JP6329146B2 - シリンダライナ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンブロックの内部に挿入される、特に熱溶射された薄壁状のシリンダライナの製造方法、及びこの製造方法により製造されたシリンダライナに関する。

シリンダライナを装備しないエンジンにおいては、摩擦相手材であるピストン又はピストンリングと直に接触することに起因する主たる必要条件を満たす材料を、エンジンブロック用に使用しなければならない。特に、高い耐摩耗性及び低摩擦性が要求される。二義的な必要条件としては、軽量であること、材料費用及び製造費用が低いこと、並びに熱伝導率が高いこと等が更に挙げられる。シリンダライナを装備しないエンジンにおいて上述の必要条件を満たすことは、例え可能であるとしても大きな困難を伴う。

内燃機関にシリンダライナを使用することによって、材料にとって重要な必要条件のみを満たす異なる材料を、エンジンブロック用として使用可能となる。しかしながら、シリンダライナは、特に耐摩耗性及び低摩擦性に関する必要条件に対して、最適化し得る。シリンダライナ材料が占める割合は、エンジンブロックと比較すると相対的に僅かであるため、総製造費に過度に大きな負の効果を与えることなく、より高品質、従ってより高価な材料をシリンダライナに対して使用可能である。

従来技術では、軽金属製シリンダライナの製造方法として、鉄製又は軽金属製のエンジンブロック内への熱的接合方法が既知である（例えば、「アルミニウムエンジンのオーバーホール」ＭＳＩモータサービスインターナショナル社刊小冊子、１９９９年第３版を参照）。こうしたライナは、例えば噴射圧縮工程及びそれに続く機械加工により製造可能である。しかし、ブランド名Ａｌｕｓｉｌ（登録商標）で市販されるこうしたライナには、シリンダ摺動面の耐摩耗性があまり大きくないという欠点がある。更にこの場合、シリコン結晶を露出させるという複雑な工程が、シリンダ摺動面の最終処理において必要である。

ブランド名Ｓｉｌｉｔｅｃ（登録商標）で市販されるアルミニウムシリコン合金製のシリンダライナ、又は合金ブロック製（Ａｌｕｓｉｌ（登録商標）、Ｌｏｋａｓｉｌ（登録商標））のシリンダ摺動面は、高い熱伝導率を有する。各シリンダ摺動面の耐摩耗性は、研磨の後に突出して存在するシリコン結晶により決定される。鋳造材料を使用し、最大約２０％のシリコン含有率を工程により達成可能である。材料を噴射圧縮することでより高いシリコン含有率を達成可能であるが、これによりプロセス工学上の理由で、結果として部品費用が上昇する。しかし、例えば燃料直噴型ガソリンエンジン又は新型ディーゼルエンジン等の新しいエンジンにおいては機械的負荷が高く、従来のアルミニウムシリコン合金の機械的強度値は限界値でしかない。

更に、ねずみ鋳鉄製のスリップフィットライナも、シリンダライナとして既知である。当該ライナは、スピンさせたねずみ鋳鉄パイプから機械的に製造される。要求される表面粗度及びシリンダ形状を達成すべく、外径が研磨される。ねずみ鋳造ライナを挿入するには、当該ライナが、室温においてエンジンブロックの孔より大きな直径を有する必要がある。その後、双方の接合体の少なくとも一方の直径は、ライナが確実にエンジンブロック内へ挿入されるよう、熱膨張により変更されなければならない。これは、一般的にエンジンブロックを加熱することで実行される。なぜなら、ねずみ鋳鉄の熱膨張係数が非常に僅かであるため、ライナの冷却のみでは不十分だからである。こうした理由から、ねずみ鋳鉄製ライナの挿入は複雑かつ費用がかかる。

シリンダ保護のための更なる既知形状として、シリンダ摺動面上へ溶射された層が挙げられる。ドイツ特許出願公開第１９７３３２０５号明細書は、往復ピストン機関のシリンダ摺動面の被覆を開示する。被覆は、鉄、アルミニウム又はマグネシウムを基礎成分とし、過共晶アルミニウム−シリコン合金及び／又はアルミニウム−シリコン複合材料を含む。被覆はこの場合、エンジンブロック内のシリンダ内径の内壁に直接塗布される。

そうするためには、シリンダ内径の中心軸線の周りに回転する内部バーナをシリンダ内径へ導入し、軸線方向に動かす。内部バーナは、回転する装置上に固定される。または、回転するクランクケースのシリンダ内径へ内部バーナを導入し、シリンダ内径の中心軸線に沿って内部バーナを軸線方向に動かし、シリンダ壁へ被覆を溶射する。シリンダ表面は、一般的には被覆前に、例えば高圧水ジェットにより凹凸を付ける又は旋盤工程によりアンダーカット処理をし、所定のプロフィールを導入する等、複雑な工程で整える必要がある。

