JP2007533889A - シリンダライナ、その製造方法及び複合部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、ねずみ鋳鉄、アルミニウム材料又はセラミック材料から作製された、内燃機関のエンジンブロック用シリンダライナに関する。本発明のシリンダライナは、その摩耗した摺動面に、低合金鉄溶射層、又は８０〜９５重量％のニッケルと５〜２０重量％のアルミニウムとを含有するニッケル−アルミニウム合金から作製された結合層を備え、さらに該結合層上に配置された潤滑摺動面を備えている。本発明はまた、前記シリンダライナの製造方法、及び内燃機関のエンジンブロックと少なくとも１つの本発明のシリンダライナとからなる複合部品にも関する。本発明によって、新たなピストンを適合させることなく、摩耗したシリンダライナの修理を低コストで行うことが可能になる。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の、クランクケース用のライナ、並びに請求項１８及び２０の前段に記載のその製造方法に関する。

一般的な種類のライナは公知である。それらは内燃機関のクランクケースのシリンダ内径に配置され、該シリンダ内径に収容されるピストンに適した潤滑摺動面を与えるために用いられる。アルミニウム材料（シリテック（Ｓｉｌｉｔｅｃ）５、アルシル（Ａｌｕｓｉｌ）、ロカシル（Ｌｏｃａｓｉｌ）など）から作製されたライナが鋳込まれた、軽金属ダイカストクランクケースが通常用いられる。これらのライナはまた、ねずみ鋳鉄又はセラミック材料から作製されていてもよく、また特にねずみ鋳鉄製のハウジング内に、鋳込むのではなく、圧入することもできる。

この種のライナ及びその潤滑摺動面は、その使用の結果、時間の経過と共に摩耗する。摩耗率が所定の値になったら、ライナを修理しなければならない。このため、摩耗したライナを、所定の寸法（例えば０．３ｍｍ）切削し、ホーニング加工して露出加工する。これによって、新たな潤滑摺動面が作られる。次に、リング付きの新たなピストンを、ライナの新たな直径に適合させる。これらのピストンは個々に製造されるため、連続生産されたピストンよりも約３〜４倍高価である。

特許文献１には、ライナの腐食した表面領域を研削して、その後リングを適合させることによって該表面領域を修理する方法が開示されている。このリングは、嫌気性の結合物質によって、研削された表面に固着される。これにより、ライナ全体を取り替える必要性が避けられる。この方法は、ライナの摺動面の完全な取替えを可能にしないため、現在の問題に対する解決法を提供していない。

特許文献２には、シリンダヘッドの亀裂を種々の金属合金を用いて溶接する、ディーゼルエンジン用シリンダヘッドを修理するための溶接法が記載されている。しかし、溶接法を使用して所望の摩擦特性又は動作特性を得ることはできないため、溶接法は潤滑摺動面を修理するのに不向きである。

特許文献３には、金属部品及び軽金属鋳造層からできた複合体の製造方法が開示されており、この方法では、アルミニウム又はアルミニウム合金の中間層が、高温溶射によって金属部品に被着され、そしてアルミニウム合金の鋳造層が鋳造される。

特許文献４には、複合金属鋳造加工物の製造方法が開示されており、この方法では、被覆される加工物の表面が粗面処理され、該表面に、例えば、ニッケル系合金などの低溶融金属合金の形態の結合層が設けられる。次に、加工物は結合層の流れ温度まで加熱され、鋳造によって覆われる。

米国特許第５，８７３，１６３Ａ号明細書 米国特許第４，９１８，８０５Ａ号明細書 独国特許発明第２８ ４１ ４４６ Ｃ２号明細書 独国特許出願公開第３８ １６ ３４８ Ａ１号明細書

したがって、本発明の目的は、ライナの潤滑摺動面の簡単で安価な修理を可能にする上述した種類のライナ及び方法を提供することである。解決法は、請求項１の特徴を有するライナ、請求項１０の特徴を有する複合部品、並びに請求項１８及び２０の特徴を有する方法にある。

したがって、本発明によれば、シリンダライナが、その摩耗した摺動面に少なくとも１つの溶射層を備えていることが規定されている。本発明の驚くべき利点は、異なる材料、すなわちねずみ鋳鉄、アルミニウム材料又はセラミック材料から作製されたシリンダライナを、同じように修理又は修繕することができることである。少なくとも露出された上層が潤滑特性を有する、少なくとも１つの溶射層を直接被着することによって、シリンダライナの内径を、（リング付きの）連続生産されたピストンの寸法に再び適合させることが可能になる。したがって、本発明によって、（新たなリング付きの）新たなピストンを適合させる必要なく、摩耗した摺動面の有効且つ安価な修理が可能になる。これにより、最適な場合で３〜４倍コストを削減することが可能になる。

