JP3218625B2 - 耐スカッフ・耐摩耗摺動部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、往復動内燃機関等に使
用されるピストンリング等、高度の耐スカッフ性及び耐
摩耗性が要求される慴動部品に関し、さらに詳しくは、
このような要求特性を有する薄肉の慴動部品に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら、ねずみ鋳鉄よりも改善された耐スカッフ性及び耐摩
耗性を有する鋳鉄材料として、パーライト基地中にコン
パクテッド・バーミキュラー（ＣＶ）黒鉛と、Ｃｒ，Ｖ
を含む面積比で３〜15％の複炭化物とが均一に分布した
組織を有するＣＶ黒鉛鋳鉄が知られている（特許第1402
061 号）。

【０００３】このような従来のＣＶ黒鉛鋳鉄において
は、薄肉鋳物としたときに、基地をパーライトとすれば
遊離フェライトが出現しやすく、鋳造性に難点がある。
また、ＣＶ化の管理が難しく、球状化が進みすぎると球
状黒鉛鋳鉄に近くなり、慴動特性の悪化が認められる。
逆にＣＶ化が進まないと、片状黒鉛鋳鉄になり、強度が
不足になるという問題がある。

【０００４】従って、本発明の目的は、上記問題点を克
服し、靱性に優れているとともに耐スカッフ性及び耐摩
耗性にも優れた薄肉のＣＶ黒鉛鋳鉄からなる慴動部品を
提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の慴動部品は10mm
以下の厚さを有し、重量比で、3.2 〜4.0 ％のＣ、1.5
〜2.8 ％のＳｉ、0.3 〜0.7 ％のＭｎ、0.05％以下の
Ｐ、0.015 ％以下のＳ、0.05〜0.5 ％のＣｒ、0.05〜0.
15％のＶ、0.7 〜1.5 ％のＮｉ、0.5 〜3.0 ％のＣｕ、
残部が実質的にＦｅからなり、焼戻しマルテンサイトま
たはベーナイト基地中にコンパクテッド・バーミキュラ
ー黒鉛が析出した組織を有するコンパクテッド・バーミ
キュラー黒鉛鋳鉄からなることを特徴とする。

【０００６】本発明のコンパクテッド・バーミキュラー
黒鉛鋳鉄からなる慴動部品の化学組成について、以下詳
細に説明する。

【０００７】（1)Ｃ：3.2 〜4.0 重量％ 薄肉の場合、Ｃが3.2 重量％未満だと、チルが発生しや
すく、また4.0 重量％を超えると黒鉛の析出量が多くな
りすぎて、靱性が低下する。

【０００８】（2)Ｓｉ：1.5 〜2.8 重量％ 薄肉の場合、Ｓｉが1.5 重量％未満だと、チルが発生し
やすく、また2.8 重量％を超えると黒鉛化を促進する効
果が大きくなりすぎる。

【０００９】（3)Ｍｎ：0.3 〜0.7 重量％ Ｍｎは一般の鉄鋼材料中に不可避的に存在する元素であ
って、基地のパーライトを安定化して遊離フェライトの
生成を抑える作用があり、また硫黄と結合してＭｎＳを
形成し、硫黄の悪影響を中和する。 しかしながら、Ｍ
ｎの含有量が多くなりすぎると、靱性が阻害されるの
で、0.7 重量％以下とする。

【００１０】（4)Ｐ：0.05重量％以下 Ｐは、一般に鋳鉄にあっては組織中にステダイトを晶出
して耐摩耗性を改善する作用を有するが、靱性を害する
ようになるので、本発明にあっては少ないほど望まし
い。したがって、0.05重量％以下とする。

【００１１】（5)Ｓ：0.015 重量％以下 Ｓは、黒鉛形状を片状にする作用を有するので、少ない
ほど望ましく、本発明にあっては0.015 重量％以下とす
る。

【００１２】（6)Ｃｒ：0.05〜0.5 重量％、Ｖ：0.05〜
0.15重量％ Ｃｒ及びＶは、薄肉の場合、炭化物の形成により鋳鉄の
脆化を引き起こすが、少量では基地組織内に固溶して高
温強度を高める。またＣｒは耐銹性及び耐酸化性を向上
し、Ｖは黒鉛組織の微細化に効果がある。したがって、
Ｃｒ及びＶの下限をそれぞれ0.05重量％とする。しか
し、Ｃｒが多すぎると炭化物が発生し脆くなり靱性を害
する。またＶが多すぎると、炭化物が発生して脆くな
り、靱性を害する。したがって、Ｃｒは0.05〜0.5 重量
％とし、Ｖは0.05〜0.15重量％とする。

