气缸体及其金属基复合用预制件

本发明涉及气缸体及其金属基复合用预制件，该气缸体是在由无机 粒子和无机纤维等无机材料构成的多孔质结构体的预制件上流入基质金 属溶液而得到的。

作为汽车用发动机的气缸体，公知的是用铝合金等的金属基质包铸 铸铁制的缸套而构成。在这种结构的传统制造方法中，首先是把另外工 序制成的铸铁缸套设置于缸体的铸模中，然后将铝合金等的熔融金属注 入此铸模中便可制得缸体，对缸体中的缸套内周面进行研磨加工，而形 成活塞的滑动面。这样的气缸体由于包含铸铁制的缸套而较重，此外， 还有由于使用了铸铁和铝合金这类热膨胀率不同的金属，导致密合性差 和散热性低的问题。为此，已提出过多种由铝合金制作缸套的气缸体(参 考日本专利公报特公平4-11612号、特公平5-33295号、特公平8-9093 号等)。

也就是，这种气缸体首先是将氧化铝纤维或碳素纤维等无机纤维的 多孔质结构体制成预定的形状(以下称为预制件)。即，制造出缸套形 状的预制件，将此预制件按上述置放到气缸体的铸模中，将铝合金的熔 融金属注入此铸模中，使铝合金的金属溶液浸渗入此预制件中的空隙内， 而制得气缸体。冷却后，从铸模中取出的气缸体的缸套部分是以预制件 为骨架的纤维强化复合材料构成，而整个的气缸体便成为以铝合金整体 铸成的。

在制造多孔质结构体的预制件时，除无机纤维之外，也有添加陶瓷 等粒子的，如日本专利公报特开昭63-149342号以及特开平2-194132、 特开平3-44432、特开平9-14045号等公开的内容。其中，在特开平9 -14045号公报中描述到，在由陶瓷粒子与氧化铝短纤维构成预制件时， 为使其在制造中不会发生变形、开裂、挠曲与金属基质的浸渗不良，而 适用于纤维强化金属材料。

日本专利公报特开平3-44432号中描述到，将平均直径在1μm以 下的短纤维和平均粒度10～50μm的无机粒子与结合剂混合，经抽吸脱 水成形获得的多孔质成形体不会产生收缩或开裂，可以制得优质的纤维 强化金属材料。

在上述先有技术的例子中，制得预制件时，作为其结构材料来使用 的耐热性纤维材料、例如无机纤维材料，在预制件内形成适当的空隙， 使金属基质易浸渗到这种空隙中，再有，无机纤维相互之间是相互无规 则地缠结，能确保预制件的强度。但是，纤维材料为二次加工品，一般 是高价的，例如相同的无机材料其纤维状的要比粒子状的在价格上贵10 倍以上。因此，预制件的结构材料仅采用纤维材料时，其最终制品例如 气缸体的价格就会升高。

为此，在把纤维材料的一部分置换为陶瓷、金属、金属间化合物和 碳素等粒子的先有技术的例子中，作为预制件，在兼顾纤维材料的高性 能和预制件的价格两方面都是极为有利的。但是，考察先有技术的例子 时，前述的方法在预制件的制作过程中，抽吸脱水成形时的脱水效果差， 使生产效率降低。具体地说，当把包含有纤维材料和陶瓷等粒子的浆状 体加入一定形状的模具中，经滤网抽吸脱水成形，而后进行干燥与焙烧 来制作预制件时，若陶瓷等粒子的比例高，则在抽吸脱水成形中会堵塞 滤网的网孔，使脱水性能显著降低，而降低预制件的生产效率。

再有，在考察先有技术的例子时，陶瓷等无机粒子易密实地充填耐 热性纤维材料间的空隙，使得金属基质的熔融体难以浸渗到这样的预制 件内。这时，若为了完成浸渗而强行加大这种熔融金属的压力，预制件 就会受到过大的压力而在其中产生裂纹或变形。若把由这种预制件制得 的金属复合材料用作气缸体的缸套，则会引起缸套的破损与变形。

