金属基複合材形成用鉄系プリフォーム及び該鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造
【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】金属基複合材形成用鉄系プリフォーム１は、断面半円弧状の軸受面３４、３６を有するアルミニウム系合金部材で鋳包みされ、軸受面３４、３６に沿う内周面１１に内側溝２１が複数形成されている。内側溝２１は、内周面１１に連続する両端縁２２に連続して互いに対向する平坦部２３及び溝底部２４を備える。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周方向の収縮が各内側溝２１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、安定した界面結合強度及び密着が確保できる。
【解決手段】金属基複合材形成用鉄系プリフォーム１は、断面半円弧状の軸受面３４、３６を有するアルミニウム系合金部材で鋳包みされ、軸受面３４、３６に沿う内周面１１に内側溝２１が複数形成されている。内側溝２１は、内周面１１に連続する両端縁２２に連続して互いに対向する平坦部２３及び溝底部２４を備える。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周方向の収縮が各内側溝２１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、安定した界面結合強度及び密着が確保できる。
【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鉄系プリフォームを有する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すると、鉄系材料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鋳物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シリンダブロック本体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）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２０４２９８号公報
【発明の開示】
【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が増加する。
【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。特にジャーナル部における軸受面とプリフォームとの間は例えば２〜３ｍｍと極めて薄く、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に、この薄肉部に発生する応力により薄肉部とプリフォームとの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、該部において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の薄肉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、即ちプリフォームを鋳包みする母材が破損することがある。特にプリフォームとジャーナル部の軸受面との間の薄肉部に応力が集中して該部が破損することが懸念される。
【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で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び上記中心軸芯延在方向に沿って連続すると共に周方向に間隔をおいて上記内周面に複数形成された内側溝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、上記内側溝は、上記内周面に連続する両端縁にそれぞれ基端が連続して互いに対向する平坦部及び該両平坦部の奥端間に連続形成された溝底部を備え、上記中心軸芯に向かって開口する断面ほぼＵ字形状であって、上記平坦部の基端から奥端までの寸法をＡ、溝巾をＢとすると、０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍで、且つ、０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍであることを特徴とする。
【００１４】
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、上記溝底部における上記中心軸芯と直交する断面形状の曲率半径をＣ、溝巾をＢとすると、０．２Ｂ≦Ｃ≦Ｂであることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記内周面に連続する両端縁と平坦部の連続部分は滑らかに連続する曲面乃至面取り形状であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記中心軸芯から溝巾中心に延在する直線状の基準線に対する上記平坦部の傾斜角をＥとすると、Ｅ≦５°であることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記隣接する内側溝の各溝巾中心間の間隔をＦ、溝巾をＢとすると、１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂであることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記鉄系プリフォームは、鉄系粉末焼結体からなることを特徴とする。
【００１９】
上記第２の目的を達成する請求項７の鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造は、上記請求項１〜６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、該プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で中心軸線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。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によると、金属基複合材形成用鉄系プリフォームの内周面に周方向に間隔をおいて複数形成された内側溝を、内周面に連続する両端縁にそれぞれ連続して互いに対向する平坦部及びこれら両平坦部の奥端間に連続形成された溝底部を備えた断面ほぼＵ字形状でかつ、平坦部の基端から奥端までの寸法を０．１ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下、溝巾を０．５ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下とすることによって、鋳包み工程において、半円状の凹面とプリフォームの内周面との間の薄肉部に注湯されたアルミニウム系合金溶湯が周方向に多数形成された各内側溝内に侵入し、この薄肉部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鉄系プリフォームの内周面に沿って周方向に収縮応力が作用したとき、その凝固に伴うアルミニウム系溶湯の周方向の収縮が鉄系プリフォームの内周面に多数形成された各内側溝によって均等に受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の周方向の移動が抑制される。これによりアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮応力が鉄系プリフォームの内周面に沿って均等に分散されてアルミニウム系合金からなる母材に生じる残留応力の軽減及び均等化によって凹面と鉄系プリフォームの内周面との間の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００２１】
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系合金溶湯の移動抑制に伴って、界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面結合強度及び密着が確保できる。
【００２２】
請求項２の発明によると、溝底部における断面形状の曲率半径を溝巾の０．２倍以上乃至溝巾以下とすることによって、溝底部の界面における隙間の発生が防止されて界面の接合強度が確保できる。
【００２３】
請求項３の発明によると、内周面に連続する両端縁と平坦部の連続部分は滑らかに連続する曲面乃至面取り形状にすることによって、界面強度及び密着が確保できると共に、アルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時の応力集中が抑制されて母材の破断やクラックが防止される。
【００２４】
請求項４の発明によると、中心軸芯から溝巾中心に延在する直線状の基準線に対する平坦部の傾斜角を５°以下とすることによって界面強度及び密着が確保できると共に、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時の応力集中が抑制され、母材の破断やクラックの発生が防止される。
