JPH06145855A

JPH06145855A - 副室式ディーゼルエンジン用インサート

Info

Publication number: JPH06145855A
Application number: JP4323786A
Authority: JP
Inventors: Toru Konuki; 亨小貫
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1992-11-10
Filing date: 1992-11-10
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高温、高圧のガス高速通過による高温損傷に
耐える合金層を、高負荷副室式ディーゼルエンジン用の
インサート噴口部周縁部全域に設けることにより、従来
にない更に優れた耐久性をもつインサートを提供する。【構成】インサートの噴口周縁部全域に、重量％で、
Ｃ、0.２％以下；Si、1.０％以下；Mn、1.０％以下;Cr
、１５〜２５％；Mo、4.０〜１０％；Fe、１０〜３５
％；Ｗ、１0.５〜１６％及び残部がNi及び不可避的不純
物よりなる合金層を肉盛溶接して、該合金層を噴口部周
縁全域に設ける。又該合金層加工後、固溶化熱処理及び
時効処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、副室（渦流）式ディー
ゼルエンジン用インサートの改良、更に詳しくは、副室
式ディーゼルエンジン用インサートの噴口の周縁部全域
に、耐熱疲労性、耐高温酸化性、耐高温腐食性、耐変形
性に優れた、耐熱合金層を設けて耐熱構造とすることに
より、耐久性の向上が図られている副室式ディーゼルエ
ンジン用インサート（以下インサートと記す）に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図１に示すように、副室式ディーゼルエ
ンジン燃焼室では、ピストン１とシリンダボア２とシリ
ンダヘッド４に装着したインサート５の渦流室６とイン
サート５の噴口７を介して連通させ、渦流室６に燃料噴
射ノズル８と予燃焼栓９を設けている。

【０００３】ピストン１の圧力の終期に、主燃焼室３か
ら空気を押し込み、渦流室６内に高圧の強い渦流を作
る。この渦流中に燃料を噴射させると、燃料は微粒化し
つつ気化し、空気（渦流）と混合して着火する。燃焼が
開始されると、渦流室６内の内圧は更に高圧となり、噴
口７を介して主燃焼室３に押し出され、主燃焼室３内の
空気も含めて２次的混合と燃焼を進行させ、ピストン１
の上面に高圧を作用させて膨張工程に有効な仕事を取り
出している。このように、インサート５は副室（渦流
室）式ディーゼルエンジンに欠かせないものである。

【０００４】金属インサートは、ロストワックス鋳造
法、切削加工法、鋳造法等で作られ、耐熱性が要求され
るので、ＳＵＨ３．ＳＵＨ１６などのマルテンサイト系
耐熱鋼、ＮＩＭＯＮＩＣ８０Ａ、ＬＣＮ−１５５，ＳＵ
Ｓ３１０Ｓ等のオーステナイト系耐熱鋼、ステンレスは
がねなどが材料として使用されている。しかしながら、
ディーゼルエンジンの小型化、熱効率の向上、高速回転
などの要求がたかまり、加えて排ガス規制によりＥＧＲ
率が高まるなどで、渦流室の圧力、熱負荷が大となって
いる。この為噴口は高温高圧のガスが高速で通過するよ
うになり噴口周縁部は、局部的に高温となり、損傷が著
しく、上記の材料では高負荷のエンジンの使用に耐えな
くなっている。更にエンジン全体の負荷が上昇すること
により、ヘッドガスケットからの燃焼ガスのリーク、シ
リンダーヘッドの亀裂等の発生も予想され、インサート
に要求される性能として自身が損傷を起こさないばかり
でなく、ヘッドガスケット、シリンダーヘッド等に悪影
響を及ぼす、熱へたり、嵌合部の膨張収縮による、シリ
ンダーヘッドの剛性低下等を最小に押させる構造、材質
が要求されている。

【０００５】これらの問題点を解決する目的で、温度の
低いインサート本体を低膨張のＳＵＳ４０３等の安価な
耐熱鋼で構成し、温度の高い噴口部周縁部をNi基、Co基
の耐熱超合金を粉体プラズマ肉盛法で複合化したインサ
ートを提案した（特願平3-101786号) 。しかしながら、
これら提案の材料も、最近の負荷の高いエンジンでは、
亀裂、酸化の問題が発生している。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は、従来提案
されている合金より、更に高温、高圧のガスの高速通過
による高温損傷に耐える合金層を高負荷エンジンのイン
サート噴口周縁部全域に設けることにより、更に優れた
耐久性を持つインサートを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、インサート本体をＳＵＳ４０３等のマ
ルテンサイト系の耐熱合金を用いて形成し、少なくとも
一方の噴口周縁部、又は噴口全域に機械加工性及び耐高
温酸化、耐高温腐食、耐熱疲労性に優れた本発明のＣ、
0.２％以下；Si、1.０％以下；Mn、1.０％以下；Cr、１
５〜２５％；Mo、4.０〜１０％；Fe、１０〜３５％；
Ｗ、１0.５〜１６％及び残部が、Ni及び不可避不純物よ
りなる、耐熱合金層（以下合金Ａ層と記す）を設けたも
のである。

