JPH02122043A - 耐熱性、耐摩耗性、高靭性Ａｌ−Ｓｉ系合金及びそれを使用したシリンダ−ライナ− - Google Patents

耐熱性、耐摩耗性、高靭性Ａｌ−Ｓｉ系合金及びそれを使用したシリンダ−ライナ−

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JPH02122043A
JPH02122043A JP63273349A JP27334988A JPH02122043A JP H02122043 A JPH02122043 A JP H02122043A JP 63273349 A JP63273349 A JP 63273349A JP 27334988 A JP27334988 A JP 27334988A JP H02122043 A JPH02122043 A JP H02122043A
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哲也 林
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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、耐摩耗性及び耐焼付性に浚れた内燃機関用ア
ルミニウム合金製シリンダーに関するものである。
〔従来の技術〕
自動車用内燃機関や、２輪車用内燃機関のシリンダ材と
しては、従来主として、摺動特性が優れた安価な片状黒
鉛鋳鉄が使用されたシ、また鋳造アルミニウム材料の上
にクロムなどをメツキしたものが使われていた。しかし
ながら、最近では燃料の消費効率の向上を計るために、
各部品の重！＠減対策に大変力を入れてきた。
このような技術動向のなかにおいて、シリンダーライナ
ーのような耐熱性、耐摩耗性を要求されるような材料に
までその波が押し寄せてきた。
例えば、特開昭５２−１０９４１５号公報においては、
アルミニウム合金製シリンダライナーが提案されている
。
またＩｖｆ開昭５９−５９８５５号公報や特開昭５９−
５９８５６号公報においては、特殊な組成を有するアル
ミニウム合金粉末を熱間で押し出すことによって得られ
る種々な用途に使用することができるアルミニウム合金
粉末成形体などが提案されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、従来提案されている組成のものでは、内
燃機関のような耐摩、耐熱性を要求される材料であって
、しかもピストンとのなじみ性等を勘案するとどうして
も何等かの欠点が残夛未だ実用に耐えるようなアルミニ
ウム合金を得るには至っていない。例えば従来公知の材
料と比較すると耐摩耗性はＩｔ　”ｆｆｉ同等であるが
油切れ時の焼付は荷重が不充分であるとか、ピストン材
のアタック性が増大するといった問題があって、これら
がなかなか解決されていないのが実情である。
これらの問題を解決しようとすると製造時にまた別の問
題が生じる。例えば、　Ａｌ−Ｓｉ系合金のみでは耐摩
耗性や潤滑性が劣るので、これを改良するために硬質物
質や潤滑材を添加することが提案されている。しかし、
硬質物質を添加する場合には、後工程の加工が非常に困
難となり、を九潤滑材であるカーボンなどを添加すると
円筒体の内面に縦方向の黒鉛の分散が起こり円周方向の
力に対して強度が低下するという問題点がある。
Ａｌ−Ｂ　ｉ系合金は、Ｂｉ　を添加するため熱膨張係
数がＡｌ　に比較すると小さい合金であう、かつ軽輩で
あるためにシリンダーライナーとして従来より有望な材