【００２５】
請求項５の発明によると、隣接する内側溝の各溝巾中心間の間隔を溝巾の１．５倍以上で５倍以下にすることによって、内側溝の形成が容易になるとともに、界面における隙間の発生が防止されて界面の接合強度が確保できる。
【００２６】
請求項６の発明によると、鉄系粉末焼結体からなる鉄系プリフォームは空孔を有し、アルミニウム系合金溶湯で鋳包むことによって、アルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォームに溶浸して鉄系プリフォームを適切にＭＭＣ化することができる。
【００２７】
請求項７の発明によると、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。
【００２８】
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。また、ジャーナル部において薄肉部と鉄系プリフォームとの界面に隙間がなくなり、ジャーナル部の軸受面を機械加工する際に、加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部の加工精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
（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矢視図、図３は図１のＩＩ矢視図、図４は図２のＩＩＩ部拡大図である。
【００３１】
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。
【００３２】
この鉄系プリフォーム１は、図１乃至３に示すように、略半円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する内周面１１と、円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する外周面１２を有する断面円弧状に形成され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が一体形成されている。各フランジ部１５、１６には貫通孔１５ａ、１６ａが穿設されている。
【００３３】
プリフォーム本体１０の対向する端面１３、１４にそれぞれ円弧状に延在する複数の端側溝１７（端面１３側のみ図示）が形成され、外周面１２に中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する外側溝１８が周方向にほぼ等間隔で複数形成され、内周面１１に中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する内側溝２１が周方向にほぼ等間隔で複数形成されている。これらの端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１の各溝を形成することによって表面積が増加してアルミニウム系合金により鋳包みした際に、アルミニウム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１のＭＭＣ化が得られる。これらの端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１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。
【００３４】
内周面１１に形成される各内側溝２１は、図４に示すように中心軸芯Ｌに向かって開口するほぼ断面Ｕ字形状で中心軸芯Ｌの延在方向に沿って連続して凹設されている。この各内側溝２１は、中心軸芯Ｌから内側溝２１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａを中心として対称形状であって、内周面１１と内側溝２１の各端縁２２、２２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。これらの各端縁２２、２２に基端２３ａ、２３ａが連続して互いに対向する平坦部２３、２３が形成され、各平坦部２３、２３の奥端２３ｂ、２３ｂは溝底部２４によって連続形成されている。
【００３５】
このように形成された内側溝２１の各平坦部２３、２３の長さＡ、即ち基端２３ａ、２３ａから奥端２３ｂ、２３ｂまでの長さが、０．１ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下（０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍ）に設定され、且つ、溝巾Ｂとなる一方の平坦部２３から他方の平坦部２３までの寸法が０．５ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下（０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍ）に設定されている。更に、図４に示す溝底部２４の断面形状において溝底部２４の各部の曲率半径Ｃは、図５の溝巾−溝底部曲率半径の相対関係図における直線で示す上限Ｍａｘと下限Ｍｉｎの範囲内、即ち溝巾Ｂ以下乃至溝巾Ｂの０．２倍以上（Ｂ≧Ｃ≧０．２Ｂ）が好ましい。本実施の形態では曲率半径Ｃが溝巾Ｂの０．５倍、即ち溝底部２４は半径が０．５Ｂの円弧状に形成されている。
【００３６】
内側溝２１の深さＤは各平坦部２３、２３の長さＡ、溝底部２４の曲率半径Ｃ及び内周面１１と各端縁２２、２２との連続部分の形状によって制約されるが、好ましくは０．３５ｍｍ以上で６．０ｍｍ以下（０．３５ｍｍ≦Ｄ≦６．０ｍｍ）に設定される。
【００３７】
また、内側溝２１の開口方向は、中心軸芯Ｌから内側溝２１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａに対する各平坦部２３、２３の傾斜角Ｅが５°以下（Ｅ≦５°）となることが好ましい。更に、隣接する内側溝２１と２１の溝間隔Ｆは、即ち溝巾中心間の寸法が溝巾Ｂの１．５倍以上で５倍以下（１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂ）に設定することが望ましい。
【００３８】
これら内側溝２１の平坦部２３、２３の長さＡ、溝巾Ｂ、溝底部２４の各部の曲率半径Ｃ、内側溝２１の深さＤ、各平坦部２３、２３の傾斜角Ｅ、溝間隔Ｆ、内周面１１と内側溝２１の各端縁２２、２２との連続部分の曲面形状は、実験やシミュレーションにより、予め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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図６及び図７は、この鉄系プリフォーム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６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７は図６のＩＶ矢視図である。
【００４２】
図６及び図７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。
【００４３】
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、即ち半円弧状の軸受メタル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、鉄系の鋼材で形成されており、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、混合気の燃焼により発生した熱の伝搬により熱膨張する。
【００４４】
本実施の形態では、左右の各ジャーナル部３３、３５に、図１乃至図４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。
【００４５】
この鋳包み工程において、アルミニウム系合金溶湯が端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１の各溝にも侵入し、鉄系プリフォーム１を鋳包むアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時に、収縮応力が各端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１によって分散して受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の移動が抑制され、収縮後のアルミニウム系合金、即ち母材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。
【００４６】
