JP2813936B2 - 摺動面構成体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相手部材との摺動面を
構成する摺動面構成体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種摺動面構成体としては、例
えば内燃機関用ピストンにおいて、Ａｌ合金製母材のラ
ンド部およびスカート部外周面に、耐摩耗性の向上を狙
って設けられるＦｅメッキ層が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、内燃機
関が高速、且つ高出力化の傾向にある現在の状況下で
は、従来の摺動面構成体は耐摩耗性において難点がある
上、オイル保持性、つまり保油性が十分でなく、また初
期なじみ性も悪いため耐焼付き性が乏しいという問題が
ある。その上、機関始動時の無潤滑状態に近い状況下で
ランド部およびスカート部がシリンダボア内壁を摺動す
ると、硬さの高い鉄メッキ層によってシリンダボア内壁
の摩耗が進行することがある、といった問題もある。

【０００４】本発明は前記に鑑み、結晶構造を特定する
ことによって、比較的高い硬さ、十分な保油性および良
好な初期なじみ性を持ち、これにより耐摩耗性および耐
焼付き性を向上させることができ、また相手部材の摩耗
を抑制することができるようにした前記摺動面構成体を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る摺動面構成
体は、体心立方構造を持つ金属結晶の集合体より構成さ
れ、その集合体は、ミラー指数で（ｈｈ０）面を摺動面
側に向けた（ｈｈ０）配向性金属結晶と、ミラー指数で
（２ｈｈｈ）面を摺動面側に向けた（２ｈｈｈ）配向性
金属結晶とを含み、前記（ｈｈ０）配向性金属結晶の存
在率Ｓ _hh0 がＳ _hh0 ≧２０％であり、また前記（２ｈｈ
ｈ）配向性金属結晶の存在率Ｓ _2hhh がＳ _2hhh ≧２０％で
あることを特徴とする。

【０００６】ここで、前記存在率Ｓ _hh0 およびＳ _2hhh 、
つまりＳｍ（ｍは、ｈｈ０、２ｈｈｈ等のミラー指数、
以下同じ）について説明する。摺動面構成体が体心立方
構造、つまりｂｃｃ構造を持つ金属結晶の集合体より構
成されている場合、Ｘ線照射方向を摺動面に対し直角方
向に定めてＸ線回折を行うと、Ｘ線回折図には、原則と
して、（ｈｈ０）面を摺動面側に向けた（ｈｈ０）配向
性金属結晶、（ｈ００）面を摺動面側に向けた（ｈ０
０）配向性金属結晶、（２ｈｈｈ）面を摺動面側に向け
た（２ｈｈｈ）配向性金属結晶、（３ｈｈ０）面を摺動
面側に向けた（３ｈｈ０）配向性金属結晶および（ｈｈ
ｈ）面を摺動面側に向けた（ｈｈｈ）配向性金属結晶に
よるＸ線反射強度が現出する。

【０００７】この場合、各結晶面の測定感度が異なるの
で、それら測定感度を同一感度レベルに補正すべく、各
配向性金属結晶におけるＸ線反射強度の測定値Ｉｍは、
ＡＳＴＭカードにおいて、対応する結晶面のＸ線反射強
度比ＩＡｍで除され、これにより補正値Ｉｍ／ＩＡｍが
得られる。

