Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材及び摺動面の形成方法
【課題】摺動面におけるスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材を提供する。
【解決手段】１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、少なくとも前記平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出した摺動面を備えている。
【解決手段】１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、少なくとも前記平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出した摺動面を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材及び摺動面の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、エンジン等の内燃機関の燃焼室の一部を形成するシリンダライナあるいはシリンダブロックのシリンダボアにおいては、寿命、耐久性等の観点から、耐スカッフィング性の向上、耐摩耗性の向上、及び潤滑油消費量の低減が従来から求められている。
【０００３】
特にアルミニウム製のシリンダボアでは、鋳鉄に比べ、耐焼付性が低いことが知られている。具体的には特に、エンジンを停止後、放置されて冷却した後に再始動された場合に、暖気されて潤滑油の粘度が下がってポンプから供給されるようになるまでの短い期間中にスカッフィング（特に冷却後の低温で生じるスカッフィングを「低温スカッフィング」ということがある。）が発生することがある。スカッフィングとは、シリンダ内などの摩擦でピストンやシリンダで局部的に溶着することで生じるピストン表面等の掻き傷及び焼付きをいう。これは、一時的に油切れになるために生じるものであり、この油切れによるスカッフィング（特に低温スカッフィング）の防止が、アルミニウム製のシリンダボアの性能安定化に不可欠となっている。
【０００４】
シリンダボアと組み合わせて用いられるピストンは、リング材として鉄鋼又はその窒化処理材、ＣｒＮ、ＴｉＮなどの乾式メッキ、Ｃｒ等の湿式メッキが施されたピストンリングを有しているものが多く用いられている。ところが、これらのピストンリングのリング材は、アルミニウムと凝着しやすいことから、油膜が破断すると焼付きや摩耗を起こしやすい。これに対し、アルミニウムとの凝着が低い材料としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が知られている。このＤＬＣ製のピストンリングを使用することにより、耐スカッフィング性を保てるが、ＤＬＣは硬質なため耐摩耗性の高い材料である反面、高々５μｍ以下の薄膜なので、エンジンのピストンリングとしては寿命が充分とはいえず、さらに基材との密着性も高くないので、剥離を起こしやすい。また、リング材料が限定されるのは、設計上望ましくない。また、ＤＬＣといえどもエンジンのボア／リング間などの摺動条件下では無潤滑状態で早期に焼付きを起こすのを完全に回避するのは困難であり、エンジン停止時に油を保持できる面状をボア面に形成しておくことが不可欠となる。
【０００５】
上記のような焼付き等の防止に関連する技術として、アルミニウム材とピストンリングとの接触機会を低減する方法がある。例えば、摺動部分に硬質粒子が分散したアルミニウム製ボアの表面を往復運動および回転運動する主軸に砥石を設けたホーニング装置により加工する際に、前工程のボア表面を加工する回転方向とは逆方向に回転運動させて仕上げ加工するアルミニウム製ボアの表面加工方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、シリンダブロックの孔に研削加工を施すことにより形成された油膜保持用の溝とロールバニッシュ加工により塑性変形されたプラトウ部とを備えたシリンダボアが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−５７５９７号公報
【特許文献２】特開平５−６５８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ボア表面を加工する前工程の回転方向とは逆方向に仕上げ加工する上記のアルミニウム製ボアの表面加工方法は、ホーニング痕のバリの除去によりピストンリングとの接触機会の低減を狙ったものであるが、Ｓｉ粒子とアルミニウムが同一平面レベルにあるため、アルミとリングの接触は避けられないので、耐スカッフィング性を確保することはできない。
【０００９】
また、上記の溝とプラトウ部を備えたシリンダボアでは、ローラバニッシュなどの塑性加工では加工硬化するので、耐焼付性が向上し、特に鋳鉄の場合、高い耐焼付性を持ちこれを塑性加工することでより一層耐焼付性を向上させ得るものの、鋳鉄より軟質なアルミニウム材の場合には、塑性加工のみでは必ずしも焼付きを防止することはできない。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、摺動面におけるスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材、及び摺動時のスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止された摺動面を形成することができる摺動面の形成方法を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、アルミニウム材を用いた摺動面（例えばピストンリングが摺動するシリンダボアの摺動面）の耐焼付性及び耐摩耗性の向上には、アルミニウム−Ｓｉ系合金を採用するとともに、合金化目的で含まれるＳｉを粒状にして表面性に寄与するように配することが有効との知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明であるＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材は、１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、その少なくとも平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出した摺動面が設けられた構成としたものである。
【００１３】
第１の発明においては、Ａｌ−Ｓｉ系合金中のＳｉの割合を１７〜３５質量％とし、摺動面となる表面に潤滑油の保持が可能な凹形状の溝部とともに塑性加工により形成された平坦部を設け、その平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出するようにすることで、例えばエンジン等の内燃機関の再始動時の暖気前までは、溝部に保持されて残存する潤滑油で摺動面が潤滑されるとともに、摺動面では平坦部の表面から突出して浮き出たＳｉ粒子の突出部がこれに対向配置された摺動部と摺動するので、Ａｌ−Ｓｉ系合金のアルミニウムが対向する摺動部と接触し難くなり、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生を防止できる。また、再始動後の通常運転時には、摺動面は溝部を平坦部に隣接して（好ましくは溝部で囲まれて）有するので、平坦部に油膜が形成されやすく、Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材の摺動面に突出するＳｉ粒子との固体接触が抑制されるので、摩擦損失を小さく抑えることができる。
【００１４】
このようにして、第１の発明に係るＡｌ−Ｓｉ系合金摺動材は、摺動面における摩擦を低減するとともに、スカッフィングの発生を防止し、長寿命、高耐久性に優れた摺動特性を有している。
【００１５】
第１の発明は、溝部を摺動方向に対して傾斜させて線形状（ライン状）に形成することができる。具体的には、例えば研削加工としてホーニング加工やボーリング加工を施すことにより、摺動方向に対して例えば、一方向に傾斜、又は二方向以上に傾斜させて交差させたライン状の溝を形成することが好ましい。ライン状の溝を一方向に傾斜又は交差させて設けることにより、摺動面に潤滑油を保持しやすく、通常運転時の油膜形成性が高まる。これより、摺動面の表面から突出させてＳｉ粒子を設けたことに伴なう摩擦損失の発生を抑えながら、特に低温スカッフィングの発生を効果的に防止できる。
【００１６】
