JPS61202768A - スリ−ブレスシリンダブロツクの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ックに係り、より詳細には、内燃
機関用の鋳鉄製シリンダブロッ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
スシリンダブロック（以下。

スリーブレスブロックという）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ッ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）とウェットライナ方式（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
にシリンダブロッ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ック（スリーブレスブロック）と
称されている。

これらのいずれの型式のシリンダブロックにおいても、
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
製造上程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ックは、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を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、トライスリーブ或いはウ
ェットライナとしてブロック本体に装着されている。

このライナ型式のシリンダブロックは、ライナ部の材質
がＰを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ト（燐化鉄Ｆｅ、Ｐ、セメ
ンタイトＦｅ、Ｃ及びフェ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ッ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（ドライスリ一方
式で約２ｍｌ１１、ウェットライナ方式で約６〜１０ｍ
ｍ）こと等々のため、構造上。

多気筒シリンダのライナピッ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。

したがって、今後はスリーブレスブロックを採用するこ
とが趨勢となるものと予想される。

もっとも、従来よりスリーブレスブロックの製造は実際
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ックの材質は、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
狙った合金鋳鉄である。したがって、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、ステダイトの晶出かない
ため、耐摩耗性はステダイト品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ッ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ックにあっても　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
トを晶出させて高耐摩耗性を１２）る、すなわちブロッ
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
鋳鉄ではステダイトが晶出し、ステダイト品出に起因し
て引は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ック等の複雑な形状の製品を
鋳造する際に引は巣が発生し、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ック又はライナ型のブロック本体と
同等の良好な鋳造性を有し、かつ、別体スリーブ部乃至
ライナと同等の優れた耐摩耗性を有する鋳鉄製スリーブ
レスブロッ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１本発明者等はスリーブレス
ブロッ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ック本
体は普通鋳鉄乃至合金鋳鉄製とし、このようなスリーブ
レスブロッ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った。

鋳鉄又は訪鋼紡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４８−２０９
６８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薙しく
、したがって、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ッ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っても十分な合
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用鋳鉄製スリーブレスブロックを製
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、シリンダブロッ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
上不可能と云っても過言ではない。

そこで１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。

中子鋳型芯部を空間にして断熱空間とし、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、こぎに本発明
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
ロックの製造方法は、中子鋳型芯部を空間にして断熱空
間とし、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１）を拡散させてステダイ１−をライナ部に
のみ品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、フェ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って、芯部に断熱空間を設けるこ
とにより、中子鋳型からの熱の逃げを実質的に遮断でき
て溶湯の熱がヒ分に確保され、したがって、薄肉であっ
てもｉ８　？Ａ湿温度格別に高める必要なくＰ及び上記
Ｐ系合金の他の゛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ック本体は通常
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■に本発明を図面を参照しつつ詳細に説明する。

スリーブレスブロッ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はシリンダブロッ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はウォータジャ
ケット部中子である。

本発明においては、スリーブレスブロックのライナ部に
耐摩耗組織を得る方法として、ライナ部の中子鋳型２の
表面にＰを含む合金（以下、Ｐ系合金という）粉末を塗
布し、注湯時の溶湯熱によってＰ及びＰ合金の他の元素
（Ｃｕ、Ｎｉなど）を鋳鉄の内に拡散させる方法をとる
ものであるが、この場合、熱量が小さいこと上記拡散は
進みにくくなるので、塗布層の熱移動を小さくすること
が重要である。

ところで、一般に鋳鉄鋳物用の中子鋳型に用いられる材
料は、珪砂をフェノール樹脂、フラン樹脂等によって結
合したもので、シェル型、コールドボックス型などの精
密鋳型が挙げられるが。

これらは金属に比べて熱伝導率は小さいが、空気に比べ
ると遥かに大きい熱伝導率を有している。

そこで、本発明では中子鋳型の内部（芯部）に空間をつ
くり−その空間を断熱空間４として溶湯の熱の逃げを防
止し、凝固時間の延長により溶湯の熱を十分に確保する
ものである。これにより中子鋳型表面に塗布したＰなど
の元素の溶融拡散を促進することができる。

