JPH0476251A - シリンダブロック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関のシリンダブロックとかポンプのシリ
ンダ等のシリンダブロックの改良に関する。

［従来の技術］ シリンダブロックは自動車エンジン等の内燃機関のシリ
ンダブロックとか、油圧ポンプ、空気ポンプ等のシリン
ダとして多く使用されている。自動車用エンジンのシリ
ンダブロックとしては、車両の軽量化のために、シリン
ダブロックをアルミニウムで製造するようになってきて
いる。シリンダブロックのシリンダボア中を摺動するピ
ストンとかピストンリングに対する耐摩耗性を確保する
ため、シリンダボアの内面には鋳造製のスリーブを配設
している。また、スリーブを使用していないシリンダブ
ロックはそのボア内周面をＥＣＭ（電解加工＞５１８理
したり硬質クロムメツキ処理をしてボア内周面の耐摩耗
性を確保している。

［発明が解決しようとする課題］ 自動車用エンジンのシリンダブロックのように、高い負
荷の作用するシリンダブロックにおいては、シリンダブ
ロックのボア内周面とピストンリングとが高温状態で激
しく摺動するので、ボア内周面が摩耗しやすい。また、
ボア内周面は温度の不均一等に起因してボアが楕円形に
変形する。このため、ピストンリングとの間に予期せぬ
大きなりリアランスが生じることがある。

本発明は前記した問題点のより少ないシリンダブロック
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のシリンダブロックは、少なくとも１個のシリン
ダボアをもつ金属製のシリンダブロック本体と該シリン
ダボアの内周面に一体的に配設されたスリーブとからな
り、 該スリーブは、炭素マトリックス中に炭素繊維があるい
は炭素繊維と無機微小体とが一体的に埋設された組織を
有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見て光学的異
方性の微粒子が均一に密集したモザイク構造をもち、該
炭素繊維と該炭素マトリックスとの間の界面で剥離して
いる界面の割合が全界面に対して１０％以下であり、か
つ密度が１．６５以上である炭素繊維強化炭素焼結体で
構成されていることを特徴とする。

本発明のシリンダブロックは、ピストンあるいはピスト
ンとピストンリングとがシリンダボア内を摺動するあら
ゆるタイプのシリンダブロックおよびシリンダに使用で
きる。具体的には、内燃機関のシリンダブロック、一般
のプランジャポンプのシリンダ、ピストン式コンプレッ
サのシリンダに使用できる。

本発明のシリンダブロックは、シリンダブロック本体と
スリーブとを具備する。シリンダブロック本体は、少な
くとも１個のシリンダボアをもつ金属製のものである。

また、スリーブは、このボア内に配設固定されて使用さ
れる。

本発明のシリンダブロックは、そのスリーブに特色があ
る。即ち、スリーブは、特殊な炭素繊維強化炭素焼結体
で構成されている。この炭素繊維強化炭素焼結体は、炭
素マトリックス中に炭素繊維あるいは炭素繊維と金属お
よびセラミックスからなる無機微小体が一体的に埋設さ
れた組織を有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見
て光学的異方性の微粒子が均一に密集したモザイク構造
をもち、該炭素繊維と該炭素マトリックスとの間の界面
で剥離している界面の割合が全界面に対して１０％以下
であり、かつ密度が１．６５以上である炭素繊維強化炭
素焼結体である。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維は、焼
結体の強度を確保するもので、偏光顕微鏡で見て、異方
性を示すものでも等方性を示すものでもよい。炭素繊維
は、切断された短繊維でも、長繊維でもよい。また、炭
素繊維はマトリックス中に一定方向に配向しているもの
でも逆にランダムに配向しているものでもよい。炭素繊
維強化炭素焼結体における炭素繊維の配合割合は２〜５
０重量％、より好ましくは１０〜４０％かよい。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成成分となりうる無機微小
体としては、微小な金属、セラミックスで構成できる。

これら無機微小体の形状は、粉末状、ウィスカ等の繊維
状、箔片等でもよい。炭素繊維強化炭素焼結体の無機微
小体の配合割合は１〜５０重量％程度が好ましい。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成成分である炭素マトリッ
クスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一に
密集したモザイク構造をもつ。偏光顕微鏡で見て光学的
異方性をもつとは、炭素が一定方向に規則的に配列した
組織をもつものと考えられる。即ち、この炭素マトリッ
クスは、光学的異方性をもつ炭素粒子が密集した状態で
押し固められた状態にある。均一に密集したとは、炭素
粒子が流動していない、流れ線等の模様が無いことを意
味する。偏光顕微鏡下でモザイク状に観察される炭素粒
子の大きさは１〜３０μｍ程度が好ましい。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維と
炭素マトリックスとの間の全界面面積に対する剥離して
いる界面の剥離面積は、１０％以下である必要がある。

