JPH07280096A - 鋳造摺接部材 - Google Patents

鋳造摺接部材

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JPH07280096A
JPH07280096A JP7061979A JP6197995A JPH07280096A JP H07280096 A JPH07280096 A JP H07280096A JP 7061979 A JP7061979 A JP 7061979A JP 6197995 A JP6197995 A JP 6197995A JP H07280096 A JPH07280096 A JP H07280096A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】回転自在なまたは、半径方向あるいは軸方向に
往復動自在な機械部品(7)を案内しかつ支承する滑り
面(6)部分を有すると共に硬質材(1)を含む成形体
(2)が、その通孔性空洞を地軽金属で浸潤されて鋳込
まれる鋳造摺接部材において、優れたトライボロジー性
質を有する鋳造摺接部材を提供する。 【構成】閉孔性空洞の殆どない成形体(2)の通孔性空
洞が地軽金属(4)で殆ど隙間なく充填され、滑り面
(6)内に存在する成形体の硬質材(1)の大きさが1
軸方向にそれぞれ≦0.1mmでありかつ滑り面(6)
内に存在する成形体の硬質材(1)間の距離が1軸方向
にそれぞれ≦2mmであるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、回転自在なまたは、半
径方向あるいは軸方向に往復動自在な機械部品を案内し
かつ支承する滑り面部分を有すると共に硬質材を含む成
形体が、その通孔性空洞を地軽金属で浸潤されて鋳込ま
れる鋳造摺接部材に関する。
【0002】
【従来の技術】軽金属合金は今日的視点から見て車両製
造分野において最重要の未来材料であり、その使用量は
増大する傾向にある。その際先ず第一に、特に鉄系材料
に比べて重量面での軽金属合金の優位性が他の優位性と
共に活用される。このことは、内燃機関内のピストンの
みならず、殊にシリンダに著しい影響を及ぼしている。
即ち、例えばマルチシリンダブロックの材料を鼠鋳鉄か
らアルミニウム合金へ切り変えると40〜60%もの重
量軽減が達成可能であり、これは既に達成されている。
【0003】AlSi17Cu4Mg型の過共析アルミ
ニウム−ケイ素合金から成りかつ低圧鋳造法で製造され
たシリンダーブロックが、定期刊行物:エム・テー・ツ
ェット、自動車工学雑誌(MTZ,Motortech
nische Zeitschrift)、第35巻
(1974年)、第33〜41頁に記載されている。こ
のシリンダーの滑り面に上記過共析アルミニウム合金か
ら初晶として晶出すると共に均一に分布しかつ一様の形
状で形成されたケイ素粒は、その粒径が30〜80μm
である。上記シリンダーの鋳造後、シリンダー内腔は先
ず前中ぐりおよび仕上げ中ぐりにより機械加工され、次
いで前ホーニング及び仕上げホーニングされ、その結
果、上記ケイ素粒は平滑にされて周囲のアルミニウム合
金地と共に平滑面を形成する。上記ホーニング加工の
後、上記ケイ素粒間のアルミニウム合金地は化学的手法
により僅かに除去されて深さ方向に後退するので、上記
ケイ素粒は上記シリンダーの無強化滑り面から僅かに、
即ち0.2〜1.0μmほど突出し、ピストンリングお
よびピストンスカートからの負荷を担う骨組みとして働
く。
【0004】過酷な運転条件下でこのようなシリンダー
滑り面のアルミニウム合金と、ピストンの軽金属との間
の接触を是が非でも回避するため、このシリンダー滑り
面の使用は、少なくともピストンスカートに厚さ約20
μmの鉄層が被覆された軽金属製ピストンと組み合され
た時に限られる。このピストンの鉄層被覆により、ピス
トンスカートの摩耗は著しく低減されると共に、ピスト
ンスカートとシリンダー滑り面との間の引っ掛かりの傾
向は抑制される。しかしこのようなシリンダーの難点
は、このシリンダーが高製造費で製造された過共析アル
ミニウム合金を以て鋳造されることである。またこの合
金のケイ素含量が高いため、シリンダーブロックの機械
