JP5388475B2

JP5388475B2 - 鋳包構造体

Info

Publication number: JP5388475B2
Application number: JP2008118207A
Authority: JP
Inventors: 喬佐藤; 儀一郎斉藤
Original assignee: TPR Co Ltd; TPR Industry Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd; TPR Industry Co Ltd
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: EP2113320A1; EP2113320B1; ATE545472T1; CN101571079B; KR101245872B1; JP2009264347A; US8402881B2; KR20090115052A; US20090272261A1; CN101571079A

Description

本発明は、突起を外周鋳肌面に複数有する鋳鉄製シリンダライナがアルミニウム合金に鋳包まれている鋳包構造体に関し、特に熱伝導性と接合強度に優れている鋳包構造体に関する。

自動車用エンジンにおいて軽量、小型化を達成するために、アルミニウム合金製のシリンダブロックに鋳鉄製のシリンダライナが装着されることが多い。このようなシリンダライナ付きシリンダブロックの製造方法としては、シリンダブロック用の鋳型内にシリンダライナを予めセットし、この鋳型内に鋳造材料（アルミニウム合金）を鋳込んで、シリンダライナの外周部をアルミニウム合金で鋳包む方法が知られている。この場合、シリンダライナ外周部とシリンダブロックとが一体結合された鋳包構造体の熱伝導性を向上させることはエンジン性能の向上に効果がある。

従来の鋳包用シリンダライナとして、特許文献１及び特許文献２の技術が提案されている。特許文献１では、シリンダライナ外周面の突起高さ、突起個数、突起面積率を所定の値とすることで、シリンダブロックとの密着性と接合強度を向上させることを提案している。また、特許文献２では、シリンダライナ外周面の算術平均粗さと展開長さ比を所定の値にすることで、シリンダブロックとの密着性と熱伝導性の向上及び薄肉化を図ることを提案している。また、シリンダライナをアルミニウム合金で鋳包んだ鋳包構造体の熱伝導率を向上させる技術として、シリンダライナ鋳肌面にアルミニウム合金などの高熱伝導材料を溶射することが従来から知られている。
特開２００５−１９４９８３号公報特開２００４−２０９５０７号公報

近年、エンジンの高出力化や低燃費化のため、シリンダボアの上死点付近は熱的に厳しい状況にある。また、低フリクション化とコンパクト化により、シリンダボア間の肉厚の低減を求められている。熱対策としては、シリンダライナをアルミニウム合金で鋳包んだ鋳包構造体の熱伝導性の向上が必要である。シリンダボア間の薄肉化の対策としては、シリンダライナの薄肉化を要求される。

しかしながら、特許文献１の技術は接合強度は高いが、熱伝導性が不足する。また、突起高さが高くなると、摺動面の組織を維持しつつ、シリンダライナの薄肉化を図ることが難しくなる。また、特許文献２の技術は、シリンダライナの外周鋳肌面とアルミニウム合金との充分な接合強度が得られない。また、シリンダライナの外周鋳肌面にアルミニウム合金などの高熱伝導材料を溶射する方法は、コスト高となる。

本発明の目的は、熱伝導性と接合強度が高く、薄肉化も可能な鋳包構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、突起を外周鋳肌面に複数有する鋳鉄製シリンダライナがアルミニウム合金に鋳包まれている鋳包構造体において、前記鋳包構造体は、突起基底までの鋳鉄部肉厚をＬ１、鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚をＬ２としたとき、Ｌ１／Ｌ２＝０．４５の条件の下で測定した熱伝導率が３５〜８０Ｗ／ｍ・Ｋの値を有し、前記突起において突起の基底から０．２ｍｍ位置における突起の断面積の単位面積当たりの合計面積が単位面積に占める割合として算出される突起面積率は１０〜５０％であり、前記突起を有するシリンダライナの外周鋳肌面の表面積が、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して１４０〜２３０％であり、このときの表面積率の算出式は、１ｃｍ ^２の範囲における突起平均高さをＨｍｍ、突起個数をＮ個、前記突起面積率をＢとしたとき、表面積率Ａ（％）＝３５．４５×（Ｂ×Ｎ） ^１／２ ×Ｈ＋１００であり、前記突起の高さが０．２〜０．７ｍｍで、突起の個数が１ｃｍ^２当たり７０〜１５０個であることを特徴とする。

