JP2000202613A

JP2000202613A - シリンダブロックの製造方法

Info

Publication number: JP2000202613A
Application number: JP11009007A
Authority: JP
Inventors: Masato Motoyoshi; 正人元吉; Munekimi Hasegawa; 宗侯長谷川; Akimitsu Suyama; 了充須山; Akira Tsujimura; 明辻村; Eiji Shiotani; 英爾塩谷; Yuichiro Hara; 裕一郎原
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-25
Anticipated expiration: 2019-01-18
Also published as: JP3775088B2

Abstract

(57)【要約】【課題】シリンダブロックの鋳造時に、予熱したプリフ
ォームの温度が低下することを防止できて、マトリック
ス金属のプリフォームへの含浸が十分に行なえると共
に、ボア内周面への強化繊維の露出を防止して、ボア内
周面の機械加工性を向上し、ボア内面加工が容易にでき
るシリンダブロックの製造方法を提供する。【解決手段】鋳造時において、シリンダブロックのシリ
ンダボア周囲を補強する筒形状の繊維強化用プリフォー
ム２をウォタージャケット形成用の中子３に外周を接し
て嵌合し、該プリフォーム２の内側に隙間６を設けてシ
リンダボア形成用のボアピン５を配置して、該ボアピン
５と前記プリフォーム２との間の隙間６を溶湯の湯道と
して使用し、マトリッス金属の溶湯をこのプリフォーム
２に含浸させて加圧鋳造成形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強化繊維で強化さ
れた金属基複合部材である、エンジンのシリンダブロッ
クの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車製造等の材料分野において、異種
材料を組み合わせて所望の特性を持たせる金属基複合材
料（ＭＭＣ：Metal Matrix Composite）が発展してきて
おり、その中には、粒子強化金属基複合材料や繊維強化
金属基複合材料（ＦＲＭ：Fiber-reinforced Metal）等
がある。

【０００３】これらの金属基複合材料は、軽量化を目指
した構造材料として発達してきており、高強度、高弾性
率、高硬度、耐摩耗性、耐熱性等の特徴を持った強化材
料を混入することにより、単一材料では到底望めない高
度な機能を持たせることができる。

【０００４】そのため、軽量化が著しく進んでいる自動
車の分野でも使用されてきており、特に、自動車のエン
ジン部品では、低燃費・高出力化の要求から小型・軽量
化が進められており、アルミ合金の強化技術として、セ
ラミック繊維を複合化するＭＭＣ（Metal Matrix Compo
sit ）を採用し、アルミ合金製の部材の耐熱性、耐摩耗
性、高強度化を目標に、アルミ基複合材料を用いた各エ
ンジン部品の開発が進んでいる。

【０００５】そして、繊維強化金属基複合材料において
は、アルミナや炭化ケイ素ウィスカ等のセラミック繊維
類の強化繊維をバインダーで固形化してプリフォーム
（予備成形体）を成形し、鋳造時に溶融したマトリック
ス金属としてのアルミ、チタン、マグネシウム等の軽合
金をダイキャストや溶湯鍛造（スクィーズキャスティン
グ）でこのプリフォームに含浸させる方法等により製造
している。

【０００６】先行技術のエンジンのシリンダブロックの
製造方法においては、ライナー部のＭＭＣ化による強化
は、セラミック繊維を焼成固形化した円筒形状のプリフ
ォーム20と呼ばれるものを、３００℃〜８００℃の範囲
内に予熱した後、図２に示すように、鋳造時に、シリン
ダボア形成用のスチール製のボアピン４に内周面が接す
るように嵌合し、このプリフォーム20の外周側に隙間60
を設けて、ウォタージャケット形成用の砂中子３を配置
し、その外側にシリンダブロックの外形を形成する鋳型
５を配置して、次に溶融アルミを４９Ｍｐａ〜９８Ｍｐ
ａ（５００ｋｇｆ／ｃｍ²〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ²）
の圧力で加圧して鋳造することでＭＭＣ化を行なってい
た。つまり、プリフォーム20の外側のウォタージャケッ
ト形成用の砂中子３との間に隙間60を設けて溶湯の湯道
としている。