更に、シリンダ内径の壁に被覆を直接塗布するには、被覆が均一に塗布可能であるよう、内部バーナを備えた複雑な装置が必要であり、装置はシリンダ内径で自動回転する。または、シリンダ内径を装備したエンジンブロック全体を、回転しない内部バーナの周りで回転させる必要がある。上記の双方の方法とも、複雑で費用がかかる。被覆装置のサイズが原因となり、シリンダ内径が８０ｍｍを超える内径を有する場合にのみ、確実に被覆可能である。

ドイツ特許出願公開第１９７３３２０５号明細書

「アルミニウムエンジンのオーバーホール」ＭＳＩモータサービスインターナショナル社刊小冊子、１９９９年第３版

従って本発明の課題は、改良されたシリンダライナのより単純な製造方法、及びそれに対応するシリンダライナを提供することであり、その際上述の欠点を除去するか又は少なくとも欠点を低減可能とすることである。

本発明の第１態様によれば、第１材料を鋳型上に熱溶射し、耐摩耗性及び耐食性の第１層を形成するステップであって、溶射された第１溶射材料は、少なくとも６７％の鉄、Ｆｅ；最大３％の炭素、Ｃ；０と最大２０％の間のクロム、Ｃｒ及び０と最大１０％の間のニッケル、Ｎｉを含有するステップと、第２材料を熱溶射し、第１の内側層上に第２外側層を形成するステップであって、溶射された第２材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、又は軽量材料及び鉄からなる多元素材料を含有するステップと、を含むシリンダライナの製造方法が提供される。

本発明の実施形態によるシリンダライナの断面図である。

本発明は、熱溶射によるシリンダライナの製造方法を提案する。
本発明による方法においては、第１材料を供給し、鋳型上に第１の内側層を形成する。第１材料は、必須元素として少なくとも６７％のＦｅ及び最大３．０％のＣを含有する。第１層の耐食性を改良するため、２０％までのＣｒ及び／又は１０％までのニッケルを合金に添加可能である。

好適な実施形態においては、第１材料は少なくとも７０％のＦｅ、更に好適には少なくとも８０％のＦｅ、また更に好適には少なくとも９０％のＦｅ、それより更に好適には少なくとも９５％のＦｅを含有する。炭素含有量は３％を超えてはならない。さもないと材料が過度に硬化してもろくなり、加工が困難になるためである。層が剥離する、又はクラックが発生する恐れがある。従って、炭素含有量は好適には≦２％とし、更に好適には≦１％とする。

材料はまた、０と最大３０％の間のＣｒ、及び０と最大１０％の間のＮｉを含有可能である。これらの成分は通常耐食性を更に高めるよう作用するが、材料費用が高まる、又は例えば研磨等、摺動面の後加工のための製造費用が高まることをも意味する。しかし、本発明によるこのステップで製造されたシリンダライナの第１の内側層は、上述の元素が存在せずとも、現行のエンジン設計において腐食感受性を示さないケースが見受けられる。従って、使用される材料であるこれらの元素は、存在するとしてもごく僅かの量で含有されることとする。これらの元素に関して好適な範囲は、Ｃｒに関しては０と１９％の間、更に好適には０と５％の間、また更に好適には０と３％の間、それより更に好適には０と１％の間とする。同様に、Ｎｉに関して好適な範囲は、０と５％の間、更に好適には０と３％の間、また更に好適には０と２％の間、それより更に好適には０と１％の間とする。

材料は、被覆工程前にはソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤとして存在し、例えばワイヤアーク溶射又は溶線式フレーム溶射等の既知のワイヤ被覆方法により、溶解されて回転する鋳型に塗布される。

材料は、実質的にシリンダ形状の、回転する鋳型の外側面に塗布される。シリンダ形状の条件に関しては、鋳型を更なる形状とする場合、特に鋳型のサイズは意図する適用分野によってのみ制限される。例えば特に鋳型の外径は、シリンダライナ直径が異なることを考慮し、自動車分野については約２０ｍｍ乃至約１，０００ｍｍの範囲、好適には６０ｍｍ乃至約１００ｍｍの範囲とする。鋳型の上方向の長さは制限されない。最初に得られた工作物を後に機械加工することで、シリンダライナを所望の長さにできるためである。鋳型は、所望のシリンダライナの長さのみを備えればよく、従って約５０ｍｍ乃至約５ｍの長さとすることが可能である。自動車分野用のシリンダライナを製造するためには、鋳型の長さは約１００ｍｍ乃至約４００ｍｍとし、１つの鋳型上で、２つ乃至４つのシリンダライナを一度に製造可能である。