第１の発明は、Ａｌ−Ｓｉ系合金の例えば鋳造やライナ体の鋳包みなどによるシリンダボアを構成することができる。すなわち、第１の発明は、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金シリンダボアであって、少なくとも前記孔の表面は、１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、少なくとも平坦部の表面からＳｉ粒子の一部を突出させて構成したものである。
【００１７】
これにより、エンジンの再始動時の暖気前までは、溝部に保持された潤滑油でボア面が潤滑されるとともに、ボア面では平坦部の表面から突出して浮き出たＳｉ粒子の突出部がピストンリングと摺動するので、Ａｌ−Ｓｉ系合金のアルミニウムがピストンリングと接触し難くなり、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生を防止できる。また、再始動後の通常運転時には、上記の通りボア面の平坦部に油膜が形成されやすくなるので、摺動面であるボア面に突出したＳｉ粒子との固体接触が抑制され、摩擦損失を小さく抑えることができる。
【００１８】
第２の発明である摺動面の形成方法は、１７〜３５質量％のＳｉを含み、摺動面をなす表面を有する粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の前記表面に研削加工を施し、潤滑油を保持可能な溝部を形成する溝部形成工程と、溝部が形成された前記表面に塑性加工を施して平坦化処理する平坦化処理工程と、平坦化処理された前記表面を弾性基材を用いて研磨し、前記表面からＳｉ粒子を突出させる粒子突出工程と、を設けて構成されたものである。
【００１９】
第２の発明においては、研削加工による溝部形成及び塑性加工による平坦化処理が行なわれた表面に対し、弾性基材（バフ、ゴムなど）を用いて研磨することにより、合金中のＳｉ粒子の一部を表面から突出させることで、摺動面にＳｉ粒子をその一部が突出するように存在させることができる。これにより、摺動時の例えばエンジン等の内燃機関の再始動時の暖気される前の未だ低温時において、溝部に保持されて残存する潤滑油で潤滑されるとともに、平坦部の突出して浮き出たＳｉ粒子が、これに対向配置された対向摺動部と摺動する摺動面を形成できるので、摺動面のアルミニウムが対向摺動部と接触し難く、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生が防止される。また、再始動後の通常運転時には、摺動面は溝部を平坦部に隣接して（好ましくは溝部で囲まれて）有するので、平坦部に油膜が形成されやすい。これにより、Ｓｉ粒子との固体接触が抑制されるので、摩擦損失が小さく抑えられる。
【００２０】
第２の発明の粒子突出工程は、バフ及び研磨材を用いてバフ研磨することにより好適に行なうことができる。バフ研磨は、例えば円盤状、円筒状や円錐状のバフ等の弾性基材を高速回転させる等して用い、これに研磨剤を付与することにより研磨するものであり、Ａｌ−Ｓｉ系合金の摺動面におけるＳｉ粒子を残存させつつ、平坦化処理された表面の合金を除去できる。これにより、Ｓｉ粒子を突出させるとともにＳｉ高をレベリングし、Ｓｉ粒子が所望の高さに突出した平坦部を形成できる。
【００２１】
研磨剤としては、体積平均径がＳｉ粒子の体積平均径以下の砥粒を用いることが好ましい。体積平均径がＳｉ粒子よりも小さい砥粒を用いるので、Ｓｉ粒子の除去を少なく抑えて効率よく研磨することができる。
【００２２】
第２の発明においては、粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金として、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるシリンダボアを用いることができる。この場合、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金シリンダボアの孔の表面（ボア面）に研削加工を施し、潤滑油を保持可能な溝部をシリンダボア内の摺動方向（すなわちピストンの往復動方向）に対して傾斜角を有する線形に形成する溝部形成工程と、溝部が形成された前記ボア面に塑性加工を施して平坦化処理する平坦化処理工程と、平坦化処理された前記ボア面を弾性基材を用いて研磨し、前記表面からＳｉ粒子を突出させる粒子突出工程とを設けた構成とすることができる。
【００２３】
これにより、ピストンリングと摺動するボア面に対し、弾性基材を用いた研磨を施すことにより、ボア面の表面から合金中のＳｉ粒子をその一部が突出するように存在させることができる。この場合、上記のように摺動時のエンジンの再始動時の暖気前の低温時において、溝部に保持された潤滑油でボア面が潤滑されるとともに、ボア面では平坦部の表面から突出して浮き出たＳｉ粒子の突出部がピストンリングと摺動するので、Ａｌ−Ｓｉ系合金のアルミニウムがピストンリングと接触し難く、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生が防止される。また、再始動後の通常運転時には、上記の通りボア面の平坦部に油膜が形成されやすくなるので、摺動面であるボア面に突出したＳｉ粒子との固体接触が抑制され、摩擦損失を小さく抑えることができる。
【００２４】
本発明においては、長寿命、高耐久性の摺動機構を構築することが可能であり、例えば、エンジン等の内燃機関おいて、運転停止・放置により冷却した後に再始動する際に、再始動後、暖気されて油の粘度が下がりポンプで潤滑油が供給されるまでの短時間に油切れとなって起きるシリンダボアのボア面のスカッフィングの発生が抑制された内燃系統を構築することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、摺動面におけるスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材（例えばシリンダボア）を提供することができる。また、
本発明によれば、摺動時のスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止された摺動面を形成することができる摺動面の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係るシリンダボア内にピストンが収容された状態を示す部分断面図である。
【図２】（ａ）は摺動方向に対して一方向に傾斜角θを有して傾斜した潤滑油保持用の溝パターンを示す模式図であり、（ｂ）は摺動方向に対して二方向に傾斜角θを有して傾斜し交差した潤滑油保持用の溝パターンを示す模式図である。
【図３】溝部形成工程を経た後の加工表面の断面を模式的に示す図である。
【図４】粒子突出工程を行なって形成された摺動面に表面からＳｉ粒子が突出する平坦部と溝部とが形成されている状態を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の摺動面の形成方法の実施形態に係る加工フローを示す工程図である。
【図６】溝部形成工程後の表面にローラ掛けを行なって塑性変形させている様子を模式的に示す断面図である。
【図７】スカッフ試験法による耐スカッフィング性の評価方法を説明するための説明図である。
【図８】耐スカッフィング性の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態に係るＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材及び摺動面の形成方法について、図１〜図8を参照して詳細に説明する。本実施形態に係るＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材はシリンダボアであり、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いたシリンダボア（以下、「Ａｌ−Ｓｉ合金シリンダボア」ともいう。）及びその摺動面の形成方法を中心に説明する。
【００２８】
本発明の実施形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボア１は、図１に示すように内燃機関であるエンジンにおいて、Ｓｉ粒子を含有するＡｌ−Ｓｉ系合金により作製されたシリンダブロック１００に設けられたものである。このＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボア１は、断面円形の孔を有し、該孔内にピストンリング４を有するピストン３が該孔の円形断面に直交する軸線方向に往復動可能に収容されている。
【００２９】
Ａｌ−Ｓｉ合金は、アルミニウム（Ａｌ）とＳｉ（ケイ素）とを少なくとも含む合金であり、本発明の効果を損なわない範囲であれば、必要に応じてあるいは不可避成分として他の成分を含むことができる。
