| 【発明の名称】 |
内燃機関用シリンダライナおよびその製造方法。 |
| 【発明者】 |
【氏名】白井 栄一
【氏名】山本 寛一
【氏名】堺 邦益
【氏名】吉田 博男
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| 【要約】 |
【課題】摺動性に加えて高強度特性を同時に備えた内燃機関用シリンダライナを簡単な条件設定により低コストで製造する方法を提供すること【解決手段】 黒鉛球状化成分を有する過共晶組成の鋳鉄溶湯２を遠心鋳造鋳型１に鋳込み、この鋳型１を所定の速度で回転させて、遠心力とフェーディング現象を利用して、鋳型１の中心に近い内側部に片状黒鉛に類似する形状の黒鉛が晶出した内側鋳鉄層４を形成し、鋳型壁面に接する外側部に球状黒鉛が晶出した外側鋳鉄層６を形成する。
【解決手段】黒鉛球状化成分を有する過共晶組成の鋳鉄溶湯２を遠心鋳造鋳型１に鋳込み、この鋳型１を所定の速度で回転させて、遠心力とフェーディング現象を利用して、鋳型１の中心に近い内側部に片状黒鉛に類似する形状の黒鉛が晶出した内側鋳鉄層４を形成し、鋳型壁面に接する外側部に球状黒鉛が晶出した外側鋳鉄層６を形成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 所定形状の遠心鋳造鋳型を用いて内側鋳鉄層と外側鋳鉄層よりなる内燃機関用シリンダライナを製造する方法であって、黒鉛球状化成分を有する過共晶組成の鋳鉄溶湯を遠心鋳造鋳型に鋳込み、この鋳型を所定の速度で回転させて、遠心力による黒鉛移動現象とフェーディング現象を利用して、鋳型中心に近い内側部に片状黒鉛に類似する形状の黒鉛が晶出した内側鋳鉄層を形成し、鋳型壁面に接する外側部に球状黒鉛が晶出した外側鋳鉄層を形成することを特徴とする内燃機関用シリンダライナの製造方法。
【請求項２】 内側鋳鉄層と外側鋳鉄層よりなる内燃機関用シリンダライナであって、片状黒鉛に類似する形状の黒鉛が晶出した内側鋳鉄層と、球状黒鉛が晶出した外側鋳鉄層とが、一体的に遠心鋳造により形成されたことを特徴とする内燃機関用シリンダライナ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用シリンダライナおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術、背景および発明が解決しようとする課題】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応力がかかるために比較的厚肉に形成されており、これに対して下部は薄肉に形成されている。そして、近年、内燃機関の高出力化に伴って、充分な強度を付与するために、シリンダライナ全体の厚肉化が提唱されているが、シリンダライナのコスト上昇および内燃機関の大型化を招くので好ましくない。
【０００３】ところで、シリンダライナの特性として、シリンダの内面はピストンの往復運動に対する摺動性が要求されるので、内側には摺動性に優れた材料を用い、外側には大きな熱負荷やエンジンの爆発に伴う機械的応力に耐えるために高強度の材料を用いたものが提案されている。
【０００４】例えば、特開平７−７１３０８号公報には、「遠心力回転円筒鋳型に、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片状黒鉛鋳鉄材からなる内層材を遠心力鋳造し、外層の内面に内層を溶着した複層シリンダライナ」が記載されている（以下「従来のシリンダライナ１」という）。
【０００５】また、特開昭６０−１６９６５４号公報には、「特定の鋳鋼材質の外層を遠心力鋳造法により鋳込んだ後、適宜のタイミングで、特殊鋳鉄材質の内層を遠心力鋳造法により鋳込み、外層と内層を溶着させた複層シリンダライナ」が記載されている（以下「従来のシリンダライナ２」という）。
【０００６】さらに、特開平６−３２３１９２号公報には、「鋼または鋳鋼よりなる外層の内面に、遠心鋳造法によって鋳鉄を鋳湯して内層を形成した複層シリンダライナ」が記載されている（以下「従来のシリンダライナ３」という）。
【０００７】上記したように、シリンダライナの外層とシリンダライナの内層に要求される特性が異なるので、外層と内層に許容される厚さのバラツキの範囲も小さい。ところが、従来のシリンダライナ１〜３は、外層と内層の２層を固相−液相接合あるいは液相−液相接合する方式であり、所定の設計条件で両層を完全に溶着するための溶解鋳造から仕上げ加工に至るまでの製造条件が厳しく、鋳造歩留まりが低いので、製造コストを上昇させており、生産性も劣っている。
