JPH0135062B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、例えば内燃機関のシリンダーライナ
の如き耐摩耗性及び耐スカツフイング性を兼備し
ていることを要求される鋳鉄材摺動部材及びその
製造方法に関するものである。 近年、内燃機関では高速化、高出力化の傾向が
一層顕著になり、シリンダーライナ材には過酷な
耐摩耗性及び耐スカツフイング性が要求されてい
る。 このような過酷な要求を満たすため、現在まで
黒鉛が析出していて、耐摩耗性が良いという理由
で、シリンダーライナとして主に用いられている
鋳鉄材について、材料組成の改良、内周摺動面の
面性状の改善、内周摺動面の表面処理等が検討さ
れているが、未だ十分のものが得られていないの
が現状である。 即ち、鋳鉄材料組成の改良については合金元素
の添加によるマトリツクスの強化や炭化物の析出
等によつて、ある程度の効果が得られているが未
だ不十分であり、また黒鉛組織の改善も検討され
ており、黒鉛サイズを大きく、また多量に析出さ
せることは耐スカツフイング性の向上には一定の
効果が認められるが、強度低下、さらには耐摩耗
性の不足をきたす。 次にシリンダーライナの内周摺動面の面性状の
改善は、現在広く行われているホーニング加工の
改善が検討されているが、ホーニングにより生ず
る加工変質層が生成すること、あるいはそれによ
り、黒鉛の摺動面への露出が妨げられる等の理由
により、ホーニング加工で摺動面の面性状を大幅
に改善するには限界がある。さらに内周摺動面に
対する表面処理は排水処理等による環境汚染問題
や経済性などで難点がある。 本発明は以上の点に鑑み、鋳鉄材の成分と組織
とを限定し、かかる鋳鉄材に所定の熱処理を施す
ことにより、耐摩耗性、耐スカツフイング性に優
れた鋳鉄材及びその経済的な製造法を提供しよう
とするものである。 即ち、本発明は炭素、ケイ素、マンガン、リン
及び硫黄の主要元素の他に主としてマトリツクス
を強化する、ニツケル及び銅からなる群の中から
選択された少なくとも１種を合計で0.05及至1.0
％、及び主として炭化物を形成するクロム、モリ
ブデン、ニオブ、チタン、バナジウム、タングス
テン及びホウ素からなる群の中から選択された少
なくとも１種を、１種の場合は0.05〜1.0％、２
種以上の場合は合計で0.05〜２％を含有し、且つ
黒鉛を有する鋳鉄からなる摺動部材であつて、(イ)
該黒鉛の黒鉛サイズがASTM4ないし６であり、
(ロ)該黒鉛の形状はASTM分類Ａ型のものが70％
以上を占め、且つ(ハ)該黒鉛の先端部と中央部の幅
が実質的に同一であるとの黒鉛組織(イ)−(ハ)を有
し、ホーニング加工が施されている該摺動部材の
摺動面に鋳鉄の黒鉛が露出していることを特徴と
する。 本発明に係る方法は、炭素、ケイ素、マンガ
ン、リン及び硫黄の主要５成分の他にニツケル及
び銅からなる群の中から選択された少なくとも１
種を合計で0.05〜1.0％、及び主として炭化物を
形成するクロム、モリブデン、ニオブ、チタン、
バナジウム、タングステン及びホウ素からなる群
より選択された少なくとも１種を、１種の場合は
0.05〜1.0％、２種以上の場合は合計で0.05〜２％
含有し、鋳放しで析出している黒鉛中のASTM
分類Ａ型黒鉛の占有面積率が70％以上で、且つ黒
鉛サイズが４〜６である鋳鉄を1000℃以上1140℃
以下の温度で10分以上好ましくは３時間以内加熱
保持後冷却し、鋳放し状態の前記黒鉛サイズを実
質的に維持しながら黒鉛の幅が先端と中央部で実
質的に同一であるように変化させることにより、