合金中の成分のうち、Ｓｉの合金中における含有割合は、Ａｌ−Ｓｉ合金の全質量に対して、１７〜３５質量％の範囲とする。Ｓｉの含有割合は、１７質量％未満であると、Ｓｉ粒子の突出頻度が少なくなり、スカッフィングの発生を充分に抑えられず、また、３５質量％を超えると、相手部材の摩耗を抑制することができない。中でも、低温での耐スカッフィング性をより向上させる観点から、２０〜３０質量％の範囲が好ましい。
【００３０】
ピストン３の外周には、複数のピストンリング４が装着されている。ピストン３が、シリンダボア内を軸線方向（図１中の上下方向）へ往復動すると、ピストンリング４がシリンダボア１の内壁（ボア面）を摺動する。このとき、ピストン３の外周とシリンダボア１の内壁との間には、潤滑油による油膜が形成されるようになっている。
【００３１】
このＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボア１の内壁（ボア面）には、図１に示すように、網目状の潤滑油保持用の溝５が形成されている。溝５は、シリンダボア１内を摺動するピストン３の摺動方向（図１中の上下方向）に対して二方向、すなわち図２（ｂ）のようにそれぞれ傾斜角θで傾斜して交差した網目状に形成されている。溝を網目状に形成することで、潤滑油を保持しやすく、溝以外の領域が溝で囲まれるためピストンの往復動にしたがって潤滑されやすくなる。
【００３２】
溝５の形状については、網目状に限られず、図２（ａ）に示すように、シリンダボア１のピストンの摺動方向（図１中の上下方向）に対して一方向に傾斜角θで傾斜した線形に形成されてもよい。傾斜角を有する場合、傾斜角θの範囲には特に制限はなく、摺動方向に対して０＜θ＜１８０°の範囲で任意に選択することができる。また、潤滑油の保持に支障のない限り、傾斜角θは摺動方向に対して０°であってもよい。また、本実施形態では、線形状とした溝の断面（溝の長さ方向との直交断面）の形状は、図３に示すように三角形状に形成されている。溝の断面形状は、三角形のほか、矩形、台形、半円形、半楕円形などのいずれの形状に形成されてもよい。
溝の形状は、線形に限られず、点や矩形等の形状で窪みを設けて形成されてもよい。
【００３３】
この溝５は、潤滑油を保持できる程度に凹形状に形成されたものである。この溝に潤滑油が保持されることにより、エンジン停止後の再始動時に暖気されて潤滑油の粘度が下がってポンプから供給されるようになるまでの期間中に、油切れでスカッフィングが発生しないように摺動面を潤滑する。この溝のサイズについては、所望により選択することができる。
【００３４】
溝５は、シリンダボア１の仕上げ加工に際し、シリンダブロック１００に開けられた孔に研削加工としてホーニング加工を施して形成されたものである。この溝は、ホーニング加工のほか、ボーリング加工などの他の機械加工によっても形成することができる。
【００３５】
図２（ｂ）及び図４に示すように、溝５により囲まれた部分は、ピストンリング４から圧力を受ける平坦部７となっている。平坦部７は、ホーニング加工等により溝を形成した後、図６に示すように、例えば加圧してローラ掛けする等により塑性加工を施して形成されたものであり、その表面は塑性加工による変形で硬化されており、鈍角な突状の滑らかな面となっている。
【００３６】
この平坦部７には、図４のように、その表面から粒子の一部が突出するようにＳｉ粒子８が配置されている。摺動時は、平坦部７がピストンリング４と摺動するが、油切れで平坦部７とピストン３の間に油膜形成されないときには、平坦部７のＳｉ粒子８がピストンリング４と摺動することにより、シリンダボアのアルミニウム（Ａｌ）がピストンリング４と接触してスカッフィング（特に低温スカッフィング）を起こすのを防止する。
【００３７】
Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉ粒子は、合金化目的で含まれたＳｉが晶出して合金中に粒子で存在するものが、粒子が均一に存在する点で好ましい。この場合、耐摩耗性のため粒径の大きい初晶Ｓｉが析出するＳｉ濃度が必要であり、例えば１７％Ｓｉを含有し鋳造することにより得られたＡ３９０合金を用いることができる。また、市販品を使用してもよく、市販品の例として、昭和電工（株）製のＡ３９０合金が挙げられる。
【００３８】
Ｓｉ粒子８が平坦部７表面から突出して浮き出ている距離（突出距離ｄ）としては、アルミマトリクスと相手材との接触を抑制する観点から、０．１〜２μｍの範囲であることが好ましく、０．２〜１μｍの範囲であることがより好ましい。突出距離ｄが前記範囲内であると、エンジン停止後の再始動時には、低温でのスカッフィング防止効果が高く、通常運転時には、油膜形成による固体接触が抑制され、摩擦損失の低減効果が高い。
【００３９】
Ｓｉ粒子としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＺｒＳｉＯ４等の硬質粒子を使用することができる。合金中に含有されるＳｉ粒子の平均粒子径としては、体積平均粒子径で１０〜１５０μｍの範囲が好ましく、３０〜１５０μｍの範囲がより好ましい。Ｓｉ粒子の体積平均粒子径が前記範囲内であると、平坦部７にＳｉ粒子をその一部が突出した状態で存在させ易くなり、通常運転時の摩擦損失の影響を小さく抑えることができる。また、相手部材の摩耗も小さく抑えられる。
【００４０】
本実施形態のシリンダボアは、Ｓｉ粒子を含有するＡｌ−Ｓｉ系合金を用いて作製されたものであるが、本発明の効果を損なわない範囲で、合金中にＳｉ粒子以外の他の粒子が含まれてもよい。
【００４１】
次に、Ａｌ−Ｓｉ合金シリンダボアの摺動面の形成方法について、図５〜図６を参照して具体的に説明する。
【００４２】
本実施形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボアは、図５の作業手順に示すように、ピストンリングが摺動する摺動面をなす表面を有する孔（以下、ボア孔という。）を備えた粗幾何形状に加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の該ボア孔の内壁面に機械加工としてホーニング加工を施すことにより、潤滑油を保持可能な溝をシリンダボアの摺動方向に対して傾斜角を有する線形に形成する工程（溝部形成工程）と、溝が形成されたボア孔の内壁面に塑性加工としてロールバニッシュ加工を施して平坦化処理する工程（平坦化処理工程）と、平坦化処理された内壁面をバフ研磨し、ボア孔の内壁面からＳｉ粒子を突出させる工程（粒子突出工程）とを設けて作製されたものである。
以下、各工程ごとに説明することとする。
【００４３】
−溝部形成工程−
溝部形成工程では、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容され、ピストンリングが摺動する摺動面をなす表面を有するボア孔を備えた粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の該ボア孔の内壁面にホーニング加工を施すことにより、シリンダボアの摺動方向に対して傾斜する傾斜角を有する線形状の溝５を潤滑油の保持が可能なように形成する。
【００４４】
本工程で研削加工を施す前に予め、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金に粗幾何形状の加工を施すことによって、所望のシリンダボアの形状とし、その後このシリンダボアのピストン往復動時にピストンリングが摺動する壁面（摺動面）を機械加工する。ここでの機械加工は、ホーニング加工のほか、ボーリング加工等により行なえる。例えばホーニング加工は、棒状の砥石を同一円周上に配置したホーニングヘッドを高速で回転させるとともに、ボア孔内で往復動させることにより孔の壁面を研削仕上げする加工法である。
このように、ホーニング加工等を施すと、図３に示すように、孔の壁面に潤滑油保持用の溝５ａとともに先端の尖った突起部７ａが形成され、溝５ａを網目状に形成できる。
【００４５】
−平坦化処理工程−
平坦化処理工程では、前記溝部形成工程で溝５ａと突起部７ａとが形成された孔の壁面にロールバニッシュ加工を施すことにより、ボア孔の表面を平坦化処理する。
【００４６】
図６に示すように塑性加工を施すことにより、主としてボア孔の壁面の突起部７ａを塑性変形し、溝５ａ（図３参照）を潤滑油を保持できる程度の溝５に形成するとともに平坦部７を形成する。塑性加工は、例えばロールバニッシュ加工により行なえる。ロールバニッシュ加工は、円弧状周面を有するワークにバニッシュローラを押付けて該バニッシュローラの表面形状を転写する方法である。本工程では、バニッシュローラをボア孔の内壁に押し付け、この状態で回転及び昇降動作を加えてバニッシュローラを螺旋状に移動させことにより、前記ホーニング加工によって形成された溝５ａ及び突起部７ａのうち、溝が残る状態で突起部７ａの先端部分を塑性変形させることにより、図４に示すように溝５と平坦部７を形成する。図４のように、この平坦部７の表面は滑らかな面であり、その表層部は硬化されている。
