JP2536107B2

JP2536107B2 - 摺動部材

Info

Publication number: JP2536107B2
Application number: JP63308373A
Authority: JP
Inventors: 賢治植野; 良雄不破
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-12-06
Filing date: 1988-12-06
Publication date: 1996-09-18
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: JPH02153075A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は互いに摺動する部材の材質の組合せに関し、
特にピストン型式の摺動部に適した材質の組合せに関す
る。

［従来の技術］従来、シリンダとピストンとで構成されるピストン型
式の摺動部材は、シリンダ側がその複雑な外形を製造す
るのに容易な鋳鉄で、またピストン側がシリンダの鋳鉄
と馴染みの良い黄銅や燐青銅でそれぞれ製作されてい
た。しかし鋳鉄製のシリンダと銅合金製のピストンから
なるピストン型式の摺動部材を油で潤滑化して使用した
場合、ピストンに掛かる負荷が大きくなるとシリンダと
ピストンの間で油膜切れが起こり、その結果、シリン
ダ、ピストン双方に著しい摩耗や焼付が生じて摺動不能
となることが多かった。

［発明が解決しようとする課題］本発明は上記の問題点の解決を目指すものであり、長
期の摺動や高負荷下の摺動においても、摩耗や焼付けが
ほとんど生じない摺動部材の材質の組合わせを提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］すなわち本発明は第１摺動部材とこれに摺接する第２
摺動部材とから構成される摺動部材であって、該第１摺動部材は、Zn:25〜40重量％と、Al:1.9〜5.2
重量％と、Ni:0.25〜3.0重量％と、残部Cuとより成る銅
合金製であり、該第２摺動部材は、その摺動面に２〜13重量％のＰを
含むNi−Ｐ合金が表面被覆された鋳鉄で形成されている
ことを特徴とする摺動部材である。

［作用］本発明における第１摺動部材は、主としてピストン型
式の摺動部材のピストンに適するもので、25〜40重量％
（以下、重量％を％と表現する）のZnと、1.9〜5.2％の
Alと、0.25〜3.0％のNiをそれぞれ含み、更に残部をCu
が占めてなる銅合金からなる。

第１摺動部材を構成する銅合金中に含まれるZnは、Cu
−Zn系合金の耐摩耗製に重大な影響を与えるものであ
り、母相がα＋β相の場合、この特性が良くなるが、β
相単一の場合は脆くなる。Znが25％未満では、β相が現
われず耐摩耗性、加工性が悪くなり、また、40％を越え
るとβ相単一となり靱性に劣るため、Zn量は25〜40％と
することが望ましい。

またAlは耐摩耗性を向上させるので1.9％以上含まれ
ることが必要であるが、多すぎると加工性の低下を招く
ので5.2％以下に抑えることが望ましい。

Niは強靱性並びに耐摩耗性を向上させるが、過剰に含
まれると逆に強靱性が低下し、また加工性も悪くなるの
で0.25〜3.0％含有させることが望ましい。

また、上記銅合金中には少量のFe、Mn、Cr、Si及びTi
が含まれていてもよい。Feは定規銅合金中に0.1％以上
含まれていると金属間化合物を強化し、また合金の組織
を微細化する効果を有する。しかし含有量が0.5％を上
廻ると、金属間化合物が粗大化して加工性、耐摩耗性が
低下するので含有させる場合は0.1〜0.5％であることが
望ましい。MnとSiはMn₅Si₃の金属間化合物を形成し、銅
合金の耐摩耗性向上に寄与するが、Mn₅Si₃の含有量が１
％未満ではこの効果が期待できず、また、10％を越える
と靱性の低下を招くので１〜10％とすることが望まし
い。なお、MnとSiとがMn₅Si₃の金属間化合物を形成する
ときの最適なMnとSiの重量費は1:0.3であるのでMn及びS
iはそれぞれ単独では2.5〜3.5％、0.6〜1.2％含有され
ることが望ましい。またCrは、結晶粒を微細化させる効
果があり、含有量が0.1％未満ではこの効果は望めず、
逆に0.25％を越えてもこの効果は望めないため、0.1〜
0.25％に抑えることが好ましい。更にTiは、結晶組織を
微細化し、合金の強靱性、耐摩耗性を向上させるもの
で、1.2％未満では、この効果は得られず、2.0％を越え
ると、逆に強靱性、加工性が低下するため1.2〜2.0％と
することが好ましい。

