JP2011506886A - 金属製平板ガスケットおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平板ガスケットそして特に内燃機関で用いられ得るシリンダーヘッドガスケットを提供する。
【解決手段】少なくとも１つのビーを有する少なくとも１つの金属製基礎支持材を含み、該基礎支持材が、０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒを含有し且つベイナイト組織が５０％以上の微細構造を有する鋼鉄から製造されてなる平板ガスケット。
【選択図】なし

Description

本発明は、平板ガスケットそして特に内燃機関で用いられ得るシリンダーヘッドガスケットに関する。本発明の平板ガスケットは、少なくとも１つのビードを有する金属製基礎支持材を有する。このガスケット用の基礎支持材は、０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒを含有する鋼鉄から成形される。また、本発明における鋼鉄はベイナイトが５０％以上の微細構造を有する。

シリンダーヘッドガスケットは、他の種類のガスケットと比べてシール性とねじ込み力の移動が分離していないことを特徴とする平板ガスケットである。平板ガスケットのシール性はガスケットを圧迫することによって達成される。しかしながら、機能の分離がある場合、剛性金属支持構造体は力の移動の機能を引き受けそして弾性シール材が圧迫される限定されたシールギャップを作り出す。
公知の基本的な種類の平板ガスケットとしては、例えば、エラストマー被覆金属製基礎支持材が挙げられる。可能性のある１つの態様がヨーロッパ特許第１０２３５４９号に記載されており、また、例えば、エラストマー材はシールへり状の周辺盛上りを有している。

そのようなガスケットは、特に大きい部品交差を補正する必要がない分野で用いられる。これらのすべての平板ガスケットは、ハウジング又はフランジねじ連結部の力の流れの内側にありそれ故にねじ込み力による高負荷を免れないという共通の現実がある。さまざまなハウジング形状およびねじ込み配列が、シールの過程でさまざまな支持パターンを生じさせる。
しかしながら、平板ガスケットは、ガスケットが圧迫されるフランジ間の相対的動きと高い表面圧力とから多かれ少なかれ重大なダメージを受ける。そのような相対的動きは、例えば、平板ガスケットが移動設備に、例えばエンジンに用いられるとき起こり、阻むことはできない。また、高い接触圧力は、平板ガスケットのシール効果がそれ以外では低減されないので、構造形状により大きくは低減され得ない。反対に、接触圧力および／又はねじ込み力のさらなる増加は相対的動きを低減し得るかも知れないが、これはまたガスケットへの荷重の増加を引き起こす。ダメージおよび機械的磨耗現象は最終的にシール性の不全をもたらす。

この磨耗現象が起る主要部位は一般にねじ込み接続部の領域である。また、ガスケットの小さいフランジ部位又は接触部位は局所に強い圧力をもたらす。
それ故、ドイツ特許第１９８０８５４４号に従って作られるような多層構造のばね鋼のシリンダーヘッドガスケットは、ほとんどがエンジンブロックの特別な要件を満足させるガスケットとして成功していることを証明してきた。ここで用いられる鋼板は、作業と加工とで望ましい特性を得るためにクロム、ニッケルおよびある程度のマンガンのような比較的大量の合金金属によって特徴付けられる。ガスケットの金属層は欧州標準ＥＮ １０１５１によりＣ１３００のステンレスオーステナイト鋼１．４３１０（Ｘ１０ＣｒＮｉ１８−８）から製造されることが多い。この鋼鉄は、一方ではビードと変形制限装置の初期開発を促進する高い被機械加工性を有していて、他方でこの材料は、ビードが変動に耐えるが重大な変形を受けることなく実質的な圧力負担に耐えることができるように、十分な剛性、耐荷重特性および安定性を有している。

このステンレスオーステナイト鋼１．４３１０の金属製シール材は、加工するのが困難という不利がある。これは、このいわゆる準安定オーステナイト鋼が変形マルテンサイトを形成する傾向に帰する、すなわち、金属製シール材が成形の間に硬化するのである。さらにまた、この硬化はガスケットの機能への負の効果を有し得る。オーステナイト鋼１．４３１０の言及すべき他の不利な点は、材料の比較的高い値段である。