【００４７】
上記のようにして、ホーニング加工及びロールバニッシュ加工が施されたシリンダボアにおいては、溝５がピストン３の外周との間に油膜を形成・保持する機能を発揮するとともに、平坦部７がピストンリング４の圧力を受ける機能を発揮する。本実施形態においては、ピストンリング４が摺動するシリンダボアの内壁面における耐スカッフィング性をより向上させるため、さらに下記の粒子突出工程を設ける。
【００４８】
−粒子突出工程−
粒子突出工程では、前記平坦化処理工程で平坦化処理された内壁面をバフ研磨し、シリンダボアの孔（ボア孔）の表面からＳｉ粒子を突出させる。これにより、エンジン停止後に再始動した際の油切れとなりやすい場合に、ピストンリングはボア孔内壁のＳｉ粒子と摺動し、スカッフィングの発生を防止できる。
【００４９】
バフ研磨は、弾性基材を用いて研磨する方法の１つであり、例えば円筒状のバフ等の弾性基材を高速回転させる等して用い、これに研磨剤を付与することにより研磨する。例えば、研磨不織布ホイール、さらにサイザルバフ又は綿バフなどで研磨することにより行なえる。
【００５０】
バフの例は、綿バフやサイザルバフなどであり、研磨剤の例としては、油脂類（例：動物性、植物性、鉱物性など）と研磨材（アルミナ、酸化クロム、けい石など）を配合した混合物が挙げられる。研磨不織布は、ナイロン等の不織布に砥粒を固着させたものである。前記砥粒は、研磨材のうち粒子状、顆粒状もしくは粉末状のものであり、Ｓｉ粒子を残しつつ効率よく研磨する点で、体積平均径がＳｉ粒子の体積平均径以下の砥粒（研磨材）を含む研磨剤を用いた形態が好ましい。中でも、研磨材はＳｉ粒子の体積平均粒径より小さいアルミナ粒子が好ましい。
砥粒の体積平均粒径は、Ｓｉ粒子の体積平均粒径の１／２以下が好ましく、１／２０〜１／２がより好ましい。Ｓｉ粒子の体積平均粒径が１／２以下であると、Ｓｉ粒子の破壊をより抑制して処理できる。体積平均粒径は、レーザ回折・散乱法などにより測定される値である。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５２】
（実施例１〜４、比較例１〜６）
（評価サンプルの作製１）
Ａ３９０合金（Ａｌ−１７Ｓｉ、Ｓｉ粒子の体積平均粒径８０μｍ；昭和電工（株）製）の平板を試験片として用意し、下記条件にて下記表１に示す評価サンプル１（ＴＰ１）を作製した。
<条件>
・粗幾何形状加工：試験片の表面を＃２０００の研磨紙〔（株）ノリタケコーデッドアブレーシブ製〕で研磨
・溝部形成工程
（1）工具 ：＃８０、＃１２０、＃４００の研磨紙〔（株）ノリタケコーデッドアブレーシブ製〕
（2）研削方向角 ：３０°
（3）手加工で水研
・平坦化処理工程（ローラがけ）
（1）装置 ：ローラ圧延機、ＹＯＳＨＩＤＡ（株）製
（2）無添加鉱油を使用
（3）加工圧：圧下率１％
・粒子突出工程：バフ研磨による平坦化及びＳｉレベリング
（1）バフの種類：コットン
（2）研磨剤 ：アルミナ粒子（体積平均粒径＝０．３μｍ）＋水道水
（3）Ｓｉ粒子の突出距離ｄ ：０．２μｍ
【００５３】
（基準サンプルの作製）
Ａ３９０合金（Ａｌ−１７Ｓｉ、Ｓｉ粒子の体積平均粒径８０μｍ；昭和電工（株）製）の平板に対し、下記表１に示すようにバフ研磨とＥＣＭ処理（電解研磨法）を施し、耐スカッフィング性を評価する基準材となる基準サンプルとした。
なお、ＥＣＭ処理は、電解質溶液：１２０ｇ／ｌの硝酸ナトリウム水溶液、電流密度：１５Ａ／ｄｍ２、液温：６０℃の条件にて白金板を対極として実施した。
【００５４】
（評価サンプルの作製２）
溶融アルミの入ったアルミナるつぼ中に、ふるい分けしたＳｉＯ２粒子を入れて均一になるように撹拌し、金型に注湯して凝固させて作製した合金を切削加工して平板を試験片として用意し、上記加工条件にて下記表１に示す評価サンプル２（ＴＰ２）を作製した。
【００５５】
【表１】
【００５６】
前記表１中の表面粗さ（Ｒａ、ＲｚＪＩＳ、Ｒｖｋ、Ｒｋ、Ｒｐｋ）は、ＳＥＦ３４００〔（株）小坂研究所製）を用いて測定したものである。なお、表面粗さはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に基づいて、Ｒａ：粗さ曲線の算術平均高さ、ＲｚＪＩＳ：粗さ曲線の十点平均高さ、Ｒｖｋ：負荷曲線の油たまり深さ、Ｒｋ：負荷曲線の有効負荷高さ、Ｒｐｋ：負荷曲線の初期摩耗高さを表す。
【００５７】
（評価）
上記で得られた評価サンプル及び基準サンプルに対し、窒化処理ステンレス鋼製のピストントップリングの切り出し材を相手材として耐スカッフィング性を評価した。具体的には、図７に示すように、評価サンプル又は基準サンプルを試料とし、これにピストントップリングを下記の評価条件にて矢印方向に往復動させ、焼付きが発生して摩擦が急激に増加するまでの時間（耐スカッフ時間）を計測し、その計測値の長さを指標に評価した。このとき、一定量の油を試料表面に塗布するだけで試験途中での給油は行なわなかった。評価結果は、図８に示す。
【００５８】
<評価条件>
・荷重：１９．６Ｎ
・面圧：５３０ＭＰａ（鉄換算）
・往復回数：５００ｃｐｍ
・往復振幅：４０ｍｍ
・温度７０℃
・塗布油量：０．１３ｍｇ／ｃｍ２
・油種：５Ｗ−３０油（東燃ゼネラル石油（株）製）
【００５９】
図８に示すように、実施例１〜４では、エンジンでの実用実績のある基準サンプルに比べ、より優れた耐スカッフィング性が得られており、また、研磨による溝形成までしか行えなかった比較例４、さらに平坦化まで行なった比較例３、及びバフ仕上げでＳｉ粒子が浮き出されているが溝形成していない比較例５との対比では、耐スカッフィング性を飛躍的に向上させることができた。
さらに、Ｓｉ濃度の低い比較例１では、耐スカッフィング性が低く、Ｓｉ濃度が３９質量％の比較例２では、相手リングの摩耗が極めて大きくなった。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・シリンダボア
３・・・ピストン
４・・・ピストンリング
５・・・溝
７・・・平坦部
８・・・Ｓｉ粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材及び摺動面の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、エンジン等の内燃機関の燃焼室の一部を形成するシリンダライナあるいはシリンダブロックのシリンダボアにおいては、寿命、耐久性等の観点から、耐スカッフィング性の向上、耐摩耗性の向上、及び潤滑油消費量の低減が従来から求められている。
【０００３】
特にアルミニウム製のシリンダボアでは、鋳鉄に比べ、耐焼付性が低いことが知られている。具体的には特に、エンジンを停止後、放置されて冷却した後に再始動された場合に、暖気されて潤滑油の粘度が下がってポンプから供給されるようになるまでの短い期間中にスカッフィング（特に冷却後の低温で生じるスカッフィングを「低温スカッフィング」ということがある。）が発生することがある。スカッフィングとは、シリンダ内などの摩擦でピストンやシリンダで局部的に溶着することで生じるピストン表面等の掻き傷及び焼付きをいう。これは、一時的に油切れになるために生じるものであり、この油切れによるスカッフィング（特に低温スカッフィング）の防止が、アルミニウム製のシリンダボアの性能安定化に不可欠となっている。
【０００４】
シリンダボアと組み合わせて用いられるピストンは、リング材として鉄鋼又はその窒化処理材、ＣｒＮ、ＴｉＮなどの乾式メッキ、Ｃｒ等の湿式メッキが施されたピストンリングを有しているものが多く用いられている。ところが、これらのピストンリングのリング材は、アルミニウムと凝着しやすいことから、油膜が破断すると焼付きや摩耗を起こしやすい。これに対し、アルミニウムとの凝着が低い材料としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が知られている。このＤＬＣ製のピストンリングを使用することにより、耐スカッフィング性を保てるが、ＤＬＣは硬質なため耐摩耗性の高い材料である反面、高々５μｍ以下の薄膜なので、エンジンのピストンリングとしては寿命が充分とはいえず、さらに基材との密着性も高くないので、剥離を起こしやすい。また、リング材料が限定されるのは、設計上望ましくない。また、ＤＬＣといえどもエンジンのボア／リング間などの摺動条件下では無潤滑状態で早期に焼付きを起こすのを完全に回避するのは困難であり、エンジン停止時に油を保持できる面状をボア面に形成しておくことが不可欠となる。
