JP2008221313A - 中空部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な初晶Ｓｉが略一様に分散したＡｌ−Ｓｉ系合金製の中空部材を作製する方法を提供する。
【解決手段】先ず、遠心鋳造装置２０を構成する円筒状金型２２の内部に、アルミニウム又はＡＤＣ１２等のアルミニウム合金からなる外側円筒形状成形体１４を挿入する。次に、円筒状金型２２を回転させながら外側円筒形状成形体１４の内周壁側にＡｌ−２３％Ｓｉ系合金等のＡｌ−Ｓｉ系合金の溶湯Ｌを導入して、内側円筒形状鋳造体を形成する。外側円筒形状成形体１４は、溶湯Ｌが冷却固化する際に冷やし金（チラー）として機能する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関を構成するシリンダブロックのボア内に配設されるシリンダスリーブとして好適な中空部材及びその製造方法に関する。

自動車を走行させる駆動源である内燃機関においては、シリンダボア内にシリンダスリーブが配設されることがある。この場合、シリンダボア内で往復動作するピストンの側周壁部は、このシリンダスリーブの内周壁に摺接する。

シリンダスリーブは、特許文献１に記載されているように、いわゆる遠心鋳造法によって作製されることがある。すなわち、回転動作する円筒状金型の内部に溶湯を導入すると、遠心力によって溶湯が円筒状金型の内周壁に偏在するようになり、円筒形状体が形成される。この状態で溶湯を冷却固化して得られた円筒形状の予備成形体に対して削り出し等の機械加工を行うことにより、シリンダスリーブが設けられる。なお、シリンダスリーブの外周壁には、塗型材の表面に形成された凹凸形状が転写されることによって、いわゆるスパイニーが形成される。

このシリンダスリーブを金型の所定の位置に配置した後、前記金型に溶湯を注湯して冷却固化すれば（すなわち、鋳造を行えば）、シリンダスリーブが鋳ぐるまれたシリンダブロックが設けられる。この際、前記スパイニーや、前記削り出し等の機械加工によってシリンダスリーブの外周壁に設けられた起伏（例えば、溝状の筋等）、ショットブラスト処理によってシリンダスリーブの外周壁に設けられた凹凸等がアンカーとして機能することにより、シリンダブロックとシリンダスリーブとの接合強度が確保される。

特公昭５２−２７６０８号公報

ところで、特許文献１の記載に従って遠心鋳造を行った場合、初晶Ｓｉが外周壁側に多量に偏在するため、前記予備成形体の直径方向中腹近傍においては、初晶Ｓｉの量が少なくなる。従って、この予備成形体の内周壁側から削り出しを行うと、ピストンが摺接する内周壁の初晶Ｓｉの量が少ないシリンダスリーブとなってしまう。換言すれば、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるシリンダスリーブを遠心鋳造で作製する場合、該シリンダスリーブにおけるＳｉの組成比を制御することが容易ではなく、このために所望の特性を発現させることが困難であるという不具合が顕在化している。

また、シリンダスリーブの更なる強度向上の希求に対応しつつ靭性を確保するべく、組織の改善、具体的には、Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯が固化する際に析出する初晶Ｓｉを微細化することが検討されている。しかしながら、遠心鋳造を行う場合に初晶Ｓｉを微細化するためには、円筒状金型の回転数や温度等の鋳造条件を種々変更して最適化を図る必要がある。すなわち、鋳造条件を最適化するための試行錯誤を繰り返し行わなければならない。しかも、量産時には、最適化された鋳造条件を厳密に管理する必要がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、初晶Ｓｉを微細化することが可能であり、しかも、作業が簡便で鋳造条件の厳密な管理も不要な中空部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、略円筒体形状をなす積層型の中空部材であって、
内側円筒形状鋳造体及び外側円筒形状成形体を内周側からこの順序で有し、
前記内側円筒形状鋳造体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、
前記外側円筒形状成形体がＡｌ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とする。

