JP6367177B2

JP6367177B2 - シリンダヘッドガスケット及びシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板

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Publication number: JP6367177B2
Application number: JP2015256259A
Authority: JP
Inventors: 鉄夫大日向
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: EP3399217A4; EP3399217A1; MY187202A; CN108474473B; JP2017120098A; KR102096199B1; US10989303B2; US20190003594A1; KR20180090851A; EP3399217B1; CN108474473A; WO2017115717A1

Description

本発明は、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドの接合面の間に挟まれて、シリンダブロックとシリンダヘッドの間をシールする金属製のシリンダヘッドガスケット及びその基板として用いられるシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板に関する。

従来、シリンダブロックとシリンダヘッドとの接合面間に挟持されてシール性を発揮する金属製のガスケット、すなわち、シリンダヘッドガスケットが知られている。

このようなシリンダヘッドガスケットは、接合面の形状に形成されたシール部を有し、シール部にはビードが形成されている。シリンダヘッドガスケットでは、ボルトの締め付けにより、シリンダヘッドガスケットのシール部が、シリンダブロックとシリンダヘッドとで強く挟まれると、シリンダヘッドガスケットのビードに面圧が集中するので、ガスケットのシール部が接合部の二面間に密着し、気密性が高められる。

また、シリンダヘッドガスケットの表面には、ゴム層が形成されている。このゴム層により、シリンダブロック及びシリンダヘッドの接合面の面粗さが吸収されて、シール性が確保されている。

現在のシリンダヘッドガスケットの基板には、ＳＵＳ３０１Ｈ材が一般的に用いられているが、近年、ガスケットの低コスト化が求められている。その手段の一つとして、基材の種類の変更による低コスト化がある。

ＳＵＳ４０３系のステンレス鋼には、価格の高くする要因となるＮｉが含まれていないので、低コスト化を図れる可能性がある。また、Ｎｉによる価格変動の影響を受けないとの利点も有する。そのため、ＳＵＳ４０３系のステンレス鋼のような非ニッケル系ステンレス鋼又はＮｉの含有量が少ない低ニッケル系のステンレス鋼が、低コスト化のための材質として挙げられる。

しかしながら、本発明者らが、ＳＵＳ４０３系等の非ニッケル又は低ニッケルのステンレス鋼を、シリンダヘッドガスケットの基材用の材質として用いることを検討したところ、シール性能の耐久性が低いという問題があることがわかった。

従って、本発明の目的は、非ニッケル又は低ニッケルのステンレス鋼を基材の材質として用いても、シール性能の耐久性が高いシリンダヘッドガスケットを提供することにある。

かかる実情において、本発明者は、鋭意検討を行った結果、ニッケルの含有量を少なくし又はニッケルの含有をなくした場合には、ステンレス鋼の０．２％耐力値を、特定の範囲とすることにより、耐久試験において、ビードをへたり難くすることができるので、非ニッケル又は低ニッケルのステンレス鋼を基材として用いるシリンダヘッドガスケットでありながら、シール性能の耐久性が高いシリンダヘッドガスケットが得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明（１）は、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面の間に挟まれてシリンダヘッドとシリンダブロックの接合部をシールするシリンダヘッドガスケットであり、
金属製の基板と、該基板の両面又は片面に設けられるゴム層と、からなる複合部材を有し、
該基板は、Ｃの含有量が０〜０．１５質量％、Ｓｉの含有量が０〜０．５質量％、Ｍｎの含有量が０〜２．０質量％、Ｃｒの含有量が１１．５〜１３．０質量％、Ｎの含有量が０〜０．５質量％、Ｐの含有量が０〜０．０４０質量％、Ｓの含有量が０〜０．０３０質量、Ｎｉの含有量が０〜０．６質量％であり、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるステンレス鋼からなり、
該基板を形成するステンレス鋼の０．２％耐力が１３００〜１５００ＭＰａであること、
を特徴とするシリンダヘッドガスケットを提供するものである。

また、本発明（２）は、Ｃの含有量が０〜０．１５質量％、Ｓｉの含有量が０〜０．５質量％、Ｍｎの含有量が０〜２．０質量％、Ｃｒの含有量が１１．５〜１３．０質量％、Ｎの含有量が０〜０．５質量％、Ｐの含有量が０〜０．０４０質量％、Ｓの含有量が０〜０．０３０質量、Ｎｉの含有量が０〜０．６質量％であり、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるステンレス鋼からなり、
０．２％耐力が１３００〜１５００ＭＰａであること、
を特徴とするシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板を提供するものである。