【０００８】また、全ての配向性金属結晶によるＸ線反
射強度の測定値の和は、前記補正値の和Ｔとして表わさ
れる。

【０００９】そこで、本発明においては、或一種の配向
性金属結晶の存在率Ｓｍ（％）を Ｓｍ＝｛（Ｉｍ／ＩＡｍ）／Ｔ｝×１００と定義する。

【００１０】したがって、（ｈｈ０），（ｈ００），
（２ｈｈｈ），（３ｈｈ０）および（ｈｈｈ）配向性金
属結晶の存在率は次のように表わされる。 （ｈｈ０）配向性金属結晶：Ｓ _hh0 ＝｛（Ｉ _hh0 ／ＩＡ _hh0 ）／Ｔ｝×１００、 （ｈ００）配向性金属結晶：Ｓ _h00 ＝｛（Ｉ _h00 ／ＩＡ _h00 ）／Ｔ｝×１００、 （２ｈｈｈ）配向性金属結晶：Ｓ _2hhh ＝｛（Ｉ _2hhh ／ＩＡ _2hhh ）／Ｔ｝×１００ 、 （３ｈｈ０）配向性金属結晶：Ｓ _3hh0 ＝｛（Ｉ _3hh ／ＩＡ _3hh ）／Ｔ｝×１００ 、 （ｈｈｈ）配向性金属結晶：Ｓ _hhh ＝｛（Ｉ _hhh ／ＩＡ _hhh ）／Ｔ｝×１００ ここで、Ｉ _hh0 、Ｉ _h00 、Ｉ _2hhh 、Ｉ _3hh0 、Ｉ _hhh は各結晶面のＸ線反射強度 の測定値である。またＩＡ _hh0 、ＩＡ _h00 、ＩＡ _2hhh 、ＩＡ _3hh0 、ＩＡ _hhh はＡ ＳＴＭカードにおける各結晶面のＸ線反射強度比であって、ＩＡ _hh0 ＝１００、 ＩＡ _h00 ＝２０、ＩＡ _2hhh ＝３０、ＩＡ _3hh0 ＝１２、ＩＡ _hhh ＝６である。さら にＴは、Ｔ＝（Ｉ _hh0 ／ＩＡ _hh0 ）＋（Ｉ _h00 ／ＩＡ _h00 ）＋（Ｉ _2hhh ／ＩＡ _{2h hh} ）＋（Ｉ _3hh0 ／ＩＡ _3hh0 ）＋（Ｉ _hhh ／ＩＡ _hhh ）である。

【００１１】

【作用】（ｈｈ０）配向性金属結晶は摺動面において比
較的大きな板状をなし、その（ｈｈ０）面は原子の最密
面であることから、（ｈｈ０）配向性金属結晶は比較的
高い硬さを有すると共に強度も高い。

【００１２】一方、（２ｈｈｈ）配向性金属結晶は、摺
動面において小角錐状または小立方体状をなし、またそ
れらが相互に食込んで非常に入組んだ様相を呈する。そ
の上、（２ｈｈｈ）配向性金属結晶の（２ｈｈｈ）面は
２次すべり面であることから、その結晶は比較的高い硬
さを有し、強度も高い。

【００１３】そこで、（ｈｈ０），（２ｈｈｈ）配向性
金属結晶の両存在率Ｓ _hh0 およびＳ _2hhh を前記のように
設定すると、（ｈｈ０）配向性金属結晶間に、（２ｈｈ
ｈ）配向性金属結晶による油溜りが形成されることか
ら、摺動時における摺動面構成体の保油性が良好とな
る。また（ｈｈ０）配向性金属結晶におけるコーナ部の
優先的摩耗によって摺動面構成体の初期なじみ性も良好
である。これにより摺動面構成体の耐焼付き性が向上す
る。

【００１４】（ｈｈ０）配向性金属結晶のコーナ部の摩
耗が進行した後は、（ｈｈ０），（２ｈｈｈ）配向性金
属結晶が摺動荷重を担持することになるが、前記油溜り
効果と、（ｈｈ０），（２ｈｈｈ）配向性金属結晶の硬
さおよび強度とによって摩耗の進行が抑制されるので、
摺動面構成体の耐摩耗性が向上する。また無潤滑状態に
おいても、摺動面構成体は耐摩耗性を発揮すると共に相
手部材の摩耗を抑制する、といった摺動特性を発揮す
る。

【００１５】ただし、（ｈｈ０）配向性金属結晶の存在
率Ｓ _hh0 および（２ｈｈｈ）配向性金属結晶の存在率Ｓ
_2hhh の少なくとも一方がＳ _hh0 ＜２０％またはＳ _2hhh ＜
２０％では摺動面構成体の耐焼付き性、耐摩耗性および
相手部材に対する摩耗抑制効果が低下する。

