(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボアを形成する内筒部（５）と、その内筒部（５）の外側に在ってそれと一体の外筒部（６）とよりなるシリンダバレル（１1 〜１4 ）を有するアルミ合金製シリンダブロック（Ｓ）であって鋳造後には前記内筒部（５）に設定した取り代部が削り取られるようにしたものを、ダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式を適用して鋳造するに当たり、前記内筒部（５）を繊維強化するために用いられる繊維成形体において、
金型（１５）の、前記内筒部（５）内周面に対応した成形面（４１）に接する接触面（４２）およびその近傍を含んでいて、前記取り代部よりも厚さ（ｔ1 ）が小さい成形面側領域（４３）と、その成形面側領域（４３）の外周側に連なる主領域（４４）とを有して円筒状に形成されており、
前記鋳造後に前記取り代部が削り取られても前記内筒部（５）に必要厚さを持つ繊維強化部を確保するために、前記成形面側領域（４３）には、前記高速充填高圧鋳造方式の適用下での繊維成形体の圧縮変形を抑制し得るセラミック粒子を混在させ、
前記主領域（４４）には前記セラミック粒子を混在させていないことを特徴とする、ダイカスト法による繊維強化アルミ合金製シリンダブロック鋳造用繊維成形体。
【請求項２】
シリンダボアを形成する繊維強化された内筒部（５）と、その内筒部（５）の外側に在ってそれと一体の外筒部（６）とよりなるシリンダバレル（１1 〜１4 ）を有するアルミ合金製シリンダブロック（Ｓ）をダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式を適用して鋳造し、その鋳造後に、前記内筒部（５）に設定した所定厚さの取り代部を削り取るようにした繊維強化アルミ合金製シリンダブロックの製造方法であって、
前記鋳造後に前記取り代部が削り取られても前記内筒部（５）に必要厚さを持つ繊維強化部を確保するために、金型（１５）の、前記内筒部（５）内周面に対応した成形面（４１）に接する接触面（４２）およびその近傍を含んでいて、前記取り代部よりも厚さ（ｔ1 ）が小さい成形面側領域（４３）に、前記高速充填高圧鋳造方式の適用下での繊維成形体の圧縮変形を抑制し得るセラミック粒子を混在させ、且つその成形面側領域（４３）の外周側に連なる主領域（４４）には前記セラミック粒子を混在させていない円筒状の繊維成形体（２１）を用いて、前記内筒部（５）を繊維強化することを特徴とする、繊維強化アルミ合金製シリンダブロックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイカスト法による繊維強化アルミ合金製シリンダブロック鋳造用繊維成形体、および繊維成形体を用いた繊維強化アルミ合金製シリンダブロックの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、繊維強化金属体、例えばアルミ合金製シリンダブロックを鋳造する場合、繊維成形体としては、その性状を成形体全体に亘り均一化したもの、例えば繊維体積分率Ｖｆを成形体全体に亘って略一定に設定したものが用いられ、また鋳造方式としては、溶湯流のゲート速度を、例えば０．３ｍ／sec に、加圧力を、例えば２５０kgｆ／cm2 にそれぞれ設定した低速充填中圧鋳造方式が採用されている。この場合、前記繊維体積分率Ｖｆは、要求される摺動特性を考慮して、例えば１５％≦Ｖｆ≦２５％に設定される。
【０００３】
しかしながら、前記低速充填中圧鋳造方式の採用下では、一般的なダイカスト装置を使用することができず、専用の鋳造装置を必要とするためその設備コストが高く、また溶湯流のゲート速度が遅いため鋳造のサイクルタイムが長く、生産能率が悪い、という問題があった。
【０００４】
