JPH0710421B2

JPH0710421B2 - ライナ部に耐摩耗組織を有する内燃機関用鋳鉄製スリ−ブレスシリンダブロツクの製法

Info

Publication number: JPH0710421B2
Application number: JP5057387A
Authority: JP
Inventors: 和彦城尾; 泰松村
Original assignee: ヤンマーディーゼル株式会社
Priority date: 1987-03-05
Filing date: 1987-03-05
Publication date: 1995-02-08
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: JPS63215334A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は内燃機関用鋳鉄製スリーブレスシリンダブロッ
クの製法に係り、より詳細には、ライナ部に耐摩耗組織
を生成せしめる該スリーブレスシリンダブロックの鋳造
方法に関するものである。

（従来の技術）内燃機関用のシリンダブロックはシリンダの内壁型式に
よりライナ型と一体型とに大別され、ライナ型にはドラ
イスリーブ方式（乾式）とウェットライナ方式（湿式）
とがあり、一方、一体型はスリーブ乃至ライナを備えず
にシリンダブロック全体を一体に製造したもので、スリ
ーブレスシリンダブロック（スリーブレスブロック）と
称されている。

これらのいずれの型式のシリンダブロックにおいても、
そのライナ摺動部の摩耗は内燃機関の耐久性を左右する
基本的問題であり、かねてより耐摩耗性の改善のために
製造上種々の研究開発がなされてきているが、各々に一
長一短があり、必ずしも満足すべき結果が得られている
とは云えない。

すなわち、従来より内燃機関用シリンダブロックは、普
通鋳鉄や合金鋳鉄など鋳鉄製が一般的であるが、特にラ
イナ摺動部は耐摩耗性が優れていることが要求されるた
め、通常、Ｐを0.15％以上含む鋳鉄によりライナ乃至ス
リーブを別体に作成し、ドライスリーブ或いはウェット
ライナとしてブロック本体に装着されている。

このライナ型式のシリンダブロックは、ライナ部の材質
がＰを0.15％以上含む鋳鉄、就中Ｐを0.3〜0.6％含む合
金鋳鉄であり、ライナ摺動面にHv700〜900の如く硬質の
ステダイト（燐化鉄Fe₃P、セメンタイトFe₃C及びフェラ
イトの三元共晶金相）を晶出させたものであるため、耐
摩耗性に優れており、高負荷で長時間使用するエンジン
に使用されている。しかし、この型式のシリンダブロッ
クはライナ部を別体で作製するので、加工工数及び組立
工数が多く、製造コストが高くなるという問題がある。
更には、ライナ乃至スリーブの厚みを最小限確保する必
要がある（ドライスリー方式で約2mm、ウェットライナ
方式で約６〜10mm）こと等々のため、構造上、多気筒シ
リンダのライナピッチを短縮化することが難しく、剛性
上コンパクト化にも限界がある。

したがって、今後はスリーブレスブロックを採用するこ
とが趨勢となるものと予想される。

（発明が解決しようとする問題点）もっとも、従来よりスリーブレスブロックの製造は実際
に行われてきていたが、軽負荷で短時間使用するエンジ
ン用に限られているにすぎない。

すなわち、現行のスリーブレスブロックの材質は、Cu、
Cr、Sn、Sb、Mo等々の合金元素を１種又は２種以上組み
合わせて添加した合金鋳鉄であり、Ｐを実質的に含まな
い（Ｐ＜0.10％）で耐摩耗性の改善を狙った合金鋳鉄で
ある。したがって、これにより得られるライナ摺動部の
組織は上記合金元素により強化されたパーライトと黒鉛
とからなり、ステダイトの晶出がないため、耐摩耗性は
ステダイト晶出の別体方式に比べ非常に劣るもので、耐
摩耗性の面で限界があることから、上記の如くスリーブ
レスブロックの用途が限られているのである。

一方、一体式のスリーブレスブロックにあっても、ライ
ナ型式のライナ乃至スリーブの材質のように、Ｐを0.15
〜0.5％添加してライナ摺動面に硬質のステダイトを晶
出させて高耐摩耗性を得る、すなわちブロック全体をＰ
を0.15〜0.8％含む鋳鉄製にするとの考えもある。しか
し、この場合、Ｐを0.1％以上含む鋳鉄ではステダイト
が晶出し、ステダイト晶出に起因して引け性が惹起され
るため、肉厚変動が大きくボス部厚肉部を有するシリン
ダブロック等の複雑な形状の製品を鋳造する際に引け巣
が発生し、使用中圧洩れの原因となるほか、強度（撓
み、衝撃値など）も低く、特に鋳造性の点から実用化が
困難である。

