JPS62279255A - 鋳鉄製シリンダブロツクおよびその製造方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 この発明は自動車等に使用される内燃機関の鋳鉄製エン
ジンブロックに関し、特にアルコール燃料エンジンやＥ
ＧＲ（排気ガス再循環装置）装着車用エンジンなどに適
した耐腐食摩耗性の高い鋳鉄製シリンダブロックに関す
るものである。

従来の技術 一般に内燃機関に使用されるシリンダブロックの内周面
（シリンダボア）、特にピストンのトップリング上死点
付近には高い耐摩耗性が要求される。シリンダブロック
の内周面の耐摩耗性を向上させるだめの方法としては、
従来はメッキ法等の被覆法が主流であったが、最近では
鋳鉄製シリンダブロックや鋼製シリンダブロックについ
ては例えば特公昭６０−５６２５４号に示されるように
レーザ硬化処理を施す方法が提案されている。このレー
ザ硬化処理方法としては、高密度エネルギであるレーザ
を鋳鉄もしくは鋼からなるシリンダブロックの内周面の
所要箇所に照射して、その部分の表面層を急速加熱・急
速冷却することによってその部分を焼入れるレーザ焼入
処理と、特に鋳鉄からなるシリンダブロックの場合にそ
の内周面の所要箇所にレーザを照射することによってそ
の部分の表面層を急速短時間に再溶融・再凝固させ、こ
れによりその表面層を晶出黒鉛のない所謂チル組織から
なるチル硬化層とするレーザチル硬化処理とが提案され
ている。このようなレーザ焼入処理やレーザチル硬化処
理のようなレーザ硬化処理によれば、硬化が必要な部分
のみを局部的に硬化させることが容易であるとともに、
硬化層の深さなどを容易に制御することができる。

発明が解決すべき問題点 近年、石油資源の枯渇化が予想されるところから、内燃
別間の燃料としてメタノールを用いる研究が進められ、
一部では実用化も開始されている。

このようにメタノールを燃料として用いた場合、その燃
焼過程で蟻酸が生じ、その蟻酸によってシリンダボアが
腐食され、いわゆる腐食摩耗が進行するという問題があ
る。また最近ではＥＧＲ装着車が増加しているが、この
場合排気ガス中に含まれているＳＯＸとＨ２Ｏが反応し
て生じる硫酸によりシリンダボアの腐食摩耗が進行し易
いという問題がある。

しかるに前記提案のようなレーザ硬化処理を施した場合
は、通常の耐摩耗性は改善されるものの、上述のような
蟻酸、ＷｔＭ等による腐食摩耗に対しては余り効果がな
かったのが実情である。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、特
に鋳鉄製のシリンダブロックにおいて、通常の耐摩耗性
のみならず、耐腐食摩耗性をも充分に向上させたシリン
ダブロックおよびその製造方法を提供することを目的と
するものである。

問題点を解決するための手段 この発明の鋳鉄製シリンダブロックは、母材が普通鋳鉄
からなり、かつボア部内周面の少なくとも一部に、Ｃｒ
、ＮｉおよびＭｏのうち１種または２種以上を合計で１
〜１５重量％含有しかつチル化された合金化チル硬化層
が形成されていることを特徴とするものでおる。

またこの発明の鋳鉄製シリンダブロック製造方法は、シ
リンダブロック形状に作られた普通鋳鉄からなる母材の
ボア部内周面の少なくとも一部に、Ｃｒ、ＮｉおよびＭ
ｏのうちの１種また（ま２種以上を含有する合金化材料
を配し、その合金化材料の上から高密度エネルギを照射
して合金化材料およびその下側のシリンダブロック母材
の表面層を急速溶融・急速凝固させ℃、Ｃｒ、Ｎｉおよ
びＭｏのうちの１種または２種以上を１〜１５重量％含
有しかつチル化された合金化チル硬化層を形成すること
を特徴とするものである。

