JP2893658B2

JP2893658B2 - 焼結Ａ▲ｌ▼合金製摺動部材

Info

Publication number: JP2893658B2
Application number: JP63078251A
Authority: JP
Inventors: 栄太郎小屋; 好敏萩原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-04-01
Filing date: 1988-04-01
Publication date: 1999-05-24
Anticipated expiration: 2014-05-24
Also published as: JPH01255641A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は耐熱性，耐摩耗性の良好なる焼結Al合金製摺
動部材に関するものである。

従来技術内燃機関のシリンダブロックは機関本体の基礎となる
部分であり、その寿命は内燃機関全体の寿命を左右す
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、近年では車体重
量の軽減化を計るとともに熱伝導性を向上させるために
Al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Al合金で形成されたものがある（例、特開昭61
−14451号公報）がある。

考案が解決しようとする課題ところが、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Al合金の熱膨張係数が鋳鉄のそれに比して約２倍で
あるため、温度上昇したときに鋳鉄性スリーブとこれを
包囲するAl合金製シリンダブロック本体との間に間隙が
生じる傾向となる。

第二の形式である全Al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
アルジルと呼称される高Si含有Al合金製鋳造スリーブを
用いているが、次の欠点を有している。初晶Siの粒径
が大きく（30〜100μｍ）、鋳造後の機械加工性が悪
い。Si粒子相互の間隔が大きく、硬質粒子であるSi粒
子を耐摩耗性の要求されるシリンダ内壁面に露出させる
ためにエッチング処理を行う必要がある。Si粒子の硬
度はさほど大きくはなく（Hv1200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、一般的なAl合金製スリーブにおいては、前
記項目と関連し、シリンダ内壁面に硬質Crメッキ、Si
分散Niメッ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Al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景の下に創案されたものであ
り、その目的は、摺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Al合金製摺動部材を提供すること
である。

課題を解決するための手段および作用この目的は、組織中に含まれる初晶Siの粒径が20μｍ
以下であって、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Al₂O₃１〜５重量％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、所定温度での焼結または熱間加工によって得た
焼結Al合金製摺動部材を提供することによって達成され
る。

アルジルの如き多量のSiを含有するAl合金で形成され
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Si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Si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Al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せる
ために平均粒径１〜10μｍの球状粒子からなるAl₂O₃粉
末の添加量は原料Al合金粉末に対して１〜５重量％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、５重量％を越えると相手摺動部材に対する
影響が大きく、添加量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Al₂O₃粒子を用
いるのは、その硬度がHv2500にも達するAl₂O₃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、１μｍ未満では原料Al₂O₃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
焼結品の機械加工性が悪化し、Al合金アトリックスから
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、原料Al合金粉末中にAl₂O₃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、添加量が
多くなると、 Al₂O₃粉末の配合量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
量の上限を５重量％とすべきである。

原料Al合金粉末の組成および初晶Si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は焼結品の耐摩
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、Si含有量が11重
量％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造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粒子の粒径を20μｍ以下にするのは、粒
径20μｍを越えると焼結品の機械加工性が悪くなり、し
かも初晶Siの硬度はHV1200程度であってさほど大きくは
ないため、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粒子が
自身及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。本発明においては、組織中にこれらの初晶Siを
形成したAl合金粉末に混合されるAl₂O₃粒子の寸法及び
形状を前述のとおり平均粒径１〜10μｍ及び球状粒子と
することにより、そのHV2500という高い硬度による集中
負荷に対する耐摩耗性向上及び相手攻撃性を少なくして
その摺動部材の損耗を緩和する作用を両立せしめ、上記
初晶Siによる耐摩耗性向上と併せて優れた作用・効果を
発揮するものである。

そして、これらの作用・効果は、Al₂O₃粒子と共に必
須添加成分とされる黒鉛粉末による自己潤滑性と相俟っ
て、従来の硬質クロムめっきによる表面処理によっては
達成できない耐摩耗性を付与するものである。20μｍ以
下の粒径は、溶融Al合金を細孔から流出させ、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10²〜10⁶℃／秒に
して得ることができる。このような大きな冷却速度は溶
解法によって摺動部材を形成する場合には得ることがで
きない。

（２）Cu（0.8〜５重量％）…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重量％未満で
は添加効果がなく、５重量％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）Mgについて（0.3〜3.5重量％）…MgはCu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重量％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％）…Feを添加しない場
合のAl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
Feを添加したAl合金では斯かる硬度低下が見られない。
Feの添加量は２〜10重量％にするのが好ましく、２重量
％未満では焼結品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。

実施例第２図は自動二輪車用水冷エンジン１を要部欠截側面
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・カム軸式動弁機構を採用しており、クランク軸５
と連結されたピストン４（例、JIS AC8A材製）がシリン
ダ２内に嵌装されている。その外周面にFeメッキ処理が
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、Al合金（例、JIS ADC12材）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Al合金製摺動
部材である。

焼結品であるスリーブ３の製造は以下のようにして行
われる。

原料Al合金粉末の製造…規定組成のAl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…Al合金粉末に平均粒径１〜10μｍ、の球
状粒子からなるAl₂O₃粉末１〜５重量％、および黒鉛粉
末0.5〜５重量％を加えて均一に混合する。

圧粉成形…得られた混合粉末を冷間静水圧プレス成形
法（CIP法）により圧力4,000Kgf/cm²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Al合金（展延性の
良いAl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450℃で
１時間加熱して脱ガスを行う。コンテナ11,該コンテナ1
1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とこれを覆う鞘材
10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する。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メッキ等の表面処理を
施さずとも優れた耐久性を発揮する。また、スリーブ３
は温度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。

Al₂O₃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は自己潤滑性を有す
るため、ピストンとの摺接関係において焼付きが生じ難
く、強度アルジ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Fe等のメッキ処理を省略するこ
とができ、その分だけピストン製造経費が削減される。

Al合金粉末を圧粉成形して得た圧粉成形体は、Al₂O₃
粉末および黒鉛粉末を含むが故に脆く、運搬時あるいは
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の破損を防ぎ
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
性を考慮した原料粉末の選択（Al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）を鋳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10
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）、Al合金マ
トリックス結晶組織の粗大化、Al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。

スリーズ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、製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積層管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に機械
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、抜け止め防止
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。

発明の効果以上の説明から明らかなように、本発明の焼結Al合金
製摺動部材は、母材であるAl合金粉末の組織中に含まれ
る初晶Siの粒径が20μｍ以下と小さく、母材中で微細に
分散してそれ自身優れた耐摩耗性、耐熱性を有している
うえに、これと混合されるAl₂O₃粒子の寸法、形状を平
均粒径１〜10μｍの球状粒子とすることにより、母材中
に分散した高硬度のAl₂O₃粒子が比較的硬度の低い（HV1
200）初晶Siを含む母材に対して摺動部材間で相手摺動
部材に対する攻撃性を緩和しつつその高い硬度（HV250
0）により大きな集中負荷に耐える耐摩耗性を付与する
ため、摺動部材表面に硬質Crめっき等の表面処理を施さ
ずとも常温から高温に亘る温度範囲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
の摺動部材は硬質Crめっき等の表面処理を施した摺動部
材によっては得られない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Al
₂O₃粒子による耐摩耗効果と相俟って、自身及び相手摺
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（アルジル系合金）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
なる鞘筒内に嵌入して得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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−247546（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−153255（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−10237（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】組織中に含まれる初晶Siの粒径が20μｍ以
下であって、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Al₂O₃１〜５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、所定温度での焼結または熱間加工によって得
た焼結Al合金製摺動部材。