JP4147418B2 - シリンダブロックの寸法安定化方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダブロックの寸法安定化方法に関し、特に、鋳鉄製または鋼製のシリンダライナをＣｕ２〜４ｗｔ％含有のアルミニウム合金で鋳包んでなるシリンダブロックを時効処理することにより寸法を安定化させる方法に関するものである。

近年の内燃機関のシリンダブロックには、アルミニウム合金の鋳造品が用いられるようになっている。このようなアルミニウム合金製のシリンダブロックにおいては、ボア部に所望の耐磨耗性と摺動特性を確保するため、一般に、鋳鉄製や鋼製のシリンダライナを別途用意し、このシリンダライナをアルミニウム合金（鋳造金属）で鋳包んで一体化して成形している。

アルミニウム合金からなるシリンダブロックは、一般に、鋳造後にアルミ合金中に過飽和に固溶したＳｉやＣｕが徐々に析出し、０．１％程度の伸びを生じることから、時間の経過により寸法変動が発生する。また、内燃機関のシリンダブロックは、燃焼熱に晒されることから、寸法変動が生じやすい。

シリンダライナを鋳包んでなるアルミニウム合金製のシリンダブロックの寸法変動は、内燃機関の使用中にシリンダライナが変形してボアの真円度が悪化し、オイル（潤滑油）の消費量が増大することになる。そして、この対策として、張力の大きいピストンリングを使用して上述した真円度の悪化に対処することも行われているが、このような対策では、ボア内面を構成するシリンダライナ内面とピストンリングとの間の摩擦抵抗が増大し燃費が悪化する、などの新たな問題が生じることとなる。
そこで、シリンダブロックの寸法変動を事前に完了させて安定化させるため、シリンダブロックを鋳造後に、時効処理を行うことが知られている。従来の時効処理では、例えば鋳造されたシリンダブロックを複数トレー上に載置し、炉内に投入して２００〜２５０℃程度に昇温させ、２時間程度加熱保持するＴ５処理が行われている。

一方、ディーゼル機関のシリンダライナに穿設された冷却孔の開口部近傍の内表面に高周波焼入れを施すことによって圧縮残留応力を付与し、疲労限度を大幅に向上させたことを特徴とするシリンダライナが知られている（特許文献１）。
また、冷却中に配置されたワークの複数箇所に焼入れヘッドで順次高周波焼入れを行なう高周波焼入方法であって、焼入順序の先後に対応して高周波誘導加熱エネルギを後の焼入部になる程小さくする高周波焼入方法が知られている（特許文献２）。

特開平９‐１８４４５０号公報 特開平９‐３５３１号公報

しかしながら、上記従来の時効処理にあっては、シリンダブロック全体のみならずこれを支持するトレーなど炉内全体を昇温させる必要があるため、所定の温度に到達させるのに時間がかかるために電力費などのコストがかかると共に、大型の炉が必要であるために設備投資が多大となるという問題があった。また、従来の時効処理にあっては、図３に破線で示すように、炉内の温度を２００〜２５０℃に保持していたが、寸法変動の速度は温度に依存する、すなわち温度の関数となるため、時効処理に時間がかかる（図３に破線で示した従来の技術の場合では、２００℃に昇温させるのに１時間、その温度保持に２時間を要していた）という問題があった。さらに、昇温時間の短縮化を図るために塩浴加熱法や流動床加熱法などがあるが、両法とも熱処理後に塩や流動床媒体の洗浄などが必要となり、さらにコストがかかると共に設備投資が多大となるなどの問題が発生する。

また、上記特許文献１、２にあっては、いずれのものも高周波誘導加熱によって焼入れを行うものであり、特に特許文献２にあっては、「焼入れ品質の安定化、形成される焼入れ斑の寸法バラツキの低減」を目的としたもので、本発明の時効処理によってシリンダブロック自体の寸法の安定化を図るという目的と全く相違したものである。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、シリンダブロックの寸法安定化を図るための時効処理を短時間で確実に行うことができる方法を提供することを目的とする。

請求項１のシリンダブロックの寸法安定化方法に係る発明は、上記目的を達成するため、鋳鉄製または鋼製のシリンダライナを、Ｃｕ２〜４ｗｔ％含有のアルミニウム合金で鋳包んでなるシリンダブロックを時効処理することにより寸法を安定化させる方法であって、前記時効処理は、シリンダブロックを２７５〜３８０°Ｃに昇温させてその温度に１０分〜０．５分維持し、その後冷却することにより行うものである。
請求項２のシリンダブロックの寸法安定化方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明において、前記時効処理は、前記シリンダブロックのボア内に高周波誘導加熱コイルを挿入・通電し、前記シリンダライナを介して前記シリンダブロックを高周波誘導加熱により行うものである。