【０００５】
上記のような焼付き等の防止に関連する技術として、アルミニウム材とピストンリングとの接触機会を低減する方法がある。例えば、摺動部分に硬質粒子が分散したアルミニウム製ボアの表面を往復運動および回転運動する主軸に砥石を設けたホーニング装置により加工する際に、前工程のボア表面を加工する回転方向とは逆方向に回転運動させて仕上げ加工するアルミニウム製ボアの表面加工方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、シリンダブロックの孔に研削加工を施すことにより形成された油膜保持用の溝とロールバニッシュ加工により塑性変形されたプラトウ部とを備えたシリンダボアが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−５７５９７号公報
【特許文献２】特開平５−６５８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ボア表面を加工する前工程の回転方向とは逆方向に仕上げ加工する上記のアルミニウム製ボアの表面加工方法は、ホーニング痕のバリの除去によりピストンリングとの接触機会の低減を狙ったものであるが、Ｓｉ粒子とアルミニウムが同一平面レベルにあるため、アルミとリングの接触は避けられないので、耐スカッフィング性を確保することはできない。
【０００９】
また、上記の溝とプラトウ部を備えたシリンダボアでは、ローラバニッシュなどの塑性加工では加工硬化するので、耐焼付性が向上し、特に鋳鉄の場合、高い耐焼付性を持ちこれを塑性加工することでより一層耐焼付性を向上させ得るものの、鋳鉄より軟質なアルミニウム材の場合には、塑性加工のみでは必ずしも焼付きを防止することはできない。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、摺動面におけるスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材、及び摺動時のスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止された摺動面を形成することができる摺動面の形成方法を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、アルミニウム材を用いた摺動面（例えばピストンリングが摺動するシリンダボアの摺動面）の耐焼付性及び耐摩耗性の向上には、アルミニウム−Ｓｉ系合金を採用するとともに、合金化目的で含まれるＳｉを粒状にして表面性に寄与するように配することが有効との知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明であるＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材は、１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、その少なくとも平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出した摺動面が設けられた構成としたものである。
【００１３】
第１の発明においては、Ａｌ−Ｓｉ系合金中のＳｉの割合を１７〜３５質量％とし、摺動面となる表面に潤滑油の保持が可能な凹形状の溝部とともに塑性加工により形成された平坦部を設け、その平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出するようにすることで、例えばエンジン等の内燃機関の再始動時の暖気前までは、溝部に保持されて残存する潤滑油で摺動面が潤滑されるとともに、摺動面では平坦部の表面から突出して浮き出たＳｉ粒子の突出部がこれに対向配置された摺動部と摺動するので、Ａｌ−Ｓｉ系合金のアルミニウムが対向する摺動部と接触し難くなり、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生を防止できる。また、再始動後の通常運転時には、摺動面は溝部を平坦部に隣接して（好ましくは溝部で囲まれて）有するので、平坦部に油膜が形成されやすく、Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材の摺動面に突出するＳｉ粒子との固体接触が抑制されるので、摩擦損失を小さく抑えることができる。
【００１４】
このようにして、第１の発明に係るＡｌ−Ｓｉ系合金摺動材は、摺動面における摩擦を低減するとともに、スカッフィングの発生を防止し、長寿命、高耐久性に優れた摺動特性を有している。
【００１５】
第１の発明は、溝部を摺動方向に対して傾斜させて線形状（ライン状）に形成することができる。具体的には、例えば研削加工としてホーニング加工やボーリング加工を施すことにより、摺動方向に対して例えば、一方向に傾斜、又は二方向以上に傾斜させて交差させたライン状の溝を形成することが好ましい。ライン状の溝を一方向に傾斜又は交差させて設けることにより、摺動面に潤滑油を保持しやすく、通常運転時の油膜形成性が高まる。これより、摺動面の表面から突出させてＳｉ粒子を設けたことに伴なう摩擦損失の発生を抑えながら、特に低温スカッフィングの発生を効果的に防止できる。
【００１６】
第１の発明は、Ａｌ−Ｓｉ系合金の例えば鋳造やライナ体の鋳包みなどによるシリンダボアを構成することができる。すなわち、第１の発明は、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金シリンダボアであって、少なくとも前記孔の表面は、１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、少なくとも平坦部の表面からＳｉ粒子の一部を突出させて構成したものである。
【００１７】
これにより、エンジンの再始動時の暖気前までは、溝部に保持された潤滑油でボア面が潤滑されるとともに、ボア面では平坦部の表面から突出して浮き出たＳｉ粒子の突出部がピストンリングと摺動するので、Ａｌ−Ｓｉ系合金のアルミニウムがピストンリングと接触し難くなり、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生を防止できる。また、再始動後の通常運転時には、上記の通りボア面の平坦部に油膜が形成されやすくなるので、摺動面であるボア面に突出したＳｉ粒子との固体接触が抑制され、摩擦損失を小さく抑えることができる。
【００１８】
第２の発明である摺動面の形成方法は、１７〜３５質量％のＳｉを含み、摺動面をなす表面を有する粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の前記表面に研削加工を施し、潤滑油を保持可能な溝部を形成する溝部形成工程と、溝部が形成された前記表面に塑性加工を施して平坦化処理する平坦化処理工程と、平坦化処理された前記表面を弾性基材を用いて研磨し、前記表面からＳｉ粒子を突出させる粒子突出工程と、を設けて構成されたものである。
【００１９】
第２の発明においては、研削加工による溝部形成及び塑性加工による平坦化処理が行なわれた表面に対し、弾性基材（バフ、ゴムなど）を用いて研磨することにより、合金中のＳｉ粒子の一部を表面から突出させることで、摺動面にＳｉ粒子をその一部が突出するように存在させることができる。これにより、摺動時の例えばエンジン等の内燃機関の再始動時の暖気される前の未だ低温時において、溝部に保持されて残存する潤滑油で潤滑されるとともに、平坦部の突出して浮き出たＳｉ粒子が、これに対向配置された対向摺動部と摺動する摺動面を形成できるので、摺動面のアルミニウムが対向摺動部と接触し難く、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生が防止される。また、再始動後の通常運転時には、摺動面は溝部を平坦部に隣接して（好ましくは溝部で囲まれて）有するので、平坦部に油膜が形成されやすい。これにより、Ｓｉ粒子との固体接触が抑制されるので、摩擦損失が小さく抑えられる。
【００２０】
第２の発明の粒子突出工程は、バフ及び研磨材を用いてバフ研磨することにより好適に行なうことができる。バフ研磨は、例えば円盤状、円筒状や円錐状のバフ等の弾性基材を高速回転させる等して用い、これに研磨剤を付与することにより研磨するものであり、Ａｌ−Ｓｉ系合金の摺動面におけるＳｉ粒子を残存させつつ、平坦化処理された表面の合金を除去できる。これにより、Ｓｉ粒子を突出させるとともにＳｉ高をレベリングし、Ｓｉ粒子が所望の高さに突出した平坦部を形成できる。
【００２１】
研磨剤としては、体積平均径がＳｉ粒子の体積平均径以下の砥粒を用いることが好ましい。体積平均径がＳｉ粒子よりも小さい砥粒を用いるので、Ｓｉ粒子の除去を少なく抑えて効率よく研磨することができる。
