JP5147025B2 - Iron-based preform and journal structure for forming metal matrix composites - Google Patents
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Description
本発明は、金属基複合材(Metal Matrix Composite:以下、頭文字をとってMMCと言う)の形成に用いるアルミニウム系合金による鋳包み性に優れた金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及びジャーナル部構造に関する。 The present invention relates to an iron-based preform and journal for forming a metal-based composite material, which is excellent in castability with an aluminum-based alloy used for forming a metal matrix composite (hereinafter referred to as MMC). Regarding the part structure.
従来、例えば車両用エンジンにおいては、重量軽減を図るためアルミニウム系合金を鋳造したシリンダブロックが広く使用されている。このようなエンジンにおいてはアルミニウム系合金(熱膨張係数:21.0×10−6/℃程度)よりなるシリンダブロックにジャーナル部を形成し、このジャーナル部に軸受メタルを介装して鉄系材料のクランクシャフト(熱膨張係数:9×10−6〜12×10−6/℃程度)を軸支すると、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、ジャーナル部の温度が上昇して鉄系材料のクランクシャフトとアルミニウム系合金からなる母材との熱膨張係数の差により、軸受メタルが介在するジャーナル部の軸受面とクランクシャフトとの間のクリアランスが過大になって車両走行時に振動や騒音の発生を招くことになる。 Conventionally, for example, in a vehicle engine, a cylinder block in which an aluminum alloy is cast is widely used in order to reduce weight. In such an engine, a journal part is formed in a cylinder block made of an aluminum-based alloy (thermal expansion coefficient: about 21.0 × 10 −6 / ° C.), and a bearing metal is interposed in the journal part to make an iron-based material. If the crankshaft (coefficient of thermal expansion: 9 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / ° C.) is supported, the heat generated by the combustion of the air-fuel mixture in the cylinder is transmitted to the journal when the engine is operating. The clearance between the bearing surface of the journal part where the bearing metal intervenes and the crankshaft is excessive due to the difference in the thermal expansion coefficient between the crankshaft made of iron-based material and the base material made of aluminum-based alloy due to the rise in the temperature of the part As a result, vibration and noise are generated when the vehicle travels.
そこで、例えば、水平対向4気筒エンジンのクランクシャフトを軸支するジャーナル部にあっては、アルミニウム系合金からなる左右のシリンダブロックにそれぞれ中央部が半円弧状に凹設された軸受面を有するジャーナル部に、シリンダブロックの鋳造時に鉄系粉末焼結体からなる鉄系プリフォームを鋳包みして鉄系プリフォームをMMC化することにより、母材となるシリンダブロックのアルミニウム系合金を変更することなくジャーナル部に必要な熱膨張係数を得るようにしている。 Therefore, for example, in a journal portion that supports a crankshaft of a horizontally opposed four-cylinder engine, a journal having a bearing surface in which a central portion is recessed in a semicircular arc shape on each of left and right cylinder blocks made of an aluminum alloy. To change the aluminum alloy of the cylinder block that becomes the base material by casting the iron preform made of iron-based powder sintered body into the part and casting the iron-based preform into MMC. The thermal expansion coefficient necessary for the journal portion is obtained.
ところが、アルミニウム系合金の母材の一部または全部をMMC化する場合、一般的に鋳造法、特に高速・高圧鋳造法(High Pressure Die Casting:以下、頭文字をとってHPDCと言う)を用いて界面の接合強度を確保し、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームにアルミニウム系合金を容易に溶浸させて密着性を安定的に確保することは極めて困難である。また、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームをアルミニウム系合金で鋳包む際には、鋳包み後のアルミニウム系合金溶湯の溶浸状態が機械的特性や物理的特性に大きく影響することが知られており、このような影響を少なくするために鋳造条件が制約されることが多い。 However, when part or all of the base material of the aluminum-based alloy is made into MMC, generally a casting method, particularly a high-speed / high-pressure casting method (High Pressure Die Casting: hereinafter referred to as HPDC) is used. Thus, it is extremely difficult to ensure the adhesion strength at the interface and to ensure stable adhesion by easily infiltrating the aluminum-based alloy into the preform made of the iron-based powder sintered body. It is also known that when a preform made of an iron-based powder sintered body is cast with an aluminum-based alloy, the infiltration state of the molten aluminum-based alloy after casting is greatly affected by mechanical and physical properties. In many cases, the casting conditions are limited to reduce such influence.
一方、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームの組織を基地中に遊離Cu相が分散した組織とし、更にショットブラスト処理或いは更に水蒸気処理を施し、プリフォームの表面粗さを特定の粗さ範囲とすることにより、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームとアルミニウム系合金の溶湯との濡れ性が向上してアルミニウム系合金による鋳包み性が向上し、アルミニウム系合金からなる母材と鉄系プリフォームとの接合強度が向上することが知られている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, the preform structure made of the iron-based powder sintered body is made into a structure in which the free Cu phase is dispersed in the base, and further subjected to shot blast treatment or further steam treatment, and the surface roughness of the preform is within a specific roughness range. As a result, the wettability between the preform made of the iron-based powder sintered body and the molten aluminum alloy is improved, and the castability of the aluminum-based alloy is improved. It is known that the bonding strength with the preform is improved (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献1によると、Cuが固溶して鉄系粉末焼結材からなるプリフォームの強度を増加させると共に、遊離Cu相として基地中に析出してプリフォームがアルミニウム系合金で鋳包まれる際にアルミニウム系合金と反応して界面の接合強度を増加させることができる。
According to
しかし、アルミニウム系合金によって鋳包みする際に、プリフォームの形状や仕様等に起因してプリフォームと母材との界面が一定の接合強度に達する前に、プリフォームを鋳包むアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する応力が加わると界面の密着が不安定になり、かつ界面に隙間が発生して接合強度が不安定になることが懸念される。これらの界面における接合強度の不安定や、隙間の発生等の現象は、HPDCのように急冷凝固を伴う場合に顕著である。 However, when casting with an aluminum alloy, the aluminum alloy melt that casts the preform before the interface between the preform and the base metal reaches a certain bonding strength due to the shape and specifications of the preform. When stress generated during solidification and shrinkage is applied, adhesion at the interface becomes unstable, and there is a concern that a gap is generated at the interface and bonding strength becomes unstable. Phenomena such as instability of bonding strength at these interfaces and generation of gaps are remarkable when rapid solidification is involved as in HPDC.
