(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｓｉ：１４．５〜１６．５％、Ｃｕ：３．０〜４．０％、Ｍｇ：０．５５〜０．９０％、Ｍｎ：０．４０〜０．６０％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．１５％、Ｐ：０．０３〜０．０５％、Ｆｅ：０．７〜１．２％、Ｚｎ：１．０％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下を含み、残部Ａｌおよび不純物の成分組成を有し、ダイカスト高圧鋳造法により、平均粒径４〜６μｍの初晶ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系の金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金部材と、Ｎｉ，Ｐ，Ｃｏからなるめっきマトリクスに六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含む粒子分散複合めっき相手部材とを組み合わせたことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
アルミニウム合金部材は、機械研磨、電解研磨、化学研磨等の研磨によりアルミニウム合金部材表面から初晶Ｓｉが０．３〜１．５μｍ突出しかつまた表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
アルミニウム合金部材に対し、摺動方向と垂直方向において、加工目の加工傷の交差角が２５〜５５°となるクロスハッチ加工目をもちかつまた摺動方向で計測した表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
【請求項４】
粒子分散複合めっき相手部材のマトリクス組成が、Ｐ：０．２〜１０％、Ｃｏ：１０〜４０％を含み、残部Ｎｉおよび不純物からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項５】
粒子分散複合めっき相手部材について、基材が炭素鋼，鋳鉄，ステンレス鋼のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項６】
粒子分散複合めっき相手部材について、分散粒子の平均粒径が０．５〜１０μｍとなる六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含んでいることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項７】
粒子分散複合めっき相手部材について、固体潤滑材である六方晶窒化硼素からなる分散粒子を５〜１０面積％分散していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項８】
粒子分散複合めっき相手部材について、高強度材である窒化珪素からなる分散粒子を５〜３０面積％分散していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項９】
アルミニウム合金部材が内燃機関のシリンダボアであり、粒子分散複合めっき相手部材がピストントップリングおよびセカンドリングである組み合わせとしたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項１０】
アルミニウム合金部材が内燃機関のシリンダボアであり、粒子分散複合めっき相手部材がオイルリングである組み合わせとしたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項１１】
粒子分散複合めっき相手部材がピストントップリング，セカンドリングまたはオイルリングであり、粒子分散複合めっきの上に、二硫化モリブデン，グラファイト，三酸化アンチモン，ポリテトラフルオロエチレンのうちから選ばれる１種以上の粒子を含む樹脂をマトリクスとした焼成膜が成膜されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な初晶ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系の金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金部材と、Ｎｉ，Ｐ，Ｃｏからなるめっきマトリクスに六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含む粒子分散複合めっき相手部材とを組み合わせた摺動部材とすることにより、双方の摺動部材の耐摩耗性および摺動時の耐焼き付き性を向上した摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃費の向上や運動性能の向上のため、自動車部品の軽量化が継続的に進められているが、その一つの方策として、材料置換による軽量化を挙げることができ、特に、従来の鉄からそれよりも比重の小さいアルミニウム等の軽金属への材料置換が盛んに行われている。
【０００３】
自動車用内燃機関において、既にアルミニウム合金製のシリンダブロックが普及しているが、耐摩耗性や耐焼き付き性が要求されるシリンダボアについては、鋳鉄ボアを用いるのが一般的である。しかしながら、より一層の部品軽量化のため、一部、ボア材自体をシリンダ材と異なる成分のアルミニウム合金とするか、また、シリンダブロック材をそのまま用いるケースも散見される様になってきた。
【０００４】
通常、シリンダボアの材質を鋳鉄からアルミニウム合金に置き換える場合、アルミニウム合金上にめっきや溶射等の表面処理を行うか、初晶Ｓｉや分散強化粒子を含む組織とすることで、ボア表面の耐摩耗性や耐焼き付き性を向上する方策が採られている。