加工の際、工具の損耗は甚だしい。
【0005】一方、AlSi9Cu3Mg型のアルミニ
ウム合金から成るライナーレス単シリンダーまたはライ
ナーレスマルチシリンダーブロックが公知である。この
場合、厚さ50〜80μmのニッケル基層が、この基層
内に分散された粒径1〜3μmの炭化ケイ素粒と共にシ
リンダー空腔面上に電気鍍金される。次にシリンダー滑
り面はホーニング加工される。上記炭化ケイ素粒はピス
トンリングおよびピストンスカートからの負荷を担う骨
組みとして働く。しかしこの含分散質ニッケル基層の製
造には少なからぬプロセス経費が掛かる。特に電気鍍金
工場内では処理浴の浄化装置が必要となる。また汚水処
理の際に発生するスラッジは集積されかつ規制通りに除
去されねばならない。そして上記基層の製造用浴の作業
場内には排出口と共に洗浄装置が設置されなければなら
ない。またシリンダー修理の際、シリンダー空腔の再生
の作業は経費も手間も掛かる。
【0006】最近DE−A−3725495号明細書で
内燃機関用マルチシリンダーブロックが提案された。こ
の場合、シリンダー滑り面は、容積率8〜20%の酸化
アルミニウム系繊維と、容積率0.3〜15%の炭素繊
維とが軽金属地内に配された混合物から成る円筒状繊維
強化部分から成る。ここで上記酸化アルミニウム系繊維
は25%以下の酸化ケイ素を含む。このように形成され
たシリンダー滑り面を以てしても、上記マルチシリンダ
ーブロックの軽金属地と、軽金属ピストンとの間の接触
を回避するため、該軽金属ピストンを使用する前に従来
どおり該軽金属ピストンの円筒状外面に鉄層を電気鍍金
しかつこの鉄層上に更に錫層を電気鍍金することが必要
である。また上記シリンダー滑り面内で浸潤される上記
ハイブリッド繊維は高価である。加えて加工に伴う工具
の摩耗は甚だしく、かつこの加工には切削用ダイヤモン
ドが不可欠なので加工経費はかなり大きくなる。
【0007】比較的低費用で製造可能な亜共析アルミニ
ウム合金、好ましくは亜共析アルミニウム再融解合金(U
mschmelzlegierung)で単シリンダーまたはマルチシリン
ダーブロックを製作すると共に、シリンダー滑り面にの
み過共析アルミニウム合金に類似したトライボロジー性
質を賦与しようとする試みにおいて、亜共析アルミニウ
ム再融解合金による鋳造の際に浸潤される酸化アルミニ
ウム短繊維から成りかつケイ素粒を含む中空円筒形成形
体が定期刊行物:アルミニウム誌(Aluminiu
m)、第69巻、1993年、第627〜628頁に開
示された。この場合、上記酸化アルミニウム短繊維は、
意図されたトライボロジー系の部分を構成するものでは
なく、単にケイ素粒をシリンダー滑り面内に均一に分布
させる目的のみに役立つに過ぎない。ケイ素粒はアルミ
ニウム中への高溶解性において卓越しており、アルミニ
ウム合金地との確実な結合は保証されている。しかし欠
点として、上記成形体の、所謂「ショット(Shots )」と
呼ばれる非繊維成分が、熱応力サイクル下の亀裂、熱シ
ョック応力またはその他の顕著な応力を発生させる原因
となり得る。また上記酸化アルミニウム短繊維の存在
は、シリンダー滑り面加工用工具の摩耗を増大させる。
更なる難点は、酸化アルミニウム短繊維は硬いので、ピ
ストンスカート及びピストンリングに対し、過共析アル
ミニウム−ケイ素合金から成るシリンダー滑り面の使用
時に求められる高価な補強措置が要求されることであ
る。更にまた、繊維が含まれているため、繊維質成形体
の取扱いに多額の費用が労働安全設備に掛かる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記の理由により、酸
化アルミニウム短繊維から成る成形体をケイ素粒の骨組
みとして使用することを避け、その代りに多孔性ケイ素
成形体を使用しようとする考え方から本発明は出発した
(定期刊行物:アルミニウム誌(Aluminiu
m)、第69巻、1993年、第627〜628頁参
照)。即ち本発明の課題は、硬質材から成ると共に通孔
性空洞を有しかつ鋳込まれた状態で鋳造摺接部材の滑り
面部分を形成すると共にこの通孔性空洞が地軽金属で浸
潤される、優れたトライボロジー性質を有する、即ち摩
擦及び摩耗が可及的少ない成形体が得られた上で、この
