JPS63239342A - 鋳鉄製内燃機関用シリンダヘツドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は自動車用ディーゼルエンジン等の内燃機関に
使用される鋳鉄製シリンダヘッドおよびその製造方法に
関し、特にバルブシート部を改良したシリンダヘッドお
よびその製造方法に関するものである。

従来の技術 周知のように内燃機関のシリンダヘッドのバルブシート
部には優れた耐摩耗性と耐熱性が要求される。そこで鋳
鉄製シリンダヘッドについても、従来から耐摩耗性の優
れたＣｒ−ＭＯ系等の焼結合金をバルブシート部にイン
サートすることが行なわれている。しかしながらインサ
ートした場合、そのインサート部材とシリンダヘッド母
材との接触面が熱障壁となって熱伝導が悪くなり、その
ため特に熱負荷の高い場合にはバルブシート面からの放
熱・冷却に問題がある。またこのようなインサートによ
る方法では、予めインサート部材を別途製造・加工して
おかなければならないため、工程が複雑となる問題もあ
る。

そこで既に鋳鉄製シリンダヘッドのバルブシート部にレ
ーザ等の高密度エネルギ源を用いてＣｒを合金化し、イ
ンサートを用いることなくバルブシート部の高温耐摩耗
性を向上させる方法が「工業材料」第３２巻第３号Ｐ３
１〜３９の「レーザによる表面処理」の記事（特にＰ３
５〜３６）において報告されている。

発明が解決すべき問題点 前）小の報告におけるバルブシート部に対するレーザに
よるＱｒの合金化層は、合金化したままであって硬さが
）ｌｖ　７００〜８００と著しく硬いものであり、また
１０％を越える高濃度のｃｒを合金化してＣｒ炭化物主
体の組織としたものであることが記載内容から推察され
る。

このようなバルブシートでは硬さが高過ぎるため加工が
著しく困難であり、またバルブシート自体の耐摩耗性は
良好であっても、相手バルブのバルブフェース面を著し
く摩耗ざ甘る問題がおり、したがってシリンダヘッドの
バルブシートとしては実用的ではなかった。

そこで本発明者等は、前述の報告に示されているような
レーザ等の高密度エネルギを用いた合金化による鋳鉄製
シリンダヘッドのバルブシート部の耐摩耗性向上策の改
良を図り、バルブシート部の耐摩耗性に優れると同時に
相手バルブフェース面の摩耗も防止され、しかも耐熱性
にも優れるとともに加工性に優れかつバルブシート部の
欠けも防止されるようにした鋳鉄製シリンダヘッドおよ
びその製造方法を特願昭６１−１７１８３号において提
案している。

上記提案の鋳鉄製シリンダヘッドは、本体が鋳鉄からな
り、かつバルブシート部に相当する部位の表面に、Ｆｅ
よりも炭化物形成傾向が高い金属元素、例えばＣｒ、Ｍ
Ｏ等の１種または２種以上が合計で０．１〜１０重量％
含有された合金化鋳鉄層が０．２Ｍ以上の深さにわたっ
て形成されており、しかもその合金化鋳鉄層は、基地を
パーライトもしくはパーライト主体とするとともに２〜
１５％の残留セメンタイトが存在しかつ塊状黒鉛が晶出
した組織からなる硬さＨｖ　２５０〜４００の層とされ
ていることを特徴とするものである。

また上記提案の鋳鉄製シリンダヘッド製造方法は、鋳鉄
を原料としてシリンダヘッド本体を鋳造した後、そのシ
リンダヘッド本体のバルブシート部に相当する部位の表
面に、Ｆｅよりも炭化物形成傾向が高い金属元素、例え
ばＣｒＪ４ｏ等の１種または２種以上もしくはそれらの
合金またはそれらの１種または２種以上と鉄との合金を
配置し、その上からレーザ、ＴＩＧアーク等の高密度エ
ネルギを照射して急速溶融−急速再凝固させることによ
り、前記金属元素の１種または２種以上の合計濃度が０
．１〜１０重徂％となるように前記金属元素が鋳鉄に合
金化されかつチル化された合金層を形成し、次いでその
チル化合金層をＡ１変態点以上固相線温度未満の湿度域
に加熱した後冷却する熱処理を施して、基地をパーライ
トも（ツクはパーライト主体とするとともに２〜１５％
の残留セメンタイトが存在しかつ塊状黒鉛が晶出した組
織からなる硬さ）ｌｖ　２５０−４００の合金化鋳鉄層
を０．２．以上の深さにわたって形成することを特徴と
するものである。

