JPS58104154A - 球晶状の析出グラフアイトを有する耐磨耗性合金鋳鉄及びその製造方法 - Google Patents

球晶状の析出グラフアイトを有する耐磨耗性合金鋳鉄及びその製造方法

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JPS58104154A
JPS58104154A JP57208746A JP20874682A JPS58104154A JP S58104154 A JPS58104154 A JP S58104154A JP 57208746 A JP57208746 A JP 57208746A JP 20874682 A JP20874682 A JP 20874682A JP S58104154 A JPS58104154 A JP S58104154A
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JP
Japan
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cast iron
graphite
piston rings
alloy
wear
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JP57208746A
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English (en)
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ハンス・ヨツヘム・ノイホイザ
ハンス−ユルゲン・フオイトゲン
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Goetzewerke Friedrich Goetze AG
Original Assignee
Goetzewerke Friedrich Goetze AG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium
    • C22C37/08—Cast-iron alloys containing chromium with nickel

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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

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】 本発明は、内燃機関のピストンリング、中でも半径方向
及び／又は軸方向の壁厚さの薄い小型ピストンリングそ
の他の、磨耗にさらされる機械部材を製作するのに用い
る、球晶状の析出グラファイトを有する高強度の耐磨耗
性合金鋳鉄及び寸の製造方法に関する。
内燃機関のピストンリングのような機械的に高い動作条
件にさらされる機械部材を製造するための合金鋳鉄は、
良好な滑り特性及び磨耗特性並びに良好な弾性的挙動の
他になお高い強度特性をも追加的に有しているような特
種な合金である。多くは僅かに１−２ｆｉの薄い軸方向
の肉厚に基いて、中でも例えば６０ｍまでのような小さ
な直径を有する小型ピストンリングは低い絶対強度を有
し、従ってこれらはたとえそれらがより大きな直径のピ
ストンリングに通常用いられる合金鋳鉄から製造されて
いたとしてもしばしばピストンリングの裂断に達する。
従ってこのような小型ピストンリングに対しては高い強
度値を有する特別な合金鋳鉄を使用しなければならない
。
Ｃ，Ｅｎｇｌｉｓｃｈ　　によれば〔″Ｋｏｌｂｅｎｒ
ｉｎｇｅ″第１巻、２０４頁及び２４５頁（１９５８）
−ウィーンのＳｐｒｉｎｇｅｒ　Ｖｅｒｌａｇｅ　から
出版−参照〕このような合金鋳鉄はほとんどの場合いず
れも１．０％までのクロム、モリブデン、ノ々ナジウム
および銅を有している。それらのピストンリングはレデ
ブライト的に白鋳鉄状に凝固するように鋳造され、所望
のグラファイトの析出及び望ましい組織は引続いての焼
きなまし、焼入れ、及び焼きもどしく　Ｖｅｒｇｕｔｅ
ｎ）によって得られる。
グラファイト化焼きなましに際して得られた焼なまし炭
素はこの場合に球晶状の形で析出し、そしてそれに基い
でそのピストンリングの強度が本質的に上昇する。しか
しながらこのグラファイトの析出に基いて明らかなよう
にこのような合金から作られたピストンリングの滑り特
