JPH0771308A - 内燃機関用シリンダライナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関用シリンダライナの鋳造の容易化と
鋳造歩留りの向上を図る。 【構成】 本発明のシリンダライナは、上部シリンダラ
イナ１と下部シリンダライナ２が機械的に接合されてい
る。上部シリンダライナ１は、重量％でＣ： 1.0％〜
2.0％、Ｓｉ： 0.4〜 3.0％、Ｍｎ： 0.2〜 1.0％、を
本質的成分として含有し、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の
外層３と、耐摩耗性に優れる片状黒鉛鋳鉄の内層４とか
らなる複層材で構成される。下部シリンダライナは耐摩
耗性に優れる片状黒鉛鋳鉄の単層材で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関用シリンダライ
ナに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用シリンダライナは、通常、シ
リンダヘッド側端部を構成する上部は大きな熱負荷や圧
力がかかるために厚肉に形成されており、これに対し下
部は薄肉に形成されている。従来、シリンダライナの材
質として、耐摩耗性を有する片状黒鉛鋳鉄が使用されて
おり、その強度は約20kg/mm² (196MPa) 程度である。

【０００３】近年、内燃機関の高出力化に伴い、強度面
で不充分な場合があり、その対策としてシリンダライナ
の厚肉化が有効であるが、シリンダライナのコスト上
昇、および内燃機関の大形化を招くので適切でない。そ
こで、前記問題点に鑑み、外層には強靭性の優れた材
料、内層にはシリンダライナとしての特性を損なわない
従来から使用されている片状黒鉛鋳鉄を、遠心力鋳造に
より複合一体化した複層シリンダライナが例えば特開昭
５９−３５６５０号公報で提唱されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記複層シ
リンダライナの製造に関し、上部の厚肉部分と下部の薄
肉部分とを同時に鋳造することについて、下記の問題が
ある。 (1) 鋳造歩留り向上のために、上部と下部とでは鋳型径
に差を設けるが、凝固は外表面から進行するために、径
差が大きいと、外層と内層との溶着が不完全になり易
い。例えば、内層の鋳造タイミングを厚肉部に合わせれ
ば、薄肉部は溶着不良を発生し、反対に薄肉部に合わせ
れば、厚肉部で両材質の混合が大きくなる。 (2) 一方、肉厚を上部肉厚に合わせて、複層シリンダラ
イナ素材を鋳造すれば、外層、内層の溶着不良は解消す
るが、鋳造後、下部を機械加工により削り出す際、加工
代が大きいため、鋳造歩留りが悪くなり、また加工コス
トが高くなる。

【０００５】本発明は、かかる問題に鑑みなされたもの
で、鋳造の容易化と鋳造歩留りの向上を図ることができ
る内燃機関用シリンダライナを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のシリンダライナ
は、上部シリンダライナと下部シリンダライナが機械的
に接合された内燃機関用シリンダライナであって；上部
シリンダライナは、重量％でＣ： 1.0％〜 2.0％、Ｓ
ｉ： 0.4〜 3.0％、Ｍｎ： 0.2〜 1.0％を本質的成分と
して含有し、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で形成された外
層と、該外層の内面に溶着され、耐摩耗性に優れる片状
黒鉛鋳鉄で形成された内層とからなる複層材で構成さ
れ；下部シリンダライナは、耐摩耗性に優れる片状黒鉛
鋳鉄の単層材で構成されている。

【０００７】

【作用】シリンダライナの上部、下部を各々構成する上
部シリンダライナと下部シリンダライナとを別々に鋳造
することができるので、上部シリンダライナを強靱材か
らなる外層と耐摩耗性に優れる片状黒鉛鋳鉄からなる内
層とによって、溶着不良を発生させることなく容易に複
層化することができ、一方下部シリンダライナも最適な
肉厚に容易に鋳造することができる。また、前記上部シ
リンダライナの外層を所定の黒鉛鋼で形成したので、強
靱性に優れることは勿論、溶解温度が比較的低くてよ
く、鋳造性が良好であり、また内層材とのＣ成分差が鋳
鋼に比して少なく、両層の溶着性や溶着部の強度も良好
である。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１を参照しながら
説明する。図１は本発明に係る内燃機関用シリンダライ
ナの一実施例を示す半部縦断面図であり、１は厚肉に形
成された上部シリンダライナであり、２は薄肉に形成さ
れた下部シリンダライナである。なお、「上部」、「下
部」はシリンダライナのシリンダヘッド側からの部位を
示しており、シリンダヘッドを縦に配置した場合、各部
位はその名称通りとなり、横に配置した場合、シリンダ
ヘッド側となる前部が「上部」と、クランク側となる後
部が「下部」となる。