請求項１の発明では、寸法変動の速度は温度に依存することから、鋳鉄製または鋼製のシリンダライナをＣｕ２〜４ｗｔ％含有のアルミニウム合金で鋳包んでなるシリンダブロックを、炉内に投入する従来の技術の温度よりも高い温度である２７５〜３８０°Ｃに昇温させて、その温度に維持する時間を炉内に投入する従来の技術の時間よりも短い１０分〜０．５分の間維持することにより前記時効処理が行われて、シリンダブロックの寸法が確実に安定化される。
請求項２の発明では、請求項１に記載の発明において、鋳鉄製または鋼製のシリンダライナをＣｕ２〜４ｗｔ％含有のアルミニウム合金で鋳包んでなるシリンダブロックのボア内に高周波誘導加熱コイルを挿入して通電すると、この高周波誘導加熱コイルと対向するように位置するシリンダライナを介してシリンダブロックが高周波誘導加熱により短時間で所定の温度に昇温される。この熱が伝達することによってシリンダブロックも短時間で２７５〜３８０°Ｃに昇温される。そして、この加熱状態を１０分〜０．５分維持することにより、シリンダブロックは時効処理されて寸法が安定化する。

請求項１の発明によれば、簡単な構成で、シリンダブロックの寸法安定化を容易に短時間で確実に行うことができる方法を提供する、という目的を達成することができる。
請求項２の発明によれば、シリンダブロックの寸法安定化を容易に短時間で確実に行うことができる方法を実現化することができる。

本発明のシリンダブロックの寸法安定化方法を実施するための最良の形態を、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。なお、図において、同一符号は同様の部分または相当する部分に付すものとする。
本発明のシリンダブロックの寸法安定化方法は、概略、鋳鉄製または鋼製のシリンダライナ１１をＣｕ２〜４ｗｔ％含有のアルミニウム合金１２で鋳包んでなるシリンダブロック１を成形し、このシリンダブロック１を時効処理することによりその寸法を安定化させるもので、時効処理は、シリンダブロック１を２７５〜３８０°Ｃに昇温させてその温度に１０分〜０．５分維持し、その後冷却するものである。そして、時効処理は、シリンダブロック１のボア部１０内に高周波誘導加熱コイル２を挿入し、高周波誘導加熱コイル２に所定電流を通電して、シリンダライナ１１を介してシリンダブロック１を上記温度に加熱して上記時間維持することにより、行うものである。

内燃機関のシリンダブロック１は、そのボア部１０となる部分に鋳鉄や鋼鉄などからなるシリンダライナ１１をアルミニウム合金１２により鋳包んでなるもので、アルミニウム合金１２には、ＳｉやＣｕなどの成分が過飽和に固溶している。
また、高周波誘導加熱コイル２は、シリンダブロック１のボア部１０に鋳包みされたシリンダライナ１１の長さに対応した長さで、シリンダライナ１１の内面と所定の間隔を有する径に成形されてなるもので、所定の高周波電流を供給することが可能な電源に接続されている。そして、高周波誘導加熱コイル２は、これをボア部１０のシリンダライナ１１に対して挿入・退避させるためのアクチュエータに支持されている。

このように成形されたシリンダブロック１のボア部１０内に高周波誘導加熱コイル２を挿入し（図２を参照）、高周波誘導加熱コイル２に通電して高周波誘導加熱を行う。このとき、高周波誘導加熱コイル２と対向するように位置するシリンダライナ１１が加熱されて温度が上昇し、その熱がシリンダブロック１のアルミニウム合金１２により構成された部分に伝導されて、アルミニウム合金１２に過飽和状態で固溶していたＳｉやＣｕが析出して永久伸びを発生して寸法変動が発生し、アルミニウム合金１２全体に時効処理が施されて、シリンダブロック１の寸法が安定化する。

ここで、シリンダブロック１を時効処理する際に昇温させる温度と時間について図３および図４に基づいて説明する。
一般に、シリンダブロック１はダイカスト鋳造により成形される。ダイカスト鋳造はその材料となるアルミの高温の溶湯を低温の金型に射出し、粗材を得る鋳造法である。アルミの溶湯は急冷凝固されるため、本来常温ではあり得ない状態の相が常温に持ち込まれ、常温となったときに徐々に本来常温であるべき相に変化し、その結果、寸法が変化する。
例えば、一般的なダイカスト材料であるＡＤＣ１０（ＡＬ‐にＣｕが２‐４ｗｔ％含有される）の場合、その溶湯は急冷凝固により、高温状態の相であるαアルミ相が常温状態に持ち込まれる（一般的なＡＬ‐Ｃｕの２元状態図を参照されたい）。このようなＡＤＣ１０により成形されたシリンダブロック１は、その後所定寸法に加工され内燃機関であるエンジンとして組立てられ車両に搭載されるが、エンジンとして使用されるのに伴って、徐々にαアルミ＋ＣｕＡＬ２の常温状態の相に分解され、その結果寸法変動を引き起こして従来の技術で説明したような問題が発生することとなるため、このような問題を回避するために時効処理を行う。

