複数の材料層を有する鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロック、およびシリンダ摺動スリーブの製造方法
鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロックであって、前記シリンダ摺動スリーブは強度と耐摩耗性の異なる複数の材料層を含み、材料層は摺動内壁面を形成する少なくとも１つの内側層と、この内側層に対して外側にある、スリーブ本体を形成する少なくとも１つの層とを備え、ここで前記スリーブ本体は硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなり、前記摺動内壁面は摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金によって形成されている。ならびにとりわけ、Ｓｉ粒子を備えるＡｌ合金の遠心鋳造を、Ｓｉ粒子が内側領域に、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金を形成しながら蓄積され、外側領域では硬質アルミニウム合金を形成しながら減少するように行う、シリンダ摺動スリーブのための製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロック、とりわけ軽金属エンジンブロックに関するものであり、前記シリンダ摺動スリーブは強度の異なる複数の材料層を含む。材料層は、シリンダ摺動内壁面を形成する少なくとも１つの内側層と、この内側層に対して外側にある、スリーブ本体を形成する少なくとも１つの層とを備える。本発明はさらに、強度の異なる少なくとも２つの異なる材料層を備えた、軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブ、ならびに軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法に関する。ここでシリンダ摺動スリーブは、強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、遠心鋳造によって、または材料の異なるパイプの押出成形により作製される。
【背景技術】
【０００２】
現在の内燃機関の出力密度の上昇とともに、シリンダ内のシリンダ内壁への要求も定常的に増大し、これは高耐摩耗性の材料を要求する。同時に内燃機関は重量軽減へのますます高い要求を満たさなければならず、このことは軽量材料による製造を要求する。
【０００３】
材料側で相反する要求を満たすための普及した手段は、耐摩耗性のシリンダスリーブを軽金属シリンダブロックに鋳込むことである。ここでシリンダスリーブはしばしば鋳鉄または過共晶のＡｌ合金からなり、これらがアルミニウムシリンダブロックに鋳込まれている。
【０００４】
軽量構造の観点の下で機関出力密度をさらに高めるためには、この種のＡｌシリンダ摺動スリーブはもはや適さない。なぜならこのＡｌシリンダ摺動スリーブは、良好な摺動特性を同時に備えながら所要の強度を提供することができないからである。このことはとりわけ、Ａｌダイカスト合金またはＭｇダイカスト合金からなるシリンダクランクケースにおいて現れており、ダイカスト合金の強度が小さいためシリンダスリーブが高い強度を有していなければならない。シリンダスリーブのために強固な軽金属を使用すると、所要の摩耗特性の点で欠点が生じる。
【０００５】
摩耗特性をさらに改善することは、例えばシリンダスリーブの摺動面に付加的に耐摩耗性の被覆を設けることによって達成される。例えば特許文献１から、シリンダ摺動スリーブ本体の上に摩耗保護被覆部を備えた本体を有する内燃機関用のシリンダ摺動スリーブが公知である。この被覆部は、炭素と酸素を備える硬質合金鉄ベースの、またはＴｉＯ２ベースの少なくとも１つの層からなり、摩耗保護層はマルテンサイト相を有していて、酸化物を形成する。有利な被覆方法は高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）である。
【０００６】
特許文献２から、耐摩耗性を向上させた、Ａｌ−Ｓｉ摺動内壁面からなるシリンダ内壁の別の製造方法が公知である。ここでは精密機械加工の最終の方法ステップが少なくとも１つ設けられており、そのステップで機械的な表面層硬化が実行される。
【０００７】
別の手段は、Ｓｉ析出物を多く含有する過共晶のＡｌ合金からシリンダスリーブを作製し、エンジンブロックまたはシリンダクランクケースの完成後に、ケイ素粒が摺動面に露出されるように摺動面を後処理することである。
【０００８】
公知の方法は、一部では高コストであり、摺動面の複数の後処理ステップ、シリンダ内壁のためのコストの掛かる被覆方法を必要とし、一部では高価な材料を必要とするという欠点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ドイツ特許第１０３０８５６２ Ｂ３号公報
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第１０１３５６１８ Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって本発明の課題は、クランクケースまたはシリンダブロックに鋳込むためのシリンダスリーブの安価な製造方法を提示することである。ここではシリンダブロックが、摺動面の耐摩耗性が高く、かつ改善された強度を有しており、鋳込まれたシリンダスリーブを備えるエンジンブロック、ならびにシリンダスリーブ自体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は本発明により、鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロック、とりわけ軽量金属エンジンブロックであって、前記シリンダ摺動スリーブは強度が異なる複数の材料層を含み、材料層は、シリンダ摺動内壁面を形成する少なくとも１つの内側層と、この内側層に対して外側にある、スリーブ本体を形成する少なくとも１つの層とを備え、請求項１の特徴部分により、前記スリーブ本体は硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなり、前記摺動内壁面は摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金によって形成されることにより解決される。ならびに、軽金属エンジンブロックに鋳込むための、少なくとも２つの別の材料層を備えるシリンダ摺動スリーブであって、請求項１１の特徴部分によりシリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、強度の低い、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金からなる内壁とから一体的に形成されていることによって解決される。
【００１２】
本発明の課題のさらなる解決手段は、軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法である。ここでシリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、ここで請求項１４の特徴部分により、シリンダ摺動スリーブの製造は、Ｓｉ粒子を備えるＡｌ合金の遠心鋳造によって、Ｓｉ粒子が内側領域に、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金を形成しながら蓄積され、外側領域では硬質アルミニウム合金を形成しながら減少するように行われる。ならびに軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法によっても解決される。ここでシリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、請求項１９の特徴部分により次のステップを有する。
・摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる材料層で硬質Ａｌ合金からなるアルミニウムパイプの内側を被覆して、片側が被覆されたパイプを形成するステップ、
・壁厚が減少し、粗いシリンダ摺動スリーブを形成するように前記パイプを押出成形するステップ、
・前記粗いシリンダ摺動スリーブを最終寸法に機械的に後処理するステップ。
【００１３】
したがって本発明の第１の側面では、エンジンブロックまたはシリンダクランクケースに鋳込まれたシリンダスリーブが設けられており、このシリンダスリーブは少なくとも２つの材料層からなり、この材料層は大きな強度と、高い耐摩耗性または良好な摺動特性という２つの機能を有する。ここでは摺動スリーブがワンピースに組み立てられていることが非常に重要である。ワンピースのシリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金からなる摺動内壁面とからなる。
【００１４】