【０００９】前記上部シリンダライナ１は外層３の内面
に内層４が溶着された複合層であり、外層３の材質は化
学組成が重量％でＣ： 1.0％〜 2.0％、Ｓｉ： 0.4〜
3.0％、Ｍｎ： 0.2〜 1.0％を本質的成分として含有
し、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である。前記黒鉛鋼には
前記合金成分の他に、材質の特性を向上させるためにＮ
ｉ： 2.5％以下、Ｃｒ：1.0 ％以下、Ｍｏ： 1.0％以
下、Ｓｎ： 0.3％以下、Ｃｕ： 4.0％以下、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、希土類元素の１種以上の合計 0.1％以下、Ａｌ、Ｃ
ａ、Ｂａ、Ｓｒの１種以上の合計 0.2％以下の範囲内
で、これらの成分のうち１種以上を含有させることがで
きる。一方、内層４の材質は、シリンダライナ用鋳鉄と
して使用されている、耐摩耗性に優れる片状黒鉛鋳鉄で
ある。尚、上記外層材の化学組成の限定理由、および内
層材の好適な化学組成とその限定理由については後述す
る。

【００１０】上部シリンダライナ１は、遠心力回転円筒
鋳型に外層材を遠心力鋳造し、外層の内面が未凝固乃至
凝固直後に引き続いて内層材を遠心力鋳造し、外層の内
面に内層を溶着一体化する。遠心力鋳造用鋳型として
は、通常、金型に塗型を施したものが使用される。鋳型
の回転軸は、垂直、水平、傾斜のいずれでもよい。下部
シリンダライナ２は、前記上部シリンダライナ２の内層
４と同様の耐摩耗性に優れる片状黒鉛鋳鉄であり、経済
的な観点から遠心力鋳造されるが、置注鋳造により鋳造
してもよい。

【００１１】前記上部シリンダライナ１の下端外周部す
なわち外層の下端外周部が下端内周部に対して凹状に加
工されて下端面に段状接合部５が形成され、一方下部シ
リンダライナ２の上端部にはフランジ部が形成され、そ
の端面に前記上部シリンダライナ１の段状接合部５が嵌
合する段状接合部５が形成されており、両者は該段状接
合部５を介して同心状に機械的に接合（連結）されてい
る。すなわち、外層外周部に雌ねじが設けられ、一方下
部シリンダライナのフランジ部にボルト挿通孔が設けら
れ、図示省略のボルトにより両者が同心状に締結されて
いる。尚、段状接合部は上部シリンダライナ１の下端内
周部を凹状に形成してもよく、また接合方法としては、
上部シリンダライナ１の下端部にフランジ部を形成して
おき、これと下部シリンダライナのフランジ部とを適宜
のクランプ装置により連結するなど、適宜の接合手段に
より接合一体化することができる。また、下部シリンダ
ライナ２を肉厚部で分割、組立するようにしてもよい。

【００１２】次に、本発明の上部シリンダライナ１の外
層３の化学組成の限定理由と、顕微鏡組織等について詳
述する。 (Ｉ) 化学組成（単位：wt％） 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
（たた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、Ｃ 1.0％未満
では、溶解、鋳造温度が高くなり、コストアップを招く
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。

【００１３】Ｓｉ： 0.4〜 3.0％ Ｓｉは黒鉛の晶出と密接な関係があり、0.4 ％未満では
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により材質脆
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。Ｍｎ 0.2％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。

【００１４】外層材は以上の成分を本質的に含有し、残
部実質的にＦｅで形成されるが、材質特性を向上させる
ために下記の成分のうちの１種以上を、各成分の限定範
囲内で含有することができる。尚、Ｐは溶湯の流動性を
高めるが、Ｓと同様、本質的には不純物であり、材質を
脆くするため少ないほどよく、共に０．１％以下に止め
るのがよい。

