JPH1096087A - 表面改質アルミニウム部材及びそれを用いた内燃機関用シリンダー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高強度、高硬度で、耐摩耗性に優れる改質層
被覆アルミニウム部材を提供する。 【解決手段】 アルミニウムを主成分とし、１〜４０原
子％の銅とその他の合金成分を含む被覆層を、アルミニ
ウムまたはアルミニウム合金上に形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い硬度を有し、
耐摩耗性、耐焼付性、耐スカッフィング性等に優れた表
面改質層（被覆層）で被覆したアルミニウムまたはアル
ミニウム合金製の鋳物または展伸材（以下、「表面改質
アルミニウム部材」ともいう。）に関する。本発明のア
ルミニウム部材は、例えば、その被覆層が、内燃機関の
シリンダーブロックのボア内面、タペットの外周部、シ
リンダーヘッドの弁間部やバルブシートの表面、ピスト
ンの表面となるように適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム系製品の表面厚膜硬化技術
としては、「表面溶融合金化法によるアルミニウム合金
の厚膜表面硬化技術」（「ジョイテック」、Ｖｏｌ．
８、１９９２年１２月号、ｐ２０〜２７、発行元：テッ
ク出版株式会社）に記載されているように、（１）プラ
ズマ法、線爆法、アーク法等の溶射法、（２）肉盛法、
（３）表面焼入法、（４）窒化法、（５）拡散浸透めっ
き法等が提案されている。

【０００３】シリンダーボアやタペット（バルブリフタ
ー）等のアルミニウム合金製で摺動を行う部品の被覆方
法として、Ｆｅ系合金やＭｏ、Ｗ、Ｃ、セラミックス等
を溶射する方法が挙げられる。例えば、特公昭５７−３
４３４６号公報には、アルミシリンダーライナーに、中
間層としてＡｌ−Ｓｉ合金を溶射した後、Ｆｅ系合金を
溶射する技術が記載されている。他にも、特開平５―２
６４３５２号公報では、アルミシリンダー内面に、高炭
素フェロクロムやサーメットセラミックスの溶射方法が
示されている。特公昭５４−３６９０４号公報には、２
０〜４０％のＳｉを含むアルミ合金をプラズマ溶射する
ことによって作製されるアルミシリンダーが記載されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】アルミニウムまたはア
ルミニウム合金の表面の改質においては、耐剥離性等の
ような、表面被覆層と基材の密着性が問題となる。この
密着性は、施工後の剥離強度等の特性と、経年または使
用による劣化の二つの要因と関連する。上記公報等に記
載されているような異種金属または耐火物等を被覆する
ことによる表面改質は、アルミニウムと表面層の熱膨張
率や弾性率等の相違によって、次のような欠点を有す
る。すなわち、使用中の熱サイクルや負荷によって界面
に微小な亀裂が発生するなどして界面の劣化が生じ、そ
の結果、剥離強度の低下や不均一等を招く。また、被覆
層の物質は、大抵の場合にはアルミニウム合金よりも熱
伝導率が低く、局部的な温度の上昇やそれに起因する破
損等を招き易い。

【０００５】また、内燃機関等で高硬度を必要とする部
材や部位では、多くの場合、ビッカース硬さで２００〜
３００ＨＶ程度の中程度の硬さ、すなわち、ＪＩＳ Ａ
Ｃ８ＡやＡＣ９Ａ等の実用アルミニウム合金の硬さを少
し上回る程度の硬さで十分であり、必ずしもセラミック
スや金属間化合物、高融点金属等の有するような高硬度
や高い耐熱性を必要としない場合が多い。逆に、異種金
属や硬質物質を用いて硬度を高める方法では、研削性や
旋削性の悪化や、摺動時の相手材への攻撃性（摩耗性
等）の増加等の好ましくない効果がもたらされる。

