JP3467744B2 - 軽金属シリンダーブロック、その製造方法、およびその製造方法を実施するための装置 - Google Patents

軽金属シリンダーブロック、その製造方法、およびその製造方法を実施するための装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軽金属マトリック
ス合金と硬質の物質を含む粉末材料からなり耐摩耗性を
そなえ且つトライボロジー的に最適化された少なくとも
1つのシリンダー摺動面を有する軽金属シリンダーブロ
ックであって、前記粉末材料が軽金属マトリックス中に
プライマリ・シリコン析出物を含む微細分散表面層の形
で存在する軽金属シリンダーブロックに関する。
【0002】
【従来の技術】ヨーロッパ特許0837152A1号
(Bayerische Motoren Werke AG (BMW)出願)公報によ
れば、アルミニウム合金で構成された内燃機エンジンの
構成部品を被覆する方法が開示されている。この方法に
よれば、レーザービームを被覆する部品の表面に直接到
達させずに、最初に粉末ビームに当たるように向ける。
粉末ビームのエネルギーによって、この粉末は固相から
液相へ完全に変換され、それによってこの粉末が部品表
面に当たった時に部品表面の被覆材料として微細な液滴
状に分離され、この微細な液滴が部分的に非晶質となる
ような固化条件の下で固化される。
【0003】したがって、この先行技術の方法の場合
は、粉末は部品の表面相中には合金化されず、被覆材料
が表面に至る途中で相変換を起こし、アルミニウム・シ
リコン粉末がレーザービーム中で液化される。この粉末
が部品表面で固化すると、対象物は微細に分散されたシ
リコン、いわゆるプライマリ・シリコンを放出すること
になる。
【0004】冷却速度を変えることにより、1〜5μm
の範囲の大きさのシリコン結晶を作り出すことが目的で
ある。しかしながら、必要とされる急速冷却は、被覆す
る部品に働くレーザービームのエネルギーのため、実際
には達成することはできない。その結果、基層表面が急
激に加熱され、そのため、生じたSi溶湯の熱を十分迅
速に放出することができず、結晶相およびプライマリ結
晶の代わりに非結晶相が生成される。
【0005】前記BMW社の特許の実施態様によれば、
処理された層の厚さが3mmの場合、被覆材料の滑らか
で平坦な表面を達成するために、処理層の約50%が除
去される(第6欄、10〜15行)。このことは、高い
除去損失と、液滴状で与えられる材料により顕著な波形
が形成される結果として利用できない境界領域ができる
ことを意味し、このことが、この方法のもう1つの不利
な点となる。
【0006】ヨーロッパ特許A−0221276号によ
れば、アルミニウム合金の表面層をレーザーエネルギー
により再溶融することにより、アルミニウム合金に耐摩
耗性を付与することが知られている。結合剤、粉末状シ
リコン、銅、炭化チタンで構成される層が表面層として
適用され、次いでレーザーにより溶融され表面層とな
る。記載されている実施態様によれば、TiCが5〜3
0%の範囲で添加され、表面硬度の著しい増加が達成さ
れている。
【0007】しかしながら、トライボロジー的な見地か
らからすれば、レーザーでの再溶融時の極端に高い冷却
速度は、コアの微細化を達成するが、この方法では十分
な量のプライマリ・シリコンは生成しない。従って、レ
ーザーによる再溶解は、AlSi合金からなり、プライ
マリ・シリコンの支持平面および潤滑剤を含むセットバ
ック部分を有する往復式ピストンエンジンのシリンダー
摺動面を形成するのには適さない。
【0008】ヨーロッパ特許0411322号公報は、
前記のヨーロッパ特許0211276号公報開示の技術
を基礎とするAlSi合金からなる部品の耐摩耗性表面
形成方法を開示している。この方法では、レーザーによ
る再溶融プロセスを実施する前に、層にプライマリ・シ
リコン結晶のための接種剤(結晶核形成剤)が供給され
る。接種剤または結晶核形成剤としては、炭化シリコ
ン、炭化チタン、窒化チタン、炭化ボロン、ホウ化チタ
ンが記載されている。
【0009】好ましい実施態様において、被覆はシルク