【００１５】Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎ Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎは強靭性の向上に有効であり、
Ｎｉ2.5 ％以下、Ｃｒ1.0 ％以下、Ｍｏ1.0 ％以下、Ｓ
ｎ0.3 ％以下の１種もしくは２種以上の含有により、ラ
イナの強靭化が可能となる。各々の作用および成分限定
理由を以下に説明する。

【００１６】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、かえって脆
くなる場合があるためである。尚、好ましくは 0.4％以
上の含有が効果的である。

【００１７】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
困難となって、強靭性を劣化させるためである。尚、好
ましくは、0.1 ％以上の含有が効果的である。 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
％を超えると硬くなって、かえって強靭性を劣化するた
めである。尚、好ましくは 0.1％以上の含有が効果的で
ある。

【００１８】Ｓｎ：0.3 ％以下 上記外層材質はその鋳造条件によっては、基地中にフエ
ライトが過多となって、耐力、疲労強度の低下を招来す
ることがある。その場合、パーライト安定作用のあるＳ
ｎをその効果が飽和する 0.3重量％の範囲内で添加する
のが有効である。尚、好ましくは0.03％以上の含有が効
果的である。

【００１９】Ｃｕ： 4.0％以下 ＣｕはＳｎと同様にフエライトの析出を抑え、パーライ
トを安定化する作用がある。また耐腐食性を改善する。
シリンダライナの外面側は一般に水冷されており、外面
からの腐食もライナ破損の原因 (腐食疲労) となる。そ
のため、Ｃｕを含有させると、より、耐事故性が向上す
るが 4.0％を超えても効果は飽和するため、 4.0％を上
限とする。なお、好ましくは 0.1％以上の含有が効果的
である。

【００２０】Ｔｉ、Ｚｒ、希土類元素：１種以上の合計
が 0.1％以下 これらの元素の１種以上を添加含有せしめることによっ
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％以下とする。尚、
好ましくは0.02％以上の含有が効果的である。

【００２１】Ａｌ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ：１種以上の合計
が 0.2％以下 組織の微細化、黒鉛化を目的として、接種が行われてい
ることが知られている。本発明ライナにおいても、接種
を行なうことにより材質改善が計られることは後述の通
りである。接種効果は、時間とともにフエイディングを
起こすため、厚肉鋳物のような凝固まで長時間を要する
ものでは、通常のＦｅＳｉでは接種効果があまり期待で
きない。その場合、これらの元素を１種もしくは２種以
上含有させると接種の持続性が改善される。この目的の
ためには、１種もしくは２種以上の合計量が 0.2％以下
で良く、それ以上の含有では効果は比例的に向上しない
ため、コスト面で不利となる。尚、好ましくは0.02％以
上の含有が効果的である。

【００２２】(ＩＩ) 外層材質の接種 一般に、接種は鋳造組織の微細化、黒鉛化の助長のため
に有効である。そして上記材質についても接種技術を応
用すれば、より微細かつ均一に黒鉛の分布した材質が得
られる。このさい、接種量はＳｉ分として0.05〜1.0 ％
が適当である。すなわち0.05％未満では接種効果が期待
できず、一方 1.0％を超えても相応の効果が得られない
ためである。接種剤としては一般にＦｅＳｉが好適であ
るが、より接種効果は高めるものとして、ＣａＳｉま
た、Ｃａ、Ａｌ、Ｂａ、Ｓｒを１種もしくは２種以上を
含むＦｅＳｉがあり、この使用により、より組織の微細
均一な材質が得られる。なお接種後におけるＳｉ含有量
は前記限定成分範囲に調整される。

【００２３】(ＩＩＩ) 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、目的によっ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。

【００２４】次に、上部シリンダライナ１の内層４、お
よび、下部シリンダライナ２の材質について説明する。
この材質は、一般的に知られているように、片状黒鉛と
パーライト基地を主体とする耐焼付耐摩耗鋳鉄材が好適
であり、その好適な化学組成（wt％）は以下の通りであ
る。 Ｃ： 2.5％〜 4.0％、 Ｓｉ： 0.8〜 2.5％、 Ｍｎ：
0.3〜 1.5％、Ｐ： 0.05 〜1.5 ％、 Ｓ：0.3 ％以
下、 を本質的に含有し、残部実質的にＦｅからなり、好まし
くは下記成分の１種以上を同成分範囲内で含有すること
ができる。

