(57)【要約】【課題】十分な通気性を有しながらも、熱伝導率が低く、シリンダーボアに最適な特性を有した摺動部材用金属基複合材料を提供する。【解決手段】アルミニウム合金を母材とし、アルミナ−シリカ系の短繊維の成形体を骨格として有する金属基複合材料において、熱伝導率が５．６より小さく、且つレーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が２０μｍ以上のセラミック粒子を含有させるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金を母材とし、アルミナ−シリカ系の短繊維の成形体を骨格として有するとともに、熱伝導率λが「５．６Ｗ／ｍ・Ｋ」より小さく、且つレーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のセラミック粒子が含有された摺動部材用金属基複合材料。
【請求項２】
熱伝導率λを「１．７Ｗ／ｍ・Ｋ」より小さくした請求項１に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【請求項３】
前記セラミック粒子の体積率を「２０％」以上とした請求項１又は２に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【請求項４】
前記セラミック粒子の体積率を「３０％」以上とした請求項１又は２に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【請求項５】
前記セラミック粒子が、レーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のホウ酸アルミ粒子である請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【請求項６】
前記セラミック粒子が、レーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「３０μｍ」以上のチタン酸カリウム粒子である請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【請求項７】
前記セラミック粒子が、レーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のゼオライト粒子である請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【請求項８】
前記セラミック粒子のミクロビッカース硬さを「６００」以下とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【請求項９】
当該摺動部材用金属基複合材料は、内燃機関のシリンダーブロックのシリンダーボア部分に使用される請求項１〜８のいずれか１項に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、他の部材に摺接される摺動部材として使用される金属基複合材料に関し、特に内燃機関のシリンダーブロックのシリンダーボア部分への適用が好適な材料の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、強化材となるセラミクス系の粒子、ウィスカ、短繊維又は長繊維を、母材となる金属材料に混合することで、金属材料の限界を超える性質を有した金属基複合材料（ＭＭＣ：Metal Matrix Composite）の開発及び実用が進められている。特に、アルミニウム合金などの軽い合金に、ＳｉＣ繊維や粒子、又は黒鉛繊維のような軽い繊維や粒子を分散させることにより軽くて強度の高い材料や、熱伝導率が良くて熱膨張係数の小さい材料などの開発研究が行われている。通常、こうしたＭＭＣは、強化材を特定の形状に成形したプリフォーム（予備成形体）を形成するとともに、この予備成形体にマトリックス（母材）となる金属溶湯を含浸させることで製造されている。
【０００３】
そして従来、シリンダーボア面を複合化により強化したＭＭＣシリンダーブロックが開発されている。例えば特許文献１に記載のＭＭＣシリンダーブロックは、アルミニウム合金の母材に、ムライト粒子及びアルミナ−シリカ繊維を分散したＭＭＣによってそのシリンダーボア部分が形成されたものとなっている。なお、同文献に記載のＭＭＣシリンダーブロックは、複合化されたそのシリンダーボア面に、高圧流体を噴射してピットを形成することで、潤滑性を高めてピストンリングとの駆動損失の低減を図ったものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０１／３２３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで内燃機関の効率を向上する上では、ピストンリングとの駆動損失のような機械的損失の低減に加え、冷却損失の低減も重要となっている。下表１は、鋳鉄と、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２のダイカスト材）との２つの金属材料の密度、熱伝導率及び硬さを示したものである。同表に示されるように、アルミニウム合金は、鋳鉄に比して熱伝導率が大幅に高くなっている。そのため、アルミニウム合金製のシリンダーブロックは、鋳鉄製のシリンダーブロックに比して、冷却損失が大きくなってしまっている。