以上のような提案による鋳鉄製シリンダヘッドにおいて
は、バルブシート部を前述のような組織の合金化鋳鉄層
とすることによって、耐摩耗性が優れると同時に相手材
としてのバルブフェース面に対する攻撃性も小さくでき
、しかも加工性も良好となり、ざらに靭性面でも有利と
なる。すなわち基地組織のパーライト自体がフェライト
基地の場合よりも耐摩耗性の点で有利であり、かつその
基地組織中に残留セメンタイトが存在していることによ
ってざらに耐摩耗性が向上しているのである。そしてま
たバルブシート部の合金化鋳鉄層は、Ｃｒ、Ｍｏ等の炭
化物形成傾向が高い金属元素が含有されることによって
組織中の残留セメンタイトおよびパーライトを構成して
いるセメンタイ１〜が強化・安定化され、これらを添加
していない場合と比較して耐摩耗性および耐熱性が著し
く改善されるのである。

しかしながら本発明者等がざらに実験・検討を重ねたと
ころ、上記提案の鋳鉄製シリンダヘッドは前述のような
優れた特性は有するものの、新たに別の問題が生じてい
ることが判明した。すなわち上記提案のシリンダヘッド
においては、炭化物形成元素を合金化しているためバル
ブシート部の合金化処理時のチル化が著しく、そのため
凝固収縮によりビード割れが発生し易く、したがって不
良率が高くなって歩留りが低下する問題がある。

また合金化処理を施した状態での合金層中のセメンタイ
トの量が多くしかもそのセメンタイトが強化されている
ため、合金化処理後の熱処理時にセメンタイトを分解さ
せて所要の残留セメンタイト量とするために相当な時間
を要し、そのため熱処理時間が長くなって生産性が低下
する問題がある。

ざらに前記提案の鋳鉄製シリンダヘッドでは、バルブシ
ート部の高温耐酸化性、高温耐食性の点で未だ充分では
なく、より一層の向上が望まれている。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、前
記提案をさらに改良して、バルブシート部の耐摩耗性お
よび相手攻撃性の点では前記提案の鋳鉄製シリンダブロ
ックと同等またはそれに近い性能を有し、しかもバルブ
シート部の合金化鋳鉄層の割れを防止するとともに熱処
理時間を短縮し、ざらに高温耐酸化性、高温耐食性を向
上させた鋳鉄製シリンダヘッドおよびその製造方法を提
供することを目的とするものでおる。

問題点を解決するための手段 第１発明の鋳鉄製シリンダヘッドは、本体が鋳鉄からな
り、かつバルブシート部に相当する部位の表面に、Ｆｅ
よりも炭化物形成傾向が高い金属元素の１種または２種
以上が合計で０．１〜１０重量％含有されかつＡｆｌ　
０．１〜３重量％、Ｓｉ０．１〜１５重間％の一方また
は双方が合計で１５重最％以下含有された合金化鋳鉄層
が０．２ｍｍ以上の深さにわたって形成されており、し
かもその合金化鋳鉄層は、基地をフェライトおよび／ま
たはパーライトとするとともに２〜１５％の残留セメン
タイトが存在しかつ塊状黒鉛が晶出（）だ組織からなる
硬さＨｖ２５０〜４００の層とされていることを特徴と
するもので必る。

また第２発明の鋳鉄製シリンダヘッド製造方法は、鋳鉄
を原料としてシリンダヘッド本体を鋳造した後、そのシ
リンダヘッド本体のバルブシート部に相当する部位の表
面に、Ｆｅよりも炭化物形成傾向が高い金属元素の１種
または２種以上とＡ１．ｓ　＋の一方または双方もしく
はそれらの合金を配置し、その上から高密度エネルギを
照射して急速溶融−急速再凝固させることにより、Ｆｅ
より炭化物形成傾向が高い前記金属元素の１種または２
種以上を合計で０．１〜１０重伍％含有しかつＡＪ２０
．１〜３重弓％、Ｓｉ０．１〜１５重量％の一方または
双方を合計で１５重量％以下含有するように合金化され
かつチル化された合金層を形成し、次いでそのデル化合
金層をＡ１変態点以上固相線温度未満の温度域に加熱し
た後冷却する熱処理を施して、基地をフェライトおよび
／またはパーライトとするとともに２〜１５％の残留セ
メンタイトが存在しかつ塊状黒鉛が晶出した組織からな
る硬さＨｖ　２５０〜４００の合金化鋳鉄層を０．２ｍ
ｍ以上の深さにわたって形成することを特徴とするもの
である。

