JPH11501990A - 薄肉パイプの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、耐熱性、耐摩耗性のアルミニウム材料からなる薄肉パイプを製造する方法に関する。この方法は、AlSi超共融合金材料から棒状又はパイプ状のインゴットを調製する工程と、場合によっては、次いで、過時効焼なましを行う工程と、次いで、厚肉のパイプまたは丸棒に押出加工する工程と、上記の円形素材を切断した後に薄肉パイプにフロープレスする工程とを含む。この種の方法は、内燃エンジンの軽金属製シリンダライナの製造に特に好適である。なぜならば、完成されたシリンダライナは、耐摩耗性、耐熱性および有害物質放射量の減少に関する所要の性質を有するからである。

Description

【発明の詳細な説明】 薄肉パイプの製造方法 技術分野 耐熱性で耐摩耗性のアルミニウム材料からなり、特に、内燃エンジンのシリン ダライナとして使用するための薄肉パイプを製造する方法に関する。 背景技術 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、上記面は耐摩耗性で耐熱 性の材料から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。 この問題は、まず、AlSi超共融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。鋳造技術的理由から、ケイ素含量は、最大20重量％に制限される。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、シリンダ接触面から僅かに突出する。このように作成 されたシリンダ走行路の欠点は、一つにはかなりの製造経費（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粒子の不良な分布にある。即ち、組織内にSi粒子を含まず、従って、強い摩耗 を受ける大きい範囲が存在する。この摩耗を避けるためには走行路と摩擦相手と 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。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。 他方、AlSi亜共融合金で製造され、AlSi超共融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。 AlSi超共融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。 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もとづき、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）によって所要の耐 熱性を得たAlSi超共融合金を調製できる。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。 アルミニウム合金は一般に加工し易いが、この超共融合金の変形操作には問題 がある。AlSi超共融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 において押出加工によって作製される。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。 発明の開示 本発明の課題は、作製されたシリンダライナが耐摩耗性、耐熱性および有害物 質放射量の減少に関して所要の性質改善を示すよう、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。 この課題は、本発明に基づき、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。 所要の摩擦性質は、特に、高合金溶湯の十分に高い凝固速度を可能とする方法 を適用することによって達成される。 これには、第一に、溶射成形法（以下、“溶射成形”）が属する。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 動の重畳によって、長さ約 1,000〜3,000 mm、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。この場合、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50〜120 mm、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 流を縦軸の周りに水平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溶射成形した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Ｓｉ粒子に調整される。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析出粒径の適合を達 成できる。溶射成形法によって製造した丸棒また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 棒またはパイプ状のインゴット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〜400 μｍの範囲の任意の粒径を有することができる ので、組織の多数の調節可能性が得られる。