【０００６】
【表１】
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一方、アルミＭＭＣシリンダーブロックでは、熱伝導率の低いセラミクスを強化材として大量に用いるようにすれば、その熱伝導率を下げることができる。しかしながら、熱伝導率が鋳鉄並みになるほど強化材を増量すると、通気性が悪くなり、また複合材が非常に硬くなってしまうため、鋳造性や加工性が悪化してしまう。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、十分な通気性を有しながらも、熱伝導率が低く、シリンダーボアに最適な特性を有した摺動部材用金属基複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、摺動部材用金属基複合材料において、アルミニウム合金を母材とし、アルミナ−シリカ系の短繊維の成形体を骨格として有するとともに、熱伝導率が「５．６Ｗ／ｍ・Ｋ」より小さく、且つレーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のセラミック粒子が含有されたことをその要旨としている。
【０００９】
上記の如く構成された金属基複合材料は、十分な鋳造性を有しながらも、鋳鉄並み或いは鋳鉄以下の熱伝導率が得られるようになる。したがって、上記構成によれば、十分な通気性を有しながらも、熱伝導率が低く、シリンダーボアに最適な特性を有した摺動部材用金属基複合材料が得られるようになる。なお摺動部材用途として、より適切な特性を得るには、請求項２に記載のように熱伝導率λを「１．７Ｗ／ｍ・Ｋ」より小さくすることが好ましい。
【００１０】
また請求項３によるように、そうしたセラミック粒子の体積率を「２０％」以上とすれば、製造される金属基複合材料の熱伝導率を鋳鉄並みとすることができる。更に請求項４によるように、セラミック粒子の体積率を「３０％」以上とすれば、製造される金属基複合材料の熱伝導率を鋳鉄以下とすることができるようになる。
【００１１】
そうしたセラミクス粒子の具体例としては、請求項５に記載のような、レーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のホウ酸アルミ粒子や、請求項６に記載のような、同測定により測定された平均粒径が「３０μｍ」以上のチタン酸カリウム粒子、或いは請求項７に記載のような、同測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のゼオライト粒子などがある。
【００１２】
また製造される金属基複合材料の加工性を考慮した場合、強化材として混合させるセラミック粒子の硬さは、請求項８によるように、ミクロビッカース硬さを「６００」以下とすることが望ましい。なお、ここでは、ミクロビッカース硬さとして、荷重２５ｇ、保持時間１５秒で測定したときの値を用いている。
【００１３】
なお以上のような本発明の摺動部材用金属基複合材料は、請求項９に記載のように、内燃機関のシリンダーブロックのシリンダーボア部分への適用が非常に好適なものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）、（ｂ）熱伝導率測定用の試験片の製造態様を示す図。
【図２】セラミクス強化材の体積率とＭＭＣの熱伝導率との関係を示すグラフ。
【図３】（ａ）、（ｂ）圧力損失の測定態様を示す図。
【図４】セラミクス強化材の体積率とＭＭＣの圧力損失との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の摺動部材用金属基複合材料を具体化した一実施形態を、図１〜図４を参照して詳細に説明する。本実施の形態の摺動部材用金属基複合材料は、内燃機関のシリンダーブロックのシリンダーボア部分に使用されるものとなっている。
【００１６】
なお、以下では、材料の物性値として、「嵩比」というパラメーターを用いている。この「嵩比」とは、次の手順１．〜９．を通じて測定される物性値となっている。