炭素マトリックスと炭素繊維とが剥離していると炭素繊
維の補強効果が充分でない。このため界面の剥離面積は
全界面の１０％以下より好ましくは５％以下がよい。

この炭素ｌＩｉ維と炭素マトリックスとの剥離は走査型
電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する。）で観察測定でき
る。

また、この炭素繊維強化炭素焼結体の気孔率は１０％以
下であるのが好ましい。この焼結体の気孔は偏光顕微鏡
で観察すると黒い点として観察される。従って観察して
いる面積に占める黒い点の面積より気孔率が計篩できる
。

本発明にかかる炭素繊維強化炭素焼結体の密度が１．６
５以上とは、炭素マトリックスの緻密性、気孔が少なく
かつ炭素繊維と炭素マトリックスとの界面が剥離してい
ない等が総合された特性である。

従って、これらマトリックスの緻密性が欠けたり、気孔
率が高すぎたり、繊維とマトリックスとの間の剥離が多
いと、比重は１．６５以下となる。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維の配合
割合、無機微小体の材質および配合割合、炭素繊維と炭
素マトリックスとの間の剥離面積の割合、気孔率は直後
にこの炭素Ｉ！維強化炭素焼結体の機械的強度に影響す
る。この炭素繊維強化炭素焼結体の機械的特性を曲げ強
度で規定すると、この焼結体の曲げ強度は６００ｋｑ／
ｃｍ２以上であるのが好ましい。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体としては、未炭化炭素
質繊維あるいは未炭化炭素質繊維と金属およびセラミッ
クスからなる無機微小体とを埋設した自己焼結性を有す
る炭素質粉末とからなる複合体を焼結して得られる焼結
体を採用できる。

ここで、未炭化炭素質繊維とは、通常の炭化処理の施さ
れていない状態の炭素質繊維をいう。換言すれば、ざら
に熱処理をすることにより、さらに炭化する余地を有す
る炭素質繊維をいう。具体的には、原料ピッチを使用し
た場合には、紡糸したままの繊維または紡糸した繊維を
５５０℃を越えない温度で不融化した繊維をいう。ＰＡ
Ｎ　（ポリアクリロニトリル）系レーヨン系などの高分
子系の繊維では分解工程を終え、黒鉛化処理前の繊維を
いう。この種の炭素質繊維としては、例えば、石炭系ま
たは石油系の原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊維また
はこれを不融化して得た不融化繊維などがある。

この原料ピッチの紡糸および不融化は常法に従って行え
ばよく、条件などは特に限定されない。

通常、ピッチ繊維は、原料ピッチを紡糸器に供給し、３
００〜４００℃程度に加熱した状態で不活性ガスによる
加圧下にノズルから押出して得ることができる。また、
このようなピッチ繊維をさらに酸化性雰囲気中１５０〜
５００℃程度で０．５〜５時間程度保持して不融化繊維
とすることができる。なお、この原料ピッチは、光学的
等方性のものでも、光学的異方性のものでもよい。

未炭化炭素質繊維の繊維長さは、短繊維、長繊維に限ら
ない。しかし、短ＩＩＩの場合には０９Ｏ１〜５Ｑｍｍ
のものを使用することができる。特に、０．０３〜’ｌ
Ｑｍｍのものが混合のしやすさ、アスペクト比の関係か
ら好ましい。長すぎては繊維同士が絡みあい分散性が低
下し、ひいては製品特性の等方性に劣り、また０、０１
ｍｍより短くては製品の強度が急激に低下して好ましく
ない。

また、繊維径としては、５〜２５μｍ程度のものが好ま
しい。さらに、これらの繊維からなる不織布またはコー
ティング布として使用することもてきる。

未炭化炭素質繊維は、さらにタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料で表面処理し、結合材
とのなじみ性を向上させることが好ましい。この表面処
理は、炭素質繊維１００重量部に１００〜１０００重量
部程度の粘結成分含有材料を加えて撹拌し、有機溶媒に
より洗浄後、乾燥して行うことができる。

この表面処理に使用するタール、ピッチは、石炭系およ
び石油系のいずれであってもよい。ピッチを使用する場
合には、撹拌時に１４０〜１７０°Ｃ程度の加熱が必要
となるので、処理材としては、タールの方がより好まし
く、また後続の炭化および黒鉛化工程での炭化歩溜りの
点からは、石炭系のものがより好ましい。

