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発明の名称 シリンダブロック
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平11−33702
公開日 平成11年(1999)2月9日
出願番号 特願平9−200937
出願日 平成9年(1997)7月10日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】長門 侃二
発明者 河本 進 / 島本 敏郎 / 浅野 謙一 / 木村 康一 / 岩田 耕治
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 シリンダライナ部がAl合金と少なくとも無機質バルーンとの複合材料から成り、前記無機質バルーンの内部空間にも前記Al合金が充填されていることを特徴とするシリンダブロック。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は自動車エンジンのシリンダブロックに関し、更に詳しくは、Al合金のダイカスト鋳造によって製造されるシリンダブロックであって、そのシリンダライナ部を鋳ぐるんで製造されるシリンダブロックに関する。
【0002】
【従来の技術】シリンダライナをAl合金で鋳ぐるんだシリンダブロックは、まず、別工程で製造した例えばFC鋳鉄製のシリンダライナを所定の鋳型の中に配置し、鋳型の中にAl合金の溶湯を鋳込んだのち前記シリンダライナの内周面に研磨加工を施すことによりピストンの摺動面を形成して製造されてきた。
【0003】ところで、最近のAl合金製シリンダブロックの製造に関しては、次のような方法が採用されはじめている。すなわち、まず、シリンダライナの形状をしており、例えばアルミナ繊維や炭素繊維、また更にはアルミナ粉末や炭化ケイ素粉末などを骨組成分とする多孔質構造の円筒体を製造する。なお、この円筒体は、通常、プリフォームと呼ばれている。
【0004】ついで、例えば四気筒エンジンのシリンダブロックを製造しようとする場合には、所定の鋳型の中に上記プリフォームを4個配置したのち、鋳型の中にAl合金の溶湯を鋳込み、全体を冷却する。この過程で、溶湯はプリフォームの空隙部に含浸する。その結果、プリフォームは、Al合金と前記骨組成分とから成る複合材料に転化してシリンダライナになると同時に全体はAl合金で鋳ぐるまれる。
【0005】したがって、このシリンダブロックの場合、そのシリンダライナのピストンとの摺動面は、マトリックスであるAl合金の中に骨組成分が表出している複合材料表面で構成されている。前記した多孔質構造のプリフォームの製造方法としては、吸引脱水成形法,押出成形法,プレス成形法などが知られているが、その代表例として、吸引脱水成形法について説明する。
【0006】この方法においては、まず、アルミナ繊維,炭素繊維,アルミナ粉末,炭化ケイ素粉末のような前記骨組成分と水とを混合し、更に必要に応じては各種の有機バインダや無機バインダを添加してスラリーを調製する。一方、図3で示したように、通水性の壁面を有する円筒型2を用意し、その下端開口を板2aで密閉し、かつ上端開口には吸引口2bを有する板2cを配置し、前記円筒型2を前記したスラリー1に浸漬する。そして、吸引口2bから真空引きして円筒型2の内部空間を負圧状態にする。
【0007】円筒型2の内部空間の空気は引き抜かれ、ついで、スラリー1の水は円筒型2の壁面を通過して円筒型2の中に引き込まれ、そして吸引口2bから吸引・除去されていく。その結果、円筒型2の外周面には、スラリー1に分散していた前記骨組成分が互いに絡み合いながら、またバインダによって互いに結合した状態で付着し、所望する肉厚の円筒体3が成形される。
【0008】ついで、全体をスラリー1から取り出し、板2a,2bを取り外したのち乾燥し、更に、円筒型2を脱型して乾燥円筒体とし、最後に、この乾燥円筒体を所定温度で焼成する。その結果、図4で示したように、全体形状が円筒形をなし、その壁面4aは前記スラリー中の骨組成分がバインダで結合され、その骨組成分の間には互いに連通しあう空隙部が存在する3次元多孔質構造のプリフォームが得られる。
【0009】また、押出成形法の場合は、図5で示したように、シリンダ5a内にスクリュー5bが配設され、先端に所定形状のダイ5cが装着されている押出成形機5のホッパ5dから、骨組成分とバインダ成分を投入し、スクリュー5bを回転させることにより全体を混練しながらダイ5cから押出し、所定形状のプリフォーム4が成形される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】このようにして製造されるプリフォームを前記したシリンダライナの基体として使用する場合、次のようなことが問題となる。まず、鋳型内にAl合金の溶湯を圧入してこのプリフォームの空隙部にAl合金の溶湯を含浸せしめてシリンダライナにすることを考えると、鋳造法やその鋳造条件によっても変わってくるが、当該プリフォームはあまり密なものであってはならない。溶湯が空隙部に含浸しにくくなるからである。
