JP5042671B2 - 中空部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、略円筒体形状をなし、例えば、シリンダスリーブとして好適な中空部材及びその製造方法に関する。

自動車を走行させる駆動源である内燃機関においては、シリンダボア内にシリンダスリーブが配設されることがある。この場合、シリンダボア内で往復動作するピストンの側周壁部は、このシリンダスリーブの内周壁に摺接する。近年、この種のシリンダスリーブの材質として、軽量でありながら耐摩耗性に優れ、高強度であるということから、アルミニウム合金、特に、Ａｌ−Ｓｉ系合金が選定されることが増加しつつある。

シリンダスリーブは、特許文献１に記載されているように、いわゆる遠心鋳造法によって作製されることがある。すなわち、回転動作する円筒状金型の内部に溶湯を導入すると、遠心力によって溶湯が円筒状金型の内周壁に偏在するようになり、円筒形状体をなす。この状態で溶湯を冷却固化して得られた円筒形状の予備成形体に対して削り出し等の機械加工を行うことにより、シリンダスリーブが設けられる。

特公昭５２−２７６０８号公報

ところで、特許文献１の記載に従って遠心鋳造を行った場合、初晶Ｓｉが外周壁側に多量に偏在するため、前記予備成形体の直径方向中腹近傍においては、初晶Ｓｉの量が少なくなる。従って、この予備成形体の内周壁側から削り出しを行うと、ピストンが摺接する内周壁の初晶Ｓｉの量が少ないシリンダスリーブとなってしまう。換言すれば、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるシリンダスリーブを遠心鋳造で作製する場合、該シリンダスリーブにおけるＳｉの組成比を制御することが容易ではなく、このために所望の特性を発現させることが困難であるという不具合が顕在化している。

また、シリンダスリーブの更なる強度向上の希求に対応しつつ靭性を確保するべく、組織の改善、具体的には、Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯が固化する際に析出する初晶Ｓｉを微細化することが検討されている。しかしながら、遠心鋳造を行う場合に初晶Ｓｉを微細化するためには、円筒状金型の回転数や温度等の鋳造条件を種々変更して最適化を図る必要がある。すなわち、鋳造条件を最適化するための試行錯誤を繰り返し行わなければならない。しかも、量産時には、最適化された鋳造条件を厳密に管理する必要がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、特に、各成分元素を所定の組成比に制御することや、初晶Ｓｉを微細化することが可能であり、しかも、作業が簡便で鋳造条件の厳密な管理も不要な中空部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、略円筒体形状をなす積層型の中空部材であって、
アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末が互いに溶着して形成された外側円筒形状体と、
前記外側筒形状体の内周壁に接合し、且つＡｌ−Ｓｉ系合金からなる内側円筒形状体と、
を有することを特徴とする。

後述するように、内側円筒形状体は溶湯を用いての遠心鋳造によって設けられる。この際、外側円筒形状体が冷やし金（チラー）として機能することで溶湯の冷却速度が大きくなり、このため、微細な初晶Ｓｉが直径方向に略均等に分散する。換言すれば、この中空部材を構成する内側円筒形状体においては、微細な初晶Ｓｉが一様に分散して存在する。従って、相違する部位同士であっても諸特性が略同等である。

しかも、例えば、シリンダスリーブとするために中空部材の内周壁側（内側円筒形状体側）から削り出しを行って薄肉化した場合であっても、上記したように初晶Ｓｉが略均等に分散しているので、十分な耐摩耗性等を確保することが可能である。

ここで、外側円筒形状体をアルミニウム合金とする場合、その好適な例としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金を挙げることができる。このＡｌ−Ｓｉ系合金は、内側円筒形状体と同一組成のものであってもよいし、互いに異なる組成のものであってもよい。例えば、外側円筒形状体をＡｌ−１２％Ｓｉ系合金（数字は重量％、以下同じ）で構成する一方、内側円筒形状体をＡｌ−２３％Ｓｉ系合金で構成するようにしてもよい。

また、本発明は、回転する円筒状金型に溶湯を供給して遠心鋳造により略円筒体形状をなす積層型の中空部材を作製する中空部材の製造方法であって、
アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末を円筒状金型に導入して外側円筒形状体を形成する工程と、
Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を前記外側円筒形状体の内周壁側に注湯することで前記粉末同士を溶着させるとともに、前記溶湯によって前記外側円筒形状体の内周壁に接合する内側円筒形状体を設け、前記外側円筒形状体と前記内側円筒形状体とが積層された中空部材を作製する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明においては、粉末を用いて外側円筒形状体を先ず成形し、次に、該外側円筒形状体の内方に遠心鋳造によって内側円筒形状体を設けるようにしている。この際、外側円筒形状体がチラーとして機能するため、溶湯の冷却速度が大きくなる。すなわち、初晶Ｓｉが大きく成長したり外側円筒形状体側に移動したりする前に溶湯が固化する。従って、微細な初晶Ｓｉが略均等に分散した組織を有する内側円筒形状体が得られる。