この表面処理に使用する有機高分子として、フェノール
樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどを挙
げることができる。

この表面処理の洗浄において使用する有機溶媒は、トル
エン、キシレンなどの芳香族系溶媒を使用することがで
きる。未炭化炭素質繊維と粘結成分含有材料との混合物
１００重量部に対して１００〜１０００重量部程度を加
え、撹拌洗浄する。

この洗浄により、揮発成分が多く含まれる軽質油分が除
去される。洗浄を終えた未炭化炭素質繊維は、たとえば
、窒素、アルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、加熱およ
び／または減圧などの条件下に乾燥処理される。乾燥処
理は、洗浄に使用した有機溶媒が除去される限り、これ
らの方法に限定されるものではない。

さらに、乾燥を終え表面処理された未炭化炭素質繊維は
、必要に応じて分散処理される。すなわち、乾燥させた
繊維が、塊状化または凝集していることがおるので、こ
のような場合には、通常の粉体ミル、アトマイザ−、バ
ルバライザーなどの任意の手段により分散を行う。

無機微小体は未炭化炭素質繊維とともに、本発明の炭素
繊維強化炭素焼結体の原料となる。この無機微小体は、
目的とするシリンダブロックの用途に応じて、スリーブ
の摩擦係数μを低く安定したものとしたり、比較的高い
値の摩擦係数μであっても高耐摩耗性、高耐焼付き特性
を付与したりするために、添加するものである。この無
機微小体は、融点１０００℃以上で炭素と反応しないも
の、より好ましくはさらにＨＶ１０００以上のものがよ
い。

かかる無機物として、無機酸化物、無機炭化物、無機窒
化物、無機ホウ化物などを挙げることができる。無機酸
化物として、たとえばＡＪ）２０３、Ｔ　ｉ　０２　、
ＺｒＯ２、ＭｇＯなどを挙げることができる。無機炭化
物として、たとえば８４Ｇ、丁Ｃ，ＴａＣ，ＺｒＣなど
を挙げることができる。

無機窒化物として、たとえばＢＮ、Ｔ　ｉ　Ｎ、Ｃｒ２
　Ｎ、ＴａＮ、Ａ３２Ｎ、ＺｒＮなどを挙げることがで
きる。無機ホウ化物として、たとえばＴｉＢ２　、Ｚｒ
Ｂ２　、Ｂ４　Ｃ，Ｎ　Ｉ　Ｂ、ＣＯＢ、ＢＮ、丁ａｄ
２などを挙げることができる。さらに、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍ
ｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｖ、ＴＷなどの無機物も使用す
ることができる。なお、これらの無機物は、金属の状態
で添加することも可能である。また、無機微小体としは
、微粒子状のもののほかウィスカ、セラミックス繊維が
含まれる。

前記したような無機微小体のうちから、適切なものを選
択することによって、シリンダブロックの用途に応じて
、その摩擦係数μ、耐摩耗特性、耐焼付き特性などを好
適な特性に管理することができる。特に、摺動特性を好
適なものとするため、すなわち、シリンダブロックに配
設されるスリブを高強度で耐摩耗性に優れ、かつ焼付き
荷重が２００ｋＱｆ以上であって、摩擦係数が０．１５
以下を示すものとするためには、無機微小体として、ホ
ウ素化合物を使用することができる。

かかるホ、つ素化合物として、焼結温度以下で分解また
は融解しないものが好ましいが、ＭｑＢ２、ＣｏＢのよ
うに焼結温度で分解するが、分解したホウ素が炭素と反
応して炭化ホウ素を形成するものである場合には、焼結
温度で分解するものも使用できる。このようなホウ素化
合物として、炭化ホウ素、窒化ホウ素の他、Ｏｒ、Ｔｉ
、Ｈａ、７ｒ、Ａ、Ｑ　、Ｎ　ｉ、Ｍに］、Ｎｂ、Ｍｎ
、Ｆｅ、Ｖ、Ｗなどのホウ化物を挙げることができる。

なお、これらの添加物は、金属の状態で添加することも
可能である。

無機微小体として無機粉末を使用した場合は、マトリッ
クス材とのなじみ性、分散性およびでき上った焼結体の
強度と耐摩耗性を考慮して、粒径０．１〜５μｍのもの
が好ましく、より好ましくは０．２〜４μｍである。

また、無機微小体として無機繊維を使用した場合は、マ
トリックス材とのなじみ性、分散性、出来上った焼結体
の強度と耐摩耗性および繊維の離脱を考慮して、直径０
．７〜４０μｍ１長ざ０゜０１〜Ｂｍｍのものが好まし
く、より好ましくは直径１〜１５μｍ、長さ０．０５〜
３ｍｍである。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の粒径は０．１〜１０μｍが好ましく、より好ましく
は０．３〜５μｍである。

