円筒状摺動部材及びその製造方法
【課題】耐摩耗性等の摺動特性及び加工性に優れた円筒状摺動部材、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】円筒状摺動部材は、アルミニウム合金基材中に、基材より多くの比率でＳｉを合金中に含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでおり、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散している。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は質量％で３０％以上、４５％以下であることが好ましい。基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量は質量％で１４％以上、２５％以下であることが好ましい。上記円筒状摺動部材は遠心鋳造や金型加圧鋳造などによって製造できる。
【解決手段】円筒状摺動部材は、アルミニウム合金基材中に、基材より多くの比率でＳｉを合金中に含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでおり、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散している。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は質量％で３０％以上、４５％以下であることが好ましい。基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量は質量％で１４％以上、２５％以下であることが好ましい。上記円筒状摺動部材は遠心鋳造や金型加圧鋳造などによって製造できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダライナ等の円筒状摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダライナに代表される円筒状摺動部材は、その内周壁がピストンリングにより繰り返しの摺動摩擦を受けることや高温に晒されること等から、耐摩耗性、耐スカッフ性、強度を考慮して、鋳鉄により製造されることが普通であった。最近になり、自動車部品の軽量化が急務となってきたことや熱伝導性の改良が要求されていること等から、アルミニウム合金が選定されている。
【０００３】
特許文献１は、遠心鋳造により作製した中空部材を記載している。回転する円筒状金型内にアルミニウム合金粉末を供給して外側円筒形状体を先ず成形し、次に、外側円筒形状体の内部にＡｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を供給して、外側円筒形状体に内側円筒形状体を積層した中空部材を作製する。これにより、微細な初晶Ｓｉが略均等に分散した組織を内周側に得られる。特許文献２は、内周にアルミ系金属部分とセラミックス部分が露呈したアルミシリンダを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２１３０８号公報
【特許文献２】特公平４−０３８９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において合金中のＳｉ含有量が増すと耐摩耗性が向上する。しかしながら、Ｓｉ含有量が増加すると鋳造性が悪化するため、鋳造モノブロック構造のアルミシリンダや鋳造多連アルミシリンダにおいては、Ｓｉ含有量の上限は２０％程度にとどまっている。すなわち、特許文献１の中空部材は、Ｓｉ含有量を２０％程度より増やすことは実質的に不可能であり、耐摩耗性の一層の向上は困難である。特許文献２のシリンダは、摺動特性が優れているが、難加工材であるセラミックスを複合するため加工性が悪く、加工に用いる刃具を摩耗させる欠点を有している。また、基材と強化材との分離が難しく、リサイクル性が悪いという問題も有している。
【０００６】
本発明の目的は、耐摩耗性等の摺動特性及び加工性に優れた円筒状摺動部材、及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、アルミニウム合金基材中に、基材より多くの比率でＳｉを合金中に含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでいる円筒状摺動部材であって、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散していることを特徴とする。
【０００８】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率を２０％以上、６０％以下とすることにより、基材単体と比較して耐摩耗性が向上する。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が２０％未満であると、有効な耐摩耗性の効果が得られない。面積率が６０％を越えると、粒子を強固に複合させることが困難になり、その後の加工時に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が脱落し、強度、剛性が低下する等の不具合を生じる。
【０００９】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きを上記の値とすることにより、必要とされる複合材厚さを確保でき、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の脱落を防ぎ、加工性を良好にする。粒度の篩目開きが０．５ｍｍ未満であると、アルミニウム合金溶湯が過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の間に浸透しにくくなり、必要とされる複合材厚さを確保することが困難になるとともに、溶湯含浸時に溶失するといった問題が生じやすい。また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子がアルミニウム合金基材に強固に保持されないため、その後の加工時に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が脱落しやすい問題を生じる。粒度の篩目開きが２．５ｍｍを越えると、複合材作製後の加工時における切削抵抗が増し、加工効率が低下する他、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の脱落も生じやすくなる。
【００１０】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は質量％で２５％以上、特に３０％以上、４５％以下であることが好ましい。特に、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が３０質量％以上で有効な耐摩耗性の効果が得られる。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が４５質量％を越えると、粒子製造時に高温溶解が必要になる他、粒子硬度が高くなり過ぎることや粒子が脆くなることなどから、加工性が悪化するなどの不具合を生じる。
【００１１】
なお、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は２５質量％以上、特に３０質量％以上とすることが好ましいと規定したが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金が粒子状であるため、粒子内に鋳造欠陥が発生したとしても製品内を貫通する孔となることは殆どなく、微小なクローズド孔となるため、製品全体の機能や品質を損なうことはない。基材のＳｉ含有量を高めずに、より高Ｓｉの材料と同等又はそれ以上の特性を得ることができることが特徴である。
【００１２】
基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量は質量％で１４％以上、２５％以下であることが好ましい。アルミニウム合金基材のＳｉ含有量が１４質量％以上で有効な耐摩耗性の効果が得られる。アルミニウム合金基材のＳｉ含有量が２５質量％を越えると、高温溶解が必要となるばかりか、製造時にピットなどの鋳造欠陥が増加しやすくなることから、アルミニウム合金基材のＳｉ含有量は２５質量％以下が好ましい。基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が１４質量％以上で、しかも内周摺動面に分散する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が２５％以上であると、優れた耐摩耗性を得ることができる。
【００１３】
前記円筒状摺動部材としてはシリンダライナが挙げられるが、これに限られることはない。
【００１４】
前記円筒状摺動部材は遠心鋳造や金型加圧鋳造などによって製造できる。
【００１５】
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する本発明の円筒状摺動部材の製造方法は、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層が形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間に遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子はアルミニウム合金基材より多くの比率でＳｉを合金中に含むことにより、粒子の液相線温度は基材となるアルミニウム合金溶湯の液相線温度よりも高温になり、粒子の融点が基材の融点よりも高くなる。そのため、注湯後速やかに凝固を完了させれば、粒子は完全に溶融することなく、基材中に残存することができる。
【００１７】
本発明は次の製造方法を採用してもよい。すなわち、
