軽合金複合材料からなるシリンダ
【課題】 シリンダの熱伝導性を向上させ、燃焼室温度の過熱を抑えることのできるシリンダを提供する。
【解決手段】 少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面が、カーボンナノチューブを強化材とする軽合金複合材料からなることを特徴とするシリンダ。
【解決手段】 少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面が、カーボンナノチューブを強化材とする軽合金複合材料からなることを特徴とするシリンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽金属複合材料を用いてなるシリンダに関する。より詳しくは、少なくとも、カーボンナノチューブ（以下、単にＣＮＴともいう）を強化材とする軽合金複合材料を用いてなるシリンダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の内燃機関のうち、軽量化を目的としたシリンダブロックではアルミニウム合金（以下、単にアルミ合金ともいう）製のものが多い。ピストンと摺動するシリンダボアの内周面は、耐摩耗性、耐焼きつき性、低摩擦性といった摩擦磨耗特性が要求されることから一般的には鋳鉄製のライナが使用されることが多い。しかし、更なる軽量化、ボア間隔を詰めること、を狙ってライナレスのシリンダブロックを使用するものが現れている（例えば、非特許文献１、２参照。）。その場合にはシリンダボアの内周面は、炭素繊維やセラミック短繊維を強化材とした複合材として前記特性を付与している。このライナレスのエンジンはライナ入りのエンジンに比べて軽量化、コンパクト化が進むだけでなく冷却性能が向上し高出力化が可能となる。
【非特許文献１】ＳＡＥｐａｐｅｒ８９０５５７
【非特許文献２】ＳＡＥｐａｐｅｒ９１０８３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、エンジンの高出力化に伴い上記非特許文献１、２に記載のライナレスのエンジンをもってしても燃焼室周辺は熱的にさらに厳しい環境になりつつあり、シリンダもさらなる性能向上が望まれている。
【０００４】
燃焼室の熱の流れの１つにピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路がある。ここでシリンダの熱伝導性をより高めることができればこの熱の流れはよりスムーズになり、エンジンの冷却性も高まり耐ノッキング性、出力、燃費の向上が図れる。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、シリンダの熱伝導性を向上させ、燃焼室温度の過熱を抑えることのできるシリンダを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍（以下、単にシリンダ近傍とも略記する）の内周面が、カーボンナノチューブを強化材とする軽合金複合材料からなることを特徴とするシリンダである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シリンダライナまたはシリンダボア（以下、単にライナ／ボアともいう）の上死点及びその近傍の内周面をＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料とすることにより、上死点及びその近傍の摩耗と共に温度上昇を抑えることができる。即ち、シリンダの軽量化、耐摩耗性等の特性だけでなく、シリンダの熱伝導性を高めることができる。これにより、エンジンの高出力化に伴い上記非特許文献１、２に記載のライナレスのエンジンをもってしても燃焼室周辺は熱的にさらに厳しい環境であったものを、燃焼室の熱の流れの１つであるピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路での熱の流れをよりスムーズに改善し得ることができる。よって、エンジンの高出力化に伴い熱的にさらに厳しい環境下にあっても燃焼室温度の過熱を効果的に抑えることができる。その結果、エンジンの冷却性も高まり、耐ノッキング性、出力、燃費の向上が図れ、内燃機関の圧縮比も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のシリンダは、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダの上死点近傍の内周面が、ＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料（以下、単に軽合金複合材料、あるいは複合材料と略記する）からなることを特徴とするものである。
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
エンジンの中でシリンダブロックの重量の占める割合は高く、エンジンを軽量化するためシリンダブロックを軽量アルミ合金製とし、シリンダボアの内周面にはピストンとの摺動による摩擦摩耗特性が必要なため鋳鉄ライナをインサートするものが一般的である。更なる軽量化、ボア間隔をつめてエンジンを小型化する、シリンダライナとシリンダブロックとの熱の流れを高めるという目的でライナレスのシリンダブロックを用いたエンジンも現れている。耐摩耗性を確保するためにアルミ−過共晶シリコン合金モノブロックであるとか、通常のアルミ合金モノブロックのシリンダにめっきや溶射を施して耐摩耗性を付与したものなどがある（「まてりあ」第３９巻第１号１８〜１９頁）。
【００１１】
しかし、アルミ−過共晶シリコン合金は鋳造性、機械加工性が悪いという問題がある。まためっきや溶射は処理工程が増すとか作業時の廃液や粉塵といった環境上の問題がある。
【００１２】
またこの他に、シリンダライナに代わりセラミック繊維や炭素繊維からなるプリフォームを金型にセットした状態でアルミ合金を注湯してシリンダ部を複合材としたシリンダブロックが得られている。この場合はプリフォーム作製にコストが必要であり、鋳造方法や条件に工夫が必要ではあるが、耐摩耗性と熱伝導性を同時に成立させられる。ただ、それでもプリフォームとして使用されるセラミック繊維や炭素繊維の熱伝導性は、マトリックスのアルミ合金より劣るため、その分だけ冷却性能も低いものになる。
【００１３】
ＣＮＴはその構造に起因して特異な性質を有している。熱伝導率と機械的特性は他の物質とは桁違いの値を示し、他の材料中に添加して複合材とすることで優れた性能を有する材料が得られる。アルミ合金のような軽金属をマトリックスとし、ＣＮＴを添加した軽合金複合材料は、軽量、高強度で熱伝導性が優れている。さらに、耐摩耗性、フリクション性能も優れ熱膨張も抑えられる。そのため、このような軽合金複合材料は、シリンダ材料に適しており、従来のセラミック繊維や炭素繊維を用いた複合材シリンダより特に熱伝導性が優れているので冷却性能も向上し、エンジンの高出力化に対応できることを本発明者らは明らかにしたものである。
【００１４】
本発明のシリンダとしては、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面を含むものであればよく、上述するようなライナレスのシリンダブロック、シリンダライナを用いたシリンダブロックのいずれであってもよい。またシリンダライナ単独の場合も本発明に含まれるものとする。さらに、これらシリンダブロックないしシリンダライナ以外にも当該シリンダブロック側に用いられる他の各種構成部品を含むものであっても良い。また、シリンダブロック側の構成部品のほかに、シリンダヘッドカバー側の各種構成部品を含むものであっても良いなど、特に制限されるものではなく、より広義に解されるべきものである。
【００１５】
本発明に用いられる軽合金複合材料は、ＣＮＴを強化材として含むものであればよい。
【００１６】