それゆえ、本発明の目的は、加工が容易である平板ガスケット用のガスケット材を提供することである。
本発明の他の目的は、平板ガスケット用の安価なガスケット材を提供することである。
本発明の他の目的は、良好な機能特性を有する平板ガスケット用のガスケット材を提供することである。

これらの目的は、少なくとも１つのビードを有する少なくとも１つの金属製基礎支持材のために、０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒを含有する鋼鉄が使用された本発明の平板ガスケットを提供することによって達成された。また、この鋼鉄はベイナイトが５０％以上の微細構造を有する。

驚いたことに、従来のオーステナイト鋼１．４３１０（破断伸び５％〜２２％）よりも低い３％〜１５％の破断伸び（一軸引張り試験で測定される）を有するにも拘らず、ベイナイト鋼が平板ガスケットにおいてビードを有する金属製ガスケット層を成形するのに適していることが見出されたのである。加えて、本発明で用いられる安価な鋼鉄は、特にマルテンサイト鋼と比較して良好な延性に特徴付けられる。加えて、前記機能にとって不利であり、変形マルテンサイトの圧力および／又は歪み誘発形成に帰すると考えられる硬化は、ガスケットの製造の間に、典型的には金属製ガスケット材に用いられるオーステナイトクロムニッケル鋼を用いて、防ぎ得る。

図１は、本発明の平板ガスケットの断面図を示す。

図１において、本発明の平板ガスケット１０は、１４が０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒを含有し且つベイナイトが５０％以上の微細構造を有する鋼鉄の基礎支持材を示す、凸状のビード１２を有する。アルミニウムの２つの追加の金属層１６が基礎支持材の上面および／又は底部側に適用されている。平板ガスケット１０は燃焼室開口１８に向って変形制限装置２０を有している。

本発明の好適な態様によれば、少なくとも１つのビードを有する少なくとも１つの金属製基礎支持材を含む平板ガスケットが提供される。前記基礎支持材は、ベイナイト組織が５０％以上の微細構造を有する。加えて、前記基礎支持材は、０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒを含有する鋼鉄から形成される。残量はＦｅおよび／又は不純物である。１つ１つの不純物は、本発明では１０^−４ｗｔ％以下、好適には１０^−５ｗｔ％以下、さらには１０^−６ｗｔ％以下の量で存在する。

当業者は、該当する金属製ガスケット用の金属材薄板の製造を良く知っている。ばね特性は熱処理と歪み硬化によって得られる。平板ガスケットを形成するための金属材薄板のさらなる加工は、１つ以上の工程で行われ得る。燃焼室は平板ガスケットの少なくとも１つのガスケット層に１つ以上のビードを用いてシールされる。ガスケットの絶縁では、複数のビードが、シールされる構成材とガスケットとが互いに圧力をかけられるねじ込み接続部の力がビードカップに沿って線圧に集中するという効果を有している。当業者はビードの構造に詳しいであろうが、例えば、金属の対応する折り畳み又は押圧品が挙げられる。そのようなビードは、例えばドイツ特許第１９５１３３６号に開示されている。

平板ガスケット材よりも「柔軟な」および／又は変形可能である任意の金属又は金属合金からなる金属層が平板ガスケット材の上面および底部側に加えられ得る。当業者は金属層の材料にとって追加的な選択基準に詳しいであろう。適した金属および／又は合金としては、例えば、銅、錫又は真ちゅうそして好適にはアルミニウムが挙げられる。驚いたことに、柔軟な金属の使用がビードの領域でのミクロシール性の改良をもたらすことが見出された。さらに、金属層は耐食性の改良に寄与している。様々な熱膨張係数のために、様々な金属および／又は金属合金の金属層が基礎支持材の上面および／又は底部側に適用され得てそして必要条件に基づいて様々な層厚さを有し得る。

