JPH0331545B2

JPH0331545B2 -

Info

Publication number: JPH0331545B2
Application number: JP57146649A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Fukuda; Akitoshi Okabayashi
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1982-08-23
Filing date: 1982-08-23
Publication date: 1991-05-07
Also published as: JPS5935650A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は強靭複合シリンダーライナーの製造方
法の提供に関する。内燃機関に使用されているシリンダーライナー
は、ピストンリングと同時摺動し気密性を保持し
なければならないことから、基本的に耐摩耗性と
耐焼付性が必要とされる。この目的のため、従来
シリンダーライナーの用途には、Ａ型黒鉛を有し
Cr、Ｂ、Ｐ、Ｖ、Mo、Nb等の耐摩耗性向上元
素を含有する特殊鋳鉄鋳物が専ら用いられてきて
いる。しかし乍ら、最近の内燃機関の大型化、またそ
の軽量化、低燃費化の要求に伴い、上記従来材質
では強度的に不足を来たしており、強度面での向
上が切望されている。強度の向上の目的のためには、ライナー材質に
より高強度のものを選ぶことも考えられるが、シ
リンダーライナー本来の必要特性である耐摩耗
性、耐焼付性を損うおそれがあり、実際上限界が
ある。またライナー肉厚を厚肉化することも有効
である。が、この場合には軽量化という目的には
逆行する。ところで、シリンダーライナーの使用状況と破
損原因について分析すると、 () 耐摩耗性、耐焼付性を必要とする部分は、
ピストンリングとの接触部、即ちライナー内表
面のみである。 () シリンダーライナーの破損は、その外表面
を起点とする。ことが知られる。そこで、炭素鋼や合金鋼等の強靭材で形成され
た外層内面にシリンダーライナー表面部材を形成
する特殊鋳鉄材を鋳込んで内層を形成した複合シ
リンダーライナーが実願昭54−57837号において
提案された。しかしながら、この複合シリンダーライナー
は、外層に内層を単に鋳継いだもの故、外層と内
層との溶着性に問題があり、溶着不良に起因して
熱伝導性が損なわれ、内層の耐焼付性、耐摩耗性
が劣るという問題がある。本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、
外内層の溶着性が良好でひいては熱伝導性に優れ
た複合シリンダーライナーが得られる製造方法を
提供することを目的とする。上記目的を達成するためになされた本発明の複
合シリンダーライナーの製造方法は、化学組成が
重量％でＣ1.0〜2.0％ Ni2.5％以下 Si0.6〜3.0％ Cr1.0％以下 Mn0.2〜1.0％ Mo1.0％以下Ｐ0.1％以下Ｓ0.1％以下残部Feおよび通常の不純物からなる黒鉛鋼溶
湯を遠心力鋳造して外層を形成し、次いで外層の
内面に耐摩耗性、耐焼付性に優れる特殊鋳鉄溶湯
を遠心力鋳造して内層を外層内面に溶着一体化す
ることを第一の発明の構成とするものである。ま
た、第一の発明の黒鉛鋼の合金成分のほか、Ti、
Al、Zrの一種又は二種以上を合計量で0.1％以下
含有する黒鉛鋼溶湯および内層用特殊鋳鉄溶湯を
用いて、遠心力鋳造により複合シリンダーライナ
ーを製造することを第二の発明の構成とするもの
である。以下本発明について詳述する。本発明の複合シリンダーライナーは、第１図に
示すような構造を具備してなる。すなわち、その