成形体が鋳込まれた優れたトライボロジー性質を有する
鋳造摺接部材を提供するすることにある。また上記鋳込
み時の操作を確実にするため、この成形体は高度の形状
安定性を必要とする。また上記滑り面の加工に使用され
る工具の摩耗を低減することが望まれる。また上記滑り
面の機械加工時に、上記硬質材がこの滑り面からもぎと
られることがあってはならない。また使用される上記硬
質材は充分な緊急運転時特性を有すると共に、接触する
材料と相性が良く、引っ掛かり停止する傾向の少ないこ
とを要する。ここで「成形体」とは、互いに連結した無
数の空洞及び導管を有する物体のことをいう。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、回転自在なま
たは、半径方向あるいは軸方向に往復動自在な機械部品
を案内しかつ支承する滑り面部分を有すると共に硬質材
を含む成形体が、その通孔性空洞を地軽金属で浸潤され
て鋳込まれる鋳造摺接部材において、閉孔性空洞の殆ど
ない上記成形体の通孔性空洞が地軽金属で殆ど隙間なく
充填され、上記滑り面内に存在する上記成形体の硬質材
の大きさが1軸方向にそれぞれ≦0.1mmでありかつ
上記滑り面内に存在する上記成形体の硬質材間の距離が
1軸方向にそれぞれ≦2mmであるように鋳造摺接部材
を構成した。
【0010】本発明の上記成形体では、地軽金属の浸潤
性が明らかに改善されるので、上記通孔性空洞は地軽金
属により隙間なく充填されると共に、上記成形体の部分
は上記滑り面中に均一に分布され、かつ高い耐摩耗特性
および優れた緊急運転時特性が得られる。また上記滑り
面中の成形体の部分の表面積が大きいので、加工用工具
の摩耗度が比較的低くかつ良好な加工ができる。鋳造単
シリンダーまたは鋳造マルチシリンダーブロックの場
合、シリンダー滑り面中に潤滑剤が過大に沈積するのを
避けるため、上記通孔性空洞の内、地軽金属が浸透しな
かった部分の割合は極く小さくなくてはならない。例え
ば滑り軸受のような他の応用例の場合、上記浸透しなか
った部分の割合は副次的な意義しか持たない。
【0011】上記硬質材の硬度の増加と共に上記滑り面
内に存在する上記成形体部分の大きさが減少する条件下
で、上記硬質材の硬度が上記軽金属地の硬度の少なくと
も3倍であることができる。
【0012】上記硬質材の容積率は5〜50%であるこ
とができる。
【0013】上記硬質材は、一般に例えばケイ素、チタ
ン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニ
ッケル、ジルコニウム、モリブデン、Al3 Zr、Al
3 Cu、Al3 Ti、Alx Fey Mnz 、Alx Cu
y Niz 、Mg2 Siのような金属または金属合金若し
くは金属間化合物相から成ることができる。
【0014】上記硬質材は、金属、好ましくは遷移金属
に属するチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウ
ム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステンのそ
れぞれ炭化物、窒化物、ホウ化物、アルミナイド(Alumi
nid)またはケイ化物、より好ましくは炭化タングステ
ン、炭化チタンまたは炭化タンタルから成ることことが
できる。
【0015】上記硬質材は、炭化ホウ素、炭化ケイ素、
酸化アルミニウムまたは窒化ホウ素のような非金属硬質
材料から成ることができる。
【0016】上記硬質材は、酸化ベリリウム、酸化マグ
ネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化チ
タン、酸化クロム、ムライト、キン青石またはセン晶石
のような金属酸化物系材料から成ることもできる。
【0017】上記硬質材の選択に際して、使用目的に応
じて、できるだけ小さな摩擦(工率損失)および摩耗
(材料損失)を示すと共に地軽金属溶融体との濡れ性が
良くかつ軽金属地に対する固着性が良い硬質材を選ぶこ
とが推奨される。
【0018】つまり上記成形体および軽金属地は互いに
直接に結合されているのがよい。
【0019】若しこれが不可能ならば、上記成形体およ