【０００５】
これに関連する特許公報として、アルミニウム合金と粒子分散複合めっきとの組み合わせとした摺動部材を開示した特公平３−３７０２８号公報や特開平９−４２４４７号公報等がある。
【０００６】
このうち、前者の特公平３−３７０２８号公報では、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金製シリンダと窒化珪素粒子を分散させたＮｉ−Ｐ系またはＮｉ−Ｐ−Ｃｏ系複合めっきとの組み合わせに関する規定を行っている。
【０００７】
また、後者の特開平９−４２４４７号公報では、Ｓｉ量が７〜３０重量％からなるアルミニウム合金と窒化硼素等の分散材を含むＮｉ−Ｐ系複合めっきとの組み合わせに関する規定を行っている。
【０００８】
これらの公報によれば、上述のアルミニウム合金に対し、相手材としてＮｉ，Ｐを主とした粒子分散複合めっきを施した摺動部材を用いることで、双方の摩耗を抑制できるとしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの公報は、広範囲なアルミニウム合金の規定を行っている点に関し、公報の中で詳述される実施例において、前者の特公平３−３７０２８号公報の場合では、Ａ３９０合金の評価を行っている点で重力鋳造または低圧鋳造によるアルミニウム合金と考えられ、Ａ３９０合金は含有Ｓｉ量が多いことから初晶Ｓｉの粒径およびＳｉの含有量は本発明によるものと大きく異なる。
【００１０】
アルミニウム合金中に含有されるＳｉ量は、摩耗特性に大きく関与する初晶Ｓｉの量に対応し、摩耗特性や焼き付き特性に大きな影響を及ぼす。同様に、後者の特開平９−４２４４７号公報においても、ここでの実施例は１８重量％Ｓｉのアルミニウム合金であり、初晶Ｓｉの量が本発明によるものと異なり、このため、摩耗特性に大きく関与する初晶Ｓｉの晶出量も異なる。
【００１１】
ダイカスト高圧鋳造法により初晶Ｓｉを３〜１０μｍまで微細化したアルミニウム合金を用いたシリンダボアとピストンリングとの組み合わせについて、特に、初晶Ｓｉの状態を含めた表面性状と相手材の表面処理とに着目した発明はこれまでに例が無い。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、被削性向上のためＳｉの含有量を抑えた成分とし、かつ、生産性の高いダイカスト工法により製造されるアルミニウム合金部材と、これと摺動する相手部材とについて双方での耐摩耗性と耐焼き付き性を改善することにある。
【００１３】
【発明の目的】
本発明は上述した課題にかんがみてなされたものであって、相互に摺動する部材において耐摩耗性に優れていると共に耐焼き付き性がより一層改善された摺動部材を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる摺動部材は、請求項１に記載しているように、重量％で、Ｓｉ：１４．５〜１６．５％、Ｃｕ：３．０〜４．０％、Ｍｇ：０．５５〜０．９０％、Ｍｎ：０．４０〜０．６０％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．１５％、Ｐ：０．０３〜０．０５％、Ｆｅ：０．７〜１．２％、Ｚｎ：１．０％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下を含み、残部Ａｌおよび不純物の成分組成を有し、ダイカスト高圧鋳造法により、平均粒径４〜６μｍの初晶ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系の金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金部材と、Ｎｉ，Ｐ，Ｃｏからなるめっきマトリクスに六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含む粒子分散複合めっき相手部材とを組み合わせたものとしたことを特徴としている。
【００１５】
そして、本発明に係わる摺動部材においては、請求項２に記載しているように、アルミニウム合金部材は、機械研磨、電解研磨、化学研磨等の研磨によりアルミニウム合金部材表面から初晶Ｓｉが０．３〜１．５μｍ突出しかつまた表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであるものとすることができる。
【００１６】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項３に記載しているように、アルミニウム合金部材に対し、摺動方向と垂直方向において、加工目の加工傷の交差角が２５〜５５°となるクロスハッチ加工目をもちかつまた摺動方向で計測した表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであるものとすることができる。
【００１７】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項４に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材のマトリクス組成が、Ｐ：０．２〜１０％、Ｃｏ：１０〜４０％を含み、残部Ｎｉおよび不純物からなるものとすることができる。
【００１８】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項５に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、基材が炭素鋼，鋳鉄，ステンレス鋼のいずれかであるものとすることができる。
