高燃焼圧シリンダヘッドガスケット用
微細析出物分散ステンレス鋼板(NAR301L HSX)の開発
安 達 和 彦阿部賢桂井
西 山 忠 夫 佐々木浩満
.

は じめ隆
に

環境負荷低減へのニーズが高まり，地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量削減への取り組みは加速している．他
方，自動車の販売台数は新興国を中心に現在も増加を続けている．これらに対しては自動車の燃費向上が有効であり，エンジンの高燃焼圧化および自動車本体を含む軽量化対策が進められている．欧州では燃費の良いディーゼル車が増加傾向

図1

エンジンとガスケットの関係．にある．これはディーゼルエンジンが自己着火式であり，ガソリンに比べて高燃焼圧なためである．
シリンダヘッドガスケット(以下，ガスケットと呼称)は図の量(口開き量)を増大させる．このため，追従するビードにに示すように製造，修理のために分割されるエンジンの隙は高疲労強度が必要となる．なお，著者らは，これに対応し間をシールする部品である．一般的に薄鋼板数枚で構成さた高疲労強度ステンレス鋼板( NAR301L HS1 )を既に実用れ，表面には疵を伝わる液体の洩れ防止のため厚さ数 10化している(1)(2)．

mm のゴムがコーティングされる．燃焼室の周囲にはビード以上，ガスケット材に望まれる性能を改めてまとめると，と呼ばれる凸部が成形され，その荷重反発力により燃焼ガ

ビード成形時には加工性に優れる

ス，冷却水，潤滑油をシールしている．したがって，高燃焼

エンジン搭載後には高強度，高疲労強度を有する

圧達成に必要となるシール性の向上には，ビードの高さの増となり，トレードオフ関係を示す相反した特性の両立が必要加および高強度化が必要となる．他方，自動車の軽量化に対となる(2)(5)．

しては，重量の多くを占めるエンジンの材質変更等が進めら

本開発では，自動車の燃費を向上させ，広く適用が可能なれている．これは高燃焼圧化を含めて，エンジン稼働時にシ高性能ガスケット用ステンレス鋼板について更なる検討を進リンダヘッドが持ち上げられ，ブロックとの間に生じる隙間めた．ここでは，前述の目標を達成する高燃焼圧ガスケット用微細析出物分散ステンレス鋼板(NAR301L HSX)の開発

住友金属工業株式会社総合技術研究所主任研究員
株式会社住友金属直江津カスタマー技術部参事
Honda R&D Americas, Inc. Ohio Center Material Research:Chief Engineer株式会社本田技術研究所四輪 R&D センター研究員
日本リークレス工業株式会社 第二事業本部主査
Development of Fine Precipitated Stainless Steel Sheet(NAR
301L HSX) for Cylinder Head Gasket with High
Combustion Pressure; Kazuhiko Adachi, Masaru Abe,
Takashi Katsurai, Tadao Nishiyama, Hiromitsu
Sasaki(Sumitomo Metals Industries, Ltd. Sumitomo Metals (Naoetsu), Ltd. Honda R&D Americas, Inc.

Honda R&D Co., Ltd. Nippon Leakless Corporation)
2010年10月29日受理

の概要を報告する．

.

高性能化機構ガスケットは図 1 に示したようにエンジン搭載時にはシリンダヘッドとブロックに挟まれ，ボルトで上下より締め込まれて強く圧縮された状態にある．しかし，燃焼時にはヘッドが上へ持ち上げられて圧力が減少する．これにともない，エンジン稼働中のビードには応力振幅が作用し，頂点部および裾部では局部的に高い引張応力が生じる．他方，裾部および頂点部はビード成形では最も大きく変形する部位であり，新技術・新製品

図3

図2

開発材の製造工程の概略．

開発材の時効硬化特性．

表面にクラック等の欠陥を発生する場合もある．この場合，

図4

ビードは欠陥を起点とし，同部への応力集中により疲労破壊

中間熱処理後の光学顕微鏡による組織と EPMAによる線分析．

する(3) ．さらに，高燃焼圧に耐える高強度材を適用した場
合，伸びの低下により発生する欠陥も増大し，より早期に破壊する(2)．
これらの破壊には，素材の結晶粒の微細化が有効である．
結晶粒微細化は加工性の劣化が小さい有効な強化手段であり，欠陥の発生を抑制し，疲労強度を向上させる．前述のNAR 301L HS1 はそれらに基づき実用化されたものである(1)(2)．このため，窒素吸収を活用して欠陥を発生する板表面の更なる結晶粒微細化を検討した．この点は次項で述べ図5る．更に，高燃焼圧達成に必要となるビードの高さの上昇と最終熱処理後の TEM 組織(薄膜)．

高強度の両立のため，成形後の時効硬化を検討した．その結果，開発材は200°C程度の低温でも時効硬化し，調質圧延に

表1

開発材の化学成分の一例．
(mass))相中に微細な CrN 化合物がて変態したマルテンサイト(a′析出することを確認した．結果を図に示す．同温度はゴムコーティングでの焼成加硫条件に対応する．これにより，新CSiMnCrNiNbN

0.020.50

1.3517.28

6.620.060.14

表2

開発材の機械的性質の一例．

たな工程の増加無しに，成形後にゴムコーティングすることで高く高強度のビードを得られることが明らかとなった(4)(5)．

.