例えば、２μｍ〜400 μｍの範囲の Si粒子を得ることかでき、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）又はオキシドセラミック ではない粒子（例えば、SiC，B₄C等）を得ることができる。 適切な組織を形成する別の方式の場合、ケイ素が過飽和のアルミニウム合金溶 湯を急速に凝固させる（以下では、粉体工程と呼ぶ）。この場合、溶湯の空気噴 射または不活性ガス噴射によって粉体を形成する。上記粉体は、一方では、完全 に合金化され、即ち、すべての合金元素は、溶湯中に含まれるか、以降の工程に おいて、複数の合金粉体又は元素粉体を混合する。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。次いで、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、摩擦的に合目的的な組織を形成できる。 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。 “溶射成形”または“粉体工程”によって製造した丸棒素材から、押出加工に よって、肉厚６〜20mmの厚肉パイプまたは径50mm〜120 mmの丸棒を成形する。こ の場合、押出温度は、300℃〜550 ℃である。丸棒の押出加工は、達成可能な押 出速度に関して利点を与え、従って、丸棒を安価に製造できる。 同じく、“溶射成形”または“粉体工程によって製造したパイプインゴットか ら、肉厚を減少した厚肉のパイプを得ることができる。 必要な加工は、フロープレス（絞り加工）によって達成される。この場合、製 造すべき薄肉パイプよりも幾分大きい容積のパイプ素材または丸棒素材を使用す る。パイプ素材を使用する場合、中空前方フロープレスおよび中空後方フロープ レスを使用でき、この場合、場合によっては、背圧を加える。丸棒素材を使用す る場合、カップ前方フロープレスおよびカップ後方フロープレスを使用でき、こ の場合、場合によっては、背圧を加える。 背圧は、すべての操作において、ポンチによって加えることができる。背圧に よって、加工された材料に亀裂が生ずるのを阻止する応力状態を被加工材料中に 形成できる。これは、室温において限られた加工性を有する材料の場合に特に必 要である。 適切な組織の変化なく加工を行い得る温度範囲は、室温から４８０℃までの温 度である。液相が現れる温度範囲（合金系に依存して520℃〜600℃の範囲）にお ける加工も、同じく可能である。この場合、焼なまししてない素材から出発する 場合、摩擦的に適切なようにSi析出粒子を10μｍ〜30μｍに粗大化できる。 次いで、目標肉厚または目標肉厚近傍に成形したパイプを、パイプ端を切削加 工して、仕上げる。カップ前方フロープレスおよびカップ後方フロープレスの場 合、切削またはプレス加工によって薄肉の底部を除去する。 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。押出加工の場合にプレス圧、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。 図面の簡単な説明 第１図は、中空前方フロープレスの工程を示す図面であり、第２図は、カップ 後方フロープレスの工程を示す図面である。 発明を実施するための最良の形態 実施例１： 組成Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1 の合金を830℃の溶融温度において4.5 ｍ³／kg のガス／金属比（溶湯１kg当り標準状態のガス１ｍ³）で溶射成形法に基づき丸 棒に加工した。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のパイプを得た。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。 押出加工した厚肉パイプを長さ30mmの小片に切断し、中空前方フロープレスに よって 420℃において外径74mm，内径67mm、長さ 130mmの厚肉のパイプ片に加工 した。この場合、この場合、パイプは、全くフランジなしで構成すればよい。な せならば、以降の工程において各パイプ片をプレスするからである。 第１Ａ図に示した如く、第一素材１を金型２に導入する。金型２と共働するプ レスポンチ３によって第一素材１を部分的にパイプに加工する（第１Ｂ図）。次 いで、プレスポンチ３を出発位置にもどし、次の第二素材を金型２に導入する（ 第１Ｃ図）。次いで、プレスポンチ３を押下げて第二素材によって第一パイプ片 を完全に成形しエゼクトする（第１Ｄ図）。この処置によって、成形プレスキャ ビテイに、同時に、容易に欠陥のない加工を可能とする背圧を形成する。 実施例２： 実施例１と同様に溶射成形によって製造した合金を外径74mmの丸棒に押出加工 した。ジオメトリがより簡単であるので、１，５ｍ／min のプレス速度を達成で き、かくして、可成のコスト削減がなされた。丸棒を長さ27mmの小片に切断し、 その小片をカップ後方フロープレスによって 420℃の温度において外径74mm、内 径67mm、高さ 130 mm のカップに加工した。次いで、パイプ端を加工して厚４mm の薄い底部を切断した。 実施例３： 実施例１、２と同様に溶射成形によって製造した合金を、事前に焼なましせず に、外径74mmの丸棒に押出加工した。