JPH07132362A - シリンダブロックおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピストンに対する優れた耐摩耗性を備えると
共に、軽量化および冷却性能の大幅な向上が可能な内燃
機関用アルミニウム合金製シリンダブロックおよびその
製造方法を提供する。 【構成】 炭化けい素粒子を含んだアルミニウム合金系
複合材からなるシリンダライナ１を５００°Ｃに予熱し
たうえで７００°Ｃのアルミニウム合金溶湯を鋳込むこ
とによって前記シリンダライナ１を鋳ぐるむ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用ガソリンエン
ジンなどの内燃機関に利用されるアルミニウム合金製シ
リンダブロックに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、上記のような内燃機関において
は、軽量化あるいは冷却性能の向上の観点からシリンダ
ヘッドとともにシリンダブロックをもアルミニウム合金
化した、いわゆるアルミダイキャストエンジンが多くな
ってきている。

【０００３】このようなアルミニウム合金製シリンダブ
ロックにおいては、ピストンとの耐摩耗性を確保するた
めに、図４（ａ）に示すように、シリンダブロック１０
０の鋳造時に鋳鉄からなる円筒形のシリンダライナ１０
１を鋳ぐるみ、ピストンホール１０２に位置せしめるこ
とによって耐久性を向上させるようにしていた。なお、
この図において記号１０３は鋳造されたシリンダブロッ
ク本体、記号１０３ａは当該シリンダブロック１００を
水冷するための冷却水通路である。

【０００４】また、図５に示すような鋳ぐるみ構造のシ
リンダブロック１００において、シリンダライナ１０１
を鋳ぐるんだのちシリンダライナ上部の矢印で示す位置
に溶接を施すことによって、当該シリンダライナ１０１
とシリンダブロック本体１０３との間の一体性を向上さ
せる試みもなされている。

【０００５】さらに、実開昭６１−７０５４８号公報に
は、鍍金や溶射によって鋳鉄製シリンダライナの内側表
面を窒化し、熱伝導性を低下させて断熱性を高める提案
がなされており、実開昭５５−６４４４５号および実開
昭５８−３５６４４号公報には、アルミニウム合金製シ
リンダライナの内側を純銅で鍍金したものおよび硬質金
属の溶射によって耐摩耗性を向上させたものがそれぞれ
開示されている。

【０００６】また、実開昭５９−７３５４６号，実開昭
５９−１９０９５２号，実開昭６０−６１４５６号，実
開昭６０−１３４８４４号，実開昭６２−７３５４６号
などの公報には、金属製ライナの内側にセラミックスの
円筒を配設した多重管構造のシリンダライナが提案され
ているとともに、自動車工学の１９９１年１１月号（ｖ
ｏｌ．４０，Ｎｏ．１２），第３８〜４６頁には、鋳造
用金型のシリンダライナ相当部分にセラミックス繊維か
らなるプリフォームをセットし、シリンダブロックの鋳
造時に当該プリフォーム繊維にアルミニウム合金の溶湯
を含浸させることによってシリンダ内面のピストン摺動
面のみをＦＲＭ（繊維強化金属）化した鋳鉄ライナなし
のアルミニウム合金製シリンダブロックが開示されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たアルミニウム合金製シリンダブロックのうち、シリン
ダブロックの鋳造時に鋳鉄製シリンダライナを鋳ぐるん
だシリンダブロックにおいては、シリンダライナ素材で
ある鋳鉄とシリンダブロック本体を構成するアルミニウ
ム合金とでは、その融点が大きく異なるばかりでなく、
両者の間の濡れ性が良くないために、当該シリンダブロ
ックの鋳造時に、図４（ｂ）に拡大して示すように、シ
リンダライナ１０１の背面とシリンダブロック本体１０
３との間にガス層１０４が形成されてしまい、このガス
層の存在によってシリンダライナ周辺部分の冷却性能が
大きく損われ、シリンダライナ１０１の表面温度が上昇
することから、とくにガソリンエンジンの場合、ノッキ
ングが生じやすくなるため圧縮比を十分高めることがで
きず、エンジンの出力向上や燃費改善の妨げとなるとい
う問題点がある。

