JP5572847B2

JP5572847B2 - シリンダライナ及びその製造方法

Info

Publication number: JP5572847B2
Application number: JP2010060795A
Authority: JP
Inventors: 裕山縣; 秀貴島
Original assignee: Moresco Corp
Current assignee: Moresco Corp
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: US9427801B2; KR101675253B1; KR20130048215A; KR101675182B1; CN102781606B; US10213829B2; US20160332225A1; JP2011194407A; US20120304852A1; CN102781606A; WO2011114888A1; CA2792912A1; KR20160103147A

Description

本発明は、シリンダライナ及びその製造方法に関するものである。

自動車用エンジン等に用いられるシリンダブロックは、ピストンが摺動するシリンダボアが複数形成されているが、このシリンダボアの内面がピストンにより摩耗してしまうという問題があった。この問題に対して、例えば、全体をＡ３９０のような高シリコンアルミニウム合金で鋳造することで、耐摩耗性を確保するシリンダブロックが提案されている。ところが、このようなＡ３９０製のシリンダブロックは、高硬度であるために鋳造後の加工が困難であった。これに対して、シリンダボア内にシリンダライナを取り付けたシリンダブロックが提案されている（特許文献１参照）。このシリンダブロックは、シリンダライナのみが高シリコンアルミニウム合金で作製され、その他の部分がシリコンを含まないアルミニウム合金で作製されている。このため、このシリンダブロックは、ピストンの摺動面においては耐摩耗性が得られ、且つ鋳造後に加工をしやすいという利点がある。

特表２００２−５０４４３５号公報

ところで、上述したシリンダブロックのシリンダライナは、外側面に凹凸が形成されており、アルミニウム合金によって鋳ぐるまれることでシリンダボア内に固着されている。しかしながら、このようなシリンダライナでは、シリンダブロックとの接合強度が十分でないという問題があった。

そこで、本発明は、シリンダブロックとの接合強度が高いシリンダライナ及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、シリンダライナとシリンダブロックとの接合性の大きさがシリンダライナ外側面の凹凸部、特に凸部の形状に依存するということを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係るシリンダライナは、シリコンアルミニウム合金を材料とし、外側面に複数の凸部が形成されており、前記凸部は、前記外側面から延びる柱部と、前記柱部の先端に形成された頭部と、を含んでいる。

上記シリンダライナにおいて、外側面の凸部は、頭部及び柱部により、括れ部分が形成されている。このため、このシリンダライナを低圧鋳造やダイキャスト等によってアルミニウム合金等の金属で鋳ぐるんでシリンダブロックと一体化させる場合、凸部の括れ部分に溶融させた金属をしっかりと入り込ませることができ、シリンダライナとシリンダブロックとを強固に接合させることができる。なお、本発明に係るシリンダライナは、シリコンアルミニウム合金のみを材料とするものだけでなく、シリコンアルミニウム合金以外を含んだ材料から成るものの含む概念である。

上記シリンダライナは、外側面から頭部の先端面までの距離と外側面から柱部の最小径部までの距離との比が、２〜８０対１であることが好ましい。

また、上記シリンダライナを複数連結し、シリンダライナ連結体としてもよい。

上記シリンダライナは、例えば、内側面に凹部が形成された複数のスライド及び中子を有する金型によって製造することができる。詳述すると、スライドの凹部のエッジ部分に粒子状の離型剤を付着させ、この状態でキャビティ及び凹部に溶融させたシリコンアルミニウム合金を流し込み、シリンダライナ中間体を鋳造する。このシリンダライナ中間体の外側面には凸部が形成されており、この凸部の根元部分においては離型剤が内側に入り込んでいる。その後、このシリンダライナ中間体を金型から取り出し、このシリンダライナ中間体の表面に付着している離型剤を除去すると、根元部分が括れた形状の凸部を有するシリンダライナとなる。なお、本明細書において、キャビティとはシリンダライナ中間体を成形するための空間を意味する。

