JP2005040826A - 強化部材、強化部材の製造方法およびエンジンブロック - Google Patents

Abstract

【課題】軽金属で強化部材が鋳包まれた構造を有する鋳造製品において、軽量化と低熱膨張性を両立させた技術を提供する。
【解決手段】強化部材の一部を、開口１０６が形成された鉄板１０５を多数積層した積層構造体１０２で構成する。この積層構造体１０２の内部には、中空部分１０７が形成され、それにより軽量化が計られる。また、マトリックスと接触する面に金属繊維の不織布等で構成される多孔体１０３を配置し、マトリックスとの密着性を向上させ、強化部材とマトリックスとの剥離を防止する。このような強化部材を用いた軽金属の鋳造製品は、軽量でありながら熱膨張が小さく、たとえばエンジンブロックのジャーナル部に好適である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自動車部品や航空機部品等に用いられる軽金属を強化するための強化部材に関する。

自動車用部品や航空機用部品等をはじめとした多くの分野で、軽量化を目的にアルミニウム合金（以下、アルミ合金という）が使用されている。アルミ合金は軽量であるという優位性があるが、高温に曝された際における熱膨張が大きいという問題がある。

たとえば、軽量化を目的に、自動車用エンジンのエンジンブロックをアルミ合金で構成する技術が知られている。エンジンブロックには、クランクシャフトを支持するための軸受けであるジャーナル部（ジャーナル軸受け部）が存在する。

上述のように軽量化を目的にエンジンブロックをアルミ合金で構成した場合、ジャーナル部もアルミ合金で構成されることが望ましい。これは、エンジンブロックを構成する部材間で熱膨張率に差があると、エンジンの温度が上昇した際にエンジンブロック内で不要な応力が発生し、エンジンの性能を制限する要因となるからである。

一方、エンジンの回転時において、シリンダ内で発生した熱はエンジンブロック全体に伝導し、ジャーナル部の温度は１００〜１５０℃に達する。ジャーナル部をアルミ合金で構成した場合、この温度上昇により、ジャーナル部を構成するアルミ合金が膨張し、軸受けの径が少し大きくなる。

他方、クランク軸は剛性を確保する観点から鉄系の材料で構成されており、当然アルミ合金より熱膨張率は小さく、ジャーナル部が上述した温度に達しても、その膨張は小さい。このため、エンジンの温度が上昇すると、ジャーナル部とクランク軸との間に隙間が生じ、高回転時における騒音や振動の増加の原因となる。

アルミ合金の熱膨張を抑える技術として、特許文献１〜３に記載された技術が知られている。特許文献１に記載されているのは、アルミ合金で構成される部材において、熱膨張を抑制したい部分に、熱膨張の小さい鉄系の材料を鋳包みする技術である。特許文献２に記載されているのは、鉄系材料をアルミ合金で鋳包みする技術において、鉄系材料にメッキ処理および焼鈍し処理を施した後に、その鉄系材料をアルミ合金で鋳包みする技術である。特許文献３には、強化材料とマトリックスとからなる金属基複合材料を得、さらに加熱処理を施して表面のマトリックスを溶融させ、それを１ｗｔ％以上のＭｇを含有した軽合金の溶湯中で鋳包みする技術が記載されている。

特開昭６０−２１９４３６号公報 特開昭５８−１１２６４８号公報 特開平５−３３７６３１号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された技術には、以下述べるような改善すべき点がある。まず、特許文献１に記載されている技術では、熱膨張は抑えられるが、アルミ合金材料と強化部材である鉄系材料との密着性が悪く、鉄系材料がアルミ合金材料から剥離する。このため、複合材料としては、強度が低く、さらにこの剥離により熱膨張抑制効果が低下するという問題がある。したがって、ジャーナル部の構造に適用した場合、騒音や振動が発生し易く好ましくない。また、鉄系材料を用いるので、重くなり、軽量化するという目的から見て好ましくない。

特許文献２に記載されている技術は、アルミ合金材料と強化部材である鉄系材料との密着性を向上させる技術であるが、メッキ工程および焼鈍し工程がさらに必要であり、高コストとなる。特許文献３に記載されている技術は、金属基複合材料を別に製作しなくてはならず、またその熱処理工程が必要であり、高コストとなる。

