JPS5817251B2 - 焼結合金製シリンダライナ材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関や圧縮機に用いられる高い気密性を有
し耐摩耗性にすぐれた焼結合金製シリンダライナ（シリ
ンダスリーブを含む）に係るものである。

従来のシリンダライナ及びスリーブは、そのほとんどが
鋳鉄材であって、溶解鋳造法で製造されている０この溶
解鋳造法によるシリンダライナの製造は、必然的に、加
工代が高くなり、昨今の省資源の要求に反し、さらに環
境汚染の問題も内在する上に、この方法で得られた材料
には偏析、鋳巣の発生などの問題が生じゃすい○さらに
昨今の傾向としてエンジンの高出力化、高回転化、排ガ
ス対策等から、鋳鉄材以上の品質を有するシリンダライ
ナ及びスリーブが要求される傾向にあり、この要求に応
するために鋳造された材料に高価なりロムメッキ等を施
して対処しているのが現状である。

本発明の目的は、上記に鑑み省資源を計り、製造費が安
価で、しかも均質な材料で高い気密性を有し、且つすぐ
れた耐摩耗性を有する焼結合金製シリンダライナ及びス
リーブ材を提供することにある。

一般に焼結材には多数の空孔が存在し、これら空孔が、
材料表面に開孔していて、この空孔が油だまりとなるた
め、焼結合金材は耐摩耗部材として好ましい効果を発揮
する。

しかしながらシリンダライナやスリーブの如く高い爆発
圧力を受け、なおかつ高度のガスシール特性を必要とす
る材料においては、焼結材に内在する連続空孔が、ガス
通路となり、ブローバイガスの増加等の好ましくない結
果を生ずる。

これらの空孔を、例えば、焼結後の鍛造やＣｕ溶浸処理
などで埋め、ガスをシールすることは可能であるが、こ
の方法は非経済的な上に、量産性に乏しく、しかも、か
かる処理を施すと表面に開孔した空孔も消滅するので前
述の油だまり効果が期待出来なくなるという欠点がある
。

本発明は、上記の従来の焼結材の欠陥を是正したもので
ある。

即ち一般に焼結材中に存在する互に連続した多数の空孔
を、各々独立した空孔となるようにし、これによってガ
スの通路を遮断し表面には開孔した空孔を残して油だま
りとして作用させ、その効果を材料中に均一に分布する
硬質粒子によって一層発揮せしめたものである。

即ち、本発明のシリンダライナ材は、重量比でＣ０，５
〜２．０係、ＭｏおよびＣｒのいずれか一方もしくは双
方で０．１〜５．０ ％、ＮｉおよびＣｕのいずれか一
方もしくは双方でｏ、ｉ〜３．０係と、硫黄粉末の使用
に由来する８０．０１〜０．５係を含有し、残部が実質
的に鉄からなる焼結合金からなり、この合金のマトリッ
クスは主としてパーライトからなりマルテンサイトを含
まず、このマトリックス中には硬質粒子と硫化物粒子と
が分散析出しており、かつ、前記焼結合金は内部に多数
の独立空孔を有し、その空孔率が５〜２０係であること
を特徴とするものである。

この焼結合金は、その密度が６．６〜７．３ ｇ／Ｃ１
ｆｔ、であり、かつ空孔率が５〜２０係であることが好
ましい。

Ｃは、Ｆｅと結合してパーライトマトリックスを形成す
るに必要な元素であるが、Ｃの含有率が０．５係未満て
は、得られる合金中に、耐摩耗性に不利なフェライトの
残留が多くなり、好ましくない。

又、Ｃの含有率が２．０係を超えると、得られる合金中
にセメンタイトの析出が多くなると同時に、遊離黒鉛の
残留量も多くなり、これらはいずれも材料の脆化をもた
らすので、Ｃの含有率は、０．５〜２．０重量係に限定
される。

ＭｏおよびＣｒは、いずれも得られる合金のマトリック
ス中に硬質粒子を析出し、この合金材料が実用されると
き、その摺動面において、マトリックスの第２次摺動面
に対して硬質粒子が第１次摺動面としてベアリング作用
を果し、摺動面に開孔した空孔の油だまり効果を一層助
長させ、材料の耐摩耗性を向上せしめるのに必要な元素
である。

ＭｏおよびＣｒの少なくとも一種の含有率がｏ、 １％
未満のときは、前記の効果に乏しく、又、含有率が５．
０係を超えると、硬質粒子の析出が過多となり、材料の
脆化をもたらし、また、材料の成形性も低下する。

このため、ＭｏおよびＣｒのいずれか一方もしくは双方
の含有率は０．１〜５．０重量係の範囲になければなら
ない。

ＮｉおよびＣｕは、いずれもマトリックスに固溶し、材
料の靭性を向上させ耐熱性を付与する元素である。

しかし、ＮｉおよびＣ’ｕの少なくとも一種の含有率が
０．１ ％未満では、上記の効果に乏しく、また含有率
が３．０係を超えると、Ｃｕの場合には、一部未固溶粒
子が残存し、Ｎｉの場合には、Ｆｅの拡散が不均一とな
るのでいずれの場合も組織の均一性が低下し、さらに添
加の割りに効果が頭打ちとなり経済性を阻害する。