粒径が０．１μｍより小さいと、均一混合が難しく、粒
径が１０１１ｍより大きいと、異常（アグレッシブ）摩
耗を起こす可能性が増す。

炭素質粉末は、本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の結合
材を構成するものである。この炭素質粉末は自己焼結性
を有し、未炭化、または完全に炭化されていないもので
ある。この自己焼結性炭素質粉末としては、石油系およ
び石炭系のいずれであってもよく、具体的には、メソカ
ーボンマイクロビーズ、バルクメソフェーズ粉砕品、低
温か焼コークス粉砕品などを挙げることができる。これ
らの中では、粒径および組成の均一性、安定性などの観
点から、石油系および石炭系のメソカーボンマイクロビ
ーズが好ましく、炭化歩溜りの観点から石炭系のものか
より好ましい。自己焼結性炭素質粉末としては、粒径３
０μｍ以下、β−レシン量３〜５０％程度のものが好ま
しい。なお、このβ−レジン量は、より好ましくは６〜
３０％、さらに好ましくは８〜２５％である。

本発明の焼結体は、たとえば第１図に示すような乾式混
合、乾式成形および焼成という簡単な工程で製造できる
。

未炭化炭素質繊維と、無機粉末または無機繊維と、自己
焼結性炭素質粉末とは、混合、成形されて複合体を構成
する。このときの混合手段は特に限定されないが、強度
および耐摩耗性を等方向にするためには、前記した原料
を均一に混合することが好ましい。また、自己焼結性炭
素質粉末と未炭化炭素質繊維との配合割合は、前者１０
０重量部に対して、後者２〜７０重量部程度であり、よ
り好ましくは前者１００重最部に対して後者１０〜５０
重量部程度である。また、無機微小体の添加量は、全体
を１００重量％としたとき３〜３０重量％が好ましく、
より好ましくは５〜１０重量％である。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の添加量は、全体を１００重量％としたとき１〜５０
重量％が好ましく、より好ましくは３〜３５重量％であ
る。ホウ素化合物粉末の添加量が５０重量％を超えると
焼結体の切削加工性が不良となり、かつ強度が若干低下
する。

本発明にかかる焼結体の成形は、常法によって行うこと
ができ、通常１〜１０ｔｏｎ／ｃｍ２程度の加圧下に所
定の形状に成形すればよい。または、ＣＩＰ法、ＨＩＰ
法、ホットプレス法などによって成形を行ってもよい。

成形は、常温でまたは不活性雰囲気下５００℃程度まで
の加熱下に行うことができる。

複合体は、焼結されて本発明にかかる焼結体となる。な
お、ここで焼結とは、常圧で７００〜１５００℃程度に
焼成して未炭化炭素質繊維および自己焼結性炭素質粉末
を炭化固結させることをいう。なお、必要に応じてこの
炭化された複合体を黒鉛化炉で焼結温度以上に加熱して
黒鉛化させてもよい。炭化の条件は、特に限定されない
が、通常非酸化性雰囲気中０．１〜３００’Ｃ／時間程
度の速度で常温から１５００℃程度の温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待して行えばよい。

なお、焼結時においてもより高温で焼結することにより
複合体の一部は炭化の後、黒鉛化する。

また、黒鉛化の条件も、特に限定されず、非酸化性雰囲
気中で焼結時の温度から０．１〜ｂの温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待すればよい。黒鉛化を行った
場合には、黒鉛結晶が十分に成長するとともに秩序正し
く配向し、これにより製品の密度、強度および耐摩耗性
などがさらに向上する。

この特殊な炭素繊維強化炭素焼結体は、焼結前の複合体
を未炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維と、
未炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維を埋設
した自己焼結性を有する未炭化炭素質粉末とで構成した
ものである。したがって、複合体を焼結する場合、強化
材としての炭素質繊維が未炭化、または完全に炭化され
ていないものであるため、この未炭化炭素質繊維と自己
焼結性を有する未炭化炭素質粉末とは、炭化される際に
同程度の物理的性質（強度、収縮率なと）をもつ。この
ため、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性が
向上し、したがって、高強度および優れた耐摩耗性を得
ることができる。要するに、複合体を焼結する場合、未
炭化同士の炭素質繊維と炭素質粉末とが同程度に収縮し
て結合するので、これらの界面密着性が高まり、摺動部
材の強度および耐摩耗性が向上する。

