金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及びジャーナル部構造
【課題】アルミニウム系合金による鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及び鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造を提供する。
【解決手段】アルミニウム系合金母材で鋳包みされる金属基複合材形成用鉄系プリフォーム１のプリフォーム本体１０に、内周面１１と外周面１２とを連通する第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを穿設すると共に、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内面に表面積拡大処理２２ｃが施される。鋳包み工程において、アルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２の周方向の収縮が、貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮によって均等に受け止められて、周方向の移動が抑制され、界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度が得られる。
【解決手段】アルミニウム系合金母材で鋳包みされる金属基複合材形成用鉄系プリフォーム１のプリフォーム本体１０に、内周面１１と外周面１２とを連通する第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを穿設すると共に、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内面に表面積拡大処理２２ｃが施される。鋳包み工程において、アルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２の周方向の収縮が、貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮によって均等に受け止められて、周方向の移動が抑制され、界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基複合材（Metal Matrix Composite：以下、頭文字をとってＭＭＣと言う）の形成に用いるアルミニウム系合金による鋳包み性に優れた金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及びジャーナル部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば車両用エンジンにおいては、重量軽減を図るためアルミニウム系合金を鋳造したシリンダブロックが広く使用されている。このようなエンジンにおいてはアルミニウム系合金（熱膨張係数：２１．０×１０−６／℃程度）よりなるシリンダブロックにジャーナル部を形成し、このジャーナル部に軸受メタルを介装して鉄系材料のクランクシャフト（熱膨張係数：９×１０−６〜１２×１０−６／℃程度）を軸支すると、エンジン作動時にはシリンダ内における混合気の燃焼により発生した熱がジャーナル部に伝達され、ジャーナル部の温度が上昇して鉄系材料のクランクシャフトとアルミニウム系合金からなる母材との熱膨張係数の差により、軸受メタルが介在するジャーナル部の軸受面とクランクシャフトとの間のクリアランスが過大になって車両走行時に振動や騒音の発生を招くことになる。
【０００３】
そこで、例えば、水平対向４気筒エンジンのクランクシャフトを軸支するジャーナル部にあっては、アルミニウム系合金からなる左右のシリンダブロックにそれぞれ中央部が半円弧状に凹設された軸受面を有するジャーナル部に、シリンダブロックの鋳造時に鉄系粉末焼結体からなる鉄系プリフォームを鋳包みして鉄系プリフォームをＭＭＣ化することにより、母材となるシリンダブロックのアルミニウム系合金を変更することなくジャーナル部に必要な熱膨張係数を得るようにしている。
【０００４】
ところが、アルミニウム系合金の母材の一部または全部をＭＭＣ化する場合、一般的に鋳造法、特に高速・高圧鋳造法（High Pressure Die Casting：以下、頭文字をとってＨＰＤＣと言う）を用いて界面の接合強度を確保し、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームにアルミニウム系合金を容易に溶浸させて密着性を安定的に確保することは極めて困難である。また、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームをアルミニウム系合金で鋳包む際には、鋳包み後のアルミニウム系合金溶湯の溶浸状態が機械的特性や物理的特性に大きく影響することが知られており、このような影響を少なくするために鋳造条件が制約されることが多い。
【０００５】
一方、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームの組織を基地中に遊離Ｃｕ相が分散した組織とし、更にショットブラスト処理或いは更に水蒸気処理を施し、プリフォームの表面粗さを特定の粗さ範囲とすることにより、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームとアルミニウム系合金の溶湯との濡れ性が向上してアルミニウム系合金による鋳包み性が向上し、アルミニウム系合金からなる母材と鉄系プリフォームとの接合強度が向上することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２０４２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１によると、Ｃｕが固溶して鉄系粉末焼結材からなるプリフォームの強度を増加させると共に、遊離Ｃｕ相として基地中に析出してプリフォームがアルミニウム系合金で鋳包まれる際にアルミニウム系合金と反応して界面の接合強度を増加させることができる。
【０００８】
しかし、アルミニウム系合金によって鋳包みする際に、プリフォームの形状や仕様等に起因してプリフォームと母材との界面が一定の接合強度に達する前に、プリフォームを鋳包むアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する応力が加わると界面の密着が不安定になり、かつ界面に隙間が発生して接合強度が不安定になることが懸念される。これらの界面における接合強度の不安定や、隙間の発生等の現象は、ＨＰＤＣのように急冷凝固を伴う場合に顕著である。
【０００９】
ジャーナル部においてアルミニウム系合金からなる母材とプリフォームとの界面に隙間があると、母材とプリフォームとの間の熱伝導効率が低下してジャーナル部の周方向において熱伝導率のバラツキが発生する。このバラツキによりジャーナル部が均等に膨張しなくなり、ジャーナル部の軸受面による軸受メタルの支持が不安定になりクランクシャフトと軸受メタルとの間の摩擦係数が高くなる。この摩擦係数の増加すなわち摩擦抵抗の増大に起因して軸受メタルの摩耗が激しくなりエンジンの燃費、性能、耐久性等が低下する要因となる。
【００１０】
更に、ジャーナル部においてプリフォームと母材との界面に隙間があると、ジャーナル部の軸受面を機械加工する際に、薄肉に形成された該部が加工時の負荷により弾性変形してジャーナル部の加工精度が低下する。
【００１１】
また、界面に隙間が存在すると、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームを鋳包むアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する残留応力や熱膨張の差によって高い負荷による応力集中が起こり、アルミニウム系合金部、即ち母材が破損することがある。
【００１２】
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の第１の目的は、アルミニウム系合金による鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる金属基複合材形成用鉄系プリフォームを提供することにある。また、第２の目的はこの鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記第１の目的を達成する請求項１に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームの発明は、断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設され、上記貫通孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１の発明によると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する貫通孔を穿設し、かつこの貫通孔の内面に表面積拡大処理を施すことによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに、内面に表面積拡大処理より貫通孔の内面の面積を増大させて貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大して内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。
【００１５】
更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動の抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明によると、プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する有底孔を穿設することで、有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、内周面や外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されて内周面や外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。この有底孔は貫通孔に比べ穿設の制約が少なく、貫通孔の穿設が制限される部位でも有底孔を穿設することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項２の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明によると、有底孔の内面に表面積拡大処理により貫通孔の内面の面積を増大させて、有底孔内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大する。
【００２０】
請求項４に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームの発明は、断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設され、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に記載の発明によると、プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する内面に表面積拡大処理が施され有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による内周面及び外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面及び外周面に沿う移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、凝固及び収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明によると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する貫通孔を穿設することによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大して内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。
【００２４】
上記第２の目的を達成する請求項６に記載のジャーナル部構造の発明は、上記請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームを、上記プリフォーム本体の内周面に沿う断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みしたことを特徴とする。
【００２５】
請求項６によると、鉄系プリフォームを、鉄系プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金からなる母材で鋳包みして形成したジャーナル部は、鉄系材料のシャフトとの熱膨張係数の差が小さくなり、ジャーナル部の温度が上昇してもシャフトと軸受面とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、シャフトの回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００２６】
更に、鉄系プリフォームの内周面における界面の隙間の発生が防止され、母材と鉄系プリフォームとの熱伝導効率が向上してジャーナル部の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部の軸受面側が均等に膨張して真円度が確保される。これにより、シャフトとの間の摩擦係数の増加が抑制され、この摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の金属基複合材形成用鉄系プリフォームによると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する内面に表面積拡大処理を施した貫通孔を穿設することによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに、貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。
【００２８】
また、本発明の金属基複合材形成用鉄系プリフォームによると、プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する内面に表面積拡大処理が施され有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による内周面及び外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面及び外周面に沿う移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、凝固及び収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。
【００２９】
本発明のジャーナル部構造によると、鉄系プリフォームを、鉄系プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金からなる母材で鋳包みして形成したジャーナル部は、鉄系材料のシャフトとの熱膨張係数の差が小さくなり、ジャーナル部の温度が上昇してもシャフトと軸受面とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、シャフトの回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００３０】