本発明は、摺動スリーブにおいて硬質特性を耐摩耗性に結び付ける原理に基づくものである。ここで確実な材料としてＡｌ合金があり、このＡｌ合金の組成および添加物は、スリーブの半径方向拡がりにわたり変化する。組成の変化はいずれにしろ連続的である。または種々異なる材料勾配を以て変化することができる。移行領域または浸透領域の外では組成が実質的に一定である。したがってこれらの領域は有利には材料層として定義される。シリンダスリーブは少なくとも２つの材料層を有し、これらはシリンダ摺動面とスリーブ本体に相当する。
【００１５】
シリンダスリーブがワンピースであることの利点は、例えば各形式の被覆の場合に発生し得る、形状結合または材料結合の継ぎ目が存在しないことである。とりわけ一定のＡｌ相が形成される。このことにより、スリーブの熱伝導率が高くなり、種々異なる材料層相互の物理的融和性が最大となる。このことは、被覆されたシリンダ摺動スリーブと比較して大きな利点である。
【００１６】
エンジンブロックは、閉鎖デッキ構造または開放デッキ構造に、とりわけ有利にはＡｌダイカスト合金またはＭｇダイカスト合金から作製される。アルミニウム合金からなるシリンダスリーブ、とりわけアルミニウム製のスリーブ本体は、非常に類似の材料であるから、鋳包合金に対して非常に良好な結合性、または材料結合および形状結合を示す。
【００１７】
シリンダクランクケースに鋳込んだ後、内壁はすでに所要の摺動性または耐摩耗性の材料層を有しており、付加的な被覆は必要ない。後処理は摺動面の精密仕上げに限定することができる。しかし有利にはエンジンブロック内の内壁は滑らかにホーニング仕上げされており、Ｓｉ粒子は合金内に残る。これにより内壁の表面は、Ｓｉ粒の上にある薄いＡｌ層により覆われる。有利にはＡｌ被覆の厚さは、２〜１０μｍの領域にある。
【００１８】
シリンダ摺動スリーブは、硬質Ａｌ合金がスリーブ本体に対して使用されているため高い安定性を有する。この高い安定性によりシリンダ内での高い燃焼圧力も許容され、その際に硬質Ａｌ合金を鋳包体として使用する必要がない。これにより安価なダイカスト合金でもシリンダクランクケースに対して使用することができる。
【００１９】
スリーブ本体に対しては有利には鍛錬用合金（押出し合金とも称される）または鋳造合金が使用される。
【００２０】
スリーブ本体のための鍛錬用アルミニウム合金は典型的には、熱間加工および冷間加工（圧延、押出成形、鍛造）によるプレート生産およびベルト生産によって作製される。典型的な「天然硬質」鍛錬用アルミニウム合金は、ＡｌＭｇ、ＡｌＭｎ、ＡｌＭｇＭｎ、ＡｌＳｉ硬化可能な鍛錬用合金である。典型的な硬化可能鍛錬用アルミニウム合金または押出し合金は、ＡｌＭｇＳｉ、ＡｌＣｕＭｇ、ＡｌＺｎＭｇ、ＡｌＺｎＭｇＣｕの系、まとめるとＡｌ（Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕおよび／またはＺｎ）である。とりわけ合金タイプ６１００（ＡｌＳｉ１ＭｇＭｎＣｕ）、４０３２（ＡｌＳｉｌ２、５ＭｇＣｕＮｉ）、２０１６（ＡｌＣｕ９ＳｉＭｇ）、２２１９（ＡｌＣｕ６Ｍｎ）、２０１４ ＡｌＣｕ４ＳｉＭｇ、または２０２４（ＡｌＣｕ４Ｍｇ）が適する。さらにタイプ７０００のＺｎ含有合金も重要である。これらの合金はたしかに腐食に脆弱であるが、その代わりに硬質である。とりわけＺｎ成分は融点の低減に作用し、これによってシリンダ摺動内壁面の鋳包の際にダイカスト合金に対してより良好な結合反応を示すことができる。とりわけＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１からＡｌＺｎ８ＭｇＣｕまでの一連の合金のうち、５００〜６００Ｍｐａの引張強さと４００〜５００ＭＰａの降伏点を備える鍛錬用合金が関心の対象である。
【００２１】
ここでシリンダ摺動スリーブは個別に、またはシリンダスリーブパケットとして、すなわち繋がっているシリンダスリーブとして使用することができる。
【００２２】
とりわけシリンダ摺動スリーブのスリーブ本体に適する鋳造合金には、とりわけ降伏点が２４０〜３５０ＭＰａ、引張強さが３５０〜４２０ＭＰａに達することのできるＡｌＣｕ４Ｔｉベースの合金またはＡｌＣｕ４ＭｇＴｉが含まれる。さらに４１０〜４５０ＭＰａの降伏点と４６０〜５１０ＭＰａの引張強さに達することのできる合金タイプＡｌＣｕ４ＭｇＡｇＴｉもよく適する。
【００２３】
材料コストが比較的低いので、降伏点が１５０〜２００ＭＰａであり、引張強さが２５０〜３００ＭＰａのＡｌＭｇ５またはＡｌＭｇ５Ｓｉ２Ｍｎもスリーブ本体にとって非常に重要である。典型的で安価なＡｌ鋳造合金、例えばＡｌＳｉ８Ｃｕ３、ＡｌＳｉ９Ｍｇ、ＡｌＳｉ１１Ｍｇ、またはＡｌＳｉ１２ＣｕＮｉＭｇも使用することができる。これらのさほど強固ではないＡｌ鋳造合金では強度の低い欠点を、場合により構造的構成によって埋め合わせることができる。例えばスリーブ本体の壁厚を、比較的に大きく実現することができる。
【００２４】
内側材料層はシリンダ摺動内壁面に相当する。この内側材料層に対して、本発明による摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金が設けられる。このＡｌ−Ｓｉ合金はとりわけ過共晶のＡｌ−Ｓｉ合金であり、ここではＳｉ析出により耐摩耗性が高められる。シリンダ摺動内壁面を形成するのに有利な合金には、ＡｌＳｉ１２ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ１２Ｃｕ４Ｎｉ２Ｍｇ、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉ、またはＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉベースの合金がある。さらにとりわけＣｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉおよび／またはＴｉを３重量％以下の量で添加したＡｌＳｉ９−１３合金も有利である。
【００２５】
本発明の別の構成ではシリンダスリーブに、合金に結合された添加材料が設けられている。シリンダスリーブは、繊維または粒子からなる強化材料によって強化することができる。ここで添加材料はスリーブ本体を強化し、またはシリンダ摺動内壁面の耐摩耗性および摺動特性を改善するという役割を有する。例えばＳｉＣのように格段に高い弾性率を備える強化粒子または強化繊維を装入することによって、これを支持するスリーブの弾性率を格段に高めることができる。このことは運転時の遅滞に関して有利であり、ひいては燃料消費およびオイル消費の点で有利に作用する。複数の材料層または材料勾配を備えるワンピース構造のスリーブによって、強化材料、例えば弾性率向上のためのＳｉＣ粒子が摺動内壁面領域に存在しないことを保証することができる。そうでないとそこには、摺動内壁面の加工性に関する問題、および摩擦相手、すなわちピストンリングまたはピストンの摩耗の問題が生じることになる。
【００２６】
同時に異なる添加材料を使用し、両方の作用を同時に達成することができる。
【００２７】
スリーブ本体を強化するための添加材料として強化材料Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＣ、ＺｒＯ２および／またはＳｉＣが有利である。これらは粒子として、とりわけ強化繊維として使用することができる。摺動内壁面を改善するための添加材料としてとりわけＳｉ粒子が重要である。
【００２８】
シリンダスリーブの内部では、スリーブ本体の添加材料を備えるＡｌ合金と、このＡｌ合金と異なった摺動内壁面即ち摺動面の添加材料を備えるＡｌ合金が互いに移行している。このことは合金組成が勾配状に変化することによって行われ、Ａｌは一定の相として留まる。
【００２９】
エンジンブロックはスリーブ本体と鋳包材料との間に、ある程度の厚さで鋳造された中間層を有することができる。この中間層は、シリンダスリーブ材料と鋳包材料からなる混合ゾーンである。この種の中間層はとりわけ、シリンダスリーブが鋳込みの前に外側被覆部または外側材料層を有している場合に観察される。この被覆部または層は結合を改善するために、即ちシリンダスリーブと鋳包材料との間の材料結合を改良する目的で作られる。この場合、例えばＺｎ合金またはＳｎ合金からなる被覆が公知である。
【００３０】
本発明の別の側面は、軽金属エンジンブロック自体に鋳込むためのシリンダ摺動スリーブである。このシリンダ摺動スリーブは、強度と耐摩耗性が異なる少なくとも２つの異なった材料層を有し、シリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、摺動性があり、強度の比較的弱いＡｌ−Ｓｉ合金からなる摺動内壁面とからワンピースで形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】シリンダスリーブの横断面における構造を示す。縮尺は分かりやすくするために変化されている。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
ここで図１はシリンダ摺動スリーブ（１）、シリンダ摺動内壁面（２）、スリーブ本体（３）および材料外側層（４）を示す。
【００３３】