スクリーン技術により剥離被覆の形式で形成され、対象
部品の表面に適用される。被覆厚さは好ましくは200
μm、溶融深さは400〜600μmとすることができ
る。実際の使用方法は、400μmの溶融深さを達成す
ることができるように、不活性雰囲気中で直線焦点式の
レーザービームにより行われる。示されている実施例で
は、合金化領域中のシリコン含有量は25%、ニッケル
含有量は8%となっている(硬度250HVを越えてい
る)。
【0010】既に述べたように、後者の再溶融および溶
融合金化のプロセスにおいては、必要とされる微細に分
散されたプライマリ・シリコンの偏在を達成するため
に、マトリックス合金に被覆する間、冷却を行なうこと
が必要である。接種剤を添加するために、反応はアルミ
ニウムの表面で起きる。加えて、この被覆方法は曲面状
の表面に常に適用することはできない。
【0011】ヨーロッパ特許0622476A1号公報
は、レーザー誘導MMC被覆を有する金属基材を提案し
ている。MMC被覆は、被覆厚さ200μm〜3mmの
範囲の被覆厚さからなり、均一に分散されたSiC粒子
を含み、好ましい実施態様においては、MMC被覆中に
均一に分散されたSiC粒子の形で最大40重量%のS
iCを含む。製造目的に対して、SiC粉末と予め合金
化されたAlSi粉末を含む粉体混合物がレーザービー
ム中で加熱される。粉末混合物から均一な合金を生成さ
せるために必要な熱は、基材層に加える粉末から供給さ
れる。SiCなどの硬質金属材料を含む製品は非常に高
い硬度を有し、これはピストンリングの摩耗挙動上不利
なものとなる。さらに、機能性が高く、破片を生じない
摺動面を達成するためにはセラミック粒子の最表層を除
去しなければならず、機械加工が非常に複雑且つ高価な
ものとなる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、耐摩耗性且つトライボロジー的に耐荷重能のある少
なくとも1つの摺動面を有する軽金属シリンダーブロッ
クであって、表面層が5〜20%の微細に分散されたプ
ライマリ・シリコンを含み、マトリックス合金との転移
領域においては境界ゾーンの幅が狭く、該転移領域中に
は欠陥や酸化物を含まない軽金属シリンダーブロックを
開発することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】当該軽金属シリンダーブ
ロックを製造するために使用される方法は、プロセス段
階が少なく、且つそれに続く化学処理が完全に排除され
ている。
【0014】この目的は本発明の請求項に示された特徴
により達成される。以下、いくつかの実施態様を示す
が、それらは本発明に基づくレーザー合金化法の好まし
い応用を示すものである。
【0015】
【発明の実施の形態】まず、アルミニウムまたはマグネ
シウム合金で作られる軽金属エンジンブロックの内部を
被覆するための装置について説明する。この装置におい
ては、エンジンブロックのシリンダー中に下降し、同時
に純シリコン粉末を導入するプローブが設けられてい
る。このプローブは、粉末供給手段とレーザービーム装
置からなる。
【0016】プローブに配置されたロータリードライブ
が、粉末噴出ノズルとエネルギービームを内側、すなわ
ち軽金属シリンダーブロックの摺動面に向ける。
【0017】この装置の目的は、シリコン粒子が並行し
て供給される摺動面を横切って螺旋状に回転するレーザ
ービーム手段により、シリコンの形の硬質材料粒子を合
金化させることである。レーザーエネルギーを、マトリ
ックス表面上に広い軌跡で分散させるため、レーザービ
ームは、好ましくは2〜4mmの軌跡幅の直線状焦点を
有するものとする。スポットビームにより形成される表
面と比較して、この焦点方式は波型の形状を形成せず、
微細に分散されたプライマリ・シリコン粒子の平坦なバ
ンドとなる。このバンドは、合金化領域(Alloyed-on z
one)と呼ばれ、この合金化領域とマトリックス金属の間
の境界ゾーンには狭い転移領域が存在するだけである
(図4参照)。
【0018】粉末は、金属マトリックス合金に衝突する
直前までは粒子構造を含んでおり、レーザービームの領
域内で、0.1〜0.5秒の接触時間で金属マトリック