かかるＣＮＴは、本発明の狙いである伝熱性の向上、強化及びそれに伴う耐摩耗性向上を達成することができる炭素材（強化材）であり、その種類、寸法、製法などは特に限定されるものではない。よって、ＣＮＴの種類としては、単層ＣＮＴ、多層ＣＮＴなど、あらゆる種類のものが利用可能であり、これらを併用することもできる。また、シリンダの製造工程でＣＮＴも高温に曝されるので７００℃程度までは安定なＣＮＴが望ましい。ＣＮＴの寸法（長さ、太さ、アスペクト比等）についても、普通に入手できる範囲のものを利用することもできるし、以下に示すような方法で所望の種類、寸法、熱的特性などを有するＣＮＴを製造してもよい。該ＣＮＴの製法としては、例えば、アーク放電法、ＣＶＤ（化学気相成長法ないし化学蒸着法）などが挙げられるが、これらの製法に何ら限定されるものではない。
【００１７】
また、本発明に用いられる軽合金複合材料では、他のセラミックス繊維や金属繊維あるいはセラミックス繊維やウィスカを伝熱性が損なわれない範囲で強化材として含んでいても良い。例えば、炭化珪素やホウ酸アルミニウムなどの短繊維やウィスカまたはアルミナ−シリカ系の短繊維なども全体として熱伝導性が上がる範囲で、更に生産性やコストに支障ない範囲で含有していてもよい。これらの強化材の含有率に関しては、上記要件を満足する範囲であれば特に制限されるものではなく、例えば、ＣＮＴと同量以下であれば、少なくとも伝熱性の点からは適用可能であるといえる。
【００１８】
また、軽合金複合材料のマトリックス材料である軽金属材料としては、特に制限されるものではなく、シリンダに適用可能な各種軽金属材料を用いることができる。例えば、既にエンジンのシリンダブロック等の用いられている既存の軽金属材料である、軽量アルミ合金、アルミ−過共晶シリコン合金、通常のアルミ合金などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
【００１９】
本発明では、シリンダすべての領域を複合材料により高性能化する必要はない。シリンダの上死点近傍が熱的にも厳しく、また境界潤滑となり摩擦摩耗の点でも最も厳しい負荷を受ける。従って、特にシリンダの上死点近傍の性能を重点的に向上させる必要がある。
【００２０】
そのために、シリンダの上死点近傍、より詳しくは上死点から下死点に向かって２０ｍｍの範囲、特に好ましくは上死点から下死点に向かって１０ｍｍの範囲を複合材料によって、より強化するのが望ましい。これは、熱的負荷及び摩擦摩耗が厳しいのはシリンダの上死点のごく近傍だけであるので、上死点から下死点に向かって１０ｍｍの範囲で、耐摩耗性、熱伝導性等の特性が強化されていれば十分なためである。即ち、かかる範囲を複合材料で強化することで、シリンダの耐摩耗性を向上することができる。更にライナ／ボアの上死点近傍の内周面の熱伝導性を高めることで、燃焼室の熱の流れの１つであるピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路での熱の流れをよりスムーズに形成することができ、燃焼室温度の過熱を抑えることにもつながるものである（表１の実施例１〜３の上死点温度降下の欄参照）。よって、上死点から下死点に向かって２０ｍｍを越えて、耐摩耗性、熱伝導性等の特性を特に強化する必要はない。すなわち、上死点から下死点に向かって２０ｍｍを越えて強化しても性能上何ら問題はないが、経済性等の観点から、上記範囲が望ましいといえる。したがって、シリンダの上死点近傍の範囲のほかに、他の部分の一部ないし全部を複合材料で強化したような場合でも、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の技術範囲に含まれるものである。例えば、上死点から下死点に向かって２５ｍｍまでの範囲を、上死点から下死点に向かって２５ｍｍよりも下死点側の部分よりもＣＮＴの含有率を高めにしてその特性を強化したような場合などは、実施例１〜３の結果から明らかなように、本発明に含まれ得るものといえる。
【００２１】
また、ライナ／ボアの軸方向に垂直な方向（深さないし厚さ）への複合材料の適用範囲としては、少なくとも、ピストンが摺動するライナ／ボアの上死点近傍の内周面部分が、ＣＮＴを強化材とする複合材料で形成されていればよい。好ましくはライナ／ボアの内周面から１ｍｍ以上、好ましくは１〜２ｍｍの深さまで該複合材料で形成されていればよい。該複合材料が形成されている厚さ（深さ）が、ライナ／ボアの内周面から１ｍｍ未満では、境界潤滑となる上死点（及びその近傍）の耐摩耗性が不十分となる虞れがある。一方、厚い分には性能上の不具合はなく、特に制限されるものではない。即ち、ある程度以上の厚さがあれば効果はほとんど変わらなくなることから、上記したように、ライナ／ボアの内周面から２ｍｍの厚さがあれば十分であり、経済的にも有利である。
【００２２】
本発明において、ＣＮＴを強化材とする複合材料を適用する部分を、少なくとも、シリンダの上死点近傍の内周面としたのは、最低限、シリンダの上死点のごく近傍の内周面を該複合材料で強化すれば、所望の作用効果を有効且つ効果的に発揮し得る為である。言い換えれば、本発明では、上記したシリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分には必ずしも複合材料を用いる必要はないが、そうかといって複合材料を用いることを何ら制限するものでない。なお、シリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分には、（１）ライナ／ボアの軸方向で外れる部分と、（２）ライナ／ボアの軸方向に対し垂直な方向（面内）に外れる部分との両方が含まれるものとする。ただし、本発明では、軽量化及び耐摩耗性等の特性を損なうことなく有効かつ効果的にシリンダの熱伝導性向上効果を発揮させ得るものが望ましい。かかる観点から、シリンダの軽量化、耐摩耗性及び熱伝導性の諸特性を比較考量して、シリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分の材料を選択するのが望ましいといえる。
【００２３】
また、本発明では、シリンダの耐摩耗性及び熱伝導性の特性をより強化するために、シリンダの上死点近傍の複合材料中のＣＮＴの含有率は、２〜２０体積％がよい。ＣＮＴの含有率が小さいと添加効果は小さく、ＣＮＴの含有率が大きすぎても性能向上の効果は変わらず、むしろコスト増や均一分散が難しいなどの難点も生じる。したがって、特にシリンダの上死点近傍の複合材料中のＣＮＴの含有率としては２〜２０体積％がよい。
【００２４】
さらに、シリンダの上死点近傍の内周面部分の複合材料のＣＮＴの含有率を他の部分（領域）より高めておくのがより望ましい（実施例１〜３参照のこと）。シリンダの上死点近傍の内周面以外のＣＮＴの含有率については、本発明の作用効果を有効に奏し得る範囲であれば、特に制限されるものではない。これは、他の部分よりシリンダの上死点近傍の内周面部分を複合材料とするのが他の部分を複合材料とするよりも、耐摩耗性、熱伝導性等の特性向上効果が大きいためである。よって、シリンダの上死点近傍の内周面部分以外の他の部分では、ＣＮＴを含有しなくてもよい（即ち、複合材料を用いなくてもよいといえる）。従って、他の部分を複合材料とするならシリンダの上死点近傍の内周面部分にはもっとＣＮＴを多く含んだ複合材料を用いることが、耐摩耗性、熱伝導性等の特性向上効果を効率よく発現する上で有効といえる。
【００２５】
上記複合材料中のＣＮＴの含有率の測定方法は、特に制限されるものではない。例えば、強化材がＣＮＴだけの場合は、試料を切り出して密度を測定すれば、次式からＣＮＴの含有率を計算することができる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ρ：試料の密度、ρＭ：マトリックス金属の密度、ＶＭ：マトリックス金属の体積率（＝１−ＶＣ）、ρＣ：ＣＮＴの密度、ＶＣ：ＣＮＴの体積率
ρＭ、ρＣは既知であるので、ρを求めれば、ＶＣが分かる。
【００２８】
あるいは、切り出した試料を高倍率の電子顕微鏡で観察して、視野中のＣＮＴの面積率を求めても良い。この方法では他にＣＮＴ以外の強化繊維が混在していてもＣＮＴだけを特定できる。また、視野によるバラツキを考慮して複数視野測定することで精度を高めることができる。
【００２９】
