JP5481356B2

JP5481356B2 - 摺動部材の製造方法

Info

Publication number: JP5481356B2
Application number: JP2010261476A
Authority: JP
Inventors: 隆井手籠; 知典福本; 一彰山上; 健人佐々木; 栄志藤曲; 秀利千葉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: JP2012110926A

Description

本発明は、シリンダライナに代表される摺動部材に関する。

シリンダライナに代表される摺動部材は、耐摩耗性と摺動性の２つの要素が要求される。摺動性が高ければ、ピストンの移動が円滑になり、いわゆるフリクションロスが小さくなり、エンジンの燃費向上が図れる。

また、エンジンの燃費対策として、エンジンの軽量化が重要となる。
軽量化の一環として、鋳鉄製シリンダブロックをＡｌ（アルミニウム合金）製シリンダブロックに変更することが行われるようになってきた。

Ａｌ製シリンダブロックに鋳鉄製シリンダライナを鋳ぐるむことが広く行われる。しかし、Ａｌと鋳鉄では熱膨張係数に差があるため、境界剥離の問題が生じる。
対策として、鋳鉄製シリンダライナをＡｌ製シリンダライナに変更することが知られている（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１１は従来のシリンダブロックの基本構成を説明する図であり、（ａ）に示すように、シリンダブロック１００は、Ａｌ製シリンダブロック本体１０１と、このＡｌ製シリンダブロック本体１０１に鋳ぐるまれたシリンダライナ１０２とからなる。

図１１（ｂ）に示すシリンダライナ１０２は、例えばＡ３９０などの高シリコン系アルミニウム合金を素材として、遠心鋳造によって製造される。
遠心作用により、アルミニウムより比重の小さいシリコンの含有率は、内周側ほど高く、外周側に向かって漸次低くなる（特許文献１段落番号［００１７］）。

シリンダブロック本体１０１とシリンダライナ１０２が共にＡｌであるため、熱的な問題を解消することができる。
ところで、鋳鉄製シリンダライナでは、鋳鉄に普通に含まれる黒鉛が潤滑油を保持するなどして潤滑作用を発揮し、摺動性が確保される。

一方、図１１に示すシリンダライナ１０２は、Ａｌであるため摺動性に難がある。また、シリンダライナ１０２は、Ａｌであるため鋳鉄に比較して耐摩耗性能が低い。

そこで、Ａｌ製シリンダライナに摺動性及び耐摩耗性を付与する技術が求められる。

実開平６−８７６４７号公報

本発明は、Ａｌ製シリンダライナ（Ａｌ製摺動部材）に摺動性及び耐摩耗性を付与することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、アルミニウム合金をベースとする鋳物からなる摺動部材の製造方法であって、
アルミニウム合金溶湯を回転金型へ注湯して前記回転金型内に円筒状の第１層を鋳造する第１工程と、前記アルミニウム合金溶湯に鋳鉄粉末を添加した上で、前記回転金型へ注湯して前記第１層内面に円筒状の第２層を鋳造する第２工程と、
からなり、前記第２工程での前記アルミニウム合金溶湯の温度は、７５０℃〜８００℃であり、前記鋳鉄粉末は、鋳鉄鋳物を切削加工した際に発生する切粉を粒度調整して得たものであることを特徴とする。

請求項５に係る摺動部材の製造方法では、第２工程でのアルミニウム合金溶湯の温度は、７５０℃〜８００℃であることを特徴とする。

請求項６に係る摺動部材の製造方法では、鋳鉄粉末は、鋳鉄鋳物を切削加工した際に発生する切粉を粒度調整して得たものであることを特徴とする。

請求項１に係る摺動部材の製造方法は、アルミニウム合金溶湯を回転金型へ注湯して回転金型内に円筒状の第１層を鋳造する第１工程と、アルミニウム合金溶湯に鋳鉄粉末を添加した上で、回転金型へ注湯して第１層内面に円筒状の第２層を鋳造する第２工程とからなる。

摺動部材は、第１層と第２層との二層構造体である。第２層には、鋳鉄粉末を発生源とする黒鉛が含まれる。第２層を摺動面にすることで摺動性が確保される。第１層は第２層のバックアップ材の役割を果たす。

第１工程で第１層の厚さを決定し、第２工程で第２層の厚さを決定することができるため、第２層の厚さを必要に応じて適宜決定することができる。

加えて、請求項１に係る摺動部材の製造方法では、第２工程でのアルミニウム合金溶湯の温度は、７５０℃〜８００℃である。
７５０℃未満では、鋳鉄粉末と周囲のアルミニウム合金との間に空洞ができ、強度が低下する。
また、８００℃を超えると、鋳鉄粉末が溶解過剰となり、鉄そのものが再晶出して針状や板状組織になり、強度が低下する。
したがって、アルミニウム合金溶湯の温度は、７５０℃〜８００℃とする。