作　　　用 先ずこの発明の製造方法について説明する。

この発明の方法を実施するにあたっては、予め普通鋳鉄
によってシリンダブロック形状もしくはそれに近い形状
の母材を鋳造しておく。ここで母材の普通鋳鉄とは、従
来からシリンダブロックに使用されているＦＣ２０〜２
５などの普通ねずみ鋳鉄（片状黒鉛鋳鉄）を意味し、そ
の成分組成は特に限定しないが、代表的にはＣ２，１〜
４．０％、３ｉ０．５〜３゜５％を基本成分とし、その
ほかＭｎ０．２〜１．０％、Ｐｏ、０３〜０．８％、３
　□、０１〜０．１２％を含有し、残部がＦｅ＠主体と
するものでおる。

なおシリンダブロック用鋳鉄としては、従来からＮｉ１
Ｍ０１Ｃｒの１種または２種以上を合金成分として添加
したものを用いることもあり、この発明でもこれらの合
金成分も微量含有していても良いが、この発明では合金
化チル硬化層を設ける関係からして、母材の鋳鉄はそれ
らの合金成分を含有したとしても合計で最大１．０％未
満とする。

なお鋳造方法は従来と同様でおれば良い。

このような母材に対し必要に応じて適宜機械加工を施し
た後、その母材のボア部内周面のうら、耐腐食摩耗性を
向上させるべき部分、例えばピストンリングの上死点付
近の表面にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏのうちの１種または２種以
上を含有する合金化材料を配置する。この合金化材料の
配置手段としては、粉末の材料を直接配置したり、おる
いは粉末の混練物の状態で塗布したり、あるいは薄板の
状態で配置したりすれば良い。なおこの合金化材料の量
は、後述するように合金化チル硬化層のＣｒ、Ｎ　ｉ　
、Ｍｏｌが合計で１〜１５％の範囲内となるように、合
金化処理時における母材の溶融深さに応じて定めれば良
い。またこの合金化材料としては、合金化すべきＣｒ、
Ｎ　ｉ、Ｍｏのうちの１種からなる純金属材料、あるい
はそれらの２種以上からなる合金材料もしくは混合粉末
を用いるのが通常であるが、母材の主成分であるＦｅと
、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏのうちの１種以上との母合金であっ
ても良い。

上述のように合金化材料を配置した後、その合金化材料
の上から、レーザ、プラズマ、ＴＩＧアーク、電子ビー
ム等の高密度エネルギを照射する。

この照射によって合金化材料が急速溶融されるとともに
、その下側の母材鋳鉄の表面層が溶融され、その部分で
合金化材料溶融体と鋳鉄溶融体とが一体化する。すなわ
ち鋳鉄に対してＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏのうちの１種以上が合
金化される。続いて高密度エネルギビームの照射位置の
移動もしくは照射停止によって、その溶融された部分は
母材側への熱移動により急速冷却されて急速に凝固する
。

このようにして得られた凝固層は、凝固速度が速いこと
、および炭化物生成傾向の強いＮｉ、ＣｒあるいはＭｏ
が合金化されていることとが相俟って、黒鉛が晶出する
ことなく、白鋳鉄化されたチル化層となる。すなわち、
組織的には遊離セメンタイトとパーライトおるいはマル
テンサイトを主体とし、かつＮｉ５Ｃｒ、Ｍｏのうち１
種または２種以上が合計で１〜１５％合金化された合金
化チル硬化層が形成される。

このようにして得られた合金化チル硬化層は、Ｎｉ、Ｃ
ｒもしくはＭｏによってセメンタイトが強化されるとと
もに、遊離セメンタイト以外のマルテンサイトまたはパ
ーライトからなる基地組織の耐食性がＮｉ、Ｃｒ、もし
くはＭｏにより改善されている。そのため単に硬質であ
るばかりでなく、耐食性も充分におり、したがって蟻酸
やｖｔ酸等が存在する腐食環境下においても良好な耐腐
食摩耗性を示す。

なお上述のように高密度エネルギの照射によって合金化
チル硬化層を形成した後には、適宜機械加工を施してそ
の合金化チル硬化層の表面を平滑にすれば良い。

ここで、合金化チル硬化層に含有されるＣｒ１Ｎｉ、Ｍ
ｏは前述のところから明らかなように、耐腐食性を改善
して耐腐食摩耗性を良好にするための元素でおり、これ
らの含有量が合計で１．０％未満では耐腐食摩耗性の向
上が充分に得られない。