表面積率が１４０％未満では熱伝導率が低下し、接合強度も低下する場合があり、２３０％を越えると鋳包性が悪化し、熱伝導率が低下する。

突起高さが０．２ｍｍ未満では突起数が多くても充分な接合強度が得られず、０．７ｍｍを越えるとシリンダライナの薄肉化が困難となるとともに、熱伝導率も低下する。突起の個数が１ｃｍ^２当たり７０個未満では熱伝導率が低下し、１５０個を越えると熱伝導率が低下する。

シリンダライナの内周面仕上げ時の肉厚が１．５〜２．３ｍｍであることが好ましい。肉厚が１．５ｍｍ未満ではシリンダライナの内周面に良好な摺動特性の鋳鉄組織を得ることができない。シリンダライナの薄肉化を図るためには２．３ｍｍ以下が必要である。

本願発明は、高い熱伝導性と接合強度を得られるため、エンジン性能の向上を図れる。また、シリンダライナの内周面仕上げ時の肉厚を薄肉（２．３ｍｍ以下）にすることができるため、シリンダボア間距離を小さくでき、シリンダブロックをコンパクトにできる。また、シリンダボア間の距離が従来と同じ場合、アルミニウム合金部を厚くできるため、冷却空洞を設けることも可能になる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１にシリンダライナを装着したシリンダブロックの一部分、図２にシリンダライナを示す。シリンダブロック１の材料としては、軽量化及びコスト面を考慮して、例えば、ＪＩＳＡＤＣ１０（関連規格：米国ＡＳＴＭＡ３８０．０）、あるいはＪＩＳＡＤＣ１２（関連規格：米国ＡＳＴＭＡ３８３．０）などのアルミニウム合金が用いられる。シリンダライナ２の材料としては、耐摩耗性、耐焼付性及び加工性を考慮して、例えば、ＪＩＳＦＣ２３０などの鋳鉄が用いられる。鋳鉄の組成の一例は、Ｔ．Ｃ：２．９〜３．７（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：１．６〜２．８、Ｍｎ：０．５〜１．０、Ｐ：０．０５〜０．４、残Ｆｅである。必要に応じて、Ｃｒ：０．０５〜０．４（質量％、以下同じ）、Ｂ：０．０３〜０．０８、Ｃｕ：０．３〜０．５を添加してもよい。

シリンダライナ２はシリンダブロック１に装着されて、シリンダライナ２の内周面３がシリンダボアを形成する。すなわち、シリンダブロック用の鋳型内にシリンダライナ２が予めセットされ、鋳型内にアルミニウム合金溶湯が充填されることにより、鋳鉄製シリンダライナ２がアルミニウム合金製のシリンダブロック１に鋳包まれて一体結合された鋳包構造体１０が製造される。シリンダライナ２は内周面を仕上加工されて完成時の肉厚は１．５〜２．３ｍｍとされる。

シリンダライナ２の外周鋳肌面４には突起５が複数形成されている。突起５の形状は特に限定されない。例えば、図３に示されているように、（ａ）台形、（ｂ）四角形、あるいは（ｃ）括れた（先端部が太く、中間部が細い）形状などが用いられる。

突起５を有するシリンダライナ２の外周鋳肌面４の表面積は、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して１４０〜２３０％である。また、突起５の高さは０．２〜０．７ｍｍで、突起の個数は１ｃｍ^２当たり７０〜１５０個である。

突起面積率は１０〜５０％が望ましい。突起面積率は、単位面積内に存在する突起５において突起５の基底から０．２ｍｍ位置における突起５の断面積の合計面積が単位面積に占める割合として算出される。突起面積率が１０％未満では接合強度が低下する。５０％を越えると突起が結合して鋳造性が低下し、空隙ができて密着性が低下し、熱伝導率が低下する。

シリンダライナ２は遠心鋳造法により製造される。遠心鋳造法によれば、均一な複数の突起５を外周鋳肌面４に有するシリンダライナ２を生産性よく製造できる。以下、シリンダライナ２の製造方法を説明する。

平均粒径０．００２〜０．０２ｍｍの珪藻土、ベントナイト（粘結剤）、水、及び界面活性剤を所定の割合で混合して途型材が作製される。２００〜４００℃に加熱されて回転する鋳型（金型）の内面に途型材が噴霧塗布され、塗型の内面に途型層が形成される。途型層の厚さは０．５〜１．１ｍｍである。界面活性剤の作用により、途型層内から発生する蒸気の泡によって途型層に複数の凹穴が形成される。途型層を乾燥後、回転する鋳型内に鋳鉄溶湯が鋳込まれる。このとき、途型層の凹穴に溶湯が充填され、均一な複数の突起が形成される。溶湯が硬化してシリンダライナが形成された後、途型層とともにシリンダライナが鋳型から取り出される。ブラスト処理により途型材が除去され、均一な複数の突起を外周鋳肌面に有するシリンダライナが製造される。