更に、鉄系プリフォームの内周面における界面の隙間の発生が防止され、母材と鉄系プリフォームとの熱伝導効率が向上してジャーナル部の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部の軸受面側が均等に膨張して真円度が確保される。これにより、シャフトとの間の摩擦係数の増加が抑制され、この摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施の形態に係る鉄系プリフォームの概要を示す斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】シリンダブロックのクランクシャフトと直交する方向の縦断面図である。
【図４】図３のＩＩ矢視図である。
【図５】ジャーナル部の説明図である。
【図６】他の貫通孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ矢視図である。
【図７】他の貫通孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ矢視図である。
【図８】他の鉄系プリフォームの断面図である。
【図９】第２実施の形態に係る鉄系プリフォームの断面図である。
【図１０】ジャーナル部の説明図である。
【図１１】他の有底孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ矢視図である。
【図１２】他の有底孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＶＩ矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明による金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及び鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造の実施の形態について、水平対向４気筒エンジンのクランクジャーナル部及び該ジャーナル部に配置される鉄系プリフォームを例に図を参照して説明する。
【００３３】
（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る鉄系プリフォームの概要を示す斜視図、図２は図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【００３４】
本実施の形態に係る金属基複合材形成用鉄系プリフォーム（以下「鉄系プリフォーム」という）１は、例えば鉄系粉体と、銅粉と、黒鉛粉と、潤滑剤粉末と或いは更に被削性改善用微細粒子粉とを混合して混合粉とした後、この混合粉を金型に装入してプレス等を用いて加圧成形し、１１００〜１２５０℃で焼結した鉄系粉末焼結体によって形成される。なお、焼結条件は、鉄系粉末焼結体の熱膨張係数が１３．５×１０−６／℃以下となるように、温度、時間を調整することが好ましい。
【００３５】
この鉄系プリフォーム１は、図１及び図２に示すように、中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する半円弧状乃至Ｕ字状の内周面１１及び外周面１２、対向する端面１３、１４とを備えたプリフォーム本体１０を有し、プリフォーム本体１０の両端にそれぞれ半径方向に延在するフランジ部１５、１６が一体形成され、各フランジ部１５、１６には連通孔１５ａ、１６ａが穿設されている。
【００３６】
プリフォーム本体１０の内周面１１は、略半円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する第１内周面１１ａと、第１内周面１１ａの一方端に連続形成された平面状の第２内周面１１ｂ、第２内周面１１ｂ及び第１内周面１１ａの他端にそれぞれ連続するとともに互いに対向する平面状の第３内周面１１ｃと第４内周面１１ｄを有している。一方、外周面１２は、略半円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する第１外周面１２ａと、第１外周面１２ａの一方端に連続形成された平面状の第２外周面１２ｂ、第２外周面１２ｂ及び第１外周面１２ａの他端にそれぞれ連続すると共に互いに対向する平面状の第３外周面１２ｃと第４外周面１２ｄを有している。
【００３７】
プリフォーム本体１０の外周面１２と内周面１１とを連通する貫通孔が複数穿設されている。本実施の形態では中心軸芯Ｌと直交する基準線Ｌａを有して第１内周面１１ａと第１外周面１２ａの間を連通する第１貫通孔２１Ａ、基準線Ｌａと平行な基準線Ｌｂを有して第２内周面１１ｂと第２外周面１２ｂの間を連通する第２貫通孔２１Ｂ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｃを有して第３内周面１１ｃと第３外周面１２ｃの間を連通する第３貫通孔２１Ｃ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｄを有して第１内周面１１ａの第４内周面１１ｄ近傍と第４外周面１２ｄの間を連通する第４貫通孔２１Ｄの各貫通通孔が穿設されている。
【００３８】
これら第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを形成することによって、鉄系プリフォーム１の内周面１１と外周面１２が連通してアルミニウム系合金により鋳包みした際に湯廻りが良好になるとともに、鉄系プリフォーム１の表面積が増大してアルミニウム系合金の溶湯との密着性及び接合強度の向上が図られ、かつアルミニウム系合金溶湯が容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸して鉄系プリフォーム１のＭＭＣ化が得られる。これらの第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄは金型による加圧成形時または焼結体の加工時に形成される。好ましくは金型による加圧成形時に同時に成形することにより製造の効率化が得られると共に製造コストの抑制が得られる。
【００３９】
第１貫通孔２１Ａは、断面円形で基準線Ｌａ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ａａが第１内周面１１ａに開口する貫通孔本体２２Ａと、貫通孔本体２２Ａの外方端２２Ａｂに連続形成されて第１外周面１２ａに開口し、かつ貫通孔本体２２Ａの外方端２２Ａｂ側から第１外周面１１ａ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ａを有している。
【００４０】
第２貫通孔２１Ｂは、断面円形で基準線Ｌｂ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ｂａが第２内周面１１ｂに開口する貫通孔本体２２Ｂと、貫通孔本体２２Ｂの外方端２２Ｂｂに連続形成されて第２外周面１２ｂに開口し、かつ貫通孔本体２２Ｂの外方端２２Ｂｂ側から第２外周面１２ｂ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ｂを有している。
【００４１】
第３貫通孔２１Ｃは、断面円形で基準線Ｌｃ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ｃａが第３内周面１１ｃに開口する貫通孔本体２２Ｃと、貫通孔本体２２Ｃの外方端２２Ｃｂに連続形成されて第３外周面１２ｃに開口し、かつ貫通孔本体２２Ｃの外方端２２Ｃｂ側から第３外周面１２ｃ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ｃを有している。
【００４２】
第４貫通孔２１Ｄは、断面円形で基準線Ｌｄ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ｄａが第１内周面１１ａに開口する貫通孔本体２２Ｄと、貫通孔本体２２Ｄの外方端２２Ｄｂに連続形成されて第４外周面１２ｄに開口し、かつ貫通孔本体２２Ｄの外方端２２Ｄｂ側から第４外周面１２ｄ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ｄを有している。
【００４３】
各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの形状はＭＭＣ化する製品形状等の仕様により異なるが、各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａは、プリフォーム本体１０の厚さ、即ち内周面１１から外周面１２までの寸法が５〜２０ｍｍでアルミニウム系合金による鋳包みによって内周面１１側に形成される後述する薄肉部３８、３９（図５参照）の厚さが０．５〜９．５ｍｍのときには１〜１９ｍｍが好ましい（１ｍｍ≦Ａ≦１９ｍｍ）。また、隣接する貫通孔２１の間隔Ｂ、即ち内周面１１側における第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａの開口中心間の間隙Ｂ、第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａと第３貫通孔２１Ｃの貫通孔本体２２Ｃの内方端２２Ｃａの開口中心間の間隔Ｂ、第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第４貫通孔２１Ｄの貫通孔本体２２Ｄの内方端２２Ｄａの開口中心間の間隔Ｂは、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａの１．５倍以上乃至５倍以下（１．５Ａ≦Ｂ≦５Ａ）に形成される。
【００４４】
内周面１１に開口する各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内方端２２Ａａ〜２２Ｄａと内周面１１との連続部分が滑らかに連続する曲面、いわゆるＲ形状或いは面取り形状に形成されている。
【００４５】
また、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの深さＣは貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａの０．５倍以上乃至５倍以下（０．５Ａ≦Ｃ≦５Ａ）が好ましい。
【００４６】
これら、各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａ、隣接する第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの各間隔Ｂ、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの各深さＣ、及び、各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内方端２２Ａａ〜２２Ｄａと内周面１２との連続部分の曲面形状は、ＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定するには、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定すること好ましい。
【００４７】
この鉄系プリフォーム１は、必要に応じてショットブラスト処理が施され、表面粗さをＲｚで１０〜１００μｍとされる。このショットブラスト処理を施すことにより、表面に形成された酸化被膜等が除去されて表面が清浄化され、基地中に分散する遊離Ｃｕ相が表面に露出される。これによりアルミニウム系合金の溶湯との濡れ性が向上してアルミニウム系合金による鋳包み性が向上する。
【００４８】
このように形成された鉄系プリフォーム１は、鋳型内にセットされ、アルミニウム系合金の溶湯で鋳包むことによって、鉄系プリフォーム１にアルミニウム系合金が容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸して鉄系プリフォーム１がＭＭＣ化する。
【００４９】
図３及び図４は、この鉄系プリフォーム１が用いられるジャーナル部の実施の形態を示すものである。本実施の形態は、水平対向４気筒エンジンのシャフト、例えばクランクシャフトを軸支するクランクジャーナル部を示すもので、図３はシリンダブロックのクランクシャフトと直交する方向の縦断面図であり、図４は図３のＩＩ矢視図である。
【００５０】
図３及び図４において、左右のシリンダブロック３１、３２は、アルミニウム系合金により別個に鋳造成形され、その左側のシリンダブロック３１には、中央部に半円弧状に形成された凹面である軸受面３４を有する複数の左側ジャーナル部３３が形成されており、右側シリンダブロック３２にも同様の軸受面３６を有する複数の右側ジャーナル部３５が形成されている。
【００５１】
クランクシャフト４１は、左右の各ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６に半割状の軸受メタル４０ａ、４０ｂを介在させて挟み込ませて配設され、各ジャーナル部３３、３５の半円弧状の軸受面３４、３６に軸受メタル４０ａ、４０ｂを介在して軸支される。このクランクシャフト４１は、鉄系材料で形成されており、シリンダ内における混合気の燃焼によるピストンの往復運動がコンロッドを介して伝達されることにより回転し、その回転中においてジャーナル部３３、３５は大きな衝撃的な荷重を常時受けると共に、混合気の燃焼による熱の伝搬により熱膨張する。
【００５２】
本実施の形態では、左右の各ジャーナル部３３、３５に、図１及び図２に示した構造の鉄系プリフォーム１をＭＭＣ化して設ける。各鉄系プリフォーム１は、各シリンダブロック３１、３２の鋳造成形時に、その鋳造型のジャーナル部形成位置に配置して鋳包み工程においてＭＭＣ化して設ける。
【００５３】
この鋳包み工程において、鉄系プリフォーム１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォーム１の表面に沿って鉄系プリフォーム１の内周面１１側に侵入すると共に、各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを経ても内周面１１側に供給されて良好なアルミニウム系合金溶湯の湯廻り性が得られる。これは、特に図５に示すようにジャーナル部３３、３４に形成された半円弧状の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム１の内周面１１との間に形成される２〜３ｍｍ程度と極めて薄い薄肉部３８、３９にあっても良好な湯廻り性が得られる。
【００５４】
このジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム１の内周面１１との間の薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金の凝固及び収縮によっても外周面１２に沿って周方向に収縮応力σ２が作用する。一方、鉄系プリフォーム１の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄに沿ってそれぞれ収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６が作用する。
【００５５】
