JP2001321950A

JP2001321950A - シリンダブロック、及び該シリンダブロックの表面処理方法

Info

Publication number: JP2001321950A
Application number: JP2000142745A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Nishihara; 達夫西原; Akira Yamauchi; 亮山内
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2001-11-20

Abstract

(57)【要約】【課題】肉盛溶接によってボア面に耐摩耗層を形成す
る際に、該肉盛溶接による溶接歪みを抑制するシリンダ
ブロックの表面処理方法を提供する。【解決手段】シリンダブロック１のボア面１３に肉盛
溶接を施して該ボア面１３に溶接ビード１５を形成し、
該ボア面１３と溶接ビード１５に仕上げ加工を施すこと
によって、ボア面３に耐摩耗層５を形成するシリンダブ
ロックの表面処理方法であって、上記ボア面３に対して
耐摩耗層５の占める被覆面積率を７５〜９０％としてい
る。この耐耐摩耗層５の形状には、小刻みに波をうつら
せん状、及び複数の略直線状のものが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダブロック
のボア面に肉盛溶接によって耐摩耗層を形成する表面処
理方法、及びかかる方法によって表面処理を施したシリ
ンダブロックに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、内燃機関の軽量化及び冷却性
能の向上化を図るために、スリーブレスのオールアルミ
ニウム製シリンダブロックを採用する傾向にある。この
シリンダブロック１０１には、図８に示すように、軽量
化を図るためにボア面１０３に肉盛溶接を用いて耐摩耗
層１０５を形成したり、また、特開平６−２４９０５７
号公報に記載されているように、アルミニウム製のシリ
ンダライナーを製造する技術も用いられている。

【０００３】しかしながら、上記耐摩耗層１０５を十分
な耐摩耗性を備えた層にしようとすると、ある程度の高
い組成のアルミニウム合金を肉盛りする必要が生じ、ア
ルミニウムの組成が高いほど溶接歪みも大きくなる。ま
た、耐摩耗層１０５を形成する場合に、肉盛溶接によっ
て溶接ビードをらせん状にボア面１０３に形成するが、
図８に示すように、この隣接する溶接ビード同士を互い
に隙間がほとんどない状態に形成している。従って、シ
リンダブロック１０１のボア面１０３に肉盛溶接を施す
と、シリンダブロック１０１自体が歪んで後加工時に治
具にセットできなくなるおそれがあり、また、加工しろ
が多くなってコストアップの原因となるおそれもあっ
た。さらに、溶接歪みが大きすぎる場合は、耐摩耗層１
０５に亀裂を生じるおそれもあった。特に気筒数が多け
れば多いほど溶接歪みは複雑になると共に、この歪みを
見込んだ寸法及び形状の素材を求めることは非常に困難
であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題を
解決し、肉盛溶接によってボア面に耐摩耗層を形成する
際に、該肉盛溶接による溶接歪みを抑制するシリンダブ
ロックの表面処理方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るシリンダブ
ロックの表面処理方法は、上記目的を達成するため、シ
リンダブロックのボア面に肉盛溶接を施して該ボア面に
溶接ビードを形成し、該ボア面と溶接ビードに仕上げ加
工を施すことによって、ボア面に耐摩耗層を形成するシ
リンダブロックの表面処理方法において、上記ボア面に
対して耐摩耗層の占める被覆面積率を７５〜９０％とす
る方法である。上記被覆面積率を７５〜９０％となるよ
うに、肉盛溶接の溶接ビード同士の間に間隙を設けるこ
とによって、溶接熱による歪みを抑制することができ
る。従って、アルミニウム合金からなるシリンダブロッ
クのように熱膨張率が大きい被処理物にも好適に適用す
ることができ、シリンダブロックの溶接歪みを小さくす
ることができる。また、耐摩耗層を形成するために、溶
接ビードとボア面に仕上げ加工を施す加工しろを少なく
することができて、製造コストを削減することができ
る。