本発明は、熱膨張が小さく、高強度であり、軽量である複合化された鋳造製品を低コストで得られる技術の提供を目的とする。

本発明は、鋳造金属によって鋳包まれる強化部材であって、前記鋳造金属と異種の材料で構成され、中空部分を備えることを特徴とする強化部材である。本発明によれば、強化部材に中空部が形成されるので、強化部材の重量を軽減することができる。また、中空部は熱膨張しないので、強化部材自体の熱膨張を抑えることができ、それにより鋳造金属によって鋳包まれた状態における鋳造製品自体の熱膨張を抑えることができる。

本発明において、開口部を有する板状の部材を積層し、前記開口部で構成された中空部を備えた積層構造体と、前記積層構造体の両面に重ねられた前記開口部を塞ぐための部材とを備えることは好ましい。この態様によれば、任意の形状を板状の部材を打ち抜き加工することで形成できるので、複雑な形状であっても低コストで製造することができる。

本発明の強化部材において、一部または全面が多孔体で覆われていることは好ましい。この態様によれば、多孔体により鋳造金属（マトリックス）との密着性が向上し、強化部材が鋳造金属（マトリックス）から剥離する現象が抑えられる。

多孔体としては、繊維状金属の不織布あるいは織布、金属粒子を含む多孔質材料、金属繊維と金属粒子の混合物である多孔質材料、発泡金属材料等が利用できる。多孔体は、強化部材を構成する材料と融点が同じ程度であることが好ましい。

本発明の強化部材は、エンジンブロックのジャーナル部に適用するのに好適である。エンジンブロックのジャーナル部は、クランク軸を支える軸受部であり、高い強度が必要とされ、また高温になるので、低熱膨張性であることが求められる。本発明の強化部材は、アルミ合金を用いた場合でもその軽量性を損なわずに高い強度と低熱膨張性を実現できるので、このような用途には好適である。

本発明の強化部材の製造方法は、鋳造金属によって鋳包まれる強化部材の製造方法であって、開口部を有する板状の部材を積層する工程と、その上層および下層に接して前記開口部を塞ぐための板状の部材を重ねる工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、鋳造製品に鋳包まれる強化部材に中空部を設けることで、軽量化と低熱膨張性を両立させることができる。また、強化部材と鋳造金属とが剥離し難い構造を得られるので、鋳造された製品の強度を高くできる。さらに、製造において、特殊な処理を必要とせず、また主要な部材を打ち抜き加工で形成できるので、製造コストを低く抑えることができる。

１．実施の形態の構成
図１は、本実施形態の強化部材の概要を示す斜視図である。図２は、図１に示す強化部材を分解した分解斜視図である。強化部材１０１は、薄い鉄板を重ねた積層構造体１０２、開口部を塞ぐための鉄板１０４、多孔体１０３が互いに焼結により密着した構造を有している。

積層構造体１０２は、この強化部材１０１を構成する主要な部材であり、中空部１０７が形成されている。積層構造体１０７は、中空部１０７を構成する開口部１０６が形成された打ち抜き加工された鉄板１０５を多層に重ねた構造を有している。つまり、開口部１０６が重ねることで、中空部１０７が構成されている。

積層構造体１０７の上面および下面には、それぞれ開口部を塞ぐための鉄板１０４が配置され、中空部１０７が密閉される構造となっている。開口部を塞ぐための鉄板１０４の片面には、金属繊維の不織布からなる多孔体１０３が重ねられ、それにより強化部材１０１の上面と下面が多孔体１０３によって覆われた構造となっている。

本実施形態の強化部材１０１は、エンジンブロックのジャーナル部（クランク軸の軸受の部分）に適用するための形状を有している。図において、半円形状の部分１０８が軸を受ける軸受面となる。この形態では、軸受面１０８の形状に合わせて、中空部１０７の形状が形成されている。つまり、中空部１０７の内面は、軸受面１０８と相似な曲面で構成されている。

中空部１０８の断面形状がこのような形状に加工されているのは、積層構造体１０２の強度を出来るだけ損なわずに、中空部１０７の容積をできるだけ確保するためである。また、中空部１０７の形状を上述のようにすることで、クランクシャフトから軸受面１０８を介して加わる力によって、積層構造体１０２内において不均一な応力が発生することを防止でき、強化部材１０１の強度を高く維持することができる。

