JP4659344B2

JP4659344B2 - 複合部材の製造方法

Info

Publication number: JP4659344B2
Application number: JP2003201343A
Authority: JP
Inventors: 健司播磨; 晃弘勝矢; 透白石
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; Subaru Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP2004001099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダブロックに鋳込まれる複合部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの重量軽減を図るために、アルミ合金を鋳造成形したシリンダブロックが知られている。このシリンダブロックには、複数のジャーナル部が設けられており、これらに介装された軸受メタルによって鉄製のクランク軸が軸支されている。そして、エンジン作動時には、シリンダ内における混合気の燃焼により発生した熱がジャーナル部に伝達される。ジャーナル部の温度が上昇すると、アルミ合金と鉄との熱膨張率の差によって、アルミ合金製のジャーナル部と鉄製のクランク軸との間のクリアランス（隙間）が大きくなる。その結果、車両走行時における振動や騒音の発生を招く。
【０００３】
そこで、例えば、特開平１０−１５９６４８号公報には、個々の軸受部（ジャーナル部）に、低熱膨張率、高剛性、かつ軽量なアルミ合金製のベアリングキャップを、超音波はんだ付により接合した構成が開示されている。また、一例として、ベアリングキャップの材質が繊維強化アルミニウム合金である点も開示されている。ベアリングキャップは、ジャーナル部と同じ幅を有し、ジャーナル部毎に一つのベアリングキャップが接合されている。このような構成では、ベアリングキャップを低熱膨張率のアルミニウム合金製とすることにより、それとクランク軸との熱膨張率の差を小さくできる。したがって、温度変化に拘わらず、クランク軸と軸受面との間のクリアランスが適切に保たれるため、振動や騒音の問題を解決できる。
【０００４】
また、特開２０００−２０５０３７号公報には、アルミ合金製のシリンダブロックの左右の外側壁を連結し、かつ、クランク軸のジャーナル部をなす個々のバルクヘッドに、強化繊維からなり左右の外側壁を横断するプリフォームを鋳込んだ構成が開示されている。それぞれのバルクヘッドに、その左右全長に亘るような形状を有する単一のプリフォームを鋳込む。これにより、プリフォームが鋳込まれた領域が繊維強化金属（ＦＲＭ）化されるため、バルクヘッドが高剛性化される。その結果、左右の外側壁の振動が抑制されるとともに、軸受面の熱膨張も抑えられる。
【０００５】
一方、繊維強化金属よりなる複合部材を鋳包む手法に関しては、以下の技術が知られている。まず、特開２０００−３８６４５号公報には、シリンダブロックの鋳型内における補強部分に、プリフォーム（繊維強化予備成形体）を配置した上で、鋳込みを行う点が記載されている。このプリフォームは、強化繊維がバインダーによって結合固定されたものである。シリンダブロックの鋳造プロセスにおいて、鋳型内にアルミ合金金属の溶湯を注湯加圧すると、この溶湯がマトリックス金属としてプリフォーム内に含浸するため、プリフォームが繊維強化金属化する。
【０００６】
