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技術 鋳包構造体

出願人 TPR株式会社TPR工業株式会社
発明者 佐藤喬斉藤儀一郎
出願日 2008年4月30日 (12年8ヶ月経過) 出願番号 2008-118207
公開日 2009年11月12日 (11年1ヶ月経過) 公開番号 2009-264347
状態 特許登録済
技術分野 内燃機関のシリンダブロック、ケーシング 鋳ぐるみ鋳造
主要キーワード 直流アンプ 展開長さ 切り出し線 包構造体 表面積率 突起側 鋳鉄組織 鋳鉄組成
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2009年11月12日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

熱伝導性接合強度が高く、薄肉化も可能な鋳包構造体を提供する。

解決手段

突起を外周鋳肌面4に複数有する鋳鉄製シリンダライナ2がアルミニウム合金に鋳包まれている鋳包構造体10において、鋳包構造体10は、突起基底までの鋳鉄部肉厚をL1、鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚をL2としたとき、L1/L2=0.45の条件の下で測定した熱伝導率が35〜80W/m・Kの値を有している。突起を有するシリンダライナ2の外周鋳肌面4の表面積が、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して140〜230%であることが好ましい。また、突起の高さが0.2〜0.7mmで、突起の個数が1cm2当たり70〜150個であることが好ましい。

概要

背景

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。この場合、シリンダライナ外周部とシリンダブロックとが一体結合された鋳包構造体熱伝導性を向上させることはエンジン性能の向上に効果がある。

従来の鋳包用シリンダライナとして、特許文献1及び特許文献2の技術が提案されている。特許文献1では、シリンダライナ外周面突起高さ、突起個数突起面積率を所定の値とすることで、シリンダブロックとの密着性接合強度を向上させることを提案している。また、特許文献2では、シリンダライナ外周面の算術平均粗さと展開長さ比を所定の値にすることで、シリンダブロックとの密着性と熱伝導性の向上及び薄肉化を図ることを提案している。また、シリンダライナをアルミニウム合金で鋳包んだ鋳包構造体の熱伝導率を向上させる技術として、シリンダライナ鋳肌面にアルミニウム合金などの高熱伝導材料溶射することが従来から知られている。
特開2005−194983号公報
特開2004−209507号公報

概要

熱伝導性と接合強度が高く、薄肉化も可能な鋳包構造体を提供する。突起を外周鋳肌面4に複数有する鋳鉄製シリンダライナ2がアルミニウム合金に鋳包まれている鋳包構造体10において、鋳包構造体10は、突起基底までの鋳鉄部肉厚をL1、鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚をL2としたとき、L1/L2=0.45の条件の下で測定した熱伝導率が35〜80W/m・Kの値を有している。突起を有するシリンダライナ2の外周鋳肌面4の表面積が、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して140〜230%であることが好ましい。また、突起の高さが0.2〜0.7mmで、突起の個数が1cm2当たり70〜150個であることが好ましい。

目的

本発明の目的は、熱伝導性と接合強度が高く、薄肉化も可能な鋳包構造体を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
3件

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請求項1

突起を外周鋳肌面に複数有する鋳鉄製シリンダライナアルミニウム合金に鋳包まれている鋳包構造体において、前記鋳包構造体は、突起基底までの鋳鉄部肉厚をL1、鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚をL2としたとき、L1/L2=0.45の条件の下で測定した熱伝導率が35〜80W/m・Kの値を有していることを特徴とする鋳包構造体。

請求項2

前記突起を有するシリンダライナの外周鋳肌面の表面積が、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して140〜230%であることを特徴とする請求項1記載の鋳包構造体。

請求項3

前記突起の高さが0.2〜0.7mmで、突起の個数が1cm2当たり70〜150個であることを特徴とする請求項1又は2記載の鋳包構造体。

請求項4

前記シリンダライナの内周面仕上げ時の肉厚が1.5〜2.3mmであることを特徴とする請求項1,2又は3記載の鋳包構造体。

技術分野

0001

本発明は、突起を外周鋳肌面に複数有する鋳鉄製シリンダライナアルミニウム合金に鋳包まれている鋳包構造体に関し、特に熱伝導性接合強度に優れている鋳包構造体に関する。

背景技術

0002

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。この場合、シリンダライナ外周部とシリンダブロックとが一体結合された鋳包構造体の熱伝導性を向上させることはエンジン性能の向上に効果がある。