【０００８】また、図５に示したシリンダライナ１０１
とシリンダブロック本体１０３の間を溶接したシリンダ
ブロック１００は、上記鋳ぐるみ構造のシリンダブロッ
クの問題点を改善しようとするものではあるが、鋳鉄と
アルミニウム合金との溶接が困難であると共に溶接によ
る接合深さには限界があり、十分な冷却性能の向上が得
られないばかりではなく、エンジンの作動時には溶接部
近傍に急激な温度勾配が生じ、ボアの異常変形が発生す
るほか、この繰返しによって溶接部付近に熱疲労破壊が
発生し兼ねないという問題点があった。また、鋳造後に
溶接工程が加わるため生産コストの上昇が避けられない
という問題点もある。

【０００９】鋳鉄製シリンダライナの内面を窒化した
り、アルミニウム合金製シリンダライナの内側に鍍金し
たものでは、このようなコーティング層がピストンリン
グによる摩擦や繰り返し加熱によって、熱膨張差に基づ
く剥離現象を起し易く、セラミックスと金属との多重管
構造のシリンダライナでは、モノリスセラミックスから
のセラミックス管の加工が困難であると共に、金属管と
の焼ばめ接合がエンジン作動時の燃焼熱によってゆるみ
易く、ピストン運動を阻害する傾向がある。

【００１０】さらに、セラミックス繊維によりＦＲＭ化
した鋳鉄ライナなしのシリンダブロックにおいては、エ
ンジン作動時の燃焼熱によりセラミックス繊維とアルミ
ニウム合金の間にクラックが生じ、シリンダ内壁とピス
トンリングの間の摩擦が増大して長期の使用には耐え得
ないという問題点があり、このような問題の解消が上記
のようなアルミニウム合金製シリンダブロックにおける
課題となっていた。

【００１１】

【発明の目的】本発明は、従来のアルミニウム合金製シ
リンダブロックにおける上記課題に着目してなされたも
のであって、ピストンに対する優れた耐摩耗性を備える
と共に、軽量化および冷却性能の大幅な向上が可能な内
燃機関用アルミニウム合金製シリンダブロックおよびそ
の製造方法を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために、アルミニウム合金製シリンダブロック
におけるシリンダライナ素材、あるいはシリンダブロッ
クの鋳造方法について鋭意検討した結果、軽量性および
シリンダブロック本体を構成するアルミニウム合金との
融点差の観点から、耐摩耗性アルミニウム合金もしくは
アルミニウム合金系複合材料がシリンダライナ素材とし
て好都合であり、シリンダライナの鋳ぐるみに際して、
当該シリンダライナ表面に局部的な溶融を発生せしめ、
シリンダブロック本体との間に溶融接合層を形成するこ
とが冷却性能の向上に極めて有効であることを見出すに
至った。

【００１３】本発明に係わるシリンダブロックは、上記
知見に基づくものであって、耐摩耗性アルミニウム合金
またはアルミニウム合金系複合材製のシリンダライナを
アルミニウム合金で鋳ぐるんでなる内燃機関用アルミニ
ウム合金製シリンダブロックであって、前記シリンダラ
インナとシリンダブロック本体との境界部における少な
くともシリンダライナのシリンダヘッド側の端面部もし
くはシリンダヘッド側の側面部をシリンダブロック本体
と溶融接合してなる構成としたことを特徴としており、
当該シリンダブロックの望ましい実施態様としては、前
記シリンダライナがアルミニウム合金中に体積パーセン
トで１５〜３０％の炭化けい素粒子を含む複合材料であ
って、その熱伝導率が１５０ｗ／ｍｋ以上，熱膨脹係数
が１３．５×１０^−６／°Ｃ〜２０×１０^−６／°Ｃで
ある構成としたことを特徴としている。また、本発明に
係わるシリンダブロックの製造方法は、前記シリンダラ
イナをアルミニウム合金で鋳ぐるむに際し、当該シリン
ダライナを溶湯温度よりも１５０〜２５０°Ｃ低い温度
に予熱する構成としたことを特徴としており、このよう
なシリンダブロックおよびその製造方法の構成を前述し
た従来の課題を解決するための手段としている。

