JPH01255641A - 焼結Ａｌ合金製摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｌ１エユ五ユ方１ 本発明は耐熱性、耐摩耗性の良好なる焼結ＡＪ）合金製
摺動部材に関するものである。

１Ｊ」１１ 内燃機関のシリンダブロックは礪関本体の基礎となる部
分であり、その寿命は内燃機関仝休の寿命を左右する。

シリンダブロックは、耐摩耗性。

耐蝕性が良好で、機械加工が容易であり、しかも廉価で
ある等の理由により鋳鉄でこれを形成することが多いが
、近年では車体Φｍの軽減化を計るとともに熱伝導性を
向上ざ往るためにＡ１合金製のものも採用されている。

Ａｌ合金製シリンダブロックとしては、■シリンダの内
壁部分に鋳鉄製スリーブを嵌め込んだもの（例、特開昭
６１−１４２３５２号公報）、および■シリンダ内壁部
分を含めて全体がＡｆＪ合金で形成されたものがある（
例、特開昭６１−１４４５１号公９ｆｉ＞がある。

（１し−うと　る【 ところが、第一の形式である鋳鉄製スリーブを用いたも
のでは、燃焼室に臨むスリーブが相対的に熱伝導性の劣
る鋳鉄製であるが故に、熱伝導性の良好なＡｌ合金製シ
リンダブロックとしての放熱性能が十分に発揮されず、
またΔｐ合金の熱膨張係数が鋳鉄のそれに比して約２４
８であるため、温度上昇したときに鋳鉄製スリーブとこ
れを包囲するＡｆＪ合金製シリンダブロック本体との間
に問隙が生じる傾向となる。

第二の形式である全Δ１合金製シリンダブロックでは、
シリンダ内壁部分の耐熱性、耐摩耗性を確保するために
アルシルと呼称される高Ｓｉ含有へｇ合金Ｍｌ造スリー
ブを用いているが、次の欠点を有している。■初晶Ｓ上
の粒径が大きり（３０〜１００μｍ）、鋳造後の機械加
工性が悪い。■Ｓ＝粒子相互の間隔が大きく、硬質粒子
であるＳｉ粉粒子耐摩耗性の要求されるシリンダ内壁面
に露出させるためにエツチング処理を行う必要がある。

０８１粒子の硬度はさほど大きくはなく（ｌｌｖ１２０
’ｏ程度）、大きな負荷が作用した場合の耐摩耗性が不
足する。■特に空冷機関において、シリンダ内壁部の温
度が２００℃〜３００℃に達すると母材硬度が急激に低
下し、温度上昇時の耐摩耗性が劣る。■また、−殻内な
へ１合金製スリーブにおいては、前記項目■とＩ！Ｉ遠
し、シリンダ内壁面に硬質Ｃｒメツキ、Ｓ尤分散ＮＬメ
ツキ等の表面処理を施して耐摩耗性を付与しなければな
らず処理経費が嵩む。

以上により、シリンダのスリーブ材として使用可能な耐
熱性、耐摩耗性に優れたΔｇ合金材の開発が望まれると
ころである。

本発明は斯かる技術的背蔚の下に創案されたものであり
、その目的は、活動面に硬質表面処理を施す必要がなく
、耐熱性、耐摩耗性が良好で、しかも自己潤滑性を有し
相手攻撃性の少ないＡｌ１合金製摺動部材を提供するこ
とである。

・　を　１　るための−および この目的は、組織中に含まれる初品Ｓ＝の粒径が２０μ
ｍ以下であって、３．．１１〜３０％、Ｃｕ０．８〜５
％、Ｍｏｏ、３〜３．５％、Ｆｅ２〜１０％（数字はい
ずれも重量％）、残部・・・Ａ、ｌｌおよび不可避不純
物なる組成のＡｊ合金粉末に、平均粒径１〜１０μｍの
球状粒子からなるＡ、Ｉ）ｔｏ３１〜５重債％および黒
鉛粉末１〜５重量％を均一に混合した混合粉末を圧粉成
形後、温度４００℃〜５５０℃での焼結または熱間加工
によって得た焼結Ａ、Ｉ１合金製摺動部材を提供するこ
とによって）７成される。

アルシルの如き多聞のＳｉを含有するＡｊ金合金形成さ
れた鋳造品では、粗大な初晶Ｓｉが晶出して必要な強度
が得られないため、改良処理（例、溶湯中にＮａを添加
する）を行なって初晶Ｓ上の微細化を計っている。しか
しながら、その微細化効果には限界があるところから、
固溶限界を越えるＦｅを含む全粉末をアトマイジング法
で製造することにより初晶Ｓλの粒径を２０μｍ以下に
抑え、その圧粉成形体を熱間押出し加工して高強度の焼
結へｇ合金製部材を得る方法が提案されている。

