JP3244959B2

JP3244959B2 - 耐摩耗性溶射層およびその形成方法ならびに耐摩耗性溶射層を被覆した摺動部材

Info

Publication number: JP3244959B2
Application number: JP18546994A
Authority: JP
Inventors: 徹硲野; 弘人福留; 信行山下
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 2002-01-07
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: GB9514312D0; JPH0827558A; GB2291071A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性溶射層に関し、
シリンダライナ等の摺動部材に被覆して有効である。

【０００２】

【従来の技術】エンジンを小型化、軽量化するために、
薄肉の鋼製のシリンダライナが検討されている。特開昭
５８−２７８６０号は、指定組成の鋼からなるシリンダ
ライナと指定組成の材料からなるピストンリングとを組
み合わせ、その一方に軟窒化処理を施すことを提案して
いる。しかし、このシリンダライナは、鋳鉄製のシリン
ダライナに比べて耐焼き付き性が劣る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本出願人は、特願平５
−３５０１０６号で、ＰＶＤ処理を施したピストンリン
グと指定組成の鋼製シリンダライナとを組み合わせるこ
とを提案し、さらに、特願平６−５６７４６号でＰＶＤ
処理を施したピストンリングと指定組成の鋼系材料を溶
射したシリンダライナとの組み合わせを提案した。

【０００４】しかし、いずれも、摺動相手材として、Ｔ
ｉＮやＣｒＮ等のＰＶＤ処理を施したピストンリングと
組み合わせる必要があり、摺動相手材が限定されてい
た。

【０００５】また、従来、摺動特性を改善するために摺
動面に溶射層を被覆することが提案されているが、従来
提案されている耐摩耗性の溶射被覆材料、例えばセラミ
ックス、モリブデン、フェロクロム、ニッケル基自溶性
合金等はいずれも高価で、鋼製シリンダライナの耐摩耗
性、耐焼き付き性を改善する表面処理としては適さな
い。

【０００６】本発明は、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れ
た溶射層およびその形成方法ならびに前記溶射層を被覆
した摺動部材を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の耐摩耗性溶射層
の構成は、重量％でＣ０．２５〜２．２％、Ｃｒ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｖの一種または二種以上を１３．０％以下（二
種以上の場合は合計値である。）含む鋼からなるととも
に、未溶融粒子がマトリックス中に１０〜５０％の面積
比率で分散しており、かつ、未溶融粒子とマトリックス
の硬度が相違し、高い方の硬度がＨＶ（ビッカース硬
さ）４００以上であることを特徴とする。

【０００８】未溶融粒子とマトリックスとの硬度差はＨ
Ｖ３０以上であるのが好ましい。より好ましくはＨＶ１
００以上、ＨＶ２５０以下が望ましい。なお、未溶融粒
子とマトリックスの中の硬度の低い方の硬度はＨＶ３０
０以上が望ましい。

【０００９】未溶融粒子の粒径は１０〜１００μｍの範
囲にあるのが好ましい。

【００１０】耐摩耗性溶射層の形成方法は、溶融を意図
する粒径小の鋼粉末と、未溶融のまま分散させることを
意図する粒径大の鋼粉末とからなる混合粉末を溶射して
マトリックス中に未溶融粒子が分散している溶射層を形
成することを特徴とする。

【００１１】前記混合粉末は同一組成の粉末材料、ある
いは溶射後の硬度が相違する二種以上の粉末材料から構
成される。

【００１２】同一組成の粉末材料を用いた場合は、未溶
融粒子の硬度がマトリックスの硬度よりも高くなる。

【００１３】溶射後の硬度が相違する二種以上の粉末材
料を用いた場合は、未溶融粒子として残す粒径の大きい
方の粉末材料を溶射後の硬度が高い方の粉末材料とすれ
ば、未溶融粒子の硬度をマトリックスの硬度よりも高く
でき、未溶融粒子として残す粒径の大きい方の粉末材料
を溶射後の硬度が低い方の粉末材料とすれば、未溶融粒
子の硬度をマトリックスの硬度よりも低くできる。

