JP2006326597A

JP2006326597A - シリンダブロック鋳造用ボアピン

Info

Publication number: JP2006326597A
Application number: JP2005149111A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Shimizu; 健一郎清水; Shigehiro Matsuno; 茂弘松野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】ボアピン表面の耐摩耗性を向上させることにより、シリンダボアの形成位置精度を良好に維持でき、従来材料に比べて耐用寿命が長いシリンダブロック鋳造用ボアピンを提供する。
【解決手段】シリンダブロックを鋳造する際にライナに嵌め込んで用いられるボアピンであって、該ボアピンがハイス系合金で形成されていることを特徴とする。前記ハイス系合金が質量％で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０〜４．５％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：０〜９．０％、Ｗ：０〜１０．０％、Ｖ：１．０〜１０．０％を含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用エンジン等のシリンダブロックを鋳造する際に用いるボアピンに関する。

自動車用エンジンのシリンダブロックは、軽量化を図るためにアルミニウム合金等の軽合金材料をダイキャスト法等で鋳造して成形される。そして、シリンダブロックにはピストンが摺動する部位であるシリンダボアが気筒の数に応じて形成される。しかしながら、シリンダボアをアルミニウム合金等の軽合金材料単体で形成した場合、ピストンの摺動に対して十分な耐摩耗性を得られない。このため、シリンダブロック成形の際に鋳型内のシリンダボア部に耐摩耗性材料からなる円筒状のライナ（スリーブとも称される）を配置しておき、このライナを軽合金で鋳ぐるむことによりシリンダボアを形成することが行なわれている。

シリンダボアの内面に設ける耐摩耗性に優れたライナとして、ＦＣ材（ねずみ鋳鉄）や、アルミニウム合金中に炭化ケイ素粒子や強化繊維等の強化材を分散させた複合材料などが用いられている。

この種のライナを備えたシリンダブロックを成形する場合、鋳型のキャビティ内にボアピン（入子とも称される）を突出させ、そのボアピンにライナを嵌め込んで保持させた状態で、キャビティ内にアルミニウム合金等の溶湯を充填する。このようなシリンダブロック鋳造用ボアピンに係わる先行技術として例えば以下のものが挙げられる。

特許文献１には、シリンダブロック鋳造用金型内のシリンダボアを形成すべき位置に、スリーブを装着するボアピンを配設して、ボアピンにその軸線方向に沿って基端部側から先端部側へ冷却室を形成すると共に、ボアピンの基端部側に、その開口端を冷却室内に臨ませて冷却液配管を挿入配設してなるボアピンの冷却構造において、冷却液配管の開口端の位置を金型配設時に、金型のシリンダヘッド接合部形成面位置またはこの位置近傍の金型の内方位置としたシリンダブロック鋳造用ボアピンの冷却構造が記載されている。

特許文献２には、シリンダボアを成形するための入子となるボア金型用ピンを有する鋳造金型に、ボア部を形成する筒状のシリンダライナを、そのボア金型ピンを挿入させて配置する工程と、鋳造金型内にアルミニウム合金溶湯を注湯し、鋳ぐるんで凝固させる工程とを含んでなるシリンダブロックの鋳造方法であって、ボア金型ピンは、鋳造後のシリンダライナの内周面が真円となるように、鋳造後の残留応力によるシリンダライナの内周面の変形を見込んでその断面が異形状に調製されているシリンダブロックの鋳造方法が記載されている。

特許文献３には、アルミニウム溶湯又はアルミニウム合金溶湯を、入子を有する鋳型内に注湯するステップと、溶湯が、入子及び鋳型の内側面によって形成された溶湯の流路が急激に絞られて細くなる挟路部を流れるステップと、この挟路部を流れた後、鋳型及び入子の間のキャビティに溶湯が充填保持されるステップと、このキャビティに充填保持された溶湯が凝固されるステップとを含んでなるアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造方法において、挟路部に近接する入子の端面に凹部を設け、凹部に溶湯が流れ込むことにより挟路部の溶湯の凝固を遅らせる鋳造方法が記載されている。

特開平６−７１４０５号公報特開２００２−１５３９６７号公報特開２００２−１７８１３３号公報

前述したようにライナを備えたシリンダブロックを成形する場合、金型のキャビティ内にボアピンを突出させ、そのボアピンにライナを嵌め込んで保持させた状態で、キャビティ内にアルミニウム合金等の溶湯を充填する。そして、鋳型内の溶湯が凝固した後に、鋳型内からライナを鋳ぐるんだシリンダブロックを取り出すとともに、ボアピンからライナを引き抜く。

そこで、ボアピンは十分な耐熱性とともに、耐摩耗性材料からなるライナから引き抜かれるため十分な耐摩耗性が要求される。従来のボアピンとして、ＪＩＳＳＫＤ６１相当の熱間工具鋼や、さらにこれに焼入れ、焼戻し等の熱処理を施した後、軟窒化処理を施して耐熱性、耐摩耗性を付与したものなどが使用されている。

