JP2012046821A - ピストンリング - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Mo粉末とNi基自溶性合金粉末とCu又はCu合金粉末とを少なくとも含む混合粉末を溶射してなる溶射下地層3と、Cuを含有する溶射表面層とをその順で摺動面に形成したピストンリングであって、その溶射下地層3は、50〜80質量%のMoと、1〜12質量%のCu又はCu合金と、残部:Ni基自溶性合金とを少なくとも含有し、溶射下地層3の摺動面に現れるCu又はCu合金相の面積率が0.5〜15%であり、溶射表面層は、70〜100質量%のCuを含有するようにして上記課題を解決した。
【選択図】図1
Description
溶射積層皮膜5を形成する対象となるピストンリング母材2としては、各種のものを挙げることができるが、例えば、ボロン鋳鉄、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、CV鋳鉄、スチール等を挙げることができる。
溶射下地層3は、プラズマ溶射やHVOF溶射によってピストンリング1の摺動面に形成される。プラズマ溶射は、プラズマ溶射ガンで生じるプラズマジェットを用いて溶射材料を加熱・加速し、溶融又はそれに近い状態にして基材に吹き付ける溶射のことである。原理は公知のとおりであるが、陰極と陽極との間に電圧をかけて直流アークを発生させると、後方から送給される作動ガス(アルゴンガス等)が電離し、プラズマを発生する。そのプラズマフレーム中に溶射材料をアルゴンガス等で送給し、基材に吹き付けることによって溶射下地層3がピストンリング母材2上に形成される。一方、HVOF(High Velocity Oxygen Fuelの略)溶射は、酸素と燃料を使用した高速度ジェットフレームの溶射のことである。具体的には、高圧の酸素及び燃料の混合ガスを燃焼室内で燃焼させ、その燃焼炎がノズルにより絞られ、大気に出た瞬間に急激なガス膨張が発生し、超音速のジェットとなる。高い加速エネルギーにより加速された溶射材料は、ほとんど酸化や組成変化せず、高密度の溶射下地層3がピストンリング母材2上に形成される。
図2は、形成した溶射下地層3の摺動面に現れるCu又はCu合金相の形態を示す説明図であり、図3は、形成した溶射下地層3の断面に現れるCu又はCu合金相の形態を示す説明図である。図2の平面図は、摺動面自身を研磨した後に現れる面を観察したものであり、図3の断面図は、溶射下地層を形成した後のピストンリングを摺動面に直交する面で切断した断面(ピストンリング軸方向断面)を研磨した後に現れる面を観察したものである。図2や図3に示す組織形態は、金属顕微鏡を用いて観察した。
溶射表面層4は、図4に示すように、70〜100質量%のCuを含有するCu層又はCu合金層であり、上記の溶射下地層3とともに溶射積層皮膜5を構成する。こうした溶射表面層4を溶射下地層3上に設けることによって、初期なじみ性を向上させ且つ相手攻撃性をより一層低下させることができる。溶射表面層4は70〜100質量%のCuを含むが、溶射下地層3も1〜12質量%のCu又はCu合金を含むので、それらで構成される溶射積層皮膜5はいずれもCuを含有する層となっている。その結果、両層の密着性(層間密着性)が高まり、初期なじみ性を向上させ且つ相手攻撃性を低下させるという効果をより持続させることができる。
平均粒径50μmのMo金属粉末と、平均粒径40μmのNiCr合金粉末と、平均粒径70μmのCu粉末とをそれぞれ64質量%、35質量%、1質量%となるように配合して溶射材料を調整した。なお、NiCr合金の成分組成は、Ni:70.5質量%、Cr:17質量%、Fe:4質量%、Si:4質量%、B:3.5質量%、C:1質量%である。
