(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過共晶AlSi合金により内燃エンジン用シリンダライナを製造する方法において；
合金溶湯の溶射成形によって、または、空気もしくは不活性ガス噴射による溶湯噴霧により得られる粒径250μｍ以下の金属粉体混合物もしくは合金粉体を熱間または冷間圧縮する粉体成形によって、粒径約0.5〜20μｍのSi一次粒子を含む過共晶AlSi合金材料から成る丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを作製する第１ステップと；
300〜550℃の押出温度に保持した上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを肉厚６〜20mmの厚肉パイプ状に押出加工する第２ステップと；
250〜500℃における熱間加工プロセスによって、上記厚肉パイプ材の肉厚を1.5〜5mmに減少させ、薄肉パイプ材とする第３ステップと；
上記薄肉パイプ材を切断して所望の長さのシリンダライナを作製する第４ステップと；
を順次実行することを特徴とする過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項２】
上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.5重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Ni（0.5〜２重量％）の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項３】
上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Fe（３〜５重量％）Ni（１〜２重量％）の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項４】
上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、下記組成、即ち、
AlSi（25〜35重量％）の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項５】
上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.3重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Mn（0.5〜５重量％）の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することを特徴とする請求項１に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項６】
溶射成形の場合、ケイ素の一部を、使用されるAlSi合金の溶湯によって、また、ケイ素の他の一部を、Si粉体の形で粒子インゼクタによって、上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットに導入することを特徴とする請求項１ないし５の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項７】
Si一次粒子を粗大化させるため、上記第１ステップで得た丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを第２ステップに入る前に460〜540℃において0.5〜10hrの時間インターバルにわたって過時効焼なましを行い、Si一次粒子を２〜30μｍの粒径に成長させることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項８】
円形圧縮またはハンマ円形鍛造によって上記厚肉パイプ材の熱間加工を行うことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項９】
マンドレルど使用するパイプ圧延によって上記厚肉パイプ材の熱間加工を行うことを特徴する請求項１ないし７の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項１０】
圧延によって上記厚肉パイプ材の熱間加工を行うことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項１１】
パイプ引抜によって上記厚肉パイプ材の熱間加工を行うことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【請求項１２】