その際、中子鋳型の厚みを一定にすることにより、溶湯
から中子鋳型に伝わる熱量を可及的に少なくすることが
好ましい。中子鋳型の厚みは製品肉厚の１．０〜２．０
倍にするのが好ましい。一般にスリーブレスブロックの
ライナ部肉厚はエンジンの使用目的から特に厚いものは
なく、エンジンのシリンダ径は通常６５〜１４０ｍｍ程
度であり、その場合のライナ厚さは約４〜１０ｍｍで、
鋳物の素材（加工前のもの）においては６〜１３ｍｍ程
度であるから、この間の肉厚であれば肉厚に等しい鋳型
の厚みで溶湯圧に十分に耐えられる。したがって、中子
鋳型の厚みの下限値はライナ部肉厚に等しい値（１，０
倍）にするのが好ましい。一方、上限値については、鋳
物の厚さが増加すると中子鋳型に逃げる熱量が大きくな
り、ライナ部の溶？ＪＪｔＤ置時間が短くなって、Ｐ及
びＣｕ、ＮｉなどのＰ系合金元素が鋳鉄内部に所定量拡
散するのが困難になるので、鋳鉄肉厚の２倍を限度とす
るのが好ましい。

次いで、セルロース、フェ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
末に重量比で約５〜３０％添加し、よく撹拌したＰ系合
金粉末５を所定量塗布する。

Ｐ系合金としては、Ｐを約５〜４０％含むＦｅ−Ｐ、Ｎ
１−Ｐ、Ｃｕ−Ｐ、５ｎ−Ｐ又はこれらの多元系合金な
どを用いることができる。

上記Ｐ系合金粉末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法めること
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。

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るガス発生の
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
定位置にセットされ、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。

したがって、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
。もっとも、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　’Ｃ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系合金は１２００℃以上の
高温になり、溶融し、溶湯内に向かってＰが拡散される
。この際、中子鋳型の芯部に断熱空間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。したがって、ライナ部肉厚が薄い小型のスリ
ーブレスブロックにおいても、Ｐ系合金は十分に加熱溶
融され、Ｐは拡散していく。

凝固の過程においては、Ｐは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、耐摩耗性が優れている。またＰ系合金粉末５にＮｉ
、Ｃｕを使用したＮ１−Ｐ、Ｃｕ−Ｐなどの場合、基地
組織にＮｉ、Ｃｕ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ックは、通常の加工
工程にてライナ部をポーリング加工されるが、Ｐは塗布
表面から肉厚内部へ拡散しているので、通常のポーリン
グ加工における取代ｔ（第２図）が１．５〜５　、０　
ｍｍ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の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ック
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。

（実施例） スリーブレスブロック鋳造用の主型及び中子鋳型（外径
７０ｍｍ、肉厚１０ｍｍ）を通常の方法で造型した。

次いで、中子鋳型表面に、セルロースのアルコール希釈
溶液１５％を添加したＰ　−Ｆ　ｅ合金粉末（２２４％
）を塗布した後、炉内で乾燥させた。

得られた中子鋳型を主型にセットし、Ｔ、Ｃ。

３．３％、Ｓｉ２．０％、Ｍｎ０．７％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でポ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Ｐｏ、３０％を含み硬さは
、Ｈｖ２１５であり、またスリーブレスブロックに引は
巣などの鋳造欠陥が見られなかった。

（発明の効果） 以上詳述したように１本発明によれば、鋳鉄製スリーブ
レスブロックの鋳造に際して、中子鋳型の芯部に断熱空
間を設け、該中子鋳型表面にＰ系合金粉末を塗布し、か
Ｎ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ックを
製造することかできる。また、注湯に供する溶湯として
訪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
レスブロッ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訪型を説明す
る一部断面図で、第１図はシリンダブロックの上部を示
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・・・
ウォータジャケット部中子 ４・・・断熱空間、　　　５・・・合金粉末、６・・・
ライナ摺動面。 第１関 第２ｉｍ 第３図

Claims (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ックの鋳造におい
   て、ライナ部の中子鋳型を精密鋳型とし、該中子鋳型の
   芯部を空間にして断熱空間にすると共に表面に対して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、しかる後に注湯して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スリーブレ
   スシリンダブロックの製造方法。