JP2790291B2 - 耐摩耗性アルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンのシリンダブロック等の耐摩耗性
に優れることが要求される部分を有する部材を、アルミ
ニウム合金材料により形成する際に使用される、耐摩耗
性アルミニウム合金部材の製造方法に関する。

（従来の技術） 車両等のエンジンにおいては、所定の機械的強度を具
えることに加えて、良好な放熱特性を有し、かつ、軽量
化が図られたものとされることが、一般的に望まれると
ころとなる。斯かる観点から、従来、エンジンにおける
外殻構成部分であるシリンダブロックやシリンダヘッド
等を、アルミニウム合金材料で形成することが提案され
ている。例えば、エンジンにおけるシリンダブロックが
アルミニウム合金製とされるにあたっては、特公昭43−
8173号公報にも示される如く、シリンダブロックの全体
が過共晶アルミニウム−シリコン系合金材料が用いられ
て一体鋳造された後、ピストンに対する摺動面となるシ
リンダボア部の内表面に酸あるいはアルカリ溶剤による
エッチング処理が施されて、シリンダボア部の内表面に
晶出シリコンが露出せしめられ、それにより、シリンダ
ボア部における耐摩耗性及びオイル保持性の改善が図ら
れるようにされることが知られている。

（発明が解決しようとする課題） アルミニウム−シリコン系合金材料が用いられて形成
される合金部材においては、その耐摩耗性には、主とし
て、合金材料に含有されるシリコンが貢献することにな
るが、上述の如くに、シリンダブロックの全体が過共晶
アルミニウム−シリコン系合金材料によって一体鋳造さ
れる場合には、鋳造に用いられる過共晶アルミニウム−
シリコン系合金材料におけるシリコンの含有量は、それ
が過多とされると、シリンダブロックが鋳造される際
に、晶出した初晶シリコンの極端な粗大化がまねかれ
て、得られるシリンダブロックが機械加工性が大幅に低
下したものとなってしまうので、例えば、19重量％以下
程度に制限されることになり、その結果、鋳造されたシ
リンダブロックが充分な耐摩耗性を有するには含有シリ
コン量が不足することになってしまうという問題があ
る。

このような含有シリコン量不足の問題を解消すべく、
含有シリコン量が比較的多量とされる合金体を得ること
ができる急冷凝固アルミニウム−シリコン系粉末合金材
料により、シリンダブロックの全体を形成することも考
えられるが、斯かる場合には、晶出シリコンの粒子サイ
ズが著しく微細なものとされて、含有シリコン量が比較
的多量とされるにもかかわらず、シリンダブロックの耐
摩耗性は期待される程には改善されない。そこで、さら
に、急冷凝固アルミニウム−シリコン系粉末合金材料に
より形成されたシリンダブロックの全体に高温加熱処理
を施して、晶出シリコンの凝集粗大化を図ることが考え
られる。しかしながら、斯かる晶出シリコンの凝集粗大
化が図られる場合には、耐摩耗性は改善されるものの、
シリンダブロックの全体に亙って晶出シリコンが粗大化
するため、シリンダブロックがその強度特性が劣化した
ものとされてしまうという問題を生じさせる。

また、上述の如くにしてシリンダブロックが過共晶ア
ルミニウム−シリコン系合金材料により一体鋳造される
場合には、シリンダボア部の内表面に酸あるいはアルカ
リ溶剤によるエッチング処理が施される工程が設けられ
ることが必要とされるという煩わしさが伴われることに
なる。

斯かる点に鑑み、本発明は、エンジンのシリンダブロ
ック等の耐摩耗性に優れることが要求される部分を有す
る部材を、アルミニウム−シリコン系合金材料を用いて
アルミニウム合金部材として得るにあたり、得られるア
ルミニウム合金部材を、全体的強度特性が実質的に損な
われることなく、その耐摩耗性が良好であることが要求
される部分における晶出シリコンの凝集粗大化が図られ
るとともに、酸あるいはアルカリ溶剤によるエッチング
処理を要することなく、その耐摩耗性が良好であること
が要求される部分におけるオイル保持性が改善されたも
のとなすことができる、耐摩耗性アルミニウム合金部材
の製造方法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） 上述の目的を達成すべく、本発明に係る耐摩耗性アル
ミニウム合金部材の製造方法は、20重量％以上のシリコ
ンを含み、100g当たり0.2〜1.0ccの水素ガスを残留させ
た急冷凝固アルミニウム−シリコン系粉末合金材料を用
いて表面素材を形成し、その表面素材を鋳型におけるそ
れにより鋳造される部材の耐摩耗性が良好であることが
要求される表面部分を形成することになる位置に配置し
た後、表面素材が配置された鋳型にアルミニウム合金材
料の溶湯を注湯し、表面素材を再溶融させる状態を経
て、鋳型により鋳造されたアルミニウム合金部材を得る
ものとされる。

