JP3582794B2 - 過共晶ＡｌＳｉ合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性で耐摩耗性のアルミニウム材料からなり、特に、過共晶AlSi合金からなる内燃エンジン用のシリンダライナの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリングライナは、内燃エンジンのクランクハウジングのシリンダ開口内に挿入、圧入または注形され摩耗を受ける構成部材である。
内燃エンジンのシリンダ摩擦面は、ピストンまたはピストンリングによる強い摩擦負荷および局部的に現れる高温を受ける。従って、上記面は耐摩耗性で耐熱性の材料から構成する必要がある。
上記目的の達成のため、特に、シリンダボアの表面に耐摩耗性コーチングを施工する多数の方法がある。
他の方策の場合、耐摩耗性材料からなるシリンダライナをシリンダに設ける。即ち、特に、ねずみ鋳鉄製シリンダライナを使用するが、この材料は、アルミニウム材料に比して熱伝導度が小さい上、他にも幾つかの欠点を有する。
【０００３】
この問題は、まず、過共晶AlSi合金から注形したシリンダブロックによって解決された。然しながら、鋳造技術的理由から、ケイ素含量は、最大20重量％に制限されていた。鋳造法には、更に、溶湯の凝固中、粒径の比較的大きい（約30−80μｍ）ケイ素一次粒子が析出するという欠点がある。上記粒子は、その粒径および角ばったエッジの鋭い形状に基づき、ピストンおよびピストンリングの摩耗を誘起する。従って、対応するコーチング／被覆層によってピストンおよびピストンリングを保護しなければならない。ピストン／ピストンリングに接触するSi粒子は、機械加工によって平坦化される。この種の機械加工に続いて、電気化学的処理を行うので、アルミニウムマトリックスが、Si粒子の間に容易に戻され、従って、支持骨格としてのSi粒子が、シリンダ内面から僅かに突出するようになる。このように作製されたシリンダの欠点は、一つにはかなりの製造経費（高価な合金、面倒な機械加工、鉄を被覆したピストン、補強したピストンリング）にあり、他にはSi粒子の不均一な分布にある。即ち、組織内にSi粒子を含まず、従って、激しく摩耗する部分が広い範囲にわたって存在する。この摩耗を避けるためにはシリンダライナと摩擦相手との間に分離媒体として比較的厚い油膜が必要である。油膜の厚さの調節には、特に、Si粒子の露出深さが決定的である。然しながら、比較的厚い油膜は、マシンの摩擦ロスの増大および有害物質放出量の著しい増加を誘起する。
【０００４】
他方、亜共晶AlSi合金で製造され、過共晶AlSi合金材料からなるシリンダライナを備えたDE 4,230,228に記載のシリンダブロックは安価である。然しながらこの場合も、上記問題は解決されない。
【０００５】
本発明においては、過共晶AlSi合金の利点をシリンダライナ材料として利用できるようSi粒子に関する組織を変更する。鋳造技術的に実現できないアルミニウム合金は、よく知られているように、粉末冶金法または溶射成形によって適切に製造できる。
【０００６】
かくして、高いSi含量、Si粒子の微細度および均一な分布により、極めて良好な耐摩耗性を有し、補助元素（例えば、Fe、NiまたはMn）の添加によって所要の耐熱性が与えられた過共晶AlSi合金を調製できる。上記合金内に存在するSi一次粒子は、約0.5〜20μｍの粒径を有する。従って、かくして調製された合金は、シリンダライナ材料に好適である。
【０００７】
アルミニウム合金は一般に加工し易いが、この過共晶合金の変形操作には問題がある。過共晶AlSi合金からシリンダライナを製造する方法は、EP 635,318号により公知である。この場合、シリンダライナは、圧力1,000〜10,000tおよび押出速度0.5〜12m/minで押出加工によって製造される。押出加工によって目標寸法のシリンダライナを安価に生産するには、極めて高い押出速度が必要である。加工し難いこの種の合金においてシリンダライナの薄い肉厚を達成する場合、高い押出速度は、押出時に輪郭の引裂を誘起することが判明している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、耐摩耗性、耐熱性の点で改良され、エンジン運転中の有害物質放出量が軽減されたシリンダライナを安価に製造する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明に基づき、請求項１に記載の操作工程を含む方法によって解決される。本発明の実施例を従属請求項に示した。
【００１０】
即ち、本発明は、
過共晶AlSi合金により内燃エンジン用シリンダライナを製造する方法において；
合金溶湯の溶射成形によって、または、空気もしくは不活性ガス噴射による溶湯噴射により得られる粒径250μｍ以下の金属粉体混合物もしくは合金粉体を熱間または冷間圧縮する粉体成形によって、粒径約0.5〜20μｍのSi一次粒子を含む過共晶AlSi合金材料から成る棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを作製する第１ステップと；
300〜550℃の押出温度に保持した上記棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを外径120mm以下の丸棒状または厚肉パイプ状の素材に押出加工する第２ステップと；
上記素材を所望の長さの小片に切断する第３ステップと；
上記素材小片を25〜600℃においてフロープレスして肉厚1.5〜5mmの薄肉のパイプ状半製品に加工する第４ステップと；
を順次実行することを特徴とするものである。
【００１１】
棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、利用目的に応じて下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.5重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Ni（0.5〜２重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することが推奨される。
【００１２】
或いはまた、棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Fe（３〜５重量％）Ni（１〜２重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１３】
或いはまた、棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（25〜35重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１４】
更にまた、棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.3重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Mn（0.5〜５重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１５】
溶射成形の場合、ケイ素の一部は、使用されるAlSi合金の溶湯によって、また、ケイ素の他の一部は、Si粉体の形で粒子インゼクタによって、棒状又は厚肉パイプ状のインゴットに導入することが推奨される。
【００１６】
Si一次粒子を粗大化させるため、上記第１ステップで得た棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを第２ステップに入る前に460〜540℃において0.5〜10hrの時間インターバルにわたって過時効焼なましを行い、Si一次粒子を２〜30μｍの粒径に成長させることが推奨される。
【００１７】
押出温度に保持した前記棒状のインゴットを径50〜120mmの丸棒に押出加工し、次いで、上記丸棒を短い丸棒片に切断し、背圧付与若しくは無背圧によるカップ前方フロープレスまたはカップ後方フロープレスによって25〜600℃において丸棒片を薄い底部を有する肉厚1.5〜5mmの薄肉のカップに加工し、上記底部を除去して所望のパイプを形成することが可能である。
【００１８】
押出温度に保持した棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを肉厚６〜20mmの厚肉のパイプに押出加工し、次いで、上記パイプを厚肉の短いパイプ片に切断し、このパイプ片を、背圧付与若しくは無背圧による中空前方フロ ープレスまたは中空後方フロープレスによって25〜600℃において肉厚1.5〜5mmの薄肉のより長いパイプ部材に加工することも可能である。
【００１９】
25〜480℃の温度における押出加工によって前記第４ステップの加工を行うことも推奨される。
【００２０】
過共晶AlSi合金材料の固相温度よりも高く、液相温度よりも低い温度における押出加工によって前記第４ステップの加工を行うことも推奨される。
【００２１】
なお、上記製造工程における「カップ前方フロープレ ス」、「カップ後方フロープレス」、「中空前方フロー プレス」、「中空後方フロープレス」なる用語において、
「フロープレス」とは、素材を大きく流動させて加工 を施すプレス加工、即ち板材等の曲げ加工を行うプレス でなく、後述する第１図及び第２図に示されているよう な、素材を大きく流動させながら押出し鍛造などをする ようなプレスを意味するものであり、
「カップ」とは、フロープレスによって、後述の第2F図、第2G図に示すようなカップ状の底付き製品が得られる押出加工であることを意味し、
「中空」とは、フロープレスによって、後述の第1D図に示すようなパイプ状の中空な製品を得るための押出加工であることを意味し、
「前方」とは、後述の第１図に示す実施例１のように、素材が、プレスポンチ３のプレス方向（進行方向）と同一の前方向へ押し延ばされる押出加工状態を意味し、また、
「後方」とは、後述の第２図に示す実施例３のように、素材が、プレスポンチ３のプレス方向（進行方向）とは反対の後方向へ押し延ばされる押出加工状態を意味するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上記第１ステップで製造される過共晶AlSi合金の所要の摩擦性質は、特に、高合金溶湯の十分に高い凝固速度を可能とする方法を適用することによって達成される。
これを達成する第一の方式としては、溶射成形法（以下、単に”溶射成形”という。）が挙げられる。所望の性質の達成のため、多量のケイ素を加えたアルミニウム合金の溶湯を噴射し、窒素流中で1,000℃/secの冷却速度で冷却する。なお部分的に溶融した粉体粒子を回転ディスク上に噴射する。ディスクは、操作中、連続的に下降させる。双方の運動によって、長さ約1,000〜3,000mm、径400mm以下の寸法を有する丸棒が生ずる。上記溶射成形プロセスにおいて高い冷却速度に基づき、粒径20μｍ以下のSi一次析出物が生ずる。この場合、合金のSi含量は、最大40重量％とすることができる。ガス流中のアルミニウム溶湯の急冷にもとづき、得られた丸棒の過飽和状態は、ほぼ”凍結”される。
丸棒製造の代わりに、溶射成形によって内径50〜120mm、肉厚250mm以下の厚肉のパイプ状のインゴットを製造することもできる。この場合、噴射により粒子流を縦軸の周りに水平に回転する支持パイプへ向け、上記パイプ上に成形する。かくして、水平方向へ制御して連続的に送ることによって、パイプ押出及び／又は他の熱間成形法による以降の処理のための素材として役立つパイプインゴットが製造される。上記支持パイプは、通常のアルミニウム可鍛合金または溶射成形によって製造される（同種）の合金からなる。