一方、シリンダブロックのシリンダボアは形成位置の精度が高く要求されるため、ボアピンとライナは互いに緊密に嵌合されている。また、鋳造成形時、まれにボアピンとライナの嵌合部の隙間に微量の溶湯が差し込むことがある。また、ボアピンは溶湯や繰り返して使用される鋳型の熱の影響を受けて昇温して熱膨張する。

このような状態の中では、ボアピンとライナとを脱着すると両者がかじりやすくなる。このため、従来のボアピンにおいては、ボアピン表面の摩耗が著しくなり、シリンダボアの形成位置精度を良好に維持できなくなる、また損傷して耐用寿命が短くなるという問題があった。

この課題に鑑みて本発明は、ボアピン表面の耐摩耗性を向上させることにより、シリンダボアの形成位置精度を良好に維持でき、従来材料に比べて耐用寿命が長いシリンダブロック鋳造用ボアピンを提供することを目的とする。

本発明のシリンダブロック鋳造用ボアピンは、シリンダブロックを鋳造する際にライナに嵌め込んで用いられるボアピンであって、該ボアピンがハイス系合金で形成されていることを特徴とする。

前記本発明において、前記ハイス系合金が質量％で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０〜４．５％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：０〜９．０％、Ｗ：０〜１０．０％、Ｖ：１．０〜１０．０％を含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする。さらに、前記ハイス系合金が質量％で、Ｃｏ：１０．０％以下、Ｎｂ：１０．０％以下のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする。

本発明のシリンダブロック鋳造用ボアピンを形成するハイス系合金は、ＳＫＤ６１鋼に比べＶやＣｒを多量に含んだ高合金材であり、炭化物が微細に分散しているため耐摩耗性が十分得られる。

ハイス系合金には、ＭＣ系炭化物、Ｍ₂Ｃ系炭化物、Ｍ₆Ｃ系炭化物、Ｍ_７Ｃ_３系炭化物、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物およびＭ_２３Ｃ_６系炭化物のいずれか一種以上が比較的多く含まれるので耐摩耗性を著しく向上させることができる。これら炭化物の面積率の総和は２５％以下が好ましく、それより多くなると脆くなるので好ましくない。

さらに、硬さを確保するために、特に硬質であるＭＣ系炭化物およびＭ₂Ｃ系炭化物の面積率の総和は１０％以上が好ましい。また、針状やネットワーク状の共晶炭化物量が過多になると必要な機械的特性、特に靭性が確保できなくなるが、ＭＣ系炭化物を適切に晶出させることで、Ｍ₂Ｃ系炭化物、Ｍ₇Ｃ₃系炭化物のネットワークを分断し靭性を確保できる。

また、耐摩耗性をより向上させるために、本発明のシリンダブロック鋳造用ボアピンを形成するハイス系合金の表面に窒化処理を施して窒化物からなる皮膜層を形成するのが好ましい。さらに、金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬処理を行い、前記窒化物からなる皮膜層の表面に、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成するのとよりいっそう耐摩耗性が向上するので好ましい。

本発明のシリンダブロック鋳造用ボアピンに係わるハイス系合金の化学成分（質量％）は以下の範囲が望ましい。

Ｃ：１．０〜３．０％
Ｃは、耐摩耗性向上のための炭化物の形成と、基地への固溶による焼入れ・焼戻し時の基地硬さの向上に必要である。Ｃは、耐摩耗性の向上に寄与するＭＣ、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃、Ｍ₄Ｃ₃、Ｍ₂₃Ｃ₆系炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満では耐摩耗性を向上させるために有効な炭化物の晶出が少なく、また基地に固溶するＣが不足し、焼入れによっても十分な基地硬さが得られなくなる。一方、３．０％を超えると炭化物が粗大化しその晶出量も過大となり、靭性が劣化しやすい。

Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、またＭ₆Ｃ系炭化物中に固溶してＷ、Ｍｏなどの元素を置換して含有されるため、Ｗ、Ｍｏなどの高価な元素の節減を図るために有効である。Ｓｉが０．１％未満では脱酸効果が不足して鋳造欠陥を生じやすい。また、２．０％を超えると脆化が生じやすい。

Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。また、不純物であるＳをＭｎＳとして固定する作用がある。Ｍｎが０．１％未満では脱酸性に乏しい。また、２．０％を超えると残留オーステナイトを生じやすく、安定して十分な硬さを維持できない。

Ｎｉ：０〜４．５％
Ｎｉは必ずしも添加を必要としないが、添加した場合、焼入性を向上させ高硬度化させる効果を有する。Ｎｉ含有量が４．５％を超えると残留オーステナイトが過剰となりかえって高硬度が得られなくなる。より好ましいＮｉ含有量は０〜２．０％である。

Ｃｒ：３．０〜１０．０％
ＣｒはＣと結合し炭化物を晶出生成し、また基地に固溶し基地硬さを上げることで、耐摩耗性を向上させる。Ｃｒが３．０％未満ではその効果を十分確保できない。また、１０．０％を超えると、常温での残留オーステナイトが多くなるので、焼戻し回数が多くなり不経済となる。さらに、Ｃｒは比較的硬さの低いＭ₇Ｃ₃やＭ₂₃Ｃ₆系炭化物を形成し、多量の添加はこれらの炭化物が過剰となり耐摩耗性が劣化する。

