JP7514799B2 - シリンダライナ - Google Patents
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Description
本発明は、シリンダライナに関する。
自動車用エンジンに用いられるシリンダブロックにおいて、シリンダの内周側には、エンジンの内部を構成する重要機能部品の一つであるシリンダライナが配置される。シリンダライナが配置されたシリンダブロックを製造するための手法のひとつには、シリンダブロック用の鋳型内にあらかじめシリンダライナを配置し、鋳型内に鋳造材料を流し込んで、シリンダライナの外周を鋳造材料で鋳包むというものがある。
このような、シリンダブロックの製造において鋳型内にあらかじめ配置されるシリンダライナとしては、シリンダブロックとの間の接合強度を向上させるため、シリンダライナの外周面に複数の突起を有するものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。また、シリンダライナ基体（シリンダライナのうち突起部分を除いた略円筒形状のシリンダライナ本体部をいう。以下、単に「基体」という場合がある）の外周面に突起を設け、さらにその突起の形状を括れたものとすることで、シリンダライナとシリンダブロックとの間の接合強度を向上させる試みがされている。（例えば特許文献３参照）。
しかし、シリンダブロックを製造するにあたり、シリンダライナを配置したシリンダブロックの鋳型内に鋳造材料を流し込みシリンダライナの外周を鋳造材料で鋳包む際に、鋳造材料がシリンダライナ基体の外周面の突起間領域に十分に行き渡らないことがある。特に、砂型重力鋳造や低圧金型鋳造を用いる場合にこうした事象が起こりやすく、また、高圧金型鋳造を用いる場合においても、シリンダライナと隣り合うシリンダライナとの間など溶湯が回りにくい部位にてこうした事象が散見される。このようにしてシリンダライナ外周面とシリンダブロックとの接合部分に空隙が生じると、接合強度が十分に得られない場合がある。
そこで、本発明は、シリンダライナ基体の外周面とシリンダブロックとの接合部分に生じる空隙を抑制することで、シリンダライナとシリンダブロックとの間の接合強度を向上させ得る鋳包み用のシリンダライナを提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく、本発明者らは当該シリンダライナの特性を表現するための形態や数式などについて種々の検討をし、その結果、円筒状突起領域の断面積Ｓp、円筒状外側領域の断面積Ｓ0、これらの和である仮想流路面積Ｓ１、溶湯の動圧Ｐ1、動圧力ＰＤ、突起の投影面積ＳＡ、障害面積ＳＢといった各要素に着目した場合に、特性が極めて良好なシリンダライナを画定することが可能になるという知見を得るに至った。
かかる知見に基づく本発明の一態様は、基体と、該基体の外周面たる基底面に形成された複数の突起とを有する鋳包み用のシリンダライナであって、下記の数式（５）で定義される抵抗係数ＣＤが１０～３５％である、シリンダライナである。
・当該シリンダライナを輪切りにした横断面における、突起が形成されている領域である円筒状突起領域の断面積Ｓpと、該円筒状突起領域の外側に存在する円筒状外側領域の断面積Ｓ0との和を仮想流路面積Ｓ１とする。
Ｓp＋Ｓ0＝Ｓ１ ・・・（１）
・鋳包みされる際の流体である溶湯の動圧Ｐ1を、ρＵ2/２（ただし、ρは溶湯密度、Ｕは可視化実験にて計測した円筒状外側領域における溶湯の流速）とする。
Ｐ1＝ρＵ2/２ ・・・（２）
・動圧Ｐ1と仮想流路面積Ｓ１の積を動圧力ＰＤとする。
ＰＤ＝Ｐ1×Ｓ１ ・・・（３）
・突起の投影面積ＳＡを換算して障害面積ＳＢを求め、動圧Ｐ1と障害面積ＳＢの積を抗力Ｒ1とする。
Ｒ1＝Ｐ1×ＳＢ ・・・（４）
・抗力Ｒ1を動圧力ＰＤで割って抵抗係数ＣＤとする。
ＣＤ＝Ｒ1/ＰＤ ・・・（５）
・当該シリンダライナを輪切りにした横断面における、突起が形成されている領域である円筒状突起領域の断面積Ｓpと、該円筒状突起領域の外側に存在する円筒状外側領域の断面積Ｓ0との和を仮想流路面積Ｓ１とする。
Ｓp＋Ｓ0＝Ｓ１ ・・・（１）
・鋳包みされる際の流体である溶湯の動圧Ｐ1を、ρＵ2/２（ただし、ρは溶湯密度、Ｕは可視化実験にて計測した円筒状外側領域における溶湯の流速）とする。
Ｐ1＝ρＵ2/２ ・・・（２）
・動圧Ｐ1と仮想流路面積Ｓ１の積を動圧力ＰＤとする。
ＰＤ＝Ｐ1×Ｓ１ ・・・（３）
・突起の投影面積ＳＡを換算して障害面積ＳＢを求め、動圧Ｐ1と障害面積ＳＢの積を抗力Ｒ1とする。
