─ 92 ─ 〔新 日 鉄 住 金 技 報 第 396 号〕 (2013) 1. 緒 言 自動車エンジンは,シリンダヘッド(以下,ヘッド)と シリンダブロック(以下,ブロック)に分割されている。ヘッ ドとブロックの間には,シリンダヘッドガスケット(以下, ガスケット)が挿入され,高圧の燃焼ガスや冷却水等の内 部流体の漏出を防止している。1990 年代以前は,アスベス トが主に使用されていた。しかし,近年,機能性,耐久性 に優れるステンレス鋼が,内部流体の漏れ防止のため表面 に薄いゴムをコーティングされ適用されている。 ガスケットを含むエンジンの構造を図1 に示す。ガスケッ トは一般に薄板数枚で構成されており,燃焼室の周囲には ビードと呼ばれる凸部がプレス成形され,その反発力によ り内部流体を分離,密閉している。このため,その素材に は高い強度と優れた加工性を両立する準安定オーステナイ ト系ステンレス鋼が適用される。これらの鋼は加工誘起マ ルテンサイト変態をともなう大きな硬化を特徴とし,一般 に冷間圧延により板厚 0.2 mm 前後にて機械的性質を調整 (調質圧延)した状態で使用される 1-3) 。 ガスケットのビードに作用する応力を図2に示す。ガス ケットは,図1のようにエンジンへの組み込み(非燃焼) 時にはヘッドとブロックの間に挟まれ,上下からボルトに て締め込まれる。このため,ビード裾部などに局部的に高 い引張応力が発生する。エンジンの燃焼時にはヘッドが持 技術論文 シリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼薄板の開発 Development of Stainless Steel Sheets for Cylinder Head Gasket 安 達 和 彦 * 中 山 英 介 渋 谷 将 行 福 村 雄 一 Kazuhiko ADACHI Eisuke NAKAYAMA Masayuki SHIBUYA Yuichi FUKUMURA 藤 澤 一 芳 栗 田 篤 Kazuyoshi FUJISAWA Atsushi KURITA 抄 録 環境問題に対応し,自動車に広く適用可能な高性能ガスケット用ステンレス鋼板の開発,実用化を推 進中である。実用化に成功した微細粒準安定オーステナイト系ステンレス鋼である “NSSMC-NAR-301L HS1(HS1) ”,窒素吸収を活用した超微細粒鋼 “NSSMC-NAR-301L HSX(HSX) ”,経済的なマルテンサ イト系ステンレス鋼を適用した “NSSMC-NAR-403 2D-Q(2D-Q) ” について紹介した。(1)HS1は結晶 粒径 1.5 ~ 2μm を達成し,従来の SUS301 と比較して疲労強度を 30%以上向上した。(2)HSX は窒 素吸収により表層部での結晶粒径 1.2μm というさらなる微細化を達成し,高燃焼圧化に対応する時効硬 化とともに,HS1 に対して疲労強度をさらに 20%向上した。(3)2D-Q は二相域焼き入れにより結晶粒 径 10μm 程度を維持し,SUS304 調質圧延材に対して引張特性の異方性を低減した。 Abstract Stainless steels with high strength and high fatigue strength for cylinder head gasket were de- veloped to contribute to development of conventional automobiles and improvement of environment. In this paper, practicable steels were presented, fine grained metastable austenitic stainless steel “NSSMC-NAR-301L HS1 (HS1)” , ultra-fine grained metastable austenitic stainless steel “NSSMC- NAR-301L HSX (HSX)” by nitrogen absorption treatment, and economical martensitic stainless steel “NAR-403 2D-Q (2D-Q)”. (1) HS1 has average grain diameter within 1.5~2.0 μm. The fatigue strength of HS1 is improved more than 30% as compared to one of conventional steel (SUS301). (2) HSX has average grain diameter within 1.2 μm near surface. The fatigue strength of HSX is improved around 20% as compared to one of HS1, with improvement of age hardening for increment of combustion pressure. (3) 2D-Q have average grain diameter around 10 μm after quenching from dual-phase area at high temperature. The anisotropy of tensile properties in 2D-Q is improved as compared to one of temper rolled SUS304. * 鉄鋼研究所 チタン・特殊ステンレス研究部 主幹研究員 博士(工学) 新潟県上越市港町 2-12-1 〒 942-8510 UDC 669 . 14 . 018 . 8 - 416 : 62 - 224
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AbstractStainless steels with high strength and high fatigue strength for cylinder head gasket were de-
veloped to contribute to development of conventional automobiles and improvement of environment. In this paper, practicable steels were presented, fine grained metastable austenitic stainless steel “NSSMC-NAR-301L HS1 (HS1)” , ultra-fine grained metastable austenitic stainless steel “NSSMC-NAR-301L HSX (HSX)” by nitrogen absorption treatment, and economical martensitic stainless steel “NAR-403 2D-Q (2D-Q)”. (1) HS1 has average grain diameter within 1.5~2.0 μm. The fatigue strength of HS1 is improved more than 30% as compared to one of conventional steel (SUS301). (2) HSX has average grain diameter within 1.2 μm near surface. The fatigue strength of HSX is improved around 20% as compared to one of HS1, with improvement of age hardening for increment of combustion pressure. (3) 2D-Q have average grain diameter around 10 μm after quenching from dual-phase area at high temperature. The anisotropy of tensile properties in 2D-Q is improved as compared to one of temper rolled SUS304.
実施されるのが一般的であり,例えば曲げ負荷の疲労試験方法は JIS Z 2275 “ 金属平板の平面曲げ疲れ試験方法 ”に規定されている。しかし,平滑な試験片では,ビード成形によって表面に発生するミクロクラックの影響を評価することができない。また,ビード成形した試験片を用いても,単純な軸力負荷もしくは曲げ負荷では,ヘッドとブロックに挟まれて負荷される実エンジンの力学状態を模擬することは困難である 3)。そこで,ガスケットとしての疲労強度を適正に評価するために,素材となるステンレス鋼板に実際のガスケットを模擬した円環状のビードを成形した後,図14に示した実際のエンジンの動作環境に対応した繰返し負荷を付与する評価方法を検討した。疲労試験片の形状寸法を図15に示す。円板状に加工した後,中心に燃焼室を想定した穴加工を施してその周囲に高さ 0.1 mmの円環状のビードを成形した。所定の金型でビードを成形した後,試験初期の圧縮で大きな塑性変形を生じないよう,試験前に一度圧縮して形状を整えている。疲労試験には,電気油圧サーボ疲労試験機を使用した。写真4に,試験機の外観と試験治具の構造を示す。試験片を下側の試験治具上で位置決めし,外周部を固定した後,