【０００８】このように、従来の複層シリンダライナは、製造条件が厳しく、コスト面で不利であり、生産性も低いので、このような欠点のない多機能内燃機関用シリンダライナを製造しうる技術が要望されている。この多機能内燃機関用シリンダライナを鋳鉄で得ようとする場合、そのキーポイントは黒鉛形状を如何に制御するかという点である。というのは、次に説明するように、黒鉛形状によって、鋳鉄の摺動性を向上したり、あるいは、高強度の鋳鉄を得ることができるからである。
【０００９】この鋳鉄の組織は多岐にわたるが、黒鉛の形状によって分類すると、以下の３つに大別することができる。すなわち、片状黒鉛の分布状況によってＡ型〜Ｅ型の５つに分類されるねずみ鋳鉄と、黒鉛を球状に晶出させた球状黒鉛鋳鉄と、イモ虫状黒鉛を晶出させたバーミキュラ黒鉛鋳鉄である。
【００１０】ねずみ鋳鉄の中でも、特にＡ型に分類されるねずみ鋳鉄は、引張り強さおよび摺動性のバランスの点から、最も望ましい組織であるといえるが、ねずみ鋳鉄全般の特性として、摺動性に優れている。というのは、片状黒鉛が基地から剥離して摺動面に分散し、固体潤滑剤として働くからである。さらに、ねずみ鋳鉄の耐摩耗性を向上させるために、リン（Ｐ）あるいはリン−ボロン（Ｐ−Ｂ）を添加して、ステダイト（リン化鉄）、遊離セメンタイトなどの硬い化合物を基地中に分散させたもの（例えば、Ｐ−Ｂを添加したターカロイ材）も知られている。
【００１１】球状黒鉛鋳鉄は、過共晶成分の鋳鉄に黒鉛球状化能を有する元素である、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｃａなどを添加することによって黒鉛を球状化し、強度向上を図ったものである。上記黒鉛球状化元素の中で、工業的にはＭｇが一般的に用いられており、Ｍｇを０．０４％以上含有することによって、６００ＭＰａ以上の引張り強さを有する球状黒鉛鋳鉄も得られている。
【００１２】バーミキュラ黒鉛鋳鉄は、黒鉛球状化元素を少量添加したり、黒鉛球状化阻害元素（例えば、Ｔｉ）と同時にＭｇ合金を添加することによって得られるもので、イモ虫状黒鉛と擬球状黒鉛の混在した組織であり、引張り強さが３００〜４００ＭＰａで、球状黒鉛鋳鉄より強度は低い。
【００１３】以上で明らかなように、ねずみ鋳鉄は摺動性に優れた鋳鉄であり、球状黒鉛鋳鉄は高強度鋳鉄であり、バーミキュラ黒鉛鋳鉄は、両者の中間に位置する鋳鉄であると言える。各鋳鉄はそれぞれ優れた特性を有しているが、本発明の対象とする内燃機関用シリンダライナは、相反する特性といえる「摺動性」に加えて「高強度特性」を同時に備えることが必要であり、単に、公知のねずみ鋳鉄あるいは球状黒鉛鋳鉄をそのまま用いるだけでは、本発明の目的とする多機能内燃機関用シリンダライナを得ることはできない。
【００１４】本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、摺動性に加えて高強度特性を同時に備えた内燃機関用シリンダライナを簡単な条件設定により低コストで製造する方法及びその方法によって製造した内燃機関用シリンダライナを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明者は、特定の組成を有する単一の鋳鉄溶湯を遠心鋳造することによって多機能内燃機関用シリンダライナを提供しうることを見い出したのである。
【００１６】すなわち、本発明は、黒鉛球状化成分を有する過共晶組成の鋳鉄溶湯を遠心鋳造鋳型に鋳込み、この鋳型を所定の速度で回転させて、「溶湯の凝固初期に生じる黒鉛の比重が鋳鉄溶湯のそれより小さいため、遠心力により黒鉛が中心側に移動する現象」と、「凝固の遅れた部位で黒鉛球状化成分が減少して球状黒鉛が片状黒鉛に戻る現象であるフェーディング現象」を利用することにより、凝固が遅れる鋳型中心に近い内側部に片状黒鉛に類似する形状の黒鉛が晶出した摺動性に優れた内側鋳鉄層を形成し、鋳込み後早期に凝固する鋳型壁面に接する外側部に球状黒鉛鋳鉄が晶出した高強度の外側鋳鉄層を形成することができるのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】すなわち、本発明の要旨は、所定形状の遠心鋳造鋳型を用いて内側鋳鉄層と外側鋳鉄層よりなる内燃機関用シリンダライナを製造する方法であって、黒鉛球状化成分を有する過共晶組成の鋳鉄溶湯を遠心鋳造鋳型に鋳込み、この鋳型を所定の速度で回転させて、遠心力による黒鉛移動現象とフェーディング現象を利用して、鋳型中心に近い内側部に片状黒鉛に類似する形状の黒鉛が晶出した内側鋳鉄層を形成し、鋳型壁面に接する外側部に球状黒鉛が晶出した外側鋳鉄層を形成することを特徴とする内燃機関用シリンダライナの製造方法にある。
