JP6951949B2 - 摺動機構 - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦特性に優れた鋳鉄材料に関する。
鋳鉄は良好な耐摩耗性と耐焼付き性とを有することから、内燃機関の摺動部品などの摺動材料として幅広く使用されている。
例えば、特許文献１には、耐摩耗性を向上させたシリンダライナ用鋳鉄として、質量％ で、Ｃ：３．０〜３．５％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｐ：０．２〜０．５％、Ｓ：０．１２％以下、Ｃｒ：０．１〜０．５％、Ｂ：０．０９〜０．１８％、Ｃｕ：０．４〜１．０％、Ｍｏ：０．１〜０．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成とし、主としてパーライトからなる基地相と、基地相中にステダイトとボロン化合物からなる硬質相を面積率で１４〜２２％分散させるとともに、片状黒鉛を９〜１５μｍの平均黒鉛間隔となるように分散させた組織としたものが記載されている。このシリンダライナ用鋳鉄によれば、腐食減量を従来に比べて半減することができ、また、焼付き限界荷重を従来に比べて約１．５倍とすることができる。
また、例えば、特許文献２には、化学組成が、ｍａｓｓ％でＣ：２．７〜３．３％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｃｒ：１８〜２５％、Ｍｏ：０．５〜４％、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｎ：０．２％未満を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、組織は３０〜４０面積％の晶出炭化物とこれを取り囲むマトリックスとからなり、マトリックスはマルテンサイトを主体とし、残留オーステナイトを一部含む焼き入れ組織を焼き戻した組織であり、マトリックス中に粒径が円相当直径で１μｍ以下の微細析出炭化物が分散し、その微細析出炭化物の全量が全組織に対して３．０〜１４面積％とされる耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄が記載されている。この耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄によれば、摩耗減量を従来に比べて半減することができる。
また、例えば、特許文献３には、黒鉛が方向性を持たず無秩序で且つ均一に分布した存在形態を備えるＡ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、質量％で、Ｃ：２．８〜４．０％、Ｓｉ：１．２〜３．０％、Ｍｎ：１．１〜３．０％、Ｐ：０．０１〜０．６％およびＳ：０．０１〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｍｎ含有量のＳ含有量に対する比（Ｍｎ／Ｓ）が３〜３００の範囲である化学組成を有するものが記載されている。この片状黒鉛鋳鉄によれば、引張強度を従来の１．２〜２倍程度に向上させることができ、かつ、良好な被削性も得ることができる。
また、例えば、特許文献４には、質量％で、Ｃ：２．４〜３．６％、Ｓｉ：０．８％以上２．８％未満、Ｍｎ：１．１〜３．０％を含み、さらに、Ｐ：０．０１〜０．６％、Ｂ：０．００１〜０．２％を含有し、あるいはさらにＳ：０．０１％超０．１５％以下、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で０．１〜６．０％、Ｗ、Ｖ、Ｎｂのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で０．０１〜５．０％、Ｓｎ：０．３％以下、Ｓｂ：０．３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有する組成と、さらに、炭化物が面積率で８％以下分散した組織とを有する片状黒鉛鋳鉄が記載されている。この片状黒鉛鋳鉄によれば、引張強度を従来の１．５倍程度に向上させることができる。
Ｕｓｈｉｏｄａ ｅｔａｌ， Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｌｏｗ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｃａｒ Ｍｏｔｏｒ Ｏｉｌｓ ｏｎ Ｆｕｅｌ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｅｎｇｉｎｅ Ｔｅｓｔｓ， ＳＡＥ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ２０１３−０１−２６０６