特に、図８に示すようにジャーナル部３３、３５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２〜３ｍｍ程度と極めて薄くこの薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯においても、鉄系プリフォーム１の内周面１１に中心軸線Ｌの延在方向に延在して周方向に多数形成された内側溝２１内に侵入する。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、図８に示すように鉄系プリフォーム１の内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、かつ凝固に伴う周方向の収縮が鉄系プリフォーム１の内周面１１に周方向に等間隔で多数形成された各内側溝２１によって均等に受け止められ、凝固に伴う周方向の移動が抑制される。これによりアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮応力σ１が鉄系プリフォーム１の内周面１１に沿って均等に分散されて収縮後のアルミニウム系合金によって構成される母材に生じる残留応力の軽減及び均等化によってジャーナル部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の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００４７】
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に沿う周方向の移動の抑制に伴って、鉄系プリフォーム１の内周面１１と薄肉部３８、３９との界面における隙間の発生が防止でき、内周面１１と薄肉部３８、３９との界面強度が確保できる。
【００４８】
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。
【００４９】
更に、鉄系プリフォーム１の内周面１１と薄肉部３８、３９との界面における隙間の発生を防止し、内周面１１と薄肉部３８、３９との界面強度を確保することで、薄肉部３８、３９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。
【００５０】
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。
【００５１】
（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の概要を示す斜視図、図１０は図９のＶ矢視図、図１１は図１０のＶＩ部拡大図である。なお、図１乃至図４と対応する部分には同一符号を付して該部の詳細な説明を省略する。
【００５２】
本形態の鉄系プリフォーム５１は、例えば鉄系粉体、銅粉、黒鉛粉、潤滑剤粉末、或いは更に被削性改善用微細粒子粉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。
【００５３】
この鉄系プリフォーム５１は、図９乃至１１に示すように、内周面１１と外周面１２を有する断面円弧状に形成され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。
【００５４】
プリフォーム本体１０の端面１３、１４にそれぞれ複数の端側溝１７が形成され、外周面１２に外側溝１８が周方向にほぼ等間隔で複数形成され、内周面１１に中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する内側溝６１が周方向にほぼ等間隔で複数形成されている。
【００５５】
内周面１１に形成される各内側溝６１は、図１１に示すように中心軸芯Ｌ側に向かって開口するほぼ断面Ｕ字形状で中心軸芯Ｌの延在方向に沿って連続して凹設されている。この各内側溝６１は、内側溝６１の開口方向は、中心軸芯Ｌから内側溝６１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａを中心として対称形状であって、内周面１１と内側溝６１の各端縁２２、２２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。これらの各端縁２２、２２に基端２３ａ、２３ａが連続して互いに対向する平坦部２３、２３が形成され、各平坦部２３、２３の奥端２３ｂ、２３ｂは溝底部２４によって連続形成されている。
【００５６】
このように形成された内側溝６１の各平坦部２３、２３の長さＡが０．１ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下（０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍ）、溝巾Ｂが０．５ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下（０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍ）に設定されている。更に、図１１に示す溝底部２４は断面円弧状で平坦部２３、２３の奥端２３ｂ、２３ｂに連続する各端部範囲２４ａ、２４ａと、各端部範囲２４ａと２４ａとの間に連続する平面状の奥部範囲２４ｂを有する断面Ｕ字形状であって、各端部範囲２４ａ、２４ａの曲率半径Ｃは、図５の溝巾−溝底部曲率半径の相対関係図における直線で示す上限Ｍａｘと下限Ｍｉｎの範囲内、即ち溝巾Ｂ以下でかつ溝巾Ｂの１／５倍以上で２倍以下（Ｂ≧Ｃ≧０．２Ｂ）に設定されている。
【００５７】
内側溝６１の深さＤは、各平坦部２３、２３の長さＡ、溝底部２４の端部範囲２４ａ、２４ａの曲率半径Ｃ及び内周面１３と各端縁２２、２２との連続部分の形状によって制約されるが、好ましくは０．３５ｍｍ以上で６．０ｍｍ以下に設定される。
【００５８】
また、内側溝６１の開口方向は、中心軸芯Ｌから内側溝６１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａに対する各平坦部２３、２３の傾斜角Ｅが５°以下となることが好ましい。更に、隣接する内側溝６１と６１の溝間隔Ｆは、溝巾Ｂの１．５倍以上で５倍以下（１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂ）に設定することが望ましい。
【００５９】
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、表面粗さをＲｚで１０〜１００μｍとされる。
【００６０】
図１２は、この鉄系プリフォームが用いられるジャーナル部の実施の形態を示す上記図８に対応する説明図である。
【００６１】
本実施の形態では、左右の各ジャーナ部３３、３５に各鉄系プリフォーム５１は、各リンダブロック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。
【００６２】
この鋳包み工程において、アルミニウム系合金溶湯が各端側溝１７、外側溝１８、内側溝６１内にも侵入し、鉄系プリフォーム５１を鋳包むアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時に、収縮応力が各端側溝１７、外側溝１８、内側溝６１によって分散して受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の移動が抑制され、収縮後の母材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。
【００６３】
特に、図１２に示すようにジャーナル部３３、３５に形成された半円状の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム５１の内周面１１との間が２〜３ｍｍ程度と極めて薄く、この薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯においても鉄系プリフォーム５１の内周面１１に多数形成された内側溝６１内に侵入する。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、図１１に矢印で示すように鉄系プリフォーム５１の内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、かつ凝固に伴う周方向の移動が抑制される。これによりアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮応力σ１が鉄系プリフォーム５１の内周面１１に沿って均等に分散されて収縮後のアルミニウム合金によって構成される母材に生じる残留応力の軽減及び均等化によってジャーナル部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の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００６４】
更に、アルミニウム系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に沿う周方向の移動の抑制に伴って、鉄系プリフォーム５１の内周面１１と薄肉部３８、３９との界面における隙間の発生が防止でき、内周面１１と薄肉部３８、３９との接合強度が確保できる。
【００６５】
ここで、鉄系粉末焼結体からなる鉄系プリフォーム５１が空孔を有し、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の熱膨張係数と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。
【００６６】