鋳型は、適用された工程の条件下で寸法的に安定である、即ち特に溶解されて塗布された材料の温度、例えば鉄については約１４００℃、に耐えうり、且つ、塗布後の第１の内側層を外すことが可能であるいかなる材料からも製造可能である。鋳型の外側面は、任意に薄い無機性分離層を備えることが可能である。

更なるステップにおいて、第２外側層が第１の内側層に塗布される。ここで、第１の内側層は依然として鋳型上に存在していてもよく、又は事前に鋳型から取り去さられ、つまりスリーブ状の独立体として存在していてもよい。第１層の外径は「溶射された状態」とし、つまり第２層の塗布前には、外径は機械的に加工されない。

この場合第１ステップと同様の熱溶射法を使用可能であり、又は他の方法も使用可能である。これは、使用された材料及び製造の際に重要である条件に基づき決定される。

第２ステップで塗布された材料は、一般的にエンジンブロックの熱膨張係数と可及的に類似した熱膨張係数を有するよう選択される。例えば材料は、アルミニウム、又はＡｌ及びＳｉ、若しくはＡｌ及びＭｎ、若しくはＡｌ及びＭｇからなるアルミニウム合金、又はアルミニウム合金及び鉄からなる多元素層から選択可能である。これらが特に有利であるのは、塗布の際にこの種の組み合わせが表面に亘って点状に配され、これにより、続く加工ステップ、特に研磨に対してより低い表面粗度を与えるからである。

本発明による方法により、＜８体積％、好適には＜５体積％、より好適には＜３体積％の気孔率、及び＜１５μｍ、好適には＜１０μｍ、より好適には＜８μｍの気孔サイズを達成可能である。これらの値は、気孔率が約＞１０体積％、及び気孔サイズが約２０μｍである従来技術による内側被覆と比較して、著しく改良されている。

鋳型上で第２塗布ステップが実行された場合、そうして得られた製品は、更なる加工ステップの前に鋳型上に残しておいてもよいし、又は鋳型から外してもよい。

方法の好適な実施形態によれば、第２外側層の、溶射後にも依然として粗い状態である外側表面は、研磨又は旋盤により加工され、その結果、本発明による方法により製造されたシリンダライナに関して所望の外径、必要とされる円筒度及び要求される表面粗度が達成される。外側表面に対して形成可能な粗度深度（Ｒｚ）は、通常最大約５０μｍ、好適には最大約３０μｍ、より好適には最大１０μｍの範囲である。所望の粗度深度は、例えば微細旋盤等の適切な切削加工方法により、それぞれの場合について達成可能である。円筒度に関してより高い要求が出された場合には、外側表面を研磨することも可能である。

製造済みのシリンダライナから、旋盤、ミリング加工又はレーザ切断により、自動車に据付られるシリンダライナに所望の全長のシリンダライナを製造可能である。

一つの実施形態によれば、本発明による方法で製造されたシリンダライナの第１の内側層は、約０．２乃至２．０ｍｍ、好適には０．２乃至１ｍｍ、より好適には０．２乃至０．８ｍｍの層厚を備える。本発明による方法で製造されたシリンダライナの第２外側層は、塗布後に、約０．２乃至２．０ｍｍ、好適には０．３乃至２．０ｍｍ、更により好適には０．３乃至１．０ｍｍの層厚を備える。外側層の層厚は、一般的に旋盤及び／又は研磨の加工ステップにより、約０．１ｍｍ乃至約０．５ｍｍに低減される。

結果として、本発明による方法で製造されたシリンダライナは、０．４乃至最大約１０ｍｍ、好適には約１ｍｍから２又は３ｍｍまでの総壁厚を備える。

このようにして得られた製品が依然として鋳型上に存在している場合、任意である更なる加工のために鋳型から外す。

一つの実施形態によれば、該方法は更に、本発明による方法で製造されたシリンダライナの外径及び／又は内径の、１つの軸端又は両軸端を面取りするステップを含む。これにより、ライナの結合が容易になるのみでなく、内部加工のための研磨器具をより良好に位置決めできる。

更なる実施形態によれば、該方法は更に、ライナジャケットに切欠き及び／又はオーバーフローチャネルを施すステップを含む。切り欠き及びオーバーフローチャネルは、幾何学的に区画された刃先又は熱レーザ切断による加工で形成可能である。

本発明による方法で製造されたシリンダライナは、任意に一端に脈動孔又はカラーを備えることが可能である。脈動孔はミリング加工又はレーザ切断により形成可能であり、カラーは例えば旋盤加工により形成可能である。

一つの実施形態によれば、該方法は更に、形成されたシリンダライナをエンジンブロックに結合した後に、シリンダライナの内側を研磨するステップを含む。この結果、熱伝導率の改善を達成するために、第１の内側層の層厚を０．０５ｍｍにまで低減可能である。