また、ＣＮＴは当然その長手方向に熱伝導性がよいので、冷却性能を向上させるためには、シリンダの上死点近傍の内周面の複合材料中のＣＮＴが特定方向に配向しているのが望ましい。詳しくは、シリンダの上死点近傍の複合材料中のＣＮＴの配向性として、ライナ／ボアから外（ライナ／ボアの軸方向に対し垂直方向）に向かって、少なくともライナ／ボアの軸方向に対し垂直方向に向いたものを含んでいることが好ましい。具体的には、シリンダの上死点近傍の内周面の複合材料中のＣＮＴの配向性（配向率）として、より好ましくは３次元ランダムよりはライナ／ボアの軸方向に対し垂直方向に配向していればよく、３３％超である。上記ＣＮＴの配向率の上限は、特に制限されるものではなく１００％であってもよいことになるが、こうしたものは製造し難いことから、５０％程度あれば、性能上有効であり、製造上も以下に説明するような従来公知の方法により容易に得ることができる点でコスト的にも有利である。ただし、上記範囲に特に制限されるものではない。この場合、シリンダの上死点近傍の内周面の複合材料中のＣＮＴが特定方向に配向していればよい。好ましくはシリンダの上死点近傍での、内周面以外のライナ／ボアの軸方向に対し垂直な方向（面内）に外れる部分についても、複合材料を用いている形成して部分については、ＣＮＴが同様の方向に配向しているのが望ましい。
【００３０】
こうした複合材料中のＣＮＴの特定方向の配向性（配向率）の測定方法は、特に制限されるものではない。例えば、切り出した試料を高倍率の電子顕微鏡で観察して、視野中のＣＮＴの向きを観察することにより求めることができる。この方法では他にＣＮＴ以外の強化繊維が混在していてもＣＮＴだけを特定できる。また、視野によるバラツキを考慮して複数視野測定することで精度を高めることが望ましいのは言うまでもない。
【００３１】
逆に、シリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分、特に、ライナ／ボアの軸方向で外れる部分では、熱や摩擦摩耗の負荷は小さいのでＣＮＴの含有量は低くても良い。よって、本発明では、他の部分ではＣＮＴの含有量がゼロ、即ち、ＣＮＴを含まない場合も含まれる。ただし、他の部分の構成（組成）に関しては特に制限されるものではない。例えば、ＣＮＴの含有率をシリンダの上死点近傍と他の部分を含めたピストンが摺動するライナ／ボアの内周面全体を均一にした場合や他の部分のＣＮＴの含有率を高くした場合でも、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明に含まれるものとする。更に、シリンダの上死点近傍のほかに、他の部分の一部を含む範囲、例えば、上死点から下死点に向かって２５ｍｍの範囲を、２５ｍｍよりも下死点側の部分よりもＣＮＴの含有率を高めにしたような場合にも、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の技術範囲に含まれるものである。
【００３２】
また、シリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる他の部分において、ピストンとの摺動抵抗を小さくするためには、ＣＮＴはピストンの摺動方向、即ちライナ／ボアの軸方向に配向するものが含まれていることが望ましい。具体的には、シリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる他の部分の複合材料中のＣＮＴの配向性（配向率）として、より好ましくは３次元ランダムよりはライナ／ボアの軸方向に配向していればよく、３３％超である。上記ＣＮＴの配向率の上限は、特に制限されるものではなく１００％であってもよいことになるが、こうしたものは製造し難いことから、５０％程度あれば、性能上有効であり、製造上も以下に説明するような従来公知の方法により容易に得ることができる点でコスト的にも有利である。ただし、上記範囲に特に制限されるものではない。この場合にも、シリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる他の部分の内周面の複合材料中のＣＮＴが特定方向に配向していればよいが、好ましくはシリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる部分での、内周面以外のライナ／ボアの軸方向に対し垂直な方向（面内）の部分についても、ＣＮＴが同様の方向に配向していてもよい。
【００３３】
こうした複合材料の製造方法は、従来の複合材シリンダと同様の製法で可能である。即ち、所定量のＣＮＴをバインダで固定したプリフォームを金型において、例えば、溶融アルミ合金を注湯してその間隙に含浸させることで一体シリンダブロックができる。この方法では、ほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向する。この点を、図面を用いて詳しくする。図１は、本発明のシリンダ（例えば、シリンダブロックやシリンダライナ）を製造する方法の一実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させ、バインダで固定した筒状のプリフォームを得るまでの工程概略図である。図１に示すように、プリフォームは、まずスラリー作製工程として、通常は容器１０内の溶媒１１中にＣＮＴ１２とバインダ１３を添加、混合、攪拌してスラリー１４を作製する（図１（ａ）参照）。次に、脱水（脱溶媒）工程として、得られたスラリー１４を型（例えば、ライナ形状にするなら、中抜きの円筒型）１５にいれ、型１５の下端からフィルタ１６を通して溶媒１１を抜き、ＣＮＴ１２とバインダ１３からなるグリーン体１７を得る。この際にＣＮＴ１２は、フィルタ１６に沿って積層（配向）するので、ほぼ２次元ランダムに配向したグリーン体１７ができる（図１（ｂ）（ｃ）参照）。次に、焼成工程として、得られたグリーン体１７を乾燥、焼成してプリフォーム１８とする（図１（ｄ）参照）。このプリフォームを金型において、例えば、溶融アルミ合金を注湯してその間隙に含浸させることで、一体シリンダブロック（例えば、中抜きの円筒状の金型を用いることで、その内周面の表面がＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料からなるシリンダブロックまたはシリンダライナ）ができる。ＣＮＴの含有率の異なるプリフォームを重ねてセットすれば上死点近傍をＣＮＴの含有率の高い複合材料とすることができる。また、同様にライナ形状の複合材料を作っておいて、そのライナをシリンダブロックにインサートすることでもできる。
【００３４】
また別の製造方法として、例えば、アルミ合金粉末とＣＮＴとを分散、混合させたものを焼結させ複合体とし、それから押し出し加工などでライナとしたものをシリンダブロックにインサートしても良い。この方法では、ほぼ軸方向に配向した複合材が得られる。この点を、図面を用いて詳しくする。図２は、本発明のシリンダを製造する方法の他の実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に配向させた筒状のシリンダライナを得るまでの製造工程図である。図２に示すように、分散・混合工程として、金属粉末（例えば、アルミ合金粉末）２０とＣＮＴ２１をメカニカルに分散、混合する（図２（ａ）参照）。次に、焼結工程として、分散、混合した材料２２を焼結することで、ＣＮＴ２１が３次元ランダムに配向した複合材２３ができる（図２（ｂ）参照）。次に、塑性加工（圧延・押し出し）工程として、この複合材２３を圧延や押し出しのような塑性加工を加えることによって、マトリックス（金属）２４の塑性流動に伴ってＣＮＴ２１も向きが揃い１方向に配向した軽合金複合材料からなる筒状のシリンダライナ（ないし棒状の素材）２５を得ることができる（図２（ｃ）参照）。
【００３５】
さらに、後述する実施例で示す製造方法のように、図２で説明した分散・混合工程、焼結工程（更には塑性加工工程）を行って作製した棒状の素材を熱間で静水圧成形して緻密化したものを切り出し、筒状のシリンダライナとしてもよい。この方法では、実施例と同様に、ＣＮＴの配向が、ほぼ３次元ランダムな軽合金複合材料からなるシリンダライナを得ることができる。
【００３６】