有利な改良形態は従属項から明らかになるであろう。

本発明の２つの特に好ましい変形形態のうちの１つでは、ちょうど１つの溶射層、すなわち摩耗した摺動面に溶射された低合金のＦｅ系合金、好ましくは低合金のＦｅ−Ｃ合金の層が存在することを規定している。驚くべきことに、この合金は、いずれの材料から作製されたシリンダ摺動ピストン及び摺動面にも適しており、摩耗した摺動面に対して好適な結合特性を有している。

この種の合金は、ワイヤアーク溶射によって被着されるのが好ましく、この場合、それぞれ合金から作製された１つ又は２つのワイヤを溶射材料として用いることができる。この層は潤滑特性を有し、通常の方法で、ホーニング加工、また適切な場合には露出加工することができ、それによって新たな摺動面を形成する。後続の加工の際に、この新たな摺動面を備えたシリンダライナの内径を、（リング付きの）連続生産されたピストンの寸法に再び適合させることができる。したがって、新たに被着される層の厚さもまた、必要とされる内径の適合度に応じて決まる。

本発明の第２の特に好ましい変形形態では、シリンダライナが、その磨耗した摺動面に、８０〜９５重量％のニッケル及び５〜２０重量％のアルミニウムから構成されたニッケル−アルミニウム合金からなる結合層を備え、そして該結合層に被着された潤滑摺動面として働く新たな層を備えていることを規定している。この場合、ニッケル−アルミニウム合金の組成物もまた、シリンダライナの材料又は磨耗した摺動面の材料と、新たに被着される層との質の均一な確実な結合を保証することは、当業者にとって驚くべきことである。さらに、この結合領域には、いかなる間隙も裂け目もない。

結合層は、特に厚さ５０〜２００μｍ、好ましくは１００μｍであり、好ましくはプラズマ溶射によってシリンダライナの内面に被着される。結合層と同じ材料、すなわち、８０〜９５重量％のニッケル及び５〜２０重量％のアルミニウムから構成されたニッケル−アルミニウム合金の粉末を、プラズマ溶射に用いることが好ましい。

潤滑摺動面として働く新たな層は、シリンダライナと同じ材料又は古い磨耗した摺動面と同じ材料からなることが好ましい。したがって、新たな摺動面の材料にピストンを適合させる必要がなく、エンジンの以前の動作特性を復活させることができる。

両方の好ましい変形形態に関して、シリンダライナは、それ自体公知の方法で、ねずみ鋳鉄、又はアルミニウム材料、好ましくは、例えば、シリテック５（Ｓｉｌｉｔｅｃ ５）、アルシル（Ａｌｕｓｉｌ）などの商品名で知られているようなＳｉ過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金から作製されていてもよい。シリンダライナはまた、セラミック材料、例えば酸化物セラミックス、セラミック−金属複合材料、炭化ケイ素セラミックス、あるいは繊維強化ＳｉＣ／ＳｉＣ又はＣ／ＳｉＣセラミックスから作製されていてもよい。

いずれの場合も、摩耗した摺動面と、第１の溶射層との間の結合をさらに改善するために、第１の溶射層を被着する前に、摩耗した摺動面を前加工すること、特に、例えば高圧ウォーターブラスト又はショットブラストによって粗面処理することが好都合である。

本発明の例示的実施形態を、以下の文章でより詳細に説明する。

上で既に説明した通り、本発明による方法を用いて、多種多様な材料から作製されたライナを加工することができる。例としては、独国特許出願公開第１９７ １７ ８２５ Ａ１号明細書には、基材にしっかりと固定され且つその構造が均一な摺動面としての窒化アルミニウムの層を備えた、アルミニウム系合金（亜共晶合金として、ＡｌＳｉ８Ｃｕ、ＡｌＳｉ９Ｃｕ、ＡｌＳｉ１０Ｃｕなど）から作製されたクランクケースが記載されている。

さらに、独国特許出願公開第４４ ３８ ５５０ Ａ１号明細書には、硬い粒子状の微細な初晶ケイ素及び金属間相を含む過共晶アルミニウム−ケイ素合金から作製されたシリンダライナが開示されている。この種の材料は、第１の工程で精密中ぐり加工を行うことによって表面加工される。次に、ホーニング加工によって表面を平滑化される。連続生産においては、これは粗ホーニング加工及び仕上げホーニング加工として知られている少なくとも２つの作業工程で行われる。最終工程では、合金中に含まれ且つ実際の摺動面を形成するケイ素粒子が、酸の水溶液を用いてアルミニウムをエッチング除去することによって露出される。

