JPS645990B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は軽量で耐摩耗性、耐潤滑摩耗性に秀れ
た諸特性を有するエンジンシリンダーを低コスト
で迅速にかつ、高精度に製造する方法に関するも
ので、特に表面層のみが上記の諸特性を有するエ
ンジンシリンダーの製造法に関する。従来より、
エンジンシリンダー内の摺動部は耐摩耗性を付与
する方法としては次に示すような方法が、適用及
び考案されている。

(1) 鋳鉄製シリンダーライナーの鋳ぐるみ法。

(2) シリンダー内面への溶射被覆法。

(3) シリンダー内面へのメツキ法。

(4) 高シリコンアルミニウム合金製シリンダーの
ホーニング法。

(5) 本願発明と類似のトランスプラント法。（日
本特許特開昭49−1429他） しかし、これら技術は、重量、量産性、コス
ト、製品歩留り及び品質の間題から、上記(1)、
(2)、(3)を除いては実用化には致つていない。又、
上記(1)〜(5)については下記詳述する如く、欠点を
有している。

上記(1)については○イエンジン摺動面の特性を生
かす目的で現在、鉄鋳物が採用されているが、重
量がアルミニウムに比較して大である。○ロライナ
ー自体を中子としているため、鋳造後の内径加工
の削り代が大きく、工数がかかりコストアツプと
なる。○ハ一般にライナーは鋳物材であるため、内
面仕上後の摺動面に鋳造欠陥が出やすい。○ニシリ
ンダー１個につき１個のライナーを要し、専用の
鋳造工場及びこれに関連した工場を要し、設備的
にも大となる。

上記(2)については、最近の技術であるが、○イ内
径面にコーテイングするため、寸法的に制限を受
けると共に溶射工法により発生するコーテイング
材の選定にも制限を受ける。○ロ内径面及び溶射工
法から考えて、十分な密着力が得られない。○ハ溶
射後の熱的処理が不可能なため、仕上面精度に制
限を受けると共に、運転中に粒子の脱落等が考え
られる。○ニ量産化にした場合の品質保証に問題が
ある。

上記(3)については、現在一部のものについては
実用化されているが、○イアルミニウム合金の場合
は、特にSiの多い合金であり、メツキ前の活性化
処理が困難であること、アルミニウム合金上には
直接、電気メツキが不可能であるためZn等の置
換メツキを行うこと等、工程が複雑である。○ロメ
ツキ被膜の密着性が低いため、運転中の熱応力、
熱サイクルによるハクリが問題とされる。○ハシリ
ンダー内面全面に均一な厚さにメツキすることが
困難で、最低でも仕上代を考えて、20μ以上のメ
ツキを要する。○ニ湿式メツキのため、公害発生源
となりやすい。

上記(4)については、エンジンブロツク本体を高
Si（過共晶）アルミニウム合金鋳物で、シリンダ
ー内面の摺動面にこの初晶Siの粒子層を晶出さ
せ、機械加工、ホーニングにより、軟質のアルミ
ニウム（マトリツクス）を除去し硬い初晶Siを浮
き出させる方法であるが、 ○イ 高Siアルミニウム合金の鋳造（ダイキヤス
ト）技術に問題がある。すなわち、湯の流動
性、形状効果による凝固速度等による組織上の
偏析が生じやすく、摺動面近傍への初晶Siの均
一分散が困難。

○ロ 高Siアルミニウム合金の場合、形状効果、特
にシリンダー内面付近では、鋳巣が発生しやす
い。

○ハ 摺動面における初晶Siの形状を常に制御せね
ばならず、この形状にバラツキが生じると、エ
ンジン性能、特に摺動摩耗に対して、悪影響を
及ぼす。

上記(5)については、基本的には本願発明と類似
している。すなわち、シエル砂による中子あるい
はAl製中子の外表面に鋼を溶射し、その外に、
アルミニウム合金を鋳込む（ダイキヤスト）こと
により、溶射被膜を、アルミニウム合金側に転位
させた後、シエル砂あるいはAl製中子を抜き取
るプロセスであるが、この方法では次のような欠
点がある。

