(57)【要約】【課題】シリンダーボア表面に必要な特性を確保しつつも、安価に製造することのできるアルミニウム合金製シリンダーブロック及びその製造方法を提供する。【解決手段】有効負荷粗さを「Ｒｋ」、初期摩耗高さを「Ｒｐｋ」、油溜まり深さを「Ｒｖｋ」としたとき、「Ｒｋ＋Ｒｐｋ＜１．０μｍ」、且つ「Ｒｋ＋Ｒｖｋ＜２．０μｍ」、且つ「Ｒｋ＞０．６５μｍ」となり、更にシリンダーボアの表面に螺旋状に形成された、凹凸の高低差が２μｍ未満のピット空白領域の幅が１．０ｍｍ以下なるように、シリンダーボアの表面を形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金製のシリンダーブロックであって、
有効負荷粗さを「Ｒｋ」、初期摩耗高さを「Ｒｐｋ」、油溜まり深さを「Ｒｖｋ」としたとき、シリンダーボアの表面が、
Ｒｋ＋Ｒｐｋ  ＜  １．０μｍ、且つ
Ｒｋ＋Ｒｖｋ  ＜  ２．０μｍ
となるように形成されてなる
ことを特徴とするアルミニウム合金製シリンダーブロック。
【請求項２】
有効負荷粗さＲｋが０．６５μｍより大きく、且つ前記シリンダーボアの表面に螺旋状に形成された、凹凸の高低差が２μｍ未満のピット空白領域の幅が１．０ｍｍ以下とされてなる
請求項１に記載のアルミニウム合金製シリンダーブロック。
【請求項３】
前記シリンダーボアの表面は、プラズマ照射により粗面化した後、ホーニング加工を施すことで形成されてなる
請求項１又は２に記載のアルミニウム合金製シリンダーブロック。
【請求項４】
当該シリンダーブロックは、ＡＤＣ１２により形成されてなる
請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金製シリンダーブロック。
【請求項５】
アルミニウム合金製のシリンダーブロックを製造する方法であって、
シリンダーボアの表面にプラズマ照射を行う工程と、
そのプラズマ照射により粗面化された前記シリンダーボアの表面にホーニング加工を施す工程と、
を通じて、有効負荷粗さを「Ｒｋ」、初期摩耗高さを「Ｒｐｋ」、油溜まり深さを「Ｒｖｋ」としたときに前記シリンダーボアの表面が、
Ｒｋ＋Ｒｐｋ  ＜  １．０μｍ、且つ
Ｒｋ＋Ｒｖｋ  ＜  ２．０μｍ
となるように形成されてなる
ことを特徴とするアルミニウム合金製シリンダーブロックの製造方法。
【請求項６】
前記プラズマ照射を行う工程と、前記ホーニング加工を施す工程とを通じて、前記シリンダーボアの表面の有効負荷粗さＲｋが０．６５μｍより大きくなり、且つ前記シリンダーボアの表面に螺旋状に形成された、凹凸の高低差が２μｍ未満のピット空白領域の幅が１．０ｍｍ以下となるようにした
請求項５に記載のアルミニウム合金製シリンダーブロックの製造方法。
【請求項７】
前記シリンダーブロックは、ＡＤＣ１２により形成されてなる
請求項５又は６に記載のアルミニウム合金製シリンダーブロックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金製のシリンダーブロック及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンの軽量化等を目的として、シリンダーブロック材料の、鋳鉄からアルミニウム合金への置換が進められている。一般に、こうしたアルニウム合金製のシリンダーブロックは、アルミニウム合金製のブロック基体に鋳鉄製のシリンダーライナーを鋳込みや圧入により一体化して形成されている。こうしたシリンダーブロックでは、鋳鉄製のシリンダーライナーにより、シリンダーボア表面に必要とされる耐摩耗性や耐スカッフ性、摺動特性等が確保されている。
【０００３】
一方、そうしたアルミニウム合金製のシリンダーブロックの更なる軽量化等を目的として、鋳鉄製のシリンダーライナーを廃止した、ライナーレス・アルミシリンダーブロックが開発されている。こうしたライナーレス・アルミシリンダーブロックは、シリンダーボア表面の耐摩耗性や耐スカッフ性、摺動特性等を確保するため、シリコン含有率の高いアルミニウム合金（ハイシリンコンアルミ）を使用するのが一般的となっている。