第１実施の形態における鉄系プリフォーム１及び第２実施の形態における鉄系プリフォーム５１の内周面１１に形成された各内側溝２１、６１の断面形状が仮にＶ字状等で開き角度がある場合には、鋳包み工程でジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム１、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は各内側溝２１、６１内に侵入するものの薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過小であり、収縮応力σ１を鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って有効的に分散することができない。この結果、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮により界面の密着が不安定になり、かつ界面に連続した隙間が発生して界面強度が不安定になる。一方、各内側溝２１、６１の開口部が溝底部２４より狭くアンダーカット形状を有する場合には鉄系プリフォーム１、５１を金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１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、アンダーカット形状によりアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力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に破断やクラックの発生する確率が高くなる。
【００６７】
また、各内側溝２１、６１の平坦部２３、２３の長さＡが０．１ｍｍより過小であるとアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過小になって、溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮により界面の密着向上効果が極めて少なくなり、界面強度が不安定になる可能性が高くなる。一方、各内側溝２１、６１の平坦部２３、２３の長さＡが１０．０ｍｍを越えると平坦部２３、２３によるアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過大になり、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要因となる。また、各内側溝２１、６１の平坦部２３、２３の長さＡが１０．０ｍｍを越えると、鉄系プリフォーム１、５１を金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１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。
【００６８】
また、内側溝２１、６１の溝巾Ｂが０．５ｍｍより小さい場合は、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内側溝２１、６１内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。一方、溝巾Ｂが１０．０ｍｍを越えると内側溝２１、６１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、密着性向上の効果が極めて小さくなる。更に鉄系プリフォーム１、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る。
【００６９】
また、溝底部２４の曲率半径Ｃが溝巾Ｂを越えると界面強度及び密着性が著しく悪化し、曲率半径Ｃが溝巾Ｂの１／５倍より小さくなると第２実施の形態における溝底部２４の平面状な奥部範囲２４ｂが大きくなり界面強度及び密着性が悪化する。
【００７０】
更に、内周面１１と内側溝２１、６１の各端縁２２、２２との連続部分が滑らかに連続する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性が悪化する一方、過小であると鉄系プリフォーム１、５１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。また、内側溝２１、６１の各平坦部２３、２３の基準線Ｌａに対する傾斜角Ｅが５°を越えると、鉄系プリフォーム１、５１の金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１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、アルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過大になり薄肉部３８、３９に破断やクラックが発生する可能性が高くなる。
【００７１】
更に、隣接する内側溝２１、６１の溝間隔Ｆが溝巾Ｂの１．５倍より小さいと鉄系プリフォーム１、５１の金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１を追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く一方、隣接する内側溝２１，６１の溝間隔Ｆが溝巾Ｂの５倍を超えると溝間の部分に隙間が発生する可能性が高くなる。
【実施例】
【００７２】
鉄系プリフォームの内周面に形成される内側溝の断面形状が、Ｖ字形状、アンダーカット形状を有する溝形状、半円弧形状、上記実施の形態の溝形状と同様に平坦部及び溝底部を有するＵ字形状の各鉄系プリフォームをアルミニウム系合金によって鋳包みし、界面の密着状態及び母材に発生する割れやクラックの有無を確認した。その結果を表１に示す。
【００７３】
表１において溝形状のＶ、ＵＣ、Ｒ、Ｕはそれぞれ溝形状がＶ字状、アンダーカット形状を有する溝形状、半円弧形状、平坦部及び溝底部を有するＵ字形状であることを示し、Ｖ９０°、Ｖ６０°、Ｖ３０°、Ｖ５°はそれぞれ開き角度が９０°、６０°、３０°、５°のＶ字状の溝形状である。また、ＵＣ（２．５°）、ＵＣ（０．５°）はそれぞれテーパ角度が２．５°、０．５°のアンダーカット形状である。溝間隔Ｆは隣接する溝巾中心間の間隔であり、溝巾Ｂに対する倍数で表示し、溝傾き角度Ｆは内周面の中心軸芯と溝巾中心を結ぶ直線状の基準線に対する傾き角度である。また、密着状態は各プリフォームがアルミニウム系合金で鋳包みされた状態で切断し、カラーチェック（発色状態）から比率を算出し密着率９０％以上を隙間なしで良好（○）、それ未満を隙間あり（×）とした。
【００７４】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【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矢視図である。
【図３】図１のＩＩ矢視図である。
【図４】図２のＩＩＩ部拡大図である。
【図５】溝巾−溝底部曲率半径の相対関係図である。
【図６】鉄系プリフォームが用いられるジャーナル部の実施の形態を示す図であり、シリンダブロックのクランクシャフトと直交する縦断面図である。
【図７】図６のＩＶ矢視図である。
【図８】ジャーナル部の説明図である。
【図９】第２実施の形態に係る鉄系プリフォームの概要を示す斜視図である。
【図１０】図９のＶ矢視図である。
【図１１】図１０のＶＩ部拡大図である。
【図１２】ジャーナル部の説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ 金属基複合材形成用鉄系プリフォーム
１１ 内周面
２１ 内側溝
２２ 端縁
２３ 平坦部
２３ａ 基端
２３ｂ 奥端
２４ 溝底部
２４ａ 端部範囲
２４ｂ 奥部範囲
３１、３２ シリンダブロック
３３、３５ ジャーナル部
３４、３６ 軸受面（凹面）
５１ 鉄系プリフォーム
６１ 内側溝
Ｌ 中心軸芯
Ｌａ 基準線
Ａ 平坦部の基端から奥端までの長さ
Ｂ 溝巾
Ｃ 曲率半径
Ｄ 溝の深さ
Ｅ 基準線に対する平坦部の傾斜角
Ｆ 溝間隔
【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鉄系プリフォームを有する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すると、鉄系材料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鋳物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シリンダブロック本体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）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２０４２９８号公報
【発明の開示】
【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が増加する。
【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。特にジャーナル部における軸受面とプリフォームとの間は例えば２〜３ｍｍと極めて薄く、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に、この薄肉部に発生する応力により薄肉部とプリフォームとの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、該部において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の薄肉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、即ちプリフォームを鋳包みする母材が破損することがある。特にプリフォームとジャーナル部の軸受面との間の薄肉部に応力が集中して該部が破損することが懸念される。
