JP2001219263A - アルミニウム合金部材およびその製造方法 - Google Patents

アルミニウム合金部材およびその製造方法

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Yuji Marui
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な機械的強度および耐摩耗性等を備え、
かつ機械的な加工性に優れたアルミニウム合金部材およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 アルミニウム−シリコン合金を材料とし
て鋳造により形成されるアルミニウム合金部材におい
て、露出面の少なくとも一部に共晶シリコン粒２１を露
出させ、さらに、共晶シリコン粒２１の露出面に、膜厚
が当該共晶シリコン粒２１の粒径と略同等あるいはそれ
よりも薄い被覆層４１を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
部材およびその製造方法に係り、特に、機械的強度と共
に耐摩耗性を要求される内燃機関のピストンやシリンダ
等に好適なアルミニウム合金部材およびその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】車両用の内燃機関には、機械的強度、軽
量性、低熱膨張率等が要求され、内燃機関の主要部分は
アルミニウム合金により鋳造されていた。しかしなが
ら、ピストンやシリンダのように摺動面を有する部材に
は、上記した機械的強度等と共に耐摩耗性が要求され
る。このため、シリンダーブロックのピストン摺動面に
鋳鉄製のシリンダーライナを圧入したり、あるいは摺動
面に硬質アルマイト処理を施していた。
【０００３】また、上記したシリンダーライナの使用は
製造工程やリサイクル工程の煩雑化を招き、硬質アルマ
イト処理も寸法精度の劣化を招くことから、例えば特開
平２−１０４４６５号公報では、シリコンを１５〜３０
重量％含む過共晶組成のアルミニウム−シリコン系合金
材料を用いた鋳造によりピストンやシリンダを製造し、
さらに、摺動面を研磨して露出面に初晶シリコン粒を露
出させて耐摩耗性を向上させる技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記した初晶シリコン
粒は耐摩耗性に優れる反面、機械的切削等の加工性に劣
るため、鋳造後の加工工程に長時間を要し、結果的に高
コスト化を招いてしまうという問題があった。
【０００５】本発明の目的は、上記した従来技術の課題
を解決し、十分な機械的強度および耐摩耗性等を備え、
かつ機械的な加工性に優れたアルミニウム合金部材およ
びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は、以下のような手段を講じた点に特徴
がある。
【０００７】(1) アルミニウム−シリコン合金を材料と
して鋳造により形成されるアルミニウム合金部材におい
て、露出面の一部に共晶シリコン粒を露出させたことを
特徴とする特徴とする。
【０００８】(2) アルミニウム−シリコン合金を材料と
したアルミニウム合金部材の製造方法において、共晶な
いしは亜共晶組成のアルミニウム−シリコン合金材料を
用いてアルミニウム合金素材を鋳造する工程と、鋳造さ
れたアルミニウム合金素材の表面を加工する工程と、加
工後の表面をエッチングして共晶シリコン粒を露出させ
る工程と、前記共晶シリコン粒が露出した表面に被覆層
を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】上記した特徴(1) によれば、初晶シリコン
粒よりも加工性に優れるが十分な耐摩耗性を有する共晶
シリコン粒が摺動面に露出するので、十分な耐摩耗性の
確保しながら加工性を向上させることができる。
【００１０】上記した特徴(2) によれは、初晶シリコン
粒よりも加工性に優れるが十分な耐摩耗性を有する共晶
シリコン粒を摺動面に露出させることができるので、そ
の耐摩耗性を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、アルミニウム合金部材とし
て車両用内燃機関のピストンを鋳造する場合を例にして
本発明を詳細に説明する。
【００１２】初めに、シリコンを従来の過共晶組成（１
５．０重量％以上）よりも少ない１２．０重量％程度
（例えば、１．１７％）含む、共晶組成のアルミニウム
−シリコン系合金材料を用意する。この合金材料には、
銅やマグネシウムといった他の金属成分が添加されてい
ても良い。
【００１３】次いで、上記したアルミニウム−シリコン
系合金材料を溶融し、所望形状のピストンを形成するた
めの鋳型に流し込んで凝固させ、共晶アルミニウム−シ
リコン系合金からなるピストン素材を鋳造する。このピ
ストン素材１には、図１に示したように、粒径が１〜５
μｍ、密度が１０〜１３重量％の共晶シリコン粒２１が
析出している。
【００１４】次いで、図２に示したように、前記ピスト
ン素材１の側面上方に、ピストンリングを装着するため
のリング溝１１を機械的な切削加工により形成する。こ
のとき、本実施形態では加工部分に初晶シリコン粒が析
出されておらず、初晶シリコン粒よりも切削加工し易い
共晶シリコン粒２１が析出されるだけなので、従来技術
に比べて切削加工に要する時間を大幅に短縮することが
できる。また、上記した機械的切削加工時のミクロ的な
塑性フローによって、前記リング溝１１の表面には、こ
れを覆うように比較的柔らかいα相３１が形成される。
【００１５】次いで、強酸溶液または強アルカリ溶液に
よるケミカルエッチング処理により、図３に示したよう
に、前記リング溝１１の表面に形成されたα相３１を浸
食して内部の共晶シリコン粒２１を表面に露出させる。
【００１６】なお、上記したケミカルエッチング処理
は、エッチング溶液として強酸溶液を用いるのであれ
ば、硝酸（６７．５％）、弗酸（５０％）および水を、
９：２：１の割合で混合した硝弗酸液に、前記ピストン
素材１を室温で１５〜６０秒浸すことにより行われる。
【００１７】図５、７は、前記α相３１が形成されてい
る加工表面のＳＥＭ像およびその２値画像であり、共晶
シリコン粒２１が表面に露出していない。これに対し
て、図６、８は、前記ケミカルエッチング処理後の加工
表面のＳＥＭ像およびその２値画像であり、多数の共晶
シリコン粒２１が表面に一様に露出している。
【００１８】次いで、図４に示したように、表面に露出
した前記共晶シリコン粒２１を覆い尽くさない程度の厚
み（例えば、２〜３μｍ）で、露出表面にスズメッキ処
理を施して被覆層４１を形成する。これにより、微細な
硬質粒子である共晶シリコン粒２１の耐摩耗性が向上す
る。
【００１９】また、本実施形態では共晶シリコン粒２１
が露出した凹凸面に前記被覆層４１が形成されるので、
くさび効果により前記被覆層４１を表面に対して強固に
密着させることができる。
【００２０】本実施形態によれば、初晶シリコン粒より
も加工性に優れるが十分な耐摩耗性を有する共晶シリコ
ン粒を摺動面に露出させることができるので、十分な耐
摩耗性を確保しながら加工性を向上させることができ
る。
【００２１】なお、上記した実施形態では、シリコンを
１２．０重量％含む共晶組成のアルミニウム−シリコン
系合金材料を用いるものとして説明したが、本発明はこ
れのみに限定されるものではなく、シリコンを１２．０
重量％未満（例えば、５．５〜６．５重量％）含む亜共
晶組成のアルミニウム−シリコン系合金材料を用いても
良い。
【００２２】この場合、析出される共晶シリコン分布量
は少なくなるが、上記した実施形態と同様に、機械的加
工工程−エッチング工程−被覆工程を経ることにより、
前記と同様の効果を達成し得るアルミニウム合金部材を
得ることができる。
【００２３】さらに、上記した実施形態ではピストンの
製造方法を例にして本発明を説明したが、シリンダを製
造するのであれば、そのボア内に、上記した実施形態と
同様に切削加工、ケミカルエッチング処理および被覆処
理を施せば、ピストン（ピストンリング）との摺動面の
耐摩耗製を向上させることができる。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果が達
成される。
【００２５】(1) 露出面に共晶シリコン粒を露出させた
ので、十分な耐摩耗性を確保しながら、過共晶シリコン
粒を露出させた場合に比べて加工性を向上させることが
できる。
【００２６】(2) 共晶シリコン粒の露出面に被覆層を形
成したので、耐摩耗性をさらに向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用したピストンの断面図である。
【図２】 図１のピストンに機械的切削加工を施した後
の断面図である。
【図３】 図２のピストンにエッチング処理を施した後
の断面図である。
【図４】 図３のピストンに被覆層を形成した後の断面
図である。
【図５】 機械的切削加工を施した後の露出面のＳＥＭ
像である。
【図６】 エッチング処理を施した後の露出面のＳＥＭ
像である。
【図７】 図５の２値画像である。
【図８】 図６の２値画像である。
【符号の説明】 １…ピストン、１１…ピストンリング溝、２１…共晶
シリコン粒、３１…α層、４１…被覆層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｆ 3/00 Ｆ０２Ｆ 3/00 Ｊ (72)発明者 原 成幸 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 丸井 勇治 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3G024 AA21 FA06 GA18 HA07 4K057 WA20 WB05 WB11 WE02 WE07 WE21 WN06