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する本発明の円筒状摺動部材の製造方法は、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を供給して、金型の内周面にアルミニウム合金粒子層を形成する工程と、
前記アルミニウム合金粒子層が形成された回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面のアルミニウム合金粒子層上に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を前記アルミニウム合金粒子層と過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層とが形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間とアルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間とに遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
最初に共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を投入することで、円筒状部材の最外周部のアルミニウム合金層が、融点の低いアルミニウム合金からなるシリンダブロック等の部材と接合しやすくなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の円筒状摺動部材は、耐摩耗性等の摺動特性及び加工性に優れる。また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が基材と同じく、アルミニウム合金であるため、リサイクル性に優れる。特に、本発明の円筒状摺動部材は、アルミニウム合金基材のＳｉ含有量を高めずに、より高Ｓｉのアルミニウム合金材料と同等又はそれ以上の摺動特性を得ることができる点に特徴を有している。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態であるシリンダライナを示す縦断面図である。
【図２】上記シリンダライナの内周摺動面の一部分を示す写真である。
【図３】遠心鋳造において過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給する工程を示す縦断面図である。
【図４】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子供給後の円筒状金型の縦断面図である。
【図５】遠心鋳造においてアルミニウム合金溶湯を供給する工程を示す縦断面図である。
【図６】円筒状金型から取り出された円筒状部材を示す縦断面図である。
【図７】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率と耐摩耗性との関係を示すグラフである。
【図８】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量と耐摩耗性との関係を示すグラフである。
【図９】基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量と耐摩耗性との関係を示すグラフである。
【図１０】遠心鋳造においてアルミニウム合金粒子を供給する工程を示す縦断面図である。
【図１１】アルミニウム合金粒子供給後の円筒状金型の縦断面図である。
【図１２】遠心鋳造において過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給する工程を示す縦断面図である。
【図１３】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子供給後の円筒状金型の縦断面図である。
【図１４】遠心鋳造においてアルミニウム合金溶湯を供給する工程を示す縦断面図である。
【図１５】円筒状金型から取り出された円筒状部材を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る円筒状摺動部材及びその製造方法について好適な実施形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の円筒状摺動部材であるシリンダライナ１を示す縦断面図である。このシリンダライナ１はアルミニウム合金基材中に、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合でシリンダライナ１の内周摺動面２に分散している。
【００２３】
図２は実際に作製したシリンダライナの内周摺動面のミクロ組織を示している写真である。図２においてアルミニウム合金基材の両側に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の一部分が写っている。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの篩にて分級したものである。図２により、アルミニウム合金基材と比較して過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中には初晶Ｓｉが多量に存在することがわかる。なお、過共晶粒子と基材との界面については、過共晶粒子の表層のみ溶融し、基材と冶金的に結合している状態が好ましい。
【００２４】
以下、本発明のシリンダライナを遠心鋳造法により作製する一例を説明する。
【００２５】
図３に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部に挿入された上面開口の樋状部材である粒子フィーダ１１によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子１２Ａが円筒状金型１０の内部に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。粒子フィーダ１１は円筒状金型１０の長手方向に沿って移動され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が円筒状金型１０の長手方向に略均等に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は遠心力によって円筒状金型１０の内周に張り付き、円筒状金型１０の内周面に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層１２（図４参照）が形成される。
【００２６】
次に、図５に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部にアルミニウム合金溶湯１３がトラフ１４の注湯管から流し込まれる。アルミニウム合金溶湯は流動性があり、遠心力の作用によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層に均一に分散してゆく。このとき、アルミニウム合金溶湯は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子間の隙間に含浸して、アルミニウム合金基材中に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んだ円筒状部材が鋳造される。
【００２７】
この際、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きが細かすぎると、アルミニウム合金溶湯が過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の間に浸透しにくくなり、複合材である円筒状部材の必要な厚さを確保することが困難になる。また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子がアルミニウム合金基材に強固に保持されないため、内周仕上げ等の加工時に粒子が脱落しやすくなる問題を生じる。そのため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは０．５ｍｍ以上とする。
【００２８】
他方、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きが大きすぎると、内周仕上げ等の加工時に切削抵抗が増し、加工効率が低下する他、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の脱落も生じやすくなるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは２．５ｍｍ以下とする。
【００２９】
なお、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のサイズや所望する円筒状部材の厚さによって、付与する遠心力を変化させる必要があるが、概ね９０Ｇ以上が好適である。
【００３０】
円筒状部材が凝固した後、円筒状金型１０から蓋体１０ａが取り外され、円筒状部材１５（図６参照）が円筒状金型１０から取り出される。図６の円筒状部材１５において、１６は過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層、１３Ｂは層１６の内側に形成されたアルミニウム合金溶湯による層である。
【００３１】
その後、所定の長さで切断され、シリンダライナが製造される。その後、シリンダライナの内周面に仕上加工が施されて、アルミニウム合金溶湯による層１３Ｂは削除され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で分散した面を内周面に露出させる。
【００３２】