Ｒ1＝Ｐ1×ＳＢ ・・・（４）
・抗力Ｒ1を動圧力ＰＤで割って抵抗係数ＣＤとする。
ＣＤ＝Ｒ1/ＰＤ ・・・（５）
上記のごとき態様は、突起が湯流れの抵抗となることに着目し、好適な突起分布を「抵抗係数」で定義するという着眼点から導出されている。突起密度から、注湯中の湯流れ（湯廻り）に際しての「抵抗係数」（あるいは「抵抗指数」）を試算することで、その好適範囲が見いだされる。また、突起が存在しない領域から突起が存在する領域に溶湯が流れ込む際に生ずる流路面積縮小に伴う収縮抵抗から損失係数を算出することで、その好適範囲が見いだされる。また、溶湯が流れる際の動圧から動圧力を算出することで、それに対する抗力（動圧×障害投影面積）の比率を規定することができる。これらをふまえた種々の可視化実験の結果、抵抗係数が大きいと湯流れが阻害され、小さいと湯温低下が早く湯流れを阻害するという知見が得られた。これらの結果から、好適には抵抗係数ＣＤが１０～３５％の場合に、砂型重力鋳造や低圧鋳造時の湯廻り改善がより顕著となり、シリンダライナとシリンダブロックとの界面の空隙が低減して接合強度が向上することがわかった。言うまでもないが、高圧ダイキャストにおいても、同様な効果が得られる。
上記のごとき態様のシリンダライナにおいて、突起の投影面積ＳＡは、円柱状と仮定した当該突起の、当該シリンダライナの中心軸に平行な軸方向投影面積であってもよいし、周方向の接線方向から見た周方向投影面積であってもよい。
上記のごとき態様のシリンダライナにおいて、仮想流路面積Ｓ１から実流路面積Ｓ２へと流路面積が縮小することに伴い導出される流体の収縮抵抗から算出される損失係数が０．０３～０．１４であることが好ましい。
上記のごとき態様のシリンダライナにおいて、障害面積ＳＢが下記により規定されていてもよい。
・単位面積あたりの突起の数をＮAとする。
・突起の配置は一様であり、各突起間の中心間距離ｐは同ピッチであり、各突起は基体の径方向に突出していると仮定する。
・突起の中心間距離ｐと同じピッチで、基底面の同一円周上に突起が整列していると仮定する。
・基底面の直径Ｄbと突起の中心間距離ｐとから、周方向に沿って基底面上に配置される突起数ＮBを算出する。
ＮB＝πＤb/ｐ ・・・（６）
・突起の平均高さｈavと平均直径ｄavと突起数ＮBの積を障害面積ＳＢとする。
ＳＢ＝ｈav×ｄav×ＮB ・・・（７）
・単位面積あたりの突起の数をＮAとする。
・突起の配置は一様であり、各突起間の中心間距離ｐは同ピッチであり、各突起は基体の径方向に突出していると仮定する。
・突起の中心間距離ｐと同じピッチで、基底面の同一円周上に突起が整列していると仮定する。
・基底面の直径Ｄbと突起の中心間距離ｐとから、周方向に沿って基底面上に配置される突起数ＮBを算出する。
ＮB＝πＤb/ｐ ・・・（６）
・突起の平均高さｈavと平均直径ｄavと突起数ＮBの積を障害面積ＳＢとする。
ＳＢ＝ｈav×ｄav×ＮB ・・・（７）
本発明によれば、シリンダライナ基体の外周面とシリンダブロックとの接合部分に生じる空隙を抑制することで、シリンダライナとシリンダブロックとの間の接合強度を向上させ得る鋳包み用のシリンダライナを提供することができる。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する（図１～図４参照）。
図１にシリンダライナとシリンダブロックとの接合部を模式的に表す断面図を示す。図中の下部がシリンダライナ１０、上部がシリンダブロック２０である。 シリンダライナ１０は、シリンダライナ基体１２と複数の突起１４とを含む（図１参照）。また、図２にシリンダライナとシリンダブロックの横断面図（輪切りにした図）を示す。
シリンダライナ基体１２は、シリンダライナ１０のうち突起１４を除いた略円筒形状のシリンダライナ本体部を構成する部分である。本実施形態では、シリンダライナ基体１２の外周面を基底面１２Ｓと呼び、その直径をＤbとして以下の説明をする（図２参照）。
