JP4419027B2 - ２層外側コーティングのシリンダーライニング及びライニングの固着による複合構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン用の２層外側コーティングで成るシリンダーライニングと、複合構造体を形成するためにライニングを固着する方法とに関係する。

鋳鉄製、アルミ製またはアルミ合金製のエンジンブロックを含んだ内燃機関では、一般的にシリンダーライニングがエンジンブロックのシリンダーボアに挿入される。シリンダーライニングは高温並びに高力学的負荷に暴露される。なぜなら、ライニングの内面はエンジンの燃焼チャンバーの燃焼空間との境界としての役目と、ピストンリングの走行面としての役目との両方を同時的に果たすからである。シリンダーライニングとエンジンブロックとの間の接合は一般的に、シリンダーライニングの外面をエンジンブロックの鋳造時に鋳造材料により固着させる方法で達成される。

このような方法は、例えば、ＤＥ１０００２４４０Ａ１で開示されている。この方法では、ニッケルとアルミの合金あるいはニッケルとチタンの合金が接着促進層として、エンジンブロックと対面するシリンダーライニングの外面にコーティングされる。このようにコーティングされたシリンダーライニングはエンジンブロック製造用の鋳型内に導入され、軽金属または軽金属合金で固着されて複合構造体を提供する。

前述の方法と従来技術の方法の両方で流動性鋳造材料の温度制御は困難である。一方、鋳造材料の温度は充分に高温で、シリンダーライニングの外面と、全鋳造工程で注入される鋳造材料との間の良好な固着を達成させなければならない。しかし、その温度が高すぎて、シリンダーライニングと鋳造材料とが過度に相互侵略するようであってはならない。

鋳造工程での流動性鋳造材料の温度制御のための様々な方法が従来技術により開示されている。例えば、溶解物を鋳型に注入する前に、溶融鋳造材料を鋳型の内部または外部で高周波加熱する方法が開発されている。従来技術の他の方法では、例えば、必要な溶解物の何倍も基部構造体上に流す方法が紹介されている。
ＤＥ１０１４７２１９Ａ１は、鋳造対象の軽金属クランクケース内に封入するための内燃機関用シリンダーライニングを解説する。シリンダーライニングの封入時にシリンダーライニングを周囲の鋳造材料に最善に適用するため、液状鋳造材料の熱作用の結果としてライニング材料よりも迅速に液状鋳造材料で金属固着を提供する材料で成る活性層が、外周部でピストンリングのトップデッドセンターの領域に提供される。トップデッドセンターの領域に続いて、シリンダーライニングは外周に粗い表面を有する。
ＵＳ４４７０６６１６Ａは、ライニング高上で異なる材料の２つのコーティングを内側に有したシリンダーライニングを解説する。
ＤＥ１００１９７９３Ｃ１は、内側と外側に異なる材料の２つのコーティングを有した内燃機関用シリンダーライニングを解説する。
ＤＥ１９７２９０１７Ａ１は、外周に熱的にスプレーされ、亜鉛抗酸化層で包囲されたトップ層を有した金属ベース体を含んだシリンダーライニングを解説する。
ＤＥ１９８４５３４７Ｃ１は、周辺方向に異なる壁厚を有したシリンダーライニングを有している。

本発明の１目的は、鋳造工程時に鋳造材料の温度変化の影響を補償し、同時に、形成する複合構造体へのシリンダーライニングの良好な固着を保証するようにシリンダーライニングを処理する大規模実施可能な単純であって経済的な方法の提供である。さらに本発明の別目的は、そのような方法で使用できるシリンダーライニングの提供である。