作　　　用 シリンダヘッドの本体となる鋳鉄としては、鋳造性、ｔ
ＪｕＴ性およびコストの面から、ＪＩＳ　ＦＣ２０゜Ｆ
Ｃ２５などの普通鋳鉄が好ましく、またその成分組成は
特に限定しないが、通常は主要成分であるＣは２．０〜
４．０重量％程度、Ｓｉは３．０重量％程度以下とされ
る。またこれらに脱酸のために微量のＣｅ、Ｍｇ等を添
加した鋳鉄を用いることもできる。

この発明では、上述のような普通鋳鉄等からなる鋳鉄製
シリンダヘッドのうち、特に耐摩耗性が要求される部位
、すなわちインテークバルブやエキゾーストバルブに対
するバルブシート部に相当する部位に、後述するような
合金化鋳鉄層が０．２馴以上の深さにわたって形成され
る。

この合金化鋳鉄層は、成分的には本体の鋳鉄成分のほか
、特に炭化物形成傾向がＦｅよりも高い金属元素、すな
わちＯｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、■、Ｔｉ、Ｚｒある
いはＭｎ等の金属元素の１種または２種以上を合計で０
．１〜１０重量％の範囲内で含有し、かつＡｉｌ’０．
１〜３重量％または／および３ｒｏ、ｔ〜１５臣間％を
合計で１５重重量以下の範囲内で含有するものである。

またその合金化鋳鉄層の組織は、基地としてのフエライ
１〜および／またはパーライトと、２〜１５％の残留セ
メンタイトと、塊状の晶出黒鉛とからなるものとされ、
その硬さがＨｖ　２５０〜４００の範囲内とされている
。

前述のようにＣｒＪ４ｏ等の炭化物形成傾向が高い金属
元素が含有されることによって、バルブシート部の合金
化鋳鉄層は、その組織中の残留セメンタイ１〜およびパ
ーライトを構成しているセメンタイトが強化・安定化さ
れ、これらを添加しない場合と比較して耐摩耗性および
耐熱性が著しく改善される。すなわち、バルブシート部
は、インテークバルブに対する部分で１５０〜２５０’
Ｃ，エキゾーストバルブに対する部分で２５０〜４００
　’Ｃとなるが、このような温度でも組織、硬さが著し
く変化せず、そのバルブシート部の耐摩耗性が低下しな
いのである。ここで、合金化鋳鉄層におけるＣｒ、Ｍｏ
等の炭化物形成元素の含有量が０．１重量％未満ではセ
メンタイトを強化して耐摩耗性、耐熱性を向上させる効
果が充分に得られず、一方１０重量％を越えれば最終的
に前述のような硬さ、組織に調整することが困難となる
から、炭化物形成元素の含有量は０．１〜１０重量％の
範囲内とした。

なおこの範囲内でも特に０．５〜３．０重量％の範囲内
が好ましい。

ざらにバルブシート部の合金化鋳鉄層は、Ｏｒ、ＭＯ等
の炭化物形成元素と併せて八！または／およびＳｉが合
金化されており、このようにＡｌまたは／およびＳｉを
含有させることによって、合金化処理時におけるチル化
が過剰となることが防止され、そのため合金化処理時の
その合金層の凝固収縮が小ざくなって合金層に割れ（ビ
ード割れ）が発生することが有効に防止される。また炭
化物形成元素と併せてＡｌまたは／およびＳｉを合金化
することにより、熱処理前の合金層中のセメンタイトが
過剰に強化されることが防止されるとともに、熱処理前
の状態での合金層中のセメンタイト量も炭化物形成元素
のみを合金化させた場合よりも少なくなり、そのため最
終的な熱処理により過剰なセメンタイトを分解させて残
留セメンタイト量を２〜１５％に調整するにあたって、
熱処理時間が短くて済むことになる。ざらに八！、Ｓｉ
はいずれも高温耐酸化性、高温耐食性の向上に有効な元
素であり、したがってＡＩまたは／およびＳｉの合金化
によってその合金化鋳鉄層からなるバルブシート部は高
温耐酸化性、高温耐食性が向上する。