基底面１２Ｓには、複数の突起１４が形成されている。突起１４の多くは括れた形状であり、これら複数の括れた突起１４間にシリンダブロック２０を構成する鋳造材料が入り込む（鋳込まれる）ことで、シリンダライナ１０の基底面１２Ｓに存在する括れた突起１４の頂部（括れ部分から先端までの部分）とシリンダブロック２０とがアンカー効果により、強固な接合を実現する。なお、図２では、突起１４の高さをｈとしたうえで、複数の突起１４が存在する円筒状の領域を「円筒状突起領域」とし、符号Ａ１で示している。円筒状突起領域Ａ１の外径Ｄpは、基底面１２Ｓの直径Ｄbに、突起高さｈの２倍の値を足した大きさ（Ｄp＝Ｄb＋２ｈ）となる。なお、突起１４の高さｈの平均（突起の平均高さｈav、ｍｍ）は特に限定されないが、通常０．３以上であり、０．４以上であってもよく、また通常０．９以下であり、０．７以下であってもよい。突起の高さ方向に垂直な断面の面積率Ｓt、突起の平均直径ｄav、および突起の平均高さｈavは、三次元測定機などにより測定することができる。円筒状突起領域Ａ１の外径Ｄpは、例えばノギス等を用いて測定することができる。その際、突起の先端部で測定するようにする。
また、円筒状突起領域Ａ１の周囲に、円筒状外側領域Ａ２を想定し、その外周の直径をＤ0とする（図２参照）。円筒状外側領域Ａ２は、複数の突起１４が存在する円筒状の領域の外（周）側に位置する。図３は、仮想流路（面積Ｓ１（＝Ｓp＋Ｓo））から、障害（面積ＳＢ）を差し引いた実流路（面積Ｓ２）へシリンダブロック２０の溶湯が流れる様子を模式的に示した図である。ここでの考え方を示すと以下のとおりである。まず、円筒状外側領域Ａ２の流路幅（突起１４の先端からの大きさ）をα（一例として、本実施形態では０．５ｍｍ）とした場合、円筒状外側領域Ａ２の外径Ｄ0の大きさは、Ｄ0＝Ｄp＋２αとなる（図２参照）。このとき仮想流路面積は、直径Ｄpなる円の面積－直径Ｄbなる円の面積と、直径Ｄ0なる円の面積－直径Ｄpなる円の面積との和である。一方、実流路面積は、仮想流路面積から障害面積ＳＢを引いた面積となる（別言すれば、突起が存在するぶん、流路面積が縮小したとみなす）。この際、仮想流路面積と実流路面積をそれぞれ同面積の「管」に見立てるとするならばそのイメージは図３に示すようになる。
さて、シリンダライナ１０とシリンダブロック２０との接合は、鋳型内に配置したシリンダライナ１０の外周面に溶湯を流し込むことで実現される。この際に、シリンダライナ基体１２の基底面１２Ｓに存在する複数の括れた突起１４の形成状況によっては、溶湯が突起１４間に行き渡らない場合が生じ得る。この点に関し、本実施形態では下記のごとき指標を導入し、それらのうちの抵抗係数ＣＤが所定範囲内、好適には１０～３５％となるようにすることで、とくに低圧鋳造時の湯廻りが改善されて接合強度を向上させることが可能なシリンダライナ１０を実現する。抵抗係数ＣＤなどは、下記のようにして定められる。
まず、シリンダライナ１０を輪切りにした横断面において（図２参照）、突起１４が形成されている領域である円筒状突起領域Ａ１の断面積Ｓpと、該円筒状突起領域Ａ１の外側に存在する円筒状外側領域Ａ２の断面積Ｓ0との和を仮想流路面積Ｓ１とする（数式（１））。
Ｓp＋Ｓ0＝Ｓ１ ・・・（１）
Ｓp＋Ｓ0＝Ｓ１ ・・・（１）
また、鋳包みされる際の流体である溶湯の動圧Ｐ1を、ρＵ2/２（ただし、ρは溶湯密度、Ｕは可視化実験にて計測した円筒状外側領域Ａ２における溶湯の流速）とする（数式（２））。なお、本実施形態では流速を１ｍ/sとしたが、流速自体は鋳造方法で変わる。溶湯の密度ρは、たとえばアルミニウム合金の場合であればおよそ２５００ｋｇ/ｍ3である。
Ｐ1＝ρＵ2/２ ・・・（２）
Ｐ1＝ρＵ2/２ ・・・（２）
動圧Ｐ1と仮想流路面積Ｓ１の積を動圧力ＰＤとする（数式（３））。
ＰＤ＝Ｐ1×Ｓ１ ・・・（３）
ＰＤ＝Ｐ1×Ｓ１ ・・・（３）
突起１４の投影面積ＳＡを換算して障害面積ＳＢを求め、動圧Ｐ1と障害面積ＳＢの積を抗力Ｒ1とする（数式（４））。
Ｒ1＝Ｐ1×ＳＢ ・・・（４）
Ｒ1＝Ｐ1×ＳＢ ・・・（４）
上記の抗力Ｒ1を動圧力ＰＤで割って抵抗係数ＣＤとする（数式（５））。
ＣＤ＝Ｒ1/ＰＤ ・・・（５）
ＣＤ＝Ｒ1/ＰＤ ・・・（５）
ここで、突起１４の投影面積ＳＡの求め方（考え方）の例を挙げると以下のとおりである。すなわち、突起１４を円柱状と仮定し、その場合における当該突起１４の、シリンダライナ１０の中心軸Ｘ（図２参照）に平行な軸方向または周方向（図２と図４において符号Ｗで示す）の接線方向に沿って投影した際の面積とすることができる。測定は、例えばマイクロスコープを用いて行うことができる。このとき突起１４の幅は、括れた突起１４においては頂部付近の最も幅が広い箇所の寸法とし、括れていない突起１４においては突起高さの中央付近の寸法とする。あるいは、突起１４の投影面積ＳＡとして「三次元測定機で測定した突起１４の高さ方向に垂直な断面の面積率Ｓtから演算した突起１４の直径ｄ」×「三次元測定機で測定した突起１４の高さｈ」から算出した値とすることができる。なお、三次元測定機で測定した突起１４の断面積や直径は任意の位置で測ることできる。例えば、「０．３ｍｍ位置」を測定する場合は「しきい値」を調整して「表示レンジ中心＋しきい値＝０．３ｍｍ」となるようにすればよい。突起１４の高さ方向に垂直な断面の面積率Ｓt（％）は、シリンダライナ１０の外周側から突起１４の高さ方向に見た突起１４の投影面積率に相当する。括れのある突起１４においては、突起先端付近の径極大部に相当する箇所の面積率とすることができる。三次元測定機としては、キーエンス製ＶＲ－３０００を用いることができる。
