JPS59500779A - アルミニウム合金と特定の大きさのケイ素粒子とをベースとするエンジンライナ - 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】 アルミニウム合金と大きさにより選別されたケイ素粒子とをイーストスるエンジ ンケーシング及びその製法本発明は、大きさにより選別されたケイ素粒子がアル ミニウムーケイ素共晶合金のマトリックスに分散されている組織をもつ内燃機関 （　ｍｏｔｅｕｒｓ　ａ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ又はｍｏｔｅｕｒｓ　ａｃｏｍｂ ｕｓｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｎｅ　）用ケーシングに係る。本発明はまた、このよ うなケーシングの数種の製法にも係る。

アルミニウムを（−スとするエンジン用ケーシングは新規な製品ではないが、こ の種のケーシングの使用にはその作用面とエンジンの要素、例えばこれらケーシ ングと接触するピストン、との間の両立性の問題が常に付随してきた。このよう なケーシングに伴う種々の問題を解決すべく、例えば鋼鉄製ライニングを具備す る、シリンダのボア表面を鉄又はクロムの如きより硬質の金属で被覆する、など 種々の方法が研究されたが、いずれもこれらの問題を完全には除去し得なかった 、。

次いで、アルミニウムーケイ素過共晶合金の如きより大きい機械的耐性をもつ合 金が注目されるようになったが、この場合はケーシング鋳造時に発生する一次ケ イ素結晶が、その比較的大きい寸法と角尖った形状と（こ起因して、ピストン表 面に傷をつけるという問題を生じることが判明したため、ピストン表面を被覆で 保穫しなければならなくなぐった。

前述の如き欠点を有してはいるもののＡ−Ｓ過共晶合金の特定利点は利用したい という考えから、この種の合金の組織を特にケイ素粒子しはルで変えて、後に表 面処理しなくとも必要な両立性が得られるよう種々の方法が研究きれた゛。これ らの試みは主として次の２種に分けられる。

−１つは仏画特許第１４４１８６０号に開示されている如く鋳造物の組織を変更 する方法であり、この場合はアルミニウムのマトリックスを酸で腐食してケイ素 粒子を，浮き上がらせ、次いでこれら粒子を研摩する。

一他の１つは仏画特許第２２３５５３４号に記載の如く新規な鋳造物組織を得る 方法である。この方法では、−次ケイ素相は全く生じないが、逆に１０μｍ未満 の大きさをもつ繊維状又はスフエロイド状粒子が生じるような冷却条件下でケー シングの鋳造を行う。

その後本出願人も特許第２３４３８９５号で新規のＡ−Ｓ過共晶組織を提供した が、この場合は鋳造成形に代えて、噴霧（こより得られた粉末゛を押出し成形す る方法をとった。実際、このような技術には、速い冷却速度で形成されるため一 次ケイ素の粒子の大きさが比較的小さく、いずれにしても従来の鋳造成形によっ て得られる大きさよりは小さいという特徴をもつ粉末を使用するという利点があ る。この粒子の大きさは押出し処理によって変化することがないため、微細なケ イ素粒子が十分に分散した新規な組織が得られ、従ってピストンに対するケーシ ングの両立性がかなり向上する。

しかし乍ら特に厳しい条件下でテストを繰返すと、前述の方法で得られたケーシ ングには破損が生じる。

この現象を徹底的に調べた結果、原因はケイ素粒子が余りに軸組すぎることにあ ると判明した。これらの結果から、本出願人は前記の両立性が更に向上し得るこ とを確信した。そこで本出願人は、最大最小の開きが比較的狭い粒度範囲内で入 念に選別されたケイ素粒子を含む組織をもつケーシングを開発した。

この粒度は平均して、好ましくない性質をもたらした微細粒子の最大粒度よりは 大きく、且つ鋳込み成形した場合の大きすぎる粒度よりは小さい値の範囲内にあ る。

本発明は従って、アルミニウムーケイ素共晶合金をは−スとし、場合によっては 他の成分をも含み、２０乃至５０μｍの粒径をもつ選別されたケイ素粒子が分散 された組織を有していることを特徴とする内燃機関用ケーシングに係る。

