(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材としてのアルミニウム合金に強化材としてのセラミックスの粒子を混合したアルミニウム基複合材を用いた部材において、
前記アルミニウム合金の溶湯が最初に固まり始めた粒状の塊の周りを覆うように前記セラミックスの粒子が分散することで、三次元網目構造に分布したセラミックスの粒子と、前記粒状の塊のうち、前記部材の表面の前記粒状の塊がエッチング処理で溶かされ、前記アルミニウム基複合材の前記母材の前記表面に、前記粒状の塊の周りを覆うように分散させた前記セラミックスの前記粒子が前記表面に連なり残って露出することで形成された凹部と、を備えたことを特徴とするアルミニウム基複合材を用いた部材。
【請求項２】
アルミニウム合金の溶湯にセラミックスの粒子を投入し、これらを攪拌しつつ、温度を緩やかに下げることで、前記溶湯が最初に固まり始めた粒状の塊の周りを覆うように前記セラミックスの粒子を分散させて形成したセラミックスの粒子が三次元網目構造に分布した状態を得るとともに、前記溶湯を凝固させ、この凝固後のビレットを所定形状の部材に形成し、この部材をアルミニウム合金のみを腐食させるエッチング液に浸け、前記部材の表面に位置する前記粒状の塊のアルミニウム合金を溶かして前記表面に、前記粒状の塊の周りを覆うように分散させた前記セラミックスの前記粒子を前記表面に連ねて残して露出させた凹部を形成するアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミニウム基複合材を用いた部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム基複合材を用いた部材を次図で説明する。
図８は従来のアルミニウム基複合材を用いた部材の説明図である。
部材の一例であるシリンダライナ１０１は、アルミニウム基複合材を筒状に成形したものであり、シリンダブロック１０２に嵌合後、ホーニング盤１０３の砥石１０４・・・を上下移動させつつ回転させ、内面を仕上げたものである。
【０００３】
また、上記に用いるアルミニウム基複合材の製造方法には、例えば、特開平１０−１８３２６９号公報「金属・セラミックス複合材料の製造方法」に示されたものがある。この金属・セラミックス複合材料の製造方法は同公報の段落番号［００１１］〜［００１５］に示される通りである。これらを要約したものを次に示す。
【０００４】
まず、アルミナからなる多孔質成形体６（符号は公報記載のものを使用した。以下同様。）を窒化マグネシウムで還元する。次いで、アルミニウム合金ブロック７が溶解して溶湯となったアルミニウム溶湯を多孔質成形体６に浸透させる。その後、アルミニウム溶湯が凝固し、金属・セラミックス複合材料は完成する。
このようなアルミニウム基複合材をシリンダライナに採用し、ホーニング加工することで、シリンダの潤滑特性を確保することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報の金属・セラミックス複合材料の製造方法で製造した複合材料は多孔質成形体６にアルミニウム溶湯を浸透させたもので、主体をなす多孔質成形体６はアルミナであり、硬く、機械加工し難い。
例えば、上記図８の部材の一例では、シリンダライナ１０１をホーニング盤１０３の砥石１０４で仕上げる工程が必要で、この場合、研削加工に時間がかかり、エンジンの生産コストが嵩む。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、潤滑特性を確保することができ、生産コストを低減することができるアルミニウム基複合材を用いた部材及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、母材としてのアルミニウム合金に強化材としてのセラミックスの粒子を混合したアルミニウム基複合材を用いた部材において、アルミニウム合金の溶湯が最初に固まり始めた粒状の塊の周りを覆うようにセラミックスの粒子が分散することで、三次元網目構造に分布したセラミックスの粒子と、粒状の塊のうち、部材の表面の粒状の塊がエッチング処理で溶かされ、アルミニウム基複合材の母材の表面に、粒状の塊の周りを覆うように分散させたセラミックスの粒子が表面に連なり残って露出することで形成された凹部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
アルミニウム基複合材の表面に凹部を形成する。この凹部は、母材のアルミニウム合金をエッチング処理で溶かし、セラミックスの粒子を残した複数の微細なピットであり、部材は、表面に複数の微細な凹部を有することで、潤滑材を保持して潤滑特性を確保する。
【０００９】
請求項２は、アルミニウム合金の溶湯にセラミックスの粒子を投入し、これらを攪拌しつつ、温度を緩やかに下げることで、溶湯が最初に固まり始めた粒状の塊の周りを覆うようにセラミックスの粒子を分散させて形成したセラミックスの粒子が三次元網目構造に分布した状態を得るとともに、溶湯を凝固させ、この凝固後のビレットを所定形状の部材に形成し、この部材をアルミニウム合金のみを腐食させるエッチング液に浸け、部材の表面に位置する粒状の塊のアルミニウム合金を溶かして表面に、粒状の塊の周りを覆うように分散させたセラミックスの粒子を表面に連ねて残して露出させた凹部を形成する。
【００１０】
このアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法では、セラミックスの粒子を三次元網目構造に分布させたアルミニウム基複合材を得た後、その複合材を用いた部材の表面にエッチング液で凹部を形成するので、この凹部によって潤滑材の保持が可能となり、表面は潤滑特性を発揮するとともに、耐摩耗性をも発揮する。すなわち、このように製造することで、表面の潤滑特性を損なうことなくセラミックスの粒子の含有量を少なくすることができ、アルミニウム基複合材の加工性は向上する。従って、アルミニウム基複合材の加工に手間がかからない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るアルミニウム基複合材の斜視図であり、アルミニウム基複合材１０は、母材としてのアルミニウム合金１１に強化材としてのセラミックスの粒子１２を混合したもので、セラミックスの粒子１２を三次元網目構造に分布させたものである。
【００１２】
図２は図１の２部詳細図であり、セラミックスの粒子１２が三次元網目構造に分布した状態であることを示す。この場合、アルミニウム合金１１の小さな粒状の塊１３の周りを覆うようにセラミックスの粒子１２が分布する。
アルミニウム合金１１は、例えば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の一種であるＪＩＳ−Ａ６０６１（以下、Ａ６０６１と略記する。）である。
【００１３】
セラミックスの粒子１２は、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の粒子であり、粒子１２の粒径は１０μｍ〜８０μｍが望ましい。
なお、セラミックスの粒子１２としては他に、セラミックスの粒子と金属を複合化した粒子を挙げることができ、例えば、アルミナの粒子とアルミニウム合金を複合化した粒子でもよい。その際の粒径も上述の粒径と同程度にするのが望ましい。
【００１４】
図３（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第１説明図である。
（ａ）：まず、アルミニウム合金１１を複合材製造装置２１で複合化する。複合材製造装置２１は、金属を入れる坩堝２２と、この坩堝２２を加熱する加熱手段２３と、攪拌手段２４と、これらの加熱手段２３及び攪拌手段２４を制御する制御手段（図に示してしない）と、を備える。
坩堝２２内のアルミニウム合金１１が溶解して、アルミニウム合金の溶湯２６となる。その後、溶湯２６にセラミックスの粒子１２を投入する。
【００１５】
（ｂ）：アルミニウム合金の溶湯２６にセラミックスの粒子１２を投入し、これらを攪拌手段２４で攪拌しつつ、溶湯２６の温度を緩やかに下げ、セラミックスの粒子１２を三次元網目構造に分布させた状態でアルミニウム合金の溶湯２６を凝固させる。すなわち、攪拌しつつ、溶湯２６の温度を緩やかに下げると、アルミニウム合金の溶湯２６は固まり始めるが、この最初に固まり始めた粒の周りにセラミックスの粒子１２が攪拌によって分散し、セラミックスの粒子１２は三次元網目構造に分布する。そして、温度が固相温度まで下がると、溶湯２６の全て１００％が凝固するとともに、粒子１２を三次元網目構造に包含した状態で複合化は完了する。凝固した後、アルミニウム基複合材のビレットを得る。
【００１６】
図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第２説明図である。
（ａ）：ビレット２７をＮＣ（数値制御）旋盤２８で所定寸法に切削加工する。寸法は次工程の押出しプレスに合せる。
【００１７】
（ｂ）：押出しプレス３１で押出し成形を行なう。ビレット２７をコンテナ３２に挿入し、ラム３３で押出すことにより、ダイス３４とマンドレル３５の間を通して、筒状の押出し材３６に成形する。なお、その際の、ビレット２７の温度や押出比などの成形条件は任意である。
【００１８】
（ｃ）：押出しに続き、押出し材３６を引抜き成形する。押出し材３６を引抜き装置４１にセットし、つかみ具４２で引くことにより、ダイス４３とプラグ４４の間を通して、筒４５に成形する。
このように引抜きを行なうことで、筒４５の内径、外径に所望の精度を付与することができる。
筒４５の内外径を仕上げた後、筒４５の切断に着手する。
【００１９】
図５は本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第３説明図である。
引抜き後の筒４５をカッタ４６で所定長さＬ１に切断し、アルミニウム基複合材のシリンダライナ４７を形成する。長さＬ１は定寸であり、シリンダライナ４７の端面４８，４８をカッタ４６で切断すると同時に仕上げる。
次に、エッチングの工程について説明する。
【００２０】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第４説明図である。
（ａ）：最後に、シリンダライナ４７をエッチング処理する。具体的には、まず、シリンダライナ４７をマスキングする。エッチング処理する内面５１はそのままにして、エッチング処理しない外面５２にマスキング材５３を塗布するか、又は貼りつける。その次に、マスキング処理したシリンダライナ４７をエッチング液５４に浸漬し、内面５１を腐食させる。
【００２１】
（ｂ）は（ａ）のｂ部詳細図であり、内面５１の腐食を模式的に示す。
シリンダライナ４７をエッチング液５４に浸けると、母材のアルミニウム合金１１は溶けて凹部５５・・・（・・・は複数を示す。以下同様。）となり、一方のセラミックスの粒子１２を包含した部位は残る。その結果、表面としての内面５１に凹部５５・・・を形成することができる。
【００２２】
すなわち、シリンダライナ４７は、アルミニウム合金１１にセラミックスの粒子１２を三次元網目構造に分布させてなるアルミニウム基複合材１０と、このアルミニウム基複合材１０の母材の表面にエッチング処理で形成した凹部５５・・・と、からなるものである。
【００２３】