【0011】しかしながら、プリフォームが過度に粗である場合には、空隙部への溶湯の鋳込みは容易となるが、他方では当該プリフォームの機械的強度が小さくなって、溶湯鋳込み時にその圧力で形状が崩壊したり、または圧縮されることにより密となってしまい注湯の含浸が起こらなくなることもある。したがって、製造したプリフォームは適正な空隙率の多孔質構造体になっていることが必要とされる。
【0012】更には、このプリフォームとマトリックスであるAl合金の複合材料として製造されたシリンダライナは、その耐摩耗性が優れたものであることが必要とされる。上記したAl合金の溶湯鋳込み時の問題、また製造されたシリンダライナの耐摩耗性の問題を考慮して、プリフォームの空隙率、逆に言えば、当該プリフォームにおける骨組成分の体積率が適正に決められることになる。
【0013】例えば、特開平6−322459号公報には、骨組成分がアルミナ短繊維とムライト粒子であるプリフォームを吸引脱水成形法で製造し、それを用いたアルミニウム合金製摺動部材が開示されている。その場合、製造したアルミニウム合金製摺動部材における前記アルミナ短繊維とムライト粒子のそれぞれの体積率が2〜12%,5〜25%となるように、プリフォームにおけるこれら骨組成分の体積率が選定されることになる。
【0014】また、特公平3−8867号公報には、アルミナ繊維の体積含有率が8.0〜20.0%にしたアルミニウム合金製摺動部材が開示されている。この場合も、プリフォームにおけるアルミナ繊維の体積率は、製造目的のアルミニウム合金製摺動部材におけるアルミナ繊維の体積率が上記した値となるように選定されることになる。
【0015】そのためには、例えば吸引脱水成形法の場合、前記したスラリー調製時に、骨組成分の種類,形状、または配合量が適宜に選定される。例えば、アルミナ繊維のような無機質繊維を使用する場合、その長さ,アスペクト比,配合量などの因子で体積率が調整され、またムライト粒子のような無機質粉末を使用する場合、その粒度,配合量などで体積率が調整される。
【0016】ところで、各種の鋳造法のうちダイカスト鋳造法は、溶湯を高温で圧入して、高精度で平滑美麗な鋳肌を有する鋳物を短時間で大量に生産する方法として知られている。このダイカスト鋳造法の場合、鋳込み時の溶湯速度は大きく、また冷却速度も非常に大きいので、薄肉の鋳物を高い生産性の下で製造する方法として好適である。
【0017】したがって、前記したプリフォームをAl合金で鋳ぐるんでシリンダブロックを製造するときに、このダイカスト鋳造法を適用することによりシリンダブロック製造時の生産性を高めることができる。一般に、Al合金のダイカスト鋳造時にプリフォームを崩壊させないためには、プリフォームの骨組成分の体積率を50%程度にする必要があるとされている。
【0018】しかしながら、骨組成分の体積率が50%程度のプリフォームに対してAl合金のダイカスト鋳造を行うと、プリフォームにAl合金の溶湯が含浸しないという問題が発生し、複合材料としてのシリンダライナの製造は困難である。このようにプリフォームをAl合金の溶湯で鋳ぐるんでAl合金製シリンダブロックを高い生産性の下で、したがって安価に製造するためには、ダイカスト鋳造法の適用が最適であると考えられるにかかわらず、上記したような問題が生ずるため、現在までのところ、工業的には採用されていない。
【0019】そのため、プリフォームを用いてシリンダブロックを製造するときは、プリフォームを崩壊させることなくAl合金の溶湯が含浸する溶湯鋳造法が一般に適用されている。しかしながら、この溶湯鋳造法は、ダイカスト鋳造法に比べてその設備装置は大規模化し、また生産性も低いという問題がある。
【0020】また、プリフォームにバルーンを用いたものとしては特開平3−177532号公報に記載されているものがある。しかしながら、これは、バルーンの粒径および球状化率を選定することにより鋳造時におけるバルーンの崩壊を防止することを目的とするものである。すなわち、全体の軽量化は図られるが、耐摩耗性については何の記載もなされていないのである。
【0021】本発明は、プリフォームにダイカスト鋳造法を適用してAl合金シリンダブロックを製造する時における上記した問題を解決し、ダイカスト鋳造が可能となるようなプリフォームを開発することにより、それを用いて製造されたAl合金製シリンダブロックを提供するものであって、そのシリンダライナ部の耐摩耗性は従来のFC鋳鉄の場合に比べて遜色がないAl合金製シリンダブロックの提供を目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、骨組成分としてはアルミナ・シリカ繊維,アルミナ粒子の2種類を選定し、これらを用いて、骨組成分の体積率が異なる各種のプリフォームを製造し、それらプリフォームにAl合金溶湯のダイカスト鋳造を試みて、溶湯のプリフォームへの含浸の深さについて調査した。