【０００６】また、本発明に係るシリンダブロックの表
面処理方法の一態様では、上記耐摩耗層を、シリンダボ
アの中心軸方向に沿って小刻みに往復させながらボア面
の周方向に沿ってらせん状に形成している。さらに、本
発明に係るシリンダブロックの表面処理方法の別の態様
では、上記シリンダボアの中心軸方向に沿って小刻みに
往復するウィービング速度とボア面の周方向に沿って移
動する周速度とを合成した相対的な溶接速度を１８００
〜２２００ｍｍ／分としている。この下限値である１８
００ｍｍ／分は溶接電流が１１０Ａ〜１６０Ａの場合の
速度であり、上限値である２２００ｍｍ／分は溶接電流
が１４０Ａ〜１９０Ａの場合の速度である。上記溶接速
度の範囲内で肉盛溶接を施すことによって、耐摩耗層の
溶込み深さを安定してほぼ一定に保持することができ
る。また、上記下限値である１８００ｍｍ／分よりも遅
いと生産性が低下してしまい、上限値である２２００ｍ
ｍ／分よりも大きいと、適正な溶込み深さである５〜７
ｍｍを確保することができない。

【０００７】そして、本発明に係るシリンダブロックの
表面処理方法の更に別の態様では、上記溶接ビードを、
シリンダボアの中心軸方向に沿って略直線状に複数設け
ると共に、これらの隣接する溶接ビード同士に間隙を設
けている。上記溶接ビードの形状は略直線状であるた
め、溶接作業が非常に容易になり、かつ、被覆面積率の
調整も簡単である。なお、本発明に係るシリンダブロッ
クは、上記の処理方法によって、そのボア面に表面処理
を施したものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態に係
るシリンダブロックのボア面の表面処理方法について、
図面を用いて詳細に説明する。図１に示すように、上記
シリンダブロック１には、内部が筒状に貫通したシリン
ダボアが上下方向に形成されており、該シリンダボアの
内面を構成するボア面３には、周方向Ｃにらせんを描き
ながら耐摩耗層５が形成されている。この耐摩耗層５
は、後述するように、ボア面に肉盛り溶接を施して溶接
ビードを形成したのち、該溶接ビードを切削加工等によ
って削り込んだものである。また、ボア面３に対する耐
摩耗層５の面積は、７５〜９０％の被覆面積率で均等に
被覆されており、上段側と下段側の耐摩耗層同士５，５
の間隙は互いに極力小さくなるように形成されている。

【０００９】また、溶接作業には、溶接トーチをシリン
ダボアの中心軸方向Ａに沿って小刻みに往復させるウィ
ービングと呼ばれる溶接方法を採用しており、このウィ
ービングをさせながらボア面３を周方向Ｃに回転する。
このため、上記耐摩耗層５は、図２に示すように、Ｖの
字と逆Ｖの字とを交互に組み合わせた波形状に形成され
る。この耐摩耗層５の上端部５ａ同士の間隔をピッチ寸
法Ｐとし、上端部５ａと下端部５ｂとの距離をウィービ
ング幅Ｗとし、耐摩耗層５の太さをビード幅Ｂとする
と、上下のウィービングの大きさはウィービング幅Ｗで
あり、溶接トーチが中心軸方向Ａに一往復する間に、ボ
ア面３が回転して周方向Ｃに移動する距離がピッチ寸法
Ｐである。

【００１０】そして、図３に示すように、中心軸方向Ａ
に沿う速度のうち、ウィービング幅Ｗの中心部における
速度の最大値をＶ(w)とし、ボア面３が回転して周方向
Ｃに回転移動する速度をＶ(r)とすると、これら両速度
Ｖ(w)、Ｖ(r)を合成した相対速度Ｖは、Ｖ＝〔[Ｖ(w) ]
²＋[Ｖ(r) ]²〕^1/2となる。該相対速度Ｖは、溶接トー
チがボア面３に対して移動する相対的な速度を総合的に
示しているため、この相対速度Ｖを一定の範囲内に調整
することによって、ボア面３への溶接ビードの溶込み深
さを一定に保持することができる。さらに、図２に示す
ように、上下に隣接する耐摩耗層５，５間の隙間は非常
に小さいため、ピストンが上下に摺動しても、常にピス
トンリングを確実に保持することができる。また、上記
ボア面３の耐摩耗層５の近傍部を切断した断面図を図４
に示す。この図４において、一点鎖線で示されている部
位が、仕上げ加工される前のボア面１３及び肉盛溶接に
よって形成された溶接ビード１５である。