本発明は、内燃機関用鋳鉄製スリーブレスシリンダブロ
ックの製造に関する上記従来技術の欠点を解消し、優れ
た耐摩耗性を有するライナ部を備えたスリーブレスシリ
ンダブロックを製造する新規な方法を提供することを目
的とするものである。

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明者は、前述の高合金化
層を鋳物表面に形成する従来の鋳造方法を鋳鉄製スリー
ブレスシリンダブロックの製造に適用するに際して生じ
る問題点並びにその原因の究明に努めた結果、従来は合
金粉末を塗布乃至載置する手段に研究の主眼がおかれて
おり、したがって、注湯条件等の他の製造プロセス条件
面での検討がなされていなかったことに着目するに至っ
た。

すなわち、従来の方法は鋳型の表面に合金粉末を厚く塗
布乃至載置し、溶湯熱により溶融せしめて合金層を表面
に得るものであるが、今日のスリーブレスシリンダブロ
ックに使用される鋳物は薄肉で熱量が小さくなり、しか
も内面を機械加工して使用する点を勘案すると、そのよ
うな方法では鋳型から逃げる熱量が大きいと狙いとする
合金層を得ることは難しく、たとえ合金層をつくっても
十分な合金元素の拡散が安定して得られない欠点があ
る。

しかし、本発明者の実験研究によれば、ライナ部に形成
せしめる合金層の添加元素によっては、注湯温度、注湯
時間等の鋳造プロセス条件を特別に管理することによ
り、添加元素粉末の溶融拡散が促進され且つ安定化させ
ることが可能であることを見い出し、本発明をなしたも
のである。

すなわち、本発明は、鋳鉄製スリーブレスシリンダブロ
ックの鋳造に際し、鋳型内壁面に、Ｐ系合金粉末と、こ
のＰ系合金粉末に対してフェロクロム粉末及びAlが3.3
重量％以下のフェロボロン粉末のうち１種又は２種を20
重量％以下を含む粉末塗布層を設けた後、注湯温度を13
80〜1430℃の範囲内とし、かつ、注湯時間を製品素材重
量が120kg未満のときは６〜15秒、120〜250kgのとき10
〜25秒の範囲内で注湯することを特徴とするライナ部に
耐摩耗組織を有する内燃機関用鋳鉄製スリーブレスシリ
ンダブロックの製法を要旨とするものである。これによ
り、Ｐ系合金粉末の溶融拡散が促進されると共に安定化
し、ステダイトが晶出した耐摩耗組織をコントロールさ
れた範囲で有するライナ部を得ることができ、一方、ラ
イナ部を除くブロック本体は通常の鋳鉄又は合金鋳鉄で
鋳造性に優れ、大量生産が可能である。

以下に本発明を実施例に基づいて詳細な説明する。

まず、本発明では、鋳鉄製スリーブレスシリンダブロッ
クの鋳造に際し、通常の鋳鉄又は合金鋳鉄を用いた注湯
に先立って、少なくともＰ系合金粉末を含む合金粉末を
塗布等々の適宜態様にてライナ部に相当する鋳型表面に
設ける。Ｐ系合金粉末としては、Fe−Ｐ粉末、Cu−Ｐ粉
末等を用い、Ｐの含有量を目的とする鋳物表面から７〜
8mmまでの間でＰとして0.25〜0.6wt％にコントロールす
るに足りる量を使用するのが好ましい。

なお、Fe−Ｐ、Cu−Ｐ合金粉末単体の使用では、溶湯温
度、鋳物形状、肉厚などによりＰ拡散量に偏りを生じる
ことがある。このような場合には、Fe−Ｂ及び／又はFe
−Cr粉末を所定量で添加混合させるとＰ系合金粉末の溶
融拡散のバラツキが小さくなり、Ｐ拡散量が一定化しや
すいことが実験により判明した。特に、Ｐ系合金粉末と
してCu−Ｐ合金を使用する場合にはFe−Ｂ合金を添加混
合し、Fe−Ｐ合金を使用する場合にはFe−Cr合金を添加
混合すると、Ｐの安定拡散が図れるので好ましい。

これらの混合量としては、Ｐの拡散を目的とする範囲内
にとどめるために、Ｐ系合金粉末に対して20wt％以下に
する必要がある。これよりも大いと、Ｐ系合金の溶融が
抑制され、Ｐの拡散が進まなくなる。また、あまり少な
すぎるとＰ系合金の単体塗布と同様になり、場所により
Ｐの拡散が進みすぎ、目的の加工面近傍ではＰが0.25〜
0.6wt％の好ましい範囲の下限値となり、それよりも深
い場所にＰが多くなる。