参考例1で用いた原料粉末をベースとし、表1に示す成分組成となるように配合量を調整して溶射材料の組成を代え、参考例1と同様の溶射条件で、ピストンリング母材2の摺動面に溶射下地層3を形成した。その溶射下地層3の成分組成を参考例1と同様に測定して表1に示した。なお、表1中、参考例5,6及び比較参考例3,4で表すCuAlは、平均粒径45μm、質量%で90Cu−9Al−1Fe合金粉末を用いた場合を指している。
表1に示す成分組成となるように配合量を調整して、参考例1と同様の溶射条件でピストンリングの摺動面に溶射下地層3を形成した。なお、従来例2のCr3C2は、平均粒径30μmのCr3C2粉末を用いた場合を指している。
溶射下地層3について、Cu相又はCu合金相の摺動面面積率と断面面積率とビッカース硬度を以下のように測定した。また、溶射下地層3及びCu又はCu−Al−Fe合金のビッカース硬度と、耐摩耗性指数と、相手材耐摩耗性指数と、耐スカッフ性指数とを、以下のように測定し、それぞれについて評価した。評価結果を表1に示した。
プラズマ溶射条件:スルザーメテコ社製9MBプラズマ溶射ガン
電圧60〜70V
電流500A
面積率は、溶射下地層3の摺動面を研磨し、現れた面を金属顕微鏡で200倍に拡大した写真を撮影し、その撮影画像を画像解析ソフトで解析してCu相の面積率(「摺動面面積率」という。)を測定した。一方、溶射下地層3の摺動面の法線に平行(又はリング軸方向)に切断した断面を研磨し、その断面を金属顕微鏡で200倍に拡大した写真を撮影し、その撮影画像を画像解析ソフトで解析してCu相の面積率(「断面面積率」という。)を測定した。結果を表1に示した。なお、溶射下地層3の研磨は、180番、240番、320番、600番、800番、1200番と粒度を順次小さくした研磨紙で行い、最後にアルミナ(酸化アルミニウム)の1.0μm粉末を用いて20秒間バフ研磨し、得られた研磨面を面積率の観察試料とした。
表1に示すCu又はCu−Al−Feのビッカース硬度は、Cu相又はCu−Al−Fe相の膜断面におけるビッカース硬度の測定結果であり、溶射下地層3のビッカース硬度は、Cu相又はCu−Al−Fe相を含む溶射下地層3の膜断面における全体のビッカース硬度の測定結果である。なお、溶射下地層3には、硬いMo金属相や柔らかいCu相又はCu−Al−Fe相が混在するので、溶射下地層3のビッカース硬度は溶射下地層3全体の平均的な硬度と言うことができる。ビッカース硬度は、マイクロビッカース硬度計(株式会社アカシ製)を用い、Cu又はCu−Al−Feのビッカース硬度は荷重0.01kgfで測定し、溶射下地層3のビッカース硬度は荷重0.3kgfで測定した。なお、ビッカース硬度はランダムに5箇所を測定し、得られた結果の平均値で表した。
耐摩耗性指数と相手材耐摩耗性指数は、摩耗試験により測定した。摩耗試験は、図5に示す高負荷型摩耗試験機6を使用し、上記参考例1〜6、比較参考例1〜4及び従来例1,2で得られたピストンリングと同じ条件で得た固定片である供試材7を用い、供試材7(固定片)と、回転片である相手材8とを接触させ、荷重Pを負荷して行った。ここでの供試材7は、片状黒鉛鋳鉄からなる3本のピン(φ5mm、58.9mm2)と外径40mmの円盤とを一体型とし、円盤は外径40mm、厚さはピンを含め12mmとした。また、相手材8(回転片)は、外径40mm、厚さ12mmのボロン鋳鉄である。摩耗試験条件は、潤滑油:スピンドル油相当品、油温:125℃、周速:1.65m/秒(1050rpm)、接触面圧:76.4MPa、試験時間:8時間の条件下で行った。
耐スカッフ性指数は、図6に示す回転式平面滑り摩擦試験機10により、各試験片11のスカッフ限界面圧を測定した。摩擦試験機は、一定速度で回転する相手材12の回転面に試験片11を一定時間、所定の面圧(P)で圧接し、スカッフが発生した時の面圧を限界面圧として測定したものである。圧接操作は、初期面圧を2.5MPaとして30分間保持し、その後、面圧を5MPaから5分毎に1MPaずつ漸次増加させていく方法で行った。測定は、周速5m/秒、潤滑油はSAE30:灯油=1:1に混合した油を試験前のみ塗布して行った。なお、試験片11は片状黒鉛鋳鉄であり、相手材12はボロン鋳鉄である。