独国特許出願公開第１９７ ３３ ２０４ Ａ１号明細書及び独国特許出願公開第１９７ ３３ ２０５ Ａ１号明細書には、過共晶アルミニウム−ケイ素合金又はアルミニウム−ケイ素複合材料からなる溶射被覆が開示されており、この被覆は、アルミニウム固溶体、共晶ケイ素の粗いないし極めて細かい網目構造、ケイ素の析出物又は粒子、金属間相、及び極めて細かく分布された酸化物から構成された不均質な層組織によって特徴付けられる。この被覆は、特徴的な一次アルミニウム固溶体デンドライトを有し、そのデンドライトの枝は共晶ケイ素で覆われている。この種の被覆の研磨写真は、特徴的なスポンジ状の外観を示す。ケイ素の一次析出物及びケイ素粒子はわずかな割合でしか存在せず、これらはほんの小さな直径を有する。これらの層の表面加工の際、表面にあるデンドライトの枝が部分的に研削されるので、後続の露出工程の際、アルミニウムがエッチング除去されて、アルミニウムを含まないケイ素骨格が残り、このケイ素骨格が実際の摺動面を形成する。

上述の材料から作製された磨耗したライナ（２３〜４０重量％、好ましくは２５重量％のケイ素、多くとも０．６重量％のジルコニウム、０．２５重量％の鉄、並びにそれぞれ０．０１重量％のマンガン、銅、ニッケル及び亜鉛、残りはアルミニウムを含む）は、磨耗した潤滑摺動面を前加工するために、例えばサンドブラストによって清浄化され、また、適切な場合、例えば高圧ウォーターブラスト又はショットブラストによって粗面処理される。このようにして前加工された表面には、８０〜９５重量％のニッケル及び２０〜５重量％のアルミニウムから構成された結合層材料の結合層が設けられる。この結合層材料は、粉末状の合金の形態をとっており、例えば独国特許発明第１９５ ０８ ６８７ Ｃ２号明細書に記載されているように、それ自体公知のプラズマ溶射法によって被着される。結合層の厚さは、粗さや窪みを全て含んだ磨耗した摺動面が、該結合層によって完全に覆われるような厚さにされる。結合層の厚さは、最も薄い所でも約０．０５〜０．１ｍｍにすべきである。

ライナを形成している材料と同じ材料の新たな潤滑層が、上記結合層に被着される。この場合もまた、この被着は、独国特許出願公開第１９７ ３３ ２０４ Ａ１号明細書及び独国特許出願公開第１９７ ３３ ２０５Ａ１号明細書に記載されているように、プラズマ溶射法によって行われる。この新たな層は再び修理されたライナの摺動面として働く。この潤滑層の厚さは、標準的な後続の加工（ホーニング加工、露出加工）の際に、ライナの元の直径が復元されるような厚さとし、それによって（リング付きの）連続生産されたピストンがライナの内径に嵌まることができる。

結合層は、凝固する前に、２つの層が約０．０１〜０．１ｍｍの深さまで互いに浸透する状態で、ライナの摩耗した表面に結合される。同じことが、結合層と、被着される新たな潤滑層との接合にも当てはまる。

材料シリテック５から作製された、高さ１４０ｍｍで直径９３ｍｍの摩耗したシリンダライナが同様に加工された。まず最初に、摩耗した潤滑摺動面が、サンドブラストによって清浄化され、それから、プラズマ溶射法によって、９５重量％のニッケル及び５重量％のアルミニウムから構成された厚さ１００μｍの結合層で被覆された。次に、この結合層は、同様にプラズマ溶射法によって、潤滑摺動面として働くシリテック５の新たな層で被覆された。次に、シリンダライナの内径を（リング付きの）所望の連続生産ピストンの寸法に適合させるように、この層は通常の方法でホーニング加工され露出加工された。

プラズマ溶射法の代替案としては、フレーム溶射及びワイヤアーク溶射などの、他の溶射法を用いることも可能である。溶射法の選択は、シリンダライナや結合層の材料、並びに所望される組織構造の種類に応じて決まる。

これらの基準は、当業者であれば、それ自体公知の方法で適切に相互に合わせることができる。

上述の材料（シリテック５）から作製されたさらなるシリンダライナは、同じように前加工（サンドブラストによる清浄化及び粗面処理）され、それから、低合金Ｆｅ−Ｃ合金がワイヤアーク溶射によって被着された。後続の加工（ホーニング加工、露出加工）の際に、シリンダライナの内径を、用いられる（リング付き）ピストンの寸法に適合させた。

Claims (26)