従ってＮｉ又はＣｕのいずれか一方もしくは双方の含有
率は０．１〜３．０係の範囲内になければならない。

Ｓ粉末の添加は材料部材内部で互に連続している空孔を
、互に独立したものにする作用を有し、またその他に、
Ｆｅ、ＭｏやＣｒと結合してマトリックス中に、硫化物
粒子を分散析出し、この硫化物粒子は固体潤滑材として
、シリンダライナやスリーブの如く境界潤滑状態にさら
されやすい部材の耐摩耗性の向上に寄与し、さらに機械
加工時に、チップブレーカ−として被剛性を向上せしめ
るものである。

しかしその含有率が０．０１％未満では、上記の諸効果
に乏しく、又含有率が０．５ ％を超えると、材料の脆
化をもたらすとともに、焼結炉の損傷も助長するので、
Ｓの含有率は０．０１〜０．５係の範囲内になければな
らない。

本発明の焼結合金材料は、従来慣用の方法によって加圧
成形し、焼結することにより製造可能である。

次に上述の成分組成を有する本発明に係るシリンダライ
ナやスリーブ材の密度と空孔率との関係は一義的なもの
であるが、その密度は６．６〜７．３ｇ／〜の範囲内に
あることが好ましい。

焼結材の密度が６．６ｇ／ｆｆ１未満の場合、材料の強
度が不足し、空孔を独立したものにしても主として空孔
の粗大化によってガスシールが不十分となる傾向があり
、密度が７．３ ｆ！ ／ｃｙｙｔを超えると、摺動面
における空孔率が少なくなり、油の保油性が不十分とな
り、材料の摩耗を促進する傾向がある。

一方焼結合金の空孔率は、５〜２０係である。

焼結材の空孔率が５係未満のときは、摺動面での油だま
り効果による保油性が乏しくなる傾向があり、又空孔率
が２０％を超えると、空孔の粗大化による材料の脆化、
及びガスシールが不十分となる傾向がある０ 本発明の材料の内部構造および諸物性について、下記実
施例および比較例により更に詳しく説明する。

実施例１〜６および比較例１および２ 各実施例および比較例において第１表記載の量の噴霧鉄
粉に、第１表に示されている量の黒鉛粉、ＦｅＣｒ粉（
Ｃｒ含有量６２％）、Ｆ ｅＭｃｍ（Ｍｏ含有量７２係
）、Ｎｉ粉、Ｃｕ粉およびＳ粉を添加し、これに更に第
１表記載の量のステアリン酸亜鉛０．８係を添加して混
合し、５ｔ／ｆｆｌの成形圧で抗張力テストピース（８
，７Ｘ９６．５Ｘ５、平行部５．７Ｘ２５Ｘ８．７）、
摩耗試験片１９．６φ×１６φす×１５、通気性試験片
（１９，６φ×１６φ×１５）、加工性試験片３６φ×
２０φ×１０およびシリンダースリーブを各々成形し、
還元性ガス雰囲気中１１３０℃で３０分焼結し、焼結材
を作成した。

上記実施例１〜６および比較例１〜２で得られた焼結材
の成分組成および緒特性を第２表に示す。

次に本発明に係る実施例２、および比較例２において製
造したシリンダスリーブの顕微鏡写真を、第１図には本
発明に係る実施例２のもの、第２図には比較例２のもの
を示す。

これより、第２図の従来の材料では多数の空孔が互に連
続しているが、第１図の本発明に係るシリンダライナ及
びスリーブでは、その内部に存在する多数の空孔が、丸
味を帯び、互に独立した空孔として存在していることが
わかる。

次に実施例１〜６および比較例１〜２で得られた摩耗試
験片を用いて銘木式摩耗試験機で面圧３３ ｋｇ／ｃｒ
ｉｔ、摩擦速度０．１０、０．４７、０．９５ｍ／Ｓ、
摩擦距離６００ｍ、乾式、相手材Ｃｒメッキの条件下で
摩耗試験を行い摩擦係数と摩耗量を求めた。

得られた摩擦係数の結果を第３図に、また摩耗量を第４
図に示す。

これから明らかな如く本発明に係る実施例１〜６の材料
は、比較例１及び２の材料に対して、摩擦係数も小さく
、又摩耗量も少ないことがわかる。

本発明に係る実施例１〜６の材料においては、Ｓ粉末の
添加によってＭｏ又はＣｒの硫化物が形成され、これら
硫化物が自己潤滑作用を発揮するが、この作用はＭｏ又
Ｃｒの硬質粒子がマトリックスの第２次摺動面に対して
第１次摺動面を形成することにより一層助長される。