少なくとも１つのビードを有する少なくとも１つの金属製基礎支持材のために用いられる鋼鉄は、例えば用いられる圧延鋼板によって研磨された部分の金属組織の光学マイクロ写真によって測定され得てそしてベイナイト鋼の表面を非ベイナイト鋼のそれと比較することによって決定され得る、ベイナイト組織が５０％以上の微細構造（面積比）を有する。
前記鋼鉄はベイナイト化によって純化されている。ベイナイト化は鋼鉄にとっての熱処理法と理解される。従来の硬化とは異なって、ベイナイト化には構造のマルテンサイト変換はないが、代わりに鋼鉄はベイナイト段階又は中間段階に変換される。先ず、鋼鉄はオーステナイト化される。次いで、それはいわゆるマルテンサイト開始温度Ｍｓよりも高い温度に急冷されそして鋼鉄はこの温度にあらかじめ定めた期間保持される。また、この過程は、オーステナイトのベイナイトへの等温変換と呼ばれそして通常熱い塩浴又は金属浴にて行われる。オーステナイトのベイナイトへの変換の度合い、すなわち鋼鉄中のベイナイト組織の割合は、温度およびその温度での保持期間によって調整され得る。ベイナイト鋼および又はベイナイト鋼の工業部品の製造は、例えば国際特許公開第２００７−０５４０６３号、国際特許公開第２００２−４４４２９号、ヨーロッパ特許第１２４８８６２号、ヨーロッパ特許第０８９６０６８号、ヨーロッパ特許第０７４７１５４号およびヨーロッパ特許第０７０７０８８号に記載されている。当業者は、ベイナイト組織が５０％以上の微細構造を有する鋼鉄を得る方法および本発明の組成における変更点も良く知っている。

本発明における鋼鉄は、好適にはベイナイト組織が５０〜１００％、より好適には６０〜１００％そして特に８０〜１００％の微細構造を有する。これらの混合相が、特にベイナイト組織が８０〜１００％の範囲で、上述のように平板ガスケットでの使用のためにオーステナイトとベイナイトとの有益な材料特性を組み合わせるということが見出された。

本発明における鋼鉄は、以下に記載される合金成分の様々な量を互いに単独で含み得る。例えば、鋼鉄は、０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、好適には０．５５〜１．２０ｗｔ％のＣ、そしてより好適には０．７０〜１．０５ｗｔ％のＣを含み得る。その上、本発明における鋼鉄は、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、好適には０．１５〜２．００ｗｔ％のＳｉ、より好適には０．１５〜０．４０ｗｔ％のＳｉそして特に好適には０．１５〜０．３５ｗｔ％のＳｉを含み得る。他の成分としては、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、好適には０．２０〜２．００ｗｔ％のＭｎ、より好適には０．３０〜１．１０ｗｔ％のＭｎそして特に好適には０．３０〜０．９０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、好適には最大０．０２５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、好適には最大０．０２５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒ、好適には最大１．６０ｗｔ％のＣｒ、より好適には最大１．２０ｗｔ％のＣｒそして特に好適には最大０．４ｗｔ％のＣｒそして０．９０〜１．２０ｗｔ％のＣｒが挙げられる。

好適な態様によれば、本発明における鋼鉄は、１３００ＭＰａ以上の引張強度Ｒｍおよび、１０５０ＭＰａ以上の降伏強度Ｒｅを有している。当業者は適した設備を用いる引張強度および降伏強度の測定法を知っている。

また、他の態様によれば、本発明の平板ガスケットは、支持層および／又はストッパー層を含む。当業者は支持層およびストッパー層の構造および製造法を良く知っている。支持層および／又は支持要素は様々な厚さおよび形状でガスケットの任意の位置に適用され得て、それゆえ平板ガスケットの柔軟な構造と用途の可変性を可能とする。本明細書では、ストッパー層（「ストッパー」とも呼ばれる）とは、高さ可変のビードがそれによって許容できない高変形から守られている変形制限装置である。また、そのような変形制限構造は、同時に、動的シーリング間隔振動がそれによって低減されるように平板ガスケットに隣接したエンジン構成材が圧縮応力を与えられる平板ガスケットの部分的肥厚化を意味する。そのような変形制限装置は、例えば平板ガスケットの複数の層の１つへの追加の輪を溶接することにより又は平板ガスケット１つ以上の層に隆起をエンボス加工することにより作製し得る。そのようなストッパーは最新技術、例えば米国特許第５７１３５８０号から公知である。加えて、ドイツ特許第１９５１３３６１号は低い引張強度と高い降伏強度を有する他の材料から形成された、折り曲げたフランジが備わっている数珠つなぎにしたばね鋼の機能層に隣接した平板ガスケット用支持層を開示している。