【０００６】さらに、上述のＡｌ−Ｓｉ系合金を溶射す
る方法では、表面硬さが７６〜１４６ＨＶと、通常のア
ルミニウム合金鋳物の域を脱しておらず（「アルミニウ
ム合金の表面厚膜硬化技術」、財団法人金属系材料研究
開発センター編、日刊工業新聞社、１９９５年刊、第７
１頁）、表面硬化層としての特性は十分とはいえない。

【０００７】また、溶射法による表面改質では、溶射材
を予め粉末や溶線、ロッドの形状にする必要がある。し
かし、Ａｌ−Ｓｉ系の二元系では、Ａｌ−３０重量％Ｓ
ｉで約８２０℃、Ａｌ−４０重量％Ｓｉで約９３０℃と
いうように融点（液相線）が上昇し、かつＳｉ量の上昇
と共に急激に延性が低下して引き抜き加工や伸線加工が
困難になるため、１２重量％程度以上の高Ｓｉ合金の粉
末や線、棒材が作製し難くなるという欠点がある。

【０００８】したがって、本発明は、高強度、高硬度
で、耐摩耗性に優れる改質層被覆アルミニウム部材を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載の表面改質アルミニウム部材は、ア
ルミニウムを主成分とし、１〜４０原子％の銅とその他
の合金成分を含む被覆層を、アルミニウムまたはアルミ
ニウム合金上に形成している。請求項２の内燃機関用シ
リンダーは、シリンダーブロックのボア内面が、請求項
１の被覆層からなることとしている。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明における被覆層中のアルミ
ニウムの含有量は、６０〜９８．５原子％、好ましくは
７０〜９０原子％である。含有量が６０原子％未満であ
ると、熱膨張率等がアルミニウムと大きく異なるため、
好ましくない。

【００１１】被覆層中の銅の含有量は、１〜４０原子％
（２．３〜６１重量％）である。含有量が１原子％未満
であると、硬さや耐摩耗性の上昇が小さい。４０原子％
を超えると、表１に示すＡｌ−Ｃｕ二元系の最大拡張固
溶限を超えるために、金属間化合物が生成し、表面層の
靭性が低下し、また、熱膨張率が母材アルミ合金と大き
く異なることによって、熱衝撃による亀裂の発生等の問
題を生じ、かつ熱伝導率も低下する。表１は、平衡状態
及び急冷状態でのアルミニウム基二元系の溶質原子固溶
限を示す（Ｔ．Ｒ．Ａｎａｎｔｈａｒａｍａｎ ｅｔ
ａｌ．，Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｔａｌ
ｓ，３０（１９７７），４２３、及びＨ．Ｊｏｎｅｓ，
Ａｌｕｍｉｎｕｍ，５４（１９７８），２７４）。銅の
含有量は、さらに、２．２〜２２原子％（５〜４０重量
％）が好ましい。２．２原子％以上で、顕著な効果が現
れ、２２原子％以下において、靭性のが特に良好であ
り、熱膨張率が良好に整合するからである。この２２原
子％は、表１に示すアルミニウム中のＣｕの最大拡張固
溶限にほぼ相当する。

【００１２】

【表１】

【００１３】本発明で特に銅を溶質元素として選択する
理由としては、表１に示すように、アルミニウムの溶質
元素としては共晶型元素が包晶型元素よりも大きな固溶
限を有しており、その中でも銅は特に大きな固溶限を有
することが挙げられる。また、銅は、鋼に対して焼き付
きにくい金属であり、銅を添加することによって凝集摩
耗が抑制されると考えられる。

【００１４】従来より、高温固溶相域からの急冷によっ
て平衡状態の固溶限以上の溶質元素を固溶させて、過飽
和固溶体とし、高強度材を得る方法は、アルミニウム合
金の熱処理法として知られている。表面溶融合金化法に
よる液相からの急冷は、上記表１に示すように、固溶限
のより大きな拡張と、均一な構成成分の分布を持つ理想
的な過飽和固溶体をもたらし、鋳造法等の従来の手法に
よるアルミニウム合金とは比べものにならない程の高強
度、高硬度、高耐摩耗性をもたらす。本発明で用いられ
る「その他の合金成分」としては、銀、ケイ素、鉄、マ
グネシウム、チタン、マンガン、ニッケル、コバルト、
亜鉛、スズ等が挙げられる。これらの合金成分の含有量
は、被覆層中、合計で０〜３８．５原子％である。