ス合金と接触する時にのみ溶融され、合金化される。従
って、この直線状焦点手段により、約10%の境界ゾー
ンの割合を達成することが可能となる。レーザー軌跡は
シリンダーボア内を螺旋状に下降し、必要であれば、重
なり合いを避けて有効部分を実質的に並べることができ
る。このようにして平滑で完全に均質な表面層を形成す
ることができ、この層は、わずかな波形を除去するため
に、精密加工による仕上げが必要とされるのみである。
【0019】耐摩耗性且つトライボロジー的に最適化さ
れた少なくとも1つのシリンダー摺動面を有する軽金属
シリンダーブロックをつくる場合に適用される本発明の
機械加工処理の例としては、以下の機械加工段階が挙げ
られる。まず、平均層厚さが300〜750μmのプラ
イマリ・シリコンを含む合金化領域をマトリックス合金
中に形成する。実際の層の厚さは、加工パラメータ、装
置の位置決め精度ならびに鋳物の寸法公差などの種々の
影響因子により異なる。従って、以下に示す厚さは、常
に「平均」層厚さを指すものとし、また公差の範囲は装
置を部品の中心に持ってくることができるため非常に小
さなものとすることができる。
【0020】次の機械加工工程では、300〜750μ
mの最初の層厚さをホーニングなどの精密機械加工によ
って最大150μm除去することにより、必要とされる
最終的な層厚さにする。本発明の方法により達成される
最終層厚さは150〜650μmの範囲である。この層
は、特に請求項1および2に記載されているような構造
により特徴付けられる純粋な拡散層である。
【0021】硬質相の偏析量は、粉末の供給量、レーザ
ービームの送り量、供給するレーザーエネルギーの量を
調節することにより設定することができる。析出量が1
0μm未満の場合、硬質相の仕上げ加工で破棄すべき深
さは減じられ、従来必要とされていた破棄すべき硬質相
の除去のための機械加工公差を顕著に減少させることが
できる。(破棄すべき深さは、最表層に含まれる強固に
結合されていない硬質層により決められる)。
【0022】合金化目的のためにレーザービームを使用
することにより、表面は硬化され、少なくとも160H
Vの表面層硬度を達成することができる。良好な硬化結
果が得られるため、レーザー処理した表面は直接ホーニ
ング加工することができる。さらに従来は必要とされて
いた硬質相を露出させるための追加の機械的および化学
的処理段階はまったく必要なくなる。このことはまたシ
リンダー被覆を穴ぐりする必要がないことも意味する。
何故なら、表面波形は帯状合金領域の重なりのの程度に
応じて異なるが、無視できるほど小さいからである。
【0023】
【実施例】以下、本発明により達成可能なエンジンブロ
ック摺動面の表面構造を、比較例を参照しながら詳細に
説明する。図1によれば、本発明に係る被覆装置は、端
部1aに摺動面5に向けられたノズル1bを含む粉末供
給手段1により構成されている。
【0024】エネルギーは、レーザービーム装置2、焦
点システム3、偏向ミラー4により供給される。偏向ミ
ラー4は、粉末が摺動表面7に衝突する前にレーザービ
ームが粉末に当たらないようにするものである。
【0025】公知の光学の法則に基づいて、レーザービ
ーム6は直線状、好ましくはX−、I−、または8−形
状に焦点が合わされるようにし、たとえばミラーを傾け
ることにより、摺動表面7をなぞるように放射する。導
入されるエネルギーの量は、境界部分の析出構造に影響
を与えるように、摺動表面7をなぞる形状により調節す
ることができる。
【0026】ミラー4を傾けることにより、レーザービ
ーム6は、摺動表面7上を移動し、帯状のバンドが得ら
れる。もし同時に、レーザービーム6をシリンダー軸8
に向けて前進させると、これら2つの動きが重なって、
摺動表面7上に螺旋状の被覆が得られる。この回転運動
とシリンダー軸8に向かう並進の動きは、螺旋の巻き方
が互いに近くなるようにして閉鎖型の(不定形な広がり
のない)合金化領域を達成するように互いに調節しなけ
ればならない。
【0027】図2は、本発明に従う直線状焦点を用いて
形成された、プライマリ・シリコン相の多い領域11と
横方向に配置されたプライマリ・シリコン相の少ない領