本発明によれば、非ニッケル又は低ニッケルのステンレス鋼を基材の材質として用いた、シール性能の耐久性が高いシリンダヘッドガスケットを提供することができる。

本発明のシリンダヘッドガスケットの形態例を示す模式的な平面図である。図１中、Ｘ−Ｘ線で切った端面図である。図２中、ビードの近傍の拡大図である。本発明のシリンダヘッドガスケットの形態例を示す模式的な端面図である。実施例及び比較例のガスケット評価用サンプルの形状を示す図である。

本発明のシリンダヘッドガスケットの形状について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明のシリンダヘッドガスケットの形態例の模式的な平面図である。図２は、図１中、Ｘ−Ｘ線で切った端面図である。図３は、図２のビード近傍の拡大図である。

図１に示すように、シリンダヘッドガスケット１ａは、シリンダボアのボア径より少し径が大きい開口１５を有し、その他の部分は、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面に対応した形状を有している。このシリンダヘッドガスケット１ａでは、開口１５の内側と外側を密閉するために、開口１５を囲むように円形のシール部６が設けられる。

図２に示すように、図１に示すシリンダヘッドガスケット１ａのシール部６の構造は、一つの金属薄板３と、金属薄板３の両面側に配置されている２つの複合部材２と、で構成されている三層構造である。そして、シール部６の複合部材２には、ビード５が形成されている。なお、図１では、ビード５の中心線を一点鎖線で示した。

図３に示すように、複合部材２は、ステンレス鋼製の基板１１と、基板１１の両面に設けられるゴム層１２と、からなる。

シリンダヘッドガスケット１ａは、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面の間に設置されて、シリンダヘッドとシリンダブロックの締め付けにより、接合面の間に強く挟まれると、シール部６のビード５に面圧が集中するので、シリンダヘッドガスケット１ａのシール部６が、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面間に密着する。そして、ビード５が形成されている複合部材２には、両面にゴム層１２が設けられているので、シリンダヘッド及びシリンダブロックの表面粗さがゴム層１２により吸収されて、気密性が高められる。

本発明のシリンダヘッドガスケットは、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面の間に挟まれてシリンダヘッドとシリンダブロックの接合部をシールするシリンダヘッドガスケットであり、
金属製の基板と、該基板の両面又は片面設けられるゴム層と、からなる複合部材を有し、
該基板は、Ｃの含有量が０〜０．１５質量％、Ｓｉの含有量が０〜０．５質量％、Ｍｎの含有量が０〜２．０質量％、Ｃｒの含有量が１１．５〜１３．０質量％、Ｎの含有量が０〜０．５質量％、Ｐの含有量が０〜０．０４０質量％、Ｓの含有量が０〜０．０３０質量、Ｎｉの含有量が０〜０．６質量％であり、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるステンレス鋼からなり、
該基板を形成するステンレス鋼の０．２％耐力が１３００〜１５００ＭＰａであること、
を特徴とするシリンダヘッドガスケット。

本発明のシリンダヘッドガスケットは、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面の間に配置され、ボルト等によりシリンダヘッドとシリンダブロックが締め付けされることにより、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面の間に挟まれて、具体的にはガスケットのシール部がシリンダヘッドとシリンダブロックの接合面の間に挟まれて、シリンダヘッドとシリンダブロックのシール面をシールするシリンダヘッドガスケットである。

本発明のシリンダヘッドガスケットには、シリンダボアのボア径より少し径が大きいシリンダボア用の開口を、シリンダボアの数分有し、その他の部分は、シリンダブロックとシリンダヘッドの接合面に対応する形状を有している。そして、本発明のシリンダヘッドには、シリンダボア用の開口の内側と外側を密閉するために、開口を囲むようにシール部が形成される。シール部が形成される位置は、シリンダヘッド及びシリンダブロックの形状、エンジンオイル穴、冷却水流路位置等により、適宜選択される。

本発明のシリンダヘッドガスケットは、ステンレス製の基板と、基板の両面に設けられるゴム層と、からなる複合部材を有する。つまり、本発明のシリンダヘッドガスケットは、１枚のステンレス鋼板の成形体である基板と、基板の両面に設けられるゴム層と、からなる複合部材を有する。

