特許 6118949 インサート付き鋳造品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6118949

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】インサート付き鋳造品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22D 19/00 20060101AFI20170410BHJP

   B22C 9/24 20060101ALI20170410BHJP

   B22D 19/08 20060101ALI20170410BHJP

   F02F 3/00 20060101ALI20170410BHJP

【ＦＩ】

   B22D19/00 G

   B22C9/24 A

   B22D19/08 E

   F02F3/00 G

【請求項の数】9

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-520068(P2016-520068)

(86)(22)【出願日】2014年9月25日

(65)【公表番号】特表2016-535190(P2016-535190A)

(43)【公表日】2016年11月10日

(86)【国際出願番号】EP2014070438

(87)【国際公開番号】WO2015049148

(87)【国際公開日】20150409

【審査請求日】2016年4月14日

(31)【優先権主張番号】102013219989.9

(32)【優先日】2013年10月2日

(33)【優先権主張国】DE

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】506292974

【氏名又は名称】マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＭＡＨＬＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ビショフベルガー ユルリヒ

(72)【発明者】

【氏名】ガイゼルマン シュテファン

【審査官】 長谷部 智寿

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２０５１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６１４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５６００３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｄ １９／００−１９／１６

Ｂ２２Ｄ １８／００−１８／０８

Ｂ２２Ｃ ５／００− ９／３０

Ｆ０２Ｆ １／００− １／４２

Ｆ０２Ｆ ３／００

Ｆ０２Ｆ ７／００

Ｂ２３Ｋ ２０／００−２０／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

インサート部品（1; 1'）付きの鋳造品（6; 6'）を製造する方法であって、
ａ）外周面（3; 3'）を有するインサート本体（2; 2'）付きのインサート部品（1; 1'）を供給するステップと、
ｂ）酸化ケイ素からなるアダプタ層（4; 4'）で前記外周面（3; 3'）をコーティングするステップと、
ｃ）前記インサート部品（1; 1'）を鋳型に配置するステップと、
ｄ）前記鋳造品（6; 6'）を製造するために、前記インサート部品（1; 1'）と前記アダプタ層（4; 4'）とをアルミニウム合金（7; 7'）で鋳包み、前記アルミニウム合金（7; 7'）のマグネシウムの割合は、少なくとも０．３重量％である、ステップと
を有し、
ステップｂ）は、
ｂ１）シリコーン樹脂を前記外周面（3; 3'）に塗布するサブステップと、
ｂ２）前記インサート本体（2; 2'）を加熱することによって前記シリコーン樹脂を硬化させて酸化ケイ素を形成するサブステップと
を有することを特徴とする方法。

【請求項2】

請求項１の方法において、
前記インサート部品（1）はシリンダライナであり、前記鋳造品（6）は内燃機関用のシリンダブロックである、又は、
前記インサート部品（1'）はピストンリングキャリアであり、前記鋳造品（6'）は内燃機関用のピストンである
ことを特徴とする方法。

【請求項3】

請求項１又は２の方法において、
前記シリコーン樹脂の層の厚さは、ステップｂ２）に従って硬化させて酸化ケイ素を形成する前において、５μｍから１０μｍまでである
ことを特徴とする方法。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項の方法において、
前記シリコーン樹脂は、ステップｂ１）に従って前記外周面（3; 3'）に塗布される前に、溶剤で希釈される
ことを特徴とする方法。

【請求項5】

インサート部品（1; 1'）付きの鋳造品（6; 6'）を製造する方法であって、
ａ）外周面（3; 3'）を有するインサート本体（2; 2'）付きのインサート部品（1; 1'）を供給するステップと、
ｂ）酸化ケイ素からなるアダプタ層（4; 4'）で前記外周面（3; 3'）をコーティングするステップと、
ｃ）前記インサート部品（1; 1'）を鋳型に配置するステップと、
ｄ）前記鋳造品（6; 6'）を製造するために、前記インサート部品（1; 1'）と前記アダプタ層（4; 4'）とをアルミニウム合金（7; 7'）で鋳包み、前記アルミニウム合金（7; 7'）のマグネシウムの割合は、少なくとも０．３重量％である、ステップと
を有し、
ステップｂ）は、
ｂ１）前記インサート本体（2）を、水ガラスを含む溶液に浸すサブステップと、
ｂ２）前記インサート本体（2）を加熱することによって前記水ガラスを硬化させて酸化ケイ素を形成するサブステップと
を有することを特徴とする方法。