また、障害面積ＳＢの求め方の具体例は以下のとおりである。まず、単位面積あたり（一例として、１０ｍｍ×１０ｍｍ）の突起１４の数をＮAとする。ここでは、突起１４の配置は６配位のように一様であり、各突起１４どうしの間の中心間距離ｐは同ピッチであり、各突起１４はシリンダライナ基体１２の径方向に突出していると仮定する（図４参照）。また、突起１４の中心間距離ｐと同じピッチで、基底面１２Ｓの周方向Ｗに沿って突起１４が整列していると仮定し（図４中で矩形の枠で示す部分を参照）、並行にならぶ一並び分の突起１４のみを考慮することとする。なお、中心間距離ｐは、たとえば√（200/（√3×ＮA））により算出することができる。そうしたら、基底面１２Ｓの直径Ｄbと突起１４の中心間距離ｐとから、周方向Ｗに沿って基底面１２Ｓ上に配置される突起１４の数（突起数）ＮBを算出する（数式（６））。突起の平均高さｈavと平均直径ｄavと突起数ＮBの積を求め、障害面積ＳＢとする（数式（７））。なお、突起数ＮAと突起数ＮBは計算で求めるので、整数でなくても良い。
ＮB＝πＤb/ｐ ・・・（６）
ＳＢ＝ｈav×ｄav×ＮB ・・・（７）
ＮB＝πＤb/ｐ ・・・（６）
ＳＢ＝ｈav×ｄav×ＮB ・・・（７）
なお、上記の単位面積あたりの突起の数ＮAを、視野内に存在する突起数（境界部に掛かる突起を含む）－視野の境界部に掛かる突起数×１／２個として求めた突起数を視野面積で除することにより算出することとしてもよい。
また、上記のごとき求め方を導入するにあたっては、以下を考慮に含めてもよい。
・仮想流路、実流路はそれぞれ管状に置き換え、その直径を試算する（Ｄ1、Ｄ2）。
・収縮係数Ｃｃ ＝０．５８２＋０．０４１８/（１．１－Ｄ2/Ｄ1)
・損失係数ζ ＝ （１/Ｃｃ－１)2
（損失係数ζの好適範囲は０．０３～０．１４、より好ましくは０．０５～０．１３）
・仮想流路、実流路はそれぞれ管状に置き換え、その直径を試算する（Ｄ1、Ｄ2）。
・収縮係数Ｃｃ ＝０．５８２＋０．０４１８/（１．１－Ｄ2/Ｄ1)
・損失係数ζ ＝ （１/Ｃｃ－１)2
（損失係数ζの好適範囲は０．０３～０．１４、より好ましくは０．０５～０．１３）
上記のごときシリンダライナ１０の製造方法の一例を以下に説明する。
シリンダライナ１０の素材となる鋳鉄の組成は、特に限定されるものではなく、典型的には、耐摩耗性、耐焼き付き性及び加工性を考慮したＪＩＳ ＦＣ２５０相当の片状黒鉛鋳鉄の組成として、以下に示す組成を例示できる。
Ｃ ：３．０～３．７質量％
Ｓｉ：２．０～２．８質量％
Ｍｎ：０．５～１．０質量％
Ｐ ：０．２５質量％以下
Ｓ ：０．１５質量％以下
Ｃｒ：０．５質量％以下
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
Ｃ ：３．０～３．７質量％
Ｓｉ：２．０～２．８質量％
Ｍｎ：０．５～１．０質量％
Ｐ ：０．２５質量％以下
Ｓ ：０．１５質量％以下
Ｃｒ：０．５質量％以下
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
シリンダライナ１０の製造方法は特段限定されず、重力鋳造法であっても遠心鋳造法であってもよいが、遠心鋳造法によることが好ましく、典型的には以下の工程Ａ～Ｅを含む。
＜工程Ａ：懸濁液調製工程＞
工程Ａは、耐火基材、粘結剤、及び水を所定の比率で配合して懸濁液を作成する工程である。耐火基材としては、典型的には珪藻土が用いられるが、これに限られない。懸濁液中の珪藻土の含有量は、通常１５質量％以上、３５質量％以下であり、珪藻土の平均粒径は通常０．０１５ｍｍ以上、０．０３５ｍｍ以下である。粘結剤としては、典型的にベントナイトが用いられるが、これに限られない。懸濁液中のベントナイトの含有量は、通常３質量％以上、９質量％以下である。懸濁液中の水の含有量は、通常６２質量％以上、８０質量％以下である。