【００１１】つまり、まず、加工前のボア面１３に肉盛
溶接を施すと、溶接ビード１５がボア面１３から突出し
た状態で形成されると共に、シリンタブロック１の母材
の内部まで溶け込んだ溶込層７が形成される。この溶込
層７のうち最も深い部位から溶接ビード１５の表面まで
の厚さＤ1 は、５〜７ｍｍである。次いで、該溶接ビー
ド１５とボア面１３を切削加工等によって削り込む仕上
げ加工を施すと、この仕上げ加工しろ分Ｓだけ厚さＤ1
が薄くなる。この結果、溶接ビード１５と溶込層７に仕
上げ加工を施すことによって耐摩耗層５が形成され、そ
の厚さＤ2 は３〜４ｍｍとなる。

【００１２】さらに、プラズマ粉体肉盛溶接に用いる溶
接装置の溶接トーチ２１の断面図を図５に示す。この図
５を用いて、溶接トーチ２１の構造及び溶接作業の要領
を簡単に説明する。溶接トーチ２１の中央部には、陰極
となるタングステン電極２３及びプラズマガス２５が送
られる貫通孔２７が穿設されている。この貫通孔２７の
外方には、粉末及びキャリアガス２９、ないしはシール
ドガス３１が送給される貫通孔３３，３５が形成されて
いる。また、溶接トーチ２１の先端部からプラズマアー
ク３７が発生し、該プラズマアーク３７によってシリン
ダブロック１の表面が溶融されて溶融池３９となると共
に、該溶融池３９に上記粉末及びキャリアガス２９が添
加されて耐摩耗層５が形成される。なお、仕上げ加工後
は、ボア面３よりも深さ方向に削り込むため、この加工
しろを見越した溶込み量が必要であり、添加する粉末も
高組成合金を用いる。

【００１３】

【実施例】次いで、実施例によって更に本発明を具体的
に説明する。被処理物として、内径がφ１００ｍｍの単
気筒を有し、その材質がＡＣ４Ｂ材であるシリンダブロ
ック１のボア面１３に、表１に示す条件で、プラズマ粉
体肉盛溶接機によって耐摩耗層５を形成した。粉末溶加
材には、Ａｌ−２３％Ｓｉ−３％Ｃｏ−３％Ｆｅ−３％
Ｎｉ−３％Ｃｕ−１％Ｍｇ（％は、全て重量％）合金粉
末を使用した。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】シリンダブロック１の回転速度及びウィー
ビング速度を調整しながら、溶接ビード１５による被覆
面積率を５５％から１００％まで変化させて、５種類の
実験を行った。また、溶接電流値が１３０〜１８０Ａと
なっているのは、溶接作業に伴って被処理物であるシリ
ンダブロック１に熱が溜まってくるのを考慮して、徐々
に溶接電流値を下げることを意味している。また、溶接
割れ及び水素によるブローホールを防止するため、シリ
ンダブロック１を約１５０℃に予熱してから、肉盛溶接
を施した。さらに、ウィービングとシリンダブロック１
の回転とのタイミングを合わせ、一回転後に、シリンダ
ボアの中心軸方向Ａに沿って隣接する溶接ビード１５，
１５の互いの山と谷とが合致するように溶接を施した。
これによって、ボア面３に形成した溶接ビード１５同士
の軸方向Ａの隙間を小さくして、ピストンリングが引っ
かからないようにしている。

【００１７】その溶接ビード１５の形状等は、表２に示
すとおりであるが、このシリンダブロック１に仕上げ加
工を施したのち、エンジンに組み付けてベンチ耐久試験
を行った。このベンチ耐久試験は、回転数が７，０００
ｒｐｍで、試験時間が２５分で、合計２５回繰り返して
行い、累計の回転数は、（７，０００×２５×２５＝）
４，３７５，０００回転であった。耐久試験後のシリン
ダボアは、図６のグラフに示すように、被覆率が大きい
ほど、その内径寸法の増加量が小さくなるが、被覆率が
６４％では内径寸法の増加寸法が著しく大きかった。ま
た、被覆面積率が１００％（実施例１−１）では、溶接
歪み量が大きすぎて仕上げ加工を施すことができず、９
０％以下で仕上げ加工が可能となった。さらに、被覆面
積率が７５％以下になると内径の増加量が著しく大きく
なり、６０％以下（実施例１−５）ではピストンがシリ
ンダボアに焼き付いてしまったため、耐久試験を行うこ
とができなかった。以上の結果から、内燃機関のシリン
ダ内面に、後加工ができる程度の溶接歪みでかつ十分な
耐摩耗性を得るためには、被覆面積率を７５〜９０％の
範囲に設定すべきであることが判明した。