Si析出粒子の粒径範囲は、１μｍ〜７μｍ であった。丸棒を長さ27mmの小片に切断した。上記小片を４〜５min 内で 560℃ の温度に誘導加熱した。上記温度において、合金は固相と液相との間にある。部 分的に液状の丸棒小片は、機械的に安定であり、更に処理できる。 第２図に示した如く、プレスポンチ３，金型２およびエゼクタ４からなる完全 な工具において部分的に液状の丸棒小片１をカップ後方フロープレスによって加 工した。この場合、小片１を工具に導入し（第２Ｅ図）、プレスポンチ３によっ て加工し（第２Ｆ図）、エゼクタ４の運動によって排出する（第２Ｇ図）。外径 74mm、内径67mm、高さ 130mmのカップが得られた。次いで、パイプ端の加工にお いて、成形したカップの厚さ４mmの底部を除去するか、プレスによって除去する ことができる。 部分的に液状の状態によって、極めて僅かな加工力が必要であるに過ぎない。 この部分的に液状の状態に起因して、Si析出粒子は20μｍ〜25μｍに成長した。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年８月２２日 【補正内容】 請求の範囲（補正後） １．AlSi超共融合金から内燃エンジンの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合金混合物または空気または不活性ガス噴 射によって 250μｍ以下の粒径で得られた合金粉体の熱間または冷間圧縮によっ て製造したAlSi超共融合金材料からなり、約0.5〜20μｍ（好ましくは、１〜10 μｍ）の粒径を有するＳｉ１次粒子を合金内に含む棒状又はパイプ状のインゴッ トを調製し、 必要に応じて、含まれるSi一次粒子の粗大化のため、上記棒状又はパイプ状の インゴットを過時効焼なまし処理して、Si一次粒子を２〜30μｍの粒径に成長さ せ、 300〜550℃の押出温度に保持した棒状又はパイプ状のインゴットを外径 120mm 以下の円形素材に押出加工し、 円形素材を所望の長さの小片に切断し、 上記素材小片を25〜600 ℃においてフロープレスして肉厚1.5〜５mmのパイプ 状半製品に加工する ことを特徴とする方法。 ２．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（17〜35）Cu（2.5〜3.5）Mg（0.2〜2.0）Ni（0.5〜２）の粉体混合物、 合金粉体又は合金溶湯を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄肉パイプ を製造する方法。 ３．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（17〜35）Fe（３〜５）Ni（１〜２）の粉体混合物、合金粉体または合金 溶湯を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄肉パイプを製造する方法。 ４．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（25〜35）の粉体混合物、合金粉体または合金溶湯を使用することを特徴 とする請求項１に記載の薄肉パイプを製造する方法。 ５．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（17〜35）Cu（2.5〜3.3）Ｍｇ（0.2〜2.0）Ｍｎ（0.5〜５）の粉体混合 物、合金粉体または合金溶湯を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄肉 パイプを製造する方法。 ６．溶射成形の場合、ケイ素の一部を使用したAlSi合金の溶湯によって、かつケ イ素の一部を粒子インゼクタによってSi粉体の形で棒状又はパイプ状のインゴッ ト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薄肉 パイプを製造する方法。 ７．Si一次粒子の粗大化のため、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うことを特徴とする請求項１ないし６の何れ か一に記載の薄肉パイプを製造する方法。 ８．押出温度に保持したボルトを径50〜120 mmの丸棒に押出加工し、次いで、上 記丸棒を丸棒片に切断し、場合によっては背圧を加える中空前方フロープレスま たはカップ後方フロープレスによって25〜600 ℃において丸棒片を薄い底部を有 する肉厚1.5〜５mmのカップに加工し、上記底部を除去して所望のパイプを形成 する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薄肉パイプを製造す る方法。 ９．押出温度に保持した棒状又はパイプ状のインゴットを肉厚６〜20mmの厚肉の パイプに押出加工し、次いで、上記パイプをパイプ片に切断し、場合によっては 背圧を加える中空前方フロープレスまたはカップ後方フロープレスによって25〜 600 ℃において厚肉の短いパイプ片を1.5〜５mmの薄い肉厚のより長いパイプ片 に加工する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薄肉パイプを 製造する方法。 11．25〜480 ℃の温度におけるフロープレスによって加工を行うことを特徴とす る請求項１ないし９の何れか一に記載の薄肉パイプを製造する方法。 11．AlSi超共融材料の固相温度よりも高く、液相温度よりも低い温度におけるフ ロープレスによって加工を行うことを特徴とする請求項１ないし９の何れか一記 載の薄肉パイプを製造する方法。 