域12、13で構成された合金化領域10を示す。図2
は、レーザー処理直後の合金化領域の状態を示すもの
で、プライマリ・シリコン相の少ない領域の割合L
ALが、プライマリ・シリコン相の多い領域の有効長さL
NLに比べて比較的少ないことがわかる。図3では、これ
らの領域はそれぞれLAKの記号で示されているが、これ
らは界面領域15、16、17と関連している。
【0028】比較のため、図3は、従来の円形焦点によ
り形成された3つの合金化領域を示す。直線状焦点によ
り形成される被覆幅は、円形焦点により形成される被覆
幅とほぼ同じである。円形焦点を使用する方法の場合、
プライマリ・シリコン相の多い構造の有効長さLNKは、
直線状焦点により達成される有効長さLNLよりも著しく
短いことがわかる。さらに、円形焦点の場合、プライマ
リ・シリコン相の少ない構造はシリンダーブロック構造
の深部領域に向かって延びるので、硬化表面層の有効深
さは、直線状焦点の場合よりもかなり短い。これは、図
3の断面図に広い界面領域15、16、17で示されて
いる。
【0029】同じ浸透深さで見た場合、図3の比較例の
有効深さは、図2の本発明の実施例のものより短く、比
較例の被覆の品質は劣る。さらに、比較例と本発明の実
施例の機械加工深さを同じにすると、比較例のものにお
いて除去しなければならない材料の量ΔHWKは(本発明
の実施例のΔHWLより)著しく多くなる。何故なら、円
形焦点の場合は波の多い表面層を作り出し、摺動面の領
域における有効な材料の割合MK が図2の対応する摺動
面部分(LNL)よりも少なくなるからである。
【0030】本発明の実施例において、有効な材料の割
合はLNLとなり、一方MK はLNK1、LNK2 、LNK3
れぞれの量の合計分として形成される。
【0031】
【発明の効果】従って、本発明の軽金属シリンダーブロ
ックは、微細なプライマリ・シリコン相の均一な分布が
得られる結果、トライボロジー的に最適化され且つ耐摩
耗性を有するシリンダー摺動表面からなり、それを直線
的焦点の重ね合わせ処理により低コストで製造すること
ができる。
【0032】これは図4に示された構造により例証され
る。この図は拡大率200:1のミクロ断面であり、図
4の右半分のAは、AlSi9Cu3系の鋳造合金、図
4の左半分のBは、微細に分散したプライマリ・シリコ
ン相を持つトライボロジー的に最適化された表面層を示
す。この実施例においては、プライマリ・シリコンの割
合は10%であり、プライマリ・シリコン相の直径は
4.4μm、またプライマリ・シリコン相間の距離は1
3μmである。
【0033】この新しい材料の耐荷重能に関しては、合
金化領域Bとマトリックス構造Aの結合に特別な重要性
があることを考えなければならない。ミクロ断面(図
4)からわかるように、転移ゾーンCは酸化物やその他
の欠陥を全く含まない。これは、合金化領域がマトリッ
クス構造から実質的に“in situ"で形成されるという事
実によるものであり、これにより領域AとBで異なる組
成を持つ均一な材料を形成することができる。 [図面の簡単な説明]
【図1】本発明に基づいて設計された被覆装置の原理を
示す部分断面図である。
【図2】本発明に基づいて形成される表面層の原理を示
す図である。
【図3】異なる表面構造を有する比較例の表面層を示す
図である。
【図4】レーザー処理により形成した合金化領域の鋳物
断面である。
【符号の説明】
1 粉末供給手段 1a 粉末供給手段の端部 1b ノズル 2 レーザービーム装置 3 焦点システム 4 偏向ミラー 5 摺動面 6 レーザービーム 7 摺動表面 8 シリンダー軸 9 − 10 合金化領域 11 プライマリ・シリコン相の多い領域 12、13 プライマリ・シリコン相の少ない領域 14 − 15、16、17 境界領域 MK 材料のパーセント LNK プライマリ・シリコン相の多い構造部の有効長さ LNL プライマリ・シリコン相の多い構造部の有効長さ LAL プライマリ・シリコン相の少ない領域のパーセン
