JPS6287654A - 鋳鉄製内燃機関用シリンダヘツド及びその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッド及びその製造
方法に関し、詳しくは鋳鉄製シリンダヘッドの吸気弁と
排気弁の間の弁間部並びに吸気弁とチャンバ穴の間およ
び排気弁とチャンバ穴の間の弁−チャンバ間部を改良し
た鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッド及びその製造方法に
関する。

〔従来の技術〕

近年、自動車のエンジンに対する要求性能はますます高
度なものとなってきており、運転条件が過酷なものとな
っている。この結果、鋳鉄製シリンダヘッドにおいて、
他の部位より比較的肉薄とされている鋳鉄製シリンダヘ
ッドの吸気弁と排気弁の間の弁間部並びに吸気弁とチャ
ンバ穴の間および排気弁とチャンバ穴の間の弁−チャン
バ間部に、燃焼による熱応力に起因して亀裂が発生し易
いという問題があった。

従来、かかる問題に対処するために、鋳鉄組成を変えた
り、他材料を接合する等の方法が考えられているが、効
果や製造性の点で難がある。この中でも、比較的実用性
のあるものとして、亀裂の発生し易い部位にＦｅ−Ｎｉ
合金等の延展性、耐熱性に優れた材料を肉盛、ろう付は
等により形成し、この延展性、耐執性・−こ擾れた材料
により熱応力を吸収して亀裂を防止する方法が提案され
ている（例えば、特許第５１６８２９号（特公昭３９−
１８２３０号）、特開昭５８−．６２３４４号、鋳物便
覧等）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記従来技術では、使用するＦｅ−Ｎｉ合金
のＮｉ濃度が高いため高コストとなるばかりか、Ｆ　ｅ
　−Ｎ　ｉ合金自体が粘いため機械加工が困難であり、
刃具寿命を短くするという問題がある。

また、Ｆｅ−Ｎｉ合金の肉盛を行う際に、弁間部、弁−
チャンバ間部のごく狭い範囲しか肉盛しない場合には、
母材である鋳鉄と肉盛合金であるＦｅ−Ｎｉ合金の熱膨
張率の違い等に起因して肉盛部と母材の境界部に亀裂が
発生ずる。このため、従来は弁間部、弁−チャンバ間部
を含む広い範囲を肉盛りすることにより、この問題に対
処している。従って、この場合にもコスト高となるとい
う問題がある。

更に、シリンダヘッドを予熱しないと肉盛性が悪く、シ
リンダヘッドを予熱して肉盛した場合には、予熱工程を
余分に必要し、また場合により焼鈍を必要とすると共に
、肉盛用の前加工−が必要となるという問題がある。

そこで、従来と同程度の亀裂防止効果イ維持しつつ、製
造性が良く、かつ低コストにする工夫が望まれていた。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題は、次に述べる本発明の鋳鉄製内燃機関用シリ
ンダヘッド及びその製造方法によって解決される。

即ち、本発明の鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドは、鋳
鉄製シリンダヘッドの吸気弁と排気弁の間の弁間部並び
に吸気弁とチャンバ穴の間および排気弁とチャンバ穴の
間の弁−チャンバ間部に、表面から０．２ｆｉ以上の深
さにわたって、フェライト基地中に径が１μｍ〜２０μ
ｍの黒鉛が析出した微細黒鉛鋳鉄層が形成されているこ
とを特徴としている。・・−一−−−第１の発明 また、本発明の鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドの製造
方法は、鋳鉄を原料としてシリンダへラド粗形材を鋳造
後、鋳鉄製シリンダヘッドの吸気弁と排気弁の間の弁間
部並びに吸気弁とチャンバ穴の間および排気弁とチャン
バ穴の間の弁−チャンバ間部の各表面に、高密度エネル
ギを照射してチル化層を形成し、続いてこのチル化層を
８００℃〜１１００℃で１分間〜３時間再加熱した後、
空冷して微細黒鉛鋳鉄層を形成し、次いで微細黒鉛鋳鉄
層近傍を機械加工することにより仕上げを行うことを特
徴としている。−・・・−・第２の発明以下に、本発明
を更に具体的に説明する。