耐摩耗性、耐スカツフイング性に優れた鋳鉄を製
造しようとするものである。 以下に本発明の限定理由を述べる。 ニツケル及び銅等は鋳鉄のマトリツクスに固溶
し、鋳鉄材料を強靭化し、ホーニング等による加
工変質層の生成を少なくし得るとともに該材料の
強靭化による耐摩耗性にも寄与するものである
が、その合計量が0.05％未満ではその効果が認め
られず、また、その合計量が１％を超えると鋳鉄
の白鉄化、黒鉛組織の微細化、マトリツクスの組
織変化等をきたす。 次に、クロム、モリブデン、ニオブ、チタン、
バナジウム、ホウ素及びタングステン等は炭化物
として析出し、摺動面においてこれらの炭化物が
一次摺動面を形成し、ベアリング効果として作用
し、耐摩耗性、耐スカツフイング性の向上に寄与
する他に、ホーニング加工等により生ずる加工変
質層の分断効果もあるが、0.05％未満ではその効
果に乏しい。また単独添加の場合、１％を超える
と鋳鉄の白鉄化、黒鉛組織の微細化、さらには多
量の炭化物析出による強度の低下、加工性の悪化
を招く。また、複合添加の場合、合計で２％を超
える場合も、鉄鋳の白鉄化、黒鉛組織の微細化、
さらには多量の炭化物の析出による強度の低下、
加工性の悪化を招く。従つて、主として炭化物を
形成するクロム、モリブデン、ニオブ、チタン、
バナジウム、ホウ素、タングステン等の中から選
択された少なくとも１種を、１種の場合は0.05〜
1.0％、２種以上の場合は合計で0.05〜２％と限
定する。 鋳鉄材に析出し摺動部材の摺動面に現われる黒
鉛組織は黒鉛自身が自己潤滑性を有しているた
め、耐スカツフイング性の向上に寄与するばかり
でなく、摩擦に伴い発生する微細な摺動キズを分
断する効果もある。さらにマトリツクスに比べ黒
鉛部は極めて軟いために凹部となり、油だまりと
して作用し、耐摩耗性、耐スカツフイング性の向
上に効果がある。このような作用を効果的に発揮
する黒鉛形状はASTM分類Ａ型のもので、しか
も析出している黒鉛中のＡ型黒鉛の占有面積率が
70％以上、黒鉛サイズが４〜６のものである。析
出黒鉛中のＡ型黒鉛の占有面積率が70％未満では
形状は悪化し、必然的に微細化黒鉛の占める面積
率が増大し好ましくない。また黒鉛サイズが６を
越える場合も黒鉛は微細化する。黒鉛の幅が一様
ではない、微細な黒鉛はホーニング加工時に加工
面近傍に生ずる塑性流動による加工変質層で覆い
つぶされる確率が高く、黒鉛が摺動面に露出して
いなければ自己潤滑作用、油だまり効果は期待で
きず、耐スカツフイング性の劣化を招くことにな
る。一方黒鉛サイズが４未満では黒鉛が粗大化
し、耐スカツフイング性の向上には効果は認めら
れるが、鋳鉄の強度が低下する。本発明におい
て、鋳鉄の炭素及びケイ素の含有量は前記組織を
得るように調節すれば良いため、特に限定されな
いが、一般には炭素2.5〜４％、ケイ素1.5〜３％
の範囲であればよい。 本発明に係る製法によると鋳放し状態での黒鉛
組織を析出している全黒鉛中ASTM分類のＡ型
黒鉛の占有面積率を70％以上かつ黒鉛サイズを４
〜６と限定する。鋳放し状態において、上述した
黒鉛組織を有する一般の鋳鉄においては析出して
いる片状黒鉛は先端部ではその幅が小さくなり、
ホーニング加工等により生ずる加工変質層で覆い
つぶされる確率が高く、加工面への黒鉛の露出の
割合は低下するのをさけがたい。従つて耐摩耗
性、耐スカツフイング性の劣化を招くことにな
る。このような現象をさけるには、片状黒鉛の先
端部まで中央部と同様の幅を持たせるのが、耐摩
耗性、耐スカツフイング性の向上に有効な方法で