【００１４】上記耐摩耗性溶射層を鋼あるいはアルミニ
ウム合金からなるシリンダライナの内周面に被覆すれ
ば、高強度で、薄肉、軽量の摺動特性に優れたシリンダ
ライナを提供できる。

【００１５】

【作用】本発明の耐摩耗性溶射層は、マトリックス中に
マトリックスの硬度と異なる硬度の未溶融粒子が存在す
る。したがって、摺動中に硬度の低い部分に凹部が形成
され、その凹部が油溜まりとして機能するため、摺動特
性に優れる。

【００１６】そして、マトリックスと未溶融粒子に硬度
差が存在するため、長期間の摺動においても、常に硬度
の低い部分に凹部が形成されるので、良好な摺動特性が
長期間にわたって維持される。

【００１７】未溶融粒子がマトリックスよりも硬度が高
い場合は、マトリックス中に凹部が形成されるため、凹
部が連続して形成される傾向があり、未溶融粒子がマト
リックスよりも硬度が低い場合は、未溶融粒子部分に凹
部が形成されるため、凹部は非連続で形成される。した
がって、摺動条件、相手材等に応じ、より適した摺動面
を提供できる。

【００１８】未溶融粒子とマトリックスの中の高い方の
硬度がＨＶ４００未満であると、従来の鋳鉄製シリンダ
ライナよりも耐焼き付き性が低下する。したがって、未
溶融粒子とマトリックスの中の高い方の硬度はＨＶ４０
０以上が必要である。上限は相手攻撃性の点からＨＶ７
００が好ましい。なお、未溶融粒子とマトリックスの中
の高い方のより好ましい硬度はＨＶ５００以上、ＨＶ６
５０以下が望ましい。

【００１９】未溶融粒子の面積比率が顕微鏡組織で１０
％未満であると耐焼き付き性が従来の鋳鉄製シリンダラ
イナよりも低下する。また、５０％を越えると未溶融粒
子の密着性が低下し、耐摩耗性が低下する。したがっ
て、未溶融粒子の面積比率は１０〜５０％の範囲である
ことが必要である。より好ましくは２５％以上、４０％
以下が望ましい。

【００２０】未溶融粒子の粒径が１０μｍ未満である
と、溶射に際して、未溶融粒子の面積比率のコントロー
ルが困難となり、１００μｍを越えると溶射が困難にな
る。したがって、未溶融粒子の粒径は１０〜１００μｍ
が好ましい。より好ましくは３０μｍ以上、８０μｍ以
下が望ましい。

【００２１】Ｃ含有量は、０．２５％以上が耐摩耗性の
点で好ましく、２．２％以下が靱性の点で好ましい。よ
り好ましくは０．４％以上、１．５％以下が望ましい。

【００２２】炭化物生成元素（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ）の
含有量は、１３．０％以下が耐焼き付き性の点で好まし
い。下限は耐摩耗性の点から０．６％が好ましい。炭化
物生成元素（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ）のより好ましい含有
量は１．０％以上、７％以下が望ましい。

【００２３】

【実施例】経験的にシリンダライナとピストンリングの
摺動現象をよく再現することが知られている往復動摩耗
試験機を使用して、焼き付き試験と摩耗試験を行い、本
発明の耐摩耗性溶射層を評価した。

【００２４】往復動摩耗試験機と試験条件の詳細は、以
下の通りであった。

【００２５】（１）往復動摩耗試験機図５に往復動摩耗試験機の概略を示す。図５において、
１０は板状の試験片で、試験台１１上に載置固定され、
試験片１０の上面にピン状の試験片１２の先端が油圧ユ
ニット１３によって押接される。この状態で、試験台１
１がクランク機構１４により水平面内を往復動されるこ
とにより摩耗試験が行われる。１５は油圧荷重の表示
計、１６は摩擦力を検出するロードセル、１７は検出し
た摩擦力を記録する記録計である。