しかも、この場合、外側円筒形状体を設けるための原材料として溶湯を用いないので、粉末を溶解するための作業行う必要がなく、溶解炉も不要である。従って、粉末を溶解するためのコストないし設備投資が高騰することも回避することができ、結局、中空部材を廉価に作製することができる。

なお、外側円筒形状体となる粉末を円筒状金型に導入する際には、円筒状金型をＧナンバー（ＧＮｏ．）３０以上で回転させることが好ましい。この場合、粉末が遠心力によって円筒状金型の内周壁に脱落することなく押止される。このため、外側円環形状体を確実に成形することができる。

また、外側円筒形状体をアルミニウム合金とする場合、上記したように、Ａｌ−Ｓｉ系合金をその好適な例として挙げることができる。

本発明においては、外側円筒形状体を先ず成形し、次に、この外側円筒形状体の内方に導入された溶湯を、前記外側円筒形状体をチラーとして冷却固化させ、これにより内側円筒形状体を設けるようにしている。このため、該内側円筒形状体においては、微細な初晶Ｓｉが略均等に分散している。すなわち、本発明によれば、微細な初晶Ｓｉが略一様に分散した組織を有し、このために特性が全体にわたって略同等である内側円筒形状体を具備する中空部材を容易に構成することができる。

以下、本発明に係る中空部材及びその製造法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る中空部材１０の概略全体斜視図である。この中空部材１０は、内側円筒形状体１２と外側円筒形状体１４とが積層された積層体である。

この場合、内側円筒形状体１２は、Ａｌ−２３％Ｓｉ系合金からなる鋳造品である。すなわち、後述するように、該内側円筒形状体１２は、溶湯が冷却固化することで設けられる。なお、その厚みＴ１は、５〜６ｍｍ程度に設定される。

この内側円筒形状体１２では、平均粒径が３５μｍ以下の微細な初晶Ｓｉが外周壁側（外側円筒形状体１４側）に偏在することなく、直径方向に沿って略均等に分散している。その上、初晶Ｓｉの粒度分布幅も小さい。換言すれば、内側円筒形状体１２の組織は、微細且つ互いに略同寸法の初晶Ｓｉが一様に分散した状態となっている。

一方、外側円筒形状体１４は、Ａｌ−１２％Ｓｉ系合金からなる粉末が互いに溶着することによって形成されたものである。そして、外側円筒形状体１４の内周壁は、内側円筒形状体１２の外周壁に接合している。外側円筒形状体１４の好適な厚みＴ２は、０．５〜２ｍｍの範囲内である。

このように構成された中空部材１０からシリンダスリーブを作製するに際しては、該中空部材１０の内周壁側、すなわち、内側円筒形状体１２から削り出しが行われる。換言すれば、内側円筒形状体１２は、所定の厚みとなるまで薄肉化される。このように、内側円筒形状体１２は、中空部材１０の加工代として設けられる。

上記したように、内側円筒形状体１２では、微細且つ互いに略同寸法の初晶Ｓｉが直径方向に沿って一様に分散している。このため、加工後の中空部材１０（シリンダスリーブ）では、ピストンが摺接する内周壁にも優れた耐摩耗性が発現する。その上、全体にわたって高強度である。従って、このシリンダスリーブを組み込んだ内燃機関は、優れた耐久性を示す。

次に、この中空部材１０の製造方法につき、図２に示す遠心鋳造装置２０を使用する場合を例示して説明する。

この遠心鋳造装置２０は、略水平方向に沿って横臥した円筒状金型２２を有する。該円筒状金型２２の外周壁には、該外周壁を周回方向に沿って切り欠くようにして２本の環状溝２４、２４が設けられており、環状溝２４、２４の各々の底部には、ローラ対をなすローラ２６、２６の外周壁がそれぞれ摺接する。すなわち、円筒状金型２２は２組のローラ対によって支持されている。

４個のローラ２６は図示しない回転駆動源に連結されており、このため、円筒状金型２２は、前記回転駆動源の作用下にローラ２６の各々が回転動作することに伴って回転する。

円筒状金型２２の一端部には円盤状閉塞部材３０が嵌着されており、一方、他端部には円環状枠体３２が取着されている。円環状枠体３２は貫通孔３４が設けられることで開口しており、この貫通孔３４を介して粉末フィーダ３６又はトラフ４０の注湯管４２が円筒状金型２２の内部に挿入される。