【０００４】
そして従来、特許文献１には、平均粒径３μｍ〜１０μｍの初晶シリコンが晶出したアルミニウム合金を用いるとともに、ホーニング加工を施すことでシリンダーボアの表面を表面粗さＲａ＝０．０５〜０．３μｍとしたハイシリコンアルミ製のシリンダーブロックが提案されている。こうしたシリンダーブロックによれば、初晶シリコンがシリンダーボア表面に突出されるようになり、耐焼き付き性や耐摩耗性が確保されるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２２１０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
こうした従来のシリンダーブロックでは、シリンダーボア表面の耐焼き付き性や耐摩耗性の確保が可能ではあるものの、価格の高いハイシリンコンアルミニウム合金を使用しているため、高コストとなってしまう。
【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、シリンダーボア表面に必要な特性を確保しつつも、安価に製造することのできるアルミニウム合金製シリンダーブロック及びその製造方法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、アルミニウム合金製のシリンダーブロックにおいて、有効負荷粗さを「Ｒｋ」、初期摩耗高さを「Ｒｐｋ」、油溜まり深さを「Ｒｖｋ」としたとき、シリンダーボアの表面を、「Ｒｋ＋Ｒｐｋ  ＜  １．０μｍ」、且つ「Ｒｋ＋Ｒｖｋ  ＜  ２．０μｍ」となるように形成している。
【０００９】
このようにシリンダーボア表面の形成されたアルミニウム合金製シリンダーブロックでは、Ｓｉ含有率の高いアルミニウム合金を使用せずとも、シリンダーボア表面の摺動特性やオイル保持能力を、鋳鉄製シリンダーライナー並みかそれ以上とすることができる。そのため、上記構成によれば、シリンダーボア表面に必要な特性を確保しつつも、安価に製造することができるようになる。
【００１０】
更に請求項２によるように、有効負荷粗さＲｋが０．６５μｍより大きく、且つシリンダーボアの表面に螺旋状に形成された、凹凸の高低差が２μｍ未満のピット空白領域の幅が１．０ｍｍ以下となるようにすれば、シリンダーボア表面に、鋳鉄製シリンダーライナー以上の耐スカッフ性を確保することができるようにもなる。
【００１１】
なお、上記のようなシリンダーボアの表面は、請求項３によるように、プラズマ照射により粗面化した後、ホーニング加工を施すことで形成することができる。
ちなみに、こうしたアルミニウム合金製シリンダーブロックの材料としては、請求項４によるように、ＡＤＣ１２を用いることができる。
【００１２】
また上記課題を解決するため、アルミニウム合金製シリンダーブロックの製造方法としての請求項５に記載の発明は、シリンダーボアの表面にプラズマ照射を行う工程と、そのプラズマ照射により粗面化された前記シリンダーボアの表面にホーニング加工を施す工程と、を通じて、有効負荷粗さを「Ｒｋ」、初期摩耗高さを「Ｒｐｋ」、油溜まり深さを「Ｒｖｋ」としたときにシリンダーボアの表面を、「Ｒｋ＋Ｒｐｋ  ＜  １．０μｍ」、且つ「Ｒｋ＋Ｒｖｋ  ＜  ２．０μｍ」となるように形成している。
【００１３】
このようにシリンダーボア表面の形成されたアルミニウム合金製シリンダーブロックでは、Ｓｉ含有率の高いアルミニウム合金を使用せずとも、シリンダーボア表面の摺動特性やオイル保持能力を、鋳鉄製シリンダーライナー並みかそれ以上とすることができる。そのため、上記方法によれば、シリンダーボア表面に必要な特性を確保しつつも、安価に製造することができるようになる。
【００１４】