このように、本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金
部材の製造方法に用いられる急冷凝固アルミニウム−シ
リコン系粉末合金材料が、20重量％以上のシリコンを含
み、また、100g当たり0.2〜1.0ccの水素ガスを残留させ
たものとされるのは、以下の理由に基づく。

急冷凝固アルミニウム−シリコン系粉末合金材料中の
シリコンは、鋳造されたアルミニウム合金部材における
表面部材が再溶融された部分の硬度を高めて耐摩耗性を
向上させることに寄与するものとなる。斯かる事柄を踏
まえて、急冷凝固アルミニウム−シリコン系粉末合金材
料中のシリコンの含有量を規定する実験を行った結果、
シリコンの含有量が20重量％未満では、アルミニウム合
金部材における表面素材が再溶融された部分の耐摩耗性
の向上が充分に図れないことが確認された。従って、シ
リコンの含有量は20重量％以上の範囲とされる。

また、急冷凝固アルミニウム−シリコン系粉末合金材
料に残留した水素ガスは、アルミニウム合金部材の鋳造
時に、その表面素材が再溶融された部分の表面及び内部
にガス孔を形成し、そのガス孔によって表面素材が再溶
融された部分におけるオイル保持性が改善されることに
なる。このような事柄を踏まえて、急冷凝固アルミニウ
ム−シリコン系粉末合金材料における水素ガスの残留量
を規定する実験を行った結果、水素ガスの残留量が100g
当たり0.2cc未満では、アルミニウム合金部材における
表面素材が再溶融された部分の表面及び内部に形成され
るガス孔の数が不足して、オイル保持性が充分に改善さ
れず、一方、水素ガスの残留量が100g当たり1.0ccを越
える場合には、アルミニウム合金部材における表面素材
が再溶融された部分の表面におけるガス孔が粗大化する
結果、耐摩耗性の低下をきたすことが確認された。従っ
て、水素ガスの残留量は、100g当たり0.2〜1.0ccの範囲
とされる。

（作 用） 上述の如くの本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金
部材の製造方法によれば、急冷凝固アルミニウム−シリ
コン系粉末合金材料により形成された表面素材が配され
た鋳型にアルミニウム合金材料の溶湯が注湯されること
によって、アルミニウム合金部材が鋳造される際に、表
面素材が再溶融され、それにより、アルミニウム合金部
材における耐摩耗性が良好であることが要求される表面
部分において、適切な量の晶出シリコンが適切に凝集粗
大化して耐摩耗性の向上が図られることになる。また、
アルミニウム合金部材が鋳造される際に、再溶融される
表面素材中の水素ガスが、アルミニウム合金部材におけ
る耐摩耗性が良好であることが要求される表面部分にガ
ス孔を形成し、その結果、酸あるいはアルカリ溶剤によ
るエッチング処理を要することはなく、アルミニウム合
金部材における耐摩耗性が良好であることが要求される
表面部分のオイル保持性が改善させることになる。

（実施例） 以下、本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金部材の
製造方法の一例について述べる。

この例は、本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金部
材の製造方法が、エンジンのシリンダブロックをアルミ
ニウム合金材料により鋳造するにあたって適用されたも
のとされている。

先ず、シリコン（Si）を20重量％以上含み、水素ガス
（H₂）を100gあたり0.2〜1.0cc残留させた急冷凝固アル
ミニウム−シリコン系粉末合金材料を用意する。その
際、水素ガスの残留量は、急冷凝固アルミニウム−シリ
コン系粉末合金材料が封入された容器内に対して真空脱
気処理を施し、その際における処理温度及び処理時間を
選定することにより調整することが可能である。

斯かる急冷凝固アルミニウム−シリコン系粉末合金材
料は、具体的には、例えば、下記の表−１に示される如
くの成分組成を有する粉末合金材料X1,X2及びX3の如く
に、アルミニウム（Al）を主組成要素とし、シリコンに
加えて、銅（Cu）及びマグネシウム（Mg）を含有したも
のとされる。