粉末フィーダ３６は、図示しない粉末貯留容器から延在している。この粉末貯留容器は図示しない変位機構の作用下に変位させることが可能であり、前記粉末フィーダ３６は、この変位に追従して円筒状金型２２に対して進退自在である。なお、粉末貯留容器には、外側円筒形状体１４の原材料であるＡｌ−１２％Ｓｉ系合金の粉末が貯留されている。

トラフ４０の本体には、内側円筒形状体１２を設けるための溶湯Ｌが収容される。トラフ４０の近傍には傾動自在なポット４４が配設されており、このポット４４を介してトラフ４０に溶湯Ｌが供給される。

中空部材１０を製造するに際しては、円筒状金型２２の内周壁に塗型材が塗布された後、貫通孔３４を介して粉末フィーダ３６が円筒状金型２２の内部に挿入される。この際、図３に示すように、粉末フィーダ３６の先端は、円盤状閉塞部材３０の近傍に配置される。なお、図３ではトラフ４０の注湯管４２を図示していないが、粉末フィーダ３６に干渉しない位置に注湯管４２を配置しておくようにしてもよい。

この状態でローラ２６の回転が開始され、これに追従して円筒状金型２２が回転動作する。その後、粉末フィーダ３６を介してＡｌ−１２％Ｓｉ系合金の粉末Ｐが円筒状金型２２の内部に供給される。

ここで、円筒状金型２２をＧＮｏ．３０以上として回転させることが好ましい。これにより粉末Ｐが遠心力によって円筒状金型２２の内周壁に押止されるので、円環形状体が形成される。

粉末Ｐが導入される間、粉末フィーダ３６は、図３の矢印Ｘ方向に沿って後退動作する。この後退動作により、円筒状金型２２の長手方向に沿って粉末Ｐが略均等に供給され、その結果、円環形状体の高さ方向が連続的に延伸する。最終的に、図４に示すように、円筒状金型２２の内周壁に添着した外側円筒形状体１４が形成される。

次に、溶解炉で調製されたＡｌ−２３％Ｓｉの溶湯Ｌをポット４４に移し、さらに、該ポット４４を傾動させてトラフ４０の本体に移す。これにより、図５に示すように、トラフ４０の注湯管４２を介して円筒状金型２２の内部に溶湯Ｌが導入される。導入された溶湯Ｌは、その流動性によって円盤状閉塞部材３０側まで展開する。なお、溶湯Ｌを導入する間、円筒状金型２２の回転動作は続行させておく。

溶湯Ｌの大部分は、遠心力によって外側円筒形状体１４の内周壁に添着するように偏在し、これにより、図６に示すように、内側円筒形状体１２が形成される。その一方で、一部が外側円筒形状体１４に浸透する。外側円筒形状体１４に接触した内側円筒形状体１２、及び外側円筒形状体１４に浸透した溶湯Ｌの温度が高いため、外側円筒形状体１４をなす粉末が若干溶融し、液相が生成する。溶湯Ｌが冷却固化する際にこの液相も冷却固化し、その結果、粉末同士が溶着して堅牢な外側円筒形状体１４が設けられ、中空部材１０が得られるに至る。

なお、外側円筒形状体１４の外周壁には、塗型材のスパイニーが転写形成される。また、外側円筒形状体１４の内周壁が内側円筒形状体１２の外周壁に接合する。

この場合、外側円筒形状体１４が冷やし金（チラー）として機能する。このため、本実施の形態では、一般的な遠心鋳造に比して溶湯Ｌの冷却速度が大きくなる。すなわち、初晶Ｓｉが大きく成長する前に溶湯Ｌが固化するので、初晶Ｓｉが微細な組織が得られる。初晶Ｓｉの平均粒径は、概ね３５μｍ以下である。

また、冷却速度が大きいので、溶湯Ｌ中のＳｉが遠心力によって外周壁側に移動する前に固化が起こる。従って、初晶Ｓｉが偏在することが抑制され、内側円筒形状体１２の直径方向に沿って略均等に分散する。このように、外側円筒形状体１４をチラーとして機能させることで、微細且つ互いに略同寸法の初晶Ｓｉが一様に分散した内側円筒形状体１２を得ることができる。

次に、円筒状金型２２の一端部から円環状枠体３２を取り外した後、この端部側から、内側円筒形状体１２と外側円筒形状体１４とが接合した中空部材１０を引き抜いて塗型材とともに取り出す。その後、外側円筒形状体１４の外周壁に付着した塗型材をショットブラスト処理等によって除去し、さらに、内側円筒形状体１２の内周壁側から所定量の加工代を除去する削り出しを行えば、初晶Ｓｉが略均等に分散した内側円筒形状体１２を具備するシリンダスリーブが得られる。