0003

従来の鋳包用シリンダライナとして、特許文献1及び特許文献2の技術が提案されている。特許文献1では、シリンダライナ外周面の突起高さ、突起個数突起面積率を所定の値とすることで、シリンダブロックとの密着性と接合強度を向上させることを提案している。また、特許文献2では、シリンダライナ外周面の算術平均粗さと展開長さ比を所定の値にすることで、シリンダブロックとの密着性と熱伝導性の向上及び薄肉化を図ることを提案している。また、シリンダライナをアルミニウム合金で鋳包んだ鋳包構造体の熱伝導率を向上させる技術として、シリンダライナ鋳肌面にアルミニウム合金などの高熱伝導材料溶射することが従来から知られている。
特開2005−194983号公報
特開2004−209507号公報

発明が解決しようとする課題

0004

近年、エンジン高出力化低燃費化のため、シリンダボア上死点付近は熱的に厳しい状況にある。また、低フリクション化コンパクト化により、シリンダボア間肉厚の低減を求められている。熱対策としては、シリンダライナをアルミニウム合金で鋳包んだ鋳包構造体の熱伝導性の向上が必要である。シリンダボア間の薄肉化の対策としては、シリンダライナの薄肉化を要求される。

0005

しかしながら、特許文献1の技術は接合強度は高いが、熱伝導性が不足する。また、突起高さが高くなると、摺動面の組織を維持しつつ、シリンダライナの薄肉化を図ることが難しくなる。また、特許文献2の技術は、シリンダライナの外周鋳肌面とアルミニウム合金との充分な接合強度が得られない。また、シリンダライナの外周鋳肌面にアルミニウム合金などの高熱伝導材料を溶射する方法は、コスト高となる。

0006

本発明の目的は、熱伝導性と接合強度が高く、薄肉化も可能な鋳包構造体を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、突起を外周鋳肌面に複数有する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いる鋳包構造体において、前記鋳包構造体は、突起基底までの鋳鉄部肉厚をL1、鋳鉄部とアルミニウム合金部との一体部肉厚をL2としたとき、L1/L2=0.45の条件の下で測定した熱伝導率が35〜80W/m・Kの値を有していることを特徴とする。

0008

上記突起を有するシリンダライナの外周鋳肌面の表面積が、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して140〜230%であることが好ましい。表面積率が140%未満では熱伝導率が低下し、接合強度も低下する場合があり、230%を越えると鋳包性が悪化し、熱伝導率が低下する。

0009

突起の高さが0.2〜0.7mmで、突起の個数が1cm2当たり70〜150個であることが好ましい。突起高さが0.2mm未満では突起数が多くても充分な接合強度が得られず、0.7mmを越えるとシリンダライナの薄肉化が困難となるとともに、熱伝導率も低下する。突起の個数が1cm2当たり70個未満では熱伝導率が低下し、150個を越えると熱伝導率が低下する。

0010

シリンダライナの内周面仕上げ時の肉厚が1.5〜2.3mmであることが好ましい。肉厚が1.5mm未満ではシリンダライナの内周面に良好な摺動特性鋳鉄組織を得ることができない。シリンダライナの薄肉化を図るためには2.3mm以下が必要である。

発明の効果

0011

本願発明は、高い熱伝導性と接合強度を得られるため、エンジン性能の向上を図れる。また、シリンダライナの内周面仕上げ時の肉厚を薄肉(2.3mm以下)にすることができるため、シリンダボア間距離を小さくでき、シリンダブロックをコンパクトにできる。また、シリンダボア間の距離が従来と同じ場合、アルミニウム合金部を厚くできるため、冷却空洞を設けることも可能になる。

発明を実施するための最良の形態

0012

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

0013

図1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、図2にシリンダライナを示す。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JIS ADC12(関連規格:米国ASTM A383.0)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、JIS FC230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。

0014

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10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。

0015

シリンダライナ2の外周鋳肌面4には突起5が複数形成されている。突起5の形状は特に限定されない。例えば、図3に示されているように、(a)台形、(b)四角形、あるいは(c)括れた(先端部が太く、中間部が細い)形状などが用いられる。

0016

突起5を有するシリンダライナ2の外周鋳肌面4の表面積は、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対して140〜230%である。また、突起5の高さは0.2〜0.7mmで、突起の個数は1cm2当たり70〜150個である。

0017

突起面積率は10〜50%が望ましい。突起面積率は、単位面積内に存在する突起5において突起5の基底から0.2mm位置における突起5の断面積合計面積が単位面積に占める割合として算出される。突起面積率が10%未満では接合強度が低下する。50%を越えると突起が結合して鋳造性が低下し、空隙ができて密着性が低下し、熱伝導率が低下する。

0018

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を外周鋳肌面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。