ト LAK 界面領域に関連する部分 ΔHWK 比較例で取り除かれた材料 ΔHWL 本発明の実施例で取り除かれた材料 A マトリックス構造 B 合金化領域 C 転移領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−179885(JP,A) 特開 平5−17899(JP,A) 特開 昭53−119732(JP,A) 特開 昭56−102546(JP,A) 特開 昭56−166368(JP,A) 特開 昭59−219427(JP,A) 特開 昭59−221479(JP,A) 特開 昭62−1851(JP,A) 特公 昭63−24072(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 24/00 - 26/02 C23C 4/00 - 4/10 F02F 1/00

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プライマリ・シリコン相を含む微細分散
    表面層を有する軽金属マトリックス合金からなり、耐摩
    耗性を備えた少なくとも1つのシリンダー摺動面を有す
    る軽金属シリンダーブロックであって、前記表面層は直
    線状焦点を有するレーザービームの照射点にシリコンを
    含む粉末を噴射する表面処理によって形成されたもの
    で、プライマリ・シリコン相が均一に分散した平均層厚
    さが150〜650μmの平坦な帯状の合金化領域から
    構成されており、該合金化領域は10〜14%のAlS
    i共晶と5〜20%のプライマリ・シリコン相を含み、
    残部が純Alからなり、プライマリ・シリコン相は平均
    粒子径1〜10μmのほぼ球状の粒子であり、前記表面
    層の最低硬度が160HVであることを特徴とする軽金
    属シリンダーブロック。
  2. 【請求項2】 前記プライマリ・シリコン相が、プライ
    マリ・シリコン相の平均粒子径の1〜5倍の間隔で前記
    合金化領域に分散していることを特徴とする請求項1記
    載の軽金属シリンダブロック。
  3. 【請求項3】 前記プライマリ・シリコン相は、幅が少
    なくとも2mm、平均層厚さが150〜650μmの前
    記帯状の合金化領域内に分散しており、前記帯状の合金
    化領域はシリンダー摺動面に沿って螺旋状延びている
    ことを特徴とする請求項1または2記載の軽金属シリン
    ダーブロック。
  4. 【請求項4】 前記帯状の合金化領域の幅が2〜4mm
    であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載
    の軽金属シリンダーブロック。
  5. 【請求項5】 前記表面層がいくつかの隣接する帯状の
    合金化領域から構成されており、該合金化領域が5〜1
    0%の重なり幅で重なり合うことを特徴とする請求項1
    〜4のいずれかに記載の軽金属シリンダーブロック。
  6. 【請求項6】 シリンダー摺動面の前記表面層を構成す
    る前記帯状の合金化領域がプライマリ・シリコン相の多
    い領域(11)と横方向に配置されたプライマリ・シリ
    コン相の少ない領域(12、13)から構成されること
    を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の軽金属シ
    リンダーブロック。
  7. 【請求項7】 軽金属マトリックス合金からなる軽金属
    シリンダーブロックを重力鋳造、低圧鋳造または高圧ダ
    イカスト鋳造した後、該シリンダーブロックのシリンダ
    ー摺動面に沿って少なくとも2mmのビーム幅の直線状
    焦点を有するレーザービームを移動させながらシリンダ
    ー摺動面に照射するとともに、レーザービームの照射点
    にシリコンを含む粉末を噴射して、レーザービームがシ
    リンダー摺動面に衝突する0.1〜0.5秒の接触時間
    の間に前記粉末を溶融温度に加熱して軽金属マトリック
    ス合金中に拡散させることにより、プライマリ・シリコ
    ン相が均一に分散した幅が少なくとも2mmの平坦な帯
    状の合金化領域からなる表面層を形成することを特徴と