後述するように、内側円筒形状鋳造体は、遠心鋳造装置を構成する円筒状金型に予め挿入された外側円筒形状成形体の内方に遠心鋳造によって設けられる。この際、外側円筒形状成形体が冷やし金（チラー）として機能することで溶湯の冷却速度が大きくなり、このため、微細な初晶Ｓｉが直径方向に略均等に分散した内側円筒形状鋳造体が得られる。換言すれば、この中空部材を構成する内側円筒形状鋳造体においては、微細な初晶Ｓｉが一様に分散して存在する。従って、相違する部位同士であっても諸特性が略同等である。

しかも、例えば、中空部材の内周壁側（内側円筒形状鋳造体側）から削り出しを行って薄肉化した場合であっても、上記したように初晶Ｓｉが略均等に分散しているので、十分な耐摩耗性等を確保することが可能である。

なお、内側円筒形状鋳造体の金属組織における初晶Ｓｉの平均粒径は、３５μｍ以下であることが好ましい。この場合、耐摩耗性に優れるとともに強度も良好な中空部材を得ることができる。

ここで、中空部材の好適な例としては、内燃機関を構成するシリンダブロックのボア内に配設されるシリンダスリーブを挙げることができる。

また、本発明は、内側円筒形状鋳造体及び外側円筒形状成形体が内周側からこの順序で積層された中空部材の製造方法であって、
外側円筒形状成形体となるアルミニウム又はアルミニウム合金製の円筒体を遠心鋳造装置の円筒状金型に挿入する工程と、
回転する前記円筒状金型にＡｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を供給して遠心鋳造により内側円筒形状鋳造体を設け、積層型の予備成形体とする工程と、
を有することを特徴とする。

本発明においては、内側円筒形状鋳造体を設ける際に外側円筒形状成形体がチラーとして機能するため、溶湯の冷却速度が大きくなる。すなわち、初晶Ｓｉが大きく成長したり外側円筒形状成形体側に移動したりする前に溶湯が固化する。従って、微細な初晶Ｓｉが略均等に分散した組織を有する内側円筒形状鋳造体が得られる。

しかも、成形体である円筒体（外側円筒形状成形体）を円筒状金型に予め挿入した後、Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を円筒状金型に供給するという簡便な作業を行うのみでよいので、中空部材の製造コストが上昇することもない。結局、中空部材を廉価に作製することができる。

この場合、外側円筒形状成形体の厚みを１．０〜２．０ｍｍに設定することが好ましい。これにより、初晶Ｓｉの平均粒径を３５μｍ以下とすることができる。その上、初晶Ｓｉの粒度分布幅も狭くなる。

なお、シリンダスリーブを得るためには、予備成形体の内周壁側から削り出しを行う工程を設けるようにすればよい。

本発明によれば、円筒状金型に予め挿入された円筒体（外側円筒形状成形体）をチラーとして機能させながら内側円筒形状鋳造体となる溶湯を冷却固化させるようにしているので、該溶湯の冷却速度が大きくなり、その結果、微細な初晶Ｓｉが略均等に分散した内側円筒形状鋳造体が得られる。すなわち、微細な初晶Ｓｉが略一様に分散した組織を有し、このために特性が全体にわたって略同等である内側円筒形状鋳造体を具備する中空部材を容易に構成することができる。

以下、本発明に係る中空部材及びその製造法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るシリンダスリーブを設けるための予備成形体１０の概略全体斜視図である。この予備成形体１０は、内側円筒形状鋳造体１２と外側円筒形状成形体１４とが積層された積層体であり、且つその長手方向に沿って貫通孔が存在する中空部材である。

この場合、内側円筒形状鋳造体１２はＡｌ−２３％Ｓｉ系合金（数字は重量％、以下同じ）からなる鋳造品である。すなわち、後述するように、該内側円筒形状鋳造体１２は、溶湯が冷却固化することで設けられる。なお、その厚みＴ１は、５〜６ｍｍ程度に設定される。

この内側円筒形状鋳造体１２では、平均粒径が３５μｍ以下の微細な初晶Ｓｉが外周壁側（外側円筒形状成形体１４側）に偏在することなく、直径方向に沿って略均等に分散している。その上、初晶Ｓｉの粒度分布幅も小さい。換言すれば、内側円筒形状鋳造体１２の組織は、微細且つ互いに略同寸法の初晶Ｓｉが一様に分散した状態となっている。