ある。 そこで本発明は、以上の如き化学組成、組織を
有する鋳鉄材を1000℃以上1140℃以下で熱処理を
施し、耐摩耗性、耐スカツフイング性の向上に効
果のある、いわゆるいも虫状黒鉛組織を得ようと
するものである。即ち、本発明に関する鋳鉄材を
1100℃以上1140℃以下の温度で10分以上３時間以
内加熱保持後冷却すれば、鋳放し状態で得られた
比較的大きな片状黒鉛がASTM測定法による黒
鉛サイズをほとんど変えずいも虫状黒鉛になる。
このような黒鉛はその幅が広く好ましくは４〜20
ミクロンであり、しかも均一であり、ホーニング
加工等により生ずる加工変質層により覆いつぶさ
れる確率は低下し、加工面への黒鉛の露出の割合
は増加し、耐摩耗性、耐スカツフイング性が向上
する。 加熱温度は理論的には鋳鉄のA₁変態点以上融
点以下の温度であれば、黒鉛のマトリツクスへの
固溶が起こるが、1000℃未満では片状黒鉛のいも
虫状黒鉛への変化は緩慢であり、1140℃を越える
と部分的に溶融がはじまるために加熱温度は1000
℃以上1140℃以下と限定する。加熱保持時間が10
分以下では均一ないも虫状黒鉛が得られず、３時
間を越えると加熱時間は経済的に不利となるの
で、加熱保持時間を10分以上３時間以内と限定す
る。 なお、上記加熱後の冷却はパーライトマトリツ
クスの場合は炉冷あるいは空冷が必要であり焼入
れしたマトリツクスとしたい場合は通常用いられ
る鋳鉄の焼入れ温度まで徐冷した後、油冷あるい
は水冷によつて得られる。 このようにして得られたいも虫状黒鉛鋳鉄は第
１図及び第２図に示すように、通常の片状黒鉛に
比較し、先端が丸みを持ち、しかも幅広い黒鉛と
して分布している。これらの黒鉛は例えばホーニ
ング加工時にも加工変質層で被覆されることが少
なく第３図に示すように、加工表面に均一に約60
個／cm²の量で露出し、耐摩耗性、耐スカツフイン
グ性の向上に有益な作用をするものである。 以上述べたように本発明に係る鋳鉄材はマトリ
ツクスの強化及び炭化物析出に加えて、全黒鉛中
のASTM分類Ａ型黒鉛の占有面積率を70％以上
有し、且つ黒鉛サイズが４〜６であり幅が先端部
と中央部で実質的に同一であるとの条件を規定し
た黒鉛を、ホーニング加工内周面に露出させたこ
と、また所定の鋳放し組織を有する鋳鉄に1000℃
以上1140℃以下で10分以上３時間以内の熱処理を
施すことにより、黒鉛形状を片状黒鉛からいも虫
状黒鉛にすることによつて、一層過酷な耐摩耗
性、耐スカツフイング性の要求に応じ得る鋳鉄材
を提供するものである。 以下実施例により、その効果を説明する。 実施例 １ 銑鉄、鋼屑、フエロアロイを原料とし、化学成
分3.02％Ｃ、1.78％Si、0.74％Mn、0.29％Ｐ、
0.036％Ｓ、0.25％Cr、0.48％Ni、0.31％Nbの溶
湯を高周波誘導炉で溶解し、20〓丸棒生砂型に鋳
造した。鋳放し状態において、ASTM分類Ａ型
黒鉛が約78％、黒鉛サイズは６であつた。この丸
棒を1130℃で30分間熱処理を施し空冷した。得ら
れた組織の顕微鏡写真を第１図に示す。黒鉛サイ
ズは６であつた。 実施例 ２ 銑鉄、鋼屑、フエロアロイを原料とし、化学成
分3.13％Ｃ、2.18％Si、0.74％Mn、0.47％Ｐ、
0.061％Ｓ、0.30％Cr、0.49％Cu、0.28％Nb、
0.12％Ｖを高周波誘導炉で溶解し、30〓丸棒生砂
型に鋳造した。鋳放し状態において、ASTM分
類Ａ型黒鉛が約86％、黒鉛サイズは５であつた。
この丸棒を1080℃で１時間熱処理を施し空冷し
た。黒鉛サイズは５であつた。得られた組織を第
