(57)【要約】【課題】  強度および耐摩耗性を向上させ、かつ製造コストの削減を図り、軽量化したエンジンのシリンダライナを提供する。【解決手段】  エンジンのシリンダブロックに鋳包まれ、内周面にピストンが摺動可能な摺動面が形成されたシリンダライナにおいて、シリンダライナは、Ａｌ、ＳｉおよびＣｕを必須の成分とし、かつ、ＭｎまたはＳｎのいずれかの一方の元素を少なくとも含有するＡｌ合金から成り、Ａｌ合金中のマトリックス成分の硬さが７０ＨＶ以上であることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダブロックに鋳包まれ、内周面にピストンが摺動可能な摺動面が形成されたシリンダライナにおいて、
前記シリンダライナは、Ａｌ、ＳｉおよびＣｕを必須の成分とし、かつ、ＭｎまたはＳｎのいずれかの一方の元素を少なくとも含有するＡｌ合金から成り、当該Ａｌ合金中のマトリックス成分の硬さが７０ＨＶ以上であることを特徴とするシリンダライナ。
【請求項２】
前記Ａｌ合金は、質量％で、Ｓｉ：２０〜３０、Ｃｕ：０．０５〜２．０を必須の成分とし、かつ、Ｍｎ：０．０５〜４．０またはＳｎ：０．０１〜４．０のいずれか一方の元素を少なくとも含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物から成ることを特徴とする請求項１記載のシリンダライナ。
【請求項３】
前記Ａｌ合金は、さらに、質量％で、粒径が２μｍ以下のＡｌ２Ｏ３を１０％以下含有することを特徴とする請求項１または２記載のシリンダライナ。
【請求項４】
前記Ａｌ合金は、質量％で、Ｍｇ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０〜４．０、Ｃｒ：０．３以下およびＦｅ：２％以下のいずれか一種以上の元素を含有しており、Ｆｅが含有された場合に、前記摺動面に晶出する金属間化合物β−ＡｌＦｅＳｉの占める面積が、前記摺動面の全面積に対して５％以下であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のシリンダライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのシリンダブロックに鋳包まれるアルミニウム合金から成るシリンダライナに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題の高まりに伴いエンジンの軽量化が進められており、エンジン部品の摺動部の材料特性には、軽量化および耐摩耗性が要求されている。例えば、シリンダライナには、軽量化可能な鋳包み構造のシリンダライナが実用化されている。鋳包み構造のシリンダライナは筒状のアルミニウム合金から形成され、その外周面はアルミニウム合金のダイカスト成形体からなるシリンダブロックにより鋳包まれ、シリンダライナの内周面は硬質めっきに被覆され構成される。
【０００３】
図５は、多気筒エンジンのシリンダブロックの断面を概略的に示す図である。
【０００４】
図５に示す多気筒エンジン１０のシリンダブロック１１の各気筒にはピストンが摺動可能な筒状のシリンダボア１２が形成され、各シリンダボア１２にシリンダライナ１３が鋳包み部１４により鋳包み形成される。さらに、シリンダライナ１３の内周面には、めっき処理により硬質めっき皮膜１５が形成される。
【０００５】
上記鋳包み構造のシリンダライナは、図６に示す工程手順により作製される。
【０００６】
まず、シリンダライナの母材としてＡｌ合金材料を用意した。なお、具体的なＡｌ合金材料の成分を挙げると、質量％で、Ｓｉ：９〜１０．５、Ｆｅ：０．５、Ｃｕ：２．５〜３．５、Ｍｇ：０．５〜０．８、Ｍｎ：０．３、Ｃｒ：０．２、Ｚｎ：０．２を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物から成る。
【０００７】
図６に示すように、まず、Ａｌ合金材料の成分を調整し、加熱軟化させた後、押出し成形により連続した中空円筒状の管体を作製し、作製した中空円筒状の管体を切断し、シリンダライナの素材を形成した（工程１）。
