JPH0378176B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はシリンダブロツクに係り、より詳細に
は、内燃機関用の鋳鉄製シリンダブロツクにおい
て別体に作製したスリーブ乃至ライナを備えてい
ない、所謂スリーブレスシリンダブロツク（以
下、スリーブレスブロツクという）の製造方法に
関するものである。

（従来の技術及び問題点） 内燃機関用のシリンダブロツクはシリンダの内
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）とウエツ
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ツク
全体を一体に製造したもので、スリーブレスシリ
ンダブロツク（スリーブレスブロツク）と称され
ている。

これらのいずれの型式のシリンダブロツクにお
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ツ
クは、普通鋳鉄や合金鋳鉄などの鋳鉄製が一般的
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は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
製し、ドライスリーブ或いはウエツトライナとし
てブロツク本体に装備されている。

このライナ型式のシリンダブロツクは、ライナ
部の材質がＰが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ド（燐化鉄
Fe₃P、セメンタイトFe₃C及びフエライトの三元
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
ブロツ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
の厚みを最少限確保する必要がある（ドライスリ
ー方式で約２mm、ウエツトライナ方式で約６〜10
mm）こと等々のため、構造上、多気筒シリンダの
ライナピツ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。

したがつて、今後はスリーブレスブロツクを採
用することが趨勢となるものと予想される。

もつとも、従来よりスリーブレスブロツクの製
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ツクの材質
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
摩耗性の改善を狙つた合金鋳鉄である。したがつ
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、ステダイドの晶出がないため、耐摩耗
性はステダイド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ツ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ツクにあつて
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0.15〜0.8％添加してライナ摺動面に
硬質のステダイドを晶出させて高耐摩耗性を得
る、すなわちブロツク全体を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ドが晶
出し、スデダイド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ツ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。

（発明の目的） 本発明は、前述の従来技術の欠点を完全に解消
し、従来のスリーブレスブロツク又はライナ型の
ブロツク本体と同等の良好な鋳造性を有し、か
つ、別体スリーブ乃至ライナと同等の優れた耐摩
耗性を有するスリーブレスブロツクを安価に製造
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。

（発明の構成） 上記目的を達成するために、本発明者等は、ス
リーブレスブロツクの材質としてライナ摺動面及
びその近傍にのみＰを含有させて硬質のステダイ
トを晶出せしめて高耐摩耗性を付与せしめ、しか
し該ライナ部を除くブロツク本体は普通鋳鉄乃至
合金鋳鉄製とし、このようなスリーブレスブロツ
ク全体を一体的に同時に鋳造可能な方策を見い出
すべく鋭意研究を重ねた。

そのために、まず従来の一体的鋳造技術につい
て適用の可否並びに欠点の分析を行つた。

鋳鉄又は鋳鋼鋳物の表面に合金層をつくる従来
の方法としては、既に金属被覆鋳造法（例、特公
昭48−20968号公報）などが知られているが、こ
れらの方法は鋳型の表面に合金粉末を厚く塗布
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、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、したがつ
て、厚肉で溶湯温度が高い場合に限られることが
判明した。

この点、今日のスリーブレスブロツクに使用さ
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ため、上記方法では合金
層を作つても十分な合金元素の拡散が得られない
欠点がある。因みに、上記従来方法では内燃機関
溶鋳鉄製スリーブレスブロツクを製造し得たとの
報告もなく、ましてやライナ部にＰを含む鋳鉄に
よりステダイトを晶出し得たとの報告もない。

なお、シリンダブロツク本体の鋳物表面に、Ｐ
を0.15％以上含む鋳鉄又は合金鋳鉄の溶湯を用い
て鋳包む方法も考えられるが、抑々上記溶湯は鋳
造性が悪く、かつ、ライナ部寸法が薄肉であるた
め、そのような方法は実用上不可能と云つても過
言ではない。

そこで、本発明者等は、上記従来方法の欠点が
注湯時の熱量不足に起因するとの原因究明の結果
に基づき、溶湯の熱を十分に確保する方法とし
て、鋳型表面にセラミツクスフアイバー等の非発
熱性を用いて鋳型から逃げる熱量を著減せしめ、
凝固時間を延長する方法を利用することにより可
能であるとの知見を得て、こゝに本発明をなした
ものであ。

