えない。しかしながら、本発明は、この工程において、特にエンボスに近い領域においてシート材料に付加的な機械的強度を与えるのに十分な変形を除外しない。好ましい冷間圧延された鉄ニッケルクロム合金材料からなるガスケット１０は、ガスケットの動作寿命の間、約１０００°Ｆまでの動作温度で、動作荷重を受けてクランプされているとき、封止された接合部の表面に対して十分な封止応力を与えることにより適切な封止を保つのに十分な弾性を維持するであろう。本発明のガスケット１０のこの特徴は、以下のようにして検査することができる。ガスケット１０がガスケットの寿命に渡り所与のエンジン用途において経験するであろうものを表わす温度、接合荷重、環境およびその他の条件下、または、エンジン適性基準を満たすのに必要な条件下で、すなわち約１０００°Ｆまでの温度で、長期間ガスケットを動作条件下でクランプすることによって、検査するのである。特に、ガスケットが約１０００°Ｆを下回る動作条件下に置かれたときに、回復するガスケット高さが容認できないほど減少することはないであろう。図４および図５に例示された合金が示すように、ガスケットにおいて、回復するガスケット高さが認識できるほどに減少することは、多くの場合ほとんどないか皆無であるが、いずれの場合でも、こうした動作条件下、特に本明細書に記載のような検査が行なわれるとき、回復するガスケット高さは０．００２５インチよりも大きい。回復するガスケット高さにおけるこのような改善は、これらの合金が、ガスケット、特にエンボスにおいて、３０１ＦＨ、３０９ＦＨＣＲおよび３１６Ｔｉステンレス鋼を含む先行技術のガスケット材料で得られるものと比較して、改善されたクリープ抵抗特性をこの温度領域で示すため、より多くの保持応力、本質的には最高の保持応力を有することを、示している。

回復するガスケット高さは、ガスケットがガスケットの寿命に渡り所与のエンジン用途において置かれるであろう状態を表わす、熱サイクルを含む動作条件下で、または、エンジン適性基準を満たすのに必要な条件下で、すなわち約１０００°Ｆまでの温度で、ガスケットをクランプすることによって、検査することができる。これらの条件下で荷重を受けるエンボス加工されたガスケットは、予想されるガスケット寿命を通して、エンボスにおいて封止する機能を保つはずである。最新のガスケット設計、開発、製造および検査の技術分野の当業者は、ビード硬化を測定する数多くの方法および装置が存在し得ることを理解するだろうが、ガスケットが当初のエンボス高さを維持しないもしくは取り戻さないように、または、ガスケットが強度を失いクランプされたときに所望の流体搬送通路を封止するのに十分な荷重を生み出さないように、たとえば熱硬化を行なうことにより、ガスケットが不具合なく所与の条件に耐えるか否か検査するというのが、共通の希望である。検査自体は重要でないが、ガスケットが約１０００°Ｆまでの温度に晒されるであろう実際の動作条件下で、ガスケットが機能する能力が重要である。好適なある検査は、開口部と、この開口部を囲むエンボスまたは封止ビード１８を表わす完全なエンボスとを有する、適切な冷間圧延された金属シート材料からなる検査ワッシャを準備することを含む。このワッシャのＯＤは２．７５インチ、ＩＤは１．７５インチ、材料の厚みＴは約０．０１０インチである。最初のビード高さは、１．５Ｔ、すなわち金属層本体の上面からの高さが０．０１５インチである。このワッシャは、厚さ１インチの平板（platen）２枚の間で、グレード５のボルトを用いて、１０００ＰＬＩ（リニアインチ当たりのポンド）の接合荷重下でクランプされ、次に、エンジン動作温度を表わす温度で１７時間加熱され、取出され、本体上のビードの高さが再び測定される。回復する最小のビード高さが本体の上面から０．００２５インチであるというのは、測定される検査温度でガスケットの寿命に渡って十分な封止を維持するために容認できるものであり、かつ、本質的に最大のビード機能または動作の回復およびガスケット、特にエンボスにおける本質的に最大の保持応力に相当する、というのが、認められている業界標準である。少なくとも、これらの合金はすべて、室温から約１０００°Ｆで、先行技術のガスケット合金よりも大きな応力を保持した。以下の表１に示した析出硬化可能な４つの高温合金からなる上記の種類の検査ワッシャを、図４および図５に示すように、８００°Ｆ、１０００°Ｆ、１４００°Ｆ、１５００°Ｆおよび１６００°Ｆの温度で検査した。これらはすべて認められているビード回復基準の範囲内にあることが判明し、すべてのサンプルの最終的なビード高さは本体からの高さで０．００２５インチ以上であった。特に、これらは、図１に示された先行技術の合金と異なり、１０００°Ｆの動作温度で、回復した高さおよび本質的に最大の保持応力が許容できないほど減少することはなかった。