更に請求項６によるように、上記プラズマ照射を行う工程と、上記ホーニング加工を施す工程とを通じて、シリンダーボアの表面の有効負荷粗さＲｋが０．６５μｍより大きくなり、且つシリンダーボアの表面に螺旋状に形成された、凹凸の高低差が２μｍ未満のピット空白領域の幅が１．０ｍｍ以下となるようにした場合には、シリンダーボア表面に、鋳鉄製シリンダーライナー以上の耐スカッフ性を確保することができるようにもなる。
【００１５】
なお、こうして製造されるアルミニウム合金製シリンダーブロックの材料としては、請求項７によるように、ＡＤＣ１２を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】特殊粗さ曲線と負荷曲線とを示す図。
【図２】シリンダーボア表面の性状分布を模式的に示す略図
【図３】図２の III−III 線に沿った表面粗さ曲線を示す図。
【図４】Ｒｋ＋Ｒｖｋとオイル保持量との関係を示すグラフ。
【図５】往復摺動試験機の斜視構造を示す斜視図。
【図６】Ｒｋ＋Ｒｐｋと平均摩擦係数との関係を示すグラフ。
【図７】往復摺動試験機での試験中の摩擦力の推移を示すグラフ。
【図８】Ｒｋとスカッフ時間との関係を示すグラフ。
【図９】ピット空白領域の幅とスカッフ時間との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明のアルミニウム合金製シリンダーブロック及びその製造方法を具体化した一実施形態を、図１〜図９を参照して詳細に説明する。
本実施の形態のアルミニウム合金製シリンダーブロックは、そのシリンダーボア部分にアルミダイカスト材（ＡＤＣ１２）を使用したものとなっている。そしてシリンダーボアの表面には、その粗面化及び硬化のためのプラズマ照射の後、ホーニング加工が施されている。なお、このときのプラズマ照射は、出力：２００Ｗ、処理能力：２０立方ミリメートル／秒で行っている。
【００１８】
またシリンダーボアの表面性状は、接触式粗さ測定機により複数箇所で測定した有効負荷粗さＲｋ、初期摩耗高さＲｐｋ、油溜まり深さＲｖｋが、以下の条件（Ａ）〜（Ｃ）のすべてを満すように形成されている。
【００１９】
Ｒｋ＋Ｒｐｋ  ＜  １．０μｍ      …（Ａ）
Ｒｋ＋Ｒｖｋ  ＜  ２．０μｍ      …（Ｂ）
Ｒｋ  ＞  ０．６５μｍ    …（Ｃ）
ここで条件（Ａ）〜（Ｃ）を規定する有効負荷粗さＲｋ、初期摩耗高さＲｐｋ、油溜まり深さＲｖｋは、以下のように規定されたものとなっている。
【００２０】
図１の左側に示される曲線は、ＩＳＯ１３５６５及びＤＩＮ４７７６に規定される態様で、表面粗さ曲線にフィルターをかけてうねりを除去したものとなっている。また同図１の右側に示す負荷曲線は、特殊粗さ曲線を抽出曲線とし、これから評価長さ法およびμｍ法によって求めたもので、統計学上でいう累計確率密度関数に相当するものとなっている。
【００２１】
更に同図に示す線分ＡＢは、負荷曲線において、負荷長さ率（ｔｐ値）の方向に４０％の幅をとり、この両端の高さの差が最小となる位置を探し、その２点を通る直線（最小傾斜直線）を示すものとなっている。なお同図の点Ａは、この最小傾斜直線と、ｔｐ＝０％の限界線との交点であり、点Ｃは、この点Ａからの水平線と負荷曲線との交点となっている。また点Ｂは、最小傾斜直線と、ｔｐ＝１００％の限界線との交点であり、点Ｄは、この点Ｂからの水平線と負荷曲線との交点となっている。
【００２２】
こうした図において初期摩耗高さＲｐｋは、０％限界線と辺ＡＣと負荷曲線とで囲まれる部分の面積と等しい、辺ＡＣを一辺とする直角三角形をなすようなｔｐ＝０％の限界線上の高さとなっている。また油溜まり深さＲｖｋは、１００％限界線と辺ＢＤと負荷曲線とで囲まれる部分の面積と等しい、辺ＢＤを一辺とする直角三角形をなすような１００％限界線上の高さとなっている。そして有効負荷粗さＲｋは、点Ｃ、点Ｄ間の高さの差となっている。
【００２３】
ちなみに、本実施の形態での表面粗さの測定条件は、次の通りとなっている。
評価長さ  ：  ０．８ｍｍ
測定長さ  ：  ４ｍｍ
前後予備長さ（助走距離）  ：  前後それぞれ０．４ｍｍ
測定速度  ：  ０．５ｍｍ／ｓ
触針形状  ：  ２μｍ、頂角６０°