なお、本発明では、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面が軽合金複合材料からなるものであればよく、該シリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面の表面層（表面から１〜２ｍｍ程度の深さ）以外の部分や上死点及びその近傍よりも下死点側の部分の材質に関しては、本発明の作用効果を有効に発揮することができるものであれば特に限定されるものではない。よって、従来公知の各種シリンダ材料を適宜利用することができるものであり、アルミニウム合金などの軽金属や鋳鉄などを用いることができる。好ましくは、エンジンを軽量化するため、軽量アルミ合金やアルミ−過共晶シリコン合金を用いるのが望ましい。
【００３７】
また、本発明のシリンダの摺動相手材であるピストン或いはピストンリングの材質は限定されるものではない。例としてピストン本体としては、アルミ合金鋳物、例えば、ＪＩＳ−Ｈ５２０２ ＡＣ８Ａなどでスカート部にめっき処理を施してあるものが挙げられる。ピストンリングとしては、ステンレス鋼や鋳鉄に硬質クロムめっき処理或いは窒化処理、溶射によるモリブデンコーティング、ダイヤモンドライクカーボンをＰＶＤまたはＣＶＤでコーティングしたものなどが挙げられる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を具体的に説明するために、実施例及び比較例を示す。
【００３９】
実施例１〜３及び比較例１〜２
下記表１に示す含有率となるように所定量のＣＮＴ（直径が２０〜５０ｎｍ、長さが数μｍの多層ＣＮＴを使用）を、アルミ−１２％シリコン合金粉と混合（比較例１ではＣＮＴを混合することなく）・撹拌し、冷間プレスで丸棒状に成形した後、不活性雰囲気中で加熱して素材を作製した。この素材を熱間で静水圧成形して緻密化したものを切り出し、筒状の複合材からなるライナ部材（上部ライナ及び下部ライナ）をそれぞれ得た（比較例１及び実施例１〜３で用いるサンプルＮｏ．１〜４のライナ部材）。このようにしてできたＣＮＴの含有率の同じ（比較例１）または異なる（実施例１〜３）ライナ部材（上部ライナと下部ライナ）を接合して一体化したシリンダライナを４気筒２０００ｃｃエンジンシリンダブロックにインサートし、運転し加速試験を行なった。また、比較例２で用いるサンプルＮｏ．５のシリンダライナには、鋳鉄ライナを用い、他の実施例、比較例と同様にして、このシリンダライナを４気筒２０００ｃｃエンジンシリンダブロックにインサートし、運転し加速試験を行なった。
【００４０】
なお、ＣＮＴの配向は、実施例１〜３のいずれのサンプルのライナ部材（上部ライナ及び下部ライナ）も、ほぼ３次元ランダムであった。
【００４１】
また、ＣＮＴの含有率の異なるライナ部材は、シリンダ上死点及びその近傍のライナ部材として上死点から下死点に向かって２５ｍｍの範囲となる上部ライナを作製し、他の部分のライナ部材として上死点から下死点に向かって２５ｍｍより下死点側の部分となる下部ライナを作製し、これら２つのライナ部材を接合して一体化して、シリンダライナとした。
【００４２】
表１に、シリンダライナの仕様と上死点での温度低下の計測結果を比較例２の鋳鉄ライナの場合と比較して示す。
【００４３】
表１の「摩擦状況」の判定方法は、目視以外に断面のプロファイルを計測し最大磨耗量（μｍ）がある基準（ここでは１５μｍ）を超えると×（ＮＧ）とし、該基準以内を○（良好）とした。
【００４４】
上記表１のシリンダの上死点近傍のＣＮＴ含有率（体積％）は上部ライナ中のＣＮＴ含有率（体積％）を示し、他の部分のＣＮＴ含有率（体積％）は下部ライナ中のＣＮＴ含有率（体積％）を示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
表１の結果から明らかなように、シリンダライナの上死点近傍を、ＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料とし、他の部分よりもＣＮＴの含有率を高くすることにより、熱的にも摩擦磨耗の点でも負荷が最も厳しい上死点及びその近傍の摩耗とともに温度上昇を抑えることができることが確認できた。
【００４７】
このことから、シリンダの上死点近傍の重点的な性能向上により、燃焼室の熱の流れの１つであるピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路での熱の流れがよりスムーズにでき、摩耗と共に温度上昇を抑えることが可能となり、エンジンの冷却性を高め、耐ノッキング性、出力、燃費の向上を図れ、内燃機関の圧縮比を向上に大いに貢献し得るものといえる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のシリンダ（例えば、シリンダブロックやシリンダライナ）を製造する方法の一実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させ、バインダで固定した筒状のプリフォームを得るまでの工程概略図である。図１（ａ）は、スラリー作製工程を模式的に表した概略断面図である。図１（ｂ）は、脱水（脱溶媒）工程を模式的に表した概略断面図である。図１（ｃ）は、脱水（脱溶媒）工程で得られた、ＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させてなる筒状のグリーン体の概略断面図である。図１（ｄ）は、焼成工程で得られた、ＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させてなる筒状のプリフォームの概略断面図である。
【図２】本発明のシリンダ（例えば、シリンダライナ）を製造する方法の他の実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に配向させた筒状のシリンダライナを得るまでの工程概略図である。図２（ａ）は、分散、混合工程を模式的に表した概略図である。図２（ｂ）は、焼結工程で得られた、ＣＮＴが３次元ランダムに配向した複合材の概略図である。図２（ｃ）は、塑性加工（圧延・押し出し）工程で得られた、ＣＮＴ２２の向きが揃いほぼ１方向（軸方向）に配向した筒状のシリンダライナの概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 容器、
１１ 溶媒、
１２ ＣＮＴ、
１３ バインダ、
１４ スラリー、
１５ 型、
１６ フィルタ、
１７ グリーン体、
１８ プリフォーム、
２０ 金属粉末、
２１ ＣＮＴ、
２２ 分散、混合した材料、
２３ 複合材、
２４ マトリックス（金属）、
２５ シリンダライナ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽金属複合材料を用いてなるシリンダに関する。より詳しくは、少なくとも、カーボンナノチューブ（以下、単にＣＮＴともいう）を強化材とする軽合金複合材料を用いてなるシリンダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の内燃機関のうち、軽量化を目的としたシリンダブロックではアルミニウム合金（以下、単にアルミ合金ともいう）製のものが多い。ピストンと摺動するシリンダボアの内周面は、耐摩耗性、耐焼きつき性、低摩擦性といった摩擦磨耗特性が要求されることから一般的には鋳鉄製のライナが使用されることが多い。しかし、更なる軽量化、ボア間隔を詰めること、を狙ってライナレスのシリンダブロックを使用するものが現れている（例えば、非特許文献１、２参照。）。その場合にはシリンダボアの内周面は、炭素繊維やセラミック短繊維を強化材とした複合材として前記特性を付与している。このライナレスのエンジンはライナ入りのエンジンに比べて軽量化、コンパクト化が進むだけでなく冷却性能が向上し高出力化が可能となる。
【非特許文献１】ＳＡＥｐａｐｅｒ８９０５５７
【非特許文献２】ＳＡＥｐａｐｅｒ９１０８３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、エンジンの高出力化に伴い上記非特許文献１、２に記載のライナレスのエンジンをもってしても燃焼室周辺は熱的にさらに厳しい環境になりつつあり、シリンダもさらなる性能向上が望まれている。
【０００４】