次に、用意された急冷凝固アルミニウム−シリコン系
粉末合金材料を用いてビレットを成形した後、押出成形
用の型を用いての押出加工により、第２図に示される如
くの、得られるべきシリンダブロックにおけるシリンダ
ボア部に対応するライナー10を、シリンダブロックにお
ける耐摩耗性が良好であることが要求される表面部分に
対応する表面素材として形成する。このライナー10は、
比較的薄肉とされた円筒部10aと円筒部10aの一端に設け
られたフランジ部10bとから成るものとされる。

続いて、ライナー10を、例えば、400℃まで加熱し
て、第１図に示される如くに、シリンダブロック用鋳型
12に配置する。シリンダブロック用鋳型12は、例えば、
直列４シリンダエンジンのシリンダブロックの鋳造に用
いられるのものとされ、第１図は、シリンダブロック用
鋳型12における４個のシリンダボア形成部のうち一つの
中央部を通り、シリンダボア形成部の配列方向に直行す
る断面を示している。

このシリンダブロック用鋳型12は、下型14,側型16及
び上型18を備えて構成されており、それらによって包囲
される空間がシリンダブロック形成空間とされている。
また、上型18と側型16との間の空間には、シリンダブロ
ックにおけるウオータジャケット等を形成するための砂
中子20が配されている。そして、下型14に設けられた上
方隆起部14aが、シリンダブロックにおけるクランク軸
収容部の形成に寄与し、上型18に設けられた下方突出円
柱部18aが、その下端面を下型14に設けられた上方隆起
部14aの上面に当接されるものとされて、シリンダブロ
ックにおけるシリンダボア部の形成に寄与し、さらに、
側型16がシリンダブロックにおける側壁部の形成に寄与
する。また、下型14には、下型14と側型16との間の空間
に通じた注湯口22が設けられている。

斯かるシリンダブロック用鋳型12に対して、ライナー
10は、上型18に設けられた下方突出円柱部18aに嵌合せ
しめられるものとされる。即ち、ライナー10は、シリン
ダブロック用鋳型12における、それにより鋳造されるシ
リンダブロックの、耐摩耗性が良好であることが要求さ
れる表面部分である、シリンダボア部を形成することに
なる位置に配置されるのである。

このようにしてライナー10が各シリンダボア形成部に
配置されたシリンダブロック用鋳型12に対し、注湯口22
を通じて、脱ガス処理等が行われたアルミニウム合金材
料（例えば、JIS:ADC10）の溶湯を、第１図において矢
印Ｙで示される如くに注湯し、シリンダブロック用鋳型
12における下型14と側型16との間、及び、上型18と側型
16との間に形成されたシリンダブロック形成空間を、ア
ルミニウム合金材料の溶湯で充填し、それにより、アル
ミニウム合金材料の溶湯の熱によってライナー10を再溶
融される状態となす。斯かる際、ライナー10は、約400
℃に予熱されていることにより、容易に溶融されるもの
となる。そして、ライナー10が溶融されることにより、
ライナー10を形成する急冷凝固アルミニウム−シリコン
系粉末合金材料に残留せしめられた水素ガスが、溶融さ
れたライナー10中に気泡を生じる。

その後、シリンダブロック用鋳型12内のアルミニウム
合金材料が所定の冷却速度、例えば、10〜10²℃/sで冷
却される状態とする。その際、再溶融されたライナー10
が、アルミニウム合金材料と一体化されて冷却され、ラ
イナー10に含有された初晶シリコンが、ライナー10の表
面及び内部において、例えば、30〜50μｍとされる粒子
サイズを有するものとなるように凝集粗大化されて、比
較的密に散在するものとされる。また、それとともに、
気泡を生じた水素ガスが漏出し、ライナー10の表面及び
内部に水素ガスによるガス孔が比較的密に散在するもの
とされて形成される。