【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で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び上記中心軸芯延在方向に沿って連続すると共に周方向に間隔をおいて上記内周面に複数形成された内側溝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、上記内側溝は、上記内周面に連続する両端縁にそれぞれ基端が連続して互いに対向する平坦部及び該両平坦部の奥端間に連続形成された溝底部を備え、上記中心軸芯に向かって開口する断面ほぼＵ字形状であって、上記平坦部の基端から奥端までの寸法をＡ、溝巾をＢとすると、０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍで、且つ、０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍであることを特徴とする。
【００１４】
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、上記溝底部における上記中心軸芯と直交する断面形状の曲率半径をＣ、溝巾をＢとすると、０．２Ｂ≦Ｃ≦Ｂであることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記内周面に連続する両端縁と平坦部の連続部分は滑らかに連続する曲面乃至面取り形状であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記中心軸芯から溝巾中心に延在する直線状の基準線に対する上記平坦部の傾斜角をＥとすると、Ｅ≦５°であることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記隣接する内側溝の各溝巾中心間の間隔をＦ、溝巾をＢとすると、１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂであることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項の金属基複合材形成用鉄系プリフォームにおいて、上記鉄系プリフォームは、鉄系粉末焼結体からなることを特徴とする。
【００１９】
上記第２の目的を達成する請求項７の鉄系プリフォームを有するジャーナル部構造は、上記請求項１〜６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、該プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で中心軸線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。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によると、金属基複合材形成用鉄系プリフォームの内周面に周方向に間隔をおいて複数形成された内側溝を、内周面に連続する両端縁にそれぞれ連続して互いに対向する平坦部及びこれら両平坦部の奥端間に連続形成された溝底部を備えた断面ほぼＵ字形状でかつ、平坦部の基端から奥端までの寸法を０．１ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下、溝巾を０．５ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下とすることによって、鋳包み工程において、半円状の凹面とプリフォームの内周面との間の薄肉部に注湯されたアルミニウム系合金溶湯が周方向に多数形成された各内側溝内に侵入し、この薄肉部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鉄系プリフォームの内周面に沿って周方向に収縮応力が作用したとき、その凝固に伴うアルミニウム系溶湯の周方向の収縮が鉄系プリフォームの内周面に多数形成された各内側溝によって均等に受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の周方向の移動が抑制される。これによりアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮応力が鉄系プリフォームの内周面に沿って均等に分散されてアルミニウム系合金からなる母材に生じる残留応力の軽減及び均等化によって凹面と鉄系プリフォームの内周面との間の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００２１】
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系合金溶湯の移動抑制に伴って、界面における隙間の発生が防止でき、鋳包み性に優れ、安定した界面結合強度及び密着が確保できる。
【００２２】
請求項２の発明によると、溝底部における断面形状の曲率半径を溝巾の０．２倍以上乃至溝巾以下とすることによって、溝底部の界面における隙間の発生が防止されて界面の接合強度が確保できる。
【００２３】
請求項３の発明によると、内周面に連続する両端縁と平坦部の連続部分は滑らかに連続する曲面乃至面取り形状にすることによって、界面強度及び密着が確保できると共に、アルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時の応力集中が抑制されて母材の破断やクラックが防止される。
【００２４】
請求項４の発明によると、中心軸芯から溝巾中心に延在する直線状の基準線に対する平坦部の傾斜角を５°以下とすることによって界面強度及び密着が確保できると共に、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時の応力集中が抑制され、母材の破断やクラックの発生が防止される。
【００２５】
請求項５の発明によると、隣接する内側溝の各溝巾中心間の間隔を溝巾の１．５倍以上で５倍以下にすることによって、内側溝の形成が容易になるとともに、界面における隙間の発生が防止されて界面の接合強度が確保できる。
【００２６】
請求項６の発明によると、鉄系粉末焼結体からなる鉄系プリフォームは空孔を有し、アルミニウム系合金溶湯で鋳包むことによって、アルミニウム系合金溶湯が鉄系プリフォームに溶浸して鉄系プリフォームを適切にＭＭＣ化することができる。
【００２７】
請求項７の発明によると、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。
【００２８】
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。また、ジャーナル部において薄肉部と鉄系プリフォームとの界面に隙間がなくなり、ジャーナル部の軸受面を機械加工する際に、加工時の負荷による変形が抑制されてジャーナル部の加工精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
（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矢視図、図３は図１のＩＩ矢視図、図４は図２のＩＩＩ部拡大図である。
【００３１】
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。
【００３２】
この鉄系プリフォーム１は、図１乃至３に示すように、略半円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する内周面１１と、円弧状で中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する外周面１２を有する断面円弧状に形成され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が一体形成されている。各フランジ部１５、１６には貫通孔１５ａ、１６ａが穿設されている。
【００３３】
プリフォーム本体１０の対向する端面１３、１４にそれぞれ円弧状に延在する複数の端側溝１７（端面１３側のみ図示）が形成され、外周面１２に中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する外側溝１８が周方向にほぼ等間隔で複数形成され、内周面１１に中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する内側溝２１が周方向にほぼ等間隔で複数形成されている。これらの端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１の各溝を形成することによって表面積が増加してアルミニウム系合金により鋳包みした際に、アルミニウム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１のＭＭＣ化が得られる。これらの端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１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。
【００３４】