燃焼室の熱の流れの１つにピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路がある。ここでシリンダの熱伝導性をより高めることができればこの熱の流れはよりスムーズになり、エンジンの冷却性も高まり耐ノッキング性、出力、燃費の向上が図れる。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、シリンダの熱伝導性を向上させ、燃焼室温度の過熱を抑えることのできるシリンダを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍（以下、単にシリンダ近傍とも略記する）の内周面が、カーボンナノチューブを強化材とする軽合金複合材料からなることを特徴とするシリンダである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シリンダライナまたはシリンダボア（以下、単にライナ／ボアともいう）の上死点及びその近傍の内周面をＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料とすることにより、上死点及びその近傍の摩耗と共に温度上昇を抑えることができる。即ち、シリンダの軽量化、耐摩耗性等の特性だけでなく、シリンダの熱伝導性を高めることができる。これにより、エンジンの高出力化に伴い上記非特許文献１、２に記載のライナレスのエンジンをもってしても燃焼室周辺は熱的にさらに厳しい環境であったものを、燃焼室の熱の流れの１つであるピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路での熱の流れをよりスムーズに改善し得ることができる。よって、エンジンの高出力化に伴い熱的にさらに厳しい環境下にあっても燃焼室温度の過熱を効果的に抑えることができる。その結果、エンジンの冷却性も高まり、耐ノッキング性、出力、燃費の向上が図れ、内燃機関の圧縮比も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のシリンダは、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダの上死点近傍の内周面が、ＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料（以下、単に軽合金複合材料、あるいは複合材料と略記する）からなることを特徴とするものである。
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
エンジンの中でシリンダブロックの重量の占める割合は高く、エンジンを軽量化するためシリンダブロックを軽量アルミ合金製とし、シリンダボアの内周面にはピストンとの摺動による摩擦摩耗特性が必要なため鋳鉄ライナをインサートするものが一般的である。更なる軽量化、ボア間隔をつめてエンジンを小型化する、シリンダライナとシリンダブロックとの熱の流れを高めるという目的でライナレスのシリンダブロックを用いたエンジンも現れている。耐摩耗性を確保するためにアルミ−過共晶シリコン合金モノブロックであるとか、通常のアルミ合金モノブロックのシリンダにめっきや溶射を施して耐摩耗性を付与したものなどがある（「まてりあ」第３９巻第１号１８〜１９頁）。
【００１１】
しかし、アルミ−過共晶シリコン合金は鋳造性、機械加工性が悪いという問題がある。まためっきや溶射は処理工程が増すとか作業時の廃液や粉塵といった環境上の問題がある。
【００１２】
またこの他に、シリンダライナに代わりセラミック繊維や炭素繊維からなるプリフォームを金型にセットした状態でアルミ合金を注湯してシリンダ部を複合材としたシリンダブロックが得られている。この場合はプリフォーム作製にコストが必要であり、鋳造方法や条件に工夫が必要ではあるが、耐摩耗性と熱伝導性を同時に成立させられる。ただ、それでもプリフォームとして使用されるセラミック繊維や炭素繊維の熱伝導性は、マトリックスのアルミ合金より劣るため、その分だけ冷却性能も低いものになる。
【００１３】
ＣＮＴはその構造に起因して特異な性質を有している。熱伝導率と機械的特性は他の物質とは桁違いの値を示し、他の材料中に添加して複合材とすることで優れた性能を有する材料が得られる。アルミ合金のような軽金属をマトリックスとし、ＣＮＴを添加した軽合金複合材料は、軽量、高強度で熱伝導性が優れている。さらに、耐摩耗性、フリクション性能も優れ熱膨張も抑えられる。そのため、このような軽合金複合材料は、シリンダ材料に適しており、従来のセラミック繊維や炭素繊維を用いた複合材シリンダより特に熱伝導性が優れているので冷却性能も向上し、エンジンの高出力化に対応できることを本発明者らは明らかにしたものである。
【００１４】
本発明のシリンダとしては、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面を含むものであればよく、上述するようなライナレスのシリンダブロック、シリンダライナを用いたシリンダブロックのいずれであってもよい。またシリンダライナ単独の場合も本発明に含まれるものとする。さらに、これらシリンダブロックないしシリンダライナ以外にも当該シリンダブロック側に用いられる他の各種構成部品を含むものであっても良い。また、シリンダブロック側の構成部品のほかに、シリンダヘッドカバー側の各種構成部品を含むものであっても良いなど、特に制限されるものではなく、より広義に解されるべきものである。
【００１５】
本発明に用いられる軽合金複合材料は、ＣＮＴを強化材として含むものであればよい。
【００１６】
かかるＣＮＴは、本発明の狙いである伝熱性の向上、強化及びそれに伴う耐摩耗性向上を達成することができる炭素材（強化材）であり、その種類、寸法、製法などは特に限定されるものではない。よって、ＣＮＴの種類としては、単層ＣＮＴ、多層ＣＮＴなど、あらゆる種類のものが利用可能であり、これらを併用することもできる。また、シリンダの製造工程でＣＮＴも高温に曝されるので７００℃程度までは安定なＣＮＴが望ましい。ＣＮＴの寸法（長さ、太さ、アスペクト比等）についても、普通に入手できる範囲のものを利用することもできるし、以下に示すような方法で所望の種類、寸法、熱的特性などを有するＣＮＴを製造してもよい。該ＣＮＴの製法としては、例えば、アーク放電法、ＣＶＤ（化学気相成長法ないし化学蒸着法）などが挙げられるが、これらの製法に何ら限定されるものではない。
【００１７】
また、本発明に用いられる軽合金複合材料では、他のセラミックス繊維や金属繊維あるいはセラミックス繊維やウィスカを伝熱性が損なわれない範囲で強化材として含んでいても良い。例えば、炭化珪素やホウ酸アルミニウムなどの短繊維やウィスカまたはアルミナ−シリカ系の短繊維なども全体として熱伝導性が上がる範囲で、更に生産性やコストに支障ない範囲で含有していてもよい。これらの強化材の含有率に関しては、上記要件を満足する範囲であれば特に制限されるものではなく、例えば、ＣＮＴと同量以下であれば、少なくとも伝熱性の点からは適用可能であるといえる。
【００１８】
また、軽合金複合材料のマトリックス材料である軽金属材料としては、特に制限されるものではなく、シリンダに適用可能な各種軽金属材料を用いることができる。例えば、既にエンジンのシリンダブロック等の用いられている既存の軽金属材料である、軽量アルミ合金、アルミ−過共晶シリコン合金、通常のアルミ合金などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
【００１９】
本発明では、シリンダすべての領域を複合材料により高性能化する必要はない。シリンダの上死点近傍が熱的にも厳しく、また境界潤滑となり摩擦摩耗の点でも最も厳しい負荷を受ける。従って、特にシリンダの上死点近傍の性能を重点的に向上させる必要がある。
【００２０】
