JP4646227B2 - 鋳鉄の鋳造方法及びその方法を使用した内燃機関用シリンダヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳鉄による鋳造に際し、その鋳造物の一部における耐摩耗性及び耐熱性を向上するようにした鋳造方法と、この鋳造方法を使用した内燃機関用シリンダヘッドの製造方法とに関するものである。

従来、内燃機関におけるシリンダヘッド等のように、部分的に耐摩耗性及び耐熱性が必要な部分には、耐摩耗性及び耐熱性を有する合金製の部材を、冷し嵌めにて固着するか、鋳込むようにしていたが、前記部材のガタ付き及び脱落が発生するおそれがあるばかりか、コストの大幅なアップ等を招来するという問題があった。

そこで、本発明者達は、先の特許出願（特願２００４−０５９４５５号）において以下に述べるようにした鋳造方法を提案した。

すなわち、この先願の鋳造方法は、
「鋳鉄の鋳造を行う鋳物型内に、０．５〜１．５ｗｔ％の黒鉛粉末と、３〜１０ｗｔ％の銅粉末と、１０〜２０ｗｔ％のニッケル粉末と、１０〜１５ｗｔ％の鉄−クロム合金粉末と、１５〜３０ｗｔ％のコバルト−モリブデン−クロム合金粉末と、残りが純鉄粉末を混合し固め成形して成る金属粉末圧粉体を配設し、次いで、前記鋳物型内に、溶融した鋳鉄を注ぎ込み、この溶融した鋳鉄の熱を利用して前記金属粉末圧粉体を焼結及び拡散させることにより、鋳造時に、鋳造物の一部に前記金属粉末圧粉体による焼結層を生成するとともに、その焼結層を鋳造物の母材に結合する。」
というものである。

この先願の鋳造方法において、前記金属粉末圧粉体に対する黒鉛粉末の添加は、焼結の促進及び鋳造物のうち前記金属粉末圧粉体の母材組織を耐熱性を有するオーステナイトにする効果を図るためであるが、その配合比が０．５ｗｔ％未満では焼結促進の効果が少なく、その配合比が１．５ｗｔ％を超えると炭化物の生成が多くなり靱性の低下及び被削性の低下が生じる。

前記金属粉末圧粉体に対する銅粉末の添加は、融点の低い銅による液相の発生にて焼結を促進する効果を図るためであるが、その配合比が３ｗｔ％未満では焼結促進の効果が少なく他の合金粉末における未拡散の部分が多く残り、その配合比が１０ｗｔ％を超えると液相の発生量が多くなるため焼結層の変形が生じて寸法精度が悪くなる。

前記金属粉末圧粉体に対するニッケル粉末の添加は、純鉄粉末に拡散して鋳造物のうち前記金属粉末圧粉体の母材組織をオーステナイトにする効果を図るためであるが、その配合比が１０ｗｔ％未満ではオーステナイト生成量が少なくなる一方、純鉄粉末が未拡散のままで残る部分におけるフェライト（このフェライトが多くなると、その分だけ前記オーステナイト生成量が少なくなる）及び黒鉛粉末だけが拡散している状態のままで残る部分におけるパーライト（このパーライトが多くなると、その分だけ前記オーステナイト生成量が少なくなる）が多くなって、耐熱性が低下することになり、また、その配合比が２０ｗｔ％を超えると添加量に見合った効果が得られない。

前記金属粉末圧粉体に対する鉄−クロム合金粉末の添加は、クロムの一部が純鉄粉末に拡散して鋳造物のうち前記金属粉末圧粉体の母材組織を耐熱性を有するオーステナイトにする効果と、未拡散の鉄−クロム合金粉末による耐摩耗性の向上の効果とを図るためであるが、その配合比が１０ｗｔ％未満ではオーステナイト生成量が少なくなる一方、純鉄粉末が未拡散のままで残る部分におけるフェライト及び黒鉛粉末だけが拡散している状態のままで残る部分におけるパーライトが多くなって、耐熱性が低下することになり、また、その配合比が１５ｗｔ％を超えると添加量に見合った効果が得られないばかりか、金属粉末圧粉体への固め成形性が悪化する。