本発明の摺動部材はこの方法に則って得たものであるが
、常温および高温における耐摩耗性を更に向上さぼるた
めに平均粒径１〜１０μｍの球状粒子からなるＡＪ）２
０！粉末の添加量は原料へ１合金粉末に対して１〜５＠
ｆｆｉ％とするのが適当であり、１重量％未満では耐摩
耗性向上効果が得られず、５１ｆｆｉ％を越えると相手
摺動部材に対する影響が大きく、添加済の増大とともに
圧粉形成体の熱間加工性が低下する。また、球状化され
たＡｊ２０ｓ粒子を用いるのは、その硬度がｔｌｖ２５
００にも達するＡ−１１２０３の相手攻撃性を緩和させ
るためであり、その粒径を１〜１０μｍとするのは、１
μｍ未満では原石ＡｆＪ２０ｇ粉末取扱い性が悪い上に
必要な耐摩耗性が得られ型く、１０μｍを越えると焼結
晶の機械加工性が悪化し、Ａ、Ｑ合金マトリックスから
の粒子の脱落が生じ易く、自身および相手摺動部材の摩
耗を促進する結果となるからである。

また、本発明の摺動部材では、自己潤滑性を与えるため
に、原ＦＩＡ、ｌ１合金粉末中にΔρ２０３粉末と共に
０．５〜５重量％の黒鉛粉末を添加している。０．５重
量％以上の黒鉛の添加により耐焼付き性の向上を期待で
きるが、添加ωが多くなると、Ａｊ２０ｓ粉末の配合Ｍ
とも関係して混合粉末の圧粉成形性および圧粉成形体の
熱間加工性が低下するため、添加済の上限を５車量％と
すべきである。

原料Δ１合金粉末の組成および初晶Ｓλの粒径を限定す
る理由は以下の通りである。

（１）Ｓｉについて（１１〜３０重量％）・・・Ｓｉは
焼結晶の耐摩耗性およびヤング率の向上に寄与し、熱膨
張率を低く抑え、熱伝導率を向上させ得る。ただし、Ｓ
λ含有徴が１１重Ｍ％未満では耐摩耗性。

強度が劣り、３０重量％を越えると熱間押出し加工また
は熱間鍛ｊ４加工時の成形性および製品の機械加工性が
悪い。

また、初晶Ｓｉ粉粒子粒径を２０μｍ以下にするのは、
粒径２０μｍを越えると焼結晶の機械加工性が悪くなり
、相手摺動部材との摺接関係で大きな集中負荷を受けて
破壊され易く、破壊によって脱落したＳｉ粉粒子自身お
よび相手摺動部材の摩耗を促進する結果となるからであ
る。２０μｍ以下の粒径は、溶融Ａ１合金を細孔から流
出さｕｌこれに不活性ガスを噴射させるアトマイズ法、
あるいは遠心噴霧法等により溶融状態からの冷却速度を
１０２〜ｂ ような大きな冷却速度は溶解法によって摺Ｓ部材を形成
する場合には１ｑることができない。

（２）Ｃｕ　（ｏ、８〜５重間％）・・・Ｃｕは熱処理
によるマトリックスの強化に有効である。ただし、０．
８重ｄ％未満では添加効果がなく、５重石％を越えると
熱間加工性が低下するとともに耐応力腐蝕割れ特性が悪
化する。

（３）Ｍ　ｏ　！、：、ツイテ（ｏ、３〜３．５１ｆｆ
ｉ％　）　・Ｍ　ｇハＣＬＪと同じく熱処理によるマト
リックスの強化に有効である。ただし、０．３重量％未
満では添加効果がなく、３．５？ｆｉ（１％を越えると
熱間加工性が低下するとともに耐応力腐蝕割れ特性が悪
化する。

（４）Ｆｅについて（２〜１０重量％）・・・Ｆｃを添
加しない場合のへ１合金硬度は第１図図示のように温度
２００℃〜３００℃の加熱で急激に低下する。それに対
し、２〜１０重量％のＦＣを添加したＡＩ＋合金では斯
かる硬度低下は見られない。Ｆｅの添加量は２〜１０重
量％にするのが好ましく、２重量％未満では焼結晶の高
温強度の向上が期待できず、１０重量％を越えると靭性
が低下し、高速熱間加工が不可能になる。