ジャーナル部においてアルミニウム系合金からなる母材とプリフォームとの界面に隙間があると、母材とプリフォームとの間の熱伝導効率が低下してジャーナル部の周方向において熱伝導率のバラツキが発生する。このバラツキによりジャーナル部が均等に膨張しなくなり、ジャーナル部の軸受面による軸受メタルの支持が不安定になりクランクシャフトと軸受メタルとの間の摩擦係数が高くなる。この摩擦係数の増加すなわち摩擦抵抗の増大に起因して軸受メタルの摩耗が激しくなりエンジンの燃費、性能、耐久性等が低下する要因となる。 If there is a gap at the interface between the preform made of an aluminum-based alloy and the preform in the journal part, the heat conduction efficiency between the preform and the preform will decrease, and the thermal conductivity will vary in the circumferential direction of the journal part. Occur. Due to this variation, the journal portion does not expand evenly, the support of the bearing metal by the bearing surface of the journal portion becomes unstable, and the coefficient of friction between the crankshaft and the bearing metal increases. Due to the increase in the friction coefficient, that is, the increase in frictional resistance, the wear of the bearing metal becomes intense, which causes a decrease in engine fuel consumption, performance, durability, and the like.
更に、ジャーナル部においてプリフォームと母材との界面に隙間があると、ジャーナル部の軸受面を機械加工する際に、薄肉に形成された該部が加工時の負荷により弾性変形してジャーナル部の加工精度が低下する。 Furthermore, if there is a gap at the interface between the preform and the base material in the journal part, when the bearing surface of the journal part is machined, the thin part is elastically deformed by the load during processing and the journal part The machining accuracy is reduced.
また、界面に隙間が存在すると、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームを鋳包むアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する残留応力や熱膨張の差によって高い負荷による応力集中が起こり、アルミニウム系合金部、即ち母材が破損することがある。 Also, if there is a gap at the interface, stress concentration due to high load occurs due to the difference in residual stress and thermal expansion that occurs during solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy that casts the preform made of iron-based powder sintered body, and aluminum A system alloy part, ie, a base material, may be damaged.
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の第1の目的は、アルミニウム系合金による鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる金属基複合材形成用鉄系プリフォームを提供することにある。また、第2の目的はこの鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造を提供することにある。 Accordingly, a first object of the present invention made in view of such points is to provide an iron-based preform for forming a metal matrix composite that is excellent in castability by an aluminum-based alloy and can ensure stable interfacial bonding strength and adhesion. There is. A second object is to provide a journal structure having this iron-based preform.
上記第1の目的を達成する請求項1に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームの発明は、断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至U字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設され、上記貫通孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。
The invention of the iron-based preform for forming a metal matrix composite material according to
請求項1の発明によると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する貫通孔を穿設し、かつこの貫通孔の内面に表面積拡大処理を施すことによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに、内面に表面積拡大処理より貫通孔の内面の面積を増大させて貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大して内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。
According to the invention of
更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動の抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。 Furthermore, with the suppression of the movement of the molten aluminum alloy during solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy, it is possible to prevent the formation of a gap at the interface between the base metal and the iron-based preform, and to ensure stable interfacial bonding strength and adhesion. it can.
請求項2に記載の発明は、請求項1の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体の内周面及び/または外周面に開口する有底孔が穿設されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the iron-based preform for forming a metal matrix composite according to the first aspect, a bottomed hole that opens to the inner peripheral surface and / or the outer peripheral surface of the preform body is formed. It is characterized by that.
請求項2の発明によると、プリフォーム本体の内周面及び/または外周面に開口する有底孔を穿設することで、有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、内周面や外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されて内周面や外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。この有底孔は貫通孔に比べ穿設の制約が少なく、貫通孔の穿設が制限される部位でも有底孔を穿設することができる。
According to the invention of
請求項3に記載の発明は、請求項2の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the iron-based preform for forming a metal matrix composite according to the second aspect, a surface area enlargement process is performed on the inner surface of the bottomed hole.
請求項3に記載の発明によると、有底孔の内面に表面積拡大処理により貫通孔の内面の面積を増大させて、有底孔内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大する。 According to the third aspect of the present invention, the inner surface of the bottomed hole is increased in surface area by a surface area expansion process, and due to the shrinkage stress caused by the solidification and shrinkage of the molten aluminum-based alloy that has entered the bottomed hole. Drag increases.
請求項4に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームの発明は、断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至U字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、内周面及び/または外周面に開口する有底孔が穿設され、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。 The invention of the iron-based preform for forming a metal matrix composite according to claim 4 is casted with an aluminum-based alloy base material having a semicircular cross section and having a concave surface continuously formed along the direction in which the central axis extends. An iron-based preform for forming a metal matrix composite comprising a preform body having a semicircular arc or a U-shaped cross section along the concave surface and having an inner peripheral surface and an outer peripheral surface that are continuous along the extending direction of the central axis. The preform body is characterized in that a bottomed hole that opens to the inner peripheral surface and / or the outer peripheral surface is formed, and a surface area enlargement process is performed on the inner surface of the bottomed hole.
請求項4に記載の発明によると、プリフォーム本体の内周面及び/または外周面に開口する内面に表面積拡大処理が施され有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による内周面及び外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面及び外周面に沿う移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、凝固及び収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。 According to the fourth aspect of the present invention, the shrinkage stress due to solidification and shrinkage of the molten aluminum-based alloy that has been subjected to surface area expansion treatment on the inner peripheral surface and / or the inner surface opened to the outer peripheral surface of the preform body and entered the bottomed hole. The drag due to the solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy is dispersed and received by the drag caused by the aluminum alloy melt, and the movement along the inner and outer circumferential surfaces of the molten aluminum alloy is suppressed. In addition, it is in close contact with the inner and outer peripheral surfaces, and the residual stress generated in the base material after solidification and shrinkage is relieved. Furthermore, with the suppression of the movement of the molten aluminum alloy during solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy, it is possible to prevent the formation of gaps at the interface between the base material and the iron-based preform, and excellent in castability and stable interface bonding. Strength and adhesion can be secured.
請求項5に記載の発明は、請求項4の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設されていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the iron-based preform for forming a metal matrix composite according to the fourth aspect, the preform body has a through-hole communicating the inner peripheral surface and the outer peripheral surface. It is characterized by that.
請求項5の発明によると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する貫通孔を穿設することによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大して内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。 According to the invention of claim 5, the preform body was poured into the outer peripheral surface side of the iron-based preform in the casting step by drilling a through hole that communicates the inner peripheral surface and the outer peripheral surface. The molten aluminum alloy penetrates into the inner peripheral surface side along the surface of the iron-based preform, and is supplied from the outer peripheral surface side to the inner peripheral surface side through the through hole, so that good hot-rollability is obtained. Also, contraction stress acts along the inner peripheral surface during solidification and contraction of the molten aluminum alloy poured between the semicircular arc-shaped concave surface and the inner peripheral surface of the iron-based preform, and on the outer peripheral surface side. When the shrinkage stress acts along the outer peripheral surface due to the solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy molten metal, the inner peripheral surface increases due to the drag due to the shrinkage stress due to the solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy that has entered the through hole. In addition, the shrinkage stress along the outer peripheral surface is dispersed and received, the movement of the molten aluminum alloy is suppressed, and the residual stress generated in the base material after the shrinkage is relieved by being in close contact with the inner peripheral surface and the outer peripheral surface.