これら鉄系プリフォーム１の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力によって、薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１が分散されて受け止められる。これにより、アルミニウム系合金溶湯の内周面１１に沿う移動が抑制されると共に内周面１１に密着し、収縮後のアルミニウム系合金による薄肉部３８、３９に生じる残留応力を軽減及び均等に分散することができ、薄肉部３８、３９の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００５６】
同様に、鉄系プリフォーム１の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力により、鉄系プリフォーム１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面１２に沿って作用する収縮応力σ２が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の外周面１２に沿う移動が抑制されると共に外周面１２に密着し、収縮後の該部に生じる残留応力を軽減及び均等に分散することができる。
【００５７】
更に、アルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム系合金溶湯の鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２に沿う周方向の移動の抑制及び密着に伴って、鉄系プリフォーム１とアルミニウム系合金による母材との界面における隙間の発生が防止でき、鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２と薄肉部３８、３９を含む母材との界面強度が確保できる。
【００５８】
ここで、鉄系プリフォーム１は鉄系粉末焼結体からなるため空孔を有し、鋳包み時にアルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォーム１に容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸してＭＭＣ化され、ＭＭＣ化された鉄系プリフォーム１の熱膨張係数と鉄系材料からなるクランクシャフト４１との熱膨張係数の差が小さくなるので、ジャーナル部３３、３５の温度が上昇しても、クランクシャフト４１と軸受面３４、３６とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、クランクシャフト４１の回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００５９】
更に、鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２との界面における隙間の発生を防止し、内周面１１及び外周面１２との界面接合強度を確保することで、母材と鉄系プリフォーム１との間の熱伝導効率が向上してジャーナル部３３、３５の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６側が均等に膨張してジャーナル部３３、３５による軸受メタル４０ａ、４０ｂの支持が安定してクランクシャフト４１と軸受メタル４０ａ、４０ｂとの間の摩擦係数の増加が抑制されるため、摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【００６０】
更に、ジャーナル部３３、３５において薄肉部３８、３９と鉄系プリフォーム１との界面に隙間がなくなり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６を機械加工する際に薄肉に形成された薄肉部３８、３９の加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部３３、３５の加工精度が向上する。
【００６１】
ここで、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内での収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム１に穿設される第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄを内径１〜１９ｍｍの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔２１Ａ〜２１Ｄをテーパ孔に形成した場合には、界面の密着には有利だが鉄系プリフォームの加工が困難になり製造コストの増大を招くと共に貫通孔と内周面と連続部分にアンダーカット部が形成されて収縮応力σ１に対抗する拘束力が過大になり、凝縮及び収縮時に応力集中が発生して母材、特に薄肉部３８、３９に破断やクラックが発生する確率が高くなる。
【００６２】
また、貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内径Ａを１ｍｍより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さく、また、ショットブラスト処理を施す場合に貫通孔の内面にショットが良好に吹き付け難く、ショットブラスト処理の効果が期待できない。
【００６３】
一方、貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内径Ａを１９ｍｍより大きくすると、鉄系プリフォーム１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内における母材との密着性が低下し、薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材との界面強度が不安定になる。
【００６４】
隣接する貫通孔２１の間隔Ｂ、即ち内周面１１側における第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａの開口中心間の間隔Ｂ、第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａと第３貫通孔２１Ｃの貫通孔本体２２Ｃの内方端２２Ｃａの開口中心間の間隔Ｂ、第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第４貫通孔２１Ｄの貫通孔本体２２Ｄの内方端２２Ｄａの開口中心間の間隔Ｂが、内径Ａの１．５倍より小さいと鉄系プリフォーム１を金型による加圧成形が困難になり、かつ機械加工等により各第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招くと共に鉄系プリフォーム１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念される。一方、隣接する貫通孔２１の間隔Ｂが内径Ａの５倍を超えると貫通孔間の部分に隙間が発生する可能性が高くなる。
【００６５】
更に、内周面１１と第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内周面１１に開口する各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内方端２２Ａａ〜２２Ｄａと内周面１１との連続部分の曲面或いは面取り形状の曲率半径が過大であると、界面強度及び密着が悪化する一方、過小であると鉄系プリフォーム１の製造が困難になると共に、アルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に応力集中が発生して母材、特に薄肉部３８、３９に破断やクラックが発生する。
【００６６】
また、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの深さＣが、内径Ａの０．５倍より小さいと、鋳包みの際に第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内にアルミニウム系合金溶湯の侵入が困難になる一方、内径Ａの５倍を超えると鉄系プリフォーム１の金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く要因となる。
【００６７】
なお、鉄系プリフォーム１の第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面には、図６（ａ）に断面を示し、ＩＩＩ矢視図を同図（ｂ）に示すように、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面に螺旋状の溝２２ｃを形成したり、図７（ａ）に断面を示し、ＩＶ矢視図を同図（ｂ）に示すように、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面に複数のリブ２２ｄを形成することによって、或いはスリット等を形成して貫通孔の内面に表面積拡大処理を施すことにより、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面の面積を増大させて、各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力を増大させる。これにより、内周面１１に沿って作用する収縮応力σ１及び外周面１２に沿って作用する収縮応力σ２をより確実に受け止め、アルミニウム系合金溶湯の内周面１１及び外周面１２に沿う移動を抑制して内周面１１及び外周面１２と母材との密着効果を向上すると共に、収縮後の母材に生じる残留応力を軽減させることができる。
【００６８】
なお、図８に図２に対応する鉄系プリフォーム１の断面を示しように、中心軸芯Ｌを直交する基準線Ｌａを有して第１内周面１１ａと第１外周面１２ａの間を連通する第１貫通孔２１Ａ、基準線Ｌａと平行な基準線Ｌｂを有して第２内周面１１ｂと第２外周面１２ｂの間を連通する第２貫通孔２１Ｂ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｅ、Ｌｆを有して第３内周面１１ｃと第３外周面１２ｃの間を連通する比較的小径の一対の第５貫通孔２１Ｅ、第６貫通孔２１Ｆ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｇを有して第１内周面１１ａの第４内周面１１ｄ近傍と第４外周面１２ｄの間を連通する比較的小径の第７貫通孔２１Ｇ、基準線Ｌｇと平行な基準線Ｌｈを有して第４内周面１１ｄと第４外周面１２ｄの間を連通する比較的小径の第８貫通孔２１Ｈ、及び第１貫通孔２１Ａと第８貫通孔２１Ｈとの間において中心軸芯Ｌを斜交する基準線Ｌｊを有して第１内周面１１ａと第１外周面１２ａの間を連通する第９貫通孔２１Ｊを穿設する等、内周面１１と外周面１２とを連通する貫通孔の数、配置、大きさ等を、ＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定することができる。これら貫通孔の数、配置、大きさ等は、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定することが好ましい。
【００６９】
（第２実施の形態）
図９は、第２実施の形態に係る鉄系プリフォーム５１の概要を示し、上記図２に対応する断面図である。なお、図２と対応する部分には同一符号を付することで該部の詳細な説明を省略する。
【００７０】
本実施の形態に係る鉄系プリフォーム５１は、上記鉄系プリフォーム１と同様の鉄系粉末焼結体によって形成される。
【００７１】
この鉄系プリフォーム５１は、図９に示すように鉄系プリフォーム１と同様に、第１内周面１１ａ、第２内周面１１ｂ、第３内周面１１ｃ、第４内周面１１ｄを有する断面半円弧状乃至Ｕ字状の内周面１１及び第１外周面１２ａ、第２外周面１２ｂ、第３外周面１２ｃ、第４外周面１２ｄを有する断面半円弧状乃至Ｕ字状の外周面１２を備えたプリフォーム本体１０を有し、プリフォーム本体１０の両端にフランジ部１５、１６が一体形成されている。
【００７２】
プリフォーム本体１０の外周面１２と内周面１１とを連通する貫通孔、及び外周面１２に開口する複数の有底孔が複数穿設されている。これら有底孔は、貫通孔に比べ穿設の制約が少なく、貫通孔の穿設が制限される部位でも穿設することができる。本実施の形態では、中心軸芯Ｌと直交する基準線Ｌａを有して第１外周面１２に開口する第１有底孔６１Ａ、基準線Ｌａと平行な基準線Ｌｂを有して第２内周面１１ｂと第２外周面１２ｂの間を連通する貫通孔６５、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｃを有して第３外周面１２ｃに開口する第２有底孔６１Ｂ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｄを有して第４外周面１２ｄに開口する第３有底孔６１Ｃが穿設されている。
【００７３】
貫通孔６５を形成することによって鉄系プリフォーム５１の内周面１１と外周面１２が貫通孔６５を介して連通してアルミニウム系合金により鋳包みした際に湯廻りが良好になるとともに、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃを形成することによって鉄系プリフォーム５１の表面積が増大してアルミニウム系合金の溶湯との密着性及び接合強度の向上が図られ、かつアルミニウム系合金溶湯が場合により溶浸して鉄系プリフォーム５１のＭＭＣ化が得られる。これらの第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ及び貫通孔６５は金型による加圧成形時または焼結体の加工時に形成される。好ましくは金型による加圧成形時に同時に成形することにより製造の効率化が得られると共に製造コストの抑制が得られる。
【００７４】
貫通孔６５は、断面円形で基準線Ｌｂ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６６ａが第２内周面１１ｂに開口する貫通孔本体６６と、貫通孔本体６６の外方端６６ｂに連続形成されて第２外周面１２ｂに開口し、かつ貫通孔本体６６の外方端６６ｂ側から第２外周面１２ｂ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６７を有している。第１実施の形態の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｇと同様に貫通孔本体６６の内径Ａは、１〜１９ｍｍ（１ｍｍ≦Ａ≦１９ｍｍ）が好ましく、内周面１１に開口する貫通孔本体６６の内方端６６ａと内周面１１との連続部分が滑らかに連続する曲面、いわゆるＲ形状或いは面取り形状に形成され、貫通孔６５の深さＣは貫通孔本体６６の内径Ａの０．５倍以上乃至５倍以下（０．５Ａ≦Ｃ≦５Ａ）が好ましい。
【００７５】
第１有底孔６１Ａは、断面円形で基準線Ｌａ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６２Ａａに底部６２Ａｃを有する有底孔本体６２Ａと、有底孔本体６２Ａの外方端６２Ａｂに連続形成されて第１外周面１２ａに開口し、かつ有底孔本体６２Ａの外方端６２Ａｂ側から第１外周面１２ａ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６３Ａを有している。
【００７６】
第２有底孔６１Ｂは、断面円形で基準線Ｌｃ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６２Ｂａに底部６２Ｂｃを有する有底孔本体６２Ｂと、有底孔本体６２Ｂの外方端６２Ｂｂに連続形成されて第３外周面１２ｃに開口し、かつ有底孔本体６２Ｂの外方端６２Ｂｂ側から第３外周面１２ｃ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６３Ｂを有している。
【００７７】