工程Ａは、耐火基材、粘結剤、及び水を所定の比率で配合して懸濁液を作成する工程である。耐火基材としては、典型的には珪藻土が用いられるが、これに限られない。懸濁液中の珪藻土の含有量は、通常１５質量％以上、３５質量％以下であり、珪藻土の平均粒径は通常０．０１５ｍｍ以上、０．０３５ｍｍ以下である。粘結剤としては、典型的にベントナイトが用いられるが、これに限られない。懸濁液中のベントナイトの含有量は、通常３質量％以上、９質量％以下である。懸濁液中の水の含有量は、通常６２質量％以上、８０質量％以下である。
＜工程Ｂ：塗型剤調製工程＞
工程Ｂは、工程Ａで調製した懸濁液に所定量の界面活性剤を添加して、塗型剤を作成する工程である。界面活性剤の種類は特に限定されず、カチオン界面活性剤、アニオン界面活性剤、ノニオン界面活性剤、両性界面活性剤等の既知の界面活性剤を１種、又は２種以上を組み合わせて用いられる。界面活性剤の配合量は、通常０．００３質量％以上、０．０４質量％以下である。
工程Ｂは、工程Ａで調製した懸濁液に所定量の界面活性剤を添加して、塗型剤を作成する工程である。界面活性剤の種類は特に限定されず、カチオン界面活性剤、アニオン界面活性剤、ノニオン界面活性剤、両性界面活性剤等の既知の界面活性剤を１種、又は２種以上を組み合わせて用いられる。界面活性剤の配合量は、通常０．００３質量％以上、０．０４質量％以下である。
＜工程Ｃ：塗型剤塗布工程＞
工程Ｃは、鋳型となる円筒状金型の内周面に塗型剤を塗布する工程である。塗布方法は特段限定されないが、典型的には噴霧塗布が用いられる。塗型剤の塗布時には、塗型剤の層が金型の内周面全周に渡って略均一の厚さに形成されるように塗型剤が塗布されることが好ましい。また、塗型剤を塗布し、塗型剤層を形成する際に、円筒状金型を回転させることで、適度な遠心力を付与することが好ましい。このとき、界面活性剤が作用することにより、塗型剤層に括れた突起を形成するための凹穴が形成される。
工程Ｃは、鋳型となる円筒状金型の内周面に塗型剤を塗布する工程である。塗布方法は特段限定されないが、典型的には噴霧塗布が用いられる。塗型剤の塗布時には、塗型剤の層が金型の内周面全周に渡って略均一の厚さに形成されるように塗型剤が塗布されることが好ましい。また、塗型剤を塗布し、塗型剤層を形成する際に、円筒状金型を回転させることで、適度な遠心力を付与することが好ましい。このとき、界面活性剤が作用することにより、塗型剤層に括れた突起を形成するための凹穴が形成される。
塗型剤層の厚みは、突起１４の高さの１．３～１．８倍の範囲内で選択することが好ましいが、これに限られない。塗型剤層をこの厚みとする場合には、鋳型の温度を３００℃以下とすることが好ましい。
＜工程Ｄ：鋳鉄鋳込み工程＞
工程Ｄは、乾燥した塗型剤層を有する回転状態にある鋳型内へ、鋳鉄を鋳込む工程である。この際に、前工程で説明した塗型剤層の括れた形状を有する凹穴に溶湯が充填されることで、シリンダライナ１０の表面に括れた突起１４が形成される。なお、この際にも適度な遠心力を付与することが好ましい。
工程Ｄは、乾燥した塗型剤層を有する回転状態にある鋳型内へ、鋳鉄を鋳込む工程である。この際に、前工程で説明した塗型剤層の括れた形状を有する凹穴に溶湯が充填されることで、シリンダライナ１０の表面に括れた突起１４が形成される。なお、この際にも適度な遠心力を付与することが好ましい。
＜工程Ｅ：取り出し、仕上げ工程＞
工程Ｅは、製造したシリンダライナ１０を鋳型から取り出し、シリンダライナ表面の塗型剤層を例えばブラスト処理によりシリンダライナ１０から除去することである。
工程Ｅは、製造したシリンダライナ１０を鋳型から取り出し、シリンダライナ表面の塗型剤層を例えばブラスト処理によりシリンダライナ１０から除去することである。
上記工程を経てシリンダライナ１０が完成する。
本実施形態のシリンダライナ１０は、シリンダライナ基体１２の基底面１２Ｓに形成された複数の突起の中心間距離及び突起面積率が適切な範囲となるため、これを用いてシリンダブロック２０との複合体を砂型重力鋳造や低圧金型鋳造により製造することで、シリンダブロック２０の溶湯が、シリンダライナ１０の突起１４の間に行き渡る。そのため、シリンダライナ１０とシリンダブロック２０との界面の空隙が低減され、シリンダライナ１０とシリンダブロック２０との接合力が改善する。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、以下の実施例により本発明の範囲が限定されないことはいうまでもない。たとえば、本実施形態では、突起１４は括れた形状であるとの説明をしたがこれは好適な一例にすぎない。実際、複数の突起１４の一部または全部に括れがない場合があり得るが、そのことは本発明の適用を妨げない。