この目的は、少なくとも１つのシリンダーライニングと鋳造材料とを含んだ複合構造体の製造のためにシリンダーライニングを固着させる方法で達成される。この方法は次のように実施される。第１層と第２層をシリンダーライニングの外面にコーティングする。第２層よりも高い融点を有した第１層を、シリンダーライニングの第１端の領域でシリンダーライニングの外面にコーティングする。第２層はシリンダーライニングの第２端の領域でシリンダーライニングの外面にコーティングする。シリンダーライニングを鋳型内で適切に配置する。シリンダーライニングを鋳造材料で固着させる。シリンダーライニングを鋳造材料の表面温度に応じて、第１層及び/又は第２層を介して固着する。シリンダーライニングを鋳型内で、その第１端が鋳造材料の堰領域側となり、第２端が鋳造材料の堰領域の反対側となるように配置する。

さらに、本発明は複合構造体内、特にエンジンブロックにシリンダーライニングを固着させる。シリンダーライニングは外面に第１層と第２層を有している。第１層はシリンダーライニングの第１端の領域でシリンダーライニングの外面にコーティングされ、第２層はシリンダーライニングの第２端の領域でシリンダーライニングの外面にコーティングされる。第１層は第２層よりも高い融点を有している。

図１は鋳型内に配置された２つのシリンダーライニング３を通過する断面図である。シリンダーライニングは第１層１と第２層２をその外面に有している。矢印は鋳型の堰領域を示し、注入される材料４、例えばアルミニウムが注入される方向を示す。

本発明を導いた多数の実験の結果、発明者は驚くべき新規な方法を発見した。その方法は、シンリンダーライニングの固着工程で発生する鋳造材料の温度変動にも拘わらず、複合構造体全体にわたるシリンダーライニングの表面の固着を着実に実効させるものである。

本発明の方法によれば、異なる融点を有した２層が利用される。その結果、アルミニウム、マグネシウムまたはそれらの合金によるブロック鋳造時の温度分布が考慮できる。好適には、８０から９９重量％のアルミニウムを含有したアルミ合金が使用される。溶解物が鋳型内に注入される間、溶解物の温度は連続的に降下する。特に表面での降下が顕著である。本発明に導いた多数の実験により、２層の組み合わせが、鋳造工程中の溶解物の表面温度降下にも拘わらず、シリンダーライニングのコーティング表面の融合を、堰領域からさらに離れたシリンダーライニングの表面領域においてさえも、すなわち、堰領域とは反対側のシリンダーライニングの表面領域においてさえも着実に行わせることが判明した。本発明の方法では、シリンダーライニングの固着は鋳造材料の温度に対応して、第１層、すなわち、高いほうの融点を有した層を介して、及び/又は第２層、すなわち、低いほうの融点を有した層を介して提供される。

本発明の第１実施例によれば、シリンダーライニングの外面には一方の端部において第１の高融点層が、他端部において第２の低融点層が提供される。これら２層は、特にシリンダーライニングの外面の中央領域での境界領域で重なっていても構わず、第１層が第２層と完全分離している必要はない。これら２層はオーバーラップしていても構わず、シリンダーライニングの中央領域で第１層と第２層に隣接して追加の層が提供されていても良い。一般的に、第１層と第２層はそれぞれシリンダーライニングの第１端と第２端で実質的に開始し、他端部に向かって延びる。しかし、“第１端の領域”または“第２端の領域”とは第１端と第２端とは少々離れて開始する第１層又は第２層も含む。例えば、シリンダーライニングの長さの１％から１５％程度までの第１端または第２端からの距離は想定内である。

図１は、第１層と第２層が、所定比でシリンダーライニング表面を覆う１例を示す。図１で示す第１層と第２層の比率はあくまで１例であり、本発明の限定は意図されない。

このようにコーティングされたシリンダーライニングは、その第１端（第１層でコーティング）が鋳造材料の堰領域に対面し、第２端（第２層でコーティング）が鋳造材料の堰領域とは反対側となるように鋳型内に配置され、複合構造体が製造される。その結果、新規に注入される溶解物は第２層よりも高い融点の第１層と接触する。よって、融合によるシリンダーライニングのコーティング表面での過剰浸透に対してさらに強力な抵抗力を有している。堰領域から離れるに連れて鋳造材料は特に表面において温度が降下し、低いほうの融点を有する第２層と接触する。よって、その低い温度にも拘わらず、シリンダーライニングの表面を鋳造材料に着実に固着させるように融合させることができる。