【０００７】このプリフォームの予熱は、アルミシリン
ダブロックのＭＭＣ強化用に使用するアルミナ繊維（密
度３．９ｇ／ｃｍ³）製の円筒状プリフォーム材では、
その繊維密度（ＶＦ：Volume fraction ）は１５％〜３
０％であるが、プリフォーム自体の密度は０．５９〜
１．１７と極めて低密度で空隙を有する構造となってい
る。

【０００８】そのため、アルミ含浸時にプリフォームの
温度が低いと、含浸したアルミの流動性が低下し、アル
ミの含浸抵抗が大きくなるので、加圧力により、ＭＭＣ
化の際にプリフォーム層に圧縮力が生じ、甚だしい場合
には圧壊する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術では、プリフォームを予熱してから、スチール製のダ
イキャスト型内に設けられているスチール製のボアピン
に嵌合して位置決めするので、予熱したプリフォームの
熱が、これに接している熱伝導性の良いスチール製のボ
アピンに伝導して熱を奪われてしまう。そのため、プリ
フォームの冷却が早く、溶湯の注湯までの間に予熱温度
が下がり、溶融アルミの含浸不良の原因となっていた。

【００１０】この沐湯時のプリフォームの温度は、健全
なＭＭＣ（金属基複合材料）化のためには、３００℃以
上の温度が必要であるが、型セット〜注湯までの時間短
縮は工法上の制約から困難であるという問題がある。

【００１１】更に、ボアピンとプリフォームを密着させ
て隙間なくセットした場合、ダイキャスト後のボア内面
は、強化繊維にマトリックス金属が含浸してできた耐摩
耗性に富むＭＭＣ部分となり、摺接面側の表面に硬質の
強化繊維が分散することになる。、そのため、ボア内面
に対する研削、精密中ぐり、ホーニング等の機械加工性
が非常に悪く、これらの機械加工に使用する切削工具の
材質や種類が、例えば、ダイヤモンド工具になる等、非
常に高価なものとなり、ＭＭＣ化されている部分は単一
の材料ではないために、切削速度の選択などが難しく、
その上、工具の寿命が短いので、製造コストが高いもの
となるという問題がある。その上、このＭＭＣ化された
部分に、ピストンが直接接触すると、摺接及び摺動する
ピストンの摩耗を促進してしまうという問題がある。

【００１２】そのため、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｃｒ等の電解
メッキをボア内面に施して、メッキ層で覆い、ピストン
との接触面に強化繊維が直接接触しないようにすること
が考えられるが、このセラミック系の強化繊維は導電性
のないものが多いため、電解メッキを施そうとしても、
このセラミック繊維部分にメッキが乗らず非密着部分が
形成され、密着性が悪くなって実用に供し得ないという
問題がある。

【００１３】一方、特開平８−１９７２２９号公報に
は、シリンダブロックのボア部を形成するプリフォーム
を形状維持体にセットして、両者を予熱した後、鋳型に
セットして溶湯を浸透させて複合化させた後に、機械加
工により形状維持体を機械加工により除去するシリンダ
ブロックの製造方法が提案されている。

【００１４】この製造方法によれば、形状維持体を熱容
量が大きく、通風性がよく、プリフォームの保護機能と
位置決め機能を有する、多孔性の金属の焼結材などで形
成し、この形状維持体でプリフォームを内周面側から保
持し、予熱温度が低下するのを防止すると共に、通気性
の確保により含浸の促進を図っている。

【００１５】しかしながら、この製造方法においては、
形状維持体が不可欠であり、しかもこの形状維持体を機
械加工により除去する必要があるので、製造工程が増加
し、又、製造コストも上昇するという問題がある。その
上、ボア内周面の加工性の問題やピストンの摩耗促進、
電気メッキの密着性等の問題が残されたままとなる。

