JP2000210763A

JP2000210763A - 金属基複合材料部材の製造方法

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Publication number: JP2000210763A
Application number: JP11012206A
Authority: JP
Inventors: Mikinari Nozaki; 美紀也野崎; Masamichi Okada; 政道岡田; Masayuki Hasebe; 眞之長谷部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】成形体の割れ発生部位を限定させることがで
きる金属基複合材料部材の製造方法の提供。【解決手段】強化用成形体１１を鋳包むことにより複
合化した金属基複合材料部材２０の製造方法であって、
成形体１１の一部に強度的弱部２１を形成する金属基複
合材料部材２０の製造方法。強度的弱部２１は切欠きか
らなる。切欠きは軸方向切欠き、または周方向切欠き、
または軸方向切欠きと周方向切欠きの合成切欠き、また
は軸方向切欠きに別の切欠きが合体した切欠きからな
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、金属基複合材料部
材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属基複合材料部材の一例として金属基
複合シリンダブロックがある。従来の金属基複合シリン
ダブロックの製造方法は、特開平１０−２２０２７８号
公報に開示されているように、シリンダブロック鋳型、
シリンダボア入子に強化繊維成形体をセットし、型閉め
し、キャビティにアルミ溶湯を充填し、溶湯が成形体を
鋳包みかつ含浸し凝固した後、型開きして製品を取り出
す工程からなる。図１１は、従来の一般的なダイカスト
鋳造における、成形体５の金型１、ボア入子６へのセッ
ト、チップ３によるキャビティ２への溶湯４の充填を示
している。成形体５をセットするためボア入子６と成形
体５との間にはクリアランス７（０．２〜５ｍｍ）を設
定する。このため、成形体５は溶湯４を充填した時に外
周面側からボア入子６側に向かって鋳造圧力を受ける。
その時に成形体５が割れを発生しないように、通常、成
形体５のバインダー量を増やし、成形体５の強度を増加
させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、製品形状（肉
厚変化）と溶湯射出時に鋳造方案により成形体にかかる
溶湯圧のアンバランスにより、成形体に割れが発生する
場合がある。割れは、成形体のボア部全体のいずれかの
部位で発生する。割れが発生すると成形体内周面にアル
ミが露出した部分が発生する。これはピストンの摺動に
も悪影響を及ぼし、ピストンリングの焼付きを誘発す
る。製品規格を緩めるとピストンリングへの負担が大き
くなり、燃費、出力が低下してしまう。バインダー量を
増やして成形体の強度を増加させると、溶湯射出時の成
形体割れは若干低減するが、バインダー量増大により複
合性が悪化し、鋳造圧力アップ等により成形体割れは余
り低減しない。本発明の目的は、成形体に割れが発生し
てもその発生部位を問題を生じない部位に限定させるこ
とができる金属基複合材料部材の製造方法を提供するこ
とにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、つぎの通りである。（１）強化用成形体を鋳包むことにより複合化した金
属基複合材料部材の製造方法であって、前記強化用成形
体の一部に強度的弱部を形成することを特徴とする金属
基複合材料部材の製造方法。（２）前記強度的弱部は切欠きである（１）記載の金
属基複合材料部材の製造方法。（３）前記切欠きは前記強化用成形体の軸方向に延び
る切欠きである（２）記載の金属基複合材料部材の製造
方法。（４）前記軸方向に延びる切欠きはその開放端と反対
側の端部に前記強化用成形体の周方向に短く延びる切欠
きを有する（３）記載の金属基複合材料部材の製造方
法。（５）前記切欠きは前記強化用成形体の周方向に延び
る切欠きである（２）記載の金属基複合材料部材の製造
方法。（６）前記切欠きは前記強化用成形体の軸方向に延び
る切欠きと前記強化用成形体の周方向に延びる切欠きと
を有する（２）記載の金属基複合材料部材の製造方法。（７）前記金属基複合材料部材がシリンダブロックで
ある（１）または（２）記載の金属基複合材料部材の製
造方法。