中空部１０７には、次のような機能がある。まず、強化部材１０１の内部に中空部１０７を形成することで、強化部材１０７を軽量化できる。これにより、強化部材１０７自体による鋳造製品の重量増加を抑えることができる。このことは、アルミ合金等の軽量な金属を鋳造材料として利用した場合に有用となる。

また、中空部１０７は、強化部材１０１が鋳造製品中に鋳包まれた状態において、鋳造製品の熱膨張を抑制する機能を有する。これは、鋳造材料に比較すれば僅かであるが、強化部材１０１自体の熱膨張も存在するので、中空部１０７を設けることで、その部分の熱膨張が発生せず、それにより強化部材１０１自体の熱膨張が小さくなるからである。このように強化部材の内部に中空部を設けることで、強化部材を用いることによる鋳造製品の重量増加を軽減し、また鋳造製品の熱膨張を一層低減する効果を得ることができる。

次に、多孔体１０３の役割について説明する。強化部材１０１の上面および下面には、多孔体１０３が重ねられている。この多孔体１０３は、金属繊維の不織布からなる多孔質繊維材料で構成されている。多孔体１０３は、その多孔質性により、鋳造金属との間で高い密着性を示す。すなわち、多孔体１０３は、多孔質であるので、鋳造金属との接触面積が確保され、またその多孔質構造に鋳造金属が入り込むので、微細的に見て、物理的な鋳造金属への引っかかりが無数に形成された状態となる。このような状態が得られることで、鋳造金属との密着性の高さが確保される。

また、中空部１０７が形成された部分の構造を積層構造体１０２のように、抜き打ち加工された部材の積層構造によって構成することで、製造コストを安くすることができる。この部分は、ブロックを切削加工することで得ることもできるが、その場合は製造コストが高くなる。ここでは、各部材が焼結により一体化されている例を説明したが、ろう接（ロウ付）や接着により各部材を固定してもよい。また、積層構造体１０２を粉体焼結により形成してもよい。

２．実施の形態の製造方法
次に、図１および図２に示す強化部材１０１の製造方法の一例を説明する。最初に多孔体１０３の製造方法を説明する。まず、溶湯抽出法によって、鉄材料（ＳＳ４００）からなる金属繊維（直径４０μｍ）を得た。そしてこの金属繊維を解織機により、目付けが５２０ｇ／ｍ^２であり、繊維配向が面方向においてランダムなウェブを得た。さらにこのウェブをニードルパンチにより、ぺネ数（ニードルパンチの密度）が１６０本／ｉｎｃｈ^２の不織布（フェルト）に加工して金属繊維の不織布を得、この不織布を6枚重ねて多孔体１０３を得た。

次に、厚さ１ｍｍの鋼板を打ち抜き加工し、開口部１０６が形成された鉄板１０５と開口部１０６を塞ぐための鉄板１０４を得た。鉄板１０５と鉄板１０４との違いは、開口部１０６が形成されているか否かの点だけである。

各部材を得たら、図２に示す状態で重ねて２００ＭＰaの圧力を加えて圧縮加工した。ここでは、積層構造体１０２の積層枚数を１１枚とし、上記圧縮圧力で全体の厚さが１５ｍｍとなるまで圧縮を行った。次に圧縮された積層体を真空炉に入れ、１１００℃×２時間の条件で焼結を行なった。こうして、図１に示す強化部材１０１を得た。なお、圧縮加工を行なわない場合は、焼結時に加圧を同時に行なうホットプレスを使用すればよい。

３．実施形態の試験結果
図３は、本実施形態の強化部材１０１を用いて製造した鋳造試験体を示す斜視図である。図３の試験体は以下のようにして得た。まず、上述の製造方法によって、強化部材１０１を得た。図６は、鋳造試験体１１０中に鋳包まれる強化部材１０１を構成する鉄板１０５の寸法を示す上面図である。

強化部材１０１を得たら、それを鋳造型に配置して、７５０℃のアルミニウムの溶湯を鋳造圧力１００ＭＰａで注入し、図３に示す強化部材１０１で強化されたアルミニウムの鋳造試験体１１０を得た。この鋳造試験体１１０は、強化部材１０１の周囲全面がアルミニウム材料で覆われた構造となっている。なお、後述する穴部１１３において、強化部材の表面がアルミニウム材料により２ｍｍの厚さに覆われるように鋳造を行なった。