リングローリングによって上記厚肉パイプ材の熱間加工を行うことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一に記載の過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性で耐磨耗性の過共晶AlSi合金からなる内燃エンジンのシリンダライナの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダライナは、内燃エンジンのクランクハウジングのシリンダ開口内に挿入、圧入または注形され摩耗を受ける構成部材である。
内燃エンジンのシリンダ摩擦面は、ピストンまたはピストンリングによる強い摩擦負荷および局部的に現れる高温を受ける。従って、上記面摩擦は耐摩耗性で耐熱性の材料により構成する必要がある。
上記目的の達成のため、特に、シリンダボアの表面に耐摩耗性コーチングを施工する多数の方法がある。
他の方策の場合、耐摩耗性材料からなるシリンダライナをシリンダに設ける。即ち、特にねずみ鋳鉄製シリンダライナを使用するが、この材料はアルミニウム材料に比して熱伝導度が小さい上、他にも幾つかの欠点を有する。
【０００３】
この問題は、まず、過共晶AlSi合金から注形したシリンダブロックによって解決された。然しながら、鋳造技術上の理由から、ケイ素含量は、最大20重量％に制限されていた。鋳造法には、更に、溶湯の凝固中、粒径の比較的大きい（約30−80μｍ）ケイ素一次粒子が析出するという欠点がある。上記粒子は、その粒径および角ばったエッジの鋭い形状に基づき、ピストンおよびピストンリングの摩耗を誘起する。従って、対応するコーチング／被覆層によってピストンおよびピストンリングを保護しなければならない。ピストン／ピストンリングに対するSi粒子の接触面は、機械加工によって平坦化される。この種の機械加工に続いて、電気化学的処理を行うので、アルミニウムマトリックスが、Si粒子の間に容易に戻され、従って、支持骨格としてのSi粒子が、シリンダ内面から僅かに突出するようになる。このように作製されたシリンダの欠点は、一つには可成りの製造経費（高価な合金、面倒な機械加工、鉄を被覆したピストン、補強したピストンリング）にあり、他には、Si粒子の不均一な分布にある。即ち、組織内に、Si粒子を含まず、従って、激しく摩耗する部分が広い範囲にわたって分布する。この摩耗を避けるため、ピストンと摩擦相手との間に分離媒体として比較的厚い油膜が必要である。油膜の厚さの調節には特に、Si粒子の露出深さが決定的である。然しながら、比較的厚い油膜は、マシンの摩擦ロスの増大および有害物質放射量の著しい増加を誘起する。
【０００４】
他方、亜共晶AlSi合金から注形され、過共晶AlSi合金材料からなるシリンダライナを備えたDE 4,230,228に記載のシリンダブロックは安価である。然しながらこの場合も、上記問題は解決されない。
【０００５】
本発明においては、過共晶AlSi合金の利点をシリンダライナ材料として利用できるようSi粒子に関する組織を変更する。鋳造技術的に実現できないアルミニウム合金は、よく知られているように、粉末冶金法または溶射成形によって適切に製造できる。
【０００６】
かくして、高いSi含量、Si粒子の微細度および均一な分布により、極めて良好な耐摩耗性を有し、補助元素（例えば、Fe、NiまたはMn）の添加によって所要の耐熱性が与えられた過共晶AlSi合金を調製できる。上記合金内に存在するSi一次粒子は、約0.5〜20μｍの粒径を有する。従って、かくして調製された合金は、シリンダライナ材料に好適である。
【０００７】
アルミニウム合金は、一般に、加工し易いが、この過共晶合金の変形操作には問題がある。過共晶AlSi合金からシリンダライナを製造する方法は、EP 635,318号により公知である。この場合、シリンダライナは、圧力1,000〜10,000tおよび押出速度0.5〜12m/minで押出加工によって製造される。押出加工によって目標寸法のシリンダライナを安価に生産するには、極めて高い押出速度が必要である。加工し難くいこの種の合金においてシリンダライナの薄い肉厚を達成する場合、高い押出速度は、押出時に輪郭の引裂を誘起することが判明している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、薄肉パイプ、特に、内燃エンジンのシリンダライナを製造する安価な改善された方法を提供することにある。この場合、製造されたシリンダライナは耐摩耗性、耐熱性の点で、および有害物質放射量の減少に関して所要の性質改善を示さなければならない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明にもとづき、請求項１に記載の操作工程を含む方法によって解決される。本発明の実施例を従属請求項に示した。
【００１０】
即ち、本発明は、
過共晶AlSi合金により内燃エンジン用シリンダライナを製造する方法において；
