JP2012215140A

JP2012215140A - シリンダライナ及びこれを備えるシリンダブロック

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Publication number: JP2012215140A
Application number: JP2011081494A
Authority: JP
Inventors: Megumi Tajima; めぐみ田島; Motoharu Tanizawa; 元治谷澤; Yuki Okamoto; 夕紀岡本
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: JP5678779B2

Abstract

【課題】マグネシウム製のシリンダブロック本体によって鋳包んだ際の残留歪みを低減できるシリンダライナを提供する。
【解決手段】円筒形を呈し、その外周面Ｓに周方向に連続する環状の溝１１が軸方向に所定のピッチで複数本設けられ、マグネシウム系材料からなるシリンダブロック本体３１によって鋳包まれるシリンダライナ１０であって、シリンダライナ１０の外周面Ｓのうち少なくとも各溝１１内の表面粗さ（Ｒｚ）が、２０μｍ以下である。外周面Ｓに対する各溝１１の側壁Ｗの傾斜角度θは、４５°〜９０°である。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形を呈し、その外周面に周方向に連続する環状の溝が軸方向に複数本設けられ、シリンダブロック本体によって鋳包まれるシリンダライナと、これを備えるシリンダブロックに関し、特にシリンダブロック本体がマグネシウム系材料からなる場合に適したシリンダライナに関する。

自動車等の内燃機関では、ピストンの摺動面となるシリンダボアを有するシリンダブロックが設けられている。当該シリンダブロックは、円筒形の鋳鉄製シリンダライナの外周面を、ダイカスト材料（鋳造金属）からなるシリンダブロック本体によって鋳造により鋳包むことで製造される。古くはシリンダブロック本体も鋳鉄製であったが、近年では燃費の向上や排気ガス低減等のため軽量化が求められており、シリンダブロック本体をアルミニウム製とすることが多い。

しかし、シリンダブロック本体が鋳鉄製の場合は、シリンダライナとシリンダブロック本体とが同系金属であるため大きな問題は生じなかったが、近年のように鋳鉄製のシリンダライナをアルミニウム製のシリンダブロック本体によって鋳包む場合は、シリンダライナとシリンダブロック本体との界面（接合面）の密着性が問題となる。すなわち、シリンダブロックを鋳造する際、溶湯状態のダイカスト材料は収縮しながら凝固するが、シリンダライナを構成する鋳鉄とシリンダブロック本体を構成するアルミニウムとでは熱膨張係数（熱膨張率）が異なるため、残留応力に起因する残留歪みや、シリンダライナとシリンダブロック本体との間に隙間が発生するという問題が生じる。これでは、シリンダブロックの熱伝導率等の低下や欠損などの要因となる。

そこで、このような問題を解決する技術として、例えば下記特許文献１が提案されている。特許文献１では、円筒形の鋳鉄製シリンダライナの外周面に、周方向に連続する環状の溝を軸方向に複数本設けており、これをアルミニウム製のシリンダブロック本体によって鋳包んでいる。ここでは各溝の形状を改良しており、軸方向断面形状において一方の軸方向端部側の平坦面に連続する外周端縁から一方の軸方向端部側に移行するに従って次第に縮径する平坦面に対してアンダーカットされた第１傾斜面と、該第１傾斜面の内周端から次第に縮径する第１曲面と、該第１曲面の内周端から他方の軸方向端部側に移行するに従って拡径して第１傾斜面と対向する第２傾斜面とが順に連続する断面Ｊ字状に形成された第１周方向溝部と、第２傾斜面の外周端に連続すると共に他方の軸方向端部側に移行するに従って次第に縮径する第３傾斜面と、該第３傾斜面の内周端から次第に拡径する第２曲面と、該第２曲面の外周端から上記一方の軸方向端部側に移行するに従って次第に拡径して第３傾斜面と対向すると共に隣接する軸方向端部側の平坦面の端縁に外周端縁が連続する上記平坦面に対してアンダーカットされた第４傾斜面とが順に連続する断面Ｊ字状に形成された第２周方向溝部とによって各溝が形成されている。すなわち、各溝は、これの側面が外周面に対して９０°を超えた傾斜角度で末広がり状となっており、断面逆ハート型に形成されている。これにより、シリンダライナをアルミニウム合金製のシリンダブロック本体で鋳包みするにあたり、各溝によってアルミニウム合金溶湯の移動が抑制されてシリンダブロック本体の割れ等が防止できると共に、シリンダライナとシリンダブロック本体との界面の密着性及び結合強度を確保している。