内周面１１に形成される各内側溝２１は、図４に示すように中心軸芯Ｌに向かって開口するほぼ断面Ｕ字形状で中心軸芯Ｌの延在方向に沿って連続して凹設されている。この各内側溝２１は、中心軸芯Ｌから内側溝２１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａを中心として対称形状であって、内周面１１と内側溝２１の各端縁２２、２２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。これらの各端縁２２、２２に基端２３ａ、２３ａが連続して互いに対向する平坦部２３、２３が形成され、各平坦部２３、２３の奥端２３ｂ、２３ｂは溝底部２４によって連続形成されている。
【００３５】
このように形成された内側溝２１の各平坦部２３、２３の長さＡ、即ち基端２３ａ、２３ａから奥端２３ｂ、２３ｂまでの長さが、０．１ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下（０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍ）に設定され、且つ、溝巾Ｂとなる一方の平坦部２３から他方の平坦部２３までの寸法が０．５ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下（０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍ）に設定されている。更に、図４に示す溝底部２４の断面形状において溝底部２４の各部の曲率半径Ｃは、図５の溝巾−溝底部曲率半径の相対関係図における直線で示す上限Ｍａｘと下限Ｍｉｎの範囲内、即ち溝巾Ｂ以下乃至溝巾Ｂの０．２倍以上（Ｂ≧Ｃ≧０．２Ｂ）が好ましい。本実施の形態では曲率半径Ｃが溝巾Ｂの０．５倍、即ち溝底部２４は半径が０．５Ｂの円弧状に形成されている。
【００３６】
内側溝２１の深さＤは各平坦部２３、２３の長さＡ、溝底部２４の曲率半径Ｃ及び内周面１１と各端縁２２、２２との連続部分の形状によって制約されるが、好ましくは０．３５ｍｍ以上で６．０ｍｍ以下（０．３５ｍｍ≦Ｄ≦６．０ｍｍ）に設定される。
【００３７】
また、内側溝２１の開口方向は、中心軸芯Ｌから内側溝２１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａに対する各平坦部２３、２３の傾斜角Ｅが５°以下（Ｅ≦５°）となることが好ましい。更に、隣接する内側溝２１と２１の溝間隔Ｆは、即ち溝巾中心間の寸法が溝巾Ｂの１．５倍以上で５倍以下（１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂ）に設定することが望ましい。
【００３８】
これら内側溝２１の平坦部２３、２３の長さＡ、溝巾Ｂ、溝底部２４の各部の曲率半径Ｃ、内側溝２１の深さＤ、各平坦部２３、２３の傾斜角Ｅ、溝間隔Ｆ、内周面１１と内側溝２１の各端縁２２、２２との連続部分の曲面形状は、実験やシミュレーションにより、予め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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図６及び図７は、この鉄系プリフォーム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６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７は図６のＩＶ矢視図である。
【００４２】
図６及び図７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。
【００４３】
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、即ち半円弧状の軸受メタル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、鉄系の鋼材で形成されており、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、混合気の燃焼により発生した熱の伝搬により熱膨張する。
【００４４】
本実施の形態では、左右の各ジャーナル部３３、３５に、図１乃至図４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。
【００４５】
この鋳包み工程において、アルミニウム系合金溶湯が端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１の各溝にも侵入し、鉄系プリフォーム１を鋳包むアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時に、収縮応力が各端側溝１７、外側溝１８、内側溝２１によって分散して受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の移動が抑制され、収縮後のアルミニウム系合金、即ち母材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。
【００４６】
特に、図８に示すようにジャーナル部３３、３５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２〜３ｍｍ程度と極めて薄くこの薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯においても、鉄系プリフォーム１の内周面１１に中心軸線Ｌの延在方向に延在して周方向に多数形成された内側溝２１内に侵入する。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、図８に示すように鉄系プリフォーム１の内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、かつ凝固に伴う周方向の収縮が鉄系プリフォーム１の内周面１１に周方向に等間隔で多数形成された各内側溝２１によって均等に受け止められ、凝固に伴う周方向の移動が抑制される。これによりアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮応力σ１が鉄系プリフォーム１の内周面１１に沿って均等に分散されて収縮後のアルミニウム系合金によって構成される母材に生じる残留応力の軽減及び均等化によってジャーナル部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の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００４７】
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に沿う周方向の移動の抑制に伴って、鉄系プリフォーム１の内周面１１と薄肉部３８、３９との界面における隙間の発生が防止でき、内周面１１と薄肉部３８、３９との界面強度が確保できる。
【００４８】
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。
【００４９】
更に、鉄系プリフォーム１の内周面１１と薄肉部３８、３９との界面における隙間の発生を防止し、内周面１１と薄肉部３８、３９との界面強度を確保することで、薄肉部３８、３９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。
【００５０】
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。
【００５１】
（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の概要を示す斜視図、図１０は図９のＶ矢視図、図１１は図１０のＶＩ部拡大図である。なお、図１乃至図４と対応する部分には同一符号を付して該部の詳細な説明を省略する。
【００５２】
本形態の鉄系プリフォーム５１は、例えば鉄系粉体、銅粉、黒鉛粉、潤滑剤粉末、或いは更に被削性改善用微細粒子粉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。
【００５３】
この鉄系プリフォーム５１は、図９乃至１１に示すように、内周面１１と外周面１２を有する断面円弧状に形成され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。
【００５４】
プリフォーム本体１０の端面１３、１４にそれぞれ複数の端側溝１７が形成され、外周面１２に外側溝１８が周方向にほぼ等間隔で複数形成され、内周面１１に中心軸芯Ｌ方向に沿って延在する内側溝６１が周方向にほぼ等間隔で複数形成されている。
【００５５】
内周面１１に形成される各内側溝６１は、図１１に示すように中心軸芯Ｌ側に向かって開口するほぼ断面Ｕ字形状で中心軸芯Ｌの延在方向に沿って連続して凹設されている。この各内側溝６１は、内側溝６１の開口方向は、中心軸芯Ｌから内側溝６１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａを中心として対称形状であって、内周面１１と内側溝６１の各端縁２２、２２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。これらの各端縁２２、２２に基端２３ａ、２３ａが連続して互いに対向する平坦部２３、２３が形成され、各平坦部２３、２３の奥端２３ｂ、２３ｂは溝底部２４によって連続形成されている。
【００５６】
