JPH073366A - 副室式ディーゼルエンジン用インサート及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 副室式ディーゼルエンジン用インサートの噴
口周縁部全域に、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、耐久性の向上を図ったインサート及び
その製造方法。 【構成】 インサート噴口周縁部全域に、重量％で、Ｃ
−0.２％以下、Si−1.０％以下、Mn−1.０％以下、Cr−
１５〜２５％、Mo−1.５〜6.０％、Fe−１５〜３０％、
Al−0.４〜1.５％、Ｗ−2.０〜6.０％、Nb−0.５〜2.０
％、La−0.００５〜0.０２０％、Ce−0.００５〜0.０２
０％、及び、残部がNi及び不可避不純物よりなる合金を
肉盛溶接加工する。好ましくは、加工後１０００〜１２
５０℃で固溶化熱処理を行い、７００〜８００℃で時効
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、耐熱合金層を設けた複合とすることによ
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
を、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。ピスト
ン１の圧力により、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共
に、渦流室６内に高圧の強い渦流を生ずる。この渦流中
に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、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。

【０００３】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、ステンレス鋼
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。
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られ
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おさえる構造、材質
が要求されている。これらの問題点を解決する目的で、
インサートの温度の低い部位を低膨張の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
たインサートが提案されている。（特願平３−１０１７
８６号、平成３年４月８日）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。

【０００４】

【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。

【０００５】

【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−1.５〜6.０％、Fe−１５〜３０％、Al
−0.４〜1.５％、Ｗ−2.０〜6.０％、Nb−0.５〜2.０
％、La−0.００５〜0.０２０％、Ce−0.００５〜0.０２
０％、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。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。

【０００６】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は肉盛溶接性も悪化させ
るため、上限を0.２重量％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％
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で付与しており、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。本発明のようにＷが共存する場合、1.５重量
％以下では効果が少なく、6.０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、1.５〜6.０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と併用するとより効果がある。2.
０重量％以下では、効果がなく、6.０重量％を越えると
靭性の低下、耐酸化性の低下となるため、その含有量を
2.０〜6.０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、１５〜３０重量％の範囲とし
た。 Al：Alは、Ni₃(Al) を形成し高温強度を改善する元素で
あるが、少なすぎると効果はなく、また多く含有しても
効果がないばかりではなく、肉盛性の悪化、肉盛層中の
酸化物の発生量が多くなるため、0.４〜1.５重量％の範
囲とした。 Nb：Nbは、Alと同様、Niと結び付いて、高温強化するγ
を形成するが、Ni₃(Al）のAlの一部をNbで置換すること
により、より高温強度が改善される。少なすぎると効果
がなく、多すぎても効果が上がらないばかりでなく、肉
盛性が悪化するため、0.５〜2.０重量％の範囲とした。 La：Laは、微量添加することで、高温での伸び及び絞り
を向上させる元素であるが、0.００５重量％以下では、
効果が少なく、0.０２０％以上添加しても効果が上がら
ないことから、0.００５〜0.０２０重量％の範囲とし
た。 Ce：Ceは、Laと同様微量添加することで、高温での伸び
及び絞りを向上する元素であるが、0.００５重量％以下
では、効果が少なく、0.０２０％以上添加しても効果が
上がらないことから、0.００５〜0.０２０重量％の範囲
とした。

【０００７】本発明による、合金層は、噴口周縁部全域
に設けるのが好ましいが、該噴口部の上部または、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。
更に、本発明は鍛造加工後１０００〜１２５０℃で保持
後急冷する固溶化熱処理と、７００〜８００℃で保持後
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。

【０００８】

【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、Ａ
２、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。

【０００９】

【表１】

【００１０】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のカップ状部分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を形成するため、プラズマ粉体肉盛
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。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。

【００１１】

【表２】

【００１２】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。

【００１３】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。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。

【００１４】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１０００℃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
２３、２４の長さを測定して、その長さの最大値と合計
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。２００回時点での亀裂の長さを
表３に、又、４００回時点での亀裂の長さを表４に示
す。

【００１５】

【表３】

【００１６】

【表４】

【００１７】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。

【００１８】

【実施例２】本発明合金の効果について、本発明合金と
比較材についてプラズマ肉盛法で図１３に示す形状のＳ
ＵＳ４０３の板に肉盛溶接を行い、肉盛部から、図１４
に示す引張試験片を作り、室温及び高温で引張試験を実
施した。尚、引張試験片の化学組成は、表５に示す。表
５の試料は全て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を
行った。室温、５００℃及び８００℃での引張試験結果
を表６に示す。

【００１９】

【表５】

【００２０】

【表６】

【００２１】本発明合金は、室温でも良好な伸び、絞り
を示し、従来材と同等の鍛造性を示し、更に亀裂進展に
影響を及ぼす５００℃、８００℃の高温特性において
も、比較材と同等の強度を持ち、伸び、絞り特性は、更
に向上している。

【００２２】

【実施例３】本発明合金の効果について、本発明合金と
比較材についてプラズマ肉盛法で図１５に示す形状のＳ
ＵＳ４０３の合金に肉盛溶接を行い、肉盛部１０から図
１６に示す酸化試験片２８を作り、１０００℃で２０Hr
加熱した時の酸化増量を測定する酸化試験を実施した。
尚、酸化試験片の化学組成は、表７に示す。表７の試料
は全て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を行ってあ
る。酸化試験結果を表８に示す。

【００２３】

【表７】

【００２４】

【表８】

【００２５】本発明合金は、１０００℃における酸化試
験において、従来材より酸化増量が少なく、耐酸化性
が、更に向上している。

【００２６】

【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一例を示
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
す概略図である。

【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】亀裂の発生状況を示す底面図である。

【図１３】引張試験用板にプラズマ肉盛法で、肉盛溶接
を行った図である。

【図１４】図１３の肉盛部から作成した引張試験片の図
である。

【図１５】インサート本体にプラズマ肉盛法で肉盛溶接
した肉盛部を示す縦断面図である。

【図１６】図１５の肉盛部から作成した酸化試験片の図
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 １０ 肉盛溶接層 １３ ポジショナー １４ 治具 ２０ 保持具 ２１ バーナー ２３，２４ 亀裂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 友保 孝敏 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100−１ 株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹状に成形された本体の底部外面が、主
   燃焼室に臨み、かつ底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底部を貫通して設け
   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−1.５〜6.０％、Fe−
   １５〜３０％、Al−0.４〜1.５％、Ｗ−2.０〜6.０％、
   Nb−0.５〜2.０％、La−0.００５〜0.０２０％、Ce−0.
   ００５〜0.０２０％、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。
2. 【請求項２】 鍛造加工後、１０００〜１２５０℃で固
   溶化熱処理を行い、７００〜８００℃時効処理を行った
   ことを特徴とする、前記請求項１記載のインサートの製
   造方法。