JP2011505513A

JP2011505513A - 多重ピースからなる薄肉の金属粉末シリンダライナー

Info

Publication number: JP2011505513A
Application number: JP2010502278A
Authority: JP
Inventors: ティモシー、エムキャンプベル、; マンデル、ジョエル、エイチ; フィリップス、ドナルド、ジェイ; ディークーパー、ドナルド
Original assignee: ジーケーエヌシンターメタルズ、エル・エル・シー
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2011-02-24
Also published as: WO2008124464A1; US20100116240A1; DE112008000859T5

Abstract

金属粉末シリンダライナーは、端と端をつなげて配された２以上のシリンダライナーピースを含み、かつ、その肉厚に対する長さの比率が１２より大きい。ここで、前記ピースにおける肉厚に対する長さの比率は、２０未満である。前記粉末金属組成物は、海綿鉄粉末約８５％〜９９％と、黒鉛約０．１％〜２．０％と、エチレンビス−ステアラミドワックス約０．１％〜２．０％と、を含む。シリンダライナーピースは、従来の金属粉末圧縮焼結法によって製造され得る。

Description

この出願は、米国仮特許出願第６０／９１０，１００号（出願日：２００７年４月４日）に基づく優先権を主張する。この出願の記載内容は、参考までに本明細書に含まれることとする。

本発明は、焼結金属粉末（sintered powder metal）の製造、特に、内燃エンジン用の金属粉末シリンダライナーに関する。

近年、焼結金属粉末（sintered powder metal；ＰＭ）の部材（component）が、その他の金属から形成された部材よりも費用効率的であることから、それ以外の方法によっては製造し難い部材についての使用が活発しつつある。金属粉末の利点として、低価額、高品質、高生産性、及び、優れたデザイン柔軟性（design flexibility）などが挙げられる。これらの利点は、ＰＭ部材が、ほとんど廃棄物を生じさせないために、機械加工を除去し、又は、最小化することができるネットシェイプ（net shape）又はほぼネットシェイプに製造されうることから、部分的に得ることができる。それ以外の金属製造方法に比べたＰＭ製造法、そこから製造された部品に伴う更なる利点には、段階的な構造（graded structure）又は複合金属（composite metal）、より軽量の部品、機械加工にける優れた柔軟性、省エネルギー、製造過程における廃棄物の減少、（部品における）高度の寸法安定性、（部品における）優れた表面仕上げ、自己給油又は浸透のための制御された多孔性、強度の増加、耐腐食性の増加、及び、低排出などが含まれる。

内燃エンジンメーカは、性能及び／又は安全性を害することなく、エンジンにおけるコスト及び重量を減らすより効率的で、かつ、より費用効率の高い方法を模索してきた。エンジンにおける最も大きくて最も重要な部品は、シリンダブロック（cylinder block）である。過去においては、シリンダブロックは、鋳鉄（cast iron）から形成されていたが、この鋳鉄は強度、耐久性、及び、長期間の寿命を提供する。しかしながら、周知の通り、鋳鉄はかなり重い。また、鋳鉄は、熱伝道性に比較的劣る。結果として、鋳鉄シリンダブロックを代替できるものが求められるようになった。

その代案として、アルミニウム合金からブロックを形成することである。アルミニウム合金は、（重量が）非常に軽く、かつ、熱伝道性に優れたものである。かかる特徴は、エンジン産業において求められるものである。しかしながら、アルミニウム合金は、比較的柔軟（soft）で、かつ、傷つき易いために、シリンダブロックにおける使用に（特に、そのブロックにおけるシリンダボアに対する要求事項について）求められる程度の強度、耐久性、及び、寿命を提供することができない。また、アルミニウム合金は、鉄に比較して、比較的高い熱膨張係数を有するので、高温での燃焼の際にシリンダとピストン間のブローバイ（blowby）を増加させ、それにより、排気物（emission）を増加させる。

前記問題を解決するために、エンジンメーカは、アルミニウムブロックのシリンダボア内に耐磨耗性シリンダライナーを用いるようになった。シリンダライナーは、通常アルミニウムエンジンブロック内へ鋳造剛性に関して最適ではないために、燃焼の際にボアに歪みが起こり、また、よりひどいブローバイ及び多量の排気物を生じさせる。