【０００５】上記（１）〜（７）の金属基複合材料部材
の製造方法では、強化用成形体の一部に強度的弱部を形
成したので、割れの発生部位を強度的弱部に限定させる
ことができ、その強度的弱部を割れが発生しても問題を
生じない部位（金属基複合材料部材がシリンダブロック
の場合は、ピストン摺動部以外の部位）に設けておくこ
とにより、成形体に割れが発生してもその発生部位を問
題を生じない部位に限定させることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１〜図４は本発明の実施例１の
金属基複合材料部材の製造方法を示し（そのうち、図１
は本発明の何れの実施例にも適用可能）、図５は本発明
の実施例２の金属基複合材料部材の製造方法を示し、図
６〜図８は本発明の実施例３の金属基複合材料部材の製
造方法を示し、図９〜図１０は本発明の実施例３の金属
基複合材料部材の製造方法を示す。図中、本発明の何れ
の実施例にも共通または類似する部分には、本発明のす
べての実施例にわたって同じ符合を付してある。

【０００７】まず、本発明の何れの実施例の金属基複合
材料部材の製造方法にも共通または類似する部分を、た
とえば、図１〜図４を参照して、説明する。図１に示す
ように、本発明実施例の金属基複合材料部材の製造方法
は、鋳型１２に強化繊維（たとえば、ＳｉＯ₂を主成分
とする繊維）の成形体１１（溶湯含浸性のある成形体）
をセットする工程と、型閉めして型内に形成されたキャ
ビティ１７に溶湯１８をシリンダ１９から射出、充填す
る工程と、溶湯１８が成形体１１に含浸し溶湯が凝固し
た後型開きして金属基複合材料部材（製品ともいう）２
０を型１２から取り出す工程と、からなる。

【０００８】金属基複合材料部材２０は、たとえば、内
燃機関のアルミ製シリンダブロックである。ただし、金
属基複合材料部材２０は内燃機関のアルミ製シリンダブ
ロックに限るものではない。金属基複合材料部材２０が
シリンダブロックである場合、鋳型１２は、一対の金型
１３、１４と、一対の金型の一方に一体または別体に設
けられたシリンダボア入子（ボア入子ともいう）１５
と、シリンダボア入子１５を囲む外型１６とを有し、型
閉めされた時に、これらの間にキャビティ１７を形成す
る。成形体１１とボア入子１５との間には、通常、０．
２〜５ｍｍのクリアランスがある。

【０００９】成形体１１は、成形体１１が割れて製品２
０の表面に金属（溶湯金属）露出部ができても問題が生
じない部位に、強度的弱部２１が形成されている。強度
的弱部２１を形成する理由は、成形体１１に割れ２２が
発生する場合、必ず強度的弱部２１で発生するように、
割れ発生部位を限定するためである。金属基複合材料部
材２０がシリンダブロックである場合、製品２０の表面
に金属露出部ができても問題が生じない部位とは、ピス
トン摺動部位３０以外の部位である。

【００１０】強度的弱部２１は、たとえば、成形体１１
に形成された切欠きからなる。成形体１１が円筒状をな
している場合、切欠きは、円筒状成形体の一端部から他
端に向かって途中位置まで軸方向に延びる複数の切欠き
２１Ａであってもよいし、切欠き２１Ａはそれに付随し
て設けられた別の切欠き２１Ｂを有していてもよいし、
円筒状成形体の軸方向途中部位に周方向に延びる底付き
溝状の切欠き２１Ｃ、２１Ｄ（２１Ｃと２１Ｄは深さが
異なる）であってもよいし、軸方向切欠きと周方向切欠
きとの組み合わせでもよい。

【００１１】上記の本発明の何れの実施例の金属基複合
材料部材の製造方法にも共通または類似する部分の作用
は、つぎの通りである。キャビティ１７に溶湯１８をシ
リンダ１９から射出、充填した時、成形体１１に溶湯圧
がかかり、この溶湯圧が成形体１１の内外で異なった
り、あるいは部分的に異なったりして、圧力バランスが
くずれると、成形体１１にアンバランスな荷重がかか
る。成形体１１に割れが発生する場合、強度的弱部２１
で起こり、いったん強度的弱部２１で割れ２２が発生す
ると、成形体１１に生じていた応力が緩和され、強度的
弱部２１以外での割れを抑制する。これによって、割れ
の発生部位が強度的弱部２１に限定される。