料とされて来たが、耐摩耗性をより向上させるためにさ
らに硬質物質として酸化アルミニウムや炭化珪素を添加
すると、シリンダライナー自体の耐摩耗性は向上するけ
れども加工性が非常に悪くなってしまう。
本発明は、この種のＡｌ−Ｓｉ系合金において、耐摩耗
性、潤滑性を改善したＡｌ−Ｓｉ系合金製のシリンダー
ライナーを提供することを目的とする。
さらに本発明は硬質物質や固体潤滑材を含有していてな
お潰れた被加工性を有しかつ靭性の高いシリンダーライ
ナー用ムｔ−Ｂ　ｉ系合金を提供することを目的とする
。
〔課題を解決する丸めの手段〕
本発明者らは上記目的にしたがい鋭意開発研究を継続し
た結果本発明に到達したものである。
すなわち、本発明は、通常のＡｌ−Ｓｉ系合金形成用成
分であるｓｌ　１６〜１８重量％（以下係は特ｄＣされ
ない限り重ｊｉ％によるものとする）、Ｌｅ４〜６％、
Ｏｕ２〜４％、Ｍｇ　　α５〜２％、Ｍｎ［１１〜ａ１
３％、残部実質的にＡｌ　からなり、初晶Ｓ１　の大き
さが１０μｍ以下であるマ）　ＩＪラックス中（Ａ）平
均粒径が１０μｍ以下で最大粒径が３０μｍ以下のシャ
ープエツジのないＡ４０゜粒子３〜５係、およびω）断
面組織で最大粒径が１０μｍ以下の黒鉛粉末［Ｌ５〜３
％が分散している組織を有する、耐熱性、耐摩耗性、高
靭性）、ｔ−Ｓｉ系合金、を提供するものである。
また本発明は上記Ａ／、−Ｓｉ系合金からなり、４嘔１
−以上の内層とアルミニウムを９０％以上含む展伸用Ａ
ｌ合金の外層からなり、内層および外層の接合界面およ
び外周が円周方向に凸凹あるいは脈うちしている内燃機
関用シリンダーライナーに関する。
急冷凝固したＡｌ−Ｓｉ系合金粉末にアルミナや炭化珪
素を添加し、その後これを熱間で押出すことによって円
筒状の長尺体を得、これを所定の長さに切断加工したυ
、押出し時若干の偏心が発生するので内面切削加工し九
りするのであるが、このような硬質物質が存在すると加
工が難かしくなシ、といってその童を減らすと耐摩耗性
が減少してしまう。また硬質物質の量が増大すると押出
し用のダイスの寿命やマンドレルの寿命が著しく低下す
るので好ましくないとされていた。
本発明者らはこの問題を解決するため種々検討した結果
、上記硬質物質、すなわちアルミナ（ム４０．）の粒度
が特に大きな効果を示すことを解明したのである。
第１図はＡ４０．を一定の重ｔ％（すなわち、３％）添
加したときの被加工性に及ばすム４０ｍの粒度の効果に
ついて検討した結果を示す。こ＼でいう被加工性とは前
記の切断加工および内面切削加工についてであるが、第
１図からも明らかなように平均粒径が３０μｍを越える
と急速に材料の被剛性が低下すること、すなわち粒子径
が小さい場合には、Ａ４０１粒子自体がたとえ硬い場合
であっても地金全体としては切削が容易になることを見
出した。シリンダーライナー用に不可欠な前記加工にお
いても、５０μｍ以下の粒径をもつム４０１を使用した
場合には、Ａ４０ｍ粒子が切削工具に直接触媒する頻度
が増加し、結局は工具寿命を短かくしてしまう。そこで
該Ａ４０１粒子に要求される特性のうち別の重要な特性
は該Ａ４０１粒子がシャープなエツジをもたないこと、
いいかえれば可能な限）球状に近いことである。Ａ４０
３粒子が球に近い場合には、地金自体にノツチを形成す
ることなく添加することができるので材料自体の強度は
マトリックスとはソ同等の強度として得ることができる
。因みに破砕したま＼の状態のＡ４０ｍ粒子を添加した
場合に完成したスリーブを２０ｃｍの高さから落下させ
るとそれだけで割れてしまうが、本発明のように真球に