因此，本发明的目的在于提供一种包含有由纤维强化金属复合材料 形成的缸套的、耐磨损性优越的气缸体。

鉴于上述实际情形，本发明人等进行深入研究的结果发现：可把多 孔质结构体用作缸套的预制件，在该预制件中浸渗金属基质而形成缸套， 由此而能制造含有这种缸套的气缸体，在上述多孔质结构体中，将耐热 性纤维材料分成平均纤维直径为2～5μm而平均纤维长度为10～200μm 的小直径无机纤维、和平均纤维直径为4～20μm而平均纤维长度为10～ 200μm的大直径无机纤维，使平均粒度为1～50μm的无机粒子与结合剂 一起在水中分散于小直径和大直径无机纤维，在把它们注入缸套等目标 形状的模具中通过滤网进行抽吸脱水成形时，小直径无机纤维便主要捕 获无机粒子，使无机粒子分散于预制件中，由此防止无机粒子密集地充 填到大直径无机纤维的空隙中而提高抽吸脱水成形性，而且，这种小直 径无机纤维捕获无机粒子的作用也有助于提高最终所得金属基复合材料 的耐磨损性，另一方面，大直径无机纤维在预制件中形成了大小适当的 空隙，在提高抽吸脱水成形性的同时，也创造出易使金属基质的熔融液 浸渍预制件中的条件，从而在把由这种多孔质结构体制得的纤维强化金 属复合材料作为缸套进行浇铸时，就能看到可以获得机械强度和耐磨损 性优越的气缸体，而能实现本发明。

也就是说，本发明第一方案在于提供一种气缸体，此气缸体包括缸 套，由多孔质结构体作为缸套的预制件，使金属基质浸渗于该缸套预制 件中，从而构成该缸套，特征在于，该多孔质结构体包括：平均粒度为1～ 50μm的无机粒子；平均纤维直径为2～5μm、平均纤维长度为10～200 μm、在成形成成形体时主要捕获上述无机粒子，并使其分散的小直径无 机纤维；平均纤维直径为4～20μm、平均纤维长度为10～200μm、在形 成前述成形体时与所述小直径无机纤维共同构成空隙的大直径无机纤 维。

本发明第二方案的气缸体，所述小直径无机纤维的平均纤维直径d1 与所述大直径无机纤维的平均纤维直径d2的关系为2d1＜d2。

本发明的第三方案的气缸体，所述多孔质结构体的孔隙率为50～90 ％。

本发明第四方案的气缸体，所述无机粒子占据的体积V1和前述小直 径与大直径无机纤维所占体积V2的关系为V1/V2＝0.5～2。

本发明第五方案的气缸体，在所述小直径无机纤维和大直径无机纤 维所占的体积V2中，小直径无机纤维所占的体积(Vs)的比例(100×Vs/V2) 为20～80％。

本发明第六方案的金属基复合材料用预制件，其特征在于，它具有： 平均粒度为1～50μm的无机粒子；平均纤维直径为2～5μm、平均纤维长 度为10～200μm、在形成成形体时主要捕获所述无机粒子、并且使其分 散的小直径无机纤维；平均纤维直径为4～20μm、平均纤维长度为10～ 200μm、在形成前述成形体时与所述小直径无机纤维共同构成空隙的大 直径无机纤维。

本发明第七方案的金属基复合材料用预制件，在上述第六方案的基 础上，其特征在于：所述小直径无机纤维的平均纤维直径(d1)与大直径无 机纤维的平均直径(d2)的关系为2d1＜d2。

本发明第八方案的金属基复合材料用预制件，在上述第六方案或七 方案的基础上，其特征在于：所述多孔质结构体的空隙率为50～90％。

本发明第九方案的金属基复合材料用预制件，在上述第六～八方案 中任一项的基础上，其特征在于：所述无机粒子所占的体积(V1)和前述小 直径无机纤维和大直径无机纤维所占的体积(V2)的关系为V1/V2＝0.5～2。

本发明第十方案的的金属基复合材料用预制件，在上述第六～九方 案中任一项的基础上，其特征在于：所述小直径无机纤维和大直径无机 纤维所占的体积(V2)中，小直径无机纤维所占的体积(Vs)的比例(100× Vs/V2)为20～80％。

