JP2019015227A - シリンダーブロックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量であり、かつ、高温条件下での機械的強度に優れた複合成形品からなるウォータージャケット構造を備えたシリンダーブロックを提供する。【解決手段】本発明のシリンダーブロックを得る工程は、フェノール樹脂と炭素繊維基材とを含むプリプレグを、成形金型の内部における成形空間内に配置する工程と、成形空間に熱硬化性樹脂組成物を導入し、熱硬化性樹脂組成物とプリプレグと、を接合させて一体化された接合体を得る工程と、接合体を硬化させることにより、樹脂層と、炭素繊維基材層とを有すると、を含むものであり、熱硬化性樹脂組成物が、レゾール型フェノール樹脂と、充填材と、を含み、配置する工程において、成形空間内に配置するプリプレグは、示差操作熱量計を用いて測定したプリプレグを構成する樹脂成分の硬化率が２０％以上８０％以下となるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダーブロックの製造方法に関する。

従来の代表的なシリンダーブロックには、エンジンの燃焼による該シリンダーブロックが過度に熱せられることを抑制すべく、冷却水を流通させるためのウォータージャケットが備わっている。このような従来のシリンダーブロックに備わるウォータージャケット構造について、これまでに、種々の報告がなされている。

たとえば、特許文献１には、シリンダーブロックに備わるウォータージャケットよりも外周側に、樹脂製のスペーサを配置したウォータージャケット構造が記載されている。

特開２０１０−１９０１３８号公報

近年、シリンダーブロックの軽量化に対して要求される技術水準はますます高くなってきている傾向にある。そのため、樹脂製部材を用いたウォータージャケット構造を備えた特許文献１に記載されているようなシリンダーブロックが、近年数多く報告されている。
しかしながら、本発明者らは、上述したような樹脂製部材を備えた従来のシリンダーブロックについて、高温条件下で長時間使用することを想定した場合、機械的強度という点において改善の余地があることを見出した。

そこで、本発明は、軽量であり、かつ、高温条件下での機械的強度に優れた複合成形品からなるウォータージャケット構造を備えたシリンダーブロックの製造技術を提供する。

本発明によれば、フェノール樹脂と炭素繊維基材とを含むプリプレグを、成形金型の内部における成形空間内に配置する工程と、
前記成形空間に熱硬化性樹脂組成物を導入し、前記熱硬化性樹脂組成物と前記プリプレグと、を接合させて一体化された接合体を得る工程と、
前記接合体を硬化させることにより、樹脂層と、炭素繊維基材層とを有するシリンダーブロックを得る工程と、
を含み、
前記熱硬化性樹脂組成物が、レゾール型フェノール樹脂と、充填材と、を含み、
前記配置する工程において前記成形空間内に配置する前記プリプレグは、示差操作熱量計を用いて測定した前記プリプレグを構成する樹脂成分の硬化率が２０％以上８０％以下となるものである、シリンダーブロックの製造方法が提供される。

本発明によれば、軽量であり、かつ、高温条件下での機械的強度に優れた複合成形品からなるウォータージャケット構造を備えたシリンダーブロックの製造技術が提供される。

本実施形態に係るシリンダーブロックの製造工程を示す工程断面図である。 本実施形態に係るシリンダーブロックの構成の変形例を示す断面図である。 実施例１の複合成形品の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態のシリンダーブロックの製造方法について説明する。
図１は、本実施形態に係るシリンダーブロック１００の製造工程を示す工程断面図である。

本実施形態のシリンダーブロック１００は、フェノール樹脂と炭素繊維基材とを含むプリプレグ１４０を、成形金型（金型１１０）の内部における成形空間１３０内に配置する工程と、成形空間１３０に熱硬化性樹脂組成物１５０を導入し、熱硬化性樹脂組成物１５０とプリプレグ１４０と、を接合させて一体化された接合体を得る工程と、接合体を硬化させることにより、樹脂層１５２と、炭素繊維基材層１４２とを有するシリンダーブロック１００を得る工程と、を含むものである。
本実施形態のシリンダーブロック１００の製造方法において、熱硬化性樹脂組成物１５０が、レゾール型フェノール樹脂と、充填材と、を含むものである。また、上記配置する工程において、成形空間１３０内に配置するプリプレグ１４０は、示差操作熱量計を用いて測定したプリプレグ１４０を構成する樹脂成分の硬化率が２０％以上８０％以下となるものである。

本実施形態のシリンダーブロック１００の製造方法によれば、ウォータージャケット１２２を備えるシリンダーブロック１００の外層に、樹脂層１５２を介して炭素繊維基材層１４２を形成することができる。このため、外層を金属層のみで構成した場合と比較して軽量であり、外層を樹脂層のみで構成した場合と比較して機械的強度を向上させることができる。

