JPH0925822A

JPH0925822A - 副室式ディーゼルエンジン用インサート材料

Info

Publication number: JPH0925822A
Application number: JP7197132A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kawakami; 雄士川上; Satoshi Kurihara; 諭史栗原
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1995-07-11
Publication date: 1997-01-28

Abstract

(57)【要約】【発明の名称】副室式ディーゼルエンジン用インサー
ト材料【目的】従来、提案されている耐熱性超合金を複合化
したインサートに比べ、より低廉で、且つ耐熱疲労性、
耐高温酸化性、耐高温腐食性、耐変形性に優れ、耐久性
の向上が図られているインサートを提供する。【構成】炭素0.０１〜0.０５重量％、珪素0.３〜1.２
重量％、マンガン0.２〜0.７重量％、クロム１７〜２２
重量％、ニオブ0.８〜2.０重量％、ジルコニウム0.５〜
1.５重量％、残部が鉄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材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、副室（渦流室）式ディ
ーゼルエンジン用インサート材料の改良、更に詳しく
は、副室式ディーゼルエンジン用インサート材料の、耐
熱疲労性、耐高温酸化性、耐高温腐食性、耐変形性に優
れたフェライト鋼を用いることで、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
単にインサートと記す）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とシリンダーボア２によ
り画定される主燃焼室３を、シリンダーヘッド４に装着
したインサート５の渦流室６に、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とグロ
ープラグ９を設けている。

【０００３】ピストン１の上昇行程時の主燃焼室３内の
高圧力により、主燃焼室３から渦流室６へ空気が流入
し、流入した空気が、断熱圧縮により高温になるととも
に、渦流室６内に高圧の強い渦流を生ずる。この渦流中
にノズル８により燃料を噴射させると、燃料は、霧化し
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に押し出されて、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、インベストメント鋳造
法、切削加工法、鋳造法、鍛造法等で作られ、耐熱性が
要求されるので、ＳＵＨ３、ＳＵＨ６１６などのマルテ
ンサイト系耐熱鋼、ＮＩＭＯＮＩＣ８０Ａ、ＬＣＮ−１
５５、ＳＵＳ３１０Ｓ等のオーステナイト系耐熱鋼、ス
テンレス鋼等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
回転等の要求が高まり、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。特に、マルテンサイト系耐熱鋼では、耐酸化性が
低く、インサートの使用温度が変態点以上の温度域にな
ると、組織が不安定であり、その高温特性が著しく変化
する問題がある。オーステナイト系耐熱鋼では、高温強
度が高く、高温での組織が安定ではあるが、その熱膨張
率が大きいことから加熱冷却による亀裂が生じやすく、
シリンダーヘッドへの負荷が増し、シリンダーヘッドの
亀裂発生に至ることがある。また、従来のフェライト系
材料では、高温強度が低く、高温度域での変形が大きく
インサートとしての形状を保つことができない等の問題
点があった。以上の点から、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、シリンダーヘッドなどに影響を及ぼす熱へ
たり、嵌合部の膨張収縮によるシリンダーヘッドの剛性
低下等を最小に抑える構造、材質が要求されている。

【０００５】これらの目的でインサートの温度の低い部
位を低熱膨張のＳＵＳ４０３等の安価な耐熱鋼で構成
し、温度の高い噴口周縁部を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が提案
されている（特開平５−９３２３６号公報参照）。しか
しながら、これらの提案の材料は、高価なもので、製作
時の工程数も多く、つまり、インサート本体の値段が高
価となり、広く普及するには至らない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の提案さ
れている耐熱性超合金を複合化したインサートに比べ、
より低廉で且つ耐熱疲労性、耐高温酸化性、耐高温腐食
性、耐変形性に優れ、耐久性の向上が図られているイン
サートを提供することを課題とする。