【００１４】本発明に係わるシリンダブロックは、上記
のように、シリンダライナとシリンダブロック本体との
間の境界部を溶融接合させたものであるが、その接合部
分を少なくともシリンダライナのシリンダヘッド側端面
部もしくはシリンダヘッド側の側面部としたのは、シリ
ンダライナのシリンダヘッド側部分の冷却性能を向上さ
せ、この部分の表面温度を低下させることがノッキング
を防止するのに最も有効であることによる。

【００１５】また、シリンダライナ素材としては炭化け
い素とアルミニウム合金との複合材料を使用することが
より望ましく、炭化けい素の体積含有率を上記範囲とし
たのは、炭化けい素が１５％未満の場合には耐摩耗性を
十分に向上させることができず、逆に３０％を超えた場
合には、熱膨張など熱特性のシリンダブロック本体を構
成するアルミニウム合金との差が生じるとともに表面硬
さが高くなってピストンリングの摩耗を増大させる傾向
があることによる。

【００１６】さらに、熱伝導率を１５０ｗ／ｍｋ以上と
したのは、シリンダ内部の熱を冷却水側に速やかに逃が
すのに適し、熱膨張係数を１３．５×１０^−６〜２０．
０×１０^−６／°Ｃとしたのは、この範囲であればシリ
ンダブロック本体のアルミニウム合金との熱膨張の実質
的な差がなく、シリンダブロック本体からの剥離が生じ
ないことによる。

【００１７】また、本発明に係わるシリンダブロックの
製造方法において、鋳造時の溶湯温度とシリンダライナ
の予熱温度との差を１５０〜２５０°Ｃとしたのは、シ
リンダライナの予熱温度が（溶湯温度−１５０°Ｃ）を
超えた場合には鋳造時にシリンダライナが溶けてしまっ
て構造欠陥を起したりライナ効果がなくなり、予熱温度
が（溶湯温度−２５０°Ｃ）に達しない場合にはシリン
ダライナの表面で溶湯が凝固して湯まわりが劣化し、鋳
造欠陥を引き起して溶融接合層が形成されないことによ
る。

【００１８】

【発明の作用】本発明に係わるシリンダブロックは、耐
摩耗性アルミニウム合金またはアルミニウム合金系複合
材製のシリンダライナを鋳ぐるみ、当該シリンダライナ
の少なくともシリンダヘッド側の部分をシリンダブロッ
ク本体に溶融接合させたものであるから、燃料の燃焼に
より発生した熱がシリンダライナから接合層を介してシ
リンダブロック本体に速やかに伝わり、シリンダブロッ
ク本体内を流れる冷却水へと放熱されるので、当該部分
の冷却性能が向上し、シリンダライナの表面温度が低下
することからノッキングが発生しにくいものとなる。ま
た、本発明に係わるシリンダブロックの製造方法におい
ては、耐摩耗性アルミニウム合金またはアルミニウム合
金系複合材からなるシリンダライナを鋳ぐるむに際し
て、当該ライナを溶湯温度よりも１５０〜２５０°Ｃだ
け低い温度に予熱するようにしているので、シリンダラ
イナ表面が溶湯の熱によって局部的に溶湯することにな
り、シリンダブロック本体との間が溶融接合される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００２０】まず、アルミニウム合金として、ＪＩＳ
Ｈ ５２０２に規定されるＡＣ８Ａ材を用意し、該合金
に重量パーセントで５％のマグネシウムを加えて溶解
し、７００°Ｃに保持すると共に、当該溶融合金に５０
０メッシュの炭化けい素粉末を混合したのち砂型を用い
て鋳造し、炭化けい素含有量が体積パーセントで、それ
ぞれ１０，１５，３０，３５％のアルミ−炭化けい素複
合材料からなるシリンダライナを得た。

【００２１】次に、上記手順により得られた各シリンダ
ライナを５００°Ｃに加熱して型にセットしたのち、７
００°Ｃのアルミニウム溶湯により当該シリンダライナ
を鋳ぐるむことによって４種のシリンダブロックを製造
した。

【００２２】そして、接合面を破断し、顕微鏡観察によ
ってシリンダライナとシリンダブロック本体との接合状
況を調査し、シリンダライナを加熱することなく鋳ぐる
んだシリンダブロックの場合と比較した。