1. ねずみ鋳鉄、アルミニウム材料又はセラミック材料から製造された、内燃機関のエンジンブロック用シリンダライナであって、
   シリンダライナの摩耗した摺動面に、少なくとも１つの溶射層を備えることを特徴とするシリンダライナ。
2. その摩耗した摺動面に、低合金Ｆｅ系合金の溶射層を備えることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナ。
3. 前記溶射層が、低合金Ｆｅ−Ｃ合金からなることを特徴とする請求項２に記載のシリンダライナ。
4. 前記溶射層が、ワイヤアーク溶射によって製造されることを特徴とする請求項２あるいは３に記載のシリンダライナ。
5. 前記シリンダライナが、
   − 摩耗した摺動面に、８０〜９５重量％のニッケル及び５〜２０重量％のアルミニウムから構成されたニッケル−アルミニウム合金からなる溶射された結合層を備え、
   − 摩耗した摺動面上の前記結合層の上に、潤滑摺動面として働く溶射層を備えることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナ。
6. 前記結合層が、厚さ５０μｍ〜１５０μｍ、好ましくは１００μｍであることを特徴とする請求項５に記載のシリンダライナ。
7. 前記結合層が、プラズマ溶射によって被着されることを特徴とする請求項５あるいは６に記載のシリンダライナ。
8. 潤滑摺動面として働く前記層が、前記シリンダライナと同じ材料又は前記摩耗した摺動面と同じ材料からなることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のシリンダライナ。
9. Ｓｉ過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金から製造されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のシリンダライナ。
10. 内燃機関のエンジンブロックと、ねずみ鋳鉄、アルミニウム材料又はセラミック材料から作製された少なくとも１つのシリンダライナとから製造された複合部品であって、
    前記シリンダライナが、摩耗した摺動面に溶射層を備えることを特徴とする複合部品。
11. 前記シリンダライナが、摩耗した摺動面に、低合金Ｆｅ系合金の溶射層を備えることを特徴とする請求項１０に記載の複合部品。
12. 前記溶射層が、低合金Ｆｅ−Ｃ合金からなることを特徴とする請求項１１に記載の複合部品。
13. 前記溶射層が、ワイヤアーク溶射によって製造されることを特徴とする請求項１１あるいは１２に記載の複合部品。
14. 前記シリンダライナが、
    − 摩耗した摺動面に、８０〜９５重量％のニッケル及び５〜２０重量％のアルミニウムから構成されたニッケル−アルミニウム合金からなる結合層を備え、
    − 摩耗した摺動面上の前記結合層の上に、潤滑摺動面として働く層を備えることを特徴とする請求項１０に記載の複合部品。
15. 前記結合層が、プラズマ溶射によって、前記少なくとも１つのシリンダライナの内面に被着されることを特徴とする請求項１４に記載の複合部品。
16. 潤滑摺動面として働く前記層が、前記シリンダライナと同じ材料又は前記摩耗した摺動面と同じ材料からなることを特徴とする請求項１４あるいは１５に記載の複合部品。
17. 前記シリンダライナが、Ｓｉ過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金から製造されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の複合部品。
18. ねずみ鋳鉄、アルミニウム材料又はセラミック材料から作製されたシリンダライナを修理する方法であって、
    低合金Ｆｅ系合金の層が、ワイヤアーク溶射によって、前記シリンダライナの摩耗した摺動面に被着されることを特徴とする方法。
19. 前記溶射に用いられる材料が、低合金Ｆｅ−Ｃ合金であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. ねずみ鋳鉄、アルミニウム材料又はセラミック材料から製造されたシリンダライナを修理する方法であって、
    以下の工程：
    − 前記シリンダライナの摩耗した摺動面に、８０〜９５重量％のニッケル及び５〜２０重量％のアルミニウムから構成されたニッケル−アルミニウム合金の結合層を被着する工程と、
    − 潤滑摺動面として働く層を被着する工程と
    を有することを特徴とする方法。
21. 前記結合層を被着する前に、前記シリンダライナの摩耗した摺動面が、前加工、特に清浄化されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記結合層が、５０〜１５０μｍ、好ましくは１００μｍの厚さで被着されることを特徴とする請求項２０あるいは２１に記載の方法。
23. 潤滑摺動面として働く前記層が、前記シリンダライナと同じ材料又は前記摩耗した摺動面と同じ材料から作製されることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記シリンダライナが、Ｓｉ過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金から製造されることを特徴とする請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 少なくとも前記結合層が、プラズマ溶射法によって被着されることを特徴とする請求項２０〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. ８０〜９５重量％のニッケル及び５〜２０重量％のアルミニウムから構成されたニッケル−アルミニウム合金の粉末が、前記プラズマ溶射に用いられることを特徴とする請求項２５に記載の方法。