(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックのシリンダボア周囲を補強する筒形状の繊維強化用プリフォームを鋳型内に配置し、マトリッス金属の溶湯をこのプリフォームに含浸させて加圧鋳造成形するシリンダブロックの製造方法であって、鋳造時において、前記プリフォームを予熱してウォタージャケット形成用の砂または塩からなる中子に外周を接して嵌合し、該プリフォームの内側に隙間を設けてシリンダボア形成用のボアピンを配置して、該ボアピンと前記プリフォームとの間の隙間を溶湯の湯道として使用することを特徴とする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、強化繊維で強化された金属基複合部材である、エンジンのシリンダブロックの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車製造等の材料分野において、異種材料を組み合わせて所望の特性を持たせる金属基複合材料（ＭＭＣ：Metal Matrix Composite）が発展してきており、その中には、粒子強化金属基複合材料や繊維強化金属基複合材料（ＦＲＭ：Fiber-reinforced Metal）等がある。
【０００３】
これらの金属基複合材料は、軽量化を目指した構造材料として発達してきており、高強度、高弾性率、高硬度、耐摩耗性、耐熱性等の特徴を持った強化材料を混入することにより、単一材料では到底望めない高度な機能を持たせることができる。
【０００４】
そのため、軽量化が著しく進んでいる自動車の分野でも使用されてきており、特に、自動車のエンジン部品では、低燃費・高出力化の要求から小型・軽量化が進められており、アルミ合金の強化技術として、セラミック繊維を複合化するＭＭＣ（Metal Matrix Composit ）を採用し、アルミ合金製の部材の耐熱性、耐摩耗性、高強度化を目標に、アルミ基複合材料を用いた各エンジン部品の開発が進んでいる。
【０００５】
そして、繊維強化金属基複合材料においては、アルミナや炭化ケイ素ウィスカ等のセラミック繊維類の強化繊維をバインダーで固形化してプリフォーム（予備成形体）を成形し、鋳造時に溶融したマトリックス金属としてのアルミ、チタン、マグネシウム等の軽合金をダイキャストや溶湯鍛造（スクィーズキャスティング）でこのプリフォームに含浸させる方法等により製造している。
【０００６】
先行技術のエンジンのシリンダブロックの製造方法においては、ライナー部のＭＭＣ化による強化は、セラミック繊維を焼成固形化した円筒形状のプリフォーム20と呼ばれるものを、３００℃〜８００℃の範囲内に予熱した後、図２に示すように、鋳造時に、シリンダボア形成用のスチール製のボアピン４に内周面が接するように嵌合し、このプリフォーム20の外周側に隙間60を設けて、ウォタージャケット形成用の砂中子３を配置し、その外側にシリンダブロックの外形を形成する鋳型５を配置して、次に溶融アルミを４９Ｍｐａ〜９８Ｍｐａ（５００ｋｇｆ／ｃｍ2 〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ2 ）の圧力で加圧して鋳造することでＭＭＣ化を行なっていた。
つまり、プリフォーム20の外側のウォタージャケット形成用の砂中子３との間に隙間60を設けて溶湯の湯道としている。
【０００７】
このプリフォームの予熱は、アルミシリンダブロックのＭＭＣ強化用に使用するアルミナ繊維（密度３．９ｇ／ｃｍ3 ）製の円筒状プリフォーム材では、その繊維密度（ＶＦ：Volume fraction ）は１５％〜３０％であるが、プリフォーム自体の密度は０．５９〜１．１７と極めて低密度で空隙を有する構造となっている。
【０００８】
そのため、アルミ含浸時にプリフォームの温度が低いと、含浸したアルミの流動性が低下し、アルミの含浸抵抗が大きくなるので、加圧力により、ＭＭＣ化の際にプリフォーム層に圧縮力が生じ、甚だしい場合には圧壊する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、プリフォームを予熱してから、スチール製のダイキャスト型内に設けられているスチール製のボアピンに嵌合して位置決めするので、予熱したプリフォームの熱が、これに接している熱伝導性の良いスチール製のボアピンに伝導して熱を奪われてしまう。そのため、プリフォームの冷却が早く、溶湯の注湯までの間に予熱温度が下がり、溶融アルミの含浸不良の原因となっていた。
【００１０】