本発明において、シリンダヘッド材料としては鋳鉄を使
用する。かかる鋳鉄として、ＪＩＳ　　Ｆｅ１２、Ｆｅ
１２、Ｆ’　Ｃ３０等を用いることができる。

シリンダ・・ソドの弁間部等には、微細黒鉛鋳鉄層が形
成される。この微細黒鉛鋳鉄層は０，２ｆ１以上設けな
いと十分な効果が得られない。

微細黒鉛鋳鉄層を形成する前処理として、高密度エネル
ギ源を用いて再溶融チル化を行う。即ち、シリンダヘッ
ド上の再溶融チル化処理を施す弁間部等に、高密度エネ
ルギを照射することにより瞬時に鋳鉄の再溶融チル化を
行う。このとき、鋳鉄は、シリンダヘッドの冷却能によ
り瞬時に冷却され、特別な冷却手段を用いることなく凝
固しチル化する。なお、高密度エネルギ源としては、レ
ーザ、電子ビーム、プラズマアー・り、ＴＵＧアーク等
を用いることができる。

再溶融チル層は、８００℃〜１１００℃で１分間〜３時
間再加熱した後、空冷、放冷あるいは徐冷することによ
り黒鉛化され、フェライト基地に微細な塊状あるいは球
状の黒鉛が分散した微細黒鉛鋳鉄組織が得られる。この
ように、基地のフェライトに塊状あるいは球状の黒鉛が
分布している点は、一般的な焦心可鍛鋳鉄（例えば、「
鋳物便覧」第３版、日本鋳物協会績、Ｐ１０３９〜１０
９８）と同じであるが、本発明の微細黒鉛鋳鉄層の場合
は、焦心可鍛鋳鉄の黒鉛の径が３０μｍ以上であるのに
対し、１μｍ〜２０μｍと微細とされている点が異なる
。上記加熱時において、例えば加熱温度が８００℃と低
い場合には加熱時間は３時間と長めになり、１１００℃
と高い場合には加熱時間は１分間程度と短めでよい。な
お、９５０℃〜１０５０℃で１〜１０分間加熱すること
が、より望ましい。また、加熱手段としては高周波加熱
、火炎加熱（バーナ加熱）等を用いることができるが、
局部加熱ができるという点から高周波加熱の方が望まし
い。

〔作用〕

本発明の鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドによれば、従
来、熱応力等により亀裂等の不具合が発生し易かった弁
間部と弁−チャンバ間部の表面部に、フェライト基地に
微細な塊状あるいは球状の黒鉛が分散した微細黒鉛鋳鉄
層が形成される。従来のように、基地がパーライトの場
合には、燃焼によりシリンダヘッドの弁間部や弁−チャ
ンバ間部が高温となることにより、徐々にセメンタイト
が黒鉛とフェライトに分解し、このとき体積が膨張する
。そして、かかる膨張が弁間部等の熱応力を大きくし亀
裂発生の原因をなすと考えられる。

しかるに、本発明の場合、基地が靭性を有し、かつ安定
なフェライトのため、このような不具合が発生しない。

また、本発明は再溶融チルと熱処理を組み合わせること
により微細黒鉛鋳鉄層を形成するため、従来のようにＦ
ｅ−Ｎｉ合金等の別部材を肉盛する必要がない。このた
め、肉盛用の予熱や前加工等が不要となる。

更に、従来のようにＦｅ−Ｎｉ合金を肉盛する場合には
、亀裂の発生を防止するため弁間部等を含んだ広範囲に
肉盛を行う必要があったが、本発明の場合は鋳鉄基地自
体を改善する方法を採るため、弁間部、弁−チャンバ間
部のみの処理で十分である。このため、高価なニッケル
を多量にかつ広範囲に使用する必要がなくなり、低コス
ト化が図れる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参考にして説明する。

ここで、第１図は本発明の実施例に係る鋳鉄製内燃機関
用シリンダヘッドの要部を示す概略構成図、第２図は本
発明の実施例に係る鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドの
弁間部の合金化処理工程を示す工程図、第３図は本発明
の実施例で得られた鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドの
弁間部の微細黒鉛鋳鉄層の金属組織を示す顕微鏡写真（
×２００）である。