特開２０１０−５９９０９号公報

ところで、最近では自動車のさらなる軽量化のため、シリンダブロック本体を従来のアルミニウム製からマグネシウム製とされる傾向にある。マグネシウムは、実用金属の中でも最も比重の低い部類に属する金属だからである。しかしながら、マグネシウムはアルミニウムよりも鋳鉄との熱膨張係数差が大きい。そのため、アルミニウム製のシリンダブロック本体によって鋳包む場合とは密着性に関する考え方も異なってくる。具体的には、アルミニウム製のシリンダブロック本体によって鋳包む場合は、シリンダライナとシリンダブロック本体との密着性は高ければ高いほど好ましい。しかし、マグネシウム製のシリンダブロック本体によって鋳包む場合は、鋳鉄との熱膨張係数差が大きいため、密着性が高過ぎると反って残留歪みが大きくなってしまう。マグネシウム製のシリンダブロック本体によってシリンダライナを鋳包む場合は、アルミニウム製のシリンダブロック本体によって鋳包む場合に対して、３倍の残留歪が生じることが知られている。したがって、マグネシウム製のシリンダブロック本体で鋳包む場合は、密着性を確保しながらも、残留歪み低減のためには収縮凝固時の自由度もある程度確保しておく必要がある。

これに対し特許文献１では、シリンダライナの外周面に設けた各溝を特殊な形状とすることで、鋳造時に溶湯の移動を抑制して密着性を確保している。これでは、マグネシウム製のシリンダブロック本体によって鋳包む場合は、マグネシウム溶湯の移動が過度に抑制されるので、残留応力に起因する残留歪みが大きくなってしまう。また、従来からシリンダライナの外周面を粗面化することで密着性を向上させる技術もあるが、特許文献１ではシリンダライナの表面粗度に関しては特に着目していない。特許文献１においてシリンダライナ外周面の表面粗度が大きいと、さらに溶湯の移動が抑制されてしまう。

そこで、本発明者らは、シリンダブロック本体からのシリンダライナの抜け外れを防止できる程度に密着性を確保しながらも、ある程度の溶湯自由度を与えることで残留応力を分散低減できることを知見し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は上記課題を解決するものであり、マグネシウム製のシリンダブロック本体によって鋳包んだ際の残留応力に起因する残留歪みを低減できるシリンダライナと、これを備えるシリンダブロックを提供することを目的とする。

そのための手段として本発明は、円筒形を呈し、その外周面に周方向に連続する環状の溝が軸方向に所定のピッチで複数本設けられ、マグネシウム系材料からなるシリンダブロック本体によって鋳包まれるシリンダライナであって、前記シリンダライナの外周面のうち少なくとも前記溝内の表面粗さ（Ｒｚ）が、２０μｍ以下であることを特徴とする。なお、本発明においてマグネシウム系材料とは、純マグネシウムとマグネシウム合金とを含む概念である。表面粗さ「Ｒｚ」とは、ＪＩＳＢ０６０１で規定される「十点平均粗さ」を示す。

これによれば、軸方向に複数本形成された各溝内にマグネシウム溶湯が入り込むことで軸方向の移動が抑制されるので、最低限の密着性は確保される。また、そのアンカー効果によって、シリンダブロック本体からのシリンダライナの抜け外れも確実に防止できる。一方、各溝は周方向に連続して環状に設けられており、且つ少なくとも各溝内の表面粗さ（Ｒｚ）が２０μｍ以下となっていることで、周方向に対しては拘束が無く自由度が高い。これにより、シリンダブロック本体を鋳造する際の溶湯の凝固収縮に伴い発生する残留応力を周方向に分散させることができ、シリンダブロック本体用としてマグネシウム系材料を使用した場合において、残留歪を低減することができる。

