JP2657402B2 - 摺動部材を組合わせた摺動構造 - Google Patents

摺動部材を組合わせた摺動構造

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は耐摩耗性の良好なる鉄系材料製摺動部材を組
合せた摺動構造に関するものである。
従来技術および発明が解決しようとする課題 二つの部材が摺動接触する場合、すべり摩耗を考慮し
なければならない。すべり摩耗は、摺動部材相互の材質
の組合せ,表面状態,摩耗条件などにより種々の形態を
とるが、その摩耗発生の機構からして凝着摩耗,研削摩
耗,腐蝕摩耗に大別される。
凝着摩耗は、機械的性質にさほど差がない金属同志
(同一材質同志を含む)が摩耗接触する場合に生じる摩
耗形態である。固体表面同志が摩耗接触する場合、真実
接触は表面の極く一部の突起部分だけで起き、その部分
の圧力が非常に高くなり、真実接触部分で変形を生ずる
ため、その部分の気体分子の吸着層,酸化膜,油膜など
の表面の汚れが取去られ、両固体面間に凝着が起る。そ
の結果、弱い方の材料が摺動表面層から持去られること
になる。
研削摩耗は、摩擦面の一方の硬さが他方の硬さより相
当高い場合に起り、接触圧力により硬さの高い方の表面
凸部が軟らかな材料の中に圧入され、すべり運動によっ
て軟らかい材料が削り取られて摩耗粉を生じる。
例えば、内燃機関のカム軸とロッカアーム,シリンダ
ーとピストンリング等の摺接関係で問題となるスカッフ
現象(摩擦面同志の凝着が激しく、主として弱い方の材
料が部材表面層から持ち去られる現象)は正に凝着摩耗
によって生ずる現象であり、本発明では、このスカッフ
現象を抑制することを主な課題としている。
本発明の目的は、互いに摺動接触する二つの摺動部材
のスカッフ発生等による異常摩耗を抑えて耐摩耗性を向
上させることである。
課題を解決するための手段および作用 この目的は、少なくとも摺動表面層が、基地相中に粒
上炭化物が分散した組織になされた鉄系材料製第一摺動
部材と、少なくとも摺動表面層が、マルテンサイト基地
相中に網目状炭化物が分散した組織になされた鉄系材料
製第二摺動部材とを組合前記第一摺動部材の摺動面に占
める炭化物の面積率を、前記第二摺動部材の摺動面に占
める炭化物の面積率よりも大きくすることによって達成
される。
摺動部材表面の基地相中に硬質粒子である粒状炭化物
を分散させるのは凝着摩耗を防ぐために有効であり、粒
状炭化物が相手摺動部材と接触して凝着摩耗が抑えられ
る。しかしながら、粒状炭化物を基地相中に極めて微細
に分散させた場合には、相手摺動部材と摩擦接触する間
に微細な粒状炭化物が基地相と共に持ち去られるため、
さほどの効果を期待できない。第1図は、鉄系材料製摺
動部材の摺動表面層における基地相1中に粗大な炭化物
粒子2を分散させた状態を示しており、該炭化物粒子2
が相手摺動部材と接触し、基地相1が保護される。
第2図に示すように、鉄系材料製摺動部材表面の基地
相3中に硬質の網目状炭化物4を分散させるのも凝着摩
耗を抑える上で有効であるり、このように炭化物量が多
い程スカッフの発生,拡大に対抗する効果を得ることが
できる。第2図は摺動表面5に直角な断面を示すが、炭
化物4は摺動表面5に沿う面内においても網目状をなし
ている。網目状炭化物4は基地相3を細分化するが故
に、基地相3の一部でスカッフ現象が発生しても、その
拡大が網目状炭化物4によって阻止され、主として網目
状炭化物4が相手摺動部材と接触することもあいまって
摺動部材の優れた耐摩耗性が発揮される。
基地相に発生したスカッフの拡大、伝播は炭化物によ
って阻止されるので、摺動部材の耐スカッフ性(スカッ
フ拡大防止特性)は炭化物間の距離によって支配され、
平均炭化物間距離が大きいと耐スカッフ性が小さく、平
均炭化物間距離が小さいと耐スカッフ性が大きい。いま
仮に2つの摺動部材における網目状炭化物と粒状炭化物
の占有面積率を等しくしたとすれば、網目状炭化物を有
する摺動部材の平均炭化物間距離は粒状炭化物を有する
摺動部材の平均炭化物間距離より小さくなる。従って網
目状の炭化物組織においては、粒状の炭化物組織に比べ
て、より小さい炭化物面積率で大きな耐スカッフ性を有
することができる。
一方、炭化物分散組織においては、基地相の強度が十
分大きくなければ、相手摺動部材との摺動接触の間に反
復して生じる応力が炭化物組織に集中し、炭化物の疲労
破壊が促進される(ピッチング現象)。従って、繰返し
荷重が作用する摺動部材において、網目状炭化物組織の
基地相をマルテンサイト組織にするのは疲労強度を高め
る意味で有効であり、網目状炭化物に作用する負荷を強
度の大きなマルテンサイト基地相に分散させ、網目状炭
化物に対する応力集中を避けることによって優れたピッ