【００１６】

【実施例】図１，図２において、内燃機関用ピストン１
はＡｌ合金製母材２を有し、その母材２のランド部３₁
およびスカート部３₂ 外周面に、メッキ処理により層状
摺動面構成体４が形成される。

【００１７】図３に示すように、摺動面構成体４は体心
立方構造（ｂｃｃ構造）を持つ金属結晶の集合体より構
成される。その集合体はミラー指数で（ｈｈ０）面を、
シリンダボア内壁５との摺動面４ａ側に向けた（ｈｈ
０）配向性金属結晶と、ミラー指数で（２ｈｈｈ）面を
摺動面４ａ側に向けた（２ｈｈｈ）配向性金属結晶とを
含み、（ｈｈ０）配向性金属結晶および（２ｈｈｈ）配
向性金属結晶の両存在率Ｓ _hh0 およびＳ _2hhh はそれぞれ
Ｓ _hh0 ≧２０％およびＳ _2hhh ≧２０％に設定されてい
る。

【００１８】図４に示すように、（ｈｈ０）配向性金属
結晶６₁ は摺動面４ａにおいては比較的大きな板状をな
し、その（ｈｈ０）面は原子の最密面であることから、
（ｈｈ０）配向性金属結晶６₁ は比較的高い硬さを有す
ると共に強度も高い。

【００１９】一方、（２ｈｈｈ）配向性金属結晶６
₂ は、摺動面４ａにおいて小角錐状または小立方体状を
なし、またそれらが相互に食込んで非常に入組んだ様相
を呈する。その上、（２ｈｈｈ）配向性金属結晶６₂ の
（２ｈｈｈ）面は２次すべり面であることから、その結
晶６₂ は比較的高い硬さを有し、強度も高い。

【００２０】そこで、（ｈｈ０），（２ｈｈｈ）配向性
金属結晶６₁ ，６₂ の存在率Ｓ _hh0 およびＳ _2hhh を前記
のように設定すると、（ｈｈ０）配向性金属結晶６₁ 間
に、（２ｈｈｈ）配向性金属結晶６₂ による油溜りが形
成されることから、摺動時における摺動面構成体４の保
油性が良好となる。また（ｈｈ０）配向性金属結晶６₁
におけるコーナ部の優先的摩耗によって摺動面構成体４
の初期なじみ性も良好である。これにより摺動面構成体
４の耐焼付き性が向上する。

【００２１】（ｈｈ０）配向性金属結晶６₁ のコーナ部
の摩耗が進行した後は（ｈｈ０）、（２ｈｈｈ）配向性
金属結晶６₁ ，６₂ が摺動荷重を担持することになる
が、前記油溜り効果と、（ｈｈ０），（２ｈｈｈ）配向
性金属結晶６₁ ，６₂ の硬さおよび強度とによって摩耗
の進行が抑制されるので、摺動面構成体４の耐摩耗性が
向上する。また無潤滑状態においても、摺動面構成体４
は耐摩耗性を発揮すると共に相手部材であるシリンダボ
ア内壁５の摩耗を抑制する、といった摺動特性を発揮す
る。

【００２２】図５に示すように、摺動面４ａに沿う仮想
面７に対する（ｈｈ０）面の傾きは摺動面構成体４の初
期なじみ性および耐摩耗性に影響を与える。そこで、
（ｈｈ０）面が仮想面７に対してなす傾き角θは０°≦
θ≦１５°に設定される。この傾き角θは、（２ｈｈ
ｈ）面についても、その小角錐の傾き、したがって保油
性に影響を与えるので、前記同様に０°≦θ≦１５°で
ある。この場合、（ｈｈ０）面、（２ｈｈｈ）面の傾き
方向については限定されない。（ｈｈ０）面および（２
ｈｈｈ）面について傾き角θがθ＞１５°になると、摺
動面構成体４の保油性および初期なじみ性が低下する。

【００２３】ｂｃｃ構造を持つ金属結晶としては、Ｆ
ｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ等の単体ま
たは合金の結晶を挙げることができる。