【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、炭素0.０１〜0.０５重量％、珪素0.３
〜1.２重量％、マンガン0.２〜0.７重量％、クロム１７
〜２２重量％、ニオブ0.８〜2.０重量％、ジルコニウム
0.５〜1.５重量％、残部が鉄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材料を用いるも
のである。以下、本発明を構成する耐熱合金の各成分に
ついて説明する。

【０００８】炭素（Ｃ）のFe−Cr合金のフェライト相へ
の固溶度はきわめて低く、９００℃以下では0.０１％程
度である。フェライト相へ固溶できないＣは、M₂₃C₆の
炭化物を形成する。通常のFe−Cr−Ｃ系の材料では、Ｃ
は鋼中のCrと炭化物を生成し、基地組織（フェライト）
中のCr濃度を低下させ、高温における耐酸化性、耐食性
を劣化させる作用を有しており、低いほど望ましく、そ
の上限を0.０５重量％、その下限を0.０１重量％とす
る。

【０００９】珪素（Si) は、強力なフェライト生成元素
であり、一般に引っ張り強さ、弾性限を増加させる一方
靭性をわずかに減少させる。また、耐酸化性の面では非
晶質のFe₂SiO₄、SiO₂皮膜をCr₂O₃下に形成し、皮膜の
密着性を向上させる。Si量0.３重量％未満の鋼種では、
耐酸化性向上の効果が少ないため、最低量を0.３重量％
とした。Si量1.２重量％を越える鋼種では、使用時の耐
亀裂性の問題があり上限を1.２重量％とした。以上の理
由から珪素含有量は、0.３から1.２重量％の範囲とす
る。

【００１０】マンガン（Mn）は、鋼中の脱酸、脱硫材と
しての作用を持つため不可避な元素である一方、オース
テナイト安定化元素であり、変態点を低下させる。ま
た、酸化皮膜のはがれを起こしやすくさせ、耐酸化性を
劣化させるので耐酸化性を重視する鋼種には上限値を設
定する必要がある。Mnの上限については製鋼上の制約も
あり0.２〜0.７重量％とする。

【００１１】ニオブ（Nb) は強力な炭化物生成元素であ
り、余剰Ｃの固定の目的で添加する。前述のように、余
剰Ｃが鋼中のCrと炭化物を生成し、基地中のCr濃度を低
下させ高温での耐酸化性、耐食性を劣化させることを避
けるためCrよりも炭化物生成自由エネルギーの低いNb・
Zrを添加し優先的にこれら元素との炭化物を生成させ、
Ｃを固定し基地中のCr濃度の低下を押さえている。低Ｃ
領域で生成するNb炭化物をNb₂C（6.０７重量％Ｃ）１０
０重量％と仮定すると、最大Ｃ量を固定するに充分なNb
量は0.８重量％であり、これ以上の添加が必要である。
生成したNb炭化物は基地組織内に分布して強さを高める
が、さらに過剰なNbの添加は高温における強さを低下さ
せる為、上限値を2.０重量％とする。以上の理由から、
ニオブの含有量は、0.８から2.０重量％の範囲とする。

【００１２】ジルコニウム（Zr) は、Nbと同様に強力な
炭化物生成元素であり、強力な清浄作用と結晶粒微細化
作用により鋼の機械的性質を改善する。本開発鋼でのZr
の役割はＣ量固定の目的と、Cr−Nb−Zrの金属間化合物
を基地中に析出させフェライト基地の高温での強度を向
上させることである。Zrの添加量0.５重量％未満では、
十分な析出強化が得られず、添加量が1.５重量％を越え
ると、Zr単体で基地組織中に晶出し亀裂の起点となり得
るためこれを上限の値とする。以上の理由からジルコニ
ウムの含有量は、0.５〜1.５重量％の範囲とする。