なお、前記外周面（の平坦面）に対する前記溝の側壁の傾斜角度は、４５°〜９０°とすることが好ましい。特許文献１のように、各溝の側壁の傾斜角度が外周面に対して９０°を超えるような大きな傾斜角度で形成されていると、溝の奥部において溶湯が滞留すると共に、応力が集中して周方向への移動が拘束されてしまうからである。各溝の側壁が４５°〜９０°であれば、軸方向の密着性の確保及び抜け外れを防止しながらも、周方向では拘束されることが無いので、確実に残留応力を分散させて残留歪を低減できる。

また、本発明によれば、上記構成のシリンダライナが鋳包まれたシリンダブロックを提供することもできる。当該シリンダブロックは、前記シリンダライナを鋳包んだ後、１５０〜２５０℃で熱処理することが好ましい。鋳造後に所定温度で熱処理することで、残留歪をより積極的に低減することができる。

本発明によれば、マグネシウム製のシリンダブロック本体によって円筒形のシリンダライナを鋳包んだ場合において、残留応力に起因する残留歪みを確実に低減することができる。

シリンダライナの斜視図である。溝の断面図である。シリンダブロックの断面図である。溝の変形例を示す断面図である。溝の変形例を示す断面図である。溝の変形例を示す断面図である。溝の変形例を示す断面図である。溝の変形例を示す断面図である。溝の変形例を示す断面図である。残留歪測定試験結果である。

以下に、本発明の実施の形態について具体的に説明する。図１や図３に示すように、シリンダライナ１０は鋳鉄製の円筒形部材であって、その外周面Ｓには軸方向に所定ピッチで並んだ複数本の溝１１が形成されている。鋳鉄としては、従来からシリンダライナ用として使用されているものであれば特に限定されない。例えば、炭素を３．２〜４．４ｗｔ％程度、ケイ素を０．８〜２．６ｗｔ％程度、マンガンを０．１〜２．４ｗｔ％程度、硫黄を０．００１〜０．２ｗｔ％程度、リンを０．０１〜０．６ｗｔ％程度含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなる組成の鋳鉄を使用することができる。さらに、クロムを０．０１〜０．６ｗｔ％程度、銅を０．０１〜１．０ｗｔ％程度、アルミニウムを０．０５〜１．０ｗｔ％程度、錫を０．００１〜０．３ｗｔ％程度、アンチモンを０．００１〜０．２ｗｔ％程度、又はホウ素を０．０１〜２．０ｗｔ％程度含んでいる場合もある。シリンダライナ１０の内周面は、最終的にシリンダブロック３０のシリンダボアとなる。

各溝１１は、外周面Ｓの全周に亘って周方向に連続した環状に形成されている。各溝１１は、１本の溝を螺旋状に形成することで設けられていてもよいし、それぞれ別個形成された独立溝であってもよい。１本の溝を螺旋状に形成する場合でも、ピッチを小さく多数本形成することで、各溝１１はほぼ周方向に平行となる。各溝１１は、鋳造によって鋳包む際に溶湯の軸方向への移動（滑り）を拘束してシリンダライナ１０とシリンダブロック本体３１との密着性を確保すると共に、アンカー効果によってシリンダブロック本体３１からのシリンダライナ１０の抜け外れを防止するために設けられている。そのため、溝１１はできるだけ多数本（密に）設けることが好ましい。しかし、溝１１が過度に多いと外周面Ｓの強度が低下し、鋳造時などにおいてシリンダライナ１０の外周面が欠損するおそれが生じる。そこで、図２に示すように、各溝１１間の中心間距離ｌは２．０〜５．０ｍｍ程度とすることが好ましい。この範囲であれば、外周面Ｓの強度を担保しながら、上記作用機能を確実に発揮させることができる。各溝１１間の中心間距離ｌは、より好ましくは２．５〜４．０ｍｍ程度である。

また、各溝１１の深さｄは、０．５〜２．５ｍｍ程度とすることが好ましい。各溝１１の深さｄが０．５ｍｍ未満であると、上記作用機能を充分に発揮させ難くなる。一方、各溝１１の深さｄが２．５ｍｍを超えると、鋳造時等に応力集中が生じてシリンダライナ１０が欠損するおそれがある。各溝１１の深さｄは、より好ましくは１．０〜２．０ｍｍ程度である。