【００１９】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項６に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、分散粒子の平均粒径が０．５〜１０μｍとなる六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含んでいるものとすることができる。
【００２０】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項７に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、固体潤滑材である六方晶窒化硼素からなる分散粒子を５〜１０面積％分散しているものとすることができる。
【００２１】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項８に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、高強度材である窒化珪素からなる分散粒子を５〜３０面積％分散しているものとすることができる。
【００２２】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項９に記載しているように、アルミニウム合金部材が内燃機関のシリンダボアであり、粒子分散複合めっき相手部材がピストントップリングおよびセカンドリングである組み合わせとすることができる。
【００２３】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項１０に記載しているように、アルミニウム合金部材が内燃機関のシリンダボアであり、粒子分散複合めっき相手部材がオイルリングである組み合わせとすることができる。
【００２４】
同じく、本発明に係わる摺動部材においては、請求項１１に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材がピストントップリング，セカンドリングまたはオイルリングであり、粒子分散複合めっきの上に、二硫化モリブデン，グラファイト，三酸化アンチモン，ポリテトラフルオロエチレンのうちから選ばれる１種以上の粒子を含む樹脂をマトリクスとした焼成膜が成膜されているものとすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
過共晶アルミニウム合金と表面処理の組み合わせとなる従来の発明では、アルミニウム合金の成分組成を広範囲に設定する場合が多く、アルミニウム合金の摩耗特性において重要な因子となる鋳造等の製造方法や、表面の仕上げ方法に関する規定を含んだ例は非常に少ない。例えば、前述した従来技術の発明における実施例によれば、重力鋳造や低圧鋳造によるもの、または、Ｓｉ含有量が本発明に比べ多い組成のアルミニウム合金での効果を示すに留まり、必ずしも広範囲なアルミニウム合金を対象として発明の有効性を示すものではない。
【００２６】
本発明では、ダイカスト工法のような高圧鋳造で得られる微小粒径の初晶Ｓｉに着目し、アルミニウム合金の表面性状，相手部材の成分および分散材の種類、さらには摺動条件等を考慮したものであって、従来の発明ではこれまでのところこのような考慮はなされていない。さらに、本発明者らの広範囲におよぶ様々な材料組合せの実験結果によれば、ダイカスト工法によるアルミニウム合金の摩耗や焼き付き性については、単に、従来の特許公報に記載された発明に従った複合めっき系の表面処理をした相手部材との組み合わせとしても、必ずしも期待通りの摩耗低減効果や耐焼き付き性改善効果の得られない場合もあることがわかっている。
【００２７】
本発明で用いられるアルミニウム合金は、含有するＳｉ量が１４．５〜１６．５重量％であり、ダイカスト工法により、初晶Ｓｉが画像処理の条件にもよるが面積比で平均４〜６面積％晶出し、この時初晶Ｓｉの平均粒径は３〜１０μｍとなる微細な結晶が得られる。これは、前出の従来技術等で過共晶アルミニウム合金として引用されるＡ３９０合金に比べＳｉ量が少ない為、溶湯温度の低下等により鋳造性が大幅に改善され、また、初晶Ｓｉ量が大幅に減少する為、加工時の被削性は著しく向上する。しかしながら、初晶Ｓｉの硬さはＨｖ１０００を大きく超え、アルミニウム合金の耐摩耗性向上に有効な強化粒子でもあるため、本発明で規定するアルミニウム合金では、幾つかの他の元素を添加することで金属間化合物を析出させ、初晶Ｓｉ量の不足分を補完する構成としている。
【００２８】
すなわち、本発明で用いるアルミニウム合金では、重量％で、Ｓｉ：１４．５〜１６．５％、Ｃｕ：３．０〜４．０％、Ｍｇ：０．５５〜０．９０％、Ｍｎ：０．４０〜０．６０％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．１５％、Ｐ：０．０３〜０．０５％、Ｆｅ：０．７〜１．２％、Ｚｎ：１．０％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下を含み、残部Ａｌおよび不純物の成分組成を有し、平均粒径３〜１０μｍの初晶ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系の金属間化合物が晶出しているものとした。
【００２９】
このような成分組成を持つダイカスト工法によるアルミニウム合金（部材）に対し、摺動面での初晶Ｓｉの突出状態，表面粗さ，加工目について、さらにそれらに応じた相手摺動部材の材質，表面処理である複合分散めっきの成分，分散粒子の材質，形状および分散量を規定することにより、双方の摩耗量を著しく低減し、かつ、耐焼き付き性を大幅に向上することが本発明の目的である。
【００３０】
