(57)【要約】  内燃機関のシリンダライナのための、高い強度、硬度および熱伝導性を有する鋳鉄を提供する。当該鋳鉄は、鋳鉄の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む。当該鋳鉄は、鋳鉄の総重量に基づいて、マンガンを０．０１重量％〜０．５重量％、クロムを０．０１重量％〜０．２重量％、リンを最大０．３重量％まで、硫黄を最大０．０５重量％まで、スズを最大０．２重量％まで、マグネシウムを最大０．１重量％までさらに含む。好ましくは、当該鋳鉄は、モリブデン、ニッケルおよびバナジウムを含まない。また、当該鋳鉄は、熱処理されて凝固して、完全球状黒鉛を実現する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダライナのための鋳鉄であって、
前記鋳鉄の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含み、
前記鋳鉄は、グラファイトを含み、前記グラファイトの少なくとも一部は、球状黒鉛である、鋳鉄。
【請求項２】
前記鋳鉄の総重量に基づいて、マンガンを０．０１重量％〜０．５重量％含む、請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項３】
前記鋳鉄の総重量に基づいて、クロムを０．０１重量％〜０．２重量％含む、請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項４】
前記鋳鉄の総重量に基づいて、マンガンを最大０．５重量％まで、リンを最大０．３重量％まで、硫黄を最大０．０５重量％まで、クロムを最大０．２重量％まで、スズを最大０．２重量％まで、およびマグネシウムを最大０．１重量％までさらに含む、請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項５】
前記鋳鉄の総重量に基づいて、モリブデンを０．０１重量％以下、ニッケルを０．０１重量％以下、およびバナジウムを０．０１重量％以下含む、請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項６】
前記鋳鉄の総重量に基づいて、マンガンを０．０１重量％〜０．５重量％、およびクロムを０．０１重量％〜０．２重量％含む、請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項７】
前記グラファイトは、球状黒鉛で構成される、請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項８】
前記鋳鉄の総重量に基づいて、マンガンを０．０１重量％〜０．５重量％、クロムを０．０１重量％〜０．２重量％、リンを最大０．３重量％まで、硫黄を最大０．０５重量％まで、スズを最大０．２重量％まで、マグネシウムを最大０．１重量％まで、モリブデンを０．０重量％、ニッケルを０．０重量％、およびバナジウムを０．０重量％さらに含み、
前記鋳鉄内に存在する前記グラファイトの１００％が球状黒鉛である、請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項９】
請求項１〜８の１つ以上の請求項に記載の鋳鉄でできたシリンダライナ。
【請求項１０】
シリンダライナのための鋳鉄を製造する方法であって、
合金の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む合金を提供するステップと、
前記合金を融解および凝固させてグラファイトを形成するステップとを備え、形成された前記グラファイトの少なくとも一部は、球状黒鉛である、方法。
【請求項１１】
前記合金は、前記合金の総重量に基づいて、マンガンを０．０１重量％〜０．５重量％、クロムを０．０１重量％〜０．２重量％、リンを最大０．３重量％まで、硫黄を最大０．０５重量％まで、スズを最大０．２重量％まで、マグネシウムを最大０．１重量％まで、モリブデンを０．０１重量％以下、ニッケルを０．０１重量％以下、およびバナジウムを０．０１重量％以下さらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
形成された前記グラファイトは、球状グラファイトで構成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
鋳造シリンダライナは、前記材料から製造される、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この米国実用特許出願は、２０１６年３月１５日に出願された米国実用特許出願番号第１５／０７１，１１４号に対する優先権を主張し、米国実用特許出願番号第１５／０７１，１１４号の内容は、全文が引用によって本明細書に援用される。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般に、鋳鉄、鋳鉄で形成されたシリンダライナ、および鋳鉄を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