そして、アルミニウム合金材料及びそれと一体化され
たライナー10とが完全に冷却凝固した後、シリンダブロ
ック用鋳型12内に、鋳造されたアルミニウム合金部材で
あるシリンダブロックを得る。その後、シリンダブロッ
ク用鋳型12を開き、さらに、砂中子20を崩して、得られ
たシリンダブロックを取り出し、必要に応じて仕上げ加
工を施す。第３図は、上述の如くにして、本発明に係る
耐摩耗性アルミニウム合金部材の製造方法の一例により
得られたシリンダブロックを示し、このシリンダブロッ
クは、直列に配された４個のシリンダボア部24a,24b,24
c及び24dの夫々が、再溶融された後アルミニウム合金材
料と一体化され、その表面及び内部において初晶シリコ
ンが凝集粗大化されるとともに、ガス孔が形成されたラ
イナー10により形成されている。従って、シリンダボア
部24a,24b,24c及び24dの夫々の内表面部は、耐摩耗性に
優れ、かつ、オイル保持性が良好なものとされている。

第４図，第５図及び第６図は、夫々、急冷凝固アルミ
ニウム−シリコン系粉末合金材料が表−１に示される如
くの粉末合金材料X1,X2及びX3とされたもとで、上述の
如くにしてシリンダブロック用鋳型12により鋳造された
シリンダブロックにおける、シリンダボア部を形成する
ライナー10の無作為選択された表面近傍部分の内部金属
組織における結晶粒界を、倍率が100倍とされた顕微鏡
写真をもって示す。

これらの写真において、灰色に見える部分は、初晶シ
リコンの結晶粒であって、通常、急冷凝固アルミニウム
−シリコン系合金材料における初晶シリコンの粒子サイ
ズが略10μｍとなるのに比して、凝集粗大化しているこ
とが確認される。また、黒色に見える部分は、水素ガス
により形成されたガス孔である。粉末合金材料X1,X2及
びX3は、夫々、水素ガスの残留量が100g当たり0.2cc,0.
5cc及び1.0ccとされており、水素ガスの残留量が多くな
るに従って、ガス孔のサイズが大とされていることが確
認される。

なお、上述の本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金
部材の製造方法の一例は、エンジンのシリンダブロック
の製造に適用されているが、本発明に係る耐摩耗性アル
ミニウム合金部材の製造方法は、斯かる例に限られるこ
となく、耐摩耗性が良好であることが要求される部分を
有するアルミニウム合金部材を得るにあたって広く適用
され得るものである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかな如く、本発明に係る耐摩耗性
アルミニウム合金部材の製造方法によれば、急冷凝固ア
ルミニウム−シリコン系粉末合金材料により形成された
表面素材が配された鋳型にアルミニウム合金材料の溶湯
が注湯されることにより、表面素材が再溶融されてアル
ミニウム合金部材が鋳造され、それによって、全体的強
度特性が実質的に損なわれることなく、耐摩耗性が良好
であることが要求される表面部分において、適切な量の
晶出シリコンが適切に凝集粗大化して耐摩耗性の向上が
図られることになり、また、耐摩耗性が良好であること
が要求される表面部分において、再溶融される表面素材
中の水素ガスによるガス孔が形成されることにより、酸
あるいはアルカリ溶剤によるエッチング処理を要するこ
となく、オイル保持性の改善が図られたアルミニウム合
金部材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金部材の
製造方法の一例に用いられるシリンダブロック用鋳型を
示す断面図、第２図は本発明に係る耐摩耗性アルミニウ
ム合金部材の製造方法の一例に用いられるライナーを示
す断面図、第３図は本発明に係る耐摩耗性アルミニウム
合金部材の製造方法の一例によって得られるシリンダブ
ロックの斜視図、第４図〜第６図は本発明に係る耐摩耗
性アルミニウム合金部材の製造方法の一例によって得ら
れたシリンダブロックのシリンダボア部における金属組
織を示す顕微鏡写真である。 図中、10はライナー、12はシリンダブロック用鋳型であ
る。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】20重量％以上のシリコンを含み、100g当た
   り0.2〜1.0ccの水素ガスを残留させた急冷凝固アルミニ
   ウム−シリコン系粉末合金材料を用いて表面素材を形成
   する工程と、 上記表面素材を鋳型における該鋳型により鋳造される部
   材の耐摩耗性が良好であることが要求される表面部分を
   形成することになる位置に配置する工程と、 上記表面素材が配置された上記鋳型にアルミニウム合金
   材料の溶湯を注湯し、上記表面素材を再溶融させる状態
   を経て、上記鋳型により鋳造されたアルミニウム合金部
   材を得る工程と、 を含んで成る耐摩耗性アルミニウム合金部材の製造方
   法。