    する耐摩耗性を備えたシリンダー摺動面を有する軽金属
    シリンダーブロックの製造方法。
  8. 【請求項8】 前記帯状の合金化領域の平均層厚さが
    00〜750μmに形成され、合金化領域に、ほぼ球状
    のプライマリ・シリコン相を平均粒子径1〜10μm、
    平均粒子径の1〜5倍の間隔で分散させ、最低硬度16
    0HVを付与することを特徴とする請求項7記載の軽金
    属シリンダーブロックの製造方法。
  9. 【請求項9】 軽金属シリンダーブロックのシリンダー
    摺動面に照射する直線状焦点を有するレーザービームの
    シリンダー摺動面に対する送り速度を0.8〜4.0m
    /分とし、前記摺動面に焦点を合わせた時の衝突面積が
    1〜10mm2 、レーザー光の出力を3〜4kWとする
    ことを特徴とする請求項7または8記載の軽金属シリン
    ダーブロックの製造方法。
  10. 【請求項10】 軽金属シリンダーブロックの摺動面に
    沿って、レーザービームが該摺動面に直線状焦点を当て
    ながら螺旋状に回転するよう構成し、レーザービームの
    照射点にSi粉末を噴射して、前記摺動面に沿って螺旋
    状に延びるプライマリ・シリコン相を含む帯状の合金化
    領域を形成することを特徴とする請求項7〜9のいずれ
    かに記載の軽金属シリンダーブロックの製造方法。
  11. 【請求項11】 合金化領域から構成される表面層の最
    上層を、表面層の厚さの30%以下取り除き、合金化領
    域のプライマリ・シリコン相を露出させることを特徴と
    する請求項7〜10のいずれかに記載の軽金属シリンダ
    ーブロックの製造方法。
  12. 【請求項12】 合金化領域から構成される表面層の最
    上層を、ホーニング加工により除去することを特徴とす
    る請求項11記載の軽金属シリンダーブロックの製造方
    法。
  13. 【請求項13】 軽金属シリンダーブロックの内側の軸
    方向にレーザービーム装置(2)および偏光ミラー
    (4)を備えた焦点システム(3)を配置し、これと平
    行に粉末供給手段(1)を配置し、該粉末供給手段
    (1)は軽金属シリンダーブロックのシリンダー摺動面
    に向いた粉末噴出ノズル(1b)を備え、焦点システム
    (3)はビーム幅2.0〜2.5mmの直線状焦点を有
    するレーザービームを照射するためのレーザービーム放
    射口を有し、偏光ミラー(4)により前記シリンダー摺
    動面に照射されるレーザービームの照射点に粉末噴出ノ
    ズル(1b)からシリコンを含む粉末が噴射され、レー
    ザービームの照射点において該粉末を溶融温度に加熱し
    て前記シリンダー摺動面の軽金属マトリックス合金中に
    拡散させてプライマリ・シリコン相が均一に分散した平
    坦な帯状の合金化領域を形成するようにし、且つレーザ
    ービーム装置(2)、焦点システム(3)および粉末供
    給手段(1)を、レーザービームの照射点が軽金属シリ
    ンダーブロックのシリンダー摺動面に沿って螺旋状に回
    転するよう回転させる手段を設け、レーザービームをシ
    リンダー摺動面に沿って移動させながらシリンダー摺動
    面に照射して、シリンダー摺動面に沿って螺旋状に延び
    る前記帯状の合金化領域を形成するようにし、粉末供給
    手段(1)は計量装置をそなえ、該計量装置によってレ
    ーザービームの照射点に噴射される粉末の流量をレーザ
    ービームの送り速度の関数として設定できるようにした
    ことを特徴とする耐摩耗性を有するシリンダー摺動面を
    備えた軽金属シリンダーブロックの製造装置。
  14. 【請求項14】 前記焦点システム(3)のレーザービ
    ーム放射口からのレーザービームが、X字、I字または
    8字形状の焦点を形成するようにしたことを特徴とする
    請求項13記載の軽金属シリンダーブロックの製造装
    置。
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