例えば、Cu−Ｐ粉末使用の場合にはFe−Ｂ粉末をCu−Ｐ
粉末に対して1/50〜1/5の重量割合で添加し、またFe−
Ｐ粉末使用の場合にはFe−Cr粉末をFe−Ｐ粉末に対して
1/20〜1/5の重量割合で添加して混合粉末とする。特
に、Fe−Ｂ粉末を混合する場合、Fe−Ｂ中の不純物Al量
が多いと溶湯熱によりAlがAl₂O₃となり、滓として塗布
層内に層をつくりＰの拡散を妨げるので、Al量を3.3％
以下のFe−Ｂ粉末を用いるのが好ましい。

次に鋳造条件について説明する。

本発明の最も重要な点は溶湯熱を利用して局部的にＰ系
合金の拡散を図ることである。したがって、注湯の条件
は本発明の実施に当たり重要な因子である。

まず、注湯温度は、溶湯熱の利用に関してできるだけ高
い方がＰ系合金の溶融拡散に有利である。しかし、溶解
作業のコスト的要因により上限があり、かつ、あまり高
いとＰの拡散が促進過剰となることが実験により明らか
となったため、上限値を1430℃とする。逆に注湯温度が
低すぎると溶湯熱の利用に不利となり、Ｐの拡散が低下
して所定Ｐ量の拡散深さが浅くなるので、1380℃を下限
値とする。

注湯速度は特に重要な因子であり、鋳造方案によって決
定されるが、一般には鋳造欠陥防止のため、静かに早く
注湯することが要求されている。本発明においてＰ系合
金の溶融拡散を促進し、安定させるためにも、注湯速度
はできる限り早い方が好ましい。速やかに鋳型内に溶湯
を満たすことにより、鋳型に奪われる熱量を少なくし、
溶湯温度の低下防止を図る必要がある。また塗布合金層
を溶湯がすばやく満たすことにより、拡散が安定する。
逆に早すぎることは介在物の噛込、鋳型の損傷などを招
き、鋳造欠陥の発生となる。本発明者の実験によれば、
適正な注湯速度は製品素材重量によって決まり、120kg
未満のものは６〜15秒、120〜250kgのものは10〜25秒の
注湯時間とすればよいことが判明した。

（実施例）次に本発明の実施例を示す。

実施例１スリーブレスシリンダブロック鋳物製品の重量が48kgの
ための鋳型を通常の方法で造型した。但し、鋳型のライ
ナ部に相当する表面にセラミックスファイバーを使用し
た。

次いで、ライナ部に相当する鋳型表面に、セルロースの
アルコール希釈溶液15％を添加したＰ系合金含有粉末を
塗布し、炉内で乾燥させた。なお、Ｐ系合金含有粉末と
しては、Fe−Ｐ（25wt％Ｐ含有）単体の粉末、このFe−
ＰにFe−Cr（55wt％Cr含有）を10:1の重量割合で混合し
た粉末、Cu−Ｐ（15wt％Ｐ含有）単体の粉末、このCu−
ＰにFe−Ｂ（20wt％Ｂ含有）を10:1の重量割合で混合し
た粉末の４種類の粉末にて比較試験を行った。

その後、得られた鋳型をセットし、T.C.:3.3wt％、Si:
2.0wt％、Mn:0.7wt％のほか、Sn:0.07wt％を含む合金鋳
鉄からなる溶湯を注湯温度1415℃、注湯時間11秒の条件
で注湯した。

鋳造後、ボーリング加工を行って得たライナ摺動面につ
いて、Ｐ量の分布を調べたところ、第１図の結果を得
た。同図より、表面から6mmまでの間のＰ量が0.25〜0.6
wt％の範囲内にあり、Cu−Ｐ粉末単体又はFe−Ｐ粉末単
体の場合に比べてＰ量のバラツキを一定の領域内にコン
トロールされていた。

実施例２スリーブレスシリンダブロック鋳物製品の重量がそれぞ
れ48kg、135kgのための鋳型を通常の方法で造型した。

次いで、ライナ部に相当する鋳型表面に、セルロースの
アルコール希釈溶液を15％を添加したＰ系合金含有粉末
を塗布した後、炉内で乾燥させた。なお、Ｐ系合金含有
粉末としては、Cu−Ｐ（15wt％Ｐ含有）とFe−Ｂ（20wt
％Ｂ含有）を10:1の重量割合で混合した粉末と、Fe−Ｐ
（25wt％Ｐ含有）とFe−Cr（55wt％Cr含有）を10:1の重
量割合で混合した粉末の２種類を使用した。