そこで、一般的なダイカスト装置を使用し、また溶湯のゲート速度を速めると共に加圧力を高めた高速充填高圧鋳造方式を採用することが試みられた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記のような繊維成形体に、ダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式を適用すると、繊維成形体全体が大きく圧縮変形してその厚さが大幅に減少すると共にその圧縮変形後の繊維成形体において、その厚さ方向に、金型の成形面側に在って繊維体積分率Ｖｆが二次曲線的に増加する変化部と、その変化部に連なって繊維体積分率Ｖｆが略一定である定常部とが発生し、しかも変化部の厚さと定常部の厚さとが略同等となる。
【０００６】
前記変化部は削り取られる取り代部であって、前記定常部が繊維強化部として実用されるのであるが、前記のような厚さ変化が存在すると、繊維強化部が薄肉となって、繊維強化の目的を達成し得ない事態を生じるおそれがあった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式に十分に対応して、必要厚さを持つ繊維強化部を確保することが可能な前記繊維強化アルミ合金製シリンダブロック鋳造用繊維成形体、並びにその繊維成形体を用いた繊維強化アルミ合金製シリンダブロックの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、シリンダボアを形成する内筒部と、その内筒部の外側に在ってそれと一体の外筒部とよりなるシリンダバレルを有するアルミ合金製シリンダブロックであって鋳造後には前記内筒部に設定した取り代部が削り取られるようにしたものを、ダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式を適用して鋳造するに当たり、前記内筒部を繊維強化するために用いられる繊維成形体において、金型の、前記内筒部内周面に対応した成形面に接する接触面およびその近傍を含んでいて、前記取り代部よりも厚さが小さい成形面側領域と、その成形面側領域の外周側に連なる主領域とを有して円筒状に形成されており、前記鋳造後に前記取り代部が削り取られても前記内筒部に必要厚さを持つ繊維強化部を確保するために、前記成形面側領域には、前記高速充填高圧鋳造方式の適用下での繊維成形体の圧縮変形を抑制し得るセラミック粒子を混在させ、前記主領域には前記セラミック粒子を混在させていないことを特徴とし、また請求項２の発明は、シリンダボアを形成する繊維強化された内筒部と、その内筒部の外側に在ってそれと一体の外筒部とよりなるシリンダバレルを有するアルミ合金製シリンダブロックをダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式を適用して鋳造し、その鋳造後に、前記内筒部に設定した所定厚さの取り代部を削り取るようにした繊維強化アルミ合金製シリンダブロックの製造方法であって、前記鋳造後に前記取り代部が削り取られても前記内筒部に必要厚さを持つ繊維強化部を確保するために、金型の、前記内筒部内周面に対応した成形面に接する接触面およびその近傍を含んでいて、前記取り代部よりも厚さが小さい成形面側領域に、前記高速充填高圧鋳造方式の適用下での繊維成形体の圧縮変形を抑制し得るセラミック粒子を混在させ、且つその成形面側領域の外周側に連なる主領域には前記セラミック粒子を混在させていない円筒状の繊維成形体を用いて、前記内筒部を繊維強化することを特徴とする。
【０００９】
前記のように構成すると、繊維強化アルミ合金製シリンダブロック鋳造用の繊維成形体において、大きな圧縮力を受ける成形面側領域にセラミック粒子が混在しているので、ダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式の適用下では繊維成形体全体の圧縮変形が、硬質粒子による繊維相互間の密接を防止するスペーサ機能により抑制されて、その厚さ減少が小となる。また前記定常部、つまり実用繊維強化部の厚さが前記変化部、つまり取り代部の厚さを大幅に上回る。
【００１０】
これにより、必要厚さを持つ繊維強化部を確保することが可能であり、したがって、前記繊維成形体を用いることによって、ダイカスト法の適用下で繊維強化の目的を十分に達成することができる。