しかしながら、近年、エンジンオイルの撹拌抵抗を下げるために、エンジンオイルの低粘度化が進行しており、これにより高負荷の運転条件などで金属同士の直接接触が増え、摩擦が上昇し（例えば、非特許文献１参照）、また、焼き付きなどが生じてしまうという可能性がある。そこで、エンジンオイルに摩擦調整剤を添加して、摩擦の低下を図ることが行われている。従来、最も頻繁に使用されている摩擦調整剤として、ＭｏＤＴＣ（モリブデンジチオカーバメートまたはジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン）が存在する。しかし、添加剤としてＭｏ（モリブデン）を含む摩擦調整剤の作用メカニズムや、材料によって摩擦調整剤の効果が異なる理由について特定されていない。このため、これらのメカニズムを明らかにすることで、摩擦調整剤の効果を最大限発揮し、摩擦を低減することが望まれている。さらに、従来は、耐摩耗性などの特性を向上させるために硬さを高くしているものが多く、加工が難しく生産性に劣るという問題もあった。
本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、優れた摩擦特性を得ることができる鋳鉄材料を提供することを目的とする。
本発明の鋳鉄材料は、組成としてＣ及びＦｅを含むものであって、組成として、Ｃｒを質量％で１．０〜３．５％含み、組織として、片状黒鉛を含み、Ｍｏを含む潤滑油環境下で摺動する摺動部品に用いられるものである。
本発明の鋳鉄材料によれば、Ｃｒを質量％で１．０％以上含むので、摺動により表面に露出した活性なＣｒが潤滑油に含まれる添加剤の分解反応を促進し、低摩擦である二硫化モリブデンの被膜を形成させることができる。よって、摩擦を低減することができ、かつ、摩耗も低減することができ、焼き付き等も抑制することができる。また、Ｃｒを質量％で３．５％以下とするようにしたので、必要以上に硬くなることを抑制することができ、容易に加工することができる。
また、組成として、Ｓｉ、Ｃｕ及びＮｉからなる群のうちの少なくともＳｉを含み、それらの含有量は、質量％で、Ｓｉが２〜６．５％、Ｃｕが０〜１．５％、Ｎｉが０〜１．５％とするようにしたので、適当な硬さとすることができ、容易に加工することができる。
更に、エンジンの摺動部品に用いるようにすれば、摩擦を低減することができ、燃費を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１と図２は、本発明の一実施の形態に係る鋳鉄材料の組織の一例を示すものである。図1は黒鉛として片状黒鉛を含むものであり、図２は黒鉛として球状黒鉛を含むものである。この鋳鉄材料は、モリブデン（Ｍｏ）を含む潤滑油環境下で摺動する摺動部品に用いられるものであり、特に、エンジンの摺動部品に好ましく用いることができるものである。なお、Ｍｏを含む潤滑油というのは、構成元素としてＭｏを含む添加剤が添加された潤滑油を意味し、例えば、ＭｏＤＴＣなどの有機モリブデンが添加剤として添加された潤滑油を意味している。このように構成元素としてＭｏを含む添加剤は、例えば、摩擦調整剤として用いられている。
本実施の形態に係る鋳鉄材料は、組成として、炭素（Ｃ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、更に、クロム（Ｃｒ）を含んでいる。Ｃは、母材のパーライト地を強化するとともに、黒鉛を晶出させて、摺動性や耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させるものである。Ｃの含有量は、例えば、質量％で、２．０〜６．５％が好ましい。Ｃの含有量が少なければ、片状黒鉛が晶出せず、加工性などに影響するためである。
Ｃｒは、潤滑油に添加されているＭｏＤＴＣなどの構成元素としてＭｏを含む添加剤の分解反応を促進し、低摩擦である二硫化モリブデンの被膜を、より多く形成させるためのものである。二硫化モリブデンの被膜が形成されると、摩擦を低減することができ、かつ、摩耗も低減し、焼き付き等も抑制することができる。
ＣｒがＭｏＤＴＣなどの構成元素としてＭｏを含む添加剤を分解するメカニズムは次のように推定されている。まず、鋳鉄材料の表層に存在する酸化物層が摺動による摩擦で削られると、活性な金属（Ｆｅ及びＣｒ）が露出する。また、潤滑油に含まれるＭｏＤＴＣなどの添加剤は、熱により分解し、潤滑油中には、中間生成物である酸硫化モリブデン（ＭｏＳ２−ｘＯｘ）が存在している。金属のイオン化傾向は、Ｃｒ＞Ｆｅ≒Ｍｏであるので、Ｆｅよりも酸化しやすいＣｒが潤滑油中に存在する酸硫化モリブデンから酸素を奪い、クロム酸化物となる。一方で、酸素を奪われた酸硫化モリブデンは二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）となり、鋳鉄材料の上に被膜を形成する。なお、本実施の形態に係る鋳鉄材料について、ＭｏＤＴＣを添加した潤滑油環境下において摺動試験を行ったところ、試験後には鋳鉄材料の表面に図３のような反応膜を形成し、図４に示す通り、層状の二硫化モリブデンの被膜が形成されていることが確認された。
Ｃｒの含有量は、質量％で、１．０〜３．５％の範囲内が好ましい。１．０質量％未満では、Ｃｒにより二硫化モリブデンの被膜を形成する効果を十分に得ることができず、また、３．５質量％を超えると、鋳鉄材料が必要以上に硬くなり、容易に加工することが難しくなるからである。
また、本実施の形態に係る鋳鉄材料は、組成として、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群のうちの少なくともＳｉを含むことが好ましい。ＳｉはＣｒが炭化物を形成するのを抑制する効果があり、硬くなるのを抑え加工を容易にするためのものである。Ｓｉの含有量は、質量％で、２〜６．５％とすることが好ましい。２質量％未満では硬くなりすぎる場合があり、６．５質量％を超えると脆くなり強度が失われる可能性があるからである。