本発明のシリンダヘッドガスケットとしては、シリンダヘッドガスケットのシール部の構造が、例えば、図３に示す形態例のように、一つの金属薄板と、金属薄板の両面側に配置される複合部材と、で構成される三層構造であるシリンダヘッドガスケットや、図４に示す形態例のように、一つの複合部材で構成されている一層構造であるシリンダヘッドガスケットや、複数の複合部材と複数の金属薄板の積層構造であるシリンダヘッドガスケット等が挙げられる。本発明のシリンダヘッドガスケットのシール部の構造は、適宜選択される。図４に示す形態例では、シリンダヘッドガスケット１ｂのシール部６は、ステンレス製の基板１１と、基板１１の両面に設けられるゴム層１２と、からなる複合部材２の一つで構成されている。シール部６には、ビード５が形成されている。なお、図４は、本発明のシリンダヘッドガスケットの形態例の模式的な端面図であり、ビードが形成されている近傍の拡大図である。

複合部材のシール部には、基板の表面から例えば０．０８ｍｍ程度の高さで突出し、シール部に沿ってビードが形成されている。なお、ビードの高さは、特に制限されず、シリンダヘッド及びシリンダブロックの構造や剛性、締結条件やヘッドリフト量（口開き量）等の使用環境によって、適宜選択される。ビードは、シール部がシリンダブロックとシリンダヘッドに挟み込まれたときに、面圧が集中することにより、シール性を高める部位である。ビードとしては、凸状ビード又は波状ビードが挙げられる。ビードは、基板のいずれか一方の面に突出して形成されていても、基板の両方の面に突出して形成されていてもよい。ビードの形成位置、形状、数等は、適宜選択される。

基板は、Ｃの含有量が０〜０．１５質量％、Ｓｉの含有量が０〜０．５質量％、Ｍｎの含有量が０〜２．０質量％、Ｃｒの含有量が１１．５〜１３．０質量％、Ｎの含有量が０〜０．５質量％、Ｐの含有量が０〜０．０４０質量％、Ｓの含有量が０〜０．０３０質量、Ｎｉの含有量が０〜０．６質量％であり、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるステンレス鋼からなる。つまり、基板は、低ニッケルのステンレス鋼又は非ニッケルのステンレス鋼板で形成されている。そのため、本発明のシリンダヘッドガスケットは、低コストである。なお、基板を形成するステンレス鋼には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ｐ、Ｓ及びＮｉのうちのいずれか１種又は２種以上に、含有量が０質量％の場合もある。

基板を形成するステンレス鋼の０．２％耐力は、１３００〜１５００ＭＰａ、好ましくは１３００〜１４００ＭＰａである。基板を形成するステンレス鋼の０．２％耐力が、上記範囲にあることにより、エンジンボアの爆発燃焼で、繰り返し、シリンダブロックとシリンダヘッドの接合面が上下に動くことにより、ビードに対して繰り返し荷重が掛けられても、ビードがへたり難く、シール性能の耐久性が高くなる。一方、基板を形成するステンレス鋼の０．２％耐力が、上記範囲未満だと、ビードがへたり易くなるので、シール性能の耐久性が低くなり、また、上記範囲を超えると、ステンレス鋼の柔軟性が失われ、板クセが悪く、強いテンションで引っ張らないと平滑性が得られず、平滑性が得られないと、ゴム層を均一に塗布し難く、また、硬くなり過ぎて、ビード加工し難く、狙い形状が得られない。

基板を形成するステンレス鋼の伸びは、好ましくは２〜１０％、特に好ましくは２〜６％である。基板を形成するステンレス鋼の伸びが上記範囲にあることにより、ビードがへたり難くなり、シール性能の耐久性が高くなる。また、基板を形成するステンレス鋼の引張強度は、好ましくは１４００〜１６００ＭＰａ、特に好ましくは１５００〜１６００ＭＰａである。基板を形成するステンレス鋼の引っ張り強度が上記範囲にあることにより、ビードがへたり難くなり、シール性能の耐久性が高くなる。

基板を形成するステンレス鋼板は、上記の所定の組成のステンレス合金鋳塊を鋳造し、得られる鋳塊に種々の加工及び熱処理を行って鋼板に加工する製造工程において、例えば、各化学成分の配合比を選択して合金組成を調節すること、冷間加工での加工強度や工程の途中に行われる熱処理の条件を選択すること等により、基板を形成するステンレス鋼板の０．２％耐力が、１３００〜１５００ＭＰａ、好ましくは１３００〜１４００ＭＰａとなるように調節すること、また、必要に応じて、基板を形成するステンレス鋼の伸びが、好ましくは２〜１０％、特に好ましくは２〜６％となるように調節したり、また、基板を形成するステンレス鋼の引張強度が、好ましくは１４００〜１６００ＭＰａ、特に好ましくは１５００〜１６００ＭＰａとなるように調節することにより製造される。