材料層は相互に勾配形状に移行する。ここで勾配は有利には非常に急峻である。これによりシリンダ内壁（２）とスリーブ本体（３）による顕著な層状構造が生じる。硬質アルミニウム合金からなる勾配のない層の厚さは有利には３ｍｍを越える。
【００３４】
有利な実施形態では、スリーブ本体（３）は粒子強化された、または強化されないＡｌＳｉ１２、ＡｌＣｕ４Ｔｉ、ＡｌＣｕ４ＭｇＴｉ、またはＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１〜ＡｌＺｎ８ＭｇＣｕからなり、シリンダ摺動内壁面（２）を形成する内側材料層は鋳造合金ＡｌＳｉ１７、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉまたはＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉからなる。
【００３５】
シリンダ摺動スリーブの別の変形実施形態は材料外側層（４）である。この材料外側層は、鋳包プロセスを改善するための被覆部とすることができる。本発明の有利な実施形態では、シリンダ摺動内壁面（２）と材料外側層は同じ合金からなる。
【００３６】
本発明は、シリンダ摺動スリーブの製造方法にも関する。
【００３７】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダスリーブの本発明の第１の製造方法では、シリンダ摺動スリーブが強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、遠心鋳造技術が使用される。ここではＳｉ粒子を備えるＡｌ合金の遠心鋳造を行い、これによりＳｉ粒子は内側領域では、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金を形成しながら蓄積され、外側領域では硬質アルミニウム合金を形成しながら減少する。この相分離とＳｉ勾配の形成が可能であるのは、ＳｉとＡｌ合金がそれらの密度の点で相互に格段に異なっているからである。遠心分離の際の遠心力によって、比重の軽いＳｉ粒子は上方へ浮揚し、または上方に蓄積される。
【００３８】
密度に依存する勾配形成のこの原理は、粒子および／または繊維形態の別の添加材料のためにも使用することができる。遠心分離すべきＡｌ合金は有利には、遠心鋳造の際に外側領域に蓄積されるＡｌ合金よりも密度の高いセラミック強化粒子を付加的に有する。有利な強化粒子にはＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４および／またはＺｒＯ２がある。
【００３９】
比重の軽い粒子と重い粒子の適切な組合せは、例えばＳｉとＳｉＣにより得られる。密度差によって、ＳｉＣ粒子を備える過共晶のＡｌＳｉ合金では、Ｓｉ粒子が有利には内側に、ＳｉＣ粒子が有利には外側に蓄積される。このことは、Ｓｉを内壁の改善のために使用することができ、ＳｉＣ含有量は外側縁部に向かって増大し、これによりスリーブ本体の強度を高めることを意味する。
【００４０】
遠心鋳造では適切にコーティングすることにより、または適切なツール幾何形状により、シリンダスリーブの外面を粗化することができる。このことの利点は、公知の鋳鉄−粗鋳造スリーブと同様に、粗鋳造表面をスリーブ外側に形成できることである。この粗鋳造表面はダイカストへの接合に非常に有利である。なぜなら金属接合の他に、スリーブとダイカスト材料との高度な機械的繋ぎ合わせを達成することができるからである。
【００４１】
本発明の特に適切な別の実施形態では、少なくとも以下のステップを備える鋳造工程が行われる。
・摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる材料層で硬質Ａｌ合金からなるアルミニウムパイプの内側を被覆して、片側が被覆されたパイプを形成するステップ、
・壁厚が減少するように前記パイプを押出成形して、粗いシリンダ摺動スリーブを形成するステップ、
・前記粗いシリンダ摺動スリーブを最終寸法に機械的に後処理するステップ。
【００４２】
ここでＡｌパイプの被覆は有利には、アルミニウム合金により鋳造することにより行われる。しかし同様に他の方法も適する。この方法ステップはコスト的に有利で簡単なプロセスを用いることができる。なぜなら正確な寸法に完成する必要はないからである。２つの層間の結合さえも不完全でよく、なぜならそれに続く同時押出ステップで材料層が相互に機械的に混合または固定接合されるからである。
【００４３】
アルミニウムパイプには付加的に、Ａｌ合金からなる材料層（材料外側層（４））を設けることができる。有利にはこの材料層は、エンジンブロック用のアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金と同じ組成である。Ａｌパイプの被覆は溶解したＡｌＳｉ合金に浸漬することによっても行うことができる。これによりスリーブ本体は両面がＡｌＳｉ合金により被覆される。
【００４４】
次の方法ステップでは被覆されたパイプが押出成形され、このときに壁厚が低減される。ここでは高圧により、異なる材料層が堅固に機械的に接合され、溶接される。
【００４５】
同時押出により形成された、少なくとも２つの材料層を備える粗いシリンダ摺動スリーブが、続いて機械的に後処理され、最終寸法に調整される。
【００４６】
アルミニウムパイプは有利には鍛錬用合金、とりわけ押出成形された鍛錬用合金、または粒子強化されたＡｌ鋳造合金から作製される。
【００４７】
摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる内側材料層と、硬質Ａｌ合金からなる外側材料層を備えた、軽量金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブを製造するための別の手段は接合鋳造法であり、ここでは異なる溶解鋳造物が同時に鋳造される。
【００４８】
シリンダ摺動スリーブは、重ねられた、または段階的な同時チクソキャスティング法によって、異なるＡｌ合金の押出成形または同時押出成形で形成することができる。
【００４９】
摺動性のあるＡｌＳｉ合金は、結晶質で比較的粗いＳｉ析出物を組織に含むことを特徴とする。Ｓｉ結晶は耐摩耗性を高めるために非常に重要である。
【００５０】
本発明の有利な改善形態では、シリンダ摺動スリーブが軽金属エンジンブロックに鋳込まれた後、摺動面に構造ホーニングが実行される。ここで構造ホーニングは、できれば表面の最終加工とすべきである。
【００５１】
理想的には、この精密仕上げされた摺動内壁面は現在の技術よりもできるだけ滑らかにホーニングされる。すなわち支持するＳｉ粒子または金属間化合物が機械的または化学的に露出されるのではなく、アルミニウムの非常に薄い被覆（２〜１０μｍ）とともに残る。これによって摩擦値、ひいては摩擦損失を格段に低減することができる。この種の摺動内壁面上でのピストン／ピストンリングの摩耗を回避するために、精密な構造ホーニング、例えば螺旋ホーニングが行われる。この螺旋ホーニングは必要なオイル溜め容積を形成する。したがって構造ホーニングは、エンジンオイルのためのオイル溜めポケットまたはオイルリザーバを形成するために使用される。これらはとりわけ、典型的には螺旋状に経過する微細な筋または溝として形成される。
【００５２】
構造ホーリングされた摺動面を有するエンジンブロックは有利には、滑らかに被覆されたピストンリングを有するピストンと組み合わせて使用される。特に有利には、構造ホーリングされた摺動面とＤＬＣ被覆されたピストンリングであるピストンとの組合せである。ＤＬＣ被覆とは、ダイヤモンドライクカーボン被覆であり、すなわちガス相から析出されたダイヤモンド状の層である。この組合せの利点は、ピストン負荷が高い場合に懸念される、ピストンリングと摺動面のＡｌとの間の材料摩耗が格段に低減されることである。したがって、とりわけＳｉ結晶が特別に露出されていなくても無害である。これまではホーニング後にさらなる方法ステップで、Ｓｉ結晶の上に塗膜または分散されたＡｌを再び除去しなければならなかったが、ＤＬＣ被覆されたピストンリングとの有利な組合せではこのことを省略できる。
【００５３】
被覆されたピストンリング、とりわけＤＬＣ被覆されたピストンリングによって、摩耗の回避されることが保証される。ＤＬＣ被覆されたピストンリングにより、構造ホーリングされたＡｌＳｉ摺動内壁面の摩耗安全性が、Ｓｉ粒子が露出されていないＡｌＳｉ摺動内壁面の場合では約１００％改善されたことが示された。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロック、とりわけ軽金属エンジンブロックに関するものであり、前記シリンダ摺動スリーブは強度の異なる複数の材料層を含む。材料層は、シリンダ摺動内壁面を形成する少なくとも１つの内側層と、この内側層に対して外側にある、スリーブ本体を形成する少なくとも１つの層とを備える。本発明はさらに、強度の異なる少なくとも２つの異なる材料層を備えた、軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブ、ならびに軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法に関する。ここでシリンダ摺動スリーブは、強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、遠心鋳造によって、または材料の異なるパイプの押出成形により作製される。