溶射成形した丸棒又は溶射成形したパイプ状のインゴットの組織状態は、以降の過時効焼なましによって変更できる。焼なましによって、組織は所要の摩擦性質に望ましい２〜30μｍのSi粒子に調整される。焼なましプロセス中のSi粒子の成長は、固体中の拡散によって行われ、この際、小さいSi粒子が消失する。この拡散は、過時効温度および焼なまし処理の時間に依存する。温度が高いほど、Si粒子の成長は速くなる。然しながら、このプロセスにおいて、時間は下位の役割を演じるに過ぎない。適切な温度は、約500℃であり、この場合、焼なまし時間は３〜5hrで十分である。
微細なSi析出粒子を含む状態が望ましい場合、焼なましプロセスは不要である。この場合、プロセス中、”ガス／金属比”によって、Si析出粒径の適合を達成できる。溶射成形法によって製造した丸棒またはパイプ状のインゴットは、一般に、合金の理論密度の95％を越える密度を有する。完全な圧密および残存気孔の閉鎖のためには、350℃〜550℃の温度における熱問押出加工が必要である。
溶射成形プロセスは、更に、溶融状態にない粒子を粒子インゼクタによって丸棒またはパイプ状のインゴット中に導入する可能性を与える。上記粒子は、任意の幾何学的形状および２μｍ〜400μｍの範囲の任意の粒径を有するので、組織の多様な調節が可能となる。例えば、２μｍ〜400μｍの範囲のSi粒子を得ることができ、上記粒径範囲の、例えば、市販されており摩擦の観点から適切なオキシドセラミック粒子（例えば、Al2O3）又はオキシドセラミックではない粒子（例えば、SiC,B4C等）を得ることができる。
【００２３】
適切な組織を形成する第二の方式として粉体成形法（以下、単に”粉体成形”という。）が挙げられる。この方式の場合、まず、ケイ素が過飽和のアルミニウム合金溶湯を空気噴射または不活性ガス噴射により噴霧し、これを急速に凝固させることにより粉体を形成する。上記粉体は、一方では、完全に合金化され、即ち、すべての合金元素は、溶湯中に含まれるか、以降の工程において、複数の合金粉体又は元素粉体を混合する。次いで、完全に合金化された粉体または混合された粉体を冷間等圧プレスまたは熱間プレスまたは真空熱間プレスによって丸棒またはパイプ状のインゴットにプレスする（以上の操作を、本願において単に”粉体成形”という）。次いで、上記インゴットは、熱間押出によって完全に圧密される。この製造方式の場合も、一方では、焼もどし処理によって、他方では、粒子（オキシドセラミック又は非オキシドセラミック等）の混合によって、耐摩擦力に優れた組織を形成できる。
このように調製した適切な組織は、以降の操作工程において変化しないか、所要の耐摩擦性が得られるように変化する。
【００２４】
上記第１ステップにおける”溶射成形”または”粉体成形”によって製造した丸棒素材から、第２ステップの押出加工によって、肉厚６〜20mmの厚肉パイプまたは径50mm〜120mmの丸棒を成形する。この場合、押出温度は、300℃〜550℃である。
丸棒の押出加工は、達成可能な限り高速で行うことが望ましい。このようにすると、丸棒を高精度かつ安価に製造できるようになる。
同じく、第１ステップの”溶射成形”または”粉体成形”よって製造したパイプインゴットから、第２ステップの押出加工によって、肉厚を減少した中肉のパイプを得ることができる。
【００２５】
必要な加工は、第４ステップの押出加工によって達成されるが、この場合、製造すべき薄肉パイプよりも幾分大きい容積に予め切断（第３ステップ）したパイプ素材小片または丸棒素材小片を使用する。パイプ素材小片を使用する場合、第４ステップでは中空前方押出加工および中空後方押出加工を使用でき、この場合、場合によっては、背圧を加える。丸棒素材小片を使用する場合、第４ステップではカップ前方押出加工およびカップ後方押出加工を使用でき、この場合、場合によっては、背圧を加える。
背圧は、すべての操作において、ポンチによって加えることができる。背圧によって、被加工材料中に亀裂が生ずるのを阻止する応力が生じる。これは、室温において限られた加工性を有する材料の場合に特に必要である。
適切な組織の変化なく加工を行い得る温度範囲は、室温から480℃までの温度である。液相が現れる温度範囲（合金系に依存して520℃〜600℃の範囲）における加工も、同じく可能である。この場合、焼なまししてない素材から出発する場合、耐摩擦力を高めるためSi析出粒子を10μｍ〜30μｍに粗大化する。
【００２６】
次いで、目標肉厚または略目標肉厚に成形したパイプを、パイプ端を切削加工して、仕上げる。カップ前方押出加工およびカップ後方押出加工の場合、切削またはプレス加工によって薄肉の底部を除去する。
【００２７】
本発明に係る方法には、シリンダライナの材料を適切に加工できるという利点がある。
【００２８】
【実施例】
実施例1:
組成AlSi25 Cu2.5 Mg1 Ni1（各成分に付記した数値は重量％を示す。）の合金を830℃の溶融温度において4.5m3/kgのガス／金属比（溶湯1kg当り標準状態のガス1m3）で溶射成形法に基づき丸棒に加工した（第１ステップ）。
上記条件で溶射成形した丸棒中に、粒径範囲１μｍ〜10μｍのSi粒子が析出した。溶射成形した丸棒を520℃において4hr焼なまし処理した。この焼なまし処理後、Si析出粒子の粒径範囲は２μｍ〜30μｍとなった。
420℃、押出速度0.5m/minにおいて熱間押出加工して、外径94mm、内径68mm（従って、肉厚13mm）の厚肉パイプを得た（第２ステップ）。押出温度は、焼なまし温度よりも低いので、調整した組織が保持された。
押出加工した厚肉パイプを長さ30mmの小片に切断し（第３ステップ）、中空前方押出加工によって420℃において外径74mm,内径67mm（従って、肉厚3.5mm）、長さ130mmの薄肉のパイプ片に加工した（第４ステップ）。