び軽金属地は固着仲介層を介して結合されているのがよ
い。
【0020】上記硬質材は複数種が組み合されることが
できる。
【0021】この場合、要求されるトライボロジー特性
に応じて、比較的硬質の材料と組み合わされて上記成形
体中に、一種または複数種の例えば黒鉛、鉛、硫化モリ
ブデンのような比較的軟質の材料が埋め込まれることが
できる。これにより緊急運転時特性が向上する。
【0022】上記成形体は、その形状安定性を更に改善
するため、薄板、篩状物、織布または不織布から成る支
持用薄壁上に固定され、この支持用薄壁は使用目的に従
って中空円筒、曲面板またはこれらの類似物として成形
されることができる。
【0023】アルミニウム地合金による上記成形体の浸
潤には、一般に25bar以下の加圧で充分である。そ
の際、上記浸潤前に鋳型内を大気圧以下に減圧するのが
有利である。アルミニウム合金地中の気泡容積率をでき
るだけ小さくするには、アルミニウム地合金で浸潤され
た上記成形体を上記浸潤前の減圧値の少なくとも100
倍の圧力に曝す必要がある。
【0024】必要な形状安定性を有する上記成形体を得
るため、上記成形体を形成する粒子は無機結合剤、好ま
しくは酸化物系またはケイ酸塩系の無機結合剤を介し
て、或はまた焼結により互いに結合されているのがよ
い。
【0025】上記成形体の粒子は、球状、粒状、平板
状、曲面板状、直線棒状または曲線棒状の形状を有する
ことができる。
【0026】上記成形体の個々の粒子は、複数種の材料
成分から成ることができる。例えばアルミニウム合金
は、ケイ素、鉄またはAl3 Zrを析出する。
【0027】上記成形体を形成する粒子および特に析出
物を含む粒子は、焼結、火炎溶射、プラズマ溶射によ
り、または部分凝固した溶融滴により互いに結合される
ことができる。
【0028】ケイ素粒で形成された上記成形体の粒子
は、粒間境界に生成した窒化ケイ素を介して互いに結合
されることができる。
【0029】ケイ化物で形成された上記成形体の粒子
は、化学的に析出したケイ素を介して互いに結合される
ことができる。
【0030】上記成形体は、粉粒体から成ることができ
る。
【0031】必要な形状安定性を得るため、上記成形体
は、複数個の穴を持つケース、例えば篩状物、穴あき板
またはこれらの類似物で包まれることができる。
【0032】上記穴は、上記地軽金属の溶融体により容
易に破壊されるプラスチック膜で閉じられることができ
る。
【0033】
【実施例】以下本発明の実施例につき図1〜3を参照し
ながら説明する。図1はシリンダブロッククランクケー
スアセンブリの縦断面図の一部を摸式的に示す。図2
は、図1の軽金属地のみで成る部分と上記成形体との境
界付近の拡大図(倍率約100)を示す。図3は硬度の
異なる複数種の成分で構成された上記成形体の断面拡大
図を摸式的に示す。
【0034】AlSi9Cu型再融解合金(4)を以て
シリンダブロッククランクケースアセンブリ(3)を鋳
造する際、平均粒径45〜55μmのケイ素粒(1)か
ら成る中空円筒形成形体(2)の空洞を、比較的高い鋳
造圧である100barを適用して浸潤した。ケイ素粒
(1)はケイ酸塩系の無機結合剤(5)を介して互いに
結合した。ケイ素はアルミニウム合金中への高溶解性に
おいて卓越しているので、ケイ素粒(1)とアルミニウ
ム合金地(4)との確実な結合は保証されている。成形
体(2)の空洞は約75%の容積を占めるが、上記再融
解合金(4)により完全に浸潤された。シリンダー滑り
面(6)においてケイ素が占める割合は25%であっ
た。上記鋳造後、シリンダー内腔は前中ぐりおよび仕上
げ中ぐりにより機械加工され、次いでホーニング加工さ
れた。アルミニウム合金製ピストン(7)のピストンス
カートに特別な被覆層は不要であった。
【0035】図3は、成分がケイ素(8)、鉛(9)、
黒鉛(10)、炭化ケイ素(11)で構成された成形体
の断面を摸式的に示したものであり、この成形体の通孔
性空洞はアルミニウム合金(12)で完全に浸潤されて
いる。
【0036】
【発明の効果】本発明は上述のような構成であるから、
優れたトライボロジー性質を有する鋳造摺接部材が得ら
れる。
【0037】
【図面の簡単な説明】
【図1】シリンダブロッククランクケースアセンブリの