【００１１】
前記成形面側領域に混在させるセラミック粒子としては、粒径３〜１０μｍのセラミック粒子が用いられ、そのセラミック粒子には、Ａｌ2 Ｏ3 粒子、ＳｉＯ2 粒子、ＳｉＣ粒子、グラファイト粒子等が該当する。
【００１２】
単層構造の繊維成形体の繊維体積分率Ｖｆは、例えば１５％≦Ｖｆ≦２５％に設定される。
【００１３】
これを基準にして、成形面側領域では前記セラミック粒子が追加されるものであり、したがって、成形面側領域における、セラミック粒子を含んでの繊維体積分率Ｖｆ１は３０％≦Ｖｆ１≦４０％に設定される。この場合、Ｖｆ１＜３０％では、ダイカスト法に対する成形面側領域の強化が不十分となり、一方、Ｖｆ１＞４０％では溶湯の浸透性が変化する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１〜４において、繊維強化金属体としてのエンジン用サイアミーズ型シリンダブロックＳは、４つのシリンダバレル１1 〜１4 を直列に結合してなるサイアミーズシリンダバレル１と、そのサイアミーズシリンダバレル１を囲繞する外壁部２と、外壁部２の下縁に連なるクランクケース３とより構成される。各シリンダバレル１1 〜１4 は、シリンダボア４を形成する内筒部５と、その内筒部５の外側に在ってそれと一体の外筒部６とよりなる。サイアミーズシリンダバレル１と外壁部２間の一連の空間は水ジャケット７であり、各外筒部６の下端側およびクランクケース３の上端側は水ジャケット７の底壁８を介して連なっている。水ジャケット７におけるシリンダヘッド側の開口部において、サイアミーズシリンダバレル１と外壁部２間は連結されておらず、したがってシリンダブロックＳはオープンデッキ型に構成される。
【００１５】
各シリンダバレル１1 〜１4 の内筒部５は円筒状繊維成形体と金属マトリックスとよりなる繊維強化部であり、また各シリンダバレル１1 〜１4 の外筒部６およびその他の構成部分はマトリックスを構成する金属のみからなる。繊維成形体は、アルミナ繊維およびカーボン繊維を主体とし、それら繊維間をバインダにより結合したものである。また前記金属としてはＡｌ合金が用いられている。
【００１６】
図５〜７は、シリンダブロックＳをダイカスト法により鋳造するために用いられる鋳造装置Ｍを示す。その装置Ｍにおける金型９は昇降自在の上型１０と、上型１０の下方に配設された固定の下型１１と、下型１１上において摺動自在の第１および第２側型１２，１３とを有する。
【００１７】
第１側型１２は下型１１上を摺動する型本体１４を備え、その型本体１４は第２側型１３との対向面に、４つのシリンダボア成形用ボアピン１５と、それらボアピン１５を囲繞する水ジャケット成形用中子１６とを有し、各ボアピン１５の軸線は略水平である。
【００１８】
第２側型１３は下型１１上を摺動する型本体１７を備え、その型本体１７は第１側型１２との対向面に成形ブロック１８を有する。成形ブロック１８は、各シリンダバレル１1 〜１4 に対応する突出量の長い４つのかまぼこ状第１成形部１９と相隣る両第１成形部１９間及び両外側の第１成形部１９の外側に位置する凸字状第２成形部２０とを有する。
【００１９】
各ボアピン１５に繊維成形体２１が嵌合され、型締め状態において、各ボアピン１５および各繊維成形体２１の先端面は、各第１成形部１９の先端面に当てられている。
【００２０】
上型１０、下型１１、第１側型１２および第２側型１３により形成されるキャビティ２２は次のような各領域を有する。即ち、図７にも示すように、各ボアピン１５回りに在って、繊維成形体２１を設置する内筒部成形領域２３と、各内筒成形領域２３に隣接する、つまり各繊維成形体２１および水ジャケット成形用中子１６間およびその中子１６から突出する繊維成形体２１の先端部回りに在る外筒部成形領域２４と、各第１，第２成形部１９，２０および上，下型１０，１１間に在るクランクケース成形領域２５と、上，下型１０，１１および水ジャケット成形用中子１６間に在る外壁部成形領域２６と、クランクケース成形領域２５を外筒部成形領域２４および外壁部成形領域２６にそれぞれ通じさせると共に水ジャケット１６の底壁８を成形する底壁成形領域２７とである。