また、特開平５ー３３７６３１号公報および特開平９−１２２８８８号公報には、アルミ系のマトリックス金属で繊維強化金属化した被鋳包み材（金属基複合材料）を金型内に配置した上で、マトリックス金属と同系のアルミ合金溶湯を注湯する点が記載されている。これにより、被鋳包み材がマトリックス金属と同種の金属によって良好に鋳包まれるため、両者の接合強度が向上する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、クランク軸を軸支するジャーナル部は、混合気の燃焼により発生した衝撃的な高荷重を直接受けるため、十分な強度・剛性が要求される。しかしながら、上述した特開２０００−２０５７０３７号公報のように、バルクヘッドの左右全長に亘るような形状を有する単一のプリフォームを鋳込む手法では、ジャーナル部に要求される強度・剛性を確保できない可能性がある他、製造された製品間で熱膨張のばらつきが生じやすい。なぜなら、個々のジャーナル部に単一のプリフォームを鋳込む場合、プリフォーム自体の体積が大きくなるため、鋳込まれたプリフォームの内部までアルミ溶湯が十分に含浸せず、空孔が生じるケースが想定されるからである。一方、プリフォームの体積を小さくした場合、かかる不都合は回避できる反面、クランク軸と軸受面との間のクリアランスを適切に保つという本来の目的を達成することが困難になる。
【０００９】
本発明の目的は、量産性に優れ、製造された製品間で特性のばらつきが少ない複合部材の新規な製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、強化繊維材がマトリックス金属で繊維強化金属化された複合部材の製造方法を提供する。この製造方法は、強化繊維材によって構成され、所定の板厚を有するシート状のプリフォームを形成するステップと、プリフォームにマトリックス金属を含浸させることにより、強化繊維材が繊維強化金属化された複合材シートを形成するステップと、複合材シートを所定の形状に分割することにより、同一のプレート形状を有する複数の複合部材を得るステップとを有する。複合部材は、シリンダブロックに鋳込まれ、クランク軸を軸支するジャーナル部のクリアランス調整部材として用いられる。
【００１３】
ここで、本発明において、上記プリフォームを形成するステップは、複数の金属細線を所定の間隔でメッシュ状に並べることにより、金網メッシュを形成するステップと、金網メッシュを板厚方向に多層化することにより、プリフォームを得るステップとを有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明において、複合部材は、クランク軸を軸支可能な半円形状の軸支面を有し、シリンダブロックは、アルミ合金製であって、マトリックス金属は、アルミまたはアルミ合金であって、クランク軸は、鉄製であって、強化繊維材は、Ｆｅ−Ｃｒ系またはＦｅ−Ｍｎ系の金属細線であることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、水平対向４気筒エンジンの要部展開図である。左右のシリンダブロック１，２は、アルミ合金（例えば、熱膨張率が21.0×10^-6／℃）により別個に鋳造成形される。左シリンダブロック１には、中央部が半円状の切欠部を有する複数の左側ジャーナル部３が設けられているとともに、右シリンダブロック２には、同様の切欠部を有する複数の右側ジャーナル部４が設けられている。これらのジャーナル部３，４のそれぞれには、軸受メタル５，６が介装されている。クランク軸７は、左右の半円状の切欠部に介装された軸受メタルを軸受面としてクランク軸７を挟み込むことにより、軸支されている。一例として、このクランク軸７は、炭素0.5％を含有する鉄等の鋼材（熱膨張率：12.0×10^-6／℃）で形成されている。クランク軸７は、シリンダ内における混合気の燃焼によるピストンの往復運動がコンロッド８を介して伝達されることにより回転する。この回転時において、ジャーナル部３，４は、大きな衝撃的な高荷重を常時受けると共に、混合気の燃焼熱の伝搬により熱膨張する。
【００１６】
図２は、右シリンダブロック２におけるクランクジャーナル構造の上面図であり、図３は、ジャーナル部４の拡大斜視図である。なお、左シリンダブロック１についても同様のクランクジャーナル構造を有しているため、ここでの説明を省略する。
【００１７】