前記金属粉末圧粉体に対するコバルト−モリブデン−クロム合金粉末の添加は、このコバルト−モリブデン−クロム合金は高硬度の硬質粒子であることから、これを分散することによる耐摩耗性の向上の効果と、コバルト及び／又はクロムの一部が前記金属粉末圧粉体の母材組織に拡散して、前記硬質粒子の母材組織への結合を強固にするとともに母材組織をオーステナイトにする効果とを図るためであるが、その配合比が１５ｗｔ％未満では耐摩耗性向上の効果が少なく、その配合比が３０ｗｔ％を超えると金属粉末圧粉体への固め成形性が悪化するために鋳造に際して十分な焼結が得られずに耐摩耗性が低下する。

そして、金属粉末圧粉体に対する純鉄粉末の添加は、粉末の混合物を所定の形状に固め成形するときにおける成形性向上の効果と、固め成形後における多孔質の密度を高くし空隙率を低くする効果とを図るためである。

前記先願の鋳造方法においては、鋳造物の一部における耐摩耗性を向上するために、金属粉末圧粉体にコバルト−モリブデン−クロム合金粉末を、１５〜３０ｗｔ％添加するものであるが、このコバルト−モリブデン−クロム合金粉末は、著しく高価であることにより、コストが大幅にアップするのであり、しかも、このコバルト−モリブデン−クロム合金粉末は、極めて高い硬度の硬質粒子であることにより、鋳造物の一部における耐摩耗性を向上できるものの、前記鋳造物のうち耐摩耗性を向上した部分に接当する相手部材における摩耗を増大させるという問題があった。

本発明は、基本的に前記先願の鋳造方法を踏襲するものの、金属粉末圧粉体による耐摩耗性の向上を、相手部材における摩耗を増大することなく、低コストで達成することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明における鋳造方法は、請求項１に記載したように、
「鋳鉄の鋳造を行う鋳物型内に、各種粉末を混合し固め成形して成る金属粉末圧粉体を設置し、次いで、前記鋳物型内に、溶融した鋳鉄を注ぎ込み、この溶融した鋳鉄の熱を利用して前記金属粉末圧粉体を焼結及び拡散させることにより、鋳造時に、鋳造物の一部に前記金属粉末圧粉体による焼結層を生成するとともに、その焼結層を鋳造物の母材に結合するようにした鋳造方法において、
前記金属粉末圧粉体における各種粉末の配合比が、黒鉛粉末０．５〜１．５ｗｔ％、銅粉末３〜１０ｗｔ％、ニッケル粉１０〜２０ｗｔ％、成分として鉄３７．２ｗｔ％とクロム６２ｗｔ％とを含む鉄−クロム合金粉末１０〜３０ｗｔ％、成分として鉄３８ｗｔ％とモリブデン６０．４ｗｔ％とを含む鉄−モリブデン合金粉末１０〜３０ｗｔ％、残り純鉄粉末になっている。」
ことを特徴としている。

次に、本発明におけるシリンダヘッドの製造方法は、請求項２に記載したように、
「前記請求項１の記載において、前記金属粉末圧粉体をリング状にして、このリング状の金属粉末圧粉体を、内燃機関におけるシリンダヘッドを鋳造する鋳造型内のうち、当該シリンダヘッドにおける吸気ポート及び排気ポートのいずれか一方又は両方における弁座部に設置し、この状態でシリンダヘッドを鋳造し、鋳造後に前記弁座部を、前記金属粉末圧粉体における焼結層がバルブシートに露出するように機械加工する。」
ことを特徴としている。

鉄−モリブデン合金粉末は、前記先願の発明において耐摩耗性を向上するために使用したコバルト−モリブデン−クロム合金粉末よりも遥かに廉価であるから、この鉄−モリブデン合金粉末を、前記コバルト−モリブデン−クロム合金粉末に代えて使用することにより、鋳造物の一部における耐摩耗性を、前記先願発明の場合よりも低コストで、確実に向上することができる。