なお、第１摺動部材を構成する銅合金中には不純物と
してPbが含まれていても差し支えないが、その含有量は
0.15％以下であることが望ましい。

本発明における第２摺動部材は主としてピストン型式
の摺動部材のシリンダ側を構成する部材として適する。
例えば、複雑な形状の外形を有するシリンダを製造し易
い鋳鉄で骨格を形成した後、摺動面に２〜13％のＰを含
むNi−Ｐ合金を表面被覆して製造することができる。該
表面被覆層を構成するNi−Ｐ合金中のＰの含量が増える
と被覆層の硬度が上昇する反面、靱性が低下しやすくな
って被覆層が鋳鉄表面から剥離してしまうので、その含
量の上限は13％である。また、２％未満では硬度が不十
分であり、表面被覆層を設ける意味がない。なお、この
Ni−Ｐ合金には他の成分が混在しないことが望ましい。
またこの被覆層の厚みは10〜30μｍ程度が好ましい。10
μｍより薄いと耐摩耗性に劣り、30μｍを超えると母材
である鋳鉄との間にせん断応力が働き、剥離しやすくな
る。また、２〜13％のＰを含むNi−Ｐ合金からなる被覆
層は鋳鉄の表面に形成した後、熱処理を行なうと硬度を
上昇させることができ、好ましい。この熱処理は350〜4
00℃の温度で30〜100分行なうことが望ましい。

上記のNi−Ｐ合金被覆層が摺動面に形成された第２摺
動部材は、前述の銅合金製の第１摺動部材と硬度の点で
ほぼ同程度となるため、摺動の際にいずれか一方が摩耗
したり、焼付したりすることがない。なお、鋳鉄の表面
に２〜13％のＰを含むNi−Ｐ合金を被覆する方法として
は公知の電解メッキ、無電解メッキのいずれも使用でき
る。

本発明の第１摺動部材及び第２摺動部材からなる摺動
部材はピストンとシリンダの組合せに用いると特に好適
であるが、これに限定されるものではなく、上記の組合
せを以て様々な箇所の摺動部材として用いることができ
る。

［実施例］以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれら実施
例に限定されるものではない。なお、実施例中の％は全
て重量％を示すものとする。

（実施例１）第１摺動部材として、Zn:33.5％、Al:3.0％、Ni:2.0
％、Ti:1.5％及び残部がCuからなる銅合金製の棒材より
16mm×6mm×10mmのサイコロ試験片を製作した。このサ
イコロ試験片の硬さはHV200であった。一方、第２摺動
部材としてねずみ鋳鉄（JIS規格FC25）を用いて、外径3
5mm、内径30mm、幅10mmの円筒試験片を製作し、この円
筒試験片を硫酸ニッケル、次亜燐酸ソーダ、及び錯化剤
としてアルキルヒドロキシカルボン酸、反応促進剤とし
てアルキルジカルボン酸、安定剤及びPH調整剤を含んで
なる浴温90〜95℃のメッキ浴中に約50分浸漬して、表面
に厚さ25μｍのNi−Ｐ合金（Ｐ含量８％）のメッキ層を
形成した円筒試験片を得た。この合金メッキ層を形成し
た円筒試験片の硬さはHV500であった。

次に、得られたサイコロ試験片の16mm×6mmの面とメ
ッキ層を形成した円筒試験片の外周面とを接触させ、シ
リコンオイルを供給しながら荷重30Kg、回転数80r.p.m.
にて合金メッキ層を形成した円筒試験片を30分間回転さ
せる摩耗試験を行なった。その結果、サイコロ試験片の
摩耗量は摩耗痕深さで5.0μｍ、合金メッキ層を形成し
た円筒試験片の摩耗量は摩耗重量で5.0mgであった。な
お、両試験片の摩耗試験前の表面粗さはサイコロ試験片
が0.3μRz、合金メッキ層を形成した円筒試験片が1.6μ
Rzであった。

（実施例２）第１摺動部材として実施例１と同一のサイコロ試験片
を準備し、また第２摺動部材として実施例１と同一の合
金メッキ層を形成した円筒試験片を400℃で１時間熱処
理して硬さがHV900の円筒試験片を得た。

次にこれらの試験片を用いて実施例１と同様の手順で
摩耗試験を行なったところ、サイコロ試験片の摩耗痕深
さは2.0μｍ、熱処理を施した合金メッキ層を有する円
筒試験片の摩耗重量は0.1mgであった。なお両試験片の
摩耗試験前の表面粗さはそれぞれ実施例１のものと同等
であった。

