JP2017080789A - 摺動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型を用いて製造された製品との品質差が小さい摺動部材を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る摺動部材の製造方法は、摺動部材を成形するための砂型を準備する工程と、前記摺動部材の一部に接触させたときに冷却速度が１．３℃／秒以上となる冷し金を準備する工程と、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の溶湯を、前記砂型および前記冷し金で形成された鋳型に流し込む工程と、前記溶湯を冷却して前記摺動部材を得る工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は摺動部材の製造方法に関する。

例えば自動車向けに、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系の合金を用いた摺動部材が知られている。このような摺動部材を成型する手法の一つに鋳造がある。製品の量産に金型は欠かせないものであるが、一方で金型は試作品の作製に用いるにはコストがかかり過ぎるという問題がある。この問題に対処する技術として、金型ではなく砂型を用いて試作品を製造する技術が知られている（例えば特許文献１）。

特許第４２７１４２１号公報

砂型を用いて製造された試作品は、鋳型の冷却速度が金型よりも小さいためＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の組織が粗大化してしまい、材料の特性が金型を用いた量産品と異なってしまうという問題があった。

これに対し本発明は、金型を用いて製造された製品との品質差が小さい摺動部材の製造方法を提供する。

本発明は、摺動部材を成形するための砂型を準備する工程と、前記摺動部材の一部に接触させたときに冷却速度が１．３℃／秒以上となる冷し金を準備する工程と、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の溶湯を、前記砂型および前記冷し金で形成された鋳型に流し込む工程と、前記溶湯を冷却して前記摺動部材を得る工程とを有する摺動部材の製造方法を提供する。

前記冷し金は、前記摺動部材の１．８倍以上の体積を有してもよい。

前記摺動部材は摺動面を有し、前記一部は、前記摺動面を含んでもよい。

前記摺動部材は、ボルトを締結するための穴を有し、前記一部は、前記穴の壁面を含んでもよい。

前記摺動部材は、カムキャップであってもよい。

前記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金は、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、またはＡＤＣ１２であってもよい。

本発明によれば、金型を用いて製造された製品との品質差が小さい摺動部材を得ることができる。

一実施形態に係る摺動部材１の外観を例示する図 摺動部材１の合金組織を例示する模式図 摺動部材１の製造方法を例示するフローチャート 摺動面に垂直な断面における組織写真を例示する図 冷し金の体積が微細化組織深さおよび冷却速度に与える影響を示す図

１．構造
図１は、一実施形態に係る摺動部材１の外観を例示する図である。この例で、摺動部材１は、自動車等のエンジンにおいて用いられるカムキャップである。すなわち摺動部材１の本体はカムキャップの形状を有している。摺動部材１は、いわゆるアルミダイカスト製品であり、この例では、本体はＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金により形成されている。Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金としては、例えばＪＩＳで規定されるＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、またはＡＤＣ１２が用いられる。摺動部材１は、摺動面１１および摺動面１２を有する。摺動面１１および摺動面１２は、相手材（例えばカムシャフト）と摺動する面である。なお摺動部材１はカムキャップに限定されない。摺動部材１の本体は、カムハウジングやバルブボディ等、カムキャップ以外の形状を有していてもよい。

図２は、摺動部材１の合金組織を例示する模式図である。図２は、摺動面に垂直な断面を示している。この例で、摺動部材１の合金組織は、摺動面の近傍領域と摺動面から離れた領域とで、析出粒子の粒径が異なっている。摺動面の近傍領域とは、摺動面から所定の範囲（例えば摺動面から深さ２ｍｍまでの範囲、または深さ１ｍｍまでの範囲）の領域をいう。摺動面から離された領域とは、摺動面とその摺動面の反対の面との中心を含む、摺動面に垂直な方向の幅が２ｍｍまたは１ｍｍの領域をいう。

摺動面の近傍領域における合金組織は、微細組織となっている。微細組織とは、合金のマトリックス中に析出する析出粒子の平均長径が５ないし２０μｍである（平均長径ｄ［μｍ］が、５≦ｄ≦２０を満たす）微細粒子である組織をいう。なお平均長径は１０μｍ以下であることが好ましい。Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金における析出粒子は主としてＳｉ粒子であるが、合金組成によってはＳｉ粒子以外の他の相や金属間化合物が析出する場合もある。ここではこれらを総称して析出粒子という。

摺動面から離れた領域における合金組織は、粗大組織となっている。粗大組織とは、析出粒子の平均長径が３０μｍを超える（ｄ＞３０）粗大粒子である組織をいう。特にこの例では、析出粒子は針状組織を形成している。針状組織とは、析出粒子が細長い針のような形状を有している組織をいう。

摺動部材１は、試作品であり、砂型を用いて製造されたものである。一般に砂型は金型と比較して熱伝導率が低く、摺動面の近傍領域における冷却速度は金型よりも遅い。そのため、組織が粗大化しやすい傾向にある。本実施形態に係る摺動部材１は冷し金を用いることにより冷却速度が調整されており、摺動面の近傍領域における組織は微細化されている。冷し金を用いてない領域の組織は粗大のままである。これにより、製造コストを抑えつつ、量産品に近い特性を有する試作品を得ることができる。