【００２６】（２）摺動相手材（ピン状試験片１２）材質が炭素工具鋼（ＪＩＳＳＫ５）で、先端を径１８
ｍｍに球面加工後、硬質Ｃｒめっきを施し、研磨仕上げ
した。硬質Ｃｒめっきのめっき厚さは１００μｍ、硬度
はＨＶ９００である。

【００２７】（３）試験片（板状試験片１０）材質が炭素鋼（ＪＩＳＳ４５Ｃ）、寸法が１７×１４
×７０（ｍｍ）で、片方の表面（摺動面）に種々の組成
の鋼材料を溶射した後、研磨仕上げした。

【００２８】（４）溶射方法内径１０８ｍｍの円筒状治具の内周面に試験片を固定
し、治具回転速度：３００ｒｐｍ、溶射ガン距離：４０
ｍｍ、溶射ガンストローク：１９０ｍｍ、往復動速度：
５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で高速ガス溶射法（ＨＶＯＦ
溶射法）で溶射した。溶射条件の詳細を表５に示す。

【００２９】（５）焼き付き試験軽油相当の粘度の潤滑剤を用い、往復動摩耗試験機によ
り荷重２ｋｇから始めて毎分２ｋｇの割合でステップ状
に荷重を増加して焼き付き試験を行った。

【００３０】（６）摩耗試験軽油相当の粘度の潤滑剤を用い、ならし期間の条件：２
ｋｇ（荷重）×１００ｃｐｍ（速度）×５ｍｉｎ（時
間）、テスト時の条件：１０ｋｇ（荷重）×６００ｃｐ
ｍ（速度）×６０ｍｉｎ（時間）で、往復動摩耗試験機
で試験した後、摩耗量を測定した。

【００３１】（７）未溶融粒子の面積率の測定溶射後に表面を研磨して画像解析装置により未溶融粒子
の面積率を測定した。

【００３２】〔焼き付き試験〕表１および表２に示す各
種の試験片を用いて焼き付き試験を行った。実施例１〜
３、比較例２〜３は、溶射後、各種の熱処理を行って未
溶融粒子の硬度を調整し、未溶融粒子の硬度が耐焼き付
き性に及ぼす影響を調べた。

【００３３】表１において、溶射粉末の粒度分布の欄、
熱処理の欄、および溶射条件の欄における記号の意味
は、それぞれ表３、表４および表５に示す。

【００３４】表２には、得られた焼き付き荷重も示して
ある。これによれば、未溶融粒子の硬度がＨＶ４００以
上のとき、比較例１のシリンダライナ用鋳鉄より高い焼
き付き荷重が得られた。

【００３５】さらに、未溶融粒子の面積比率が焼き付き
荷重に及ぼす影響を調べた。その結果、未溶融粒子の面
積比率が１０〜５０％のときに、比較例１のシリンダラ
イナ用鋳鉄の焼き付き荷重よりも高い焼き付き荷重が得
られた。

【００３６】

【００３７】（注１）比較例１はシリンダライナ用鋳鉄
であり、他の成分はＰ０．２％、Ｓ０．０３％、Ｃｕ
０．４％である。硬度はＨＲＢ（ロックウェル硬さ）９
６である。

【００３８】

【００３９】

【００４０】

【００４１】

【００４２】〔摩耗試験〕表６および表７に示す各種の
試験片を用いて摩耗試験を行った。図２にその結果を示
す。

【００４３】実施例９〜１７は、溶融を意図する粉末材
料と、未溶融のまま分散させることを意図する粉末材料
の組成を同一とした。

【００４４】実施例１８は、溶融を意図する粉末材料
と、未溶融のまま分散させることを意図する粉末材料の
組成を異なるものとした。実施例１８においては、未溶
融粒子となる粒径の大きい粉末材料のＣ含有量を、溶融
を意図する粒径の小さい粉末材料のＣ含有量よりも少な
くすることによって、マトリックスの硬度が未溶融粒子
の硬度よりも高くなるようにした。ちなみに、未溶融粒
子となる粒径の大きい粉末材料のＣ含有量を、溶融を意
図する粒径の小さい粉末材料のＣ含有量よりも多くすれ
ば、未溶融粒子の硬度がマトリックスの硬度よりも高い
溶射層を形成することができる。