【背景技術】
【０００２】
現在の内燃機関の出力密度の上昇とともに、シリンダ内のシリンダ内壁への要求も定常的に増大し、これは高耐摩耗性の材料を要求する。同時に内燃機関は重量軽減へのますます高い要求を満たさなければならず、このことは軽量材料による製造を要求する。
【０００３】
材料側で相反する要求を満たすための普及した手段は、耐摩耗性のシリンダスリーブを軽金属シリンダブロックに鋳込むことである。ここでシリンダスリーブはしばしば鋳鉄または過共晶のＡｌ合金からなり、これらがアルミニウムシリンダブロックに鋳込まれている。
【０００４】
軽量構造の観点の下で機関出力密度をさらに高めるためには、この種のＡｌシリンダ摺動スリーブはもはや適さない。なぜならこのＡｌシリンダ摺動スリーブは、良好な摺動特性を同時に備えながら所要の強度を提供することができないからである。このことはとりわけ、Ａｌダイカスト合金またはＭｇダイカスト合金からなるシリンダクランクケースにおいて現れており、ダイカスト合金の強度が小さいためシリンダスリーブが高い強度を有していなければならない。シリンダスリーブのために強固な軽金属を使用すると、所要の摩耗特性の点で欠点が生じる。
【０００５】
摩耗特性をさらに改善することは、例えばシリンダスリーブの摺動面に付加的に耐摩耗性の被覆を設けることによって達成される。例えば特許文献１から、シリンダ摺動スリーブ本体の上に摩耗保護被覆部を備えた本体を有する内燃機関用のシリンダ摺動スリーブが公知である。この被覆部は、炭素と酸素を備える硬質合金鉄ベースの、またはＴｉＯ２ベースの少なくとも１つの層からなり、摩耗保護層はマルテンサイト相を有していて、酸化物を形成する。有利な被覆方法は高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）である。
【０００６】
特許文献２から、耐摩耗性を向上させた、Ａｌ−Ｓｉ摺動内壁面からなるシリンダ内壁の別の製造方法が公知である。ここでは精密機械加工の最終の方法ステップが少なくとも１つ設けられており、そのステップで機械的な表面層硬化が実行される。
【０００７】
別の手段は、Ｓｉ析出物を多く含有する過共晶のＡｌ合金からシリンダスリーブを作製し、エンジンブロックまたはシリンダクランクケースの完成後に、ケイ素粒が摺動面に露出されるように摺動面を後処理することである。
【０００８】
公知の方法は、一部では高コストであり、摺動面の複数の後処理ステップ、シリンダ内壁のためのコストの掛かる被覆方法を必要とし、一部では高価な材料を必要とするという欠点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ドイツ特許第１０３０８５６２ Ｂ３号公報
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第１０１３５６１８ Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって本発明の課題は、クランクケースまたはシリンダブロックに鋳込むためのシリンダスリーブの安価な製造方法を提示することである。ここではシリンダブロックが、摺動面の耐摩耗性が高く、かつ改善された強度を有しており、鋳込まれたシリンダスリーブを備えるエンジンブロック、ならびにシリンダスリーブ自体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は本発明により、鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロック、とりわけ軽量金属エンジンブロックであって、前記シリンダ摺動スリーブは強度が異なる複数の材料層を含み、材料層は、シリンダ摺動内壁面を形成する少なくとも１つの内側層と、この内側層に対して外側にある、スリーブ本体を形成する少なくとも１つの層とを備え、請求項１の特徴部分により、前記スリーブ本体は硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなり、前記摺動内壁面は摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金によって形成されることにより解決される。ならびに、軽金属エンジンブロックに鋳込むための、少なくとも２つの別の材料層を備えるシリンダ摺動スリーブであって、請求項１１の特徴部分によりシリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、強度の低い、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金からなる内壁とから一体的に形成されていることによって解決される。
【００１２】
本発明の課題のさらなる解決手段は、軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法である。ここでシリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、ここで請求項１４の特徴部分により、シリンダ摺動スリーブの製造は、Ｓｉ粒子を備えるＡｌ合金の遠心鋳造によって、Ｓｉ粒子が内側領域に、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金を形成しながら蓄積され、外側領域では硬質アルミニウム合金を形成しながら減少するように行われる。ならびに軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法によっても解決される。ここでシリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、請求項１９の特徴部分により次のステップを有する。
・摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる材料層で硬質Ａｌ合金からなるアルミニウムパイプの内側を被覆して、片側が被覆されたパイプを形成するステップ、
・壁厚が減少し、粗いシリンダ摺動スリーブを形成するように前記パイプを押出成形するステップ、
・前記粗いシリンダ摺動スリーブを最終寸法に機械的に後処理するステップ。
【００１３】
したがって本発明の第１の側面では、エンジンブロックまたはシリンダクランクケースに鋳込まれたシリンダスリーブが設けられており、このシリンダスリーブは少なくとも２つの材料層からなり、この材料層は大きな強度と、高い耐摩耗性または良好な摺動特性という２つの機能を有する。ここでは摺動スリーブがワンピースに組み立てられていることが非常に重要である。ワンピースのシリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金からなる摺動内壁面とからなる。
【００１４】
本発明は、摺動スリーブにおいて硬質特性を耐摩耗性に結び付ける原理に基づくものである。ここで確実な材料としてＡｌ合金があり、このＡｌ合金の組成および添加物は、スリーブの半径方向拡がりにわたり変化する。組成の変化はいずれにしろ連続的である。または種々異なる材料勾配を以て変化することができる。移行領域または浸透領域の外では組成が実質的に一定である。したがってこれらの領域は有利には材料層として定義される。シリンダスリーブは少なくとも２つの材料層を有し、これらはシリンダ摺動面とスリーブ本体に相当する。
【００１５】
シリンダスリーブがワンピースであることの利点は、例えば各形式の被覆の場合に発生し得る、形状結合または材料結合の継ぎ目が存在しないことである。とりわけ一定のＡｌ相が形成される。このことにより、スリーブの熱伝導率が高くなり、種々異なる材料層相互の物理的融和性が最大となる。このことは、被覆されたシリンダ摺動スリーブと比較して大きな利点である。
【００１６】
エンジンブロックは、閉鎖デッキ構造または開放デッキ構造に、とりわけ有利にはＡｌダイカスト合金またはＭｇダイカスト合金から作製される。アルミニウム合金からなるシリンダスリーブ、とりわけアルミニウム製のスリーブ本体は、非常に類似の材料であるから、鋳包合金に対して非常に良好な結合性、または材料結合および形状結合を示す。
【００１７】
シリンダクランクケースに鋳込んだ後、内壁はすでに所要の摺動性または耐摩耗性の材料層を有しており、付加的な被覆は必要ない。後処理は摺動面の精密仕上げに限定することができる。しかし有利にはエンジンブロック内の内壁は滑らかにホーニング仕上げされており、Ｓｉ粒子は合金内に残る。これにより内壁の表面は、Ｓｉ粒の上にある薄いＡｌ層により覆われる。有利にはＡｌ被覆の厚さは、２〜１０μｍの領域にある。
【００１８】