アルミニウム合金の組織，初晶Ｓｉの量，初晶Ｓｉの突出状態，加工目，表面粗さ，相手部材の表面処理材等をさまざまに組み合わせた広範囲な摩擦試験を実施することで、摩耗や焼き付き性に及ぼす重要な因子として、従来の技術では言及されていない幾つかの要因があることが判明し、さらにこれらの組合せにより摺動の相手部材に必要とされる特性が異なることが様々の実験により明らかとなった。
【００３１】
すなわち、本発明に係わる摺動部材は、重量％で、Ｓｉ：１４．５〜１６．５％、Ｃｕ：３．０〜４．０％、Ｍｇ：０．５５〜０．９０％、Ｍｎ：０．４０〜０．６０％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．１５％、Ｐ：０．０３〜０．０５％、Ｆｅ：０．７〜１．２％、Ｚｎ：１．０％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下を含み、残部Ａｌおよび不純物の成分組成を有し、平均粒径３〜１０μｍの初晶ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系の金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金部材と、Ｎｉ，Ｐ，Ｃｏからなるめっきマトリクスに六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含む粒子分散複合めっき相手部材とを組み合わせたことを特徴とするものであって、アルミニウム合金の成分組成と組織について、また、この相手部材として組み合わせとなる粒子分散複合めっきの成分組成や、分散材の種類について規定を行ったものである。
【００３２】
ここで規定するアルミニウム合金は、Ｓｉ量を１４．５〜１６．５％として適度に抑え、かつ、その代わりにＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系の金属間化合物を晶出するよう合金成分を添加することで、従来の過共晶合金の被削性を大幅に改善しつつ耐摩耗性を同等に抑えたダイカスト工法による合金である。この合金の特徴は、Ａ３９０等の過共晶合金に比べ初晶Ｓｉの晶出量は少なく、また、粒径も小さいこともあり、これに適した相手部材が必要である。
【００３３】
本発明で規定したアルミニウム合金は硬質な初晶Ｓｉを含むため、相手部材には耐摩耗性が要求されることとなる。そこで、めっき硬さを著しく向上する効果のある窒化珪素粒子や、摺動部での摩擦力低減に有効な六方晶窒化硼素粒子を分散材として含むことを規定している。また、耐熱性向上に効果があるＣｏを含んだＮｉ−Ｐ−Ｃｏをめっきのマトリクスとして規定している。これは熱による耐摩耗性の悪化を抑制する効果が認められたためである。
【００３４】
本発明による摺動部材において、アルミニウム合金部材は、機械研磨、電解研磨、化学研磨等の研磨によりアルミニウム合金部材表面から初晶Ｓｉが０．３〜１．５μｍ突出しかつまた表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであるものとすることが適宜望ましく、アルミニウム合金の耐摩耗性を向上させるため、摺動面に露出している初晶Ｓｉのみを機械研磨、電解研磨、化学研磨等の研磨によりα相を主体とするものを表面から突出させることも望ましい。
【００３５】
これによれば、突出した初晶Ｓｉ粒子間での油の保持作用により潤滑状態を良好にする効果と、硬質粒子である初晶Ｓｉが摺動面に発生する荷重を優先的に分担することで合金全体の摩耗量抑制が可能となる。そして、初晶Ｓｉの突出高さはアルミニウム合金に晶出する初晶Ｓｉの粒径によって決定され、突出量が低いと効果が少なく、高すぎると摺動面から脱落し易くなってアブレシッブ摩耗の原因となる。本発明で用いるアルミニウム合金の初晶Ｓｉの平均粒径は３から１０μｍであるため、最大でも最小平均粒径の半分以下となる１．５μｍ以下とするのがよく、最小で０．３μｍ以上の突出量とすることが望ましい。そして、表面粗さは突出量から一義的に決まり、前述の初晶Ｓｉの突出高さの範囲とした場合に０．１〜０．５μｍとなる。
【００３６】
またこの際に、本発明で用いるアルミニウム合金で耐摩耗性を確保するもう一つの重要因子である金属間化合物については、初晶Ｓｉと同様に、マトリクスであるアルミニウムのα相よりも硬いため、表面から突出した状態となる。ただし、初晶Ｓｉで突出量の規定を行えば、金属間化合物の突出状態も一義的に決まるため、ここでは金属間化合物の突出量の高さを独自に規定する必要は無い。
【００３７】
本発明による摺動部材では、アルミニウム合金部材に対し、摺動方向と垂直方向において、加工目の加工傷の交差角が２５〜５５°となるクロスハッチ加工目をもちかつまた摺動方向で計測した表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであるものとすることができる。すなわち、アルミニウム合金の耐摩耗性を向上させる別の方法として、ここで述べたような従来のエンジンの鋳鉄製ボアで実績のあるクロスハッチ加工がある。そして、摺動面の加工目の方向が摺動方向に対しある角度を持って交差するので、摺動面での加工溝による油保持効果を得ることができ、潤滑油の供給量が少ない部位に用いた場合での摩耗量の低減に有効である。ここで規定したクロスハッチ加工の交差角は従来の鋳鉄ボアの実測値にアルミニウム合金シリンダボアの実験結果を考慮して修正した値であり、その交差角は２５〜５５°とするのが好ましく、また、表面粗さは油保持量と初期摩耗を抑えることを考慮して０．１〜０．５μｍとするのが適当である。
【００３８】
