JPS6164851A - 高剛性を有する焼結合金製シリンダ・スリ−ブ材 - 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】 （産業上の利用分野） 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・スリーブ
（シリンダ・ライナを含む）に係るものである。本発明
に係るシリンダ・スリーブはインサート・タイプのシリ
ンダ・スリーブとして用いられる。

（従来の技術） 従来使用されているインサート・タイプのスリーブ材は
そのほとんどが溶解鋳造法で製造された鋳鉄材である。

シリンダ・スリーブの溶解鋳造法による製造では必然的
に加工代が多くなり、省資源の要求に反する上に環境汚
染の問題も内在し、偏析、鋳巣の発生などの問題も生じ
やすい。さらに昨今の傾向としてエンジンの軽量化、コ
ンパクト化等からシリンダのボア間隔を狭（していく傾
向にあり、必然的にスリーブ材肉厚の薄肉化が求められ
るに到り、鋳鉄材以上の高剛性を有するシリンダ・スリ
ーブが要求される様になった。この要求に応する為に高
い剛性を有する鋼材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。

このような従来技術の現状を改善すべく、本出願人は特
開昭５４−２０９１１号公報において、０．５〜２、０
％Ｃ，０，１〜５．０％のＭｏおよび／またはＣｒ、０
．１〜３．０％のＮｉおよび／またはＣｕ　ｓ０．０１
〜０．５％Ｓ、残部Ｆｅからなり、内部に多数の独立空
孔を有する焼結合金製シリンダーライナ材を提供した。

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摺動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の
通路になり、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＼る処理を施すと表面に開孔した空孔も消滅するので
前述の油たまり効果が期待出来なくなるという欠点があ
る。

上記本出願人の提案に係る焼結合金製シリンダーライナ
材は、この欠点を解消するために、特にＳの作用によっ
て連続空孔を独立にしたことに特色がある。

（発明が解決しようとする問題点） シリンダ・スリーブとして現状で使用されている鋳鉄材
には、加工代が多い、同様に鋼材には高価なりロムメッ
キが必要であるという問題があり、また一般の焼結材に
は連続空孔があるためかかる焼結材は薄肉のシリンダ・
スリーブには通していないという問題がある。さらに、
上記特開昭５４−２０９１１号公報に記載された焼結合
金製シリンダーライナ材については、本発明者等がその
特性を研究したところ、剛性が十分ではないために薄肉
材として十分な機械的特性を有していないという問題が
あることが分かった。

（問題点を解決するための手段および作用）本発明は上
記の従来の一般的焼結材の欠陥を是正する目的で焼結材
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
るとともに、高剛性を得るために、空孔形状を適正にす
ることにより上記問題点を解決したものであって、本発
明の特徴とするところは、重量比で０．５〜１．５％Ｃ
，０，１〜０．６％ｐ、ｏ、ｉ〜０．５％Ｓを含有し残
部が実質的にＦｅからなり、内部に多数の球状化した独
立空孔を有する焼結合金であって、６．７〜７．３ｇ／
ｃＪの密度および５−１５％の空孔率を有する焼結合金
よりシリンダ・スリーブ材を構成したところにある。

先ず、焼結合金の組成および物性限定理由を説明す。Ｃ
（炭素）はＦｅと結合して耐摩耗性および剛性上望まし
いパーライト・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％未満では、得られる合
金中にフェライトの残留が多くなり、上記性質上好まし
くない。又、Ｃの含有率が１．５％を超えると、セメン
タイトが粗大に析出して、材料が脆弱になるためその範
囲を０．５〜１．５％とする。Ｓ（硫黄）は焼結材料内
部で互に連結している空孔を互に独立したものにする作
用を有し、かつ機械加工時にチップ・ブレーカ−として
、被削性を向上せしめるものである。しかしその含有率
が０．１％未満では、上記効果に乏しく、又含有率が０
．５％を超えると、材料の脆弱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０．１〜０．
５％の範囲内になければならない。

一般に焼結鉄中のＰ（リン）は、Ｆｅ−Ｃ−Ｐの共晶を
生成して耐摩耗性の改良に用いられることが多い。しか
し本発明におけるＰは上記と異なり少量の添加で焼結中
に微少な液相を多くの箇所で発生させて焼結材中の空孔
を局部的に消失させ、Ｓにより独立化された空孔の形状
の球状化をもたらす。すなわち、Ｐは連続空孔を独立し
た空孔にする作用を有するＳとの相互作用により、本発
明の目的とする空孔形状適正化に重要な役割をはだすも
のである。このように空孔形状が球状化されることによ
って、焼結合金の剛性が高められる。