一方の外側円筒形状成形体１４は、例えば、Ａｌ−１１％Ｓｉ−２．５％Ｃｕ系合金（ＡＤＣ１２）からなる円筒体であり、その内周壁は、内側円筒形状鋳造体１２の外周壁に接合している。この外側円筒形状成形体１４は、図２及び図３に示すように、内側円筒形状鋳造体１２を設ける前に予め、遠心鋳造装置２０を構成する円筒状金型２２に挿入されたものである。なお、外側円筒形状成形体１４の好適な厚みＴ２は、１．０〜２．０ｍｍの範囲内である。

このように構成された予備成形体１０からシリンダスリーブを作製するに際しては、該予備成形体１０の内周壁側、すなわち、内側円筒形状鋳造体１２から削り出しが行われる。換言すれば、内側円筒形状鋳造体１２は、所定の厚みとなるまで薄肉化される。このように、内側円筒形状鋳造体１２は、予備成形体１０の加工代として設けられる。

上記したように、内側円筒形状鋳造体１２では、微細且つ互いに略同寸法の初晶Ｓｉが直径方向に沿って一様に分散している。このため、加工後の予備成形体１０、すなわち、シリンダスリーブにおいては、ピストンが摺接する内周壁にも優れた耐摩耗性が発現する。その上、全体にわたって高強度である。従って、このシリンダスリーブを組み込んだ内燃機関は、優れた耐久性を示す。

次に、このシリンダスリーブの製造方法につき、図２に示す遠心鋳造装置２０を使用する場合を例示して説明する。

この遠心鋳造装置２０は、略水平方向に沿って横臥した円筒状金型２２を有する。該円筒状金型２２の外周壁には、該外周壁を周回方向に沿って切り欠くようにして２本の環状溝２４、２４が設けられており、環状溝２４、２４の各々の底部には、ローラ対をなすローラ２６、２６の外周壁がそれぞれ摺接する。すなわち、円筒状金型２２は２組のローラ対によって支持されている。

４個のローラ２６は図示しない回転駆動源に連結されており、このため、円筒状金型２２は、前記回転駆動源の作用下にローラ２６の各々が回転動作することに伴って回転する。

円筒状金型２２の一端部には円盤状閉塞部材３０が嵌着されており、一方、他端部には円環状枠体３２が取着されている。円環状枠体３２は貫通孔３４が設けられることで開口しており、この貫通孔３４を介してトラフ３６の注湯管３８が円筒状金型２２の内部に挿入される。

トラフ３６の本体には、内側円筒形状鋳造体１２を設けるためのＡｌ−２３％Ｓｉ系合金の溶湯Ｌが収容される。トラフ３６の近傍には傾動自在なポット４０が配設されており、このポット４０を介してトラフ３６に溶湯Ｌが供給される。

シリンダスリーブを製造するに際しては、先ず、ＡＤＣ１２からなる円筒体、すなわち、外側円筒形状成形体１４が円筒状金型２２の内部に挿入される（図２及び図３参照）。勿論、外側円筒形状成形体１４の外径は円筒状金型２２の内径に対応しており、従って、外側円筒形状成形体１４と円筒状金型２２はほとんど離間しない。

この状態でローラ２６の回転が開始され、これに追従して円筒状金型２２が回転動作する。上記したように、外側円筒形状成形体１４と円筒状金型２２との間の遊びが極めて小さいので、外側円筒形状成形体１４が円筒状金型２２内で振動することはない。

その一方で、図４に示すように、貫通孔３４を介してトラフ３６の注湯管３８が円筒状金型２２の内部に挿入される。さらに、溶解炉で調製されたＡｌ−２３％Ｓｉ系合金の溶湯Ｌがポット４０に移され、該ポット４０が傾動されることに伴ってトラフ３６の本体に移される。その後、Ａｌ−２３％Ｓｉ系合金の溶湯Ｌの所定量がトラフ３６を介して外側円筒形状成形体１４の内部に供給され、該外側円筒形状成形体１４の長手方向に沿って円盤状閉塞部材３０側に流動する。溶湯Ｌは、さらに、遠心力の作用によって外側円筒形状成形体１４の内周壁に円筒体形状をなすように偏在して、内側円筒形状鋳造体１２を形成する。ここで、本実施の形態では、溶湯Ｌは、内側円筒形状鋳造体１２の厚みが５〜６ｍｍの範囲内となる量で供給される。