このように、シリンダライナ４７は、微細な凹部５５・・・を有し、これらの微細な凹部５５・・・に潤滑材を保持させることで、潤滑特性を確保することができる。
【００２４】
図７は本発明に係るアルミニウム基複合材を用いたシリンダライナの取付け説明図である。
シリンダライナ４７・・・をシリンダブロック５６に嵌合する。シリンダブロック５６は、シリンダ部５７を有し、このシリンダ部５７はシリンダライナ４７を嵌合する別体形である。シリンダ部５７の嵌合部５８の内径を予め所定寸法に仕上げた後、嵌合部５８・・・にシリンダライナ４７・・・を嵌め込む。
【００２５】
このようにアルミニウム基複合材を用いた部材をシリンダライナ４７に採用した場合、潤滑特性及び耐摩耗性の確保が可能となり、シリンダライナ４７の内面５１を仕上げるホーニング加工を省略することができる。従って、生産コストを低減することができる。
【００２６】
また、セラミックスの粒子１２（図６参照）を三次元網目構造に分布させて複合化し、その後、エッチング処理で内面５１に凹部５５・・・を形成することで、潤滑特性及び耐摩耗性の確保が可能となる。そのため、母材のアルミニウム合金１１の量に対してセラミックスの粒子１２の含有量をこのように少なく設定することができ、加工性の向上を図ることができる。その結果、図４や図５のようにアルミニウム基複合材を所望の形状に加工するのは容易である。従って、生産コストを低減することができる。
【００２７】
尚、本発明の実施の形態に示した図３〜図６の製造設備は一例であり、設備構成は任意である。
また、本発明のアルミニウム基複合材を用いた部材は、シリンダライナに限定するものではなく、例えば、軸受やスライド部材など潤滑特性を必要とするものにも採用可能である。
強化材のセラミックスは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）に限定するものではない。
また、セラミックスは、粒子に限定するものではない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では、アルミニウム基複合材を用いた部材は、アルミニウム合金の溶湯が最初に固まり始めた粒状の塊の周りを覆うようにセラミックスの粒子が分散することで、三次元網目構造に分布したセラミックスの粒子と、粒状の塊のうち、部材の表面の粒状の塊がエッチング処理で溶かされ、アルミニウム基複合材の母材の表面に、粒状の塊の周りを覆うように分散させたセラミックスの粒子が表面に連なり残って露出することで形成された凹部と、を備えたので、部材は、表面にセラミックスの粒子を残すことで形成された複数の微細な凹部を有し、これらのセラミックスの粒子からなる凹部で潤滑材を保持して、潤滑特性を確保することができる。
例えば、アルミニウム基複合材をシリンダライナに採用した場合、潤滑特性を確保することができ、内面を仕上げるホーニング加工を省略することができる。
従って、生産コストを低減することができる。
【００２９】
請求項２では、アルミニウム合金の溶湯にセラミックスの粒子を投入し、これらを攪拌しつつ、温度を緩やかに下げることで、溶湯が最初に固まり始めた粒状の塊の周りを覆うようにセラミックスの粒子を分散させて形成したセラミックスの粒子が三次元網目構造に分布した状態を得るとともに、溶湯を凝固させ、この凝固後のビレットを所定形状の部材に形成し、この部材をアルミニウム合金のみを腐食させるエッチング液に浸け、部材の表面に位置する粒状の塊のアルミニウム合金を溶かして表面に、粒状の塊の周りを覆うように分散させたセラミックスの粒子を表面に連ねて残して露出させた凹部を形成する。
このアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法では、セラミックスの粒子を三次元網目構造に分布させたアルミニウム基複合材を得た後、その複合材を用いた部材の表面にエッチング液でセラミックスの粒子を残すことで形成された凹部を形成するので、このセラミックスの粒子からなる凹部によって潤滑材の保持が可能となり、表面は潤滑特性を発揮するとともに、セラミックスの粒子によって耐摩耗性をも発揮する。すなわち、このように製造することで、表面の潤滑特性を損なうことなくセラミックスの粒子の含有量を少なくすることができ、アルミニウム基複合材の加工性の向上を図ることができる。従って、アルミニウム基複合材を加工する際の生産コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミニウム基複合材の斜視図
【図２】図１の２部詳細図
【図３】本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第１説明図
【図４】本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第２説明図
【図５】本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第３説明図
【図６】本発明に係るアルミニウム基複合材を用いた部材の製造方法の第４説明図
【図７】本発明に係るアルミニウム基複合材を用いたシリンダライナの取付け説明図
【図８】従来のアルミニウム基複合材を用いた部材の説明図
【符号の説明】
１０…アルミニウム基複合材、１１…アルミニウム合金、１２…セラミックスの粒子、２６…アルミニウム合金の溶湯、２７…ビレット、４７…部材（シリンダライナ）、５１…表面（内面）、５４…エッチング液、５５…凹部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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