犬−盪−１ 第２図は自動二輪車用水冷エンジン１を要部欠故側面図
として示している。エンジン１はダブル・オーバーヘッ
ド・カム軸式動弁礪構を採用しており、クランク軸５と
連結されたピストン４（例、ＪＩＳ　ＡＣ８＾材製）が
シリンダ２内に嵌装されている。

その外周面にＦｅメツキ処理が施されたピストン４と直
接接触するシリンダ２の内壁部分は、Ａ１合金（例、Ｊ
ＩＳ　ＡＤＣ１２ＩＩ　’）　製シリンダブロック本体
に鋳包みにより一体化されたスリーブ３で形成されてい
る。スリーブ３は、本発明に係る焼結Ａｊ合金製摺動部
材である。

焼結晶であるスリーブ３の製造は以下のようにして行わ
れる。

■原料ＡＪ）合金粉末の製造・・・規定組成のＡ１合金
を溶融させ、不活性ガスを用いたアトマイズ法、遠心噴
霧法、ロール急冷法等により冷却速度１０２〜１０６℃
なる条件で粒径１０５μｍ未満の粉末を製造する。

■粉末の混合・・・Ａ１合金粉末に平均粒径１〜１０μ
ｍ、の球状粒子からなるΔ、ｌ！２０３粉末１〜５重粉
末１〜汞 均一に混合する。

■圧粉成形・・・１すられた混合粉末を冷間静水圧ブレ
ス成形法（ＣＩＰ法）により圧力４，　０ＯＯＫ９　ｆ
　／　ｃｉで圧粉成形し、押出し加工用素材としての円
筒形状の圧粉成形体６を得る（第３図）。

■押出し加工用素材・・・圧粉成形体６をＡ１合金（展
延性の良いＡ１合金）製鞘筒７の内部に嵌入して押出し
加工用素材であるビレット８を得る（第４図）。

■熱間押出し加工〈焼結）・・・ビレット８を温度４５
０℃で１時間加熱して脱ガスを行う。コンテナ１１、該
コンテナ１１の一端部を閉じる栓体１２．および先端に
ダイ１４を備えた中空ラム１３，およびマンドレル１５
を主構成部材とする押出し加工装置を用いて加熱された
ビレット８の加工を行う。第５図はコンテナ１１内にビ
レット８を装填した加工前の状態を示している。この状
態からラム１３を前進させると、ダイ１４とマンドレル
１５の間からビレット８が管材として押出される（第６
図）。この管材を所定の長さに切断したものが第７図．
第８図に示す積層管９であり、該積層管９は焼結材であ
るスリーブ３とこれを覆う鞘１１１０から成っている。

第９図はシリンダブロック本体と一体に積層管９を鋳包
んだ状態を示すシリンダ２の縦断面図であり、第２図の
要部拡大図に相当覆る。なお、押出し加工時における成
形品の酸化防止を考慮するならば、非酸化性雰囲気で加
工を行うのが好ましい。

斯くして得られたスリーブ３の耐摩耗性、耐熱性は良好
であり、その摺動表面に硬質ｃｒメツキ等の表面処理を
施さずとも優れた耐久性を発揮する。また、スリーブ３
は湿度２００℃〜３００℃に加熱された後（常温復帰時
）でも初期常温硬度を有しているため、空冷エンジン用
としても使用可能である。

本実施例の他の特徴点を以下に列記する。

■Ａ、Ｑ２０ｓ粒子を分散させたスリーブ３はシリンダ
ブロック本体との鋳包みによる一体化の際の熱を受けて
も硬度低下しない。

■黒鉛粒子を分散させたスリーブ３は自己潤滑性を右す
るため、ピストンとの摺接関係において焼付きが生じ難
り、通常アルシル系合金スリーブを採用する場合にＡｌ
合金製ピストンに施される１”ｅ等のメッヤ処理を省略
することができ、その分だけピストン製造経費が削減さ
れる。

■Δｇ合金粉末を圧粉成形して得た圧粉成形体は、Ａ、
０２０ｓ粉末および黒鉛粉末を含むが故に脆く、Ｎ１１
時あるいは熱間押出し加工時に割れが生じ易いのである
が、本実施例では圧粉成形体６を鞘筒７内に嵌入してビ
レット８になしたため、運搬時における圧粉成形体６の
破ｎを防ぎ得るとともに、展延性の良好なる筒７で覆わ
れた状態での熱間押出し加工性が良好であり、欠陥のな
いスリーブ３を得ることができる。この事はまた、熱間
押出し加工性を考慮した原Ｆｌ粉末の選択（ＡｆＪ合金
粉末の組成、金属粉末の添加量）の自由度が大きくなる
ことを意味している。