摸式的縦断面図の一部である。
【図2】図1の軽金属地のみで成る部分と成形体との境
界付近の拡大図(倍率約100)である。
【図3】硬度の異なる複数種の成分で構成された成形体
の断面拡大図である。
【符号の説明】
1 ケイ素粒 2 成形体 3 シリンダーブロッククランクケースアセンブリ 4 合金地 5 無機結合剤 6 滑り面 7 ピストン 8 ケイ素 9 鉛 10 黒鉛 11 炭化ケイ素 12 アルミニウム合金
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドアルト・ケーラー ドイツ連邦共和国74172ネッカルズルム・ ヴェストシュトラーセ10 (72)発明者 ヘルベルト・メーディング ドイツ連邦共和国74177フリードリヒスハ ル・バウエライ−エルゼサー−シュトラー セ5/2 (72)発明者 ユルゲン・ニヒュス ドイツ連邦共和国74229エドハイム・ベル ンハルト−フス−シュトラーセ8

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転自在なまたは、半径方向あるいは軸方
    向に往復動自在な機械部品(7)を案内しかつ支承する
    滑り面(6)部分を有すると共に硬質材(1)を含む成
    形体(2)が、その通孔性空洞を地軽金属(4)で浸潤
    されて鋳込まれる鋳造摺接部材において、 閉孔性空洞の殆どない上記成形体(2)の通孔性空洞が
    地軽金属(4)で殆ど隙間なく充填され、上記滑り面
    (6)内に存在する上記成形体の硬質材(1)の大きさ
    が1軸方向にそれぞれ≦0.1mmでありかつ上記滑り
    面内に存在する上記成形体の硬質材(1)間の距離が1
    軸方向にそれぞれ≦2mmであることを特徴とする鋳造
    摺接部材。
  2. 【請求項2】上記硬質材(1)の硬度の増加と共に上記
    滑り面(6)内に存在する上記成形体部分の大きさが減
    少する条件下で、上記硬質材(1)の硬度が上記軽金属
    地(4)の硬度の少なくとも3倍であることを特徴とす
    る請求項1の鋳造摺接部材。
  3. 【請求項3】上記硬質材(1)の容積率が5〜50%で
    あることを特徴とする請求項1または2の鋳造摺接部
    材。
  4. 【請求項4】上記硬質材(1)は、一般に例えばケイ
    素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバ
    ルト、ニッケル、ジルコニウム、モリブデン、Al3
    r、Al3 Cu、Al3 Ti、Alx Fey Mnz 、A
    x Cuy Niz 、Mg2 Siのような金属または金属
    合金若しくは金属間化合物相から成ることを特徴とする
    請求項1、2または3の鋳造摺接部材。
  5. 【請求項5】上記硬質材(1)は、金属、好ましくは遷
    移金属に属するチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バ
    ナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステ
    ンのそれぞれ炭化物、窒化物、ホウ化物、アルミナイド
    またはケイ化物、より好ましくは炭化タングステン、炭
    化チタンまたは炭化タンタルから成ることを特徴とする
    請求項1、2、3または4の鋳造摺接部材。
  6. 【請求項6】上記硬質材(1)は、炭化ホウ素、炭化ケ
    イ素、酸化アルミニウムまたは窒化ホウ素から成ること
    を特徴とする請求項1、2、3または4の鋳造摺接部
    材。
  7. 【請求項7】上記硬質材(1)は、酸化ベリリウム、酸
    化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、
    酸化チタン、酸化クロム、ムライト、キン青石またはセ
    ン晶石のような金属酸化物から成ることを特徴とする請
    求項1、2、3または4の鋳造摺接部材。
  8. 【請求項8】上記硬質材(1)の複数種が組み合される
    ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6または