本実施例で用いたシリンダライナ１０の各種物性の測定方法は以下のとおりである。
＜突起の高さ方向に垂直な断面の面積率Ｓt、突起の平均直径ｄav＞
１）三次元測定機キーエンス製ＶＲ－３０００により、倍率２５倍で、測定視野（１２ｍｍ×９ｍｍ）中の突起１４を計測した。
２）計測したデータを付属の解析ソフトで開き、曲率補正を行った。補正条件は、二次曲面補正とした。
３）基準面を設定した。基準面は、領域指定により装置側で自動的に設定されるようにした。基準面を設定すると表示レンジ中心が決定される。表示レンジ中心は測定するシリンダライナ１０の性状に応じ自動的に決まる値である。
４）しきい値を設定した。しきい値の目安は突起高さの１／２から１／４程度とし、例えば０．１ｍｍから０．３ｍｍの値を設定する。今回は、表示レンジ中心＋しきい値が０．３となるようしきい値を設定した。
５）計測結果を閲覧した。表示レンジ中心＋しきい値を超える高さ、すなわち基底表面から０．３ｍｍを超える領域が突起１４と見なされ、その数量から突起数量を計測することができる。このとき、突起数量は視野内に存在する突起数（境界部に掛かる突起を含む）－視野の境界部に掛かる突起数×１／２個とした。
６）計測した三次元データより、各突起１４の表示レンジ中心＋しきい値における突起の横断面積（本例でいう「横断面積」とは、この例でいえば上記の０．３ｍｍ位置での断面積が相当する）を算出する。なお、突起１４の軸方向投影面積は長方形と仮定するのに対し、ここでは径方向投影面積（略円形）に相当したものが導出され、これらを合計した突起の横断面積の合計を計測面積で除することにより、突起の高さ方向に垂直な断面の面積率Ｓtを算出し、突起の横断面積の合計を突起数量で除することにより、突起１つあたりの平均面積を算出し、そこから突起の平均直径ｄavを求めた。
１）三次元測定機キーエンス製ＶＲ－３０００により、倍率２５倍で、測定視野（１２ｍｍ×９ｍｍ）中の突起１４を計測した。
２）計測したデータを付属の解析ソフトで開き、曲率補正を行った。補正条件は、二次曲面補正とした。
３）基準面を設定した。基準面は、領域指定により装置側で自動的に設定されるようにした。基準面を設定すると表示レンジ中心が決定される。表示レンジ中心は測定するシリンダライナ１０の性状に応じ自動的に決まる値である。
４）しきい値を設定した。しきい値の目安は突起高さの１／２から１／４程度とし、例えば０．１ｍｍから０．３ｍｍの値を設定する。今回は、表示レンジ中心＋しきい値が０．３となるようしきい値を設定した。
５）計測結果を閲覧した。表示レンジ中心＋しきい値を超える高さ、すなわち基底表面から０．３ｍｍを超える領域が突起１４と見なされ、その数量から突起数量を計測することができる。このとき、突起数量は視野内に存在する突起数（境界部に掛かる突起を含む）－視野の境界部に掛かる突起数×１／２個とした。
６）計測した三次元データより、各突起１４の表示レンジ中心＋しきい値における突起の横断面積（本例でいう「横断面積」とは、この例でいえば上記の０．３ｍｍ位置での断面積が相当する）を算出する。なお、突起１４の軸方向投影面積は長方形と仮定するのに対し、ここでは径方向投影面積（略円形）に相当したものが導出され、これらを合計した突起の横断面積の合計を計測面積で除することにより、突起の高さ方向に垂直な断面の面積率Ｓtを算出し、突起の横断面積の合計を突起数量で除することにより、突起１つあたりの平均面積を算出し、そこから突起の平均直径ｄavを求めた。
＜突起の平均高さｈav＞
１）各突起高さｈは、表示レンジ中心＋しきい値＋計測された最大高さの合計値である。その視野における各突起高さｈの平均値を突起の平均高さｈavとした。なお、表示レンジ中心は測定するシリンダライナ１０の性状に応じ自動的に決まる値であり、突起１４のシリンダライナ基体１２の基底表面から基準面までの高さを表し、基底表面を基底面１２Ｓとみなす。しきい値は基準面からの高さを表し、最大高さは表示レンジ中心＋しきい値から突起１４の先端までの高さを表している。
１）各突起高さｈは、表示レンジ中心＋しきい値＋計測された最大高さの合計値である。その視野における各突起高さｈの平均値を突起の平均高さｈavとした。なお、表示レンジ中心は測定するシリンダライナ１０の性状に応じ自動的に決まる値であり、突起１４のシリンダライナ基体１２の基底表面から基準面までの高さを表し、基底表面を基底面１２Ｓとみなす。しきい値は基準面からの高さを表し、最大高さは表示レンジ中心＋しきい値から突起１４の先端までの高さを表している。
