JPH11107848A - 粉末アルミ合金製シリンダーライナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶製アルミ合金製エンジンブロック本体に粉
体アルミ合金製シリンダーライナを鋳込んだ後において
も、シリンダーライナとエンジンブロック本体の界面に
隙間を生じることなく、また、実際の使用に耐えるよう
な薄肉・軽量のアルミ合金製シリンダーライナを提供す
る。 【解決手段】 溶製アルミ合金製エンジンブロックに鋳
込まれる粉体アルミ合金製シリンダーライナにおいて、
シリンダーライナを構成する粉末アルミ合金の熱膨張率
をα_C 、エンジンブロックを構成する溶製アルミ合金の
熱膨張率をα_B とするとき、１４×１０^-6／℃≦α_C ≦
２０×１０^-6／℃であり、かつ、１×１０^-6／℃≦α_B
−α_C ≦８×１０^-6／℃を満足するアルミ合金製シリン
ダーライナが用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車、自動二
輪車、スノーモービルおよび水上バイクなどに用いられ
る粉末アルミ合金製シリンダーライナに関するものであ
り、より特定的には、アルミ高圧鋳造によりエンジンブ
ロック本体にシリンダーライナを鋳込む場合に適したシ
リンダーライナ用粉末アルミ合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】潤滑油中で摩擦摺動する自動車用部品あ
るいは自動二輪用部品の軽量化は、フリクション低減や
駆動トルク低減などによる燃費改善効果が大きく期待で
きることから、コンロッドやピストンなどの摺動部分の
アルミ軽量化は極めて有効である。

【０００３】しかしながら、稼働中に何らかの原因によ
り潤滑油が摺動界面に十分存在しない状態に陥ると、ア
ルミ部分は焼きつき現象あるいは凝着といった問題を生
じる。たとえばピストンではそれ自身をアルミ合金にす
るとともに、相手材の内燃機関用シリンダーライナ材と
して、摺動表面にニッケル、クロム、鉄などの硬質めっ
きを施した鋳造アルミニウム合金の適用による焼きつき
現象の抑制が検討された。

【０００４】しかし、素地を構成するアルミニウム合金
の耐熱性が十分でないためにライナ材として使用に耐え
得るものではなく、また、経済性の点においても問題が
あった。

【０００５】そこで、アルミニウム合金の耐摩耗性・耐
熱性を向上すべく、急冷凝固法により得られる微細組織
を有する粉末アルミ合金を用いることで、これらの特性
を改善し、シリンダーライナ材として実用化できる可能
性が見出された。たとえば、特公平６−２１３０９号公
報、特開平１−２５５６４１号公報に開示された技術に
よれば、特殊な合金組成を有するアルミニウム合金粉末
に、微細で球状に近いアルミナ硬質粒子と潤滑成分とし
ての黒鉛粉末を混合・添加し、熱間押出し法により固化
し得た内燃機関用シリンダーライナ材を提案している。

【０００６】また、特開平１−２７１０５３号公報に開
示された技術においては、粉末アルミ合金製シリンダー
ライナをアルミ合金製エンジンブロック本体に鋳込む方
法が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、アルミ高圧鋳
造法によりアルミ合金製エンジンブロック本体にこのよ
うなアルミ合金製シリンダーライナを鋳込む場合、比較
的短時間で鋳込みが終了するために、シリンダーライナ
外周表面部はエンジンブロック本体と溶着・結合しな
い。この状態でエンジンブロックを常温まで冷却する
と、シリンダーライナとエンジンブロックとの熱膨張率
の関係により両者の接触界面に隙間が生じる。その結
果、シリンダーライナがエンジンブロック本体から抜け
落ちるといった問題がある。

【０００８】これに対し、従来の技術では、シリンダー
ライナの外周表面に溝加工等による抜け落ち防止加工を
施している。しかしながら、この抜け落ち防止加工は、
シリンダーライナの厚肉化が余儀なくされ、シリンダー
ライナのコストアップや、エンジンブロック本体の大型
化・重量増加といった問題を招いている。

【０００９】したがって、この発明の目的は、溶製アル
ミ合金製エンジンブロック本体に、シリンダーライナを
鋳込んだ後においても、シリンダーライナとエンジンブ
ロック本体との界面に隙間を生じることなく、また抜け
落ち防止のための加工を必要とせずに、さらに実際の使
用に耐え得るような薄肉・軽量の粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に基づいた請求
項１に記載の粉末アルミ合金製シリンダーライナにおい
ては、溶製アルミ合金製エンジンブロックに鋳込まれる
粉末アルミ合金製シリンダーライナであって、上記粉末
アルミ合金製シリンダーライナの熱膨張率をα_C 、上記
溶製アルミ合金製エンジンブロックの熱膨張率をα_B と
するとき、両者の関係が１４×１０^-6／℃≦α_C ≦２０
×１０^-6／℃であり、かつ、１×１０^-6／℃≦α_B −α
_C ≦８×１０^-6／℃を満足している。

【００１１】また、請求項２に記載の発明においては、
請求項１に記載の粉末アルミ合金製シリンダーライナで
あって、上記粉末アルミ合金製シリンダーライナは、上
記溶製アルミ合金製エンジンブロックにアルミ高圧鋳造
法により鋳込まれる。

【００１２】以上、請求項１および請求項２に記載の発
明によれば、シリンダーライナとエンジンブロックの熱
膨張率の関係により、両者の接触界面に隙間が生じるこ
とがない。その結果、エンジンブロックからのシリンダ
ーライナの抜け落ちを防止することが可能となる。

【００１３】次に、請求項３に記載の発明においては、
請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉末ア
ルミ合金は、窒化アルミニウムとＳｉとを含み、その合
計含有量は、重量基準で上記シリンダーライナ用粉末ア
ルミ合金全体に対して５％以上３０％以下である。

【００１４】これにより、熱膨張率の適正範囲と優れた
耐摩耗性とを両立させることが可能となる。

【００１５】次に、請求項４に記載の発明においては、
請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉末ア
ルミ合金は、窒化アルミニウムを重量基準で０．５％以
上１５％以下含有し、残部がアルミニウムのＡｌＮ分散
型粉末アルミ合金がである。

【００１６】これにより、十分な耐摩耗性および被切削
性を得ることが可能となる。次に、請求項５に記載の発
明においては、請求項１または請求項２に記載の粉末ア
ルミ合金製シリンダーライナであって、上記シリンダー
ライナの粉末アルミ合金は、窒素を重量基準で０．１％
以上５％以下含有し、残部がアルミニウムであり、か
つ、上記窒素は上記アルミニウムと結合した構造を有す
るＡｌＮ分散型粉末アルミ合金である。

【００１７】これにより、適正範囲量のＡｌＮを生成さ
せることが可能となり、その結果耐熱性、耐摩耗性、耐
焼きつき性および被削性に優れた粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナを得ることが可能となる。

【００１８】次に、請求項６に記載の発明においては、
請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉末ア
ルミ合金は、窒化アルミニウムを重量基準で０．５％以
上１５％以下含有し、Ｍｇを重量基準で０．０５％以上
含有し、残部がアルミニウムであるＡｌＮ分散型粉末ア
ルミ合金である。

【００１９】次に、請求項７に記載の発明においては、
請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉末ア
ルミ合金は、窒素を重量基準で０．１％以上５％以下含
有し、Ｍｇを重量基準で０．０５％以上の含有し、残部
がアルミニウムであり、かつ、上記窒素はアルミニウム
と結合した構造を有するＡｌＮ分散型粉末アルミ合金で
あるこれにより、確実に粉末アルミ合金中にＡｌＮを生
成・分散させることが可能となり、優れたＡｌＮ分散型
粉末アルミ合金を形成することが可能となる。

【００２０】次に、請求項８に記載の発明においては、
請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉末ア
ルミ合金は、繊維状に一方向に成長した組織構造をもつ
窒化アルミニウムを含み、かつ、その成長方向を厚みと
した場合に前記窒化アルミニウムは３μｍ以下の層状粒
子形状を有している。