    7の鋳造摺接部材。
  9. 【請求項9】上記成形体(2)および軽金属地(4)は
    互いに直接に結合されていることを特徴とする請求項
    1、2、3、4、5、6、7または8の鋳造摺接部材。
  10. 【請求項10】上記成形体(2)および軽金属地(4)
    は固着仲介層を介して結合されていることを特徴とする
    請求項1、2、3、4、5、6、7または8の鋳造摺接
    部材。
  11. 【請求項11】上記硬質材(1)を含む成形体(2)中
    に、一種または複数種の例えば黒鉛、鉛、硫化モリブデ
    ンのような軟質材が埋め込まれていることを特徴とする
    請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9または10
    の鋳造摺接部材。
  12. 【請求項12】上記成形体(2)を形成する粒子は無機
    結合剤、好ましくは酸化物系またはケイ酸塩系の無機結
    合剤を介して互いに結合されていることを特徴とする請
    求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10または
    11の鋳造摺接部材。
  13. 【請求項13】上記成形体(2)を形成する粒子は、焼
    結、火炎溶射、プラズマ溶射により、または部分凝固し
    た溶融滴により互いに結合されていることを特徴とする
    請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10また
    は11の鋳造摺接部材。
  14. 【請求項14】ケイ素粒(1)で形成された上記成形体
    (2)の粒子は、粒間境界に生成した窒化ケイ素を介し
    て互いに結合されていることを特徴とする請求項1、
    2、3、4、5、6、7、8、9、10または11の鋳
    造摺接部材。
  15. 【請求項15】ケイ化物で形成された上記成形体(2)
    の粒子は、化学的に析出したケイ素を介して互いに結合
    されていることを特徴とする請求項1、2、3、4、
    5、6、7、8、9、10または11の鋳造摺接部材。
  16. 【請求項16】上記成形体(2)の粒子は、球状、粒
    状、平板状、曲面板状、直線棒状または曲線棒状の形状
    を有することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、
    6、7、8、9、10、11、12、13、14または
    15の鋳造摺接部材。
  17. 【請求項17】上記成形体(2)の個々の粒子は、複数
    種の材料成分から成ることを特徴とする請求項1、2、
    3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、1
    3、14、15または16の鋳造摺接部材。
  18. 【請求項18】上記成形体(2)は、薄板、篩状物、織
    布または不織布から成る支持用薄壁上に固定され、この
    支持用薄壁は使用目的に従って中空円筒、曲面板または
    これらの類似物として成形されることを特徴とする請求
    項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、
    12、13、14、15、16または17の鋳造摺接部
    材。
  19. 【請求項19】上記成形体(2)は、粉粒体から成るこ
    とを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、
    8、9、10、11、12、13、14、15または1
    6の鋳造摺接部材。
  20. 【請求項20】上記成形体(2)は、複数個の穴を持つ
    ケースで包まれている請求項19の鋳造摺接部材。
  21. 【請求項21】上記穴は、上記地軽金属の溶融体により
    容易に破壊されるプラスチック膜にて被われている請求
    項19または20の鋳造摺接部材。
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