開発材の特徴0.2耐力(MPa)

引張強さ(MPa)伸び()ビッカース硬さ(HV)13261359

12.4452

素材は NAR 301L HS1 と同様の準安定オーステナイト( g )系ステンレス鋼に属する SUS301 鋼( 17Cr 7Ni Low C 0.1N)である．開発材の製造工程の概略を図に示す．以下

では工程に対応した説明を行う．

平均結晶粒径( d )で約 1.2 mm を示す．これに対して，板中間熱処理素材は水素と窒素の混合ガス中にて窒素吸収

厚中心部では析出物が少なく， d が 1.5 ～ 2.0 mm の 301Lが施される．光学顕微鏡による組織と EPMA による線分

HS1 に近い組織を示す．

析の結果を図に示す．中間熱処理材は窒素吸収での g 安調質圧延ガスケットに必要な性能の調整を目的として，定化に対応し，内部のみで研磨にて加工誘起変態した a ′HV460前後に加工硬化される．硬さは従来と同等とした．

相が観察される．また，表面から 100 mm 程度に渡って窒開発材の成分，機械的性質の一例を表，に示す．

素濃度が増加する．
冷間圧延準安定 g 系ステンレス鋼は冷間圧延での加工誘なお，その後，ガスケット加工時のビード成形，ゴムコーティングにより，図 2 と対応した時効硬化が起こる．

起 a′
変態，次工程の熱処理での g 母相への逆変態により結晶粒が微細化する(6)(7)．

.

適用実

績

最終熱処理TEM 組織を図に示す．板表面近傍には多数の微細な CrN 化合物が析出，内部に比べて細粒化し，ま て り あ 第50巻 第 3 号(2011)Materia Japan開発材製ガスケットのシール性に及ぼす燃焼室内圧力の影倍となった．開発材製ガスケットの疲労特性を図に示す．
評価は所定量の口開きを107 回繰り返した後に板厚を貫通する割れを生じた場合を×，それ以外を○にて表記した．開発
材製ガスケットは従来材を超える優れた疲労特性を有しており， Hall Petch の関係式に従う結晶粒微細化での強化を超える向上を示した．口開き量で比較した場合，従来材に対して更に20の向上を達成した．

.

まとめ

開発材製ガスケットは高燃焼圧まで破損することなく，燃
図6

開発材製ガスケットのシール圧の比に及ぼす燃焼室内の圧力の影響．

焼ガスをシールすることが可能であり，燃費向上が期待される．現在，本開発材製ガスケットは燃費向上を目的とした高燃焼圧ディーゼルエンジンに適用され始めた段階である．同
エンジンはビード形状の最適化により，エンジンの締結構造を大幅に変更することなく燃焼ガスをシールすることに成功した(4)(5)．今後，広く適用拡大を進めていく．

.

特許特 許 第 4321066 号 ， 4325521 号 を 取 得 し ， WO2002 /088410, WO2006/035667，特開200663998などを公開済．

文

図7

開発材製ガスケットの疲労特性．

響を図に示す．シール圧はガスケットをエンジンに搭載した際の値が同等となるように調整し，燃焼室内圧力を増加させた時の変化を比率にて表示した．比較材はこれまでディー
ゼル適用中の301L HS1 製ガスケット(従来材)とした．燃焼室内の圧力の増加に対して，開発材製ガスケットのシール圧

献( 1 ) 安達和彦，渋谷将行，桂井 隆まてりあ，47(2008), 36
38.
( 2 ) 桂井 隆Honda R&D Technical Review, 12(2000), 151
157.
( 3 ) 桂 井 隆 ， 杜 澤 達 美 ， 加 藤 一 ， 高 山 善 匡  鉄 と 鋼 ， 80(1994), 860865.
( 4 ) 西山忠夫，桂井 隆，安達和彦Honda R&D Technical Review, 20(2000), 105110.
( 5 ) 西山忠夫，桂井 隆，安達和彦自動車技術会学術講演会前
刷集，20085165(2008), 5
8.
( 6 ) 高木節雄鉄と鋼，80(1994), 529
535.
( 7 ) 冨 村 宏 紀 ， 川 内 祐 治 ， 高 木 節 雄 ， 徳 永 洋 一  鉄 と 鋼 ， 77(1991), 1519
1526.

は従来材に比べて高い値を維持し，内圧 20 MPa ではほぼ 2


新技術・新製品