シリンダ摺動スリーブは、硬質Ａｌ合金がスリーブ本体に対して使用されているため高い安定性を有する。この高い安定性によりシリンダ内での高い燃焼圧力も許容され、その際に硬質Ａｌ合金を鋳包体として使用する必要がない。これにより安価なダイカスト合金でもシリンダクランクケースに対して使用することができる。
【００１９】
スリーブ本体に対しては有利には鍛錬用合金（押出し合金とも称される）または鋳造合金が使用される。
【００２０】
スリーブ本体のための鍛錬用アルミニウム合金は典型的には、熱間加工および冷間加工（圧延、押出成形、鍛造）によるプレート生産およびベルト生産によって作製される。典型的な「天然硬質」鍛錬用アルミニウム合金は、ＡｌＭｇ、ＡｌＭｎ、ＡｌＭｇＭｎ、ＡｌＳｉ硬化可能な鍛錬用合金である。典型的な硬化可能鍛錬用アルミニウム合金または押出し合金は、ＡｌＭｇＳｉ、ＡｌＣｕＭｇ、ＡｌＺｎＭｇ、ＡｌＺｎＭｇＣｕの系、まとめるとＡｌ（Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕおよび／またはＺｎ）である。とりわけ合金タイプ６１００（ＡｌＳｉ１ＭｇＭｎＣｕ）、４０３２（ＡｌＳｉｌ２、５ＭｇＣｕＮｉ）、２０１６（ＡｌＣｕ９ＳｉＭｇ）、２２１９（ＡｌＣｕ６Ｍｎ）、２０１４ ＡｌＣｕ４ＳｉＭｇ、または２０２４（ＡｌＣｕ４Ｍｇ）が適する。さらにタイプ７０００のＺｎ含有合金も重要である。これらの合金はたしかに腐食に脆弱であるが、その代わりに硬質である。とりわけＺｎ成分は融点の低減に作用し、これによってシリンダ摺動内壁面の鋳包の際にダイカスト合金に対してより良好な結合反応を示すことができる。とりわけＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１からＡｌＺｎ８ＭｇＣｕまでの一連の合金のうち、５００〜６００Ｍｐａの引張強さと４００〜５００ＭＰａの降伏点を備える鍛錬用合金が関心の対象である。
【００２１】
ここでシリンダ摺動スリーブは個別に、またはシリンダスリーブパケットとして、すなわち繋がっているシリンダスリーブとして使用することができる。
【００２２】
とりわけシリンダ摺動スリーブのスリーブ本体に適する鋳造合金には、とりわけ降伏点が２４０〜３５０ＭＰａ、引張強さが３５０〜４２０ＭＰａに達することのできるＡｌＣｕ４Ｔｉベースの合金またはＡｌＣｕ４ＭｇＴｉが含まれる。さらに４１０〜４５０ＭＰａの降伏点と４６０〜５１０ＭＰａの引張強さに達することのできる合金タイプＡｌＣｕ４ＭｇＡｇＴｉもよく適する。
【００２３】
材料コストが比較的低いので、降伏点が１５０〜２００ＭＰａであり、引張強さが２５０〜３００ＭＰａのＡｌＭｇ５またはＡｌＭｇ５Ｓｉ２Ｍｎもスリーブ本体にとって非常に重要である。典型的で安価なＡｌ鋳造合金、例えばＡｌＳｉ８Ｃｕ３、ＡｌＳｉ９Ｍｇ、ＡｌＳｉ１１Ｍｇ、またはＡｌＳｉ１２ＣｕＮｉＭｇも使用することができる。これらのさほど強固ではないＡｌ鋳造合金では強度の低い欠点を、場合により構造的構成によって埋め合わせることができる。例えばスリーブ本体の壁厚を、比較的に大きく実現することができる。
【００２４】
内側材料層はシリンダ摺動内壁面に相当する。この内側材料層に対して、本発明による摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金が設けられる。このＡｌ−Ｓｉ合金はとりわけ過共晶のＡｌ−Ｓｉ合金であり、ここではＳｉ析出により耐摩耗性が高められる。シリンダ摺動内壁面を形成するのに有利な合金には、ＡｌＳｉ１２ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ１２Ｃｕ４Ｎｉ２Ｍｇ、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉ、またはＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉベースの合金がある。さらにとりわけＣｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉおよび／またはＴｉを３重量％以下の量で添加したＡｌＳｉ９−１３合金も有利である。
【００２５】
本発明の別の構成ではシリンダスリーブに、合金に結合された添加材料が設けられている。シリンダスリーブは、繊維または粒子からなる強化材料によって強化することができる。ここで添加材料はスリーブ本体を強化し、またはシリンダ摺動内壁面の耐摩耗性および摺動特性を改善するという役割を有する。例えばＳｉＣのように格段に高い弾性率を備える強化粒子または強化繊維を装入することによって、これを支持するスリーブの弾性率を格段に高めることができる。このことは運転時の遅滞に関して有利であり、ひいては燃料消費およびオイル消費の点で有利に作用する。複数の材料層または材料勾配を備えるワンピース構造のスリーブによって、強化材料、例えば弾性率向上のためのＳｉＣ粒子が摺動内壁面領域に存在しないことを保証することができる。そうでないとそこには、摺動内壁面の加工性に関する問題、および摩擦相手、すなわちピストンリングまたはピストンの摩耗の問題が生じることになる。
【００２６】
同時に異なる添加材料を使用し、両方の作用を同時に達成することができる。
【００２７】
スリーブ本体を強化するための添加材料として強化材料Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＣ、ＺｒＯ２および／またはＳｉＣが有利である。これらは粒子として、とりわけ強化繊維として使用することができる。摺動内壁面を改善するための添加材料としてとりわけＳｉ粒子が重要である。
【００２８】
シリンダスリーブの内部では、スリーブ本体の添加材料を備えるＡｌ合金と、このＡｌ合金と異なった摺動内壁面即ち摺動面の添加材料を備えるＡｌ合金が互いに移行している。このことは合金組成が勾配状に変化することによって行われ、Ａｌは一定の相として留まる。
【００２９】
エンジンブロックはスリーブ本体と鋳包材料との間に、ある程度の厚さで鋳造された中間層を有することができる。この中間層は、シリンダスリーブ材料と鋳包材料からなる混合ゾーンである。この種の中間層はとりわけ、シリンダスリーブが鋳込みの前に外側被覆部または外側材料層を有している場合に観察される。この被覆部または層は結合を改善するために、即ちシリンダスリーブと鋳包材料との間の材料結合を改良する目的で作られる。この場合、例えばＺｎ合金またはＳｎ合金からなる被覆が公知である。
【００３０】
本発明の別の側面は、軽金属エンジンブロック自体に鋳込むためのシリンダ摺動スリーブである。このシリンダ摺動スリーブは、強度と耐摩耗性が異なる少なくとも２つの異なった材料層を有し、シリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、摺動性があり、強度の比較的弱いＡｌ−Ｓｉ合金からなる摺動内壁面とからワンピースで形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】シリンダスリーブの横断面における構造を示す。縮尺は分かりやすくするために変化されている。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
ここで図１はシリンダ摺動スリーブ（１）、シリンダ摺動内壁面（２）、スリーブ本体（３）および材料外側層（４）を示す。
【００３３】
材料層は相互に勾配形状に移行する。ここで勾配は有利には非常に急峻である。これによりシリンダ内壁（２）とスリーブ本体（３）による顕著な層状構造が生じる。硬質アルミニウム合金からなる勾配のない層の厚さは有利には３ｍｍを越える。
【００３４】
有利な実施形態では、スリーブ本体（３）は粒子強化された、または強化されないＡｌＳｉ１２、ＡｌＣｕ４Ｔｉ、ＡｌＣｕ４ＭｇＴｉ、またはＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１〜ＡｌＺｎ８ＭｇＣｕからなり、シリンダ摺動内壁面（２）を形成する内側材料層は鋳造合金ＡｌＳｉ１７、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉまたはＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉからなる。
【００３５】
シリンダ摺動スリーブの別の変形実施形態は材料外側層（４）である。この材料外側層は、鋳包プロセスを改善するための被覆部とすることができる。本発明の有利な実施形態では、シリンダ摺動内壁面（２）と材料外側層は同じ合金からなる。
【００３６】
本発明は、シリンダ摺動スリーブの製造方法にも関する。
【００３７】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダスリーブの本発明の第１の製造方法では、シリンダ摺動スリーブが強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、遠心鋳造技術が使用される。ここではＳｉ粒子を備えるＡｌ合金の遠心鋳造を行い、これによりＳｉ粒子は内側領域では、摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金を形成しながら蓄積され、外側領域では硬質アルミニウム合金を形成しながら減少する。この相分離とＳｉ勾配の形成が可能であるのは、ＳｉとＡｌ合金がそれらの密度の点で相互に格段に異なっているからである。遠心分離の際の遠心力によって、比重の軽いＳｉ粒子は上方へ浮揚し、または上方に蓄積される。