本発明のケーシングはアルミニウムーケイ素共晶合金からなるマトリックス、即 ち約１２％のケイ素を含んでいて一次ケイ素粒子が全く発生しないマ）　ＩＪフ ックスで構成されるが、この合金は機械的特性又は摩擦作用もしくは摩耗作用に 関する特定の性質を向上させるような他の成分をも任意に含み得る。

このマ）　ＩＪラックスは選別されたケイ素粒子、即ち上下の差ができるだけ小 さい粒度曲線に従い且つ粒径がいずれの場合も２０乃至５０μｍの範囲内にある ようなケイ素粒子が分散されている。微細ケイ素粒子と所望の両立性を低下させ る粒径の大きすぎる粒子とは従って全く含まれていない。

また、前記のマトリックスによりもたらされる特性とケイ素粒子により得られる 特性とをいずれも最大限に利用するためには、マトリックスの質量に対し５乃至 １５重量％のケイ素粒子を加えると極めて有利であることも確認し得た。

これらのケイ素粒子は９９．５％を上回る純度を有しており、好ましくはカルシ ウム含量が３００兜未満である。これらの粒子は必要に応じ鉄分除去処理にかけ てもよい。そのファシース（ｆａｃｉａｓ　）は製造法に従い異なる。例えば従 来の粒子の如く粉砕とふるい分けとにより製造するだけでなく、液体ケイ素の噴 霧化によっても製造し得、その場合はより丸味のある粒子が得られる。

アルミニウムーケイ素合金のマトリックスに関しては、Ａ−８１２Ｕ４Ｇタイプ の共晶合金、即ち機械的耐性を向上させる効果をもつ銅及びマグネシウムの如き 成分をも含んでいる合金を使用するのが好ましい。

また、グラファイトもしくはこれと等価の役割を果たす他の物質の如き補助物質 の存在によりケーシングの摩擦特性を向上させる。好ましくは粒状の人工グラフ ァイトを使用する。このような形状であればケーシングの他の成分にも物理的に 良くとけ込む。最も有利な含有率はこの補助物質が分散されるマトリックスであ る物体の３乃至１０重量％である。

本出願人はまた、前記合金中に存在し得る化合物とは別のものであって融点が７ ００℃を越えるような金属間化合物を少なくとも１種類ケーシングに分散状に加 えれば、両立性の点でケーシング−ピストンアセンブリの性能を更に高めること ができ、特にケーシングが通常許容し得る限界値を上回る温度で作動する場合に 生じる特定の局所的接合現象を回避することができることも確認した。

従って本発明では選別されたケイ素粒子の他に少なくとも１種類の金属間化合物 をもケーシング中に分散させる。

この分散相はば−スの合金中に存在し得るものとは構造及び／又は組成の点で異 なることに留意されたい。実際、前記の合金は粉末から冶金学的に成形する間に 相互間で金属間化合物を形成し得る特定成分を含んでいることもある。しかし乍 らそのような化合物はは−スの合金の組織自体に属するものであり、従って本発 明の化合物とは関係ない。この分散相を構成するこれら金属間化合物は７００℃ より高い融点をもつものから選択する。

実際、アルミニウムーケイ素共晶合金のマトリックスをもつケーシングの組織中 に前述の如き化合物が存在すると、温度が特定の限界値を越えた時にケーシング が局門的にピストンに溶着されるという傾向が完全には回避されなくとも大幅に 減少することが判明した。

更にテストの結果、これら金属間化合物を加えるとケーシング中に硬い部分が生 じて摩耗耐性が強化されるため、ケイ素粒子がより良くその役割を果たすことに なり、且つ摩擦係数の測定からも明らかなようにグラファイトの潤滑剤としての 機能が大幅に向上するため該グラファイトの役割もより十分に果たされるように なることが判明した。

３個のニッケル原子が１個のスズ原子に結合して六方晶系の結晶を形成している 金属間化合物Ｎｉ３Ｓｎは［接合回避（ｎｏｎ−ｃｏｌｌａｇｅ　）　Ｊ　剤と しても潤滑性且つ耐耗性物質としても極めて秀れていることが判明した。