２図に示す。実施例１に比べ黒鉛形状が大きくな
つているのは、実施例１に比べ、実施例２の丸棒
の径が大きく、冷却速度が小さいためである。 実施例 ３ 銑鉄、鋼屑、フエロアロイを原料とし、化学成
分3.08％Ｃ、1.85％Si、0.68％Mn、0.25％Ｐ、
0.027％Ｓ、0.22％Cr、0.61％Cu、0.26％Nb、
0.06％Ｂの溶湯を低周波誘導炉で溶解し、シエル
砂型にシリンダーライナを鋳造した後、1080℃で
１時間熱処理を施し空冷した。鋳放し状態におい
て、ASTM分類Ａ型黒鉛が約82％であつた。シ
リンダーライナの内周面をホーニング加工した後
のシリンダー内周面の写真を第３図に示す。黒鉛
サイズは４〜５であつた。 比較例 １ 実施例１と同一化学成分、同一鋳造条件の鋳放
し材であり、その顕微鏡組織写真を第４図に示
す。黒鉛サイズは６であつた。 比較例 ２ 実施例２と同一化学成分、同一鋳造条件の鋳放
し材であり、その顕微鏡組織写真を第５図に示
す。黒鉛サイズは５であつた。 比較例 ３ 実施例３と同一化学成分、同一鋳造条件のシリ
ンダーライナの鋳放し材である。完成加工後のシ
リンダーライナの内周面の写真を第６図に示す。
黒鉛サイズは４〜５であつた。この内周面写真か
ら分かるように黒鉛はホーニング加工による加工
変質層によつて覆いつぶされており、外部に表出
していない。 比較例 ４ 銑鉄、鋼屑、フエロアロイを原料とし、化学成
分3.18％Ｃ、2.09％Si、0.74％Mn、0.22％Ｐ、
0.024％Ｓ、0.31％Crの溶湯を高周波誘導炉で溶
解し、20〓丸棒の金型に鋳造した。得られた黒鉛
形状はASTM分類Ｄ型であり、黒鉛サイズは７
〜８であつた。その後、1130℃で30分間熱処理を
施した後空冷した。得られた組織の顕微鏡写真を
第７図に示す。 このようにして得られた実施例１、２と比較例
１、２、４について耐スカツフイング性試験を行
つた。試験装置の略図を第８図に示す。相手材Ａ
は硬質クロムめつきである。試験片Ｂ、相手材Ａ
の表面は研削加工で１〜2μRZの表面あらさに仕
上げ試験に供した。潤滑は行わず乾式で試験を行
つた。 耐スカツフイング性は第８図に示した試験ロー
ターにスカツフイングが発生した時の荷重、摩擦
速度及びスカツフイング発生までの摩擦距離で評
価した。その結果を表１に示す。

【表】 表１から熱処理により鋳放し材の片状黒鉛をい
も虫状黒鉛に変化させた本発明材の耐スカツフイ
ング性が比較例に比べ向上していることが明らか
である。また比較例においても、ATSM分類Ａ
型黒鉛を有する比較例１、２の方がASTM分類
Ｄ型黒鉛を有する鋳鉄を実施例１と同一条件で熱
処理した比較例４に比べ耐スカツフイング性が優
れていることが明らかであり、鋳放しにおいて、
ASTM分類Ａ型黒鉛が析出黒鉛の70％以上析出
していることが、耐スカツフイングの面で重要で
あるが、その黒鉛を本発明に係わる熱処理によつ
ていも虫状黒鉛にすることが耐スカツフイング性
向上の面で優れた効果を示すことが明らかであ
る。 次に実施例３、比較例３を用いて、エンジンに
よる耐スカツフイング性試験を行つた。試験条件
を下に示す。 エンジン 水冷４気筒４サイクルデイーゼルエ
ンジン 排気量 2.96 出力 85PS−3600rpm 潤滑油 SAE＃10 潤滑油温度 110〜115℃ 冷却水温度 90〜95℃ 運転方法 ならし運転30分 全負荷3600rpm2.5時間 エンジン試験終了後、供試シリンダーライナの
スカツフイング発生状況を目視により調査した。
エンジン試験に供した、シリンダーライナ数は実
施例３、比較例３共に20本であり、スカツフイン