金属鉄粉末合金部品の空隙は、アルミニウムキャスティングへの鋳造の際に、溶融アルミニウムをＰＭ部品のマトリックスの方に浸透させて、周囲のアルミニウム合金とＰＭ部品間の結合を向上させる。溶融アルミニウム合金をシリンダライナー空隙の方に浸透させることによって、含浸ＰＭマトリックスの望ましい機械加工性を活用することができる。

ＰＭ技術は鋳鉄シリンダライナーに基づく幾つかの問題を解決する可能性はあるものの、ネットシェイプ又はほぼネットシェイプへの従来の圧縮法によるＰＭシリンダライナーの製造は商業的に可能でなかった。その理由の一つに、肉厚に対する長さの高比率が金属粉末で圧縮ダイを充填するに大きな問題をもたらし、かつ、高アスペクト比を有する部品の端部から圧縮することによって、シリンダライナーの長手方向に沿って許容できない密度勾配、及び、前記圧縮物の不十分な生強度をもたらすことがある。これらの問題は、熱間等静圧圧縮法、及び、２次的な製造工程を施すことによって多少回避することができるが、鋳造シリンダライナーに比べて費用がかかり過ぎる。

本発明は、金属粉末から高比率の長さ：肉厚を有するシリンダライナーを製造するに用いられるシリンダライナー構造を提供する。このライナーは、同軸上に端と端をつなげて（即ち、端から端まで）配された多重の金属粉末シリンダライナーピースから製造される。

まず、本発明は、シリンダを形成するべき金属粉末組成物を有するシリンダライナーを提供する。ここで、シリンダは、肉厚（wall thickness）及び長さを有し、そして、その肉厚に対する長さの比率は、１２より大きい。一方で、各ピースは、通常２０未満の比率を有する。

また、本発明は、１以上の燃焼シリンダライナーを有するエンジンブロックを備えた内燃エンジンを提供する。

本発明の利点は、低密度金属粉末シリンダライナー（例えば、6.3 g/cc）を可能にし、それにより、シリンダライナーＰＭマトリックスの孔（porosity）へ溶融アルミニウム合金（シリンダライナーを取り囲んでいる。）が浸透することで、アルミニウム合金とシリンダライナーと間の結合を向上させることである。

本発明の別の利点は、前述した結合力の向上によって、外径特性（outside diameter feature）に対する要求事項を軽減し又は減少させることができ、かつ、燃焼室からそれを取り囲むアルミニウムへのより均一な熱伝達を可能にすることである。

本発明の更なる別の利点は、許容可能な密度、特に、壁の長さに沿って端から端まで比較的均一な密度を有する金属粉末部材を提供することである。

別の利点によれば、最終的に加工された厚さ近くまで焼結金属粉末ライナーピースの製造が可能となり、その結果として、その後に行われる機械加工及び廃棄物を減らすことができる。

本発明は、焼結金属粉末シリンダライナーに対し前述した利点をもたらす。

本発明に係る前述した利点及びその他の利点については、後述する発明の詳細な説明（図面に基づく。）に記載されている。

図１は、本発明のシリンダライナー（現場打ち）を有する内燃エンジンのシリンダの断面図である。図２は、エンジンのシリンダを省略して示した本発明のシリンダライナーの断面図である。図３は、図１及び２におけるシリンダライナーを構成する２つのシリンダピースの２つの端部間に設けられたジョイントの断面図である。図４は、図１〜３におけるライナーを構成する他方のライナーピースを省略して示した一方のシリンダライナーピースの断面図である。

図１によれば、内燃エンジン１０は、焼結金属シリンダライナー（sintered power metal cylinder liner）１８の外部を取り囲むキャティングアルミニウム合金２２によって形成された燃焼シリンダ（combustion cylinder）１２を有している。このアルミニウム合金２２は、ライナー１８における孔に浸透（浸潤）して、それをしっかり保持する。リング１６を備えたピストン１４は、エンジンが動くにつれて、シリンダの方に往復する。