この場合おいて、前記鉄−モリブデン合金粉末における配合比は、１０〜３０ｗｔ％にすることが好ましく、１０ｗｔ％未満では、耐摩耗性向上の効果が低く、３０ｗｔ％を超えると添加量に見合った効果を得ることができないのである。

鉄−モリブデン合金粉末は、高硬度な硬質粒子であり、これを焼結層に分散させることによって耐摩耗性を向上させる効果がある。

また、この粉末粒子は、鉄−モリブデン合金であるため、鋳造時の焼結の際に、焼結層内及び基地組織へ拡散して、基地組織との密着性を増し、焼結層内からの脱落を防止することができる。

一方、前記鉄−モリブデン合金粉末における硬度は、前記先願発明に使用したコバルト−モリブデン−クロム合金粉末における硬度よりも低いことにより、前記鋳造物のうち耐摩耗性を向上した部分に接当する相手部材における摩耗を、先願発明の場合よりも低くすることができる。

また、請求項２に記載した製造方法によると、吸気ポート及び排気ポートのいずれか一方又は両方の弁座部における耐熱性を向上し、且つ、前記弁座部におけるバルブシートの耐摩耗性と、このバルブシートに着座を繰り返すバルブ側における耐摩耗性との両方を同時に向上したシリンダヘッドを、より低コストで製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を、内燃機関における鋳鉄製のシリンダヘッドを鋳造することに適用した場合について説明する。

図１及び図２は、内燃機関における鋳鉄製のシリンダヘッド１を示し、このシリンダヘッド１は、従来から良く知られているように、その内部に、吸気ポート２及び排気ポート３と、冷却水ジャケット４とが形成され、前記吸気ポート２におけるシリンダヘッド１の下面１ａへの開口部には、ポペット型の吸気バルブ５が着座するバルブシート面６ａを有する弁座部６が、前記排気ポート３におけるシリンダヘッド１の下面１ａへの開口部には、ポペット型の排気バルブ７が着座するバルブシート面８ａを有する弁座部８が各々設けられている。

図３は、前記シリンダヘッド１を鋳造するための鋳造型Ａを示す、この鋳造型Ａは、前記シリンダヘッド１における下面を形成する下型Ａ１と、前記シリンダヘッド１の上面を形成する上型Ａ２と、前記吸気ポート２を形成する中子Ａ３と、前記排気ポート３を形成する中子Ａ４と、前記冷却水ジャケット４を形成する中子Ａ５とによって構成されており、この鋳物型Ａにおける空間部に、溶融した鋳鉄を注ぎ込むことにより、前記シリンダヘッド１を鋳造するように構成している。

この鋳造に際しては、前記吸気ポート２用の中子Ａ３及び排気ポート３用の中子Ａ４のうち、前記弁座部６、７の箇所に、図４に示すように、以下に述べる各種の金属粉末の混合物を多孔質のリング状に固め成形して成る金属粉末圧粉体Ｂを、当該金属粉末圧粉体Ｂが前記中子Ａ３、Ａ４の表面から突出するようにして固定装着しておき、この状態で、前記溶融した鋳鉄を注ぎ込むことで、この溶融した鋳鉄の熱を利用して前記金属粉末圧粉体を焼結及び拡散させることにより、鋳造時に、前記シリンダヘッド１のうち吸気ポート２及び排気ポート３における弁座部６、７の部分に前記金属粉末圧粉体Ｂによる焼結層を生成するとともに、その焼結層を鋳造物の母材に結合するようにする。

図５及び図６は、鋳造後におけるシリンダヘッド１を示すものであり、この鋳造されたシリンダヘッド１には、その下面１ａを二点鎖線Ｄ１で示すようにする機械加工するとともに、その吸気ポート２及び排気ポート３における前記下面１ａに対する開口部内を二点鎖線Ｄ２で示すようにする機械加工することにより、前記金属粉末圧粉体Ｂによる焼結層を、前記吸気ポート２及び排気ポート３の弁座部６、８における円錐形のバルブシート面６ａ、８ａに露出するのであり、これにより、前記吸気ポート２及び排気ポート３の弁座部６、８における耐摩耗性及び耐熱性を向上できる。