図７はアルミニウム合金製のシリンダライナについて、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率の耐摩耗性に及ぼす影響を示している。図中の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ量及びアルミニウム合金基材のＳｉ量は質量％である。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。試験機にはピンオンプレート式往復摺動試験機を使用した。シリンダライナに相当するプレート材（以下、ライナ材という。）と組み合せるピン材（ピストンリング相当材）は、ステンレス鋼製で窒化処理が施されている。図７において、縦軸は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が無添加（０％）の場合のライナ材の摩耗量を１としたときの各ライナ材の相対摩耗量を示しており、横軸は摺動面上の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率及びＳｉ含有量を表している。縦軸の値が小さいほど、ライナ材の耐摩耗性は優れる。
【００３３】
図７により、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率の増加に伴い、ライナ材の摩耗量が減少することがわかる。すなわち、ライナ材の耐摩耗性が向上することがわかる。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が１５％の場合、耐摩耗性向上効果が僅かであることから、本発明においては、摺動面に分散する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率を２０％以上とした。
【００３４】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率は大きいほど、耐摩耗性は向上する傾向にある。しかしながら、面積率が６０％を越えると、粒子を強固に複合させることが困難になり、その後の加工時に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が脱落したり、強度、剛性が低下する等の不具合を生じるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率は６０％以下とした。
【００３５】
図８はアルミニウム合金製のシリンダライナについて、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量の耐摩耗性に及ぼす影響を示している。図中の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ量及びアルミニウム合金基材のＳｉ量は質量％である。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。試験機にはピンオンプレート式往復摺動試験機を使用した。シリンダライナに相当するプレート材（以下、ライナ材という。）と組み合せるピン材（ピストンリング相当材）は、ステンレス鋼製で窒化処理が施されている。図８の縦軸及び横軸の表記は図７の場合と同じである。
【００３６】
図８により、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量の増加に伴い、ライナ材の摩耗量が減少することがわかる。すなわち、ライナ材の耐摩耗性が向上することがわかる。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が２５質量％であっても、基材より多くのＳｉが含まれるため、耐摩耗性向上効果は認められるが、３０質量％以上の場合は耐摩耗性効果がより明瞭になる。したがって、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は３０質量％以上であることがより好ましいことがわかる。
【００３７】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は多いほど、耐摩耗性は向上する傾向にある。しかしながら、Ｓｉ含有量が４５質量％を越えると、粒子製造時に高温溶解が必要になる他、粒子硬度が高くなり過ぎたり、粒子が脆くなることなどから、加工性が悪化するなどの不具合を生じるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は４５質量％以下であることが好ましい。
【００３８】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中に晶出する初晶Ｓｉの大きさが小さい場合は、耐摩耗性向上効果が小さくなるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中の初晶Ｓｉの大きさは２０μｍ以上とすることが好ましい。一方、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中の初晶Ｓｉの大きさは１００μmを越えると加工性が低下するため、１００μｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
図９はアルミニウム合金製のシリンダライナについて、基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量の耐摩耗性に及ぼす影響を示している。図中の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ量及びアルミニウム合金基材のＳｉ量は質量％である。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。試験機にはピンオンプレート式往復摺動試験機を使用した。シリンダライナに相当するプレート材（以下、ライナ材という。）と組み合せるピン材（ピストンリング相当材）は、ステンレス鋼製で窒化処理が施されている。図９の縦軸及び横軸の表記は図７の場合と同じである。
【００４０】
基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が１１質量％の場合、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率及びＳｉ含有量がそれぞれ６０％、４５質量％と上限値であっても、図７及び図８より、摩耗レベルは過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が無添加時の摩耗レベルの６割程度である。しかしながら、図９より、基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が１４質量％以上であれば、ライナ材は優れた耐摩耗性が得られることがわかる。特に、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が２５％以上であれば、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が無添加のＡｌ−１１％Ｓｉ合金の摩耗レベルの５割以下のレベルまで摩耗を抑制でき、優れた耐摩耗性が得られることがわかる。
【００４１】
基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量については、予め高めの材料を選定することが望ましいが、アルミニウム合金の溶解をより高温で行う必要があるなど製造上の課題が増す。２５質量％を越えると、シリンダライナ等の製造時に鋳造欠陥が増加する等の問題が生じやすくなることから、アルミニウム合金基材のＳｉ含有量は２５質量％以下に抑えることが実用上好ましい。
【００４２】
一般に、セラミックスの多くは難加工材である。したがって、セラミックスの繊維や粒子を強化材とする複合材からなるシリンダの加工は困難であることは想像に難くない。アルミニウム合金を基材とする本発明のシリンダライナは、強化材としてセラミックス材料を用いず、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を用いているため、セラミックスを含んだ複合材からなるシリンダライナと比較して加工性に優れている。
【００４３】
また、一般に硬質なセラミックスを含む複合材からなるシリンダは、ピストンリングの摩耗を促進する場合がある。しかし、アルミニウム合金を基材とする本発明のシリンダライナは、強化材としてセラミックス材料を用いず、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を用いているため、ピストンリングに対する攻撃性が小さい。
【００４４】
本発明における過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子には、所定の組成にて鋳造されたビレットを粉砕した粉砕粉や、ビレットを切削加工して作製した切り粉などを適用することができる。ただし、大きさは篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下にて分級されたものとする必要がある。なお、扁平な粒子は溶湯の浸透性に劣るため、できるだけ丸い粒子を選定することが好ましい。篩目開きが０．５ｍｍ未満の過共晶粒子は基材の含浸性の低下や分散時に溶失するといった問題が生じやすいため好ましくない。他方、篩目開きが２．５ｍｍを越える過共晶粒子は切削抵抗の増加や粒子の脱落が生じやすいため好ましくない。
【００４５】
更に、本発明の円筒状摺動部材のアルミニウム合金基材にはＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ等の金属元素を適量加えてもよい。これにより、基材の機械的特性の向上を図ることができる。特に、Ａ３９０アルミニウム合金にも含まれるＣｕが添加される場合は、Ｔ６処理に代表される熱処理を施した際の基材強化に有効である。ただし、これらの元素を多量に添加することは、粗大な金属間化合物の晶出につながり、シリンダライナ等の靭性を損なうおそれがあるため注意が必要である。