合金溶湯の溶射成形によって、または、空気もしくは不活性ガス噴射による溶湯噴霧により得られる粒径250μｍ以下の金属粉体混合物もしくは合金粉体を熱間または冷間圧縮する粉体成形によって、粒径約0.5〜20μｍのSi一次粒子を含む過共晶AlSi合金材料から成る丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを作製する第１ステップと；
300〜550℃の押出温度に保持した上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを肉厚６〜20mmの厚肉パイプ材に押出加工する第２ステップと；
250〜500℃における熱間加工プロセスによって、上記厚肉パイプ材の肉厚を1.5〜5mmに減少させ、薄肉パイプ材とする第３ステップと；
上記薄肉パイプ材を切断して所望の長さのシリンダライナを作製する第４ステップと；
を順次実行することを特徴とするものである。
【００１１】
上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、利用目的に応じて下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.5重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Ni（0.5〜２重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することが推奨される。
【００１２】
或いはまた、上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Fe（３〜５重量％）Ni（１〜２重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１３】
或いはまた、上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、下記組成、即ち、
AlSi（25〜35重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１４】
更にまた、上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴット作製のため、下記組成、即ち、
AlSi（17〜35重量％）Cu（2.5〜3.3重量％）Mg（0.2〜2.0重量％）Mn（0.5〜５重量％）
の合金溶湯、金属粉体混合物または合金粉体を使用することも推奨される。
【００１５】
溶射成形の場合、ケイ素の一部を、使用されるAlSi合金の溶湯によって、また、ケイ素の他の一部を、Si粉体の形で粒子インゼクタによって、上記丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットに導入することも推奨される。
【００１６】
Si一次粒子を粗大化させるため、上記第１ステップで得た丸棒状又は厚肉パイプ状のインゴットを第２ステップに入る前に460〜540℃において0.5〜10hrの時間インターバルにわたって過時効焼なましを行い、Si一次粒子を２〜30μｍの粒径に成長させることが推奨される。
【００１７】
上記第４ステップにおいては、円形圧縮またはハンマ円形鍛造によって上記厚肉パイプ材の熱間加工を行うことができる。
上記厚肉パイプ材の熱間加工は又、マンドレルを使用するパイプ圧延、圧延、パイプ引抜、または、リングローリングによって行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
上記第１ステップで製造される過共晶AlSi合金の所要の摩擦性質は、特に粒径範囲0.5〜20μｍの１次析出粒子としてまたは粒径範囲80μｍ以下の添加粒子としてケイ素粒子を材料中に存在させることによって達成される。この種のAl合金の製造には、通常の鋳造法の場合よりも高合金溶湯の遥かに高い凝固温度を可能とする方法を使用しなければならない。
これを達成する第一の方式としては、溶射成形法（以下、単に”溶射成形”という。）が挙げられる。所望の性質の達成のため、多量のケイ素を加えたアルミニウム合金の溶湯を噴射し、窒素流中で1,000℃/secの冷却速度で冷却する。
なお部分的に溶融した粉体粒子を回転ディスク上に噴射する。ディスクは、操作中、連続的に下降させる。双方の運動によって、長さ約1,000〜3,000mm、径400mm以下の寸法を有する丸棒が生ずる。
上記溶射成形プロセスにおいて高い冷却速度に基づき、粒径20μｍ以下のSi一次析出物が生ずる。Si析出粒径の適合は、プロセスにおいて凝固温度を調節できる”ガス／金属比”（溶湯1kg当り標準状態ガスｍ３）によって達成できる。
溶湯の凝固温度および過飽和にもとづき、合金のSi含量は、最大40重量％とすることができる。ガス流中のアルミニウム溶湯の急冷にもとづき、得られた丸棒の過飽和状態はほぼ”凍結”される。