【００１６】本発明は、上述の問題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、シリンダブロックの鋳
造時に、予熱したプリフォームの温度が低下することを
防止できて、マトリックス金属のプリフォームへの含浸
が十分に行なえると共に、ボア内周面への強化繊維の露
出を防止して、ボア内周面の機械加工性を向上し、ボア
内面加工が容易にできるシリンダブロックの製造方法を
提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するためのシリンダブロックの製造方法は、シリンダブ
ロックのシリンダボア周囲を補強する筒形状の繊維強化
用プリフォームを鋳型内に配置し、マトリッス金属の溶
湯をこのプリフォームに含浸させて加圧鋳造成形するシ
リンダブロックの製造方法であって、鋳造時において、
前記プリフォームをウォタージャケット形成用の中子に
外周を接して嵌合し、該プリフォームの内側に隙間を設
けてシリンダボア形成用のボアピンを配置して、該ボア
ピンと前記プリフォームとの間の隙間を溶湯の湯道とし
て使用することを特徴とする。

【００１８】即ち、このシリンダブロックの製造方法
は、ウォータージャケット用の砂中子の内周をガイドに
して、プリフォームをセッテングするようにしたもの
で、砂中子の砂の断熱効果とボアピンとプリフォームと
の間に設けた隙間とにより、型セットから注湯までの間
に生じるプリフォームの冷却が遅延されるので、欠陥の
無いＭＭＣ（金属基複合材料）層が得られる。

【００１９】つまり、スチール製のボアピンと砂や塩で
形成される中子の熱伝導率の違いを考慮することによ
り、プリフォームを熱伝導率の高いボアピンから離間
し、熱伝導率が低く断熱効果の大きい中子に接してセッ
トすることにより、熱移動を制限してプリフォームの高
温状態を維持するものである。

【００２０】また、ボアピンとプリフォームの間に隙間
を設けることにより、ボア加工面をマトリックスである
アルミ地とすることができ、ボア内周面の機械加工の容
易化やメッキ等の後処理を容易にすることができる。

【００２１】その上、この製造方法によれば、ボア内周
面側にマトリックス金属層を形成しているので、摺接す
るピストンが、直接、強化用のプリフォームに含まれて
いる硬質の強化繊維に接触することがなく、摺動部材の
摩耗が低減する。また、このマトリックス金属層は機械
加工性が良いので、容易に摺接面の加工精度を上げるこ
とができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態を説明する。本発明に係るシリンダブロックの
製造方法は、図１に示すように、円筒形状の繊維強化用
プリフォーム２を鋳型５内に配置して、マトリッス金属
の溶湯をこのプリフォーム２に含浸させて、加圧鋳造成
形する製造方法である。

【００２３】そして、鋳造時に、筒形状、通常は円筒形
状のプリフォーム２をウォタージャケット形成用の砂中
子や塩中子で形成される中子３に外周を接して嵌合し、
このプリフォーム２の内側に隙間６を設けて、シリンダ
ボア形成用のボアピン４を配置し、このボアピン４とプ
リフォーム３との間の隙間６を溶湯の湯道として使用す
る。

【００２４】また、プリフォーム２は、円筒状に形成さ
れ、その内周面にマトリックス層を設ける様、その分、
内半径を大きく形成する。また、ボアピン４の外周面と
の間に所定の隙間６を形成することができるように、こ
の隙間６分だけボアピンの径を小さくしておく。そし
て、この隙間６の大きさの例を上げると、この隙間６
は、通常、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度で設けられる。

【００２５】そして、補強繊維としては、アルミナ繊
維、アルミナ・シリカ繊維、カーボン繊維、炭化ケイ素
繊維、ボロン繊維や、これらの組合わせを使用でき、ま
た、バインダーとしては、フェノール樹脂、フラン樹
脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の合成樹脂バインダ
ーや、アルミナ、シリカなどの無機物質のセラミックバ
インダーがあり、これらを組み合わせて、プリフォーム
２を形成することができる。