ところで、前記金属粉末圧粉体Ｂは、黒鉛粉末と、銅粉末と、ニッケル粉末と、鉄−クロム合金粉末と、鉄−モリブデン合金粉末と、残りが純鉄粉末を混合して、多孔質に固め成形して成るものであり、その各種粉末の配合比は、前記黒鉛粉末を０．５〜１．５ｗｔ％に、前記銅粉末を３〜１０ｗｔ％に、前記ニッケル粉末を１０〜２０ｗｔ％に、前記鉄−クロム合金粉末を１０〜３０ｗｔ％に、そして、前記鉄−モリブデン合金粉末を１０〜３０ｗｔ％にしている。

ここにおいて、前記黒鉛粉末の添加は、焼結の促進及びシリンダヘッド１のうち前記弁座部６、８の付近における母材組織を耐熱性を有するオーステナイトにする効果を図るためであり、その配合比が０．５ｗｔ％未満では焼結促進の効果が少なく、その配合比が１．５ｗｔ％を超えると炭化物の生成が多くなり靱性の低下及び被削性の低下が生じる。

前記銅粉末の添加は、融点の低い銅による液相の発生にて焼結を促進する効果を図るためであり、その配合比が３ｗｔ％未満では焼結促進の効果が少なく他の合金粉末における未拡散の部分が多く残り、その配合比が１０ｗｔ％を超えると液相の発生量が多くなるため焼結層の変形が生じて寸法精度が悪くなる。

前記ニッケル粉末の添加は、鉄粉末に拡散してシリンダヘッド１のうち前記弁座部６、８の付近における母材組織をオーステナイトにする効果を図るためであり、その配合比が１０ｗｔ％未満ではオーステナイト生成量が少なくなる一方、純鉄粉末が未拡散のままで残る部分におけるフェライト及び黒鉛粉末だけが拡散している状態のままで残る部分におけるパーライトが多くなって、耐熱性が低下することになり、また、その配合比が２０ｗｔ％を超えると添加量に見合った効果が得られない。

前記鉄−クロム合金粉末の添加は、クロムの一部がシリンダヘッド１のうち前記弁座部６、８の付近における母材組織に拡散して、この部分における母材組織を耐熱性を有するオーステナイトにする効果と、未拡散の鉄−クロム合金粉末による耐摩耗性の向上の効果とを図るためであり、その配合比が１０ｗｔ％未満ではオーステナイト生成量が少なくなる一方、純鉄粉末が未拡散のままで残る部分におけるフェライト及び黒鉛粉末だけが拡散している状態のままで残る部分におけるパーライトが多くなって、耐熱性が低下することになり、また、その配合比が１５ｗｔ％を超えると添加量に見合った効果が得られないばかりか、金属粉末圧粉体への固め成形性が悪化する。

前記鉄−モリブデン合金粉末の添加は、これを分散することによる耐摩耗性の向上の効果を図るものであり、その配合比が１０ｗｔ％未満では、耐摩耗性向上の効果が低く、その配合比が３０ｗｔ％を超えると添加量に見合った効果を得ることができない。

そして、前記純鉄粉末の添加は、粉末の混合物を所定の形状に固め成形するときにおける成形性向上の効果と、固め成形後における多孔質の密度を高くし空隙率を低くする効果とを図るためである。

次に、耐摩耗性の評価を、本発明による実施例１及び実施例２と、前記先願発明による比較例１及び比較例２とについて、以下に述べる実物単体摩擦試験によって実施した。

この実物単体摩擦試験は、前記弁座部６の部分を２００℃にした状態で、この弁座部６におけるバルブシート面６ａに対して、バネにて付勢されるポペット型の吸気バルブ５を、モータ駆動の回転カムにてその一回転当たり一回着座させることを、前記回転カムにおける毎分の回転数を１２００にして８時間にわたって継続することによって、前記バルブシート面６ａ側における摩耗量と、この着座する吸気バルブ５側における摩耗量との両方を測定するという実験である。

この実験において、前記実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２に使用する各種粉末における成分は、表１の通りにした。

また、前記各種粉末における粒径は、黒鉛粉末を除いて、表２の通りにした。

そして、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２において、各種粉末の配合比は、表３の通りにした。