Ｃｕ及びＮｉも、Ｓｉと同様にＣｒが炭化物を形成することを抑制する効果があるが、Ｃｕ及びＮｉは含んでいても含んでいなくてもよい。Ｃｕの含有量は、質量％で、０〜１．５％とすることが好ましく、Ｎｉの含有量は、質量％で、０〜１．５％とすることが好ましい。この範囲内においてＣｒの炭化物形成を抑制し、硬くなりすぎず加工を容易にする効果を得ることができるからである。
なお、鋳鉄材料の硬さは、ブリネル硬さでＨＢ２００〜ＨＢ３８０の範囲内とすることが好ましい。ＨＢ３８０を超えてしまうと被削性が悪化し、加工が困難になるからである。
本実施の形態に係る鋳鉄材料の組織としては、母材がパーライト地よりなり、この母材中に、片状黒鉛または球状黒鉛と、晶出炭化物が分散している。また母材中にはＣｒが分散しており、これによりＭｏを含む摩擦調整剤の反応を促進し、二硫化モリブデンを形成することで、優れた摩擦特性を得ることができる。
この鋳鉄材料は、例えば、上述した組成の溶湯を、キュポラ、又は電気炉等の通常の溶製方法で溶製し、公知の鋳込み法で鋳造し凝固させることにより得ることができる。
このように本実施の形態によれば、Ｃｒを質量％で１．０％以上含むので、摺動により表面に露出した活性なＣｒが、潤滑油に含まれる摩擦調整剤の分解反応を促進し、二硫化モリブデンの被膜を形成させることができる。よって、摩擦を低減することができ、かつ、摩耗も低減することができ、焼き付き等も抑制することができる。また、Ｃｒを質量％で３．５％以下とするようにしたので、必要以上に硬くなることを抑制することができ、容易に加工することができる。
また、組成として、Ｓｉ、Ｃｕ及びＮｉからなる群のうちの少なくともＳｉを含み、それらの含有量は、質量％で、Ｓｉが２〜６．５％、Ｃｕが０〜１．５％、Ｎｉが０〜１．５％とするようにしたので、適当な硬さとすることができ、容易に加工することができる。
更に、エンジン部品または駆動部品の摺動部に用いるようにすれば、摩擦を低減することができ、燃費を向上させることができる。
（実施例１−１〜１−６、比較例１−１〜１−６）
質量％で、Ｃが２．６％、Ｃｒが２．６％、Ｓｉが４．４％、Ｃｕが１．０％、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、母材がパーライト地よりなり、この母材中に、片状黒鉛及び晶出炭化物が分散された組織を有する鋳鉄材料を作製した。得られた鋳鉄材料について、潤滑油環境下において、往復摺動型の摩擦試験を行った。潤滑油には、いずれもＭｏＤＴＣを添加した試験油を用い、実施例１−１〜１−６で種類を変えた。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。荷重は８０Ｎ、周波数は１０Ｈｚ、温度は８０℃とし、３０分試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
質量％で、Ｃが２．６％、Ｃｒが２．６％、Ｓｉが４．４％、Ｃｕが１．０％、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、母材がパーライト地よりなり、この母材中に、片状黒鉛及び晶出炭化物が分散された組織を有する鋳鉄材料を作製した。得られた鋳鉄材料について、潤滑油環境下において、往復摺動型の摩擦試験を行った。潤滑油には、いずれもＭｏＤＴＣを添加した試験油を用い、実施例１−１〜１−６で種類を変えた。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。荷重は８０Ｎ、周波数は１０Ｈｚ、温度は８０℃とし、３０分試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
比較例１−１〜１−６として、Ｃｒを含まず、質量％でＣが３．０％、Ｓｉが２．２％残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、母材がパーライト地よりなり、この母材中に、片状黒鉛及び晶出炭化物が分散された組織を有する鋳鉄材料を用い、本実施例と同様の摺動試験を行い、摩擦係数を測定した。潤滑油は、実施例１−１と比較例１−１、実施例１−２と比較例１−２、実施例１−３と比較例１−３、実施例１−４と比較例１−４、実施例１−５と比較例１−５、実施例１−６と比較例１−６で、それぞれ同一のものを用いた。
得られた結果を図５に示す。図５に示したように、本実施例によれば、いずれも、摩擦係数を低下させることができた。すなわち、組成としてＣｒを含む鋳鉄材料では、摩擦を低減できることが分かった。
（実施例２−１〜２−４、比較例２−１〜２−４）
質量％で、Ｃが３．２％、Ｃｒが２．５％、Ｓｉが４．９％、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、母材がパーライト地よりなり、この母材中に、球状黒鉛及び晶出炭化物が分散された組織を有する鋳鉄材料を作製した。得られた鋳鉄材料について、潤滑油環境下において、往復摺動型の摩擦試験を行った。潤滑油には、いずれもＭｏＤＴＣを添加した試験油を用い、実施例２−１〜２−４で種類を変えた。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。荷重は８０Ｎ、周波数は１０Ｈｚ、温度は８０℃とし、３０分試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