【０００８】次に本発明による、耐熱合金の成分範囲
（重量％）の限定理由について述べる。Ｃ：Ｃは、Cr等と結合して、炭化物を形成し靭性の劣
化、及び炭化物形成による硬度上昇により機械加工性が
悪くなる。更にＣが高いと肉盛溶接性も悪化する為、上
限を0.２重量％以下とした。 Si：Siは、耐酸化性を向上させるが、多すぎると脆化す
るとともに耐熱衝撃性が、低下する。本発明では、耐酸
化性は、基本的にCrで付与してあるため、上限を1.０重
量％以下とした。 Mn：Mnはオーステナイト形成元素であるが、安定オース
テナイトは基本的にNiで付与してあり、又多すぎると耐
酸化性が悪化する。厳しく規制すると経済的でないの
で、1.０重量％以下とした。 Cr：Crは耐高温酸化性を決定づける成分であり、１５重
量％以下では十分な耐高温酸化性は得られず、一方２５
重量％を越えて含有しても、耐高温酸化性の向上は顕著
ではないばかりか、靭性、伸びの低下があることから、
１５〜２５重量％の範囲とした。 Mo：Moはオーステナイト基地中に固溶して、強化する効
果がある。本発明は、固溶強化としＷも付与しているた
め、4.０重量％以下では効果が少なく、１０重量％をこ
えて含有させると、靭性の低下、耐酸化性の低下となる
ため、その含有量を、4.０〜１０重量％の範囲とした。Ｗ：Ｗは、Mo同様オーステナイト基地中に固溶して、強
化する効果があり、Moと併用することより効果がある。
１0.５重量％以下では十分な効果がなく、１６重量％を
越えると靭性の低下、酸化性の低下となるため、その含
有量を１0.５〜１６重量％の範囲とした。 Fe：Feは、少ないと高温の伸び、絞りが低下し、多過ぎ
ると強度が低下するので、１０〜３５重量％の範囲とし
た。

【０００９】本発明による、合金層は、噴口周縁部全域
に設けるものであるが、該噴口の上部または、下部の一
方の周縁部、あるいは、主室側から、副室側全域にわた
る、噴口全体に設けることも可能であり、これらはイン
サートの被熱温度、熱負荷等によって選択される。

【００１０】更に、本発明は鍛造加工後１０００〜１２
００℃で適当時間保持して急冷する固溶化熱処理と、７
００〜８００℃で、適当時間保持後急冷する時効処理を
組み合わせることで、高温での伸び、絞り特性が良好と
なり、より性能を発揮する。以下本発明の実施例を図面
に基づいて、具体的に説明する。

【００１１】〔実施例１〕図２から図４に示すインサー
ト本体を表１に示す組成の母材ＳＵＳ４０３で形成し、
噴口７の周縁部全域に下記製造方法で本発明の耐熱合金
層Ａ１．Ａ２．Ａ３．Ａ４を設けたインサートと、比較
品として従来の合金Ｂ１．Ｂ２．Ｂ３を設けたものを作
った。

【００１２】

【表１】

【００１３】インサートの製造方法について述べる。図
５に示すようなインサート本体を、機械加工あるいは鍛
造により形成する。図５カップ状部分１０に、本発明の
噴口周縁部を構成する合金で肉盛溶接を行う。カップ状
部分１０に、表１に示す（Ａ１）．（Ａ２）．（Ａ
３）．（Ａ４）．（Ｂ１）．（Ｂ２）．（Ｂ３）の成分
からなる耐熱合金層１０ａを形成するため、プラズマ粉
体肉盛り溶接装置を使用して、肉盛溶接用プラズマ金属
粉末として表２に示す組成を有する合金粉末を使用し
た。表中（Ａ１^,) ・・・（Ｂ３^,)は、各々（Ａ１）
・・・（Ｂ３）の合金層を得るために使用したことを示
している。