シリンダヘッドの材料として、普通鋳鉄（Ｊｉ５　　Ｆ
ｅ１２）に脱酸剤としてセリウム（Ｃｅ）を０．０２％
添加したものを溶解し、砂型鋳造法により第１図に要部
の概要を示すディーゼルエンジン用シリンダヘッド粗形
材１を鋳造した。第１図において、２はインテークボー
ト（吸気口）、３はエキゾーストボート（排気口）、４
はチャンバ穴である。そして、インテークボート２とエ
キゾーストボート３の間のハツチングで示した部分が弁
間部５であり、インテークボート２とチャンバ穴４の問
およびエキゾーストボート３とチャンバ穴４の間のハツ
チングで示した部分が弁−チャンバ間部６．７である。

この弁間部５と弁−チャンバ間部６．７に再溶融チル化
処理を施した。即ち、第２図（ａ）（第１図のＡ、　−
Ａ線断面図に相当）に示す状態から、弁間部５　（説明
の便宜上、弁間部の合金化処理について説明するが、弁
−チャンバ間部も同様に合金化処理を行う）に、高密度
エネルギ源としてＴＩＧアークを用いて、第２図（ｂ）
に示すように、幅１５鶴、深さ４１１の範囲に再溶融チ
ル処理を行った。

このとき、ＴＩＧアークによる合金化処理は、３゜２ｆ
ｌ径のタングステン電極棒を用い、シールドガスとして
アルゴンガスを処理部に２５１／分の割で供給しながら
行った。処理条件としては、ピーり電流を２５ＯＡ、ベ
ース電流を２０ＯＡとし、パルス時間を０．３秒とする
と共に、アーク長を２゜５鶴とした。そして、ＴＩＧト
ーチ８の送り速度を１１１／秒とし、ＴＩＧＩ−−チ８
をその移動方向と垂直な方向に７．５鶴幅のウィービン
グを行いつつ処理を行った。この結果、第２図（ｂ）に
示すように、弁間部５は表面から平均４鶴の深さまで溶
融され、再溶融チル層９が形成された。なお、１０は熱
影響部である。

次いで、第２図（Ｃ１に示すように、弁間部５０表面近
傍に高周波加熱コイル１１を配設し、再溶融チル層９の
中央の温度が１０２０℃となるように２分間加熱を行い
、その後放冷した。この結果、再溶融チル層９の基地が
フェライトとなった微細黒鉛鋳鉄層１２が得られた。

続いて、第２図（ｄ）に示すように、機械加工により仕
上げを行い、最終製品としてのシリンダへラドＡを得た
。

なお、第３図は本実施例で得られたシリンダヘッドの弁
間部の微細黒鉛鋳鉄層１２の金属組織を示す顕微鏡写真
である。この第３図において、黒い部分が微細な黒鉛で
あり、地はフェライトである。また、微細黒鉛鋳鉄層１
２のビッカース硬さＨＶは１６１であった。

（第１比較例） 第１実施例において、シリンダヘッド粗形材１の弁間部
５および弁−チャンバ間部６．７に合金化処理を行うこ
とな（、そのまま機械加工により最終製品に仕上げたこ
と以外、他は実質的に第１実施例と同様にしてシリンダ
ヘッドＢを製造した。

なお、第４図は本比較例で得られたシリンダヘッドの弁
間部の金属組織を示す顕微鏡写真である。

この第４図において、黒い部分が片状黒鉛であり、地は
パーライトである。また、ピンカース硬さＨＶは１８８
であった。

（第２比較例） 第１実施例と同様にしてディーゼルエンジン用シリンダ
へラド粗形材１を鋳造した。得られたシリンダヘッド粗
形材１の弁間部５と弁−チャンバ間部６．７に幅１０鶴
、深さ４Ｂの溝を加工し、亀裂防止と肉盛性の改善のた
めシリンダヘッド粗形材１を４５０℃に予熱した後、鉄
−ニッケル合金棒（Ｆｅ−５０％Ｎｉ合金）を用いて、
酸素−アセチレン炎で溝を埋めるように肉盛を行った。

次いで、６００℃で３時間保持して歪取りのための焼鈍
を行い、その後、肉盛部の厚さが２ｍｍとなるように機
械加工してシリンダヘッドＣを得た。

なお、第５図は本比較例で得られたシリンダヘッドの弁
間部の肉盛層の金属組織を示す顕微鏡写真である。この
第５図において、地はＦｅ−Ｎｉ合金である。また、ビ
ッカース硬さＨｖは１８７であった。