○イ シエル砂の中子を使用した場合、ダイキヤス
ト鋳造時の圧力により中子が破壊しやすい。鋳
造後の仕上加工時、砂が付着しているため、切
削が困難である。

○ロ 鋳造時にシエル砂中より発生するガスによ
り、鋳物製品に悪影響を及ぼす。

○ハ Al製中子の場合、トランスプラント法での
特徴として、熱膨脹の差で鋳造後、中子を容易
に抜くことが可能とされているが、この方法だ
と、Al中子は軟かいため抜く時に、中子表面
にキズが入りやすく、中子の再利用に支障を生
じる。機械的に押し抜くため、変形（中子温度
は200〜300℃となつている）を生じやすい。等
の理由から、量産性、コスト、製品歩留り、品
質の点で実用化に致つていない。

以上、詳述した如く、従来より行われている方
法は夫々、長所、短所を有しているが、本願発明
はこれら諸問題を解決するためになされたもの
で、秀れたシリンダーを形成することを目的とす
る。

次に、本願発明の詳細を図に基いて説明する。
図１は、本願発明の工程図で、先ずａで中子材１
を鉄系、アルミニウム合金系、あるいはセラミツ
ク系材料で製作し、ｂにおいてこの１の外表面に
溶射法あるいは溶融塩法により錫又は鉛２をコー
テイングし、次いで、この上に、摺動特性を具備
した所望の金属材料３を、溶射法により、所望の
厚さにコーテイングした後、ダイキヤスト鋳造用
中子として、取付けた後、シリンダーを形成する
金属４をダイキヤスト法により鋳造する。ダイキ
ヤストの鋳造直後、全体が加熱された状態（200
〜300℃）で工程ｅにより、中子１を抜き取る。
この時、すでに溶射被膜３は、Al合金鋳造部の
方へ転写され強固な接着を行つていると同時に、
錫又は鉛のコーテイング被膜２は低融点のため、
溶融あるるいは非常に軟かい状態になつており、
中子がわずかな外力で容易に除去できる。すなわ
ち、本願発明の特徴とするところは、この低融点
コーテイング被膜が一種の潤滑作用を与えること
を利用したところにある。こうして、中子を除去
した後、所定の寸法に内径を仕上げることによ
り、ｆに示す如く、高精度で且つ高性能シリンダ
ーがエンジンブロツク本体と同時に製作できるも
のである。尚、このダイキヤスト鋳造時に低融点
コーテイング材２が中子１及び溶射被膜３に拡散
することが考えられるが、非常に短時間（１秒以
下の鋳造時間）であるため、ほとんど拡散もな
く、シリンダー内表面に付着している程度で容易
に機械切削あるいは研摩仕上により除去できる。
又、中子に付着した材料は再利用の場合ブラスト
処理すれば容易に除去できる。

以上の如く、本願発明によると安い中子材料を
使用し、自動化可能な外面溶射により連続的に中
子や製作でき、ダイキヤスト鋳造としては従来と
全く同一の方法で可能であり、且つ、中子も容易
に除去でき再利用が可能である。得られたシリン
ダーも高精度、高性能を有し、従来の方法と比較
して、はるかに秀れていることが明らかである。

ここで、錫又は鉛のコーテイング厚さについて
は、5μ〜200μの範囲が適している。5μ以下では、
コーテイング法が困難であること、薄いため、中
子除去時のクリアランスが小さいため除去が困
難、又、200μ以上では、製品の寸法精度の不均
一、コーテイング厚のバラツキ、コストアツプ及
び処理時間の増大に伴うコストアツプ等が考えら
れるため、5μ〜200μが実験結果から適当である
と判明した。更に、本願発明では鋳造法をダイキ
ヤストについて、行つたが、鋳造法としては、他
の方法、例えば、重力鋳造でも実施可能であるこ
とが同様に実験で確認されている。

次にシリンダー内面の摺動摩耗に関連して、ト
ツプコートの材料及びコーテイング厚さについて
であるが、材料としては、エンジンの種類例えば
自動車、農発エンジン、冷凍機エンジン、クーラ
ー等によつて要求性能が変わるが、一般的には、
従来の鋳鉄ライナー相当の材質であれば特に問題
ないと考える。又、厚さについては、転写層の厚
さは、コーテイング層の厚さとほとんど変らない
ため、設計上、非常に容易であり理想的な厚さと
しては、最終仕上代を考慮して、0.5mm〜1.0mmが
妥当と考えるが、特に厚さについては制限を設け
ない。