第３有底孔６１Ｃは、断面円形で基準線Ｌｄ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６２Ｃａに底部６２Ｃｃを有する有底孔本体６２Ｃと、有底孔本体６２Ｃの外方端６２Ｃｂに連続形成されて第４外周面１２ｄに開口し、かつ有底孔本体６２Ｃの外方端６２Ｃｂ側から第４外周面１２ｄ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６３Ｃを有している。
【００７８】
第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ、及び貫通孔６５の形状はＭＭＣ化する製品形状等の仕様により異なるが、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内径ａは１〜１９ｍｍ（１ｍｍ≦ａ≦１９ｍｍ）が好ましい。また、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの深さｃは有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内径ａの０．５倍以上乃至５倍以下（０．５ａ≦ｃ≦５ａ）が好ましい。
【００７９】
これら、各有底孔６１Ａ〜６１Ｃの有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内径ａ及び有底孔６１Ａ〜６１Ｃの深さｃ等は、ＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定するには、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定することが好ましい。
【００８０】
この鉄系プリフォーム５１は、必要に応じてショットブラスト処理が施される。ショットブラスト処理を施すことにより、表面に形成された酸化被膜等が除去されて表面が清浄化され、基地中に分散する遊離Ｃｕ相が表面に露出されてアルミニウム系合金による鋳包み性が向上する。
【００８１】
図１０は、この鉄系プリフォーム５１が用いられるジャーナル部の実施の形態を示すものであり、鉄系プリフォーム５１は、各シリンダブロックの鋳造成形時に、その鋳造型のジャーナル部形成位置に配置して鋳包み工程においてＭＭＣ化して設ける。
【００８２】
この鋳包み工程において、鉄系プリフォーム５１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯は、鉄系プリフォーム５１の表面に沿って鉄系プリフォーム５１の内周面１１側に侵入すると共に、貫通孔６５を経ても内周面１１側に供給されて良好なアルミニウム系合金溶湯の湯廻り性が得られる。
【００８３】
このジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム５１の内周面１１との間の薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によっても外周面１２に沿って周方向に収縮応力σ２が作用する。一方、鉄系プリフォーム５１の第１有底孔６１Ａ、貫通孔６５、第２有底孔６１Ｂ及び第３有底孔６１Ｃ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって第１有底孔６１Ａ、貫通孔６５、第２有底孔６１Ｂ及び第３有底孔６１Ｃに沿ってそれぞれ収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６が作用する。
【００８４】
これら鉄系プリフォーム５１の貫通孔６５に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ４による抗力によって、薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面１１に沿う移動が抑制されると共に内周面１１に密着し、収縮後の薄肉部３８、３９に生じる残留応力を軽減すると共に均等に分散することができ、薄肉部３８、３９の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００８５】
同様に、鉄系プリフォーム５１の第１有底孔６１Ａ、貫通孔６５、第２有底孔６１Ｂ及び第３有底孔６１Ｃ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力により、鉄系プリフォーム５１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面１２に沿って作用する収縮応力σ２が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の外周面１２に沿う移動が抑制されると共に外周面１２に密着し、収縮後の該部に生じる残留応力を軽減すると共に均等に分散することができる。
【００８６】
更に、アルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム系合金溶湯の鉄系プリフォーム５１の内周面１１及び外周面１２に沿う周方向の移動の抑制及び密着に伴って、鉄系プリフォーム５１とアルミニウム系合金による母材との界面における隙間の発生が防止でき、鉄系プリフォーム５１の内周面１１及び外周面１２と薄肉部３８、３９を含む母材との界面接合強度が確保できる。
【００８７】
ここで、鉄系プリフォーム５１は鉄系粉末焼結体からなるため空孔を有し、鋳包み時にアルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォーム５１に容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸してＭＭＣ化され、ＭＭＣ化された鉄系プリフォーム５１の熱膨張係数と鉄系材料からなるクランクシャフト４１との熱膨張係数の差が小さくなるので、ジャーナル部３３、３５の温度が上昇しても、クランクシャフト４１と軸受面３４、３６とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、クランクシャフト４１の回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００８８】
更に、鉄系プリフォーム５１の内周面１１及び外周面１２との界面における隙間の発生を防止し、内周面１１及び外周面１２との界面強度を確保することで、アルミニウム系合金からなる母材と鉄系プリフォーム５１との間の熱伝導効率が向上してジャーナル部３３、３５の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６側が均等に膨張してジャーナル部３３、３５による軸受メタルの支持が安定してクランクシャフトと軸受メタルとの間の摩擦係数の増加が抑制され、摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【００８９】
更に、ジャーナル部３３、３５において薄肉部３８、３９と鉄系プリフォーム５１との界面に隙間がなくなり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６を機械加工する際に薄肉に形成された薄肉部３８、３９の加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部３３、３５の加工精度が向上する。
【００９０】
ここで、貫通孔６５の内周面１１側に加わる収縮応力が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム５１に穿設される貫通孔６５の貫通孔本体６６を内径１〜１９ｍｍの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔６５の内径Ａを１ｍｍより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さくなる。一方、貫通孔６５の内径Ａを１９ｍｍより大きくすると、鉄系プリフォーム５１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ貫通孔６５内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、貫通孔６５内における母材との密着性が低下し、薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材との界面強度が不安定になる。
【００９１】
また、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ及び貫通孔６５内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ５、σ６、σ４による抗力が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う外周面１２側の母材の応力σ２に対抗する拘束力が過少になり外周面１２と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム５１に穿設される貫通孔６５の内径Ａ及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの内径ａを１〜１９ｍｍの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔６５の内径Ａ及び各有底孔６１Ａ〜６１Ｃの内径ａを１ｍｍより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う外周面１２側の母材による応力σ２に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さく、また、ショットブラスト処理を施す場合に貫通孔本体６６及び有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面にショットが良好に吹き付け難く、ショットブラスト処理の効果が期待できない。
【００９２】
一方、貫通孔６５の内径Ａ及び各有底孔６１Ａ〜６１Ｃの内径ａを１９ｍｍより大きくすると、鉄系プリフォーム５１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ貫通孔本体６６及び有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃ内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、貫通孔本体６６及び有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃ内における母材との密着性が低下し、外周面１２と母材の応力σ２に対抗する拘束力が過少になり外周面１２と母材との界面強度が不安定になる。
【００９３】
また、貫通孔６５の深さＣ及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの深さｃが、それぞれ内径Ａ、内径ａの０．５倍より小さいと、鋳包みの際に貫通孔６５及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ内にアルミニウム系合金溶湯の侵入が困難になり、また内径Ａ、内径ａの５倍を超えると鉄系プリフォーム５１を金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により貫通孔６５及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く要因となる。
【００９４】
なお、鉄系プリフォーム５１の第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面を図１１（ａ）に断面を示し、Ｖ矢視図を同図（ｂ）に示すように有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面に螺旋状の溝６２ｃを形成したり、図１２（ａ）に断面を示し、ＶＩ矢視図を同図（ｂ）に示すように有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面に複数のリブ６２ｄを形成することによって、或いはスリット等を形成して有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面に表面積拡大処理を施すことにより有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面の面積を増大させて、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ５、σ６を増大させることができる。これにより、外周面１２に沿って周方向に作用する収縮応力σ２をより確実に受け止めて、アルミニウム系合金溶湯の外周面１２に沿う移動を抑制して外周面１２と母材との密着効果を向上すると共に、収縮後の母材に生じる残留応力を軽減させることができる。
【００９５】
また、本実施の形態では、外周面１２に開口する第１有底孔６１Ａ〜６１Ｃを穿設したが、内周面１１に開口する有底孔を配置することもできる。更に貫通孔及び有底孔の数及び配置、大きさ等をＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定することができる。これら貫通孔の数、配置、大きさ等は、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定すること好ましい。
【符号の説明】
【００９６】
１ 金属基複合材形成用鉄系プリフォーム
１０ プリフォーム本体
１１ 内周面
１２ 外周面
２１Ａ〜２１Ｈ 第１〜第８貫通孔（貫通孔）
２２ｃ 螺旋状の溝（表面積拡大処理）
２２ｄ リブ（表面積拡大処理）
３３、３５ ジャーナル部
３４、３６ 軸受面（凹面）
３８、３９ 薄肉部
５１ 鉄系プリフォーム
６１Ａ〜６１Ｃ 第１〜第３有底孔
６２ｃ 螺旋状の溝（表面積拡大処理）
６２ｄ リブ（表面積拡大処理）
６５ 貫通孔
Ａ 貫通孔の内径
Ｂ 貫通孔の間隔
Ｃ 貫通孔の深さ
ａ 有底孔の内径
ｃ 有底孔の深さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基複合材（Metal Matrix Composite：以下、頭文字をとってＭＭＣと言う）の形成に用いるアルミニウム系合金による鋳包み性に優れた金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及びジャーナル部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば車両用エンジンにおいては、重量軽減を図るためアルミニウム系合金を鋳造したシリンダブロックが広く使用されている。このようなエンジンにおいてはアルミニウム系合金（熱膨張係数：２１．０×１０−６／℃程度）よりなるシリンダブロックにジャーナル部を形成し、このジャーナル部に軸受メタルを介装して鉄系材料のクランクシャフト（熱膨張係数：９×１０−６〜１２×１０−６／℃程度）を軸支すると、エンジン作動時にはシリンダ内における混合気の燃焼により発生した熱がジャーナル部に伝達され、ジャーナル部の温度が上昇して鉄系材料のクランクシャフトとアルミニウム系合金からなる母材との熱膨張係数の差により、軸受メタルが介在するジャーナル部の軸受面とクランクシャフトとの間のクリアランスが過大になって車両走行時に振動や騒音の発生を招くことになる。
【０００３】
そこで、例えば、水平対向４気筒エンジンのクランクシャフトを軸支するジャーナル部にあっては、アルミニウム系合金からなる左右のシリンダブロックにそれぞれ中央部が半円弧状に凹設された軸受面を有するジャーナル部に、シリンダブロックの鋳造時に鉄系粉末焼結体からなる鉄系プリフォームを鋳包みして鉄系プリフォームをＭＭＣ化することにより、母材となるシリンダブロックのアルミニウム系合金を変更することなくジャーナル部に必要な熱膨張係数を得るようにしている。