グの発生率は、実施例３は５％、比較例３は65％
であつた。エンジン試験においても本発明材の耐
スカツフイング性が優れていることが明らかにな
つた。 さらに実施例３、比較例３を用いて、エンジン
による耐久試験を行つた。試験条件を下に示す。 エンジン 水冷４気筒４サイクルデイーゼルエ
ンジン 排気量 2.96 出力 85PS−3600rpm 潤滑油 SAE＃30 潤滑油温度 110〜115℃ 冷却水温度 90〜95℃ 運転条件 全負荷3600rpm300時間 耐久試験の結果を第１圧縮リング上死点におけ
るシリンダーライナの摩耗量で比較すると実施例
３は５〜10μｍ、比較例３は10〜15μｍであつた。 以上のように本発明に係わる鋳鉄摺動部材は耐
スカツフイング性と共に耐摩耗性の向上も明らか
である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は各々実施例１、実施例２の黒
鉛組織写真、第３図は実施例３のシリンダーライ
ナ内周面の黒鉛組織写真であり、第４図、第５図
は各々比較例１、２の黒鉛組織写真、第６図は比
較例３のシリンダーライナ内周面の黒鉛組織写真
である。倍率はいずれも50倍である。第７図は比
較例４の黒鉛組織写真であり、倍率は100倍であ
る。第８図は耐スカツフイング性試験の略図であ
り、Ａは硬質クロムを施した相手材であり、Ｂは
供試鋳鉄材ローターである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素、ケイ素、マンガン、リン及び硫黄の主
   要５元素の他に、主としてマトリツクスを強化す
   るニツケル及び銅からなる群の中から選択された
   少なくとも１種を合計で0.05〜1.0％、及び主と
   して炭化物を形成するクロム、モリブデン、ニオ
   ブ、チタン、バナジウム、タングステン及びホウ
   素からなる群の中から選択された少なくとも１種
   を、１種の場合は0.05〜1.0％、２種以上の場合
   は合計で0.05〜２％含有し、且つ黒鉛を有する鋳
   鉄からなる摺動部材であつて、(イ)該黒鉛の黒鉛サ
   イズがASTM4乃至６であり、(ロ)該黒鉛の形状は
   ASTM分類Ａ型のものが70％以上を占め、且つ
   (ハ)該黒鉛の先端部と中央部の幅が実質的に同じで
   ある上記黒鉛組織(イ)−(ハ)を有し、ホーニング加工
   が施されている該摺動部材の摺動面に前記黒鉛が
   露出していることを特徴とする耐摩耗性、耐スカ
   ツフイング性の優れた鋳鉄摺動部材。 ２ 炭素、ケイ素、マンガン、リン及び硫黄の主
   要５元素の他に、主としてマトリツクスを強化す
   るニツケル及び銅からなる群の中から選択された
   少なくとも１種を合計で0.05〜1.0％、及び主と
   して炭化物を形成するクロム、モリブデン、ニオ
   ブ、チタン、バナジウム、タングステン及びホウ
   素からなる群の中から選択された少なくとも１種
   を、１種の場合は0.05〜1.0％、２種以上の場合
   は合計で0.05〜２％含有し、鋳放しで析出してい
   る黒鉛中の、ASTM分類Ａ型黒鉛の占有面積率
   が70％以上で、且つ黒鉛サイズがASTM4〜６で
   ある鋳鉄を1000℃以上、1140℃以下の温度で10分
   以上加熱保持後冷却し、鋳放し状態の前記黒鉛サ
   イズを実質的に保ちながら黒鉛の幅が先端と中央
   部が実質的に同一であるように変化させることを
   特徴とする耐摩耗性、耐スカツフイング性の優れ
   た鋳鉄摺動部材の製造方法。