性及び磨耗特性は充分ではなく、従ってそのピストンリ
ングの滑り面には磨耗防止層を設ける必要がある。
ドイツ特許出願公告第１．１．７２．０４９号によれば
、このような合金鋳鉄が追加的に４．５ないし５．０重
量％を銅を加えて合金化される。銅はこのような含有量
においてはより密なグラファイトの析出をもたらす役目
をする内包物（ＥｉｎｓｃｈＪｕＪＳ　）の形で存在す
る。。従ってこのような合金から鋳造したビストジ・リ
ングは磨耗防止１ 層がなくても使用することができる。しかしながらこの
ような特殊合金はジーぜルエンジンの大型ピストンリン
グ用としての゛み適しており、そして小型ピストンリン
グに対する強度特性は充分ではない。
ドイツ特許出願公開筒２．４２８．８２２号によれば特
別な処理方法で得られた通常の球状析出グラファイトを
有するピストンリング用合金鋳鉄が公知であり、これは
合金成分として１５ないし４．５％の珪素、３％までの
マンガン、３．５％までのバナジウム、及び２．５％ま
でのモリブデンに加えてなお２．５％までのタングステ
ン、１％までのチタン、２％までの銅、１％までのニッ
ケル又はコノモルト、及び２．５％までのニオブ及び／
又はタンタルを含有することができるものである。この
合金は中でもその合金成分の組成に基いて、その比較的
密に存在する球状グラファイトが充分に耐磨耗的にその
強度に影響を及ぼすことが実証されているけれども、し
かしながらそれはと１′・ρ合金が中でも軸方向高さの
１ 低い小型ピストンリングを製造するにはその裂断安定性
が不充分であるという程度に不満足なものである。従っ
て本発明の課題は良好な耐磨耗性のみならず良好な弾性
及び高い強度をも有するような合金鋳鉄を作り出し、そ
れによりこ−れが激しい作動条件にさらされるような機
械部材に対しても使用することができるようにすること
である。この合金鋳鉄は中でもその滑動面や側面に特別
な磨耗防止手段を設けなくても破断を生じない小型ピス
トンリングの製造に用いることができるものでなければ
ならない。
この課題は本発明によって、焼なまし工程による析出グ
ラファイトがレデブライトの分解によって極端に微細な
形で高い単位断面積当り原品数（研磨断面顕微鏡写真試
料において１ｃｒｌｔ当り約３０００００ないし９００
０００個の球状品）を示すように形成されている合金鋳
鉄によって解決される。
この合金は下記の組成を有する。すなわち炭素　　　　
　　１．５ないし３．　Ｑ％けい素　　　　　３．０　
　／／　　６．０％マンガン　　　　０．１　１１　２
．０％燐　　　　　　　　　　０．０　５　／／　　　
０．５％硫黄　　　　　　最高０．１５％まで クロム　　　　　０．１ないし１．０％ノ々ナジウム　
　　０／／３．５％ モリブデン　　　０．１　１１　２．５％ニッケル及び
／又は コバルト　　　　０．１　　／／　　２．５％銅　　　
　　　　　　　０．１　　　／／　　　３．５％タング
ステン　　０．１　　／／　　２．５％チタン、ニオブ
、及び／又は タンタル　　　　０．１ないし１．０％マグネシウム　
　最高０．１５％まで 窒素　　　　　　最高０．１５％まで、及び残分の鉄並
びに不可避的不純物。
耐磨耗性を高めるためにこの合金鋳鉄は更に１．５％ま
でのアルミニウム及び／又はｌ、０％までの錫及び／又
はアンチモン、並びに場合により、はう素、ジルコン、
及び／又はビスマスの元素を０．５％までの量で含有す
ることができる。
その製造に際しては球状グラファイト形成に通常的に用
いられる方法を故−意に省略して単にその溶融鋳鉄に、
０．５ないし２．０％のマグネシウムが含まれている市
販のフェロシリコンを添加する。場合によってはこのマ
グネシウムは全部、又は部分的に例えばセリウム、イツ
トリウム、ランタン、ネオジム、及び／又はプラセオジ
ムのような稀土類金属で置き換えられている。
僅かに０．１ないし１．０％の量でこれらの添加材を添
加し、それによってその合金鋳鉄がレデブライト的に白
鋳鉄状に凝固するようにする。次いで好ましくは１５分
間９５０℃以上の温度でグラファイト死焼なましを行い
、所望の硬度を得るために焼入れ硬化を７０．０℃以上
の温度で、そして焼戻しを３００℃以上の温度で行う。
このようにした場合にその合金組織は研磨断面顕微鏡写
真において高いマルテンサイトの割合を有する熱処理組
織（Ｖｅｒｇｔｌｔｕｎｇｓｇｅｆ（Ｉｇｅ）として現
われる。そのグラファイトは微粒状でか□　町。
つ球状品の形であり、そし□てその球状品の単位断面積
当りの数は１２当り３０００００個と９０００００個と