なおここで合金化鋳鉄層におけるＡｌ、Ｓｉは、その邑
が多い・はど高温耐酸化性、高温耐食性は良好となるが
、Ａｌ＠が３％を越えるかまたはＳ１量が１５重量％を
越えれば残留セメンタイ１〜が残りにくくなって耐摩耗
性を急激に低下させる。またＡｌ、ｓ　ｉは、いずれか
一方を単独で添加しても、両者を同時に複合添加しても
、前述の効果を１昇ることができるが、複合添加の場合
の合計間が１５重最％を越えれば前記と同じ理由により
充分な耐摩耗性が得られなくなるから、複合添加の合計
量も１５重量％以下とする必要がある。一方Ａｊ２．　
ｓ　ｒがそれぞれ０．１重量％未満では上述の効果が充
分に得られない。したがってこの発明ではＡｆｏ、１〜
３重量重量Ｓｉ０．１〜１５重邑％のいずれか一方また
は双方を合計で１５重量％以下と規定した。なお八！、
Ｓｉの一方または双方の量は、合計で１〜１２重徂％の
範囲内が最も好ましい。

ざらに合金化鋳鉄層の金属組織に関しては、炭化物形成
元素の合金化と併せて、特に前述のような組織とするこ
とによって、耐摩耗性が優れると同時に相手材としての
バルブフェース面に対する攻撃性（相手摩耗性）も小さ
くでき、しかも加工性も良好となり、ざらに靭性面でも
有利となって欠けが生じにくくなる。

すなわち、先ずフェライトもしくはパーライトからなる
基地組織中に残留セメンタイトが存在していることによ
って既に述べように耐摩耗性が向上しているのであるが
、ここで残留セメンタイトが２％未満では充分な耐摩耗
性が確保できない。

一方残留セメンタイト徂が増大すれば耐摩耗性のみの点
からは有利であるが、相手バルブフェース面の摩耗が大
きくなり、また加工性も低下する。

本発明者等の実験によればバルブシート面の耐摩耗性を
確保しつつ相手バルブフェース面の摩耗を小さくしかつ
良好な加工性を得るためには、残留セメンタイト量が１
５％以下でおることが必要であることが判明しており、
したがって残留セメンタイト看は２〜１５％の範囲内と
した。一方組織中に晶出する黒鉛は、その形状が塊状で
あることによって、普通鋳鉄の如き片状黒鉛の場合と比
較して靭性面で有利となり、バルブシート面の欠けを防
止することができる。なおここで合金化鋳鉄層の基地組
織は、フェライトのみであっても、またパーライトのみ
でおっても良いが、通常はフェライトとパーライトとの
混相組織となることが多い。

ざらに合金化鋳鉄層の硬さに関しては、Ｈｖ　２５０未
満ではバルブフェース面の耐摩耗性を確保できず、一方
Ｈｖ　４００を越えれば相手バルブシートの摩耗が過大
となり、また加工性も低下するから、Ｈｖ２５０〜４０
０の範囲内とする必要がある。

上述のような成分、組織、硬さを有する合金化鋳鉄層の
深さが０．２Ｍでは充分な耐摩耗性、耐熱性が確保でき
ず、したがってその深さは０．２ｍ以上とすることが必
要である。

以上のように、所定量のＣｒ、Ｍｏ等の炭化物形成元素
とＡｌまたは／およびＳｉを合金化した、所定の組織、
所定の硬さ、所定の深さを有する合金化鋳鉄層をバルブ
シート面に形成しておくことによって、バルブシート面
自体の耐摩耗性の確保と相手バルブフェース面の摩耗防
止、加工性確保、欠けの防止、および耐熱性の確保を図
ることができるのみならず、特にＡｌまたは／およびＳ
ｉをも含有させておくことにより、合金化処理時におけ
る合金層の割れの発生の防止および熱処理時間の短縮、
ざらにはバルブシート部の高温耐酸化性、高温耐食性の
向上を図ることができたのである。

次に前述のようにバルブシート面に合金化鋳鉄層を有す
るシリンダヘッドの製造方法、すなわち第２発明につい
て説明する。

先ずシリンダヘッド本体の製造法としては、前述のよう
な普通鋳鉄等の鋳鉄材料を原材料として、砂型鋳造、金
型鋳造、あるいは各種圧力鋳造法等の通常の鋳造法によ
り鋳造すれば良い。