この場合、パイプは、全くフランジなしで構成すればよい。なぜならば、以降の工程において各パイプ片をプレスするからである。
この第４ステップにおける中空前方フロープレスの工程を第１図により説明すれば、まず、第1A図に示した如く、第一素材１を金型２に導入する。金型２と共働するプレスポンチ３によって第一素材１を部分的にパイプに加工する（第1B図）。次いで、プレスポンチ３を出発位置にもどし、次の第二素材を金型２に導入する（第1C図）。次いで、プレスポンチ３を押下げて第二素材によって第一パイプ片を完全に成形しエゼクトする（第1D図）。この処置によって同時に、成形プレスキャビテイに対して、欠陥のない加工を可能とする背圧を付与することが容易に可能となる。
【００２９】
実施例2:
実施例１と同様に溶射成形によって製造（第１ステップ）した合金を、外径74mmの丸棒に押出加工した（第２ステップ）。
ジオメトリがより簡単であるので、1.5m/minのプレス速度を達成でき、かくして、可成のコスト削減がなされた。丸棒を長さ27mmの小片に切断し（第３ステップ）、その小片をカップ後方押出加工によって420℃の温度において外径74mm、内径67mm（従って、肉厚3.5mm）、130mmのカップに加工した（第４ステップ）。
次いで、パイプ端を加工して厚さ4mmの薄い底部を切断した。
【００３０】
実施例3:
実施例１、２と同様に溶射成形によって製造（第１ステップ）した合金を、事前に焼なましせずに、外径74mmの丸棒に押出加工した（第２ステップ）。
Si析出粒子の粒径範囲は、１μｍ〜７μｍであった。
丸棒を長さ27mmの小片に切断した（第３ステップ）。上記小片を４〜5min内で560℃の温度に誘導加熱した。上記温度において、合金は固相と液相との間にある。部分的に液状の丸棒小片は、機械的に安定であり、更に処理できる。
次いで、第２図に示した如く、プレスポンチ3,金型２およびエゼクタ４からなる完全な工具を用いて部分的に液状の丸棒小片１をカップ後方フロープレスによって加工した（第４ステップ）。
この場合、小片１を工具に導入し（第2E図）、プレスポンチ３によって加工し（第2F図）、エゼクタ４の運動によって排出する（第2G図）。
外径74mm、内径67mm（従って、肉厚3.5mm）、高さ130mmのカップが得られた。次いで、パイプ端の加工において、成形したカップの厚さ4mmの底部を除去するか、プレスによって除去することができる。
部分的に液状の状態によって、極めて僅かな加工力が必要であるに過ぎない。この部分的に液状の状態に起因して、Si析出粒子は20μｍ〜25μｍに成長した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成されるので、本発明によるときは、耐摩耗性及び耐熱性が高く、エンジンからの有害物質の放出量も低減できる優れた過共晶AlSi合金製シリンダライナを安価に製造し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空前方フロープレスの工程を示す図面である。
【図２】カップ後方フロープレスの工程を示す図面である。
【符号の説明】
１ 第一素材
２ 金型
３ プレスポンチ
４ エゼクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性で耐摩耗性のアルミニウム材料からなり、特に、過共晶AlSi合金からなる内燃エンジン用のシリンダライナの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリングライナは、内燃エンジンのクランクハウジングのシリンダ開口内に挿入、圧入または注形され摩耗を受ける構成部材である。
内燃エンジンのシリンダ摩擦面は、ピストンまたはピストンリングによる強い摩擦負荷および局部的に現れる高温を受ける。従って、上記面は耐摩耗性で耐熱性の材料から構成する必要がある。
上記目的の達成のため、特に、シリンダボアの表面に耐摩耗性コーチングを施工する多数の方法がある。
他の方策の場合、耐摩耗性材料からなるシリンダライナをシリンダに設ける。即ち、特に、ねずみ鋳鉄製シリンダライナを使用するが、この材料は、アルミニウム材料に比して熱伝導度が小さい上、他にも幾つかの欠点を有する。
【０００３】
この問題は、まず、過共晶AlSi合金から注形したシリンダブロックによって解決された。然しながら、鋳造技術的理由から、ケイ素含量は、最大20重量％に制限されていた。鋳造法には、更に、溶湯の凝固中、粒径の比較的大きい（約30−80μｍ）ケイ素一次粒子が析出するという欠点がある。上記粒子は、その粒径および角ばったエッジの鋭い形状に基づき、ピストンおよびピストンリングの摩耗を誘起する。従って、対応するコーチング／被覆層によってピストンおよびピストンリングを保護しなければならない。ピストン／ピストンリングに接触するSi粒子は、機械加工によって平坦化される。この種の機械加工に続いて、電気化学的処理を行うので、アルミニウムマトリックスが、Si粒子の間に容易に戻され、従って、支持骨格としてのSi粒子が、シリンダ内面から僅かに突出するようになる。このように作製されたシリンダの欠点は、一つにはかなりの製造経費（高価な合金、面倒な機械加工、鉄を被覆したピストン、補強したピストンリング）にあり、他にはSi粒子の不均一な分布にある。即ち、組織内にSi粒子を含まず、従って、激しく摩耗する部分が広い範囲にわたって存在する。この摩耗を避けるためにはシリンダライナと摩擦相手との間に分離媒体として比較的厚い油膜が必要である。油膜の厚さの調節には、特に、Si粒子の露出深さが決定的である。然しながら、比較的厚い油膜は、マシンの摩擦ロスの増大および有害物質放出量の著しい増加を誘起する。
【０００４】