【００１２】強度的弱部２１を割れが発生しても問題を
生じない部位（金属基複合材料部材がシリンダブロック
の場合は、ピストン摺動部以外の部位）に設けておくこ
とにより、成形体１１に割れが発生してもその発生部位
を問題を生じない部位に限定させることができる。割れ
２２が発生した部位には、製品２０の表面に金属（アル
ミシリンダブロックの場合はアルミ）の露出部２３が生
じるが、その部位は問題を生じない部位（金属基複合材
料部材がシリンダブロックの場合は、ピストン摺動部以
外の部位）であるので、問題ない。

【００１３】つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を
説明する。本発明の実施例１では、図１〜図４に示すよ
うに、成形体１１は円筒状であり、強度的弱部２１は切
欠き２１Ａからなる。その切欠き２１Ａは、成形体１１
の軸方向一端に開放しており、成形体１１の軸方向一端
から他端に向かって軸方向途中部位まで延びる、複数の
軸方向切欠きからなる。隣接する軸方向切欠き２１Ａの
間の部分は成形体１１の位置決め用支持部２４である。
鋳型１２に成形体１１をセットし、溶湯を充填した時、
成形体１１の軸方向に位置決めは、割れが発生しなかっ
た位置決め用支持部２４により、行われる。根元に割れ
が発生した位置決め用支持部２４はそのまま溶湯に鋳包
まれる。割れが発生した位置決め用支持部２４は位置が
ずれるが、割れが発生しなかった位置決め用支持部２４
が成形体１１の本体部（支持部以外の部分）を支持して
いるので、成形体１１の本体部の位置度が確保される。

【００１４】製品形状の形状、肉厚変化が大きい部分に
溶湯充填時溶湯圧力による応力が集中して割れが発生す
るため、成形体１１の形状、肉厚変化が大きい場合ほ
ど、位置決め用支持部２４の数を多くする必要がある。
また、位置決め用支持部２４の幅ｂを小さく設定した方
が割れ発生部位を位置決め用支持部２４の根元に限定す
る信頼性を向上させることができる。ただし、位置決め
用支持部２４の幅ｂを小さくしすぎると、鋳造前の段取
り（セット作業、ハンドリング）において位置決め用支
持部２４が破損する可能性があるので、割れ発生部位の
限定と破損防止との両方を考慮に入れて、位置決め用支
持部２４の幅ｂを決定することが望ましい。

【００１５】シリンダボア径８０〜１００ｍｍ、ピスト
ンストローク１００〜１５０ｍｍの金属基複合材料ブロ
ックでは、成形体１１の形状を、位置決め用支持部２４
の数を４〜８箇所、切欠き２１Ａの幅を３０〜６０ｍ
ｍ、位置決め用支持部２４の幅を５〜３０ｍｍ、位置決
め用支持部２４の付け根形状をピン角〜３ｍｍＲとし、
ピストンストローク１００〜１５０ｍｍの下端から２０
ｍｍ以上、切欠き２１Ａの上端を離した形状とすること
が望ましい。

【００１６】本発明の実施例１の作用については、溶湯
１８を充填し、溶湯圧力が成形体１１にかかって割れ２
２が発生しても、強度的弱部２１である切欠き２１Ａが
形成されているため、その割れ２２は、切欠き２１Ａの
上端部位に対応する位置決め用支持部２４の付け根部に
限定され、その部位の割れによって成形体１１の他の部
位の応力が緩和されて、成形体１１の他の部分に割れが
発生することが防止される。また、上記形状の成形体１
１を用いて製造した金属基複合材料ブロック製品２０Ａ
では、図４に示すように、金属（アルミ）露出部２３
は、成形体１１の切欠き２１Ａに対応する部分と、成形
体１１の割れによる部分とに生じる。そして、成形体１
１の割れによる金属（アルミ）露出部２３は、切欠き２
１Ａの上端から上方に一定寸法ｃ＝２０ｍｍまでに限定
された範囲でのみ発生した。したがって、アルミ露出ｂ
ｕ２３は、ピストンストローク域にかからないので、ピ
ストンおよびピストンリング摺動に悪影響を及ぼさな
い。