本発明の方法は典型的には溶解物表面温度の制御に従来技術を利用しない。しかし、望むならば、本発明の方法と従来技術を組み合わせることは可能である。

あるいは、第１層と第２層を隣接ではなく重ね合わせることもできる。このようにすることで、それら２層を１工程で提供できるメリットがある。その場合、高融点の層は低融点の層の下側に配置し、低融点層が配置されたときにも、シリンダーライニングの表面を固着させる層がシリンダーライニング上に残る利点が提供される。

第１層と第２層はどのような層提供従来技術で提供しても構わない。特に、従来技術の溶射法、例えばアークワイヤー溶射法、プラズ溶射法または、高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）等のフレーム溶射法が適している。

特に、アークワイヤー溶射法が優れている。アークワイヤー溶射法では、適用される材料を含む２つの電極、すなわち、ワイヤー電極と永久電極が使用され、不活性ガス流で処理されて溶融材料で溶射される。アーク内で形成され、不活性ガス流に搭載される溶融滴物は不活性ガス流により高速に加速され、コーティング対象表面に溶射される。

本発明の方法で利用できるシリンダーライニングは、例えば、ＧＪＬ、ＧＪＶ、ＧＪＳ、スチール、可鍛性鋳鉄、マグネシウムまたはマグネシウム合金及びアルミニウムまたはアルミニウム合金等で成る基部構造体を有することができる。ＧＪＬ、ＧＪＶ及びＧＪＳを含んだ基部構造体を有したシリンダーライニングは、例えば、遠心鋳造法または砂鋳造法で製造でき、遠心鋳造法で提供された未処理鋳造面や粗鋳造面または物理的に処理（研磨処理等）またはサンドブラスト処理される外面を有する。

ＧＪＬはバーミキュラー黒鉛の鋳鉄である。バーミキュラー黒鉛は“虫型”黒鉛であり、形態的には層状と楕円球状の中間である。その黒鉛タイプと生産タイプによって、それは層状黒鉛の鋳鉄よりも優れた強度特性を有しており、その熱伝導性が少々下回る程度である。バーミキュラー黒鉛形態であるため、それら特性は、基本構造のフェライト/パーライト比や、同伴する楕円球状黒鉛の比とは実質的に異なる。８０％から９０％のバーミキュラー黒鉛が普通であり、残りは楕円球状黒鉛で成る。よってＧＪＶは熱応力、特にシリンダーライニングのごとき熱サイクルが作用するコンポーネントに対して好適である。

ＧＪＳは“楕円球状”黒鉛の鋳鉄である。鋳造形態の炭素の主割合が楕円球状黒鉛の形態であるこの材料は、層状黒鉛の鋳鉄と比較して大幅に高い引っ張り強度（２から３．５倍）と優れた柔軟特性を有している。

ＧＪＬは層状黒鉛の鋳鉄である。この材料では鋳造形態の炭素の主割合が層状黒鉛の形態であるこの材料は、ＧＪＶやＧＪＳよりも優れた熱伝導特性を有している。

鋼を含んだ基礎構造体を有したシリンダーライニングは、例えば、溶射材料層を有しており、例えば、鋼鋳造法と押出し成型法またはロールシート利用法で得られる。

可鍛鋳鉄を含んだ基部構造体を有したシリンダーライニングはいかなる知られた可鍛鋳鉄材料からでも製造できる。例えば、ＤＥ１０３０９３８６．９に記載されている従来の鋳造方法が利用できる。