得られたシリンダヘッド本体に対しては、先ず高密度エ
ネルギ源を用いて、Ｃｒ、Ｍ０．Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、
Ｔｉ、ＺｒあるいはＭｎ等の炭化物形成元素とＡ１また
は／およびＳｉの合金化処理を行なう。すなわち、シリ
ンダヘッド本体における特に耐摩耗性、耐熱性が要求さ
れるバルブフェースの表面に、前述のようなＣｒ、ＭＯ
等の炭化物形成元素の１種または２種以上とＡｌまたは
／およびＳ１１あるいはそれらの合金（以下これらを合
金化材料と総称する）を配置し、その上からレーザ、電
子ビーム、プラズマアーク、ＴＩＧアーク等の高密度エ
ネルギを照射することにより、表面に配置された合金化
材料とその下側の鋳鉄母材表面層とを瞬時に急速溶融さ
せて鋳鉄に対しＣｒ、ＭＯ等の炭化物形成元素と八！ま
たは／およびＳｉを合金化し、続いてそのエネルギ照射
位置の移動もしくは照射停止によりその溶融した合金層
を瞬時に急速凝固させる。ここで、高密度エネルギの照
射により溶融した部分はシリンダヘラド全体の質量に比
べれば格段に小さい質量であるから、高密度エネルギ照
射位置の移動もしくは照射停止によってシリンダヘッド
母材側への熱移動により溶融した合金層は瞬時に凝固し
、チル化された合金層となる。但しそのチル化の程度は
、ＡｌヤＳｉを合金化しない場合と比較すれば少なくな
るから、凝固収縮も少なくなってビード割れの発生が防
止される。

なお、合金化材料をシリンダヘッド本体のバルブフェー
ス面に配置するための具体的手法としては、例えばそれ
らの粉末、圧粉体、薄板等を載置または溶射したりある
いはスラリーとして塗布したり、さらには必要部位に溝
を加工してその中に充填したりすれば良い。

なおまた、合金化材料の配合形態としては、Ｃｒ、Ｍｏ
等の炭化物形成元素のうちの一種の単体金属や、それら
のうちの２種以上の単体金属、あるいはそれらのうちの
２種以上からなる合金、あるいはそれらのうちの１種ま
たは２種以上と鉄との合金と、ＡｌあるいはＳｉの単体
金属もしくはそれらと鉄との合金とを、混合粉などの混
合状態や積層状態で用いたり、あるいは炭化物形成元素
の１種または２種以上とＡｌまたは／１Ｊ−３よびＳｉ
との合金からなる粉末などを用いたり、さらには炭化物
形成元素の１種または２種以上とへ！または／およびＳ
ｉと鉄との合金からなる粉末などを用いたりすれば良い
。

上述のような高密度加熱エネルギを用いた合金化処理の
ままでは、合金層はいわゆるチル鋳鉄組織が形成されて
おり、これは硬さＨｖ　５５０以上で、セメンタイト＋
トル−スタイト士マルテンサイト組織を呈している。こ
のようなチル鋳鉄組織では、硬さが高過ぎるため相手バ
ルブフェース面を著しく摩耗させ、また脆いため欠けが
生じやすく、さらには加工自体も困難であるから、その
ままでシリンダヘッドのバルブシート面に使用するには
支障がある。そこで合金化処理の後に、チル鋳鉄組織の
合金層を、前述の硬さ、組織に調整するための熱処理を
行なう。

この熱処理は、Ａ１変態点以上、固相線温度未満の温度
域で加熱保持することによって、基地組織（トルースタ
イト、マルテンサイト）のオーステナイト化とセメンタ
イトの一部分解・凝集および黒鉛化が進行し、残留セメ
ンタイト量が２〜１５％に調整されるとともに塊状黒鉛
の晶出が行なわれる。そして加熱保持後の冷却過程では
、フェライトおよび／またはパーライトへの変態が進行
して、最終的に前述のような組織が得られることになる
。

この熱処理における加熱保持時間は特に限定しないが、
既に述べたようにこの発明の場合へ！または／およびＳ
：の合金化によって合金化処理によるセメンタイトの過
剰な強化が防止されるとともに合金化処理直後のセメン
タイト量がＡｌまたは／およびＳｉを合金化しない場合
（炭化物形成元素のみの合金化の場合）゛と比較して少
量となるため、比較的短時間でセメンタイトの一部分解
を行なって残留セメンタイト量を２〜１５％に調整する
ことができ、したがって加熱保持時間は３０秒〜１０分
程度で足りる。もちろん具体的に最適な熱処理温度、時
間は合金化したＡｔｉ、ｓ　ｒの量、炭化物形成元素の
種類、量などによっても異なり、Ａｌ２、Ｓｉ量が少な
かったり、炭化物形成元素の添／ｌ［ｌ　但が多かった
り、添加した合金元素の炭化物形成傾向が特に強かった
り（例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂなと）の場合には、比較的
高温で長時間加熱することが望ましい。但し前述のよう
にＡｌまたは／およびＳｉを合金化しない場合と比較す
れば短時間の加熱で足りることは勿論である。また冷却
条件も合金化したＡｌまたは／およびＳｉの量や炭化物
形成元素の債や種類などによって異なるが、通常は空冷
とすれば良い。