すなわち、本発明に係る鋳鉄製スリーブレスシ
リンダブロツクの製造方法は、中子鋳型表面にセ
ラミツクスフアイバーなどの非発熱性断熱材を設
けて、注湯時に鋳型から逃げる熱量を著減し、該
表面に塗布したＰ又はＰと炭化物生成元素などを
拡散させてステダイド又は板状ステダイドをライ
ナ部にのみ晶出させることを骨子とするものであ
る。

このように中子鋳型表面に、Ｐを含む合金（以
下、Ｐ系合金という）粉末又は炭化物生成元素を
含む合金（以下、炭化物生成合金という）粉末と
の混合粉末をセルロース系、フエノール系樹脂等
のアルコール溶液をバインダとして塗布するに先
立つて、断熱材を設けることにより、中子鋳型か
らの熱の逃げを実質的に遮断できて溶湯の熱が十
分に確保され、したがつて、薄肉であつても溶湯
温度を格別に高める必要なくＰ及び炭化物生成元
素並びに上記Ｐ系合金や炭化物生成合金の他の成
分をライナ部に拡散することができ、ステダイト
又は炭化物を含む板状ステダイトが晶出した耐摩
耗組織のライナ部を得ることができる。一方、ラ
イナ部を除くブロツク本体は通常の鋳鉄又は合金
鋳鉄であるので、鋳造性に優れており、大量生産
が可能である。

以下に本発明を図面を参照しつつ詳細に説明す
る。

スリーブレスブロツクの鋳造に用いる鋳型は、
第１図に示すように、主型１と中子鋳型２からな
り、中子鋳型２はシリンダブロツクにピストン往
復用の空洞部を形成するためのものである。な
お、３はウオータジヤケツト部中子である。

本発明においては、中子鋳型２の表面に以下に
示す特殊処理を施し、該中子鋳型を用いて鋳造を
行うものである。

まず、造型した中子鋳型２の表面に図示の如く
非発熱性断熱材４を設ける。非発熱性断熱材４は
セラミツクスフアイバーなどの耐火性繊維を用い
るのが望ましいが、他の市販の断熱材を用いても
よい。これをライナ部に対応する中子鋳型表面に
適宜手段により保持するが、図示の如く中子鋳型
表面に凹部を形成し、その中に充填するように設
けるのが望ましい。断熱材４は注湯時に溶湯の熱
が中子鋳型２方向に逃げるのを防ぐ作用を有する
ので、その厚みは中子鋳型２の寸法、溶湯の種
類、鋳込み温度等々を考慮して適宜決めることが
できる。

次いで、セルロース、フエノール樹脂などのア
ルコール希釈溶液（セルロースが拡散上好まし
い）をＰ系合金粉末又は炭化物生成合金粉末との
混合粉末に重量比で約５〜30％添加し、よく撹拌
した粉末５を断熱材４の表面に所定量塗布する。

Ｐ系合金としては、Ｐは約５〜40％含むFe−
Ｐ、Ni−Ｐ、Cu−Ｐ、Sn−Ｐ又はこれらの多元
系合金などを用いることができる。また炭化物生
成合金としては、Ｂ、Cr、Mo、Ｖ等々の炭化物
生成元素を含むフエロ合金などを用いることがで
きる。

上記粉末５の塗布量は、目的とするライナ部に
おいて、Ｐを約0.15〜0.8％添加するのに必要な
Ｐ量をＰ系合金のＰ含有量から計算して適宜決め
ることができる。Ｐが0.15％未満ではステダイト
又は板状ステダイトの量が少なくなり、耐摩耗性
の向上が期待できなくなり、逆にＰが0.8％を超
えるとステダイト又は板状ステダイトが粗大化
し、強度上脆化し、また耐摩耗性からもリングと
の相性やステダイト又は板状ステダイトの剥離が
懸念されるので、これらの理由によりライナ摺動
面にＰを0.15〜0.8％含んだ耐摩耗組織とするの
が好ましい。