【００２６】そして、図１に模式的に示すように、鋳型
５、ウォタージャケット形成用中子３及び他の必要な中
子（図示しない）、プリフォーム２、シリンダボア形成
用のボアピン４を配置した後、組付けて鋳造を行う。こ
の鋳造は、アルミやマグネシウム等の軽合金のマトリッ
クス金属を溶融した溶湯を鋳型５に流し込んだ後に、図
示しないピストンに加圧力を加えて溶湯を加圧し、この
加圧により溶湯をプリフォーム２に含浸させながら、シ
リンダブロックを鋳込む。

【００２７】この溶湯の流し込み時に、プリフォーム２
は、中子３により固定されているので、位置ズレを発生
しない。また、加圧時には、溶湯はプリフォーム２の内
周側の隙間６から含浸でき、また、略全内周側から略均
等に加圧できるので、プリフォーム２の変形や破損を防
止でき、ＭＭＣ（金属基複合材料）化部分を精度良く高
品質で形成できる。また、この隙間６部分には、プリフ
ォーム２が配置されていないので、マトリックス金属の
みが鋳込まれ、層の厚さが隙間６と同じとなるマトリッ
クス金属層が形成される。

【００２８】この時の強化繊維によって強化されていな
い層ができるが、これは、機械加工でマトリックス層の
厚さを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度に薄く形成すること
により、全体としての強度の低下を最小限に抑えること
ができる。

【００２９】そして、溶湯を冷却及び凝固させた後に型
ばらして、鋳造成形体であるシリンダブロックを取り出
し、更に、シリンダボアを正確な形状にするため、機械
加工する。この時にマトリックス金属層で硬質の強化繊
維が覆われているので、この機械加工は容易に行うこと
ができる。

【００３０】そして、場合によっては、ピストンとの滑
りと当たりを更に滑らかにするために、シリンダボア面
にメッキを施す。このメッキ時にも、非導電性の強化繊
維が露出していないので、メッキが表面全体に密着で
き、非常に密着性のよいメッキができる。このメッキに
より、シリンダボアのピストンと接触する表面にはメッ
キ層が形成され、その外側に薄いマトリッスス金属層
が、更にその外側に強化繊維で補強され、耐摩耗性に優
れた強化部分を有するシリンダブロックが製造される。

【００３１】以上のシリンダブロックの製造方法によれ
ば、筒状のプリフォーム２を、ダイキャスト型５内のウ
ォータージャケット用の砂中子３側にセットすることに
より、ボアピン４に熱を奪われることが無くなり、更
に、砂中子３の砂の断熱効果により、プリフォーム２が
予熱温度から大きく下がることを防止でき、鋳造時の溶
湯の急速な冷却を防止することができる。そのため、強
化繊維のプリフォームへの溶融アルミの含浸を円滑に行
なうことができるので、高品質のＭＭＣ化を行なうこと
ができる。

【００３２】更に、ボアピン４とプリフォーム２の間に
隙間６を設けることにより、ダイキャスト時にアルミの
溶湯が廻るため、シリンダブロックのボアの内周面側に
マトリックス金属のみの層を形成でき、ボアの内周面へ
のＭＭＣ化部分の露出を避けることができる。

【００３３】このマトリックス金属層は機械加工性が良
いので、ボア内周面の機械加工性を向上できるので、容
易にシリンダボアの機械加工の精度を上げることがで
き、また、切削工具の材質や種類、工具の寿命、切削速
度の選択などの各要因を、金属基複合材料の部分を加工
するのに比較して、著しく容易なものにすることがで
き、加工費を低減できる。