【００４６】
以下、本発明のシリンダライナを遠心鋳造法により作製する別の例を説明する。
【００４７】
図１０に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部に挿入された上面開口の樋状部材である粒子フィーダ１１Ａによって共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子１７Ａが円筒状金型１０の内部に供給される。アルミニウム合金粒子は、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。粒子フィーダ１１Ａは円筒状金型１０の長手方向に沿って移動され、アルミニウム合金粒子が円筒状金型１０の長手方向に略均等に供給される。アルミニウム合金粒子は円筒状金型１０の遠心力によって円筒状金型１０の内周に張り付き、円筒状金型１０の内周面にアルミニウム合金粒子層１７（図１１参照）が形成される。
【００４８】
次に、図１２に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部に挿入された上面開口の樋状部材である粒子フィーダ１１によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子１２Ａが円筒状金型１０の内部に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。粒子フィーダ１１は円筒状金型１０の長手方向に沿って移動され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が円筒状金型１０の長手方向に略均等に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は回転する円筒状金型１０の遠心力によってアルミニウム合金粒子層１７の内周に張り付き、円筒状金型１０の内周面のアルミニウム合金粒子層１７上に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層１２（図１３参照）が形成される。
【００４９】
次に、図１４に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部にアルミニウム合金溶湯１３がトラフ１４の注湯管から流し込まれる。アルミニウム合金溶湯は流動性があり、遠心力の作用によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層とアルミニウム合金粒子層に均一に分散してゆく。このとき、アルミニウム合金溶湯は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子間の隙間とアルミニウム合金粒子間の隙間とに含浸して、アルミニウム合金基材中に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子とアルミニウム合金粒子とを含んだ円筒状部材が鋳造される。
【００５０】
円筒状部材が凝固した後、円筒状金型１０の蓋体１０ａが取り外され、円筒状部材１８（図１５参照）が円筒状金型１０から取り出される。図１５の円筒状部材１８において、１６は過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層、１３Ｂは層１６の内側に形成されたアルミニウム合金溶湯による層、１９は層１６の外側に形成され、アルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層である。
【００５１】
その後、所定の長さで切断され、シリンダライナが製造される。その後、シリンダライナの内周面に仕上加工が施されて、アルミニウム合金溶湯による層１３Ｂは削除され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で分散した面を内周面に露出させる。
【００５２】
上記製造方法によると、シリンダライナの最外周部を共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を含んだアルミニウム合金層とすることができるので、融点の低いアルミニウム合金からなるシリンダブロックとの接合がしやすくなる。
【００５３】
上記実施形態でシリンダライナを遠心鋳造法によって作製する方法を説明したが、遠心鋳造法による製造方法は上記で説明した方法に限られることはない。例えば、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子とアルミニウム合金溶湯を予め混合し、その混合物を速やかに回転する金型内に注湯することにより、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が完全に溶融することなくアルミニウム合金基材中に分散した円筒状摺動部材を得ることができる。
【００５４】
また、円筒状摺動部材の製造方法は、遠心鋳造法に限定されるものではない。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子とアルミニウム合金溶湯を混合した後、その混合物を一般の鋳造用金型に注湯することにより、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が完全に溶融することなくアルミニウム合金基材中に分散した円筒状摺動部材を得ることができる。この場合も、混合から短時間で凝固を完了させることが肝要であるため、速やかに冷却を行うことが可能な金型加圧鋳造の適用が好ましい。
【符号の説明】
【００５５】
１ シリンダライナ
２ 内周摺動面
１０ 円筒状金型
１０ａ 蓋体
１１，１１Ａ 粒子フィーダ
１２Ａ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子
１２ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層
１３ アルミニウム合金溶湯
１３Ｂ アルミニウム合金溶湯による層
１４ トラフ
１５ 円筒状部材
１６ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層
１７Ａ アルミニウム合金粒子
１７ アルミニウム合金粒子層
１８ 円筒状部材
１９ アルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダライナ等の円筒状摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダライナに代表される円筒状摺動部材は、その内周壁がピストンリングにより繰り返しの摺動摩擦を受けることや高温に晒されること等から、耐摩耗性、耐スカッフ性、強度を考慮して、鋳鉄により製造されることが普通であった。最近になり、自動車部品の軽量化が急務となってきたことや熱伝導性の改良が要求されていること等から、アルミニウム合金が選定されている。
【０００３】
特許文献１は、遠心鋳造により作製した中空部材を記載している。回転する円筒状金型内にアルミニウム合金粉末を供給して外側円筒形状体を先ず成形し、次に、外側円筒形状体の内部にＡｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を供給して、外側円筒形状体に内側円筒形状体を積層した中空部材を作製する。これにより、微細な初晶Ｓｉが略均等に分散した組織を内周側に得られる。特許文献２は、内周にアルミ系金属部分とセラミックス部分が露呈したアルミシリンダを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２１３０８号公報
【特許文献２】特公平４−０３８９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において合金中のＳｉ含有量が増すと耐摩耗性が向上する。しかしながら、Ｓｉ含有量が増加すると鋳造性が悪化するため、鋳造モノブロック構造のアルミシリンダや鋳造多連アルミシリンダにおいては、Ｓｉ含有量の上限は２０％程度にとどまっている。すなわち、特許文献１の中空部材は、Ｓｉ含有量を２０％程度より増やすことは実質的に不可能であり、耐摩耗性の一層の向上は困難である。特許文献２のシリンダは、摺動特性が優れているが、難加工材であるセラミックスを複合するため加工性が悪く、加工に用いる刃具を摩耗させる欠点を有している。また、基材と強化材との分離が難しく、リサイクル性が悪いという問題も有している。
【０００６】
本発明の目的は、耐摩耗性等の摺動特性及び加工性に優れた円筒状摺動部材、及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、アルミニウム合金基材中に、基材より多くの比率でＳｉを合金中に含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでいる円筒状摺動部材であって、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散していることを特徴とする。
【０００８】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率を２０％以上、６０％以下とすることにより、基材単体と比較して耐摩耗性が向上する。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が２０％未満であると、有効な耐摩耗性の効果が得られない。面積率が６０％を越えると、粒子を強固に複合させることが困難になり、その後の加工時に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が脱落し、強度、剛性が低下する等の不具合を生じる。