【００４５】図２の試験結果に示すように、本発明の実
施例はいずれも比較例５のシリンダライナ用鋳鉄より
も、自身の摩耗量、相手材の摩耗量とも低い値が得られ
た。

【００４６】

【００４７】（注１）実施例１８は上段の組成粉末と下
段の組成粉末とを下記の混合比率で混合したものであ
る。上段組成粉末：下段組成粉末＝７：３

【００４８】（注２）比較例５はシリンダライナ用鋳鉄
であり、他の成分はＰ０．２％、Ｓ０．０３％、Ｃｕ
０．４％である。硬度はＨＲＢ（ロックウェル硬さ）９
６である。

【００４９】（注３）溶射粉末の粒度分布の欄および溶
射条件の欄における記号の意味はそれぞれ表３および表
５に示す。

【００５０】

【００５１】以上の焼き付き試験および摩耗試験で明ら
かなように、本発明の溶射層はいずれも従来のシリンダ
ライナ用鋳鉄よりも優れた摺動特性を示し、シリンダラ
イナ用の溶射層として優れた摺動特性を発揮できる。

【００５２】図１は本発明の溶射層における溶射層に平
行な面の顕微鏡写真の一例である。アトマイズ粉末の表
面部分は溶射中に溶融している可能性があり、また未溶
融部分も軟化して、溶射の際の衝突のため若干押しつぶ
されたような形状となる。したがって、使用したアトマ
イズ粉末の粒径と未溶融粒子の粒径が１対１に対応して
いない。しかし、図１の顕微鏡写真に示すように、未溶
融粒子は円形であり、周囲の溶融したマトリックスと容
易に区別できる。

【００５３】図３は本発明の溶射層を内周面に被覆した
シリンダライナの縦断面図、図４はエンジンのピストン
部分の一部分を示す縦断面図である。シリンダライナ１
がシリンダブロック２のボアに挿入固定され、シリンダ
ライナ１にピストン３が挿入されている。ピストン３に
形成されているピストンリング溝４にはピストンリング
５が装着されており、シリンダライナ１の内周面にピス
トンリング５の外周面が接触している。

【００５４】ピストンリング５の材質は鋼、鋳鉄、チタ
ン、あるいはチタン合金等で、例えばマルテンサイト系
ステンレス鋼が使用される。そしてピストンリング５の
外周面には例えば硬質Ｃｒめっき６が被覆されている。

【００５５】シリンダライナ１は母材が鋼、鋳鉄または
アルミニウム合金等で、例えば炭素鋼からなり、内周面
には例えば上記焼き付き試験や摩耗試験で示した実施例
１〜１８のいずれかに記載の鋼からなる溶射層７が形成
されている。溶射層７の厚さは３０〜３００μｍであ
り、より好ましくは５０μｍ以上、１００μｍ以下が望
ましい。

【００５６】以上のように、シリンダライナ１の母材を
炭素鋼とすれば、加工が容易でかつ安価に製造でき、高
強度で薄肉、軽量、小型の摺動特性に優れたシリンダラ
イナを提供できる。また、シリンダライナ１の母材をア
ルミニウム合金とすれば、高強度、軽量で摺動特性に優
れたシリンダライナを提供できる。

【００５７】なお、溶射層はＨＶＯＦ（ＨｉｇｈＶｅ
ｌｏｃｉｔｙＯｘｙ−ＦｕｅｌＳｐｒａｙｉｎｇ）溶
射法によって形成するに限らず、プラズマ溶射法やアー
ク溶射法等によって形成してもよい。