【００２１】このように、厚みが３μｍ以下であること
によって、被切削性を低下させることなく、従来用いら
れているＡｌＮ粒子に比べて優れた摺動性を得ることが
可能となる。

【００２２】次に、請求項９に記載の発明においては、
請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリ
ンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉末ア
ルミ合金は、窒化アルミニウムを含み、この窒化アルミ
ニウムとアルミ合金素地のマトリックスであるアルミニ
ウムとの境に隙間がない結合界面を有している。

【００２３】また、請求項１０に記載の発明において
は、請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製
シリンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉
末アルミ合金は、アルミ合金全体に対して容積率で１５
％以下の空孔率を有している。

【００２４】さらに、請求項１１に記載の発明において
は、請求項１０に記載の粉末アルミ合金製シリンダーラ
イナであって、上記空孔率は、アルミ合金全体に対して
容積率で３％以上１０％以下である。

【００２５】これにより、ピストンやピストンリングと
接触するシリンダーライナの摺動表面に空孔が分散する
ことで、その空孔部分が摺動表面に対して凹状ピットを
形成し、その部分に潤滑油が保持されて、ピストン等と
の摺動界面での油膜切れを防ぎ、優れた耐焼きつき性お
よび耐摩耗性を実現させることが可能となる。

【００２６】次に、請求項１２に記載の発明において
は、請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製
シリンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉
末アルミ合金は、黒鉛、ＭｏＳ₂ 、ＷＳ₂ 、ＣａＦから
なるグループから選択される少なくとも１種以上の潤滑
成分を重量基準で５％以下含有している。

【００２７】また、請求項１３に記載の発明において
は、請求項１２に記載の粉末アルミ合金製シリンダーラ
イナであって、上記潤滑成分の含有量は、重量基準で１
％以上３％以下である。

【００２８】このように、黒鉛、ＭｏＳ₂ 、ＷＳ₂ 、Ｃ
ａＦ等の固形潤滑粉末はそれ自身の潤滑性能およびシリ
ンダーライナの摺動面に分散して、上述した空孔と同様
に、凹状の油溜まりを形成することで、ピストン等との
摺動界面での油膜切れを防止し、優れた耐焼きつき性お
よび耐摩耗性を実現させることが可能となる。

【００２９】次に、請求項１４に記載の発明において
は、請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製
シリンダーライナであって、上記シリンダーライナの粉
末アルミ合金は、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍ
ｎ、Ｚｒからなるグループから選択される少なくとも１
種以上の元素を含有し、かつ、その含有量が２５重量％
以下である。

【００３０】これにより、シリンダーライナ用粉末アル
ミ合金の耐摩耗性、耐焼きつき性、強度、硬度および剛
性等の機械的特性を向上させることが可能となる。

【００３１】次に、請求項１５に記載の発明において
は、請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製
シリンダーライナであって、上記シリンダーライナ用粉
末アルミ合金は、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、Ｍｇ
Ｏ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｃｒ₂ Ｏ₃からなるグループから選
択される少なくとも１種以上の酸化物球状粒子を５重量
％以下含有している。

【００３２】これにより、硬質粒子が、窒化アルミニウ
ムやＳｉと同様、シリンダーライナ用粉末アルミ合金の
素地中に分散し、耐摩耗性、耐焼きつき性を向上させる
ことが可能となる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、この発明に基づいた粉末ア
ルミ合金製シリンダーライナについて詳細に説明する。

【００３４】（１） シリンダーライナとエンジンブロ
ックの熱膨張率の関係とその作用効果について アルミ合金製シリンダーライナをアルミ低圧鋳造により
エンジンブロック本体に鋳込む場合、５００℃を超える
ような高温下で長時間アルミ合金製シリンダーライナの
外周部がアルミ溶湯と接触する。そのためにアルミ合金
製シリンダーライナとエンジンブロック本体との界面が
溶着接合する。その結果、両者の間には、良好な結合界
面が得られ、エンジンブロックからアルミ合金製シリン
ダーライナの抜け落ちといった問題は生じない。

【００３５】これに対して、アルミ高圧鋳造によりアル
ミ合金製エンジンブロック本体にこのようなアルミ合金
製シリンダーライナを鋳込む場合、比較的短時間で鋳込
みが終了する。そのため、アルミ合金製シリンダーライ
ナの外周表面部は、エンジンブロック本体と溶着接合せ
ず、その結果両者の間には良好な結合界面が得られな
い。その結果、従来のシリンダーライナは、エンジンブ
ロックから抜け落ちるといった問題が生じていた。

【００３６】ここで、本願発明者らは、アルミ合金製シ
リンダーライナとエンジンブロックとの熱膨張率の関係
により両者の接触界面に隙間が生じることなく、エンジ
ンブロックからのシリンダーライナの抜け落ちを防止す
ることのできる技術を発明した。

【００３７】つまり、アルミ高圧鋳造によりシリンダー
ライナをエンジンブロックに鋳込んだ状態で、常温まで
エンジンブロック本体を冷却するとき、シリンダーライ
ナ用アルミ合金の熱膨張率は、エンジンブロック本体の
アルミ合金の熱膨張率に比べてある程度小さい場合、エ
ンジンブロックはシリンダーライナに比べてより収縮す
ることで、シリンダーライナとエンジンブロックとの接
合界面に圧縮の残留応力が作用する。

【００３８】この残留応力により、シリンダーライナは
エンジンブロックに拘束された状態となる。その結果、
両者の接触界面に隙間が生じることなく、シリンダーラ
イナがエンジンブロック本体から抜け落ちるといった問
題を回避することができる。

【００３９】一方、エンジンが稼働する際に発生する熱
によりシリンダーライナに比べてよりエンジンブロック
が膨張して両者の接触界面に引張りの熱応力が作用す
る。その結果、上記の圧縮残留応力が低下して、シリン
ダーライナの抜け落ちの問題が生じる可能性がある。ま
た、エンジンブロックからの圧縮の残留応力が過度に大
きいと、薄肉のシリンダーライナでは剛性が十分でない
ために、シリンダーライナが変形して真円度が得られな
い場合がある。

【００４０】そこで、本願発明者らは、これらの問題を
考慮して、シリンダーライナとエンジンブロック本体と
の熱膨張率の相関を適正化した結果、 α_B −α_C ≧１×１０^-6／℃かつ、α_B −α_C ≦８×１
０^-6／℃ α_B ：エンジンブロック用アルミ合金の熱膨張率 α_C ：シリンダーライナ用アルミ合金の熱膨張率 を満足する場合に限り、シリンダーライナの変形やエン
ジン稼働時のシリンダーライナの抜け落ち等の問題が生
じることなく、シリンダーライナの薄肉化が実現できる
ことを見出した。

【００４１】つまり、α_B −α_C ＜１×１０^-6／℃の場
合は、シリンダーライナとエンジンブロックとの接触界
面における圧縮応力は十分大きくないため、シリンダー
ライナに対してエンジンブロックからの十分な拘束力が
得られず、常温あるいはエンジン稼働時の高温下におい
て両者の接触界面に隙間が発生してシリンダーライナの
抜け落ちが生じる。

【００４２】また、α_B −α_C ＞８×１０^-6／℃は、上
記のとおりエンジンブロックからの圧縮の残留応力が大
きくなるために、シリンダーライナに対する拘束力は十
分に得られるが、肉厚（外径と内径の差）が小さいシリ
ンダーライナでは剛性が小さくなるために、過剰な圧縮
応力が作用するとシリンダーライナが径方向に変形して
真円度が得られなくなる。したがって、シリンダーライ
ナの薄肉化が妨げられるといった問題が生じる。

【００４３】ただし、このときのシリンダーライナに用
いる粉末アルミ合金の熱膨張率に関する具体的な値とし
て、α_C は１４×１０^-6／℃〜２０×１０^-6／℃である
ことが望ましい。