本発明による摺動部材において、粒子分散複合めっき相手部材のマトリクス組成が、Ｐ：０．２〜１０％、Ｃｏ：１０〜４０％を含み、残部Ｎｉおよび不純物からなるものとすることができるが、この場合のＰは熱処理によりめっきの硬さを挙げる効果がある。そして、Ｐ量が０．２％未満では熱硬化処理の効果が得られない傾向となり、１０％超過では硬度は増すもののかえって脆くなり、耐摩耗性悪化の原因となる。また、Ｃｏは合金基地の耐熱性，耐食性の改善および圧縮疲労強度の向上に有効であるが、１０％未満では上記効果が顕著に得られない傾向となり、４０％を超えても顕著な変化はないので、Ｃｏ量は１０〜４０％とするのが良い。
【００３９】
本発明による摺動部材において、粒子分散複合めっき相手部材はその基材を炭素鋼，鋳鉄，ステンレス鋼のいずれかであるものとすることも望ましく、摺動部で発生する面圧にもよるが、基材がある程度の硬さをもたないと、めっきが母材の変形に追従せずに剥離し、めっき側の摩耗増大とこの脱落粉によるアブレッシブ摩耗に繋がる可能性がある。
【００４０】
本発明による摺動部材において、粒子分散複合めっき相手部材に含まれる分散粒子の平均粒径は０．５〜１０μｍとなる六方晶窒化硼素や窒化珪素からなるものとすることができる。このめっき中に分散する粒子の粒径には最適値があり、それぞれ摩擦特性や摩耗特性により決定される。そして、六方晶窒化硼素は固体潤滑材であり、この効果を得るために０．５μｍ以上とある程度粒径が大きくないと、結晶中の滑り機構が発現せず、摩擦係数を低減する効果が得られない。また、１０μｍを超えるとめっき全体の硬度低下に繋がり、めっきの耐摩耗性を悪化させてしまうこともありうる。一方、窒化珪素は硬さがＨｖで２０００前後と高く、粒子が０．５μｍ未満ではめっき全体の硬さを増大する効果が得られなかったり脱落し易くなったりし、アブレッシブ摩耗の原因となることもありうる。また、１０μｍを超えると相手攻撃性が強くなり、アルミニウム合金の耐摩耗性が低下する傾向となる。
【００４１】
本発明による摺動部材において、粒子分散複合めっき相手部材に含まれる六方晶窒化硼素のめっき中への分散量は５〜１０面積％とするのが良く、上記窒化珪素の場合と同様に、５面積％では固体潤滑材としての効果が得がたく、１０面積％超過ではめっき全体の硬度低下に繋がる傾向となる。
【００４２】
本発明による摺動部材において、粒子分散複合めっき相手部材に含まれる窒化珪素のめっき中への分散量は５〜３０面積％とするのが良く、５面積％未満ではめっき硬さへの影響が得られない傾向となり、３０面積％超過では相手攻撃性が強くなるためアルミニウム合金部材の摩耗を増大させてしまう傾向となる。
【００４３】
本発明による摺動部材では、アルミニウム合金中の初晶Ｓｉを突出する仕上げ加工を施したアルミニウム合金部材とその相手部材についての組み合わせと部品適用にていては種々の態様を考えることができる。そして、ダイカスト工法によるアルミニウム合金では、キーとなる初晶Ｓｉ粒子が低圧鋳造材等に比べて小さいため、摺動中に突出した初晶Ｓｉの粒子をいかにして脱落させないかがアルミニウム合金の耐摩耗性を確保する上で重要である。そこで、この点に着目しさまざまな表面処理を試みてきた結果、固体潤滑材である六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）を分散させたＮｉ−Ｐ−Ｃｏめっきとすることで著しい効果が得られた。この原因としては、固体潤滑材をめっき中に含むことにより、摺動時にアルミニウム合金中の初晶Ｓｉと相手部材のめっき表面の突起とが干渉した際に生じる固体接触部でのせん断力が固体潤滑材を含むことで大幅に軽減され、摺動面の突出した初晶Ｓｉの脱落を抑止しているためと考えられる。そして、接触点でのせん断力の低下は相手部材のめっきの摩耗抑制にも有効である。
【００４４】
これらの組み合わせのエンジン部品での適用として、耐摩耗性，耐焼き付き性の必要とされるアルミニウム合金のシリンダボアと、粒子分散複合めっきを施したピストントップリングおよびセカンドリングとすることができる。ここでの摺動は、アルミニウム合金シリンダボア側での上死点摩耗が問題となり、相手攻撃性が少なく、かつまた、自身の耐摩耗性もある程度持ちあわせた相手材が必要となる。
【００４５】
摺動条件は、最大面圧が２０ＭＰａ以下とアルミニウム合金の塑性変形領域より低く、また、潤滑油量が少ない点や摺動速度が大きい範囲で変動する点で、前述の初晶Ｓｉをいかにして保持するかに着目した改善が有効と考えられる。このため、表面のアルミニウム合金製シリンダボアとの組み合わせでは、固体潤滑材として六方晶窒化硼素を分散した粒子分散複合めっきを施したピストントップリングおよびセカンドリングを相手部材とすることで、本発明の効果が得られる。
【００４６】
また、表面をクロスハッチ加工したアルミニウム合金部材とその相手部材との組み合わせとした場合において、クロスハッチ加工したときには、加工溝に保持される潤滑油によりアルミニウム合金の耐摩耗性は大幅に改善される。一方、表層の初晶Ｓｉは加工時に破砕する割合が高く、初期の耐摩耗性に関して初晶Ｓｉの役割はそれほど大きくないと考えられる。むしろ、初期の摺動でアルミニウム合金の表面に残留した初晶Ｓｉの破砕粉が脱落する場合があるので、相手部材にも耐摩耗性が要求される。そして、固体潤滑材である六方晶窒化硼素を分散した粒子分散複合めっきは、硬度は低いものの摺動部で発生する摩擦係数が低くなるためトップリングやセカンドリングでの負荷に対しては十分な耐摩耗性を示す。また、硬質粒子である窒化珪素を分散した粒子分散複合めっきの場合、硬度が大きく向上するためよりすぐれた耐摩耗性を示す。さらにまた、アルミニウム合金がクロスハッチ加工されたものであると、潤滑油の保持効果がさらに期待できることから窒化珪素による相手攻撃性もある程度吸収される。ただし、さらに硬度の高い炭化珪素を分散した粒子分散複合めっきでは、自身の耐摩耗性には優れるものの粒子の形状が鋭利であるため、クロスハッチ加工による効果だけでは吸収できず、アルミニウム合金側が大きく摩耗することもありうる。このため、クロスハッチ加工目をもつアルミニウム合金シリンダボアとの組み合わせでは六方晶窒化硼素および／または窒化珪素を分散した粒子分散複合めっきのピストントップリングおよびセカンドリングを相手部材とすることで、本発明の効果が得られる。
