JP2012067740A

JP2012067740A - 鋳包用シリンダライナ

Info

Publication number: JP2012067740A
Application number: JP2011077284A
Authority: JP
Inventors: Masami Horigome; 正巳堀米; Giichiro Saito; 儀一郎斉藤
Original assignee: TPR Co Ltd; TPR Industry Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd; TPR Industry Co Ltd
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-04-05
Also published as: US9089893B2; US20120048106A1; CN102383960B; EP2422902A3; EP2422902A2; EP2422902B1; CN102383960A

Abstract

【課題】シリンダブロックとの熱伝導性が優れる鋳包用シリンダライナを提供する。
【解決手段】高さが０．３〜１．２ｍｍで括れ部６を有する突起５を２０〜８０個／ｃｍ^２形成した外周面４に溶射層７を被覆した鋳包用シリンダライナ２において、前記溶射層７が鉄系材料からなり、前記ライナ外周面４の一定領域における溶射層７表面の表面積と前記領域面積との比が１２〜２３である。前記溶射層の厚さが０．０１〜０．２ｍｍであることが好ましい。前記溶射層がワイヤー状の溶射材料を用いて形成されることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダブロックに適用される鋳包用のシリンダライナに関する。

自動車用エンジンにおいて軽量、小型化を達成するために、アルミニウム合金製のシリンダブロックに鋳鉄製のシリンダライナが装着されることが多い。このようなシリンダライナ付きシリンダブロックの製造方法としては、シリンダブロック用の鋳型内にシリンダライナを予めセットし、この鋳型内に鋳造材料（アルミニウム合金）を鋳込んで、シリンダライナの外周部をアルミニウム合金で鋳包む方法が知られている。

近年、エンジンの高出力化や低燃費化のため、シリンダボアの上死点付近は熱的に厳しい状況にある。また、低燃費化を達成するために、シリンダボア間の肉厚の低減を通じてエンジンの軽量化を求められている。これらの要求に応えるために、従来、特許文献１に示す鋳包用シリンダライナが知られている。この鋳包用シリンダライナは、シリンダブロックとの接合強度および熱伝導率を向上させたもので、括れた形状の突起を有する外周面に溶射層を形成している。溶射層の材料としてＡｌ−Ｓｉ合金等のアルミニウム合金や銅又は銅合金が使用されている。

特開２００７−１６７３３号公報

溶射層は溶射条件により表面性状が変わり、溶射層表面の表面積は溶射条件によって大きく変わる。鋳包み用シリンダライナのシリンダブロックとの熱伝導率は溶射層表面の表面積に大きく影響されるが、表面積がある数値よりも大きくなると熱伝導率の上昇がなくなることが判明した。

本発明の目的は、シリンダブロックとの熱伝導性が優れる鋳包用シリンダライナを提供することを目的とする。

本発明は、高さが０．３〜１．２ｍｍでアンダーカット部を有する突起を２０〜８０個／ｃｍ^２形成した外周面に溶射層を被覆した鋳包用シリンダライナにおいて、
前記溶射層が鉄系材料からなり、前記ライナ外周面の一定領域における溶射層表面の表面積と前記領域面積との比が１２〜２３であることを特徴とする。前記面積比は特に、１２〜２０であることが好ましい。

前記溶射層の表面積比は溶射層の表面性状に大きく影響される。したがって、溶射条件を変えることにより、表面積比を変えることができる。例えば、溶射の際のアシストエア圧を大きくすると緻密な溶射層となり、溶射層の表面積は小さくなる。一方、アシストエア圧を小さくすると、空孔の多い溶射層となり、溶射層の表面は細かな凹凸が多くなり、溶射層の表面積は大きくなる。

突起高さが０．３ｍｍ未満ではシリンダブロックと接触する突起の高さが小さく、接合強度が不足する。１．２ｍｍを越えると、シリンダライナの薄肉化が困難になるとともに、有効な熱伝導率を得られない。

突起個数が２０個／ｃｍ^２未満ではシリンダブロックと接触する突起の数が少なく、接合強度が不足する。突起個数が８０個／ｃｍ^２を越えると、溶射層による熱伝導率の上昇効果がほとんど得られない。

ライナ外周面の表面積比が１２未満では、シリンダブロックと接触するシリンダライナの外周面の表面積が小さく、有効な熱伝導率を得られない。表面積比が２３を越えても熱伝導率がこれ以上上がらない。

前記溶射層の厚さが０．０１〜０．２ｍｍであることが好ましい。

溶射層の厚さが０．０１ｍｍ未満では熱伝導率の向上が期待できない。０．２ｍｍを越えると、突起のアンダーカット部が溶射層で埋没することが多くなり、有効な接合強度を得られない。