他方、亜共晶AlSi合金で製造され、過共晶AlSi合金材料からなるシリンダライナを備えたDE 4,230,228に記載のシリンダブロックは安価である。然しながらこの場合も、上記問題は解決されない。
【０００５】
本発明においては、過共晶AlSi合金の利点をシリンダライナ材料として利用できるようSi粒子に関する組織を変更する。鋳造技術的に実現できないアルミニウム合金は、よく知られているように、粉末冶金法または溶射成形によって適切に製造できる。
【０００６】
かくして、高いSi含量、Si粒子の微細度および均一な分布により、極めて良好な耐摩耗性を有し、補助元素（例えば、Fe、NiまたはMn）の添加によって所要の耐熱性が与えられた過共晶AlSi合金を調製できる。上記合金内に存在するSi一次粒子は、約0.5〜20μｍの粒径を有する。従って、かくして調製された合金は、シリンダライナ材料に好適である。
【０００７】
アルミニウム合金は一般に加工し易いが、この過共晶合金の変形操作には問題がある。過共晶AlSi合金からシリンダライナを製造する方法は、EP 635,318号により公知である。この場合、シリンダライナは、圧力1,000〜10,000tおよび押出速度0.5〜12m/minで押出加工によって製造される。押出加工によって目標寸法のシリンダライナを安価に生産するには、極めて高い押出速度が必要である。加工し難いこの種の合金においてシリンダライナの薄い肉厚を達成する場合、高い押出速度は、押出時に輪郭の引裂を誘起することが判明している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、耐摩耗性、耐熱性の点で改良され、エンジン運転中の有害物質放出量が軽減されたシリンダライナを安価に製造する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明に基づき、請求項１に記載の操作工程を含む方法によって解決される。本発明の実施例を従属請求項に示した。
【００１０】
即ち、本発明は、
過共晶AlSi合金により内燃エンジン用シリンダライナを製造する方法において；
合金溶湯の溶射成形によって、または、空気もしくは不活性ガス噴射による溶湯噴射により得られる粒径250μｍ以下の金属粉体混合物もしくは合金粉体を熱間または冷間圧縮する粉体成形によって、粒径約0.5〜20μｍのSi一次粒子を含む過共晶AlSi合金材料から成る棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを作製する第１ステップと；
300〜550℃の押出温度に保持した上記棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを外径120mm以下の丸棒状または厚肉パイプ状の素材に押出加工する第２ステップと；
上記素材を所望の長さの小片に切断する第３ステップと；
上記素材小片を25〜600℃においてフロープレスして肉厚1.5〜5mmの薄肉のパイプ状半製品に加工する第４ステップと；
を順次実行することを特徴とするものである。
【００１１】
棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、利用目的に応じて下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.5重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Ni（0.5〜２重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することが推奨される。
【００１２】
或いはまた、棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Fe（３〜５重量％）Ni（１〜２重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１３】
或いはまた、棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（25〜35重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１４】
更にまた、棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.3重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Mn（0.5〜５重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１５】
溶射成形の場合、ケイ素の一部は、使用されるAlSi合金の溶湯によって、また、ケイ素の他の一部は、Si粉体の形で粒子インゼクタによって、棒状又は厚肉パイプ状のインゴットに導入することが推奨される。
【００１６】
Si一次粒子を粗大化させるため、上記第１ステップで得た棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを第２ステップに入る前に460〜540℃において0.5〜10hrの時間インターバルにわたって過時効焼なましを行い、Si一次粒子を２〜30μｍの粒径に成長させることが推奨される。
【００１７】
押出温度に保持した前記棒状のインゴットを径50〜120mmの丸棒に押出加工し、次いで、上記丸棒を短い丸棒片に切断し、背圧付与若しくは無背圧によるカップ前方フロープレスまたはカップ後方フロープレスによって25〜600℃において丸棒片を薄い底部を有する肉厚1.5〜5mmの薄肉のカップに加工し、上記底部を除去して所望のパイプを形成することが可能である。
【００１８】