【００２１】
各第１成形部１９によりクランクケース３内のクランクピンおよびクランクアーム用回転空間２８（図２，４）が成形され、また各第２成形部２０によりクランクケース３のクランクジャーナル用軸受ホルダ２９（図２〜４）が成形される。
【００２２】
下型１１に、軸線を略水平にした第１シリンダ３０が設けられ、その第１シリンダ３０に給湯プランジャ３１が摺動自在に嵌合される。その給湯プランジャ３１の先端側に溶湯を一時溜める湯溜部３２が形成され、その湯溜部３２は、シリンダバレル配列方向に延びる１つのランナ３３および複数のゲート３４を介してクランクケース成形領域２５の下部に連通する。
【００２３】
第２側型１３の型本体１７に、軸線を略垂直に向けた第２シリンダ３５が設けられ、その第２シリンダ３５は通し孔３６を介して湯溜部３２に通じている。また型本体１７に、第２シリンダ３５の中間部に通じるように給湯管３７が設けられる。
【００２４】
さらに上型１０に貫通孔３８が、その軸線を第２シリンダ３５の軸線に合致させると共にその第２シリンダ３５に通じるように形成され、その貫通孔３８にシールプランジャ３９が摺動自在に嵌合される。
【００２５】
下型１１に複数のエジェクタピン４０が摺動自在に嵌合され、それらエジェクタピン４０は、外壁部成形領域２６およびクランクケース成形領域２５に突出してシリンダブロックＳを離型するために用いられる。
【００２６】
前記各内筒部成形領域２３において、水ジャケット成形用中子１６の長さ範囲ａに収まる領域が実質的な繊維強化部成形領域Ａである。これは、各内筒部５において、水ジャケット７から突出している部分５ａは、ピストンと摺動関係にないので繊維強化する必要がないからである。したがって、各外筒部成形領域２６において、水ジャケット成形用中子１６の長さ範囲ａに収まる領域が、繊維強化部成形領域Ａに隣接する溶湯貯留領域Ｂである。さらにクランクケース成形領域（各軸受ホルダ２９を成形する部分を含む）２５および水ジャケット７の底壁成形領域２７が溶湯流沈静領域Ｃである。
【００２７】
ここで、溶湯貯留領域Ｂの容積、実施例では全部の溶湯流貯留領域Ｂの容積の和をＶ1 とし、溶湯流沈静領域Ｃの容積をＶ2 としたとき、両容積Ｖ1 ，Ｖ2 の関係はＶ2 ≧２Ｖ1 に設定される。実施例ではＶ1 ：Ｖ2 ＝１：３．３７である。
【００２８】
図８，９に示すように、繊維成形体２１は、その厚さｔをｔ＝３mmに設定されると共に、金型９、実施例ではボアピン１５の成形面４１に接する接触面４２およびその近傍を含む、厚さｔ1 ＝０．８mmの成形面側領域４３と、その領域４３の外周側に連なる、厚さｔ2 ＝２．２mmの主領域４４とを有する。成形面側領域４３の繊維体積分率Ｖｆ１は、Ｖｆ１＝３５％に、また主領域４４の繊維体積分率Ｖｆ２はＶｆ２＝２０％にそれぞれ設定された。
【００２９】
前記のような積層構造を有する繊維成形体２１は、次のような方法を用いて製造された。
（１）  図１０に示すように、シェル砂（粒度ＡＦＳ３５）を用いて通気性を有する円筒状成形型４５を形成した。この成形型４５はシェル砂より構成されているので、３５０〜４００℃に高温加熱されると崩壊するという性質を有する。
（２）  図１１に示すように、成形型４５の両端開口部にそれぞれホルダ４６1 ，４６2 を接着、ボルト締め等により取付けてそれら開口部を閉じた。
（３）  図１２に示すように、４５重量％のアルミナ繊維および１０重量％のカーボン繊維の両短繊維と、４５重量％のＡｌ2 Ｏ3 粒子とを水に分散させた分散液４７中に成形型４５を浸漬し、真空ポンプ４８により成形型４５内に吸引作用を施して両短繊維およびＡｌ2 Ｏ3 粒子を成形型４５の外周面に所定の厚さに付着させ、成形面側領域４３に対応する下層４９を成形した。
（４）  図１３に示すように、成形型４５を５重量％のアルミナを含むアルミナゾル（バインダ）５０中に浸漬して、下層４９にアルミナゾル５０を含浸させた。