【００４４】一般に、エンジンブロックに用いられる溶
製アルミ合金の熱膨張率α_B は１８×１０^-6／℃〜２２
×１０^-6／℃程度であるため、上述したシリンダーライ
ナとエンジンブロックとの熱膨張率の相関（１×１０^-6
／℃≦α_B −α_C ≦８×１０^-6／℃）を満足するために
は、シリンダーライナの熱膨張率α_C は１４×１０^-6／
℃以上であることが望ましい。

【００４５】また、後述するように、シリンダーライナ
に要求される重要特性の１つである耐摩耗性と強い相関
のある窒化アルミニウムとＳｉに関して、その合計含有
量は５％以上であることが望ましく、その場合の粉末ア
ルミ合金の熱膨張率は２０×１０^-6／℃以下となる。よ
って、エンジンブロックとの鋳込み性ならびにシリンダ
ーライナの耐摩耗特性を両立する場合のシリンダーライ
ナ用粉末アルミ合金の熱膨張率α_C は、１４×１０^-6／
℃〜２０×１０^-6／℃であることが望ましい。

【００４６】一方、本願発明者らは、シリンダーライナ
を構成する粉末アルミ合金に含まれる窒化アルミニウム
とＳｉとの合計含有量について、上記の熱膨張率の適正
範囲と優れた耐摩耗性を両立させるために必要な適正範
囲を見出した。

【００４７】具体的には、粉末アルミ合金に含まれる窒
化アルミニウムとＳｉの合計含有量は、粉末アルミ合金
全体に対して重量基準で５％以上３０％以下であり、よ
り望ましくは７％以上２０％以下である。

【００４８】ここで、窒化アルミニウムとＳｉとの合計
含有量が５％未満の場合、シリンダーライナとして要求
される耐摩耗性を有することが困難となる。一方、両者
の合計含有量が３０％を超えると、シリンダーライナの
熱膨張率α_C が１４×１０^-6／℃よりも小さくなり、上
記のような問題が生じる。

【００４９】特に被削性の観点からは両者の合計含有量
は２０％以下であることが望ましく、また、相手材のピ
ストンやピストンリングとの摺動特性の観点からは合計
含有量は７％以上であることがより望ましい。よって、
本実施の形態においては、粉末アルミ合金中の窒化アル
ミニウムとＳｉの合計含有量は５％以上３０％以下であ
る。

【００５０】（２） ＡｌＮ分散型粉末アルミ合金にお
ける窒化アルミニウムの特徴とその作用・効果 シリンダーライナはピストンやピストンリングなどの相
手材と摺動することから高温での耐摩耗性・耐焼きつき
性および相手攻撃性が要求される。本実施の形態におけ
るシリンダーライナに用いる粉末アルミ合金において
は、耐熱性、耐摩耗性、耐焼きつき性および相手攻撃性
を向上させる目的から、５００℃の高温を超えても熱的
に安定である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）をアルミ合金
中に生成・分散させることにより、従来の粉末アルミ合
金に比べて優れた耐熱性や摩擦摺動特性を有することを
見出した。

【００５１】しかも、本実施の形態においては、従来の
粉末冶金技術にあるようにＡｌＮを粉末（粒子）として
アルミ合金粉末と混合して焼結アルミ合金中に添加・分
散するのではなく、アルミ合金粉末中のアルミ成分と窒
素ガスを反応させることでＡｌＮをアルミ合金中に生成
・分散させることが特徴である。

【００５２】つまり、従来の方法によれば、添加された
ＡｌＮ粒子はアルミ合金素地との接触界面に隙間があ
り、このＡｌＮ粒子は素地中に機械的に拘束された状態
であるために、耐熱性の改善効果が少なく、また、ピス
トンやピストンリングなどの相手材と摩擦・摺動する場
合にＡｌＮ粒子が脱落して硬い摩耗粉となり、焼きつき
現象やかじり現象といった問題を生じる。

【００５３】これに対して、本実施の形態によれば、上
記のとおりＡｌＮはアルミ合金粉末中のアルミと反応
（以下、直接窒化反応と称す。）して生成することか
ら、ＡｌＮ粒子はアルミ合金素地との接触界面に隙間は
なく、アルミ素地と結合した構造を有することで強固に
密着する。その結果、アルミ合金の耐熱性、耐摩耗性お
よび耐焼きつき性は大幅に向上する。したがって、本実
施の形態における粉末アルミ合金は、高圧鋳造によりア
ルミ合金製エンジンブロック本体に鋳込んだ場合でも、
シリンダーライナとして十分使用することができる。

【００５４】本実施の形態におけるシリンダーライナの
具体的な製法としては、まず、油圧プレスや冷間静水圧
プレス等によりアルミ合金粉末を型押し成形して圧粉体
を作製する。この圧粉体を窒素ガス雰囲気中で加熱・焼
結することにより得られたアルミ合金焼結体の旧粉末粒
界に、窒化反応によるＡｌＮを生成・分散させる。ま
た、必要に応じて熱間押出し法や熱間鍛造法を施すこと
で焼結体の強度を向上することも有効である。

【００５５】このような製法により得られる本実施の形
態における粉末アルミ合金において、適正なＡｌＮ生成
量は粉末アルミ合金全体に対して重量基準で０．５％以
上１５％以下であり、耐摩耗性・被削性の観点からより
好ましくは１％以上７％以下である。ＡｌＮ生成分散量
が０．５重量％未満の場合、十分な耐熱性・耐摩耗性が
得られない。一方、ＡｌＮ生成分散量が１５％を超えて
も耐摩耗性は顕著に向上せず、かえって被削性の低下や
焼結体の靱性の低下、あるいは焼結工程の長時間化とい
った経済性の問題が生じる。

【００５６】なお、上記の適正範囲量のＡｌＮを生成さ
せるためには、アルミ成分と反応するために必要な窒素
量として重量基準で０．１％以上５％以下を粉末アルミ
合金中に含有する。つまり窒素量が０．１％未満では
０．５％以上のＡｌＮを生成できず、また窒素量が５％
を超えると１５％を超えるＡｌＮを生成することを本願
発明者らは確認した。

【００５７】以上により、本実施の形態における粉末ア
ルミ合金製シリンダーライナは、アルミ合金全体に対し
て重量基準で０．５％以上１５％以下のＡｌＮを、また
０．１％以上５％以下の窒素を含有することで、耐熱
性、耐摩耗性、耐焼きつき性および被削性に優れてお
り、アルミ高圧鋳造によりアルミ合金製エンジンブロッ
ク本体に鋳込んだ状態でシリンダーライナとして使用す
ることが可能となる。

【００５８】なお、上記のように直接窒化反応を進行さ
せて粉末アルミ合金中にＡｌＮを生成・分散させるため
には、Ｍｇを０．０５％以上含有することが好ましい。
Ｍｇは事前にアルミ合金粉末中に含有させており、窒素
ガス雰囲気中でアルミ圧粉体を加熱・焼結する際に粉末
表面を覆う酸化アルミ被膜を還元反応により除去する効
果を有している。その結果、窒素ガスと粉末中のアルミ
成分が反応してＡｌＮを生成できる。したがって、本実
施の形態の粉末アルミ合金においてはＭｇの含有量とし
ては０．０５重量％以上必要である。つまり、Ｍｇ含有
量が０．０５重量％未満の場合、上記のＭｇによる還元
反応が十分に生じないために、ＡｌＮを均一に生成でき
ないといった問題を生じる。

【００５９】さらに、上記のように直接窒化反応を利用
して粉末アルミ合金中に生成するＡｌＮは、従来法によ
る添加したＡｌＮ粒子と組織構造が大きく異なる。具体
的には、直接窒化反応の過程において、ＡｌＮは圧粉体
中のアルミ合金粉末表面から一方向に繊維状あるいは樹
枝状に成長する。その結果、図１および図２に示すよう
な層状の被膜としてアルミ合金中に生成・分散する。