チング抑制効果を得ることができる。しかしながら摺動
表面における炭化物の占有面積率が大きくなると基地相
が減じて繰り返し応力による疲労強度の低下を招くた
め、該占有面積率を50%以下にするのが望ましい。
以上のように、マルテンサイト基地組織に網目状炭化
物を分散させることにより、スカッフの発生,拡大およ
びピッチングに対抗する効果を得ることができる。しか
しこの網目状炭化物組織どうしの組合せにおいては、基
地相どうしの接触の機会が多くなりスカッフが発生し易
くなる。従って本発明においては、スカッフ発生等によ
る異常摩耗を押えて耐摩耗性を向上させる摺動部材の好
ましい組合せとして、マルテンサイト基地の網目状炭化
物分散組織と粒状炭化物分散組織との組合せが提案され
た。
なお、網目状炭化物に沿って適量のMnSを分散させる
ならば、基地相の強度低下を抑えながら、切削加工時
に、網目状炭化物に沿って分散したMnSが切くず生成の
際の亀裂発生または伝播源となり、被削性を向上させ得
る。
基地相に炭化物を分散させた鉄系摺動部材の組合せに
おいては、スカッフの発生を防止するには、各摺動部材
の摺動表面における炭化物の占有面積率を互いに異なら
せるのが有効であることが知られている。網目状炭化物
の面積率を粒状炭化物の面積率より小さくすることで、
スカッフとピッチングの両面から、耐摩耗性を向上させ
ることができる。
なお、炭化物面積率は次に示す方法に従って求めるも
のとする。
試料の切断面を研磨仕上げして腐蝕し、腐蝕面を顕微
鏡写真に撮影して、第3図に示す線分法により炭化物面
積率を求める。すなわち上記顕微鏡写真上に一定の面積
の矩形の視野を定め、炭化物粒子の大きさに見合う所定
間隔長(d0)で、平行な走査線6を引き、各炭化物粒子
7との交線の長さをl1,l2,…lnとし、走査線6の長さを
Lとして、次式により炭化物面積率を求める。
(ただし、mは走査線6の本数である。) なお、この手法は、画像解析装置によって実行するこ
とも可能である。
第一摺動部材用の好適な材料は、例えば18Cr鋳鋼であ
り、第二摺動部材用の好適な材料は、例えば下記組成で
示される。下記組成の材料を鋳造した後、表面相に高周
波焼入れ処理を施して第二摺動部材になす。
C…0.8〜2.0%,Si…0.4〜2.0% Mn…0.3〜1.5%,Cr…6.0〜20.0% Mo…0.3〜5.0%,S…0.05〜0.3% Fe…残部(数字はいずれも重量%) <各成分の添加理由> C(炭素)…炭化物組織を得るために添加する。0.8
%未満では炭化物組織が得られず、2.0%を超えると炭
化物量が過大になり、機械加工性が低下する。
Si…鋳造性を改善するために添加する。0.4%未満で
は鋳造性が悪く、2.0%を超えると材料の脆化を招く。
Mn…基地相を強化するために添加する。材料にSを添
加する場合にはMnSを生成して材料の被削性を向上させ
る。0.3%未満では基地相が強化されず、1.5%を超える
と高周波焼入れ時に残留オーステナイトが増加して硬度
が低下し、寸法の安定性が低下する。
Cr…炭化物を形成させ、セメンタイトを安定にし、パ
ーライトを微細にして材料の硬さ,耐摩耗性,耐熱性を
増大させるために添加する。6.0%未満では炭化物(Cr
炭化物)が晶出せず、15.0%を超えると機械加工性が悪
化するが、上限20.0%までは工具を適当に選定すること
により許容される。
Mo…基地相を強化し、高周波焼入れ後の焼戻し軟化を
防ぐために添加する。0.3%未満では焼戻し軟化抵抗効
果が得られず、5.0%を超えても軟化低抗効果に著しい
向上が見られない。
S…材料の被削性を向上させる場合に添加する。0.05
%未満では硫化物の分散が見られず、0.3%を超えると
被削性向上効果が少なく靭性を低下させる。
試 験 例 18Cr鋳鋼で形成した部材(40mmφ×40mm)を試験材A
として用意した。その基地はマルテンサイト組織で摺動
表面の粒状炭化物占有面積率は40%であった。
C…1.4%,Si…1.2%,Mn…0.7%,Cr…13%,Mo…0.7
%,S…0.15%(いずれも重量%),Fe…残部なる組成の
材料を鋳造後(網目状炭化物の炭化物占有面積率13
%)、高周波焼入れして基地をマルテンサイトとしたも
の(HRC 55)に、初期なじみ性を向上させるための表面
処理を施して試験材B(40mmφ×40mm)とした。表面処
理とは、焼入れ処理した部材を飽和水蒸気中で温度500
℃〜600℃に30〜90分間保持することにより部材表面にF
e3O4皮膜を形成せしめる処理である。なお、他の表面処
理法としては、酸洗→ショットブラスト処理→リン酸マ
ンガン皮膜形成→MoS2吹付け→焼付け(温度180℃、60
分間)なるMoS2焼付け処理があり、この表面処理を施し
ても良い。
チル鋳鉄で形成した部材(炭化物占有面積率60%)に