【００４７】
さらにまた、初晶Ｓｉを突出する仕上げ加工を施したアルミニウ合金、または、表面をクロスハッチ加工としたアルミニウム合金をシリンダボアとし、相手部材となるオイルリングは窒化珪素を分散した粒子分散複合めっきとしたものとする組み合わせもある。オイルリングの摩耗形態を綿密に調査した結果、ピストントップリングやセカンドリングの摩耗の傾向が異なることが実験により明らかになった。一般に、シリンダボアの摩耗はトップリングの上死点近辺が最も多く、次にセカンドリングの折り返し点となり、オイルリングの折り返し点が最も少ない。これは、温度や爆発時の面圧が低く、また、潤滑油量が潤沢であることによる。
【００４８】
一方、オイルリングは他のリングに比べ最も張力が大きく、また、シリンダボアと接するのはオイルリングを構成する上下２枚のレール側面であり、ここでの曲率はピストンリングの中で最も小さいため、爆発時を除く全工程において接点での面圧が最も高い。実際に、過共晶アルミニウム合金をシリンダボアとして用いたエンジン耐久試験においてもこの傾向が大きく現れ、オイルリングの摩耗が最も多いことが確認されている。
【００４９】
したがって、硬さの低い六方晶窒化硼素を分散した粒子分散複合めっきでは耐摩耗性が不十分であり、硬さの高い窒化珪素を分散した粒子分散複合めっきを施したオイルリングが適している。また、窒化珪素を分散した粒子分散複合めっきを用いた場合においては、シリンダボア表面の形態によらずシリンダボア，オイルリングともに摩耗量が問題とならないレベルとなることを実験で検証している。
【００５０】
本発明で規定するアルミニウム合金部材であるシリンダボアと摺動する相手部材であるピストンリングおよびオイルリングにおいて、リング側の粒子分散複合めっきの上に、シリンダボアとの摺動における耐摩耗性，耐焼き付き性を向上する二硫化モリブデン等の固体潤滑材を含む樹脂焼成膜を塗布することも適宜望ましい。本発明によるアルミニウム合金部材との摺動において、耐焼き付き性や耐摩耗性に影響する最も重要な因子はアルミニウム合金中の初晶Ｓｉである。固体潤滑材を含む焼成膜は、加工時に破砕されながら表面に残留した初晶Ｓｉ粒子が摺動初期に脱落して発生する脱落粉や、突出しすぎた初晶Ｓｉ粒子の相手攻撃性を抑制する点、また、リングとボアでの均一な当たりだしを促進し、片当たりによる２次的な初晶Ｓｉの脱落粉の発生を抑えるのに有効である。そして、このような効果を得るための固体潤滑材としては、二硫化モリブデンのほか、グラファイト（黒鉛），三酸化アンチモン，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が挙げられる。
【００５１】
以上、本発明で規定するアルミニウム合金部材およびこれと摺動する相手部材との組み合わせについて説明したが、本発明によるアルミニウム合金部材は、従来の特許公報で見られるＡ３９０等の耐摩耗性アルミニウム合金に比べＳｉ含有量が少なく、被削性の向上が可能であると共に、ダイカスト工法によることができるため生産性の向上も可能となり、低コストなものにすることができ、したがって、低コストで耐摩耗性，耐焼き付き性に優れた摺動部材とすることが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明による摺動部材では、請求項１に記載しているように、重量％で、Ｓｉ：１４．５〜１６．５％、Ｃｕ：３．０〜４．０％、Ｍｇ：０．５５〜０．９０％、Ｍｎ：０．４０〜０．６０％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．１５％、Ｐ：０．０３〜０．０５％、Ｆｅ：０．７〜１．２％、Ｚｎ：１．０％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下を含み、残部Ａｌおよび不純物の成分組成を有し、ダイカスト高圧鋳造法により、平均粒径４〜６μｍの初晶ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系の金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金部材と、Ｎｉ，Ｐ，Ｃｏからなるめっきマトリクスに六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含む粒子分散複合めっき相手部材とを組み合わせたものとしたから、Ｓｉ含有量が抑制されているため被削性が良好であると共にダイカスト工法の適用が可能であり、耐摩耗性に優れ耐焼き付き性にも優れた摺動部材を提供することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００５３】
そして、請求項２に記載しているように、アルミニウム合金部材は、機械研磨、電解研磨、化学研磨等の研磨によりアルミニウム合金部材表面から初晶Ｓｉが０．３〜１．５μｍ突出しかつまた表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであるものとすることによって、突出した初晶Ｓｉ粒子間での油の保持作用により潤滑状態を良好に維持することが可能であり、摺動面に発生する荷重を初晶Ｓｉにより優先的に分担することにより耐摩耗性を良好なものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５４】