この沐湯時のプリフォームの温度は、健全なＭＭＣ（金属基複合材料）化のためには、３００℃以上の温度が必要であるが、型セット〜注湯までの時間短縮は工法上の制約から困難であるという問題がある。
【００１１】
更に、ボアピンとプリフォームを密着させて隙間なくセットした場合、ダイキャスト後のボア内面は、強化繊維にマトリックス金属が含浸してできた耐摩耗性に富むＭＭＣ部分となり、摺接面側の表面に硬質の強化繊維が分散することになる。、
そのため、ボア内面に対する研削、精密中ぐり、ホーニング等の機械加工性が非常に悪く、これらの機械加工に使用する切削工具の材質や種類が、例えば、ダイヤモンド工具になる等、非常に高価なものとなり、ＭＭＣ化されている部分は単一の材料ではないために、切削速度の選択などが難しく、その上、工具の寿命が短いので、製造コストが高いものとなるという問題がある。
その上、このＭＭＣ化された部分に、ピストンが直接接触すると、摺接及び摺動するピストンの摩耗を促進してしまうという問題がある。
【００１２】
そのため、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｃｒ等の電解メッキをボア内面に施して、メッキ層で覆い、ピストンとの接触面に強化繊維が直接接触しないようにすることが考えられるが、このセラミック系の強化繊維は導電性のないものが多いため、電解メッキを施そうとしても、このセラミック繊維部分にメッキが乗らず非密着部分が形成され、密着性が悪くなって実用に供し得ないという問題がある。
【００１３】
一方、特開平８−１９７２２９号公報には、シリンダブロックのボア部を形成するプリフォームを形状維持体にセットして、両者を予熱した後、鋳型にセットして溶湯を浸透させて複合化させた後に、機械加工により形状維持体を機械加工により除去するシリンダブロックの製造方法が提案されている。
【００１４】
この製造方法によれば、形状維持体を熱容量が大きく、通風性がよく、プリフォームの保護機能と位置決め機能を有する、多孔性の金属の焼結材などで形成し、この形状維持体でプリフォームを内周面側から保持し、予熱温度が低下するのを防止すると共に、通気性の確保により含浸の促進を図っている。
【００１５】
しかしながら、この製造方法においては、形状維持体が不可欠であり、しかもこの形状維持体を機械加工により除去する必要があるので、製造工程が増加し、又、製造コストも上昇するという問題がある。
その上、ボア内周面の加工性の問題やピストンの摩耗促進、電気メッキの密着性等の問題が残されたままとなる。
【００１６】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、シリンダブロックの鋳造時に、予熱したプリフォームの温度が低下することを防止できて、マトリックス金属のプリフォームへの含浸が十分に行なえると共に、ボア内周面への強化繊維の露出を防止して、ボア内周面の機械加工性を向上し、ボア内面加工が容易にできるシリンダブロックの製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するためのシリンダブロックの製造方法は、シリンダブロックのシリンダボア周囲を補強する筒形状の繊維強化用プリフォームを鋳型内に配置し、マトリックス金属の溶湯をこのプリフォームに含浸させて加圧鋳造成形するシリンダブロックの製造方法であって、鋳造時において、前記プリフォームを予熱してウォタージャケット形成用の砂または塩からなる中子に外周を接して嵌合し、該プリフォームの内側に隙間を設けてシリンダボア形成用のボアピンを配置して、該ボアピンと前記プリフォームとの間の隙間を溶湯の湯道として使用することを特徴とする。
【００１８】
即ち、このシリンダブロックの製造方法は、ウォータージャケット用の砂中子の内周をガイドにして、プリフォームをセッテングするようにしたもので、砂中子の砂の断熱効果とボアピンとプリフォームとの間に設けた隙間とにより、型セットから注湯までの間に生じるプリフォームの冷却が遅延されるので、欠陥の無いＭＭＣ（金属基複合材料）層が得られる。
【００１９】
つまり、スチール製のボアピンと砂や塩で形成される中子の熱伝導率の違いを考慮することにより、プリフォームを熱伝導率の高いボアピンから離間し、熱伝導率が低く断熱効果の大きい中子に接してセットすることにより、熱移動を制限してプリフォームの高温状態を維持するものである。
【００２０】
また、ボアピンとプリフォームの間に隙間を設けることにより、ボア加工面をマトリックスであるアルミ地とすることができ、ボア内周面の機械加工の容易化やメッキ等の後処理を容易にすることができる。