【００１５】上記「その他の合金成分」として銀を用い
る場合、銀の含有量は、被覆層中、１〜３０原子％
（３．７〜６２．３重量％）である。好ましくは、１．
５〜１０原子％（５．７〜３０．３重量％）である。含
有量が１原子％未満では、添加の効果が小さく、１０原
子％を超えると、金属間化合物が生成し、表面層の靭性
が低下し、また、熱膨張率が母材アルミ合金と大きく異
なることによって、熱衝撃による亀裂の発生等の問題を
生じ、かつ熱伝導率も低下する。上記「その他の合金成
分」としてケイ素を用いる場合、ケイ素の含有量は、被
覆層中、０．５〜２５原子％（０．５〜２５．４重量
％）、好ましくは、３〜１９原子％（３．１〜１９．４
重量％）である。含有量が０．５原子％未満では、添加
の効果が小さく、２５原子％を超えると、初晶ケイ素が
大量に晶出してしまい、靭性が低下する。

【００１６】上記「その他の合金成分」としてスズ又は
鉛を用いる場合、被覆層中、０．１〜１０原子％（スズ
０．５〜３２．５重量％、鉛 １〜４５．４重量％）
含ませる。０．１原子％未満では、添加した効果が小さ
く、１０原子％を超えると、表面積の硬さ、耐摩耗性、
強度が低下して好ましくないからである。

【００１７】本発明で、母材としてのアルミニウム合金
としては、例えば、ＪＩＳ ＡＣ８Ａ、ＡＤＣ１２等の
鋳造材や、Ａ６０６１等の展伸材等を用いることができ
る。被覆材は、例えば、粒径１０〜２００μｍ程度の粉
末の形で、予め溶製法等で作製しておき、これを用いて
溶射法や表面溶融合金化法でアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金からなる母材の表面に被覆層を形成させる。
ここで、溶製法とは、スプレーアトマイズ等の手法をい
う。被覆材は、アルミニウムを主成分とする粉末と、銅
を主成分とする粉末を、混合して用いてもよく、あるい
は別々に用いてもよい。

【００１８】被覆材として、溶製法とその後の引き抜き
加工、押し出し加工、伸線加工等によって、線材、棒材
または筒材の形に成形したものを用いてもよい。被覆材
として、アルミニウムを主成分とする筒材の内部に、銅
を主成分とする粉末、粒子、棒材または線材を充填した
もの、あるいは、銅を主成分とする筒材の内部に、アル
ミニウムを主成分とする粉末、粒子、棒材または線材を
充填したものを用いてもよい。

【００１９】本発明の表面改質層を形成させるための方
法として、溶射法、表面溶融合金化法等を挙げることが
できる。溶射法としては、例えば、ワイヤー及び粉末ガ
ス溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、線爆溶射、減圧プ
ラズマ溶射、レーザー溶射、高周波プラズマ溶射、高速
ガス溶射を挙げることができる。表面溶融合金化法とし
ては、プラズマ粉体肉盛法、ティグアーク合金化肉盛法
等を挙げることができる。

【００２０】プラズマ粉体肉盛法で用いる装置の断面図
を図１に示す。図１において、タングステン電極（陰
極）１、プラズマガス２、シールドガス４、母材（陽
極）７によって、プラズマアーク５が発生する。プラズ
マアーク５によって母材７の表面が溶融されて溶融池と
なり、溶融池に粉末（被覆層用材料）及びキャリヤーガ
ス３が添加されて、被覆層６が形成される。

【００２１】ティグアーク合金化肉盛法の一例を図２に
示す。図２に示すように、粉末供給ノズル８を通じて母
材１２上に供給される粉末９を、ティグ溶接トーチ１１
によって基材１２の表面が溶融されてできた溶融池１０
に添加することによって、合金化層を得ることができ
る。