１．乾燥した繊維材料を「２０．０ｇ」計量する。
【００１７】
２．「５００ｃｃ」のビーカーに温度「２０〜２５℃」の蒸留水「４００ｃｃ」を入れる。
３．上記２．に上記１．の繊維材料を入れる。
【００１８】
４．攪拌棒を用いて繊維材料が切断されない程度に慎重に攪拌、分散させる（約１０分）。
５．上記４．を「５００ｃｃ」のメスシリンダーに移す。この際、ビーカーに繊維が残らないように少量の蒸留水で洗浄する。
【００１９】
６．メスシリンダーの目盛「５００ｃｃ」まで、蒸留水を加える。
７．室温下で２時間静置する。
８．静置後の沈殿物の体積を目視にて計測する。
【００２０】
９．この操作を３回繰り返し、その計測値の平均値を嵩比として求める。
さて発明者らは、アルミニウム合金を母材とした、強化材の種類や体積率、形状、寸法の異なる多数の金属基複合材料を作成し、その特性を調査している。なお体積率とは、金属基複合材料全体の体積に占める強化材の体積の比率を示している。ここで使用した強化材の物性は、表２に示す通りである。なお、ここでの粒子状のセラミクス強化材の平均（粒）径は、レーザー回折／散乱式粒度分布測定を通じて測定されている。この測定は、粒子に光が当たったときの粒子径に応じた散乱光の強度パターンの変化を捉えて、粒子径として表すものとなっている。
【００２１】
【表２】
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なお、ここで使用した強化材のセラミクス粒子やセラミクス繊維は、微細であり、それだけで成形体を形成することはできないものとなっている。そのため、ここでは、アルミナ−シリカ短繊維により骨格を形成し、その骨格に強化材となるセラミクス粒子やセラミクス繊維を担持することで、金属基複合材料を製造するようにしている。なお、ここでは、こうした金属基複合材料の母材として、アルミニウム合金ＡＤＣ１２を使用している。
【００２２】
こうした金属基複合材料の成形体の骨格となるアルミナ−シリカ短繊維としては、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）分を「２５重量％」以上含んだものを使用している。これはアルミナ分が少ないと、高温での繊維強度を十分に確保できず、焼結時の加熱で変形や損壊が生じる虞があるからである。
【００２３】
また成形体の骨格としては、平均径φが「６μｍ」で、嵩比が「１２０ｃｃ／２０ｇ」のアルミナ−シリカ短繊維を、体積率にて「３〜５％」含んだものを使用している。ちなみに、成形体の骨格として実用可能な各パラメーターの範囲は、平均径φが「３〜１０μｍ」の範囲、嵩比が「３０〜１８０ｃｃ／２０ｇ」の範囲、体積率が「３〜７％」の範囲となっている。この範囲は、次の理由で定められている。まず、アルミナ−シリカ短繊維の平均径φが「１０μｍ」を超えると、アルミナ−シリカ短繊維の作成が困難となり、さらに強化材の分布が不均一となり易くなってしまう。またアルミナ−シリカ短繊維の嵩比は、繊維長に関係があり、嵩比が「３０ｃｃ／２０ｇ」未満では、成形体の骨格とするには繊維長が短過ぎ、「１８０ｃｃ／２０ｇ」を超えると成形体の密度が不足してしまう。それ故、上記のような実用範囲が定められている。
【００２４】
さて発明者らは、各金属基複合材料の熱伝導率を測定するため、図１（ａ）、（ｂ）に示されるような態様で、熱伝導率測定用の試験片を作成した。すなわち、試験片は、固定型２と可動型３との２つの型を用いて製造されている。可動型３には、製造された試験片を型から取り外すための押し出しピン４が設けられ、固定型２には、アルミニウム合金の溶湯が充填されるスリーブ６とその溶湯を押し出すためのプランジャーチップ７とが設けられている。そして図１（ａ）に示すように固定型２と可動型３との間に４５０℃に予熱した成形体１をセットした上で、図１（ｂ）に示すように固定型２と可動型３とを突き合せ、ゲート５を通じて加圧された溶湯を成形体１の内部に含浸させることで、試験片が製造されている。
【００２５】
発明者らは、こうして製造された各試験片の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法を用いて測定している。レーザーフラッシュ法では、レーザー発振器からレーザー光を発射して試験片の表面に直接当てるとともに、試験片の裏面から出てくる、熱量とその時間とを測定する。ここでの測定条件は、次の通りである。すなわち、試験片寸法：直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、測定温度：２５℃、測定装置：アルバック理工株式会社製の熱定数測定装置  ＴＣ−７０００Ｈ、である。
【００２６】