【００１４】

【表２】

【００１５】溶接に際して、ＳＵＳ４０３で構成される
インサート本体も溶融するので、粉体組成は、インサー
ト本体の溶融した合金で希釈されるため、溶接で得られ
る肉盛溶接層の組成は、使用された粉末の組成とは、一
致しない。本実施例では、ほぼインサート本体を１５％
溶かしながら、表１の組成の合金層を作り、一部インサ
ート本体の希釈が１５％では目的の組成にならない場合
は、肉盛パウダーの投入量と本体を溶かすバランスを変
えて目的の組成の合金層を得た。もちろん、インサート
本体を形成する材料の組成が変わった場合、及びインサ
ート本体カップ状部分のボリュウムが変化した場合、表
２に示したパウダーの組成では目的とする化学組成の合
金層が得られないことは、いうまでもない。即ち、肉盛
溶接は、インサート本体のカップ状部分１０の底部が、
目的の組成となるように肉盛パウダーの投入量と本体を
溶かすバランスを変えながら行われる。場合によって
は、肉盛した後カップ状部分の底部を削って、目的の組
成にすることも可能である。

【００１６】使用したプラズマ肉盛装置及び溶接法は以
下の通りである。図６は、使用した溶接装置の概略図で
あり、プラズマトーチ１１を使用し、インサート本体１
２を図７に示すポジショナー１３にのせた治具１４にセ
ットし、インサート１２のカップ状部分１０にプラズマ
肉盛溶接を実施した。溶接に際して、粉末供給とともに
電流を上げ、局部加熱を避けるため、インサートを回転
させプラズマトーチ１１をウィビングさせる。図６で１
５は溶接用粉末合金を、１６はプラズマアークを、１７
は、シールドアークガス供給路を、１８は、冷却水路を
示している。

【００１７】この方法によって得られたものを、鍛造及
び機械加工で図８に示す形状に仕上げ、更に、１１５０
℃で２時間保持後急冷処理の固溶化処理後、７５０℃で
２時間保持後急冷処理の時効処理を行った。

【００１８】この本発明のインサートの性能を確認する
ために、図９に示す熱疲労試験機で熱疲労試験を実施し
た。本熱疲労試験機は、試験装置１９に取り付けられた
図１０に示す保持具２０に、試験片のインサートを固定
して、酸素プロパンバーナー２１で約９５０℃に加熱し
た後、試験装置１９を回転させ、インサートを水噴霧装
置２２の上に移動して約４０℃まで水冷した後、空冷す
る。図１１に示す加熱、冷却サイクルを４００回繰り返
した後、図１２に示す様な噴口周縁部に発生した亀裂２
３、２４の長さを測定して、その長さの合計で耐熱疲労
性を判定した。尚２００回時点での亀裂も同様に測定し
比較した。その結果を表３及び表４に示した。

【００１９】

【表３】

【００２０】

【表４】

【００２１】本発明合金で形成されたインサートは、明
確に亀裂長さが短くなっており、効果は、顕著に認めら
れる。

【００２２】

【発明の効果】本発明のインサートは、従来に比較し
て、より熱負荷の高いエンジンで使用でき、結果とし
て、エンジンの燃焼効率、も改善でき、エンジン性能の
向上ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】副室式ディーゼルエンジンの主燃焼室付近の構
造の概要を示した断面図である。

【図２】本発明に係わる副燃焼室インサートの１例を示
す縦断面図である。

【図３】図２の平面図である。

【図４】図２の底面図である。

【図５】本発明品の肉盛溶接前の状態を示す縦断面図で
ある。

【図６】使用した溶接装置の概略図である。

【図７】インサート本体をポジショナーにセットした図
である。

【図８】熱疲労試験に使用された本発明によるインサー
トの縦断面図である。

【図９】熱疲労試験機の概略図である。

【図１０】熱疲労試験機の試験片保持具と試験方法を示
す概要図である。

【図１１】熱疲労試験機の加熱冷却サイクルを示すグラ
フ図である。

【図１２】亀裂の発生を示す底面図である。

【符号の説明】

５インサート７噴口１０ａ肉盛溶接層１３ポジショナー１４治具２０保持具２１バーナー２２水噴霧装置２３、２４亀裂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹状に成形された本体の低部外面が、主
燃焼室に臨み、かつ低部の内側に渦流室が設けられ、渦
流室から主燃焼室に連通する噴口が低部を貫通して設け
られた副燃焼室インサートにおいて、噴口を形成する部
分が重量％で、Ｃ、0.２％以下；Si、1.０％以下；Mn、
1.０％以下；Cr、１５〜２５％；Mo、4.０〜１０％；F
e、１０〜３５％；Ｗ、１0.５〜１６％及び残部が、Ni
及び不可避不純物よりなる、副室式ディーゼルエンジン
用インサート。
【請求項２】１０００〜１２５０℃での固溶化熱処理
及び７００〜８００℃時効処理を受けた請求項１のイン
サート。