【００５８】また、本発明の耐摩耗性溶射層はシリンダ
ライナの少なくとも摺動面に被覆するに限らず、他の摺
動部材の少なくとも摺動面（例えばシリンダライナが装
着されていないシリンダブロック（材質：鋳鉄またはア
ルミニウム合金等）の少なくともボア内周面）にも適用
することができる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、耐
焼き付き性と耐摩耗性に優れた溶射層を提供できる。

【００６０】そして、本発明の溶射層を鋼製シリンダラ
イナに適用すれば、シリンダライナを安価で、しかも高
強度で薄肉、軽量、小型化することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶射層の組織を示す１００倍の顕微鏡
写真である。

【図２】摩耗試験の結果を示すグラフである。

【図３】本発明の溶射層を内周面に被覆したシリンダラ
イナの縦断面図である。

【図４】エンジンのピストン部分の一部分を示す縦断面
図である。

【図５】往復動摩耗試験機の概略を示す図である。

【符号の説明】

１シリンダライナ２シリンダブロック３ピストン４ピストンリング溝５ピストンリング６硬質Ｃｒめっき７溶射層１０、１２試験片１１試験台１３油圧ユニット１４クランク機構１５油圧荷重表示計１６ロードセル１７記録計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−274252（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 4/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ０．２５〜２．２％、Ｃｒ，
Ｍｏ，Ｗ，Ｖの一種または二種以上を１３．０％以下含
む鋼からなるとともに、未溶融粒子がマトリックス中に
１０〜５０％の面積比率で分散しており、かつ、未溶融
粒子とマトリックスの硬度が相違し、高い方の硬度がＨ
Ｖ４００以上であることを特徴とする耐摩耗性溶射層。
【請求項２】未溶融粒子がマトリックスよりも硬度が
高いことを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性溶射層。
【請求項３】マトリックスが未溶融粒子よりも硬度が
高いことを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性溶射層。
【請求項４】未溶融粒子とマトリックスとの硬度差が
ＨＶ３０以上であることを特徴とする請求項１、２、ま
たは３記載の耐摩耗性溶射層。
【請求項５】未溶融粒子の粒径が１０〜１００μｍの
範囲にあることを特徴とする請求項１、２、３、または
４記載の耐摩耗性溶射層。
【請求項６】溶融を意図する粒径小の鋼粉末と、未溶
融のまま分散させることを意図する粒径大の鋼粉末とか
らなる混合粉末を溶射してマトリックス中に未溶融粒子
が分散している溶射層を形成することを特徴とする耐摩
耗性溶射層の形成方法。
【請求項７】前記混合粉末が同一組成の粉末材料から
なることを特徴とする請求項６記載の耐摩耗性溶射層の
形成方法。
【請求項８】前記混合粉末が溶射後の硬度が相違する
二種以上の粉末材料から構成されており、未溶融粒子の
まま分散させることを意図する粒径の大きい方の粉末を
溶射後の硬度が高い方の粉末とし、溶融を意図する粒径
の小さい方の粉末を溶射後の硬度が低い方の粉末とした
ことを特徴とする請求項６記載の耐摩耗性溶射層の形成
方法。
【請求項９】前記混合粉末が溶射後の硬度が相違する
二種以上の粉末材料から構成されており、未溶融粒子の
まま分散させることを意図する粒径の大きい方の粉末を
溶射後の硬度が低い方の粉末とし、溶融を意図する粒径
の小さい方の粉末を溶射後の硬度が高い方の粉末とした
ことを特徴とする請求項６記載の耐摩耗性溶射層の形成
方法。
【請求項１０】請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩
耗性溶射層が少なくとも摺動面に被覆されていることを
特徴とする摺動部材。
【請求項１１】前記摺動部材がシリンダライナまたは
シリンダブロックであることを特徴とする請求項１０記
載の摺動部材。
【請求項１２】前記シリンダライナの母材が鋼、鋳鉄
またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項
１１記載の摺動部材。
【請求項１３】前記シリンダブロックの母材が鋳鉄ま
たはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１
１記載の摺動部材。