そしてその測定結果から、試験片の比熱（Ｃｐ）と熱拡散率（α）とを導き出し、次式によって熱伝導率（λ）を算出する。なお下式の「ρ」は、試験片の密度である。
熱伝導率：λ  ＝  α・Ｃｐ・ρ
こうして測定された各金属基複合材料の強化材の体積率と熱伝導率との関係を、表３に示す。また図２には、同様の関係がグラフとして示されている。
【００２７】
【表３】
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表３及び図２に示すように、強化材の形態が粒子である場合、平均粒径が変っても、熱伝導率はあまり変化しないようになっている。そして強化材の種類が同じであれば、強化材の体積率と熱伝導率とは、負の線形関係を示すようになる。
【００２８】
また図２に示すように、鋳鉄以下の熱伝導率を示すセラミクス強化材は、ムライト粒子、ゼオライト粒子、及びチタン酸カリウム粒子となっている。なお、ホウ酸アルミ粒子についても、強化材の体積率を「約４０％」とすれば、鋳鉄以下の熱伝導率が得られるものと推測される。
【００２９】
また発明者らは、各金属基複合材料の通気性についての調査も行っている。金属基複合材料の通気性は、図３（ａ）、（ｂ）に示す態様で圧力損失を測定することで行われる。圧力損失の測定は、図３（ａ）に示すような一端にフランジ８の形成された配管９を用いて行われる。そして圧力損失の測定に際してはまず、その状態で、配管９から吸引モーターで空気を吸引し、配管９内の圧力を測定する。なお、ここでは、このときの吸引に、電圧「１００Ｖ」、電力「０．７５ｋＷ」、回転数「３６００ｒｐｍ」のモーターを使用している。また配管９としては、内径「４０ｍｍ」のものを使用している。
【００３０】
次に、図３（ｂ）に示すように、配管９のフランジ８に、スリーブ状に形成されたセラミクス強化材の成形体１０の一端を押し当てるとともに、その他端を蓋１１で塞いだ状態で、配管９を通じて空気を吸引する。そしてそのときの配管９内の圧力を測定する。なお、ここでは、成形体１０として外径「φ９７ｍｍ」、内径「９０ｍｍ」、肉厚「３．５ｍｍ」、高さ「１２５ｍｍ」のものを使用している。そしてここでは、成形体１０をセットする前後の配管９内の圧力差を「圧力損失」として求めるようにしている。なお、圧力損失が低い程、成形体の通気性が高くなり、鋳造時にアルミ合金の溶湯が含浸し易いようになる。
【００３１】
こうして測定された各成形体の圧力損失と強化材と体積率との関係を、表４に示す。また図４には、同様の関係がグラフとして示されている。
【００３２】
【表４】
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表４及び図４に示すように、強化材の形態が繊維状のものは、粒子状のものに比して、高い圧力損失を示している。また強化材の形態が粒子である場合には、平均粒子径が大きいものほど、圧力損失は低くなる。更に強化材の形態が粒子である場合に圧力損失は、強化材の種類に依らず、粒径によって変化するものとなっている。
【００３３】
ここで、ダイカストや高圧鋳造などの高加圧鋳造でアルミ溶湯が良好に含浸可能なのは、圧力損失が約「１１ｋＰａ」以下のときであることが、経験上、確かめられている。そして平均粒子径「φ２０μｍ」の場合、体積率が「４０数％」のところで、圧力損失が「１１ｋＰａ」に達するようになる。したがって、平均粒子径「φ２０μｍ」の粒子状の強化材を使用する場合において、高加圧鋳造による鋳造性を十分に確保可能な強化材の形態は粒子状であり、その体積率の上限は「４０数％」までとなる。
【００３４】
先述の図２には、こうした強化材の体積率の上限が、太破線で示されている。この上限以下の体積率で鋳鉄以下の熱伝導率を達成可能な粒子状の強化材のうち、熱伝導率が最も低いのは、平均粒子径「２０μｍ」のホウ酸アルミ粒子となる。一方、粒子径によっては、熱伝導率はあまり変らないため、鋳鉄以下の熱伝導率を達成可能な強化材の熱伝導率は、ホウ酸アルミ粒子の熱伝導率である「５．６Ｗ／ｍ・Ｋ」以下となると考えられる。すなわち、これよりも熱伝導率の大きいセラミクス粒子で鋳鉄以下の熱伝導率を確保する場合には、強化材の体積率が「４０数％」を超えてしまい、通気性が不足して、高加圧鋳造による鋳造性を十分に確保できなくなってしまうと考えられる。
【００３５】
なお、上記の結果は、成形体の骨格となるアルミナ−シリカ短繊維の体積率が「４％」の場合におけるものとなっている。ここでアルミナ−シリカ短繊維の体積率を「３％」未満に下げると、成形体の通気性が下がるため、熱伝導率を十分低下可能なまでにセラミクス粒子の添加量を増やすと、圧力損失が上り過ぎて鋳造性が確保できなくなってしまうようになる。一方、アルミナ−シリカ短繊維量を増やすと、通気性は上がるものの、セラミクス粒子の密度を上げることができなくなるため、セラミクス粒子の量を増やすことが困難となる。またアルミナ−シリカ短繊維の嵩比についても、その数値を下れば通気性が下り鋳造が困難となり、その数値を上げれば、混合されるセラミクス粒子の密度を上げられなくなってしまう。こうした事情から、実用可能なアルミナ−シリカ短繊維の体積率、嵩比の範囲はそれぞれ、「３〜５％」、「３０〜１８０ｃｃ／２０ｇ」となっている。