【００２４】本発明に係る摺動面構成体４を形成するた
めのメッキ処理において、電気Ｆｅメッキ処理を行う場
合の基本的条件は、表１、表２の通りである。

【００２５】

【表１】

【００２６】有機系添加剤としては、尿素、サッカリン
等が用いられる。

【００２７】

【表２】

【００２８】前記条件下で行われる電気Ｆｅメッキ処理
において、陰極電流密度、メッキ浴ｐＨ、有機系添加剤
の配合量等によって（ｈｈ０），（２ｈｈｈ）配向性Ｆ
ｅ結晶の晶出、その存在量等を制御する。

【００２９】メッキ処理としては、電気メッキ処理の外
に、例えば気相メッキ法であるＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ス
パッタ法、イオンプレーティング等を挙げることができ
る。スパッタ法によりＷ、Ｍｏメッキを行う場合の条件
は、例えばＡｒ圧力 ０．８Ｐａ、Ａｒ加速電力 直流
１ｋＷ、母材温度 １００℃である。ＣＶＤ法によりＷ
メッキを行う場合の条件は、例えば原材料 ＷＦ₆ 、ガ
ス流量１０cc／min 、チャンバ内圧力 １００Ｐａ、母
材温度 ５００℃である。

【００３０】以下、具体例について説明する。

【００３１】Ａｌ合金製母材２のランド部３₁ およびス
カート部３₂ 外周面に、電気Ｆｅメッキ処理を施すこと
によりＦｅ結晶の集合体より構成された摺動面構成体４
を形成して複数の内燃機関用ピストン１を製造した。

【００３２】表３、表４は、摺動面構成体４の例１〜１
２における電気Ｆｅメッキ処理条件を示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】表５，表６は、例１〜１２における摺動面
４ａの結晶形態、Ｆｅ結晶の粒径、各配向性Ｆｅ結晶の
存在率Ｓｍおよび硬さをそれぞれ示す。

【００３６】

【表５】

【００３７】

【表６】

【００３８】存在率Ｓｍは、例１〜１２のＸ線回折図
（Ｘ線照射方向は摺動面４ａに対して直角方向）に基づ
いて次式から求められたものである。 ｛１１０｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₁₁₀ ＝｛（Ｉ₁₁₀ ／ＩＡ₁₁₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２００｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₂₀₀ ＝｛（Ｉ₂₀₀ ／ＩＡ₂₀₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₂₁₁ ＝｛（Ｉ₂₁₁ ／ＩＡ₂₁₁ ）／Ｔ｝×１００、 ｛３１０｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₃₁₀ ＝｛（Ｉ₃₁₀ ／ＩＡ₃₁₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２２２｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₂₂₂ ＝｛（Ｉ₂₂₂ ／ＩＡ₂₂₂ ）／Ｔ｝×１００ ここで、Ｉ₁₁₀ 、Ｉ₂₀₀ 、Ｉ₂₁₁ 、Ｉ₃₁₀ 、Ｉ₂₂₂ は各結晶面のＸ線反射強度 の測定値（ｃｐｓ）であり、またＩＡ₁₁₀ 、ＩＡ₂₀₀ 、ＩＡ₂₁₁ 、ＩＡ₃₁₀ 、Ｉ Ａ₂₂₂ はＡＳＴＭカードにおける各結晶面のＸ線反射強度比で、ＩＡ₁₁₀ ＝１０ ０、ＩＡ₂₀₀ ＝２０、ＩＡ₂₁₁ ＝３０、ＩＡ₃₁₀ ＝１２、ＩＡ₂₂₂ ＝６である。 さらにＴは、Ｔ＝（Ｉ₁₁₀ ／ＩＡ₁₁₀ ）＋（Ｉ₂₀₀ ／ＩＡ₂₀₀ ）＋（Ｉ₂₁₁ ／Ｉ Ａ₂₁₁ ）＋（Ｉ₃₁₀ ／ＩＡ₃₁₀ ）＋（Ｉ₂₂₂ ／ＩＡ₂₂₂ ）である。