0019

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途型材が作製される。200〜400℃に加熱されて回転する鋳型(金型)の内面に途型材が噴霧塗布され、塗型の内面に途型層が形成される。途型層の厚さは0.5〜1.1mmである。界面活性剤の作用により、途型層内から発生する蒸気の泡によって途型層に複数の凹穴が形成される。途型層を乾燥後、回転する鋳型内に鋳鉄溶湯が鋳込まれる。このとき、途型層の凹穴に溶湯が充填され、均一な複数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、途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途型材が除去され、均一な複数の突起を外周鋳肌面に有するシリンダライナが製造される。

0020

以下、突起5を外周鋳肌面4に複数有する鋳鉄製シリンダライナ2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10について、熱伝導率と接合強度を評価した結果(表1参照)を説明する。

0021

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。

0022

実施例1〜9及び比較例1〜4のシリンダライナは上述した製造方法により作製した。比較例5のシリンダライナは次の製造方法によって遠心鋳造法により作製された。

0023

平均粒径0.05〜0.5mmの珪砂、平均粒径0.1mm以下のシリカフラワ、ベントナイト(粘結剤)、及び水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)の内面に途型材が噴霧塗布され、塗型の内面に途型層が形成される。途型層の厚さは1mmである。途型層を乾燥後、回転する鋳型内に鋳鉄溶湯が鋳込まれる。溶湯が硬化してシリンダライナが形成された後、途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途型材が除去され、所定粗さを外周鋳肌面に有するシリンダライナが製造される。

0024

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4(a)参照)が製造された。

0025

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。

0026

1.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4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4(a)に示されている二点鎖線切り出し線を示す。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5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35〜80W/m・Kが要求される。

0027

2.接合強度
鋳包構造体10から20mm×20mmのテストピース30(図6参照)を作製する。鋳鉄部2Aとアルミニウム合金部1Aの各々に専用治具31,32を接着剤接着する。テストピース30を引張り試験機で矢印方向に引っ張り、鋳鉄部2Aとアルミニウム合金部1Aが剥がれた強度を接合強度とする。接合強度は3Mpa以上が望ましい。

0028

3.突起高さ
デプスダイヤルゲージでシリンダライナ2の突起高さを測定する。突起高さは0.2〜0.7mmが要求される。

0029

4.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、1cm2当たりの突起個数とする。突起個数は1cm2当たり70〜150個が要求される。

0030

5.表面積率
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部分の突起面積率をB、突起個数をN個、突起の平均高さをHmmとし、更に、突起を断面積が一定の円柱仮定したとき、突起の無いシリンダライナの外周鋳肌面の表面積に対する、突起のあるシリンダライナの外周鋳肌面の突起を含めた表面積の比率A(%)を次式より求めた。なお、突起面積率Bは、前述したように、単位面積内に存在する突起5において突起5の基底から0.2mm位置における突起5の断面積の合計面積が単位面積に占める割合として算出される。表面積率Aは140〜230%が要求される。
A=35.45×(B×N)1/2×H+100・・・(1)

0031

上記式(1)は次のようにして算出した。
図7において、突起平均半径:Rmm、突起平均高さ:Hmm、突起個数:N個、突起面積率:Bとしたとき、
π×R2×N=100×B
R2=100×B/(π×N)
R=10×(B/(π×N))1/2
突起側面の面積=2×π×R×H×N
=2×π×10×(B/(π×N))1/2×H×N
=20×π1/2×(B×N)1/2×H
=35.45×(B×N)1/2×H
10mm×10mmの面積=100mm2
表面積率A(%)=35.45×(B×N)1/2×H+100

0032

表1に評価結果を示す。実施例1〜9は熱伝導率と接合強度が高い。しかしながら、表面積率が低い比較例1,2,4、及び表面積率が高い比較例3は熱伝導率が低下する。突起高さが低い比較例2は接合強度が低く、突起高さが高い比較例3は熱伝導率が低下する。突起個数が少ない比較例1は熱伝導率が低下し、突起個数が多い比較例4は熱伝導率が低下する。突起がなく、鋳肌面が粗い比較例5は充分な接合強度が得られない。

0033

図面の簡単な説明

0034

本発明の鋳包構造体の一実施形態を示し、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。
本発明のシリンダライナを示す斜視図である。
(a)、(b)及び(c)はそれぞれ突起形状を示す図である。
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。
接合強度の測定方法を示す図である。
表面積率の算出方法を説明するための図である。

符号の説明

0035

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 外周鋳肌面
5突起
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、30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
31、32 専用治具

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