【００２２】
第２の発明においては、粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金として、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるシリンダボアを用いることができる。この場合、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金シリンダボアの孔の表面（ボア面）に研削加工を施し、潤滑油を保持可能な溝部をシリンダボア内の摺動方向（すなわちピストンの往復動方向）に対して傾斜角を有する線形に形成する溝部形成工程と、溝部が形成された前記ボア面に塑性加工を施して平坦化処理する平坦化処理工程と、平坦化処理された前記ボア面を弾性基材を用いて研磨し、前記表面からＳｉ粒子を突出させる粒子突出工程とを設けた構成とすることができる。
【００２３】
これにより、ピストンリングと摺動するボア面に対し、弾性基材を用いた研磨を施すことにより、ボア面の表面から合金中のＳｉ粒子をその一部が突出するように存在させることができる。この場合、上記のように摺動時のエンジンの再始動時の暖気前の低温時において、溝部に保持された潤滑油でボア面が潤滑されるとともに、ボア面では平坦部の表面から突出して浮き出たＳｉ粒子の突出部がピストンリングと摺動するので、Ａｌ−Ｓｉ系合金のアルミニウムがピストンリングと接触し難く、スカッフィング（特に低温スカッフィング）の発生が防止される。また、再始動後の通常運転時には、上記の通りボア面の平坦部に油膜が形成されやすくなるので、摺動面であるボア面に突出したＳｉ粒子との固体接触が抑制され、摩擦損失を小さく抑えることができる。
【００２４】
本発明においては、長寿命、高耐久性の摺動機構を構築することが可能であり、例えば、エンジン等の内燃機関おいて、運転停止・放置により冷却した後に再始動する際に、再始動後、暖気されて油の粘度が下がりポンプで潤滑油が供給されるまでの短時間に油切れとなって起きるシリンダボアのボア面のスカッフィングの発生が抑制された内燃系統を構築することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、摺動面におけるスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材（例えばシリンダボア）を提供することができる。また、
本発明によれば、摺動時のスカッフィング（特に低温でのスカッフィング）の発生が防止された摺動面を形成することができる摺動面の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係るシリンダボア内にピストンが収容された状態を示す部分断面図である。
【図２】（ａ）は摺動方向に対して一方向に傾斜角θを有して傾斜した潤滑油保持用の溝パターンを示す模式図であり、（ｂ）は摺動方向に対して二方向に傾斜角θを有して傾斜し交差した潤滑油保持用の溝パターンを示す模式図である。
【図３】溝部形成工程を経た後の加工表面の断面を模式的に示す図である。
【図４】粒子突出工程を行なって形成された摺動面に表面からＳｉ粒子が突出する平坦部と溝部とが形成されている状態を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の摺動面の形成方法の実施形態に係る加工フローを示す工程図である。
【図６】溝部形成工程後の表面にローラ掛けを行なって塑性変形させている様子を模式的に示す断面図である。
【図７】スカッフ試験法による耐スカッフィング性の評価方法を説明するための説明図である。
【図８】耐スカッフィング性の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態に係るＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材及び摺動面の形成方法について、図１〜図8を参照して詳細に説明する。本実施形態に係るＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材はシリンダボアであり、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いたシリンダボア（以下、「Ａｌ−Ｓｉ合金シリンダボア」ともいう。）及びその摺動面の形成方法を中心に説明する。
【００２８】
本発明の実施形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボア１は、図１に示すように内燃機関であるエンジンにおいて、Ｓｉ粒子を含有するＡｌ−Ｓｉ系合金により作製されたシリンダブロック１００に設けられたものである。このＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボア１は、断面円形の孔を有し、該孔内にピストンリング４を有するピストン３が該孔の円形断面に直交する軸線方向に往復動可能に収容されている。
【００２９】
Ａｌ−Ｓｉ合金は、アルミニウム（Ａｌ）とＳｉ（ケイ素）とを少なくとも含む合金であり、本発明の効果を損なわない範囲であれば、必要に応じてあるいは不可避成分として他の成分を含むことができる。
合金中の成分のうち、Ｓｉの合金中における含有割合は、Ａｌ−Ｓｉ合金の全質量に対して、１７〜３５質量％の範囲とする。Ｓｉの含有割合は、１７質量％未満であると、Ｓｉ粒子の突出頻度が少なくなり、スカッフィングの発生を充分に抑えられず、また、３５質量％を超えると、相手部材の摩耗を抑制することができない。中でも、低温での耐スカッフィング性をより向上させる観点から、２０〜３０質量％の範囲が好ましい。
【００３０】
ピストン３の外周には、複数のピストンリング４が装着されている。ピストン３が、シリンダボア内を軸線方向（図１中の上下方向）へ往復動すると、ピストンリング４がシリンダボア１の内壁（ボア面）を摺動する。このとき、ピストン３の外周とシリンダボア１の内壁との間には、潤滑油による油膜が形成されるようになっている。
【００３１】
このＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボア１の内壁（ボア面）には、図１に示すように、網目状の潤滑油保持用の溝５が形成されている。溝５は、シリンダボア１内を摺動するピストン３の摺動方向（図１中の上下方向）に対して二方向、すなわち図２（ｂ）のようにそれぞれ傾斜角θで傾斜して交差した網目状に形成されている。溝を網目状に形成することで、潤滑油を保持しやすく、溝以外の領域が溝で囲まれるためピストンの往復動にしたがって潤滑されやすくなる。
【００３２】
溝５の形状については、網目状に限られず、図２（ａ）に示すように、シリンダボア１のピストンの摺動方向（図１中の上下方向）に対して一方向に傾斜角θで傾斜した線形に形成されてもよい。傾斜角を有する場合、傾斜角θの範囲には特に制限はなく、摺動方向に対して０＜θ＜１８０°の範囲で任意に選択することができる。また、潤滑油の保持に支障のない限り、傾斜角θは摺動方向に対して０°であってもよい。また、本実施形態では、線形状とした溝の断面（溝の長さ方向との直交断面）の形状は、図３に示すように三角形状に形成されている。溝の断面形状は、三角形のほか、矩形、台形、半円形、半楕円形などのいずれの形状に形成されてもよい。
溝の形状は、線形に限られず、点や矩形等の形状で窪みを設けて形成されてもよい。
【００３３】
この溝５は、潤滑油を保持できる程度に凹形状に形成されたものである。この溝に潤滑油が保持されることにより、エンジン停止後の再始動時に暖気されて潤滑油の粘度が下がってポンプから供給されるようになるまでの期間中に、油切れでスカッフィングが発生しないように摺動面を潤滑する。この溝のサイズについては、所望により選択することができる。
【００３４】
溝５は、シリンダボア１の仕上げ加工に際し、シリンダブロック１００に開けられた孔に研削加工としてホーニング加工を施して形成されたものである。この溝は、ホーニング加工のほか、ボーリング加工などの他の機械加工によっても形成することができる。
【００３５】
図２（ｂ）及び図４に示すように、溝５により囲まれた部分は、ピストンリング４から圧力を受ける平坦部７となっている。平坦部７は、ホーニング加工等により溝を形成した後、図６に示すように、例えば加圧してローラ掛けする等により塑性加工を施して形成されたものであり、その表面は塑性加工による変形で硬化されており、鈍角な突状の滑らかな面となっている。
【００３６】