押出温度に保持した棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを肉厚６〜20mmの厚肉のパイプに押出加工し、次いで、上記パイプを厚肉の短いパイプ片に切断し、このパイプ片を、背圧付与若しくは無背圧による中空前方フロ ープレスまたは中空後方フロープレスによって25〜600℃において肉厚1.5〜5mmの薄肉のより長いパイプ部材に加工することも可能である。
【００１９】
25〜480℃の温度における押出加工によって前記第４ステップの加工を行うことも推奨される。
【００２０】
過共晶AlSi合金材料の固相温度よりも高く、液相温度よりも低い温度における押出加工によって前記第４ステップの加工を行うことも推奨される。
【００２１】
なお、上記製造工程における「カップ前方フロープレ ス」、「カップ後方フロープレス」、「中空前方フロー プレス」、「中空後方フロープレス」なる用語において、
「フロープレス」とは、素材を大きく流動させて加工 を施すプレス加工、即ち板材等の曲げ加工を行うプレス でなく、後述する第１図及び第２図に示されているよう な、素材を大きく流動させながら押出し鍛造などをする ようなプレスを意味するものであり、
「カップ」とは、フロープレスによって、後述の第2F図、第2G図に示すようなカップ状の底付き製品が得られる押出加工であることを意味し、
「中空」とは、フロープレスによって、後述の第1D図に示すようなパイプ状の中空な製品を得るための押出加工であることを意味し、
「前方」とは、後述の第１図に示す実施例１のように、素材が、プレスポンチ３のプレス方向（進行方向）と同一の前方向へ押し延ばされる押出加工状態を意味し、また、
「後方」とは、後述の第２図に示す実施例３のように、素材が、プレスポンチ３のプレス方向（進行方向）とは反対の後方向へ押し延ばされる押出加工状態を意味するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上記第１ステップで製造される過共晶AlSi合金の所要の摩擦性質は、特に、高合金溶湯の十分に高い凝固速度を可能とする方法を適用することによって達成される。
これを達成する第一の方式としては、溶射成形法（以下、単に”溶射成形”という。）が挙げられる。所望の性質の達成のため、多量のケイ素を加えたアルミニウム合金の溶湯を噴射し、窒素流中で1,000℃/secの冷却速度で冷却する。なお部分的に溶融した粉体粒子を回転ディスク上に噴射する。ディスクは、操作中、連続的に下降させる。双方の運動によって、長さ約1,000〜3,000mm、径400mm以下の寸法を有する丸棒が生ずる。上記溶射成形プロセスにおいて高い冷却速度に基づき、粒径20μｍ以下のSi一次析出物が生ずる。この場合、合金のSi含量は、最大40重量％とすることができる。ガス流中のアルミニウム溶湯の急冷にもとづき、得られた丸棒の過飽和状態は、ほぼ”凍結”される。
丸棒製造の代わりに、溶射成形によって内径50〜120mm、肉厚250mm以下の厚肉のパイプ状のインゴットを製造することもできる。この場合、噴射により粒子流を縦軸の周りに水平に回転する支持パイプへ向け、上記パイプ上に成形する。かくして、水平方向へ制御して連続的に送ることによって、パイプ押出及び／又は他の熱間成形法による以降の処理のための素材として役立つパイプインゴットが製造される。上記支持パイプは、通常のアルミニウム可鍛合金または溶射成形によって製造される（同種）の合金からなる。
溶射成形した丸棒又は溶射成形したパイプ状のインゴットの組織状態は、以降の過時効焼なましによって変更できる。焼なましによって、組織は所要の摩擦性質に望ましい２〜30μｍのSi粒子に調整される。焼なましプロセス中のSi粒子の成長は、固体中の拡散によって行われ、この際、小さいSi粒子が消失する。この拡散は、過時効温度および焼なまし処理の時間に依存する。温度が高いほど、Si粒子の成長は速くなる。然しながら、このプロセスにおいて、時間は下位の役割を演じるに過ぎない。適切な温度は、約500℃であり、この場合、焼なまし時間は３〜5hrで十分である。
微細なSi析出粒子を含む状態が望ましい場合、焼なましプロセスは不要である。この場合、プロセス中、”ガス／金属比”によって、Si析出粒径の適合を達成できる。溶射成形法によって製造した丸棒またはパイプ状のインゴットは、一般に、合金の理論密度の95％を越える密度を有する。完全な圧密および残存気孔の閉鎖のためには、350℃〜550℃の温度における熱問押出加工が必要である。
溶射成形プロセスは、更に、溶融状態にない粒子を粒子インゼクタによって丸棒またはパイプ状のインゴット中に導入する可能性を与える。上記粒子は、任意の幾何学的形状および２μｍ〜400μｍの範囲の任意の粒径を有するので、組織の多様な調節が可能となる。例えば、２μｍ〜400μｍの範囲のSi粒子を得ることができ、上記粒径範囲の、例えば、市販されており摩擦の観点から適切なオキシドセラミック粒子（例えば、Al2O3）又はオキシドセラミックではない粒子（例えば、SiC,B4C等）を得ることができる。
【００２３】
適切な組織を形成する第二の方式として粉体成形法（以下、単に”粉体成形”という。）が挙げられる。この方式の場合、まず、ケイ素が過飽和のアルミニウム合金溶湯を空気噴射または不活性ガス噴射により噴霧し、これを急速に凝固させることにより粉体を形成する。上記粉体は、一方では、完全に合金化され、即ち、すべての合金元素は、溶湯中に含まれるか、以降の工程において、複数の合金粉体又は元素粉体を混合する。次いで、完全に合金化された粉体または混合された粉体を冷間等圧プレスまたは熱間プレスまたは真空熱間プレスによって丸棒またはパイプ状のインゴットにプレスする（以上の操作を、本願において単に”粉体成形”という）。次いで、上記インゴットは、熱間押出によって完全に圧密される。この製造方式の場合も、一方では、焼もどし処理によって、他方では、粒子（オキシドセラミック又は非オキシドセラミック等）の混合によって、耐摩擦力に優れた組織を形成できる。