【０００８】
シリンダライナの素材に加熱溶体化処理した後、水焼入れを行い、その後時効熱処理をした後、自然冷却してシリンダライナの素材に表面硬化処理を施した（工程２）。
【０００９】
表面硬化処理後に、得られたシリンダライナの電気伝導度を検査した（工程３）。シリンダライナの端面や内面を平滑に加工処理した後、必要に応じてシリンダライナの外面の加工処理をし(工程４)、シリンダブロックの金型にシリンダライナを装着し、アルミニウムダイカスト合金により鋳包み成形加工をした（工程５）。シリンダライナの内面の機械研削加工により平滑化した後（工程６）、酸により洗浄し、アルカリ脱脂を行い、下地処理としてアルマイト皮膜を形成後、Ｎｉ−Ｐ−ＳｉＣの分散めっき処理をした（工程７）。シリンダライナの内面にホーニング加工をし、精密な寸法公差に仕上げた（工程８）。
【００１０】
上記製造方法により製造されたシリンダライナは、内周面にめっき処理がなされ摺動面が形成されており、シリンダの摺動が可能となる耐摩耗性を確保している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来におけるシリンダライナは、その内周面にめっき処理を施したため耐摩耗性が向上したが、一方において、めっき処理により製造工程数が増加し製造工程が煩雑となり、シリンダブロックの製造コストが高騰する原因となっていた。
【００１２】
そこで、めっき処理を施さずにシリンダライナを形成するＡｌ合金自体の耐摩耗性を向上させる方法が考え出されている。例えば、Ａｌ合金に硬化処理を施して表面硬度を高めて、Ａｌ合金自体の強度および耐摩耗性の改善をする方法がある。Ａｌ合金の硬化処理によりＡｌ合金の表面硬度を高めることが可能であるが、軽量化を目的とした鋳包み構造のシリンダライナを製造する際には、前述したように、シリンダライナの硬化処理後に鋳包み時の熱で高温になるため、硬化処理による合金組織の改良により高硬度とした組織が、鋳包み時の熱による焼き鈍し作用により変化し、組織変化が原因となりＡｌ合金の硬度が低下してしまっていた。従って、鋳包み前に行ったＡｌ合金の硬化処理は、実質的な効果を得ることができなかった。その結果、強度および耐摩耗性の両特性に優れたシリンダライナを得られないという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、強度および耐摩耗性を向上させ、かつ製造コストの削減を図り、軽量化したエンジンのシリンダライナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を解決するために、シリンダライナを形成する材料の研究が種々行われている。例えば、Ａｌ合金材料中にＦｅやＣｕなどの元素を添加して強度を向上させて、硬化の低下を防止したシリンダライナが開発されている。しかし、Ｆｅを添加すると表面硬度の低下を防止できるものの、逆に特定の条件下では耐摩耗性が低下してしまっていた。このため、強度および耐摩耗性の両特性が優れたシリンダライナを得ることができなかった。
【００１５】
図７は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金であるＡ６０６１に質量％で２５％のＳｉを含有したＡｌ合金材料（「Ｂａｓｅ合金」とする）、このＢａｓｅ合金にさらに４％のＦｅを含有したＡｌ合金材料（「Ｂａｓｅ合金＋４％Ｆｅ」とする）との硬さを比較した図である。なお、「Ｂａｓｅ合金」および「Ｂａｓｅ合金＋４％Ｆｅ」の各合金について、押出材（Ｔ１）および鋳包み後（Ａ）の硬さを測定し、その測定結果を示した。
【００１６】
図７に示すように、「Ｂａｓｅ合金」の押出材（Ｔ１）の硬さは、鋳包み後（Ａ）に著しく低下したが、これに対し、「Ｂａｓｅ合金＋４％Ｆｅ」の押出材（Ｔ１）は、鋳包み後（Ａ）であっても硬度の低下は見られなかった。この原因を種々研究したところ、Ａｌ合金中にＦｅを含有させると合金組織中に金属結合化合物β−ＡｌＦｅＳｉが晶出し、晶出したβ−ＡｌＦｅＳｉはＡｌ合金中に分散されてＡｌ合金が強化されＡｌ合金の表面硬度が向上し、その結果、Ｆｅを含有したＡｌ合金は、鋳包む後であっても硬度の低下を防止できることが判った。