近い粉末を用いる場合には、このような問題は発生しな
い。
一方、Ａｌ−Ｓｉ系会金に添加する固体潤滑材について
検討した。第２図は黒鉛（以下Ｇｒ　　と略記すること
がある）の粒子が圧Ｊ！１強度に及ぼす影響について調
べたものである。黒鉛自体は大変破砕されやすい粉末で
あるためムシ−Ｓｉ系合金の中へ粒径の大きい黒鉛粉末
を入れて、熱間押出しした場合には、黒鉛粉末自体が破
砕し、押し出し方向に線状に分布することになる。一方
このような直線状の黒鉛分布は、一方では、円筒体自体
の強度を著しく損うものである。特に断面組織で１０μ
ｍを越える粒子径を有するような押出し体においては、
第３図に示すような状態の黒鉛の分布を示し、これはと
９もなおさず円筒体の圧環強度を低下させるのである。
これに対して粒子径が１０μｍ以下の大きさの黒鉛粉末
を混合し九場合には圧環強度が小さくならないことが判
明した。このような材料の黒鉛の分布を第４図に示す。
第３図で見られたような縦方向に延びる黒鉛の存在はあ
っても少く、大部分が点状態で分布するようになる。押
出時には、Ａｌ−Ｓｉ系合金が塑性流動を起し、このと
き、黒鉛粒子が大きい場合や凝集黒鉛は、次第に破砕も
しくは分解され、金属の流れに宿って円筒体の長さ方向
に分布するのである。このとき、黒鉛の長さ方向の分布
は、ムシ−Ｓｉ系合金に縦方向の欠陥を導入したことに
なり、円面体の強度を著しく低下させる。
本発明は、このような黒鉛粉末の引き起す欠点について
種々検討した結果、断面組織での平均粒子径が１０μ以
下になると（一般には押出方向に平行に最大長さ２００
μｍ以下、最大中１０μｍ以下の組織となる）急速に圧
環強度が向上するという知見を得た。この理由は多分、
初晶のＳｉ粒子径と、充填する黒鉛粒子径の間に密接な
関係があるためと考えられる。Ａｌ−Ｓｉ系合金の塑性
流動は、初晶Ｓｉの大きさによって流れの束の大きさが
決定されるので、一定値以下の大きさの粒子径を持つ黒
鉛には、はとんどその破壊または破砕が起らないものと
思われる。
本発明の合金においては、ムｔ、０８粒子は３〜５％ま
た黒鉛粉末は［ｌＬ５〜３％含有させる。その理由はこ
れらの範囲外では所望の性質、すなわち耐摩耗性、被加
工性、靭性などが不充分となシ、特にシリンダーライナ
ーとしての性能、すなわち耐摩耗性、耐焼付性が満足さ
れない。
黒鉛の役割は必ずしも明らかではないが、おそらく初期
はピストンとの間の固体潤滑材として作用し、その後長
時間使用すると次第に黒鉛が脱落してそこが液体潤滑材
等の溜りとして働くものと考えられる。
このように黒鉛を添加すると、当然のことながらＡｌ−
Ｓｉ系合金との混合や成形に問題がでてくる。なかでも
成形が問題で、この成形性はこれらの物質の添加量が増
加すると共に悪くなる。
これを解決するためには、成形圧力を５トン／１−ｒｎ
！以上の圧力とするが、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末の粒子径
を大きくするか、または該合金を焼鈍するなどの方法を
適用する。
このようにして得られた混合粉末成形体を軟質の例えば
肉厚８−程度のＡｌ合金テユーフ（Ａｌ　９６％）に挿
入し、これを熱間押出することによって２重構造のアル
ミニウム会金裂シリンダーライナーを得ることができる
。このようにして得られたシリンダーライナーの特性を
比較したものを第５図および第６図に示す。第５図は境
界潤滑条件下における摩耗量を比較しく相手材はハード
Ｏｒ　　条件はモータリング）第６図はオイル切れ条件
下での焼付荷重を比較したものである（相手材はピスト