【００２５】Ｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒの１種以上の合
計：1.0 ％以下 Ａｌ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、希土類元素の１種以上の合
計：0.2 ％以下 〔具体的実施例〕次に、上部シリンダライナの具体的製
造実施例を掲げる。下記表１の外層材溶湯を用いて外層
を遠心力鋳造し、その内面が凝固乃至未凝固状態のとき
に同表の内層材溶湯を鋳込み、外層の内面に内層が溶着
した上部シリンダライナ素材を得た。内層肉厚は10〜18
mmであった。これは、図１に示す、内径 φ800mm 、最
大外径φ1100mm、長さ 3060mm のシリンダライナの上端
から長さ 780mmの上部シリンダライナに該当するもので
ある。

【００２６】

【表１】

【００２７】前記上部シリンダライナ素材に下記の熱処
理を施し、内層（φ810 mmの位置）あるいは外層（φ10
00mmの位置) から試験片を採取し、引張試験を行うと共
に、内層成分を調べた。内層成分を表２に、引張試験結
果を表３に示す。 ・熱処理 実施例１、２：歪取り熱処理（６００℃×５ｈｒ保持後
炉冷） 実施例３、４：組織微細化と歪取り熱処理（９００℃×
５ｈｒ保持後、強制空冷し、６００℃×１０ｈｒ保持後
炉冷）

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】表３から、外層の黒鉛鋼材質は引張強さ50
0MPa以上と強靭性に優れており、図１のように下部シリ
ンダライナと機械的に接合（組立）一体化しても接合部
の強度に問題がないことが確認された。また、黒鉛鋼材
質は、800 ℃以上の高温熱処理（実施例３、４）によっ
て強靭性はより向上するが、600 ℃以下の歪取熱処理の
み（実施例１，２）でも、500MPa以上の引張強さを有し
ており、使用上問題はない。

【００３１】

【発明の効果】本発明のシリンダライナは上部シリンダ
ライナと下部シリンダライナを機械的に接合するように
したから、厚肉の上部シリンダライナと薄肉の下部シリ
ンダを別個に鋳造することができ、複層構造の上部シリ
ンダライナ及び単層構造の下部シリンダライナをそれぞ
れ容易に鋳造でき、また全体の鋳造歩留りを向上させる
ことができる。また、シリンダライナの上部のみを複層
化することができるため、全体を複層化するものに比し
てコストを低減することができる。また、前記上部シリ
ンダライナの外層材は、所定の黒鉛鋼で形成したので、
強靱性に優れるため、下部シリンダライナと強固に接合
でき、また溶解温度が比較的低くてよく、鋳造性が良好
であり、生産性に優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関用シリンダライナの一実
施例を示す半部断面図。

【符号の説明】

１ 上部シリンダライナ ２ 下部シリンダライナ ３ 外層 ４ 内層 ５ 段状接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 1/00 Ｄ 8109−3Ｇ Ｆ１６Ｊ 10/04 (72)発明者 後藤 順一 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号 日立造船株式会社内 (72)発明者 村田 直宏 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号 日立造船株式会社内 (72)発明者 開田 健介 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号 日立造船株式会社内 (72)発明者 吉野 末次郎 大阪府大阪市浪速区敷津東一丁目２番47号 株式会社クボタ内 (72)発明者 岡林 昭利 大阪府大阪市浪速区敷津東一丁目２番47号 株式会社クボタ内 (72)発明者 片山 博彰 大阪府大阪市浪速区敷津東一丁目２番47号 株式会社クボタ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部シリンダライナと下部シリンダライ
   ナが機械的に接合された内燃機関用シリンダライナであ
   って、 上部シリンダライナは、重量％でＣ： 1.0％〜 2.0％、
   Ｓｉ： 0.4〜 3.0％、Ｍｎ： 0.2〜 1.0％を本質的成分
   として含有し、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で形成された
   外層と、該外層の内面に溶着され、耐摩耗性に優れる片
   状黒鉛鋳鉄で形成された内層とからなる複層材で構成さ
   れ、 下部シリンダライナは、耐摩耗性に優れる片状黒鉛鋳鉄
   の単層材で構成されたことを特徴とする内燃機関用シリ
   ンダライナ。