【００１７】本発明の実施例２では、図５に示すよう
に、成形体１１は円筒状であり、強度的弱部２１は、本
発明実施例１の切欠き２１Ａと、切欠き２１Ａの開放端
と反対側端に切欠き２１Ａに連通して形成され成形体１
１の周方向に延びて位置決め用支持部２４に食い込む切
欠き２１Ｂとの、合成切欠きからなる。切欠２１Ｂの形
状はＲが０，５〜３ｍｍ程度とされ、位置決め用支持部
２４に０，５〜３ｍｍ程度食い込んでいる。その他の構
成は、本発明実施例１と同じであるので、実施例１の説
明を準用する。

【００１８】本発明実施例２の作用については、切欠き
２１Ｂが切欠き２１Ａに加わった分、位置決め用支持部
２４の根元部に割れ発生部位が限定され、割れ発生部位
の信頼性が向上する。上記形状の成形体１１を用いて製
造した金属基複合材料ブロック製品２０Ａでは、図４に
示すように、アルミ露出は、成形体１１の切欠き２１Ａ
の上端から上方に２０ｍｍまでに限定された範囲でのみ
発生した。したがって、アルミ露出は、ピストンストロ
ーク域にかからないので、ピストンおよびピストンリン
グ摺動に悪影響を及ぼさない。その他の作用は本発明実
施例１の作用に準じる。

【００１９】本発明の実施例３では、図６〜図８に示す
ように、成形体１１は円筒状であり、強度的弱部２１は
切欠き２１Ｃからなる。その切欠き２１Ｃは、成形体１
１の軸方向一端（下端）から他端側に隔たった位置にあ
り、成形体１１の周方向に全周にわたって延びる、１つ
の、底付きの（溝状の）周方向切欠きからなる。切欠き
２１Ｃは、円筒状成形体１１の外周に開放された溝状切
欠きである。切欠き２１Ｃの深さｄは、溝底部が加工代
ｈ内にあり、鋳造後円筒状成形体１１の内周面を機械加
工した際に、溝底部が全部削りとられてしまって金属部
が内面に露出する深さとする。製品がシリンダブロック
の場合、切欠き２１Ｃはピストン摺動域を外れた位置に
（切欠き２１Ｃの上端がピストン摺動域下端から１ｍｍ
以上離れている）設けられる。シリンダボア径８０〜１
００ｍｍ、ピストンストローク１００〜１５０ｍｍの金
属基複合材料ブロックでは、切欠き２１Ｃの幅ｅは、１
〜４ｍｍ程度とする。

【００２０】本発明の実施例３の作用については、溶湯
１８を充填し、溶湯圧力が成形体１１にかかって割れ２
２が発生しても、強度的弱部２１である切欠き２１Ｃが
形成されているため、その割れ２２は、切欠き２１Ｃか
らの割れに限定され、その部位の割れによって成形体１
１の他の部位の応力が緩和されて、成形体１１の他の部
分に割れが発生することが防止される。また、切欠き２
１Ｃから割れ２２が発生しても、その部分は、加工代の
範囲にあって、鋳造後の内周面機械加工で全部除去され
るので、シリンダボア内面に成形体１１の割れによるア
ルミ露出が生じることはない。ただし、上記形状の成形
体１１を用いて製造した金属基複合材料ブロック製品２
０Ｂでは、図８に示すように、成形体１１の切欠き２１
Ｃに侵入して凝固したアルミ部（割れによるものではな
い）は製品内周面加工後に製品内面に露出する。露出部
は切欠き２１Ｃと同じ幅を有しシリンダボア全周にわた
る。ただし、この部分はピストン摺動域から外れている
ので、ピストンおよびピストンリング摺動に悪影響を及
ぼすことはない。