以下、突起５を外周鋳肌面４に複数有する鋳鉄製シリンダライナ２がアルミニウム合金に鋳包まれて一体結合された鋳包構造体１０について、熱伝導率と接合強度を評価した結果（表１参照）を説明する。

実施例及び比較例とも、試験に使用したシリンダライナの鋳鉄組成は次の通りである。
Ｔ．Ｃ：２．９〜３．７（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：１．６〜２．８、Ｍｎ：０．５〜１．０、Ｐ：０．０５〜０．４、Ｃｒ：０．０５〜０．４、残Ｆｅ。

実施例１〜９及び比較例１〜４のシリンダライナは上述した製造方法により作製した。比較例５のシリンダライナは次の製造方法によって遠心鋳造法により作製された。

平均粒径０．０５〜０．５ｍｍの珪砂、平均粒径０．１ｍｍ以下のシリカフラワ、ベントナイト（粘結剤）、及び水を所定の割合で混合して塗型材が作製される。２００〜４００℃に加熱されて回転する鋳型（金型）の内面に途型材が噴霧塗布され、塗型の内面に途型層が形成される。途型層の厚さは１ｍｍである。途型層を乾燥後、回転する鋳型内に鋳鉄溶湯が鋳込まれる。溶湯が硬化してシリンダライナが形成された後、途型層とともにシリンダライナが鋳型から取り出される。ブラスト処理により途型材が除去され、所定粗さを外周鋳肌面に有するシリンダライナが製造される。

鋳鉄製シリンダライナ２はアルミニウム合金に鋳包まれて試験用の鋳包構造体１０（図４（ａ）参照）が製造された。

実施例及び比較例とも、試験に使用したアルミニウム合金はＪＩＳＡＤＣ１２アルミニウム合金である。

１．熱伝導率
熱伝導率はレーザフラッシュ法により求めた。図４に示すように、突起５の基底までの鋳鉄部２Ａの肉厚をＬ１、鋳鉄部２Ａとアルミニウム合金部１Ａとの一体部の肉厚をＬ２としたとき、Ｌ１／Ｌ２＝０．４５となるように、鋳包構造体１０からテストピース２０が切り出される。図４（ａ）に示されている二点鎖線は切り出し線を示す。すなわち、テストピース２０は外径１０ｍｍ、突起５の基底までの鋳鉄部２Ａの肉厚１．３５ｍｍ、鋳鉄部２Ａとアルミニウム合金部１Ａとの一体部の肉厚３ｍｍとなるように鋳包構造体１０から切り出された。熱伝導率は、レーザ照射開始からテストピース２０の裏面に熱が伝わるまでの時間を計測し、テストピース２０の厚みより算出される。図５において、２０はテストピース、２１はレーザ装置、２２は熱電対、２３は直流アンプ、２４はレコーダである。熱伝導率は３５〜８０Ｗ／ｍ・Ｋが要求される。

２．接合強度
鋳包構造体１０から２０ｍｍ×２０ｍｍのテストピース３０（図６参照）を作製する。鋳鉄部２Ａとアルミニウム合金部１Ａの各々に専用治具３１，３２を接着剤で接着する。テストピース３０を引張り試験機で矢印方向に引っ張り、鋳鉄部２Ａとアルミニウム合金部１Ａが剥がれた強度を接合強度とする。接合強度は３Ｍｐａ以上が望ましい。

３．突起高さ
デプスダイヤルゲージでシリンダライナ２の突起高さを測定する。突起高さは０．２〜０．７ｍｍが要求される。

４．突起個数
非接触の３次元レーザ形状測定器によって、突起５の基底から高さ０．２ｍｍ位置における突起の等高線図を求め、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲において、閉じられている等高線の個数を、１ｃｍ^２当たりの突起個数とする。突起個数は１ｃｍ^２当たり７０〜１５０個が要求される。

５．表面積率
非接触の３次元レーザ形状測定器によって、突起５の基底から高さ０．２ｍｍ位置における突起の等高線図を求め、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲において、閉じられている等高線の部分の突起面積率をＢ、突起個数をＮ個、突起の平均高さをＨｍｍとし、更に、突起を断面積が一定の円柱と仮定したとき、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対する、突起のあるシリンダライナの外周鋳肌面の突起を含めた表面積の比率Ａ（％）を次式より求めた。なお、突起面積率Ｂは、前述したように、単位面積内に存在する突起５において突起５の基底から０．２ｍｍ位置における突起５の断面積の合計面積が単位面積に占める割合として算出される。表面積率Ａは１４０〜２３０％が要求される。
Ａ＝３５．４５×（Ｂ×Ｎ）^１／２×Ｈ＋１００・・・（１）