なお以上の加熱処理においては、デル化合金層の部分の
みを加熱する局部加熱、例えば高周波誘導加熱や火炎加
熱（バーナ加熱）等を用いることが熱効率等の点から望
ましいが、場合によってはシリンダヘッド全体を加熱す
る炉中加熱を用いても良い。

以上のように、高密度エネルギを用いた合金化処理によ
り表面層にＣｒ、Ｍｏ等の炭化物形成元素およびＡｌも
しくはＳｉと鋳鉄とのチル化合金層を形成し、た後、熱
処理を施すことによって、前述のような組織、硬さを有
する合金化鋳鉄層をバルブシート面に形成することがで
きる。

なお前述の熱処理後は、適宜研削加工、研磨加工等の機
械加工を行なって最終的にシリンダヘッド製品に仕上げ
れば良い。

実施例 ［実施例１］ ＪＩＳ　Ｆｅ１２からなる鋳鉄基材の表面に合金化材料
として第１表のＡ、Ｂで示す２種の配合比のＣｒ−Ａ１
混合粉（１５０〜３５０メツシユ）をそれぞれ第１表中
に示す厚さとなるように溶射し、次いでＴＩＧアークに
より合金化・チル処理を行なった。

この処理条件は、平均電流１００Ａ、送り速度３／Ｉｔ
ＦＩＩ／　ＳｅＣとし、流速１２１’／ｍｉｎのアルゴ
ンガスをシールドガスとして用いた。この合金化・チル
処理によって第１表中に示すようなｃｐｓ度、Ａｌ濃度
の合金化チル層が形成された。次いでそれぞれ炉中加熱
によ゛す１０００’ＣＸ　３分間加熱した後、空冷する
熱処理を施した。

第１表 以上の処理によって形成された各合金化鋳鉄層について
、相手材としてバルブ材のＳ聞３を用いて人感式摩耗試
験を行なった。試験条件は、すべり距離１００ｍ、すべ
り速度０．３１　ｍ／Ｓｅｃ、最終荷重を６．３句とし
た。その摩耗試験結果を比較材についての試験結果と併
せて第１図に示す。なお比較材としては、ＪＩＳ　Ｆｅ
１２からなる鋳鉄基材にｃｒのみを合金化させたものを
用いた。この比較材のＴＩＧアークによる合金化・チル
処理条件および熱処理条件は前記と同じであり、またそ
の場合の合金化鋳鉄層のＱｒ濃度は１．５重量％である
。

また上記の摩耗試験に供したものと同じ試験片について
、大気中で５００℃Ｘ　１００時間の酸化試験を行ない
、試験前後の酸化増量を調べた結果を第２図に示す。

第１図、第２図に示すように、０ｒ−Ａｉ’を合金化し
た場合（本発明材Ａ、Ｂ）には、Ｃｒのみを合金化させ
た比較材と比べて摩耗量の増大を招くことなく酸化増量
を少なくすることができた。

すなわちへ！合金化により高温耐酸化性の向上を図るこ
とができた。

［実施例２］ ＪＩＳ　Ｆｅ１２からなる鋳鉄基材の表面に合金化材料
として第２表のＣ，Ｄ、Ｅで示す３種の配合比のＣｒ−
Ｓｉ混合粉（１５０〜３００メツシユ）をそれぞれ第２
表中に示す厚さとなるように溶射し、次いでＴＩＧアー
クにより合金化・チル処理を行なつた。その処理条件は
実施例１の場合と同じとした。このような合金化・チル
処理によって第２表中に示すようなＯｒ濃度、Ｓ１濃度
の合金化チル層が形成された。次いでそれぞれ炉中加熱
により１０００″ＣＸ　３分間加熱した侵、空冷する熱
処理を施した。

第２表 以上の処理によって形成された各合金化鋳鉄層について
、摩耗試験を実施例１の場合と同様な条件で行なった結
果を第３図に、また酸化試験を実施例１の場合と同じ条
件で行なった結果を第４図に示す。なお第３図、第４図
において比較材は実施例１について示した場合と同様に
ｃｒのみを濃度１，５重ｄ％で合金化させたものである
。