このように形成された内側溝６１の各平坦部２３、２３の長さＡが０．１ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下（０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍ）、溝巾Ｂが０．５ｍｍ以上で１０．０ｍｍ以下（０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍ）に設定されている。更に、図１１に示す溝底部２４は断面円弧状で平坦部２３、２３の奥端２３ｂ、２３ｂに連続する各端部範囲２４ａ、２４ａと、各端部範囲２４ａと２４ａとの間に連続する平面状の奥部範囲２４ｂを有する断面Ｕ字形状であって、各端部範囲２４ａ、２４ａの曲率半径Ｃは、図５の溝巾−溝底部曲率半径の相対関係図における直線で示す上限Ｍａｘと下限Ｍｉｎの範囲内、即ち溝巾Ｂ以下でかつ溝巾Ｂの１／５倍以上で２倍以下（Ｂ≧Ｃ≧０．２Ｂ）に設定されている。
【００５７】
内側溝６１の深さＤは、各平坦部２３、２３の長さＡ、溝底部２４の端部範囲２４ａ、２４ａの曲率半径Ｃ及び内周面１３と各端縁２２、２２との連続部分の形状によって制約されるが、好ましくは０．３５ｍｍ以上で６．０ｍｍ以下に設定される。
【００５８】
また、内側溝６１の開口方向は、中心軸芯Ｌから内側溝６１の溝巾中心に延在する直線状の基準線Ｌａに対する各平坦部２３、２３の傾斜角Ｅが５°以下となることが好ましい。更に、隣接する内側溝６１と６１の溝間隔Ｆは、溝巾Ｂの１．５倍以上で５倍以下（１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂ）に設定することが望ましい。
【００５９】
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、表面粗さをＲｚで１０〜１００μｍとされる。
【００６０】
図１２は、この鉄系プリフォームが用いられるジャーナル部の実施の形態を示す上記図８に対応する説明図である。
【００６１】
本実施の形態では、左右の各ジャーナ部３３、３５に各鉄系プリフォーム５１は、各リンダブロック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。
【００６２】
この鋳包み工程において、アルミニウム系合金溶湯が各端側溝１７、外側溝１８、内側溝６１内にも侵入し、鉄系プリフォーム５１を鋳包むアルミニウム合金溶湯の凝固及び収縮時に、収縮応力が各端側溝１７、外側溝１８、内側溝６１によって分散して受け止められ、アルミニウム系合金溶湯の移動が抑制され、収縮後の母材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。
【００６３】
特に、図１２に示すようにジャーナル部３３、３５に形成された半円状の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム５１の内周面１１との間が２〜３ｍｍ程度と極めて薄く、この薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯においても鉄系プリフォーム５１の内周面１１に多数形成された内側溝６１内に侵入する。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、図１１に矢印で示すように鉄系プリフォーム５１の内周面１１に沿って周方向に収縮応力σ１が作用し、かつ凝固に伴う周方向の移動が抑制される。これによりアルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮応力σ１が鉄系プリフォーム５１の内周面１１に沿って均等に分散されて収縮後のアルミニウム合金によって構成される母材に生じる残留応力の軽減及び均等化によってジャーナル部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の残留応力が緩和されて該部の割れ等が防止できる。
【００６４】
更に、アルミニウム系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に沿う周方向の移動の抑制に伴って、鉄系プリフォーム５１の内周面１１と薄肉部３８、３９との界面における隙間の発生が防止でき、内周面１１と薄肉部３８、３９との接合強度が確保できる。
【００６５】
ここで、鉄系粉末焼結体からなる鉄系プリフォーム５１が空孔を有し、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の熱膨張係数と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。
【００６６】
第１実施の形態における鉄系プリフォーム１及び第２実施の形態における鉄系プリフォーム５１の内周面１１に形成された各内側溝２１、６１の断面形状が仮にＶ字状等で開き角度がある場合には、鋳包み工程でジャーナル部３３、３５の軸受面３４、３６と鉄系プリフォーム１、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は各内側溝２１、６１内に侵入するものの薄肉部３８、３９に注湯されたアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過小であり、収縮応力σ１を鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って有効的に分散することができない。この結果、アルミニウム系合金溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮により界面の密着が不安定になり、かつ界面に連続した隙間が発生して界面強度が不安定になる。一方、各内側溝２１、６１の開口部が溝底部２４より狭くアンダーカット形状を有する場合には鉄系プリフォーム１、５１を金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１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、アンダーカット形状によりアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力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に破断やクラックの発生する確率が高くなる。
【００６７】
また、各内側溝２１、６１の平坦部２３、２３の長さＡが０．１ｍｍより過小であるとアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過小になって、溶湯の凝固及び収縮時に発生する収縮により界面の密着向上効果が極めて少なくなり、界面強度が不安定になる可能性が高くなる。一方、各内側溝２１、６１の平坦部２３、２３の長さＡが１０．０ｍｍを越えると平坦部２３、２３によるアルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過大になり、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要因となる。また、各内側溝２１、６１の平坦部２３、２３の長さＡが１０．０ｍｍを越えると、鉄系プリフォーム１、５１を金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１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。
【００６８】
また、内側溝２１、６１の溝巾Ｂが０．５ｍｍより小さい場合は、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内側溝２１、６１内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。一方、溝巾Ｂが１０．０ｍｍを越えると内側溝２１、６１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、密着性向上の効果が極めて小さくなる。更に鉄系プリフォーム１、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る。
【００６９】
また、溝底部２４の曲率半径Ｃが溝巾Ｂを越えると界面強度及び密着性が著しく悪化し、曲率半径Ｃが溝巾Ｂの１／５倍より小さくなると第２実施の形態における溝底部２４の平面状な奥部範囲２４ｂが大きくなり界面強度及び密着性が悪化する。
【００７０】
更に、内周面１１と内側溝２１、６１の各端縁２２、２２との連続部分が滑らかに連続する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性が悪化する一方、過小であると鉄系プリフォーム１、５１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。また、内側溝２１、６１の各平坦部２３、２３の基準線Ｌａに対する傾斜角Ｅが５°を越えると、鉄系プリフォーム１、５１の金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１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、アルミニウム系合金溶湯の凝縮及び収縮時に鉄系プリフォーム１、５１の内周面１１に沿って周方向に作用する収縮応力σ１に対抗する拘束力が過大になり薄肉部３８、３９に破断やクラックが発生する可能性が高くなる。