析出硬化可能な本発明の好適な鉄ニッケルクロム合金の中には、冷間加工および析出硬化の組合せからも利益を得るものがあると考えられる。したがって、本発明は、冷間圧延工程の後、シート材料に対してコイル形状で析出硬化熱処理も行なって上記のような所望の強度および伸び特性を得ることを意図している。材料選択および熱処理技術における当業者は、過度の実験または発明なしでも、合金の特定の組成および達成すべき所望の最終特性に応じて、析出硬化熱処理サイクルを実行して所望の最終結果を得ることができることを理解するであろう。たとえば、本発明において意図されており以下でより詳細に述べる析出硬化可能な合金の中には、一般的には１０００°Ｆを上回る温度で約８−１５時間に渡る、冷間圧延に続く析出硬化熱処理サイクルから、利益を得るものがあるであろう。好適な析出硬化可能な合金組成は、以下でもさらに説明する、高ニッケル、高クロム合金および析出硬化を容易にする添加物である。

所望の合金の組成の範囲は、重量パーセントで、１８％超のＮｉと、１４％超のＣｒと、０．１−１０％のＭｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｂ、ＴａまたはＣｕのうち少なくとも１つと、残余のＦｅとに加え、許容される付随的な不純物および所望の特性を失わない他の添加物を含み得るが、これは限定を意図するものではない。上記の範囲に含まれる本発明の好適な合金の具体的な例は、表１に概要を示し以下で説明する合金Ａ−Ｄを含む。

合金Ａは、重量で、１８−２２％のＮｉと、１８−２２％のＣｒと、０−０．７５％のＣｕと、０−１％のＳｉと、０−１％のＭｎと、０−０．６％のＴｉと、０−０．６％のＡｌと、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、残余の実質的にＦｅとを含むものとして説明できる。上記のように、合金Ａは、最終的に得られる合金の機械的特性がガスケットの製造および設置に適したものでありかつこの合金が実質的に最大のガスケットの高さ回復および本質的に最大の保持応力を約１０００°Ｆまでの温度で示すならば、他の合金添加物も含んでいてもよい。図４からわかるように、合金Ａの回復した高さは、約１０００°Ｆまでの温度においてガスケットの表面上から０．００２５インチをわずかに下回っていたが、図１および図４からわかるように、この性能は３０１ＦＨまたは３１６Ｔｉよりも優れており、約１１００°Ｆを超える温度を含むより高い温度では、この性能はさらに改善されている。このように、合金Ａの性能の安定性、および、３０１ＦＨおよび３１６Ｔｉの性能に勝る上記の立証された改善に鑑み、合金Ａは、約１０００°Ｆまでの温度において実質的に最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を示す。合金Ａは、本明細書に記載の析出硬化熱処理を受ければ何らかの析出硬化が生じるかもしれないが、合金Ａは、析出硬化可能な合金であるとは考えられていない。したがって、除外されるのではないが、合金Ａのシート材料は、本明細書に記載のように冷間圧延によって処理されて所望の冷間加工を受けるようにし析出硬化熱処理は受けないことが好ましい。