【００６０】一方、従来のＡｌＮ粒子分散型焼結アルミ
合金においては、図３に示すように、単結晶を有したＡ
ｌＮ粒子が分散している。つまり、本実施の形態におけ
る窒化反応法による焼結アルミ合金中のＡｌＮは、図１
および図２に示すような繊維状の組織構造を有すること
で従来法で用いられるＡｌＮ粒子に比べて、優れた摺動
性を有することを本願発明者らは見出した。

【００６１】しかも、繊維状に成長する方向をＡｌＮの
厚み方向とするとき、窒化反応により生成するＡｌＮの
厚みは３μｍ以下であることが望ましく、より好ましく
は１μｍ以下である。これはＡｌＮの厚みがＡｌＮの生
成量にほぼ比例しており、たとえば、ＡｌＮの生成量が
１５重量％の場合のＡｌＮの厚みは約３μｍであること
から、本実施の形態において提案する直接窒化反応法に
より生成するＡｌＮの厚みは３μｍ以下となる。つま
り、厚みが３μｍを超えることは、ＡｌＮの生成量が１
５重量％を超えることを意味しており、その場合は、上
記のように焼結体の被削性や靱性の低下といった問題が
生じる。特に、被削性の観点からはＡｌＮの厚みは１μ
ｍ以下であることがより好ましい。

【００６２】（３） 粉末アルミ合金中の空孔率とその
作用・効果 ピストンやピストンリングと接触するシリンダーライナ
の摺動表面に空孔が分散することでその空孔部分が摺動
表面に対して凹状ピットを形成し、この部分に潤滑油が
保持されてピストン等との摺動界面での油膜切れを防
ぎ、優れた耐焼きつき性および耐摩耗性を実現させるこ
とが可能となる。

【００６３】このような効果を得るためには、本実施の
形態における粉末アルミ合金中の空孔率はアルミ合金全
体に対して容積率で１５％以下であり、好ましくは３％
以上１０％以下であることが好ましい。空孔率が１５％
を超えると、粉末アルミ合金の機械的特性が低下する。
たとえばシリンダーライナとしての強度や剛性が十分に
得られず、その結果、エンジンブロックに鋳込んだ際に
シリンダーライナが変形するといった問題が生じる。し
たがって、優れた耐焼きつき性、耐摩耗性および機械的
特性を両立させるためには、粉末アルミ合金中の空孔率
は１５％以下であることが必要であり、より好ましい範
囲として３％以上１０％以下であることを見出した。

【００６４】（４） 固形潤滑成分とその作用・効果 黒鉛、ＭｏＳ₂ 、ＷＳ₂ 、ＣａＦなどの固形潤滑粉末は
それ自身の潤滑性能およびシリンダーライナの摺動面に
分散して上記の空孔と同様に、凹状の油溜まりを形成す
ることでピストン等との摺動界面での油膜切れを防ぎ、
優れた耐焼きつき性および耐摩耗性を実現させることが
可能となる。本実施の形態におけるシリンダーライナの
粉末アルミ合金は、黒鉛、ＭｏＳ₂ 、ＷＳ₂ 、ＣａＦか
ら選ばれた少なくとも１種類あるいは２種以上の潤滑成
分を重量基準で５％以下、好ましくは１％以上３％以下
含有する。

【００６５】潤滑成分の含有量が５重量％を超えるとア
ルミ合金素地を構成するアルミ合金粉末同士の結合強度
が低下するためにシリンダーライナとして要求される機
械的特性が十分に得られないとともにシリンダーライナ
の製法の１つである熱間押出し法において、アルミ合金
粉末同士の結合が十分でないために押出し後のライナ表
面がささくれた状態（むしれた状態）となり、製造面に
おいての問題も生じる。

【００６６】したがって、シリンダーライナの機械的特
性の低下を抑え、かつ、優れた耐摩耗性および耐焼きつ
き性を得るためには、黒鉛、ＭｏＳ₂ 、ＷＳ₂ 、ＣａＦ
から選ばれた少なくとも１種あるいは２種以上の潤滑成
分を重量基準で５％以下、好ましくは１％以上３％以下
含有する必要がある。

【００６７】（５） 粉末アルミ合金の組成とその作用
・効果 本実施の形態における粉末アルミ合金では、必要に応じ
てＳｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＭｎのう
ち、少なくとも１種以上の元素を含有することで、以下
に示すようなそれぞれの効果を実現することができる。
ただし、粉末アルミ合金の耐摩耗性・耐焼きつき性や強
度、硬度、剛性等の機械的特性を向上させるためには、
上記の各元素について少なくとも１種あるいは２種以上
含有し、かつ、合計含有量が２５％以下であることが望
ましい。なぜならば、各添加元素の合計含有量が２５％
を超えても各特性は著しく向上せず、かえって粉末アル
ミ合金の靱性が低下するといった問題や、また、アルミ
合金の硬さや剛性が大きくなり過ぎるために、後工程で
ある熱間押出しが困難となるといった製法上の問題が生
じる。

【００６８】また、本実施の形態においては、上記の各
元素をアルミ合金中に添加した場合、所定の合金組成を
有する溶湯から急冷凝固法によりアルミ合金粉末を作製
し、これを原料粉末に用いる。つまり、所定の合金成分
からなるアルミ合金溶湯を噴霧法（アトマイズ法）によ
り粉末にし、このアルミ合金粉末を成形・加熱固化する
ことにより所定の組成を有する焼結アルミ合金を作り出
すことができる。ここで、上記各元素の特徴について以
下簡単に説明する。

【００６９】（Ｉ） Ｓｉ アルミ合金の素地中に分散して合金の耐摩耗性・耐焼き
つき性を向上させる効果がある。ただし、２５％を超え
て添加しても特性はさらに向上せず、かえってアルミ合
金の靱性が低下するといった問題や、また、アルミ合金
の剛性が大きくなるために熱間押出しにおいて押出し体
を創製する際に高い押出し力、すなわち大型の押出し設
備が必要となり、経済性の問題が生じる。

【００７０】（ＩＩ） Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ これらの金属元素はアルミニウムと微細な金属間化合物
を形成して素地中に分散することでアルミ合金の耐熱性
と剛性・硬さを向上させる効果がある。つまり、耐熱性
を改善することで摺動時における相手材との焼きつきは
大幅に抑制されることからこれらの元素の添加は有効で
ある。

【００７１】また、このような熱的に安定な金属間化合
物を微細かつ均一に分散させることで、加熱・焼結時に
おけるＳｉ結晶の成長を抑制することができる。その結
果、アルミ合金の被削性が大幅に向上するといった効果
もある。

【００７２】なお、このような効果を得るためには、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒの添加は有効であり、その
際、それぞれ１％以上含有する必要がある。一方、これ
らの元素を適正量加えて添加した場合、上記のようなア
ルミニウムとの金属間化合物が粗大化するために、かえ
ってアルミ合金の靱性や強度を低下させるといった問題
や、アルミ合金粉末を製造する上でアルミ合金溶湯の融
点が上昇するために製造コストアップを誘発する。その
結果、アルミ合金粉末の価格が高くなるといった経済性
の問題も生じる。したがって、本実施の形態において
は、各元素の適正添加量として、Ｆｅ；１〜８％、Ｎ
ｉ；１〜８％、Ｃｒ：１〜６％、Ｔｉ；１〜４％、Ｚ
ｒ；１〜４％を設定した。

【００７３】（ＩＩＩ） Ｍｎ 上記の金属元素と同様に、アルミニウムとの金属間化合
物を形成し、合金素地中に均一分散することで、合金の
機械的特性ならびに摺動時における相手材との耐焼きつ
き性を向上させる効果がある。これらの効果を実現させ
るためには、１％以上含有する必要があるが、５％を超
えて添加しても特性は向上せず、かえってアルミ合金の
靱性を低下させることになる。