【００７１】
更に、隣接する内側溝２１、６１の溝間隔Ｆが溝巾Ｂの１．５倍より小さいと鉄系プリフォーム１、５１の金型による加圧成形が困難になり、機械加工等により各内側溝２１、６１を追加加工するには大幅な製造コストの増大を招く一方、隣接する内側溝２１，６１の溝間隔Ｆが溝巾Ｂの５倍を超えると溝間の部分に隙間が発生する可能性が高くなる。
【実施例】
【００７２】
鉄系プリフォームの内周面に形成される内側溝の断面形状が、Ｖ字形状、アンダーカット形状を有する溝形状、半円弧形状、上記実施の形態の溝形状と同様に平坦部及び溝底部を有するＵ字形状の各鉄系プリフォームをアルミニウム系合金によって鋳包みし、界面の密着状態及び母材に発生する割れやクラックの有無を確認した。その結果を表１に示す。
【００７３】
表１において溝形状のＶ、ＵＣ、Ｒ、Ｕはそれぞれ溝形状がＶ字状、アンダーカット形状を有する溝形状、半円弧形状、平坦部及び溝底部を有するＵ字形状であることを示し、Ｖ９０°、Ｖ６０°、Ｖ３０°、Ｖ５°はそれぞれ開き角度が９０°、６０°、３０°、５°のＶ字状の溝形状である。また、ＵＣ（２．５°）、ＵＣ（０．５°）はそれぞれテーパ角度が２．５°、０．５°のアンダーカット形状である。溝間隔Ｆは隣接する溝巾中心間の間隔であり、溝巾Ｂに対する倍数で表示し、溝傾き角度Ｆは内周面の中心軸芯と溝巾中心を結ぶ直線状の基準線に対する傾き角度である。また、密着状態は各プリフォームがアルミニウム系合金で鋳包みされた状態で切断し、カラーチェック（発色状態）から比率を算出し密着率９０％以上を隙間なしで良好（○）、それ未満を隙間あり（×）とした。
【００７４】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【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矢視図である。
【図３】図１のＩＩ矢視図である。
【図４】図２のＩＩＩ部拡大図である。
【図５】溝巾−溝底部曲率半径の相対関係図である。
【図６】鉄系プリフォームが用いられるジャーナル部の実施の形態を示す図であり、シリンダブロックのクランクシャフトと直交する縦断面図である。
【図７】図６のＩＶ矢視図である。
【図８】ジャーナル部の説明図である。
【図９】第２実施の形態に係る鉄系プリフォームの概要を示す斜視図である。
【図１０】図９のＶ矢視図である。
【図１１】図１０のＶＩ部拡大図である。
【図１２】ジャーナル部の説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ 金属基複合材形成用鉄系プリフォーム
１１ 内周面
２１ 内側溝
２２ 端縁
２３ 平坦部
２３ａ 基端
２３ｂ 奥端
２４ 溝底部
２４ａ 端部範囲
２４ｂ 奥部範囲
３１、３２ シリンダブロック
３３、３５ ジャーナル部
３４、３６ 軸受面（凹面）
５１ 鉄系プリフォーム
６１ 内側溝
Ｌ 中心軸芯
Ｌａ 基準線
Ａ 平坦部の基端から奥端までの長さ
Ｂ 溝巾
Ｃ 曲率半径
Ｄ 溝の深さ
Ｅ 基準線に対する平坦部の傾斜角
Ｆ 溝間隔
【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で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び上記中心軸芯延在方向に沿って連続すると共に周方向に間隔をおいて上記内周面に複数形成された内側溝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、
上記内側溝は、上記内周面に連続する両端縁にそれぞれ基端が連続して互いに対向する平坦部及び該両平坦部の奥端間に連続形成された溝底部を備え、上記中心軸芯に向かって開口する断面ほぼＵ字形状であって、
上記平坦部の基端から奥端までの寸法をＡ、溝巾をＢとすると、
０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍで、
且つ、０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍ
であ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】
上記溝底部における上記中心軸芯と直交する断面形状の曲率半径をＣ、溝巾をＢとすると、
０．２Ｂ≦Ｃ≦Ｂ
であ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】
上記内周面に連続する両端縁と平坦部の連続部分は滑らかに連続する曲面乃至面取り形状であることを特徴とする請求項１または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】
上記中心軸芯から溝巾中心に延在する直線状の基準線に対する上記平坦部の傾斜角をＥとすると、
Ｅ≦５°
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項５】
上記隣接する内側溝の各溝巾中心間の間隔をＦ、溝巾をＢとすると、
１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂ
であることを特徴とする請求項１〜４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。
【請求項６】
上記鉄系プリフォームは、鉄系粉末焼結体からなることを特徴とする請求項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。
【請求項７】
上記請求項１〜６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、該プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で中心軸線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鉄系プリフォームを有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で上記中心軸芯延在方向に沿って連続する内周面及び上記中心軸芯延在方向に沿って連続すると共に周方向に間隔をおいて上記内周面に複数形成された内側溝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、
上記内側溝は、上記内周面に連続する両端縁にそれぞれ基端が連続して互いに対向する平坦部及び該両平坦部の奥端間に連続形成された溝底部を備え、上記中心軸芯に向かって開口する断面ほぼＵ字形状であって、
上記平坦部の基端から奥端までの寸法をＡ、溝巾をＢとすると、
０．１ｍｍ≦Ａ≦１．０ｍｍで、
且つ、０．５ｍｍ≦Ｂ≦１０．０ｍｍ
であ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】
上記溝底部における上記中心軸芯と直交する断面形状の曲率半径をＣ、溝巾をＢとすると、
０．２Ｂ≦Ｃ≦Ｂ
であ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】
上記内周面に連続する両端縁と平坦部の連続部分は滑らかに連続する曲面乃至面取り形状であることを特徴とする請求項１または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】
上記中心軸芯から溝巾中心に延在する直線状の基準線に対する上記平坦部の傾斜角をＥとすると、
Ｅ≦５°
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属基複合材形成用鉄系プリフォーム。
【請求項５】
上記隣接する内側溝の各溝巾中心間の間隔をＦ、溝巾をＢとすると、
１．５Ｂ≦Ｆ≦５Ｂ
であることを特徴とする請求項１〜４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。
【請求項６】
上記鉄系プリフォームは、鉄系粉末焼結体からなることを特徴とする請求項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。
【請求項７】
上記請求項１〜６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、該プリフォームの内周面に沿う断面半円弧状で中心軸線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鉄系プリフォームを有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２００７−９８４０８（Ｐ２００７−９８４０８Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８７９１２（Ｐ２００５−２８７９１２）
【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１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【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）】
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