【0023】その結果、骨組成分の体積率が18%以下であるプリフォームの場合、当該プリフォームへのAl合金溶湯の含浸深さが2mm以上になるという事実を見出した。したがって、シリンダブロックにおけるシリンダライナ部の厚みは一般に2mm前後に設定されていることを考えれば、骨組成分の体積率が18%以下に成形されているプリフォームを用いれば、充分、ダイカスト鋳造法でシリンダブロックを製造することができるとの知見を得た。
【0024】そして、プリフォームを安価に製造することを目的として、比較的高価格なアルミナ繊維など無機質繊維の使用量を減らし、それに代替する他の骨組成分について検討を加えた。その結果、後述する無機質バルーンは低価格であり、しかもプリフォームの骨組成分として充分機能し得るとの事実を見出した。本発明は、上記した知見に基づいて開発されたプリフォームを用いることによりダイカスト鋳造法で製造されたシリンダブロックである。
【0025】すなわち、ダイカスト鋳造前は無機質バルーンが中空であって、バインダなども加えられているため見掛け上の体積率が50%程度になっており、鋳造の初期には無機質バルーンは崩壊することなく、鋳造が進むにつれてAl合金の溶湯が無機質バルーンの中空部にも侵入して全体の体積率を低くして、Al合金が良好に含浸したシリンダライナが得られることを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】本発明のシリンダブロックは、そのシリンダライナ部が後述するプリフォームとAl合金との複合材料になっていることを除いては、従来のAl合金製シリンダブロックと変わることはない。上記した複合材料において、マトリックスはAl合金であり、骨組成分は少なくとも無機質バルーンで構成されている。そして、この無機質バルーンの内部空間にもダイカスト鋳造時にAl合金が充填されるところに特徴がある。
【0027】なお、この複合材料において骨組成分は無機質バルーンだけであってもよいが、他の骨組成分として、従来から使用されているアルミナ繊維,炭素繊維,セラミック繊維,ムライト繊維,石綿,ロックウールなどの無機質繊維や、アルミナ粉末,炭素ケイ素粉末などの無機質粉末を含有させると、複合材料の強度や耐摩耗性が向上するので好適である。
【0028】いずれにしても、これら骨組成分は、後述するAl合金溶湯のダイカスト鋳造時に、例えば熱分解,溶融もしくは溶湯の流れにより変形し、また原形をとどめないという事態が起こらないようなものであることが必要になる。この複合材料は、無機質バルーンが少なくとも骨組成分になっているプリフォームに対してAl合金をダイカスト鋳造することによって形成される。
【0029】無機質バルーンは薄い皮殻を有する微小中空体であるが、これが配合されているプリフォームにAl合金をダイカスト鋳造すると、理由は明確ではないが、当該無機質バルーンの皮殻はその球形状に微小孔が形成され、そこからAl合金の溶湯が圧入されて、結果として、ダイカスト鋳造の過程で無機質バルーンの内部空間にもAl合金が充填されるものと考えられる。
【0030】したがって、この複合材料の場合、骨組成分である無機質バルーンの体積率は、中空体としての体積率ではなく、当該バルーンの皮殻部分のみが全体の占める体積率になっている。しかし、この複合材料の前駆体であるプリフォームにおいては、骨組成分の見掛け上の体積率は、中空体としての体積率になっているため、複合材料における無機質バルーンの皮殻部分が実質的に占有する体積率よりも超かに大きな値になっている。
【0031】すなわち、無機質バルーンの体積率は、プリフォームにおける見掛け上大きな値から、ダイカスト鋳造の過程で無機質バルーンの内部空間に溶湯が充填されることにより、実質的には小さい値に変転するのである。このシリンダブロックの製造は次のようにして製造される。まず、前記した吸引脱水成形法,押出成形法,プレス成形法などによって、プリフォームが成形される。
【0032】用いる無機質バルーンとしては、例えば、ガラスバルーン,シラスバルーン,カーボンバルーン,アルミナバルーンなどをあげることができる。また、バルーンの大きさは、20〜120μm程度であることが好ましい。あまり小さいバルーンは、皮殻強度が大きくなって、ダイカスト鋳造時にAl合金の溶湯が当該バルーンの内部空間に充填されなくり、前記したような複合材料が形成されず、逆にバルーンがあまりにも大きくなると、ダイカスト鋳造時に破裂して小破片となってAl合金中に分散することになり、複合材料の強度特性や耐摩耗性が損なわれるようになるからである。