【００７４】（６） 硬質粒子 本実施の形態におけるシリンダーライナ用粉末アルミ合
金は、必要に応じて、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、
ＭｇＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｃｒ₂ Ｏ₃ から選ばれた少なく
とも１種以上の酸化物球状粒子を５重量％以下含有す
る。

【００７５】硬質粒子は、窒化アルミニウムやＳｉと同
様粉末アルミ合金の素地中に分散して耐摩耗性、耐焼き
つき性を向上させる効果がある。ただし、硬質粒子の添
加量はアルミ合金全体に対して重量基準で５％以下であ
ることが望ましい。なぜならば、５％を超えて硬質粒子
を添加しても、耐摩耗性や耐焼きつき性は顕著に向上す
ることはなく、かえってアルミ合金の被削性が低下し、
また、相手材を攻撃するといった問題が生じるからであ
る。

【００７６】なお、硬質粒子の種類としては、Ｔｉ
Ｏ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｃ
ｒ₂ Ｏ₃ などの酸化物粒子が好ましい。中でも、アルミ
合金の耐摩耗性および被削性の観点からは、ＴｉＯ₂ 、
ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃の酸化物球状粒子の添
加がより有効であることを本発明者らは見出した。

【００７７】

【実施例】以下、本発明に基づいた実施の形態における
実施例について、表を参照しながら以下説明する。

【００７８】（実施例１）

【００７９】

【表１】 なお、表１中において、「隙間なく良好」とは、エンジ
ンが稼働した状態においても、エンジンブロックからの
シリンダーライナの抜け落ちがないことを意味する。ま
た、「隙間あり」とは、鋳込みが終了した段階でシリン
ダーライナがエンジンブロックから抜け落ちることを、
あるいはエンジン稼働時の高温下においてシリンダーラ
イナとエンジンブロックとの界面に隙間が生じてエンジ
ンブロックからのシリンダーライナの抜け落ちが生じる
ことを意味する。

【００８０】上記表１に示すような熱膨張率α_C を有す
るアルミ合金製シリンダーライナをアルミ高圧鋳造法に
よりエンジンブロック本体中に鋳込んだ後、シリンダー
ライナとエンジンブロックとの接触界面の結合状態およ
びシリンダーライナの直径方向での変形の有無を確認し
た。

【００８１】なお、シリンダーライナには抜け落ち防止
のための溝加工などは施さずに鋳込み実験を行なった。
また、ここで、アルミ高圧鋳造法により製造したアルミ
合金製エンジンブロック本体の合金組成はＡｌ−１７％
Ｓｉ−３Ｃｕ−１Ｍｇ（重量％）であり、その熱膨張率
α_B は、１９．５×１０^-6／℃である。ただし、ここで
記載した熱膨張率の値は常温から２００℃までの平均値
である。

【００８２】表１に示すように、本願発明が規定するα
_B −α_C ≧１×１０^-6／℃、かつ、α_B −α_C ≦８×１
０^-6／℃といった熱膨張率の関係式を満足するシリンダ
ーライナとエンジンブロックとの組合せ番号、Ｎｏ．１
〜Ｎｏ．５においては、鋳込んだ後のシリンダーライナ
の外周面はエンジンブロックからの圧縮残留応力により
エンジンブロック本体によって強固に拘束されており、
シリンダーライナとエンジンブロック本体との接触界面
に隙間が生じることない。

【００８３】その結果、シリンダーライナに抜け落ち防
止加工を施さなくとも、エンジンブロック本体からのシ
リンダーライナの抜け落ちといった問題が発生していな
いことがわかる。

【００８４】また、エンジンブロックからの拘束力が適
正条件であるために鋳込んだ後のシリンダーライナ自身
が変形することなく、シリンダーライナとして十分使用
することのできる真円度を有している。したがって、シ
リンダーライナの薄肉化を実現することが確認できる。

【００８５】一方、本願発明が規定するシリンダーライ
ナとエンジンブロックとの熱膨張率に関する上記の関係
式を満足しないＮｏ．６〜Ｎｏ．８においては、以下の
ような問題が生じることが確認される。

【００８６】Ｎｏ．６；シリンダーライナの熱膨張率が
小さすぎるために、エンジンブロックからの圧縮応力に
よる拘束力が過剰に作用するためにシリンダーライナが
変形する。

【００８７】Ｎｏ．７；シリンダーライナの熱膨張率が
大きすぎるために、エンジンブロックからの圧縮応力に
よる拘束力が十分に作用しないために、シリンダーライ
ナがエンジンブロックに保持されず、隙間が生じて抜け
落ちる。

【００８８】Ｎｏ．８；シリンダーライナの熱膨張率が
大きすぎるために、エンジンブロックからの圧縮応力に
よる拘束力が十分に作用しないために、シリンダーライ
ナがエンジンブロックに保持されず、隙間が生じて抜け
落ちる。

【００８９】（実施例２）

【００９０】

【表２】 なお、表２中において、「隙間なく良好」とは、エンジ
ンが稼働した状態においても、エンジンブロックからの
シリンダーライナの抜け落ちがないことを意味する。ま
た、「隙間あり」とは、鋳込みが終了した段階でシリン
ダーライナがエンジンブロックから抜け落ちることを、
あるいはエンジン稼働時の高温下においてシリンダーラ
イナとエンジンブロックとの界面に隙間が生じてエンジ
ンブロックからのシリンダーライナの抜け落ちが生じる
ことを意味する。

【００９１】表２に示すようなＮｏ．１〜Ｎｏ．７に示
す熱膨張率α_C を有するアルミ合金製シリンダーライナ
をアルミ高圧鋳造法によりエンジンブロック本体中に鋳
込んだ後、シリンダーライナとエンジンブロックとの接
触界面の結合状態およびシリンダーライナの直径方向で
の変形の有無を確認した。

【００９２】なお、シリンダーライナには抜け落ち防止
のための溝加工等は施さず鋳込み実験を行なった。ま
た、アルミ高圧鋳造法により作製したアルミ合金製エン
ジンブロック本体の合金組成は、Ａｌ−１１％Ｓｉ−３
Ｃｕ−０．５Ｍｇ（重量％）であり、その熱膨張率α_B
は、２１×１０^-6／℃である。ただし、ここで記載した
熱膨張率の値は常温から２００℃までの平均値である。

【００９３】表２に示すように、本願発明が規定するα
_B −α_C ≧１×１０^-6／℃、かつ、α_B −α_C ≦８×１
０^-6／℃といった熱膨張率の関係式を満足するシリンダ
ーライナとエンジンブロックとの組合せは、Ｎｏ．１〜
Ｎｏ．６である。鋳込んだ後のシリンダーライナ外周面
はエンジンブロックからの圧縮残留応力によりエンジン
ブロック本体によって強固に拘束されており、シリンダ
ーライナとエンジンブロック本体との接触界面に隙間が
生じることがない。

【００９４】その結果、シリンダーライナに抜け落ち防
止加工を施さなくとも、エンジンブロック本体からのシ
リンダーライナの抜け落ちといった問題が発生していな
いことがわかる。また、エンジンブロックからの拘束力
が適正条件であるために、鋳込んだ後のシリンダーライ
ナ自身が変形することなく、シリンダーライナとして十
分使用できる真円度を有している。したがって、シリン
ダーライナとしての薄肉化が実現できることが確認でき
た。

【００９５】一方、本願発明が規定するシリンダーライ
ナとエンジンブロックとの熱膨張率に関する上記の関係
式を満足しないＮｏ．６およびＮｏ．７の場合、以下の
ような問題が生じることが確認された。

【００９６】Ｎｏ．６；シリンダーライナの熱膨張率が
小さすぎるために、エンジンブロックからの圧縮応力に
よる拘束力が作用するためにシリンダーライナが変形す
る。

【００９７】Ｎｏ．７；シリンダーライナの熱膨張率が
大きすぎるために、エンジンブロックからの圧縮応力に
よる拘束力が十分に作用しないために、シリンダーライ
ナがエンジンブロックに保持されず、隙間が生じて抜け
落ちる。