このように調製した適切な組織は、以降の操作工程において変化しないか、所要の耐摩擦性が得られるように変化する。
【００２４】
上記第１ステップにおける”溶射成形”または”粉体成形”によって製造した丸棒素材から、第２ステップの押出加工によって、肉厚６〜20mmの厚肉パイプまたは径50mm〜120mmの丸棒を成形する。この場合、押出温度は、300℃〜550℃である。
丸棒の押出加工は、達成可能な限り高速で行うことが望ましい。このようにすると、丸棒を高精度かつ安価に製造できるようになる。
同じく、第１ステップの”溶射成形”または”粉体成形”よって製造したパイプインゴットから、第２ステップの押出加工によって、肉厚を減少した中肉のパイプを得ることができる。
【００２５】
必要な加工は、第４ステップの押出加工によって達成されるが、この場合、製造すべき薄肉パイプよりも幾分大きい容積に予め切断（第３ステップ）したパイプ素材小片または丸棒素材小片を使用する。パイプ素材小片を使用する場合、第４ステップでは中空前方押出加工および中空後方押出加工を使用でき、この場合、場合によっては、背圧を加える。丸棒素材小片を使用する場合、第４ステップではカップ前方押出加工およびカップ後方押出加工を使用でき、この場合、場合によっては、背圧を加える。
背圧は、すべての操作において、ポンチによって加えることができる。背圧によって、被加工材料中に亀裂が生ずるのを阻止する応力が生じる。これは、室温において限られた加工性を有する材料の場合に特に必要である。
適切な組織の変化なく加工を行い得る温度範囲は、室温から480℃までの温度である。液相が現れる温度範囲（合金系に依存して520℃〜600℃の範囲）における加工も、同じく可能である。この場合、焼なまししてない素材から出発する場合、耐摩擦力を高めるためSi析出粒子を10μｍ〜30μｍに粗大化する。
【００２６】
次いで、目標肉厚または略目標肉厚に成形したパイプを、パイプ端を切削加工して、仕上げる。カップ前方押出加工およびカップ後方押出加工の場合、切削またはプレス加工によって薄肉の底部を除去する。
【００２７】
本発明に係る方法には、シリンダライナの材料を適切に加工できるという利点がある。
【００２８】
【実施例】
実施例1:
組成AlSi25 Cu2.5 Mg1 Ni1（各成分に付記した数値は重量％を示す。）の合金を830℃の溶融温度において4.5m3/kgのガス／金属比（溶湯1kg当り標準状態のガス1m3）で溶射成形法に基づき丸棒に加工した（第１ステップ）。
上記条件で溶射成形した丸棒中に、粒径範囲１μｍ〜10μｍのSi粒子が析出した。溶射成形した丸棒を520℃において4hr焼なまし処理した。この焼なまし処理後、Si析出粒子の粒径範囲は２μｍ〜30μｍとなった。
420℃、押出速度0.5m/minにおいて熱間押出加工して、外径94mm、内径68mm（従って、肉厚13mm）の厚肉パイプを得た（第２ステップ）。押出温度は、焼なまし温度よりも低いので、調整した組織が保持された。
押出加工した厚肉パイプを長さ30mmの小片に切断し（第３ステップ）、中空前方押出加工によって420℃において外径74mm,内径67mm（従って、肉厚3.5mm）、長さ130mmの薄肉のパイプ片に加工した（第４ステップ）。
この場合、パイプは、全くフランジなしで構成すればよい。なぜならば、以降の工程において各パイプ片をプレスするからである。
この第４ステップにおける中空前方フロープレスの工程を第１図により説明すれば、まず、第1A図に示した如く、第一素材１を金型２に導入する。金型２と共働するプレスポンチ３によって第一素材１を部分的にパイプに加工する（第1B図）。次いで、プレスポンチ３を出発位置にもどし、次の第二素材を金型２に導入する（第1C図）。次いで、プレスポンチ３を押下げて第二素材によって第一パイプ片を完全に成形しエゼクトする（第1D図）。この処置によって同時に、成形プレスキャビテイに対して、欠陥のない加工を可能とする背圧を付与することが容易に可能となる。
【００２９】
実施例2:
実施例１と同様に溶射成形によって製造（第１ステップ）した合金を、外径74mmの丸棒に押出加工した（第２ステップ）。
ジオメトリがより簡単であるので、1.5m/minのプレス速度を達成でき、かくして、可成のコスト削減がなされた。丸棒を長さ27mmの小片に切断し（第３ステップ）、その小片をカップ後方押出加工によって420℃の温度において外径74mm、内径67mm（従って、肉厚3.5mm）、130mmのカップに加工した（第４ステップ）。
次いで、パイプ端を加工して厚さ4mmの薄い底部を切断した。
【００３０】
実施例3:
実施例１、２と同様に溶射成形によって製造（第１ステップ）した合金を、事前に焼なましせずに、外径74mmの丸棒に押出加工した（第２ステップ）。
Si析出粒子の粒径範囲は、１μｍ〜７μｍであった。
丸棒を長さ27mmの小片に切断した（第３ステップ）。上記小片を４〜5min内で560℃の温度に誘導加熱した。上記温度において、合金は固相と液相との間にある。部分的に液状の丸棒小片は、機械的に安定であり、更に処理できる。
次いで、第２図に示した如く、プレスポンチ3,金型２およびエゼクタ４からなる完全な工具を用いて部分的に液状の丸棒小片１をカップ後方フロープレスによって加工した（第４ステップ）。
この場合、小片１を工具に導入し（第2E図）、プレスポンチ３によって加工し（第2F図）、エゼクタ４の運動によって排出する（第2G図）。
外径74mm、内径67mm（従って、肉厚3.5mm）、高さ130mmのカップが得られた。次いで、パイプ端の加工において、成形したカップの厚さ4mmの底部を除去するか、プレスによって除去することができる。