【００３８】
密度に依存する勾配形成のこの原理は、粒子および／または繊維形態の別の添加材料のためにも使用することができる。遠心分離すべきＡｌ合金は有利には、遠心鋳造の際に外側領域に蓄積されるＡｌ合金よりも密度の高いセラミック強化粒子を付加的に有する。有利な強化粒子にはＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４および／またはＺｒＯ２がある。
【００３９】
比重の軽い粒子と重い粒子の適切な組合せは、例えばＳｉとＳｉＣにより得られる。密度差によって、ＳｉＣ粒子を備える過共晶のＡｌＳｉ合金では、Ｓｉ粒子が有利には内側に、ＳｉＣ粒子が有利には外側に蓄積される。このことは、Ｓｉを内壁の改善のために使用することができ、ＳｉＣ含有量は外側縁部に向かって増大し、これによりスリーブ本体の強度を高めることを意味する。
【００４０】
遠心鋳造では適切にコーティングすることにより、または適切なツール幾何形状により、シリンダスリーブの外面を粗化することができる。このことの利点は、公知の鋳鉄−粗鋳造スリーブと同様に、粗鋳造表面をスリーブ外側に形成できることである。この粗鋳造表面はダイカストへの接合に非常に有利である。なぜなら金属接合の他に、スリーブとダイカスト材料との高度な機械的繋ぎ合わせを達成することができるからである。
【００４１】
本発明の特に適切な別の実施形態では、少なくとも以下のステップを備える鋳造工程が行われる。
・摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる材料層で硬質Ａｌ合金からなるアルミニウムパイプの内側を被覆して、片側が被覆されたパイプを形成するステップ、
・壁厚が減少するように前記パイプを押出成形して、粗いシリンダ摺動スリーブを形成するステップ、
・前記粗いシリンダ摺動スリーブを最終寸法に機械的に後処理するステップ。
【００４２】
ここでＡｌパイプの被覆は有利には、アルミニウム合金により鋳造することにより行われる。しかし同様に他の方法も適する。この方法ステップはコスト的に有利で簡単なプロセスを用いることができる。なぜなら正確な寸法に完成する必要はないからである。２つの層間の結合さえも不完全でよく、なぜならそれに続く同時押出ステップで材料層が相互に機械的に混合または固定接合されるからである。
【００４３】
アルミニウムパイプには付加的に、Ａｌ合金からなる材料層（材料外側層（４））を設けることができる。有利にはこの材料層は、エンジンブロック用のアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金と同じ組成である。Ａｌパイプの被覆は溶解したＡｌＳｉ合金に浸漬することによっても行うことができる。これによりスリーブ本体は両面がＡｌＳｉ合金により被覆される。
【００４４】
次の方法ステップでは被覆されたパイプが押出成形され、このときに壁厚が低減される。ここでは高圧により、異なる材料層が堅固に機械的に接合され、溶接される。
【００４５】
同時押出により形成された、少なくとも２つの材料層を備える粗いシリンダ摺動スリーブが、続いて機械的に後処理され、最終寸法に調整される。
【００４６】
アルミニウムパイプは有利には鍛錬用合金、とりわけ押出成形された鍛錬用合金、または粒子強化されたＡｌ鋳造合金から作製される。
【００４７】
摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる内側材料層と、硬質Ａｌ合金からなる外側材料層を備えた、軽量金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブを製造するための別の手段は接合鋳造法であり、ここでは異なる溶解鋳造物が同時に鋳造される。
【００４８】
シリンダ摺動スリーブは、重ねられた、または段階的な同時チクソキャスティング法によって、異なるＡｌ合金の押出成形または同時押出成形で形成することができる。
【００４９】
摺動性のあるＡｌＳｉ合金は、結晶質で比較的粗いＳｉ析出物を組織に含むことを特徴とする。Ｓｉ結晶は耐摩耗性を高めるために非常に重要である。
【００５０】
本発明の有利な改善形態では、シリンダ摺動スリーブが軽金属エンジンブロックに鋳込まれた後、摺動面に構造ホーニングが実行される。ここで構造ホーニングは、できれば表面の最終加工とすべきである。
【００５１】
理想的には、この精密仕上げされた摺動内壁面は現在の技術よりもできるだけ滑らかにホーニングされる。すなわち支持するＳｉ粒子または金属間化合物が機械的または化学的に露出されるのではなく、アルミニウムの非常に薄い被覆（２〜１０μｍ）とともに残る。これによって摩擦値、ひいては摩擦損失を格段に低減することができる。この種の摺動内壁面上でのピストン／ピストンリングの摩耗を回避するために、精密な構造ホーニング、例えば螺旋ホーニングが行われる。この螺旋ホーニングは必要なオイル溜め容積を形成する。したがって構造ホーニングは、エンジンオイルのためのオイル溜めポケットまたはオイルリザーバを形成するために使用される。これらはとりわけ、典型的には螺旋状に経過する微細な筋または溝として形成される。
【００５２】
構造ホーリングされた摺動面を有するエンジンブロックは有利には、滑らかに被覆されたピストンリングを有するピストンと組み合わせて使用される。特に有利には、構造ホーリングされた摺動面とＤＬＣ被覆されたピストンリングであるピストンとの組合せである。ＤＬＣ被覆とは、ダイヤモンドライクカーボン被覆であり、すなわちガス相から析出されたダイヤモンド状の層である。この組合せの利点は、ピストン負荷が高い場合に懸念される、ピストンリングと摺動面のＡｌとの間の材料摩耗が格段に低減されることである。したがって、とりわけＳｉ結晶が特別に露出されていなくても無害である。これまではホーニング後にさらなる方法ステップで、Ｓｉ結晶の上に塗膜または分散されたＡｌを再び除去しなければならなかったが、ＤＬＣ被覆されたピストンリングとの有利な組合せではこのことを省略できる。
【００５３】
被覆されたピストンリング、とりわけＤＬＣ被覆されたピストンリングによって、摩耗の回避されることが保証される。ＤＬＣ被覆されたピストンリングにより、構造ホーリングされたＡｌＳｉ摺動内壁面の摩耗安全性が、Ｓｉ粒子が露出されていないＡｌＳｉ摺動内壁面の場合では約１００％改善されたことが示された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロックであって、前記シリンダ摺動スリーブは強度と耐摩耗性の異なる複数の材料層を含み、当該材料層は、摺動内壁面を形成する少なくとも１つの内側層と、この内側層に対して外側にある、スリーブ本体を形成する少なくとも１つの層とを備え、
前記スリーブ本体は硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなり、前記摺動内壁面は摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金によって形成されている、ことを特徴とするエンジンブロック。
【請求項２】
前記シリンダ摺動スリーブの材料層は相互に勾配形状で移行することを特徴とする請求項１記載のエンジンブロック。
【請求項３】
前記シリンダ摺動スリーブは鋳込む前にワンピースで組み立てられ、これにより材料層の間には形状分離または材料分離が存在しないことを特徴とする請求項１または２記載のエンジンブロック。
【請求項４】
前記シリンダ摺動スリーブは、エンジンブロックのアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金に鋳込まれていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項５】
前記シリンダ摺動スリーブは３つの材料層を有し、最外の材料層は、エンジンブロック用のアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金と実質的に同じ組成を有することを特徴とする請求項４記載のエンジンブロック。
【請求項６】
前記スリーブ本体は、Ａｌ（Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕおよび／またはＺｎ）ベースの押出し合金または鍛錬用合金、とりわけＡｌＳｉ１ＭｇＭｎＣｕ、ＡｌＳｉ１２．５ＭｇＣｕＮｉ、ＡｌＣｕ９ＳｉＭｇ、ＡｌＣｕ６Ｍｎ、ＡｌＣｕ４ＳｉＭｇ、ＡｌＣｕ４Ｍｇ、ＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１からＡｌＺｎ８ＭｇＣｕまでの群から選択されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項７】