合金Ｂは、重量で、２６−２８％のＮｉと、２０．５−２３．０％のＣｒと、６．５−８％のＭｏと、０．５−１．５％のＣｕと、０−０．０５％のＳｉと、０−３％のＭｎと、０−０．０２０％のＣと、０−０．０１％のＳと、０−０．０３％のＰと、０．３−０．４％のＮと、残余の実質的にＦｅとを含むものとして説明できる。上記のように、合金Ｂも、最終的に得られる合金の機械的特性がガスケットの製造および設置に適したものでありかつこの合金が実質的に最大のガスケットの高さ回復および本質的に最大の保持応力を約１０００°Ｆまでの温度で示すならば、他の合金添加物も含んでいてもよい。図４からわかるように、合金Ｂの回復した高さは、約１０００°Ｆのまでの温度においてガスケットの表面上から約０．００２５インチであった。このように、合金Ｂは、約１０００°Ｆまでの温度において最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を示す。合金Ｂは、本明細書に記載の析出硬化熱処理を受ければ何らかの析出硬化が生じるかもしれないが、合金Ｂは、析出硬化可能な合金であるとは考えられていない。したがって、除外されるのではないが、合金Ｂのシート材料は、本明細書に記載のように冷間圧延によって処理されて所望の冷間加工を受けるようにし析出硬化熱処理は受けないことが好ましい。

合金ＡおよびＢは、他の数多くの析出硬化不能な鉄ニッケルクロム合金の代表例であると考えられる。こうした合金は、一般的には、重量で、１８％超のＮｉと、１４％超のＣｒと、０．１−１０％のＭｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｂ、ＴａまたはＣｕのうち少なくとも１つと、残余のＦｅと、付随的な不純物とを含むものとして説明できるものであって、より具体的には、これらの合金の成分の範囲に含まれる合金であって、重量で、１８−２８％のＮｉと、１８−２３％のＣｒと、０−８％のＭｏと、０−１．５％のＣｕと、０−１％のＳｉと、０−３％のＭｎと、０−０．６％のＴｉと、０−０．６％のＡｌと、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、０−０．０３％のＰと、０−０．４％のＮと、残余の実質的にＦｅとを含む合金として説明できるものである。これらの合金は、約１０００°Ｆまでの温度において、少なくとも実質的に最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を示すと考えられる。これらの合金は、本明細書に記載の析出硬化熱処理を受ければ何らかの析出硬化が生じるかもしれないが、これらの合金は、一般的には、析出硬化可能な合金であるとは考えられていない。したがって、除外されるのではないが、これらの合金のシート材料は、本明細書に記載のように冷間圧延によって処理されて所望の冷間加工を受けるようにし析出硬化熱処理は受けないことが好ましい。

合金Ｃは、重量で、２４−２７％のＮｉと、１３．５−１６％のＣｒと、１−１．５％のＭｏと、０−１％のＳｉと、０−２％のＭｎと、０−０．０８％のＣと、１．９−２．３％のＴｉと、０．１−０．５％のＶと、０−０．３５％のＡｌと、０．００３−０．０１％のＢと、残余の実質的にＦｅとを含むものとして説明できる。上記のように、合金Ｃも、最終的に得られる合金の機械的特性がガスケットの製造および設置に適したものでありかつこの合金が実質的に最大のガスケットの高さ回復および本質的に最大の保持応力を約１０００°Ｆまでの温度で示すならば、他の合金添加物も含んでいてもよい。図４からわかるように、合金Ｃの回復した高さは、約１０００°Ｆを上回る温度でガスケットの表面上から０．００２５インチを実質的に上回っていた。このように、合金Ｃも、約１０００°Ｆまでの温度において最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を示す。合金Ｃは、析出硬化可能な合金である。したがって、冷間圧延のみが除外されるのではないが、合金Ｃのシート材料は、本明細書に記載のように冷間圧延によって処理されて所望の冷間加工を受けるようにし、次に、エンボス形成に先立って本明細書に記載の析出硬化熱処理をさらに受けることが好ましい。この熱処理は、冷間加工における変形およびこれに関連した冷間圧延による強度の増加を相殺するというよりもむしろ、これらの合金により大きな強度を与える。なぜならこのような合金は析出硬化熱処理後に冷間加工された微細構造を証明しているからである。