【請求項6】

請求項５の方法において、
前記インサート部品（1）はシリンダライナであり、前記鋳造品（6）は内燃機関用のシリンダブロックである、又は、
前記インサート部品（1'）はピストンリングキャリアであり、前記鋳造品（6'）は内燃機関用のピストンである
ことを特徴とする方法。

【請求項7】

請求項５又は６の方法において、
前記水ガラスはＮａ_２Ｏ_３Ｓｉを有する
ことを特徴とする方法。

【請求項8】

請求項１〜７のいずれか１項の方法において、
前記インサート本体（2; 2'）は、ステップｂ２）において４００℃以上の温度に加熱される
ことを特徴とする方法。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか１項の方法において、
前記アルミニウム合金（7; 7'）のマグネシウムの割合は、少なくとも０．５重量％である
ことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋳造品、シリンダライナ、及びこのタイプのシリンダライナを含む内燃機関用のシリンダブロックに関する。本発明は更に、ピストンリングキャリア、及びこのタイプのピストンリングキャリアを含む内燃機関用のピストンに関する。

【背景技術】

【0002】

現代の内燃機関のシリンダブロックは、一般に、鋳造工程において製造される。シリンダブロックに使用される材質（一般に、アルミニウム又は鉄であるが、マグネシウム／アルミニウム複合材料も適し得る）は、シリンダ内のピストンの、摩擦のない、従ってできるだけ摩耗のない動きに必要な摩擦学上の要求を満たすことができないので、シリンダライナとして知られるものがシリンダにおいて使われる。シリンダライナは、必要な摩擦特性を有し、結果として、シリンダブロック内のピストンの摩耗のない長期間の運転をおおむね確実にする。このタイプのシリンダライナは、粗く、溝があり、又は同様に機械加工された外周面を有することが多い。これの代替として、先行技術は、シリンダライナの外周面へアルミニウムスプレーコーティングを適用することを教示する。どちらの場合においても、シリンダライナをアルミニウム合金で鋳包む（先行技術から知られるように）間に、シリンダライナをシリンダブロックへ特に確実に固着させる結合が生じ得る。

【0003】

同様に、このタイプの内燃機関のピストンの製造も、一般に、鋳造工程によって行われる。ピストンリングとして知られるもの（一般に鉄からなる）は、シリンダブロックに対してピストンを密閉するために用いられ、密閉効果を生じされるために、このピストンリングはピストンの外周面に設けられた円周溝に挿入され得る。そしてピストンの摩擦負荷を抑えるために、ピストン材質は一般に軽量のアルミニウム合金からなり、鉄から形成されるピストンリングに関しては、ピストンリングキャリアとして知られるものが従来のピストンにおいて使用され、このピストンリングキャリアは、１回の鋳造操作において実際のピストンに鋳包まれる。その結果、特に摩耗に関して重要なピストン／ピストンリング境界面はもはや存在せず、むしろ前記ピストンリングキャリアはピストンリングと実際のピストンとの間の機械的「インタフェース」として働き、ピストンリングを受け入れるための円周溝がピストンリングキャリアに備えられている。

【0004】

米国特許第４，２７３，８３５号には、シリンダブロックのシリンダに挿入されるシリンダライナを有するシリンダブロックを製造することが記載されている。ウォータジャケットの封止のためのシリコーン樹脂層が、シリンダライナとシリンダブロックとの間に備えられている。

【0005】

日本国特許出願公開第２０１０−１５６００３号には、鋳鉄からなる被加工物を、炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及びリンを含むアダプタ層（Adapterschicht）でコーティングすることが記載されている。アダプタ層は、被加工物に接するアルミニウム合金の接合強度を増大させる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、アルミニウム高圧ダイカスト法として知られるものがインサート部品をアルミニウム合金で鋳包むために使われる場合には、シリンダライナとシリンダブロックとの間、及び、ピストンリングキャリアとピストンとの間（以下の文では、それぞれの場合の２つの構成要素は、一般化された用語において「インサート部品」及び「鋳造品」と称される）に、特に確実に固着する結合が生じる。この方法は、しかし、低圧ダイカスト技術又は重力ダイカスト技術が好まれる現代の内燃機関の製造において、ますます使用されなくなっている（多くの場合コストが理由で）。ところが、低圧又は重力ダイカスト技術によると、アルミニウム高圧ダイカスト法であれば達成可能なインサート部品を鋳造品と確実に固着する結合の品質が、全く達成され得ない。

【0007】

インサート部品とシリンダブロックとの間に確実に固着する結合が最適に生成されないと、一般に、インサート部品の鋳造品に対する熱結合が低下するに過ぎないが、その結果、今度はインサート部品及び／又は鋳造品における好ましくない、熱により生じる機械的ストレスが生じる。