なお、突起１４の高さ方向に垂直な断面の面積率Ｓt、平均直径ｄav、平均高さｈavは、１本のシリンダライナ１０につき４カ所（４視野）測定した平均値とした。４カ所とは、シリンダライナ１０の両端部から約２０ｍｍ位置において対向する位置にてそれぞれ２カ所ずつとし、両端部においては互いに約９０°ずらした位置とすることが好ましいが、これに限定はされない。
実験：
・塗型剤の調製
以下に示す原料を用い、塗型剤を調製した。
・塗型剤の調製
以下に示す原料を用い、塗型剤を調製した。
耐火材：珪藻土 １７～２５質量％
珪藻土平均粒径：０．０１８～０．０３４ｍｍ
粘結剤：ベントナイト ４～７質量％
界面活性剤：０．００３～０．０２質量％
水：６８～７９質量％
珪藻土平均粒径：０．０１８～０．０３４ｍｍ
粘結剤：ベントナイト ４～７質量％
界面活性剤：０．００３～０．０２質量％
水：６８～７９質量％
・シリンダライナの作製
以下の組成の溶湯を用いて遠心鋳造により各実施例及び比較例のシリンダライナを作製した。鋳造されたシリンダライナの組成は、
Ｃ ：３．４質量％、
Ｓｉ：２．４質量％、
Ｍｎ：０．７質量％、
Ｐ ：０．１２質量％、
Ｓ ：０．０３５質量％、
Ｃｒ：０．２５質量％、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物（ＪＩＳ ＦＣ２５０相当）であった。
以下の組成の溶湯を用いて遠心鋳造により各実施例及び比較例のシリンダライナを作製した。鋳造されたシリンダライナの組成は、
Ｃ ：３．４質量％、
Ｓｉ：２．４質量％、
Ｍｎ：０．７質量％、
Ｐ ：０．１２質量％、
Ｓ ：０．０３５質量％、
Ｃｒ：０．２５質量％、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物（ＪＩＳ ＦＣ２５０相当）であった。
図５中の表に示す実施例１～６、並びに比較例１～２に係るシリンダライナを作製した。なお、いずれの実施例においても、工程Ｃにおける円筒状金型の温度は２２０～２８０℃の範囲で適宜変更し、且つＧｎｏ（ライニング）を４０～７０Ｇとして塗型剤層を形成した。但し、塗型剤層の厚みについては、０．６～１．０ｍｍの範囲で適宜変更することで、適宜突起の高さを変更させた。また、工程Ｄ以降については、Ｇｎｏ（鋳込み）を１００～１３０Ｇ、金型温度を２００～２６０℃として鋳鉄の鋳込みを行った。その後得られた鋳鉄製円筒部材を切断し、内周面を切削加工して、肉厚を調整した。
このようにして得られた鋳鉄製円筒部材の寸法は、外径Ｄp（突起の高さを含む外径）８５ｍｍ、内径７７ｍｍ、全長１３０ｍｍであった。
なお、表中の「接合強度判定」は、シリンダライナとシリンダブロックの上死点付近の界面から、シリンダ周方向に沿って略８等分した箇所から、略１０×１０ｍｍのテストピースをそれぞれ切り出した際の、シリンダライナとシリンダブロックの界面における剥離有無で判定した。シリンダライナとシリンダブロックの界面に空隙が多い場合、接合強度が不足し剥離が発生する。ここで、判定Ａ：剥離したテストピースの数は２個以下、判定Ｂ：剥離したテストピースの数は３個～６個、判定Ｃ：剥離したテストピースの数は７個以上をそれぞれ示す。
このようにして得られた鋳鉄製円筒部材の寸法は、外径Ｄp（突起の高さを含む外径）８５ｍｍ、内径７７ｍｍ、全長１３０ｍｍであった。
なお、表中の「接合強度判定」は、シリンダライナとシリンダブロックの上死点付近の界面から、シリンダ周方向に沿って略８等分した箇所から、略１０×１０ｍｍのテストピースをそれぞれ切り出した際の、シリンダライナとシリンダブロックの界面における剥離有無で判定した。シリンダライナとシリンダブロックの界面に空隙が多い場合、接合強度が不足し剥離が発生する。ここで、判定Ａ：剥離したテストピースの数は２個以下、判定Ｂ：剥離したテストピースの数は３個～６個、判定Ｃ：剥離したテストピースの数は７個以上をそれぞれ示す。
上記のごとき実施例とその結果物は、突起が湯流れの抵抗となることに着目し、好適な突起分布を「抵抗係数」で定義するという着眼点から導出されたものである。突起密度から、注湯中の湯流れ（湯廻り）に際しての「抵抗係数」を試算することで、その好適範囲が見いだされた。また、突起が存在しない領域から突起が存在する領域に溶湯が流れ込む際に生ずる流路面積縮小に伴う収縮抵抗から損失係数を算出することで、その好適範囲が見いだされた。また、溶湯が流れる際の動圧から動圧力を算出することで、それに対する抗力（動圧×障害投影面積）の比率を規定することができた。これらをふまえた種々の可視化実験の結果、抵抗係数が大きいと湯流れが阻害され、小さいと湯温低下が早く湯流れを阻害するという知見が得られた。これらの結果から、抵抗係数ＣＤが１０～３５％の場合、好適には１４～３１％の場合、重力鋳造などの低圧鋳造時の湯廻り改善がより顕著となり、シリンダライナとシリンダブロックとの界面の空隙が低減して接合強度が向上することがわかった。