【００９８】（実施例３）

【００９９】

【表３】 上記表３に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．１８のアルミ合金粉末
に、必要に応じて酸化物球状粒子（平均粒径５〜１０μ
ｍ）および固体潤滑粒子（平均粒径５〜１５μｍ）を混
合したものを原料粉末とし、これを成形した後、窒素雰
囲気中で加熱・焼結することでアルミ合金焼結体中に窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）を生成させ、この焼結体を熱
間押出し法によりシリンダーライナを作製した。ここ
で、それぞれの酸化物球状粒子、固体潤滑粒子とＡｌＮ
および窒素の含有量は、焼結アルミ合金全体に対する比
率を重量％で示している。また、押出し条件によりシリ
ンダーライナの空孔率を３〜５％に調節した。

【０１００】シリンダーライナ素材から摩耗試験用試料
を作製し、溶製アルミ合金（ＪＩＳＡＣ８Ａ材）を相手
材に用いて、境界潤滑条件における各焼結アルミ合金の
耐摩耗性を評価した。また、油膜切れの条件下での耐焼
きつき性（押しつけ荷重を増加させて焼きつき現象が発
生した際の荷重を比較）を評価した。なお、チップオン
ディスク式摩耗試験を用いてそれぞれの特性を評価し
た。

【０１０１】さらに、比較材Ｎｏ．１９として溶製アル
ミ合金（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ材）を用いたシリンダーライ
ナを作製し、試料の摺動面には硬質Ｃｒめっきを施し
た。さらに、比較材Ｎｏ．２０として鋳鉄材を用いた。
摩耗試験後のライナ素材および相手材の摩耗量および焼
きつき発生荷重の評価結果を表４に示す。

【０１０２】

【表４】 本実施例におけるシリンダーライナ用焼結アルミ合金に
おいては、表４からわかるように、耐摩耗性に優れ、か
つ相手材への攻撃性も少なく、現行の鋳鉄材や硬質Ｃｒ
めっき処理を施したアルミ合金と同等であることがわか
る。また、耐焼きつき性についても鋳鉄材と同等であ
り、めっき被膜が剥離した硬質Ｃｒめっき処理材に比べ
て優れていることがわかる。

【０１０３】一方、比較材Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１８につ
いては、以下のような問題が確認された。

【０１０４】Ｎｏ．１３；ＡｌＮが含有されていないた
めに、十分な耐摩耗性および相手攻撃性が得られない。

【０１０５】Ｎｏ．１４；ＡｌＮ含有量が少ないため
に、十分な耐摩耗性および相手攻撃性が得られない。

【０１０６】Ｎｏ．１５；ＡｌＮ含有量が１８％と多い
ためにアルミ合金の強度が低下し、加圧時に試料が欠損
した。

【０１０７】Ｎｏ．１６；潤滑粒子の含有量が６％と多
いためにアルミ合金の強度が低下し、加圧時に試料が欠
損した。また、熱間押出し時にシリンダーライナ表面が
むしれた状態を示した。

【０１０８】Ｎｏ．１７；硬質粒子の含有量が６％と多
いために、相手材を攻撃し、耐焼きつき性が低下する。

【０１０９】Ｎｏ．１８；硬質粒子の含有量が７％と多
いために、相手材を攻撃し、耐焼きつき性が低下する。

【０１１０】なお、Ｎｏ．１５においては、ＡｌＮの含
有量が、またＮｏ．１７，１８においては、硬質粒子の
含有量が本願発明が規定する適正量よりも多いために、
摩擦試験片に加工する際に超硬工具の磨耗が他に比べて
顕著であった。

【０１１１】（実施例４）上記実施例３において、シリ
ンダーライナ素材を所定の円筒形状に加工した後、アル
ミ高圧鋳造法によりアルミ合金製エンジンブロックに鋳
込み、各シリンダーライナについて単体耐久試験を実施
した。

【０１１２】なお、比較材Ｎｏ．１９は溶製アルミ合金
（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ材）を用いたシリンダーライナを作
製し、その摺動面に耐摩耗性や耐焼きつき性を改善する
目的で、硬質Ｃｒめっきを施した。また、比較材Ｎｏ．
２０は、Ｆｃ鋳鉄材を用いて同形状のシリンダーライナ
を作製してエンジンブロックに鋳込んだ。また、ピスト
ン材として溶製アルミ合金（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ材）を用
いており、比較材Ｎｏ．１９の場合に限り、ピストン材
として溶製アルミ合金（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ材）に加え
て、シリンダーライナと摺動する外周表面にＦｅめっき
を施したものも準備した。

【０１１３】耐久試験後のシリンダーライナおよびピス
トンの摺動面の破損状況を観察し、摩耗や凝着（焼きつ
き）の有無を確認した。その結果を表５に示す。

【０１１４】

【表５】 本実施例におけるシリンダーライナ用焼結アルミ合金に
おいては、上記表５からわかるように、シリンダーライ
ナ自身の耐摩耗性に優れており、またピストンにＦｅめ
っきを施さなくても摩耗や凝着を生じることなく、相手
材への攻撃性も少なく、現行の鋳鉄材と同等である。

【０１１５】一方、比較材Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１９につ
いては、以下のような問題が確認された。

【０１１６】Ｎｏ．１３；ＡｌＮが含有されていないた
めに、十分な耐摩耗性および相手攻撃性が得られない。

【０１１７】Ｎｏ．１４；ＡｌＮ含有量が少ないため
に、十分な耐摩耗性および相手攻撃性が得られない。

【０１１８】Ｎｏ．１５；ＡｌＮ含有量が１８％と多い
ためにピストン側への攻撃量は増加した。

【０１１９】Ｎｏ．１６；潤滑粒子の含有量が６％と多
いためにアルミ合金の強度が低下し、耐摩耗性が若干低
下した。

【０１２０】Ｎｏ．１７；硬質粒子の含有量が６％と多
いために、ピストン側への攻撃量が増加した。

【０１２１】Ｎｏ．１８；硬質粒子の含有量が７％と多
いために、ピストン側への攻撃量が増加した。

【０１２２】Ｎｏ．１９；溶製アルミ合金ではその摺動
面に硬質Ｃｒめっきを施し、かつ、ピストン側にもＦｅ
めっきを施さないと、摩耗や凝着といった問題が生じて
ライナとしては使用できない。

【０１２３】なお、Ｎｏ．１５においては、ＡｌＮの含
有量が、またＮｏ．１７，１８においては、硬質粒子の
含有量が本発明が規定する適正量よりも多いために、シ
リンダーライナ形状に加工する際に超硬工具の摩耗が他
に比べて顕著であった。

【０１２４】以上により、本実施例における焼結アルミ
合金は、硬質Ｃｒめっきなどの表面処理を施さなくと
も、シリンダーライナとしての耐摩耗性・耐焼きつき性
を十分に有しており、また相手のピストン側にもＦｅめ
っき処理を施すことなく使用できるといった経済性の面
においても優れている。

【０１２５】（実施例５）重量基準でＳｉ；１２％、Ｆ
ｅ；３％、Ｎｉ；３％、Ｍｇ；１％を含有するアルミ合
金粉末に対してＴｉＯ₂ 粒子（平均粒径；７μｍ）を
１．５％、黒鉛粉末（平均粒径；１０μｍ）を１％それ
ぞれ添加した混合粉末を成形した後、５４０℃に制御し
た窒素雰囲気中で３ｈｒ加熱・保持することで焼結アル
ミ合金を作製し、かつ、その際に窒化反応により焼結ア
ルミ合金全体に対して４％のＡｌＮが生成する焼結体を
得た。この素材から熱間押出し法により円筒形状のシリ
ンダーライナを作製した。