一方それらの合計量が１５％を越えれば、高密度エネル
ギ照射による合金化・チル化処理時に著しく割れ易くな
り、またこれらの元素の添加による耐腐食性向上効果は
通常５％前後で飽和する。したがって合金化チル硬化層
におけるＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏの合計含有量は１．０〜１５
％の範囲内とした。

なお合金化チル硬化層の厚みは特に限定しないが、通常
は０．１〜２．０ｍ程度が好ましい。

実施例 ［実施例１］ Ｃ３，３０％、Ｓｉ２．１６％、Ｍｒｌｏ、６７％、Ｐ
ｏ、０３％。Ｓ　Ｏ，０２９％、３ｂＯ，０３７％、残
部Ｆｅからなる片状黒鉛鋳鉄製シリンダブロックを用い
た、メタノール燃料用４気筒２０００ｃｃエンジンの各
気筒のシリンダブロックのボアにそれぞ次のような処理
を行なった。

Ｎ０１１気筒：無処理 Ｎα２気筒：レーザによるチル硬化処理Ｎｏ、３気筒：
レーザによるクロム合金化チル硬化処理Ａ ＮＯ１４気筒：レーザによるクロム合金化チル硬化処理
Ｂ ここで、ＮＯ１２〜Ｎ０１４気筒にあけるレーザ処理は
、いずれも鋳鉄製シリンダブロックのボアのトップリン
グ上死点からその下方２０Ｉｒｗｒ１の位置までの８Ｒ
ＶＡに対して行なった。またこれらの処理は、いずれも
出力１．５にΔのレーザを用い、ビーム送り速度１ｏｏ
ｏ簡／　ｍｉｎで行なった。なおＮ００２気筒に対する
チル硬化処理は、合金材材料を配置せずに、レーザをボ
アの処理すべき部分に直接照射して溶融・再凝固させた
単にチル硬化するだけの従来法による処理であり、一方
Ｎｏ、　３気筒みよびＮα４気筒に対する処理は、いず
れも予めボアの処理すべき部分に純Ｃｒ粉末をＰＶＡ　
（ポリビニルアルコール）で混練したものを塗布してお
き、その上からレーザを照射するこの発明の方法による
処理である。但しＮα４気筒における処理Ｂでのｃｒ粉
末塗布伍は、Ｎへ３気筒における処理ＡでのＯｒ塗布量
よりも多くした。

上述のようにして処理されたＮα２〜Ｎα４気筒のシリ
ンダブロックの概要を第１図に示す。第１図において１
は鋳鉄からなるシリンダブロック母材でおり、相手材で
あるピストンのトップリング上死点２から下方へ２０順
の＠域にわたって前記各処理による硬化層３が形成され
ている。Ｎα２気筒、Ｎ０１３気筒、Ｎ０８４気筒の硬
化層の断面組織写真を第２図、第３図、第４図に示す。

またそれぞれの硬化層のＣｒ濃度と硬さを第１表に示す
。

さらに上述のようにして処理した各気筒のシリンダブロ
ックを機械加工した後エンジンに組付けて、全負荷で２
００時間連続運転による実機耐久試験を行なった。但し
シリンダブロックに対する相手材ピストンのトップリン
グにはクロムメッキリングを用いた。そして耐久試験後
、各気筒のシリンダボアの最大摩耗量を調べた。その結
果も第１表中に併せて示す。

第　　１　　表 １１母材表面硬さを示す。

第１表に示すように、無処理の母材鋳鉄のままのＮｏ、
　１気筒のシリンダブロックおよび合金化を行なわない
レーザチル硬化処理のみのＮｏ、　２気筒のシリンダブ
ロックと比較して、レーザクロム合金化チル硬化処理を
行なったＮｏ、　３気筒、Ｎへ４気筒では、摩耗量が著
しく少ないことが判明した。ここで、各気筒シリンダブ
ロックのボア部摩耗の状況は、Ｎ０１１気筒およびＮα
２気筒では腐食摩耗の様相を強く呈していたのに対し、
Ｎｏ、　３気筒およびＮｏ、　４気筒では通常の摩擦摩
耗形態であることが確認された。