図４に示すように、時効処理として熱処理を行わない場合のアルミ熱生長量は約０．１％程度となるが、熱処理を実施する場合にはこのアルミ熱生長量が約０．０２％以下となるように温度と時間を設定する。
熱処理の温度をαアルミ相まで上昇させると、析出させるべきＣｕが逆にアルミ中に溶け込んでアルミ熱生長量が０．１％に近づくこととなるため（図４における４００℃の場合を参照されたい）、Ｃｕ２〜４％含有のアルミ合金の場合には４００℃以下で熱処理する必要がある。
また、一般に寸法変動の速度は温度に依存することから、本発明の高周波誘導加熱による時効処理の温度は従来の炉内に投入する場合の温度よりも高い２５０度以上に設定し、時効処理時間は、高周波誘導加熱により昇温させる温度に応じて、図４に示すように、アルミ熱生長量が０．０２％を下回ることとなる時間に設定される。図４に示した実施の形態では、昇温温度を２７５℃に設定した場合では約１０分（６００秒）、３００℃に設定した場合では約５分（３００秒）、３２５℃に設定した場合では約２．５分（１５０秒）、３５０℃に設定した場合では約１分（６０秒）、３８０℃に設定した場合では約０．５分（３０秒）でアルミ熱生長量を０．０２％以下に低減させることができた。すなわち、本発明による時効処理では、高周波誘導加熱によって昇温させる温度を２７５〜３８０℃に設定することにより、この設定温度に応じてその温度を保持する時間を従来の炉内に投入する場合の時間よりも短い１０分〜０．５分に設定することができる。

図３は、従来の炉内に投入する技術による時効処理（破線）と本発明の一実施の形態による時効処理（実線）との温度と時間を比較するために示したものである。破線で示したように、従来の技術による時効処理では、シリンダブロック１を炉内に投入してから設定された温度（２００〜２５０℃）に昇温させるまでに約１時間程度かかっており、図３に示した例では、昇温させる温度が２００℃と本発明と比較して低いため、かかる温度に約２時間程度維持しなければならない。一方、本発明による時効処理では、高周波誘導加熱により昇温させるために設定された温度に短時間（例えば１分３０秒程度）で昇温させることができ、しかも、昇温させる温度を従来よりも高い温度（好ましくは２７５〜３８０℃）に設定するため、その温度に保持する時間が従来よりも短くて済む（好ましくは１０分〜３０秒）。そのため、シリンダブロック１を時効処理する時間を短縮することができる。
なお、本発明のシリンダブロック１の寸法安定化方法では、高周波誘導加熱によりシリンダライナ１１を介してシリンダブロック１を設定された温度に昇温させることができればよく、高周波誘導加熱器とは別に隣設された炉などの保温手段に移送して、高周波誘導加熱されて上昇した温度を保持するよう構成することもできる。
また、時効処理したシリンダブロック１の要求される硬さによっては、所定時間昇温保持した後に、図３に実線で示したように水没冷却などによって急冷し、また、図３に二点鎖線で示したように放冷することにより徐冷したり、あるいは、高周波誘導加熱コイル２に隣接して設けられた保温炉内に収容するなど、必要に応じて冷却時間を設定することができる。

本発明のシリンダブロックの寸法安定化方法を説明するための、高周波誘導加熱コイルがシリンダライナに挿入される前の状態を示す説明図である。 図１の状態から高周波誘導加熱コイルをシリンダライナ内に挿入して加熱する状態を示す説明図である。 本発明による時効処理と従来の技術による時効処理の温度と時間を比較して説明するために示したグラフである。 本発明による時効処理の設定された昇温温度毎の加熱時間とアルミ熱生長量との関係を説明するために示したグラフである。

符号の説明

１：シリンダブロック、 ２：高周波誘導加熱コイル、１０：ボア部、１１：シリンダライナ、１２：アルミニウム合金

Claims (2)

1. 鋳鉄製または鋼製のシリンダライナを、Ｃｕ２〜４ｗｔ％含有のアルミニウム合金で鋳包んでなるシリンダブロックを時効処理することにより寸法を安定化させる方法であって、
   前記時効処理は、シリンダブロックを２７５〜３８０°Ｃに昇温させてその温度に１０分〜０．５分維持し、その後冷却することにより行うシリンダブロックの寸法安定化方法。
2. 前記時効処理は、前記シリンダブロックのボア内に高周波誘導加熱コイルを挿入・通電し、前記シリンダライナを介して前記シリンダブロックを高周波誘導加熱により行う請求項１に記載のシリンダブロックの寸法安定化方法。
   

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