【００３６】
なお、強化材として混合させるセラミクス粒子の硬さが高いと、製造される金属基複合材料の硬さも高くなる。金属基複合材料の硬さが高過ぎると、シリンダーボア面に施す加工が困難となってしまう。その点、強化材として混合させるセラミック粒子の硬さがミクロビッカース硬さ（荷重２５ｇ、保持時間１５秒）Ｈｖ２５０以下であれば、製造後の金属基複合材料の加工性を十分に確保することが可能である。
【００３７】
以上の結果を纏めると、次の通りとなる。
（１）アルミニウム合金を母材とし、アルミナ−シリカ系の短繊維の成形体を骨格として有する金属基複合材料において、熱伝導率λが「５．６Ｗ／ｍ・Ｋ」より小さく、且つレーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のセラミック粒子を強化材として含むものであれば、十分な鋳造性を有しながらも、鋳鉄並み或いは鋳鉄以下の熱伝導率が得られるようになる。こうした金属基複合材料は、内燃機関のシリンダーブロックのシリンダーボア部分に適用される材料として好適なものとなっている。
【００３８】
（２）そうしたセラミック粒子の体積率を「２０％」以上とすれば、鋳鉄並みの熱伝導率が得られるようになる。またセラミクス粒子の体積率を「３０％」以上とすれば、鋳鉄よりも低い熱伝導率が得られるようになる。
【００３９】
（３）そうしたセラミクス粒子の具体例としては、レーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が２０μｍ以上のホウ酸アルミ粒子、同測定による平均粒径が３０μｍ以上のチタン酸カリウム粒子、同測定による平均粒径が２０μｍ以上のゼオライト粒子などがある。
【００４０】
（４）製造された金属基複合材料の加工性を考慮した場合、強化材として混合させるセラミック粒子の硬さは、Ｈｖ６００以下とすることが望ましい。
なお、上記実施の形態は以下のように変更して実施することもできる。
【００４１】
・上記実施の形態では、強化材として用いるセラミクス粒子の具体例として、ホウ酸アルミ粒子、チタン酸カリウム粒子及びゼオライト粒子の３つを挙げていたが、これらと同様の物性値を持つセラミクス粒子をその代替として用いることができる。すなわち、熱伝導率λが５．６より小さく、且つレーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が２０μｍ以上のセラミック粒子であれば、任意のセラミクス粒子を金属基複合材料の強化材として使用することができる。そしてそうした場合にも、十分な通気性を有しながらも、熱伝導率が低く、シリンダーボアに最適な特性を得ることが可能である。製造された金属基複合材料の加工性を考慮した場合には、強化材として混合させるセラミック粒子として、ミクロビッカース硬さが６００以下のものを採用することが望ましい。
【００４２】
次に、上記実施の形態及びその変形例から把握することのできる技術的思想について、以下に追記する。
（イ）前記成形体の骨格となるアルミナ−シリカ系の短繊維として繊維径が「３〜１０μｍ」、嵩比が「３０〜１８０ｃｃ／２０ｇ」のものを、体積率で「３〜５％」含有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の摺動部材用金属基複合材料。
【符号の説明】
【００４３】
１…成形体、２…固定型、３…可動型、４…押し出しピン、５…ゲート、６…スリーブ、７…プランジャーチップ、８…フランジ、９…配管、１０…成形体、１１…蓋。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月26日(2010.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
以上の実施形態の効果を纏めると、次の通りとなる。
１アルミニウム合金を母材とし、アルミナ−シリカ系の短繊維の成形体を骨格として有する金属基複合材料において、熱伝導率λが「５．６Ｗ／ｍ・Ｋ」より小さく、且つレーザー回折／散乱式粒度分布測定により測定された平均粒径が「２０μｍ」以上のセラミック粒子を強化材として含むものであれば、十分な鋳造性を有しながらも、鋳鉄並み或いは鋳鉄以下の熱伝導率が得られるようになる。こうした金属基複合材料は、内燃機関のシリンダーブロックのシリンダーボア部分に適用される材料として好適なものとなっている。