また、無機粉末または無機繊維を添加した炭素繊維強化
炭素焼結体で作られた部品は、相手材との間に機械的な
抵抗力が働き、これにより摩擦係数μが高く、安定した
ものとなる。すなわち、添加された無機粉末または無機
繊維が、相手材に対して機械的な抵抗力を及ぼすので、
摺動部材の摩擦係数μが高く、安定したものとなる。

たとえば、無機粉末を添加した場合には、粉末状である
ため荷重の増加に伴い炭素マトリックス部から離脱しや
すくなり、この無機粉末の離脱と炭素マトリックス部の
凝着とかつり合うことにより、荷重の変動に対して摩擦
係数μが安定したものとなる。また、無機繊維を添加し
た場合には、荷重が増加しても繊維状であるため炭素マ
トリックス部から離脱しにくく、このため摩擦係数μが
高い値となる。

また、前記したように結合材としての自己焼結性炭素質
粉末は、液状炭素質材料からなる従来の結合材の使用を
不要とする。したがって、液状結合材の使用により発生
する気孔を充填するために、含浸、焼成を繰返す必要が
なく、本発明にかかる特殊炭素繊維強化炭素焼結体は、
前記したように第１図に示す乾式混合、乾式成形、焼成
という簡単な工程などで、安価に製造することができる
。

なお、適切な無機粉末または無機［を選択することによ
って、炭素繊維強化炭素焼結体で作られた部品の摩擦係
数μを、その用途に応じた好適な値に管理することがで
きる。特に、無機粉末としてホウ素化合物を添加した場
合、このホウ素化合物粉末が、高荷重すなわち高温にさ
らされると熱分解し、その液相が生じる。この液相によ
って、摺動部材の耐焼付き性が向上し、かつその摩擦係
数μを低く押さえることができるものと考えられる。

たとえば、無機粉末を無機ホウ化物とした場合、摺動部
品の摩擦係数μを０．０５〜０．２の範囲に管理するこ
とができ、無機粉末を無機炭化物とした場合、摺動部品
の摩擦係数μを０．１５〜０゜３５の範囲に管理するこ
とができ、無機粉末を無機窒化物とした場合、摺動部品
の摩擦係数μを０゜１〜０．３５の範囲に管理すること
ができ、そして無機粉末を無機酸化物とした場合、摺動
部品の摩擦係数μを０．２５〜０．５の範囲に管理する
ことができる。

なお、添加する無機粉末または無機繊維によって摺動部
品の摩擦係数μが大きく変化するのは、摺動に伴う発熱
により、無機粉末または無機繊維の状態が変化するため
と考えられている。たとえば、酸化物は耐熱性か高いた
め、摺動時にもその粒子とか繊維の形状を残し、このた
め、高い摩擦係数μを示すものと考えられている。また
、ホウ化物は、酸化物とは逆に摺動時の熱により、分解
し液相を形成し、摩擦係数μを低下させていると考えら
れている。

さらに、未炭化炭素質繊維をタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料により表面処理した場
合には、炭素質繊維の界面の濡れ性が高まり、これによ
り結合材としての炭素質粉末とのなじみ性が高まるので
、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性がさら
に向上する。

本発明にかかるスリーブは、前記した炭素繊維強化炭素
焼結体で作られている。なお、このスリーブは、前記し
た方法で直接スリーブの形状に形成し、焼結して作って
も、あるいはブロック状の炭素繊維強化炭素焼結体を作
りその後スリーブ形状に機械加工して作ってもよい。ま
た、スリーブをシリンダブロック本体のシリンダボア内
へ配設するには、スリーブを予め作っておき、鋳込成形
でスリーブの外周側に溶湯を鋳込、後からシリンダブロ
ック本体を鋳造してつくってもよい。また、シリンダブ
ロック本体を予め作り、そのシリンダボア内に別に作っ
たスリーブを挿入嵌合して本発明のシリンダブロックを
作ってもよい。

［実施例］ 以下、本発明の詳細な説明する。

（実施例１） 石炭系の光学的等方性ピッチから常法により紡糸して得
られた、糸径１５μｍ、糸長さが３ｍｍの不融化繊維か
らなる未炭化炭素質繊維を準備した。この未炭化炭素質
繊維を強化材としてこの未炭化炭素質繊１１００重量部
に、中心粒径７μｍのコールタール系メソカーボンマイ
クロビーズからなる自己焼結性炭素質粉末９００重量部
を加えた後、均一に混合し、得られた混合物を２ｔｏｎ
／Ｃｍ２の成形圧力で成形して直径１９ｃｍ高さ１６ｃ
ｍの柱状の複合体とした。