合金Ｄは、図４において、この材料の異なる熱を表わした合金Ｄ−１および合金Ｄ−２によって示されている。合金Ｄは、重量で、５０−５５％のＮｉと、１７−２１％のＣｒと、２．８−３．３％のＭｏと、０−０．１５％のＣｕと、０−０．３５％のＳｉと、０−０．３５％のＭｎと、０．６５−１．１５％のＴｉと、０．３５−０．８％のＡｌと、０．００１−０．００６％のＢと、０−１％のＣｏと、４．７５−５．５％のＮｂまたはＴａの総量と、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、０−０．０１５％のＰと、残余の実質的にＦｅとを含むものとして説明できる。上記のように、合金Ｄも、最終的に得られる合金の機械的特性がガスケットの製造および設置に適したものでありかつこの合金が実質的に最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を約１０００°Ｆまでの温度で示すならば、他の合金添加物も含んでいてもよい。図４からわかるように、合金Ｄの回復した高さは、約１０００°Ｆまでの温度においてガスケットの表面上から０．００２５インチを実質的に上回っていた。このように、合金Ｄも、約１０００°Ｆまでの温度において最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を示す。合金Ｄは、析出硬化可能な合金である。したがって、冷間圧延のみが除外されるのではないが、合金Ｄのシート材料は、本明細書に記載のように冷間圧延によって処理されて所望の冷間加工を受けるようにし、次に、エンボス形成に先立って本明細書に記載の析出硬化熱処理をさらに受けることが好ましい。

合金ＣおよびＤは、他の数多くの析出硬化可能な鉄ニッケルクロム合金の代表例であると考えられる。こうした合金は、一般的には、重量で、１８％超のＮｉと、１４％超のＣｒと、０．１から１０％のＭｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｂ、ＴａまたはＣｕのうち少なくとも１つと、残余のＦｅと、付随的な不純物とを含むものとして説明できるものであって、より具体的には、これらの合金の成分の範囲に含まれる合金であって、重量で、２４−５５％のＮｉと、１３．５−２１％のＣｒと、１−３．３％のＭｏと、０−０．１５％のＣｕと、０−１％のＳｉと、０−２％のＭｎと、０．６５−２．３％のＴｉと、０−０．８％のＡｌと、０−０．５％のＶと、０．００１−０．０１％のＢと、０−１％のＣｏと、０−５．５％のＮｂまたはＴａの総量と、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、０−０．０１５％のＰと、残余の実質的にＦｅとを含む合金として説明できるものである。これらの合金は、約１０００°Ｆまでの温度において、最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を示すと考えられる。析出硬化の効果は上記の合金組成の範囲によって変化し得るものであるが、これらの合金は析出硬化可能な合金であると一般的に考えられている。したがって、冷間圧延のみが除外されるのではないが、合金Ｄのシート材料は、本明細書に記載のように冷間圧延によって処理されて所望の冷間加工を受けるようにし、次に、エンボス形成に先立って本明細書に記載の析出硬化熱処理をさらに受けることが好ましい。