【００１７】
しかしながら、Ａｌ合金にＦｅを含有させた場合には、鋳包み後の強度を確保できたが、ある限定された摩耗試験条件下では、Ａｌ合金中にβ−ＡｌＦｅＳｉが多量に晶出すると、耐摩耗性が著しく低下することが判った。
【００１８】
そこで、耐摩耗性の低下を防止すべく種々研究したところ、通常、測定するＡｌ合金自体の硬さのみならず、Ａｌ合金中に分散されるＳｉ粒や金属間化合物β−ＡｌＦｅＳｉを除いた部分、すなわち、Ａｌ合金のマトリックスにおける硬さを測定したところ、マトリックスの硬さがＡｌ合金の耐摩耗性に深く関与していることを見出し、本発明の完成に至ったものである。
【００１９】
すなわち、本発明は、エンジンのシリンダブロックに鋳包まれ、内周面にピストンが摺動可能な摺動面が形成されたシリンダライナにおいて、シリンダライナは、Ａｌ、ＳｉおよびＣｕを必須の成分とし、かつ、ＭｎまたはＳｎのいずれかの一方の元素を少なくとも含有するＡｌ合金から成り、当該Ａｌ合金中のマトリックス成分の硬さ（ビッカース硬さ）が７０ＨＶ以上であることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、シリンダライナの押出成形時にプレス焼入れを促進し、かつ、シリンダブロックの鋳包み時に時効軟化が進まないように、マトリックスの固溶硬化または時効硬化させてマトリックスの硬さを７０ＨＶ以上とすることにより、耐摩耗性および強度の両特性が優れたシリンダライナを得ることができる。
【００２１】
また、本発明によれば、めっき処理が不要であることから製造コストの削減を図ることができる。
【００２２】
上記発明において、Ａｌ合金は、質量％で、Ｓｉ：２０〜３０、Ｃｕ：０．０５〜２．０を必須の成分とし、かつ、Ｍｎ：０．０５〜４．０またはＳｎ：０．０１〜４．０のいずれか一方の元素を少なくとも含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物から成ることが望ましい。
【００２３】
本発明によれば、遅時効性元素であるＭｎあるいはＳｎのいずれか一方の元素を少なくとも含有させることにより、過時効軟化を抑制することができる。
【００２４】
Ａｌ合金中にＭｎを質量％で０．０５〜４．０含有させたが、Ｍｎの含有量が０．０５％であるとその効果が得られず、４．０を超えると熱処理性を害するからである。また、Ｓｎは、Ａｌ合金中に質量％で０．０１〜４．０含有させたが、Ｓｎの含有量が０．０１％未満であるとその効果が得られず、逆に、４．０を超えると脆化するからである。
【００２５】
また、上記発明において、Ａｌ合金は、質量％で、粒径が２μｍ以下のＡｌ２Ｏ３を含有することも望ましい。本発明によれば、質量％で、Ａｌ合金中にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を１０％以下含有させることにより、マトリックの硬さを７０ＨＶ以上の値とすることができる。
【００２６】
また、上記発明において、Ａｌ合金は、質量％で、Ｍｇ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０〜４．０、Ｃｒ：０．３以下およびＦｅ：２％以下のいずれか一種以上の元素を含有しており、Ｆｅが含有された場合に、前記摺動面に晶出する金属間化合物β−ＡｌＦｅＳｉの占める面積が、前記摺動面の全面積に対して５％以下であることが望ましい。
【００２７】
本発明によれば、焼入れ性や時効特性を改善するために必要に応じてＭｇ、Ｎｉ、ＣｒおよびＦｅのいずれか一種以上の元素を含有しても良く、例えば、質量％で、Ｍｇ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０〜４．０、Ｃｒ：０．３以下の範囲で含有させると良い。ここで、Ｃｒの含有量を０．３以下と制限したが、合金中にＣｒを含有すると焼入れ性が阻害されるため、押出成形時にプレス焼入れを促進することができないからである。