以上のようにして、図５に示すように、内側円筒形状鋳造体１２が形成される。その結果、内側円筒形状鋳造体１２の外方に外側円筒形状成形体１４が積層され、且つ外側円筒形状成形体１４の内周壁が内側円筒形状鋳造体１２の外周壁に接合した予備成形体１０が得られる。

内側円筒形状鋳造体１２が冷却固化する際には、外側円筒形状成形体１４が冷やし金（チラー）として機能する。このため、本実施の形態では、一般的な遠心鋳造に比して溶湯Ｌの冷却速度が大きくなる。すなわち、初晶Ｓｉが大きく成長する前に溶湯Ｌが固化するので、初晶Ｓｉが微細な組織が得られる。外側円筒形状成形体１４の厚みＴ２を１．０〜２．０ｍｍに設定した本実施の形態においては、初晶Ｓｉの平均粒径は、概ね３５μｍ以下となる。

しかも、冷却速度が大きいので、溶湯Ｌ中のＳｉが遠心力によって外周壁側に移動する前に固化が起こる。従って、初晶Ｓｉが偏在することが抑制され、内側円筒形状鋳造体１２の直径方向に沿って略均等に分散する。このように、外側円筒形状成形体１４をチラーとして機能させることで、微細且つ互いに略同寸法の初晶Ｓｉが一様に分散した内側円筒形状鋳造体１２を得ることができる。

次に、円筒状金型２２の一端部から円環状枠体３２を取り外した後、この端部側から、内側円筒形状鋳造体１２と外側円筒形状成形体１４とが接合した予備成形体１０を引き抜いて塗型材とともに取り出す。その後、外側円筒形状成形体１４の外周壁に対し、ショットブラスト処理等によって微細な凹凸を設ける。さらに、内側円筒形状鋳造体１２の内周壁側から所定量の加工代を除去する削り出しを行えば、初晶Ｓｉが略均等に分散した内側円筒形状鋳造体１２を具備するシリンダスリーブが得られる。

内側円筒形状鋳造体１２を遠心鋳造によって設ける際、仮に初晶Ｓｉが外側円筒形状成形体１４側に若干偏在し、直径方向の中腹部よりも内側（内側円筒形状鋳造体１２の内周壁側）で初晶Ｓｉの量がやや少なくなったとしても、上記したように、削り出しが予備成形体１０の内周壁側から行われるので、Ｓｉの量が少ない部位が加工代として除去される。結局、初晶Ｓｉの量が十分なシリンダスリーブを得ることが可能となる。

以上のように、本実施の形態によれば、高強度で且つ耐摩耗性に優れたシリンダスリーブを作製することができる。

また、本実施の形態では、外側円筒形状成形体１４をチラーとして機能させて初晶Ｓｉの微細化を図るようにしているので、円筒状金型の回転数や温度等の鋳造条件を厳密に管理する必要がない。

このようにして得られたシリンダスリーブは、自動車用の内燃機関を構成するシリンダブロックを鋳造成形するための鋳造金型のキャビティに配置される。そして、このキャビティに対し、シリンダブロックとなる金属、例えば、ＡＤＣ１２等の溶湯が導入される。

最終的に、シリンダブロックにシリンダスリーブが鋳ぐるまれ、これにより内燃機関が構成される。この鋳ぐるみの際、シリンダスリーブ（外側円筒形状成形体１４）の外周壁に設けられた凹凸がアンカーとして機能する。また、シリンダブロックと外側円筒形状成形体１４とがＡＤＣ１２であるので、シリンダブロックと外側円筒形状成形体１４の線膨張係数が一致し、前記金属溶湯の導入時、及び該金属溶湯の冷却固化時にシリンダスリーブとシリンダブロックとが略同程度に膨張・収縮する。このため、シリンダスリーブとシリンダブロックとの間に剥離が生じ難い。従って、前記凹凸のアンカー効果のみで、シリンダスリーブとシリンダブロックとの間に十分な接合強度が確保される。

