JPH076032B2

JPH076032B2 - 耐熱疲労性に優れた鋳鉄

Info

Publication number: JPH076032B2
Application number: JP17431888A
Authority: JP
Inventors: 正実鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-07-13
Filing date: 1988-07-13
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPH0225540A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、耐熱疲労性に優れた鋳鉄に関する。本発明の
鋳鉄は、特にディーゼルエンジンのシリンダヘッドに利
用できる。

［従来の技術］従来、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの材料に
は、耐熱疲労性およびコストが比較的良好な観点から片
状黒鉛鋳鉄が適用されていた（「鋳鉄の500℃までの諸
性質」第１部、テキスト編P.9、（社）新日本鋳鍛造協
会発行）。この片状黒鉛鋳鉄は、炭素2.6〜3.8重量％
（以下％という）、ケイ素1.12〜2.5％、マンガン0.3〜
0.9％、リン0.3％以下、イオウ0.03〜0.15％、残部鉄よ
りなり、必要に応じてクロム、ニッケル、銅、モリブデ
ン、バナジウム、チタン、すず等の元素が添加される。

［発明が解決しようとする課題］ディーゼルエンジンは、近年、高性能化、高出力化の傾
向が著しく、燃焼室の構成部品の１つであるシリンダヘ
ッドは、従来にも増して熱負荷を受けるようになってき
た。そのため、上記した従来技術の材料では、高熱負荷
に対して熱疲労亀裂に対する耐久性が不足するとい問題
がある。

本発明は、上記観点に鑑みてなされたものであり、耐熱
疲労性に優れた鋳鉄を提供するものである。

［課題を解決するための手段］本発明の耐熱疲労性に優れた鋳鉄は、全体を100％とし
た場合、炭素3.2〜3.7％、ケイ素2.0〜2.4％、マンガン
0.2〜0.8％、リン0.1％以下、イオウ0.1％以下、クロム
0.1〜0.4％、モリブテン0.3〜0.6％、ニッケル0.2〜0.6
％、アンチモン0.02〜0.05％、残部鉄からなることを特
徴とする。すなわち、本発明は、クロム、モリブデン、
ニッケルを添加した片状黒鉛鋳鉄にアンチモンを限定含
有量範囲内でさらに複合添加してやれば、熱疲特性を著
しく向上させることができることを知見して完成された
ものである。このアンチモンは、金属組織的には、片状
黒鉛のまわりに発生する傾向にあるフェライトの発生を
抑制して、基地組織を完全で微細なパーライト（500℃
程度まで安定）にするという作用を有する。これは、ア
ンチモンにより黒鉛まわりの基地が強化されるとともに
一相化されて、熱膨張および熱伝導に起因する内部応力
が抑制されるためと考えられる。

なお、上記パーライト安定化作用は、前記従来技術の片
状黒鉛鋳鉄に添加される銅、およびすずによってもある
程度は期待できるものであるが、後述の［実施例］中で
比較例３、６（銅を添加したもの）および比較例４、７
（すずを添加したもの）として示したように銅およびす
ずによる熱疲労特性向上の効果は小さい。

以下、本発明の各元素の重量比を前記のように限定した
理由を説明する。

（炭素）炭素が3.2％より少ないと引け巣等の鋳造欠陥を生じや
すくなり、一方、3.7％を越えると黒鉛晶出量が過多と
なって強度特性を損う。

（ケイ素）ケイ素が2.0％より少ない溶湯の流動性が劣化して鋳造
性を損い、一方、2.4％を越えると基地組織中にフェラ
イトの析出が多くなり、耐熱疲労性を損う。

（マンガン）マンガンが0.2％より少ないと硫化マンガンの形成が十
分でなく、イオウの有害性を取り除くことができず、一
方、0.8％を越えるとチル化傾向が増して脆弱化する。

（リン）リンは溶解原料から不可避的に混入するが、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％以下とした。

（イオウ）イオウは溶解原料から不可避的に混入するが、多量に混
入すると鋳造凝固過程で高温割れが生じやすく、先述の
マンガン含有量との関係とともに、その影響が無視でき
る程度の0.1％以下とした。