内燃機関のシリンダは、多くの場合、円筒形領域を取り囲む外面と内面とを提供するスリーブまたはライナを含む。シリンダライナは、エンジンブロックに装着されてシリンダを形成し得る。シリンダライナの内面は、ピストンの方を向いており、内燃機関の燃焼サイクルおよび動作中にピストンリングに境界面または摺動面を提供する。燃焼室の過酷な条件のために、シリンダライナは、丈夫な、堅固な、耐摩耗性の材料で形成されるべきである。当該材料は、亀裂などの構造的問題を回避するために、高温および高圧を含む、燃焼サイクル中に遭遇する極限状態に対処することができるべきである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明の一局面は、シリンダライナのための鋳鉄を提供する。上記鋳鉄は、上記鋳鉄の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む。上記鋳鉄は、グラファイトも含み、上記グラファイトの少なくとも一部は、球状黒鉛である。
【０００５】
本発明の別の局面は、鋳鉄で形成されたシリンダライナを提供する。上記鋳鉄は、上記鋳鉄の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む。上記鋳鉄は、グラファイトも含み、上記グラファイトの少なくとも一部は、球状黒鉛である。
【０００６】
本発明の別の局面は、シリンダライナのための鋳鉄を製造する方法を提供する。上記方法は、合金の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む合金を提供するステップを含む。上記方法はさらに、上記合金を融解および凝固させてグラファイトを形成するステップを含み、形成された上記グラファイトの少なくとも一部は、球状黒鉛である。
【０００７】
本発明のさらに別の局面は、鋳鉄で形成されたシリンダライナを製造する方法を提供する。上記方法は、合金の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む合金を提供するステップを含む。上記方法はさらに、上記合金を融解および凝固させてグラファイトを形成するステップを含み、形成された上記グラファイトの少なくとも一部は、球状黒鉛である。
【０００８】
本発明の鋳鉄は、シリンダライナを形成するために使用される他のタイプの鋳鉄よりも高い強度を提供する。鋳鉄の強度が高いことは、内燃機関の燃焼室の高温、高圧および他の過酷な条件によって引き起こされることがある亀裂のリスクを低下させる。
【０００９】
本発明の他の利点は、添付の図面に関連付けて検討されたときに以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるので、容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的な実施形態に係る鋳鉄で形成されたシリンダライナの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例示的な実施形態の詳細な説明
本発明は、高強度鋳鉄、および当該高強度鋳鉄で形成された内燃機関のシリンダライナ２０を提供する。鋳鉄で形成されたシリンダライナ２０の一例が図１に示されている。シリンダライナ２０は、一般に、シリンダブロック内に配置され、内燃機関のピストンを受ける。シリンダライナ２０は、中心軸Ａの周囲に周方向に延在し、第１の端部２４から反対側の第２の端部２６まで長手方向に延在している。シリンダライナ２０は、中心軸Ａに面した内面２８と、内面２８と対向して中心軸Ａとは反対の方を向いた外面３０とをさらに含む。内面２８は、円筒形状を有する開口を提供する。開口の容積によりシリンダライナ２０はピストンを受けることができ、そのため、ピストンは、内燃機関の動作中に、シリンダライナ２０内で往復運動することができ、内面２８に沿って摺動することができる。
【００１２】
シリンダライナ２０を形成するために使用される鋳鉄は、完全球状黒鉛を達成するためのコストおよび金属処理プロセスを考慮に入れながら合金元素を注意深く選択することによって、形成される。鋳鉄は、シリンダライナを形成するために使用されてきた他のタイプの鋳鉄と比較して高い強度を有する。また、鋳鉄は、高い熱伝導性および硬度を有する。したがって、鋳鉄で形成されたシリンダライナ２０は、高温、高圧、および内燃機関の燃焼室の他の過酷な条件にさらされたときに亀裂に対して耐性がある。
【００１３】
本発明の鋳鉄は、炭素、ケイ素および鉄の合金を含む。例示的な実施形態では、鋳鉄は、鋳鉄の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む。一般に、鋳鉄は、鉄を少なくとも８０重量％含む。鋳鉄は、鋳鉄内にグラファイトを形成するように熱処理される。鋳鉄は、融解されて、形成されるグラファイトの少なくとも一部が球状黒鉛であるように凝固する。好ましくは、鋳鉄は、完全球状黒鉛を含む。
【００１４】