上記第2の目的を達成する請求項6に記載のジャーナル部構造の発明は、上記請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームを、上記プリフォーム本体の内周面に沿う断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みしたことを特徴とする。
The invention of the journal part structure according to claim 6, which achieves the second object, is characterized in that the iron-based preform for forming a metal matrix composite according to any one of
請求項6によると、鉄系プリフォームを、鉄系プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金からなる母材で鋳包みして形成したジャーナル部は、鉄系材料のシャフトとの熱膨張係数の差が小さくなり、ジャーナル部の温度が上昇してもシャフトと軸受面とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、シャフトの回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。 According to claim 6, the iron-based preform is cast with a base material made of an aluminum-based alloy having a concave bearing surface continuously formed in a semicircular cross section along the inner peripheral surface of the iron-based preform. The formed journal part has a smaller difference in thermal expansion coefficient from the shaft of ferrous material, and even if the temperature of the journal part rises, the clearance between the shaft and the bearing surface can be kept within an allowable range. Generation of vibration and noise during rotation can be prevented.
更に、鉄系プリフォームの内周面における界面の隙間の発生が防止され、母材と鉄系プリフォームとの熱伝導効率が向上してジャーナル部の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部の軸受面側が均等に膨張して真円度が確保される。これにより、シャフトとの間の摩擦係数の増加が抑制され、この摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。 Furthermore, the occurrence of gaps at the interface on the inner peripheral surface of the iron-based preform is prevented, the heat conduction efficiency between the base material and the iron-based preform is improved, and the thermal conductivity becomes uniform in the circumferential direction of the journal part, The bearing surface side of the journal portion is evenly expanded to ensure roundness. As a result, an increase in the coefficient of friction with the shaft is suppressed, and the fuel consumption, performance, durability, and the like of the engine can be ensured as the frictional resistance decreases.
本発明の金属基複合材形成用鉄系プリフォームによると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する内面に表面積拡大処理を施した貫通孔を穿設することによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに、貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。 According to the iron-based preform for forming a metal matrix composite according to the present invention, the preform body is formed by punching a through hole having a surface area expansion treatment on the inner surface communicating the inner peripheral surface and the outer peripheral surface. In the process, the molten aluminum alloy poured on the outer peripheral surface side of the iron-based preform enters the inner peripheral surface side along the surface of the iron-based preform, and also passes through the through hole from the outer peripheral surface side to the inner peripheral surface. It is supplied to the side to obtain good hot water circulation. Also, contraction stress acts along the inner peripheral surface during solidification and contraction of the molten aluminum alloy poured between the semicircular arc-shaped concave surface and the inner peripheral surface of the iron-based preform, and on the outer peripheral surface side. When shrinkage stress is applied along the outer peripheral surface due to solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy molten metal, the inner peripheral surface and outer periphery are affected by the drag due to the shrinkage stress due to solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy that has penetrated the through hole. The shrinkage stress along the surface is dispersed and received, and the movement of the molten aluminum-based alloy is suppressed and is closely adhered to the inner peripheral surface and the outer peripheral surface, and the residual stress generated in the base material after contraction is relieved.
また、本発明の金属基複合材形成用鉄系プリフォームによると、プリフォーム本体の内周面及び/または外周面に開口する内面に表面積拡大処理が施され有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による内周面及び外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面及び外周面に沿う移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、凝固及び収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。 In addition, according to the iron-based preform for forming a metal matrix composite of the present invention, an aluminum-based alloy that has been subjected to surface area expansion treatment on the inner peripheral surface and / or inner surface opened to the outer peripheral surface of the preform body and has entered the bottomed hole The shrinkage stress acting along the inner and outer peripheral surfaces due to the solidification and shrinkage of the aluminum alloy melt is dispersed and received by the drag due to the shrinkage stress due to the solidification and shrinkage of the molten metal, and the inner peripheral surface of the aluminum alloy melt and The movement along the outer peripheral surface is suppressed and the inner surface and the outer peripheral surface are in close contact with each other, and the residual stress generated in the base material after solidification and contraction is relieved. Furthermore, with the suppression of the movement of the molten aluminum alloy during solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy, it is possible to prevent the formation of gaps at the interface between the base material and the iron-based preform, and excellent in castability and stable interface bonding. Strength and adhesion can be secured.
本発明のジャーナル部構造によると、鉄系プリフォームを、鉄系プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金からなる母材で鋳包みして形成したジャーナル部は、鉄系材料のシャフトとの熱膨張係数の差が小さくなり、ジャーナル部の温度が上昇してもシャフトと軸受面とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、シャフトの回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。 According to the journal part structure of the present invention, an iron-based preform is cast with a base material made of an aluminum-based alloy having a concave bearing surface continuously formed in a semicircular arc shape along the inner peripheral surface of the iron-based preform. The enveloped journal part has a smaller difference in thermal expansion coefficient from the shaft made of ferrous material, and the clearance between the shaft and the bearing surface can be kept within an allowable range even when the temperature of the journal part rises. Generation of vibration and noise during rotation of the shaft can be prevented.
更に、鉄系プリフォームの内周面における界面の隙間の発生が防止され、母材と鉄系プリフォームとの熱伝導効率が向上してジャーナル部の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部の軸受面側が均等に膨張して真円度が確保される。これにより、シャフトとの間の摩擦係数の増加が抑制され、この摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。 Furthermore, the occurrence of gaps at the interface on the inner peripheral surface of the iron-based preform is prevented, the heat conduction efficiency between the base material and the iron-based preform is improved, and the thermal conductivity becomes uniform in the circumferential direction of the journal part, The bearing surface side of the journal portion is evenly expanded to ensure roundness. As a result, an increase in the coefficient of friction with the shaft is suppressed, and the fuel consumption, performance, durability, and the like of the engine can be ensured as the frictional resistance decreases.
以下、本発明による金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及び鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造の実施の形態について、水平対向4気筒エンジンのクランクジャーナル部及び該ジャーナル部に配置される鉄系プリフォームを例に図を参照して説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of an iron-based preform for forming a metal matrix composite and a journal structure having an iron-based preform according to the present invention will be described below. A crank journal portion of a horizontally opposed four-cylinder engine and an iron-based material disposed in the journal portion A preform will be described as an example with reference to the drawings.