【００１３】（7)Ｎｉ：0.7 〜1.5 重量％、Ｃｕ：0.5
〜3.0 重量％ Ｎｉ及びＣｕは、いずれも遊離フェライトの生成を抑え
て基地組織をパーライトにするとともに靱性を改善す
る。しかし、薄肉の場合、Ｎｉが0.7 重量％未満、Ｃｕ
が0.5 重量％未満であると、上記効果は不十分である。
一方Ｎｉが1.5 重量％を超えるとチル化が進む。Ｃｕは
耐蝕性を向上させるが、3.0 重量％を超えても上記効果
の増大は顕著でない。

【００１４】基地組織に関しては、遊離フェライトが出
て耐スカッフ性及び耐摩耗性に悪影響を与えないよう
に、焼入れ、焼戻しを行い、焼戻しマルテンサイトまた
はベイナイト基地組織とする必要がある。焼入れは、肉
厚に応じて850〜950 ℃の範囲内の温度で30分〜２時間
保持することにより行う。また焼戻しは、肉厚に応じて
500 〜600 ℃の範囲内の温度で３〜６時間保持すること
により行う。

【００１５】このようにして得られる本発明のコンパク
テッド・バーミキュラー黒鉛鋳鉄からなる慴動部品は、
上記組成を有するために、薄肉としても基地が基本的に
マルテンサイト又はベーナイトからなり、基地中に微細
に分散したＣＶ黒鉛を有するので、良好な機械的強度を
有するとともに、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れてい
る。なお、本発明において、薄肉とは約10mm以下の厚さ
をいう。厚さの下限については、鋳造上の制約により決
まるが、可能な下限は 4.5mm程度までである。これに対
して、従来のＣＶ黒鉛鋳鉄では、10mm以上の肉厚がない
と、マルテンサイトまたはベーナイト基地組織が得られ
ず、球状黒鉛鋳鉄化してしまう。

【００１６】

【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明する。

【００１７】実施例１、比較例１〜３ 表１に示す組成となるように、鋼屑、ＦＬＭＳ銑鉄、Ｃ
Ｖ黒鉛鋳鉄戻り屑、炭素粉、フェロシリコン、フェロマ
ンガン、フェロクロム、フェロバナジウム、電解ニッケ
ル、電気銅を配合し、高周波電気炉で溶解、出湯した。
1530℃で、Ｓｉ60重量％、Ｃａ10重量％、Ｃｅ５重量
％、残部Ｆｅからなる接種剤（「ＣＶアロイ」大阪特殊
合金（株）製）を0.3 重量％接種し、次いでＳｉ50重量
％、残部Ｆｅからなる接種剤（「50Ｓ」矢作製鉄（株）
製）を後期接種した。続いて、接種した溶湯を生砂型に
鋳込んで、上部に押し湯を付した高さ75mm、幅85mm、厚
さ７mmの供試材を得た。そして、900 ℃で1.5 時間加熱
後油冷し、次いで540 ℃で５時間加熱後空冷した。

【００１８】また、比較のために表１に示す組成の従来
のＣＶ黒鉛鋳鉄（比較例１）及びねずみ鋳鉄（比較例
２）について、上記と同じ供試材を作成した。ただし、
比較例１のＣＶ黒鉛鋳鉄の供試材の厚さは、25mmとし
た。

【００１９】このようにして得られた供試材について、
金属組織を調べるために顕微鏡写真を撮った。図１は実
施例１の供試材の金属組織（腐食無し）を示す顕微鏡写
真（×100 ）であり、図２は同じく実施例１の供試材の
金属組織（ナイタール腐食）を示す顕微鏡写真（×400
）であり、図３は比較例１のＣＶ黒鉛鋳鉄の金属組織
（腐食無し）を示す顕微鏡写真（×100 ）であり、図４
は同じく比較例１のＣＶ黒鉛鋳鉄の金属組織（ナイター
ル腐食）を示す顕微鏡写真（×400 ）であり、図５は比
較例２のねずみ鋳鉄の金属組織（腐食無し）を示す顕微
鏡写真（×100 ）であり、図６は同じく比較例２のねず
み鋳鉄の金属組織（ナイタール腐食）を示す顕微鏡写真
（×400 ）である。