そのために、シリンダの上死点近傍、より詳しくは上死点から下死点に向かって２０ｍｍの範囲、特に好ましくは上死点から下死点に向かって１０ｍｍの範囲を複合材料によって、より強化するのが望ましい。これは、熱的負荷及び摩擦摩耗が厳しいのはシリンダの上死点のごく近傍だけであるので、上死点から下死点に向かって１０ｍｍの範囲で、耐摩耗性、熱伝導性等の特性が強化されていれば十分なためである。即ち、かかる範囲を複合材料で強化することで、シリンダの耐摩耗性を向上することができる。更にライナ／ボアの上死点近傍の内周面の熱伝導性を高めることで、燃焼室の熱の流れの１つであるピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路での熱の流れをよりスムーズに形成することができ、燃焼室温度の過熱を抑えることにもつながるものである（表１の実施例１〜３の上死点温度降下の欄参照）。よって、上死点から下死点に向かって２０ｍｍを越えて、耐摩耗性、熱伝導性等の特性を特に強化する必要はない。すなわち、上死点から下死点に向かって２０ｍｍを越えて強化しても性能上何ら問題はないが、経済性等の観点から、上記範囲が望ましいといえる。したがって、シリンダの上死点近傍の範囲のほかに、他の部分の一部ないし全部を複合材料で強化したような場合でも、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の技術範囲に含まれるものである。例えば、上死点から下死点に向かって２５ｍｍまでの範囲を、上死点から下死点に向かって２５ｍｍよりも下死点側の部分よりもＣＮＴの含有率を高めにしてその特性を強化したような場合などは、実施例１〜３の結果から明らかなように、本発明に含まれ得るものといえる。
【００２１】
また、ライナ／ボアの軸方向に垂直な方向（深さないし厚さ）への複合材料の適用範囲としては、少なくとも、ピストンが摺動するライナ／ボアの上死点近傍の内周面部分が、ＣＮＴを強化材とする複合材料で形成されていればよい。好ましくはライナ／ボアの内周面から１ｍｍ以上、好ましくは１〜２ｍｍの深さまで該複合材料で形成されていればよい。該複合材料が形成されている厚さ（深さ）が、ライナ／ボアの内周面から１ｍｍ未満では、境界潤滑となる上死点（及びその近傍）の耐摩耗性が不十分となる虞れがある。一方、厚い分には性能上の不具合はなく、特に制限されるものではない。即ち、ある程度以上の厚さがあれば効果はほとんど変わらなくなることから、上記したように、ライナ／ボアの内周面から２ｍｍの厚さがあれば十分であり、経済的にも有利である。
【００２２】
本発明において、ＣＮＴを強化材とする複合材料を適用する部分を、少なくとも、シリンダの上死点近傍の内周面としたのは、最低限、シリンダの上死点のごく近傍の内周面を該複合材料で強化すれば、所望の作用効果を有効且つ効果的に発揮し得る為である。言い換えれば、本発明では、上記したシリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分には必ずしも複合材料を用いる必要はないが、そうかといって複合材料を用いることを何ら制限するものでない。なお、シリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分には、（１）ライナ／ボアの軸方向で外れる部分と、（２）ライナ／ボアの軸方向に対し垂直な方向（面内）に外れる部分との両方が含まれるものとする。ただし、本発明では、軽量化及び耐摩耗性等の特性を損なうことなく有効かつ効果的にシリンダの熱伝導性向上効果を発揮させ得るものが望ましい。かかる観点から、シリンダの軽量化、耐摩耗性及び熱伝導性の諸特性を比較考量して、シリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分の材料を選択するのが望ましいといえる。
【００２３】
また、本発明では、シリンダの耐摩耗性及び熱伝導性の特性をより強化するために、シリンダの上死点近傍の複合材料中のＣＮＴの含有率は、２〜２０体積％がよい。ＣＮＴの含有率が小さいと添加効果は小さく、ＣＮＴの含有率が大きすぎても性能向上の効果は変わらず、むしろコスト増や均一分散が難しいなどの難点も生じる。したがって、特にシリンダの上死点近傍の複合材料中のＣＮＴの含有率としては２〜２０体積％がよい。
【００２４】
さらに、シリンダの上死点近傍の内周面部分の複合材料のＣＮＴの含有率を他の部分（領域）より高めておくのがより望ましい（実施例１〜３参照のこと）。シリンダの上死点近傍の内周面以外のＣＮＴの含有率については、本発明の作用効果を有効に奏し得る範囲であれば、特に制限されるものではない。これは、他の部分よりシリンダの上死点近傍の内周面部分を複合材料とするのが他の部分を複合材料とするよりも、耐摩耗性、熱伝導性等の特性向上効果が大きいためである。よって、シリンダの上死点近傍の内周面部分以外の他の部分では、ＣＮＴを含有しなくてもよい（即ち、複合材料を用いなくてもよいといえる）。従って、他の部分を複合材料とするならシリンダの上死点近傍の内周面部分にはもっとＣＮＴを多く含んだ複合材料を用いることが、耐摩耗性、熱伝導性等の特性向上効果を効率よく発現する上で有効といえる。
【００２５】
上記複合材料中のＣＮＴの含有率の測定方法は、特に制限されるものではない。例えば、強化材がＣＮＴだけの場合は、試料を切り出して密度を測定すれば、次式からＣＮＴの含有率を計算することができる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ρ：試料の密度、ρＭ：マトリックス金属の密度、ＶＭ：マトリックス金属の体積率（＝１−ＶＣ）、ρＣ：ＣＮＴの密度、ＶＣ：ＣＮＴの体積率
ρＭ、ρＣは既知であるので、ρを求めれば、ＶＣが分かる。
【００２８】
あるいは、切り出した試料を高倍率の電子顕微鏡で観察して、視野中のＣＮＴの面積率を求めても良い。この方法では他にＣＮＴ以外の強化繊維が混在していてもＣＮＴだけを特定できる。また、視野によるバラツキを考慮して複数視野測定することで精度を高めることができる。
【００２９】
また、ＣＮＴは当然その長手方向に熱伝導性がよいので、冷却性能を向上させるためには、シリンダの上死点近傍の内周面の複合材料中のＣＮＴが特定方向に配向しているのが望ましい。詳しくは、シリンダの上死点近傍の複合材料中のＣＮＴの配向性として、ライナ／ボアから外（ライナ／ボアの軸方向に対し垂直方向）に向かって、少なくともライナ／ボアの軸方向に対し垂直方向に向いたものを含んでいることが好ましい。具体的には、シリンダの上死点近傍の内周面の複合材料中のＣＮＴの配向性（配向率）として、より好ましくは３次元ランダムよりはライナ／ボアの軸方向に対し垂直方向に配向していればよく、３３％超である。上記ＣＮＴの配向率の上限は、特に制限されるものではなく１００％であってもよいことになるが、こうしたものは製造し難いことから、５０％程度あれば、性能上有効であり、製造上も以下に説明するような従来公知の方法により容易に得ることができる点でコスト的にも有利である。ただし、上記範囲に特に制限されるものではない。この場合、シリンダの上死点近傍の内周面の複合材料中のＣＮＴが特定方向に配向していればよい。好ましくはシリンダの上死点近傍での、内周面以外のライナ／ボアの軸方向に対し垂直な方向（面内）に外れる部分についても、複合材料を用いている形成して部分については、ＣＮＴが同様の方向に配向しているのが望ましい。
【００３０】
こうした複合材料中のＣＮＴの特定方向の配向性（配向率）の測定方法は、特に制限されるものではない。例えば、切り出した試料を高倍率の電子顕微鏡で観察して、視野中のＣＮＴの向きを観察することにより求めることができる。この方法では他にＣＮＴ以外の強化繊維が混在していてもＣＮＴだけを特定できる。また、視野によるバラツキを考慮して複数視野測定することで精度を高めることが望ましいのは言うまでもない。
【００３１】
逆に、シリンダの上死点近傍の内周面以外の他の部分、特に、ライナ／ボアの軸方向で外れる部分では、熱や摩擦摩耗の負荷は小さいのでＣＮＴの含有量は低くても良い。よって、本発明では、他の部分ではＣＮＴの含有量がゼロ、即ち、ＣＮＴを含まない場合も含まれる。ただし、他の部分の構成（組成）に関しては特に制限されるものではない。例えば、ＣＮＴの含有率をシリンダの上死点近傍と他の部分を含めたピストンが摺動するライナ／ボアの内周面全体を均一にした場合や他の部分のＣＮＴの含有率を高くした場合でも、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明に含まれるものとする。更に、シリンダの上死点近傍のほかに、他の部分の一部を含む範囲、例えば、上死点から下死点に向かって２５ｍｍの範囲を、２５ｍｍよりも下死点側の部分よりもＣＮＴの含有率を高めにしたような場合にも、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の技術範囲に含まれるものである。