(第1実施の形態)
図1は、第1実施の形態に係る鉄系プリフォームの概要を示す斜視図、図2は図1のI−I線断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing an outline of an iron-based preform according to the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
本実施の形態に係る金属基複合材形成用鉄系プリフォーム(以下「鉄系プリフォーム」という)1は、例えば鉄系粉体と、銅粉と、黒鉛粉と、潤滑剤粉末と或いは更に被削性改善用微細粒子粉とを混合して混合粉とした後、この混合粉を金型に装入してプレス等を用いて加圧成形し、1100〜1250℃で焼結した鉄系粉末焼結体によって形成される。なお、焼結条件は、鉄系粉末焼結体の熱膨張係数が13.5×10−6/℃以下となるように、温度、時間を調整することが好ましい。 An iron-based preform for forming a metal matrix composite (hereinafter referred to as “iron-based preform”) 1 according to the present embodiment includes, for example, iron-based powder, copper powder, graphite powder, lubricant powder, or further After mixing with fine particle powder for improving machinability to make a mixed powder, this mixed powder is charged into a mold and press-molded using a press or the like, and sintered at 1100 to 1250 ° C. It is formed by a powder sintered body. In addition, as for sintering conditions, it is preferable to adjust temperature and time so that the thermal expansion coefficient of the iron-based powder sintered body is 13.5 × 10 −6 / ° C. or less.
この鉄系プリフォーム1は、図1及び図2に示すように、中心軸芯L方向に沿って延在する半円弧状乃至U字状の内周面11及び外周面12、対向する端面13、14とを備えたプリフォーム本体10を有し、プリフォーム本体10の両端にそれぞれ半径方向に延在するフランジ部15、16が一体形成され、各フランジ部15、16には連通孔15a、16aが穿設されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the iron-based
プリフォーム本体10の内周面11は、略半円弧状で中心軸芯L方向に沿って延在する第1内周面11aと、第1内周面11aの一方端に連続形成された平面状の第2内周面11b、第2内周面11b及び第1内周面11aの他端にそれぞれ連続するとともに互いに対向する平面状の第3内周面11cと第4内周面11dを有している。一方、外周面12は、略半円弧状で中心軸芯L方向に沿って延在する第1外周面12aと、第1外周面12aの一方端に連続形成された平面状の第2外周面12b、第2外周面12b及び第1外周面12aの他端にそれぞれ連続すると共に互いに対向する平面状の第3外周面12cと第4外周面12dを有している。
An inner
プリフォーム本体10の外周面12と内周面11とを連通する貫通孔が複数穿設されている。本実施の形態では中心軸芯Lと直交する基準線Laを有して第1内周面11aと第1外周面12aの間を連通する第1貫通孔21A、基準線Laと平行な基準線Lbを有して第2内周面11bと第2外周面12bの間を連通する第2貫通孔21B、基準線Laと直交する基準線Lcを有して第3内周面11cと第3外周面12cの間を連通する第3貫通孔21C、基準線Laと直交する基準線Ldを有して第1内周面11aの第4内周面11d近傍と第4外周面12dの間を連通する第4貫通孔21Dの各貫通通孔が穿設されている。
A plurality of through holes that communicate the outer
これら第1〜第4貫通孔21A〜21Dを形成することによって、鉄系プリフォーム1の内周面11と外周面12が連通してアルミニウム系合金により鋳包みした際に湯廻りが良好になるとともに、鉄系プリフォーム1の表面積が増大してアルミニウム系合金の溶湯との密着性及び接合強度の向上が図られ、かつアルミニウム系合金溶湯が容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸して鉄系プリフォーム1のMMC化が得られる。これらの第1〜第4貫通孔21A〜21Dは金型による加圧成形時または焼結体の加工時に形成される。好ましくは金型による加圧成形時に同時に成形することにより製造の効率化が得られると共に製造コストの抑制が得られる。
By forming the first to fourth through
第1貫通孔21Aは、断面円形で基準線La方向に連続する円筒状の内面を有して内方端22Aaが第1内周面11aに開口する貫通孔本体22Aと、貫通孔本体22Aの外方端22Abに連続形成されて第1外周面12aに開口し、かつ貫通孔本体22Aの外方端22Ab側から第1外周面11a側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部23Aを有している。
The first through
第2貫通孔21Bは、断面円形で基準線Lb方向に連続する円筒状の内面を有して内方端22Baが第2内周面11bに開口する貫通孔本体22Bと、貫通孔本体22Bの外方端22Bbに連続形成されて第2外周面12bに開口し、かつ貫通孔本体22Bの外方端22Bb側から第2外周面12b側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部23Bを有している。
The second through-
第3貫通孔21Cは、断面円形で基準線Lc方向に連続する円筒状の内面を有して内方端22Caが第3内周面11cに開口する貫通孔本体22Cと、貫通孔本体22Cの外方端22Cbに連続形成されて第3外周面12cに開口し、かつ貫通孔本体22Cの外方端22Cb側から第3外周面12c側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部23Cを有している。
The third through
第4貫通孔21Dは、断面円形で基準線Ld方向に連続する円筒状の内面を有して内方端22Daが第1内周面11aに開口する貫通孔本体22Dと、貫通孔本体22Dの外方端22Dbに連続形成されて第4外周面12dに開口し、かつ貫通孔本体22Dの外方端22Db側から第4外周面12d側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部23Dを有している。
The fourth through
各貫通孔21A〜21Dの形状はMMC化する製品形状等の仕様により異なるが、各貫通孔本体22A〜22Dの内径Aは、プリフォーム本体10の厚さ、即ち内周面11から外周面12までの寸法が5〜20mmでアルミニウム系合金による鋳包みによって内周面11側に形成される後述する薄肉部38、39(図5参照)の厚さが0.5〜9.5mmのときには1〜19mmが好ましい(1mm≦A≦19mm)。また、隣接する貫通孔21の間隔B、即ち内周面11側における第1貫通孔21Aの貫通孔本体22Aの内方端22Aaと第2貫通孔21Bの貫通孔本体22Bの内方端22Baの開口中心間の間隙B、第2貫通孔21Bの貫通孔本体22Bの内方端22Baと第3貫通孔21Cの貫通孔本体22Cの内方端22Caの開口中心間の間隔B、第1貫通孔21Aの貫通孔本体22Aの内方端22Aaと第4貫通孔21Dの貫通孔本体22Dの内方端22Daの開口中心間の間隔Bは、貫通孔本体22A〜22Dの内径Aの1.5倍以上乃至5倍以下(1.5A≦B≦5A)に形成される。
The shape of each of the through
内周面11に開口する各貫通孔本体22A〜22Dの内方端22Aa〜22Daと内周面11との連続部分が滑らかに連続する曲面、いわゆるR形状或いは面取り形状に形成されている。
The continuous portions between the inner ends 22Aa to 22Da of the through-
また、第1〜第4貫通孔21A〜21Dの深さCは貫通孔本体22A〜22Dの内径Aの0.5倍以上乃至5倍以下(0.5A≦C≦5A)が好ましい。
Further, the depth C of the first to fourth through
これら、各貫通孔21A〜21Dの貫通孔本体22A〜22Dの内径A、隣接する第1〜第4貫通孔21A〜21Dの各間隔B、第1〜第4貫通孔21A〜21Dの各深さC、及び、各貫通孔本体22A〜22Dの内方端22Aa〜22Daと内周面12との連続部分の曲面形状は、MMC化する製品形状等の仕様により最適に設定するには、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定すること好ましい。
The inner diameter A of the through-
この鉄系プリフォーム1は、必要に応じてショットブラスト処理が施され、表面粗さをRzで10〜100μmとされる。このショットブラスト処理を施すことにより、表面に形成された酸化被膜等が除去されて表面が清浄化され、基地中に分散する遊離Cu相が表面に露出される。これによりアルミニウム系合金の溶湯との濡れ性が向上してアルミニウム系合金による鋳包み性が向上する。
This iron-based