ン材、条件はチップオンデスク型摩擦試験機）。
〈実施例１〉 エアアトマイズ法で噴霧し、−６０ｍｅｓｈ　　のＡｌ
−１７，２Ｓｉ　−５，１Ｆｌｅ　−Ａ３０ｕ　−ｔＩ
　Ｍｇ−１４Ｍｎ合金粉を用意した。
これに球状ム４０１粒子の最大粒径及び添加量を変えて
Ｖ型ミキサーにて混合した。この際Ｇｒ扮（５μｍ）を
１％添加した混合粉もつくった。
各混合粉をホットプレスによυφ８０■の素材とし、切
削性の評価を行つ九。切削条件は切削速度１００　ＰＰ
Ｉ／　Ｊｎｉｎ　ｓ送りα１　！　／　ｒｅｖ　、切込
みＱ、２ＩＩＩ１０工具は超硬合金。１０分間切削後の
ＶＢ　　摩耗評価をした。結果ｔｆｉ表−１、表−２に
示す。
表Ｉ　　ＶＢ李耗　　　　聚２　ｖＢ摩耗平均粒径が３
０μｍを超えると著しくｖＢ　摩耗量が大きくなる。Ｇ
ｒ　　を添加するとｖＥ　＊耗ｔは小さくなる。添加盆
ｒｉ５％以下がよい。切削性から考えてＡ４０ｍ粒子径
は３０μｍ以下が望しく、Ｏｒ　　を添加することで切
削性は改善される。Ａ４０．添加ｊｔｒｉ、粒径３ｏμ
ｍ以下の場合は最大５％程度迄切削性はよい。
〈実施列２〉 エアアトマイズ粉（ＡＬ−１＆５Ｓｉ−４．８Ｆｅ−五
１Ｃｕ−１，３Ｍｇ−α６Ｍｎ合金粉）　−１００ｍｅ
ａｈ　　を用意した。
こＡＫＡｌｔＯ，粒子（平均粒径、球状、３　ｐｍ　）
を３％及び黒鉛粉末の添加量と粒径を変えて回転選型ミ
キサーで混合し、φ１６５Ｘ３００Ｌ（ｖｍ　）のビレ
ットを成形した。こｎを肉厚φ１７０−φ１８０　Ｘ　
５００　Ｌ　（ｓａｗ　）　（Ｄ　５０５２材（ムＬ−
２，５Ｍｇ−α１０ｕ−０．ＩＭｎ−α４Ｆｅ−α２Ｏ
ｒ　）のパイプ内に挿入し複合ビレットとした。
また一部Ａ４，０．粒子に粉砕粉を用いた。これを熱間
間接複動押出でφ６５−φ５０ｍの同筒押出材に成形し
圧積テストを行った。結果を表−３に示す。
表−３ ○：　　６０　Ｉｃｙ／　１１ｍ”以上Δ　：　４０〜
６０’に９／ｍ” ×：　４０ゆ７１ｍ１以下 これよりＧｒ　粒径が１０μｍ　を越えると圧環強度が
著しく劣化することがわかる。又５％を越えて添加する
と５μｍ０Ｇｒ粉では強度劣化する。外周にシースがあ
ると圧環強度が高くなる。
Ａ４０．粉砕粉を用いると強度が低い。
圧環強度の観点よりＯｒ　粉は添加量３％以下、粒径１
０μｍ以下が良くシース付であることが望しく　Ａ４，
０．粉末は球状がよいことがわかる。
〈実施列３〉 Ｍｎ　＋　５％”　４０ｎ　＋　１％Ｇｒｆｉ合粉を用
意した。これ（３μｍ）（５μｍ） を実施列２の方法で固化した。これをＡＤＯ１２（ＡＡ
−１２Ｓｉ−５０ｕ−（１３Ｍｇ−（１５μｍ−１，３
Ｐｅ　）　　で鋳込みその前後の硬さ変化をみた。また
圧環強度評価も行った。結果を表−４に示す。
表−４硬さＨ，Ｅ及び圧環強度 Ｆｅ　　添加ｆｉ４％以下では硬度低く劣化も大きい。
またＰｅ　添加Ｎ６％以上では靭性が劣ってくる。した
がって％　　ｌＰｅ　ｔは４〜６優がよい。
〈実施列４〉 ＡＬ−１７，２Ｓｉ−ａＩ　Ｆｅ−Ａ３０ｕ−１，ｌＭ
ｇ−［１４μｍ　　合金粉にムＬ、Ｏ，（５μｍ　’）
、ｑｒ　（５ｐｍ　）　　を混合し成形圧、粉末粒度、
粉末軟化処理の効果をみた。結果はφ６０　Ｘ　１００
　Ｌ　（ｖａｎ　）成形体を２０ｃｌＲ高さより落下し
たときのものを示す： 表−５ ○：割れない ×：割れる これより、成形性は成形圧が高く、粒末硬度は低く、粒
度が粗い方がよいことがわかる。
〈実施レリや Ａｌ−１８Ｓｉ−４Ｆｅ−Ｌ８０ｕ−１ｎＭｇ−ＣＬ４
Ｍｎ　　合金粉（−１００ｍｅｓｈ　）　　を用いて実
施列２と同様な鏡台ビレットを作製した。これを間接単