【００２３】また、上記方法に準じて鋳造した試験片を
用いてピンオンディスク型摩擦試験機により、上記各シ
リンダライナ素材の耐摩耗性を調査すると共に、熱伝導
率，熱膨張係数，曲げ強度，破壊靭性，硬さなどについ
て測定した。なお、摩擦試験については、比較材として
アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ２Ａ材）、およびシリ
ンダライナとして一般的に用いられる鋳鉄（ＪＩＳ Ｇ
５５０１，ＦＣ材）の摩擦試験を同時に実施すると共
に、曲げ試験についてはＪＩＳ Ｒ １６０１、破壊靭
性試験および硬さ試験についてはＪＩＳ Ｒ １６０７
およびＪＩＳ Ｒ１６１０（ビッカース試験）に基づい
て実施した。

【００２４】また、ピンオンディスク型摩擦試験機は、
図３に示すような構造を有し、ピストンリング素材であ
るオーステナイト鋳鉄（ＪＩＳ Ｇ ５５１０，ＦＣＡ
材）製の角片（１４×５×８ｍｍ）にクロムめっきを施
した３個のピン２１を放射状に取付けた回転円板２２
に、ホルダ２３に装着したディスク型試験片Ｔ（８０ｍ
ｍ^φ×１３ｍｍ^ｔ）を押し付け、このときの試験片Ｔお
よびピン２１の摩耗量をもって耐摩耗性を評価するもの
であって、この実施例では、押し付け荷重４０ｋｇ，摩
擦速度１．９ｍ／ｓｅｃで４時間の試験時間の条件を採
用した。なお、試験中にはホルダ２３に設けたオイル供
給口２３ａから２８°Ｃのモータオイルが毎分２０ｃｃ
づつ供給されるようになっている。

【００２５】これらの結果は、表１に合せて示すとおり
で、シリンダライナの予熱を行わなかった比較シリンダ
ブロックにおいては、シリンダライナとシリンダブロッ
ク本体との間に溶融接合層が全く形成されていないのに
対して、シリンダライナを５００°Ｃ（溶湯温度７００
°Ｃ−２００°Ｃ）に予熱した本発明シリンダブロック
においては、シリンダライナとシリンダブロック本体と
の間に断続的なガス層（気孔）がわずかに生じている部
分が認められたものの、シリンダライナのシリンダヘッ
ド側において良好な溶融接合層が形成されていることが
確認された。

【００２６】

【表１】

【００２７】すなわち、本発明シリンダブロックにおい
ては、図１に示すように、アルミ−炭化けい素複合材料
からなるシリンダライナ１の図中上方側、すなわち図示
しないシリンダヘッド側端面部１ａおよびシリンダヘッ
ド側の側面部１ｂにおいて溶融接合することによりシリ
ンダブロック２と一体化されており、特に炭化けい素含
有量１０および１５％のシリンダライナ１を用いた実施
例２および３のシリンダブロックにおいては、シリンダ
ライナ１とシリンダブロック本体２との間の境界面のほ
ぼ５０％が溶融接合していることが判明した。

【００２８】また、ピンオンディスク型試験機による摩
擦試験においては、アルミニウム合金マトリックス中に
炭化けい素を混合して複合化することによって耐摩耗性
が向上し、とくに炭化けい素含有量が体積パーセントで
１５％以上の場合に耐摩耗性が大幅に向上することが確
認されたが、炭化けい素含有量が３５％のものは、自身
の耐摩耗性については良好であるものの、ピストンリン
グを想定したピンの摩耗量が増大する傾向が認められ
た。

【００２９】図２は、炭化けい素含有量３０％のシリン
ダライナ１を５００°Ｃに予熱することによって鋳ぐる
み、前記実施例３に相当するシリンダブロックを別途製
造し、当該シリンダブロックを実際のエンジンに組み込
んで作動させたときのシリンダ部分（図１（ａ）におけ
るＡ−Ｃ間）の温度分布の測定結果をシリンダライナを
予熱することなく鋳ぐるんだ前記比較例に相当するシリ
ンダブロックの場合と比較して示すものであって、シリ
ンダライナ１とシリンダブロック本体２の間の境界面が
溶融接合している本発明シリンダブロックにおいては、
図中に実線で示すように、Ａ位置（シリンダライナ１の
内側表面）からＣ位置（冷却水通路２ａの側）に向けて
ゆるやかに低下する温度分布を示し、燃焼熱が接合層を
介してシリンダライナ１からシリンダ本体２を経て冷却
水に円滑に放熱されているのに対し、破線で示す比較例
シリンダブロックにおいては、接合層が形成されていな
いのでシリンダライナ１からシリンダブロック２への熱
伝導が阻害され、本発明に係わるシリンダブロックにく
らべてシリンダ内面温度が約１００°Ｃも高くなること
が確認された。