Ｐ系合金と炭化物生成合金の混合粉末の場合、
その混合比率は白銑化元素（炭化物生成元素）の
白銑化状態により変わり、例えば、Ｂの場合には
0.03〜0.1％の添加、Cr及びＶの場合には0.4〜0.8
％の添加が必要である。

粉末５を塗布した後、中子鋳型２は100〜200℃
の炉内にて20分〜１時間乾燥してアルコール等の
揮発性物質を気化・除去し、溶湯注湯時の熱によ
りガス発生の抑制を図る。

次に、これらの工程を終了した中子鋳型２は主
型１の所定位置にセツトされ、注湯工程に入る。
このときに用いる溶湯は、一般的な普通鋳鉄か又
は少量のCu、Cr、Sn、Sb、Mo等々を添加した
合金鋳鉄でエンジンとしての強度を保つ材質であ
ればよく、特に耐摩耗性を考慮する必要はない。
したがつて、特に鋳造性を阻害するＰなどの元素
は実質的に含まれず、その他の添加する合金量も
少なくてよい。もつとも、Ni及びCuを添加した
溶湯の場合、基地組織にNi、Cuが固溶して耐食
性が向上するし、またCu、Cr、Moなどを添加す
ると強度が増大し、或いはCaを添加すると接種
効果が期待できる。

溶湯は1340℃以上の如く一般的な注湯温度にて
注湯され、ライナ部に相当する合金粉末５を加熱
して鋳型に充満する。

このようにして加熱されたＰ系合金又は炭化物
生成合金は1200℃以上の高温になり、溶融し、溶
湯内に向かつてＰ又は炭化物生成元素が拡散され
る。この際、中子鋳型表面に断熱材４が設けられ
ているので、溶湯は高温に保持され、凝固終了ま
での時間が長くなる。したがつて、ライナ部肉厚
が薄い小型のスリーブレスブロツクにおいても、
Ｐ系合金は十分に加熱溶融され、Ｐは拡散してい
く。但し、炭化物生成合金は融点が高いため、拡
散性がよくないので、溶湯温度や肉厚などにより
板状ステダイトの晶出範囲が限定される場合があ
る。

凝固の過程においては、Ｐはステダイトとして
晶出し、炭化物生成元素がある場合には炭化物を
含む板状ステダイトとして晶出し、パーライト基
地に黒鉛及びステダイト又は板状ステダイトが分
布した耐摩耗組織のライナ部が得られる。ライナ
部は硬質であり、ステダイト晶出の場合には
Hv700〜900の硬度を示し、板状ステダイト晶出
の場合には更に硬く、Hv900〜1200（前者の約1.5
〜2.0倍）を示し、耐摩耗性が優れている。また
Ｐ系合金などの合金粉末５にNi、Cuを使用した
場合、基地組織にNi、Caが固溶して緻密化した
組織となり、耐摩耗性と共に耐食性に優れたライ
ナ部が得られる。

かくして得られたスリーブレスブロツクは、通
常の加工工程にてライナ部をボーリング加工され
るが、Ｐ及び炭化物生成元素は塗布表面から肉厚
内部へ拡散しているので、通常のボーリング加工
における取代ｔ（第２図）が1.5〜5.0mmで加工さ
れても、加工面、すなわちライナ摺動面６には約
0.15〜0.8％のＰが含まれており、ステダイトが
十分に晶出した耐摩耗組織を有している。すなわ
ち、第３図に示すように、Ｐは拡散度合に応じて
ライナ部に含まれるＰ量が漸減し、ステダイト又
は板状ステダイトの晶出量も減少するが、基地組
織はライナ部及び他のシリンダブロツク本体とも
に同質の組織を示している。