【０００９】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きを上記の値とすることにより、必要とされる複合材厚さを確保でき、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の脱落を防ぎ、加工性を良好にする。粒度の篩目開きが０．５ｍｍ未満であると、アルミニウム合金溶湯が過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の間に浸透しにくくなり、必要とされる複合材厚さを確保することが困難になるとともに、溶湯含浸時に溶失するといった問題が生じやすい。また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子がアルミニウム合金基材に強固に保持されないため、その後の加工時に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が脱落しやすい問題を生じる。粒度の篩目開きが２．５ｍｍを越えると、複合材作製後の加工時における切削抵抗が増し、加工効率が低下する他、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の脱落も生じやすくなる。
【００１０】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は質量％で２５％以上、特に３０％以上、４５％以下であることが好ましい。特に、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が３０質量％以上で有効な耐摩耗性の効果が得られる。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が４５質量％を越えると、粒子製造時に高温溶解が必要になる他、粒子硬度が高くなり過ぎることや粒子が脆くなることなどから、加工性が悪化するなどの不具合を生じる。
【００１１】
なお、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は２５質量％以上、特に３０質量％以上とすることが好ましいと規定したが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金が粒子状であるため、粒子内に鋳造欠陥が発生したとしても製品内を貫通する孔となることは殆どなく、微小なクローズド孔となるため、製品全体の機能や品質を損なうことはない。基材のＳｉ含有量を高めずに、より高Ｓｉの材料と同等又はそれ以上の特性を得ることができることが特徴である。
【００１２】
基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量は質量％で１４％以上、２５％以下であることが好ましい。アルミニウム合金基材のＳｉ含有量が１４質量％以上で有効な耐摩耗性の効果が得られる。アルミニウム合金基材のＳｉ含有量が２５質量％を越えると、高温溶解が必要となるばかりか、製造時にピットなどの鋳造欠陥が増加しやすくなることから、アルミニウム合金基材のＳｉ含有量は２５質量％以下が好ましい。基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が１４質量％以上で、しかも内周摺動面に分散する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が２５％以上であると、優れた耐摩耗性を得ることができる。
【００１３】
前記円筒状摺動部材としてはシリンダライナが挙げられるが、これに限られることはない。
【００１４】
前記円筒状摺動部材は遠心鋳造や金型加圧鋳造などによって製造できる。
【００１５】
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する本発明の円筒状摺動部材の製造方法は、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層が形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間に遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子はアルミニウム合金基材より多くの比率でＳｉを合金中に含むことにより、粒子の液相線温度は基材となるアルミニウム合金溶湯の液相線温度よりも高温になり、粒子の融点が基材の融点よりも高くなる。そのため、注湯後速やかに凝固を完了させれば、粒子は完全に溶融することなく、基材中に残存することができる。
【００１７】
本発明は次の製造方法を採用してもよい。すなわち、
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する本発明の円筒状摺動部材の製造方法は、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を供給して、金型の内周面にアルミニウム合金粒子層を形成する工程と、
前記アルミニウム合金粒子層が形成された回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面のアルミニウム合金粒子層上に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を前記アルミニウム合金粒子層と過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層とが形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間とアルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間とに遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
最初に共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を投入することで、円筒状部材の最外周部のアルミニウム合金層が、融点の低いアルミニウム合金からなるシリンダブロック等の部材と接合しやすくなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の円筒状摺動部材は、耐摩耗性等の摺動特性及び加工性に優れる。また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が基材と同じく、アルミニウム合金であるため、リサイクル性に優れる。特に、本発明の円筒状摺動部材は、アルミニウム合金基材のＳｉ含有量を高めずに、より高Ｓｉのアルミニウム合金材料と同等又はそれ以上の摺動特性を得ることができる点に特徴を有している。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態であるシリンダライナを示す縦断面図である。
【図２】上記シリンダライナの内周摺動面の一部分を示す写真である。
【図３】遠心鋳造において過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給する工程を示す縦断面図である。
【図４】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子供給後の円筒状金型の縦断面図である。
【図５】遠心鋳造においてアルミニウム合金溶湯を供給する工程を示す縦断面図である。
【図６】円筒状金型から取り出された円筒状部材を示す縦断面図である。
【図７】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率と耐摩耗性との関係を示すグラフである。
【図８】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量と耐摩耗性との関係を示すグラフである。
【図９】基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量と耐摩耗性との関係を示すグラフである。
【図１０】遠心鋳造においてアルミニウム合金粒子を供給する工程を示す縦断面図である。
【図１１】アルミニウム合金粒子供給後の円筒状金型の縦断面図である。
【図１２】遠心鋳造において過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給する工程を示す縦断面図である。
【図１３】過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子供給後の円筒状金型の縦断面図である。
【図１４】遠心鋳造においてアルミニウム合金溶湯を供給する工程を示す縦断面図である。
【図１５】円筒状金型から取り出された円筒状部材を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る円筒状摺動部材及びその製造方法について好適な実施形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の円筒状摺動部材であるシリンダライナ１を示す縦断面図である。このシリンダライナ１はアルミニウム合金基材中に、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合でシリンダライナ１の内周摺動面２に分散している。
【００２３】
図２は実際に作製したシリンダライナの内周摺動面のミクロ組織を示している写真である。図２においてアルミニウム合金基材の両側に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の一部分が写っている。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの篩にて分級したものである。図２により、アルミニウム合金基材と比較して過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中には初晶Ｓｉが多量に存在することがわかる。なお、過共晶粒子と基材との界面については、過共晶粒子の表層のみ溶融し、基材と冶金的に結合している状態が好ましい。
【００２４】