（比較例１）第１摺動部材として実施例１と同一のサイコロ試験片
を準備し、また第２摺動部材としてねずみ鋳鉄（JIS規
格FC25、HV200）を用いて実施例１の合金メッキを施す
前の円筒試験片と同一の外径35mm、内径30mm、幅10mmの
円筒試験片を準備して実施例１と同様の手順で摩耗試験
を行なったところ、サイコロ試験片の摩耗痕深さは10.0
μｍ、円筒試験片の摩耗量は15.0mgであった。なお、量
試験片の摩耗試験前の表面粗さはそれぞれ実施例１のも
のと同等であった。

（比較例２）第１摺動部材として燐青銅合金（JIS規格C5191、硬度
HV150）製のサイコロ試験片（16mm×6mm×10mm）を製作
し、また第２摺動部材として実施例１と同一の合金メッ
キ層を形成した円筒試験片を準備して実施例１と同様の
手順で摩耗試験を行なったところ、サイコロ試験片の摩
耗痕深さは20μｍ、合金メッキ層を形成した円筒試験片
の摩耗量は25.0mgであった。なお、両試験片の摩耗試験
前の表面粗さはそれぞれ実施例１のものと同等であっ
た。

以上の試験片の結果を第１図に示す。

実施例３、４及び比較例３、４第１摺動部材として実施例１、２及び比較例１、２と
同一の材質の30mm×30mm×5mmの４種類の平板試験片を
製作し、一方、第２摺動部材として、実施例１、２及び
比較例１、２と同一の材質からなる、外径25.4mm、内径
20mm、長さ10mmの４種類の円筒試験片を製作して、それ
ぞれ平板試験片の30mm×30mmの面と合金メッキ層を形成
した円筒試験片の端面とを接触させ、シリコンオイルを
供給しながら回転数を77r.p.m.に固定して荷重を5Kgか
ら100Kgまで段階的に増加させ、各荷重に対する耐焼付
性を調べた。結果を第２図に示す。図中、実施例３、４
はそれぞれ実施例１、２の材質に、また、比較例３、４
はそれぞれ比較例１、２の材質に対応する。

実施例５、６及び比較例５、６タイミングベルト張力調整装置のピストンをZn:33.5
％、Al:3.0％、Ni:2.0％、Ti:1.5％及び残部がCuからな
る銅合金製の棒材を用いて製作した。また、シリンダを
実施例１、２及び比較例１、２の円筒試験片と同一の材
質で製作した。これら４種類のシリンダを前記ピストン
とそれぞれ組合わせてタイミングベルト張力調整装置を
構成し、実際の車輪のエンジンに取付け、6000r.p.m.で
無負荷の状態で940時間の耐久試験を行なった。結果を
表１に示す。表中のシリンダの材質は実施例５、６がそ
れぞれ実施例１、２の円筒試験片のものに、また、比較
例５、６がそれぞれ比較例１、２のものに対応する。

［発明の効果］本発明の摺動部材は、特定された成分構成からなる銅
合金製の第１摺動部材と摺動面に２〜13％のＰを含むNi
−Ｐ合金が表面被覆されてなる鋳鉄製の第２摺動部材と
で構成されているので両部材が摺動面において共に高硬
度であり、耐摩耗性、耐焼付性に優れている。また、第
２摺動部材は、摺動面のみに高硬度の材質を設け、本体
には鋳鉄を用いているので複雑な外形を有するシリンダ
でも容易に製造できる。更に、第１摺動部材にFe、Ti、
Cr、Mn、Si等を少量分散させた場合は第１部材の摺動面
の硬度が更に高くなり、摺動部材との馴染み性の点にお
いて一層優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の摺動部材と従来の摺動部材、各２例ず
つについて摩耗試験の結果を比較した図、第２図は本発
明の摺動部材と従来の摺動部材、各２例ずつについて耐
焼付性試験の結果を比較した図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１摺動部材とこれに摺接する第２摺動部
材とから構成される摺動部材であって、該第１摺動部材は、Zn:25〜40重量％と、Al:1.9〜5.2重
量％と、Ni:0.25〜3.0重量％と、残部Cuとよりなる銅合
金製であり、該第２摺動部材は、その摺動面に２〜13重量％のＰを含
むNi−Ｐ合金が表面被覆された鋳鉄で形成されているこ
とを特徴とする摺動部材。