他の好適な態様によれば、平板ガスケットの１つ以上の層は片方又は両側にエラストマー被覆膜が備わっている。この被覆膜はビード領域にミクロシール性効果の向上をもたらす。また、加えて、この被覆膜は特定の適用において腐食を防止する追加的な役割を担い得る。
他の態様によれば、本発明の平板ガスケットはエラストマーガスケットを含む。エラストマーガスケットは、一般に実際の燃焼室ガスケットよりも低い熱応力および機械的応力にさらされる低圧シール領域でよく用いられている。エラストマーガスケットは、例えばシリコーン、フルオロシリコーン又はフルオロエラストマーで作られている。
本発明の他の好適な態様によれば、ベイナイト微細構造が備わっている平板ガスケット構成材は０．１〜２．５ｍｍの厚さを有する。

さらに、例えば冷却剤又は蒸気から保護するために、鋼鉄表面に耐食保護層が提供され得る。腐食は、例えばニトリルゴムを用いたエナメル被覆膜又はエラストマー被覆膜によって、例えばリン酸亜鉛又はリン酸鉄−マンガン変換層を塗布することによってあるいはより貴な金属を用いた金属被覆、例えば亜鉛又は錫中での溶融めっきにより又は亜鉛、錫、ニッケル若しくはアルミニウムを用いためっきによって防ぎ得る。当業者はそのような保護層を適用する他の方法をよく知っている。

本発明の平板ガスケットそして特にシリンダーヘッドガスケットは、自動車用の内燃機関だけでなく他の内燃機関エンジンにも用いられ得る。また、本発明の平板ガスケットは最新技術による平板ガスケット用に用いられるものと同じ金型を用いて製造され得る。

他の好適な態様によれば、（ａ）０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒの化学組成を有する鋼鉄を製造する工程、（ｂ）この鋼鉄の機械加工を用いて予め定めた厚さを有する金属薄板を形成する工程、（ｃ）鋼鉄に熱処理を供して５０％以上のベイナイトからなる微細構造を形成する工程、（ｄ）鋼板に打ち抜き作業工程を施して１つ以上の開口を有する工作物を形成する工程、（ｅ）工作物を成形して少なくとも１つのビードを有する少なくとも１つの金属製基礎支持材を形成する工程、（ｆ）ミクロシール性のために被覆、任意的に部分的被覆を適用する工程、を含む平板ガスケットの製造方法が提供される。

１つの態様によれば、本発明における圧延鋼板は、０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、好適には０．５５〜１．２０ｗｔ％のＣ、そしてより好適には０．７０〜１．０５ｗｔ％のＣを含んでいる。また、前記鋼板は、最大３ｗｔ％のＳｉ、好適には０．１５〜２．００ｗｔ％のＳｉ、より好適には０．１５〜０．４０ｗｔ％のＳｉそして特に好適には０．１５〜０．３５ｗｔ％のＳｉを含む。他の成分としては、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、好適には０．２０〜２．００ｗｔ％のＭｎ、より好適には０．３０〜１．１０ｗｔ％のＭｎそして特に好適には０．３０〜０．９０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、好適には最大０．０２５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、好適には最大０．０２５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒ、好適には最大１．６０ｗｔ％のＣｒ、より好適には最大１．２０ｗｔ％のＣｒそして特に好適には最大０．４ｗｔ％のＣｒ又は０．９０〜１．２０ｗｔ％のＣｒが挙げられる。