このような化合物は粒子の形でケーシング体中に規則的に分散させなければなら ない。しかし乍らこれら化合物の効果を十分に発揮させるためには、これらの粒 子が選別される、即ちこれらの粒子が上下間の差のできるだけ小さい粒度曲線に 従い、いずれｌこせよ５乃至５０μｍの粒径を有することが好ましい。

このようにすれば、比表面積（５ｕｒｆａｃｅ　５ｐｅｃＨｉｑｕｅ　）が大き いためにケーシング製造工具の焼は付き（ｇｒｉｐｐａｇｅ　）を起こす微細す ぎる粒子も、摩擦係数を増大せしめる大きすぎる粒子も除外することができる。

アルミニウムーケイ素共晶合金のマトリックスと、ケイ素粒子と、潤滑剤と、金 属間化合物の粒子とによりもたらされる夫夫の利点を最大限に活用するためには 、マ）　ＩＪラックス質量の５乃至１５％の金属間化合物粒子を加えると極めて 効果的であることが判明した。

金属間化合物の粒子は製造法に応じて異なるファシースを有し得る。例えば粉砕 により形成される粒子のみならず、液体状の化合物を噴霧化することにより形成 される粒子も得ることができ、後者の場合はより丸味のある輪郭が与えられる。

本発明の材料のマ）　ＩＪラックス構成するＲ−スの合金としては、Ａ　−８１ ２ＵＡＧタイプの合金以外ＩＣ１Ａ　−８１２ＺＳＧＵ　タイプの合金も使用し 得る。

本発明は更にこのようなケーシングの数種の製法にも係る。

これらの方法はアルミニウムーケイ素共晶合金を液体状態から粉末に細分すると いう共通点を有している。この操作は既存の任意の方法、例えば遠心力による霧 化、噴霧、等々により実施される。得られた粉末は次いでふるいにかけて６０乃 至４００μｍの範囲に含まれない粒径の粒子を除去した後、粒度２０乃至５０μ ｍのケイ素粒子に混入する。このケイ素粒子の量はケーシング質量の５乃至１５ 重量％である。必要であれば更にグラファイトか又はケーシングの特性を向上さ せ得る他の成分、例えば硬性を増大させる炭化ケイ素又は摩擦に対する適性を増 大させるスズ、を３乃至１０重量％加える。通常許容し得る限界値より高い温度 で作動することになるケーシングの場合は、金属間化合物を５乃至５０μｍの粒 径をもつ粒子の形で５乃至１５重量％混入する。このような混合物は適度に均質 化した後２つの異なる方法、即ち焼結（ｆｒｉｔｔａｇｅ　）又は押出し、によ り処理し得る。

焼結の場合は前記粉末混合物を垂直又はイソスタティックプレス内で冷間圧縮に より成形し、次いで調節雰囲気下で焼結する。このようにして得られたケーシン グはその後適切な大きさに加工する。

押出しの場合は混合物を冷間圧縮によりビレット状に成形するか、又はプレスの るつぼ内に直接充填し、必要であれば大気遮断下で予加熱した後管状に押出す。

押出し用器材としては当業者に公知のもの、例えばブリッジ式１具（ｏｕｔＮ１ ａｇｅλｐｏｎｔ　）＋又はフラットダイス−フローティングニート９ルアセン ブリ（ｅｎｓｅｍｂｌｅ　ｆｉｌｉｅｒｅ　ｐｌａｔｅ　−ａｉｇｕｉｌｌｅ　 ｆｌｏｔｔａｎｔｅ’）を使用し得る。このよう（こしてプレスの出口で得られ た管はくせ取りした後ケーシングの長さに切断し、次いでこれらの切断された管 を加工する。

製造されたケーシングがより良い機械的特性を有するよう、ダイスから取出され た管を直接急冷（ｔｒｅｍｐｅ　）　１７、次いで従来の焼戻し用熱処理を行う ことも可能である。