【０００４】
ところが、アルミニウム系合金の母材の一部または全部をＭＭＣ化する場合、一般的に鋳造法、特に高速・高圧鋳造法（High Pressure Die Casting：以下、頭文字をとってＨＰＤＣと言う）を用いて界面の接合強度を確保し、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームにアルミニウム系合金を容易に溶浸させて密着性を安定的に確保することは極めて困難である。また、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームをアルミニウム系合金で鋳包む際には、鋳包み後のアルミニウム系合金溶湯の溶浸状態が機械的特性や物理的特性に大きく影響することが知られており、このような影響を少なくするために鋳造条件が制約されることが多い。
【０００５】
一方、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームの組織を基地中に遊離Ｃｕ相が分散した組織とし、更にショットブラスト処理或いは更に水蒸気処理を施し、プリフォームの表面粗さを特定の粗さ範囲とすることにより、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームとアルミニウム系合金の溶湯との濡れ性が向上してアルミニウム系合金による鋳包み性が向上し、アルミニウム系合金からなる母材と鉄系プリフォームとの接合強度が向上することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２０４２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１によると、Ｃｕが固溶して鉄系粉末焼結材からなるプリフォームの強度を増加させると共に、遊離Ｃｕ相として基地中に析出してプリフォームがアルミニウム系合金で鋳包まれる際にアルミニウム系合金と反応して界面の接合強度を増加させることができる。
【０００８】
しかし、アルミニウム系合金によって鋳包みする際に、プリフォームの形状や仕様等に起因してプリフォームと母材との界面が一定の接合強度に達する前に、プリフォームを鋳包むアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する応力が加わると界面の密着が不安定になり、かつ界面に隙間が発生して接合強度が不安定になることが懸念される。これらの界面における接合強度の不安定や、隙間の発生等の現象は、ＨＰＤＣのように急冷凝固を伴う場合に顕著である。
【０００９】
ジャーナル部においてアルミニウム系合金からなる母材とプリフォームとの界面に隙間があると、母材とプリフォームとの間の熱伝導効率が低下してジャーナル部の周方向において熱伝導率のバラツキが発生する。このバラツキによりジャーナル部が均等に膨張しなくなり、ジャーナル部の軸受面による軸受メタルの支持が不安定になりクランクシャフトと軸受メタルとの間の摩擦係数が高くなる。この摩擦係数の増加すなわち摩擦抵抗の増大に起因して軸受メタルの摩耗が激しくなりエンジンの燃費、性能、耐久性等が低下する要因となる。
【００１０】
更に、ジャーナル部においてプリフォームと母材との界面に隙間があると、ジャーナル部の軸受面を機械加工する際に、薄肉に形成された該部が加工時の負荷により弾性変形してジャーナル部の加工精度が低下する。
【００１１】
また、界面に隙間が存在すると、鉄系粉末焼結体からなるプリフォームを鋳包むアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する残留応力や熱膨張の差によって高い負荷による応力集中が起こり、アルミニウム系合金部、即ち母材が破損することがある。
【００１２】
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の第１の目的は、アルミニウム系合金による鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる金属基複合材形成用鉄系プリフォームを提供することにある。また、第２の目的はこの鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記第１の目的を達成する請求項１に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームの発明は、断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設され、上記貫通孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１の発明によると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する貫通孔を穿設し、かつこの貫通孔の内面に表面積拡大処理を施すことによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに、内面に表面積拡大処理より貫通孔の内面の面積を増大させて貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大して内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。
【００１５】
更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動の抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明によると、プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する有底孔を穿設することで、有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、内周面や外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されて内周面や外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。この有底孔は貫通孔に比べ穿設の制約が少なく、貫通孔の穿設が制限される部位でも有底孔を穿設することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項２の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明によると、有底孔の内面に表面積拡大処理により貫通孔の内面の面積を増大させて、有底孔内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大する。
【００２０】
請求項４に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームの発明は、断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設され、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に記載の発明によると、プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する内面に表面積拡大処理が施され有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による内周面及び外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面及び外周面に沿う移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、凝固及び収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明によると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する貫通孔を穿設することによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力が増大して内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。
【００２４】
上記第２の目的を達成する請求項６に記載のジャーナル部構造の発明は、上記請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームを、上記プリフォーム本体の内周面に沿う断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みしたことを特徴とする。
【００２５】
請求項６によると、鉄系プリフォームを、鉄系プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金からなる母材で鋳包みして形成したジャーナル部は、鉄系材料のシャフトとの熱膨張係数の差が小さくなり、ジャーナル部の温度が上昇してもシャフトと軸受面とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、シャフトの回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００２６】
更に、鉄系プリフォームの内周面における界面の隙間の発生が防止され、母材と鉄系プリフォームとの熱伝導効率が向上してジャーナル部の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部の軸受面側が均等に膨張して真円度が確保される。これにより、シャフトとの間の摩擦係数の増加が抑制され、この摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の金属基複合材形成用鉄系プリフォームによると、プリフォーム本体に、内周面と外周面とを連通する内面に表面積拡大処理を施した貫通孔を穿設することによって、鋳包み工程において、鉄系プリフォームの外周面側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォームの表面に沿って内周面側に侵入すると共に、外周面側から貫通孔を経て内周面側に供給されて良好な湯廻り性が得られる。また、半円弧状の凹面と鉄系プリフォームの内周面との間に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面に沿って収縮応力が作用し、かつ外周面側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面に沿って収縮応力が作用したときに、貫通孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって内周面及び外周面に沿う収縮応力が分散されて受け止められてアルミニウム系合金溶湯の移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。
【００２８】
また、本発明の金属基複合材形成用鉄系プリフォームによると、プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する内面に表面積拡大処理が施され有底孔に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力による抗力によって、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による内周面及び外周面に沿って作用する収縮応力が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面及び外周面に沿う移動が抑制されると共に内周面及び外周面に密着し、凝固及び収縮後の母材に生じる残留応力が緩和される。更に、このアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム合金溶湯の移動抑制に伴って、母材と鉄系プリフォームとの界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面接合強度及び密着が確保できる。
【００２９】
本発明のジャーナル部構造によると、鉄系プリフォームを、鉄系プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金からなる母材で鋳包みして形成したジャーナル部は、鉄系材料のシャフトとの熱膨張係数の差が小さくなり、ジャーナル部の温度が上昇してもシャフトと軸受面とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、シャフトの回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００３０】
更に、鉄系プリフォームの内周面における界面の隙間の発生が防止され、母材と鉄系プリフォームとの熱伝導効率が向上してジャーナル部の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部の軸受面側が均等に膨張して真円度が確保される。これにより、シャフトとの間の摩擦係数の増加が抑制され、この摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施の形態に係る鉄系プリフォームの概要を示す斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】シリンダブロックのクランクシャフトと直交する方向の縦断面図である。
【図４】図３のＩＩ矢視図である。
【図５】ジャーナル部の説明図である。
【図６】他の貫通孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ矢視図である。
【図７】他の貫通孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ矢視図である。
【図８】他の鉄系プリフォームの断面図である。
【図９】第２実施の形態に係る鉄系プリフォームの断面図である。
【図１０】ジャーナル部の説明図である。
【図１１】他の有底孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ矢視図である。
【図１２】他の有底孔を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＶＩ矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明による金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及び鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造の実施の形態について、水平対向４気筒エンジンのクランクジャーナル部及び該ジャーナル部に配置される鉄系プリフォームを例に図を参照して説明する。
【００３３】
（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る鉄系プリフォームの概要を示す斜視図、図２は図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【００３４】