上記製造方法は、粒子状の離型剤を、例えば、コロナ放電によって帯電させることによって、金型の凹部のエッジ部分に付着させることもできる。この方法によれば、帯電した離型剤は電気力線が集中する凹部のエッジ部分に多く付着するため、シリンダライナ中間体の凸部の根元部分に多くの離型剤を内側に入り込ませることができ、シリンダライナの凸部の根元部分に深い括れを形成することができる。

また、上記製造方法において、粒子状の離型剤は、外側が有機成分を含む材料によって覆われていてもよい。この方法によれば、離型剤を凹部のエッジ部分に付着させた際、離型剤の外側の有機成分が金型の熱によって溶融するため、離型剤を凹部のエッジ部分にしっかりと接着させることができ、さらに、外側が溶融した離型剤同士が接着することで凹部のエッジ部分に離型剤を重ねることができる。これにより、シリンダライナ中間体の凸部の根元部分においてより多くの離型剤を内側に入り込ませることができ、シリンダライナの凸部の根元部分に深い括れを形成することができる。

また、上記製造方法において、スライドの凹部の底面に形成された排出孔からキャビティの空気を排出してもよい。また、より好ましくは、排出孔を介してキャビティの空気を積極的に吸引する。この方法によれば、キャビティの空気が抜けることでキャビティが減圧されるため、凹部内にシリコンアルミニウム合金をしっかりと流し込むことができ、より確実にシリンダライナの凸部を形成することができる。

また、上記製造方法において、金型によって画定されるキャビティは、複数の筒が連結されたような形状であってもよい。これにより、多気筒型のシリンダブロックに取り付けるためのシリンダライナ連結体を製造することができ、その結果、製造時間が短縮され、コスト的にも有利である。

上述したような金型、及び離型剤を凹部のエッジ部分に付着させる付着手段を備えた製造装置を用いてシリンダライナを製造してもよい。

上記製造装置において、付着手段は、例えば、コロナ放電によって、離型剤を帯電させることもできる。

また、上記製造装置は、溶融させたシリコンアルミニウム合金によってシリンダライナ中間体を鋳造する鋳造手段や、鋳造手段によって作製されたシリンダライナ中間体を金型から取り出す手段、シリンダライナ中間体から離型剤を除去する除去手段等をさらに備えていてもよい。なお、鋳造手段としては、例えば、重力鋳造や低圧鋳造、ダイキャスト等が挙げられる。取り出す手段としては、スライドを移動させてシリンダライナ中間体を取り出すことや、中子を使用する場合は、シリンダライナ中間体又は中子を引き抜くこと又は押し出すことが考えられる。また、除去手段としては、例えば、ブラシによる除去、有機成分を溶解する溶剤への浸漬、及び超音波洗浄等が挙げられる。

本発明によれば、シリンダライナとシリンダブロックとの接合強度を高めることができる。

上記実施形態に係るシリンダライナ及びシリンダブロックの概略斜視図である。上記実施形態に係るシリンダライナの部分正面断面図である。上記実施形態に係る金型及び中子の概略平面図である。上記実施形態に係る金型の概略部分正面断面図である。上記実施形態に係るシリンダライナの製造方法を示す概略部分正面断面図である。上記実施形態に係るシリンダライナの一部分を示した断面写真である。上記実施形態の変形例に係る金型及び中子の概略平面図である。

以下、本発明に係るシリンダライナ、及びその製造装置並びに製造方法の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、本実施形態に係るシリンダライナ１について説明する。