（５）  図１４に示すように、成形型４５をラバープレスの耐圧容器５１内に設置し、空圧源５２より加圧空気を耐圧容器５１内に供給してラバー５３を介し下層４９を成形型４５の外周面に押圧し、これにより下層４９の形状を整え、同時に繊維体積分率を調整した。
（６）  下層４９を有する成形型４５を用いると共に、前記分散液４７の代りに、８０重量％のアルミナ繊維および２０重量％のカーボン繊維の両短繊維を水に分散させた分散液を用いて、図１２〜１４の前記（３）〜（５）工程と同様の三工程を行い、これにより下層４９の外周面に、主領域４４に対応する上層５４（図１５参照）を成形した。
（７）  図１５に示すように、成形型４５より両ホルダ４６1 ，４６2 を取外した。
（８）  図１６に示すように、成形型４５を乾燥炉５５内に設置し、上、下層５４，４９よりなる中間体５６に１２０℃、１時間の乾燥処理を施して水分を蒸発除去した。
（９）  図１７に示すように、成形型４５を焼成炉５７内に設置し、成形型４５に３５０〜４００℃にて１時間の崩壊処理を施した。この崩壊処理により成形型４５はその略５０％が崩壊した。残りの略５０％は振動を加える等の手段により破壊除去した。この状態下にあっては中間体５６は乾燥されて十分な保形性を有するので変形するようなことはなく、また成形型４５の残部にはクラック等が無数に発生しているのでその除去が容易に行われる。
（１０）  図１８に示すように、少量で大きな接合強度を発揮し得るバインダであるポリカルボシラン（平均分子量１４３０、ＰＣＳ）を１重量％含有するキシレン溶液５８中に中間体５６を浸漬してその中間体５６にポリカルボシランを含浸させた。
（１１）  中間体５６を空気中に放置して自然乾燥した。
（１２）  図１９に示すように、中間体５６を再び焼成炉５７内に設置し、その中間体５６に８００℃、１５分間の焼成処理を施した。これにより図８，９に示した繊維成形体２１を得た。
【００３０】
Ａｌ合金として、表１に示すＪＩＳ  ＡＤＣ１２相当材を選定した。
【００３１】
【表１】
0003986615.tif 000002
【００３２】
ダイカスト法によるシリンダブロックＳの鋳造に当っては、溶解炉より６７０℃のＡｌ合金の溶湯ｍを給湯管３７に供給し、その溶湯ｍを第２シリンダ３５を経て湯溜部３２に一時溜めた。次いで、シールプランジャ３９を下降させて、図５、鎖線示のように通し孔３６を閉鎖した。その後給湯プランジャ３１を前進させ、溶湯ｍをランナ３３および各ゲート３４を通じてキャビティ２２に高速充填し、シリンダブロックＳを高圧鋳造した。この場合、加圧力は９００kgｆ／cm2 に、また溶湯流のゲート速度は４０ｍ／sec に、さらに溶湯開始から圧力上昇までの時間は１．５sec にそれぞれ設定された。
【００３３】
この注湯過程で、各ゲート３４を通過した乱流状態の溶湯流は溶湯流沈静領域Ｃにおいて静められ、その結果、各溶湯貯留領域Ｂへ導かれる溶湯流は略層流状態となり、その溶湯流における空気の巻込みが抑制される。そして、各溶湯貯留領域Ｂの溶湯が繊維成形体２１にスムーズに充填される。
【００３４】
この場合、繊維成形体２１は、前記のように積層構造に構成されていて、大きな圧縮力を受ける成形面側領域４３にＡｌ2 Ｏ3 粒子が混在しているので、前記ダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式の適用下では繊維成形体２１全体の圧縮変形がＡｌ2 Ｏ3 粒子による繊維相互間の密接を防止するスペーサ機能により抑制されて、その厚さ減少が小となる。また前記定常部、つまり内筒部（実用繊維強化部）５の厚さが、前記変化部、つまり取り代部の厚さを大幅に上回る。これにより、必要厚さを持つ内筒部５を確保することが可能である。
【００３５】
図２０は、鋳放し状態のシリンダブロックＳにおけるシリンダバレル内周面からの深さと繊維体積分率Ｖｆとの関係を示す。図中、線Ｌ1 は鋳造前の積層構造繊維成形体２１に該当し、また線Ｌ2 はその繊維成形体２１を用いて前記ダイカスト法を行った場合に該当する。さらに線Ｌ3 は厚さが３mmで、且つ繊維体積分率Ｖｆが２０％の単層構造繊維成形体を用いて前記ダイカスト法を行った場合に該当する。
