JPH0151538B2 - - Google Patents

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くしていく傾
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つた。この
要求に応する為に高い剛性を有する鋼材に高価な
クロムメツ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、0.01〜0.5％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
かゝ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るなると
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の作用によつ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
価なクロムメツ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・スリーブには適し
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つた。 （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
れによつ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つて、
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、0.1〜0.5％Ｓ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であつて、6.7〜7.3
ｇ／cm³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）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・マトリツクスを形成す
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エライトの残留が多
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ツプ・ブレーカーとし
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た
すものである。このように空孔形状が球状化され
ることによつて、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
とによつて高強度が得られるためと考えられる。 さらに、Ｐは、液相の凝固によつて焼結時の寸
法変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ツクスに固溶して、
マトリツ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
相量が過大となつて脆弱化するので好ましくな
い。 リンはフエロアロイ粉として所定の割合で配合
し、混合することによつて得られるが、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以下のフエロア
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／cm³の範囲内にあること
が必要である。密度が6.7ｇ／cm³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
主として空孔の祖大化によつてガスシールが不十
分となる傾向があり、密度が7.3ｇ／cm³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
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
有しうるものである。すなわち、上記空孔の球状
化は、Cr、Mo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、
Mo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のみによつてシリン
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Cr、Mo、Ni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
つて加圧成形し、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 −150メツシユ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（フエロフオス
フオル）粉（P25％）を1.8％、−250メツシユの硫
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、6ton／cm²の成形圧で抗
張力試験片（JSPM2−65）、摩耗試験片（寸法70
mm×17mm×７mm）およびシリンダスリーブ素材
（80mmφ×74mmφ×100mm）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 −150メツシユ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（フエロフオ
スフオル）粉（P25％）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／
cm²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℃で30分間焼結し比較材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
つた他は比較例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 −100メツシユのアトマイズ鉄粉に−325メツシ
ユの黒鉛粉を１％、10μ以下の粒径のFeP（フエロ
フオスフオル）粉（P25％）を1.8％、−250メツシ
ユ硫黄粉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／cm²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℃で30分
間焼結した。 比較例 ５ −250メツシユ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（フエロフ
オスフオル）粉（P25％）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、7ton／cm²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
1200℃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
料の諸特性を第１表に示す。

【表】

【表】 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
強度が低くなつており、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耗係数と摩
耗量を求めた。 (i) 潤滑：湿式デイーゼルOil（SAE10＃） (ii) ストローク：50mm×２（往復） (iii) 荷重、速度、時間：10Kgｆ−600C.P.m−60
分 (iv) 摩耗量の測定法 棒状のクロムメツキ材を相手材として供試材
（スリーブ材）に対してによつて摺動せしめた後
供試材の摩耗痕深さ（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す。

【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の材料に対して摩耗係数も小さ
く又摩耗量も少ないことがわかる。さらに相手
Crメツ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、1500c.c.、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
トであつた。第３表に実験結果を示す。

【表】 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バ
イが比較例３の鋳鉄製スリーブの結果と同一水準
となつていることが明らかである。これはリンと
硫黄の添加によつ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
となつている。これは空孔がスリーブ表面に開孔
しているために摩耗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
ーバイ量が異常に多くなつている。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、リング共スカツ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
特性を十分そなえもつた材料である。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
プレツサのベーン等が考えられ、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
の金属組織顕微鏡写真（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
焼結合金の金属組織顕微鏡写真（倍率それぞれ
100倍および500倍）である。

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
   材であつて、前記焼結合金が6.7〜7.3ｇ／cm³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。