図５は、本発明の鉄ニッケルクロム合金ガスケットが示す最大の機能回復をさらに証明するものである。上記合金Ａ−Ｄの試験片に対して高温定荷重検査を行なった。この検査において、これらの合金は、検査装置の初期荷重と同様の定荷重を維持するようにされたこの検査装置に示されている温度に保たれた。定荷重であるために、先に説明し図５に記録した本発明の合金の回復特性のより厳しい検査である。これらの合金も、さらに厳しい検査条件下で約１０００°Ｆまでの温度において最大の機能回復および本質的に最大の保持応力を示したことがわかるであろう。

冷間圧延およびエンボス加工の結果得られた封止ビードすなわちエンボス１８は加工硬化される。これは、図６において全体的に示されるように、冷間圧延およびエンボス加工前の状態の材料と比較される、金属シートのビードの方向性粒構造によって証明されている。本発明の合金の微細構造は、微細構造において示される冷間加工率に応じて変動し得る。たとえば、冷間加工後に析出硬化された合金の粒構造は、析出硬化されていない合金の粒構造よりも、方向性が小さい。それでもなお、本発明の合金は、残りの冷間加工およびエンボス加工後の熱処理を行なわないことを、微細構造で証明するはずである。

ビード１８が形成された後は、特に、たとえばさらに析出硬化熱処理を行なうなど、ビード１８をさらに硬化させるようなやり方で、少なくとも１つの金属層１２に対して熱処理またはさらなる処理を行なわないことが好ましい。それにかかわらず、ガスケット１０のエンボス加工後の熱処理または他の処理は、本明細書に記載の引張り強度、延性および高温回復性能の維持に適した、上記の冷間加工または析出硬化または双方の少なくとも一部を維持するという条件で、行なわれる。言い換えれば、ビード１８の最終的な強度および硬度は、ビードが形成された時点で得られ、ビードが形成された後はエンボス加工後の熱処理を含めてビードを変えるまたは強化するような処理は行なわれない。

図７を参照して、本発明のエンボス加工されたガスケットは、鉄ニッケルクロム合金の焼なましされたシートを形成するステップと、変形した微細構造を有する変形シートを形成するためにこの焼なましされたシートを変形するステップと、少なくとも１つのエンボス加工された封止ビードを有するこの変形シートからガスケットを形成するステップとを含み、上記エンボス加工された封止ビードは完全にクランプされ封止された接合部で約１０００°Ｆまでの温度において実質的に最大の機能回復および本質的に最大の保持応力で封止動作可能である、方法によって製造することができる。当然この方法は、好適な鉄ニッケルクロムガスケット材料の溶融物を形成するステップ１００を含む。この合金の溶融物は次に、中間ステップにおいて、固化によりスラブにされるかまたは連続鋳造により鋳造ビレットにされる。このスラブまたはビレットは次に、熱間圧延ステップ２００により、この材料からなる１つ以上の連続ロールに形成される。熱間圧延された材料の厚みは一般的に、約０．１８−０．２５インチの間の範囲にある。次にこの熱間圧延された材料に対し、通常スケール除去ステップ３００が行なわれ、熱間圧延で生じた酸化物および他の表面不純物を除去する。次に、スケール除去された材料に対し、通常冷間圧延ステップ４００が行なわれ、中間の厚さにし、材料を過剰に硬化しないようにするとともに後続のガスケット処理においてこの材料が脆くなりすぎないようにする。通常このステップの次には、中間焼なましを含むステップが行なわれ、冷間圧延４００により冷間加工された部分を大部分除去する。一般的に、冷間圧延４００および中間焼なまし５００は少なくとも１度繰り返されて、ガスケットシート材料が所望の規格または初期厚さになるようにする。所望の規格になれば、本発明のシート材料に対し、冷間圧延６００を行なって所望のガスケット厚さＴにする。Ｔを得る冷間圧延６００の量は、焼なましされた開始材料の当初の厚みと比較して約１０−７０％の減少となることが好ましく、より好ましくは、冷間圧延の量は、当初の厚みと比較して約３０−４０％の減少である。このように、変形するステップは、焼なましされたシートの冷間圧延６００を含み、これにより、本明細書に記載の最小値および範囲の冷間圧延率の関数として変化する変形の度合いを有する冷間圧延された微細構造を生成する。