【００１３】クロム（Cr) は、高温での耐酸化性、耐食
性を改善する作用を有する。安定した耐酸化性を得るに
は２０重量％以上の有効Cr当量が必要である。有効Cr当
量の計算式（１）を今回影響がある元素についてのみ抜
粋したものを示す。有効Cr当量＝wt％Cr＋2.09wt％Si＋4.86wt％Nb−7.14wt％ C−1.89wt％Mn (1) 各元素の添加量を有効Cr当量に対する下限値（Si＝0.３
重量％、Nb＝0.８重量％、Ｃ＝0.０５重量％、Mn＝0.７
重量％）として代入すると有効Cr当量が２０重量％以上
になるためにCr添加量１７重量％以上が必要である。ま
た、Crが２２重量％を越えると、常温での硬さが増し、
鍛造性が著しく悪くなる。以上の理由からクロムの含有
量は、１７〜２２重量％の範囲とする。尚、計算式
（１）の詳細は、長谷川正義監修「ステンレス便覧」
（日刊工業新聞社発行）第４８頁を参照されたい。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。

【００１４】

【実施例】表１に示す組成の本発明鋼Ａ１、Ａ２、Ａ３
と、比較用として従来の合金Ｂ１、Ｂ２を用いて図２及
び図３に示すインサート本体５を作った。

【００１５】

【表１】

【００１６】インサートの製造方法について述べる。表
１に示す化学組成の合金を高周波誘導炉で溶製して５０
kgの鋳塊とし、通常の鍛造、圧延、旋削、焼鈍の工程を
経て直径２５mmの丸棒とした。これらから熱膨張係数測
定試験片、酸化試験片等を採取するほか、所定の長さに
切断して通例の冷温間鍛造によって成形し、噴口７を削
製して図２及び図３に示す渦流室６付きのインサート５
とした。比較用として用いる従来合金Ｂ１も同様の方法
によって製作した。比較用として用いる従来合金Ｂ２
は、ＳＵＳ４０３からなるインサート本体を、機械加工
あるいは鍛造によりカップ状に形成し、カップ状部分に
表１に示すＢ２成分からなる耐熱合金層をプラズマ粉体
肉盛り溶接装置により肉盛り溶接を行うことによって製
作した。

【００１７】本発明鋼を用いたインサートの性能を確認
するために、熱膨張係数の測定、大気中での酸化増量の
測定、熱疲労試験を実施した。熱膨張係数測定の結果を
表２に、大気中での酸化増量の測定結果を表３に示す。
熱膨張係数は、比較例に比べ格段に小さく、インサート
として使用時の熱負荷が小さくなる。酸化増量は、低い
レベルである。

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】熱疲労試験に用いた試験装置を図４に示
す。本熱疲労試験機は、試験装置１０に取り付けられた
図５に示す保持具１１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１２で約１０００℃に加熱し
た後、試験装置１０を回転させ、インサートを水噴霧装
置１３の上に移動して約４０℃まで水冷した後空冷す
る。図６に示す加熱冷却サイクルを４００回繰り返した
後、図７に示すような噴口周縁部に発生した亀裂１４、
１５の長さを測定して、亀裂長さの最大値と亀裂長さの
合計で耐熱疲労性を判定した。なお、２００回時点での
亀裂長さも同様に測定し比較した。２００回時点での亀
裂長さを表４に、また、４００回時点での亀裂長さを表
５に示す。本発明鋼を用いたインサートは、明確に亀裂
長さが短くなっており、効果は、顕著に現れる。

【００２１】

【表４】

【００２２】

【表５】

【００２３】

【発明の効果】本発明のインサートは、従来に比較し
て、安価で、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
造の概略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の底面図である。

【図４】熱疲労試験機の概略図である。

【図５】熱疲労試験機の試験片保持具と試験方法を示す
概略図である。

【図６】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７】亀裂の発生状況を示す底面図である。

【符号の説明】

１ピストン３主燃焼室５インサート６渦流室７噴口１１保持具１２バーナー１３冷却治具１４、１５亀裂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素0.０１〜0.０５重量％、珪素0.３〜
1.２重量％、マンガン0.２〜0.７重量％、クロム１７〜
２２重量％、ニオブ0.８〜2.０重量％、ジルコニウム0.
５〜1.５重量％、残部が鉄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材料。