これは、ダクタイル鋳鉄における黒鉛球状化のように、
材料中脆弱な部分が球状化せしめられることによって高
強度が得られるためと考えられる。

さらに、Ｐは、液相の凝固によって焼結時の寸法度化を
収縮方向に導くため高密度材を得る事が出来る。しかも
リンはマトリックスに固溶して、マトリックスの強化に
役立つ。Ｐの含有率が０．１％未満では上記空孔の球状
化・高密度化等の効果及び強度増大効果に乏しく一方Ｐ
が０．６％を超過した場合は、焼結中にＦｅ−Ｐ−Ｃの
共晶の液相量が過大となって脆弱化するので好ましくな
い。

リンはフェロアロイ粉として所定の割合で配合し、混合
することによって得られるが、共晶生成をもたらすよう
な偏析をできるだけ少なくして均一な分布を果たす目的
から、１０μ以下のフェロアロイ微粉の使用が望ましい
。

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については、
これらの関係は一義的なものであるが、密度は６．７〜
７．３ｇ／−の範囲内にあることが必要である。密度が
６．７ｇ／ｃａ１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
ｇ／ｃａ！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。一方空孔率は５〜１５％であることが必
要である。空孔率が５％未満のときは摺動面での油たま
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
１５％を超えると、空孔の粗大化による材料の脆弱化及
びガスシールが不十分となる傾向がある。

本発明に係る焼結合金は、少量の合金元素も含有しうる
ちのである。すなわち、上記空孔の球状化は、Ｃｒ、Ｍ
ｏ等の耐摩耗性向上元素を添加した場合でも可能であり
、球状化による効果はＣｒ、Ｍ。

等により損われない。但し、本発明においては、上述の
Ｃ，ＰおよびＳのみによってシリンダ・スリーブ材に要
求される性質を具備する点にもその大きな特色がある。

この点は、焼結合金におけるＣ　ｒ　＋　Ｍ　ｏ　＋　
Ｎ　ｉ等の合金元素が合金を強化して上記要求特性を満
足するように作用するが、空孔の形状および量ならびに
密度も合金元素と同等以上に上記要求特性に影響するた
めであろうと考えられる。

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。

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詳しく説明する。

実施例１ 一１５０メツシュのアトマイズ鉄粉に一３２５メツシュ
の黒鉛粉を１％、１０μ以下のＦｅＰ　（フェロフォス
フオル）粉（２２５％）を１．８％、−２５０メソシユ
の硫黄粉を０．２５％添加し、これにステアリン酸亜鉛
０．８％を添加して混合し、６　ｔｏｎ／ａａの成形圧
で抗張力試験片（ＪＳＰＭ２−６５）、摩耗試験片（寸
法７０ｔｍ　Ｘ　１７ｍ　Ｘ　７　ｍ）　、およびシリ
ンダスリーブ素材（８０ｆｌφ×７４鶴φＸ　Ｌｏｏｍ
）を各々成形し、還元性ガス雰囲気中１１６０℃で３０
分間焼結した。

比較例１ 一１５０メツシュのアトマイズ鉄粉に、−３２５メツシ
ユの黒鉛粉を１％、１０μ以下のＦｅＰ（フェロフォス
フオル）粉（２２５％）を１．８％添加し、これにステ
アリン酸亜鉛を０．８％添加して混合し、６ｔｏｎ／ａ
Ｉ！の成形圧で実施例１と同じ抗張力試験片および摩耗
試験片を各々成形し、還元性ガス雰囲気中１１６０°Ｃ
で３０分焼結し比較材１を得た。

比較例２ 比較例１の添加剤のうちＦｅＰ粉の添加をしなかった他
は比較例１と同じ条件で試験片を製造した。

比較例３ 現在、シリンダ・スリーブ材として一般に使用されてい
る鋳鉄材で、実施例１と同一寸法の抗張力試験片、摩耗
試験片およびシリンダ・スリーブを製造した。

比較例４ 一１００メツシュのアトマイズ鉄粉に一３２５メソシュ
の黒鉛粉を１％、１０μ以下の粒径のＦｅＰ　（フェロ
フォスフオル）粉（２２５％）を１．８％、−２５０メ
ツシュ硫黄粉０．２３％を添加し、これにステアリン酸
亜鉛を０．８％添加して混合し４ｔｏｎ／ｃｆｆｌの低
い成形圧で抗張力試験片摩耗試験片、シリンダ・スリー
ブを各々成形し、還元性ガス雰囲気中１１３０°Ｃで３
０分焼結した。

比較例５ 一２５０メソシュのアトマイズ鉄粉に、−３２５メツシ
ユの黒鉛粉を１％、粒径１０μ以下のＦｅＰ　（フェロ
フォスフオル）粉（２２５％）を１．８％、−２５０メ
ツシユの硫黄粉０．２３％を添加し、これにステアリン
酸亜鉛を０．８％添加して混合し、７　ｔｏｎ／ｃＡの
成形圧で抗張力試験片、摩耗試験片、およびシリンダ・
スリーブ素材を各々成形し、還元性ガス雰囲気中１２０
０℃で３０分焼結した。