次に、この複合体を非酸化性雰囲気中、１５０℃／時間
の速度で１０００’Ｃまて昇温し、同温度で１時間保持
して焼成して、未炭化炭素質繊維及び自己焼結性炭素質
粉末を炭化固結させた。そして、ざらに非酸化性雰囲気
中、５００’Ｃ／時間の速度で２０００　’Ｃまで加熱
し、２０分保持して黒鉛化した。

なあ、この炭素繊維強化炭素焼結体の一部を用いて、偏
光顕微鏡による表面観察、走査型電子顕微鏡によるマト
リックスと強化繊維の界面状態の観察、密度および曲げ
強度を測定した。偏光顕微鏡による観察では、マトリッ
クスが焼結した炭素粒子が互いに密着し個々の粒子が異
なる色模様に輝くモザイク状に観察され、繊維はこのマ
トリックス中に点在した一様の色をもつ島状に観察され
、また、気孔を示す黒い点が所々に観察された。これら
黒い点の面積は、全体の面積を１００面積％としたとき
約３面積％であった。走査型電子顕微鏡で観察したマト
リックスと強化繊維の界面状態は両者が一体的に結合さ
れた状態が観察され、マトリックスと強化繊維とが剥離
している状態は観察されなかった。また、この炭素繊維
強化炭素焼結体の密度は１．７６ｇ／ｃｍ３　、曲げ強
度は９゜３ｋｇ／ｍｍ２であった。

このようにして得られた炭素繊維強化炭素ブロックを機
械加工して、第１図に縦断面、第２図に第１図のＡ−Ａ
矢視断面を示す内径８４．５ｍｍ、外径８８．５ｍｍ、
高さ１３２ｍｍの筒状で、その外周面の上部、中央部お
よび下部のそれぞれの部分に外周面を一周するように所
定間隔を隔てて囲む抜は止めおよび回り止め用の突起１
１をもつスリーブ１を作った。このスリーブを低圧重力
鋳造型の鋳型内に配置し、アルミニウム溶湯を鋳造し、
第１図、第２図に示す試験用エンジンのシリンダブロッ
ク２を作った。なお、第１図には、このシリンダブロッ
クのボア２ａ内を摺動するピストン３を参考までに記載
した。

このシリンダブロック２を使用して試験用の単筒ガソリ
ンエンジン（図示せず）を組立てた。

この単筒エンジンを使用して、潤滑油を使用することな
く短時間始動して試験した。その後再びシリンダブロッ
クを分離し、そのスリーブ内周面を観察した。内周面に
は特別な摩擦痕も見られなかった。

なお、本実施例のシリンダブロックの特性を定量化する
目的で、このスリーブと同一の材料で試験片を作り、そ
の線熱膨張係数および密度を測定した。また、機械試験
新式摩擦摩耗試験機により無潤滑下の摩擦係数および焼
付荷重、そしてＬＦＷ摩擦摩耗試験機による油潤滑下の
１５分および６０分間の摩耗量を測定した。これらの値
を第１表、第２表に示す。参考までに、鋳鉄（Ｆｅ１２
）およびアルシル合金（Ａ−３９０）の同じ試験機によ
る測定値を第１表、第２表に合わせて示す。

なお、機械試験新式摩擦摩耗試験機による試験は、試験
片として中央に直径１”１ｍｍの貫通孔をもつ一辺が３
Ｑｍｍ、厚さ５ｍｍの正方形板状とし、この試験片の上
面に外径２６ｍｍ、内径２Ｑｍｍ、高さ１５ｍｍの５Ｕ
Ｊ２製の円筒上加圧体の下面を押圧し、１０ｋｃ＋ｆの
押圧をかけて試験片を無第 表 第 表 潤滑下で１６０回転７／分で２分回転し、焼付の有無を
測定するものである。そして焼付が生じない場合は次ぎ
次ぎに１０ｋＣ］ｆを加え、同じ条件で試験し、焼付の
生じた荷重を測定したるものである。また、ＬＦＷ摩擦
摩耗試験機による試験は、相手材として外径３５ｍｍ、
内径３Ｑｍｍ、軸方向の長さ１ＱｍｍのＳＵＪ製のリン
グを使用し、潤滑油としてＳＡＥ規格の５Ｗ−３０基油
を使用し、回転速度１６０回転／分で、相手材の外周面
に縦１６ｍｍ、横６ｍｍ、高さ１０ｍｍの試験片を荷重
１５ｋｇｆで加圧し１５分および６０分摺動させ、その
時の摩擦係数および摩耗量を測定した。