（クロム）クロムは基地パーライトの高温安定化、とくに500℃ま
でのパーライトの分解を阻止するのに有効な元素で、そ
の効果を発揮するには、0.1％以上必要であるが、0.4％
を越えると遊離炭化物が析出して脆弱化するとともに被
削性を著しく害する。

（モリブデン）モリブデンは熱疲労特性を向上させるのに有効な元素
で、その効果を発揮するには0.3％以上必要であるが、
0.6％を越えると引け巣等の鋳造欠陥が生じやすくなる
とともに、遊離炭化物が析出して脆弱化し、さらに被削
性を著しく害する。

（ニッケル）ニッケルはクロム、モリブデンの炭化物形成能を抑制す
る。このため、ニッケルを複合添加することが望まし
く、この効果を発揮するためには、0.2％以上必要であ
るが、0.6％を越えて添加しても、添加量に見合った改
善効果は得られない。

（アンチモン）アンチモンは前記したように熱疲労特性を向上させるの
に有効な元素で、その効果を発揮するには0.02％以上必
要であるが、0.05％を越えるとチル化傾向が増して脆弱
化する。

［実施例］以下、実施例により本発明を説明する。

（第１実施例）第１表に示す組成成分からなる各試験片（実施例１〜３
及び比較例１〜４）を実験室規模で溶製した。すなわ
ち、各組成成分のに材料を50kg高周波溶解炉を用いて大
気溶解し、Fe−Si（75％）合金0.3％で接種を行なった
後、ψ30×300mmの各丸棒鋳造試験材に鋳造し、この各
鋳造試験材からそれぞれ下記に示す標点間距離および標
点間径を有する丸棒試験片を製作した。そして、この各
試験片について熱疲労試験を行った。

この熱疲労試験は、電気−油圧サーボ方式の熱疲労試験
機を用いて、各試験片に対する耐熱疲労性の評価試験を
実施した。なお、評価試験は、標点間距離を15mm、標点
間径をψ8mm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４分とする加熱冷却サイクル（下限温度:50℃、
上限温度:500℃）を繰返し、試験片が完全破壊するまで
の繰返し数によって、各試験片の耐熱疲労性を評価し
た。これらの結果を第１表にあわせて示す。

第１表から明らかな様に、本発明の試験片（実施例１〜
３）は、完全破損までの繰返し数が450回以上であり、
いずれも比較例１〜４の試験片と比べて耐熱疲労性に優
れる。例えば、クロム、モリブデン、ニッケル、及び銅
を合金元素として添加した比較例３の試験片、あるいは
クロム、モリブデン、ニッケル、及びすずを合金元素と
して添加した比較例４の試験片と比較した場合、クロ
ム、モリブデン、ニッケル、及びアンチモンを合金元素
として添加した本発明の試験片（実施例１〜３）は、約
２〜５倍の耐熱疲労性を有することがわかる。

（第２実施例）第２表に示す組成からなる本発明の実施例４〜６及び比
較例５〜７の鋳鉄を用いて高出力ディーゼルエンジンの
シリンダヘッドを製作し、全負荷ないしエンジン停止の
繰返しからなる苛酷耐久試験を実施した。そして、500
時間終了後のシリンダヘッドの熱疲労亀裂状況を第２表
にあわせて示す。

本発明の実施例４〜６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
なかった。一方、比較例５〜７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。

以上の結果から、本発明の実施例４〜６の鋳鉄は、耐熱
疲労性に優れており、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。

［発明の効果］本発明の鋳鉄は、前記所定量の炭素、ケイ素、マンガ
ン、リン、イオウ、クロム、モリブデン、ニッケル、ア
ンチモン、残部鉄からなることを特徴とする。これによ
り、本発明の鋳鉄は耐熱疲労性に優れたものとなった。
また、本発明の鋳鉄を高熱負荷を受けるディーゼルエン
ジンのシリンダヘッド等に適用すれば、耐久性に優れた
製品を得ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全体を100重量％とした場合、炭素3.2〜3.
7重量％、ケイ素2.0〜2.4重量％、マンガン0.2〜0.8重
量％、リン0.1重量％以下、イオウ0.1重量％以下、クロ
ム0.1〜0.4重量％、モリブテン0.3〜0.6重量％、ニッケ
ル0.2〜0.6重量％、アンチモン0.02〜0.05重量％、残部
鉄からなることを特徴とする耐熱疲労性に優れた鋳鉄。