また、樹脂層１５２は、レゾール型フェノール樹脂と、充填材とを含むものであるため、優れた耐熱性を有しており、高温条件下においても、シリンダ部１２０と炭素繊維基材層１４２との密着を良好に保つことができる。また、炭素繊維基材層１４２を構成するプリプレグ１４０は、樹脂層１５２を構成する樹脂であるレゾール型フェノール樹脂と同種のフェノール樹脂が使用されているため、樹脂層１５２と炭素繊維基材層１４２との密着性も良好となる。

以上により、軽量であり、かつ、高温条件下での機械的強度に優れた複合成形品からなるウォータージャケット１２２を備えたシリンダーブロック１００の構造を実現することができる。

以下、本実施形態のシリンダーブロック１００の製造方法の各工程について詳述する。

まず、図１（ａ）に示すように、金型１１０中に、ウォータージャケット１２２を備えるシリンダ部１２０を配置する。シリンダ部１２０の外表面と金型１１０の内面（例えば、側壁面１１２）との間に、成形空間１３０が形成されるように配置する。具体的には、シリンダ部１２０の外壁面と下面とが金型１１０の内面で覆われるように配置する。このとき、金型１１０とシリンダ部１２０との間に構成された成形空間１３０の上側には、開口部１３２が形成されている。

本実施形態において、シリンダ部１２０は、筒状であり、アルミニウムなどの金属材料で構成されている。シリンダ部１２０は、複数の筒状部材が連結した構造を有するものである。図１（ａ）は、この複数の筒状部材のうち、１つを示している。

続いて、図１（ｂ）に示すように、開口部１３２から成形空間１３０の内部にプリプレグ１４０を配置する。金型１１０の側壁面１１２上に配置されたプリプレグ１４０は、シリンダ部１２０の外側面と対向するように配置されている。プリプレグ１４０は、側壁面１１２の周方向に、一部または全体に渡って嵌合されていてもよい。

本実施形態において、プリプレグ１４０は、例えば、筒状に構成されている。筒状のプリプレグ１４０は、板状にプリフォームされたプリプレグを筒状に加工することにより得られる。プリフォームの方法としては、１枚のプリプレグを曲げ加工してもよく、複数枚のプリプレグを貼り合わせることにより筒状のプリプレグ１４０を形成してもよい。

プリプレグ１４０は、フェノール樹脂と炭素繊維基材とを含むものである。また、上記配置する工程におけるプリプレグ１４０において、示差操作熱量計を用いて測定したプリプレグ１４０を構成する樹脂成分の硬化率が２０％以上８０％以下となるものであり、好ましくは２０％以上６０％以下であり、より好ましくは２０％以上４０％以下とすることができる。このようなプリプレグ１４０の硬化率を下限値以上とすることにより、プリプレグ１４０のべたつきを抑制できるため、プリプレグ１４０のハンドリング性を向上させることができる。また、上記硬化率を上限値以下とすることにより、樹脂層１５２および炭素繊維基材層１４２で構成される複合成形品の機械的強度を高めることができる。

また、プリプレグ１４０中の炭素繊維基材としては、織布を用いることができる。プリプレグ１４０全量に対するフェノール樹脂の含有量は１０質量％以上５０質量％以下とすることができる。

また、プリプレグ１４０において、常圧条件下、２５℃以上３００℃以下の温度範囲で１０℃／分の昇温速度で昇温して示差操作熱量測定（ＤＳＣ）を行った際の最大発熱量が２５ｍＪ／ｍｇ以上４０ｍＪ／ｍｇ以下とすることができる。

続いて、図１（ｃ）に示すように、プリプレグ１４０とシリンダ部１２０との間に構成されている成形空間１３０に、加熱により溶融状態の熱硬化性樹脂組成物１５０を導入する。そして、溶融状体の熱硬化性樹脂組成物１５０を残りの成形空間１３０中に充填させて、プリプレグ１４０と接触させる。その後、図１（ｄ）に示すように、接合体を加熱処理により硬化させることにより、成形空間１３０中に、樹脂層１５２と炭素繊維基材層１４２とを形成する。そして、シリンダ部１２０から金型１１０を取り外すことにより、樹脂層１５２と炭素繊維基材層１４２とを有するシリンダーブロック１００を得る。

本実施形態において、熱硬化性樹脂組成物１５０は、レゾール型フェノール樹脂と、充填材と、を含むものである。レゾール型フェノール樹脂の含有量は、熱硬化性樹脂組成物１５０全量（樹脂組成物のうちの溶媒を除く固形分全体）に対して、３０質量％以上４０質量％以下とすることができる。また、充填剤としては、ガラス繊維またはワラストナイトを用いることができる。