シリンダライナ１は、図１に示すように、シリンダブロック２のシリンダボア２１内に接合されて使用される。このシリンダライナ１は、シリコンアルミニウム合金とし、図２に示すように、外側面に凸部１２が複数形成されており、この凸部１２は柱部１３と柱部１３よりも径が大きい頭部１４から構成されている。なお、このシリンダライナ１は、凸部１２の柱部１３の径D１と頭部１４の径D２との差が２μｍ以上であることが好ましく、径Ｄ１が３００μｍ以上、径D２が３０２μｍ以上であることが好ましい。また、柱部１３の高さＨ１は５０〜１０００μｍ、頭部１４の高さＨ２は５０〜２０００μｍであり、かつ、Ｈ１：Ｈ２＝１：１〜４０であることが好ましい。より好ましくは、Ｈ１：Ｈ２＝１：１である。ただし、Ｈ１≦Ｈ２である。得られたシリンダライナ外側面の凸部形状の一例を図６に示す。

次に、上述したシリンダライナ１を製造するための製造装置について説明する。

上記製造装置は、図３〜図５に示すように、金型３と、粒子状の離型剤５をこの金型３に付着させるための付着手段６とを備えている。

金型３は、図３に示すように、キャビティ７を画定するものであり、このキャビティ７によって後述するシリンダライナ中間体８を鋳造する。金型３は、対角線方向（図３の矢印方向）に開閉可能な第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄと中子４とで構成されており、第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄの内側面３１には凹部３２が複数形成されている。この凹部３２は、シリンダライナ中間体８の外側面に凸部８２を形成するためのものであり、第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄの対角線方向に延びている。また、凹部３２の底面には、図４に示すように、キャビティ７の空気を排出するための排出孔３３が形成されている。中子４は、金属製であり、シリンダライナ中間体８を鋳抜くために第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄの中央に設置されている。

付着手段６は、図５（ａ）に示すように、粒子状の離型剤５を、空気流に乗せて通路６１内を通過させ、第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄ及び中子４に吹き付ける。また、付着手段６は、通路６１の先端部に設置された針電極６２、及び通路６１の外に設置された外部電源６３によって離型剤５を帯電させる。より詳細には、外部電源６３から高電圧発生器（図示省略）に電力を供給して高電圧を発生させ、この高電圧を針電極６２に印加する。これにより、針電極６２の周辺部ではコロナ放電が生じてコロナイオンが生成され、このコロナイオンが通路６１を通過してきた離型剤５に付着することで離型剤５が帯電する。付着手段６としては、市販のコロナ帯電式粉体塗装ガンを使用することができ、例えば、ＭＡＴＳＵＯＸ−１ａ（松尾産業株式会社製）等が挙げられる。

離型剤５の粒子径は１〜１００μｍであることが好ましく、５〜５０μｍであることがより好ましい。また、離型剤５は、中心部が無機成分を含む材料で生成され、且つ外側が有機成分を含む材料で覆われていることが好ましい。上記有機成分としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、カルナバワックス、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン、ポリウレタン、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、セルロース、脂肪酸高級アルコール、金属セッケン、脂肪酸アミド、脂肪酸エステル、脂肪酸アルカリ塩等が挙げられ、上記無機成分としては、例えば、タルク、雲母、黒鉛、ダイヤモンド、二硫化モリブテン、チッ化ホウ素、アルミナ、シリカ、チタニア、Ｚｎ酸化物、鉄酸化物、珪藻土、ゼオライト等が挙げられる。本実施形態では、離型剤５として、市販の材料であるＮａｎｏＴｅｋＳｉＯ２（シーアイ化成株式会社製）の表面にアルフローＨ−５０ＴＦ（日油株式会社製）をコーティングしたものを使用する。

次に、上述した製造装置を用いてシリンダライナを製造する方法について、主に図５を参照しつつ説明する。なお、図５には第１のスライド３ａのみを示しているが、第２〜第４のスライド３ｂ〜３ｄについても第１のスライド３ａと同様である。