12．過時効焼なましが不要であることを特徴とする請求項11に記載の薄肉パイプ を製造する方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｃ２２Ｆ 1/00 ６０１ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６０１ ６１２ ６１２ ６２６ ６２６ ６８３ ６８３ ６８７ ６８７ ６９１ ６９１Ｂ ６９１Ｃ ６９４ ６９４Ｂ (72)発明者 フムメルト クラウス トイツ国，コエスフェルド、48653，イス セルヴェーク 26 (72)発明者 リングハンド ダーク ドイツ国，ウルム、89077，ウーレンマッ ヘルガッセ 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．耐熱性、耐摩耗性の軽金属材料から薄肉パイプを製造する方法において、 ー合金溶湯の溶射成形によってまたは合金混合物または空気または不活性ガス噴 射によって 250μｍ以下の粒径で得られた合金粉体の熱間または冷間圧縮によっ て製造したAlSi超共融合金材料からなり、約0.5〜20μｍ（好ましくは、１〜10 μｍ）の粒径を有するSi一次粒子を合金内に含む棒状又はパイプインゴットを調 製し、 必要に応じて、含まれるSi一次粒子の粗大化のため、上記棒状又はパイプ状の インゴットを過時効焼なまし処理して、Si一次粒子を２〜30μｍの粒径に成長さ せ、 300〜550℃の押出温度に保持した棒状又はパイプ状のインゴットを外径 120mm 以下の円形素材に押出加工し、 円形素材を所望の長さの小片に切断し、 上記素材小片を25〜600 ℃においてフロープレスして肉厚1.5〜５mmのパイプ 状半製品に加工することを特徴とする薄肉パイプを製造する方法。 ２．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（17〜35）Cu（2.5〜3.5）Mg（0.2〜2.0）Ni（0.5〜２）の粉体混合物、 合金粉体又は合金溶湯を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄肉パイプ を製造する方法。 ３．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（17〜35）Fe（３〜５）Ni（１〜２）の粉体混合物、合金粉体または合金 溶湯を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄肉パイプを製造する方法。 ４．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（25〜35）の粉体混合物、合金粉体または合金溶湯を使用することを特徴 とする請求項１に記載の薄肉パイプを製造する方法。 ５．棒状又はパイプ状のインゴット製造のため、下記組成、即ち、 AlSi（17〜35）Cu（2.5〜3.3）Ｍｇ（0.2〜2.0）Ｍｎ（0.5〜５）の粉体混合 物、合金粉体または合金溶湯を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄肉 パイプを製造する方法。 ６．溶射成形の場合、ケイ素の一部を使用したAlSi合金の溶湯によって、かつケ イ素の一部を粒子インゼクタによってSi粉体の形で棒状又は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薄肉パイプ を製造する方法。 ７．Si一次粒子の粗大化のため、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うことを特徴とする請求項１ないし６の何れ か一に記載の薄肉パイプを製造する方法。 ８．押出温度に保持した丸棒を径50〜120 mmの丸棒に押出加工し、次いで、上記 丸棒を丸棒片に切断し、場合によっては背圧を加える中空前方フロープレスまた はカップ後方フロープレスによって25〜600 ℃において丸棒片を薄い底部を有す る肉厚1.5〜５mmのカップに加工し、上記底部を除去して所望のパイプを形成す る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薄肉パイプを製造する 方法。 ９．押出温度に保持した棒状又はパイプ状のインゴットを肉厚６〜20mmの厚肉の パイプに押出加工し、次いで、上記パイプをパイプ片に切断し、場合によっては 背圧を加える中空前方フロープレスまたはカップ後方フロープレスによって25〜 600 ℃において厚肉の短いパイプ片を1.5〜５mmの薄い肉厚のより長いパイプ片 に加工する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薄肉パイプを 製造する方法。 11．25〜480 ℃の温度におけるフロープレスによって加工を行うことを特徴とす る請求項１ないし９の何れか一に記載の薄肉パイプを製造する方法。 11．AlSi超共融材料の固相温度よりも高く、液相温度よりも低い温度におけるフ ロープレスによって加工を行うことを特徴とする請求項１ないし９の何れか一記 載の薄肉パイプを製造する方法。 12．過時効焼なましが不要であることを特徴とする請求項11に記載の薄肉パイプ を製造する方法。 13．内燃エンジンの軽金属製シリンダライナとしての請求項１〜12に基づき製造 したパイプインゴットの使用。