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミニウム−シリコン合金を材料とし
    て鋳造により形成されるアルミニウム合金部材におい
    て、 露出面の少なくとも一部に共晶シリコン粒が露出したこ
    とを特徴とするアルミニウム合金部材。
  2. 【請求項２】 前記アルミニウム合金部材は内燃機関の
    ピストンであることを特徴とする請求項１に記載のアル
    ミニウム合金部材。
  3. 【請求項３】 前記共晶シリコン粒が、少なくともピス
    トンリング溝を含むピストンの側部に露出したことを特
    徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金部材。
  4. 【請求項４】 前記アルミニウム合金部材は内燃機関の
    シリンダであることを特徴とする請求項１に記載のアル
    ミニウム合金部材。
  5. 【請求項５】 前記共晶シリコン粒の露出面には、膜厚
    が当該共晶シリコン粒の粒径と略同等あるいはそれより
    も薄い被覆層が形成されてい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アルミニウム合金部材。
  6. 【請求項６】 前記被覆層はスズメッキ層であることを
    特徴とする請求項５に記載のアルミニウム合金部材。
  7. 【請求項７】 前記共晶シリコン粒は、直径が１〜１．
    ５μｍ、密度が１０〜１３重量％であり、前記スズメッ
    キ層の膜厚は２〜３μｍであることを特徴とする請求項
    ６に記載のアルミニウム合金部材。
  8. 【請求項８】 アルミニウム−シリコン合金を材料とし
    たアルミニウム合金部材の製造方法において、 共晶ないしは亜共晶組成のアルミニウム−シリコン合金
    材料からアルミニウム合金素材を鋳造する工程と、 鋳造されたアルミニウム合金素材の表面を機械加工する
    工程と、 前記加工後の表面をエッチングして共晶シリコン粒を露
    出させる工程と、 前記共晶シリコン粒が露出した表面に被覆層を形成する
    工程とを含むことを特徴とするアルミニウム合金部材の
    製造方法。
  9. 【請求項９】 前記共晶シリコン粒は、直径が１〜１．
    ５μｍ、密度が１０〜１３％であり、前記被覆層の膜厚
    は２〜３μｍであることを特徴とする請求項８に記載の
    アルミニウム合金部材の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記エッチングは、室温の硝弗酸液で
    表面を浸食することにより行われることを特徴とする請
    求項８に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
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