本実施の形態に係る金属基複合材形成用鉄系プリフォーム（以下「鉄系プリフォーム」という）１は、例えば鉄系粉体と、銅粉と、黒鉛粉と、潤滑剤粉末と或いは更に被削性改善用微細粒子粉とを混合して混合粉とした後、この混合粉を金型に装入してプレス等を用いて加圧成形し、１１００〜１２５０℃で焼結した鉄系粉末焼結体によって形成される。なお、焼結条件は、鉄系粉末焼結体の熱膨張係数が１３．５×１０−６／℃以下となるように、温度、時間を調整することが好ましい。
【００３５】
この鉄系プリフォーム１は、図１及び図２に示すように、中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する半円弧状乃至Ｕ字状の内周面１１及び外周面１２、対向する端面１３、１４とを備えたプリフォーム本体１０を有し、プリフォーム本体１０の両端にそれぞれ半径方向に延在するフランジ部１５、１６が一体形成され、各フランジ部１５、１６には連通孔１５ａ、１６ａが穿設されている。
【００３６】
プリフォーム本体１０の内周面１１は、略半円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する第１内周面１１ａと、第１内周面１１ａの一方端に連続形成された平面状の第２内周面１１ｂ、第２内周面１１ｂ及び第１内周面１１ａの他端にそれぞれ連続するとともに互いに対向する平面状の第３内周面１１ｃと第４内周面１１ｄを有している。一方、外周面１２は、略半円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する第１外周面１２ａと、第１外周面１２ａの一方端に連続形成された平面状の第２外周面１２ｂ、第２外周面１２ｂ及び第１外周面１２ａの他端にそれぞれ連続すると共に互いに対向する平面状の第３外周面１２ｃと第４外周面１２ｄを有している。
【００３７】
プリフォーム本体１０の外周面１２と内周面１１とを連通する貫通孔が複数穿設されている。本実施の形態では中心軸芯Ｌと直交する基準線Ｌａを有して第１内周面１１ａと第１外周面１２ａの間を連通する第１貫通孔２１Ａ、基準線Ｌａと平行な基準線Ｌｂを有して第２内周面１１ｂと第２外周面１２ｂの間を連通する第２貫通孔２１Ｂ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｃを有して第３内周面１１ｃと第３外周面１２ｃの間を連通する第３貫通孔２１Ｃ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｄを有して第１内周面１１ａの第４内周面１１ｄ近傍と第４外周面１２ｄの間を連通する第４貫通孔２１Ｄの各貫通通孔が穿設されている。
【００３８】
これら第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを形成することによって、鉄系プリフォーム１の内周面１１と外周面１２が連通してアルミニウム系合金により鋳包みした際に湯廻りが良好になるとともに、鉄系プリフォーム１の表面積が増大してアルミニウム系合金の溶湯との密着性及び接合強度の向上が図られ、かつアルミニウム系合金溶湯が容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸して鉄系プリフォーム１のＭＭＣ化が得られる。これらの第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄは金型による加圧成形時または焼結体の加工時に形成される。好ましくは金型による加圧成形時に同時に成形することにより製造の効率化が得られると共に製造コストの抑制が得られる。
【００３９】
第１貫通孔２１Ａは、断面円形で基準線Ｌａ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ａａが第１内周面１１ａに開口する貫通孔本体２２Ａと、貫通孔本体２２Ａの外方端２２Ａｂに連続形成されて第１外周面１２ａに開口し、かつ貫通孔本体２２Ａの外方端２２Ａｂ側から第１外周面１１ａ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ａを有している。
【００４０】
第２貫通孔２１Ｂは、断面円形で基準線Ｌｂ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ｂａが第２内周面１１ｂに開口する貫通孔本体２２Ｂと、貫通孔本体２２Ｂの外方端２２Ｂｂに連続形成されて第２外周面１２ｂに開口し、かつ貫通孔本体２２Ｂの外方端２２Ｂｂ側から第２外周面１２ｂ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ｂを有している。
【００４１】
第３貫通孔２１Ｃは、断面円形で基準線Ｌｃ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ｃａが第３内周面１１ｃに開口する貫通孔本体２２Ｃと、貫通孔本体２２Ｃの外方端２２Ｃｂに連続形成されて第３外周面１２ｃに開口し、かつ貫通孔本体２２Ｃの外方端２２Ｃｂ側から第３外周面１２ｃ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ｃを有している。
【００４２】
第４貫通孔２１Ｄは、断面円形で基準線Ｌｄ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端２２Ｄａが第１内周面１１ａに開口する貫通孔本体２２Ｄと、貫通孔本体２２Ｄの外方端２２Ｄｂに連続形成されて第４外周面１２ｄに開口し、かつ貫通孔本体２２Ｄの外方端２２Ｄｂ側から第４外周面１２ｄ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部２３Ｄを有している。
【００４３】
各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの形状はＭＭＣ化する製品形状等の仕様により異なるが、各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａは、プリフォーム本体１０の厚さ、即ち内周面１１から外周面１２までの寸法が５〜２０ｍｍでアルミニウム系合金による鋳包みによって内周面１１側に形成される後述する薄肉部３８、３９（図５参照）の厚さが０．５〜９．５ｍｍのときには１〜１９ｍｍが好ましい（１ｍｍ≦Ａ≦１９ｍｍ）。また、隣接する貫通孔２１の間隔Ｂ、即ち内周面１１側における第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａの開口中心間の間隙Ｂ、第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａと第３貫通孔２１Ｃの貫通孔本体２２Ｃの内方端２２Ｃａの開口中心間の間隔Ｂ、第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第４貫通孔２１Ｄの貫通孔本体２２Ｄの内方端２２Ｄａの開口中心間の間隔Ｂは、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａの１．５倍以上乃至５倍以下（１．５Ａ≦Ｂ≦５Ａ）に形成される。
【００４４】
内周面１１に開口する各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内方端２２Ａａ〜２２Ｄａと内周面１１との連続部分が滑らかに連続する曲面、いわゆるＲ形状或いは面取り形状に形成されている。
【００４５】
また、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの深さＣは貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａの０．５倍以上乃至５倍以下（０．５Ａ≦Ｃ≦５Ａ）が好ましい。
【００４６】
これら、各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内径Ａ、隣接する第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの各間隔Ｂ、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの各深さＣ、及び、各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内方端２２Ａａ〜２２Ｄａと内周面１２との連続部分の曲面形状は、ＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定するには、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定すること好ましい。
【００４７】
この鉄系プリフォーム１は、必要に応じてショットブラスト処理が施され、表面粗さをＲｚで１０〜１００μｍとされる。このショットブラスト処理を施すことにより、表面に形成された酸化被膜等が除去されて表面が清浄化され、基地中に分散する遊離Ｃｕ相が表面に露出される。これによりアルミニウム系合金の溶湯との濡れ性が向上してアルミニウム系合金による鋳包み性が向上する。
【００４８】
このように形成された鉄系プリフォーム１は、鋳型内にセットされ、アルミニウム系合金の溶湯で鋳包むことによって、鉄系プリフォーム１にアルミニウム系合金が容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸して鉄系プリフォーム１がＭＭＣ化する。
【００４９】
図３及び図４は、この鉄系プリフォーム１が用いられるジャーナル部の実施の形態を示すものである。本実施の形態は、水平対向４気筒エンジンのシャフト、例えばクランクシャフトを軸支するクランクジャーナル部を示すもので、図３はシリンダブロックのクランクシャフトと直交する方向の縦断面図であり、図４は図３のＩＩ矢視図である。
【００５０】
図３及び図４において、左右のシリンダブロック３１、３２は、アルミニウム系合金により別個に鋳造成形され、その左側のシリンダブロック３１には、中央部に半円弧状に形成された凹面である軸受面３４を有する複数の左側ジャーナル部３３が形成されており、右側シリンダブロック３２にも同様の軸受面３６を有する複数の右側ジャーナル部３５が形成されている。
【００５１】
クランクシャフト４１は、左右の各ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６に半割状の軸受メタル４０ａ、４０ｂを介在させて挟み込ませて配設され、各ジャーナル部３３、３５の半円弧状の軸受面３４、３６に軸受メタル４０ａ、４０ｂを介在して軸支される。このクランクシャフト４１は、鉄系材料で形成されており、シリンダ内における混合気の燃焼によるピストンの往復運動がコンロッドを介して伝達されることにより回転し、その回転中においてジャーナル部３３、３５は大きな衝撃的な荷重を常時受けると共に、混合気の燃焼による熱の伝搬により熱膨張する。
【００５２】
本実施の形態では、左右の各ジャーナル部３３、３５に、図１及び図２に示した構造の鉄系プリフォーム１をＭＭＣ化して設ける。各鉄系プリフォーム１は、各シリンダブロック３１、３２の鋳造成形時に、その鋳造型のジャーナル部形成位置に配置して鋳包み工程においてＭＭＣ化して設ける。
【００５３】
この鋳包み工程において、鉄系プリフォーム１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム合金溶湯は、鉄系プリフォーム１の表面に沿って鉄系プリフォーム１の内周面１１側に侵入すると共に、各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを経ても内周面１１側に供給されて良好なアルミニウム系合金溶湯の湯廻り性が得られる。これは、特に図５に示すようにジャーナル部３３、３４に形成された半円弧状の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム１の内周面１１との間に形成される２〜３ｍｍ程度と極めて薄い薄肉部３８、３９にあっても良好な湯廻り性が得られる。
【００５４】
このジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム１の内周面１１との間の薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金の凝固及び収縮によっても外周面１２に沿って周方向に収縮応力σ２が作用する。一方、鉄系プリフォーム１の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄに沿ってそれぞれ収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６が作用する。
【００５５】
これら鉄系プリフォーム１の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力によって、薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１が分散されて受け止められる。これにより、アルミニウム系合金溶湯の内周面１１に沿う移動が抑制されると共に内周面１１に密着し、収縮後のアルミニウム系合金による薄肉部３８、３９に生じる残留応力を軽減及び均等に分散することができ、薄肉部３８、３９の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００５６】
同様に、鉄系プリフォーム１の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力により、鉄系プリフォーム１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面１２に沿って作用する収縮応力σ２が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の外周面１２に沿う移動が抑制されると共に外周面１２に密着し、収縮後の該部に生じる残留応力を軽減及び均等に分散することができる。
【００５７】
更に、アルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム系合金溶湯の鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２に沿う周方向の移動の抑制及び密着に伴って、鉄系プリフォーム１とアルミニウム系合金による母材との界面における隙間の発生が防止でき、鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２と薄肉部３８、３９を含む母材との界面強度が確保できる。
【００５８】
ここで、鉄系プリフォーム１は鉄系粉末焼結体からなるため空孔を有し、鋳包み時にアルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォーム１に容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸してＭＭＣ化され、ＭＭＣ化された鉄系プリフォーム１の熱膨張係数と鉄系材料からなるクランクシャフト４１との熱膨張係数の差が小さくなるので、ジャーナル部３３、３５の温度が上昇しても、クランクシャフト４１と軸受面３４、３６とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、クランクシャフト４１の回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００５９】