以下、本発明のシリンダライナを遠心鋳造法により作製する一例を説明する。
【００２５】
図３に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部に挿入された上面開口の樋状部材である粒子フィーダ１１によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子１２Ａが円筒状金型１０の内部に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。粒子フィーダ１１は円筒状金型１０の長手方向に沿って移動され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が円筒状金型１０の長手方向に略均等に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は遠心力によって円筒状金型１０の内周に張り付き、円筒状金型１０の内周面に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層１２（図４参照）が形成される。
【００２６】
次に、図５に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部にアルミニウム合金溶湯１３がトラフ１４の注湯管から流し込まれる。アルミニウム合金溶湯は流動性があり、遠心力の作用によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層に均一に分散してゆく。このとき、アルミニウム合金溶湯は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子間の隙間に含浸して、アルミニウム合金基材中に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んだ円筒状部材が鋳造される。
【００２７】
この際、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きが細かすぎると、アルミニウム合金溶湯が過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の間に浸透しにくくなり、複合材である円筒状部材の必要な厚さを確保することが困難になる。また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子がアルミニウム合金基材に強固に保持されないため、内周仕上げ等の加工時に粒子が脱落しやすくなる問題を生じる。そのため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは０．５ｍｍ以上とする。
【００２８】
他方、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きが大きすぎると、内周仕上げ等の加工時に切削抵抗が増し、加工効率が低下する他、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の脱落も生じやすくなるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは２．５ｍｍ以下とする。
【００２９】
なお、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のサイズや所望する円筒状部材の厚さによって、付与する遠心力を変化させる必要があるが、概ね９０Ｇ以上が好適である。
【００３０】
円筒状部材が凝固した後、円筒状金型１０から蓋体１０ａが取り外され、円筒状部材１５（図６参照）が円筒状金型１０から取り出される。図６の円筒状部材１５において、１６は過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層、１３Ｂは層１６の内側に形成されたアルミニウム合金溶湯による層である。
【００３１】
その後、所定の長さで切断され、シリンダライナが製造される。その後、シリンダライナの内周面に仕上加工が施されて、アルミニウム合金溶湯による層１３Ｂは削除され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で分散した面を内周面に露出させる。
【００３２】
図７はアルミニウム合金製のシリンダライナについて、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率の耐摩耗性に及ぼす影響を示している。図中の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ量及びアルミニウム合金基材のＳｉ量は質量％である。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。試験機にはピンオンプレート式往復摺動試験機を使用した。シリンダライナに相当するプレート材（以下、ライナ材という。）と組み合せるピン材（ピストンリング相当材）は、ステンレス鋼製で窒化処理が施されている。図７において、縦軸は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が無添加（０％）の場合のライナ材の摩耗量を１としたときの各ライナ材の相対摩耗量を示しており、横軸は摺動面上の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率及びＳｉ含有量を表している。縦軸の値が小さいほど、ライナ材の耐摩耗性は優れる。
【００３３】
図７により、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率の増加に伴い、ライナ材の摩耗量が減少することがわかる。すなわち、ライナ材の耐摩耗性が向上することがわかる。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が１５％の場合、耐摩耗性向上効果が僅かであることから、本発明においては、摺動面に分散する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率を２０％以上とした。
【００３４】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率は大きいほど、耐摩耗性は向上する傾向にある。しかしながら、面積率が６０％を越えると、粒子を強固に複合させることが困難になり、その後の加工時に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が脱落したり、強度、剛性が低下する等の不具合を生じるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率は６０％以下とした。
【００３５】
図８はアルミニウム合金製のシリンダライナについて、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量の耐摩耗性に及ぼす影響を示している。図中の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ量及びアルミニウム合金基材のＳｉ量は質量％である。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。試験機にはピンオンプレート式往復摺動試験機を使用した。シリンダライナに相当するプレート材（以下、ライナ材という。）と組み合せるピン材（ピストンリング相当材）は、ステンレス鋼製で窒化処理が施されている。図８の縦軸及び横軸の表記は図７の場合と同じである。
【００３６】
図８により、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量の増加に伴い、ライナ材の摩耗量が減少することがわかる。すなわち、ライナ材の耐摩耗性が向上することがわかる。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が２５質量％であっても、基材より多くのＳｉが含まれるため、耐摩耗性向上効果は認められるが、３０質量％以上の場合は耐摩耗性効果がより明瞭になる。したがって、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は３０質量％以上であることがより好ましいことがわかる。
【００３７】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は多いほど、耐摩耗性は向上する傾向にある。しかしながら、Ｓｉ含有量が４５質量％を越えると、粒子製造時に高温溶解が必要になる他、粒子硬度が高くなり過ぎたり、粒子が脆くなることなどから、加工性が悪化するなどの不具合を生じるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量は４５質量％以下であることが好ましい。
【００３８】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中に晶出する初晶Ｓｉの大きさが小さい場合は、耐摩耗性向上効果が小さくなるため、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中の初晶Ｓｉの大きさは２０μｍ以上とすることが好ましい。一方、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子中の初晶Ｓｉの大きさは１００μmを越えると加工性が低下するため、１００μｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