【００２１】本発明の実施例４では、図９、図１０に示
すように、成形体１１は円筒状であり、強度的弱部２１
は切欠き２１Ｄからなる。その切欠き２１Ｄは、成形体
１１の軸方向一端（下端）から他端側に隔たった位置に
あり、成形体１１の周方向に全周にわたって延びる、１
つの、底付きの（溝状の）周方向切欠きからなる。切欠
き２１Ｄは、円筒状成形体１１の外周に開放された溝状
切欠きである。切欠き２１Ｄの深さｄは、溝底部が加工
代ｈより大であり、鋳造後円筒状成形体１１の内周面を
機械加工した際に、溝底部の一部は削りとられないで残
り溝底部が内面に露出する深さとする。製品がシリンダ
ブロックの場合、切欠き２１Ｄはピストン摺動域を外れ
た位置に（切欠き２１Ｄの上端がピストン摺動域下端か
ら５ｍｍ以上離れている）設けられる。シリンダボア径
８０〜１００ｍｍ、ピストンストローク１００〜１５０
ｍｍの金属基複合材料シリンダブロックでは、切欠き２
１Ｄの幅ｅは、１〜４ｍｍ程度とする。

【００２２】本発明の実施例４の作用については、溶湯
１８を充填し、溶湯圧力が成形体１１にかかって割れ２
２が発生しても、強度的弱部２１である切欠き２１Ｄが
形成されているため、その割れ２２は、切欠き２１Ｄか
らの割れに限定され、その部位の割れによって成形体１
１の他の部位の応力が緩和されて、成形体１１の他の部
分に割れが発生することが防止される。また、切欠き２
１Ｄから割れ２２が発生すると、図９に示すように割れ
が斜めに軸方向に広がる方向に伝幡すると、アルミ露出
部は切欠き２１Ｄの幅ｅの範囲より軸方向に外れた位置
に生じる。その結果、製品２０Ｃにおいて、図１０に示
すように、鋳造後の内周面機械加工後に表れるアルミ露
出部の生じる可能性のある範囲ｇは、切欠き２１Ｄの幅
ｅより広がるが、各アルミ露出部の幅ｆは、切欠き２１
Ｄの幅ｅの幅よりは小となる。アルミ露出部は、ピスト
ンストローク域にかからないので、ピストンおよびピス
トンリング摺動に悪影響を及ぼさない。

【００２３】上記実施例では、成形体に軸方向切欠２１
Ａと周方向切欠２１Ｃ、２１Ｄを別に設ける場合を示し
たが、ひとつの成形体１１に軸方向切欠２１Ａと周方向
切欠２１Ｃ、２１Ｄの両方を設けてもよい。その場合の
作用効果は、軸方向切欠２１Ａの作用、効果と周方向切
欠２１Ｃ、２１Ｄの作用、効果の和の作用、効果が得ら
れる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１〜７の金属基複合材料部材の製
造方法によれば、強化用成形体の一部に強度的弱部を形
成したので、割れの発生部位を強度的弱部に限定させる
ことができ、その強度的弱部を割れが発生しても問題を
生じない部位（金属基複合材料部材がシリンダブロック
の場合は、ピストン摺動部以外の部位）に設けておくこ
とにより、成形体に割れが発生してもその発生部位を問
題を生じない部位に限定させることができる請求項２の
金属基複合材料部材の製造方法によれば、強度的弱部が
切欠きからなるので、成形体の切欠きの形状、位置を選
ぶことにより、成形体の割れ発生部位を所望の位置に容
易に限定することができる。請求項３の金属基複合材料
部材の製造方法によれば、切欠きが軸方向切欠きからな
るので、成形体の割れ発生部位を切欠きの端部（位置決
め用支持部の付け根部）に容易に限定することができ
る。請求項４の金属基複合材料部材の製造方法によれ
ば、軸方向切欠きが開放端と反対側の端部に成形体の周
方向に短く延びる切欠きを有するので、成形体の割れ発
生部位を切欠きの端部（位置決め用支持部の付け根部）
に容易に限定することができる。この位置限定は信頼性
が高い。請求項５の金属基複合材料部材の製造方法によ
れば、切欠きが成形体の周方向に延びる切欠きであるの
で、成形体の割れ発生部位または製品の金属露出部を切
欠きの範囲またはその近傍に、容易に限定することがで
きる。請求項６の金属基複合材料部材の製造方法によれ
ば、切欠きが成形体の軸方向に延びる切欠きと周方向に
延びる切欠きとから構成すれば、軸方向切欠きの効果と
周方向切欠きの効果の和の効果が得られる。請求項７の
金属基複合材料部材の製造方法によれば、金属基複合材
料部材がシリンダブロックであるので、アルミ露出部を
ピストン摺動域以外に選定することにより、アルミ露出
部がピストン、ピストンリング摺動に悪影響を及ばさな
いようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のいずれの実施例にも適用可能な金属基
複合材料部材の製造方法の工程図である。