更に、鉄系プリフォーム１の内周面１１及び外周面１２との界面における隙間の発生を防止し、内周面１１及び外周面１２との界面接合強度を確保することで、母材と鉄系プリフォーム１との間の熱伝導効率が向上してジャーナル部３３、３５の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６側が均等に膨張してジャーナル部３３、３５による軸受メタル４０ａ、４０ｂの支持が安定してクランクシャフト４１と軸受メタル４０ａ、４０ｂとの間の摩擦係数の増加が抑制されるため、摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【００６０】
更に、ジャーナル部３３、３５において薄肉部３８、３９と鉄系プリフォーム１との界面に隙間がなくなり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６を機械加工する際に薄肉に形成された薄肉部３８、３９の加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部３３、３５の加工精度が向上する。
【００６１】
ここで、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内での収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム１に穿設される第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄを内径１〜１９ｍｍの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔２１Ａ〜２１Ｄをテーパ孔に形成した場合には、界面の密着には有利だが鉄系プリフォームの加工が困難になり製造コストの増大を招くと共に貫通孔と内周面と連続部分にアンダーカット部が形成されて収縮応力σ１に対抗する拘束力が過大になり、凝縮及び収縮時に応力集中が発生して母材、特に薄肉部３８、３９に破断やクラックが発生する確率が高くなる。
【００６２】
また、貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内径Ａを１ｍｍより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さく、また、ショットブラスト処理を施す場合に貫通孔の内面にショットが良好に吹き付け難く、ショットブラスト処理の効果が期待できない。
【００６３】
一方、貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内径Ａを１９ｍｍより大きくすると、鉄系プリフォーム１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内における母材との密着性が低下し、薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材との界面強度が不安定になる。
【００６４】
隣接する貫通孔２１の間隔Ｂ、即ち内周面１１側における第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａの開口中心間の間隔Ｂ、第２貫通孔２１Ｂの貫通孔本体２２Ｂの内方端２２Ｂａと第３貫通孔２１Ｃの貫通孔本体２２Ｃの内方端２２Ｃａの開口中心間の間隔Ｂ、第１貫通孔２１Ａの貫通孔本体２２Ａの内方端２２Ａａと第４貫通孔２１Ｄの貫通孔本体２２Ｄの内方端２２Ｄａの開口中心間の間隔Ｂが、内径Ａの１．５倍より小さいと鉄系プリフォーム１を金型による加圧成形が困難になり、かつ機械加工等により各第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招くと共に鉄系プリフォーム１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念される。一方、隣接する貫通孔２１の間隔Ｂが内径Ａの５倍を超えると貫通孔間の部分に隙間が発生する可能性が高くなる。
【００６５】
更に、内周面１１と第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの内周面１１に開口する各貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内方端２２Ａａ〜２２Ｄａと内周面１１との連続部分の曲面或いは面取り形状の曲率半径が過大であると、界面強度及び密着が悪化する一方、過小であると鉄系プリフォーム１の製造が困難になると共に、アルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に応力集中が発生して母材、特に薄肉部３８、３９に破断やクラックが発生する。
【００６６】
また、第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの深さＣが、内径Ａの０．５倍より小さいと、鋳包みの際に第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内にアルミニウム系合金溶湯の侵入が困難になる一方、内径Ａの５倍を超えると鉄系プリフォーム１の金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く要因となる。
【００６７】
なお、鉄系プリフォーム１の第１〜第４貫通孔２１Ａ〜２１Ｄの貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面には、図６（ａ）に断面を示し、ＩＩＩ矢視図を同図（ｂ）に示すように、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面に螺旋状の溝２２ｃを形成したり、図７（ａ）に断面を示し、ＩＶ矢視図を同図（ｂ）に示すように、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面に複数のリブ２２ｄを形成することによって、或いはスリット等を形成して貫通孔の内面に表面積拡大処理を施すことにより、貫通孔本体２２Ａ〜２２Ｄの内面の面積を増大させて、各貫通孔２１Ａ〜２１Ｄ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力を増大させる。これにより、内周面１１に沿って作用する収縮応力σ１及び外周面１２に沿って作用する収縮応力σ２をより確実に受け止め、アルミニウム系合金溶湯の内周面１１及び外周面１２に沿う移動を抑制して内周面１１及び外周面１２と母材との密着効果を向上すると共に、収縮後の母材に生じる残留応力を軽減させることができる。
【００６８】
なお、図８に図２に対応する鉄系プリフォーム１の断面を示しように、中心軸芯Ｌを直交する基準線Ｌａを有して第１内周面１１ａと第１外周面１２ａの間を連通する第１貫通孔２１Ａ、基準線Ｌａと平行な基準線Ｌｂを有して第２内周面１１ｂと第２外周面１２ｂの間を連通する第２貫通孔２１Ｂ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｅ、Ｌｆを有して第３内周面１１ｃと第３外周面１２ｃの間を連通する比較的小径の一対の第５貫通孔２１Ｅ、第６貫通孔２１Ｆ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｇを有して第１内周面１１ａの第４内周面１１ｄ近傍と第４外周面１２ｄの間を連通する比較的小径の第７貫通孔２１Ｇ、基準線Ｌｇと平行な基準線Ｌｈを有して第４内周面１１ｄと第４外周面１２ｄの間を連通する比較的小径の第８貫通孔２１Ｈ、及び第１貫通孔２１Ａと第８貫通孔２１Ｈとの間において中心軸芯Ｌを斜交する基準線Ｌｊを有して第１内周面１１ａと第１外周面１２ａの間を連通する第９貫通孔２１Ｊを穿設する等、内周面１１と外周面１２とを連通する貫通孔の数、配置、大きさ等を、ＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定することができる。これら貫通孔の数、配置、大きさ等は、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定することが好ましい。
【００６９】
（第２実施の形態）
図９は、第２実施の形態に係る鉄系プリフォーム５１の概要を示し、上記図２に対応する断面図である。なお、図２と対応する部分には同一符号を付することで該部の詳細な説明を省略する。
【００７０】
本実施の形態に係る鉄系プリフォーム５１は、上記鉄系プリフォーム１と同様の鉄系粉末焼結体によって形成される。
【００７１】
この鉄系プリフォーム５１は、図９に示すように鉄系プリフォーム１と同様に、第１内周面１１ａ、第２内周面１１ｂ、第３内周面１１ｃ、第４内周面１１ｄを有する断面半円弧状乃至Ｕ字状の内周面１１及び第１外周面１２ａ、第２外周面１２ｂ、第３外周面１２ｃ、第４外周面１２ｄを有する断面半円弧状乃至Ｕ字状の外周面１２を備えたプリフォーム本体１０を有し、プリフォーム本体１０の両端にフランジ部１５、１６が一体形成されている。
【００７２】
プリフォーム本体１０の外周面１２と内周面１１とを連通する貫通孔、及び外周面１２に開口する複数の有底孔が複数穿設されている。これら有底孔は、貫通孔に比べ穿設の制約が少なく、貫通孔の穿設が制限される部位でも穿設することができる。本実施の形態では、中心軸芯Ｌと直交する基準線Ｌａを有して第１外周面１２に開口する第１有底孔６１Ａ、基準線Ｌａと平行な基準線Ｌｂを有して第２内周面１１ｂと第２外周面１２ｂの間を連通する貫通孔６５、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｃを有して第３外周面１２ｃに開口する第２有底孔６１Ｂ、基準線Ｌａと直交する基準線Ｌｄを有して第４外周面１２ｄに開口する第３有底孔６１Ｃが穿設されている。
【００７３】
貫通孔６５を形成することによって鉄系プリフォーム５１の内周面１１と外周面１２が貫通孔６５を介して連通してアルミニウム系合金により鋳包みした際に湯廻りが良好になるとともに、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃを形成することによって鉄系プリフォーム５１の表面積が増大してアルミニウム系合金の溶湯との密着性及び接合強度の向上が図られ、かつアルミニウム系合金溶湯が場合により溶浸して鉄系プリフォーム５１のＭＭＣ化が得られる。これらの第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ及び貫通孔６５は金型による加圧成形時または焼結体の加工時に形成される。好ましくは金型による加圧成形時に同時に成形することにより製造の効率化が得られると共に製造コストの抑制が得られる。
【００７４】
貫通孔６５は、断面円形で基準線Ｌｂ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６６ａが第２内周面１１ｂに開口する貫通孔本体６６と、貫通孔本体６６の外方端６６ｂに連続形成されて第２外周面１２ｂに開口し、かつ貫通孔本体６６の外方端６６ｂ側から第２外周面１２ｂ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６７を有している。第１実施の形態の各貫通孔２１Ａ〜２１Ｇと同様に貫通孔本体６６の内径Ａは、１〜１９ｍｍ（１ｍｍ≦Ａ≦１９ｍｍ）が好ましく、内周面１１に開口する貫通孔本体６６の内方端６６ａと内周面１１との連続部分が滑らかに連続する曲面、いわゆるＲ形状或いは面取り形状に形成され、貫通孔６５の深さＣは貫通孔本体６６の内径Ａの０．５倍以上乃至５倍以下（０．５Ａ≦Ｃ≦５Ａ）が好ましい。
【００７５】
第１有底孔６１Ａは、断面円形で基準線Ｌａ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６２Ａａに底部６２Ａｃを有する有底孔本体６２Ａと、有底孔本体６２Ａの外方端６２Ａｂに連続形成されて第１外周面１２ａに開口し、かつ有底孔本体６２Ａの外方端６２Ａｂ側から第１外周面１２ａ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６３Ａを有している。
【００７６】
第２有底孔６１Ｂは、断面円形で基準線Ｌｃ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６２Ｂａに底部６２Ｂｃを有する有底孔本体６２Ｂと、有底孔本体６２Ｂの外方端６２Ｂｂに連続形成されて第３外周面１２ｃに開口し、かつ有底孔本体６２Ｂの外方端６２Ｂｂ側から第３外周面１２ｃ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６３Ｂを有している。
【００７７】
第３有底孔６１Ｃは、断面円形で基準線Ｌｄ方向に連続する円筒状の内面を有して内方端６２Ｃａに底部６２Ｃｃを有する有底孔本体６２Ｃと、有底孔本体６２Ｃの外方端６２Ｃｂに連続形成されて第４外周面１２ｄに開口し、かつ有底孔本体６２Ｃの外方端６２Ｃｂ側から第４外周面１２ｄ側に移行するに従って内径が漸次拡径するテーパ孔部６３Ｃを有している。
【００７８】
第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ、及び貫通孔６５の形状はＭＭＣ化する製品形状等の仕様により異なるが、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内径ａは１〜１９ｍｍ（１ｍｍ≦ａ≦１９ｍｍ）が好ましい。また、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの深さｃは有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内径ａの０．５倍以上乃至５倍以下（０．５ａ≦ｃ≦５ａ）が好ましい。
【００７９】
これら、各有底孔６１Ａ〜６１Ｃの有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内径ａ及び有底孔６１Ａ〜６１Ｃの深さｃ等は、ＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定するには、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定することが好ましい。
【００８０】
この鉄系プリフォーム５１は、必要に応じてショットブラスト処理が施される。ショットブラスト処理を施すことにより、表面に形成された酸化被膜等が除去されて表面が清浄化され、基地中に分散する遊離Ｃｕ相が表面に露出されてアルミニウム系合金による鋳包み性が向上する。
【００８１】
図１０は、この鉄系プリフォーム５１が用いられるジャーナル部の実施の形態を示すものであり、鉄系プリフォーム５１は、各シリンダブロックの鋳造成形時に、その鋳造型のジャーナル部形成位置に配置して鋳包み工程においてＭＭＣ化して設ける。
【００８２】
この鋳包み工程において、鉄系プリフォーム５１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯は、鉄系プリフォーム５１の表面に沿って鉄系プリフォーム５１の内周面１１側に侵入すると共に、貫通孔６５を経ても内周面１１側に供給されて良好なアルミニウム系合金溶湯の湯廻り性が得られる。
【００８３】
このジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム５１の内周面１１との間の薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によっても外周面１２に沿って周方向に収縮応力σ２が作用する。一方、鉄系プリフォーム５１の第１有底孔６１Ａ、貫通孔６５、第２有底孔６１Ｂ及び第３有底孔６１Ｃ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって第１有底孔６１Ａ、貫通孔６５、第２有底孔６１Ｂ及び第３有底孔６１Ｃに沿ってそれぞれ収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６が作用する。