実施例 実施例 １ 外径68mmφ内径54mmφ長さ106mmなるAl合金製
中子の外周面に錫を厚さ20μ溶射して、その上
に、高炭素鋼材を、ワイヤー方式で厚さ1.0mmガ
ス溶射を行つた後に、ダイキヤストマシーンに中
子として、取付け、Al合金（AC4A）をダイキヤ
スト鋳造行い、鋳造直後、この中子を軽く押すこ
とにより、中子を取外すことができた。

中子への溶射後の外観状況は錫溶射被膜上への
炭素鋼の溶射も何等問題なく、又、鋳込み後断面
状況を観察すると、円周方向及び長手方向共に、
全く、偏析等の異常がなく、全面にコーテイング
材がそのまま鋳込み材のAl合金側へ転写され、
断面組織も図２ａに示す如く錫の残存もなく良好
であつた。更に、今回採用したこのダイキヤスト
鋳造エンジンブロツクは１気筒４サイクル8PS農
発用エンジンであり、シリンダー内面を仕上加工
した後、エンジン回転数1000rpmで、100時間の
連続運転を行つた結果、シリンダー内面、Al合
金製ビストンの摺動面共に、全く異常なく、又、
オイル消費量も従来のエンジンと全く差は認めら
れず良好な結果を示した。

実施例 ２ 外径75mmφ内径61mmφ長さ100mmなるシリンダ
ー中子を有する水冷４気筒４サイクル80PS1600
c.c.用自動車エンジンシリンダーの鋼製中子の外表
面全面に拡散合金層を形成しない方法で溶融鉛メ
ツキを厚さ50μ行い、更にこの上に実施例１と同
様に、Moを1.0mm厚コーテイングを行つた後、実
施例１と同様、ダイキヤスト鋳造を行い、鋳造直
後、この中子を軽く押すことにより中子を容易に
取外すことができた。中子へのMo溶射後の外観
状況は何等問題なかつた。又、鋳込後断面状況を
観察すると円周方向及び長手方向共に、全く、偏
析等の異常もなく、全面にコーテイング材がその
まま鋳込材のAl合金側へ転写され、断面組織も
図２ｂに示す如く、鉛の付着もなく、良好であつ
た。更に、このシリンダー内面を定寸まで仕上加
工した後、エンジン回転数4000rpmで200時間の
連続運転を行つた結果、シリンダー内面、Al合
金製ピストンの摺動面共に全く異常なく振動、騒
音も少く、オイル消費量も従来のエンジンと全く
差は認められず良好な結果を示した。

以上説明したように本願発明のAl合金エンジ
ンシリンダー製造方法によれば、シリンダー内表
面に要求する材料を容易にコーテイングでき、ダ
イキヤスト鋳造後の中子が非常に容易に取外し、
かつコーテイング被膜が完全にシリンダー側に転
写でき、且つ秀れた密着性を有することが明らか
となり、工程短縮、コストダウンはもとよりエン
ジンで現在最も重要とされている重量の軽減が計
れることが明らかとなつた。よつて、本願発明は
工業的価値が非常に大と考える。なお本願発明は
往復、回転摺動部を形成するAlあるいはAl合金
製エンジンすべてに適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明の工程を示す図、第２図
は、本発明方法により製造したエンジンシリンダ
ーにおけるアルミニウム合金ダイキヤスト鋳造後
の鋳物製品の断面の顕微鏡写真を示す図で、第２
図ａは、炭素鋼コーテイング品、ｂはモリブデン
コーテイング品の顕微鏡組織を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軽量でかつ秀れた摺動特性を有するエンジン
   用シリンダーを製造するに当り、鉄系、アルミニ
   ウム合金系あるいはセラミツク系パイプの表面に
   溶射法あるいは溶融塩法により錫又は鉛を5μ〜
   200μ厚さコーテイングし、更にその上に、摺動
   特性を具備した金属材料を溶射法により所望の厚
   さにコーテイングしたものをダイキヤスト鋳造用
   中子として、ダイキヤストマシーンに取付け、
   A1あるいはA1合金をダイキヤスト鋳造した直
   後、中子として使用したパイプを除去して溶射被
   膜をシリンダー側に転写して成るアルミニウム合
   金及びその他の金属、合金製シリンダーの製造
   法。