また、請求項３に記載しているように、アルミニウム合金部材に対し、摺動方向と垂直方向において、加工目の加工傷の交差角が２５〜５５°となるクロスハッチ加工目をもちかつまた摺動方向で計測した表面粗さがＲａ：０．１〜０．５μｍであるものとすることによって、摺動面での加工溝による油保持効果を得ることが可能であり、潤滑油量が少ないときでも耐摩耗性を良好なものとすることが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００５５】
さらにまた、請求項４に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材のマトリクス組成が、Ｐ：０．２〜１０％、Ｃｏ：１０〜４０％を含み、残部Ｎｉおよび不純物からなるものとすることによって、相手部材の耐熱性，耐食性，耐摩耗性を良好なものにすることが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００５６】
さらにまた、請求項５に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、基材が炭素鋼，鋳鉄，ステンレス鋼のいずれかであるものとすることによって、相手部材の硬さを確保して基材の変形に対してめっきが十分に追従するものとすることができ、基材の変形によるめっき層の剥離を防止することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００５７】
さらにまた、請求項６に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、分散粒子の平均粒径が０．５〜１０μｍとなる六方晶窒化硼素および窒化珪素のうち少なくとも１種からなる分散粒子を含んでいるものとすることによって、自身の耐摩耗性が良好であると共に相手材に対する攻撃性が小さい耐摩耗性に優れた摺動部材を提供することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００５８】
さらにまた、請求項７に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、固体潤滑材である六方晶窒化硼素からなる分散粒子を５〜１０面積％分散しているものとすることによって、自己の潤滑性に優れ、アルミニウム合金部材に対する攻撃性の小さい複合めっき相手部材とすることが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００５９】
さらにまた、請求項８に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材について、高強度材である窒化珪素からなる分散粒子を５〜３０面積％分散しているものとすることによって、適度の硬さを有する耐摩耗性に優れた複合めっき相手部材とすることが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００６０】
さらにまた、請求項９に記載しているように、アルミニウム合金部材が内燃機関のシリンダボアであり、粒子分散複合めっき相手部材がピストントップリングおよびセカンドリングである組み合わせとすることによって、耐摩耗性および耐焼き付き性に優れた内燃機関のシリンダとピストンリングの組み合わせとすることが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００６１】
さらにまた、請求項１０に記載しているように、アルミニウム合金部材が内燃機関のシリンダボアであり、粒子分散複合めっき相手部材がオイルリングである組み合わせとすることによって、耐摩耗性および耐焼き付き性に優れた内燃機関のシリンダとオイルリングの組み合わせとすることが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００６２】
さらにまた、請求項１１に記載しているように、粒子分散複合めっき相手部材がピストントップリング，セカンドリングまたはオイルリングであり、粒子分散複合めっきの上に、二硫化モリブデン，グラファイト，三酸化アンチモン，ポリテトラフルオロエチレンのうちから選ばれる１種以上の粒子を含む樹脂をマトリクスとした焼成膜が成膜されているものとすることによって、ピストンリングやオイルリングのシリンダボアとの摺動面における耐摩耗性および耐焼き付き性をさらに向上したものとすることが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【００６３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定されないことはいうまでもない。
【００６４】
本発明による摺動部材の特性を評価するにあたり、アルミニウム合金部材の表面仕上げ，相手部材の表面処理，粒子分散複合めっきの場合は分散粒子の種類，量，粒径等について、それぞれ異なる複数の試験片を試作し、単体での基礎摩耗試験により評価を行った。
【００６５】
本発明による効果は、摩耗量の低減と耐焼き付き性の向上であるので、評価に際してはリング／プレート型の単体摩耗試験装置を用い、一定荷重下での摩耗量を計測する摩耗試験と、連続的に荷重を上昇させて摩擦係数が不安定または急増した点を計測するスカッフ試験を行った。これらの評価方法は実際のエンジンを使った評価と比較的相関の取れている方法である。また、プレート試験片には本発明で規定する成分で且つ初晶Ｓｉの平均粒径が４〜６μｍとなるダイカスト合金を用いた。さらにまた、相手部材としてのリングには炭素鋼と、比較材としてアルミニウム材を用いた。潤滑油は市販のエンジンオイル５Ｗ３０ＳＧを用いた。試験した組み合わせの詳細を表１に示す。
【００６６】
【表１】