【００２０】本発明の薄肉のＣＶ黒鉛鋳鉄からなる慴動
部品の金属組織においては、図１に示すように、図３の
従来の厚肉のＣＶ黒鉛鋳鉄の金属組織と比較して、1/2
〜1/4 の大きさのＣＶ黒鉛として晶出しており、図２に
示すように、耐スカッフ性及び耐摩耗性に影響を及ぼす
遊離フェライトは全く存在しない。

【００２１】次に、これらの供試材について以下のテス
トを行った。

【００２２】（1)機械的強度試験 これらの供試材から機械加工により、それぞれ以下の試
験片を得た。 引張試験片として、ＪＩＳ １４Ｂの試験片 抗折試験片として、５mm×５mm×60mmの試験片 衝撃試験片として、シャルピー試験片（無溝）

【００２３】これらの試験片に対して、引張試験、抗折
試験、衝撃試験及び硬さ試験を行った。結果を表２に示
す。

【００２４】 表１ 化学成分（重量％） 例Ｎｏ． Ｃ Si Mn Ｐ Ｓ 実施例１ 3.78 2.50 0.53 0.049 0.011 比較例１ 3.63 1.53 0.17 0.03 0.007 比較例２ 3.40 2.72 0.70 0.38 0.087

【００２５】 表１（続き） 化学成分（重量％） 例Ｎｏ． Cr Ni Cu Ｖ 実施例１ 0.1 1.06 2.70 0.058 比較例１ 0.39 1.95 1.12 0.12 比較例２ − − 0.75 −

【００２６】 表２ 引張強さ 抗折力 衝撃値 硬さ例Ｎｏ． (kgf/mm² ) (kgf/mm² ) (kgf・m/cm² ) （ＨＲＢ) 実施例１ 65 133 0.77 109 比較例１ 60 130 0.74 105 比較例２ 38 60 0.45 105

【００２７】表２の結果から明らかなように、本発明
の試験片（ＣＶ黒鉛鋳鉄）は、比較例１の試験片（ＣＶ
黒鉛鋳鉄）及び比較例２の試験片（ねずみ鋳鉄）に比較
して、機械的強度が大きく、かつ硬度も高い。

【００２８】（2)スカッフ試験 実施例１の試験片（ＣＶ黒鉛鋳鉄）、及び比較材として
比較例１の試験片（ＣＶ黒鉛鋳鉄）、比較例２の試験片
（ねずみ鋳鉄）及び比較例３の試験片（球状黒鉛鋳鉄Ｆ
ＣＤ７０）に対して、下記装置及び方法で、耐スカッフ
性（耐焼付性）試験を行った。

【００２９】図７は試験装置の要部を示す部分断面図、
図８は図７中のＡ−Ａ矢視図である。ステータホルダ１
に、シリンダ材として使用される鋳鉄材ＦＣ２５製で摺
動面２１がホーニング仕上げされた円板２（直径80mm、
厚さ10mm）が取外し可能に取付けられており、その中央
には裏側から注油孔３を通して潤滑油が注油されるよう
になっている。ここでステータホルダ１には油圧装置
（図示せず）によって、第７図において右方向へ向けて
所定の押圧力（Ｐ）がかかるようにしてある。円板２に
対向するロータ４上に取り付けられた試験片保持具４ａ
には、回転軸と同心状の円周上に等間隔に４個の取り付
け孔が刻設されており、それぞれに試験片５が取りつけ
られる。それぞれ所定の表面処理が施された試験片５の
５mm×５mmの先端面が円板２の摺動面２１に接触し、駆
動装置（図示せず）によって所定速度で回転する。

【００３０】以上の装置を用いて、ステータ側の注油孔
３から一定温度の潤滑油を摺動面に供給しながら試験を
行った。ロータ４を回転させると試験片５と円板２との
間の摩擦によって、ステータホルダ１にトルクＦ（図８
中のＦ）が生ずるが、そのトルクＦをスピンドル６を介
してロードセル７により検知し、押圧力の変化によるト
ルクＦの変化を動歪計８で読み取り、記録計９により記
録した。スカッフ（焼付）が生じるとトルクＦが急激に
上昇するので、その時の押圧力をもって試験片の耐スカ
ッフ性とした。

【００３１】試験条件は次に示す通りであった。 摩擦速度 ： ８m/sec 潤滑油 ： 無添加モータオイル＃30 油温 ： 80℃ 給油量 ： 400 cc/sec 接触面圧 ： 40 kg/cm² で20分間馴み運転後、50kg
/cm ² で３分間、次いで３分毎に10 kg/cm² ずつ増圧し
た。 結果を図１０に示す。