本発明は、シリンダライナに適用して好適なものである。
１０…シリンダライナ
１２…シリンダライナ基体（シリンダライナの基体または本体部）
１２Ｓ…基底面（シリンダライナ基体の外周面）
１４…突起
２０…シリンダブロック
Ａ１…円筒状突起領域
Ａ２…円筒状外側領域
ＣＤ…抵抗係数
Ｄ0…円筒状外側領域の外径または外周の直径
Ｄb…基底面の直径
Ｄp…円筒状突起領域の外径
ｈ…突起の高さ
ｈav…突起の平均高さ
ｄ…突起の直径
ｄav…突起の平均直径
ＮA…単位面積当たりの突起数
ＮB…周方向に沿って基底面上に配置される突起数
Ｐ1…溶湯の動圧
ＰＤ…動圧力
ｐ…各突起の中心間距離
Ｒ1…抗力
Ｓ１…仮想流路面積
Ｓ２…実流路面積
ＳＡ…突起の投影面積
ＳＢ…障害面積
Ｓ0…円筒状外側領域の断面積
Ｓp…円筒状突起領域の断面積
Ｓt…突起の高さ方向に垂直な断面の面積率（径方向０．３ｍｍ位置の投影面積率）
Ｕ…可視化実験にて計測した円筒状外側領域における溶湯の流速
Ｗ…シリンダライナの周方向
Ｘ…中心軸
ρ…溶湯密度
１２…シリンダライナ基体（シリンダライナの基体または本体部）
１２Ｓ…基底面（シリンダライナ基体の外周面）
１４…突起
２０…シリンダブロック
Ａ１…円筒状突起領域
Ａ２…円筒状外側領域
ＣＤ…抵抗係数
Ｄ0…円筒状外側領域の外径または外周の直径
Ｄb…基底面の直径
Ｄp…円筒状突起領域の外径
ｈ…突起の高さ
ｈav…突起の平均高さ
ｄ…突起の直径
ｄav…突起の平均直径
ＮA…単位面積当たりの突起数
ＮB…周方向に沿って基底面上に配置される突起数
Ｐ1…溶湯の動圧
ＰＤ…動圧力
ｐ…各突起の中心間距離
Ｒ1…抗力
Ｓ１…仮想流路面積
Ｓ２…実流路面積
ＳＡ…突起の投影面積
ＳＢ…障害面積
Ｓ0…円筒状外側領域の断面積
Ｓp…円筒状突起領域の断面積
Ｓt…突起の高さ方向に垂直な断面の面積率（径方向０．３ｍｍ位置の投影面積率）
Ｕ…可視化実験にて計測した円筒状外側領域における溶湯の流速
Ｗ…シリンダライナの周方向
Ｘ…中心軸
ρ…溶湯密度
Claims (2)
- 基体と、該基体の外周面たる基底面に形成された複数の突起とを有する鋳包み用のシリンダライナであって、該シリンダライナの前記基体の外周面とシリンダブロックとの接合部分に生じる空隙を抑制し、下記の数式（５）で定義される抵抗係数ＣＤが１０～３５％であり、
・当該シリンダライナを輪切りにした横断面における、前記突起が形成されている領域である円筒状突起領域の断面積Ｓｐと、該円筒状突起領域の外側に存在する円筒状外側領域の断面積Ｓ０との和を仮想流路面積Ｓ１とする。
Ｓｐ＋Ｓ０＝Ｓ１ ・・・（１）
・鋳包みされる際の流体である溶湯の動圧Ｐ１を、ρＵ２/２（ただし、ρは溶湯密度、Ｕは可視化実験にて計測した前記円筒状外側領域における前記溶湯の流速）とする。
Ｐ１＝ρＵ２/２ ・・・（２）
・動圧Ｐ１と仮想流路面積Ｓ１の積を動圧力ＰＤとする。
ＰＤ＝Ｐ１×Ｓ１ ・・・（３）
・障害面積ＳＢを求め、動圧Ｐ１と障害面積ＳＢの積を抗力Ｒ１とする。
Ｒ１＝Ｐ１×ＳＢ ・・・（４）
・抗力Ｒ１を動圧力ＰＤで割って抵抗係数ＣＤとする。
ＣＤ＝Ｒ１/ＰＤ ・・・（５）
なおかつ、前記障害面積ＳＢが下記により規定されている、シリンダライナ。
・単位面積あたりの前記突起の数をＮＡとする。
・前記突起の配置は一様であり、各突起間の中心間距離ｐは同ピッチであり、各突起は前記基体の径方向に突出していると仮定する。
・突起の中心間距離ｐと同じピッチで、前記基底面の同一円周上に前記突起が整列していると仮定する。
・前記基底面の直径Ｄｂと前記突起の中心間距離ｐとから、周方向に沿って前記基底面上に配置される突起数ＮＢを算出する。
ＮＢ＝πＤｂ/ｐ ・・・（６）
・前記突起の平均高さｈａｖと平均直径ｄａｖと突起数ＮＢの積を前記障害面積ＳＢとする。
ＳＢ＝ｈａｖ×ｄａｖ×ＮＢ ・・・（７） - 前記仮想流路面積Ｓ１から、前記障害面積ＳＢを差し引いた面積である実流路面積Ｓ２へと流路面積が縮小することに伴い導出される流体の収縮抵抗から算出される損失係数が０．０３～０．１４である、請求項１に記載のシリンダライナ。
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