本発明の更なる側面によれば、前述の方法で製造されたシリンダライナが提供される。

本発明による方法で製造されたシリンダライナは、仕上げ及び加工の後に、エンジンのシリンダ内径に挿入される。これは、例えば自動車分野においては、（アルミニウム製の）エンジンブロックを約２５０℃まで加熱し、ライナをシリンダ内径に挿入するという従来の方法により実行可能である。しかし、本発明によるライナは固有の特性を備えているため、ライナ自体を事前に、例えば約−２０℃、若しくは−３０℃、若しくは−４０℃乃至−７８．５℃にまで（固体二酸化炭素により）冷却するか、又は好適には液化窒素内で約−２０℃等乃至−１９６℃にまで冷却し、その後にシリンダ内径に挿入することで、加熱されていないエンジンブロックにも挿入可能である。膨張係数が小さすぎるため、ねずみ鋳鉄製のライナでは、このようなことはできない。これにより本発明によるライナは取り扱いがより容易になり、ライナへ挿入するための手間及び費用が低減される。

本発明によるシリンダライナは（「ルーズフィット型の」）機械装置においても利点を生じる。アルミニウムを含有する外側層が作動時に膨張し、シリンダ内径壁面と良好に接触する結果、放熱が確実に改善されるためである。シリンダライナは室温で、カラーにより軸方向でシリンダ内径内に固定される。

ワイヤアーク溶射を使用して、鋼製ワイヤ（９９％のＦｅ、０．８％のＣ、残部はＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉ等の不純物）から、金属製のシリンダ形状鋳型（直径８０ｍｍ、長さ１，０００ｍｍ）上に、０．８ｍｍ厚さの第１層を溶射した。太さ３．２ｍｍのソリッドワイヤを、１ｍ／分の送り速度、電圧３６Ｖ及び電流８００Ａのもと被覆装置内で溶解し、毎分１５０回転する鋳型上に溶射した。被覆間隔は１５０ｍｍ、被覆厚は０．８ｍｍで、６つの被覆経路において塗布した。

第１層を鋳型から外し、２つの円錐状ホルダの間に留め、１．０ｍｍ厚さのＡｌＳｉ１２層を、第２被覆装置において同様にワイヤアーク溶射により塗布した。太さ３．２ｍｍのソリッドワイヤを、１．２ｍ／分の送り速度で第２被覆装置へ導入し、３０Ｖ及び６５０Ａのもとで溶解した。１．０ｍｍ厚さの層を、４つの被覆経路において、毎分１５０回転の速度で塗布した。

金属組織学的な実験により、双方の層の層構造を分析した。Ｓｔ０．８層の硬度は４００ＨＶ１、ＡｌＳｉ１２層の硬度は１００ＨＶ１であった。双方の層の気孔率は＜３％であり、最大気孔サイズは１０μｍであった。

溶射終了後のシリンダ状の構成部品は、内径８０ｍｍ、全長１８０ｍｍ、壁厚１．８ｍｍであり、被覆装置から外して旋盤機械に留め、外側ジャケットをシリンダ状に旋盤した。表面粗度はＲａ＜６μｍであり、ライナの外径は旋盤により８３．６ｍｍとした。最後に、シリンダライナの両端部を切断して長さを１４２ｍｍとし、旋盤により両端部を外側及び内側で３０度に面取りした。

１０・・・シリンダライナ
２・・・第１／内側層
４・・・第２／外側層
６・・・外径の傾斜
８・・・内径の傾斜
１２・・・外側表面

Claims (8)

1. シリンダライナの製造方法であって、
   −第１材料を鋳型上に熱溶射し、耐摩耗性及び耐食性の第１の内側層を形成するステップであって、溶射された前記第１材料は、９９％のＦｅ、０．８％のＣ、残部はＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉ等の不純物であるステップと、−第２材料を熱溶射し、第１の内側層上に第２外側層を形成するステップであって、溶射された前記第２材料は、ＡｌＳｉ１２であるステップと、
   −形成されたシリンダライナを前記鋳型から外すステップと、
   を含む製造方法であって、
   前記外側層を旋盤により加工するステップ
   を含む製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、前記シリンダライナの外側表面の粗度深度Ｒｚは５０μｍ以下である製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法であって、前記第１の内側層は０．２乃至２．０ｍｍの層厚を備える製造方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の製造方法であって、前記第２外側層は０．２乃至２．０ｍｍの層厚を備える製造方法。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の製造方法であって、形成されたシリンダライナは０．４乃至１０ｍｍの総壁厚を備える製造方法。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の製造方法であって、更に、
   −前記形成されたシリンダライナの外径に、１つの軸端又は両軸端を面取りをするステップを含む製造方法。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の製造方法であって、更に、
   −前記形成されたシリンダライナの内径に、１つの軸端又は両軸端を面取りをするステップを含む製造方法。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の製造方法であって、更に、
   −前記形成されたシリンダライナの内側を研磨するステップを含む製造方法。

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