前記スリーブ本体は、ＡｌＣｕ４ＴｉまたはＡｌＣｕ４ＭｇＴｉ、ＡｌＳｉ７ＭｇＺｎ、ＡｌＳｉ１２ＣｕＮｉＭｇ、ＡｌＳｉ７Ｍｇ０，６、ＡｌＳｉ９Ｍｇ、またはＡｌＳｉ８Ｃｕ３ベースのＡｌ鋳造合金からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項８】
前記シリンダ摺動内壁面は、過共晶のＡｌＳｉ合金、ＡｌＳｉ１２ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ１２Ｃｕ４Ｎｉ２Ｍｇ、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉまたはＡｌＳｉ９−１３からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項９】
前記シリンダスリーブは繊維または粒子からなる添加材料を有しており、該添加材料は前記スリーブ本体および／またはシリンダ摺動内壁面に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項１０】
前記添加材料は強化材料Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＣ、ＺｒＯ２および／またはＳｉＣを含むことを特徴とする請求項９記載のエンジンブロック。
【請求項１１】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブであって、強度と耐摩耗性が異なる少なくとも２つの異なる材料層を備えるシリンダ摺動スリーブにおいて、
前記シリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、摺動性があり、強度の比較的弱いＡｌ−Ｓｉ合金からなる摺動内壁面とからワンピースに形成されている、ことを特徴とするシリンダ摺動スリーブ。
【請求項１２】
前記材料層は勾配状に相互に移行しており、硬質アルミニウム合金からなる勾配のない層の厚さは３ｍｍを越えることを特徴とする請求項１１記載のシリンダ摺動スリーブ。
【請求項１３】
前記スリーブ本体は、粒子強化された、または強化されないＡｌＳｉ１２、ＡｌＣｕ４Ｔｉ、ＡｌＣｕ４ＭｇＴｉまたはＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１〜ＡｌＺｎ８ＭｇＣｕからなり、
内側材料層は、過共晶のＡｌＳｉ合金、ＡｌＳｉ１２ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ１２Ｃｕ４Ｎｉ２Ｍｇ、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉまたはＡｌＳｉ９−１３からなる鋳造合金の１つからなることを特徴とする請求項１１または１２記載のシリンダ摺動スリーブ。
【請求項１４】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法であって、前記シリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有する方法において、
前記シリンダ摺動スリーブの製造は、Ｓｉ粒子を備えるＡｌ合金の遠心鋳造によって、Ｓｉ粒子が内側領域に摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金を形成しながら蓄積され、外側領域では硬質アルミニウム合金を形成しながら減少するように行う、ことを特徴とする製造方法。
【請求項１５】
前記Ａｌ合金は、遠心鋳造の際に外側領域に蓄積されるＡｌ合金よりも密度の高いセラミック強化粒子を付加的に含有することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記セラミック強化粒子は、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４および／またはＺｒＯ２から形成されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
Ａｌ合金として過共晶のＡｌＳｉ合金が使用されることを特徴とする請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１８】
前記シリンダ摺動スリーブの外面は、遠心鋳造の際に高い粗度を以て鋳造され、該外面は相応のコーティングを鋳型に施すことによって形成されることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法であって、該シリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、
・摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる材料層で硬質Ａｌ合金からなるアルミニウムパイプの内側を被覆して、片側が被覆されたパイプを形成するステップ、
・壁厚が減少し、材料層が強固に結合されるように前記パイプを押出成形するステップ、
・前記粗いシリンダ摺動スリーブを最終寸法に機械的に後処理するステップ
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２０】
前記アルミニウムパイプの外側は、エンジンブロック用のアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金と実質的に同じ組成を有するＡｌ合金からなる材料層により付加的に被覆されていることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記材料層の少なくとも１つは、前記アルミニウムパイプへの鋳包みまたは鋳合せによって取り付けられることを特徴とする請求項１９または２０記載の方法。
【請求項２２】
前記アルミニウムパイプは、鍛錬用合金、とりわけ押出成形された鍛錬用合金、または粒子強化されたＡｌ鋳造合金から選択されることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法であって、前記シリンダ摺動スリーブは、摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる内側材料層と、硬化Ａｌ合金からなる外側材料層とを有し、
前記シリンダ摺動スリーブは、重ねられた、または段階的な同時チクソキャスティング法によって、異なるＡｌ合金の押出成形または同時押出成形で形成される、ことを特徴とする製造方法。
【請求項２４】
前記シリンダ摺動スリーブを軽金属エンジンブロックに鋳込んだ後、摺動面の構造ホーニングが、オイル溜めポケットが形成されるような方法で行われることを特徴とする請求項１４乃至２３のいずれか１項記載の方法。
【請求項２５】
構造ホーニングの後、表面は実質的にＡｌ合金から形成され、露出されたＳｉ結晶によっては形成されないことを特徴とする請求項２４記載の使用法。
【請求項２６】
請求項２４記載の方法によって製造されたシリンダ摺動スリーブを、ＤＬＣ被覆されたピストンリングを備えるピストンのために使用する使用法。
【請求項１】
鋳込まれたシリンダ摺動スリーブを備えるエンジンブロックであって、前記シリンダ摺動スリーブは強度と耐摩耗性の異なる複数の材料層を含み、当該材料層は、摺動内壁面を形成する少なくとも１つの内側層と、この内側層に対して外側にある、スリーブ本体を形成する少なくとも１つの層とを備え、
前記スリーブ本体は硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなり、前記摺動内壁面は摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金によって形成されている、ことを特徴とするエンジンブロック。
【請求項２】
前記シリンダ摺動スリーブの材料層は相互に勾配形状で移行することを特徴とする請求項１記載のエンジンブロック。
【請求項３】
前記シリンダ摺動スリーブは鋳込む前にワンピースで組み立てられ、これにより材料層の間には形状分離または材料分離が存在しないことを特徴とする請求項１または２記載のエンジンブロック。
【請求項４】
前記シリンダ摺動スリーブは、エンジンブロックのアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金に鋳込まれていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項５】
前記シリンダ摺動スリーブは３つの材料層を有し、最外の材料層は、エンジンブロック用のアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金と実質的に同じ組成を有することを特徴とする請求項４記載のエンジンブロック。
【請求項６】
前記スリーブ本体は、Ａｌ（Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕおよび／またはＺｎ）ベースの押出し合金または鍛錬用合金、とりわけＡｌＳｉ１ＭｇＭｎＣｕ、ＡｌＳｉ１２．５ＭｇＣｕＮｉ、ＡｌＣｕ９ＳｉＭｇ、ＡｌＣｕ６Ｍｎ、ＡｌＣｕ４ＳｉＭｇ、ＡｌＣｕ４Ｍｇ、ＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１からＡｌＺｎ８ＭｇＣｕまでの群から選択されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項７】