【００１８】本発明は、遠心力とフェーディング現象を利用しており、これらの物理現象を巧みに利用した本発明の作用について説明する。
（１）フェーディング現象球状黒鉛鋳鉄を得るには、鋳鉄溶湯に黒鉛球状化元素（例えば、Ｍｇ）を添加することが必要であり、一般的には以下のような方法（いわゆる、サンドイッチ法）で製造されている。すなわち、取鍋底の凹部に適当量のＭｇ合金（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇなど）を入れ、その上を鋼屑で覆い、これに鋳鉄溶湯を注入してＭｇと徐々に反応させ、黒鉛を球状化処理する方法である。ところが、Ｍｇの沸点は１０９０℃と低いので、溶湯温度（約１４００℃）のような高温ではＭｇは蒸発しやすく、また、Ｍｇは酸化しやすいので、大気中の酸素と結合してＭｇＯとなってしまう。このような理由により、鋳造時間の経過とともに溶湯中のＭｇは減少し、球状黒鉛となるものが擬片状黒鉛に変化したり、片状黒鉛に戻ってしまうことがある。このような現象は、フェーディング現象と呼ばれている。
（２）遠心力Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系鋳鉄において、ＳC ＝Ｃ％／（４．２３−Ｓｉ％／３．２）を炭素飽和度、ＣＥ＝Ｃ％＋Ｓｉ％／３を炭素当量といい、ＳC ＞１またはＣＥ＞４．３のものは過共晶組成を示す。黒鉛球状化成分を有する過共晶組成の鋳鉄溶湯を遠心鋳造鋳型に鋳込むと、凝固時に液相より球状黒鉛が晶出してくるが、過共晶組成の場合、晶出した黒鉛が粗大化しやすくなる。そして、鋳造品の肉厚が厚くて、鋳込温度が高い場合、すなわち、凝固速度が遅い場合には、黒鉛粗大化の傾向は顕著になる。
【００１９】本発明は、「鋳型を回転し、溶湯に発生する遠心力を利用して加圧するとともに、溶湯と介在物との比重差を利用して介在物を分離して健全な鋳物をつくる方法である」遠心鋳造法を利用しており、図１（ａ）に示すように、遠心鋳造鋳型１に、本発明の組成を有する鋳鉄溶湯２を鋳込んで遠心鋳造鋳型１を一定速度で回転させると、図１（ｂ）に示すように、液相より晶出した球状黒鉛の一部が粗大球状黒鉛３になり、鋳鉄溶湯との比重差により鋳型中心に近い内側部に浮上しようとする。なお、通常の球状黒鉛はその径が非常に小さく、鋳鉄溶湯中にコロイド状に均一に分散しており、遠心力によっても浮上しない。
【００２０】浮上した粗大球状黒鉛は、上述のフェーディング現象により、片状黒鉛に類似した形状の黒鉛（爆発状黒鉛、バーミキュラ黒鉛など、本明細書では、これを「擬片状黒鉛」ともいう）に変化し、最終的に、図１（ｃ）に示すように、内側部に擬片状黒鉛が晶出した内側鋳鉄層４が形成され、その外側には粗大球状黒鉛が晶出した境界鋳鉄層５が形成され、鋳型壁面に接する外側部には球状黒鉛が晶出した外側鋳鉄層６が形成される。なお、本明細書において、爆発状黒鉛とは、黒鉛が花火状に爆発したような形状を呈しているものをいう。
【００２１】以上のようにして、本発明によれば、内側鋳鉄層と外側鋳鉄層よりなる内燃機関用シリンダライナであって、片状黒鉛に類似する形状の黒鉛が晶出した内側鋳鉄層と、球状黒鉛が晶出した外側鋳鉄層とが、一体的に遠心鋳造により形成された内燃機関用シリンダライナを製造することができる。
【００２２】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図２に示すような形状の外側シリンダライナ７と内側シリンダライナ８からなる内燃機関用シリンダライナを製造するための所定形状の遠心鋳造鋳型（図示せず）内に以下の表１の組成（重量％）を有する鋳鉄溶湯を１４００℃で鋳込み、鋳型を回転数４００回／分で４０分間回転させた後、得られた鋳造品に機械加工を施すことで、外側シリンダライナ７が球状黒鉛鋳鉄からなり、内側シリンダライナ８が擬片状黒鉛が晶出した鋳鉄からなり、外側シリンダライナ７が内側シリンダライナ８に接するごく僅かの部分に境界鋳鉄層（図示せず）が存在し、内側シリンダライナ８と外側シリンダライナ７が遠心鋳造により一体的に形成された内燃機関用シリンダライナを製造することができた。
【００２３】
【表１】
【００２４】以上のようにして製造したシリンダライナに鋳鉄製の下部ライナ９と冷却用水の循環する外筒１０をボルトで接合し、このシリンダを舶用内燃機関に組み込んで、２０時間運転した後、内側シリンダライナ８を目視観察すると、異常摩耗は見られず、焼き付きの起こった形跡もなく、擬片状黒鉛が固体潤滑剤としての作用を果たしたことが確認できた。また、外側シリンダライナ７にも、変形や損傷は見られず、充分に高強度であることを確認できた。なお、シリンダライナにおいて、慣らし運転期間（２０時間）で摺動条件が最も過酷である。