シリンダブロック２に設けられた５つのジャーナル部４は、クランク軸７の軸方向Ｌに対して直角に横断するように延在しており、ジャーナル部４のそれぞれに設けられた半円状の軸支面９の中心は軸方向Ｌと一致している。また、それぞれのジャーナル部４には、３つの繊維強化金属領域１０が並列に設けられている。この繊維強化金属領域１０は、高強度の強化繊維材を含んでおり、アルミ合金と一体的に複合して繊維強化金属化（ＦＲＭ化）された領域である。本実施形態では、強化繊維材は、例えば、熱膨張率が11.6×10^-6／℃のＦｅ−Ｃｒ系耐熱鋼材（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ）で、線径0.1mm程度の金属細線を用いている。また、熱膨張率が8.8×10^-6／℃のＦｅ−Ｍｎ系耐熱鋼材（Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ）で、線径0.1mm程度の金属細線を用いててもよい。ただし、適用可能な強化繊維材は、これらに限定されるものではなく、強化繊維材として周知な各種材料を用いてもよい。
【００１８】
隣接した繊維強化金属領域１０は、繊維強化金属化されていないアルミ合金を介して、互いに離間している。また、それぞれの繊維強化金属領域１０は、同一のプレート幅Ｗ１を有するプレート形状を有しており、軸方向Ｌを横断する方向に配向されている。このような繊維強化金属領域１０のサンドイッチ構造によって、図４に示すジャーナル部４とクランク軸７との間のクリアランスＤの変化を有効に調整・保持できる。なお、クリアランスを適切に保つという観点でいえば、それぞれの繊維強化金属領域１０は、クランク軸７の軸方向Ｌと直角方向に配向されることが特に好ましい。
【００１９】
あるジャーナル部４における３つの繊維強化金属領域１０のいずれも、ジャーナル部４の上面を除く外周囲において、十分な肉を残すアルミ合金で埋設されている。換言すれば、繊維強化金属領域１０は、ジャーナル部４における軸方向Ｌの端部に露出していない。これにより、繊維強化金属領域１０は、軸方向Ｌの両側からアルミ溶湯が含浸してくるため、後述する空孔の発生を効果的に抑制できる。
【００２０】
つぎに、上述した構造を有するシリンダブロック１，２の鋳造方法について説明する。繊維強化金属領域１０のサンドイッチ構造は、シリンダブロック１，２を鋳造する際に、複合部材（強化繊維材をマトリックス金属によって繊維強化金属化した部材）を鋳込むことによって得られる。図５は、かかる複合部材の製造プロセスの説明図である。なお、同図は、一枚のプリフォーム２０から１６個の複合部材２２を同時に作成する例を示している。
【００２１】
まず、強化繊維材の綿状の固まりを圧縮成形し、所定の空孔率を有するシート状のプリフォーム２０を生成する（同図（ａ））。プリフォーム２０の形成ベースとなる綿状の固まりは、ジャーナル部３，４の熱膨張を調整するために選択された強化繊維材である金属細線で構成されている。ここで、「空孔率」とは、プリフォーム２０の単位体積当たりに占める空孔（未充填部分）の体積比率をいう。後述するように、プリフォーム２０中の空孔にマトリックス金属が含浸することによりプリフォーム２０がＦＲＭ化するため、空孔率はＦＲＭの強度・剛性、熱膨張率を決定する重要な要素の一つとなる。したがって、綿状の金属細線の圧縮の程度を適切にコントロールして、所定の空孔率を有するプリフォーム２０を形成する。
【００２２】
なお、以上のような観点でいえば、空孔率の他にも、金属細線の材料、線径、シート重量、シート形状、鋳込むシートの枚数、シート間隔等も重要であり、要求されるジャーナル部４の仕様（強度・剛性、熱膨張率等）に鑑みて、これらの要素も考慮されるべきである。また、強化繊維材としては、長繊維または短繊維のいずれを用いてもよいが、生成されるプリフォーム２０は、全体的に均一な空孔率が得られるように加工する必要がある。
【００２３】