ライナ摺動面６及び取代部ｔは、通常の別体ス
リーブ（又はライナ）と変わらぬ組織や硬さを有
しているので、加工性は従来の別体スリーブと変
わるところがない。

なお、粉末５に炭化物生成合金を混合する場合
には、前述のように炭化物生成元素が拡散しにく
いため、肉厚が薄くて熱量も少ない小型のスリー
ブレスブロツクの製造よりも、ライナ部の肉厚が
十分に確保された比較的大型の、例えばライナ径
100mm以上の船舶用、建設機械用高負荷デイーゼ
ルエンジンの製造に好適である。この場合、ライ
ナ部の摩耗に対しては特に有効である。

（実施例） スリーブレスブロツク鋳造用の主型及び中子鋳
型（外径76mm）を通常の方法で造型した。

次いで、中子鋳型表面にセラミツクスフアイバ
ーを厚み10mmに取り付け、更にその表面に、セル
ロースのアルコール希釈溶液20％を添加したＰ−
Fe合金粉末（P24％）を塗布した後、炉内で乾燥
させた。なお、別途、上記Ｐ−Fe合金粉末にFe
−Cr、Fe−Ｂ合金粉末を添加した混合粉末を塗
布した中子鋳型も作製した。

得られた中子鋳型を主型にセツトし、T.C.3.3
％、Si2.0％、Mn0.07％のほか、Sn0.07％を含む
合金鋳鉄からなる溶湯を注湯した。

鋳造後、取代３mmでボーリング加工を行い、ラ
イナ摺動面を得た。ライナ摺動面はP0.4％を含
み、硬さは、各々Hv222（Ｐ系合金のみ）、Hv238
（Ｐ系合金＋炭化物生成合金）であり、いずれの
スリーブレスブロツクにも引け巣などの鋳造欠陥
が見られなかつた。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、スリー
ブレスブロツクの鋳造に際して、中子鋳型表面に
セラミツクスフアイバーなどの断熱材を介してＰ
系合金粉末又はこれに炭化物生成合金粉末を添加
した混合粉末を塗布し、かゝる中子鋳型を用いて
鋳造するので、Ｐなどを効果的に溶融拡散でき、
ステダイト又は板状ステダイトが晶出した硬質の
耐摩耗性に優れた組織をライナ部に有するスリー
ブレスブロツクを製造することができる。また、
注湯に供する溶湯として鋳造性の良い鋳鉄を使用
でき、しかも従来の別体スリーブ・ライナ方式の
ような多数加工工程を必要としないので、非常に
安価に大量に生産することができ、軽量、コンパ
クト化の趨勢にある各種内燃機関用鋳鉄製スリー
ブレスブロツクの製造に寄与するところが極めて
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実施に用いる鋳型
を説明する一部断面図で、第１図はシリンダブロ
ツクの上部を示す図、第２図は第１図のＡ部拡大
図、第３図はライナ部の深さとＰ含有量の関係を
示す図である。 １……主型、２……中子鋳型、２……ウオータ
ジヤケツト部中子、４……断熱材、５……合金粉
末、６……ライナ摺動面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ライナ乃至スリーブを具備せずにライナ部を
   一体的に有する鋳鉄製スリーブレスシリンダブロ
   ツクの鋳造において、ライナ部の中子鋳型表面に
   セラミツクスフアイバーなどの非発熱性断熱材を
   設け、更に該表面に対してＰを含む合金粉末をア
   ルコール溶液をバインダとして塗布し、乾燥し、
   しかる後に鋳湯してＰを拡散せしめ、ライナ部に
   のみステダイトを晶出させることを特徴とする鋳
   鉄製スリーブレスシリンダブロツクの製造方法。 ２ ライナ乃至スリーブを具備せずにライナ部を
   一体的に有する鋳鉄製スリーブレスシリンダブロ
   ツクの鋳造において、ライナ部の中子鋳型表面に
   セラミツクスフアイバーなどの非発熱性断熱材を
   設け、更に該表面に対してＰを含む合金粉末及び
   炭化物生成元素を含む合金粉末をアルコール溶液
   をバインダとして塗布し、乾燥し、しかる後に鋳
   湯してＰ及び炭化物生成元素を拡散せしめ、ライ
   ナ部にのみ板状ステダイトを晶出させることを特
   徴とする鋳鉄製スリーブレスシリンダブロツクの
   製造方法。