図４は、膨張具合の評価試験の概要を示す上面図である。評価試験は、以下のように行なった。まず、図３に示す鋳造試験体１１０と同じ鋳造試験体１１１を得、２つの鋳造試験体１１０、１１１をボルト１１２で図４に示すように向かい合わせて結合し、評価サンプル１１４（サンプル１）を得た。次に、評価サンプル１１４を１００℃に加熱し、その状態を３０分維持させた。その後、穴部１１３の寸法を計測し、熱膨張量（％）を下記数１で評価した。

また、上記評価後の評価サンプル１１１を切断し、強化部材１０１とマトリックス（アルミニウム）との境界面（上下面の境界面）を観察し、強化部材１０１とマトリックス（アルミニウム）とが剥離しているか否かを観察した。以上の試験結果を下記表１に示す。

表１において、サンプル２は、図２の中空部１０７を備えていない試験体を用いたサンプルである。この場合、中空部１０７が存在していないので、強化部材の重量が重くなっている。サンプル３は、図２に示す構成において、多孔体１０３を配置していない場合のサンプルである。比較サンプル１は、中空部１０７も形成されておらず、さらに多孔体１０３も配置されていない場合のサンプルである。比較サンプル２は、強化部材を用いずにマトリックスのアルミニウムだけで構成されたサンプルである。

表１を見れば分かるように、強化部材１０１を鋳造体の中に配置することで、熱膨張量を減少させることができる。また、強化部材１０１に中空部１０７を設けることでサンプル１およびサンプル３に示すように、中空部１０７がない場合に比較して、さらに熱膨張量を減少させることができる。また、多孔体１０３を設けることで、マトリックスとの間における剥離を防止できる。

４．実施形態の応用
図５は、本発明の補強部材を利用した自動車用エンジンブロックの一部である。この例の自動車用エンジンブロックの一部１２０は、ジャーナル部１２２を５箇所備えた構造を有している。各ジャーナル部１２２には、本発明の強化部材１２１が鋳包まれている。エンジンブロックの一部１２０は、たとえばアルミニウム合金で構成される。この例の構成によれば、クランク軸を受けるジャーナル部１２２が強化部材で補強され、しかもその熱膨張率が低減された構造となるので、エンジンの高速回転や過酷な動作に耐える軽量なエンジンブロックが提供される。なお、図示省略してあるが、ジャーナル部１２２のクランク軸を受ける面には、さらに金属が貼り付けられ、軸受として機能する。

本発明の強化部材の概要を示す斜視図である。 本発明の強化部材の分解状態を示す分解斜視図である。 本発明の強化部材を利用した鋳造試験体の概要を示す斜視図である。 図３の試験体を用いた評価サンプルの上面図である。 本発明の強化部材を用いたエンジンブロックの一部を示す斜視図である。 強化部材を構成する鉄板の寸法を示す上面図である。

符号の説明

１０１…強化部材、１０２…積層構造体、１０３…多孔体、１０４…鉄板、１０５…鉄板、１０６…開口部、１０７…中空部、１０８…軸受面、１１０…鋳造試験体、１１１…鋳造試験体、１１２…ボルト、１１４…評価サンプル、１２０…エンジンブロックの一部、１２１…強化部材、１２２…ジャーナル部。

Claims (8)

1. 鋳造金属によって鋳包まれる強化部材であって、
   前記鋳造金属と異種の材料で構成され、中空部分を備えることを特徴とする強化部材。
2. 開口部を有する板状の部材を積層し、前記開口部で構成された中空部を備えた積層構造体と、
   前記積層構造体の両面に重ねられた前記開口部を塞ぐための部材と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の強化部材。
3. 一部または全面が多孔体で覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載の強化部材。
4. 前記多孔体が金属繊維からなる多孔質繊維材料であることを特徴とする請求項３に記載の強化部材。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の強化部材をジャーナル部に用いたことを特徴とするエンジンブロック。
6. 鋳造金属によって鋳包まれる強化部材の製造方法であって、
   開口部を有する板状の部材を積層する工程と、
   その上層および下層に接して前記開口部を塞ぐための板状の部材を重ねる工程と
   を備えることを特徴とする強化部材の製造方法。
7. 前記強化部材の表面の一部または全面を多孔体で覆う工程を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の強化部材の製造方法。
8. 前記多孔体が金属繊維からなる多孔質繊維材料であることを特徴とする請求項７に記載の強化部材の製造方法。

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