外層ａは後に詳述される強靭性に優れる黒鉛鋼材
質からなり、一方その内層ｂは耐焼付性、耐摩耗
性に優れる従来通りの特殊鋳鉄材質からなり、且
つ両者を遠心力鋳造により溶着一体化して構成さ
れている。なお外層ａと内層ｂとの遠心力鋳造により溶着
一体化によつて、外層ａと内層ｂとの間には両者
の中間的な組成の溶着層（中間層）ａ＋ｂを不可
避に生じることになる。すなわち、内層ｂを外層
ａに溶着せしめることによつて、外層材質の内層
ｂへのある程度の溶け込みは避けられない。このさい、もしその溶着層ａ＋ｂに使用目的に
よつては問題を生ずる場合では、第２図に示すよ
うに、予め別途中間層材質を用意しておき、外層
ａと内層ｂとの間に中間層ｃを介在させて対応す
ることもできる。すなわち、必要に応じては、ラ
イナー構造を三層以上のものに形成することもで
きる。このような多層構造を有する複合シリンダーラ
イナーは臨接する各層同士を良好に溶着一体化す
ることができる遠心力鋳造によつて製造される。
すなわち、まず外層を鋳込んだ後、適宜タイミン
グで内層材質を鋳込み、両者を溶着一体化する。
三層以上のものについても、同様に外層から順に
適宜タイミングで各層を鋳込めばよい。なお遠心力鋳造法には、横型、傾斜型、竪型の
いずれも適用可能である。次に本発明の複合シリンダーライナーの外層を
形成する黒鉛鋼材質について説明する。本発明では強靭性に優れるライナー外層材とし
て、次のような成分組成のものを使用することを
特徴とする。すなわち、外層はC1.0〜2.0、Si0.6
〜3.0、Mn0.2〜1.0、P0.1以下、S0.1以下、Ni2.5
以下、Cr1.0以下、Mo1.0以下を各重量％含み、
残部Feおよび通常の不純物からなり、ほぼ球状
の黒鉛と基地を主体とする黒鉛鋼からなる。本発明において、外層材として上記黒鉛鋼を使
用するのは、複合シリンダーライナーの外層を強
靭材で形成することのほか、遠心力鋳造により外
内層を複合化する上で種々の利点があるからであ
る。すなわち、単に外層に強靭材を配するというだ
けであれば、前記実願昭54−57837号において例
示されているように、炭素鋼や合金鋼等の低Ｃ鋼
材（通常、C0.6重量％以下）が良い訳であるが、
このような鋼材では凝固収縮が大きく、外層の遠
心力鋳造の際、遠心力鋳造用金型と外層との間に
隙間ができ、外層内面に鋳込まれた内層溶湯が前
記隙間を通つて金型に形成された細孔や金型両端
に嵌着された湯止めリングと金型嵌合部との隙間
等から流出するという欠点がある。この点、黒鉛
鋼は凝固収縮が少ないので、かかる欠点がなく、
鋳造作業性が良好である。尚、外層の鋳込時は、
金型は冷えているので、隙間等があつても、外層
溶湯は速やかに凝固し、流出することはない。また、低Ｃ鋼材を使用した場合、内層の特殊鋳
鉄（通常、C3.0〜4.0重量％）とのＣ％の差が大
きいため、内層溶湯のＣ％を低目に設定する等の
成分調整が必要となるが、外層を黒鉛鋼で形成し
た場合、内外層成分差が少なく、内層溶湯の成分
調整を行う必要がなく、鋳造作業性に優れる。また、外層を低Ｃ鋼材で形成した場合、内層が
凝固するまでに両層境界部のＣが外層側へ拡散
し、境界部に低Ｃ帯が形成され、凝固時にチル層
となつて生成し境界部の脆化を招来するという欠
点がある。この点についても、外層材として黒鉛
鋼を使用することにより、Ｃの外層側への拡散を
軽減することができ、境界部に低Ｃ帯の形成を防
止して強度を確保することができる利点がある。尚、外層における上記凝固収縮、成分変動、境
界部のＣ拡散の問題を防止するために、鋼材に匹
敵する強度を有し、Ｃ％が内層特殊鋳鉄と同等の
ダクタイル鋳鉄材を用いることが考えられる。し
かし、この場合、ダクタイル鋳鉄中のMgがMg
蒸気となつて、外層内面に鋳込まれた溶融状態の
内層を通過して抜け出し、このときMg蒸気が内