表1中の総合評価は、各項目の「◎」を2点とし、「○」を1点とし、「△」を0点として計算し、耐摩耗性指数、相手材耐摩耗性指数及び耐スカッフ性指数の3項目の合計が4点以上を総合評価「◎」とし、2〜3点を総合評価「○」とし、0〜1点を総合評価「△」とし、1項目でも×のついたものは総合評価「×」とした。総合評価が「×」のものは本発明の範囲外である。
溶射下地層3の空孔率が耐摩耗性と相手材耐摩耗性に及ぼす影響について実験した。参考例1等で用いた溶射材料を調整し、64Mo−35NiCr−1Cu及び60Mo−30NiCr−10Cuの溶射下地層3をボロン鋳鉄からなるピストンリングの摺動面に厚さ300μmで作製した。2種の組成の溶射下地層3については、プラズマ溶射条件(電圧は50〜70Vの範囲、電流は450〜500Aの範囲)を変化させ、表2に示す空孔率を持つ溶射下地層3を得た。
溶射下地層3の空孔率は、摺動面の法線に平行(又はリング軸方向)に切断した断面を研磨し、その断面を金属顕微鏡で200倍に拡大した写真を撮影し、その撮影画像を画像解析ソフトで解析して求めた。なお、溶射下地層3の断面の研磨は、180番、240番、320番、600番、800番、1200番と粒度を順次小さくした研磨紙で行い、最後にアルミナ(酸化アルミニウム)の1.0μm粉末を用いて20秒間バフ研磨した。得られた断面を空孔率の観察試料とした。空孔率は、ランダムに5箇所を撮影し、その画像解析結果の平均値で評価した(実験2,3でも同じ)。
次に、溶射下地層3の空孔率が密着力に及ぼす影響について実験した。実験1と同様に、参考例1等で用いた溶射材料を調整し、60Mo−30NiCr−10Cuの溶射下地層3をボロン鋳鉄からなるピストンリングの摺動面に厚さ300μmで作製した。比較試料として、Cuを含有させない65Mo−35NiCrの溶射下地層3(上記従来例1)を、密着力測定用の円筒試験片(外径25mm、長さ40mm)の端面に厚さ300μmで作製した。溶射下地層3については、プラズマ溶射条件(電圧は50〜70Vの範囲、電流は450〜500Aの範囲)を変化させ、表3に示す5段階の空孔率を持つ溶射下地層3を得た。
溶射下地層3の空孔率の測定は、溶射下地層3を形成した円筒試験片の断面を研磨し、実験1と同様に行った。一方、密着力の測定は、JIS H 8667に準拠し、溶射下地層3を形成した円筒試験片の端面と、溶射下地層3を形成していない円筒試験片の端面とを熱硬化性樹脂で接着して一体化し、その筒の両端を引張試験機の上下のチャックで固定して引張試験を行った。引張試験は、引張速度を1mm/minとし、溶射下地層3がボロン鋳鉄の界面から剥がれたとき又は溶射下地層3内で層間剥離したときの荷重を測定し、その荷重を円筒端面の面積で除した値を求めた。65Mo−35NiCrの溶射下地層3の値を1(基準)とし、5段階の空孔率を持つ試験試料の密着力と対比した。その結果を表3に示す。なお、硬化性樹脂との界面での剥離や硬化性樹脂層内での層間剥離は評価から除外した。
次に、空孔率によって、耐摩耗性と相手材耐摩耗性に優れる領域(0.5%〜6%)と、密着力に優れる領域(3%〜8%)とがあったことから、母材であるボロン鋳鉄上に先ず5.43%の空孔率を持つ60Mo−35NiCr−5Cuの厚さ100μmの溶射下地層3を形成し、その上に2.46%の空孔率を持つ60Mo−35NiCr−5Cuの厚さ200μmの溶射下地層3を形成した。上記実験2と同様に評価したところ、密着力が1.5であった。同様な実験を行い、下層として、空孔率3%〜8%の溶射下地層3を形成し、表層として、空孔率0.5%〜6%の溶射下地層3を形成すれば、耐摩耗性、相手材耐摩耗性及び密着力が良好になることを確認した。