内側円筒形状体１２を遠心鋳造によって設ける際、仮に初晶Ｓｉが外側円筒形状体１４側に若干偏在し、直径方向の中腹部よりも内側（内側円筒形状体１２の内周壁側）で初晶Ｓｉの量がやや少なくなったとしても、上記したように、削り出しが中空部材１０の内周壁側から行われるので、Ｓｉの量が少ない部位が加工代として除去される。結局、初晶Ｓｉの量が十分なシリンダスリーブを得ることが可能となる。

以上のように、本実施の形態によれば、高強度で且つ耐摩耗性に優れたシリンダスリーブの予備成形体として好適な中空部材１０を作製することができる。

また、本実施の形態では、外側円筒形状体１４を設けるための原材料として粉末を用いるので、溶湯を用いる場合のように粉末を溶解するための作業が不要であるとともに、溶解のためのコストが一切不要となる。その上、粉末を溶解するための溶解炉を設ける必要もない。従って、設備投資が高騰することも回避可能である。このため、中空部材１０を廉価に作製することができる。

さらに、外側円筒形状体１４をチラーとして機能させて初晶Ｓｉの微細化を図るようにしているので、円筒状金型の回転数や温度等の鋳造条件を厳密に管理する必要がない。

このようにして得られたシリンダスリーブは、自動車用の内燃機関を構成するシリンダブロックを鋳造成形するための鋳造金型のキャビティに配置される。そして、このキャビティにアルミニウム等の溶湯が導入された後、該溶湯が冷却固化されることによってシリンダブロックが鋳造成形されるとともに、該シリンダブロックにシリンダスリーブが鋳ぐるまれる。これにより、耐久性に優れた内燃機関が構成される。

なお、上記した実施の形態においては、外側円筒形状体１４をなす粉末としてＡｌ−１２％Ｓｉ系合金の粉末を用いるようにしているが、その他のＡｌ合金粉末であってもよいし、Ａｌ粉末であってもよい。また、内側円筒形状体１２の原材料である溶湯ＬもＡｌ−２３％Ｓｉ系合金の溶湯Ｌに特に限定されるものではなく、Ａｌ−Ｓｉ系合金であれば如何なる合金であってもよい。

また、中空部材１０としてシリンダスリーブを例示して説明したが、中空部材１０も特にこれに限定されるものではなく、如何なる部材であってもよい。

本実施の形態に係る中空部材の概略全体斜視図である。 図１に示す中空部材を作製するための遠心鋳造装置の要部概略構成図である。 図２の遠心鋳造装置を用いて外側円筒形状体を設けている状態を示す長手方向断面説明図である。 外側円筒形状体が設けられた状態における遠心鋳造装置の直径方向断面説明図である。 図２の遠心鋳造装置を用いて内側円筒形状体を設けている状態を示す長手方向断面説明図である。 内側円筒形状体が設けられた状態における遠心鋳造装置の直径方向断面説明図である。

符号の説明

１０…中空部材 １２…内側円筒形状体
１４…外側円筒形状体 ２０…遠心鋳造装置
２２…円筒状金型 ２６…ローラ
３６…粉末フィーダ ４０…トラフ
４２…注湯管 ４４…ポット
Ｐ…粉末 Ｌ…溶湯

Claims (6)

1. 略円筒体形状をなす積層型の中空部材であって、
   アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末が互いに溶着して形成された外側円筒形状体と、
   前記外側円筒形状体の内周壁に接合し、且つＡｌ−Ｓｉ系合金からなる内側円筒形状体と、
   を有し、
   前記内側円筒形状体が鋳造品であることを特徴とする中空部材。
2. 請求項１記載の中空部材において、前記外側円筒形状体がＡｌ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とする中空部材。
3. 請求項１又は２記載の中空部材において、前記内側円筒形状体の金属組織中の初晶Ｓｉの平均粒径が３５μｍ以下であることを特徴とする中空部材。
4. 回転する円筒状金型に溶湯を供給して遠心鋳造により略円筒体形状をなす積層型の中空部材を作製する中空部材の製造方法であって、
   アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末を円筒状金型に導入して外側円筒形状体を形成する工程と、
   Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を前記外側円筒形状体の内周壁側に注湯することで前記粉末同士を溶着させるとともに、前記溶湯によって前記外側円筒形状体の内周壁に接合する内側円筒形状体を設け、前記外側円筒形状体と前記内側円筒形状体とが積層された中空部材を作製する工程と、
   を有することを特徴とする中空部材の製造方法。
5. 請求項４記載の製造方法において、前記外側円筒形状体となる粉末を前記円筒状金型に導入する際、前記円筒状金型をＧナンバー（ＧＮｏ．）３０以上で回転させることを特徴とする中空部材の製造方法。
6. 請求項４又は５記載の製造方法において、前記外側円筒形状体としてＡｌ−Ｓｉ系合金からなるものを設けることを特徴とする中空部材の製造方法。

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