層の黒鉛形状を乱し、異常黒鉛が生成し、偏摩耗
が発生するという問題がある。それ故ダクタイル
鋳鉄を外層材として適用できないのが実情であ
る。以上の説明から明らかな通り、外層が強靭な複
合シリンダーライナーを遠心力鋳造するに当つて
は、良好な鋳造作業性、境界部および内層の品質
を確保するには黒鉛鋼を使用する以外にはなく、
本発明において外層材として黒鉛鋼を使用する技
術的意義は格別である。以下、本発明において使用する上記黒鉛鋼の化
学成分、顕微鏡組織等について、下記に詳述す
る。 () 化学成分Ｃ：1.0〜2.0％外層の黒鉛鋼材質は、ほぼ球状黒鉛と基地と
からなり（ただし少量のセメンタイトの晶出は
問題ない）、強靭性を最重要視するものである。
しかしてC1.0％未満では、溶解、鋳造温度が高
くなり、コストアツプを招く不利があり、一方
2.0％を超えると黒鉛が球状でなくなる傾向が
大となり、強靭性が低下する。 Si：0.6〜3.0％ Siは黒鉛の晶出と密接な関係があり、0.6％
未満では殆んど黒鉛の晶出が困難となり、強靭
性の劣化を招く。しかし3.0％を超えると、基
地中に固溶したSiの材質脆化の傾向が著しくな
る。 Mn：0.2〜1.0％ MnはＳと結合し、Ｓの悪影響を除去するの
に有効である。Mn0.2％未満ではその効果がな
く、一方1.0％を超えると材質を硬く、脆くす
るためである。Ｐ：0.1％以下Ｐは溶湯の流動性を高めるが、材質を脆くす
る本材質の場合0.1％以下とする。Ｓ：0.1％以下ＳもＰと同様に材質を脆弱にするため0.1％
以下とする。 Ni：2.5％以下 Niは黒鉛化と基地の強化に有効に作用する
が、2.5％を超えると経済的に不利となり、ま
たベーナイト、マルテンサイト、未変態組織を
発生し易くなり、かえつて脆くなる場合がある
ためである。 Cr：1.0％以下 Crは基地の強化作用と共に、セメンタイト
の安定作用を有する元素であるが、1.0％を超
えると黒鉛の晶出が困難となつて、強靭性を劣
化させるためである。 Mo：1.0％以下 MoはNiと同様に強靭性向上に効果を奏する
が、1.0％を超えると硬くなつて、かえつて強
靭性を劣化するためである。シリンダーライナーの外層を形成する黒鉛鋼
材質は、以上の各成分を含み、基本的には残部
Feおよび通常の不純物からなる。なお外層の黒鉛鋼材質には、更にその鋳造組
織を改善するためFeに代えて、次の元素の一
種又は二種以上を必要に応じ添加することがで
きる。 Ti、Al、Zrの単独又は複合添加：合計0.1％
以下これらの元素の一種又は二種以上を添加含有
せしめることによつて、黒鉛鋼材質における鋳
造巣の発生を確実に防止することができ、より
健全な材質が得られる。このさい、これらの元
素は全て強力な脱酸剤である故、過剰に添加す
ると過酸化状態をきたし、溶湯の流動性を阻害
する。このため、その添加量は合計量で0.1重
量％以下とする。 () 外層材質の接種次に外層材質の接種について述べる。一般に
接種によると、黒鉛化の助長および組織の微細
化に好結果をもたらすことが知られている。本
材質についても、接種技術を応用して、その鋳
込直前にCaSi、FeSi等の接種剤をSi分として
0.1〜1.0％添加すると、強靭性の向上に一層有
効となる。このさいの接種量は、0.1％未満で
は効果がなく、1.0％を超える必要もない。な
お接種後のSi含有量は、やはり上記0.6〜3.0％
の範囲に調整される。 () 外層材質の顕微鏡組織本材質の顕微鏡組織は、ほぼ球状の黒鉛と基
地が主体であり、少量の共晶セメンタイトが含
まれる場合もある。セメンタイトは脆いため、
本発明の目的からは、共晶セメンタイトの晶出
はできるだけ抑えられる方が望ましい。基地は
主としてパーライトであり、一部フエライト、
ベーナイト、マルテンサイト、残留オーステナ