ライナー１８は、２つのシリンダライナーピース２４で構成され、そのシリンダライナーピース２４は、ライナー１８と概ね同様の形状を有するがそれより短いシリンダである。２つのピース１８は、同軸上に端から端まで（即ち、端と端をつなげて）配置されている。この構成において、これらの端部が当接しているのが好ましい。好ましい例として、図２によれば、その端部には段があり、雄端部（male end）３０及び雌端部（female end）３２が設けられている。図２に示すように、上部ピース２４の下端（雌）は、下部ピース２４の上端（雄）にフィットして、密接に係合する。図３に示すように、ジョイントの外縁（outer edge）において、小さいギャップ（例えば、縁部における０５０）が生じるが、ろう材（brazing material）がそのギャップに浸透して、２つのピースを保持するようになっている。このろう付け（brazing）は、焼結ろう付け（即ち、焼結過程において行われるろう付け）、又は、焼結後ろう付け（post-sinter brazing）である。或いは、例えば、ピース２４が心金（core rod）又は別の装置上に配置されて、それらが端から端まで配列され、かつ、当接され、それにより、シリンダ成型過程においてアルミニウム合金２２によって互いに取り付けられるか、又は、ピース２４がシリンダ１２への成型（casting）の前に互いに圧入され、その後シリンダに成型されるのであれば、シリンダ１２に成型する前に、ピース２４を互いに結合させる必要はない。

従来の金属粉末圧縮焼結法を用いて、各々のピース２４を製造することができる。このダイ空洞（die cavity）は、前記ピース２４のうち１つの形状を有し、充填（供給）は上部から行われ、圧縮（compaction）は両端から行われる。また、高アスペクト比を有する部分に対し従来の金属粉末圧縮工程を適用すると、概して長さに沿って前記部分の壁には密度の変化（前記部分の中央より端部の方の密度が高い。）が起こる。全体のライナー１８よりも各ピース２４を短くすることによって、前記部分を通じての密度の分布はより均一なものとなる。

ピース２４の金属粉末組成物は、海綿鉄粉末（sponge iron powder）約８５％〜９９％と、黒鉛約０．１％〜２．０％と、合成ワックス（例えば、エチレンビス−ステアラミドワックス：Ｎ，Ｎ’−エチレンビス−ステアラミド；Ｎ，Ｎ’−ジステアロイルエチレンジアミン；ＥＢＳと同意語である。）約０．１％〜２．０％と、を含むことができる。より具体的に、金属粉末組成物３４が、海綿鉄粉末約９８．１％と、黒鉛約０．９％と、エチレンビス−ステアラミドワックス約１．０％とを含んでも良い。海綿鉄粉末は高品質の磁鉄鉱鉱石の直接還元によって得られる。この過程で海綿状の粒子（例えば、顕微鏡写真に示すようなもの）が生じるが、その粒子は、圧縮率、生強度（green strength）に優れ、そして、優れたエッジ整合性(edge integrity)を有する部品を生成する。Ancor MH-100は、そのような海綿鉄粒子の例である。

合成ワックス粉末は、金属粉末部品の圧縮用の滑剤及び結合剤（例えば、AcrawaxR滑剤）として用いられる。黒鉛は、焼結及び合金制御用の高品質の黒鉛粉末（例えば、Asbury 3203）である。金属粉末組成物３４は、０．５％以下の燐を含むことができる。

その結果、金属粉末シリンダライナー２２は、シリンダライナー１８の長さに沿って比較的均一な密度を有することになる。密度は、約5.8g/cm³ and 6.8g/cm³であり、好ましくは、約6.3g/cm³である。内径（inside diameter）を機械加工する前に、肉厚５０は、例えば機械加工後の厚さよりも若干大きく、各々のピース２４は、例えば内径（ＩＤ）２．６０８インチ、及び、外径（ＯＤ）２．８１８インチを有し得る。機械加工によって肉厚の約２〜１０％が除去され、かかる機械加工は、ライナー１８がシリンダブロックに成型される前にされる必要があり得る。ライナー１８の長さは、ライナー全体に対し３．５８２インチであり、各ピース２４に対し概ねその半分である。ライナーを製造するために２以上のピースを用いることも可能だが、許容可能な充填（filling）、圧縮（compaction）、及び、密度均一性は、２つのピース２４のみを有する場合においても得られるものである。シリンダライナー１８における長さ：肉厚５０の比率は１２より大きく、そして、各ピース２４における長さ：肉厚の比率は２０未満である。また、各ピース２４の金属粉末圧縮物（部）における肉厚（焼結又は加工を施す前）が０．２０インチ未満であることが好ましい。

生圧縮金属粉末シリンダライナーピース２４は、（単独で、又は、組み合わせられて）それを増強するために高温での焼結が必要である。しかしながら、焼結部品がほぼネットシェイプに形状されるので、イン−キャスティング（in-casting）前の機械加工ステップは省略される。よって、焼結ＰＭライナー１８がシリンダ１２に成型された後に機械加工が行われる。