このように形成された鉄系プリフォーム1は、鋳型内にセットされ、アルミニウム系合金の溶湯で鋳包むことによって、鉄系プリフォーム1にアルミニウム系合金が容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸して鉄系プリフォーム1がMMC化する。
When the iron-based
図3及び図4は、この鉄系プリフォーム1が用いられるジャーナル部の実施の形態を示すものである。本実施の形態は、水平対向4気筒エンジンのシャフト、例えばクランクシャフトを軸支するクランクジャーナル部を示すもので、図3はシリンダブロックのクランクシャフトと直交する方向の縦断面図であり、図4は図3のII矢視図である。
3 and 4 show an embodiment of a journal portion in which the iron-based
図3及び図4において、左右のシリンダブロック31、32は、アルミニウム系合金により別個に鋳造成形され、その左側のシリンダブロック31には、中央部に半円弧状に形成された凹面である軸受面34を有する複数の左側ジャーナル部33が形成されており、右側シリンダブロック32にも同様の軸受面36を有する複数の右側ジャーナル部35が形成されている。
3 and 4, the left and right cylinder blocks 31 and 32 are separately cast and formed of an aluminum alloy, and the
クランクシャフト41は、左右の各ジャーナル部33、35の軸受面34、36に半割状の軸受メタル40a、40bを介在させて挟み込ませて配設され、各ジャーナル部33、35の半円弧状の軸受面34、36に軸受メタル40a、40bを介在して軸支される。このクランクシャフト41は、鉄系材料で形成されており、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を介して伝達されることにより回転し、その回転中においてジャーナル部33、35は大きな衝撃的な荷重を常時受けると共に、混合気の燃焼による熱の伝搬により熱膨張する。
The
本実施の形態では、左右の各ジャーナル部33、35に、図1及び図2に示した構造の鉄系プリフォーム1をMMC化して設ける。各鉄系プリフォーム1は、各シリンダブロック31、32の鋳造成形時に、その鋳造型のジャーナル部形成位置に配置して鋳包み工程においてMMC化して設ける。
In the present embodiment, the iron-based
この鋳包み工程において、鉄系プリフォーム1の外周面12側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォーム1の表面に沿って鉄系プリフォーム1の内周面11側に侵入すると共に、各貫通孔21A〜21Dを経ても内周面11側に供給されて良好なアルミニウム系合金溶湯の湯廻り性が得られる。これは、特に図5に示すようにジャーナル部33、34に形成された半円弧状の軸受面34、36と鉄系プリフォーム1の内周面11との間に形成される2〜3mm程度と極めて薄い薄肉部38、39にあっても良好な湯廻り性が得られる。
In this casting process, the molten aluminum alloy poured on the outer
このジャーナル部33、35の軸受面34、36と鉄系プリフォーム1の内周面11との間の薄肉部38、39に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面11に沿って周方向に収縮応力σ1が作用し、外周面12側に注湯されたアルミニウム系合金の凝固及び収縮によっても外周面12に沿って周方向に収縮応力σ2が作用する。一方、鉄系プリフォーム1の各貫通孔21A〜21D内内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって各貫通孔21A〜21Dに沿ってそれぞれ収縮応力σ3、σ4、σ5、σ6が作用する。
The inner
これら鉄系プリフォーム1の各貫通孔21A〜21D内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ3、σ4、σ5、σ6による抗力によって、薄肉部38、39に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面11に沿って周方向に作用する収縮応力σ1が分散されて受け止められる。これにより、アルミニウム系合金溶湯の内周面11に沿う移動が抑制されると共に内周面11に密着し、収縮後のアルミニウム系合金による薄肉部38、39に生じる残留応力を軽減及び均等に分散することができ、薄肉部38、39の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
Aluminum poured into the thin-
同様に、鉄系プリフォーム1の各貫通孔21A〜21D内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ3、σ4、σ5、σ6による抗力により、鉄系プリフォーム1の外周面12側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面12に沿って作用する収縮応力σ2が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の外周面12に沿う移動が抑制されると共に外周面12に密着し、収縮後の該部に生じる残留応力を軽減及び均等に分散することができる。
Similarly, the outer
更に、アルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム系合金溶湯の鉄系プリフォーム1の内周面11及び外周面12に沿う周方向の移動の抑制及び密着に伴って、鉄系プリフォーム1とアルミニウム系合金による母材との界面における隙間の発生が防止でき、鉄系プリフォーム1の内周面11及び外周面12と薄肉部38、39を含む母材との界面強度が確保できる。
Furthermore, with the suppression and close contact of the circumferential movement along the inner
ここで、鉄系プリフォーム1は鉄系粉末焼結体からなるため空孔を有し、鋳包み時にアルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォーム1に容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸してMMC化され、MMC化された鉄系プリフォーム1の熱膨張係数と鉄系材料からなるクランクシャフト41との熱膨張係数の差が小さくなるので、ジャーナル部33、35の温度が上昇しても、クランクシャフト41と軸受面34、36とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、クランクシャフト41の回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
Here, since the iron-based
更に、鉄系プリフォーム1の内周面11及び外周面12との界面における隙間の発生を防止し、内周面11及び外周面12との界面接合強度を確保することで、母材と鉄系プリフォーム1との間の熱伝導効率が向上してジャーナル部33、35の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部33、35の軸受面34、36側が均等に膨張してジャーナル部33、35による軸受メタル40a、40bの支持が安定してクランクシャフト41と軸受メタル40a、40bとの間の摩擦係数の増加が抑制されるため、摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
Furthermore, by preventing the generation of a gap at the interface between the inner
更に、ジャーナル部33、35において薄肉部38、39と鉄系プリフォーム1との界面に隙間がなくなり、ジャーナル部33、35の軸受面34、36を機械加工する際に薄肉に形成された薄肉部38、39の加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部33、35の加工精度が向上する。
Further, there is no gap in the interface between the
ここで、第1〜第4貫通孔21A〜21D内での収縮応力σ3、σ4、σ5、σ6が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部38、39の応力σ1に対抗する拘束力が過少になり内周面11と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム1に穿設される第1〜第4貫通孔21A〜21Dの貫通孔本体22A〜22Dを内径1〜19mmの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔21A〜21Dをテーパ孔に形成した場合には、界面の密着には有利だが鉄系プリフォームの加工が困難になり製造コストの増大を招くと共に貫通孔と内周面と連続部分にアンダーカット部が形成されて収縮応力σ1に対抗する拘束力が過大になり、凝縮及び収縮時に応力集中が発生して母材、特に薄肉部38、39に破断やクラックが発生する確率が高くなる。
Here, when the shrinkage stresses σ3, σ4, σ5, and σ6 in the first to fourth through
また、貫通孔21A〜21Dの内径Aを1mmより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部38、39の応力σ1に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さく、また、ショットブラスト処理を施す場合に貫通孔の内面にショットが良好に吹き付け難く、ショットブラスト処理の効果が期待できない。