イトが認められる場合がある。フエライトは靭
性面で優れており目的によつては析出させる方
が望ましい場合もある。ベーナイト、マルテン
サイト、残留オーステナイトについては、材質
を劣化させるため、発生しないように努めるべ
きである。以上外層材質について詳述したが、一方耐摩耗
性、耐焼付性が必要とされるライナー内層材質に
ついては、従来通り特殊鋳鉄材質を用いればよく
別段特色はない。なお本発明の複合シリンダーライナーは、鋳造
後残留応力除去のために400〜600℃程度の歪取り
焼鈍を行う必要がある。A₁変態点以上での熱処
理は、外層材質の強靭性向上には有効となり得る
が、反面コスト面で不利となり、また内層材質の
特性を変えるおそれがあるため、避ける方がよ
い。次に実施例を掲げて説明する。実施例次のような鋳造条件で、下表Ａ、Ｂの複合シリ
ンダーライナーを製造した。鋳造金型内径：720〓、外層鋳込厚：90mm、内層
鋳込厚：60mm

【表】 (注) 表中の〓−〓は量的測定が困難なことを示す。
上記複合シリンダーライナーの硬度分布を第３
図に示す。また下記に上記複合シリンダーライナー（外
層）の機械的性質を示す。 No. 引張強さ（Kg／mm²）伸び（％）Ａ 56.2 1.22 Ｂ 62.9 2.03 なお、従来の単層シリンダーライナーにおける
一般的な機械的性質は、引張強さ18〜25Kg／mm²、
伸び0.2〜0.8％の範囲にある。以上説明した通り、本発明の複合シリンダーラ
イナーの製造方法によれば、特定組成の黒鉛鋼を
用いて外層を遠心力鋳造し、次いでその内面に耐
摩耗性、耐焼付性に優れる特殊鋳鉄材を用いて内
層を遠心力鋳造して両層を溶着一体化したので、
強靭性に優れた外層と内層との溶着性も良好で熱
伝導性を損なうことがない。また外層の凝固収縮
が少ないため、遠心力鋳造用金型と外層との間に
凝固収縮による隙間が生じ難く、かかる隙間を介
して内層溶湯が金型外部へ流出するおそれがな
い。また、外層のＣ％と内層のＣ％との差が比較
的少ないので、内層溶湯の成分調整を特に行なう
必要がなく、凝固過程においても両層の境界に低
Ｃ帯ひいてはチル層が生成せず、境界部が溶着性
のみならず、強度的にも良好となる。更に、内層
の溶着の際における外層内面の溶融部の凝固収縮
が少なく、かつ外層の組織中に黒鉛が存在するた
め、残留応力の除去が容易であり、このためシリ
ンダーライナーとして高温下での使用中に変形が
生じにくく、内燃機関の性能維持に資することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明に係る複合シリンダー
ライナーの構造例を現わす横断面図である。第３
図は本発明に係る複合シリンダーライナーの断面
硬度分布例を現わす図である。ａ……外層、ｂ……内層。

Claims

【特許請求の範囲】１化学組成が重量％でＣ1.0〜2.0％ Ni2.5％以下 Si0.6〜3.0％ Cr1.0％以下 Mn0.2〜1.0％ Mo1.0％以下Ｐ0.1％以下Ｓ0.1％以下残部Feおよび通常の不純物からなる黒鉛鋼溶
湯を遠心力鋳造して外層を形成し、次いで外層の
内面に耐摩耗性、耐焼付性に優れる特殊鋳鉄溶湯
を遠心力鋳造して内層を外層内面に溶着一体化す
ることを特徴とする複合シリンダーライナーの製
造方法。２化学組成が重量％でＣ1.0〜2.0％ Ni2.5％以下 Si0.6〜3.0％ Cr1.0％以下 Mn0.2〜1.0％ Mo1.0％以下Ｐ0.1％以下Ｓ0.1％以下 Ti、Al、Zrの一種又は二種以上を合計量で0.1
％以下残部Feおよび通常の不純物からなる黒鉛鋼溶
湯を遠心力鋳造して外層を形成し、次いで外層の
内面に耐摩耗性、耐焼付性に優れる特殊鋳鉄溶湯
を遠心力鋳造して内層を外層内面に溶着一体化す
ることを特徴とする複合シリンダーライナーの製
造方法。