【００２２】本発明の内燃機関用シリンダーにおいて、
特に溶射法によって施工する場合、シリンダーブロック
のボア内面の被覆層の厚さは、１０〜３００μｍ程度で
ある。厚さが１０μｍ未満であると、耐摩耗性が不十分
であり、３００μｍを超えると、残留応力が大きくな
り、剥離し易くなる。但し、表面溶融合金化法による場
合は、この限りでなく、数ｍｍ程度の厚みまで可能であ
る。

【００２３】

【実施例】実施例１ 圧延により製造した工業用純アルミニウム板材（ＪＩＳ
Ａ１０５０合金、厚さ７ｍｍ、幅５０ｍｍ）をアセト
ンにて脱脂し、アルミナ粒子でブラスティングを施し
た。銅の添加量は、０〜５０重量％（０〜２９．８原子
％）とした。用いた被覆材は、ガスアトマイズ法で製造
したアルミニウム合金粉末であり、予め、ふるいによっ
て粒子を５３〜２００μｍに調整した。施工方法とし
て、プラズマ溶射法を用いた。溶射条件は、表２に示す
通りである。

【００２４】

【表２】

【００２５】ビッカース硬さ試験及び大越式摩耗試験に
よって表面層の性質を調べた。ビッカース硬さ試験は、
荷重１０ｋｇ重、保持時間１５秒で行なった。また、大
越式摩耗試験の条件を表３に示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】図５は、銅の添加量と比摩耗量及びビッカ
ース硬さの関係を示す図である。図５に示すように、銅
の添加量の増加と共にビッカース硬さは単調に増加し、
比摩耗量は単調に減少する。特に、１０重量％（被覆層
中の含有量に換算すると４．５原子％）の添加により、
比摩耗量は１／２０に、２０重量％（被覆層中の含有量
に換算すると９．６原子％）では約１／２０に大きく減
少し、耐摩耗性が向上する。

【００２８】図４は、Ａｌ−２３Ｓｉ―３Ｃｏ―３Ｆｅ
―３Ｎｉ―３Ｃｕ―１Ｍｇ合金粉末（数字は、重量％を
示す。原子％に換算すると、Ａｌ−３０．８Ｓｉ―１．
９Ｃｏ―２．０Ｆｅ―１．９Ｎｉ―１．８Ｃｕ―０．６
Ｍｇである。）を被覆材として用いて施工した時のＡＣ
４Ｃの母材１３及び該母材上に被覆された被覆層１４の
断面の光学顕微鏡によるミクロ組織写真（倍率：１００
倍）である。同材料を溶製法で作製した場合と比べ、組
織が非常に均一で微細であり、また、母材と被覆層の密
着性についても良好なものが得られた。表面層のビッカ
ース硬さは、施工のままの状態で２９１〜４３９ＨＶで
あり、平均で３７５ＨＶであった。この表面層は、溶質
元素を過飽和に固溶した状態となっており、常温〜３０
０℃程度の適当な温度で適当な時間だけ時効処理を施す
ことによって、さらに５０〜１５０ＨＶの硬さの上昇が
可能である。

【００２９】図３は、被覆層の断面の光学顕微鏡による
ミクロ組織写真（倍率：４００倍）である。図３を観察
すると、各成分が細かく分散しているのがわかる。図３
中の黒い部分は、空隙である。

【００３０】図６は、Ａｌ−１５％Ｃｕ合金の被覆層に
加え、様々な組成比のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ａ
ｇ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｉ合金について比
摩耗量とビッカース硬さを測定した結果を示す。図６
中、元素記号の前の数字は、重量％を示す。比較材とし
て、ＡＣ４Ｃ−Ｔ６材、Ａ３９０−Ｔ６材、鋳鉄のバル
ク材のデータを示した。ＡｇまたはＳｉまたはその両方
の添加により、図５よりもさらに耐摩耗性及び硬度が向
上し、特にＡｌ−１５Ａｇ−１５Ｃｕ合金及び各種Ａｌ
−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｉ合金では、１５０ＨＶ程度のビッカ
ース硬さと、鋳鉄と同程度の耐摩耗性が得られた。