Further, if the inner diameter A of the through
一方、貫通孔21A〜21Dの内径Aを19mmより大きくすると、鉄系プリフォーム1の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ第1〜第4貫通孔21A〜21D内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、第1〜第4貫通孔21A〜21D内における母材との密着性が低下し、薄肉部38、39の応力σ1に対抗する拘束力が過少になり内周面11と母材との界面強度が不安定になる。
On the other hand, if the inner diameter A of the through
隣接する貫通孔21の間隔B、即ち内周面11側における第1貫通孔21Aの貫通孔本体22Aの内方端22Aaと第2貫通孔21Bの貫通孔本体22Bの内方端22Baの開口中心間の間隔B、第2貫通孔21Bの貫通孔本体22Bの内方端22Baと第3貫通孔21Cの貫通孔本体22Cの内方端22Caの開口中心間の間隔B、第1貫通孔21Aの貫通孔本体22Aの内方端22Aaと第4貫通孔21Dの貫通孔本体22Dの内方端22Daの開口中心間の間隔Bが、内径Aの1.5倍より小さいと鉄系プリフォーム1を金型による加圧成形が困難になり、かつ機械加工等により各第1〜第4貫通孔21A〜21Dを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招くと共に鉄系プリフォーム1の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念される。一方、隣接する貫通孔21の間隔Bが内径Aの5倍を超えると貫通孔間の部分に隙間が発生する可能性が高くなる。
The distance B between adjacent through holes 21, that is, the opening center of the inner end 22Aa of the through
更に、内周面11と第1〜第4貫通孔21A〜21Dの内周面11に開口する各貫通孔本体22A〜22Dの内方端22Aa〜22Daと内周面11との連続部分の曲面或いは面取り形状の曲率半径が過大であると、界面強度及び密着が悪化する一方、過小であると鉄系プリフォーム1の製造が困難になると共に、アルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に応力集中が発生して母材、特に薄肉部38、39に破断やクラックが発生する。
Furthermore, the curved surface of the continuous part of the inner
また、第1〜第4貫通孔21A〜21Dの深さCが、内径Aの0.5倍より小さいと、鋳包みの際に第1〜第4貫通孔21A〜21D内にアルミニウム系合金溶湯の侵入が困難になる一方、内径Aの5倍を超えると鉄系プリフォーム1の金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により第1〜第4貫通孔21A〜21Dを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く要因となる。
Further, when the depth C of the first to fourth through
なお、鉄系プリフォーム1の第1〜第4貫通孔21A〜21Dの貫通孔本体22A〜22Dの内面には、図6(a)に断面を示し、III矢視図を同図(b)に示すように、貫通孔本体22A〜22Dの内面に螺旋状の溝22cを形成したり、図7(a)に断面を示し、IV矢視図を同図(b)に示すように、貫通孔本体22A〜22Dの内面に複数のリブ22dを形成することによって、或いはスリット等を形成して貫通孔の内面に表面積拡大処理を施すことにより、貫通孔本体22A〜22Dの内面の面積を増大させて、各貫通孔21A〜21D内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ3、σ4、σ5、σ6による抗力を増大させる。これにより、内周面11に沿って作用する収縮応力σ1及び外周面12に沿って作用する収縮応力σ2をより確実に受け止め、アルミニウム系合金溶湯の内周面11及び外周面12に沿う移動を抑制して内周面11及び外周面12と母材との密着効果を向上すると共に、収縮後の母材に生じる残留応力を軽減させることができる。
In addition, the inner surface of the through-hole
なお、図8に図2に対応する鉄系プリフォーム1の断面を示しように、中心軸芯Lを直交する基準線Laを有して第1内周面11aと第1外周面12aの間を連通する第1貫通孔21A、基準線Laと平行な基準線Lbを有して第2内周面11bと第2外周面12bの間を連通する第2貫通孔21B、基準線Laと直交する基準線Le、Lfを有して第3内周面11cと第3外周面12cの間を連通する比較的小径の一対の第5貫通孔21E、第6貫通孔21F、基準線Laと直交する基準線Lgを有して第1内周面11aの第4内周面11d近傍と第4外周面12dの間を連通する比較的小径の第7貫通孔21G、基準線Lgと平行な基準線Lhを有して第4内周面11dと第4外周面12dの間を連通する比較的小径の第8貫通孔21H、及び第1貫通孔21Aと第8貫通孔21Hとの間において中心軸芯Lを斜交する基準線Ljを有して第1内周面11aと第1外周面12aの間を連通する第9貫通孔21Jを穿設する等、内周面11と外周面12とを連通する貫通孔の数、配置、大きさ等を、MMC化する製品形状等の仕様により最適に設定することができる。これら貫通孔の数、配置、大きさ等は、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定することが好ましい。
8 shows a cross section of the iron-based
(第2実施の形態)
図9は、第2実施の形態に係る鉄系プリフォーム51の概要を示し、上記図2に対応する断面図である。なお、図2と対応する部分には同一符号を付することで該部の詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 9 shows an outline of the iron-based
本実施の形態に係る鉄系プリフォーム51は、上記鉄系プリフォーム1と同様の鉄系粉末焼結体によって形成される。
The iron-based
この鉄系プリフォーム51は、図9に示すように鉄系プリフォーム1と同様に、第1内周面11a、第2内周面11b、第3内周面11c、第4内周面11dを有する断面半円弧状乃至U字状の内周面11及び第1外周面12a、第2外周面12b、第3外周面12c、第4外周面12dを有する断面半円弧状乃至U字状の外周面12を備えたプリフォーム本体10を有し、プリフォーム本体10の両端にフランジ部15、16が一体形成されている。
As shown in FIG. 9, this iron-based
プリフォーム本体10の外周面12と内周面11とを連通する貫通孔、及び外周面12に開口する複数の有底孔が複数穿設されている。これら有底孔は、貫通孔に比べ穿設の制約が少なく、貫通孔の穿設が制限される部位でも穿設することができる。本実施の形態では、中心軸芯Lと直交する基準線Laを有して第1外周面12に開口する第1有底孔61A、基準線Laと平行な基準線Lbを有して第2内周面11bと第2外周面12bの間を連通する貫通孔65、基準線Laと直交する基準線Lcを有して第3外周面12cに開口する第2有底孔61B、基準線Laと直交する基準線Ldを有して第4外周面12dに開口する第3有底孔61Cが穿設されている。
A plurality of through holes communicating with the outer
貫通孔65を形成することによって鉄系プリフォーム51の内周面11と外周面12が貫通孔65を介して連通してアルミニウム系合金により鋳包みした際に湯廻りが良好になるとともに、第1〜第3有底孔61A〜61Cを形成することによって鉄系プリフォーム51の表面積が増大してアルミニウム系合金の溶湯との密着性及び接合強度の向上が図られ、かつアルミニウム系合金溶湯が場合により溶浸して鉄系プリフォーム51のMMC化が得られる。これらの第1〜第3有底孔61A〜61C及び貫通孔65は金型による加圧成形時または焼結体の加工時に形成される。好ましくは金型による加圧成形時に同時に成形することにより製造の効率化が得られると共に製造コストの抑制が得られる。
By forming the through-
貫通孔65は、断面円形で基準線Lb方向に連続する円筒状の内面を有して内方端66aが第2内周面11bに開口する貫通孔本体66と、貫通孔本体66の外方端66bに連続形成されて第2外周面12bに開口し、かつ貫通孔本体66の外方端66b側から第2外周面12b側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部67を有している。第1実施の形態の各貫通孔21A〜21Gと同様に貫通孔本体66の内径Aは、1〜19mm(1mm≦A≦19mm)が好ましく、内周面11に開口する貫通孔本体66の内方端66aと内周面11との連続部分が滑らかに連続する曲面、いわゆるR形状或いは面取り形状に形成され、貫通孔65の深さCは貫通孔本体66の内径Aの0.5倍以上乃至5倍以下(0.5A≦C≦5A)が好ましい。
The through-
第1有底孔61Aは、断面円形で基準線La方向に連続する円筒状の内面を有して内方端62Aaに底部62Acを有する有底孔本体62Aと、有底孔本体62Aの外方端62Abに連続形成されて第1外周面12aに開口し、かつ有底孔本体62Aの外方端62Ab側から第1外周面12a側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部63Aを有している。
The first bottomed