内燃機関においては、シリンダスリーブの内周壁にピストンが摺接する。このシリンダスリーブの内周壁は、上記したように初晶Ｓｉに富むＡｌ−２３％Ｓｉ系合金からなる内側円筒形状鋳造体１２であり、従って、耐摩耗性が極めて大きい。このため、耐久性に優れる。

以上のように、本実施の形態によれば、シリンダブロックとの接合強度が大きく、且つピストンが摺接する内周壁の耐摩耗性が良好なシリンダスリーブを構成することができる。

なお、上記した実施の形態は、シリンダスリーブを構成する外側円筒形状成形体１４の材質としてＡＤＣ１２を選定した場合を例示して説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、内側円筒形状鋳造体１２と同一のＡｌ−２３％Ｓｉ系合金であってもよいし、ＡＤＣ１０等のその他のアルミニウム合金であってもよい。さらに、アルミニウムであってもよい。

また、内側円筒形状鋳造体１２の材質もＡｌ−２３％Ｓｉ系合金に特に限定されるものではなく、例えば、ＡＤＣ１０やＡＤＣ１２等であってもよい。

さらに、外側円筒形状成形体１４の厚みＴ２は、１．０〜２．０ｍｍの範囲内に特に限定されるものではなく、内側円筒形状鋳造体１２の冷却速度を制御して所望の組織が得られるように設定される。

さらにまた、中空部材としてシリンダスリーブの予備成形体１０を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、如何なる部材であってもよい。

本実施の形態に係るシリンダスリーブを設けるための予備成形体の概略全体斜視図である。 図１に示す予備成形体を作製するための遠心鋳造装置の要部概略構成図である。 図２の遠心鋳造装置を構成する円筒状金型に外側円筒形状成形体を挿入した状態を示す遠心鋳造装置の直径方向断面説明図である。 図２の遠心鋳造装置を用いて内側円筒形状鋳造体を設けている状態を示す長手方向断面説明図である。 内側円筒形状鋳造体が設けられた状態における遠心鋳造装置の直径方向断面説明図である。

符号の説明

１０…予備成形体 １２…内側円筒形状鋳造体
１４…外側円筒形状成形体 ２０…遠心鋳造装置
２２…円筒状金型 ２６…ローラ
３６…トラフ ３８…注湯管
４０…ポット Ｌ…溶湯

Claims (6)

1. 略円筒体形状をなす積層型の中空部材であって、
   内側円筒形状鋳造体及び外側円筒形状成形体を内周側からこの順序で有し、
   前記内側円筒形状鋳造体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、
   前記外側円筒形状成形体がＡｌ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とする中空部材。
2. 請求項１記載の中空部材において、前記内側円筒形状鋳造体の金属組織中の初晶Ｓｉの平均粒径が３５μｍ以下であることを特徴とする中空部材。
3. 請求項１又は２記載の中空部材において、当該中空部材は、内燃機関を構成するシリンダブロックのボア内に配設されるシリンダスリーブであることを特徴とする中空部材。
4. 略円筒体形状をなし、内側円筒形状鋳造体及び外側円筒形状成形体が内周側からこの順序で積層された中空部材の製造方法であって、
   外側円筒形状成形体となるアルミニウム又はアルミニウム合金製の円筒体を遠心鋳造装置の円筒状金型に挿入する工程と、
   回転する前記円筒状金型にＡｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を供給して遠心鋳造により内側円筒形状鋳造体を設け、積層型の予備成形体とする工程と、
   を有することを特徴とする中空部材の製造方法。
5. 請求項４記載の製造方法において、前記外側円筒形状成形体である前記円筒体の厚みを１．０〜２．０ｍｍに設定することを特徴とする中空部材の製造方法。
6. 請求項４又は５記載の製造方法において、さらに、前記予備成形体の内周壁側から削り出しを行い、内燃機関を構成するシリンダブロックのボア内に配設されるシリンダスリーブとする工程を有することを特徴とする中空部材の製造方法。

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