前記スリーブ本体は、ＡｌＣｕ４ＴｉまたはＡｌＣｕ４ＭｇＴｉ、ＡｌＳｉ７ＭｇＺｎ、ＡｌＳｉ１２ＣｕＮｉＭｇ、ＡｌＳｉ７Ｍｇ０，６、ＡｌＳｉ９Ｍｇ、またはＡｌＳｉ８Ｃｕ３ベースのＡｌ鋳造合金からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項８】
前記シリンダ摺動内壁面は、過共晶のＡｌＳｉ合金、ＡｌＳｉ１２ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ１２Ｃｕ４Ｎｉ２Ｍｇ、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉまたはＡｌＳｉ９−１３からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項９】
前記シリンダスリーブは繊維または粒子からなる添加材料を有しており、該添加材料は前記スリーブ本体および／またはシリンダ摺動内壁面に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンジンブロック。
【請求項１０】
前記添加材料は強化材料Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＣ、ＺｒＯ２および／またはＳｉＣを含むことを特徴とする請求項９記載のエンジンブロック。
【請求項１１】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブであって、強度と耐摩耗性が異なる少なくとも２つの異なる材料層を備えるシリンダ摺動スリーブにおいて、
前記シリンダ摺動スリーブは、硬質アルミニウム合金または強化材料によって強化されたアルミニウム合金からなるスリーブ本体と、摺動性があり、強度の比較的弱いＡｌ−Ｓｉ合金からなる摺動内壁面とからワンピースに形成されている、ことを特徴とするシリンダ摺動スリーブ。
【請求項１２】
前記材料層は勾配状に相互に移行しており、硬質アルミニウム合金からなる勾配のない層の厚さは３ｍｍを越えることを特徴とする請求項１１記載のシリンダ摺動スリーブ。
【請求項１３】
前記スリーブ本体は、粒子強化された、または強化されないＡｌＳｉ１２、ＡｌＣｕ４Ｔｉ、ＡｌＣｕ４ＭｇＴｉまたはＡｌＺｎ４．５Ｍｇ１〜ＡｌＺｎ８ＭｇＣｕからなり、
内側材料層は、過共晶のＡｌＳｉ合金、ＡｌＳｉ１２ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ１２Ｃｕ４Ｎｉ２Ｍｇ、ＡｌＳｉ１８ＣｕＭｇＮｉ、ＡｌＳｉ２５ＣｕＭｇＮｉまたはＡｌＳｉ９−１３からなる鋳造合金の１つからなることを特徴とする請求項１１または１２記載のシリンダ摺動スリーブ。
【請求項１４】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法であって、前記シリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有する方法において、
前記シリンダ摺動スリーブの製造は、Ｓｉ粒子を備えるＡｌ合金の遠心鋳造によって、Ｓｉ粒子が内側領域に摺動性のあるＡｌ−Ｓｉ合金を形成しながら蓄積され、外側領域では硬質アルミニウム合金を形成しながら減少するように行う、ことを特徴とする製造方法。
【請求項１５】
前記Ａｌ合金は、遠心鋳造の際に外側領域に蓄積されるＡｌ合金よりも密度の高いセラミック強化粒子を付加的に含有することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記セラミック強化粒子は、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４および／またはＺｒＯ２から形成されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
Ａｌ合金として過共晶のＡｌＳｉ合金が使用されることを特徴とする請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１８】
前記シリンダ摺動スリーブの外面は、遠心鋳造の際に高い粗度を以て鋳造され、該外面は相応のコーティングを鋳型に施すことによって形成されることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法であって、該シリンダ摺動スリーブは強度の異なる軽金属からなる少なくとも２つの異なる材料層を有し、
・摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる材料層で硬質Ａｌ合金からなるアルミニウムパイプの内側を被覆して、片側が被覆されたパイプを形成するステップ、
・壁厚が減少し、材料層が強固に結合されるように前記パイプを押出成形するステップ、
・前記粗いシリンダ摺動スリーブを最終寸法に機械的に後処理するステップ
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２０】
前記アルミニウムパイプの外側は、エンジンブロック用のアルミニウムダイカスト合金またはマグネシウムダイカスト合金と実質的に同じ組成を有するＡｌ合金からなる材料層により付加的に被覆されていることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記材料層の少なくとも１つは、前記アルミニウムパイプへの鋳包みまたは鋳合せによって取り付けられることを特徴とする請求項１９または２０記載の方法。
【請求項２２】
前記アルミニウムパイプは、鍛錬用合金、とりわけ押出成形された鍛錬用合金、または粒子強化されたＡｌ鋳造合金から選択されることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
軽金属エンジンブロックに鋳込むためのシリンダ摺動スリーブの製造方法であって、前記シリンダ摺動スリーブは、摺動性のあるＡｌＳｉ合金からなる内側材料層と、硬化Ａｌ合金からなる外側材料層とを有し、
前記シリンダ摺動スリーブは、重ねられた、または段階的な同時チクソキャスティング法によって、異なるＡｌ合金の押出成形または同時押出成形で形成される、ことを特徴とする製造方法。
【請求項２４】
前記シリンダ摺動スリーブを軽金属エンジンブロックに鋳込んだ後、摺動面の構造ホーニングが、オイル溜めポケットが形成されるような方法で行われることを特徴とする請求項１４乃至２３のいずれか１項記載の方法。
【請求項２５】
構造ホーニングの後、表面は実質的にＡｌ合金から形成され、露出されたＳｉ結晶によっては形成されないことを特徴とする請求項２４記載の使用法。
【請求項２６】
請求項２４記載の方法によって製造されたシリンダ摺動スリーブを、ＤＬＣ被覆されたピストンリングを備えるピストンのために使用する使用法。
【図１】
【公表番号】特表２０１１−５０６０９６（Ｐ２０１１−５０６０９６Ａ）
【公表日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３５２５２（Ｐ２０１０−５３５２５２）
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００８３５７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６８１３２
【国際公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【出願人】（５９８０５１８１９）ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト (1,147)
【氏名又は名称原語表記】Ｄａｉｍｌｅｒ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １３７，７０３２７ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００８３５７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６８１３２
【国際公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【出願人】（５９８０５１８１９）ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト (1,147)
【氏名又は名称原語表記】Ｄａｉｍｌｅｒ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １３７，７０３２７ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
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