前記溶射層がワイヤー状の溶射材料を用いて形成されていることが好ましい。ワイヤー状の溶射材料によれば、溶融金属をエアーで吹き付けるため、面粗度が大きくなり、大きな表面積を得られやすい。また、溶射材料の溶融温度が低く、物性の変化（酸化）が少ない。また、成膜スピードが速く、処理時間が短い。

本願発明の鋳包用シリンダライナによれば、高い熱伝導性を得られ、エンジン性能の向上を図れる。溶射層の材料に鉄系材料を使用することで、従来使用されているＡｌ−Ｓｉ合金に比べ、資源が豊富で低コストである。

本発明の一実施形態を示し、（ａ）は鋳包用シリンダライナの斜視図、（ｂ）はその外周面部分の断面図である。シリンダライナを装着したシリンダブロックの一部分を示す平面図である。テストピース作製のための説明図で、（ａ）は鋳包構造体を示す平面図、（ｂ）は鋳包構造体から切り出されたテストピースを示す斜視図、（ｃ）はテストピースの一部分を示す図である。熱伝導率の測定方法を示す図である。熱伝導率の試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１にシリンダライナを示し、図２にシリンダライナを装着したシリンダブロックの一部分を示す。シリンダブロック１の材料としては、軽量化及びコスト面を考慮して、例えば、ＪＩＳＡＤＣ１０（関連規格：米国ＡＳＴＭＡ３８０．０）、あるいはＪＩＳＡＤＣ１２（関連規格：米国ＡＳＴＭＡ３８３．０）などのアルミニウム合金が用いられる。シリンダライナ２の材料としては、耐摩耗性、耐焼付性及び加工性を考慮して、例えば、ＪＩＳＦＣ２３０などの鋳鉄が用いられる。鋳鉄の組成の一例は、Ｔ．Ｃ：２．９〜３．７（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：１．６〜２．８、Ｍｎ：０．５〜１．０、Ｐ：０．０５〜０．４、残Ｆｅである。必要に応じて、Ｃｒ：０．０５〜０．４（質量％、以下同じ）、Ｂ：０．０３〜０．０８、Ｃｕ：０．３〜０．５を添加してもよい。

シリンダライナ２はシリンダブロック１に装着されて、シリンダライナ２の内周面３がシリンダボアを形成する。すなわち、シリンダブロック用の鋳型内にシリンダライナ２が予めセットされ、鋳型内にアルミニウム合金溶湯が充填されることにより、鋳鉄製シリンダライナ２がアルミニウム合金製のシリンダブロック１に鋳包まれて一体結合された鋳包構造体が製造される。シリンダライナ２は内周面を仕上加工されて完成時の肉厚は１．５〜２．３ｍｍとされる。

シリンダライナ２の外周面４には突起５が複数形成されている。突起５の高さは０．３〜１．２ｍｍである。突起５の個数は２０〜８０個／ｃｍ^２である。突起５はアンダーカット部を有している。アンダーカット部の例として、本実施形態では、突起５は括れた形状に形成されている。すなわち、突起５は中間部が細く、中間部に括れ部６を有している。シリンダライナ２とシリンダブロック１とは、シリンダブロック１の一部分がシリンダライナ２の突起５の括れ部６の周りの空間に入り込んだ状態で接合されるため、シリンダライナ２とシリンダブロック１との接合強度が確保される。

シリンダライナ２の突起５を含む外周面４は溶射層７で被覆されている。溶射層７は鉄系材料からなり、厚さは０．０１〜０．２ｍｍである。シリンダライナ２の外周面４の一定領域における溶射層７表面の表面積と前記領域面積との比が１２〜２３である。

シリンダライナ２は遠心鋳造法により製造される。遠心鋳造法によれば、均一な複数の突起５を外周面４に有するシリンダライナ２を生産性よく製造できる。以下、シリンダライナ２の製造方法を説明する。

平均粒径０．００２〜０．０２ｍｍの珪藻土、ベントナイト（粘結剤）、水、及び界面活性剤を所定の割合で混合して塗型材が作製される。２００〜４００℃に加熱されて回転する鋳型（金型）の内面に塗型材が噴霧塗布され、鋳型の内面に塗型層が形成される。塗型層の厚さは０．５〜１．１ｍｍである。界面活性剤の作用により、塗型層内から発生する蒸気の泡によって塗型層に複数の凹穴が形成される。塗型層を乾燥後、回転する鋳型内に鋳鉄溶湯が鋳込まれる。このとき、塗型層の凹穴に溶湯が充填され、均一な複数の括れた形状の突起が形成される。溶湯が硬化してシリンダライナが形成された後、塗型層とともにシリンダライナが鋳型から取り出される。ブラスト処理により塗型層が除去され、均一な複数の突起を外周面に有するシリンダライナが製造される。