本发明第十一方案的的金属基复合材料用预制件，在上述第六～十 方案中任一项的基础上，其特征在于：还含有碳纤维和碳粒子两者或它 们中之一，并且含有体积率为7～11％的氧化铝粒子。

本发明的多孔质结构体，其中虽以无机粒子置换了耐热性纤维材料 的一部分，但能使得预制件容易制作，还能使金属基质的熔融液容易浸 渗入预制件中，从而可以降低制造费用。本发明的气缸体，由于含有这 种多孔质的结构体和利用到它的强化金属材料，不仅能够降低成本而且 其缸套部分有优越的耐磨损性，加以缸套与气缸体能以相同的金属制成， 因而有相同的热膨胀率，使磨合性和散热性都良好。

对附图简单说明如下：

图1是表示本发明的实施形式的多孔质结构体中100(％)×Vs/V2的比 例与滤水时间关系的特性图。

图2是表示本发明的实施形式的多孔质结构体中100(％)×Vs/V2的比 例与铸造时的多孔质结构体的压缩变形率的关系的特性图。

图3是表示本发明的实施形式的多孔质结构体中V1/V2的比例与由各 比例的多孔质结构体所得到的强化金属材料的磨损量之间关系的特性 图。

图4是表示本发明的实施形式的气缸体的缸套部分的金属组织的显 微照片图。

图中各标号的意义为：1-气缸体主体部；2-缸套部。

下面，说明本发明的实施形式。

本发明中，所谓的多孔质结构体是指多孔质结构的本身，所谓的预 制件则是指多孔质结构体具有了缸套等具体形状的形体，即金属基质的 熔融液流入其中之前的结构体。

本发明所用的无机粒子，平均粒度为1～50μm，只要求其能经受将 金属基质的熔融液浸渗入多孔质结构体时的温度即可，并无其他特别限 制，例如所用的无机材料有铝、硅、钛、锆、镁、硼、铁等的金属氧化 物、金属碳化物和金属氮化物等。这类无机材料可以按一种或组合两种 以上的形式使用。具体地有氧化铝粉末、莫来石粉末、堇青石粉末、硅 石粉末等。但是，多孔质结构体的预制件，在用作缸套那样的要求有耐 磨损性的情形，则最好选择耐磨损的无机粒料。

本发明所用的小直径无机纤维，平均纤维直径为2～5μm的范围，平 均纤维长度为10～200μm的范围，只要其能经受将金属基质的熔融液浸 渗入多孔质结构体时的温度即可，并无其他限制，例如有氧化铝纤维、 氧化铝和二氧化硅合成纤维、玻璃纤维、碳素纤维、陶瓷纤维、莫来石 纤维、石棉纤维、以及岩石棉纤维等。它们可以按一种或组合两种以上 的形式使用。

本发明所用的大直径无机纤维，平均纤维直径为4～20μm的范围，平 均纤维长度为10～200μm的范围，只要其能经受将金属基质的熔融液浸 渗入多孔质结构体时的温度即可，可以使用与上述小直径纤维相同的材 料。

在此所用的小直径无机纤维和大直径无机纤维虽然是无机纤维，但 只要耐热性良好，将来也可以使用有机纤维。

作为将上述无机粒子以及小直径与大直径无机纤维相结合的结合材 料，只要其能通过热处理将它们结合，并可使预制件获得所需的强度即 可，并无其他特别限制。例如，可使用玻璃熟料等粉状结合材料、胶态 硅石、氧化铝溶胶。它们可以单独使用或组合两种以上使用。

本发明中，上述小直径无机纤维的平均纤维直径d1与大直径无机纤 维的纤维直径(d2)应具有2d1＜d2的关系，而最好是3d1＜d2的关系。当此d1 与d2在上述范围之外时，则通过把无机纤维分为小直径和大直径的纤维 而能得到的前述作用，效果会变差，不是所希望有的。

前述多孔质结构体的空隙率最好为50～90％的范围(多孔质结构体的 体积百分率为10～50％)。不到50％时，金属基质不易浸渗到多孔质结构 体中；超过90％时，多孔质结构体本身的强度减弱。