まず、図５（ａ）に示すように、第１のスライド３ａを加熱してアース線９によって接地する。第１のスライド３ａの温度は、離型剤５をコーティングしている有機成分の融点又は軟化点よりも高いことが好ましく、具体的には１００〜３００℃である。次に、金型３を開いた状態で、付着手段６により、針電極６２に高電圧を印加して粒子状の離型剤５を帯電させるとともに、この離型剤５を第１のスライド３ａの内側面３１に向かって吹き付ける。このとき、帯電した離型剤５は、凹部３２内を除いた第１のスライド３ａの内側面３１全体に付着するが、電気力線が集中している凹部３１のエッジ部分３４に特に多く付着する。続いて、中子４の温度を室温（２５℃）に保った状態で、付着手段６により中子４の外側面４１にも離型剤５を付着させる（図５（ｂ））。なお、離型剤５は鋳造毎に第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄ及び中子４に付着させるのが好ましい。針電極６２に印加する電圧は２０〜１００ｋＶが好ましく、離型剤５を第１のスライド３ａ及び中子４に吹き付ける際の空気圧は、離型剤５を第１のスライド３ａに到達させることができ、且つ離型剤５が針電極６２の近くを通過したときに十分に帯電させることができる程度の大きさであればよく、具体的には０．０１〜０．５ＭＰａである。

次に、第１のスライド３ａの排出孔３３からキャビティ７の空気を吸引してキャビティ７を減圧した後、このキャビティ７において、溶融させたシリコンアルミニウム合金を用い、重力鋳造や低圧鋳造、ダイキャスト等によってシリンダライナ中間体８を鋳造する（図５（ｃ））。このとき、キャビティ７が減圧されていることにより、凹部３２内にもシリコンアルミニウム合金が確実に流れ込む。なお、シリコンアルミニウム合金の温度は７００〜８００℃であることが好ましい。また、シリコンアルミニウム合金は、シリコンの含有量が好ましくは１３〜２３％であり、より好ましくは１４〜１８％である。本実施形態においては、高シリコン−アルミニウム合金Ａ３９０を使用する。

次に、第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄを対角線方向（図１の矢印方向）に開き、シリンダライナ中間体８を軸方向に引き抜いて、シリンダライナ中間体８を第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄ及び中子４から取り出す。取り出されたシリンダライナ中間体８は、全体に離型剤５が付着しているが、外側面８１に形成された凸部８２の根元部分８３には特に多くの離型剤５が内側に食い込むように付着している（図５（ｄ））。

次に、シリンダライナ中間体８の表面から離型剤５をブラシによって除去する。そして、シリンダライナ中間体８をパラフィン系の鉱油（溶剤）に浸漬して離型剤５の外側の有機成分を溶解し、さらに、シリンダライナ中間体８に超音波洗浄を施した後、シリンダライナ中間体８を石油エーテルで洗浄する。これにより、シリンダライナ中間体８の表面全体に付着していた離型剤５、及びシリンダライナ中間体８の根元部分８３に食い込んでいた離型剤５が除去され、柱部１３の径が柱部１４の径よりも小さい凸部１２が外側１１面に形成されたシリンダライナ１となる（図５（ｅ））。このようにして製造されたシリンダライナ１をシリンダブロック用の型（図示省略）の中に置き、低圧鋳造やダイキャストによって溶融させたアルミニウム合金で鋳ぐるむことで、シリンダボア２１内にシリンダライナ１が固着したシリンダブロック２となる（図１参照）。その後、シリンダライナ１の内側面がボーリング加工され、ホーニング研磨及びエッジングすることで完成品となる。