【００３２】図10の結果から明らかなように、本発明の
試験片（ＣＶ黒鉛鋳鉄）は、比較例２の試験片（ねずみ
鋳鉄）及び比較例３の試験片（球状黒鉛鋳鉄）と比較し
て、良好な耐スカッフ性を有する。

【００３３】（3)摩耗試験 試験片として、５mm×５mm×21mmで一方を10Ｒに加工し
たものを用いた。試験装置は、図９に概略的に示すもの
で、円柱状のドラム10の輪部にはヒータ11が入ってお
り、所定の温度に保たれるようになっていて、駆動装置
によって所定の速度で回転する。そのドラム10の側面に
はポンプ（図示せず）によって所定の割合で潤滑油が滴
下され、その部分に試験片12の10Ｒ加工した部分がエア
ーシリンダ13により押し当てられている。

【００３４】このような装置において、ドラム10を180
℃の温度に保っておき、潤滑油を所定の割合で流しなが
ら、試験片を50Kgの圧力でドラム10の側面に当てる。４
時間後試験片の摩耗量を高さ寸法の減少でもって求め、
相手材の摩耗量はドラム10の側面にできた溝の断面積と
して求めた。試験条件は次に示す通りである。

【００３５】温度 ： 180 ℃ 潤滑油 ： 無添加モータオイル＃30 給油条件 ： 0.15cc／sec 摩擦速度 ： 0.5m/sec 接触荷重 ： 50kg 試験時間 ： ４hrs. 試験結果を図１１に示す。

【００３６】図１１の結果から明らかなように、本発明
の試験片（ＣＶ黒鉛鋳鉄）は、比較例１〜３のいずれの
試験片と比較しても優れた耐摩耗性を有するだけでな
く、相手材に与える摩耗も少ない。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の薄肉のコン
パクテッド・バーミキュラー黒鉛鋳鉄からなる慴動部品
は、析出したコンパクテッド・バーミキュラー黒鉛が微
細であるために、機械的強度、靱性、耐スカッフ性、耐
摩耗性等に優れており、ピストンリング等の薄肉慴動部
品として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実施例１の供試材の金属組織（腐食無
し）を示す顕微鏡写真（×100 ）である。

【図２】図２は実施例１の供試材の金属組織（ナイター
ル腐食）を示す顕微鏡写真（×400 ）である。

【図３】図３は比較例１のＣＶ黒鉛鋳鉄の金属組織（腐
食無し）を示す顕微鏡写真（×100 ）である。

【図４】図４は同じく比較例１のＣＶ黒鉛鋳鉄の金属組
織（ナイタール腐食）を示す顕微鏡写真（×400 ）であ
る。

【図５】図５は比較例２のねずみ鋳鉄の金属組織（腐食
無し）を示す顕微鏡写真（×100 ）である。

【図６】図６は同じく比較例２のねずみ鋳鉄の金属組織
（ナイタール腐食）を示す顕微鏡写真（×400 ）であ
る。

【図７】図７は耐スカッフ性試験に使用する試験装置の
部分縦断面図である。

【図８】図８は図７のＡ−Ａ断面図である。

【図９】図９は摩耗試験に使用した試験装置の概要を示
す図である。

【図１０】図１０はスカッフ試験結果を示すグラフであ
る。

【図１１】図１１は摩耗試験の結果を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１・・・ステータホルダ ２・・・相手材円板 ３・・・注油孔 ４・・・ロータ ５・・・試験片 ６・・・スピンドル ７・・・ロードセル ８・・・動歪計 ９・・・記録計 10・・・ドラム 11・・・ヒータ 12・・・試験片 13・・・エアーシリンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−192821（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−215459（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−79937（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−128563（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 37/04 C22C 37/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 10mm以下の厚さを有する慴動部品におい
   て、重量比で、3.2 〜4.0 ％のＣ、1.5 〜2.8 ％のＳ
   ｉ、0.3 〜0.7 ％のＭｎ、0.05％以下のＰ、0.015％以
   下のＳ、0.05〜0.5 ％のＣｒ、0.05〜0.15％のＶ、0.7
   〜1.5 ％のＮｉ、0.5 〜3.0 ％のＣｕ、残部が実質的に
   Ｆｅからなり、焼戻しマルテンサイトまたはベーナイト
   基地中にコンパクテッド・バーミキュラー黒鉛が析出し
   た組織を有するコンパクテッド・バーミキュラー黒鉛鋳
   鉄からなることを特徴とする慴動部品。