【００３１】実施例２ 実施例１と同じ前処理及び溶射条件で、内径用ガンを用
いて、Ａｌ−１０Ａｇ−１０Ｃｕ−１０Ｓｉ合金（元素
記号の前の数字は、重量％を示す。）の粉末をＡ５０５
２製円筒（内径７６ｍｍ、厚さ８ｍｍ、長さ１０３ｍ
ｍ）の内面に溶射した。この円筒を発電機（スズキ株式
会社製ＳＶ−４０００）のシリンダーとして組み付け
た。この発電機の概要を表４に示す。

【００３２】

【表４】

【００３３】この発電機を無負荷で１時間のならし運転
の後、３８００Ｗの定格負荷をかけた状態で３６００ｒ
ｐｍの回転数で１０時間運転し、上死点付近のボア内径
の変化を測定した。表５にその結果を示す。

【表５】 表５から、本実施例の被覆層が、内燃機関のシリンダー
用の表面硬化層として、十分な耐摩耗性と耐熱性を有す
ることがわかる。また、溶射層の局部的な剥離等の有害
な損傷も生じなかった。

【００３４】

【発明の効果】本発明の被覆層のアルミニウム合金は、
液相からの急冷によって、組織が極めて微細となり、分
布も均一となり、高強度、高硬度、優れた耐摩耗性を有
する。被覆層がアルミニウム合金であるため、熱伝導率
が良く、また、融点が低いため、被覆時の入熱が少なく
て済む。アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる
母材と被覆層の合金の熱膨張率及び弾性率の差が小さい
ため、熱衝撃や繰り返し熱サイクルによって亀裂を生じ
ず、信頼性が高い。被覆層の合金の弾性率が母材の弾性
率と近いため、アルミニウム部材が変形しても亀裂を生
じない。特に本発明では、Ｃｕの最大拡張固溶融限が大
きく、Ｃｕ量を増加しても均一、微細な組織を維持する
ことができるため、特に優れた特性を得ることができ
る。本発明の内燃機関用シリンダーは、シリンダーボア
内面に表面被覆層が形成されているため、メッキ層や鋳
鉄製のシリンダーライナーを設ける必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ粉体肉盛法で用いる装置の断面図であ
る。

【図２】ティグアーク合金化肉盛法の一例を示す図であ
る。

【図３】溶射法によって形成されたＡｌ−２３Ｓｉ―３
Ｃｏ―３Ｆｅ―３Ｎｉ―３Ｃｕ―１Ｍｇの被覆層の断面
の顕微鏡写真（倍率：４００倍）である。

【図４】基材及び溶射法によって形成されたＡｌ−２３
Ｓｉ―３Ｃｏ―３Ｆｅ―３Ｎｉ―３Ｃｕ―１Ｍｇの被覆
層の断面の顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。

【図５】被覆層を形成した場合の銅の添加量と比摩耗量
及びビッカース硬さの関係を示す図である。

【図６】溶射法によって被覆層を形成した場合の種々の
金属の比摩耗量及びビッカース硬さを示す図である。

【符号の説明】

１ タングステン電極（陰極） ２ プラズマガス ３ 粉末及びキャリヤーガス ４ シールドガス ５ プラズマアーク ６ 被覆層 ７ 母材（陽極） ８ 粉末供給ノズル ９ 粉末 １０ 溶融池 １１ ティグ溶接トーチ １２ 母材 １３ 母材 １４ 被覆層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西原 達夫 静岡県浜松市高塚町300番地 スズキ株式 会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムを主成分とし、１〜４０原
   子％の銅とその他の合金成分を含む被覆層を、アルミニ
   ウムまたはアルミニウム合金上に形成してなる表面改質
   アルミニウム部材。
2. 【請求項２】 シリンダーブロックのボア内面が、請求
   項１の被覆層からなる内燃機関用シリンダー。