そしてこれらの相乗効果によって本発明の材料の摩擦係
数が小さく、摩耗量も少なく、耐摩耗性にすぐれている
ことがわかる。

次に実施例１〜６および比較例１〜２において得られた
通気性試験片を用いて、ガスシール性試験を行なった。

テストピースの両端をシールし一方から圧力１ｋｇ／ｃ
ｗｔの空気を圧送し、該テストピースを水中に浸し発生
する気泡を採取し計量して各材料のガスシール性を判定
した。

この結果を第３表に示す。

これより明らかな如く本発明に係る実施例１〜６および
比較例１の材料の空気モレ量は、比較材の比較例２にく
らべて著しく少ない。

即ち第２図に示した如く、通常焼結材内部で連結し焼結
材のガスシール性を低下せしめる空孔がＳ所定量の粉末
添加により丸味を帯びた独立した空孔となりガスシール
性を向上せしめることがわかる０次に実施例１〜６およ
び比較例１〜２において得られた加工性試験片を用いて
、加工実験を行なった。

旋盤を用いてテストピースの外径を、切削速度５２ｍ／
ｍ１ｎ１送り速度０．１５ ｍｒｎ７’ ｒｅｖ、切込
量２φ、工具超硬、乾式の条件で加工した時の工具の摩
耗状況を第５図に示す。

これから明らかな如く本発明に係る実施例１〜６の材料
は、添加したＳがＦｅ、Ｍｏ、Ｃｒと硫化物を形成し、
これらがチップブレーカ−として働くことに加えて、特
にＭｏやＣ’ｒとの硫化物が潤滑性を有することが被削
性の向上にも作用しているのに対して、比較材の比較例
１の材料は、Ｓ粉末を添加しているが、潤滑性のある硫
化物を形成しないために、被剛性の著しい向上が認めら
れないことがわかる。

即ち、本発明に係る実施例１〜６においては耐摩耗性の
向上と同じようにＭｏ又はＣｒとＳとの相乗効果が被剛
性の向上にも作用していることがわかる。

更に、実施例１〜６及び比較例２において得られたシリ
ンダスリーブを用いて、４ストロークデイーゼルエンジ
ン（６気筒、６００に、１ボアー１０８とストローク１
１３）を用いて、エンジンテストを実施した。

実験条件は、２０００ ｒｐｍ、全負荷で１００ Ｈｒ
の耐久テストであった。

なおこの実験に先立って現在組付けられている鋳鉄製ス
リーブでも同様のテストをしたのでこの結果も加えて第
４表に実験結果を示す。

０（※印 ６気筒の平均値） これより本発明に係る実施例１〜６の材料は、Ｓ粉末の
添加によって焼結材内部で連結する空孔を独立したもの
にしてガスシール性を改善した結果、実エンジンにおけ
るブローパイが従来の鋳鉄製スリーブでの結果と同水準
に改善され、さらにＭｏ又はＣｒとＳとの硫化物がＭｏ
又はＣｒの硬質粒子によるベアリング作用と相乗効果を
発揮しシリンダスリーブ１体の摩耗は勿論のこと相手ピ
ストンリングの摩耗をも大幅に低減させていることがわ
かる。

以上のように本発明に係るシリンダライナ及びスリーブ
は溶製材と同等のすぐれたガスシール性を有し、かつ耐
摩耗性にすぐれている上に、相手材の摩耗を軽減せしめ
て機関寿命の延長を可能にするものであり、機械加工性
にもすぐれており、従って省資源を計り安定した品質の
製品を経済的に提供出来るものである０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例２の材料の１００倍の顕微
鏡組織写真、第２図は比較付比較例２の材料の１００倍
の顕微鏡組織写真である。 第３図は本発明に係る実施例１〜６、比較付比較例１お
よび２の銘木式摩耗試験機での摩擦係数を示すグラフで
あり、第４図はその時の摩耗量を示すグラフである。 さらに第５図は本発明に係る実施例１〜６、比較材１お
よび２の加工実験で得られた工具の摩耗を示すグラフで
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １０．５〜２．０重量％の炭素と、１〜５．０重量％の
   モリブデンおよびクロムの少なくとも一種と、０．１〜
   ３．０重量％のニッケルおよび銅の少なくとも一種と、
   硫黄供給源として硫黄粉末を使用して得られた０、０１
   〜０．５重量係の硫黄を含有し、残部が、実質的に鉄か
   らなる焼結合金からなり、この合金のマトリックスは、
   主としてパーライトからなりマルテンサイトを含まず、
   このマトリックス中には、硬質粒子と硫化物粒子とが分
   散析出しており、かつ、前記焼結合金は内部に多数の独
   立空孔を有し、その空孔率が５〜２０係であるシリンダ
   ライナ材０２ 前記焼結合金が６．６〜７．３ｇ／ｉの
   密度を有する特許請求の範囲第１項記載のシリンダライ
   ナ材０