以下、本実施形態のシリンダーブロック１００の変形例について説明する。

本実施形態のシリンダーブロック１００は、図２（ａ）に示すように、シリンダ部１２０と、シリンダ部１２０の周囲に設けられたウォータージャケット１２２と、シリンダ部１２０を保護するように外周に設けられた、樹脂層１５２および炭素繊維基材層１４２で構成される複合成形品と、を備えることができる。

樹脂層１５２の厚み（肉厚部における最大厚み）をＸ１とし、炭素繊維基材層１４２の厚みをＹとしたとき、Ｘ１／Ｙの値は、例えば、０．２５以上８０以下とすることができる。これにより、軽量化と機械的強度のバランスを図ることができる。

また、本実施形態のシリンダーブロック１００は、図２（ｂ）に示すように、シリンダ部１２０と、シリンダ部１２０の周囲に設けられたウォータージャケット１２２と、シリンダ部１２０を保護するように外周に設けられた、樹脂層１５２および炭素繊維基材層１４２で構成される複合成形品と、樹脂層１５２中に埋設されたボルト１２４を備えることができる。

樹脂層１５２の厚み（肉厚部における最大厚み）をＸ１とし、樹脂層１５２の厚み（肉薄部における最小厚み）をＸ２としたとき、シリンダーブロック１００は、Ｘ２／Ｙの値が、例えば、０．２５以上３未満となる薄肉部と、Ｘ１／Ｙの値が、例えば、３以上８０未満となる厚肉部と、を備えることができる。これにより、ウォータージャケット１２２およびボルト１２４を備えるシリンダーブロック１００においても、軽量化と機械的強度のバランスを図ることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。

＜プリプレグの作製＞
カーボン繊維（ＰＡＮ−１２Ｋ（２４ｔｏｎ）、綾織り、坪量（ＦＡＷ）：７４０ｇ／ｍ^２）にフェノール樹脂を含浸させることにより、長方形のプリプレグ（フェノールＣＦＰＰ、レジンコンテントＲＣ：２８％（固形分換算）、揮発成分ＶＣ：１５％（測定条件：１３０℃×１０分））を得た。続いて、得られた長方形のプリプレグを、筒状にプリフォームして、筒状のプリプレグ１（厚み：０．５ｍｍ、フェノール樹脂の含有量：２８質量％）を得た。ここで、プリフォームとしては、バギングフィルムで密閉された空間を減圧し、密閉空間が減圧された後に、液状のフェノール樹脂を減圧された密閉空間に吸引し液状のフェノール樹脂をゲル化するまで放置、オーブンでアニールすることを行った。また、同様にして得られたプリプレグ１に対して、さらに熱処理１６５℃オーブン加熱を行い、加熱処理の時間に応じて硬化率が異なるプリプレグ２〜５を得た。

プリプレグの硬化率は示差操作熱量計を用いて測定した。プリプレグ１の硬化率は０％、プリプレグ２の硬化率は２５％（１６５℃、５分間）、プリプレグ３の硬化率は２３％（１６５℃、１０分間）、プリプレグ４の硬化率は４０％（１６５℃、２０分間）、プリプレグ５の硬化率は６１％（１６５℃、４０分間）、プリプレグ６の硬化率は６８％（１６５℃、６０分間）であった。

＜熱硬化性樹脂組成物の調製＞
レゾール型フェノール樹脂を３６．０質量％、ガラス繊維を５５．０質量％、ワラストナイトを６質量％、天然カルナバワックスを１．５質量％およびステアリン酸マグネシウムを１．５質量％、それぞれ乾式混合し、これを９０℃の加熱ロールで溶融混練、冷却したものを粉砕して顆粒状の熱硬化性樹脂組成物を得た後、径５５ｍｍ、２００ｇのタブレットを作製して成形に供した。

＜シリンダーブロックの作製＞
図１に示すような成形金型（金型１１０）中に、アルミニウム製筒状部材を配置した。金型１１０と筒状部材との間の成形空間１３０中に、上記の筒状のプリプレグを配置した。実施例１から５は、それぞれ、プリプレグ２から６を使用し、比較例１は、プリプレグ１を使用した。続いて、プリプレグとアルミニウム製筒状部材との間の成形空間１３０に、上記のタブレットを１００℃に予熱して導入し、金型温度１６０℃、３５ＭＰａ、５００秒で、プリプレグと熱硬化性樹脂組成物を硬化させた。その後、金型１１０を取り外して、外層に、炭素繊維基材層１４２と樹脂層１５２とがこの順で形成されたアルミニウム製筒状部材（複合成形品）を得た。