アルミニウムまたはアルミニウム合金を含んだ基部構造体を有したシリンダーライニングは、例えば、溶射層、特に、溶射アルミニウムまたはアルミニウム含有材料を含み、例えば、遠心鋳造法、加圧ダイキャス法および押出し法で製造できる。

特に良好な結果は、アルミニウムまたはアルミニウムとケイ素の合金、好適には、アルミニウムとケイ素の合金で、ケイ素含有量が１５重量％を超えないもの、特にＡｌＳｉ_２であるものが第１層として使用されるときに得られる。第１層は好適には溶射法で適用される。

アルミニウム合金、特に亜鉛、マグネシウム及び／又はスズを含有するアルミニウム合金（例えばＡｌＺｎ、ＡｌＭｇ、Ａｌｓｎ）が第２層として使用できる。第２層としてのアルミニウム合金ＡｌＺｎ５ＭｇＣｒは特に好適である。

第１層の層厚は、例えば、０．０５から０．４０ｍｍであり、特には０．１から０．３ｍｍである。第２層の層厚は、例えば、０．０５から０．４０ｍｍであり、特には０．１から０．３ｍｍである。

多数の実験中、シリンダーライニングの固着では４００から６００℃、好適には４５０から５５０℃、特に、４７０から４８５℃の融点の材料、例えば、アルミニウム合金ＡｌＺｎ５ＭｇＣｒ（融点は約４７９℃）を第２層として使用することが特に有利であった。

鋳造材料は、例えば、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合金またはアルミニウム合金であり、例えば、アルミニウム合金としてのＡｌＳｉ_１２、ＡｌＳｉ_１０Ｍｇ、ＡｌＳｉ_７Ｃｕ_３、ＡｌＳｉ_６Ｃｕ_４、またはＡｌＳｉ_９Ｍｇである。サブ共融合金、例えば、ＡｌＳｉ_９Ｃｕ_３は好適に使用される。

第１層と第２層、鋳造材料及びシリンダーライニングの上述の材料は全て良好な固着を提供する。

本発明の方法で採用できる補助的手段は、テーパ形状または錐形形状を有したシリンダーライニングの使用である。シリンダーライニングは、例えば、鋳型内で鋳造方向に実質的に平行に提供される。シリンダーライニングまたは鋳造材料の堰領域に対面するシリンダーライニングの端部での断面（または外径）は、鋳造材料の堰領域とは反対側のシリンダーライニングのその端部よりも小さく、シリンダーライニングは鋳造材料の堰領域とは反対側への方向に傾斜している。すなわち、堰領域に対面した側に向かって傾斜する。そのような傾斜は、例えば、第１層と第２層を、提供された層の層厚が一方端から他方端に向かって減少するように提供することで達成できる。

湿潤処理及び/又は湿潤角部を改善させるため、シリンダーライニングにはコーティング処理に先立って溝を提供することができる。

第１層と第２層はどのような望む表面粗度Ｒｚでも有することができる。例えば、５０から８００ｍの表面粗度Ｒｚを有することができる。有利には、第１層及び/又は第２層は少なくとも３００ｍ、好適には４００から８００ｍ、特に４００から５００ｍの表面粗度を有した層として適用できる。そのような層は第１層及び/又は第２層に高温抵抗性を有した実質的に非融解性材料を一体化させることで達成できる。このことは、例えば、アークワイヤー溶射及び/又は分離溶射による層の提供時に実行できる。高温抵抗性材料は、例えば、酸化セラミック、カーバイド、窒化物または高融点金属である。特に、第１層及び/又は第２層の領域のみに３００ｍ以上の表面粗度Ｒｚを提供し、他の領域に低い粗度Ｒｚを提供することもできる。

プロファイル法による粗度測定は幾何的製品仕様（ＩＳＯ/ＴＲ１４６３８、ＤＩＮ Ｖ ３２９５０）の一部である。プロファイル法は表面の二次元測定法である。そのスキャンシステムは表面上を水平に定速で移動する。