【００３６】
各内筒部５における取り代は１mmであり、したがって、線Ｌ2 のごとく、前記積層構造繊維成形体２１を用いると、厚さ約１．４mmの内筒部（繊維強化部）５を得ることができるが、線Ｌ3 のごとく、前記単層構造繊維成形体を用いた場合には内筒部の厚さは約０．８mmに減少する。このことから、成形面側領域４３の存在意義が判る。
【００３７】
なお、図２０において、例えば線Ｌ2 の左端、つまり繊維強化された領域Ｄの端部と、シリンダバレル内周面との間の内周領域Ｅは、繊維を主体とするぼそぼそした領域であって、繊維体積分率Ｖｆの測定は不可能である。
【００３８】
鋳造条件における許容範囲は次の通りである。即ち、加圧力は８５０〜１０００kgｆ／cm2 、ゲート速度は３０〜４５ｍ／sec 、溶湯温度は６５０〜７００℃、溶湯開始から圧力上昇までの時間は１〜２sec である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、シリンダボアを形成する繊維強化された内筒部と、その内筒部の外側に在ってそれと一体の外筒部とよりなるシリンダバレルを有するアルミ合金製シリンダブロックをダイカスト法により鋳造するに当たり、そのダイカスト法による高速充填高圧鋳造方式に十分に対応して、シリンダバレル内筒部において径方向に必要な厚さを持つ繊維強化部を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  シリンダブロックの平面図である。
【図２】  図１の２−２線断面図である。
【図３】  図１の３−３線断面図である。
【図４】  シリンダブロックを下方から見た斜視図である。
【図５】  鋳造装置の断面図で、図２に対応する。
【図６】  鋳造装置の断面図で、図３に対応する。
【図７】  図５の要部拡大図である。
【図８】  繊維成形体の斜視図である。
【図９】  図８の９−９線断面図である。
【図１０】  成形型の断面図である。
【図１１】  成形型にホルダを取付けた状態を示す断面図である。
【図１２】  成形工程の断面図である。
【図１３】  アルミナゾル含浸工程の断面図である。
【図１４】  ラバープレス工程の断面図である。
【図１５】  成形型からホルダを取外した状態を示す断面図である。
【図１６】  乾燥工程の断面図である。
【図１７】  成形型除去工程の断面図である。
【図１８】  ポリカルボシラン含浸工程の断面図である。
【図１９】  焼成工程の断面図である。
【図２０】  シリンダバレル内周面からの深さと繊維体積分率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１1 〜１4   シリンダバレル
５        内筒部
６        外筒部
１５      金型のボアピン
２１      繊維成形体
４１      成形面
４２      接触面
４３      成形面側領域
４４      主領域
ｔ1       厚さ
Ｓ        シリンダブロック
【図１】
0003986615.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003986615.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003986615.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0003986615.tif 000017
【図１６】
0003986615.tif 000018
【図１７】
0003986615.tif 000019
【図１８】
0003986615.tif 000020
【図１９】
0003986615.tif 000021
【図２０】
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