【００３２】
また、シリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる他の部分において、ピストンとの摺動抵抗を小さくするためには、ＣＮＴはピストンの摺動方向、即ちライナ／ボアの軸方向に配向するものが含まれていることが望ましい。具体的には、シリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる他の部分の複合材料中のＣＮＴの配向性（配向率）として、より好ましくは３次元ランダムよりはライナ／ボアの軸方向に配向していればよく、３３％超である。上記ＣＮＴの配向率の上限は、特に制限されるものではなく１００％であってもよいことになるが、こうしたものは製造し難いことから、５０％程度あれば、性能上有効であり、製造上も以下に説明するような従来公知の方法により容易に得ることができる点でコスト的にも有利である。ただし、上記範囲に特に制限されるものではない。この場合にも、シリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる他の部分の内周面の複合材料中のＣＮＴが特定方向に配向していればよいが、好ましくはシリンダの上死点近傍からライナ／ボアの軸方向に外れる部分での、内周面以外のライナ／ボアの軸方向に対し垂直な方向（面内）の部分についても、ＣＮＴが同様の方向に配向していてもよい。
【００３３】
こうした複合材料の製造方法は、従来の複合材シリンダと同様の製法で可能である。即ち、所定量のＣＮＴをバインダで固定したプリフォームを金型において、例えば、溶融アルミ合金を注湯してその間隙に含浸させることで一体シリンダブロックができる。この方法では、ほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向する。この点を、図面を用いて詳しくする。図１は、本発明のシリンダ（例えば、シリンダブロックやシリンダライナ）を製造する方法の一実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させ、バインダで固定した筒状のプリフォームを得るまでの工程概略図である。図１に示すように、プリフォームは、まずスラリー作製工程として、通常は容器１０内の溶媒１１中にＣＮＴ１２とバインダ１３を添加、混合、攪拌してスラリー１４を作製する（図１（ａ）参照）。次に、脱水（脱溶媒）工程として、得られたスラリー１４を型（例えば、ライナ形状にするなら、中抜きの円筒型）１５にいれ、型１５の下端からフィルタ１６を通して溶媒１１を抜き、ＣＮＴ１２とバインダ１３からなるグリーン体１７を得る。この際にＣＮＴ１２は、フィルタ１６に沿って積層（配向）するので、ほぼ２次元ランダムに配向したグリーン体１７ができる（図１（ｂ）（ｃ）参照）。次に、焼成工程として、得られたグリーン体１７を乾燥、焼成してプリフォーム１８とする（図１（ｄ）参照）。このプリフォームを金型において、例えば、溶融アルミ合金を注湯してその間隙に含浸させることで、一体シリンダブロック（例えば、中抜きの円筒状の金型を用いることで、その内周面の表面がＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料からなるシリンダブロックまたはシリンダライナ）ができる。ＣＮＴの含有率の異なるプリフォームを重ねてセットすれば上死点近傍をＣＮＴの含有率の高い複合材料とすることができる。また、同様にライナ形状の複合材料を作っておいて、そのライナをシリンダブロックにインサートすることでもできる。
【００３４】
また別の製造方法として、例えば、アルミ合金粉末とＣＮＴとを分散、混合させたものを焼結させ複合体とし、それから押し出し加工などでライナとしたものをシリンダブロックにインサートしても良い。この方法では、ほぼ軸方向に配向した複合材が得られる。この点を、図面を用いて詳しくする。図２は、本発明のシリンダを製造する方法の他の実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に配向させた筒状のシリンダライナを得るまでの製造工程図である。図２に示すように、分散・混合工程として、金属粉末（例えば、アルミ合金粉末）２０とＣＮＴ２１をメカニカルに分散、混合する（図２（ａ）参照）。次に、焼結工程として、分散、混合した材料２２を焼結することで、ＣＮＴ２１が３次元ランダムに配向した複合材２３ができる（図２（ｂ）参照）。次に、塑性加工（圧延・押し出し）工程として、この複合材２３を圧延や押し出しのような塑性加工を加えることによって、マトリックス（金属）２４の塑性流動に伴ってＣＮＴ２１も向きが揃い１方向に配向した軽合金複合材料からなる筒状のシリンダライナ（ないし棒状の素材）２５を得ることができる（図２（ｃ）参照）。
【００３５】
さらに、後述する実施例で示す製造方法のように、図２で説明した分散・混合工程、焼結工程（更には塑性加工工程）を行って作製した棒状の素材を熱間で静水圧成形して緻密化したものを切り出し、筒状のシリンダライナとしてもよい。この方法では、実施例と同様に、ＣＮＴの配向が、ほぼ３次元ランダムな軽合金複合材料からなるシリンダライナを得ることができる。
【００３６】
なお、本発明では、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面が軽合金複合材料からなるものであればよく、該シリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面の表面層（表面から１〜２ｍｍ程度の深さ）以外の部分や上死点及びその近傍よりも下死点側の部分の材質に関しては、本発明の作用効果を有効に発揮することができるものであれば特に限定されるものではない。よって、従来公知の各種シリンダ材料を適宜利用することができるものであり、アルミニウム合金などの軽金属や鋳鉄などを用いることができる。好ましくは、エンジンを軽量化するため、軽量アルミ合金やアルミ−過共晶シリコン合金を用いるのが望ましい。
【００３７】
また、本発明のシリンダの摺動相手材であるピストン或いはピストンリングの材質は限定されるものではない。例としてピストン本体としては、アルミ合金鋳物、例えば、ＪＩＳ−Ｈ５２０２ ＡＣ８Ａなどでスカート部にめっき処理を施してあるものが挙げられる。ピストンリングとしては、ステンレス鋼や鋳鉄に硬質クロムめっき処理或いは窒化処理、溶射によるモリブデンコーティング、ダイヤモンドライクカーボンをＰＶＤまたはＣＶＤでコーティングしたものなどが挙げられる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を具体的に説明するために、実施例及び比較例を示す。
【００３９】
実施例１〜３及び比較例１〜２
下記表１に示す含有率となるように所定量のＣＮＴ（直径が２０〜５０ｎｍ、長さが数μｍの多層ＣＮＴを使用）を、アルミ−１２％シリコン合金粉と混合（比較例１ではＣＮＴを混合することなく）・撹拌し、冷間プレスで丸棒状に成形した後、不活性雰囲気中で加熱して素材を作製した。この素材を熱間で静水圧成形して緻密化したものを切り出し、筒状の複合材からなるライナ部材（上部ライナ及び下部ライナ）をそれぞれ得た（比較例１及び実施例１〜３で用いるサンプルＮｏ．１〜４のライナ部材）。このようにしてできたＣＮＴの含有率の同じ（比較例１）または異なる（実施例１〜３）ライナ部材（上部ライナと下部ライナ）を接合して一体化したシリンダライナを４気筒２０００ｃｃエンジンシリンダブロックにインサートし、運転し加速試験を行なった。また、比較例２で用いるサンプルＮｏ．５のシリンダライナには、鋳鉄ライナを用い、他の実施例、比較例と同様にして、このシリンダライナを４気筒２０００ｃｃエンジンシリンダブロックにインサートし、運転し加速試験を行なった。
【００４０】
なお、ＣＮＴの配向は、実施例１〜３のいずれのサンプルのライナ部材（上部ライナ及び下部ライナ）も、ほぼ３次元ランダムであった。
【００４１】