その後、得られた鋳型をセットし、T.C.:3.3wt％、Si:
2.0wt％、Mn:0.7wt％のほか、Sn:0.07wt％を含む合金鋳
鉄からなる溶湯を第１表及び第２表に示す各種注湯温
度、注湯速度の鋳込条件にて注湯した。

鋳造後、ボーリング加工を行って得たライナ摺動面につ
いて、Ｐ量の分布を調べたところ、第３図、第４図及び
第５図に示す結果を得た。図示より、注湯温度が1330℃
の場合、合金層の深さは浅すぎ、逆に1470℃の場合には
Ｐの溶融拡散が促進されすぎて表面からＰ量が漸増する
分布であり、目的とする位置でのＰ量が不足するのに対
し、1415℃の場合には所望のＰ量が適度な深さにわたっ
て拡散された良好な合金層が得られた。

また、第２図は注湯温度1415℃の場合の異なる製品重量
における合金層深さと注湯速度の関係を示したもので、
製品重量が48kgの場合、注湯時間が20秒と長すぎると、
合金層深さが不十分となるが、11秒のときは良好な合金
層が得られた。また製品重量が135kgの場合には、27秒
では合金層深さが不十分であり、15秒のときは良好な合
金層が得られた。

実施例３実施例２における混合粉末中のFe−Ｂとして、第３表に
示す化学成分（wt％）を有する２種類のFe−Ｂ粉末を用
い、同様の実験を行ったところ、Alが2.8％を含むFe−
Ｂ粉末を用いたときは特に問題はなかったが、Alが4.7
％に含むFe−Ｂ粉末を用いたときは、Ｐ系合金（Cu−
Ｐ）の溶融が進まず、Ｐの拡散が妨げられ、E.P.M.Aに
よる調査でAl₂O₃の滓が認められた（第７図（ａ）参
照）。なお、第７図（ｂ）はＰの面分析、（ｃ）はAlの
面分析、（ｄ）は○の面分析による結果をそれぞれ示し
たものである。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、内燃機関用鋳鉄
製スリーブレスシリンダブロックの鋳造に際し、鋳型表
面に塗布する合金粉末として、少なくともＰ系合金粉末
を含有し、これに特定量でフェロボロン及びフェロクロ
ムの１種又は２種を含有した混合粉末を使用すると共
に、注湯温度並びに製品素材重量に応じて注湯速度を規
制するので、ライナ部におけるＰ系合金粉末の溶融拡散
が促進され、かつ、安定させることができ、所望深さに
わたってＰ量をバラツキなく所定量にコントロールで
き、優れた耐摩耗組織を具備せしめることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１において得られた表面合金層
中のＰ量の分布を示す図、第２図、第３図、第４図及び第５図はそれぞれ実施例２
において得られた表面合金層中のＰ量の分布を示す図、第６図は実施例３において得られた表面合金層中のＰ量
の分布を示す図、第７図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ実施例３で得られた表
面合金層の金属組織の電子顕微鏡写真で、同図（ａ）は
S.E.M.像を示し、（ｂ）はＰの面分析結果を示し、同様
に（ｃ）はAlの面分析結果を示し、（ｄ）は○の面分析
結果を示している。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳鉄製スリーブレスシリンダブロックの鋳
造に際し、鋳型内壁面に、Ｐ系合金粉末と、このＰ系合
金粉末に対してフェロクロム粉末及びAlが3.3重量％以
下のフェロボロン粉末のうち１種又は２種を20重量％以
下を含む粉末塗布層を設けた後、注湯温度を1380〜1430
℃の範囲内とし、かつ、注湯温度を製品素材重量が120k
g未満のときは６〜15秒、120〜250kgのときは10〜25秒
の範囲内で注湯することを特徴とするライナ部に耐摩耗
組織を有する内燃機関用鋳鉄製スリーブレスシリンダブ
ロックの製法。
【請求項２】前記粉末塗布層は、Ｐ系合金粉末としてCu
−Ｐ粉末を使用するときは、フェロボロン粉末を２〜20
重量％の割合で混合したものを用い、Fe−Ｐ粉末を使用
するときは、フェロクロム粉末を５〜20重量％の割合で
混合したものを用いる特許請求の範囲第１項記載の方
法。