この平坦部７には、図４のように、その表面から粒子の一部が突出するようにＳｉ粒子８が配置されている。摺動時は、平坦部７がピストンリング４と摺動するが、油切れで平坦部７とピストン３の間に油膜形成されないときには、平坦部７のＳｉ粒子８がピストンリング４と摺動することにより、シリンダボアのアルミニウム（Ａｌ）がピストンリング４と接触してスカッフィング（特に低温スカッフィング）を起こすのを防止する。
【００３７】
Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉ粒子は、合金化目的で含まれたＳｉが晶出して合金中に粒子で存在するものが、粒子が均一に存在する点で好ましい。この場合、耐摩耗性のため粒径の大きい初晶Ｓｉが析出するＳｉ濃度が必要であり、例えば１７％Ｓｉを含有し鋳造することにより得られたＡ３９０合金を用いることができる。また、市販品を使用してもよく、市販品の例として、昭和電工（株）製のＡ３９０合金が挙げられる。
【００３８】
Ｓｉ粒子８が平坦部７表面から突出して浮き出ている距離（突出距離ｄ）としては、アルミマトリクスと相手材との接触を抑制する観点から、０．１〜２μｍの範囲であることが好ましく、０．２〜１μｍの範囲であることがより好ましい。突出距離ｄが前記範囲内であると、エンジン停止後の再始動時には、低温でのスカッフィング防止効果が高く、通常運転時には、油膜形成による固体接触が抑制され、摩擦損失の低減効果が高い。
【００３９】
Ｓｉ粒子としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＺｒＳｉＯ４等の硬質粒子を使用することができる。合金中に含有されるＳｉ粒子の平均粒子径としては、体積平均粒子径で１０〜１５０μｍの範囲が好ましく、３０〜１５０μｍの範囲がより好ましい。Ｓｉ粒子の体積平均粒子径が前記範囲内であると、平坦部７にＳｉ粒子をその一部が突出した状態で存在させ易くなり、通常運転時の摩擦損失の影響を小さく抑えることができる。また、相手部材の摩耗も小さく抑えられる。
【００４０】
本実施形態のシリンダボアは、Ｓｉ粒子を含有するＡｌ−Ｓｉ系合金を用いて作製されたものであるが、本発明の効果を損なわない範囲で、合金中にＳｉ粒子以外の他の粒子が含まれてもよい。
【００４１】
次に、Ａｌ−Ｓｉ合金シリンダボアの摺動面の形成方法について、図５〜図６を参照して具体的に説明する。
【００４２】
本実施形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金シリンダボアは、図５の作業手順に示すように、ピストンリングが摺動する摺動面をなす表面を有する孔（以下、ボア孔という。）を備えた粗幾何形状に加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の該ボア孔の内壁面に機械加工としてホーニング加工を施すことにより、潤滑油を保持可能な溝をシリンダボアの摺動方向に対して傾斜角を有する線形に形成する工程（溝部形成工程）と、溝が形成されたボア孔の内壁面に塑性加工としてロールバニッシュ加工を施して平坦化処理する工程（平坦化処理工程）と、平坦化処理された内壁面をバフ研磨し、ボア孔の内壁面からＳｉ粒子を突出させる工程（粒子突出工程）とを設けて作製されたものである。
以下、各工程ごとに説明することとする。
【００４３】
−溝部形成工程−
溝部形成工程では、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容され、ピストンリングが摺動する摺動面をなす表面を有するボア孔を備えた粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の該ボア孔の内壁面にホーニング加工を施すことにより、シリンダボアの摺動方向に対して傾斜する傾斜角を有する線形状の溝５を潤滑油の保持が可能なように形成する。
【００４４】
本工程で研削加工を施す前に予め、Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金に粗幾何形状の加工を施すことによって、所望のシリンダボアの形状とし、その後このシリンダボアのピストン往復動時にピストンリングが摺動する壁面（摺動面）を機械加工する。ここでの機械加工は、ホーニング加工のほか、ボーリング加工等により行なえる。例えばホーニング加工は、棒状の砥石を同一円周上に配置したホーニングヘッドを高速で回転させるとともに、ボア孔内で往復動させることにより孔の壁面を研削仕上げする加工法である。
このように、ホーニング加工等を施すと、図３に示すように、孔の壁面に潤滑油保持用の溝５ａとともに先端の尖った突起部７ａが形成され、溝５ａを網目状に形成できる。
【００４５】
−平坦化処理工程−
平坦化処理工程では、前記溝部形成工程で溝５ａと突起部７ａとが形成された孔の壁面にロールバニッシュ加工を施すことにより、ボア孔の表面を平坦化処理する。
【００４６】
図６に示すように塑性加工を施すことにより、主としてボア孔の壁面の突起部７ａを塑性変形し、溝５ａ（図３参照）を潤滑油を保持できる程度の溝５に形成するとともに平坦部７を形成する。塑性加工は、例えばロールバニッシュ加工により行なえる。ロールバニッシュ加工は、円弧状周面を有するワークにバニッシュローラを押付けて該バニッシュローラの表面形状を転写する方法である。本工程では、バニッシュローラをボア孔の内壁に押し付け、この状態で回転及び昇降動作を加えてバニッシュローラを螺旋状に移動させことにより、前記ホーニング加工によって形成された溝５ａ及び突起部７ａのうち、溝が残る状態で突起部７ａの先端部分を塑性変形させることにより、図４に示すように溝５と平坦部７を形成する。図４のように、この平坦部７の表面は滑らかな面であり、その表層部は硬化されている。
【００４７】
上記のようにして、ホーニング加工及びロールバニッシュ加工が施されたシリンダボアにおいては、溝５がピストン３の外周との間に油膜を形成・保持する機能を発揮するとともに、平坦部７がピストンリング４の圧力を受ける機能を発揮する。本実施形態においては、ピストンリング４が摺動するシリンダボアの内壁面における耐スカッフィング性をより向上させるため、さらに下記の粒子突出工程を設ける。
【００４８】
−粒子突出工程−
粒子突出工程では、前記平坦化処理工程で平坦化処理された内壁面をバフ研磨し、シリンダボアの孔（ボア孔）の表面からＳｉ粒子を突出させる。これにより、エンジン停止後に再始動した際の油切れとなりやすい場合に、ピストンリングはボア孔内壁のＳｉ粒子と摺動し、スカッフィングの発生を防止できる。
【００４９】
バフ研磨は、弾性基材を用いて研磨する方法の１つであり、例えば円筒状のバフ等の弾性基材を高速回転させる等して用い、これに研磨剤を付与することにより研磨する。例えば、研磨不織布ホイール、さらにサイザルバフ又は綿バフなどで研磨することにより行なえる。
【００５０】
バフの例は、綿バフやサイザルバフなどであり、研磨剤の例としては、油脂類（例：動物性、植物性、鉱物性など）と研磨材（アルミナ、酸化クロム、けい石など）を配合した混合物が挙げられる。研磨不織布は、ナイロン等の不織布に砥粒を固着させたものである。前記砥粒は、研磨材のうち粒子状、顆粒状もしくは粉末状のものであり、Ｓｉ粒子を残しつつ効率よく研磨する点で、体積平均径がＳｉ粒子の体積平均径以下の砥粒（研磨材）を含む研磨剤を用いた形態が好ましい。中でも、研磨材はＳｉ粒子の体積平均粒径より小さいアルミナ粒子が好ましい。
砥粒の体積平均粒径は、Ｓｉ粒子の体積平均粒径の１／２以下が好ましく、１／２０〜１／２がより好ましい。Ｓｉ粒子の体積平均粒径が１／２以下であると、Ｓｉ粒子の破壊をより抑制して処理できる。体積平均粒径は、レーザ回折・散乱法などにより測定される値である。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５２】
（実施例１〜４、比較例１〜６）
（評価サンプルの作製１）
Ａ３９０合金（Ａｌ−１７Ｓｉ、Ｓｉ粒子の体積平均粒径８０μｍ；昭和電工（株）製）の平板を試験片として用意し、下記条件にて下記表１に示す評価サンプル１（ＴＰ１）を作製した。
<条件>
・粗幾何形状加工：試験片の表面を＃２０００の研磨紙〔（株）ノリタケコーデッドアブレーシブ製〕で研磨
・溝部形成工程
（1）工具 ：＃８０、＃１２０、＃４００の研磨紙〔（株）ノリタケコーデッドアブレーシブ製〕
（2）研削方向角 ：３０°
（3）手加工で水研
・平坦化処理工程（ローラがけ）
（1）装置 ：ローラ圧延機、ＹＯＳＨＩＤＡ（株）製
（2）無添加鉱油を使用
（3）加工圧：圧下率１％
・粒子突出工程：バフ研磨による平坦化及びＳｉレベリング
（1）バフの種類：コットン
（2）研磨剤 ：アルミナ粒子（体積平均粒径＝０．３μｍ）＋水道水
（3）Ｓｉ粒子の突出距離ｄ ：０．２μｍ
【００５３】
（基準サンプルの作製）