２．製造方法
図３は、摺動部材１の製造方法を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、砂型が準備される。この砂型は、摺動部材１（上記の例ではカムキャップ）に相当する形状を有する。ステップＳ２において、冷し金が準備される。冷し金は、摺動面の近傍領域の冷却速度を調整するための用いられる部材であり、砂型と合わせて鋳型を構成する。なお鋳型には、砂型および冷し金に加えて中子が用いられてもよい。ステップＳ３において、型合わせが行われる。型合わせとは、砂型および冷し金（中子が用いられる場合はこれらに加えて中子も）の位置を合わせて組付ける工程をいう。このとき、冷し金は、溶湯が注入されたときに摺動面に相当する位置に接触するように配置される。

ステップＳ４において、溶湯が準備される。具体的には、合金を構成する材料（アルミニウム、銅、およびシリコン等）が秤量され、溶融される。ステップＳ５において、鋳込みが行われる。すなわち、鋳型に溶湯が注入される。ステップＳ５において、溶湯が冷却される。ステップＳ６において、後処理が行われる。後処理は、例えば、湯口やバリを研磨する加工を含む。

なお摺動部材のうち冷し金を接触させる部分は摺動面に限定されない。ボルト締結用のねじ穴の壁面など、摺動面以外の部分に冷し金が用いられてもよい。また、本発明は試作品の製造だけでなく、量産品の製造に適用されてもよい。

３．実施例
本願の発明者らは、摺動部材に対する体積比が異なる複数の冷やし金を用いて摺動部材を作製し、微細組織深さおよび冷却速度を評価した。冷し金は、体積比ゼロ（すなわち冷し金無し）から体積比３．７のものが用いられた。冷し金は銅系合金で形成されたものが用いられた。摺動部材はカムキャップであり、材料としてはＡＤＣ１２が用いられた。

微細組織深さは、以下のように測定された。まず、摺動部材を摺動面に垂直な方向に切断した試料が準備され、断面の顕微鏡写真が撮影される。断面の顕微鏡写真において、１８０μｍ×１３５μｍの測定領域を１３５μｍおきに設定した。各測定領域において、画像処理ソフト（Adobe社製Photoshop（登録商標））を用いて、各析出粒子の長径を測定した。長径が１μｍ以下の粒子は無視した。測定領域に含まれる全析出粒子の長径から、その測定領域における平均長径を算出した。平均長径が２０μｍを超えない測定領域のうち摺動面から最も遠いものの距離を微細組織深さとした。なお長径とは、析出粒子の外縁のうち最も遠い２点間の距離をいう。

冷却速度は、以下のように測定された。冷し金のうち摺動面と接触する部分に熱電対を設置し、溶湯のうち摺動面に相当する部分の温度を測定しながら冷却する。熱電対により測定される温度がＡＤＣ１２の固相線温度（凝固点）に達した時間から、冷却速度を計算する。

図４は、摺動面に垂直な断面における組織写真を例示する図である。図４（Ａ）は冷し金を接触させた部分、すなわち摺動面の近傍領域の組織写真を、図４（Ｂ）は冷し金を接触させていない部分、例えば摺動面から離れた領域の組織写真を、それぞれ示している。このように、冷し金を接触させた部分においては組織の微細化が達成されていることがわかる。

図５は、冷し金の体積が微細化組織深さおよび冷却速度に与える影響を示す図である。図の横軸は摺動部材に対する冷し金の体積比を示している。図の左縦軸は微細組織深さを、右縦軸は冷却速度を示している。後処理工程（ステップＳ６）における加工しろとして２ｍｍを確保することが要求される。例えば、後処理工程において研磨または切削により摺動面を２ｍｍ除去した後でも、摺動面が微細組織であるためには、微細化組織深さが２ｍｍ以上であることが求められる。図４に示された結果から、微細化組織深さを２ｍｍ以上とするには、冷却速度が１．３℃／秒以上であることが求められる。このとき、冷し金の体積は、摺動部材の体積の１．８倍である。なお微細化組織深さ２ｍｍ以上を達成するための体積比については摺動部材の形状等に依存して変わる可能性がある。また、要求される冷却速度は加工しろの量に応じて変わる。例えば、加工しろを１．５ｍｍ確保するには、冷却速度は１．２℃／秒以上であることが求められる。

１…摺動部材、１１…摺動面、１２…摺動面

Claims (6)

1. 摺動部材を成形するための砂型を準備する工程と、
   前記摺動部材の一部に接触させたときに冷却速度が１．３℃／秒以上となる冷し金を準備する工程と、
   Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の溶湯を、前記砂型および前記冷し金で形成された鋳型に流し込む工程と、
   前記溶湯を冷却して前記摺動部材を得る工程と
   を有する摺動部材の製造方法。
2. 前記冷し金は、前記摺動部材の１．８倍以上の体積を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記摺動部材は摺動面を有し、
   前記一部は、前記摺動面を含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記摺動部材は、ボルトを締結するための穴を有し、
   前記一部は、前記穴の壁面を含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
5. 前記摺動部材は、カムキャップである
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金は、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、またはＡＤＣ１２である
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の製造方法。