図９はアルミニウム合金製のシリンダライナについて、基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量の耐摩耗性に及ぼす影響を示している。図中の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ量及びアルミニウム合金基材のＳｉ量は質量％である。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きは１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。試験機にはピンオンプレート式往復摺動試験機を使用した。シリンダライナに相当するプレート材（以下、ライナ材という。）と組み合せるピン材（ピストンリング相当材）は、ステンレス鋼製で窒化処理が施されている。図９の縦軸及び横軸の表記は図７の場合と同じである。
【００４０】
基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が１１質量％の場合、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率及びＳｉ含有量がそれぞれ６０％、４５質量％と上限値であっても、図７及び図８より、摩耗レベルは過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が無添加時の摩耗レベルの６割程度である。しかしながら、図９より、基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が１４質量％以上であれば、ライナ材は優れた耐摩耗性が得られることがわかる。特に、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の面積率が２５％以上であれば、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が無添加のＡｌ−１１％Ｓｉ合金の摩耗レベルの５割以下のレベルまで摩耗を抑制でき、優れた耐摩耗性が得られることがわかる。
【００４１】
基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量については、予め高めの材料を選定することが望ましいが、アルミニウム合金の溶解をより高温で行う必要があるなど製造上の課題が増す。２５質量％を越えると、シリンダライナ等の製造時に鋳造欠陥が増加する等の問題が生じやすくなることから、アルミニウム合金基材のＳｉ含有量は２５質量％以下に抑えることが実用上好ましい。
【００４２】
一般に、セラミックスの多くは難加工材である。したがって、セラミックスの繊維や粒子を強化材とする複合材からなるシリンダの加工は困難であることは想像に難くない。アルミニウム合金を基材とする本発明のシリンダライナは、強化材としてセラミックス材料を用いず、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を用いているため、セラミックスを含んだ複合材からなるシリンダライナと比較して加工性に優れている。
【００４３】
また、一般に硬質なセラミックスを含む複合材からなるシリンダは、ピストンリングの摩耗を促進する場合がある。しかし、アルミニウム合金を基材とする本発明のシリンダライナは、強化材としてセラミックス材料を用いず、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を用いているため、ピストンリングに対する攻撃性が小さい。
【００４４】
本発明における過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子には、所定の組成にて鋳造されたビレットを粉砕した粉砕粉や、ビレットを切削加工して作製した切り粉などを適用することができる。ただし、大きさは篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下にて分級されたものとする必要がある。なお、扁平な粒子は溶湯の浸透性に劣るため、できるだけ丸い粒子を選定することが好ましい。篩目開きが０．５ｍｍ未満の過共晶粒子は基材の含浸性の低下や分散時に溶失するといった問題が生じやすいため好ましくない。他方、篩目開きが２．５ｍｍを越える過共晶粒子は切削抵抗の増加や粒子の脱落が生じやすいため好ましくない。
【００４５】
更に、本発明の円筒状摺動部材のアルミニウム合金基材にはＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ等の金属元素を適量加えてもよい。これにより、基材の機械的特性の向上を図ることができる。特に、Ａ３９０アルミニウム合金にも含まれるＣｕが添加される場合は、Ｔ６処理に代表される熱処理を施した際の基材強化に有効である。ただし、これらの元素を多量に添加することは、粗大な金属間化合物の晶出につながり、シリンダライナ等の靭性を損なうおそれがあるため注意が必要である。
【００４６】
以下、本発明のシリンダライナを遠心鋳造法により作製する別の例を説明する。
【００４７】
図１０に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部に挿入された上面開口の樋状部材である粒子フィーダ１１Ａによって共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子１７Ａが円筒状金型１０の内部に供給される。アルミニウム合金粒子は、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。粒子フィーダ１１Ａは円筒状金型１０の長手方向に沿って移動され、アルミニウム合金粒子が円筒状金型１０の長手方向に略均等に供給される。アルミニウム合金粒子は円筒状金型１０の遠心力によって円筒状金型１０の内周に張り付き、円筒状金型１０の内周面にアルミニウム合金粒子層１７（図１１参照）が形成される。
【００４８】
次に、図１２に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部に挿入された上面開口の樋状部材である粒子フィーダ１１によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子１２Ａが円筒状金型１０の内部に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は、粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。粒子フィーダ１１は円筒状金型１０の長手方向に沿って移動され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が円筒状金型１０の長手方向に略均等に供給される。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子は回転する円筒状金型１０の遠心力によってアルミニウム合金粒子層１７の内周に張り付き、円筒状金型１０の内周面のアルミニウム合金粒子層１７上に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層１２（図１３参照）が形成される。
【００４９】
次に、図１４に示されているように、回転する円筒状金型１０の内部にアルミニウム合金溶湯１３がトラフ１４の注湯管から流し込まれる。アルミニウム合金溶湯は流動性があり、遠心力の作用によって過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層とアルミニウム合金粒子層に均一に分散してゆく。このとき、アルミニウム合金溶湯は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子間の隙間とアルミニウム合金粒子間の隙間とに含浸して、アルミニウム合金基材中に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子とアルミニウム合金粒子とを含んだ円筒状部材が鋳造される。
【００５０】
円筒状部材が凝固した後、円筒状金型１０の蓋体１０ａが取り外され、円筒状部材１８（図１５参照）が円筒状金型１０から取り出される。図１５の円筒状部材１８において、１６は過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層、１３Ｂは層１６の内側に形成されたアルミニウム合金溶湯による層、１９は層１６の外側に形成され、アルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層である。
【００５１】
その後、所定の長さで切断され、シリンダライナが製造される。その後、シリンダライナの内周面に仕上加工が施されて、アルミニウム合金溶湯による層１３Ｂは削除され、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で分散した面を内周面に露出させる。
【００５２】
上記製造方法によると、シリンダライナの最外周部を共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を含んだアルミニウム合金層とすることができるので、融点の低いアルミニウム合金からなるシリンダブロックとの接合がしやすくなる。
【００５３】
上記実施形態でシリンダライナを遠心鋳造法によって作製する方法を説明したが、遠心鋳造法による製造方法は上記で説明した方法に限られることはない。例えば、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子とアルミニウム合金溶湯を予め混合し、その混合物を速やかに回転する金型内に注湯することにより、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が完全に溶融することなくアルミニウム合金基材中に分散した円筒状摺動部材を得ることができる。
【００５４】
また、円筒状摺動部材の製造方法は、遠心鋳造法に限定されるものではない。過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子とアルミニウム合金溶湯を混合した後、その混合物を一般の鋳造用金型に注湯することにより、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が完全に溶融することなくアルミニウム合金基材中に分散した円筒状摺動部材を得ることができる。この場合も、混合から短時間で凝固を完了させることが肝要であるため、速やかに冷却を行うことが可能な金型加圧鋳造の適用が好ましい。