上記式（１）は次のようにして算出した。
図７において、突起平均半径：Ｒｍｍ、突起平均高さ：Ｈｍｍ、突起個数：Ｎ個、突起面積率：Ｂとしたとき、
π×Ｒ^２×Ｎ＝１００×Ｂ
Ｒ^２＝１００×Ｂ／（π×Ｎ）
Ｒ＝１０×（Ｂ／（π×Ｎ））^１／２
突起側面の面積＝２×π×Ｒ×Ｈ×Ｎ
＝２×π×１０×（Ｂ／（π×Ｎ））^１／２×Ｈ×Ｎ
＝２０×π^１／２×（Ｂ×Ｎ）^１／２×Ｈ
＝３５．４５×（Ｂ×Ｎ）^１／２×Ｈ
１０ｍｍ×１０ｍｍの面積＝１００ｍｍ^２
表面積率Ａ（％）＝３５．４５×（Ｂ×Ｎ）^１／２×Ｈ＋１００

表１に評価結果を示す。実施例１〜９は熱伝導率と接合強度が高い。しかしながら、表面積率が低い比較例１，２，４、及び表面積率が高い比較例３は熱伝導率が低下する。突起高さが低い比較例２は接合強度が低く、突起高さが高い比較例３は熱伝導率が低下する。突起個数が少ない比較例１は熱伝導率が低下し、突起個数が多い比較例４は熱伝導率が低下する。突起がなく、鋳肌面が粗い比較例５は充分な接合強度が得られない。

本発明の鋳包構造体の一実施形態を示し、シリンダライナを装着したシリンダブロックの一部分を示す平面図である。本発明のシリンダライナを示す斜視図である。（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ突起形状を示す図である。テストピース作製のための説明図で、（ａ）は鋳包構造体を示す平面図、（ｂ）は鋳包構造体から切り出されたテストピースを示す斜視図、（ｃ）はテストピースの一部分を示す図である。熱伝導率の測定方法を示す図である。接合強度の測定方法を示す図である。表面積率の算出方法を説明するための図である。表１に示す実施例の表面積率と熱伝導率及び強度との関係を示すグラフである。表１に示す実施例の突起個数と熱伝導率及び強度との関係を示すグラフである。表１に示す実施例の突起高さ（平均値）と熱伝導率及び強度との関係を示すグラフである。表１に示す実施例の突起面積率と熱伝導率及び強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１シリンダブロック
１Ａアルミニウム合金部
２シリンダライナ
２Ａ鋳鉄部
３内周面
４外周鋳肌面
５突起
１０鋳包構造体
Ｌ１突起基底までの鋳鉄部肉厚
Ｌ２鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚
２０、３０テストピース
２１レーザ装置
２２熱電対
２３直流アンプ
２４レコーダ
３１、３２専用治具

Claims

突起を外周鋳肌面に複数有する鋳鉄製シリンダライナがアルミニウム合金に鋳包まれている鋳包構造体において、
前記鋳包構造体は、突起基底までの鋳鉄部肉厚をＬ１、鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚をＬ２としたとき、Ｌ１／Ｌ２＝０．４５の条件の下で測定した熱伝導率が３５〜８０Ｗ／ｍ・Ｋの値を有し、
前記突起において突起の基底から０．２ｍｍ位置における突起の断面積の単位面積当たりの合計面積が単位面積に占める割合として算出される突起面積率は１０〜５０％であり、
前記突起を有するシリンダライナの外周鋳肌面の表面積が、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して１４０〜２３０％であり、
このときの表面積率の算出式は、１ｃｍ ^２の範囲における突起平均高さをＨｍｍ、突起個数をＮ個、前記突起面積率をＢとしたとき、
表面積率Ａ（％）＝３５．４５×（Ｂ×Ｎ） ^１／２ ×Ｈ＋１００であり、
前記突起の高さが０．２〜０．７ｍｍで、突起の個数が１ｃｍ^２当たり７０〜１５０個であることを特徴とする鋳包構造体。
前記シリンダライナの内周面仕上げ時の肉厚が１．５〜２．３ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の鋳包構造体。