JPH0621309B2 - 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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JPH0621309B2
JPH0621309B2 JP63273349A JP27334988A JPH0621309B2 JP H0621309 B2 JPH0621309 B2 JP H0621309B2 JP 63273349 A JP63273349 A JP 63273349A JP 27334988 A JP27334988 A JP 27334988A JP H0621309 B2 JPH0621309 B2 JP H0621309B2
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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優れた内燃機関用ア
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
煙鋳鉄が使用されたり、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、
各部品の重量軽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52−10941
5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。
また特開昭59−59855号公報や特開昭59−59
856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つて得られる種
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つ
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り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つていない。例えば従来公知の
材料と比較すると耐摩耗性はほヾ同等であるが油切れ時
の焼付け荷重が不充分であるとか、ピストン材のアタツ
ク性が増大するといつた問題があつて、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、また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煙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-Si系合金は、Si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り、かつ軽量であるために
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
性が非常に悪くなつてしまう。
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
お優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Al-Si系合金を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕 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Si16〜1
8重量%(以下%は特記されない限り重量%によるもの
とする)、Fe4〜6%、Cu2〜4%、Mg0.5〜
2%、Mn0.1〜0.8%、残部実質的にAl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)平均粒径が10μm以下で最大粒径が30μ
m以下のシヤープエツジのないAl2O3粒子3〜5%、お
よび(B)断面組織で最大粒径が10μm以下の黒煙粉末
0.5〜3%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、を提供するものである。
また本発明は上記Al-Si系合金からなり、厚さ1mm以上
の内層とアルミニウムを90%以上含む展伸用Al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つて円筒状
の長尺体を得、これを所定の長さに切断加工したり、押
出し時若干の偏心が発生するので内面切削加工したりす
るのであるが、このような硬質物質が存在すると加工が
難かしくなり、といつてその量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(Al2O3)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Al2Oを一定の重量%(すなわち、3%)添加
したときの被加工性に及ぼすAl2Oの粒度の効果につい
て検討した結果を示す。こゝ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
速に材料の被削性が低下すること、すなわち粒子径が小
さい場合には、Al2O粒子自体がたとえ硬い場合であつ
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、30μm以下の粒径をもつAl2Oを使用した場合に
は、Al2O粒子が切削工具に直接接触する頻度が増加
し、結局は工具寿命を短かくしてしまう。そこで該Al2O
粒子に要求される特性のうち別の重要な特性は該Al2O
粒子がシヤープなエツジをもたないこと、いいかえれ
ば可能な限り球状に近いことである。Al2O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ツクス
とほヾ同等の強度として得ることができる。因みに破砕
したまゝの状態のAl2O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系合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)
の粒子が圧環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Al-S
i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10μm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、これはとりもなおさず円筒
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た場合に
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つても少く、大部
分が点状態で分布するようになる。押出時には、Al-Si
系合金が組成流動を起し、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
の流れに沿つ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、Al-Si系合金に縦
方向の欠陥を導入したことになり、円筒体の強度を著し
く低下させる。
本発明は、このような黒煙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10μm
以下になると(一般には押出方向に平行に最大長さ20
0μm以下、最大巾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の大きさによつ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、ほ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、Al203粒子は3〜5%または
黒鉛粉末は0.5〜3%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り、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、こ
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3トン/cm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8mm程度のAl合金チユーブ(Al96%)に挿入
し、これを熱間押出することによつて2重構造のアルミ
ニウム合金製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(相手材はハードC
r、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、条件はチツ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−17.2S
i−5.1Fe−3.3Cu−1.1Mg−0.4Mn合金粉を用意
した。
これに球状Al2O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粉(5μm)を1
%添加した混合粉もつくつた。各混合粉をホツトプレス
によりφ80mmの素材とし、切削性の評価を行つた。切
削条件は切削速度100m/min、送り0.1mm/rev、
切込み0.2mm。工具は超硬合金。10分間切削後のV
摩耗評価をした。結果は表−1、表−2に示す。
平均粒径が30μmを超えると著しくV摩耗量が大き
くなる。Grを添加するとV摩耗量は小さくなる。添
加量は5%以下がよい。切削性から考えてAl2O粒子径
は30μm以下が望しく、Grを添加することで切削性
は改善される。Al2O添加量は粒径30μm以下の場合
は最大5%程度迄切削性はよい。
<実施例2> エアアトマイズ粉(Al-16.5Si-4.8Fe-3.1Cu-1.3Mg-0.6M
n合金粉)−100meshを用意した。これにAl2O粒子
(平均粒径、球状、3μm)を3%及び黒鉛粉末の添加
量と粒径を変えて回転翼型ミキサーで混合し、φ165
×300L(mm)のビレツトを成形した。これを肉厚φ
170−φ180×300L(mm)の5052材(Al-
2.5Mg-0.1Cu-0.1Mn-0.4Fe-0.2Cr)のパイプ内に挿入し
複合ビレツトとした。
また一部Al2O粒子に粉砕粉を用いた。これを熱間間接
複動押出でφ65−φ50mmの同筒押出材に成形し圧環
テストを行つた。結果を表−3に示す。
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5
μmのGr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。Al2O粉砕粉を用いると強度が低
い。
圧環強度の観点よりGr粉は添加量3%以下、粒径10
μm以下が良くシース付であることが望しくAl2O粉末
は球状がよいことがわかる。
<実施例3> Mn+3%Al2O3+1%Gr混合粉を用意した。これ (3μm) (5μm) を実施例2の方法で固化した。これをADC12(Al-1
2Si-3Cu-0.3Mg-0.5Mn-1.3Fe)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つた。結果を表−
4に示す。
Fe添加量4%以下では硬度低く劣化も大きい。またF
e添加量6%以上では靭性が劣つてくる。したがつて、
Fe量は4〜6%がよい。
<実施例4> Al-17.2Si-5.1Fe-3.3Cu-1.1Mg-0.4Mn合金粉にAl2O
(3μm)、Gr(5μm)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φ60×100
L(mm)成形体を20cm高さより落下したときのものを
示す: 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。
<実施例5> Al-18Si-4Fe-2.8Cu-1.0Mg-0.4Mn合金粉(−100mes
h)を用いて実施例2と同様な複合ビレツトを作製し
た。これを間接単動押出で第7図(a)、(b)に示される形
状に押出加工した。
夫々について第8図に模式的に示されるようなせん断テ
ストに付し(500℃×30分水冷を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トンであつた。第7図(b)の試
料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。
<実施例6> 実施例2におけるGr径5μmの試料を用いた押出材の
シースレス材とシース付材とをADC12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つた。
〔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優れ、靭性、耐焼付性
などの向上したAl-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重量%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環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ツトを示す概略
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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 哲也 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 武田 義信 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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系合金からなる厚さ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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DE89120201T DE68912518T2 (de) 1988-10-31 1989-10-31 Wärmebeständige, verschleissbeständige und hochfeste Al-Si-Legierung und ihre Verwendung für Zylinderbuchsen.
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