前述多孔质结构体中，所述无机粒子的体积V1与小直径无机纤维和 大直径无机纤维的体积V2，最好满足V1/V2＝0.5～2。当V1/V2不到0.5时， 最终所得的金属基复合材料即强化金属材料的耐磨损性就有可能降低。 无机粒子主要由无机纤维捕获，因而使耐磨损性得以提高，这样，当V1 减小时，耐磨损性也变低。相反，V1/V2超过2时，无机粒子过多，会使 形成多孔质结构体的过程中抽吸脱水成形性不良，降低生产率。

在此多孔质结构体中，所述小直径无机纤维和大直径无机纤维的合 计体积量V2内，小直径无机纤维所占的体积Vs的比例100×Vs/V2最好 是20～80％，而尤为最好是50～70％。当该比例不到20％时，则大直径无 机纤维所构成的纤维间空隙的存在量显著增加，而小直径无机纤维变少， 致使滤网的孔堵塞，而使抽吸脱水成形性变差，而且大直径纤维间空隙 为无机粒子密实地充填，使浸渗入金属基质变得困难。相反，当上述比 例超过80％时，小直径无机纤维增多，小直径纤维间空隙(小孔隙)也变多， 降低了抽吸脱水成形性，而且难以使金属基质的熔融液进入大直径纤维 间的空隙。

从上述倾向观察，多孔质结构体的抽吸脱水成形性与金属基质熔融 液的浸渗性是相关的。任何情形下，当比例100×Vs/V2越出20～80％的 范围时，多孔质结构体形成过程中的抽吸脱水成形性就会降低，而且金 属基质的熔融液也难以进入多孔质结构体中，导致纤维强化金属材料在 铸造时会增大多孔质结构体的压缩变形率A。在此，将压缩变形率A定义 为多孔质结构体在铸造前的厚度T与铸造后的厚度Ta之差T-Ta＝ΔT的 百分率(％)，即A＝100×ΔT/T。

本发明中，纤维强化金属材料是以上述多孔质结构体为骨架结构，再 在其中浸渗入金属基质制成。作为这种金属基质，例如可以用铝、钛、 镁、镍、铜以及它们的合金，其中最多使用的是铝合金。这种纤维强化 金属材料的形状并无特别限制，例如可以是板状、棒状以及形材等。此 外，可将多孔质结构体形成目的所需的特定形状，即预制件，再将此预 制件中浸渗入铝合金等，而制成特定的制品。

本发明的气缸体是把上述多孔质结构体用作缸套的预制件，再将铝 合金等金属基质浸渗到此预制件中而制成。具体地说，此多孔质结构体、 纤维强化金属材料以及由此形成的气缸体是按下述方式制造的。

首先，准备满足上述尺寸条件的无机粒子、小直径无机纤维和大直 径无机纤维，小直径无机纤维d1与大直径无机纤维d2之间应满足2d1＜d2 的条件。此外，这些无机粒子、小直径无机纤维与大直径无机纤维的组 成物，要有50～90％的空隙率，无机粒子的体积V1与小直径无机纤维和 大直径无机纤维的合计体积V2之间应满足V1/V2＝0.5～2，而且在此V2中， 小直径无机纤维所占体积Vs的比例100×Vs/V2应为20～80％，据此才能 配合成所述的多孔质结构体。

然后，将上述组成物分散到水中，再加入结合剂而制成粉浆。将此 粉浆加入缸套形状的模具中，由抽吸脱水成形法脱水，加以干燥即得缸 套形状的成形体，焙烧此成形体便制得多孔质结构体的缸套的预制件。 将此预制件配置于气缸体的铸模内，注入金属基质的铝合金的熔融液，使 铝合金的熔融液浸渗入预制件中。浸渗结束后，从冷却的铸模中取出， 即得到气缸体。此气缸体的缸套部分是由多孔质结构体即预制件所加强 的纤维强化金属材料，并与气缸体形成整体。

下面，举出实施例来更具体地说明本发明。但是，这种实施例仅仅 出于例示的目的，而并非对本发明的限制。

参考例1

将下述原料按以下组成分散到水中制得粉浆。

(原料)

·无机粒子：平均粒度20μm的氧化铝粒子；

·小直径无机纤维：平均纤维直径3μm、平均纤维长度100μm的氧 化铝和二氧化硅合成纤维；

·大直径无机纤维：平均纤维直径10μm、平均纤维长度150μm的 玻璃纤维；

·结合材料：玻璃熟料(ガラスフリツト)及氧化铝溶胶。

(配合)