【００２８】
また、Ｆｅを含有させるとＡｌ合金中に金属間化合物β−ＡｌＦｅＳｉが晶出するが、β−ＡｌＦｅＳｉの晶出量が増加すると耐摩耗性が低下するため、本発明において、摺動面の全面積に対して金属間化合物β−ＡｌＦｅＳｉの占める面積を５％以下と規定した。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、優れた高温強度および耐摩耗性を有し、軽量化かつ製造コスト削減を図ったエンジンのシリンダライナを得ることができるため、本発明のシリンダライナをエンジンに適用することにより、エンジンの軽量化、さらには、環境負荷を減らすことを実現することができ、産業の発達に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明のシリンダブロックに鋳包まれたシリンダライナについて、実施例１〜実施例５および比較例１〜比較例４を挙げて説明する。
【００３１】
実施例１〜実施例５（表１）
本実施例では、Ａｌ合金の組成成分を調整し、合金のマトリックスの硬度を７０ＨＶ以上としたシリンダライナを作製した。
【００３２】
まず、シリンダライナのＡｌ合金材料の成分を調整した。表１に示すように、実施例１〜実施例３の成分組成は、質量％で、Ｓｉ：２０〜３０、Ｃｕ：０．０５〜２．０を必須の成分とし、Ｍｎ：０．０５〜４．０、Ｓｎ：０．０５〜４．０、Ｍｇ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０〜４．０およびＣｒ：０．３以下のいずれか一種以上の元素を少なくとも選択的に含有する範囲に調整した。また、実施例５は、Ａｌ合金材料中に粒径が２μｍ以下のＡｌ２Ｏ３を含有させたものである。
【表１】
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【００３３】
調整したＡｌ合金材料を溶解し、エアアトマイズ法により毎秒１０２Ｋ以上の冷却速度で冷却し、急冷凝固粉末を作製した。急冷凝固粉末を回収し、選別した後検査を行った。
【００３４】
次に、急冷凝固粉末をゴム型に充填し、冷間静水加圧（ＣＩＰ）処理した後、真空焼結処理してビレットを作製した。作製したビレットを４２５〜５２０℃の温度で加熱軟化させた後、押出し成形して連続した中空円筒状の管体とした。その後、中空円筒状の管体を切断し、シリンダライナの素材を形成した。
【００３５】
シリンダライナの素材に温度５４５℃で加熱溶体化処理した後、水焼入れを行った。さらに、１８０℃での時効熱処理した後自然冷却をした。なお、Ｔ６処理を施したが、選択した材料に応じて１８０℃での時効熱処理を実施しないＴ４処理を施しても良い。
【００３６】
表面硬化処理後、得られたシリンダライナの電気伝導度を検査し、シリンダライナの端面や内面を平滑に加工処理した後、必要に応じてシリンダライナの外面の加工処理をし、シリンダライナを得た。
【００３７】
シリンダブロックの金型にシリンダライナを装着し、アルミニウムダイカスト合金により鋳包み成形加工をした。
【００３８】
さらに、鋳包み成形加工後のシリンダライナの内周面に形成された摺動面の金属組織の観察を行った。
【００３９】
図１は、Ｆｅを含有したＡｌ合金材料とした実施例２のシリンダライナの摺動面における合金組織を拡大して示す写真図である。図１に示すように、合金組織は、マトリックス中にＳｉ（１）および金属間化合物β−ＡｌＦｅＳｉ（２）の晶出が観察された。摺動面の合金組織の調査を行い、単位面積あたりにおける金属間化合物β−ＡｌＦｅＳｉの析出面積を測定したところ、β−ＡｌＦｅＳｉの占める面積は、単位面積あたり５％以下の範囲内となっていた。
【００４０】
比較例１〜比較例４（表１）
本比較例では、上述した実施例と同様の製造工程によりシリンダライナを形成したものであるため、その説明を省略する。実施例と異なるのはＡｌ合金材料の組成を本発明の範囲外とした点にある。
【００４１】