第2有底孔61Bは、断面円形で基準線Lc方向に連続する円筒状の内面を有して内方端62Baに底部62Bcを有する有底孔本体62Bと、有底孔本体62Bの外方端62Bbに連続形成されて第3外周面12cに開口し、かつ有底孔本体62Bの外方端62Bb側から第3外周面12c側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部63Bを有している。
The second bottomed
第3有底孔61Cは、断面円形で基準線Ld方向に連続する円筒状の内面を有して内方端62Caに底部62Ccを有する有底孔本体62Cと、有底孔本体62Cの外方端62Cbに連続形成されて第4外周面12dに開口し、かつ有底孔本体62Cの外方端62Cb側から第4外周面12d側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部63Cを有している。
The third bottomed
第1〜第3有底孔61A〜61C、及び貫通孔65の形状はMMC化する製品形状等の仕様により異なるが、第1〜第3有底孔61A〜61Cの有底孔本体62A〜62Cの内径aは1〜19mm(1mm≦a≦19mm)が好ましい。また、第1〜第3有底孔61A〜61Cの深さcは有底孔本体62A〜62Cの内径aの0.5倍以上乃至5倍以下(0.5a≦c≦5a)が好ましい。
The shapes of the first to third bottomed
これら、各有底孔61A〜61Cの有底孔本体62A〜62Cの内径a及び有底孔61A〜61Cの深さc等は、MMC化する製品形状等の仕様により最適に設定するには、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定することが好ましい。
In order to optimally set the inner diameter a of the bottomed hole
この鉄系プリフォーム51は、必要に応じてショットブラスト処理が施される。ショットブラスト処理を施すことにより、表面に形成された酸化被膜等が除去されて表面が清浄化され、基地中に分散する遊離Cu相が表面に露出されてアルミニウム系合金による鋳包み性が向上する。
This iron-based
図10は、この鉄系プリフォーム51が用いられるジャーナル部の実施の形態を示すものであり、鉄系プリフォーム51は、各シリンダブロックの鋳造成形時に、その鋳造型のジャーナル部形成位置に配置して鋳包み工程においてMMC化して設ける。
FIG. 10 shows an embodiment of a journal part in which this iron-based
この鋳包み工程において、鉄系プリフォーム51の外周面12側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯は、鉄系プリフォーム51の表面に沿って鉄系プリフォーム51の内周面11側に侵入すると共に、貫通孔65を経ても内周面11側に供給されて良好なアルミニウム系合金溶湯の湯廻り性が得られる。
In this casting process, molten aluminum alloy poured on the outer
このジャーナル部33、35の軸受面34、36と鉄系プリフォーム51の内周面11との間の薄肉部38、39に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面11に沿って周方向に収縮応力σ1が作用し、外周面12側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によっても外周面12に沿って周方向に収縮応力σ2が作用する。一方、鉄系プリフォーム51の第1有底孔61A、貫通孔65、第2有底孔61B及び第3有底孔61C内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって第1有底孔61A、貫通孔65、第2有底孔61B及び第3有底孔61Cに沿ってそれぞれ収縮応力σ3、σ4、σ5、σ6が作用する。
The inner
これら鉄系プリフォーム51の貫通孔65に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ4による抗力によって、薄肉部38、39に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面11に沿って周方向に作用する収縮応力σ1が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面11に沿う移動が抑制されると共に内周面11に密着し、収縮後の薄肉部38、39に生じる残留応力を軽減すると共に均等に分散することができ、薄肉部38、39の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
The inner circumference of the molten aluminum alloy poured into the
同様に、鉄系プリフォーム51の第1有底孔61A、貫通孔65、第2有底孔61B及び第3有底孔61C内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ3、σ4、σ5、σ6による抗力により、鉄系プリフォーム51の外周面12側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面12に沿って作用する収縮応力σ2が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の外周面12に沿う移動が抑制されると共に外周面12に密着し、収縮後の該部に生じる残留応力を軽減すると共に均等に分散することができる。
Similarly, the shrinkage stress σ3 due to solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy that has entered the first bottomed
更に、アルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム系合金溶湯の鉄系プリフォーム51の内周面11及び外周面12に沿う周方向の移動の抑制及び密着に伴って、鉄系プリフォーム51とアルミニウム系合金による母材との界面における隙間の発生が防止でき、鉄系プリフォーム51の内周面11及び外周面12と薄肉部38、39を含む母材との界面接合強度が確保できる。
Furthermore, the iron-based
ここで、鉄系プリフォーム51は鉄系粉末焼結体からなるため空孔を有し、鋳包み時にアルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォーム51に容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸してMMC化され、MMC化された鉄系プリフォーム51の熱膨張係数と鉄系材料からなるクランクシャフト41との熱膨張係数の差が小さくなるので、ジャーナル部33、35の温度が上昇しても、クランクシャフト41と軸受面34、36とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、クランクシャフト41の回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
Here, since the iron-based
更に、鉄系プリフォーム51の内周面11及び外周面12との界面における隙間の発生を防止し、内周面11及び外周面12との界面強度を確保することで、アルミニウム系合金からなる母材と鉄系プリフォーム51との間の熱伝導効率が向上してジャーナル部33、35の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部33、35の軸受面34、36側が均等に膨張してジャーナル部33、35による軸受メタルの支持が安定してクランクシャフトと軸受メタルとの間の摩擦係数の増加が抑制され、摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
Further, the formation of a gap at the interface between the inner
更に、ジャーナル部33、35において薄肉部38、39と鉄系プリフォーム51との界面に隙間がなくなり、ジャーナル部33、35の軸受面34、36を機械加工する際に薄肉に形成された薄肉部38、39の加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部33、35の加工精度が向上する。
Further, there is no gap at the interface between the
ここで、貫通孔65の内周面11側に加わる収縮応力が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部38、39の応力σ1に対抗する拘束力が過少になり内周面11と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム51に穿設される貫通孔65の貫通孔本体66を内径1〜19mmの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔65の内径Aを1mmより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部38、39の応力σ1に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さくなる。一方、貫通孔65の内径Aを19mmより大きくすると、鉄系プリフォーム51の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ貫通孔65内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、貫通孔65内における母材との密着性が低下し、薄肉部38、39の応力σ1に対抗する拘束力が過少になり内周面11と母材との界面強度が不安定になる。