按表1所示的配合比例(表中的数值表示配合比例)来进行，预制件 的体积百分率为30％，无机粒子体积V1/小直径无机纤维和大直径无机纤 维的合计体积V2＝1.0，固体形式的百分比为5％，而100％×小直径无机纤 维体积Vs/小直径和大直径无机纤维体积V2的配合为10％、20％、50％、70％、 80％与90％六种。

表1 100×Vs/V2 10％ 20％ 50％ 70％ 80％ 90％ 无机粒子V1 小直径无机纤维Vs 大直径无机纤维 玻璃熟料 氧化铝溶胶 100 10 90 26 7 100 20 80 26 7 100 50 50 26 7 100 70 30 26 7 100 80 20 26 7 100 90 10 26 7 V1/V2 1 1 1 1 1 1

然后，将各配合下的粉浆流入圆盘形的模具中脱水，在105℃下干燥， 获得各种配合下的成形体(直径100mm，厚度10mm)，将此成形体在600℃ ℃的温度下经1小时烧成处理，制得各种配合的多孔质结构体。对这些 多孔质结构体进行下述的滤水性试验，结果如图1中所示。再将这种多 孔质结构体配置于圆盘形的铸型内，注入800℃的铝合金(JIS ADC 12) 的熔融液，在1000Kg/cm2的压力下加压，使铝合金的熔融液浸渗到多孔 质结构体中，制得了由多孔质结构体加强的各种配合的纤维强化金属材 料。对这种纤维强化金属材料测定其多孔质结构体在铸造前的厚度T和 铸造后的厚度Ta，计算前面定义的压缩变形率A＝100(T-Ta)/T，结果如 图2中所示。

(滤水性试验)

将水分为90％的粉浆1L在减压度-600mmHg下通过细孔径300μm的 滤网来进行抽吸脱水时，脱水到水分10％的滤水时间以秒表示。因此，滤 水时间长即表示滤水性质不良。

从图1可知，100×(Vs/V2)为50％、70％时，滤水时间最短；为10％、 90％时，滤水时间急剧地加长。由此可知，对滤水性而言，100×(Vs/V2) 的值为20～80％乃是最佳范围。另外，从图2看到，100×(Vs/V2)为50％、 70％时，压缩变形率最小；为10％、20％、90％时，压缩变形率则大。于是，对 压缩变形率来说，100×(Vs/V2)的值以20～80％为最佳范围。

参考例2

设小直径无机纤维体积Vs×100％/小直径无机纤维和大直径无机纤维 体积V2的值为50％，而无机粒子体积V1/小直径无机纤维和大直径无机纤 维体积V2的比例为0.3、0.5、1.0、1.5与2.0五种，由此形成五种配合， 此外则依与实施例1相同的方法进行。对于制得的纤维强化金属材料进 行以下所示的磨损性试验。结果如图3中所示。配合表(表中的数值表示 组成比率)示于图2中。

                              表2 V1/V2 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0 无机粒子V1 小直径无机纤维Vs 大直径无机纤维 玻璃熟料 氧化铝溶胶 23 38.5 38.5 26 7 33 33.5 33.5 26 7 50 25 25 26 7 60 20 20 26 7 67 16.5 16.5 26 7 100×Vs/V2 50 50 50 50 50

(磨损性试验)

在纤维强化金属材料(MMC)的表面上，以员荷50Kgf将销形相对件压 接，一边向接触部分按1ml/min供给润滑油，一边在行程50mm和速度200 周期/min的条件下往复运动2小时，测定当时MMC的磨损量。