本発明で活用されている粗度Ｒｚパラメータの決定は“ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７”で解説されている。測定は上記基準に従い、電気プロファイル装置を利用した触知法によって実行される。粗度Ｒｚを含んだ粗度パラメータは個別の測定距離に対して定義される。個々の山頂部から谷部の距離Ｒｚｉはそれぞれ、個別測定距離の記録されたプロファイルの最下点と最上点間の距離である。粗度Ｒｚは複数の個別距離の個々の最上点から最下点への距離の数学的平均値である。

粗度測定の光学的方法には、例えば、レーザー法または白色光干渉計の手段も利用できる。しかし、現在のところ、粗度測定のための光学的方法の基準はない。

高温抵抗性材料の追加は鋳造工程時に完全溶解からの保護を提供する。よって、特に第１層にとって有利である。さらに、高温抵抗性材料はライニングの軸方向で変更できる。すなわち、異なる粒子をシリンダーライニング表面の軸方向に沿った選択部分で混入一体化することができる。

本発明の方法は、それぞれの鋳造工程パラメータ（温度、鋳造材料の粘性、流速、鋳造圧等）に関し、層材料の選択採用によって、または軸方向の配置及び/又は、鋳造方向、すなわち、鋳造材料の鋳型注入方向に対するシリンダーライニングの外形調整によって固着状態を最良化させることができる。

本発明はさらに、エンジンブロック内に固着させるシリンダーライニングを提供する。そのシリンダーライニングは第１層と第２層を外側表面に有している。第１層は第２層よりも高い融点を有している。第１層はシリンダーライニングの外面にその第１端の領域で適用され、第２層はシリンダーライニングの外面にその第２端の領域で適用される。

以上、層の組成形態、提供方法及び基部構造体材料に関して既述した。

シリンダーライニングはシリンダー形状またはテーパ形状を有することができる。さらに、外面には湿潤改善溝や湿潤角部を提供できる。

さらに、本発明は複合構造体にも関係する。これは前述の方法でシリンダーライニングの固着によって得られる。

本発明方法の活用で、シリンダーライニング表面の改善された固着性を有した鋳造複合構造体が得られる。この構造体には実質的に“歪み”は生じない。すなわち、シリンダー形状は、シリンダーライニングと溶射層を含んだ複合構造体に対する固着材料の金属接合処理が施されているため、エンジン作動時のシリンダーにかかる静的力及び動的力の作用下においてさえも安定している。前述の機構により、熱除去は大きく改善された。このことでエンジンの燃費は改善され、排気ガスが減少する。さらに、例えば、鋳造アルミニウムジャケットと水ジャケットの異なる壁厚及び堰側（シリンダーヘッド側またはクランクシャフト）の状態のごとき設置状況が本発明の方法で対処できる。本発明の方法は、重力鋳造法、加圧ダイキャスト及び低圧鋳造法に特に適している。なかでも本発明の方法は重力鋳造法に特に適している。

図１は鋳型内に配置された２つのシリンダーライニングを通過する断面図である。

符号の説明

１ 第１層
２ 第２層
３ シリンダーライニング
４ 鋳造材料

Claims (28)