第３図、第４図に示すように、Ｑｒ−Ｓｉを合金化した
合金化鋳鉄層（本発明材Ｃ，Ｄ、Ｅ）では、摩耗量はｃ
ｒのみを合金化した場合（比較材）とほとんど変らない
が、Ｓｉｍが増すに従って酸化増量が著しく少なくなっ
ていること、すなわち高温耐酸化性が向上していること
が判る。

［実施例３］ ２４００ｃｃデイ一ゼル機関用４気筒シリンダヘッドを
製造するにあたって、先ずＪＩＳＦＣ２５鋳鉄にてシリ
ンダヘッド粗形材を通常の方法により鋳造した。

次いで第５図に示すようにシリンダヘッド粗形材１のイ
ンテークおよびエキゾーストのバルブシート部２を下加
工し、その部分に、１５０〜３５０メツシユのＣｒ−４
０％Ａｌａ合粉末をポリビニルアルコールをバインダと
して混練したものを厚さ０．５Ｍとなるように塗布し、
乾燥後、ＴＩＧアークにより合金化・チル処理を行なっ
た。この処理の条件は、平均電流７５Ａ、送り速度３＃
Ｍ１　／　ＳｅＣとし、流速１２１／ｍｉｎのアルゴン
ガスをシールドガスとして用いた。この処理によって、
バルブシート部に深さ２．６ｓ、Ｏｒ濃度３，９重量％
、へ２濃度２，２重徂％の合金化・チル層が形成された
。次いで各バルブシート部に、高周波誘導加熱装置を用
いて１０００’ＣＸ　１分間加熱した後空冷する熱処理
を施した。

以上の処理によってバルブシート部に、Ｃｒ３．９重量
％、Ａ１２．２重量％を含有しかつ金属組織が塊状黒鉛
＋１４％の残留セメンタイト士フェライト基地からなり
、硬さＨｖが３１０のＣｒ−Ａ１合金化鋳鉄層が形成さ
れた。その状態の概要を第６図に示す。第６図において
３が合金化鋳鉄層を示す。

なお上述の熱処理後には仕上げ加工を施した。

その仕上げ加工後のバルブシート部付近の概要を第７図
に示す。なお仕上げ加工後の合金化鋳鉄層３の深さはｉ
、ｉｓである。

［比較例］ 実施例３におけるＣｒ−６０％Ｎｉ混合粉末の代りに、
純Ｃｒ粉末（１５０〜３５０メツシユ）を用いた点およ
び熱処理条件を１０００°ＱＸ　３分間とした点以外は
、実施例３と同じ方法、条件にて鋳鉄製シリンダヘッド
のバルブシート部に合金化・チル処理および熱処理を行
なった。

その結果、バルブシート部に、Ｃｒを１．５重量％含有
しかつ金属組織が塊状黒鉛＋８％の残留セメンタイト＋
パーライト基地からなる、硬さＨｖ３６０のＣｒ合金化
鋳鉄層が形成された。なお仕上げ加工後のＣｒ合金化鋳
鉄層の深さは０．８．である。

以上のような実施例３および比較例によるシリンダヘッ
ドにおける不良品率について調査した結果を述べる。

比較例のシリンダヘッド作成時には、ＴＩＧアークによ
る合金化処理時において、凝固直後にチル形成するため
の凝固収縮によって合金層にまれにビード割れが発生す
ることがあり、その確率は２％であった。４気筒で各気
筒２バルブのシリンダヘッドを作成する場合、１台当り
８ケ所処理する必要があるが、１台８ケ所のうち１ケ所
でもビード割れが生じればそのヘッドは不良となるから
、トータルとしての不良率は概ね１６％となる。

これに対しこの発明の実施例３によるシリンダヘッド作
成時には、ＴＩＧアークによる合金化処理時における合
金層のビード割れがほとんど発生せず、ビード割れによ
る不良率はほぼ０％であった。これは、Ａｌを同時に合
金化することによってチル化が少なくなり、そのため合
金化処理時の凝固収縮が少なくなったためである。

［実施例４］ 実施例３におけるＣｒ−４０％八！へ合粉の代りに、（
：ｒ−７０％Ｓｉ混合扮末（１５０〜３５０メツシユ）
を用いて、実施例３と同じ方法、条件にて鋳鉄製シリン
ダヘッドのバルブシート部に合金化・チル処理を行なっ
た。この処理によってバルブシート部に、Ｏｒｌ、８重
量％、Ｓｉ５．３重量％を含有しかつ金属組織が塊状黒
鉛＋９％の残留セメンタイト十フェライト基地からなり
、硬さＨｖが２９０の０ｒ−Ｓｉ合金化鋳鉄層が深さ２
．４Ｍにわたって形成された。この実施例４によるシリ
ンダヘッド作成時においても、合金化処理によるビード
の割れはほとんど発生しないことが確認された。その理
由は、実施例３について既に述べたところと同じである
。