上記実施例１および比較例１〜５で得られた材料の緒特
性を第１表に示す。

以下余白 第１表に示したごとく、本発明に係る実施例１で高強度
と高ヤング率が得られている。比較例１は実施例１より
硫黄を除いた場合であるが強度、剛性率とも大巾な低下
が見られる比較例２は、硫黄とともにリンも除いた場合
であるが、強度、剛性率ともさらに低下が見られる。こ
れらのデータから本発明材（実施例１）の高い強度と高
いヤング率とは硫黄とリン添加の相乗効果である事が分
かる。

比較例４は密度が低くかつ空孔率が高いために強度が低
くなっており、また比較例５は密度が高くかつ空孔率が
低いために強度は十分であるが後述の如く耐摩耗性にす
ぐれない。

次に本発明に係る実施例１および比較例１において製造
したシリンダ・スリーブの顕微鏡写真をそれぞれ第１図
Ａ、Ｂおよび第２図Ａ、Ｂに示す。

これより第２図Ａ、Ｂのリンのみ添加材では空孔は連続
しているが本発明に係る実施例１では、空孔が独立して
おり、かつ球状化している。この球状化した空孔が高ヤ
ング率を示す原因であり本発明材の特色である。

次に本発明に係る実施例１および現在一般に使用されて
いる鋳鉄材スリーブである比較例３で得られた摩耗試験
片を用いて往復動摩耗試験機を用いて下記条件で湿式摩
耗試験を行い摩擦係数と摩耗量を求めた。

（ｉ）潤滑：湿式ディーゼルＯｉｌ　（ＳＡＥ　１０″
）（ｉｉ）ストローク：　５　Ｑ＋＋＋ｎ＋Ｘ、２　　
（往復）＜　ｉｉ＋　）荷重、速度、時間：　１０１１
ｇｆ−１０１ｌ、Ｐ、ｍ−６０分（ｉｖ）摩耗量の測定
法 棒状のクロムメッキ材を相手材として供試材（スリーブ
材）に対してによって摺動せしめた後供試材の摩耗痕深
さくミクロン）を求めまた相手材の摩耗痕径（ｍｍ）を
求めた。

測定結果を次表にしめず 以下余白 第２表 第２表から明らかな如く本発明に係る実施例１の材料は
比較例３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。さらに相手Ｃｒメッキの摩耗量も少
なくすぐれた摺動部材であることが認められた。

更に実施例１及び比較例３〜５において得られたシリン
ダ・スリーブを用いて４ストロークガソリンエンジン（
４気筒、１５００ＣＣ、ボアー７４×ストローク８０）
を用いてエンジンテストを実施した。

実験条件は５５００ｒｐｍ　、全負荷で５００ｈｒの耐
久テストであった。第３表に実験結果を示す。

このエンジンテストの結果より、本発明に係る実施例１
の材料は、実エンジンにおけるブローパイが比較例３の
鋳鉄製スリーブの結果と同一水準となっていることが明
らかである。これはリンと硫黄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
改善した結果である。

さらに、実施例１の材料ではスリーブ、リング摩耗共鋳
鉄スリーブ材に比べ大巾に減少した結果となっている。

これは空孔がスリーブ表面に開孔しているために摩擦面
の潤滑状態が改善されているためである。また比較例４
は密度６．４、空孔率１９％と意図的に低密度化した場
合であるが、空孔の粗大化により、ガスシール性が悪く
なり、ブローパイ量が異常に多くなっている。さらに比
較例５は、意図的に焼結時の液相量を多くして、空孔を
つぶした場合であるが、油の保油性がないためにスリー
ブ、リング共スカッフ気味の異常摩耗を起こしていた。

（効　果） 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、さらに加うるに高
強度、高ヤング率を有する材料であるため、エンジンの
軽量化、コンパクト化で要求されるスリーブの薄肉化に
十分耐えうるものである。かような理由により本発明材
は新しいエンジン設計に要求されるスリーブ材の特性を
十分そなえ持った材料である。さらに、上述の特性を発
揮する用途として、ロータリーコンプレッサのヘーン等
が考えられ、これらの用途にも本発明の焼結合金を用い
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は実施例１の焼結合金の顕微鏡
写真（倍率それぞれ１００倍および５００倍）、第２Ａ
図および第２Ｂ図は比較例１の焼結合金の顕微鏡写真（
倍率それぞれ１００倍および５００倍）である。 第１図 Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｅ３第２回 Ａ　　　　　　　　　　　　　　　−Ｂ手続補正書（方
式） 昭和６０年２月／り口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、重量比で０．５〜１．５％のカーボンと０．１〜０
   ．６％のリン及び０．１〜０．５％の硫黄を含有し、残
   部が実質的に鉄からなり内部に多数の球状化した独立空
   孔を有する焼結合金からなるシリンダ・スリーブ材であ
   って、前記焼結合金が６．７〜７．３ｇ／ｃｍ＾３の密
   度および５−１５％の空孔率を有し、剛性率が高いこと
   を特徴とするシリンダ・スリーブ材。