JPH0120948B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はすぐれた特性をもつシリンダーを容易
に製造する方法に関する。

エンジンやカークーラ用圧縮機などは、省エネ
ルギーの点から軽量化、低コスト化のための努力
がなされている。中でもエンジンやカークーラ用
圧縮機等のシリンダーは軽量で耐摩耗性、潤滑特
性が優れており、なおかつ長期の耐久性を保有す
る必要がある。そして軽量化のためにはAlおよ
びAl合金が使用されているが、AlおよびAl合金
では耐摩耗、潤滑特性が劣るため、これらの性質
を付与するため次の方法、すなわち、(1)鋳鉄シリ
ンダーライナーの鋳ぐるみ法、(2)シリンダー内面
への溶射被覆方法、(3)シリンダー内面への線爆溶
射による被覆方法、(4)シリンダー内面へのめつき
方法、(5)高Siアルミニウム合金製シリンダーのホ
ーニング法、(6)焼結および鋳鉄鋳物のシリンダー
圧入法等が考案、適用されているが、これらの方
法は各々、次のような欠点などがあつたりし、実
用化に至つていないものがある。

すなわち、(1)と(6)は重量増加をまねき、(2)は小
径のシリンダ内面への溶射の困難性、(3)〜(5)はコ
スト、製品の歩留り、製造技術品質の均一化等で
かなり問題を含んでいる。

一方、上記の方法の他に、中子材を用いて中子
材の表面上へ溶射皮膜を形成し、この溶射皮膜を
成形した中子材をそのまま型に入れ、所望の材料
を鋳込んで溶射皮膜を転写させる溶射皮膜の転写
法が提案されている。この方法では溶射皮膜を成
形した中子材をそのまま型に入れ、高温、高圧下
で鋳ぐるみを行うため、中子材にAl材を用いた
ときには鋳込時に中子材が加熱、軟化され変形し
たり、中子材を最終的に抜きとるときに中子材が
変形したり、ダイキヤストのマンドレルとの摺動
により傷が発生したりするし、中子抜きに相当な
時間を要する。また中子材を最終的にとり出すと
きに切削を行うものは中子材が再使用できずコス
トがかかるし、中子材を再使用するものはアンダ
ーコーテイングの被覆が必要となりコストアツプ
の要因となる。

本発明は上記溶射皮膜の転写法の欠点を解消
し、軽量で摩耗性、潤滑特性のすぐれたシリンダ
ー製造法を提供するもので、シリンダー製造法の
量産化、低コスト化を計つたものである。

本発明は、中子材に熱膨張係数の大きい材料
（Al材など）を用いて溶射前の加熱により中子材
を膨張させておき、その上へ摺動特性の優れた溶
射皮膜を形成し、その後冷却すると溶射皮膜と中
子材の熱膨張係数の違いにより中子材が収縮する
ため、中子材と溶射皮膜がはく離する。このはく
離した皮膜を直接ダイキヤストマシンのシリンダ
成形用のマンドレルや鋳物中子にかぶせてその外
周へ鋳ぐるむことにより、摺動特性の優れた溶射
材をシリンダー等の摺動特性を要求する面への溶
射皮膜として転写を計るもので、従来の溶射皮膜
を成形した中子材ごと型の中へ入れるものと異な
り、皮膜のみを用いるため、中子材のとり出し、
再使用に関する欠点が全て解消されたものであ
る。

添付の図面を用いて本発明を更に詳しく説明す
る。

第１図は本発明に用いる中子材で、まず１はパ
イプ状のもの、２は中実状のものを示す。

(1)、(2)いずれを用いてもよいが、溶射工程や加
熱工程の量産性、製造コストなどを考えるとパイ
プ材の方が有効である。また材質的には、前に述
べたようにできる限り熱膨張係数が大きく溶射時
に軟化したり、発熱、変形、燃焼せず、脱脂時の
有機溶剤やその他の脱脂時に溶解したり変形した
りしないこと、溶射や加熱により組織変化や組織
の成長、再結晶などにより温度の上昇以外の要因
による寸法変化のない材料が好ましい。これらの
こととコストを考慮に入れると非熱処理形のAl
材が一番適切であつた。

中子形状は、溶射後の皮膜の分離しやすさ、鋳
ぐるみ時の中子へのはめ込み易さを考えて、外周
を若干のテーパーをつける（分離するのみではテ
ーパーは必要としない）。なお、端面の面取りは
行なわないこと、表面は〓〓〓程度の良好な仕上
げを行なつておくなどの注意が必要である。〓〓
〓仕上げは精密仕上加工を示し、あらさの範囲が
6.3μ以下の表面あらさを示すものである。