フィルター  ：  ガウシアン
ところで、上述したシリンダーボア表面のプラズマ照射は、シリンダーボアの内周を螺旋状に走査しながらプラズマを照射して行なわれている。こうしたプラズマ照射にかかるコストを削減するには、プラズマの照射量（１気筒当りの照射長さ）を必要最小に抑える必要がある。そしてそのためには、照射のピッチを、すなわち図２に示すような照射中心の軌跡間の距離を、最大限に広げることが有効となる。照射のピッチをある程度に広げると、照射中心の軌跡の近傍には、プラズマの照射量が多く、照射中心の軌跡から離れた部分では、プラズマの照射量が少なくなる。そのため、このときのシリンダーボアの表面には、プラズマ照射中心の軌跡に直交する方向において、プラズマ照射による粗面化で多数のピットが形成された領域（ピット領域）と、目立ったピットが存在しないピット空白領域とが、交互に繰り返し表れることになる。
【００２４】
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったシリンダーボア表面の粗さ曲線を示している。ピット領域とピット領域との間には、凹凸の高低差が２μｍ未満のピット空白領域が形成されている。本実施の形態では、こうしたピット空白領域の幅が１．０ｍｍ以下となるように、プラズマ照射のピッチを設定するようにしている。
【００２５】
次に、上記条件（Ａ）〜（Ｃ）及び上記ピット空白領域の幅を規定した理由について説明する。
発明者らは、プラズマ照射条件、ホーニング条件を変化させ、様々な表面性状の試験片を作成し、オイル保持量の評価を行った。オイル保持量の評価は、オイルを塗布した試験片を立てかけたまま４時間放置し、その前後の質量差を測定することで行っている。なお、実際のエンジンに適用したときのエンジンのオイルの消費量を考慮すれば、シリンダーボア表面のオイル保持量は、少なくすることが望ましい。
【００２６】
その評価結果からは、図４に示すように、オイル保持量は、有効負荷粗さと油溜まり深さの加算値（Ｒｋ＋Ｒｖｋ）に相関を有していることが確かめられた。この結果は、シリンダーボア表面に形成された凹部にオイルが蓄積されることを考えれば、妥当なものである。同図に示すように、オイル保持量を、鋳鉄製シリンダーライナーと同等以下（０．１ｍｇ／平方ｃｍ以下）としたいのであれば、Ｒｋ＋Ｒｖｋは、２．０μｍよりも小さくする必要がある。
【００２７】
また発明者らは、表面性状を変化させた多数の試験片のフリクションの評価試験を行った。この試験は、図５に示すような、往復摺動試験機を作成して行われている。この往復摺動試験機は、試験片１が固定されるテーブル２と、ピストンリングの切出片３が固定されるテーブル４との２つのテーブルを備えている。そしてこの試験機は、荷重をかけて試験片１を切出片３に押し付けながら、テーブル４を上下に往復動させて、そのときの試験片１と切出片３との摺動摩擦力をロードセル５で測定することで評価試験を行うように構成されている。
【００２８】
こうした往復摺動試験機を用いたフリクションの評価試験の結果からは、フリクションは、図６に示すように、有効負荷粗さと初期摩耗高さとの加算値（Ｒｋ＋Ｒｐｋ）と相関があることが確かめられた。そして同図に示すように、摩擦係数を鋳鉄製シリンダーライナーと同等以下（０．０３以下）としたいのであれば、Ｒｋ＋Ｒｐｋは、１．０よりも小さくする必要がある。
【００２９】
更に発明者らは、表面性状を変化させた多数の試験片の耐スカッフ性の評価試験も行っている。この耐スカッフ性の評価試験も、図５に示した往復摺動試験機を使用して行っている。
【００３０】
図７は、試験中の試験片１、切出片３間の摺動摩擦力の推移を示している。試験開始後、試験片１、切出片３間の摺動摩擦力は、小さい値のまま推移しているが、スカッフィングが発生すると、急激に増大する。そこでここでは、試験開始から摺動摩擦力が急増するまでの時間（スカッフ時間）を、耐スカッフ性の指標値として測定することで、評価試験を行っている。
【００３１】