【００２５】黒鉛形状は炭素当量と鋳鉄溶湯へのＭｇの添加量、および凝固速度、すなわち鋳物肉厚に応じて変化すると考えられ、図３は、鋳込み温度１４００℃で１００mm幅×３００mm長さ×１００mm高さの物品を鋳込んだ場合の黒鉛形状に及ぼす炭素当量とＭｇ添加量（重量％）の関係を示す図である。図３において、１１は片状黒鉛の生成される範囲、１２は球状黒鉛とバーミキュラ黒鉛の生成される範囲、１３は球状黒鉛の生成される範囲、１４は粗大球状黒鉛の生成される範囲、１５は擬片状黒鉛（爆発状黒鉛と擬球状黒鉛の混在）の生成される範囲である。また、粗大球状黒鉛が晶出する鋳鉄層の厚さは、鋳鉄溶湯の化学組成、すなわち、炭素当量（炭素飽和度）に応じて変化すると考えられ、図４は、同上鋳込み温度で同上物品を鋳込んだ場合の炭素当量と粗大球状黒鉛鋳鉄層の厚さ（鋳造品の高さ方向）の関係を示す図であり、図４で斜線で示す範囲が粗大球状黒鉛鋳鉄層の生成が期待される範囲である。
【００２６】本発明における好ましい鋳造条件を要約すれば、次のとおりである。
（１）化学組成晶出する球状黒鉛の粗大化を図るためには、過共晶組成の鋳鉄溶湯を用いるのが必須条件であるが、その炭素当量は４．５以上、または炭素飽和度は１．１以上にするのが好ましい。また、耐摩耗性を向上させるためには、Ｐは０．０５〜０．１０％、Ｂは０．０２〜０．０３％添加するのが好ましい。
（２）接種剤黒鉛球状化のために添加する接種剤の量は、鋳鉄溶湯重量の０．３〜０．５％が好ましい。この接種剤としては、工業的に使用されているものをすべて用いることができ、例えば、Ｆｅ−Ｓｉを使用することができる。
（３）鋳型の予熱速やかに遠心鋳造を進行させるためには、鋳鉄溶湯を鋳込む前に遠心鋳造鋳型を１５０℃程度に予熱しておくことが好ましいが、これ以上に高温に予熱するのはエネルギーコスト面で不利である。
（４）鋳込温度フェーディング現象を利用して擬片状黒鉛鋳鉄層を生成させるためには、溶湯の鋳込温度が重要であり、１３２０〜１４００℃の範囲が好ましい。
（５）発熱剤注湯後の溶湯温度の急激な低下を防いでフェーディング現象を生じさせるために、凝固速度のコントロールが重要であり、テルミット系発熱剤を鋳鉄溶湯重量の０．３〜０．６％添加することができる。
（６）鋳型回転数所定形状の内燃機関用シリンダライナを鋳造するには、鋳型の回転数が重要であり、３００〜５００回／分の範囲にコントロールするのが好ましい。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、単一の特定組成の鋳鉄溶湯を遠心鋳造することによって、摺動性に加えて高強度特性を同時に備えた内燃機関用シリンダライナを提供することができる。また、内側層と外側層を異種金属で溶着させる必要がなく、公知の遠心鋳造鋳型を使用して、黒鉛球状化成分を有する過共晶組成の鋳鉄溶湯を用いて、適正な条件で遠心鋳造を行うことにより、内側鋳鉄層と外側鋳鉄層とが一体的に遠心鋳造により形成された内燃機関用シリンダライナを製造することができるので、特に製造条件の制約を受けることもなく、鋳造歩留まりを向上し、製造コストを低減することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００９７４
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
【識別番号】５９１１１４９８４
【氏名又は名称】東亜工機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年２月１７日（２０００．２．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６５８６８
【弁理士】
【氏名又は名称】角田 嘉宏 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２２７４０５（Ｐ２００１−２２７４０５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年８月２４日（２００１．８．２４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３９８１４（Ｐ２０００−３９８１４） |
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