【００３９】図６は例２のＸ線回折図である。図７は、
例２における摺動面４ａの結晶構造を示す顕微鏡写真
（１０００倍）である。図７において、多数の比較的大
きな板状をなす（ｈｈ０）配向性Ｆｅ結晶と、多数の小
角錐状をなす（２ｈｈｈ）配向性Ｆｅ結晶とが観察され
る。（ｈｈ０）配向性Ｆｅ結晶は｛１１０｝配向性Ｆｅ
結晶であり、その存在率Ｓ ₁₁₀ は、表５、図６に示すよ
うに、Ｓ ₁₁₀ ＝３０％である。（２ｈｈｈ）配向性Ｆｅ
結晶は｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶であり、その存在率Ｓ
₂₁₁ は、表５、図６に示すように、Ｓ ₂₁₁ ＝４０％であ
る。｛１１０｝配向性Ｆｅ結晶間に、非常に入組んだ状
態で晶出している多数の｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶によ
って油溜りが形成される。

【００４０】次に、例１〜１２について、チップオンデ
ィスク方式による焼付きテストを行って、焼付き発生荷
重を求めたところ、表７の結果を得た。テスト条件は次
の通りである。ディスクの材質 Ａｌ−１０重量％Ｓｉ
合金、ディスクの回転速度１５ｍ／sec 、給油量 ０．
３ml／min 、摺動面構成体より製作されたチップの摺動
面の面積 １cm² 。

【００４１】

【表７】

【００４２】図８は、表７の例２，４，９，１１と焼付
き発生荷重との関係をグラフ化したものである。表７、
図８より、例２は、例４，９，１１に比べて焼付き発生
荷重が高いことが判る。これは、｛１１０｝配向性Ｆｅ
結晶および｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶の両存在率Ｓ ₁₁₀
およびＳ ₂₁₁ がそれぞれＳ ₁₁₀ ≧２０％およびＳ ₂₁₁ ≧
２０％であることに起因する。

【００４３】図９は、例１〜１２における｛１１０｝配
向性Ｆｅ結晶の存在率Ｓ ₁₁₀ と焼付き発生荷重との関係
を示す。図中、各点（１）〜（１２）は例１〜１２にそ
れぞれ対応する。また線ｘ₁ は｛２１１｝配向性Ｆｅ結
晶の存在率Ｓ ₂₁₁ が３０％≦Ｓ ₂₁₁ ≦４０％の場合に、
線ｘ₂ は｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶の存在率Ｓ ₂₁₁ が２
０％≦Ｓ ₂₁₁ ≦２３％の場合に、線ｘ₃ は｛２１１｝配
向性Ｆｅ結晶の存在率Ｓ ₂₁₁ がＳ ₂₁₁ ＝１５％の場合に
それぞれ該当する。

【００４４】図９から明らかなように、｛１１０｝、
｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶の存在率Ｓ ₁₁₀ およびＳ ₂₁₁
をそれぞれＳ ₁₁₀ ≧２０％およびＳ ₂₁₁ ≧２０％に設定
することによって、摺動面構成体の耐焼付き性を向上さ
せることができる。

【００４５】次に、｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶の存在率
Ｓ ₂₁₁ がＳ ₂₁₁ ≧２０％である例５〜８について、無潤
滑状態でチップオンディスク方式による摩耗テストを行
って、｛１１０｝配向性Ｆｅ結晶の存在率Ｓ ₁₁₀ と、チ
ップおよびディスクの摩耗量との関係を求めたところ、
表８および図１０の結果を得た。テスト条件は次の通り
である。ディスクの材質 Ａｌ−１０重量％Ｓｉ合金、
ディスクの回転速度０．５ｍ／sec 、荷重 １００Ｎ、
摺動距離 １km、摺動面構成体より製作されたチップの
摺動面の面積 １cm² 。摩耗量はディスクおよびチップ
の面積１cm²当りの減量（mg）である。