丸棒製造の代わりに、溶射成形によって、内径50〜120mm、肉厚250mm以下の厚肉のパイプ状のインゴットを製造することもできる。この場合、噴射により粒子流を水平に保持された軸のまわりに回転する支持パイプへ向け、上記パイプ上に成形する。かくして、水平方向へ制御して連続的に送ることによって、パイプ押出及び／又は他の熱間成形法による以降の処理のための素材として役立つパイプインゴットが製造される。上記支持パイプは、通常のアルミニウム可鍛合金または溶射成形によって製造される（同種の）合金からなる。
溶射成形した丸棒又はパイプ状のインゴットまたは粉体成形によって製造した丸棒／パイプ状のインゴットの組織状態は、以降の過時効焼なましによって変更できる。焼なましによって、組織は、所要の摩擦性質に望ましい２〜30μｍのしSi粒子に調整できる。焼なましプロセス中のSi粒子の成長は、固体中の拡散によって行われ、この際、小さいSi粒子が消失する。この拡散は、過時効温度および焼なまし処理の時間に依存する。温度が高いほど、Si粒子の成長は速くなる。然しながらこのプロセスにおいて、時間は下位の役割を演じるに過ぎない。適切な温度は、約500℃であり、この場合、焼なまし時間は３〜5hrで十分である。
微細なSi析出粒子を含む状態が望ましい場合、焼なましプロセスは不要である。この場合、プロセス中、”ガス／金属比”によって、Si析出粒径を適切に制御できる。溶射成形法によって製造した丸棒又はパイプ状のインゴットは、一般に、合金の理論密度の95％を越える密度を有する。完全な圧密および残存気孔の閉鎖のためには、350〜550℃の温度における熱間押出加工が必要である。
溶射成形プロセスは、更に、溶融状態にない粒子を粒子インゼクタによって丸棒又はパイプ状のインゴット中に導入する可能性を与える。上記粒子は、任意の幾何学的形状および２μｍ〜400μｍの範囲の任意の粒径とすることができるので、組織の多様な調節が可能となる。例えば、２μｍ〜400μｍの範囲のSi粒子を導入することができ、上記粒径範囲の、例えば、市販されており摩擦の観点から適切なオキシドセラミック粒子（例えば、Al2O3）またはオキシドセラミックではない粒子（例えば、SiC、B4C等）を導入することができる。
【００１９】
適切な組織を形成する第二の方式としては、粉体成形法（以下、単に”粉体成形”という。）が挙げられる。この方式の場合、まず、ケイ素が過飽和のアルミニウム合金溶湯を空気噴射または不活性ガス噴射により噴霧し、これを急速に凝固させることにより粉体を形成する。一方において上記粉体では、溶湯中に含まれるすべての合金元素は完全に合金化され、以降の工程において、複数の合金粉体又は元素粉体が混合され得る。次いで、完全に合金化された粉体または混合された粉体を冷間等圧プレスまたは熱間プレスまたは真空熱間プレスによって丸棒またはパイプ状のインゴットにプレスする（以上の操作を、本願において単に”粉体成形”という）。次いで、上記インゴットは、熱間押出によって完全に圧密される。この製造方式の場合も、一方では、焼もどし処理によって、他方では、粒子（オキシドセラミック又は非オキシドセラミック等）の混合によって、耐摩擦力に優れた組織を形成できる。
【００２０】
上記第１ステップにおける”溶射成形”または”粉体成形”よって製造した丸棒素材から、第２ステップの熱間加工（特に、押出加工）によって、肉厚６〜20mmの厚肉パイプを成形する。この場合、押出加工温度は350〜550℃の範囲にある。
このように調製した適切な組織は、以降の操作工程において変化しないか、所要の摩擦性質に好適なように変化される。
押出加工は成形に使用されるのみならず、溶射成形された丸棒または溶湯成形されたパイプインゴットまたは粉体成形によって製造された丸棒またはパイプインゴットの残存気孔（１〜５％）を閉鎖し（１〜40％）、最終的に材料を合金化するのに使用される。
【００２１】
更に必要な肉厚減は、第３ステップとして、250〜500℃の温度において円形圧縮加工または他の熱間加工、例えば、ハンマ円形鍛造、マンドレルを使用するパイプ圧延、圧延、パイプ引抜き、リングローリングなどによって達成される。
次いで、第４ステップとして、目標肉厚に成形されたパイプを所要の長さのパイプ片に切断する。
【００２２】
本発明に係る方法には、シリンダライナの材料を適切に加工できるという利点がある。押出加工の場合のプレス圧、プレス速度および製品品質に関する高経費は、以降の第２の熱間加工工程によって回避される。
【００２３】
【実施例】
実施例1:
組成Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1（各成分に付記した数値は重量％を示す。以下同様。）の合金は830℃の溶融温度において4.5m3/kgのガス／金属比（溶湯1kg当り標準状態のガスｍ３）で溶射成形法に基づき丸棒に加工した（第１ステップ）。