［実施例２］ 実施例１と同様なエンジンの各気筒のシリンダブロック
のボアについて、それぞれ次のような処理を行なった。

なおシリンダブロックの材質は実施例１と同様な片状黒
鉛鋳鉄である。

Ｎｏ、　１気筒：無処理 ＮＯ１２気筒：レーザによるＭｏ合金化チル硬化処理 Ｎ０１３気筒：レーザによるＮｉ合金化チル硬化処理 Ｎα４気筒：レーザによるＭｏ−Ｎｉ合金化チル硬化処
理 ここでＮα２〜Ｎα４気筒のボアの処理部位は実施例１
の場合と同一とし、また用いたレーザの出力、レーザビ
ーム移動速度も実施例１の場合と同一とした。Ｎｏ、　
２気筒の処理には、合金化材料として純Ｍｏ粉末を、Ｎ
α３気筒の処理には合金化材料として純Ｎｉ粉末を、Ｎ
α４気筒の処理には合金化材料として純Ｍｏ粉末５０％
−純Ｎｉ粉末５０％の混合粉末を用い、いずれも実施例
１の場合と同様にＰＶＡで混練して、処理部位に塗布し
、レーザ照射を行なった。

上述のようにして得られた各気筒の硬化処理層の合金成
分濃度、硬さを調べ、ざらに実施例１の場合と同様な耐
久試験を行なった後のシリンダボア内面の最大摩擦量を
調べた結果を第２表に示す。

第　　２　　表 第２表から明らかなようにこの発明の方法によるＮＯ１
２〜Ｎ０１４気筒のシリンダブロックでは、いずれも著
しく摩耗が少なく、腐食摩耗がほとんど生じていないこ
とが確認された。

施例からも明らかなようにボア部内周面の合金化チル硬
化層の硬度が高いともにその部分の耐食性が優れたおり
、したがって蟻酸や硫酸等の腐食環境での使用に対して
も耐腐食摩耗性が著しく高く、そのためメタノール燃料
エンジンあるいはＥＧＲ装着車用エンジン等に使用され
るシリンダブロックとしてその耐久性を従来よりも格段
に向上させることができる。またこの発明の製造方法に
よれば、上述のように優れた特性を有する鋳鉄製シリン
ダブロックを実際的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例によるシリンダブロックの要
部を概略的に示す縦断面図である。第２図から第４図ま
では実施例１の各処理によって得られた硬化層の金属断
面組織を示す写真で、第２図は比較法のレーザチル硬化
処理によるＮＯ１２気筒の硬化層、第３図は本発明法の
シー１ｆＣｒ合金化チル硬化処理によるＮｏ、　３気筒
の硬化層、第４図は本発明法のレーザＣｒ合金化チル硬
化処理によるＮｏ、４気筒の硬化層をそれぞれ示す。 １・・・シリンダブロック母材（鋳鉄）、　３・・・硬
化層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）母材が普通鋳鉄からなり、かつボア部内周面の少
   なくとも一部に、Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏのうち１種また
   は２種以上を合計で１〜１５重量％含有しかつチル化さ
   れた合金化チル硬化層が形成されていることを特徴とす
   る鋳鉄製シリンダブロック。
2. （２）シリンダブロック形状に作られた普通鋳鉄からな
   る母材のボア部内周面の少なくとも一部に、Ｃｒ、Ｎｉ
   およびＭｏのうちの１種または２種以上を含有する合金
   化材料を配し、その合金化材料の上から高密度エネルギ
   を照射して合金化材料およびその下側のシリンダブロッ
   ク母材の表面層を急速溶融・急速凝固させて、Ｃｒ、Ｎ
   ｉおよびＭｏのうちの１種または２種以上を合計で１〜
   １５重量％含有しかつチル化された合金化チル硬化層を
   形成することを特徴とする鋳鉄製シリンダブロックの製
   造方法。