図１は、本発明の内燃エンジン１０を示すが、この内燃エンジン１０は、ピストン１４を有する１以上の燃焼シリンダボアを備えたシリンダ１２と、１以上のシリンダライナー１８と、を含む。内燃エンジン１０は、燃料システム、クランクシャフト、給油システム、冷却システムなどを含んでも良い。前述の通り、シリンダライナー１８によって形成されたボア、それに浸透されたアルミニウム合金、及び、シリンダを取り囲むアルミニウムは、ライナーがシリンダ１２の方に成型された後、更なる機械加工を受ける必要があり得る。

ライナー１８は、ピストン１４の底部における真ん中において、ピストンのリング１６全てがライナー１８と軸方向に重なるように（同時に、リング１６はピストン１４の上部における真ん中において重なるようになる。）十分な長さを有するべきである。

本発明の好ましい実施例については詳細に説明した。このような実施例についての様々な変更及び変形が可能であることが、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明は、前述した実施例に限られるものではない。

１０内燃エンジン
１２燃焼シリンダ
１４ピストン
１６リング
１８シリンダライナー
２２キャティングアルミニウム合金２２
２４シリンダライナーピース
３０雄端部
３２雌端部

Claims

焼結鉄金属粉末で製造され、かつ、内燃エンジンのシリンダ壁に成型される内燃エンジン用シリンダライナーであって、前記ライナーを取り囲むシリンダの少なくとも一部が、アルミニウム合金で構成され、そして、前記シリンダライナーには、前記シリンダ壁への成型の際に、同軸上にある２以上のシリンダライナーピースが設けられていることを特徴とするシリンダライナー。
前記シリンダライナーピースの端には段が設けられて、その端と端との接続部において前記ピースが互いに結合できるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナー。
前記ライナーピースが、互いにろう付けされていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナー。
前記ピース間のろう付けが、焼結の際に行われたことを特徴とする請求項３に記載のシリンダライナー。
前記ライナーの肉厚に対する長さの比率が、１２より大きく、そして、前記各々のシリンダライナーピースの肉厚に対する長さの比率が、２０未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナー。
前記金属粉末圧縮物の肉厚のうち１０％未満が、圧縮後、かつ、前記ライナーから前記シリンダ壁への成型の前に、除去されることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナー。
前記各ピースの平均密度が、5.8〜6.8g/cm³であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナー。
請求項１に記載のシリンダライナーの製造の用に供されるシリンダライナーピース圧縮物。
請求項１に記載の２以上のシリンダライナーピースを有するシリンダライナーを含むエンジン。
端と端をつなげて同軸上に配され、金属粉末組成物から形成され、かつ、シリンダに成型される２以上のシリンダライナーピースを含むシリンダライナーであって、
前記各々のピースにおける肉厚に対する長さの比率が、２０未満であり、そして、
前記粉末金属組成物が、海綿鉄粉末約９５％〜９９％と、黒鉛約０．１％〜２．０％と、滑剤約０．１％〜２．０％と、を含む
ことを特徴とするシリンダライナー。
前記海綿鉄粉末約９８．１％と、黒鉛約０．９％と、エチレンビス−ステアラミドワックス約１．０％と、を含むことを特徴とする請求項１０に記載のシリンダライナー。
前記シリンダライナーが、燐０．５％未満を含むことを特徴とする請求項１０に記載のシリンダライナー。
前記各ピースの密度が、約5.8g/cm³〜6.8g/cm³であることを特徴とする請求項１０に記載のシリンダライナー。
前記密度が、約6.3g/cm³であることを特徴とする請求項１３に記載のシリンダライナー。
前記各ライナーピースの製造の用に供される圧縮物の肉厚が、約０．２０インチ未満であることを特徴とする請求項１０に記載のシリンダライナー。
１以上の燃焼シリンダボアを含むエンジンブロックと、前記燃焼シリンダボアの方に挿入された１以上のシリンダライナーと、を含む内燃エンジンであって、
前記シリンダライナーが、金属粉末組成物を含み、
前記シリンダライナーにおける肉厚に対する長さの比率が、１２より大きく、
前記シリンダライナーが、端と端をつなげて同軸上に配置された２以上シリンダライナーピースを含み、そして、
前記各々のシリンダライナーにおける肉厚に対する長さの比率が、２０未満である
ことを特徴とする内燃エンジン。
前記粉末金属組成物が、海綿鉄粉末約９５％〜９９％と、黒鉛約０．１％〜２．０％と、エチレンビス−ステアラミドワックス約０．１％〜２．０％と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の内燃エンジン。