JP5199868B2 - シリンダースリーブを被覆する方法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念によるシリンダースリーブの被覆法に関する。

シリンダークランク室は一般に軽金属、特にアルミニウムから鋳造され、その際軽金属の劣る摩擦特性のために、鉄ベース材料、例えばねずみ鋳鉄からなるシリンダースリーブをシリンダークランク室に鋳込むことが必要である。この場合にシリンダースリーブを十分に強くシリンダークランク室内に固定し、シリンダースリーブとシリンダークランク室の間に十分な熱の伝達を保証する問題が生じる。この問題はシリンダースリーブの外面に裏側断面を有する粗い鋳造構造体を得ることにより解決できる。しかしシリンダークランク室に鋳込まれるシリンダースリーブの間の通路がきわめて広く、シリンダースリーブの場所の必要のためにきわめて大きいことが随伴する。

エンジンおよび同時に出力を小さくするエンジン開発の傾向の枠内で、個々のシリンダースリーブの間隔を減少し、更に燃焼室からシリンダースリーブを経てシリンダークランク室の冷却空間への熱の排出を改良する必要が生じる。この問題は粗い鋳造スリーブの代案として、滑らかなまたは適度に粗い外面およびシリンダークランク室の鋳込み材料へのシリンダースリーブの取り付けを保証する被覆を有するねずみ鋳鉄からなるシリンダースリーブを使用することにより解決できる。

この種のねずみ鋳鉄からなるシリンダースリーブはドイツ特許（ＤＥ−Ｃ２）第１９７２９０１７号に記載される。このシリンダースリーブは外面に火炎溶射法またはアーク溶射法により被覆された、珪素１５％未満を含有するＡｌＳｉ合金からなる被覆層を有する。この被覆層の上に亜鉛合金からなる酸化保護層を被覆し、その課題はＡｌＳｉ層の酸化を阻止し、これによりシリンダークランク室の鋳込み材料と被覆層の金属結合を回避することである。

この場合に、被覆層の吹き付けの際にすでにＡｌＳｉ合金が酸化することが欠点である。この場合に形成される酸化物被膜はＡｌＳｉ層にきわめて強く付着する。更にその溶融温度は鋳込みの際に達成可能な温度より高い。多くの費用をかけて酸化物被膜は除去できるが、除去した後に急速に再び新たに形成され、付加的に被覆される亜鉛または亜鉛合金からなる保護層はＡｌＳｉ層とシリンダークランク室の鋳込み材料との金属結合を保証できない。

更にＡｌＳｉ被覆層の熱膨張率はねずみ鋳鉄の熱膨張率の約１．７倍大きく、温度変化の際に公知の層系に応力が生じ、この応力はシリンダースリーブとシリンダークランク室の結合を損なう。

本発明の課題は、技術水準のこれらの欠点を回避し、すなわちシリンダースリーブとシリンダークランク室の鋳込み材料との金属結合およびそれとともにシリンダースリーブとシリンダークランク室の熱伝達を改良することである。
この課題は請求項１の特徴部分により解決される。

この場合に、ねずみ鋳鉄スリーブ、層系およびシリンダークランク室の鋳込み材料の間の、本発明の層構造での熱膨張率の変化が本発明による層構造での熱に起因する応力をかなり減少する利点が生じる。更にシリンダースリーブから出発して本発明による層系を経てシリンダークランク室の鋳込み材料までの溶融温度の変化が外層と鋳込み材料の溶融結合もしくは拡散に起因する合金結合を生じ、これがシリンダースリーブとシリンダークランク室の鋳込み材料との安定な金属結合を生じる。最後に本発明の合金からなる被覆はその合金成分が結合帯域で析出硬化に関与する利点を有する。

本発明の有利な構成は従属請求項の対象である。

本発明によるシリンダークランク室に鋳込まれるシリンダースリーブの被覆法を以下に詳しく説明する。

このために鉄ベース材料からなるシリンダースリーブを使用する場合は、前記材料は合金されていても合金されていなくてもよい。有利にシリンダースリーブはねずみ鋳鉄からなり、ねずみ鋳鉄は薄板状グラファイト、バーミキュラーグラファイトまたは球状グラファイトを含有してもよい。この場合にねずみ鋳鉄はフェライト−パーライト基本構造、パーライト基本構造、ベイナイト基本構造またはオーステナイト基本構造を有してもよい。シリンダースリーブの外面は滑らかに形成されていてもよい。しかし前記外面は平らな粗い鋳造表面までの他のすべての表面特性を有してもよい。更にシリンダースリーブはかんなで処理された外面を有してもよい。

シリンダークランク室にシリンダースリーブを鋳込むために、すべての一般的な鋳造法、例えばダイカスト法、加圧鋳造法、重力鋳造法または低圧鋳造法を使用できる。

シリンダークランク室は一般的な軽金属鋳造材料からなり、その際アルミニウムベース鋳造材料およびマグネシウムベース鋳造材料が該当する。

シリンダークランク室にシリンダースリーブを鋳込む際にシリンダースリーブとシリンダークランク室の鋳造材料との金属結合を保証するために、シリンダースリーブの外面をサーモスプレーにより被覆する。このために前処理として外面を汚れおよび酸化物から清潔にし、引き続き粗面にすることが必要である。このために適当な方法はブラッシングおよび／または吹き付けである。このために特に粗いコランダム、すなわち結晶したＡｌ_２Ｏ_３での吹き付けが適している。

これに続いて直ちにシリンダースリーブの外面上にサーモスプレーにより第１層を被覆する。この第１層は９９．９％銅、ＣｕＡｌ８合金、ＣｕＡｌ８Ｎｉ２合金、ＣｕＰ８合金、ＣｕＳｉ３合金またはＣｕＺｎ３７合金（真鍮）からなる。この場合に６０μｍ〜１３０μｍの厚さを有する多孔質および酸化物の少ない層が所望される。