第１表に示す本実施例のシリンダブロックのスリーブを
構成する炭素繊維強化炭素焼結体の線熱膨張係数、密度
が鋳鉄およびアルシル合金の線熱膨張係数、密度より極
めて小さい。このことは、本実施例のシリンダブロック
は熱による変形が小さく、かつ、軽量であることを示し
ている。また、第２表より、鋳鉄およびアルシル合金−
に比べ、本実施例のシリンダブロックのスリーブを構成
する炭素繊維強化炭素焼結体の焼付荷重が高くまた摩耗
量が極めて少ないことか知られる。これは、本実施例の
シリンダブロックは、激しい使用条件下でも焼付の発生
が少なく、また、摩耗損失が少ないことを示している。

（実施例２） 炭素繊維強化炭素焼結体を次ぎのようにして作った以外
は実施例１と同じ方法で本実施例のシリンダブロックを
作った。

まず、石炭系の光学的等方性ピッチを紡糸器に供給し、
３４０℃に加熱した状態で不活性ガスによる加圧下にノ
ズルから押出して得られたピッチ繊維を、ざらに酸化性
雰囲気中３５０℃で２時間保持して不融化し、繊維径１
５μｍ、ａｍ長さが０．５ｍｍの不融化未決化炭素質繊
維を準備した。

この強化材としての不融化未膨化炭素質繊維３０重量部
と、自己焼結性炭素質粉末としての中心粒径７μｍのコ
ールタール系メソカーボンマイクロビーズ７０重量部と
を混合したちの９５重量％に対し、粒径１．９μｍ（共
立窯業（株）製）の炭化ホウ素粉末５重量％加えて均一
に混合し、得られた混合物を２ｔｂ 形して複合体を得た。

次に、この複合体を常圧で非酸化性雰囲気中、１５０℃
／時間の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で１時間
保持して焼成して、未炭化炭素質繊維および自己焼結性
炭素質粉末を焼結固結させた。そして、さらに非酸化性
雰囲気中、５００℃／時間の速度で２０００　’Ｃまで
加熱し、２０分保持してざらに焼結した。これにより本
実施例のシリンダブロックのスリーブの材料を構成する
炭素繊維強化炭素焼結体を得た。

なお、表面層３を構成する炭素繊維強化炭素焼結体の一
部を用いて、実施例と同様に、偏光顕微鏡による表面観
察、走査型電子顕微鏡によるマトリックスと強化繊維の
界面状態の観察、密度および曲げ強度を測定した。偏光
顕微鏡による観察では、マトリックスが焼結した炭素粒
子が互いに密着し個々の粒子が異なる色模様に輝くモザ
イク状に観察され、繊維はこのマトリックス中に点在し
一様の色をもつ島状に観察され、また、ホウ化チタン粒
子は白い斑点状に観察された。また、気孔を示す黒い点
が所々に観察された。これら黒い点の面積は、全体の１
００面積％としたとき約３面積％であった。走査型電子
顕微鏡で観察したマトリックスと強化繊維の界面状態は
両者が一体的に結合された状態が観察され、マトリック
スと強化繊維とが剥離している状態は観察されなかった
。

また、この炭素繊維強化炭素焼結体の密度は１゜７６０
／Ｃｒｌ　、曲げ強度は３．５ｍｍ２であった。

このシリンダブロックを使用して試験用の単筒ガソリン
エンジン（図示せず）を組立てた。

この単筒エンジンを使用して、潤滑油を使用することな
く短時間始動して試験した。その後再びシリンダブロッ
クを分離し、そのスリーブ内周面を観察した。内周面に
は特別な摩擦痕も見られなかった。

また、本実施例のシリンダブロックの特性を定量化する
目的で、実施例１と同様に、このスリブと同一の材料で
試験片を作り、その線熱膨張係数および密度を測定した
。また、機械試験新式摩擦摩耗試験機により無潤滑下の
摩擦係数および焼付荷重、そしてＬＦＷ摩隙摩耗摩耗試
験機る油潤滑下の１５分および６０分間の摩耗量を測定
した。

これらの値を第１表、第２表に示す。

第１表に示す本実施例のシリンダブロックのスリーブを
構成する炭素繊維強化炭素焼結体の線熱膨張係数、密度
は、実施例１のシリンダブロックのスリーブを構成する
炭素繊維強化炭素焼結体の線熱膨張係数、密度鋳鉄より
僅かに小さく、アルシル合金の線熱膨張係数、密度より
極めて小さい。