さらに加えて、請求項１に係る摺動部材の製造方法では、鋳鉄粉末は、鋳鉄鋳物を切削加工した際に発生する切粉を利用する。
従来、スクラップ扱いされていた鋳鉄の切粉を、本発明では添加材料として利用する。切粉の有効利用を図ると共に、鋳鉄粉末の調達コストを大幅に下げることができ、摺動部品の製造コストを下げることができる。

遠心鋳造設備の原理図である。図１の２−２線断面図である。本発明方法に係る第１工程の説明図である。本発明方法に係る第２工程の説明図である。本発明に係る摺動部材の一例を示す斜視図である。本発明に係る摺動部材の要部断面図である。本発明に係る摺動部材の拡大断面図である。シリンダブロックの断面図である。比較例１の拡大断面図である。比較例２の拡大断面図である。従来のシリンダブロックの基本構成を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、遠心鋳造設備１０は、円筒状の回転金型１１と、この回転金型１１を回転自在に支えるローラ１２、１２と、回転金型１１を回転させる第１駆動源１３と、溶湯を運搬するラドル（ｌａｄｌｅ：鋳なべ）１４と、このラドル１４を回転自在に支える台車１５と、ラドル１４を回転させる第２駆動源１６と、台車１５を走行可能に支えるレール１７と、回転金型１１の近傍に配置されラドル１４へ鋳鉄粉末を供給するホッパ１８及びバルブ１９とからなる。また、溶湯の搬送にはロボットを使うと良い。

第１駆動源１３は、ギヤードモータと呼ばれる減速機付電動機が好適である。第２駆動源１６も同様である。
図２に示すように、ラドル１４は開口部２１を有する円筒体２２である。円筒体２２にアルミニウム合金溶湯２３が貯留される。

以上の構成からなる遠心鋳造設備の作用を次に述べる。
図３（ａ）〜（ｄ）で、本発明方法の第１工程を説明する。
（ａ）に示すように、回転金型１１を回しつつ、アルミニウム合金溶湯２３が満たされているラドル１４を挿入する。
（ｂ）に示すように、ラドル１４を反転させる。

すると、（ｃ）に示すように、アルミニウム合金溶湯２３がラドル１４から回転金型１１へ注がれる。アルミニウム合金溶湯２３が遠心力で、回転金型１１の内面に張り付き、凝固する。
（ｄ）に示すように、円筒状の第１層２５が得られる。

図４（ａ）〜（ｄ）で、本発明方法の第２工程を説明する。
（ａ）に示すように、アルミニウム合金溶湯２３が満たされているラドル１４を回転金型１１へ移動する。回転金型１１へ挿入する前のタイミングでラドル１４に、ホッパ１８から鋳鉄粉末２６を投下する。鋳鉄粉末２６の投入開始、停止はバルブ１９で実施し、バルブ１９により適量の鋳鉄粉末２６をアルミニウム合金溶湯２３に混入する。

アルミニウム合金溶湯２３は、７５０〜８００℃の例えばＡＤＣ１２系合金の溶湯である。

鋳鉄粉末２６は、ねずみ鋳鉄（ＦＣ２００、ＦＣ２５０、ＦＣ３００）の０．５〜２．０ｍｍ（短径／長径で定義されるアスペクト比が０．５又はそれ以上）の粉末である。
ねずみ鋳鉄製品（シリンダブロック、シリンダライナなど）を切削した際に発生する切粉は、脆いため簡単に粉末化できる。この粉末を分級することで、０．５〜２．０ｍｍの鋳鉄粉末２６が、極めて安価に且つ容易に得ることができる。

ラドル１４が回転金型１１に挿入されたら、（ｂ）に示すように、ラドル１４を反転させる。鋳鉄粉末２６の添加開始からラドル１４の反転までの時間は、１〜５分が望ましい。１分以上で鋳鉄粉末２６の分散が良好になる。５分以内であれば、鋳鉄粉末２６の過度な溶解を防止することができる。

（ｃ）に示すように、アルミニウム合金溶湯２３がラドル１４から回転金型１１へ注がれると、鋳鉄粉末を含むアルミニウム合金溶湯２３が遠心力で、第１層２５の内面に張り付き、凝固する。
（ｄ）に示すように、円筒状の第２層２７が得られる。

結果、図５に示すような円筒形状のアルミニウム合金鋳物製摺動部材３０が得られた。
このアルミニウム合金鋳物摺動部材３０は、図６に示すように、アルミニウム合金を主成分とする第１層２５と、アルミニウム合金母材３１に鉄基合金３２が分散している第２層２７とからなる。