【０１２６】このとき、押出し条件（押出し比）を制御
することで、押出し後のシリンダーライナ素材の空孔率
を変えて各アルミ合金の耐摩耗性および耐焼きつき性を
評価した。その結果を表６に示す。

【０１２７】

【表６】 なお、耐摩耗性については上記実施例３に記載のチップ
オンディスク式摩耗試験により境界潤滑条件での性能を
評価した。また、相手材であるディスク側には溶製アル
ミ合金（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ材）を使用した。

【０１２８】さらには、各シリンダーライナをアルミ高
圧鋳造によりエンジンブロック本体に鋳込み、そのとき
のシリンダーライナの変形の有無を確認した。なお、比
較材としてＦＣ鋳鉄を用いたシリンダーライナについて
も併せて評価を行なった。

【０１２９】表６からわかるように、本願発明において
規定する空孔率を有する焼結アルミ合金を用いたシリン
ダーライナにおいては、現行のシリンダーライナ材であ
るＦＣ鋳鉄材と同等の耐摩耗性および耐焼きつき性を有
している。

【０１３０】特に、空孔率が３％〜１０％の焼結アルミ
合金については、それらの特性はさらに優れていること
がわかる。また、エンジンブロックに鋳込んだ場合にお
いても、エンジンブロック本体側からの拘束力により変
形することなく、シリンダーライナ形状に加工した状態
の真円度が確保されていることがわかる。一方、比較材
においては以下のような問題が確認された。

【０１３１】Ｎｏ．６；空孔率が１８％と大きいために
エンジンブロックに鋳込んだ際に、シリンダーライナ側
に作用する圧縮応力によりシリンダーライナが変形し
た。

【０１３２】Ｎｏ．７；空孔率が２２％と大きいために
焼結アルミ合金の強度が低下し、摩擦試験において試料
が欠損した。また、エンジンブロックに鋳込んだ際に、
シリンダーライナ側に作用する圧縮応力によりシリンダ
ーライナが変形した。

【０１３３】（実施例６）実施の形態において提案する
窒化反応法により作製した熱間押出し後の焼結アルミ合
金（合金組成；Ａｌ−１２Ｓｉ−２Ｎｉ−１Ｍｇ−２Ａ
ｌＮ／重量％）中に生成・分散するＡｌＮ粒子の組織構
造のＴＥＭ像（１８，０００倍にて撮影）を図１に示
し、またＳＩＭ像を図２に示す。

【０１３４】また、比較として同一組成の焼結アルミ合
金を従来の製法、つまりＡｌＮ粒子（平均粒径２２μ
ｍ）をアルミ合金粉末（組成；Ａｌ−１２Ｓｉ−２Ｎｉ
−１Ｍｇ／重量％）に添加・混合したものを成形・焼結
・熱間押出しにより作製し、このアルミ合金中に分散す
るＡｌＮ粒子のＳＩＭ像を図３に示す。

【０１３５】図１および図２に示すように、本実施の形
態において提案する直接窒化反応法により生成したＡｌ
Ｎは繊維状あるいは樹枝状に一方向に成長した組織構造
を有していることがわかる。また、その成長方向をＡｌ
Ｎの厚みとすると、図からもわかるように、窒化反応法
により生成するＡｌＮの厚みは約１μｍ程度である。

【０１３６】一方、図３に示すように、従来製法による
ＡｌＮ粒子を添加する場合、ＡｌＮは繊維状構造ではな
く、単結晶構造を有しており、明らかに本発明の窒化反
応法により生成したＡｌＮ粒子と異なることがわかる。

【０１３７】（実施例７）本実施の形態が提案する窒化
反応法により作製した熱間押出し後の焼結アルミ合金の
光学顕微鏡組織写真を図４に示す。合金組成はＡｌ−１
２Ｓｉ−２Ｎｉ−１Ｍｇ−２ＡｌＮ／重量％）である。
また、比較としてＡｌＮ粒子（平均粒径２２μｍ）をア
ルミ合金粉末（組成；Ａｌ−１２Ｓｉ−２Ｎｉ−１Ｍｇ
／重量％）に添加して本発明材と同一組成にした焼結ア
ルミ合金を熱間押出し法により作製した。その焼結体の
組織写真を図５に示す。

【０１３８】図４に示すように、本発明の窒化反応法に
より生成したＡｌＮ粒子（黒い矢印で示す部分）はマト
リックスのアルミ合金素地との境に隙間がない結合界面
を有していることがわかる。これに対して、図５に示す
従来法（ＡｌＮ粒子を添加する方法）では、ＡｌＮ粒子
（黒い矢印で示す部分）とアルミ合金素地との境に隙間
（Ｇａｐと記した白い矢印で示した部分）が存在してい
ることがわかる。

【０１３９】（実施例８）上記実施例６で作製した焼結
アルミ合金について、チップオンディスク式摩擦試験を
境界潤滑条件下で実施した後の焼結体および相手材の摺
動面の損傷状況を光学顕微鏡により観察した。その結果
を、図６（ａ），（ｂ）および図７（ａ），（ｂ）に示
す。図６（ａ），（ｂ）は、本発明が提案する窒化反応
法により作製したＡｌＮが生成分散する焼結アルミ合金
であり、図７（ａ），（ｂ）は、従来法であるＡｌＮ粒
子を添加して得られた焼結アルミ合金である。なお、相
手材には溶製アルミ合金（ＡＤＣ１２材）を用いた。

【０１４０】図６（ａ）に示すように、本願発明が提案
する窒化反応法により作製した焼結アルミ合金の摺動面
においては、軽微な擦れ跡が見られる程度で凝着・焼き
つき現象は観察されない。またＡｌＮ粒子が脱落した形
跡も摺動面には認められない。さらに、相手材について
も、図６（ｂ）に示すように、凝着・焼きつき現象は見
られず軽微な擦れ跡が存在する程度である。

【０１４１】一方、図７（ａ）においては、焼結アルミ
合金にＡｌＮ粒子の脱落した孔（Hallと記した白い矢印
部分）が各所に存在しており、深い摺動傷も観察され
る。また相手材についても、図７（ｂ）に示すように、
脱落したＡｌＮ粒子により攻撃された深い摺動傷および
凝着領域（Seizure と記した白い部分）が各所に存在し
ていることがわかる。

【０１４２】このように本願発明が提案する窒化反応法
により作製した焼結アルミ合金においては窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）とマトリックスであるアルミ合金が隙間
なく、強固に結合した界面を有することで、相手材と摩
擦摺動した場合においてもＡｌＮ粒子が脱落せず、優れ
た耐摩耗性・耐焼きつき性および相手攻撃性を有するこ
とが確認された。

【０１４３】（実施例９）

【０１４４】

【表７】 上記表７のＮｏ．１〜Ｎｏ．１１に示す合金組成を有す
るアルミ合金粉末を成形した後、窒素雰囲気中で加熱・
焼結することにより、アルミ合金焼結体中に窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）を生成させ、この焼結体を熱間押出し
法によりシリンダーライナを製作した。空孔率は、押出
し条件により３〜５％に調整した。

【０１４５】窒化アルミニウムおよび窒素の含有量は焼
結アルミ合金全体に対する比率を重量％で表示し、上記
表７中に示す。なお、残部はすべてＡｌである。また、
熱膨張率も併せて上記表７中に示す。

【０１４６】シリンダーライナ素材から摩耗試験用試料
を作製し、溶製アルミ合金（ＪＩＳＡＣ８Ａ材）を相手
材に用いて、境界潤滑条件における各焼結アルミ合金の
耐摩耗性を評価した。また、油膜切れの条件下での耐焼
きつき性（押出し荷重を増加させて焼きつき現象が発生
した際の荷重を比較）を評価した。なお、チップオンデ
ィスク式摩耗試験を用いてそれぞれの特性を評価した。
摩耗試験後のシリンダーライナ素材および相手材の摩耗
量および焼きつき発生荷重の評価結果を表８に示す。