【００８４】
これら鉄系プリフォーム５１の貫通孔６５に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ４による抗力によって、薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の内周面１１に沿う移動が抑制されると共に内周面１１に密着し、収縮後の薄肉部３８、３９に生じる残留応力を軽減すると共に均等に分散することができ、薄肉部３８、３９の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００８５】
同様に、鉄系プリフォーム５１の第１有底孔６１Ａ、貫通孔６５、第２有底孔６１Ｂ及び第３有底孔６１Ｃ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ４、σ５、σ６による抗力により、鉄系プリフォーム５１の外周面１２側に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮によって外周面１２に沿って作用する収縮応力σ２が分散されて受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の外周面１２に沿う移動が抑制されると共に外周面１２に密着し、収縮後の該部に生じる残留応力を軽減すると共に均等に分散することができる。
【００８６】
更に、アルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時におけるアルミニウム系合金溶湯の鉄系プリフォーム５１の内周面１１及び外周面１２に沿う周方向の移動の抑制及び密着に伴って、鉄系プリフォーム５１とアルミニウム系合金による母材との界面における隙間の発生が防止でき、鉄系プリフォーム５１の内周面１１及び外周面１２と薄肉部３８、３９を含む母材との界面接合強度が確保できる。
【００８７】
ここで、鉄系プリフォーム５１は鉄系粉末焼結体からなるため空孔を有し、鋳包み時にアルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォーム５１に容易に且つ安定的に密着し、場合により溶浸してＭＭＣ化され、ＭＭＣ化された鉄系プリフォーム５１の熱膨張係数と鉄系材料からなるクランクシャフト４１との熱膨張係数の差が小さくなるので、ジャーナル部３３、３５の温度が上昇しても、クランクシャフト４１と軸受面３４、３６とのクリアランスを許容範囲内に収めることができ、クランクシャフト４１の回転中における振動や騒音の発生を防止することができる。
【００８８】
更に、鉄系プリフォーム５１の内周面１１及び外周面１２との界面における隙間の発生を防止し、内周面１１及び外周面１２との界面強度を確保することで、アルミニウム系合金からなる母材と鉄系プリフォーム５１との間の熱伝導効率が向上してジャーナル部３３、３５の周方向において熱伝導率が均一になり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６側が均等に膨張してジャーナル部３３、３５による軸受メタルの支持が安定してクランクシャフトと軸受メタルとの間の摩擦係数の増加が抑制され、摩擦抵抗の減少に伴ってエンジンの燃費、性能、耐久性等が確保できる。
【００８９】
更に、ジャーナル部３３、３５において薄肉部３８、３９と鉄系プリフォーム５１との界面に隙間がなくなり、ジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６を機械加工する際に薄肉に形成された薄肉部３８、３９の加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部３３、３５の加工精度が向上する。
【００９０】
ここで、貫通孔６５の内周面１１側に加わる収縮応力が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム５１に穿設される貫通孔６５の貫通孔本体６６を内径１〜１９ｍｍの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔６５の内径Ａを１ｍｍより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さくなる。一方、貫通孔６５の内径Ａを１９ｍｍより大きくすると、鉄系プリフォーム５１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ貫通孔６５内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、貫通孔６５内における母材との密着性が低下し、薄肉部３８、３９の応力σ１に対抗する拘束力が過少になり内周面１１と母材との界面強度が不安定になる。
【００９１】
また、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ及び貫通孔６５内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ５、σ６、σ４による抗力が過少の場合には、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う外周面１２側の母材の応力σ２に対抗する拘束力が過少になり外周面１２と母材の界面に連続した隙間が形成されて界面強度が不安定になる。そこで、本実施の形態では鉄系プリフォーム５１に穿設される貫通孔６５の内径Ａ及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの内径ａを１〜１９ｍｍの断面円形で連続する内面を円筒状に形成したが、仮に貫通孔６５の内径Ａ及び各有底孔６１Ａ〜６１Ｃの内径ａを１ｍｍより小さくすると、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮に伴う外周面１２側の母材による応力σ２に対抗する拘束力が過少になり界面の密着性向上の効果が極めて小さく、また、ショットブラスト処理を施す場合に貫通孔本体６６及び有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面にショットが良好に吹き付け難く、ショットブラスト処理の効果が期待できない。
【００９２】
一方、貫通孔６５の内径Ａ及び各有底孔６１Ａ〜６１Ｃの内径ａを１９ｍｍより大きくすると、鉄系プリフォーム５１の体積が減少してプリフォーム本来の機能効果が減少することが懸念され、かつ貫通孔本体６６及び有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃ内でアルミニウム系合金溶湯の凝固に伴う収縮の影響が大きく、貫通孔本体６６及び有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃ内における母材との密着性が低下し、外周面１２と母材の応力σ２に対抗する拘束力が過少になり外周面１２と母材との界面強度が不安定になる。
【００９３】
また、貫通孔６５の深さＣ及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの深さｃが、それぞれ内径Ａ、内径ａの０．５倍より小さいと、鋳包みの際に貫通孔６５及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ内にアルミニウム系合金溶湯の侵入が困難になり、また内径Ａ、内径ａの５倍を超えると鉄系プリフォーム５１を金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により貫通孔６５及び第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃを追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く要因となる。
【００９４】
なお、鉄系プリフォーム５１の第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃの有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面を図１１（ａ）に断面を示し、Ｖ矢視図を同図（ｂ）に示すように有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面に螺旋状の溝６２ｃを形成したり、図１２（ａ）に断面を示し、ＶＩ矢視図を同図（ｂ）に示すように有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面に複数のリブ６２ｄを形成することによって、或いはスリット等を形成して有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面に表面積拡大処理を施すことにより有底孔本体６２Ａ〜６２Ｃの内面の面積を増大させて、第１〜第３有底孔６１Ａ〜６１Ｃ内に侵入したアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮による収縮応力σ３、σ５、σ６を増大させることができる。これにより、外周面１２に沿って周方向に作用する収縮応力σ２をより確実に受け止めて、アルミニウム系合金溶湯の外周面１２に沿う移動を抑制して外周面１２と母材との密着効果を向上すると共に、収縮後の母材に生じる残留応力を軽減させることができる。
【００９５】
また、本実施の形態では、外周面１２に開口する第１有底孔６１Ａ〜６１Ｃを穿設したが、内周面１１に開口する有底孔を配置することもできる。更に貫通孔及び有底孔の数及び配置、大きさ等をＭＭＣ化する製品形状等の仕様により最適に設定することができる。これら貫通孔の数、配置、大きさ等は、予め実験やシミュレーションにより、製品における界面の密着状態及び母材側のクラック等の発生状況により決定すること好ましい。
【符号の説明】
【００９６】
１ 金属基複合材形成用鉄系プリフォーム
１０ プリフォーム本体
１１ 内周面
１２ 外周面
２１Ａ〜２１Ｈ 第１〜第８貫通孔（貫通孔）
２２ｃ 螺旋状の溝（表面積拡大処理）
２２ｄ リブ（表面積拡大処理）
３３、３５ ジャーナル部
３４、３６ 軸受面（凹面）
３８、３９ 薄肉部
５１ 鉄系プリフォーム
６１Ａ〜６１Ｃ 第１〜第３有底孔
６２ｃ 螺旋状の溝（表面積拡大処理）
６２ｄ リブ（表面積拡大処理）
６５ 貫通孔
Ａ 貫通孔の内径
Ｂ 貫通孔の間隔
Ｃ 貫通孔の深さ
ａ 有底孔の内径
ｃ 有底孔の深さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、
上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設され、上記貫通孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項２】
上記プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設されていることを特徴とする請求項１に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項３】
上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする請求項２に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項４】
断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、
上記プリフォーム本体は、内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設され、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項５】
上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設されていることを特徴とする請求項４に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項６】
上記請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームを、上記プリフォーム本体の内周面に沿う断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みしたことを特徴とするジャーナル部構造。
【請求項１】
断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、
上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設され、上記貫通孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項２】
上記プリフォーム本体の内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設されていることを特徴とする請求項１に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項３】
上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする請求項２に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項４】
断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みされ、上記凹面に沿う断面半円弧状乃至Ｕ字状で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び外周面を有するプリフォーム本体を備えた金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、
上記プリフォーム本体は、内周面及び／または外周面に開口する有底孔が穿設され、上記有底孔の内面に表面積拡大処理が施されていることを特徴とする金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項５】
上記プリフォーム本体は、上記内周面と外周面とを連通する貫通孔が穿設されていることを特徴とする請求項４に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項６】
上記請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォームを、上記プリフォーム本体の内周面に沿う断面半円弧状で中心軸芯延在方向に沿って連続形成された凹面状の軸受面を有するアルミニウム系合金母材で鋳包みしたことを特徴とするジャーナル部構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−６９３７２（Ｐ２０１１−６９３７２Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７０１９（Ｐ２０１０−２８７０１９）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【分割の表示】特願２００５−２８７９４１（Ｐ２００５−２８７９４１）の分割
【原出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【分割の表示】特願２００５−２８７９４１（Ｐ２００５−２８７９４１）の分割
【原出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]