摺動部材３０は、第２層２７に鉄基合金３２が分散し、この鉄基合金３２に黒鉛（後述の顕微鏡写真で説明する。）が分散し、この黒鉛が潤滑作用を発揮し、油を保持する作用を発揮する。加えて、鉄基合金３２はアルミニウム合金より硬いため耐摩耗性を発揮する。結果、摺動部材３０は、アルミニウム合金鋳物であるにも拘わらず、摺動性及び耐摩耗性に富んだ良好な摺動材となる。

円筒形状の摺動部材３０の好適な使用例を、次に説明する。
図７に示すように、アルミニウム合金鋳物製シリンダブロック３３に鋳ぐるまれたシリンダライナ３４が好適である。シリンダブロック３３及びシリンダライナ３４が共にアルミニウム合金であるため、熱膨張差が発生しない。
また、ピストン３５、特にピストンリング３６との潤滑性が良好となるため、ピストンリング３６及びピストン３５の摩耗を減らすことができる。

図６で説明した第２層２７の断面を、顕微鏡で観察した。顕微鏡写真のスケッチを図８（実施例）で説明する。
図８は、７５０℃〜８００℃のＡＤＣ１２系アルミニウム合金溶湯に、ＦＣ２５０鋳鉄粉末を添加し、鋳造したものである。添加から凝固までの時間は１〜５分であった。

アルミニウム合金母材３１中に、３００μｍ×８００μｍの大きさの鉄基合金３２が明確に存在し、この鉄基合金３２は幅Ｗの合金帯３７で囲われている。この合金帯３７は、１５〜３０μｍ径の塊状鉄系化合物３８で構成されている。黒鉛３９は鉄基合金３２及び合金帯３７に点在している。

比較対象のために、溶湯の温度が７５０℃以下である７００℃とし、ＡＤＣ１２系アルミニウム合金溶湯に、ＦＣ２５０鋳鉄粉末を添加し、鋳造したものを、図９（比較例１）で示す。

比較例１では、５００μｍ×１２００μｍの大きさの鉄基合金３２が、アルミニウム合金母材３１中に存在した。ただし、鉄基合金３２とアルミニウム合金母材３１との間に空洞４１が多数存在する。溶湯温度が低いため、鋳鉄粉末があまり溶けずに、空洞４１が発生したと考えられる。この空洞４１は強度低下の要因となるため、許容できない。

さらに比較対象のために、溶湯の温度が８００℃以上である８５０℃とし、ＡＤＣ１２系アルミニウム合金溶湯に、ＦＣ２５０鋳鉄粉末を添加し、鋳造したものを、図１０（比較例２）で示す。

溶湯温度が高すぎて、鉄基合金はほぼ消滅し、鉄そのものが再晶出して、針状組織４２や板状組織４３になった。針状組織４２は長手軸に沿って滑りが発生するため、強度低下を引き起こす。板状組織４３は面に沿って滑りが発生するため、強度低下を引き起こすため、容認できない。

図８に戻って、鉄基合金３２を囲う合金帯３７の幅Ｗは、次の理由で１５０〜３００μｍであることが望ましい。
幅Ｗが１５０〜３００μｍであれば、合金帯３７中に、強度上好ましい塊状鉄系化合物３８が支配的に存在する。

一方、Ｗが１５０μｍ未満であると、図９に近似して、界面、すなわち空洞が認められる。
また、Ｗが３００μｍを超えると、合金帯３７は、強度上好ましい針状組織や板状組織で支配される。

尚、本発明の摺動部材は、実施の形態ではアルミニウム合金鋳物製シリンダブロックに鋳ぐるまれるシリンダライナに適用した。しかし、その他の用途の摺動部位に適用することは差し支えない。

本発明の摺動部材は、アルミニウム合金鋳物製シリンダブロックに鋳ぐるまれるシリンダライナに好適である。

１０…遠心鋳造設備、１１…回転金型、２３…アルミニウム合金溶湯、２５…第１層、２６…鋳鉄粉末、２７…第２層、３０…摺動部材、３１…アルミニウム合金母材、３２…鉄基合金、３３…アルミニウム合金鋳物製シリンダブロック、３４…シリンダライナ、３８…塊状鉄系化合物、３９…黒鉛、Ｗ…周囲幅。

Claims

アルミニウム合金をベースとする鋳物からなる摺動部材の製造方法であって、
アルミニウム合金溶湯を回転金型へ注湯して前記回転金型内に円筒状の第１層を鋳造する第１工程と、前記アルミニウム合金溶湯に鋳鉄粉末を添加した上で、前記回転金型へ注湯して前記第１層内面に円筒状の第２層を鋳造する第２工程と、からなり、
前記第２工程での前記アルミニウム合金溶湯の温度は、７５０℃〜８００℃であり、
前記鋳鉄粉末は、鋳鉄鋳物を切削加工した際に発生する切粉を粒度調整して得たものであることを特徴とする摺動部材の製造方法。