他の態様によれば、少なくとも１つの金属製基礎支持材は、０．１〜２．５ｍｍの材料厚さを有する。
好適な態様によれば、本発明の方法は、工程（ｂ）又は（ｃ）による他の金属層を適用する工程を含む。
他の態様によれば、本発明の方法は工程（ｃ）又は（ｄ）あるいは（ｅ）による防食層を適用する工程を含む。
他の態様によれば、本発明の方法は変形制限装置の適用の工程および／又は工程（ｅ）によるエラストマーガスケットの一体成形を含む。
他の金属層および／又は変形制限装置および／又はエラストマーガスケットは当業者がよく知っている方法によって適用される。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのビード（１２）を有する少なくとも１つの金属製基礎支持材（１４）を含む平板ガスケット（１０）であって、該基礎支持材（１４）が、０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒを有し且つベイナイト組織が５０％以上の微細構造を有する鋼鉄から成形されていることを特徴とする前記平板ガスケット（１０）。
2. 前記鋼鉄が、好適には０．７０〜１．０５ｗｔ％のＣ、０．１５〜０．３５ｗｔ％のＳｉ、０．３０〜０．９０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０２５ｗｔ％のＰ、最大０．０２５ｗｔ％のＳおよび最大０．４ｗｔ％のＣｒ又は０．９０〜１．２０ｗｔ％のＣｒを含有する請求項１に記載の平板ガスケット（１０）。
3. 前記鋼鉄が、１３００ＭＰａ以上の引張強度および１０５０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１又は２に記載の平板ガスケット（１０）。
4. 前記少なくとも１つの金属製基礎支持材（１４）が、エナメル被覆膜、エラストマー被覆膜、リン酸亜鉛又はリン酸鉄−マンガン変換層、金属被覆膜又は金属めっきの形態の防食を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の平板ガスケット（１０）。
5. 前記少なくとも１つの金属製基礎支持材（１４）が、少なくとも１つの変形制限装置（２０）を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の平板ガスケット（１０）。
6. 前記少なくとも１つの金属製基礎支持材（１４）が、その上に一体成形されたエラストマーガスケットを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の平板ガスケット（１０）。
7. 前記少なくとも１つの金属製基礎支持材（１４）が、エラストマー被覆膜を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の平板ガスケット（１０）。
8. 前記少なくとも１つの金属製基礎支持材（１４）が、０．１〜２．５ｍｍの材料厚さを有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の平板ガスケット（１０）。
9. （ａ）０．５０〜１．３０ｗｔ％のＣ、最大３．０ｗｔ％のＳｉ、最大３．０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０３５ｗｔ％のＰ、最大０．０３５ｗｔ％のＳ、最大２．０ｗｔ％のＣｒの化学組成を有する鋼鉄を製造する工程、
   （ｂ）この鋼鉄を機械加工して予め定めた厚さを有する金属薄板を形成する工程、
   （ｃ）鋼鉄に熱処理を施して５０％以上のベイナイトからなる微細構造を形成する工程、
   （ｄ）鋼鉄に打ち抜き作業工程を施して１つ以上の開口を有する工作物を形成する工程、
   （ｅ）工作物を成形して少なくとも１つのビード（１２）を有する少なくとも１つの金属製基礎支持材（１４）を形成する工程、
   （ｆ）ミクロシール性のために被覆、任意的に部分的被覆を適用する工程、を含む平板ガスケットの製造方法。
10. 前記圧延鋼板が、好適には０．７０〜１．０５ｗｔ％のＣ、０．１５〜０．３５ｗｔ％のＳｉ、０．３０〜０．９０ｗｔ％のＭｎ、最大０．０２５ｗｔ％のＰ、最大０．０２５ｗｔ％のＳおよび最大０．４ｗｔ％のＣｒ又は０．９０〜１．２０ｗｔ％のＣｒを含有している請求項９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの金属製基礎支持材が、０．１〜２．５ｍｍの材料厚さを有する請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記方法が、工程（ｂ）又は（ｃ）による追加の金属層を適用する工程を含む請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記方法が、工程（ｃ）又は（ｄ）あるいは（ｅ）による防食被覆膜を適用する工程を含む請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記方法が、変形制限装置の適用の工程および／又は工程（ｅ）によるエラストマーガスケットの一体成形の工程を含む請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。

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