前記混合物はまたポーン（ｐｉｏｎ　）状に圧縮してもよく、その場合はこれら ボーン状圧縮物を遂押出しく　ｆｉｌａｇｅ　１ｎｖｅｒｓｅ）にかけて小カッ プ（ｇｏｄａｔ　）状に成形し、その底部と対向端とを切断してケーシングを得 、次いてこれらケーシングを加工する。押出し後得られた小カップ状成形物を直 接急冷処理にかけてもよい。

本発明は本明細書に添付された３つの図面により明確に理解し得よう。これらの 図面は種々の技術に従い製造されたエンジンケーシングの２００倍顕微鏡図を示 している。

第１図はアルミニウムーケイ素過共晶合金の鋳込み成形により得られたケーシン グに該当し、第２図はアルミニウムーケイ素過共晶合金粉末の押出し成形により 得られたケーシングに、第３図はアルミニウムーケイ素共晶合金粉末と選別され たケイ素粉末との混合物の押出しにより得られた本発明ケーシングに該当する。

第１図に示されているアルミニウムー合金はＡｌ　ｕｍｉ　ｎｉ　ｕｍＡｓｓｏ ｃｉａｔｉｏｎの規準によるＡ−８１７Ｕ４’Ｇであり従って１７％のケイ素を 含んでいるためケイ素過共晶（ｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔｉｑｕｅｅｎ　ｓｉｌｉ ｃｉｕｍ　）と称される。この図では一次ケイ素結晶（１）即ち該合金の凝固の 始めに発生した結晶が、針状の共晶ケイ素（２）がζジ 現われているマＬに分散されている。これら−次ケイ素結晶は大きさが比較的大 きく且つ角張った形状をしており、従ってこれらケーシングの仕事面に対向する ピストン表面に傷をつけ易いという欠点を有している。

第２図のアルミニウムーケイ素合金もＡ−８１７Ｕ４Ｇであるが、この場合は噴 霧によって得られた粉末を押出し成形したものである。この粉末を形成するのに 使用される速い冷却速度に起因して、−次ケイ素の粒子（３）は共晶ケイ素に比 べて大きさが比較的小さく、いずれにせよ従来の鋳込み成形の結果得られる大き さより小さい。この図には押出し方向に伸長したグラファイト粒子（４）も示さ れている。その含有率はケーシング質量の約３重量％である。

このようにして形成されたケーシングはケイ素粒子が微細すぎるため、特に厳し い条件下でテストすると破損する。

第３図にはケイ素を１２％含み従ってケイ素共晶（ｅｕｔｅｃｔｉｑｕｅｅｎ　 ｓｉｌｉｃｊｕｍ　）と称されるＡ−８１２Ｕ４Ｇタイプのアルミニウムーケイ 素合金が示されている。この合金も噴霧によって得られた粉末の押出しにより成 形されたものであるが、この場合は本発明に従い約５重量％のケイ素粉末を押出 し処理前に添加した。これらケイ素粉末の粒子（５）は粉砕の結果得られる粒子 のファシースを有していると共に２０乃至５０μｍの粒径を有している。これら ケイ素粒子は共晶地に分散されているが、この地ＥＣハ凝集した（　ｃｏａｌｅ ｓｃＧ　）ケイ素粒子（７）も、３重量％の割合で配合されたグラファイト粒子 （６）も観察される。ユつ萌り＼５明らかなように本発明のケーシングは全く独 自な組織を有しており、この組織はこのようにして形成されたケーシングのピス トンに対する両立性を著しく向上せしめる。

本発明のケーシングは主として自動車工業で使用されるが、その他にも相容性の 大きいケーシング−ピストンアセンブリをアルミニウム合金で製造することが望 まれるあらゆる工業分野で使用し得る。

浄杏（内容に変更なし） １・１ 手続補正書 １、事件の表示　ＰＣＴ／ＦＲ’　８３１００１２０２、発明の名称　アルミニ ウム合金と大きざにより選別されたケイ素粒子とをベースとするエンジンケーシ ング及びその製法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　アルミニウム・ベシネ ４、代　理　人　東京都新宿区新宿１丁目１番１４号　山田ビル（郵便番号１６ ０）電話（０３）３５４−８６２３８、補正の内容　鮮明な図面の翻訳文を別紙 の通り補充する。