動押出で第７図（ａ）　、（ｂ）に示される形状に押出
加工し次。
夫々について第８図に模式的に示さｎるようなせん断テ
ストに付しく５００℃×３０分←→水冷１に３０サイク
ル）内層の抜き荷重を評価したところ、第７図（ａ）の
ものは７トン、（ｂ）のものは２８トンであつ比。５４
４７図（ｂ）の試＃＋は接合界面が脈打ちしているため
円周方向の回転も抑えられる。
〈実施列６〉 実施列２におけるＯｒ径５μｍの試料を由いた押出材の
シースレス材とシース付材と’ｊ５ＡＤｃ１２に鋳込ん
だ。シースレス材では溶湯と接した外周にブリスターが
発生したが、シース付材では良好であった。
〔発明の効果〕
本発明によると、切断加工とか切削加工のような加工性
を良好に保持しながら耐摩耗性に唆れ、靭性、耐焼付性
などの向上したＡ、ａ−Ｓｉ系合金が得られる。この特
性を利用してシリンダーライナーに用いると有効である
。
【図面の簡単な説明】
第１図はアルミナ粒子を一定の直１％添加したときの被
加工性を及ぼすアルミナの粒度の効果を示すグラフ、第
２図は黒鉛粉末の粒子径が圧積強度に及ぼす影響を示す
グラフ、第３図は黒鉛粒子径が１０μｍを越える場合の
押出体における黒鉛粒子の分布状態を示す模式図、第４
図は黒鉛粒子径が５μｍ以下の黒鉛粉末を用いた場合の
分布状態を示す模式図、第５図は境界潤滑条件下におけ
る摩耗量を比較するためのグラフ、第６図はオイル切れ
条件下での焼付荷重を比較するためのグラフ、第７図（
ａ）％　（ｂ）は本発明の実施態様の複合ビレットを示
す概略横断面図、第８図はせん断テストを行なう際の、
概念図を示す。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）　Ａｌ−Ｓｉ系合金形成用成分からなり初晶Ｓｉ
    の大きさが１０μｍ以下であるマトリツクス中に、（Ａ
    ）最大粒径が３０μｍ以下で平均粒径１０μｍ以下のシ
    ヤープエツジのないアルミナ粒子３〜５重量％および（
    Ｂ）断面組織で最大粒径が１０μｍ以下の黒鉛粉末０．
    ５〜３重量％が分散している組織を有する耐熱性、耐摩
    耗性、高靭性Ａｌ−Ｓｉ系合金。
  2. （２）　Ａｌ−Ｓｉ系合金形成用成分が、 Ｓｉ：１６〜１８重量％ Ｆｅ：４〜６重量％ Ｃｕ：２〜４重量％ Ｍｇ：０．５〜２重量％ Ｍｎ：０．２〜０．８重量％ である特許請求の範囲第１項に記載のＡｌ−Ｓｉ系合金
    。
  3. （３）　Ａｌ−Ｓｉ系合金形成用成分からなり初晶Ｓｉ
    の大きさが１０μｍ以下であるマトリツクス中に、（Ａ
    ）最大粒径が３０μｍ以下で平均粒径１０μｍ以下のシ
    ヤープエツジのないアルミナ粒子３〜５重量％および（
    Ｂ）断面組織で最大粒径が１０μｍ以下の黒鉛粉末０．
    ５〜３重量％が分散している組織を有する耐熱性、耐摩
    耗性、高靭性Ａｌ−Ｓｉ系合金からなる厚１ｍｍ以上の
    内層とアルミニウム９０重量％以上からなる展伸用アル
    ミニウム合金の外層からなり、該内層および外層の接合
    界面および外周が円周方向に凸凹あるいは脈うちしてい
    ることを特徴とする内燃機関用アルミニウム合金製複層
    シリンダーライナー。
JP63273349A 1988-10-31 1988-10-31 耐熱性、耐摩耗性、高靭性Ａｌ−Ｓｉ系合金及びそれを使用したシリンダ−ライナ− Expired - Fee Related JPH0621309B2 (ja)

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