【図２】本発明の実施例１の金属基複合材料部材の製造
方法で用いられる成形体の斜視図である。

【図３】図２の成形体の一部の拡大斜視図である。

【図４】本発明の実施例１の金属基複合材料部材の製造
方法により製造された製品の一部の、図１のＡ−Ａ線に
沿って見た、斜視図である。

【図５】本発明の実施例２の金属基複合材料部材の製造
方法で用いられる成形体の斜視図である。

【図６】本発明の実施例３の金属基複合材料部材の製造
方法で用いられる成形体の斜視図である。

【図７】本発明の実施例３の金属基複合材料部材の製造
方法で用いられる成形体の一部の拡大断面図である。

【図８】本発明の実施例３の金属基複合材料部材の製造
方法により製造された製品の一部の、図１のＡ−Ａ線に
沿って見た、斜視図である。

【図９】本発明の実施例４の金属基複合材料部材の製造
方法で用いられる成形体の一部の拡大断面図である。

【図１０】本発明の実施例４の金属基複合材料部材の製
造方法により製造された製品の一部の、図１のＡ−Ａ線
に沿って見た、斜視図である。

【図１１】従来の一般的なダイカスト鋳造による、金属
基複合材料部材の製造方法の溶湯充填工程の断面図であ
る。

【符号の説明】

１１成形体１２鋳型１３、１４一対の型１５シリンダボア入子１６外型１７キャビティ１８溶湯１９シリンダ２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ金属基複合材料部材
（たとえば、アルミシリンダブロック）２１強度的弱部２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ強度的弱部としての
切欠き２２割れ２３金属（たとえば、アルミ）露出部２４位置決め用支持部３０ピストン摺動部

フロントページの続き (72)発明者長谷部眞之愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G024 AA21 FA03 FA04 GA02 GA10 GA35 HA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強化用成形体を鋳包むことにより複合化
した金属基複合材料部材の製造方法であって、前記強化
用成形体の一部に強度的弱部を形成することを特徴とす
る金属基複合材料部材の製造方法。
【請求項２】前記強度的弱部は切欠きである請求項１
記載の金属基複合材料部材の製造方法。
【請求項３】前記切欠きは前記強化用成形体の軸方向
に延びる切欠きである請求項２記載の金属基複合材料部
材の製造方法。
【請求項４】前記軸方向に延びる切欠きはその開放端
と反対側の端部に前記強化用成形体の周方向に短く延び
る切欠きを有する請求項３記載の金属基複合材料部材の
製造方法。
【請求項５】前記切欠きは前記強化用成形体の周方向
に延びる切欠きである請求項２記載の金属基複合材料部
材の製造方法。
【請求項６】前記切欠きは前記強化用成形体の軸方向
に延びる切欠きと前記強化用成形体の周方向に延びる切
欠きとを有する請求項２記載の金属基複合材料部材の製
造方法。
【請求項７】前記金属基複合材料部材がシリンダブロ
ックである請求項１または請求項２記載の金属基複合材
料部材の製造方法。