発明の効果 この発明の鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドにおけるバ
ルブシート面は、所定の合金化鋳鉄層を形成したことに
よって、耐摩耗性に優れると同時に相手バルブフェース
面に対する攻撃性が少ないばかりでなく、ビード割れに
よる不良品発生率が少ないとともに耐高温酸化性、耐高
温腐食性が優れるなど、種々の優れた性能を有する。ま
たこの発明のシリンダヘッドは、本体部分は普通鋳鉄な
どの鋳造性、加工性に優れた鋳鉄を用いることができる
ため、鋳造性や加工性を損わずかつコスト的にも特に不
利とはならない。ざらにこの発明のシリンダヘッドは、
バルブシート面に従来の一般的な焼結合金インサート材
を用いた場合と異なり、バルブシート面の合金化鋳鉄層
が本体部分と一体に連続しているため、その間で熱障壁
が生じることなく、バルブシート付近における冷却性が
改善され、従来よりも内燃機関の高出力化が可能となり
、ざらにインサート材を用いた場合よりも製造工程が簡
略化されてコスト低減をもたらすことができる。

そしてまたこの発明のシリンダヘッド製造方法によれば
、前述のように優れたバルブシート而性能を有する鋳鉄
製シリンダヘッドを実質的に低コストで製造することが
でき、特に合金化処理後の熱処理時間を短縮できるため
、生産性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１における摩耗試験結果を示すグラフ、
第２図は実施例１における酸化試験結果を示すグラフ、
第３図は実施例２における摩耗試験結果を示すグラフ、
第４図は実施例２における酸化試験結果を示すグラフ、
第５図は実施例３におけるシリンダヘッド粗形材のバル
ブシート部付近を示す略解的な縦断面図、第６図は第５
図のシリンダヘッド粗形材のバルブシート部に合金化鋳
鉄層を形成した状態を示す略解的な縦断面図、第７図は
最終的に仕上げ加工を行なったバルブシート部付近を示
す略解的な縦断面図である。 １・・・シリンダヘッド粗形材、　２・・・バルブシー
ト部、　３・・・合金化鋳鉄層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）本体が鋳鉄からなり、かつバルブシート部に相当
   する部位の表面に、Ｆｅよりも炭化物形成傾向が高い金
   属元素の１種または２種以上が合計で０．１〜１０重量
   ％含有されかつＡｌ０．１〜３重量％もしくはＳｉ０．
   １〜１５重量％の一方または双方が合計で１５重量％以
   下含有された合金化鋳鉄層が０．２ｍｍ以上の深さにわ
   たって形成されており、しかもその合金化鋳鉄層は、基
   地をフェライトおよび／またはパーライトとするととも
   に２〜１５％の残留セメンタイトが存在しかつ塊状黒鉛
   が晶出した組織からなる硬さＨｖ２５０〜４００の層と
   されていることを特徴とする鋳鉄製内燃機関用シリンダ
   ヘッド。
2. （２）鋳鉄を原料としてシリンダヘッド本体を鋳造した
   後、そのシリンダヘッド本体のバルブシート部に相当す
   る部位の表面に、Ｆｅよりも炭化物形成傾向が高い金属
   元素の１種または２種以上とＡｌ、Ｓｉの一方または双
   方もしくはそれらの合金を配置し、その上から高密度エ
   ネルギを照射して急速溶融−急速再凝固させることによ
   り、Ｆｅより炭化物形成傾向が高い前記金属元素の１種
   または２種以上を合計で０．１〜１０重量％含有しかつ
   Ａｌ０．１〜３重量％、Ｓｉ０．１〜１５重量％の一方
   または双方を合計で１５重量％以下含有するように合金
   化されかつチル化された合金層を形成し、次いでそのチ
   ル化合金層をＡ＿１変態点以上固相線温度未満の温度域
   に加熱した後冷却する熱処理を施して、基地をフェライ
   トおよび／またはパーライトとするとともに２〜１５％
   の残留セメンタイトが存在しかつ塊状黒鉛が晶出した組
   織からなる硬さＨｖ２５０〜４００の合金化鋳鉄層を０
   ．２ｍｍ以上の深さにわたって形成することを特徴とす
   る鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドの製造方法。