【０１４７】

【表８】 また、アルミ高圧鋳造法により熱膨張率がα_B が２２×
１０^-6／℃であるアルミ合金溶湯（組成；Ａｌ−８Ｓｉ
−３Ｃｕ−０．５Ｍｇ／重量％）を用いて各シリンダー
ライナをエンジンブロック本体に鋳込み、その結合界面
およびシリンダーライナの変形の有無を確認した。その
結果を、上記表８中に示す。

【０１４８】表７および表８に示すように、粉末アルミ
合金中の窒化アルミニウムとＳｉとの合計含有量が本願
発明が規定する適正範囲を満足するＮｏ．１〜Ｎｏ．９
においては、その熱膨張率α_C は１４×１０^-6／℃〜２
０×１０^-6／℃を満足し、かつ、優れた耐摩耗特性を有
することがわかる。また、鋳込んだ後のシリンダーライ
ナとエンジンブロック本体の界面は密着した良好な状態
を示しており、シリンダーライナの変形も認められなか
った。

【０１４９】一方、比較例Ｎｏ．１０，１１において
は、以下のような問題が確認された。 Ｎｏ．１０；ＡｌＮとＳｉの合計含有量が２％と少ない
ために、十分な耐摩耗性が得られず、また両者の合計含
有量は少ないために熱膨張率は２１．６×１０^-6／℃と
大きい値を示した。また、シリンダーライナとエンジン
ブロックの熱膨張率の差が０．４×１０^-6／℃と小さい
ためにシリンダーライナとエンジンブロックとの界面に
隙間が確認された。

【０１５０】Ｎｏ．１１；ＡｌＮとＳｉの合計含有量が
３６％と多いために熱膨張率は１３．０×１０^-6／℃と
小さい値を示し、エンジンブロックとシリンダーライナ
の熱膨張率の差が９×１０^-6／℃と大きいために、鋳込
んだ後にシリンダーライナが変形した。また、ＡｌＮと
Ｓｉの合計含有量が３６％と多いために相手材を若干攻
撃することも認められた。

【０１５１】

【発明の効果】この発明に基づいた請求項１〜請求項１
５に記載の発明によれば、シリンダーライナとエンジン
ブロックの熱膨張率の関係により、両者の接触界面に隙
間が生じることがない。その結果、エンジンブロックか
らのシリンダーライナの抜け落ちを防止することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱間押出し後の焼結アルミ合金中に生成・分散
するＡｌＮ粒子の組織構造のＴＥＭ写真である。

【図２】熱間押出し後の焼結アルミ合金中に生成・分散
するＡｌＮ粒子の組織構造のＳＩＭ写真である。

【図３】従来製法におけるＡｌＮ粒子の組織構造のＳＩ
Ｍ写真である。

【図４】窒化反応によるＡｌＮ分散焼結アルミ合金の顕
微鏡写真である。

【図５】ＡｌＮ粒子添加焼結アルミ合金の顕微鏡写真で
ある。

【図６】（ａ）および（ｂ）は、本願発明に基づく窒化
反応によるＡｌＮ分散焼結アルミ合金の顕微鏡写真であ
る。

【図７】（ａ）および（ｂ）は、従来法であるＡｌＮ粒
子添加焼結アルミ合金の顕微鏡写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼ノ 由重 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶製アルミ合金製エンジンブロックに鋳
   込まれる粉末アルミ合金製シリンダーライナであって、 前記粉末アルミ合金製シリンダーライナの熱膨張率をα
   _C 、前記溶製アルミ合金製エンジンブロックの熱膨張率
   をα_B とするとき、両者の関係が１４×１０^-6／℃≦α
   _C ≦２０×１０^-6／℃であり、かつ、１×１０^-6／℃≦
   α_B −α_C ≦８×１０^-6／℃を満足する、粉末アルミ合
   金製シリンダーライナ。
2. 【請求項２】 前記粉末アルミ合金製シリンダーライナ
   は、前記溶製アルミ合金製エンジンブロックにアルミ高
   圧鋳造法により鋳込まれる、請求項１に記載の粉末アル
   ミ合金製シリンダーライナ。
3. 【請求項３】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合金
   は、窒化アルミニウムとＳｉとを含み、その合計含有量
   は、重量基準で前記シリンダーライナ用粉末アルミ合金
   全体に対して５％以上３０％以下である、請求項１また
   は請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリンダーライ
   ナ。
4. 【請求項４】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合金
   は、窒化アルミニウムを重量基準で０．５％以上１５％
   以下含有し、残部がアルミニウムのＡｌＮ分散型粉末ア
   ルミ合金がである、請求項１または請求項２に記載の粉
   末アルミ合金製シリンダーライナ。
5. 【請求項５】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合金
   は、窒素を重量基準で０．１％以上５％以下含有し、残
   部がアルミニウムであり、かつ、前記窒素は前記アルミ
   ニウムと結合した構造を有するＡｌＮ分散型粉末アルミ
   合金である、請求項１または請求項２に記載の粉末アル
   ミ合金製シリンダーライナ。
6. 【請求項６】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合金
   は、窒化アルミニウムを重量基準で０．５％以上１５％
   以下含有し、Ｍｇを重量基準で０．０５％以上含有し、
   残部がアルミニウムのＡｌＮ分散型粉末アルミ合金がで
   ある、請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金
   製シリンダーライナ。
7. 【請求項７】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合金
   は、窒素を重量基準で０．１％以上５％以下含有し、Ｍ
   ｇを重量基準で０．０５％以上の含有し、残部がアルミ
   ニウムであり、かつ、前記窒素は前記アルミニウムと結
   合した構造を有するＡｌＮ分散型粉末アルミ合金であ
   る、請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製
   シリンダーライナ。
8. 【請求項８】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合金
   は、繊維状に一方向に成長した組織構造をもつ窒化アル
   ミニウムを含み、かつ、その成長方向を厚みとした場合
   に前記窒化アルミニウムは３μｍ以下の層状粒子形状を
   有している、請求項１または請求項２に記載の粉末アル
   ミ合金製シリンダーライナ。
9. 【請求項９】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合金
   は、窒化アルミニウムを含み、この窒化アルミニウムと
   アルミ合金素地のマトリックスであるアルミニウムとの
   境に隙間がない結合界面を有する、請求項１または請求
   項２に記載の粉末アルミ合金製シリンダーライナ。
10. 【請求項１０】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合
    金は、アルミ合金全体に対して容積率で１５％以下の空
    孔率を有する、請求項１または請求項２に記載の粉末ア
    ルミ合金製シリンダーライナ。
11. 【請求項１１】 前記空孔率は、アルミ合金全体に対し
    て容積率で３％以上１０％以下である、請求項１０に記
    載の粉末アルミ合金製シリンダーライナ。
12. 【請求項１２】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合
    金は、黒鉛、ＭｏＳ₂ 、ＷＳ₂ 、ＣａＦからなるグルー
    プから選択される少なくとも１種以上の潤滑成分を重量
    基準で５％以下含有する、請求項１または請求項２に記
    載の粉末アルミ合金製シリンダーライナ。
13. 【請求項１３】 前記潤滑成分の含有量は、重量基準で
    １％以上３％以下である、請求項１２に記載の粉末アル
    ミ合金製シリンダーライナ。
14. 【請求項１４】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合
    金は、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｒから
    なるグループから選択される少なくとも１種以上の元素
    を含有し、かつ、その含有量が２５重量％以下である、
    請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金製シリ
    ンダーライナ。
15. 【請求項１５】 前記シリンダーライナの粉末アルミ合
    金は、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ₂ 、Ａｌ
    ₂ Ｏ₃ 、Ｃｒ₂ Ｏ₃ からなるグループから選択される少
    なくとも１種以上の酸化物球状粒子を５重量％以下含有
    する、請求項１または請求項２に記載の粉末アルミ合金
    製シリンダーライナ。