複合部材には、基板の両面又は片面にゴム層が設けられている。基板に設けられるゴム層としては、特に制限されず、シリンダヘッドガスケット用のゴム層として用いられているものであればよく、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ-ＮＢＲ）又は官能基変性ニトリルゴム（以下、単に「ＮＢＲ」とも言う。）、フッ素ゴム、シリコンゴム、アクリロブタジエンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）が挙げられる。

基板となるステンレス鋼板の表面にゴム層を設ける方法としては、例えば、
ゴム材料を適当な溶剤に溶解させたゴム溶液又は溶剤に分散させたゴム分散液を、スキマコーターやロールコーター等で塗布し、塗膜を１５０〜２５０℃で加熱してゴム層を形成させる方法が挙げられる。ゴム層は、基板の両側に形成されていることが、シール性が高くなる点で好ましい。本発明のシリンダヘッドガスケットの製造では、平らなステンレス鋼板に、先に、ゴム層を設け、次いで、所定の形状に打ち抜き、ガスケットの形状に成形してもよいし、先に、ステンレス鋼板を所定の形状に打ち抜いて成形し、次いで、ゴム層を設けてもよい。

基材の表面に設けられるゴム層の厚みは、特に制限されないが、通常、０．０２５〜０．１ｍｍ、好ましくは０．０２５〜０．０５ｍｍである。

複合部材は、基板及びゴム層の他に、必要に応じて、ガスケット製品同士の固着防止、摩擦係数の低減、耐摩耗性の向上等を目的として、表面処理層を有することができる。基板の表面に形成される表面処理層は、上記目的を達することができるものであれば、特に制限されず、適宜選択される。また、複合部材は、基板及びゴム層の他に、必要に応じて、ゴム層の基板への密着性を高めるために、例えば、ポリブタジエン、水素添加型ポリブタジエン、変性ポリブタジエン等のポリブタジエン類、ノボラック型又はレゾール型のフェノール樹脂等で形成されるプライマー層を有することができる。

図４に示す形態例のように、本発明のシリンダヘッドガスケットが、シール部の構造が複合部材と金属薄板で構成されているシリンダヘッドガスケットの場合、金属薄板の材質としては、特に制限されず、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１等のステンレス鋼、複合部材の基板と同様のステンレス鋼等が挙げられ、適宜選択される。

本発明のシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板は、Ｃの含有量が０〜０．１５質量％、Ｓｉの含有量が０〜０．５質量％、Ｍｎの含有量が０〜２．０質量％、Ｃｒの含有量が１１．５〜１３．０質量％、Ｎの含有量が０〜０．５質量％、Ｐの含有量が０〜０．０４０質量％、Ｓの含有量が０〜０．０３０質量、Ｎｉの含有量が０〜０．６質量％であり、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるステンレス鋼からなり、
０．２％耐力が１３００〜１５００ＭＰａであること、
を特徴とするシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板である。

本発明のシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板は、本発明のシリンダヘッドガスケットの基板用の素材として用いられる。例えば、本発明のシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板を、所定のシリンダヘッドガスケットの基板の形状に成形し、次いで、ゴム層を所定の位置に形成させることや、本発明のシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板の両面又は片面に、ゴム層を形成させ、次いで、所定のシリンダヘッドガスケットの基板の形状に成形することにより、本発明のシリンダヘッドガスケットを製造することができる。

本発明のシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板に係るステンレス鋼の化学組成（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ）及び物性（０．２％耐力、伸び、引張強度）は、本発明のシリンダヘッドガスケットに係るステンレス鋼の化学組成（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ）及び物性（０．２％耐力、伸び、引張強度）と同様である。

次に、実施例を挙げて本発明を更に、具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

（実施例１）
表１に示す化学組成及び物性のステンレス鋼板（厚さ０．２ｍｍ）を用意した。次いで、得られたステンレス鋼板から、物性試験用サンプルを型抜きし、物性試験用サンプルを得、０．２％耐力、伸び、引っ張り強度を測定した。その結果を表１に示す。
次いで、得られたステンレス鋼板を９９ｍｍ角にし、内径（ｘ）が６４．８５ｍｍの円形に内側を打ち抜き、次いで、中央径（ｙ）が６９．２５ｍｍ、ビード高さが０．０８ｍｍ、ビード幅（ｗ）が３ｍｍのフルビードを円環状に形成させて、図５に示す形状のガスケット評価用サンプルを得た。
次いで、下記の条件で繰り返し疲労試験を行い、残存ビード高さを測定した。その結果を、表１に示す。