そして、これら、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各々についての「実物単体摩擦試験」の結果は、図７の通りであった。

すなわち、前記実施例１及び実施例２のように、コバルト−モリブデン−クロム合金粉末を使用すること（比較例）に代えて鉄−モリブデン合金粉末を使用した場合には、バルブシート面６ａにおける摩耗は、比較例の場合よりも若干増大することになるものの、前記バルブシート面６ａに着座する吸気バルブ５側の摩耗は、比較例１及び２の場合よりも大幅に低減できるのであり、しかも、実施例１及び実施例２のように、コバルト−モリブデン−クロム合金粉末に代えて鉄−モリブデン合金粉末を使用した場合には、コストを、前記比較例の場合の約２５〜３０％程度に低減することができる。

また、前記した実験において、前記鉄−モリブデン合金粉末における配合比の下限値は、１０ｗｔ％であり、これより未満と少ない場合には、耐摩耗性向上の効果は低い。その結果を比較例２に示す。

この比較例２は、特に耐摩耗に影響すると考えられる粉末の配合比を下限以下に変更した場合であり、すなわち、鉄−モリブデン合金粉末を５ｗｔ％、鉄−クロム合金粉末を５ｗｔ％、ニッケル粉末を７．５ｗｔ％、その他は同じ配合比にした場合であり、この比較例２による「実物単体摩擦試験」の結果は、図７の通り、焼結層の摩耗は多い結果となった。

一方、前記鉄−モリブデン合金粉末における配合比の上限値は、３０ｗｔ％以下であり、これを超えて多くした場合は、添加量に見合った効果を得ることができない。

内燃機関用シリンダヘッドにおける一部を示す縦断正面図である。 図１の要部拡大図である。 前記シリンダヘッドにおける鋳物型の一部を示す縦断正面図である。 前記鋳物型に装填する金属粉末圧粉体の斜視図である。 鋳造したシリンダヘッドの一部を示す縦断正面図である。 図５の要部拡大図である。 実物単体摩擦試験の結果を示す図である。

１ シリンダヘッド
２ 吸気ポート
３ 排気ポート
４ 冷却水ジャケット
５ 吸気バルブ
７ 排気バルブ
６、８ 弁座部
６ａ、８ａ バルブシート面
Ａ 鋳物型
Ａ１ 下型
Ａ２ 上型
Ａ３、Ａ４、Ａ５ 中子
Ｂ 金属粉末圧粉体

Claims (2)

1. 鋳鉄の鋳造を行う鋳物型内に、各種粉末を混合し固め成形して成る金属粉末圧粉体を設置し、次いで、前記鋳物型内に、溶融した鋳鉄を注ぎ込み、この溶融した鋳鉄の熱を利用して前記金属粉末圧粉体を焼結及び拡散させることにより、鋳造時に、鋳造物の一部に前記金属粉末圧粉体による焼結層を生成するとともに、その焼結層を鋳造物の母材に結合するようにした鋳造方法において、
   前記金属粉末圧粉体における各種粉末の配合比が、黒鉛粉末０．５〜１．５ｗｔ％、銅粉末３〜１０ｗｔ％、ニッケル粉１０〜２０ｗｔ％、成分として鉄３７．２ｗｔ％とクロム６２ｗｔ％とを含む鉄−クロム合金粉末１０〜３０ｗｔ％、成分として鉄３８ｗｔ％とモリブデン６０．４ｗｔ％とを含む鉄−モリブデン合金粉末１０〜３０ｗｔ％、残り純鉄粉末になっていることを特徴とする鋳鉄の鋳造方法。
2. 前記請求項１の記載において、前記金属粉末圧粉体をリング状にして、このリング状の金属粉末圧粉体を、内燃機関におけるシリンダヘッドを鋳造する鋳造型内のうち、当該シリンダヘッドにおける吸気ポート及び排気ポートのいずれか一方又は両方における弁座部に設置し、この状態でシリンダヘッドを鋳造し、鋳造後に前記弁座部を、前記金属粉末圧粉体における焼結層がバルブシートに露出するように機械加工することを特徴とする内燃機関用シリンダヘッドの製造方法。