本発明の方法は、任意で、冷間圧延６００によって変形した微細構造も析出硬化するよう、析出硬化熱処理７００を行なうステップを含んでもよい。変形し析出硬化した微細構造の硬さは、所与の合金の上記の変形した微細構造よりも大きい。析出硬化熱処理は、約１２００−１３５０°Ｆの温度で行なってもよい。

冷間圧延された鉄ニッケルクロム合金材料、または交互に冷間圧延および析出硬化された合金材料に対し、次に、本明細書に記載のエンボス加工ステップ８００が行なわれ少なくとも１つのエンボスを形成する。

本発明の方法はまた、任意で、ガスケットを耐熱ガスケットコーティングで覆いコーティングされたガスケットを生成するステップ９００を含んでもよい。ガスケットコーティング（図示せず）は、化学的に剥離したバーミキュライトを含み、このバーミキュライトの少なくとも９０重量％の厚みは３０ミクロン以下であり、１ミリメートルよりも大きな寸法はない。ガスケットコーティングはさらに、セ氏３００度以上の熱に対する抵抗がある高温有機樹脂、補助的な無機樹脂、および米国特許第７，１３５，５１９号に記載のようにフレーク状の充填材を含む。驚くべきことに、このガスケットコーティング材料も、本発明のガスケット１０のより高い動作温度範囲で使用するのに適している。

本発明は、ガスケットまたはガスケットの一部のための封止改善コーティングを提供し、このコーティングは、化学的に剥離したバーミキュライトのフレーク状の粒子を含み、この粒子の９０重量％以上の厚みは３０ミクロン以下であり、１ｍｍを超える寸法はなく、これらの粒子はコーティングの１０−９０重量％を占め、このコーティングはまた、３００°Ｆ以上の温度に対する抵抗のある有機ポリマーバインダを５０−１０重量％含む。

このために、有機ポリマーバインダは、このバインダが、厚さ１ｍｍ以下となるように形成され自由大気の中で２４時間特定の温度まで加熱されたときに、分解しないかまたは分解して膜の２０重量％以上を残すのであれば、その温度まで耐熱性があるものとみなされる。

この種のコーティングは、内燃機関の排気ガスケットのように、使用時に約１０００°Ｆまでの高温に晒されるエンボス加工されたガスケットの封止機能を改善する。好ましくは、本発明に従うコーティングの厚みは１００ミクロン未満であり、より好ましくは８０ミクロン未満であり、最も好ましくは５０ミクロンと７５ミクロンの間である。

エンボス加工の前に、シート材料は、特徴的な加工硬化され冷間圧延された微細構造を示し、この構造において、延ばされた粒配向は冷間圧延方向に対して平行である。さらにエンボス加工を行なった結果得られた封止ビード１８は、さらに加工硬化され、封止ビード１８のエンボス加工工程から生じた変形に関連するさらなる粒配向を示すかもしれない。圧延方向を基準としたエンボスの方向に応じて、封止ビードの微細構造は、圧延方向のさらなる粒配向を示すかもしれず、または、圧延方向以外の方向のエンボス加工に関する配向を示すかもしれない。いずれにせよ、封止ビード１８はさらに、冷間圧延およびエンボス加工前の状態の材料と比較して、冶金技術では周知の、方向性粒配向を示すか、または、材料の改善された変形の他の証拠を示すであろう。冷間圧延に続いて析出硬化熱処理を受けた材料が示す粒構造は方向性が小さいかもしれないが、いずれにせよ、この材料は、ガスケット１０の他の部分の微細構造と比較されるエンボス加工された封止ビード１８に関連する変形した微細構造のおかげで、エンボス加工後の熱処理が行なわれていないことを証明するはずである。