また、上記の実施例１〜５および比較例１で使用したプリプレグ１〜６と、上記熱硬化性樹脂組成物を用いて以下の評価項目について実験した。評価結果を表１に示す。

（タック性）
得られたプリプレグ１〜６の表面におけるべたつきを評価した。べたつき（タック）がないときは○、タックがあるときは×とした。

（外観）
実施例および比較例において、複合成形性（炭素繊維基材層１４２と樹脂層１５２との界面荒れ）および転写性（炭素繊維基材層１４２の金型側面との接触面の表面荒れ）の、いずれも抑制されており良好な外観を示す場合を◎とし、いずれも実用上問題ないレベルの場合を○とし、実用上問題ないが実施例１よりも劣る場合を△とした。実施例１の複合成形品の断面図を図３に示す。

（曲げ強度、曲げ弾性率）
実施例において、得られたプリプレグ１〜５と得られた熱硬化性樹脂組成物を用いて、１８０℃、３分間のコンプレッション成型により、板状の複合試験片（試験片厚み：４ｍｍｔ、炭素繊維基材層１４２の厚み０．７ｍｍ）を作製した。
得られた複合試験片を用いて、下記の測定条件にて、ＪＩＳ Ｋ６９１１に準じる３点曲げ試験により、曲げ強度および曲げ弾性率を測定した。結果を表２に示す。
試験速度：２ｍｍ／ｍｉｎ
スパン：６４ｍｍ
室温２５℃

実施例１から５の製造工程においては、ハンドリング性が良好であり、軽量であり、かつ、高温条件下での機械的強度に優れた複合成形品が得られた。また、実施例１および２で得られた複合成形品は、実施例３〜５と比較して曲げ弾性率および曲げ強度に優れており、また、良好な外観を有することが分かった。一方、比較例１の製造工程においては、プリプレグのべたつきによりハンドリング性が低下していた。実施例１〜５で得られた複合成形品は、シリンダーブロックに好適であることが分かった。

以上、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明したが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１００ シリンダーブロック
１１０ 金型
１１２ 側壁面
１２０ シリンダ部
１２２ ウォータージャケット
１２４ ボルト
１３０ 成形空間
１３２ 開口部
１４０ プリプレグ
１４２ 炭素繊維基材層
１５０ 熱硬化性樹脂組成物
１５２ 樹脂層

Claims (8)

1. フェノール樹脂と炭素繊維基材とを含むプリプレグを、成形金型の内部における成形空間内に配置する工程と、
   前記成形空間に熱硬化性樹脂組成物を導入し、前記熱硬化性樹脂組成物と前記プリプレグと、を接合させて一体化された接合体を得る工程と、
   前記接合体を硬化させることにより、樹脂層と、炭素繊維基材層とを有するシリンダーブロックを得る工程と、
   を含み、
   前記熱硬化性樹脂組成物が、レゾール型フェノール樹脂と、充填材と、を含み、
   前記配置する工程において前記成形空間内に配置する前記プリプレグは、示差操作熱量計を用いて測定した前記プリプレグを構成する樹脂成分の硬化率が２０％以上８０％以下となるものである、シリンダーブロックの製造方法。
2. 前記シリンダーブロックにおける前記樹脂層の厚みをＸとし、
   前記シリンダーブロックにおける前記炭素繊維基材層の厚みをＹとしたとき、
   前記樹脂層の厚みＸと、前記炭素繊維基材層の厚みＹとから算出されるＸ／Ｙの値が０．２５以上８０以下となる、請求項１に記載のシリンダーブロックの製造方法。
3. 前記シリンダーブロックが、
   前記Ｘ／Ｙの値が０．２５以上３未満となる薄肉部と、
   前記Ｘ／Ｙの値が３以上８０未満となる厚肉部と、
   を有する、請求項２に記載のシリンダーブロックの製造方法。
4. 前記プリプレグが、常圧条件下、２５℃以上３００℃以下の温度範囲で１０℃／分の昇温速度で昇温して示差操作熱量測定（ＤＳＣ）を行った際の最大発熱量が２５ｍＪ／ｍｇ以上４０ｍＪ／ｍｇ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリンダーブロックの製造方法。
5. 前記熱硬化性樹脂組成物全量に対する、前記レゾール型フェノール樹脂の含有量が、３０質量％以上４０質量％以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリンダーブロックの製造方法。
6. 前記充填剤がガラス繊維またはワラストナイトを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシリンダーブロックの製造方法。
7. 前記炭素繊維基材が織布である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシリンダーブロックの製造方法。
8. 前記プリプレグ全量に対する前記フェノール樹脂の含有量が、１０質量％以上５０質量％以下である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシリンダーブロックの製造方法。