1. 少なくとも１つのシリンダーライニングと鋳造材料とを含んだ複合構造体を製造するためのシリンダーライニング固着法であって、
   シリンダーライニング（３）の外面に第１層（１）と第２層（２）とを形成するステップであって、第２層よりも高い融点を有した第１層をシリンダーライニングの第１端の領域に形成し、第２層を第２端の領域に形成するステップと、
   シリンダーライニング（３）を、第１端が鋳造材料の堰領域の側となり、第２端が堰領域とは反対側となるように鋳型内で配置するステップと、
   シリンダーライニング（３）を鋳造材料（４）で固着させるステップであって、前記堰領域に近い相対的に高温の鋳造材料が第１層（１）と接合し、前記堰領域から離れるに連れて表面温度が降下する相対的に低温の鋳造材料が第２層（２）と接合するように、鋳造材料（４）の表面温度に応じ、第１層及び第２層によってシリンダーライニングを接合させるステップと、
   を含んで成ることを特徴とする方法。
2. 第１層と第２層は部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 第１層と第２層は溶射法で提供されていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 第１層と第２層はアークワイヤー溶射法で提供されていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. シリンダーライニングは、片状黒鉛鋳鉄、バーミキュラー黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、可鍛鋳鉄、鋼、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム合金及びアルミニウムで成る群から選択される材料を含んだ基部構造体を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 基部構造体は、遠心鋳造法または砂鋳造法により、片状黒鉛鋳鉄、バーミキュラー黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄または可鍛鋳鉄から製造されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 基部構造体は、射出成型法、押出し成型法及び重力鋳造法により鋼から製造されることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 基部構造体は、射出成型法、押出し成型法及び重力鋳造法によりアルミニウムまたはアルミニウム合金から製造されることを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 基部構造体は、遠心鋳造法、加圧ダイキャスト法及び重力鋳造法によりアルミニウムまたはアルミニウム合金から製造されることを特徴とする請求項５記載の方法。
10. 第１層はアルミニウムまたはアルミニウムとシリコンによるアルミニウム合金から選択されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 第２層の材料は４００℃から６００℃の融点を有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 第２層の材料は４５０℃から５５０℃の融点を有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
13. 第２層の材料は４７０℃から４８５℃の融点を有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
14. 第２層はアルミニウム合金と亜鉛とで成る群から選択されることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. アルミニウム合金はアルミニウムと亜鉛の合金、アルミニウムとマグネシウムの合金またはアルミニウムとスズの合金であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. アルミニウム合金はＡｌＺｎ５ＭｇＣｒであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
17. 鋳造材料はアルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合金及びアルミニウム合金で成る群から選択されることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
18. 重力鋳造法が利用されていることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. シリンダーライニングはテーパ形状または錐形状を有しており、鋳造材料の堰領域の側となるシリンダーライニングの端部の断面が該堰領域の反対側の端部の断面よりも小さくなるように鋳型内で配置されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の方法。
20. 外面に第１層（１）と第２層（２）とを有したシリンダーライニング（３）であって、第１層はシリンダーライニングの第１端の領域に提供され、第２層は第２端の領域に提供され、
    第１層（１）の材料は第２層（２）の材料よりも高い融点を有していることを特徴とするシリンダーライニング。
21. シリンダーライニングは、片状黒鉛鋳鉄、バーミキュラー黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、可鍛鋳鉄、鋼、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム及びアルミニウム合金で成る群から選択される材料を含んだ基部構造体を有していることを特徴とする請求項２０記載のシリンダーライニング。
22. 第１層はアルミニウムあるいはアルミニウムとシリコンのアルミニウム合金で成る群から選択されることを特徴とする請求項２０または２１に記載のシリンダーライニング。
23. 第２層はアルミニウム合金と亜鉛で成る群から選択されることを特徴とする請求項２０から２２のいずれかに記載のシリンダーライニング。
24. 第２層のアルミニウム合金はＡｌＺｎ５ＭｇＣｒであることを特徴とする請求項２０から２３のいずれかに記載のシリンダーライニング。
25. 第２層の材料は４００℃から６００℃の融点を有していることを特徴とする請求項２０から２４のいずれかに記載のシリンダーライニング。
26. 第２層の材料は４５０℃から５５０℃の融点を有していることを特徴とする請求項２０から２４のいずれかに記載のシリンダーライニング。
27. 第２層の材料は４７０℃から４８５℃の融点を有していることを特徴とする請求項２０から２４のいずれかに記載のシリンダーライニング。
28. シリンダーライニングはテーパ形状または錐形状であり、及び／又は外面に溝が提供されていることを特徴とする請求項２０から２５のいずれかに記載のシリンダーライニング。

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