また、各溝１１の側壁Ｗは、外周面Ｓの平坦面との傾斜角度θが４５°〜９０°となるように形成する。側壁Wの傾斜角θが４５°未満では、鋳造時において溶湯の軸方向移動を充分に拘束できないと共に、アンカー効果も低減する。一方、側壁Wの傾斜角度θが９０°を超えた末広がり状であると、各溝１１の奥部において溶湯が滞留して周方向への移動も拘束されてしまい、残留歪を的確に低減できなくなる。好ましくは、各溝１１における側壁Ｗの傾斜角度θを５０°〜８５°程度とする。図２には、側壁Wの傾斜角度θが約６０°のV字溝を例示している。

なお、各溝１１の形状は、図２に示すＶ字状のほか、図４〜図９に示すような形状とすることもできる。具体的には、図４に示すように、頂点が偏心位置にあるＶ字状とすることもできる。この場合、図５に示すように、各溝１１の偏心方向は一致していなくてもよい。または、図６や図７に示すように、底壁Ｂを有する溝として形成することもできる。図６に示す溝１１は底壁Ｂが平坦面となっており、図７に示す溝１１は底壁Ｂが湾曲面となっている。さらには、図８や図９に示すように、側壁Ｗが外周面Ｓに対して直角（傾斜角度θが９０°）な溝とすることもできる。

そのうえで、各溝１１内の表面粗さＲｚを２０μｍ以下とする。各溝１１内の表面粗さＲｚが２０μｍを超えると、溶湯の周方向への滑り性が低減することで、残留歪を的確に低減できなくなる。好ましくは、各溝１１内の表面粗さＲｚを１５μｍ以下とし、より好ましくは１０μｍ以下とする。表面粗さＲｚの下限は特に限定されないが、生産性の観点からは５μｍ程度とすればよい。シリンダライナ１０の外周面Ｓの表面粗さは特に限定されないが、各溝１１とは別に表面処理する手間を鑑みれば、各溝１１内の表面粗さと同等としておけばよい。シリンダライナ１０の外周面Ｓの表面粗さＲｚも２０μｍ以下であれば、より周方向への移動が円滑となる。

一方シリンダブロック３０は、図３に示すように、上記構成のシリンダライナ１０と、これを鋳包むようにして鋳造されたシリンダブロック本体３１とからなる。詳しくは、シリンダライナ１０の外方において、マグネシウム系材料からなるシリンダブロック本体３１を鋳造することで、シリンダブロック３０が製造される。符号３２は、ウォータージャケットである。マグネシウム系材料としては、従来からシリンダブロック本体用として使用されている公知のマグネシウム系ダイカスト材料であれば、特に制限無く使用できる。具体的には、ＪＩＳＨ５３０３やＪＩＳＨ２２２２に規定されるＭＤＣ１Ｂ，ＭＤＣ１Ｄ，ＭＤＣ２Ｂ，ＭＤＣ３Ｂ，ＭＤＣ４，ＭＤＣ５，ＭＤＣ６を挙げることができる。純マグネシウムでもよい。

次に、シリンダライナ１０及びこれを備えるシリンダブロック３０の製造方法について説明する。先ず、予め鋳造により円筒形に形成したシリンダライナ１０に対して、その外周面全体に複数本の溝１１を形成する。例えば、シリンダライナ１０を中心軸Ｃを中心として回転しながら、所定形状の刃先を有する切刃によって切削加工すればよい。このとき、１本の溝を螺旋状に形成することで、軸方向に並設された複数本の溝１１を形成することが生産性が高く好ましいが、独立した溝１１を順次形成することもできる。次いで、必要に応じて少なくとも各溝１１内、好ましくは外周面Ｓを含めて全体的に表面加工する。具体的には、表面粗さが大きければ研磨等によって平滑化する。元々の表面粗さが充分に小さければ、密着性向上等のためにショットブラスト等によって粗面化しても構わないが、少なくとも表面粗さＲｚが２０μｍ以下となる程度に留めておく。