また、本発明の鋳鉄は、鋳鉄の総重量に基づいて、銅を０．５重量％〜１．３重量％含む。鋳鉄は、さらに、鋳鉄の総重量に基づいて、マンガンを最大０．５重量％まで、クロムを最大０．２重量％まで、リンを最大０．３重量％まで、硫黄を最大０．０５重量％まで、スズを最大０．２重量％まで、およびマグネシウムを最大０．１重量％まで含み得る。例示的な実施形態では、鋳鉄は、鋳鉄の総重量に基づいて、マンガンを０．０１重量％〜０．５重量％およびクロムを０．０１重量％〜０．２重量％含む。
【００１５】
銅、マンガンおよびクロムは、鋳鉄の強度を向上させる。銅、マンガンおよびクロムを含む、強度を向上させるために使用される元素は、他のタイプの鋳鉄を補強するために使用されてきた他の元素と比較して比較的低コストである。銅およびクロムは、熱伝導性を低下させることなく鋳鉄の強度を向上させることもできる。強度の向上に加えて、クロムは、鋳鉄の硬度、したがって耐摩耗性も向上させることができる。さらに、鋳鉄は、高い熱伝導性を有するため、燃焼室で発生した熱を素早く放散することができる。
【００１６】
好ましくは、鋳鉄は、鋳鉄のコストを増大させるモリブデン、ニッケルおよびバナジウムを含んでいない。例示的な実施形態では、鋳鉄は、鋳鉄の総重量に基づいて、モリブデンを０．０１重量％以下、好ましくはモリブデンを０．０重量％、ニッケルを０．０１重量％以下、好ましくはニッケルを０．０重量％、およびバナジウムを０．０１重量％以下、好ましくはバナジウムを０．０重量％含む。
【００１７】
鋳鉄は、完全球状黒鉛を提供するように製造され、処理される。例示的な実施形態では、鋳鉄内に存在するグラファイトの少なくとも一部が球状黒鉛であり、好ましくは鋳鉄内に存在するグラファイトの１００％が球状黒鉛である。言い換えれば、鋳鉄内に存在するグラファイトの全てが、好ましくは球状黒鉛で構成される。
【００１８】
表１は、鋳鉄を形成するために使用される各元素の量の例示的な範囲を示す。表１の鋳鉄は、６００〜９００ＭＰａの強度、２５０〜３８０ＭＰａの疲労強度、１０〜３０Ｗ／ｍＫの熱伝導性、および２５０〜３３０のＢＨＮ硬度を有する。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
本発明の別の局面は、上記の鋳鉄を製造する方法、および鋳鉄で形成されたシリンダライナ２０を製造する方法を提供する。鋳鉄を製造する方法は、合金の総重量に基づいて、炭素を３．２重量％〜３．８重量％、ケイ素を２．２重量％〜３．２重量％、銅を０．５重量％〜１．３重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％含む合金を提供するステップを含む。提供される合金は、上記の他の元素も含み得る。例示的な実施形態では、当該合金は、合金の総重量に基づいて、銅を０．５重量％〜１．３重量％、マンガンを０．０１重量％〜０．５重量％、およびクロムを０．０１重量％〜０．２重量％含む。
【００２１】
当該方法は、当該合金を融解および凝固させてグラファイトを形成するステップをさらに含み、凝固ステップ中に形成されるグラファイトの少なくとも一部は、球状黒鉛、好ましくは完全球状黒鉛である。言い換えれば、鋳鉄内に存在するグラファイトの１００％が、好ましくは球状黒鉛であるか、または球状黒鉛で構成される。
【００２２】
球状黒鉛を含む鋳鉄を形成するために、さまざまな異なる加熱および処理技術を合金に適用することができる。例示的な実施形態では、熱処理ステップは、まず、合金をカ氏約２８００度の温度に加熱して合金を融解させるステップを含む。この処理ステップ中に球状黒鉛が形成される。当該方法は、合金を冷却して凝固させるステップをさらに含む。冷却および凝固時に、球状黒鉛は鋳鉄内に保存される。
【００２３】
当該方法は、改良された鋳鉄でシリンダライナ２０を形成するステップをさらに含み得る。本発明のこの局面は、一般に、鋳鉄を融解させ、次いで融解された鋳鉄を所望の形状に鋳造、鍛造または成形するステップを含む。例示的な実施形態では、形成されたシリンダライナ２０は、中心軸Ａの周囲に周方向に延在し、第１の端部２４から反対側の第２の端部２６まで長手方向に延在している。また、シリンダライナは、中心軸Ａに面した内面２８と、内面２８と対向して中心軸Ａとは反対の方を向いた外面３０とを提供するように形成される。内面２８は、円筒形状を有する開口を提供する。
【００２４】
明らかに、上記の教示に鑑みて本発明の多くの変形例および変更例が可能であり、添付の特許請求の範囲の範囲内であれば、具体的に記載されている態様とは異なる態様で実施されてもよい。
【００２５】
全ての請求項および全ての実施形態の全ての特徴は、互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせてもよいと考えられる。
【図１】
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【国際調査報告】
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2019512605.tif 000007