の間である。マグネシウム含有量の低い上記フェロシリ
コンを添加した場合にはその凝固に際してすでに非常に
微細な球状品のグラファイトが形成されてしまっている
ようであるが、但しこれは目でみることができず、従っ
てその鋳鉄は白鋳鉄状に凝固するようである。その焼な
まし工程に際してこれらの微細な析出相は極端に多い数
で形成される球状品のための析出核の役目をなす。従っ
て単位断面積当りの球品数は通常の球晶状グラファイト
の合金鋳鉄の場合よりも５ないし１０倍も多い。その隣
相は網状に互いにつながり合っているのではなく、その
母組織中に点状に分布されている。
本発明に従う合金から、約６０１１１の外直径を有し、
半径方向の肉厚が５０ｍで軸方向のリング高さが１．５
　ｍであるような小型ピストンリングを鋳造し、熱的に
処理し、そして実用に供す：：。
ることのできる：、ピストンリングに加工した。こｉｌ
。
れらのピストンリングはその滑動面に耐磨耗性の被覆層
を設けることなくエン・ジンの試験運転に供せられた。
これらは良好な耐磨耗性のみならず良好な強度をも示し
、そしてこの試験運転の後でピストンリングの破断や磨
耗に基く障害によって廃棄されたピストンリングはなか
った。
従って本発明によれば高い耐磨耗性のみならず高い破断
安定性をも有する合金鋳鉄が作り出された。この合金に
おいてはそのグラファイトが極端に微細粒状で存在して
いるのであるが、その各合金元素の秤量された組成がそ
の良好な滑り特性及び運転特性をもたらす。その球状品
の極めて微細な分布がまたその材料の強度特性及び延び
特性を改善する。
本発明に従う合金は薄い半径方向の肉厚を有する小型ピ
ストンリングの製造に好ましく使用されるものであるけ
れども、゛これはまた同じような作動条件にさらされる
、及び／又は同じような寸法の種々の機械部材に対して
も同様に使用することができる。これらの機械部材とし
ては例えばロータリエンジン用シール部材あるいは極め
て肉厚の薄い又は極端に苛烈な条件にさらされる中型ピ
ストンリング及び大型ピストンリング用のシール部材等
を挙げることができる。
以下に本発明を添付の図面を参照のもとに実施例によっ
て更に詳細に説明する。
マグネシウム含有フェロシリコン（ケい素４７％、カル
シウム５．９％、マグネシウム１．１％。
アルミニウム０．６％、及び残分の鉄よりなる）の０．
６％を添加した後で下記の組成、すなわち炭素　　　　
　　２．６８％ ・けい素　　　　　４．４８％ マンガン　　　　１．０２％ 燐　　　　　　　　　　０．３１％ 硫黄　　　　　　０．０４１％ クロム　　　　　０．４７％ ノ々ナジウム　　　０．２５％ モリブデン　　　０．４７％ ニッケル　　　　０．３０％ 銅　　　　　　　　　　０．４１％ チタン　　　　　０．１７％ ニオブ　　　　　０．１１％ 窒素　　　　　　０．００６％、　及び残分の鉄並びに
不可避的不純物 を示すような合金鋳鉄から出発する。
この溶融鋳鉄から外直径５５．６　ｍｖｉ、半径方向肉
厚４８．６ｍ、軸方向のリング高さ５．２　ｍ＋の各寸
法を有する３５個の小型ピストンリング半製品をレデブ
ライト的な白鋳鉄状の凝固のもとに鋳造した。次にこれ
らのリングを１５０℃において１５分間以上焼なましし
、１０２０℃から焼入れし、そして４５０℃において焼
戻しした。
その研磨断面の顕微鏡写真１は１００倍の倍率でその析
出グラファイトを示すが、これは断面積１−当り約６０
００００個の球晶状の極めて微細な球状品として存在し
ている。研磨断面顕微鏡写真２はマルテンサイトの割合
が主要部を占めるような熱処理組織を示す。これらのリ
ングの硬度は１０９ないし１１５　ＨＲＢである。
次にこれらのリングを５♀Ｘ　４８　Ｘ　１．５　ｍの
仕上げ寸法に切削により加工した。各平均値は、弾性率
：　　　　　１８５，２０ＯＮ／ｍｄ１曲げ強度：　　
　　１，４２０　　Ｎ／−破断エキス、６７ジヨン：３
８ｍ５＋ 次に５個のリングをテストエンジンにおいてピストンの
最上部リングとして２４０時間以上テストした。このテ
スト運転のあとで、いずれのリングも破断しておらず、
またその滑り面に大きな磨耗の痕跡も示されていなかっ
た。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は本発明に従う合金鋳鉄の研磨断面組
織を示す顕微鏡写真である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 ＋１１　　内燃機関のピストンリング、特に半径方向及
    び／又は軸方向の壁厚さの薄い小型ピストンリングその