このことは、本実施例のシリンダブロックは実施例１の
シリンダブロックより僅かに熱による変形が小ざく、か
つ、軽量であることを示している。

また、第２表より、実施例１のシリンダブロックに比べ
、本実施例のシリンダブロックのスリーブを構成する炭
素繊維強化炭素焼結体の焼付荷重か高くまた摩耗量も少
ないことが知られる。これは、本実施例のシリンダブロ
ックは、実施例１のシリンダブロック以上に激しい使用
条件下でも焼付の発生が少なく、また、摩耗損失が少な
いことを示している。

（実施例３） ホウ素化合物粉末として、粒径１．４μｍ（日本新金属
製）、粒径５．０μｍ（共立窯業（株）製）のホウ化チ
タンを使用したこと以外は、実施例２と同様の方法によ
り炭素繊維強化炭素焼結体を作り、この炭素繊維強化炭
素焼結体より実施例１と同じ方法で本実施例のシリンダ
ブロックを作った。

このシリンダブロックを使用して試験用の単筒ガソリン
エンジン（図示せず）を組立てた。

この単筒エンジンを使用して、潤滑油を使用することな
く短時間始動して試験した。その後再びシリンダブロッ
クを分離し、そのスリーブ内周面を観察した。内周面に
は特別な摩擦痕も見られなかった。

また、本実施例のシリンダブロックの特性を定量化する
目的で、実施例１と同様に、このスリブと同一の材料で
試験片を作り、その線熱膨張係数および密度を測定した
。また、機械試験新式摩擦摩耗試験機により無潤滑下の
摩擦係数および焼付荷重、そしてＬＦＷ摩擦摩耗試験機
による油潤滑下の１５分および６０分間の摩耗量を測定
した。

これらの値を第１表、第２表に示す。

第１表に示す本実施例のシリンダブロックのスリーブを
構成する炭素繊維強化炭素焼結体の線熱膨張係数、密度
は、実施例２のシリンダブロックのスリーブを構成する
炭素繊維強化炭素焼結体の線熱膨張係数、密度鋳鉄とほ
ぼ同じで、アルシル合金の線熱膨張係数、密度より極め
て小さい。このことは、本実施例のシリンダブロックは
実施例２のシリンダブロックとほぼ同じ程度に熱による
変形が小さく、かつ、軽量であることを示している。ま
た、第２表より、実施例２のシリンダブロックに比べ、
本実施例のシリンダブロックのスリーブを構成する炭素
ｗ４雑強化炭素焼結体の焼付荷重が高くまた摩耗量も少
ないことが知られる。これは、本実施例のシリンダブロ
ックは、実施例２のシリンダブロック以上に激しい使用
条件下でも焼付の発生が少ないが逆に、摩耗損失が少し
多いことを示している。

［発明の効果］ 本発明のシリンダブロックは、そのシリンダボアに特殊
な炭素繊維強化炭素焼結体でできたスリブが配設されて
いる。この炭素繊維強化炭素焼結体は鋳鉄に比較して摩
擦係数が低く、摩耗量が少なく、かつ、焼付荷重が高い
。このため、本発明のシリンダブロックは鋳鉄製のシリ
ンダブロックに比較して、ボア内面の摩耗か大幅に少な
く、激しい使用条件下で使用しても焼きつかない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシリンダブロックのスリーブを構成す
る特殊炭素繊維強化炭素焼結体の製造工程を示すブロッ
ク図、第２図は本発明の実施例１のシリンダブロックの
縦断面図、第８図は第１図のＡ−Ａ矢視断面図である。 １・・・スリーブ　　　２・・・シリンダブロック２ａ
・・・シリンダボア ３・・・ピストン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１個のシリンダボアをもつ金属製のシ
   リンダブロック本体と該シリンダボアの内周面に一体的
   に配設されたスリーブとからなり、該スリーブは、炭素
   マトリックス中に炭素繊維があるいは炭素繊維と無機微
   小体とが一体的に埋設された組織を有し、該炭素マトリ
   ックスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一
   に密集したモザイク構造をもち、該炭素繊維と該炭素マ
   トリックスとの間の界面で剥離している界面の割合が全
   界面に対して１０％以下であり、かつ密度が１．６５以
   上である炭素繊維強化炭素焼結体であることを特徴とす
   るシリンダブロック。
2. （２）少なくとも１個のシリンダボアをもつ金属製のシ
   リンダブロック本体と該シリンダボアの内周面に一体的
   に配設されたスリーブとからなり、該スリーブは、未炭
   化炭素質繊維をあるいは未炭化炭素質繊維と無機微小体
   とを埋設した自己焼結性を有する炭素質粉末とからなる
   複合体を焼結して得られる炭素繊維強化炭素焼結体で構
   成されていることを特徴とするシリンダブロック。