中子形状としてテーパ状を用いた理由として、
前記の他に、ダイキヤスト鋳造する場合、ダイキ
ヤストの鋳造圧力により溶射皮膜が破損すること
を防止するためにダイキヤストのテーパ状のマン
ドレルに密着することも挙げられ、この形状は重
力鋳造や低圧鋳造などではこの必要性は認められ
ず、平行な形状のものでよい。また、表面アラサ
については〓〓〓程度の仕上げとしたが、これは
溶射皮膜の中子面との接合部は中子面のアラサが
転写されるために荒い表面アラサにすると中子の
表面アラサと溶射の中子接触面のアラサとかみあ
い表面アラサの２倍以上のすき間が必要となるた
めできるだけ細かいアラサが良い。引抜きパイプ
などを使用する平行な中子の場合は引抜きの面を
そのまま使用することもできる。

こうした中子材を有機溶剤等を用いて十分に脱
脂し、第２図に示すように、中子材１ａ，２ａの
外周に、シリンダー材として潤滑特性、耐摩耗性
がある溶射材を所定の厚さまで溶射し、溶射皮膜
３を形成する。

溶射する材料については、使用するシリンダに
よつて期待特性が異なり、その結果、皮膜の要求
特性も異なるので、金属材料（炭素鋼、低合金
鋼、合金鋼など鋼やNi基合金、CO基合金などの
超合金、Al，Al合金Cu，Cu合金Zn，Sn、非鉄
およびその合金などほとんどすべての金属）、セ
ラミツク（Al₂O₃，SiO₂，TiO，WC，CrO₂，
ZrO，TiCなどの酸化物、炭化物、ホウ化物窒化
物、硅化物などの化合物、これらの混合物）やサ
ーメツト（セラミツクと金属の混合物など）など
の中から、要求特性に合致した材料を適宜選択す
る。

溶射方法もワイヤーによる火炎溶射、ワイヤー
による電気アーク溶射、粉末による火炎溶射、プ
ラズマ溶射など、どの溶射方法でも良いが、溶射
材料により適宜、選択するものとする。

溶射皮膜厚さは、溶射した皮膜がそのまま転写
されるので設計上非常に選択しやすいが、鋳造精
度、加工精度など考慮すると0.5〜５mm程度と考
えられ、加工後0.5〜1.5mm程度残留するように、
各加工精度ともにらみ合せて決定すればよく、溶
射皮膜厚さは特に制限しない。

なお、溶射前にブラスト処理やねじ切りなど投
錨効果を上げる凹凸の形成は行なわないと同時
に、予熱により中子材１ａ，２ａを十分加熱し、
外周部の径を熱膨張させておくことが必要であ
る。その後、冷却すると、中子材と溶射皮膜の熱
膨張係数の差により中子材と溶射皮膜の間にすき
間が発生するため溶射皮膜と中子は簡単に分離
し、第３図のような皮膜３が取り出し得る。その
後この溶射の皮膜を第４図に示すような型７や型
７ａのシリンダー成形用の砂型もしくは金型の砂
型中子や金型のマンドレル６へ溶射皮膜４ａをか
ぶせて鋳造されるシリンダの金型の空間５の部分
へAl合金等、所望の材料を鋳込み、溶射皮膜を
転写させる。その後、冷却して型より取り出した
製品を第５図に示すようにシリンダーとなる転写
した溶射層を加工８（テーパー状の溶射皮膜の内
径側を切削除去）して所望のシリンダー５ａを得
る。この場合の転写部の状況は第６図、第７図に
示すように溶射した溶射層の表面は溶射したまま
であれば溶射粒子による凹凸ができているためこ
れが投錨効果となり鋳込んだ母材と溶射皮膜はが
つちりからみついて、本体を成形した金属と強固
に密着する。

本発明によれば熱膨張係数の大きいAl材など
を用いた中子材を使用し自動化可能で簡易な外面
溶射法によりシリンダー表面となるべき溶射皮膜
のみを製造し（中子は何ら損傷を与えず再度、連
続使用可能）、これを従来用いられているダイキ
ヤスト鋳造法、金型鋳造法、砂型鋳造法を用いて
鋳ぐるみ、シリンダーの内面へ強固に固着転写さ
せ高精度、耐摩耗性を持つシリンダーが製造可能
となる。

本発明のシリンダー製造法は、カークーラ用圧
縮機をはじめとする空気、油圧、冷凍圧縮機用シ
リンダー、エンジンシリンダー、摺動特性の要求
される鋳込んで用いるシリンダー部品、プラスチ
ツクスの射出成形時に鋳ぐるむことにより摺動特
性が要求されるシリンダー等の部品等の製造に適
用される。