上記条件で溶射成形した丸棒中に、粒径範囲１μｍ〜10μｍのSi粒子が析出した。溶射成形した丸棒を520℃において4hr焼なまし処理した。この焼なまし処理後、Si析出粒子の粒径範囲は２μｍ〜30μｍとなった。
シリンダ工具で420℃、押出速度0.5m/minにおいて熱間押出加工して、外径94mm、内径68mm（従って、肉厚13mm）の厚肉パイプを得た（第２ステップ）。押出温度は、焼なまし温度よりも低いので、調整した組織が保持された。
次いで熱間加工において、420℃で心棒を使用して外径94mmから外径74mmに且つ内径69mm（従って、肉厚2.5mm）に円形圧縮（第３ステップ）しても、組織変化は誘起されなかった。
【００２４】
実施例2:
組成Al Si8 Fe3 Ni2の合金を、溶射成形プロセスにもとづき、850℃の溶融温度において2.0m3/kgのガス／金属比で丸棒に成形した（第１ステップ）。
この合金に、粒子インゼクタによって、40〜71μｍの粒径範囲のSi粒子20％を供給した。このプロセスによって、均一な組織を形成できた（組織は第３図参照）。溶射成形によって所望の組織が得られたので、焼なまし処理は不要であった。
シリンダ工具で450℃、押出速度0.3m/minにおいて熱間加工して、外径94mm、内径69.5mm（従って、肉厚12.25mm）の厚肉パイプを得た（第２ステップ。組織は第４図参照）。
次いで熱間加工において、440℃で外径94mmから79mmに円形圧縮（第３ステップ）しても、組織変化は誘起されなかった。
【００２５】
実施例3:
組成Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1の合金を、830℃の溶融温度において空気で噴射した。得られた粉体を捕集し、2,700barの冷間等圧状態においてプレスして外径250mm、長さ3359mmの丸棒を成形した（第１ステップ）。丸棒の密度は、合金の理論密度の80％であった。Si一次析出粒子の粒径は、１μｍ〜10μｍであった。
冷間等圧状態でプレスした丸棒を520℃において4hr焼なまし処理した。この焼なまし処理後、Si析出粒子の粒径は２〜30μｍであった。
シリンダ工具で420及び押出速度0.5m/minにおいて外径94mm、内径69.5mm（従って、肉厚12.25mm）の厚肉パイプに加工した（第２ステップ）。
次いで熱間加工において、420℃で外径94mmから79mmに、かつ内径69mm（従って、肉厚5mm）に円形圧縮（第３ステップ）しても、組織変化は誘起されなかった。
【００２６】
実施例4:
組成Al Si25 Cu2.5 Mg1 Mn1の合金を、溶射成形プロセスに基づき、860℃の溶融温度において21.5m3/kgのガス／金属比で外径250mm、内径80mmのパイプインゴットに成形した（第１ステップ）。この場合、通常のアルミニウム可鍛合金（Al Mg Si0.5）から成る外径84mm、肉厚2mmの薄肉パイプを回転支持パイプとして使用し、このパイプ上に上記合金を溶射した。溶射成形したパイプインゴットは、上記条件において、0.5〜７μｍの粒径範囲のケイ素析出粒子が生じた。
ケイ素析出粒子を２〜30μｍの粒径に調整するため、溶射成形したパイプインゴットを520℃において5hr焼なまし処理した。
400℃、押出速度1.5m/minにおいてパイプを押出加工して、外径94mm、内径69.5mm（従って、肉厚12.25mm）の厚肉パイプを得た（第２ステップ）。この場合、支持材料AlMg Si0.5は、必要な押出力および速度にプラスに作用する。なぜならば、上記材料は心棒に対して潤滑材として作用するからである。
次いで、熱間加工において439℃で外径94から79mmに且つ内径69mm（従って、肉厚5mm）に円形圧縮（第３ステップ）しても、組織変化は誘起されなかった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成されるので、本発明によるときは、耐摩耗性及び耐熱性が高く、有害物質の放射量も低い優れた過共晶AlSi合金による内燃エンジン用シリンダライナを安価に製造し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶射成形したAl Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1の組織図である。
【図２】焼なまし、押出加工したAl Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1の組織図である。
【図３】溶射成形したAl Si8 Fe3 Ni2 ＋20％Si粒子の組織図である。
【図４】押出加工したAl Si8 Fe3 Ni2 ＋20％Si粒子の組織図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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