以上のように、本実施形態に係るシリンダライナ１は、外側面１１に形成された凸部１２において、柱部１３の径Ｄ１が頭部１４の径Ｄ２よりも小さく、根元部分が括れた形状となっている。このため、シリンダライナ１にシリコンアルミニウム合金を溶着してシリンダライナ１とシリンダブロック２とを一体化する場合、凸部１２の括れた部分にシリコンアルミニウム合金がしっかりと入り込み、シリンダライナ１とシリンダブロック２とを強固に接合させることができる。この結果、シリンダライナ１の内面の機械加工の際、ずれなく高精度な内面へと仕上げることができ、さらに、エンジン実働時の性能を引き上げることも可能となる。また、本実施形態では、コロナ放電を用いて離型剤５を帯電させることにより、金型３の凹部３２のエッジ部分３４に特に多くの離型剤５を付着させることができる。その結果、凸部８２の根元部分８３により多くの離型剤５が食い込んだ状態のシリンダライナ中間体８を鋳造することができ、シリンダライナ１の凸部１２の根元部分に深い括れを形成することができる。また、本実施形態では、中子４を室温に保った状態でシリコンアルミニウム合金をキャビティ７に流し込んだため、キャビティ７の内側において、中子４によってシリコンアルミニウム合金が早期に冷却され、シリコン結晶粒を多く析出させることができる。これにより、シリンダライナ１の内側面１５にシリコン結晶粒が多く存在することとなり、高い耐摩耗性を確保することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、離型剤５を金型３の内側面全体に付着させていたが、少なくとも凹部のエッジ部分に離型剤が付着していればよく、例えば、エッジ部分以外の部分には縞状に離型剤を付着させてもよい。なお、離型剤は、シリコンアルミニウム合金が凹部に流れ込む前に凝固しないよう、金型の内側面（凹部を除く）に対して０．５ｇ／ｍｍ^２以上付着していることが好ましい。

また、上記実施形態においては、コロナ放電によって離型剤５を帯電させて金型３及び中子４に付着させていたが、少なくとも凹部のエッジ部分に離型剤を付着させることができればこれに限定されず、例えば、離型剤を帯電させず金型に塗布するだけでもよい。

また、上記実施形態においては、シリンダライナ１の凸部１２において根元部分のみが括れた形状となっていたが、少なくとも凸部の根元部分を括れた形状に形成することができればこれに限定されず、例えば、凸部の頭部にも少なくとも一つ以上の括れた部分が形成されていてもよい。

また、上記実施形態においては、凸部１２の頭部１４は径がほぼ一定の柱状であったがこれに限定されず、例えば、頭部を球状や円錐状、角錐状等、種々の形状とすることもできる。

また、上記実施形態においては、シリンダライナ中間体８から離型剤５を除去する際、シリンダライナ中間体８表面の離型剤５をブラシで除去した後、溶剤に浸漬して離型剤５の外側を溶解し、さらに超音波洗浄を行っていたが、シリンダライナ中間体から離型剤を除去することができればこれに限定されず、例えば、ブラシによる除去、溶剤への浸漬、又は超音波洗浄のうちの少なくとも一つによって離型剤を除去してもよい。溶剤への浸漬のみで離型剤５を除去する場合は、離型剤５の外側は有機成分を含む材料によって覆われていることが好ましい。

また、上記実施形態においては、溶剤としてパラフィン系の鉱油を用いていたが、有機成分を溶解又は分散可能な溶剤であればこれに限定されず、例えば、芳香族系溶剤、水、水と界面活性剤の混合液、酸・アルカリ水溶液等を用いることができる。

また、上記実施形態においては、第１〜第４のスライド３ａ〜３ｄを有する金型３によってシリンダライナを製造していたが、外側面に凸部を有するシリンダライナ中間体を取り出すことができればこれに限定されず、例えば、６分割や８分割の金型を用いてもよい。

また、上記実施形態においては、鋳造に際して中子４を室温に保っていたが、中子の温度が複数のスライドの温度よりも低ければこれに限定されない。

また、上記実施形態においては、中子４は金属製であったが、シリンダライナ中間体の中央を射抜くことができればこれに限定されず、例えば、砂、セラミックス等で作製されていてもよい。砂やセラミックス製の中子であっても、複数のスライドより温度を低く保った場合、シリンダライナの内側にシリコン結晶粒を多く存在させることができる。