封止ビード１８が形成された後、少なくとも１つの金属層１２に対し、熱処理は行なわれない、または、封止ビード１８をさらに硬化させるようなさらなる処理は行なわれない。言い換えれば、この封止ビード１８の最終的な強度および硬度は、ビードが形成されたときに得られるものであって、ビードが形成された後、エンボス加工後の熱処理を含め、ビードを変質させて強化するようなことは行なわれない。

本発明の１つの利点は、回復するガスケットの高さが改善されることにより、本発明のガスケットは、先行技術の金属ガスケット材料から作られた金属ガスケットよりも少ない層で同じ封止効果を提供できる点にある。

本発明の数多くの変形および変更が上記の教示に照らして可能であることは明らかである。したがって、本発明は、具体的に記載された範囲ではなく、最終的に許可される添付の請求項の範囲の中で実施し得ることが理解されるであろう。

１０ ガスケット、１２ 金属層、１４ 流体搬送開口部、１６ 他の開口部、１８ 封止ビード、２０ 第１の接合部材、２２ 第２の接合部材。

Claims (12)

1. エンボス加工された金属ガスケットを製造する方法であって、
   鉄ニッケルクロム合金の焼なましされたシートを形成するステップと、
   前記焼なましされたシートに冷間加工を施して、ガスケットシートを形成するステップと、
   前記ガスケットシートにエンボス加工を施して、少なくとも１つの封止ビードを有する金属ガスケットを形成するステップとを含み、
   前記鉄ニッケルクロム合金は、
   重量にして、２４．０−２７．０％のＮｉと、１３．５−１６．０％のＣｒと、１．０−１．５０％のＭｏと、０−１．０％のＳｉと、０−２．０％のＭｎと、０−０．０８％のＣと、１．９０−２．３０％のＴｉと、０．１０−０．５０％のＶと、０．１−０．３５％のＡｌと、０．００３−０．０１０％のＢと、残部Ｆｅおよび不可避不純物とからなり、
   前記ガスケットシートは、室温で測定した引張強度が１０００ＭＰａ以上で、５％と２５％との間の伸び率を有し、
   前記ガスケットシートは、方向性粒子構造を有する冷間加工組織を有し、エンボス加工後の熱処理を行なうことなく形成される変形した冷間加工組織を有する、金属ガスケットの製造方法。
2. 前記冷間加工組織は、変形の度合いが冷間圧延率の関数として変化する冷間圧延された金属組織である、請求項１に記載の金属ガスケットの製造方法。
3. 前記冷間圧延率の範囲は、１０−７０％である、請求項２に記載の金属ガスケットの製造方法。
4. 前記冷間圧延率の範囲は、３０−４０％である、請求項３に記載の金属ガスケットの製造方法。
5. 前記ガスケットシートを形成するステップは、前記焼きなましされたシートに、冷間加工を施す前記ステップの後に、析出硬化処理を施すステップをさらに含み、前記析出硬化処理を施した組織の硬度は、前記析出硬化処理を施す前の前記冷間加工組織の硬度よりも大きい、請求項１に記載の金属ガスケットの製造方法。
6. エンボス加工された金属ガスケットを製造する方法であって、
   鉄ニッケルクロム合金の焼なましされたシートを形成するステップと、
   前記焼きなましされたシートに冷間加工を施して、ガスケットシートを形成するステップと、
   前記ガスケットシートにエンボス加工を施して、少なくとも１つの封止ビードを有する金属ガスケットを形成するステップとを含み、
   前記鉄ニッケルクロム合金は、
   重量にして、１８−２２％のＮｉと、１８−２２％のＣｒと、０．１−０．７５％のＣｕと、０−１．００％のＳｉと、０−１．００％のＭｎと、０．１−０．６０％のＴｉと、０．１−０．６０％のＡｌと、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、残部Ｆｅおよび不可避不純物とからなり、