（内容に変更なし） 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アルミニウムーケイ素合金と、ケイ素と、必要に応じ他の成分とをも用いて 粉末お金により製造した内燃機関用ケーシングであり、アルミニウムーケイ素共 晶合金のマトリックス、即ち一次ケイ素粒子が本質的に除外されているマトリッ クスをもつ組織を有しており、各々２０乃至５０μｍの大きさをもつケイ素粒子 が前記の地に分散されていることを特徴とするケーシング。 ２）前記のケイ素粒子がケーシング質量の５乃至１５％を占めていることを特徴 とする請求の範囲１に記載のケーＳノング。 ３）前記のケイ素粒子が粉砕の結果得られる粒子のファシースを有していること を特徴とする請求の範囲ｌに記載のケーシング。 ４）前記のケイ素粒子が液体ケイ素の噴霧化の結果得られるファシースを有して いることを特徴とする請求の範囲１に記載のケーシング。 ５）前記のアルミニウムーケイ素共晶合金がＡ−８１２Ｕ４Ｇであることを特徴 とする請求の範囲１に記載のケーシング。 ６）　ｐ記の他の成分の中にダラファイトが存在することを特徴とする請求の範 囲１に記載のケーシング。 ７）ケーシングのグラファイト含量が３乃至１０重量％であることを特徴とする 請求の範囲６に記載のケーシング。 ８）前記合金中に存在し得る化合物の分散相とは別のものであり且つ７００℃を 越える融点をもつような少なくとも１種類の金属間化合物の分散相を有している ことを特徴とする請求の範囲１に記載のケーシング。 ９）前記金属間化合物がＮｉ３Ｓｎ　であることを特徴とする請求の範囲８に記 載のケーシング。 １０）前記金属間化合物が５乃至５０μｍの大きさをもつ選別された粒子の形状 で存在していることを特徴とする請求の範囲８に記載のケーシング。 １１）前記金属間化合物がケーシング質量の５乃至１５重量％を占めていること を特徴とする請求の範囲８に記載のケーシング。 １２）前記の金属間化合物の粒子が粉砕の結果得られる粒子のファシースを有し ていることを特徴とする請求の範囲８に記載のケーシング。 １３）前記の金属間化合物の粒子が噴霧された液体の凝固の結果得られる粒子の ファシースを有していることを特徴とする特求の範囲８に記載のケーシング。 １４）前記のアルミニウムーケイ素共晶合金がＡ　−５１２Ｕ１４ＧとＡ−３１ ２Ｚ５ＧＵとから成るグループに属することを特徴とするケーシング。 １５）アルミニウムーケイ素共晶合金を液体状態から大きさ６０乃至４００μｍ の粉末に細分した後、ケーシング質量の５乃至１５重量％を占める量の粒度２０ 乃至５０μｍのケイ素粒子に混入し、必要であればこれに３乃至１０％のグラフ ァイト粉末を加えることを特徴とする請求の範囲１に記載のケーシングの製法。 １６）金属間化合物を５乃至２０μｍの大きさの粒子の形状で５乃至１５重量％ 混入することを特徴とする請求の範囲１５に記載の製法。 １′７）前記の粉末と粒子との混合物を冷間圧縮によって成形し、次いで調節雰 囲気下で焼結することを特徴とする請求の範囲１５及び１６に記載の製法。 １８）前記の粉末と粒子との混合物をフローティングニードルプレス 押出し成形し、且つ得られた物体をくせ直しした後所望の長さに切断することを 特徴とする請求の範囲１５及び１６に記、載の製法。 １９）押出し成形された物体をプレスの出口で急冷１次いで焼戻し用熱処理にか けることを特徴とする請求の範囲１５及び１６に記載の製法。 ２０）前記混合物をポーン状に圧縮し、次いで逆押出し１こかけて小カップを形 成し、該カップの底部と対向端とを切断することを特徴とする請求の範囲１５及 び１６に記載の製法。 ２１）前記小カップを押出し成形後に直接急冷、処理することを特徴とする請求 の範囲１５及び１６に記載の製法。