【0033】なお、このプリフォームの成形時にはバインダ成分が配合される。用いるバインダ成分としては、メチルセルロース,カルボキシメチルセルロース,ヒドロキシメチルセルロース,ポリビニルアルコール,ヒドロキシエチルセルロース,フェノール樹脂のような有機バインダ;フリットなどの粉末状結合材や、コロイダルシリカ,アルミナゾルなどのゾル状結合材のような無機バインダをあげることができる。
【0034】また、従来から用いている各種の無機質繊維や無機質粉末を同時に配合してプリフォームを成形してもよい。このとき、上記した骨組成分の配合割合は、ダイカスト鋳造後の複合材料におけるバルーンの前記した実質的な体積率と他の骨組成分の体積率との和が18%以下となるように調整される。
【0035】その場合、プリフォームにおけるバルーンの見掛け上の体積率は大きな値となるので、比較的高価な無機質繊維の使用量を減らすことができる。このようにして成形されたプリフォームを、ダイカストマシンにセットし、Al合金の溶湯を鋳込み、当該プリフォームをAl合金との複合材料にすると同時に全体を鋳ぐるむ。
【0036】鋳造後、形成された複合材料の表面に例えば切削加工,ホーニング仕上げ加工を施して摺動面に加工することにより、本発明のシリンダブロックが得られる。
【0037】
【実施例】ガラスバルーン(直径20〜120μm),アルミナ・シリカ繊維(繊維径2.5μm,長さ50〜150μm,アスペクト比20〜60),ムライト粒子(350メッシュ),および無機バインダとしてのフリットを混合し、その混合物を図5で示した押出成形機のホッパに投入し、シリンダ温度0℃で押出成形し、長さ138mm,外径95.1mm,肉厚3.8mmの円筒形プリフォームを製造した。
【0038】このプリフォームにおけるガラスバルーンの見掛け上の体積率は40%,アルミナ・シリカ繊維の体積率は1.5%,ムライト粒子の体積率は3.5%,無機バインダの体積率は5.0%になっている。逆にいえば、このプリフォームにおける空隙率は50%になっている。なお、ガラスバルーンの見掛け上の体積率は40%であるが、その皮殻部分が占める実質的な体積率は6%である。
【0039】したがって、このプリフォームにおける骨組成分の占める実質的な体積率は16%になっている。ついで、このプリフォームを、型締力300tonのダイカストマシンにセットし、射出速度1.0m/sec,鋳造圧力500kg/cm2,ゲート速度30m/sec,充填時間0.17secの条件でダイカスト鋳造した。得られた複合材料の肉厚は1.8mmに減じていた。そして、この複合材料の表面に切削加工を施したのち、ホーニング加工した。そのとき金属組織の顕微鏡写真(倍率100倍)を代用図面として図1に示した。
【0040】図1において、白地の部分はAl合金,黒地の部分は空隙や骨組成分を示している。図1から明らかなように、ガラスバルーンの皮殻は球形を保った状態でAl合金の中に分散し、またその内部にもAl合金が充填されている。ついで、この複合材料の耐摩耗性を下記の仕様で評価した。
【0041】複合材料の表面に後述するピン状のピストンリング材を荷重50kgで圧接し、ここに潤滑油を1ml/minで供給しながら、複合材料をストローク50mm,速度200cpmの条件で2時間往復動させ、そのときの摩耗量を測定した。なお、試験は、Crめっきリング材と窒化めっきリング材の場合について行った。
【0042】また、比較のために、従来からのシリンダライナとして使用されているFC250,ハイシリコンアルミ合金の場合についても耐摩耗性を評価した。その結果を、図2に示した。図中、白枠はピストンリング材がCrめっきリング材の場合、黒枠はピストンリング材が窒化リング材の場合を示す。
【0043】図2から明らかなように、本発明の複合材料の耐摩耗性は、ハイシリコンアルミ合金に比べて超かに優れており、また従来からのシリンダライナ材であるFC250に比べても実用上遜色はない。
【0044】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明のAl合金製シリンダブロックは、そのシリンダライナ部が従来多用されているFC鋳鉄に比べても実用上何ら遜色のない耐摩耗性を発揮している。そして、本発明のシリンダブロックの製造はダイカスト鋳造法が可能であるため、生産性は高くなり、従来に比べて低コスト生産を実現することができる。しかも、骨組成分として比較的高価な無機質繊維に代えて安価な無機質バルーンを用いているので、材料面からも低コスト化を実現している。




 

 


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