シリンダースリーブに被覆された層の溶融温度の変化を一体化するために、純粋な銅からなる第１層の上に前記銅合金からなる他の層を被覆することが有利であり、前記層の溶融温度が銅の溶融温度より低く、以下に第２層と呼ばれる外部被覆からなる材料の溶融温度より高い。

前記合金からなる線材は市販されているので、サーモスプレー法として有利に線材火炎溶射を使用し、その際線材状溶射添加物材料をアクチル酸素火炎の中心で溶融し、噴霧ガス、例えば圧縮空気または窒素を使用してシリンダースリーブの外面上に溶射する。

アーク線材溶射も適しており、その際２つの線材状溶射添加物をアーク中で溶融し、噴霧ガスを使用してシリンダースリーブの外面上に吹き付ける。この場合に組成が異なる２つの線材を互いに溶融分離する可能性が存在し、その際これにより得られる層の組成を広い範囲で変動することができる。例えば銅線材または亜鉛線材を使用する場合は、亜鉛４５％までを有するＣｕＺｎ合金をシリンダースリーブの外面に被覆する。噴霧ガスとして窒素またはアルゴンを使用する場合は、材料の酸化を広い範囲で阻止する。

吹き付け材料の酸化および吹き付けた層の酸化物含量を更に減少する可能性は、冷却ガス噴霧法を使用することにあり、その際溶融されていない、数百度に暖めた粉末粒子を３００ｍ／秒〜１２００ｍ／秒の速度に加速し、シリンダースリーブの外面に吹き付ける。粉末粒子の衝突による微細な摩擦により接触面の温度が上昇し、シリンダースリーブの外面と粉末粒子の微細な溶接を生じる。

高速火炎溶射（ＨＶＯＦ溶射）を使用することもでき、その際燃焼室内部で高圧での連続的ガス燃焼が行われ、燃焼室の中心軸に粉末状溶射添加物を供給する。燃焼室内で生じる燃焼ガス−酸素混合物の高い圧力が高い粒子速度を生じ、この速度が良好な付着特性を有するきわめて密な吹き付け層を生じる。

第１層の機能はシリンダースリーブのねずみ鋳鉄上の第１層の良好な付着を保証し、第２層のための良好な結合の前提を提供し、溶融温度の変化、すなわちシリンダースリーブのねずみ鋳鉄から第１層および第２層を経てシリンダークランク室の鋳造金属までの溶融温度の段階的移行を実現することである。更にこれによりシリンダースリーブから出発して第１層および第２層を経てシリンダークランク室の軽金属までの熱膨張率の変化が一緒に生じる。

第１層の酸化を避けるために、第１層の被覆後直ちに第２層を、前記サーモスプレー法を使用して第１層の上に被覆する。このために有利に亜鉛８５％およびアルミニウム１５％を有するＺｎ８５Ａｌ１５合金を使用する。この合金の場合にアルミニウム含量を３％〜２０％の間で変動できる。６０〜１３０μｍの厚さを有する多孔質および酸化物の少ない層が所望される。

第２層の機能は第１層上に良好に付着することである。更にアルミニウム１５質量％を有するＡｌＺｎ合金は４５０℃の融点を有し、これによりシリンダースリーブを鋳造する際に第２層がこの鋳造材料に溶融結合し、これによりシリンダースリーブとシリンダークランク室の鋳造材料の金属結合が保証される。

この場合にＡｌＺｎ合金はきわめて薄い酸化物層を形成するが、シリンダースリーブとクランク室の結合を回避できない。それにもかかわらず、ＡｌＺｎ合金に銅数質量％を添加することが有利であり、それというのもこれにより酸化物層の形成が完全に回避され、これによりシリンダースリーブとクランク室の結合の更なる改良を生じるからである。

Claims (12)

1. 鉄ベース材料からなるシリンダースリーブの外面を被覆する方法であり、その際サーモスプレー法を使用してシリンダースリーブの外面上に第１層および亜鉛合金からなる第２層を吹き付ける、鉄ベース材料からなるシリンダースリーブの外面を被覆する方法において、シリンダースリーブの外面上に第１層として銅または銅ベース合金を吹き付け、第１層の上に第２層としてアルミニウム３〜２０質量％を有するＺｎＡｌ合金を吹き付けることを特徴とする鉄ベース材料からなるシリンダースリーブの外面を被覆する方法。
2. 第１層として９９．９％の銅を吹き付ける請求項１記載の方法。
3. 第１層としてＣｕＡｌ８合金を吹き付ける請求項１記載の方法。
4. 第１層としてＣｕＡｌ８Ｎｉ２合金を吹き付ける請求項１記載の方法。
5. 第１層としてＣｕＰ８合金を吹き付ける請求項１記載の方法。
6. 第１層としてＣｕＳｉ３合金を吹き付ける請求項１記載の方法。
7. 第１層として４５質量％までの亜鉛を有するＣｕＺｎ合金を吹き付ける請求項１記載の方法。
8. 第１層としてＣｕＺｎ３７合金を吹き付ける請求項７記載の方法。
9. 第１層が６０μｍ〜１３０μｍの厚さを有する請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 第２層としてＺｎ８５Ａｌ１５合金を吹き付ける請求項９記載の方法。
11. 第２層に銅を合金する請求項９または１０記載の方法。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法により製造された、ねずみ鋳鉄からなるシリンダースリーブ上に被覆される第１層としての銅または銅ベース合金の使用および第１層の上に被覆される第２層としてのアルミニウム３〜２０質量％を有するＺｎＡｌ合金の使用。