【符号の説明】
【００５５】
１ シリンダライナ
２ 内周摺動面
１０ 円筒状金型
１０ａ 蓋体
１１，１１Ａ 粒子フィーダ
１２Ａ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子
１２ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層
１３ アルミニウム合金溶湯
１３Ｂ アルミニウム合金溶湯による層
１４ トラフ
１５ 円筒状部材
１６ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層
１７Ａ アルミニウム合金粒子
１７ アルミニウム合金粒子層
１８ 円筒状部材
１９ アルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間にアルミニウム合金溶湯が含浸して形成された層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金基材中に、基材より多くの比率でＳｉを合金中に含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでいる円筒状摺動部材であって、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散していることを特徴とする円筒状摺動部材。
【請求項２】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の円筒状摺動部材。
【請求項３】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が質量％で３０％以上、４５％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の円筒状摺動部材。
【請求項４】
前記基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が質量％で１４％以上、２５％以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の円筒状摺動部材。
【請求項５】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２５％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散していることを特徴とする請求項４記載の円筒状摺動部材。
【請求項６】
前記円筒状摺動部材が遠心鋳造又は金型加圧鋳造によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の円筒状摺動部材。
【請求項７】
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する円筒状摺動部材の製造方法であって、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層が形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間に遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする円筒状摺動部材の製造方法。
【請求項８】
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する円筒状摺動部材の製造方法であって、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を供給して、金型の内周面にアルミニウム合金粒子層を形成する工程と、
前記アルミニウム合金粒子層が形成された回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面のアルミニウム合金粒子層上に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を前記アルミニウム合金粒子層と過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層とが形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間とアルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間とに遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする円筒状摺動部材の製造方法。
【請求項１】
アルミニウム合金基材中に、基材より多くの比率でＳｉを合金中に含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を含んでいる円筒状摺動部材であって、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２０％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散していることを特徴とする円筒状摺動部材。
【請求項２】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子の粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の円筒状摺動部材。
【請求項３】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子のＳｉ含有量が質量％で３０％以上、４５％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の円筒状摺動部材。
【請求項４】
前記基材となるアルミニウム合金のＳｉ含有量が質量％で１４％以上、２５％以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の円筒状摺動部材。
【請求項５】
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子が面積率２５％以上、６０％以下の割合で内周摺動面に分散していることを特徴とする請求項４記載の円筒状摺動部材。
【請求項６】
前記円筒状摺動部材が遠心鋳造又は金型加圧鋳造によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の円筒状摺動部材。
【請求項７】
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する円筒状摺動部材の製造方法であって、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を、前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層が形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間に遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする円筒状摺動部材の製造方法。
【請求項８】
遠心鋳造によって円筒状摺動部材を作製する円筒状摺動部材の製造方法であって、
回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の共晶又は共晶近傍組成のアルミニウム合金粒子を供給して、金型の内周面にアルミニウム合金粒子層を形成する工程と、
前記アルミニウム合金粒子層が形成された回転する円筒状金型の内部に粒度の篩目開きが０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子を供給して、金型の内周面のアルミニウム合金粒子層上に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層を形成する工程と、
前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子より少ない比率でＳｉを合金中に含有する溶融アルミニウム合金を前記アルミニウム合金粒子層と過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層とが形成された回転する金型内部に供給して、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粒子層の粒子間の隙間とアルミニウム合金粒子層の粒子間の隙間とに遠心力によってアルミニウム合金の溶湯を含浸させ、円筒状部材を鋳造する工程と、
を有することを特徴とする円筒状摺動部材の製造方法。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２００９０２（Ｐ２０１１−２００９０２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７００８５（Ｐ２０１０−７００８５）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００２１５７８５）帝国ピストンリング株式会社 (80)
【出願人】（５９１２０６１２０）テーピ工業株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００２１５７８５）帝国ピストンリング株式会社 (80)
【出願人】（５９１２０６１２０）テーピ工業株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
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