    他の、磨耗にさらされる機械部材を製作するに用いる、
    球晶状の析出グラファイトを有する高強度の耐磨耗性合
    金鋳鉄において、この合金鋳鉄が熱処理組織を有し、そ
    の際焼なまし過程によりグラファイトがレデブライトの
    分解によって形成され、そしてこれが約３０００００な
    いし９０００００個／ｄの高い単位断面積当り球品数を
    示すような極めて微細な形で存在しており、またこの合
    金鋳鉄は下記の組成、 炭素　　　　　１．５ないし３．０％ けい素　　　　３．０　　／／　　６．０％マンガン　
    　　０．１　　／／　　２．０％燐　　　　　　　０．
    ０５ないし０５％硫黄　　　　　最高０．１５％まで クロム　　　　０．１ないし１．０％ ノ々ナジウム　　０　　〃　３５％ モリブデン　　０．１　　／／　　２．５％ニッケル及
    び／又は コ　ノ々　ル　ト　　　　　　　　　　　０．１　　　
    　　　／／　　　　　　３．０　　％銅　　　　　　　
    　　０．１　　　／／　　　３．５％タングステン　０
    ．１　　／／　　２．５％チタン、ニオブ、及び／又は タンタル　　　０．１　　／Ｉ　　１．０％マグネシウ
    ム　最高０．１５％まで 窒素　　　　　最高０．１５％まで、及び残分の鉄並び
    に不可避的不純物 を有して℃、・る−ことを特徴とする、上記合金シー鉄
    。 （２）合金鋳鉄が最高１．５％までの量でアルミニウム
    を追加的に含有している、上記特許請求の範囲第１項に
    記載された合金鋳鉄。 （３）最高１％までの合計量で錫及び／又はアンチモン
    を追加的に含有している、上記特許請求の範囲第１項又
    は第２項に記載された合金鋳鉄。 （４）　　最高０．５％の合計量でほう素、ジルコン、
    及び／又はビスマスの元素を追加的に含有している、上
    記特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１つに
    記載された合金鋳鉄。 （５）　　熱処理組織を有し、その際焼なまし過程によ
    りグラファイトがレデブライトの分解によって形成され
    、そしてこれが約３０００００ないし９０００００個／
    ｃＩｌの高い単位断面積当り球品数を示すような極めて
    微細な形で存在しており、そして下記の組成、すなわち 炭素　　　　　１．５ないし３．０％ けい素　　　　３．ＯＩＩ　　６．０％マンガン　　　
    ０．１　１１　２．０％燐　　　　　　　　　０．　’
    ０５　／／　　　０．５％硫黄　　　　　最高０．１５
    ％まで クロム　　　　０．１ないし１．０％ バナジウム　　Ｏ／／３．５％ ニッケル及び／又は コノ々ルト　　　　０．１　　　／／　　　３．０％銅
    　　　　　　　　　０．１　　　／／　　　３．５％タ
    ングステン　０．１　　／／　　２．５％チタン、ニオ
    ブ、及び／又は タンタル　　　０．１　１１　１．０％マグネシウム　
    最高０．１５％まで 窒素　　　　　最高０．１５％まで、及び残分の鉄並び
    に不可避的不純物 を有している、内燃機関のピストンリング、中でも半径
    方向及び／又は軸方向の壁厚さの薄い小型ピストンリン
    グその他の、磨耗に曝される機械部材を製作するのに用
    いる高強度の耐磨耗性合金鋳鉄よりなる鋳物を製造する
    に当り、ｏ、　ｓ　ｆｘいし２．０％のマグネシウムを
    含むフエロシ、→コンを溶融鋳鉄に対して０．１ないし
    １．０％添加し、この溶融鋳鉄をテレシライト的な凝固
    相を形成するように鋳造し、そしてその鋳物を引続いて
    グラファイト死焼なまし工程にかけ、それに続いて７０
    ０℃以上での焼入れ及び３００℃以上での焼戻しを行う
    ことを特徴とする、上記鋳物の製造方法。 （６）　　その添加材中でマグネシウムの全部又はその
    １部がセリウム、リツトリウム、ランタン、ネオジム、
    及び／又はプラセオジムのような稀土類金属元素の少な
    くとも１種以上で置き換えられている、上記特許請求の
    範囲第５項に記載された方法。
JP57208746A 1981-12-01 1982-11-30 球晶状の析出グラフアイトを有する耐磨耗性合金鋳鉄及びその製造方法 Pending JPS58104154A (ja)

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