また、ＣＮＴの含有率の異なるライナ部材は、シリンダ上死点及びその近傍のライナ部材として上死点から下死点に向かって２５ｍｍの範囲となる上部ライナを作製し、他の部分のライナ部材として上死点から下死点に向かって２５ｍｍより下死点側の部分となる下部ライナを作製し、これら２つのライナ部材を接合して一体化して、シリンダライナとした。
【００４２】
表１に、シリンダライナの仕様と上死点での温度低下の計測結果を比較例２の鋳鉄ライナの場合と比較して示す。
【００４３】
表１の「摩擦状況」の判定方法は、目視以外に断面のプロファイルを計測し最大磨耗量（μｍ）がある基準（ここでは１５μｍ）を超えると×（ＮＧ）とし、該基準以内を○（良好）とした。
【００４４】
上記表１のシリンダの上死点近傍のＣＮＴ含有率（体積％）は上部ライナ中のＣＮＴ含有率（体積％）を示し、他の部分のＣＮＴ含有率（体積％）は下部ライナ中のＣＮＴ含有率（体積％）を示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
表１の結果から明らかなように、シリンダライナの上死点近傍を、ＣＮＴを強化材とする軽合金複合材料とし、他の部分よりもＣＮＴの含有率を高くすることにより、熱的にも摩擦磨耗の点でも負荷が最も厳しい上死点及びその近傍の摩耗とともに温度上昇を抑えることができることが確認できた。
【００４７】
このことから、シリンダの上死点近傍の重点的な性能向上により、燃焼室の熱の流れの１つであるピストン頂部からピストンリングへそしてシリンダへと伝わる経路での熱の流れがよりスムーズにでき、摩耗と共に温度上昇を抑えることが可能となり、エンジンの冷却性を高め、耐ノッキング性、出力、燃費の向上を図れ、内燃機関の圧縮比を向上に大いに貢献し得るものといえる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のシリンダ（例えば、シリンダブロックやシリンダライナ）を製造する方法の一実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させ、バインダで固定した筒状のプリフォームを得るまでの工程概略図である。図１（ａ）は、スラリー作製工程を模式的に表した概略断面図である。図１（ｂ）は、脱水（脱溶媒）工程を模式的に表した概略断面図である。図１（ｃ）は、脱水（脱溶媒）工程で得られた、ＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させてなる筒状のグリーン体の概略断面図である。図１（ｄ）は、焼成工程で得られた、ＣＮＴをほぼ軸方向に対し垂直面に２次元ランダムに配向させてなる筒状のプリフォームの概略断面図である。
【図２】本発明のシリンダ（例えば、シリンダライナ）を製造する方法の他の実施形態であって、所定量のＣＮＴをほぼ軸方向に配向させた筒状のシリンダライナを得るまでの工程概略図である。図２（ａ）は、分散、混合工程を模式的に表した概略図である。図２（ｂ）は、焼結工程で得られた、ＣＮＴが３次元ランダムに配向した複合材の概略図である。図２（ｃ）は、塑性加工（圧延・押し出し）工程で得られた、ＣＮＴ２２の向きが揃いほぼ１方向（軸方向）に配向した筒状のシリンダライナの概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 容器、
１１ 溶媒、
１２ ＣＮＴ、
１３ バインダ、
１４ スラリー、
１５ 型、
１６ フィルタ、
１７ グリーン体、
１８ プリフォーム、
２０ 金属粉末、
２１ ＣＮＴ、
２２ 分散、混合した材料、
２３ 複合材、
２４ マトリックス（金属）、
２５ シリンダライナ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面が、カーボンナノチューブを強化材とする軽合金複合材料からなることを特徴とするシリンダ。
【請求項２】
前記上死点及びその近傍の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブの含有率が、２〜２０体積％であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダ。
【請求項３】
前記上死点及びその近傍の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブの含有率が、他の部分より高いことを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ。
【請求項４】
前記上死点及びその近傍が、上死点から下死点に向かって２０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリンダ。
【請求項５】
前記上死点及びその近傍の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブは、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの軸方向に対し垂直方向の面内に配向しているものを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリンダ。
【請求項６】
上死点及びその近傍以外の領域の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブは、少なくともシリンダの軸方向に配向しているものを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリンダ。
【請求項１】
少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの上死点及びその近傍の内周面が、カーボンナノチューブを強化材とする軽合金複合材料からなることを特徴とするシリンダ。
【請求項２】
前記上死点及びその近傍の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブの含有率が、２〜２０体積％であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダ。
【請求項３】
前記上死点及びその近傍の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブの含有率が、他の部分より高いことを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ。
【請求項４】
前記上死点及びその近傍が、上死点から下死点に向かって２０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリンダ。
【請求項５】
前記上死点及びその近傍の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブは、少なくとも、ピストンが摺動するシリンダライナまたはシリンダボアの軸方向に対し垂直方向の面内に配向しているものを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリンダ。
【請求項６】
上死点及びその近傍以外の領域の前記軽合金複合材料中のカーボンナノチューブは、少なくともシリンダの軸方向に配向しているものを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリンダ。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−２４９９９４（Ｐ２００６−２４９９９４Ａ）
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−６５９１７（Ｐ２００５−６５９１７）
【出願日】平成１７年３月９日（２００５．３．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月９日（２００５．３．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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