その後、ライナ外周面に鉄系材料からなる溶射層が被覆される。溶射層はワイヤー状の溶射材料を用いたアーク溶射又はフレーム溶射により形成される。

以下、括れ形状の突起を有する外周面に鉄系材料からなる溶射層を被覆した鋳鉄製シリンダライナがアルミニウム合金に鋳包まれて一体結合された鋳包構造体について、熱伝導率を試験した結果（表１参照）を説明する。

実施例及び比較例とも、試験に使用したシリンダライナの鋳鉄組成は次の通りである。
Ｔ．Ｃ：２．９〜３．７（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：１．６〜２．８、Ｍｎ：０．５〜１．０、Ｐ：０．０５〜０．４、Ｃｒ：０．０５〜０．４、残Ｆｅ。

実施例及び比較例のシリンダライナは上述した製造方法により作製した。シリンダライナの溶射層の材料は、鉄系材料としてＪＩＳＺ３３１２相当の鉄系溶接材料を使用した。溶射層の厚さは０．２ｍｍである。

括れ形状の突起を有する外周面に鉄系材料からなる溶射層を被覆した鋳鉄製シリンダライナ２は、アルミニウム合金に鋳包まれて試験用の鋳包構造体１０（図３（ａ）参照）が製造された。

実施例及び比較例とも、試験に使用したアルミニウム合金はＪＩＳＡＤＣ１２アルミニウム合金である。

１．突起高さ
デプスダイヤルゲージでシリンダライナ２の突起高さを測定した。測定された突起高さは表１に示されている。

２．突起個数
非接触の３次元レーザ形状測定器によって、突起５の基底から高さ０．２ｍｍ位置における突起の等高線図を求め、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲において、閉じられている等高線の個数を、１ｃｍ^２当たりの突起個数とする。測定された突起個数は表１に示されている。

３．表面積比
シリンダライナ２の外周面の一定領域（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ）における溶射層の表面積を３次元レーザ顕微鏡で、倍率２００、分解能０．００１μｍで計測した。表面積比は指定した領域の面積に対する、指定した領域の面積での対象物の表面形状によって生じている表面積の比率である。本発明において表面積比は、指定した一定領域（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ）の領域面積（１００ｍｍ^２）に対する、指定した前記一定領域におけるミクロな粗さを有する溶射層表面の表面積の比率として計測した。

４．熱伝導率
熱伝導率はレーザフラッシュ法により求めた。図３に示すように、突起５の基底までの鋳鉄部２Ａの肉厚をＬ１、鋳鉄部２Ａとアルミニウム合金部１Ａとの一体部の肉厚をＬ２としたとき、Ｌ１／Ｌ２＝０．４５となるように、鋳包構造体１０からテストピース２０が切り出される。図３（ａ）に示されている二点鎖線は切り出し線を示す。すなわち、テストピース２０は外径１０ｍｍ、突起５の基底までの鋳鉄部２Ａの肉厚１．３５ｍｍ、鋳鉄部２Ａとアルミニウム合金部１Ａとの一体部の肉厚３ｍｍとなるように鋳包構造体１０から切り出された。熱伝導率は、レーザ照射開始からテストピース２０の裏面に熱が伝わるまでの時間を計測し、テストピース２０の厚みより算出される。図４において、２０はテストピース、２１はレーザ装置、２２は熱電対、２３は直流アンプ、２４はレコーダである。熱伝導率は３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上が望ましい。

表１に試験結果を示す。実施例及び比較例の試験品は溶射条件を変えて表面積比を変更した。表１及び図５に示されるように、表面積比が１２未満では、シリンダライナがシリンダブロックと接触する表面積が小さく、熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋ未満となり、有効な熱伝導率を得られない。

なお、上記実施形態では、アンダーカット部を有する突起として、括れ形状の突起を示したが、アンダーカット部を有する突起形状は上記形状に限定されるものではない。

１シリンダブロック
１Ａアルミニウム合金部
２シリンダライナ
２Ａ鋳鉄部
３内周面
４外周面
５突起
６括れ部
７溶射層
１０鋳包構造体
Ｌ１突起基底までの鋳鉄部肉厚
Ｌ２鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚
２０テストピース
２１レーザ装置
２２熱電対
２３直流アンプ
２４レコーダ

Claims

高さが０．３〜１．２ｍｍでアンダーカット部を有する突起を２０〜８０個／ｃｍ^２形成した外周面に溶射層を被覆した鋳包用シリンダライナにおいて、
前記溶射層が鉄系材料からなり、前記ライナ外周面の一定領域における溶射層表面の表面積と前記領域面積との比が１２〜２３であることを特徴とする鋳包用シリンダライナ。
前記面積比が１２〜２０であることを特徴とする請求項１記載の鋳包用シリンダライナ。
前記溶射層の厚さが０．０１〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の鋳包用シリンダライナ。
前記溶射層がワイヤー状の溶射材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の鋳包用シリンダライナ。