液体浸炭窒化処理を施し、更に初期なじみ性を向上させ
るための表面処理(前項参照)を施して試験材C(40
mmφ×40mm)とした。
クロム鋳鉄で形成した部材(炭化物占有面積率20%)
に液体浸炭窒化処理を施し、更に初期なじみ性を向上さ
せるための表面処理(前項参照)を施して試験材D
(40mmφ×40mm)とした。
試験材Aと試験材B,試験材Aと試験材C,および試験材
Aと試験材Dをいずれもその外周面で接触させ(面圧80
kg/mm2)、摺動面に潤滑油を滴下させつつ、試験材Aを
2000rpmで、試験材B,C,Dを2500rpmでそれぞれ回転さ
せ、150時間経過後の各試料材の表面状態を調べた。結
果を次表に示す。
<試験結果の評価> 試験材Bの網目状炭化物の炭化物占有面積率は13%で
あり、これと摺接する試験材Aの炭化物占有面積率は40
%であるが、80kg/mm2の高い面圧下においても両者共に
異常摩耗の発生はなく、網目状炭化物がマルテンサイト
基地相中に分散した組織構造の試験材Bは炭化物占有面
積率が小さいにもかかわらず優れた耐摩耗性を有するこ
とが判る。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、少なくとも摺動表面
層が、基地相中に粒状炭化物が分散した組織になされた
鉄系材料製第一摺動部材と、少なくとも摺動表面層が、
マルテンサイト基地相中に網目状炭化物が分散した組織
になされた鉄系材料製第二摺動部材から成り、前記第一
摺動部材の摺動面に占める炭化物の面積率を、前記第二
摺動部材の摺動面に占める炭化物の面積率よりも大きく
することが提案された。
この組合せでは、第一摺動部材の粒状炭化物分散組織
と第二摺動部材のマルテンサイト基地網目状炭化物分散
組織との組合せによって、両摺動部材の異常摩耗が効果
的に抑えられる。特に、第一摺動部材の粒状炭化物の摺
動表面における炭化物占有面積率を第二摺動部材におけ
る網目状炭化物の占有面積率よりも大きくすることによ
り、スカッフとピッチングの両面から耐摩耗性を向上さ
せることができる。さらに、第二摺動部材の網目状炭化
物に沿って適量のMnSを分散させることにより、該第二
摺動部材の被削性を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
第1図は基地相中に粗大な粒状炭化物が分散された鉄系
材料製第一摺動部材の摺動表面層を示す断面図、第2図
は基地相中に網目状炭化物粒子が分散された鉄系材料製
第二摺動部材の摺動表面層を示す断面図、第3図は炭化
物面積率を測定する方法を示す図面である。 1……基地相、2……炭化物粒子、3……基地相、4…
…網目状炭化物、5……摺動表面、6……走査線、7…
…炭化物粒子。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに摺動接触する第一摺動部材と第二摺
    動部材の組合わせにおいて、 少なくとも摺動表面層が、基地相中に粒状炭化物が分散
    した組織になされた鉄系材料製第一摺動部材と、少なく
    とも摺動表面層が、マルテンサイト基地相中に網目状炭
    化物が分散した組織になされた鉄系材料製第二摺動部材
    とから成り、 前記第一摺動部材の摺動面に占める炭化物の面積率が、
    前記第二摺動部材の摺動面に占める炭化物の面積率より
    も大きいことを特徴とする摺動部材を組合わせた摺動構
    造。
  2. 【請求項2】前記網目状炭化物中にMnSが分散している
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載された、
    摺動部材を組合せた摺動構造。
  3. 【請求項3】前記第二摺動部材が、C…0.8〜2.0%,Si
    …0.4〜2.0%,Mn…0.3〜1.5%,Cr…6.0〜20.0%,Mo…0.
    3〜5.0%(いずれも重量%),残部…Feおよび不可避不
    純物の鋳鋼鉄で形成されていることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項に記載された、摺動部材を組合せた摺動
    構造。
  4. 【請求項4】前記第二摺動部材が、C…0.8〜2.0%,Si
    …0.4〜2.0%,Mn…0.3〜1.5%,Cr…6.0〜20.0%,Mo…0.
    3〜5.0%,S…0.05〜0.3%(いずれも重量%),残部…F
    eおよび不可避不純物の鋳鋼で形成されていることを特
    徴とする特許請求の範囲第2項に記載された、摺動部材
    を組合せた摺動構造。
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