また、上記実施形態においては、金型３の排出孔３３からキャビティ７内の空気を吸引していたがこれに限定されず、キャビティ内の空気を吸引しなくてもよい。この場合、キャビティの空気が排出孔から自然と抜けることでキャビティが減圧される。

また、上記実施形態においては、シリンダライナ１を一つだけ製造していたが、これに限定されるものではなく、複数のシリンダライナを連結した形状のシリンダライナ連結体を製造することもできる。この場合、例えば、図７に示すように、上記実施形態のような金型３を複数セット並べ、これらの間に第５及び６のスライド３０ａ、３０ｂを配置することによって、シリンダライナ連結体を製造することができる。

また、シリンダライナに形成される複数の凸部は、シリンダライナとシリンダブロックとの強い接合性を確保することができれば全てが上記実施形態で述べたような形状である必要はなく、例えば、括れ部分のない凸部や、シリンダライナ外側面から頭部の先端面までの距離とシリンダライナ外側面から柱部の最小径部までの距離との比が２〜８０対１ではない凸部等が含まれていてもよい。

１シリンダライナ
２シリンダブロック
１２凸部
１３下部
１４上部
３金型
３ａ〜３ｄ第１〜第４のスライド（複数のスライド）
３２凹部
３４エッジ部分
３３排出孔
４中子
５離型剤
６付着手段
７キャビティ
８シリンダライナ中間体

Claims

シリコンアルミニウム合金を材料とし、
外側面に複数の凸部が形成されており、
前記凸部は、前記外側面から延びる柱部と、前記柱部の先端に形成された頭部と、を含み、
前記頭部は、前記柱部よりも径が大きく、
前記柱部の高さは、５０μｍ以上１０００μｍ以下であり、前記頭部の高さは、５０μｍ以上２０００μｍ以下であり、且つ、前記頭部の高さは、前記柱部の高さ以上であり、
前記外側面から前記頭部の先端面までの距離と、前記外側面から前記柱部の最小径部までの距離との比が、２〜８０対１である、シリンダライナ。
請求項１のシリンダライナが複数連結されている、シリンダライナ連結体。
根元部分に括れが形成された凸部を外側面に備えるシリンダライナを製造する方法であって、
キャビティを画定するための複数のスライド及び中子を有する金型であって、前記複数のスライドは、前記キャビティに対向する面に、前記凸部を形成するための凹部が形成され、前記凹部が延びる方向に沿って移動可能である前記金型を準備する工程と、
前記凸部に前記括れを形成するために、前記凹部のエッジ部分に粒子状の離型剤を集中して付着させる工程と、
前記キャビティ及び前記凹部内に溶融させたシリコンアルミニウム合金を流し込んでシリンダライナ中間体を鋳造する工程と、
前記金型から前記シリンダライナ中間体を取り出し、前記シリンダライナ中間体から前記離型剤を除去する工程と、
を備える、シリンダライナの製造方法。
前記離型剤は、コロナ放電により帯電させられる、請求項３に記載の製造方法。
前記離型剤は、外側が有機成分を含む材料によって覆われている、請求項３又は４に記載の製造方法。
前記キャビティは、複数の筒が連結された形状である、請求項３〜５のいずれかに記載の製造方法。
前記複数のスライドの凹部の底面に形成された排出孔からキャビティの空気を排出する、請求項３〜６のいずれかに記載の製造方法。
根元部分に括れが形成された凸部を外側面に備えるシリンダライナを製造する装置であって、
キャビティを画定するための複数のスライド及び中子を有する金型であって、前記複数のスライドは、前記キャビティに対向する面に、前記凸部を形成するための凹部が形成されており、且つ前記凹部が延びる方向に沿って移動可能である、前記金型と、
前記凸部に前記括れを形成するために、粒子状の離型剤を前記凹部のエッジ部分に集中して付着させる付着手段と、
を備える、シリンダライナの製造装置。
前記付着手段は、前記離型剤をコロナ放電により帯電させる、請求項８に記載の製造装置。