【００１８】上記構成を有するによる作用を以下に説明
する。本発明は、上述した実施の形態に限定されること
なく、本発明の技術思想に基づいて種々の変形及び変更
が可能である。例えば、上記粉末溶加材としては、Ａｌ
−２３％Ｓｉ−３％Ｃｏ−３％Ｆｅ−３％Ｎｉ−３％Ｃ
ｕ−１％Ｍｇ合金粉を用いたが、本願の出願人が既に開
示している特開平１０−３０１６３号及び特開平１０−
９６０８７号において採用した溶加材、即ちＡｌ−３０
Ｃｕ−３０Ａｇ−１３Ｓｉ（重量％）を使用しても、本
発明と同等の効果を得ることができる。

【００１９】また、耐摩耗層の形状としては、図１又は
図２に示したような波形状に限定されず、図７に示す耐
摩耗層４５のように、シリンダボアの軸方向Ａに沿って
直線状に形成すると共に、互いに一定の間隙を隔てて形
成させても良い。この場合においても、被覆面積率は７
５〜９０％という要件を満たす必要がある。さらに、上
記実施の形態では、アルミニウム製のシリンダブロック
１を対象としているが、ディーゼルエンジンの鋳鉄シリ
ンダブロックでも、特開平９−３１４３４２号公報に記
載されているように、シリンダライナーの内面に肉盛溶
接をすることも可能であり、これをシリンダブロックに
直接に適用することが有効である。なお、熱源として
は、上記プラズマアークに限定されず、ＴＩＧアークや
レーザービームや電子ビームでも可能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、溶接歪みを抑制し、十
分な耐摩耗性を有する耐摩耗層を効率良く形成すること
ができ、また、安定した溶込み深さを得ることができ
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ボア面を示す
断面図である。

【図２】図１の耐摩耗層を拡大した正面図である。

【図３】ボア面の回転速度とウィービング速度とを合成
した相対速度を示すベクトル図である。

【図４】図２のＸ−Ｘ線による断面図である。

【図５】本発明に係る肉盛溶接に用いる溶接トーチの断
面図である。

【図６】実施例の結果を示すグラフである。

【図７】本発明に係る耐摩耗層の変形例を示す断面図で
ある。

【図８】従来のシリンダブロックを示す斜視図である。

【符号の説明】１シリンダブロック３，１３ボア面５，４５耐摩耗層７溶込層１５溶接ビード２１溶接トーチ２３タングステン電極２５，３３貫通孔２９粉末、キャリアガス３１シールドガス３７プラズマアーク３９溶融池

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダブロックのボア面に肉盛溶接を
施して該ボア面に溶接ビードを形成し、該ボア面と溶接
ビードに仕上げ加工を施すことによって、ボア面に耐摩
耗層を形成するシリンダブロックの表面処理方法であっ
て、上記ボア面に対して耐摩耗層の占める被覆面積率を
７５〜９０％とすることを特徴とするシリンダブロック
の表面処理方法。
【請求項２】上記溶接ビードを、シリンダボアの中心
軸方向に沿って往復させながらボア面の周方向に沿って
らせん状に形成することを特徴とする請求項１に記載の
シリンダブロックの表面処理方法。
【請求項３】上記シリンダボアの中心軸方向に沿って
往復するウィービング速度とボア面の周方向に沿って移
動する周速度とを合成した相対的な溶接速度を１８００
〜２２００ｍｍ／分とし、かつ、この下限値である１８
００ｍｍ／分は溶接電流が１１０Ａ〜１６０Ａの場合
に、上限値である２２００ｍｍ／分は溶接電流が１４０
Ａ〜１９０Ａの場合であることを特徴とする請求項２に
記載のシリンダブロックの表面処理方法。
【請求項４】上記溶接ビードを、シリンダボアの中心
軸方向に沿って略直線状に複数設けると共に、これらの
隣接する溶接ビード同士に間隙を設けることを特徴とす
る請求項１に記載のシリンダブロックのボア面の表面処
理方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載された方
法によって、そのボア面に表面処理を施したことを特徴
とするシリンダブロック。