【００２１】
その上、この製造方法によれば、ボア内周面側にマトリックス金属層を形成しているので、摺接するピストンが、直接、強化用のプリフォームに含まれている硬質の強化繊維に接触することがなく、摺動部材の摩耗が低減する。
また、このマトリックス金属層は機械加工性が良いので、容易に摺接面の加工精度を上げることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
本発明に係るシリンダブロックの製造方法は、図１に示すように、円筒形状の繊維強化用プリフォーム２を鋳型５内に配置して、マトリッス金属の溶湯をこのプリフォーム２に含浸させて、加圧鋳造成形する製造方法である。
【００２３】
そして、鋳造時に、筒形状、通常は円筒形状のプリフォーム２をウォタージャケット形成用の砂中子や塩中子で形成される中子３に外周を接して嵌合し、このプリフォーム２の内側に隙間６を設けて、シリンダボア形成用のボアピン４を配置し、このボアピン４とプリフォーム３との間の隙間６を溶湯の湯道として使用する。
【００２４】
また、プリフォーム２は、円筒状に形成され、その内周面にマトリックス層を設ける様、その分、内半径を大きく形成する。また、ボアピン４の外周面との間に所定の隙間６を形成することができるように、この隙間６分だけボアピンの径を小さくしておく。
そして、この隙間６の大きさの例を上げると、この隙間６は、通常、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度で設けられる。
【００２５】
そして、補強繊維としては、アルミナ繊維、アルミナ・シリカ繊維、カーボン繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維や、これらの組合わせを使用でき、また、バインダーとしては、フェノール樹脂、フラン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の合成樹脂バインダーや、アルミナ、シリカなどの無機物質のセラミックバインダーがあり、これらを組み合わせて、プリフォーム２を形成することができる。
【００２６】
そして、図１に模式的に示すように、鋳型５、ウォタージャケット形成用中子３及び他の必要な中子（図示しない）、プリフォーム２、シリンダボア形成用のボアピン４を配置した後、組付けて鋳造を行う。この鋳造は、アルミやマグネシウム等の軽合金のマトリックス金属を溶融した溶湯を鋳型５に流し込んだ後に、図示しないピストンに加圧力を加えて溶湯を加圧し、この加圧により溶湯をプリフォーム２に含浸させながら、シリンダブロックを鋳込む。
【００２７】
この溶湯の流し込み時に、プリフォーム２は、中子３により固定されているので、位置ズレを発生しない。また、加圧時には、溶湯はプリフォーム２の内周側の隙間６から含浸でき、また、略全内周側から略均等に加圧できるので、プリフォーム２の変形や破損を防止でき、ＭＭＣ（金属基複合材料）化部分を精度良く高品質で形成できる。
また、この隙間６部分には、プリフォーム２が配置されていないので、マトリックス金属のみが鋳込まれ、層の厚さが隙間６と同じとなるマトリックス金属層が形成される。
【００２８】
この時の強化繊維によって強化されていない層ができるが、これは、機械加工でマトリックス層の厚さを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度に薄く形成することにより、全体としての強度の低下を最小限に抑えることができる。
【００２９】
そして、溶湯を冷却及び凝固させた後に型ばらして、鋳造成形体であるシリンダブロックを取り出し、更に、シリンダボアを正確な形状にするため、機械加工する。この時にマトリックス金属層で硬質の強化繊維が覆われているので、この機械加工は容易に行うことができる。
【００３０】
そして、場合によっては、ピストンとの滑りと当たりを更に滑らかにするために、シリンダボア面にメッキを施す。このメッキ時にも、非導電性の強化繊維が露出していないので、メッキが表面全体に密着でき、非常に密着性のよいメッキができる。
このメッキにより、シリンダボアのピストンと接触する表面にはメッキ層が形成され、その外側に薄いマトリッスス金属層が、更にその外側に強化繊維で補強され、耐摩耗性に優れた強化部分を有するシリンダブロックが製造される。
【００３１】