Here, when the shrinkage stress applied to the inner
また、第1〜第3有底孔61A〜61C及び貫通孔65内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ3、σ5、σ6、σ4による抗力が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う外周面12側の母材の応力σ2に対抗する拘束力が過少になり外周面12と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム51に穿設される貫通孔65の内径A及び第1〜第3有底孔61A〜61Cの内径aを1〜19mmの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔65の内径A及び各有底孔61A〜61Cの内径aを1mmより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う外周面12側の母材による応力σ2に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さく、また、ショットブラスト処理を施す場合に貫通孔本体66及び有底孔本体62A〜62Cの内面にショットが良好に吹き付け難く、ショットブラスト処理の効果が期待できない。
If the drag due to the shrinkage stress σ3, σ5, σ6, σ4 due to solidification and shrinkage of the molten aluminum alloy that has entered the first to third bottomed
一方、貫通孔65の内径A及び各有底孔61A〜61Cの内径aを19mmより大きくすると、鉄系プリフォーム51の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ貫通孔本体66及び有底孔本体62A〜62C内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、貫通孔本体66及び有底孔本体62A〜62C内における母材との密着性が低下し、外周面12と母材の応力σ2に対抗する拘束力が過少になり外周面12と母材との界面強度が不安定になる。
On the other hand, if the inner diameter A of the through-
また、貫通孔65の深さC及び第1〜第3有底孔61A〜61Cの深さcが、それぞれ内径A、内径aの0.5倍より小さいと、鋳包みの際に貫通孔65及び第1〜第3有底孔61A〜61C内にアルミニウム系合金溶湯の侵入が困難になり、また内径A、内径aの5倍を超えると鉄系プリフォーム51を金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により貫通孔65及び第1〜第3有底孔61A〜61Cを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く要因となる。
Further, if the depth C of the through
なお、鉄系プリフォーム51の第1〜第3有底孔61A〜61Cの有底孔本体62A〜62Cの内面を図11(a)に断面を示し、V矢視図を同図(b)に示すように有底孔本体62A〜62Cの内面に螺旋状の溝62cを形成したり、図12(a)に断面を示し、VI矢視図を同図(b)に示すように有底孔本体62A〜62Cの内面に複数のリブ62dを形成することによって、或いはスリット等を形成して有底孔本体62A〜62Cの内面に表面積拡大処理を施すことにより有底孔本体62A〜62Cの内面の面積を増大させて、第1〜第3有底孔61A〜61C内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ3、σ5、σ6を増大させることができる。これにより、外周面12に沿って周方向に作用する収縮応力σ2をより確実に受け止めて、アルミニウム系合金溶湯の外周面12に沿う移動を抑制して外周面12と母材との密着効果を向上すると共に、収縮後の母材に生じる残留応力を軽減させることができる。
In addition, the inner surface of the bottomed hole
また、本実施の形態では、外周面12に開口する第1有底孔61A〜61Cを穿設したが、内周面11に開口する有底孔を配置することもできる。更に貫通孔及び有底孔の数及び配置、大きさ等をMMC化する製品形状等の仕様により最適に設定することができる。これら貫通孔の数、配置、大きさ等は、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定すること好ましい。
Further, in the present embodiment, the first bottomed holes 61 </ b> A to 61 </ b> C that open to the outer
1 金属基複合材形成用鉄系プリフォーム
10 プリフォーム本体
11 内周面
12 外周面
21A〜21H 第1〜第8貫通孔(貫通孔)
22c 螺旋状の溝(表面積拡大処理)
22d リブ(表面積拡大処理)
33、35 ジャーナル部
34、36 軸受面(凹面)
38、39 薄肉部
51 鉄系プリフォーム
61A〜61C 第1〜第3有底孔
62c 螺旋状の溝(表面積拡大処理)
62d リブ(表面積拡大処理)
65 貫通孔
A 貫通孔の内径
B 貫通孔の間隔
C 貫通孔の深さ
a 有底孔の内径
c 有底孔の深さ
DESCRIPTION OF
22c Spiral groove (surface area expansion treatment)
22d rib (surface area expansion treatment)
33, 35
38, 39 Thin-
62d rib (surface area expansion treatment)
65 Through-hole A Through-hole inner diameter B Through-hole spacing C Through-hole depth a Inner diameter of bottomed hole c Bottomed hole depth
Claims (6)
上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設され、上記貫通孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。 It is cast with an aluminum-based alloy base material having a concave surface continuously formed along the direction in which the central axis extends in a semicircular cross section, and the central axis extends in a semicircular arc or U shape in cross section along the concave surface. In an iron-based preform for forming a metal matrix composite comprising a preform body having an inner peripheral surface and an outer peripheral surface continuous along a direction,
The preform body has a through-hole that communicates the inner peripheral surface and the outer peripheral surface, and an inner surface of the through-hole is subjected to a surface area enlargement process. System preform.
上記プリフォーム本体は、内周面及び/または外周面に開口する有底孔が穿設され、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。 It is cast with an aluminum-based alloy base material having a concave surface continuously formed along the direction in which the central axis extends in a semicircular cross section, and the central axis extends in a semicircular arc or U shape in cross section along the concave surface. In an iron-based preform for forming a metal matrix composite comprising a preform body having an inner peripheral surface and an outer peripheral surface continuous along a direction,
The preform body is formed with a bottomed hole that opens to an inner peripheral surface and / or an outer peripheral surface, and a surface area enlargement process is performed on the inner surface of the bottomed hole. Iron-based preform.
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