【0008】

本発明は、したがって、鋳造品を製造する方法のための、及び上述の不利な点をもはや有しないインサート部品のための、改善された実施形態を規定する課題に関係する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この課題は、本発明の独立請求項の主題によって解決される。好適な実施形態は、従属請求項の主題である。

【0010】

したがって、製造工程中にインサート部品の外周面をコーティングすること、正確に言うと、以下の文でアダプタ層と称される、酸化ケイ素からなる層によってコーティングすることが、本発明の基本的な概念である。特に、適切な鋳型に挿入された後、最初に導入されたアルミニウム高圧ダイカストを用いて、アルミニウム合金で鋳包む間、前記アダプタ層は、このアダプタ層上におけるアルミニウム合金の濡れ性の向上につながる。しかし、これは、対応する実験的試験によると、マグネシウムの割合が、少なくとも０．３重量％、好ましくは少なくとも０．５重量％のアルミニウム合金が供給された場合にのみ当てはまることがわかった。アダプタ層の酸化ケイ素上におけるアルミニウム合金の濡れ性が向上した結果、シリンダライナとアルミニウム合金との間で特に確実に固着する結合が得られ得る。この結合は、鋳造品に関してインサート部品を仕上げる（komplettiert）。

【0011】

特に確実に固着する結合は、本発明によるアダプタ層が使用されるならば、アルミニウム高圧ダイカスト法として知られるものの場合のみではなく、低圧又は重力ダイカスト法の場合にももたらされる。アダプタ層の結果として、アルミニウム高圧ダイカスト法が使用された場合に達成される、インサート部品を鋳造品に確実に固着する結合の品質が、低圧又は重力ダイカスト技術によっても達成され得る。

【0012】

ここで提案される方法は、特に、インサート部品がシリンダライナであり鋳造品が内燃機関用のシリンダブロックである場合、又はインサート部品がピストンリングキャリアであり鋳造品が内燃機関用のピストンである場合に、格別な利点をもたらす。

【0013】

本発明による方法のステップｂ）は、これによると外周面は酸化ケイ素からなるアダプタ層でコーティングされるが、好ましくは以下の２つのサブステップｂ１）及びｂ２）を有する。すなわち、
ｂ１）シリコーン樹脂を前記外周面に塗布し、
ｂ２）インサート本体を加熱することによって前記シリコーン樹脂を硬化させて酸化ケイ素を形成する。

【0014】

シリコーン樹脂は、大量に液体の形で、したがって安価に、商業的に入手可能である。加えて、これは、シリンダライナが鋳造のためにシリンダブロックに挿入される前に、シリンダライナの外周面に簡単に塗布可能である。有機シリコーン樹脂の酸化ケイ素への変化も同様に非常に簡単であることがわかる。このためには、シリコーン樹脂でコーティングされたインサート部品を例えば４００℃以上の温度に加熱し、このようにしてシリコーン樹脂を硬化させて酸化ケイ素を形成すれば十分である。硬化した酸化ケイ素は、アルミニウム合金との境界面の領域で、反応式ＳｉＯ_２＋２Ｍｇ → ２ＭｇＯ＋Ｓｉに従って、アルミニウム合金に含まれているマグネシウムと反応し、その結果として、表面の濡れが明らかに向上し得る。

【0015】

本発明による方法のステップｂ１）に従って外周面に塗布する前にシリコーン樹脂を溶剤で希釈することは、きわめて役立つことがわかる。このようにして、酸化操作の前に外周面がシリコーン樹脂で非常に均質に覆われる。

【0016】

硬化して酸化ケイ素を形成する前においてシリコーン樹脂の層の厚さが５〜１０μｍであれば、シリコーン樹脂を硬化させて酸化ケイ素を形成する場合、及びそれに関連して、酸化したケイ素を加熱された後に硬化させる場合において、特に満足する結果が得られ得る。層の厚さが薄いと硬化工程を速める一助となるということは、一般的に正しく、このことは、多数のインサート部品の工業的な製造に有利な効果を有する。