Ｍｏ：０〜９．０％
Ｍｏは必ずしも添加を必要としないが、添加した場合、Ｃｒと同様にＣと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物を生成する。また高温で焼戻しを行う場合、その二次硬化に強く寄与する元素である。Ｍｏ含有量が９．０％を超えると、ＣとＶとＭｏのバランスにおいて、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物が多く晶出しすぎ、靭性が低下する。より好ましいＭｏ含有量は１．０〜８．０％である。

Ｗ：０〜１０．０％
Ｗは必ずしも添加を必要としないが、添加した場合、基地の焼入れ性を上げ、Ｃと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物を生成する。また、ＷはＣｒやＭｏと同様に硬い炭化物を生成するため、これらの元素に置換して添加することもできる。Ｗ含有量が１０．０％を超えると、Ｍ₆Ｃ系炭化物が粗大化し脆性が劣化するので好ましくない。

Ｖ：１．０〜１０．０％
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質なＭＣ系炭化物、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物を形成する。Ｖが１．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が不足する。Ｖが１０．０％を超えると、Ｃ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が初晶で晶出すれば凝固中に凝集偏析して脆性の劣化を引き起こすので好ましくない。より好ましいＶの含有量は、２．０〜８．０％である。

残部はＦｅおよび不純物元素とする。さらに、前記に加えてＣｏ、Ｎｂのいずれか一種以上を含有させることができる。

Ｃｏ：１０．０％以下
Ｃｏは炭化物の生成とは無関係に基地に固溶し、強靭性を増すとともに高温硬さと耐摩耗性を向上する効果がある。Ｃｏが１０．０％を超えるとその効果が飽和し、かつ高価になるのでこれを上限とした。

Ｎｂ：１０．０％以下
ＮｂはＶと同様に、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質なＭＣ系炭化物、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物を形成する。Ｎｂが１０．０％を超えると、靭性が低下するとともに、Ｃ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃が初晶で晶出すれば凝固中に凝集偏析して脆性の劣化を引き起こす。また、ＮｂはＶと置換可能であり、より好ましいＮｂおよびＶの合計含有量は、（Ｎｂ＋Ｖ）：２．０〜８．０％である。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施例のボアピンを示す概略断面図である。図１において、ボアピン１は直径７０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、ハイス系合金からなる単体製の母材２で形成されている。

まず、化学成分が質量％でＣ：１．９％、Ｓｉ：０．８％、Ｍｎ：０．４％、Ｃｒ：４．７％、Ｍｏ：５．７％、Ｖ：６．５％、Ｆｅ：残部のハイス系合金材のインゴットを１４５０℃で溶解し、鋳型に鋳込むことにより、ボアピン１の母材２を作製した。その後、この母材２を所定の形状に加工しボアピン１を製造した。

また、ハイス系合金中には、ＭＣ系炭化物、Ｍ₂Ｃ系炭化物、Ｍ₆Ｃ系炭化物、Ｍ_７Ｃ_３系炭化物、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物およびＭ_２３Ｃ_６系炭化物のいずれか一種以上の面積率の総和が１９％であった。ハイス系合金中の炭化物は主にＭＣ系炭化物が面積率で１３％、Ｍ_２Ｃ系炭化物が５％であった。

また、ボアピン１の母材２の内部には中空の冷却室５を設けて、冷却室５内に水等の冷却液を流し込み、ボアピン１を冷却してボアピン１の熱膨張を抑えて、嵌め込まれたライナ３の引き抜きを容易にする。４は鋳型であり、ボアピン１の基部がボルトなどにより固定されている。

このボアピンを自動車エンジンのシリンダブロックのダイカスト鋳造に用いたところ、本発明のボアピン表面の耐摩耗性を著しく向上させることができ、シリンダボアの形成位置精度を長期間にわたって良好に維持でき、従来材料に比べて耐用寿命が延びることを確認できた。

本発明のシリンダブロック鋳造用ボアピンによれば、シリンダブロックの鋳造において、ボアピン表面の耐摩耗性を著しく向上させることができ、シリンダボアの形成位置精度を良好に維持でき、従来材料に比べて耐用寿命が長いので、高品質のシリンダブロックを安定して製造できる。

本発明の実施例のボアピンを示す概略断面図である。

符号の説明

１ボアピン、２母材、３ライナ、４鋳型、５冷却室

Claims

シリンダブロックを鋳造する際にライナに嵌め込んで用いられるボアピンであって、該ボアピンがハイス系合金で形成されていることを特徴とするシリンダブロック鋳造用ボアピン。
前記ハイス系合金が、質量％で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０〜４．５％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：０〜９．０％、Ｗ：０〜１０．０％、Ｖ：１．０〜１０．０％を含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロック鋳造用ボアピン。
前記ハイス系合金が、質量％でさらに、Ｃｏ：１０．０％以下、Ｎｂ：１０．０％以下のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載のシリンダブロック鋳造用ボアピン。