【００３４】更に、この様に製造されたシリンダブロッ
クは、シリンダボアの内周面側の表面に、セラミック系
の強化繊維を含まないマトリックス金属のみの層を形成
することができるので、摺接するピストンが、直接、Ｍ
ＭＣ化された部分の硬質の強化繊維に接触することがな
くなるので、ピストンの摩耗を低減することができる。

【００３５】その上、このシリンダボアの内周面の表面
には強化繊維の非導電性の部分が無くなるので、表面の
導電性を確保でき、表面全体のメッキ密着力が大きく向
上するので、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｃｒ等の電解メッ
キ、あるいはＮｉ、Ｃｕ等の無電解メッキが可能とな
る。

【００３６】そのため、このマトリックス金属層の表面
に電気メッキを施して、０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍ程度
のメッキ層を形成すれば、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｃｒ等の電
解メッキ層、あるいはＮｉ、Ｃｕ等の無電解メッキ層
が、マトリックス金属層を覆って保護するので、摺動側
のピストンのみならず、このシリンダブロックの耐摩耗
性も向上できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるシリ
ンダブロックの製造方法によれば、円筒状のプリフォー
ムをダイキャスト型内のウォータージャケット用の砂中
子側にセットすることにより、ボアピンに熱を奪われる
ことが無くなり、更に、砂の断熱効果により予熱温度の
低下を防止できるので、プリフォームが予熱温度から大
きく下がることがなく、鋳造時の溶湯の急速な冷却を防
止することができる。そのため、強化繊維のプリフォー
ムへの溶融アルミの含浸が円滑に行なわれるため、高品
質のＭＭＣ（金属基複合材料）化を行なうことができ
る。

【００３８】更に、ボアピンとプリフォームの間に隙間
を設けることにより、ダイキャスト時にアルミの溶湯が
廻るため、ボアの内周面側にマトリックス金属のみの層
を形成でき、ボアの内周面へのＭＭＣ化部分の露出を避
けることができる。そのため、ボア内周面の機械加工性
を向上できるので、切削工具の材質や種類、工具の寿
命、切削速度の選択などの各要因を、金属基複合材料の
部分を加工するのに比較して、著しく容易なものにする
ことができ、加工費を低減できる。

【００３９】更に、ボア内周面をＭＭＣ化された摩耗さ
せ易い表面から、強化繊維が露出しないマトリックス金
属面にすることができるので、ピストンの摩耗を減少で
き、また、電気メッキの密着性を良くすることができる
ので、電気メッキをすることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシリンダブロックの製造方法を説
明するための鋳組みの構成を示す模式的な図であり、
（ａ）は平断面図で、（ｂ）は、Ｘ−Ｘ線断面図であ
る。

【図２】先行技術のシリンダブロックの製造方法を説明
するための鋳組みの構成を示す模式的な図であり、
（ａ）は平断面図で、（ｂ）は、Ｙ−Ｙ線側断面図であ
る。

【符号の説明】

２、20 プリフォーム３砂中子（ウォータージャケト形成用）４ボアピン（シリンダボア形成用）５鋳型（シリンダブロック外形用）６、60 隙間（湯道）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須山了充神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内 (72)発明者辻村明神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内 (72)発明者塩谷英爾神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内 (72)発明者原裕一郎神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内Ｆターム(参考） 3G024 AA22 BA02 CA05 DA18 FA06 FA10 FA13 FA14 GA02 GA06 GA10 GA18 HA07 HA18 HA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダブロックのシリンダボア周囲を
補強する筒形状の繊維強化用プリフォームを鋳型内に配
置し、マトリッス金属の溶湯をこのプリフォームに含浸
させて加圧鋳造成形するシリンダブロックの製造方法で
あって、鋳造時において、前記プリフォームをウォター
ジャケット形成用の中子に外周を接して嵌合し、該プリ
フォームの内側に隙間を設けてシリンダボア形成用のボ
アピンを配置して、該ボアピンと前記プリフォームとの
間の隙間を溶湯の湯道として使用することを特徴とする
シリンダブロックの製造方法。