図８は、有効負荷粗さＲｋとスカッフ時間との関係を示している。この関係からは、スカッフ時間を鋳鉄製シリンダーライナーと同等以上（５分以上）となるのは、少なくとも、有効負荷粗さＲｋが「０．６５μｍ」を上回っているもののみとなっている。ただし、有効負荷粗さＲｋが「０．６５μｍ」を上回った試験片についても、スカッフ時間が５分を下回るものもある。
【００３２】
そこで更なる調査を行ったところ、耐スカッフ性は、上述したピット空白領域の幅にも相関があることが確認された。図９は、Ｒｋが「０．６５μｍ」を超える、図８の点線枠内に位置する試験片のピット空白領域の幅とスカッフ時間との関係を示したものである。同図に示すように、ピット空白領域の幅が１ｍｍ以上の試験片は、スカッフ時間が５分未満となっている。これは、ピット空白領域では、オイル保持性が低下して局所的な油膜切れが発生し、試験片１と切出片３とが直接接触し易くなるため、ピット空白領域が大きくなると、そこを起点にスカッフが発生するためであると考えられる。
【００３３】
以上の各評価試験の結果を纏めると、次の通りとなる。
・シリンダーボアのオイル保持量を鋳鉄製シリンダーライナーと同等以下とするには、有効負荷粗さと油溜まり深さの加算値（Ｒｋ＋Ｒｖｋ）を２．０μｍよりも小さくする必要がある。
【００３４】
・シリンダーボア、ピストンリング間の摩擦係数を鋳鉄製シリンダーライナーと同等以下とするには、有効負荷粗さと初期摩耗高さとの加算値（Ｒｋ＋Ｒｐｋ）を１．０よりも小さくする必要がある。
【００３５】
・シリンダーボアの耐スカッフ性を鋳鉄製シリンダーライナーと同等以上とするには、有効負荷粗さＲｋを０．６５μｍよりも大きくし、且つピット空白領域の幅を１．０ｍｍ以下とする必要がある。
【００３６】
以上説明した本実施の形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施の形態では、有効負荷粗さを「Ｒｋ」、初期摩耗高さを「Ｒｐｋ」、油溜まり深さを「Ｒｖｋ」としたとき、シリンダーボアの表面を、「Ｒｋ＋Ｒｐｋ  ＜  １．０μｍ」、且つ「Ｒｋ＋Ｒｖｋ  ＜  ２．０μｍ」となるように形成している。このようにシリンダーボア表面の形成されたアルミニウム合金製シリンダーブロックでは、Ｓｉ含有率の高いアルミニウム合金を使用せずとも、シリンダーボア表面の摺動特性やオイル保持能力を、鋳鉄製シリンダーライナー並みかそれ以上とすることができる。そのため、本実施の形態によれば、シリンダーボア表面に必要な特性を確保しつつも、安価に製造することができるようになる。
【００３７】
（２）本実施の形態では、有効負荷粗さＲｋを０．６５μｍより大きくするとともに、シリンダーボアの表面に螺旋状に形成された、凹凸の高低差が２μｍ未満のピット空白領域の幅を１．０ｍｍ以下とするようにしている。そのため、シリンダーボア表面に、鋳鉄製シリンダーライナー以上の耐スカッフ性を確保することができるようになる。
【００３８】
（３）本実施の形態では、高Ｓｉ材に比して安価なアルミダイカスト材（ＡＤＣ１２）を使用しているため、アルミニウム合金製シリンダーブロックを比較的安価に製造することができるようになる。
【００３９】
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。
・上記実施の形態では、シリンダーブロックの材料としてＡＤＣ１２を使用するようにしていたが、それ以外のアルミニウム合金を用いるようにしても良い。
【符号の説明】
【００４０】
１…試験片、２…テーブル、３…ピストンリングの切出片、４…テーブル、５…ロードセル、Ｒｋ…有効負荷粗さ、Ｒｐｋ…初期摩耗高さ、Ｒｖｋ…油溜まり深さ。
【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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【図９】
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