■スリーブ３を鋳包みによってシリンダブロック本体と
一体化する際、該スリーブ３の外周を鞘材１０が覆う積
層管９（押出し成形品）を詩型内に設置して鋳造を行う
ため、高温の溶湯が直接スリーブ３に触れず、過大な変
形、材質劣化等の不具合が生じ難い。すなわち、鞘材１
０を設けることなくスリーブ３の外周に直接溶湯を鋳込
んだ場合には、スリーブ３が高温に加熱され、■焼結材
として内部に閉じ込められている気体の膨張による外径
増加（内径側は鋳造金型で規制されている）、■ＡＪ合
金マトリックス結晶組織の粗大化、■ＡＪ合金マトリッ
クス硬度低下（耐摩耗性低下）等の不具合生じる。

■スリーブ３を覆う鞘材１０の肉厚を大きくすることに
より高価なスリーブ３の肉厚を必要最小限の大きさにす
ることができ、ｌＩ造経費の節減を計り得る。

■圧粉成形体６およびこれを覆う鞘筒７から成るビレッ
ト８を熱間押出し加工してｖＪ層管９を得る際、第１０
図、第１１図図示の如く鞘材１０の外周に中心軸線方向
に沿う複数の突条１０ａを設けるとよい。突条１０ａは
、鋳包み後の積層管９の回り止め機能を有するとともに
、鋳包み材と鞘材１０との密着性向上を期待できる。な
お、突条１０ａは押出しダイ１４の内周加工面に条溝を
形成しておくことによって得ることができる。第１２図
は、前記突条１０ａに礪械加工を施し多数の突起１０ｂ
になした例を示しており、この形状では回り止め、密着
性向上の他に、抜は止め防止効果を期待できる。

■原料Ａｌ合金粉末に混合する黒鉛粉末に代えて硼化物
、硫化物等の潤滑性材料の粉末を用いることもできる。

ル班五ｌ■ 以上の説明から明らかなように、本発明の焼結Δ１合金
製摺動部材は、母材であるＡ、ｌ１合金がそれ自身優れ
た耐摩耗性、耐熱性を有している上に、母材中に高硬度
のＡ、０２０ｇ粒子が分散しているため、摺動表面に硬
質Ｃｒメツキ等の表面処理を滴さずとも常温から高温に
亘る温度第四で優れた耐摩耗性を発揮する。また、母材
中に黒鉛粒子を分散させた本発明の囲動部材は自己潤滑
性を有しており、高硬度であるが球状化されていて相手
攻撃性が緩和されたへ１２０３粒子による耐摩耗効果と
も相俟って、自身および相手摺動部材の摩耗が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は温度によるＡｌ合金（アルシル系台金）の硬度
変化を示すグラフ、第２図は本発明例としてのシリンダ
スリーブを備えた自動二輪車用水冷エンジンの要部欠截
側面図、第３図は前記シリンダスリーブを得るための圧
粉成形体の断面図、第４図は該圧粉成形体を展延性の良
好なるｆｉ’ｌ筒内に■入して１りた押出し加工用ビレ
ットの断面図、第５図、第６図はそれぞれ管材押出し加
工装置による前記ビレットの熱間押出し加工態様を示す
断面図、第７図は前記ビレットの熱間押出し加工によっ
て得た積層管の横断面図、第８図は該積層管の縦断面図
、第９図はシリンダブロック本体と一体に前記積層管を
鋳包んだ状態を示す断面図（第２図の要部拡大図）、第
１０図は変形例に係る積層管の平面図、第１１図は該積
層管の側面図、第１２図は他の変形例に係る積層管の平
面図である。 １・・・エンジン、２・・・シリンダ、３・・・スリー
ブ、４・・・ピストン、５・・・クランク軸、６・・・
圧粉成形体、７・・・鞘筒、８・・・ビレット、９・・
・積層管、１０・・・鞘材、１１・・・コンテナ、１２
・・・栓体、１３・・・ラム、１４・・・ダイ、１５・
・・マンドレル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　組織中に含まれる初晶Ｓｉの粒径が２０μｍ以下であ
   つて、Ｓｉ１１〜３０％、Ｃｕ０．８〜５％、Ｍｇ０．
   ３〜３．５％、Ｆｅ２〜１０％（数字はいずれも重量％
   ）、残部・・・Ａｌおよび不可避不純物なる組成のＡｌ
   合金粉末に、平均粒径１〜１０μｍの球状粒子からなる
   Ａｌ＿２Ｏ＿３１〜５重量％および黒鉛粉末０．５〜５
   重量％を均一に混合した混合粉末を圧粉成形後、温度４
   ００℃〜５５０℃での焼結または熱間加工によつて得た
   焼結Ａｌ合金製摺動部材。