【0017】

酸化ケイ素からなる本発明によるアダプタ層は、水ガラスとして知られるものの溶液を使用することによって代替として実現され得る。ここで、溶融物から凝固した全ての水溶性のケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、及びケイ酸ケイ素は、「水ガラス」という語によってカバーされる。これらは、ガラス状の、すなわち、非晶質の物質の特性を有する。水ガラス溶液に浸した後、シリンダライナは、シリコーン樹脂に関連して上述したようにインサート部品を好ましくは４００℃以上の温度に加熱することによって、硬化される。ここで、アダプタ層はその水分を失い、その結果実質的に水分を含まない重合した無機ケイ酸が生成される。硬化した酸化ケイ素が、アルミニウム合金との境界面の領域で、反応式ＳｉＯ_２＋２Ｍｇ → ２ＭｇＯ＋Ｓｉに従って、アルミニウム合金に含まれているマグネシウムと反応し、その結果、表面の濡れが向上するということも、この実施形態による例である。

【0018】

前記水ガラスは、特に適切なことにＮａ_２Ｏ_３Ｓｉ、すなわちケイ酸ナトリウムを有する。

【0019】

本発明は、外周面を有するライナ本体を有するシリンダライナにも関連し、前記ライナ本体の前記外周面は酸化ケイ素からなるアダプタ層でコーティングされている。このタイプのアダプタ層は、アダプタ層のアルミニウム合金への遷移領域におけるＳｉＯ_２のＭｇとの反応によって得られる前述のＭｇＯ及びＳｉも、特に有する。

【0020】

更に、このタイプのシリンダライナを有し、前記アダプタ層を包み前記シリンダライナを前記シリンダブロックに関して仕上げるアルミニウム合金を有する、シリンダブロックに、本発明は関連する。

【0021】

更に、本発明は、外周面を有するリング本体を有するピストンリングキャリアに関連し、前記リング本体の前記外周面は酸化ケイ素からなるアダプタ層でコーティングされている。

【0022】

最後に、このタイプのピストンリングキャリアを有し、前記アダプタ層を包み前記ピストンリングキャリアを前記ピストンに関して仕上げるアルミニウム合金を有する、ピストンに、本発明は関連する。

【0023】

本発明の更に重要な特徴及び利点が、従属請求項、図面、及び図面を用いた図の関連する説明からもたらされる。

【0024】

上記の文で言及され、以下の文で説明される予定の特徴は、明記された組合せのそれぞれにおいてのみではなく、他の組合せ又はそれらのみにおいても、本発明の範囲を逸脱することなく、使用され得る、ということは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【0025】

本発明の好適な実施形態が、図示され、以下の説明においてより詳細に説明される。同一の名称は、同一、類似、又は機能的に同一の構成要素を参照する。図面において、それぞれは以下のように図示される。

【図1】図１は、シリンダブロックを製造するために鋳型に挿入される前に酸化ケイ素でコーティングされるシリンダライナを示す。

【図2】図２は、鋳型においてアルミニウム合金で鋳包まれ、アルミニウム合金とともにシリンダブロックを形成する、シリンダライナを示す。

【図3】図３は、アルミニウム合金で鋳包まれ、アルミニウム合金とともにピストンを形成する、リングキャリアを示す。

【発明を実施するための形態】

【0026】

それぞれ、おおまかに図示された長手方向の断面図において、図１及び２は、本発明によるシリンダブロックの形態における鋳造品６の製造方法を図示する。図１は、外周面３を有し図１及び２の例示的なシナリオにおいてライナ本体と呼ばれるインサート本体を有するシリンダライナの形態のインサート部品１を示す。図１に示されているように、ライナ本体２はスリーブ状の形状であり得る。ライナ本体２が鋳型（図１には図示せず）に導入される前に、その外周面３は、以下の文で「アダプタ層」４と呼ばれる、酸化ケイ素の層でコーティングされる。

【0027】

第１変形例によると、このタイプのアダプタ層４の適用は、２つの方法ステップで行われる。第１ステップにおいて、シリコーン樹脂が、鋳包まれるべき外周面３の領域に塗布される。第２ステップにおいて、ライナ本体２の加熱によって、シリコーン樹脂は硬化して酸化ケイ素となる。有機シリコーン樹脂を酸化ケイ素に変化させるために、例えば適切な炉を利用して、ライナ本体２は４００℃以上の温度に加熱され得る。層の厚さが薄いと硬化処理が速くなるというのは、概して正しく、これは多数のシリンダライナの工業的生産に対して有利な効果を有する。外周面３に塗布されるシリコーン樹脂の層の厚さが、硬化して酸化ケイ素になる前において５〜１０μｍであれば、シリコーン樹脂の酸化中において特に満足する結果が得られる。このために、シリコーン樹脂は、外周面３に塗布される前に溶剤によって希釈され得る。