このようにして得られたシリンダライナ１０に対して、その外方においてマグネシウム系材料からなるシリンダブロック本体３１を鋳造することで、シリンダライナ１０が鋳包まれたシリンダブロック３０を得ることができる。鋳造は、高圧鋳造法が好ましい。具体的には、シリンダライナ１０をダイカスト金型内に予め配置したうえで、ダイカスト金型とシリンダライナ１０との間に形成されたキャビティへ、マグネシウム系材料の溶湯を５０００〜１００００ｋｇｆ／ｃｍ²の高圧で鋳込んで冷却凝固させる。

このとき、溶湯は各溝１１内に入り込むことで軸方向への移動（滑り）が拘束され、密着性が確保される。その反面、鋳鉄製のシリンダライナ１０とマグネシウム系材料との間に熱膨張係数差があることで、残留応力が発生し得る。しかしながら、各溝１１は周方向に形成されており、且つ表面粗さＲｚが小さいので、周方向への移動は拘束されない。これにより、残留応力を周方向に分散させることができるので、残留歪は低減する。

なお、このままでも製品としては成り立つが、さらにシリンダブロック３０を熱処理（時効処理）することが好ましい。これにより、鋳造後の残留応力がさらに分散されることで、より残留歪を低減することができる。このときの熱処理温度は、１５０〜２５０℃が好ましい。１５０℃未満では、さらなる残留歪の低減効果を得られ難い。一方、２５０℃を超えると、反って残留歪等が上昇する危険性がある。熱処理温度は、好ましくは１６０〜２３０℃程度であり、より好ましくは１７０〜２００℃程度である。また、熱処理は、４〜２４時間程度行えばよい。

以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。内径８１ｍｍ、外径９３ｍｍ、高さ１３７ｍｍの円筒形の鋳鉄製シリンダライナの外周面へ、旋盤加工によって軸方向に複数本のＶ字溝を形成した。各溝の深さは１ｍｍ、外周面に対する側壁の傾斜角度は６０°であり、中心間距離は２５ｍｍとした。このときの各溝１１内の表面粗さＲｚをビッカース硬さ試験機によって測定した結果、Ｒｚは７μｍであった。

次いで、当該構成のシリンダライナを鋳造型内へ配置したうえで、Ａｌ３〜１５ｗｔ％、Ｃａ０．２〜５ｗｔ％、Ｍｎ０〜０．５％、Ｓｒ０〜１％含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなるマグネシウム系ダイカスト材料を、厚み５ｍｍの円筒形に鋳包んだ擬似シリンダブロックを実施例１とした。

また、実施例１と同様にして作製した擬似シリンダブロックを、さらに１７５℃において４時間時効処理を行ったものを実施例２とした。さらに、シリンダライナとして最も一般的に流通している帝国ピストンリング社製スパイニーライナーを用いて実施例１と同様の条件で作製した擬似シリンダブロックを比較例１とした。

得られた各試料（実施例及び比較例）を軸方向に切断し、切断ラインから１ｃｍ離れた左右２箇所に歪みゲージを貼り付け、歪測定器（共和電業社製、KFG-4N-120-C1-23）によって歪み量を測定した。その結果を図１０に示す。なお、各試料とも、左右２箇所での歪み量は同じであった。

図１０の結果から、従来品を使用した比較例１では残留歪が高かったが、表面粗さＲｚの低い周方向の溝を複数本設けた実施例１では、比較例１に対して残留歪を３５％程度低減できていた。さらに時効処理した実施例２では、比較例１に対して残留歪を６０％程度低減できていた。

１０シリンダライナ
１１溝
３０シリンダブロック
３１シリンダブロック本体
Ｂ溝の底壁
Ｓシリンダライナの外周面
Ｗ溝の側壁

Claims

円筒形を呈し、その外周面に周方向に連続する環状の溝が軸方向に複数本設けられ、マグネシウム系材料からなるシリンダブロック本体によって鋳包まれるシリンダライナであって、
前記シリンダライナの外周面のうち少なくとも前記溝内の表面粗さ（Ｒｚ）が２０μｍ以下であることを特徴とする、シリンダライナ。
前記外周面に対する前記溝の側壁の傾斜角度が４５°〜９０°である、請求項１に記載のシリンダライナ。
請求項１または請求項２に記載のシリンダライナが鋳包まれたシリンダブロック。
前記シリンダライナを鋳包んだ後１５０〜２５０℃で熱処理された、請求項３に記載のシリンダブロック。