＜物性試験＞
ＪＩＳＺ２２４１に準拠して、０．２％耐力、伸び、引っ張り強度を測定した。また、ＪＩＳＺ２２４４に準拠して、硬度を測定した。
＜繰り返し疲労試験＞
ガスケット評価用サンプルを繰り返し疲労試験器の圧縮面（外径８０ｍｍ）間に挟み込んで設置し、ガスケット評価用サンプルに対し、８０ｋＮの荷重でビードが全屈から７μｍ復元の繰り返し圧縮を、周波数３０Ｈｚ（毎秒３０回）で１×１０^６回行った。次いで、繰り返し疲労試験後のガスケット評価用サンプルのビード高さを測定し、残存ビード高さとした。残存ビード高さの測定を、図４に示すガスケット評価用サンプルを中心角で９０°毎の４か所で行い、それらの測定値を平均して、残存ビード高さとした。なお、「ビードが全屈するまで圧縮する」とは、ビードの高さが０ｍｍとなるまで圧縮することを指す。残存ビード高さが高いほど、繰り返し負荷によるビードのへたりが小さいと評価される。

（比較例１）
表１の比較例１の欄に示す化学組成及び物性のステンレス鋼板を用意すること以外は、実施例１と同様に行った。その結果を表１に示す。

（参考例）
表１の参考例１の欄に示す化学組成及び物性のステンレス鋼板を用意すること以外は、実施例１と同様に行った。その結果を表１に示す。なお、参考例１のステンレス鋼の化学組成は、ＳＵＳ３０１に相当する。

実施例１及び２のガスケット評価用サンプルは、比較例１〜５のガスケット評価用サンプルに比べ、残存ビード高さが高いので、繰り返し負荷によるビードのへたりは小さく、且つ、参考例１と、繰り返し負荷によるビードのへたり度合が同等である。なお、上記実施例、比較例及び参考例では、ビードの高さを厳密に測定し易くするために、ゴム層を設けていないが、ガスケット評価用サンプルには、ゴム層が設けられていても、ゴム層が設けられていなくても、基板となるステンレス鋼が同じであれば、残存ビード高さ、つまり、繰り返し負荷によるビードのへたり度合は同様になる。よって、上記実施例１及び２にゴム層を形成せたガスケット評価用サンプルは、上記比較例１〜５にゴム層を形成させたガスケット評価用サンプルに比べ、繰り返し負荷によるビードのへたりは小さく且つ上記参考例１にゴム層を形成させたガスケット評価用サンプルと同等のビードのへたり度合となる。

本発明によれば、非ニッケル又は低ニッケルのステンレス鋼材を基板として用いていながら、繰り返し負荷を受けたときのビードのへたりが小さいので、シール性能の耐久性に優れるシリンダヘッドガスケットを、低コストで提供できる。

Claims

シリンダヘッドとシリンダブロックの接合面の間に挟まれてシリンダヘッドとシリンダブロックの接合部をシールするシリンダヘッドガスケットであり、
金属製の基板と、該基板の両面又は片面に設けられるゴム層と、からなる複合部材を有し、
該基板は、Ｃの含有量が０〜０．１５質量％、Ｓｉの含有量が０〜０．５質量％、Ｍｎの含有量が０〜２．０質量％、Ｃｒの含有量が１１．５〜１３．０質量％、Ｎの含有量が０〜０．５質量％、Ｐの含有量が０〜０．０４０質量％、Ｓの含有量が０〜０．０３０質量、Ｎｉの含有量が０〜０．６質量％であり、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるステンレス鋼からなり、
該基板を形成するステンレス鋼の０．２％耐力が１３００〜１５００ＭＰａであること、
を特徴とするシリンダヘッドガスケット。
前記シリンダヘッドガスケットのシール部の構造が、一つの前記複合部材で構成されている一層構造であることを特徴とする請求項１記載のシリンダヘッドガスケット。
前記シリンダヘッドガスケットのシール部の構造が、一つの金属薄板と、該金属薄板の両面側に配置されている２つの前記複合部材と、で構成されている三層構造であることを特徴とする請求項１記載のシリンダヘッドガスケット。
Ｃの含有量が０〜０．１５質量％、Ｓｉの含有量が０〜０．５質量％、Ｍｎの含有量が０〜２．０質量％、Ｃｒの含有量が１１．５〜１３．０質量％、Ｎの含有量が０〜０．５質量％、Ｐの含有量が０〜０．０４０質量％、Ｓの含有量が０〜０．０３０質量、Ｎｉの含有量が０〜０．６質量％であり、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるステンレス鋼からなり、
０．２％耐力が１３００〜１５００ＭＰａであること、
を特徴とするシリンダヘッドガスケット用ステンレス鋼板。