【００３０】なお、上記実施例においては、アルミ−炭
化けい素複合材をシリンダライナとして用いた例を示し
たが、本発明におけるシリンダライナは複合材料のみに
限定される訳ではなく、例えばＡ３９０などの耐摩耗性
アルミニウム合金を用いることもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わるシ
リンダブロックは、上記構成、すなわち耐摩耗性アルミ
ウム合金またはアルミニウム合金系複合材製のシリンダ
ライナとシリンダブロック本体との間を溶融接合してな
る構成としたものであるから、鋳鉄製シリンダライナと
くらべて大幅な軽量化が可能であると共に、燃料の燃焼
熱がシリンダライナからシリンダブロックに円滑に移行
するので冷却効率が向上し、シリンダ内部の温度が低下
することからノッキングが発生しにくくなると共に、ボ
ア部の異常変形が抑えられてブローバイガスが減少する
という優れた効果がもたらされる。また、本発明に係わ
るシリンダブロックの製造方法は、耐摩耗性アルミニウ
ム合金またはアルミニウム合金系複合材からなるシリン
ダライナを鋳ぐるむに際して当該シリンダライナを溶湯
温度よりも１５０〜２５０°Ｃ低い温度に予熱するもの
であるから、従来機械的結合のためにシリンダライナの
外周部に設けていた凹凸部の加工が不要となるばかりで
なく、シリンダライナの外周面が溶湯の熱によって局部
的に溶融してシリンダブロック本体と一体化して結合さ
れるので、本発明に係わるシリンダブロックを容易に製
造することができるという効果をもたらすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ） 本発明に係わるシリンダブロックの構
造を示す縦断面説明図である。 （ｂ） 図１（ａ）に示したシリンダブロックの拡大断
面説明図である。

【図２】本発明に係わるシリンダブロックと比較例シリ
ンダブロックの温度分布を比較するグラフである。

【図３】（ａ）および（ｂ）は実施例において用いたピ
ンオンディスク型摩擦試験機の構成を示す概略説明図で
ある。

【図４】（ａ）従来のシリンダブロックを示す縦断面説
明図である。 （ｂ）図４（ａ）に示したシリンダブロックのシリンダ
ライナとシリンダブロック本体との境界部を示す拡大断
面説明図である。

【図５】シリンダブロックの他の従来例を示す縦断面説
明図である。

【符号の説明】

１ シリンダライナ １ａ 端面部 １ｂ 側面部 ２ シリンダブロック本体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐摩耗性アルミニウム合金またはアルミ
   ニウム合金系複合材製のシリンダライナをアルミニウム
   合金で鋳ぐるんでなる内燃機関用アルミニウム合金製シ
   リンダブロックであって、 前記シリンダライナとシリンダブロック本体との境界部
   における少なくともシリンダライナのシリンダヘッド側
   の端面部もしくはシリンダヘッド側の側面部をシリンダ
   ブロック本体と溶融接合してなることを特徴とするシリ
   ンダブロック。
2. 【請求項２】 前記シリンダライナがアルミニウム合金
   中に体積パーセントで１５〜３０％の炭化けい素を含む
   複合材料であって、その熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以
   上、熱膨張係数が１３．５×１０^−６〜２０．０×１０
   ^−６／℃であることを特徴とする請求項１記載のシリン
   ダブロック。
3. 【請求項３】 前記シリンダライナをアルミニウム合金
   で鋳ぐるむに際し、当該シリンダライナを溶湯温度より
   も１５０〜２５０℃低い温度に予熱することを特徴とす
   る請求項１または２記載のシリンダブロックの製造方
   法。