   前記ガスケットシートは、室温で測定した引張強度が１０００ＭＰａ以上で、５％と２５％との間の伸び率を有し、
   前記ガスケットシートは、方向性粒子構造を有する冷間加工組織を有し、エンボス加工後の熱処理を行なうことなく形成される変形した冷間加工組織を有する、金属ガスケットの製造方法。
7. エンボス加工された金属ガスケットを製造する方法であって、
   鉄ニッケルクロム合金の焼なましされたシートを形成するステップと、
   前記焼きなましされたシートに冷間加工を施して、ガスケットシートを形成するステップと、
   前記ガスケットシートにエンボス加工を施して、少なくとも１つの封止ビードを有する金属ガスケットを形成するステップとを含み、
   前記鉄ニッケルクロム合金は、
   重量にして、２６．０−２８．０％のＮｉと、２０．５−２３．０％のＣｒと、６．５０−８．００％のＭｏと、０．５０−１．５０％のＣｕと、０−０．０５％のＳｉと、０−３．００％のＭｎと、０−０．０２％のＣと、０−０．０１％のＳと、０−０．０３％のＰと、０．３０−０．４０％のＮと、残部Ｆｅおよび不可避不純物とからなり、
   前記ガスケットシートは、室温で測定した引張強度が１０００ＭＰａ以上で、５％と２５％との間の伸び率を有し、
   前記ガスケットシートは、方向性粒子構造を有する冷間加工組織を有し、エンボス加工後の熱処理を行なうことなく形成される変形した冷間加工組織を有する、金属ガスケットの製造方法。
8. エンボス加工された金属ガスケットを製造する方法であって、
   鉄ニッケルクロム合金の焼なましされたシートを形成するステップと、
   前記焼きなましされたシートに冷間加工を施して、ガスケットシートを形成するステップと、
   前記ガスケットシートにエンボス加工を施して、少なくとも１つの封止ビードを有する金属ガスケットを形成するステップとを含み、
   前記鉄ニッケルクロム合金は、
   重量にして、５０．００−５５．００％のＮｉと、１７．００−２１．００％のＣｒと、２．８０−３．３０％のＭｏと、０．１−０．１５％のＣｕと、０−０．３５％のＳｉと、０−０．３５％のＭｎと、０．６５−１．１５％のＴｉと、０．３５−０．８０％のＡｌと、０．００１−０．００６％のＢと、０．１−１．００％のＣｏと、４．７５−５．５％のＮｂまたはＴａの総量と、０−０．０８％のＣと、０−０．０１５％のＳと、０−０．０１５％のＰと、残部Ｆｅおよび不可避不純物とからなり、
   前記ガスケットシートは、室温で測定した引張強度が１０００ＭＰａ以上で、５％と２５％との間の伸び率を有し、
   前記ガスケットシートは、方向性粒子構造を有する冷間加工組織を有し、エンボス加工後の熱処理を行なうことなく形成される、金属ガスケットの製造方法。
9. 前記焼きなましされたシートに冷間加工を施して、ガスケットシートを形成する前記ステップは、前記焼なましされたシートを冷間圧延して、変形の度合いが冷間圧延率の関数として変化する冷間圧延された金属組織を生成するステップを含む、請求項８に記載の金属ガスケットの製造方法。
10. 前記冷間圧延率の範囲は、１０−７０％である、請求項９に記載の金属ガスケットの製造方法。
11. 前記冷間圧延率の範囲は、３０−４０％である、請求項９に記載の金属ガスケットの製造方法。
12. 前記ガスケットシートを形成するステップは、前記焼きなましされたシートに、冷間加工を施す前記ステップの後に、析出硬化熱処理を施すステップをさらに含み、析出硬化処理を施した組織の硬度は、析出硬化処理を施す前の冷間加工組織の硬度よりも大きい、請求項８に記載の金属ガスケットの製造方法。