从图3可知，在V1/V2的比例为1.5时磨损量最少，在2.0、1.0时磨 损量较少，在0.3时磨损量激增。由此可知，V1/V2值的最佳范围为0.5～ 2。

实施例1

将下述原料按配合分散到水中制得粉浆，将此粉浆加入缸套形状的 模具中，由抽吸脱水成形法脱水，在105℃下干燥，制得缸套形状的成形 体。将此成形体在600℃下经1小时烧成处理，制得外径95.1mm×长度 138mm×厚度3.8mm的缸套预制件。此预制件的体积率为27％(空隙率73％)， 密度为0.6～0.9g/cm3。然后，将此预制件配置于气缸体的铸模中，注入 800℃的铝合金熔融液，使铝合金熔融液浸渗入预制件中。此时，在将预 制件预热到400℃后，放置于合模压力300t的模铸机中，在注射速度 2.0m/sec、铸造压力500Kg/cm2、浇口速度(ゲ-ト速度)30m/sec和填料 时间0.17sec的条件下进行压铸。冷却后，从铸模中取出，即得到气缸 体。这种气缸体的缸套部分由多孔质结构体加强、并与气缸体成为整体。 然后，对缸套部分的表面作切削加工或搪磨加工处理，进行滑动面加工， 而制得气缸体产品。

所述原料的重量百分比配合如下：

氧化铝粒子(平均粒度20μm)                 35重量部分

氧化铝与二氧化硅合成纤维 (平均纤维直径3μm，平均纤维长度100μm)        10重量部分

玻璃纤维 (平均纤维直径10μm，平均纤维长度150μm)       20重量部分

碳纤维 (平均纤维直径10μm，平均纤维长度60μm，

用于确保缸套部分所要求的滑动性)           10重量部分

玻璃熟料(结合材料)                        20重量部分

氧化铝溶胶(结合材料)                      5重量部分

此气缸体的金属组织的显微照片如图4所示。在图4中，1表示气缸 体的主体部，2表示缸套部。从图4看出，预制件的压缩变形率低达7％，可 知因熔融液造成的变形很小。此外，进行了与实施例2相同的磨损试验。 在此磨损试验中，销形的相对件分别就镀铬环件的情况和渗氮的环件的情 况测定了磨损量。结果是，这两者MMC的磨损量都少至约1μm。

实施例2

将下述原料按配合分散到水中制成粉浆，此外，采用与实施例1相 同的方法制成气缸体。同样地进行了磨损试验。结果是，镀铬的环件与 渗氮环件两者的MMC磨损量都少至约1μm。

这些原料的重量百分比配合如下：

氧化铝粒子(平均粒度20μm)                 45重量部分

氧化铝与二氧化硅合成纤维 (平均纤维直径3μm，平均纤维长度100μm)        10重量部分

玻璃纤维 (平均纤维直径10μm，平均纤维长度150μm)       10重量部分

碳纤维 (平均纤维直径10μm，平均纤维长度60μm)        10重量部分

玻璃熟料(结合材料)                        20重量部分

氧化铝溶胶(结合材料)                      5重量部分

实施例3

将下述原料按配合分散到水中制成粉浆，此外，采用与实施例1相 同的方法制成气缸体。同样地进行了磨损试验。结果是，镀铬环件与渗 氮环件两者的MMC磨损量都少至约1μm。

这时的原料的重量百分比配合如下：

氧化铝粒子(平均粒度20μm)                 35重量部分

氧化铝与二氧化硅合成纤维 (平均纤维直径3μm，平均纤维长度100μm)        10重量部分

玻璃纤维 (平均纤维直径10μm，平均纤维长度150μm)       20重量部分

石墨粉(平均粒度30μm)                     10重量部分

玻璃熟料(结合材料)                        20重量部分

氧化铝溶胶(结合材料)                      5重量部分

比较例1

设定缸套部分是由高密度硅铝合金制成，除采用高密度硅铝合金代 替MMC外，用相同的方法进行了前述磨损性试验。结果是，当销形件为 镀铬环件时，高密度硅铝合金的磨损量为16～19μm，为渗氮环件时，此 磨损量为23～33μm。

比较例2

设定缸套部分是由FC250制成时，除采用FC250代替MMC外，用相 同的方法进行了前述磨损性试验。结果是，当销形件为镀铬环件时，FC250 的磨损量为1～2μm，为渗氮环件时，此磨损量为2～4μm。

根据上述磨损试验，以本发明的实施例1～3与比较例1的高密度硅 铝合金或比较例2的FC250相比，当活塞环件的材料为镀铬的材料或渗 氮的材料时，磨耗量无变化，显示出优越的耐磨耗性。