また、このプリフォーム２０は、図６に示す手順で作成してもよい。まず、長繊維である金属細線を、所定の間隔で縦横に、換言すれば、メッシュ状に並べることにより、金網メッシュ２３を形成する（同図（ａ））。そして、金網メッシュ２３を板厚方向に積層し、多層化することによって、プリフォーム２０を作成する。この手法によれば、金網メッシュ２３の調整等で空孔率を容易に設定することができ、かつ、比較的均一な空孔率を有するプリフォーム２０を容易に得ることができる。このことは、クリアランス調整のばらつきを小さくできる点で有利である。
【００２４】
つぎに、先の工程で作成されたプリフォーム２０に、シリンダブロック１，２と同系金属であるマトリックス金属（アルミまたはアルミ合金）を加圧鋳造法によって鋳込む。これにより、プリフォーム２０中に存在する無数の空孔に、マトリックス金属が十分に含浸するため、強化繊維材が繊維強化金属化された複合材シート２１が得られる（図５（ｂ））。
【００２５】
そして、所定の厚さＷ１となるように複合材シート２１に機械加工を施した後、プレス等によって、複合材シート２１を図５（ｂ）に示した点線に沿って分割する。これにより得られる個々のピースは、同一のプレート形状を有しており、クランク軸７を軸支可能な半円形状の軸支面２４を有している。個々のピースは、シリンダブロックに鋳込まれる複合部材２２として用いられる。上述したように、均一な空孔率を有する一枚のプリフォーム２０をベースとして、１６個の複合部材２２を同時に作成する。したがって、強化繊維材をマトリックス金属で繊維強化金属化した複合部材２２は、ほぼ同様の強度・剛性特性およびほぼ同様の熱膨張率特性を有する。
【００２６】
以上の製造プロセスで製造された複合部材２２は、シリンダブロック１，２を鋳造成形する際に、クリアランス調整部材としてジャーナル部３，４に鋳込まれる。具体的には、シリンダブロック２の鋳型内におけるジャーナル部３，４の形成部分に、クランク軸７の軸方向Ｌにおいて互いに離間した状態で、複数の複合部材２２を等間隔で配置する。なお、ジャーナル部４の形状が複雑な場合には、温度上昇に伴う熱膨張を考慮して、複合部材２２を不等間隔で鋳込み、ジャーナル部３，４の熱膨張をコントロールする。
【００２７】
つぎに、マトリックス金属と同系の金属（すなわち、アルミ合金）を溶融した溶湯を鋳型内に流し込んで、複合部材２２を鋳包む。そして、一般的な鋳造プロセスと同様に、冷却・凝固したら鋳型を開いて製品を取り出し、これを仕上げることによって、シリンダブロック１，２が完成する。
【００２８】
このように、本実施形態に係るシリンダブロック１，２の鋳造方法によれば、繊維強化金属領域１０のサンドイッチ構造を効率的に製造できる。そして、製造されたシリンダブロック１，２では、強度・剛性を維持しながら、車両走行時における振動や騒音の発生を低減することができる。また、一つのジャーナル部３，４に複数の繊維強化金属領域１０を離間して形成されるため、複数の繊維強化金属領域１０（複合部材２２）における全体的な表面積を大きくすることができる。これにより、強化繊維とマトリックス金属との界面の面積も大きくなるため、界面全体としての強度が向上する。また、個々の繊維強化金属領域１０については、軸受部位を除く全周がアルミ合金と接合しているので、十分な接合強度が確保される。その結果、ジャーナル部３，４に要求される強度・剛性とクリアランス調整とを高いレベルで両立できる。
【００２９】
一例として、繊維強化金属領域１０のプレート幅Ｗ１の総和（３×Ｗ１）が、ジャーナル部３，４のジャーナル幅Ｗ２の半分以上を占める構造では、軸支面９付近における繊維強化金属領域１０の体積比率が50％以上となる（熱膨張率は約16.4×10^-6／℃以下）。これにより、ジャーナル部３，４の強度・剛性の確保と、クリアランスのコントロールとの高い次元で両立でき、実効性のあるものにすることができる。
【００３０】
また、上述した製造方法で複合部材２２を製造すれば、多数の複合部材２２を効率的に製造でき、かつ、個体間における特性のばらつきを有効に抑えることができる。すなわち、本実施形態では、空孔率が均一なプリフォーム２０をベースに複合材シート２１を形成し、この複合材シート２１から複数の複合部材２２が得られるため、量産性に優れている。それとともに、ベースとなるプリフォーム２０の空孔率をほぼ均一に設定できるため、そこから得られる個々の複合部材２２の強度・剛性、熱膨張率はほぼ一様となる。