Ａ３９０合金（Ａｌ−１７Ｓｉ、Ｓｉ粒子の体積平均粒径８０μｍ；昭和電工（株）製）の平板に対し、下記表１に示すようにバフ研磨とＥＣＭ処理（電解研磨法）を施し、耐スカッフィング性を評価する基準材となる基準サンプルとした。
なお、ＥＣＭ処理は、電解質溶液：１２０ｇ／ｌの硝酸ナトリウム水溶液、電流密度：１５Ａ／ｄｍ２、液温：６０℃の条件にて白金板を対極として実施した。
【００５４】
（評価サンプルの作製２）
溶融アルミの入ったアルミナるつぼ中に、ふるい分けしたＳｉＯ２粒子を入れて均一になるように撹拌し、金型に注湯して凝固させて作製した合金を切削加工して平板を試験片として用意し、上記加工条件にて下記表１に示す評価サンプル２（ＴＰ２）を作製した。
【００５５】
【表１】
【００５６】
前記表１中の表面粗さ（Ｒａ、ＲｚＪＩＳ、Ｒｖｋ、Ｒｋ、Ｒｐｋ）は、ＳＥＦ３４００〔（株）小坂研究所製）を用いて測定したものである。なお、表面粗さはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に基づいて、Ｒａ：粗さ曲線の算術平均高さ、ＲｚＪＩＳ：粗さ曲線の十点平均高さ、Ｒｖｋ：負荷曲線の油たまり深さ、Ｒｋ：負荷曲線の有効負荷高さ、Ｒｐｋ：負荷曲線の初期摩耗高さを表す。
【００５７】
（評価）
上記で得られた評価サンプル及び基準サンプルに対し、窒化処理ステンレス鋼製のピストントップリングの切り出し材を相手材として耐スカッフィング性を評価した。具体的には、図７に示すように、評価サンプル又は基準サンプルを試料とし、これにピストントップリングを下記の評価条件にて矢印方向に往復動させ、焼付きが発生して摩擦が急激に増加するまでの時間（耐スカッフ時間）を計測し、その計測値の長さを指標に評価した。このとき、一定量の油を試料表面に塗布するだけで試験途中での給油は行なわなかった。評価結果は、図８に示す。
【００５８】
<評価条件>
・荷重：１９．６Ｎ
・面圧：５３０ＭＰａ（鉄換算）
・往復回数：５００ｃｐｍ
・往復振幅：４０ｍｍ
・温度７０℃
・塗布油量：０．１３ｍｇ／ｃｍ２
・油種：５Ｗ−３０油（東燃ゼネラル石油（株）製）
【００５９】
図８に示すように、実施例１〜４では、エンジンでの実用実績のある基準サンプルに比べ、より優れた耐スカッフィング性が得られており、また、研磨による溝形成までしか行えなかった比較例４、さらに平坦化まで行なった比較例３、及びバフ仕上げでＳｉ粒子が浮き出されているが溝形成していない比較例５との対比では、耐スカッフィング性を飛躍的に向上させることができた。
さらに、Ｓｉ濃度の低い比較例１では、耐スカッフィング性が低く、Ｓｉ濃度が３９質量％の比較例２では、相手リングの摩耗が極めて大きくなった。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・シリンダボア
３・・・ピストン
４・・・ピストンリング
５・・・溝
７・・・平坦部
８・・・Ｓｉ粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、
研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、少なくとも前記平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出した摺動面を備えたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材。
【請求項２】
前記溝部は、摺動方向に対して傾斜角を有する線形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材。
【請求項３】
前記摺動面は、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、前記ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるシリンダボアの前記孔の表面であって、前記孔の表面に前記溝部及び前記平坦部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材。
【請求項４】
１７〜３５質量％のＳｉを含み、摺動面をなす表面を有する粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の前記表面に研削加工を施し、潤滑油を保持するための溝部を形成する溝部形成工程と、
前記溝部が形成された前記表面に塑性加工を施して平坦化処理する平坦化処理工程と、
平坦化処理された前記表面を弾性基材を用いて研磨し、前記表面からＳｉ粒子を突出させる粒子突出工程と、
を有する摺動面の形成方法。
【請求項５】
前記粒子突出工程は、バフ及び研磨剤を用いてバフ研磨することを特徴とする請求項４に記載の摺動面の形成方法。
【請求項６】
前記研磨剤は、体積平均径が前記Ｓｉ粒子の体積平均径以下の砥粒を含むことを特徴とする請求項５に記載の摺動面の形成方法。
【請求項７】
前記Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金は、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、前記ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるシリンダボアであって、
前記溝部形成工程は、前記孔の表面に前記溝部を、前記ピストンの摺動方向に対して傾斜角を有する線形に形成することを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の摺動面の形成方法。
【請求項１】
１７〜３５質量％のＳｉを少なくとも含むと共に、
研削加工により形成された潤滑油保持が可能な溝部と塑性加工が施された平坦部とを有し、少なくとも前記平坦部の表面からＳｉ粒子の一部が突出した摺動面を備えたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材。
【請求項２】
前記溝部は、摺動方向に対して傾斜角を有する線形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材。
【請求項３】
前記摺動面は、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、前記ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるシリンダボアの前記孔の表面であって、前記孔の表面に前記溝部及び前記平坦部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金摺動材。
【請求項４】
１７〜３５質量％のＳｉを含み、摺動面をなす表面を有する粗幾何形状の加工が施されたＳｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金の前記表面に研削加工を施し、潤滑油を保持するための溝部を形成する溝部形成工程と、
前記溝部が形成された前記表面に塑性加工を施して平坦化処理する平坦化処理工程と、
平坦化処理された前記表面を弾性基材を用いて研磨し、前記表面からＳｉ粒子を突出させる粒子突出工程と、
を有する摺動面の形成方法。
【請求項５】
前記粒子突出工程は、バフ及び研磨剤を用いてバフ研磨することを特徴とする請求項４に記載の摺動面の形成方法。
【請求項６】
前記研磨剤は、体積平均径が前記Ｓｉ粒子の体積平均径以下の砥粒を含むことを特徴とする請求項５に記載の摺動面の形成方法。
【請求項７】
前記Ｓｉ粒子含有Ａｌ−Ｓｉ系合金は、ピストンリングを有するピストンが往復動可能に収容される孔を備え、前記ピストンの外周と前記孔の表面との間に油膜が形成されるシリンダボアであって、
前記溝部形成工程は、前記孔の表面に前記溝部を、前記ピストンの摺動方向に対して傾斜角を有する線形に形成することを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の摺動面の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２７４３８６（Ｐ２０１０−２７４３８６Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３１３２５（Ｐ２００９−１３１３２５）
【出願日】平成２１年５月２９日（２００９．５．２９）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２９日（２００９．５．２９）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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