実施例 １ 外径60〓mm肉厚8^tmmの5052系のAlパイプを、内
径はそのままとして長さ100^lmmにし、外径の小径
側58.0〓mm外径の大径側を59.0〓mmに、テーパ状に
加工したものを中子材とした。この時中子材の材
料としては非熱処理型のアルミ材（1000系、3000
系、5000系）やオーステナイト系ステンレス鋼な
どが使用可能である。今回の実施例では入手性、
強度的な面より考えて5052系のAlパイプを用い
た。この時の加工は内径側はそのままとし外径の
外側は切削により〓〓〓（Rmax8μ程度）仕上げ
に加工し、内径側端面は2^c程度の面取りをしたが
外径側は面取りをしない加工とした。その後、中
子材をトリクレンを用いて蒸気脱脂し、表面を油
脂の付着などない清浄な表面とした。脱脂後の中
子材はすべて清浄な手袋により取り扱い、表面を
汚染しないようにする。これらの中子を15個程度
を44〓mmの棒状治具に通した。この時中子と中子
の間に内径44〓mm、外径60〓mm、厚さ1^tmmの耐熱性
のあるゴムをはさみ込み両端を固定して15個を１
回で処理できるようにし、これを一セツトとして
中子が240゜〜260℃程度になるようにトーチもし
くは加熱炉により加熱した。その後直ちにワイヤ
方式のガス溶射法で外径がすべてのところで
61.2〓mmになるように低合金鋼（Ni4％，Mo1〜３
％、Cr1.5％、Mn2％）溶射した。なおこの加熱
時の中子材の大径側は59.35〓mmになりこの径の上
へ溶射する。その後冷却すると大径側の径は加工
時の59.0〓mmにもどると同時に溶射皮膜の内径も
若干収縮し59.17〓mm程度になりその差が約0.17mm
となり、これが中子と溶射皮膜のすきまとなる。
一方、溶射した母材の表面は8μ程度のあらさで
あるので、8μ×２＝16μ以上のすきまがあれば抜
けることになる。また、中子には5/100mm程度の
テーパーがついているので若干の移動がより大き
なすき間となる。ただし、一般の溶射では表面を
ねじ切りやブラストがけなどを施こして表面を活
性化させると同時に、投錨効果などにより密着性
を上げできるだけ母材と密着性を上げるようにし
ているが、本発明ではこれらの処理をせず溶射層
は成形されるが母材との密着強度をきわめて弱く
してあるため、前記の寸法差では皮膜が母材へ追
従せずに空間が発生して中子と溶射皮膜は分離さ
れ、溶射皮膜のみの取り出しが可能となる。

こうして、作成した溶射皮膜をダイキヤストマ
シンのマンドレル（溶射皮膜が密着するように5/
１００のテーパーをつけたマンドレル）へかぶせる。
そしてそこへアルミ合金（ADC12）をダイキヤ
スト鋳造した。その後ダイキヤストマシン型より
抜き取りシリンダー中心に所定の寸法まで加工し
た。なお、加工後のシリンダーの溶射転写部の状
況を観察した結果は転写された皮膜は円周方向、
長手方向とも偏肉もなくAl合金側へ適正に転写
され密着性も良好であつた。なお、加工を完了し
たシリンダーを組立て、１気筒４サイクル8ps農
発用エンジンとして組立後1800rpm.240時間の連
続運転を行なつた結果、シリンダー内面、Al合
金製ピストンの摺動面共に全く異常がなく、オイ
ル消費量も従来のエンジンと全く差は認められず
良好な結果が得られた。

実施例 ２ 外径50〓mm、肉厚6^tmmの5052のAlパイプを長さ
47^lmm、外径を大径側49.3〓mm小径側49.0〓mmのテー
パ状の加工を行なう。表面アラサおよび端面加工
などは実施例１と同様な加工とした。また、前処
理、加熱、溶射手法なども実施例１と同様な方法
を用いて0.8％Ｃ鋼を溶射したが、ただし、溶射
方式はワイヤ式の電気アークガン方式により溶射
を行なつた。その後溶射皮膜を中子と分離して溶
射皮膜を取り出し、実施例１と同様な方法でカー
クーラ用の２気筒の圧縮機をダイキヤスト鋳造に
よりシリンダー部へ溶射皮膜を鋳ぐるんで所定寸
法に仕上げ、8000rpm.50時間の連続耐久運転の
結果、シリンダー内面やAl合金ピストンの摺動
面共に全く異常なく、圧縮性能も従来のものと比
べて全く差は認められなかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いられる中子材の例の側面
図および横断面図であり、第２図は第１図の中子
材へ溶射を行なつた図であり、第３図は第２図か
らの溶射皮膜のみの取り出しを示す図である。第
４図、第５図は第１〜３図で得られた溶射皮膜を
実際にシリンダー鋳型に適用してシリンダーを製
造する方法を示す図であり、第６図、第７図は溶
射皮膜の代表的顕微鏡組織図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶射皮膜の転写により、シリンダー特性の優
   れた皮膜をその表面に形成したシリンダーを製造
   する方法において、転写する溶射皮膜より熱膨張
   係数の大きい中子材を用い、溶射前に加熱により
   該中子材を熱膨張させたものに溶射皮膜を形成
   し、冷却後、溶射皮膜と中子材の熱膨張係数の差
   により発生した寸法差により溶射皮膜のみ取り出
   し、この溶射皮膜を、鋳ぐるみ後シリンダーの表
   面となるように、シリンダーの型の部分へかぶ
   せ、その外周へ鋳ぐるみ、溶射皮膜を転写するこ
   とからなる、シリンダーの製造方法。