0003891732.tif 000002
摩耗試験およびスカッフ試験の条件について説明する。この試験はすべて新品の試験片および潤滑油を用いて行った。このときの試験条件を以下に示す。
【００６７】
（１）往復動単体摩耗試験
押しつけ荷重    ：３０ｋｇ
接触状態        ：面接触
リング外径／内径：２６／２０ｍｍ
平均滑り速度    ：０．２ｍ／ｓ
潤滑油温        ：２０℃（室温）
潤滑油種        ：市販エンジン油，５Ｗ３０ＳＧ規格
潤滑方法        ：バスタブ式
試験時間        ：２０分
（２）往復動単体スカッフ試験
押しつけ荷重    ：１０ｋｇｆ／ｍｉｎで増加
平均滑り速度    ：０．２ｍ／ｓ
試験時の温度    ：２０℃（室温）
潤滑油種        ：市販エンジン油，５Ｗ３０ＳＧ規格
潤滑方法        ：試験前にリング試験片摺動部に塗布のみ
さらに、実際のエンジンを用いた耐久試験を行い、本発明で規定したシリンダボアやピストンリングについて評価を行った。エンジン耐久試験の条件を以下に示す。このときの試験の組み合わせはエンジンの４気筒をそれぞれ違う組み合わせとし、ボア面の初晶Ｓｉを突出させたシリンダブロックとボア面をクロスハッチ加工したシリンダブロック２台を用いて２度の試験を行った。各組み合わせを表２に示す。
【００６８】
【表２】
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（３）エンジン耐久試験
エンジン        ：直列４気筒，排気量１３００ｃｃ
耐久条件        ：６０００ｒｐｍ一定で１００時間
潤滑油温        ：１１０℃
潤滑油種        ：市販エンジン油，５Ｗ３０ＳＧ規格
以下、試験結果について簡単に説明し、（１）および（２）の単体による摩耗試験およびスカッフ試験の結果については実施例および比較例に分類して表１に示し、（３）のエンジン耐久試験結果を図１および図２に示す。
【００６９】
リング／プレート式による単体試験の結果について以下簡単に説明する。
【００７０】
表１に示す実施例１から実施例６はいずれも本発明で規定する条件を満たすものであり、これらに従えば、リング側およびプレート側の摩耗量を抑え、また、高いスカッフ発生面圧が得られ、アルミニウム合金部材とその相手部材の耐摩耗性および耐焼き付き性を向上することが確認できた。
【００７１】
比較例１から比較例８は本発明で規定する条件から外れた項目があり、リングまたはプレート側の摩耗量が多いか、あるいは、スカッフ発生面圧が実施例に比べて低い値を示した。
【００７２】
このうち、比較例１はアルミニウム合金部材の初晶Ｓｉの突出量が２．３μｍと大きいため、リング側への相手攻撃性による摩耗が多く、また、初晶Ｓｉの突出量が大きすぎるため粒子が脱落しやすくなり、脱落粒子によるアブレッシブ摩耗でリングおよびプレート双方の摩耗量が増大したものと考えられる。
【００７３】
また、比較例２は基材がアルミニウムであるため、試験開始早々にリング側のめっき層がリング自体の弾性変形に追従できず剥離し、アブレシッブ摩耗となり、異常摩耗したものと考えられる。
【００７４】
さらに、比較例３はプレート側の初晶Ｓｉがほとんど突出していないため、保油性が悪化し、スカッフ荷重が低かったものと考えられる。
【００７５】
さらにまた、比較例４はリングの表面処理がＣｒめっきであり、硬さがＮｉ−Ｐ−Ｃｏめっき比べ低いことから、リング側の摩耗量が多くなったものと考えられる。
【００７６】
さらにまた、比較例５はリングの表面処理を窒化処理としたものであり、窒化処理により表面硬さはＨｖ１０００を優に超え、これはＮｉ−Ｐ−Ｃｏの約Ｈｖ８００〜９５０に比べてずっと高いためリング側の相手攻撃性が強く、プレート側の摩耗量が多くなり、摩耗粉等の影響でスカッフ発生面圧が低くなったものと考えられる。
【００７７】
さらにまた、比較例６はクロスハッチ加工の粗さがＲａ０．０５μｍとかなり小さく、プレート合金側の保油性が低いことにより摩耗が悪化したものと考えられる。
【００７８】
さらにまた、比較例７はクロスハッチ加工による表面粗さがＲａ１．２μｍと大きく、表面粗さが粗いためリング側への相手攻撃性が強く、また、表面粗さが粗すぎるためプレート表面の初晶Ｓｉの破砕率が非常に高いことからこれが摺動初期に脱落し、アブレッシブ摩耗を引き起こしたものと考えられる。
【００７９】
さらにまた、比較例８は硬質粒子である炭化珪素（ＳｉＣ）をリング側のめっきに分散したもので、炭化珪素による相手攻撃性が強いことからプレートの摩耗量が大きくなったものと考えられる。
【００８０】
さらにまた、エンジン耐久試験を１００時間行い、試験後にシリンダボアとピストンリングの摩耗量を計測した結果を図１および図２に示す。表２に示す試験番号１から８の組み合わせにおいて、本発明で規定する条件を満たす組み合わせの場合はシリンダボアおよびピストンリングの摩耗量が共に低いレベルとなっている。
【００８１】
このような試験結果により、本発明に従えば、被削性および生産性に優れたアルミニウム合金部材と相手部材とについて、耐摩耗性および耐焼き付き性の優れた組み合わせを得ることができ、これを具体的に適用したシリンダボアとピストンリングとの組み合わせを得ることができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジン耐久評価結果のうち、トップリング摩耗量およびボア摩耗量を示すグラフである。
【図２】エンジン耐久評価結果のうち、オイルリング摩耗量を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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