参考例2の溶射下地層3(厚さ300μm)上に、表4に示す各溶射表面層4の組成と同じ組成のCuAlFe合金粉末(平均粒径45μm)又はCu粉末(平均粒径70μm)を溶射材料としてプラズマ溶射し、同一組成からなる実施例1〜5及び比較例1の各溶射表面層4(厚さ300μm)を形成した。溶射材料と溶射表面層4の成分組成は、後方散乱測定装置(日新ハイボルテージ株式会社製)を用いて定量した。プラズマ溶射条件は、参考例1と同様、スルザーメテコ社製9MBプラズマ溶射ガンを使用し、電圧50〜70V、電流450〜500Aの範囲内で行った。
表4に示す従来例1及び参考例2の溶射下地層3(厚さ300μm)は、表1に示す従来例1及び参考例2と同じである。この従来例1と参考例2は溶射表面層を設けていない。
耐スカッフ性指数は、上記表1に示す耐スカッフ指数の測定と同様、図6に示す回転式平面滑り摩擦試験機10を用いて測定した。また、従来例1に対する相対評価も、表1での評価と同様にして行った。得られた結果を表4に示す。
参考例1の溶射下地層3(厚さ300μm)上に、表5に示す溶射表面層の組成と同じ組成のCuAlFe合金ワイヤーを溶射材料としてアーク溶射し、同一組成の溶射表面層4(厚さ300μm)を形成した。溶射材料と溶射表面層4の成分組成は、後方散乱測定装置(日新ハイボルテージ株式会社製)を用いて定量した。
実施例7〜9の溶射下地層3(厚さ300μm)上に、実施例6と同様にして、表5に示す各溶射表面層の組成と同じ組成のCuAlFe合金ワイヤーを溶射材料としてアーク溶射し、同一組成の溶射表面層4(厚さ300μm)をそれぞれ形成した。
参考例5の溶射下地層3(厚さ300μm)上に、実施例6と同様にして、表5に示す溶射表面層の組成と同じ組成のCuAlFe合金ワイヤーを溶射材料としてアーク溶射し、同一組成の溶射表面層4(厚さ300μm)を形成した。
参考例3,4の溶射下地層3(厚さ300μm)上に、実施例6と同様にして、表5に示す各溶射表面層の組成と同じ組成のCuAlFe合金ワイヤーを溶射材料としてアーク溶射し、同一組成の溶射表面層4(厚さ300μm)をそれぞれ形成した。なお、実施例13は、溶射下地層3のCu含有量を実施例12よりも1質量%増したものである。
表1及び表4に示す従来例1の溶射下地層3(厚さ300μm)上に、実施例6と同様にして、表5に示す各溶射表面層の組成と同じ組成のCuAlFe合金ワイヤー又はCuワイヤーを溶射材料としてアーク溶射し、同一組成の溶射表面層4(厚さ300μm)をそれぞれ形成した。
密着力は、上記表3に示す密着力の測定方法と同じ方法で測定した。なお、その評価は、比較例2の密着力データを100とし、得られた密着力データを相対評価して密着力指数とした。測定した密着力は、主に、溶射下地層3と溶射表面層4との間の層間密着力を表している。得られた結果を表5に示す。
2 ピストンリング母材
3 溶射下地層
4 溶射表面層
5 溶射積層皮膜
6 高負荷型摩耗試験機
7 供試材
8 回転片
10 回転式平面滑り摩擦試験機
11 試験片
12 相手材
P 荷重
Claims (3)
- Mo粉末とNi基自溶性合金粉末とCu又はCu合金粉末とを少なくとも含む混合粉末を溶射してなる溶射下地層と、Cuを含有する溶射表面層とをその順で摺動面に形成したピストンリングであって、
前記溶射下地層は、50〜80質量%のMoと、1〜12質量%のCu又はCu合金と、残部:Ni基自溶性合金とを少なくとも含有し、該溶射下地層の摺動面に現れるCu又はCu合金相の面積率が、0.5〜15%であり、
前記溶射表面層は、70〜100質量%のCuを含有することを特徴とするピストンリング。 - 前記溶射下地層の断面に現れるCu又はCu合金相の面積率が、0.1〜10%である、請求項1に記載のピストンリング。
- 船舶用ピストンリングである、請求項1又は2に記載のピストンリング。
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