部分的に液状の状態によって、極めて僅かな加工力が必要であるに過ぎない。この部分的に液状の状態に起因して、Si析出粒子は20μｍ〜25μｍに成長した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成されるので、本発明によるときは、耐摩耗性及び耐熱性が高く、エンジンからの有害物質の放出量も低減できる優れた過共晶AlSi合金製シリンダライナを安価に製造し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空前方フロープレスの工程を示す図面である。
【図２】カップ後方フロープレスの工程を示す図面である。
【符号の説明】
１ 第一素材
２ 金型
３ プレスポンチ
４ エゼクタ
Claims (11)
- 過共晶AlSi合金により内燃エンジン用シリンダライナを製造する方法において；
合金溶湯の溶射成形によって、または、空気もしくは不活性ガス噴射による溶湯噴霧により得られる粒径250μｍ以下の金属粉体混合物もしくは合金粉体を熱間または冷間圧縮する粉体成形によって、粒径約0.5〜20μｍのSi一次粒子を含む過共晶AlSi合金材料から成る棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを作製する第１ステップと；
300〜550℃の押出温度に保持した上記棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを外径120mm以下の丸棒状または厚肉パイプ状の素材に押出加工する第２ステップと；
上記素材を所望の長さの小片に切断する第３ステップと；
上記素材小片を25〜600℃において押出加工して肉厚1.5〜5mmの薄肉のパイプ状半製品に加工する第４ステップと；
を順次実行することを特徴とする過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。 - 棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.5重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Ni（0.5〜２重量％）の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。 - 棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Fe（３〜５重量％）Ni（１〜２重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。 - 棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（25〜35重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。 - 棒状又は厚肉パイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.3重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Mn（0.5〜５重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。 - 溶射成形の場合、ケイ素の一部は、使用されるAlSi合金の溶湯によって、また、ケイ素の他の一部は、Si粉体の形で粒子インゼクタによって、棒状又は厚肉パイプ状のインゴットに導入することを特徴とする請求項１ないし５の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
- Si一次粒子を粗大化させるため、上記第１ステップで得た棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを第２ステップに入る前に460〜540℃において0.5〜10hrの時間インターバルにわたって過時効焼なましを行い、Si一次粒子を２〜30μｍの粒径に成長させることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
- 押出温度に保持した前記棒状のインゴットを径50〜120mmの丸棒に押出加工し、次いで、上記丸棒を短い丸棒片に切断し、背圧付与若しくは無背圧によるカップ前方フロープレスまたはカップ後方フロープレスによって25〜600℃において丸棒片を薄い底部を有する肉厚1.5〜5mmの薄肉のカップに加工し、上記底部を除去して所望のパイプを形成することを特徴とする請求項１ないし７の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
- 押出温度に保持した棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを肉厚６〜20mmの厚肉のパイプに押出加工し、次いで、上記パイプを厚肉の短いパイプ片に切断し、このパイプ片を、背圧付与若しくは無背圧による中 空前方フロープレスまたは中空後方フロープレスによって25〜600℃において肉厚1.5〜5mmの薄肉のより長いパイプ部材に加工することを特徴とする請求項１ないし７の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
- 25〜480℃の温度におけるフロープレスによって前記第４ステップの加工を行うことを特徴とする請求項１ないし９の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
- 過共晶AlSi合金材料の固相温度よりも高く、液相温度よりも低い温度におけるフロープレスによって前記第４ステップの加工を行うことを特徴とする請求項１ないし９の何れか一記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
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