比較例１および比較例２は、Ｆｅの含有量が２％を超えるＡｌ合金材料であり、比較例３および比較例４はＦｅを含有していないＡｌ合金材料である。
【００４２】
上記実施例１〜実施例５および比較例１〜比較例４までの各Ａｌ合金材料を用いてＡｌ合金から成るシリンダライナを形成し、シリンダライナ（Ａｌ合金自体）の硬さおよび摩耗量を測定した。シリンダライナを形成するＡｌ合金の硬さはロックウェル試験により測定し、摩耗量は往復運動摩耗試験により測定した。
【００４３】
往復動摩耗試験は、研摩輪と試験片の間に一定荷重の下で摩耗量を測定するものであり、試験条件は、負荷面圧１．０Ｎ／ｍｍ２、試験速度平均０．１６ｍ／ｓ、摩耗距離３００ｍ、潤滑オイル１ｍｌ滴下とし、摩耗体積を測定して摩耗量を求めた。測定結果を図２に示す。
【００４４】
図２に示すように、質量％で４％のＦｅを含有したＡｌ合金から成るシリンダライナ（比較例１、比較例２）の摩耗量は多く耐摩耗性が低下した。一方、Ｆｅを含有していないＡｌ合金から成るシリンダライナ（比較例３、比較例４）の摩耗量はいずれも０．４よりも低い値であり、耐摩耗性が良好であることが判明した。
【００４５】
次に、Ａｌ合金中のマトリックスの硬さおよび摩耗量を測定した。マトリックスの硬さはビッカース硬さ試験により測定し、荷重を０．５ｇとしたビッカース硬さ計を使用した。Ａｌ合金中のマトリックスは、図３に示すように、Ｓｉ等の硬質粒子を除いた部分のビッカース硬さを測定し、１０回の測定による平均値をマトリックス硬さとした。摩耗量は、上述した往復動摩耗試験と同様の試験条件により測定した。測定結果を図４に示す。
【００４６】
図４に示すように、Ｆｅを含有した比較例１および比較例２のＡｌ合金のマトリックス硬さは７０ＨＶ以下の値であり、摩耗量は増大していた。一方、Ｆｅを含有しない比較例３および比較例４のＡｌ合金材料は、いずれもマトリックス硬さが７０ＨＶより低い値であり、かつ、摩耗量が０．３以上であった。これに対し、実施例1〜実施例５のＡｌ合金のマトリックス硬さはいずれも７０ＨＶ以上であり、かつ、摩耗量が０．３以下であり、優れた強度および耐摩耗性を有するシリンダライナを得られた。
【００４７】
本実施例の範囲内の成分組成とし、マトリックス硬さを７０ＨＶ以上となるようなマトリックスの固溶硬化または時効硬化することにより、優れた強度および耐摩耗性を有するシリンダライナを得られることが判明した。
【００４８】
従って、本実施形態によれば、シリンダライナを形成するＡｌ合金のマトリックスの硬さを７０ＨＶ以上となるようにマトリックスの固溶硬化および時効硬化の処理を施すことにより、優れた強度および耐摩耗性を有するシリンダライナを得ることができ、さらに、シリンダライナの内周面にめっき処理する必要がないことから、シリンダライナの製造コストの削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態における、実施例２のＡｌ合金の組織を示す図。
【図２】Ａｌ合金の硬さおよび摩耗量の関係を示す図。
【図３】Ａｌ合金のマトリックスの硬度を測定する際に、Ａｌ合金組織中から採取するサンプルの例を示す図。
【図４】Ａｌ合金中のマトリックスの硬さおよび摩耗量の関係を示す図。
【図５】従来における、多気筒エンジンのシリンダブロックの断面を示す概略図。
【図６】従来における、鋳包み構造のシリンダライナの製造工程を示す手手順図。
【図７】「Ｂａｓｅ合金」および「Ｂａｓｅ合金＋４％Ｆｅ」の各合金について、押出材（Ｔ１）および鋳包み後（Ａ）の硬さを比較した図。
【符号の説明】
【００５０】
１…Ｓｉ，
２…β−ＡｌＦｅＳｉ，
【図２】
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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１】
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【図３】
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