【0028】

第１変形例の代替である第２変形例によると、アダプタ層４の塗布は、シリンダライナを水ガラス溶液に浸すことによって行われる。ここで、溶融物から凝固した、全ての水溶性のケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、及びケイ酸ケイ素は、特にＮａ_２Ｏ_３Ｓｉも含めて、「水ガラス」という語によってカバーされる。これらのケイ酸塩は、ガラス状の、すなわち、非晶質の物質の特性を有する。このタイプの水ガラス溶液にシリンダライナを浸した後、酸化ケイ素の大部分が残るように好ましくは４００℃以上の温度に、シリンダライナを加熱することによって、シリンダライナは、前述の第１変形例と類似の方法で、乾燥、すなわち硬化される。

【0029】

２つの上述の変形例による、酸化ケイ素でコーティングされたシリンダライナは、次に、図２に図示されている鋳型５に挿入され得る。最後に、シリンダライナは、確実に固着するように、アルミニウム合金７で鋳包まれ、アルミニウム合金７は、シリンダブロックに関してシリンダライナを仕上げる。前記アルミニウム合金７のマグネシウムの比率は、少なくとも０．３重量％、好ましくは少なくとも０．５重量％である。アルミニウム合金７のマグネシウムの比率が、少なくとも０．３重量％、好ましくは少なくとも０．５重量％であれば、ライナ本体の外周面３に塗布される酸化ケイ素のアダプタ層４は、アルミニウム高圧ダイカストによって鋳型５に導入されるアルミニウム合金７に、シリンダライナを鋳包む間、よりよい濡れ性を提示させる。結果として、シリンダライナとアルミニウム合金７との間で、特に良好で確実に固着する結合が実現され、この結合が今度は前記２つの部品の間の顕著な熱伝達を確実にする。アダプタ層の硬化した酸化ケイ素は、アルミニウム合金との境界面の領域において、反応式ＳｉＯ_２＋２Ｍｇ → ２ＭｇＯ＋Ｓｉに従って、アルミニウム合金に含まれているマグネシウムと反応し得る。その結果として、表面の濡れが明らかに向上し得る。

【0030】

本発明による方法の、更なる第２の例示的応用として、図３は、本発明による方法によって製造される鋳造品６’を、内燃機関用のピストンの形態で、おおまかに図示された長手方向の断面図において示す。

【0031】

図３は、図３の例示的なシナリオにおいて外周面３を有しリングキャリア本体２’として表記されるインサート本体を有するピストンリングキャリアの形態の、１’で表記されるインサート部品を示す。アルミニウム合金７’で鋳包むためにリングキャリア本体２’が鋳型（図３には図示せず）に導入される前に、その外周面３’は、図１及び２の例と同様に、以下の文で「アダプタ層」４と呼ばれる、酸化ケイ素の層でコーティングされる。

【0032】

図１及び２の例示的シナリオについての上述の説明は、外周面へのアダプタ層４’の適用に準用される。すなわち、第１の変形例によるピストンを製造するために、最初に、シリコーン樹脂が、鋳包まれるべき外周面３’の領域に塗布され、それに続くリングキャリア本体２’の加熱によって、シリコーン樹脂は酸化して酸化ケイ素を形成する。第２の変形例によると、アダプタ層４’の塗布は、ピストンリングキャリアを水ガラス溶液に浸すことによって行われる。このタイプの水ガラス溶液にピストンリングキャリアを浸した後、ピストンリングキャリアを加熱することによって、水ガラスは再び硬化して酸化ケイ素を形成する。

【0033】

説明された２つの変形例による、酸化ケイ素でコーティングされたピストンリングキャリアは、次に、適切な鋳型に挿入され、確実に固着するように前記鋳型においてアルミニウム合金７’で鋳包まれ、アルミニウム合金７’は、ピストンに関してピストンリングキャリア１’を仕上げる。前記アルミニウム合金７’のマグネシウムの比率は、少なくとも０．３重量％、好ましくは少なくとも０．５重量％である。アルミニウム合金７’のマグネシウムの比率が、少なくとも０．３重量％、好ましくは少なくとも０．５重量％であれば、リングキャリア本体２’の外周面３に塗布される酸化ケイ素のアダプタ層４’は、図１及び２の例と同様に、アルミニウム連続鋳造法によって鋳型に導入されるアルミニウム合金７’に、ピストンリングキャリアを鋳包む間、よりよい濡れ性を提示させる。結果として、ピストンリングキャリアとアルミニウム合金７’との、特に良好で確実に固着する結合が実現され、これが今度は前記２つの部品の間の顕著な熱伝達を確実にする

【図1】

【図2】

【図3】