（評価） 上記実施例および比較例で得られたシリンダヘッドＡ−
Ｃを、それぞれエンジンに組み付けて耐久試験を行った
。耐久試験は実機運転時における全負荷状態で４９０Ｏ
ｒｐｍおよび無負荷状態で１１００Ｏｒｐという条件で
行った。

この結果、第１比較例で得られたシリンダへラドＤは、
３００時間以内で弁間部および弁−チャンバ間部に亀裂
が発生するのが観察されたが、実施例と第２比較例で得
られたシリンダヘッドＡ５Ｃは、それぞれ５００時間の
連続運転を行っても弁間部等になんら異常は認められな
かった。

また、本実施例において、微細黒鉛鋳鉄層を形成する範
囲は、第２比較例のＦｅ−Ｎｉ合金を肉盛する場合の約
１／３であった。

以上、本発明の特定の実施例について説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲内において種々の実施態様を包含するものである。

例えば、実施例ではディーゼルエンジン用シリンダヘッ
ドに本発明を適用した例を示したが、ガソリンエンジン
用シリンダヘッドにも同様に適用することができる。

〔発明の効果〕

以上より、本発明の鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッド及
びその製造方法によれば、以下の効果を奏する。

（イ）シリンダヘッドの弁間部および弁−チ十ンバ間部
の表面のフェライト化が促進され、かつ黒鉛が微細化さ
れるため、弁間部等における亀裂の発生が大幅に低減さ
れる。

（ロ）従来のように、高価なＦ　ｅ　−Ｎ　ｉ合金を大
量にかつ広範囲に使用することがないため、低コスト化
が図れる。

（ハ）従来の肉盛のように、シリンダヘッドを予熱した
り焼鈍する必要がなく、また肉盛用の前加工も必要でな
くなり、単に再溶融チルと熱処理を行うのみでよいため
、製造性がよく、大量生産に適する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る鋳鉄製内燃機関用シ
リンダヘッドの要部を示す概略構成図、第２図は本発明
の第１実施例に係る鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドの
弁間部の合金化処理工程を示す工程図、 第３図は本発明の実施例で得られた鋳鉄製内燃機関用シ
リンダヘッドの弁間部の微細黒鉛鋳鉄層の金属組織を示
す顕微鏡写真（ｘ２００）、第４図は第１比較例で得ら
れた鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドの弁間部の金属組
織を示す顕微鏡写真（ｘ２００）、 第５図は第２比較例で得られた鋳鉄製内燃機関用シリン
ダヘッドの弁間部の肉盛層の金属組織を示す顕微鏡写真
（Ｘ２００）、 １−−−−−−・シリンダヘッド粗形材２−・・−・イ
ンテークボート ３−−−−−−一エキシーストポート ４−・−一一−−チャンバ穴 ５−・・−弁間部 ６．７−−−−−−−弁−チャンバ間部８−−−−一・
・ＴＩＧ）−チ ９−−−−−−・再溶融チル層 １０−・−一−〜−・熱影響部 １１−−−−−−・高周波加熱コイル １２・−・−・・−微細黒鉛鋳鉄層 出願人　　トヨタ自動車株式会社 第１図 第３図 第２図 （ａ）（ｂ） （Ｃ）　　　　　　（ｄ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳鉄製シリンダヘッドの吸気弁と排気弁の間の弁
   間部並びに吸気弁とチャンバ穴の間および排気弁とチャ
   ンバ穴の間の弁−チャンバ間部に、表面から０．２ｍｍ
   以上の深さにわたって、フェライト基地中に径が１μｍ
   〜２０μｍの黒鉛が析出した微細黒鉛鋳鉄層が形成され
   ていることを特徴とする鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッ
   ド。
2. （２）鋳鉄を原料としてシリンダヘッド粗形材を鋳造後
   、鋳鉄製シリンダヘッドの吸気弁と排気弁の間の弁間部
   並びに吸気弁とチャンバ穴の間および排気弁とチャンバ
   穴の間の弁−チャンバ間部の各表面に、高密度エネルギ
   を照射してチル化層を形成し、続いてこのチル化層を８
   ００℃〜１１００℃で１分間〜３時間再加熱した後、空
   冷して微細黒鉛鋳鉄層を形成し、次いで微細黒鉛鋳鉄層
   近傍を機械加工することにより仕上げを行うことを特徴
   とする鋳鉄製内燃機関用シリンダヘッドの製造方法。