【００３１】
さらに、各ジャーナル部４には、プレート形状を有する複合部材２２を複数鋳込むため、一枚当たりの複合部材２２の厚さＷ１は、ジャーナル部３，４のジャーナル幅Ｗ２に対して薄くすることができる（図３参照）。したがって、個々の複合部材２２の体積を小さくすることができるため、複合部材２２の周囲から内部にアルミ溶湯が十分に含浸する。その結果、内部に空孔が殆ど存在せず、かつ、アルミ合金と強化繊維材とが強固に結合した密着性の高い繊維強化金属領域１０が形成される。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、水平対向エンジンに適用した例について説明したが、本発明に係るクランクジャーナル構造はこれに限定されるものではなく、各種のシリンダブロックに適用可能である。例えば、直列エンジンのように、シリンダブロックとクランクロアケースとによってクランク軸を軸支する構造や、シリンダブロックとベアリングキャップとによってクランク軸を軸支する構造に適用してもよい。
【００３３】
また、本発明は、鉄製のクランク軸を軸支するアルミ合金製のジャーナル部を有するクランクジャーナル構造に限定されるものではなく、熱膨張率が異なる各種の異種金属部材の組み合わせに対して、広く適用することができるのは当然である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、シリンダブロック等に鋳込まれる複合部材は、空孔率がほぼ均一なシート状のプリフォームをベース材とし、それを繊維強化金属化した複合材シートより製造される。また、一枚の複合材シートより複数の複合部材を製造することができる。したがって、複合部材の量産性を高めることができると共に、個体間の特性のばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水平対向４気筒エンジンの要部展開図
【図２】クランクジャーナル構造の上面図
【図３】ジャーナル部の拡大斜視図
【図４】クランク軸とジャーナル部との間のクリアランスの説明図
【図５】複合部材の製造プロセスの説明図
【図６】プリフォームの作成手法の説明図
【符号の説明】
１左シリンダブロック、
２右シリンダブロック、
３左側ジャーナル部、
４右側ジャーナル部、
５，６軸受メタル、
７クランク軸、
８コンロッド、
９軸支面、
１０繊維強化金属領域、
２０プリフォーム
２１複合材シート、
２２複合部材、
２３金網メッシュ、
２４軸支面

Claims

強化繊維材がマトリックス金属で繊維強化金属化された複合部材の製造方法において、
強化繊維材によって構成され、所定の板厚を有するシート状のプリフォームを形成するステップと、
前記プリフォームにマトリックス金属を含浸させることにより、前記強化繊維材が繊維強化金属化された複合材シートを形成するステップと、
前記複合材シートを所定の形状に分割することにより、同一のプレート形状を有する複数の複合部材を得るステップとを有し、
前記複合部材は、シリンダブロックに鋳込まれ、クランク軸を軸支するジャーナル部のクリアランス調整部材として用いられることを特徴とする複合部材の製造方法。
上記プリフォームを形成するステップは、
複数の金属細線を所定の間隔でメッシュ状に並べることにより、金網メッシュを形成するステップと、
前記金網メッシュを板厚方向に多層化することにより、前記プリフォームを得るステップと
を有することを特徴とする請求項１に記載された複合部材の製造方法。
前記複合部材は、クランク軸を軸支可能な半円形状の軸支面を有し、
前記シリンダブロックは、アルミ合金製であって、
前記マトリックス金属は、アルミまたはアルミ合金であって、
前記クランク軸は、鉄製であって、
前記強化繊維材は、Ｆｅ−Ｃｒ系またはＦｅ−Ｍｎ系の金属細線であることを特徴とする請求項１または２に記載された複合部材の製造方法。