以上のシリンダブロックの製造方法によれば、筒状のプリフォーム２を、ダイキャスト型５内のウォータージャケット用の砂中子３側にセットすることにより、ボアピン４に熱を奪われることが無くなり、更に、砂中子３の砂の断熱効果により、プリフォーム２が予熱温度から大きく下がることを防止でき、鋳造時の溶湯の急速な冷却を防止することができる。
そのため、強化繊維のプリフォームへの溶融アルミの含浸を円滑に行なうことができるので、高品質のＭＭＣ化を行なうことができる。
【００３２】
更に、ボアピン４とプリフォーム２の間に隙間６を設けることにより、ダイキャスト時にアルミの溶湯が廻るため、シリンダブロックのボアの内周面側にマトリックス金属のみの層を形成でき、ボアの内周面へのＭＭＣ化部分の露出を避けることができる。
【００３３】
このマトリックス金属層は機械加工性が良いので、ボア内周面の機械加工性を向上できるので、容易にシリンダボアの機械加工の精度を上げることができ、また、切削工具の材質や種類、工具の寿命、切削速度の選択などの各要因を、金属基複合材料の部分を加工するのに比較して、著しく容易なものにすることができ、加工費を低減できる。
【００３４】
更に、この様に製造されたシリンダブロックは、シリンダボアの内周面側の表面に、セラミック系の強化繊維を含まないマトリックス金属のみの層を形成することができるので、摺接するピストンが、直接、ＭＭＣ化された部分の硬質の強化繊維に接触することがなくなるので、ピストンの摩耗を低減することができる。
【００３５】
その上、このシリンダボアの内周面の表面には強化繊維の非導電性の部分が無くなるので、表面の導電性を確保でき、表面全体のメッキ密着力が大きく向上するので、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｃｒ等の電解メッキ、あるいはＮｉ、Ｃｕ等の無電解メッキが可能となる。
【００３６】
そのため、このマトリックス金属層の表面に電気メッキを施して、０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のメッキ層を形成すれば、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｃｒ等の電解メッキ層、あるいはＮｉ、Ｃｕ等の無電解メッキ層が、マトリックス金属層を覆って保護するので、摺動側のピストンのみならず、このシリンダブロックの耐摩耗性も向上できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるシリンダブロックの製造方法によれば、円筒状のプリフォームをダイキャスト型内のウォータージャケット用の砂中子側にセットすることにより、ボアピンに熱を奪われることが無くなり、更に、砂の断熱効果により予熱温度の低下を防止できるので、プリフォームが予熱温度から大きく下がることがなく、鋳造時の溶湯の急速な冷却を防止することができる。
そのため、強化繊維のプリフォームへの溶融アルミの含浸が円滑に行なわれるため、高品質のＭＭＣ（金属基複合材料）化を行なうことができる。
【００３８】
更に、ボアピンとプリフォームの間に隙間を設けることにより、ダイキャスト時にアルミの溶湯が廻るため、ボアの内周面側にマトリックス金属のみの層を形成でき、ボアの内周面へのＭＭＣ化部分の露出を避けることができる。
そのため、ボア内周面の機械加工性を向上できるので、切削工具の材質や種類、工具の寿命、切削速度の選択などの各要因を、金属基複合材料の部分を加工するのに比較して、著しく容易なものにすることができ、加工費を低減できる。
【００３９】
更に、ボア内周面をＭＭＣ化された摩耗させ易い表面から、強化繊維が露出しないマトリックス金属面にすることができるので、ピストンの摩耗を減少でき、また、電気メッキの密着性を良くすることができるので、電気メッキをすることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリンダブロックの製造方法を説明するための鋳組みの構成を示す模式的な図であり、（ａ）は平断面図で、（ｂ）は、Ｘ−Ｘ線断面図である。
【図２】先行技術のシリンダブロックの製造方法を説明するための鋳組みの構成を示す模式的な図であり、（ａ）は平断面図で、（ｂ）は、Ｙ−Ｙ線側断面図である。
【符号の説明】
２、20  プリフォーム
３  砂中子（ウォータージャケト形成用）
４  ボアピン（シリンダボア形成用）
５  鋳型（シリンダブロック外形用）
６、60  隙間（湯道）
【図１】
0003775088.tif 000002
【図２】
0003775088.tif 000003