【００４６】

【表８】

【００４７】図１０は、表８をグラフ化したもので、図
中、点（５）〜（８）は例５〜８のチップにそれぞれ対
応する。

【００４８】表８および図１０から明らかなように、無
潤滑状態においても、｛２１１｝，｛１１０｝配向性Ｆ
ｅ結晶の存在率Ｓ ₂₁₁ およびＳ ₁₁₀ がそれぞれＳ ₂₁₁ ≧
２０％およびＳ ₁₁₀ ≧２０％である例５〜７のチップ
は、例８のチップに比べて摩耗量が減少し、また相手部
材であるディスクの摩耗を大幅に抑制する、といった摺
動特性を発揮する。

【００４９】前記摩耗テストは、無潤滑状態で行われた
が、潤滑状態での摩耗テストにおいても、無潤滑状態の
ときと略同様の傾向がみられた。なお、潤滑状態での摩
耗テスト条件は次の通りである。ディスクの材質 Ａｌ
−１０重量％Ｓｉ合金、ディスクの回転速度 ５ｍ／se
c 、給油量 ０．３ml／min 、荷重 １００Ｎ、摺動距
離 １０km、摺動面構成体より製作されたチップの摺動
面の面積 １cm² 。摩耗量については前記と同じであ
る。

【００５０】摺動面構成体は、例えば次のような内燃機
関用部品等の摺動部に適用される。ピストン（リング
溝）、ピストンリング、ピストンピン、コンロッド、ク
ランクシャフト、軸受メタル、オイルポンプロータ、オ
イルポンプロータハウジング、カムシャフト、スプリン
グ（端面）、スプリングシート、スプリングリテーナ、
コッタ、ロッカアーム、ローラベアリングアウタケー
ス、ローラベアリングインナケース、バルブステム、バ
ルブフェイス、油圧タペット、ウオータポンプロータシ
ャフト、プーリ、ギア、トランスミッションシャフト
部、クラッチプレート、ワッシャ、ボルト（座面、ねじ
部）。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、結晶構造を前記のよう
に特定することによって、耐焼付き性および耐摩耗性に
優れ、また相手部材の摩耗を抑制し得る摺動面構成体を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピストンの側面図である。

【図２】図１の２−２線断面図である。

【図３】体心立方構造およびその（ｈｈ０）面および
（２ｈｈｈ）面を示す斜視図である。

【図４】摺動面構成体の一例を示す要部平面図である。

【図５】体心立方構造における（ｈｈ０）面の傾きを示
す説明図である。

【図６】摺動面構成体の一例におけるＸ線回折図であ
る。

【図７】摺動面構成体における摺動面の結晶構造を示す
顕微鏡写真である。

【図８】例２，４，９，１１の焼付き発生荷重を示すグ
ラフである。

【図９】｛１１０｝配向性Ｆｅ結晶の存在率と焼付き発
生荷重との関係を示すグラフである。

【図１０】｛１１０｝配向性Ｆｅ結晶の存在率とチップ
およびディスクの摩耗量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

４ 摺動面構成体 ４ａ 摺動面 ６₁ （ｈｈ０）配向性Ｆｅ結晶 ６₂ （２ｈｈｈ）配向性Ｆｅ結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｊ 9/26 Ｆ１６Ｊ 9/26 Ｃ // Ｃ２５Ｄ 3/20 Ｃ２５Ｄ 3/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 体心立方構造を持つ金属結晶の集合体よ
   り構成され、その集合体は、ミラー指数で（ｈｈ０）面
   を摺動面側に向けた（ｈｈ０）配向性金属結晶と、ミラ
   ー指数で（２ｈｈｈ）面を摺動面側に向けた（２ｈｈ
   ｈ）配向性金属結晶とを含み、前記（ｈｈ０）配向性金
   属結晶の存在率Ｓ _hh0 がＳ _hh0 ≧２０％であり、また前
   記（２ｈｈｈ）配向性金属結晶の存在率Ｓ _2hhh がＳ _2hhh
   ≧２０％であることを特徴とする摺動面構成体。