質量％で、Ｃが３．２％、Ｃｒが２．５％、Ｓｉが４．９％、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、母材がパーライト地よりなり、この母材中に、球状黒鉛及び晶出炭化物が分散された組織を有する鋳鉄材料を作製した。得られた鋳鉄材料について、潤滑油環境下において、往復摺動型の摩擦試験を行った。潤滑油には、いずれもＭｏＤＴＣを添加した試験油を用い、実施例２−１〜２−４で種類を変えた。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。荷重は８０Ｎ、周波数は１０Ｈｚ、温度は８０℃とし、３０分試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
比較例２−１〜２−４として、Ｃｒを含まず、質量％でＣが３．５％、Ｓｉが２．４％、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、母材がパーライト地よりなり、この母材中に、球状黒鉛及び晶出炭化物が分散された組織を有する鋳鉄材料を用い、本実施例と同様の摺動試験を行い、摩擦係数を測定した。潤滑油は、実施例２−１と比較例２−１、実施例２−２と比較例２−２、実施例２−３と比較例２−３、実施例２−４と比較例２−４で、それぞれ同一のものを用いた。
得られた結果を図６に示す。図６に示したように、本実施例によれば、いずれも、摩擦係数を低下させることができた。すなわち、組成としてＣｒを含む鋳鉄材料では、摩擦を低減できることが分かった。
（実施例３−１〜３−４、比較例３−１〜３−３）
Ｃｒ量、Ｓｉ量、Ｎｉ量、Ｃｕ量が異なり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有する鋳鉄材料を作製した。得られた鋳鉄材料について、ＭｏＤＴＣを含む潤滑油環境下で摩擦試験を行った。摩擦試験はボールオンディスク型の試験を行い、相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。荷重は１０Ｎ、摺動速度は０．５ｍ／s、温度は８０℃であり、３０分試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
Ｃｒ量、Ｓｉ量、Ｎｉ量、Ｃｕ量が異なり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有する鋳鉄材料を作製した。得られた鋳鉄材料について、ＭｏＤＴＣを含む潤滑油環境下で摩擦試験を行った。摩擦試験はボールオンディスク型の試験を行い、相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。荷重は１０Ｎ、摺動速度は０．５ｍ／s、温度は８０℃であり、３０分試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
比較例として比較例３−１はＣｒを１．０％未満含むもの、比較例３−２及び３−３はＣｒを３．５％を超えて含むものである。実施例３−１及び３−２はＣｒを１．０％程度含むもの、実施例３−３及び３−４はＣｒを２．３〜２．５５％程度含むものである。実施例３−１と３−２、及び３−３と３−４はそれぞれＳｉ量及びＣｕ量が異なるものである。
得られた結果を図７に示す。図７に示すとおり、Ｃｒ量の少ない、比較例３−１では摩擦係数が高いのに対し、実施例３−１〜３−４では摩擦係数が低く、半分以下になることが分かった。Ｃｒ量の多い比較例３−２及び３−３は、摩擦係数は低いものの、硬くなりすぎることが分かった。
（実施例４−１〜４−３、比較例４−１，４−２）
Ｃｒ量、Ｓｉ量、Ｎｉ量、Ｃｕ量が異なり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有する鋳鉄材料により、円弧断面を持つ試験片を作製した。得られた試験片についてＭｏＤＴＣを含む潤滑油環境下で摩擦試験を行った。荷重は８０Ｎ、周波数は１０Ｈｚ、温度は８０℃とし、３０分摩擦試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
Ｃｒ量、Ｓｉ量、Ｎｉ量、Ｃｕ量が異なり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有する鋳鉄材料により、円弧断面を持つ試験片を作製した。得られた試験片についてＭｏＤＴＣを含む潤滑油環境下で摩擦試験を行った。荷重は８０Ｎ、周波数は１０Ｈｚ、温度は８０℃とし、３０分摩擦試験し安定した時の摩擦係数を測定した。
比較例４−１及び４−２としてＣｒを１．０％未満含むもの、実施例４−１〜４−３としてＣｒ量を１．０〜３．５％含むものである。実施例４−１〜４−３はそれぞれＳｉ量及びＣｕ量が異なるものである。
得られた結果を図８に示す。図８に示す通りＣｒ量が１．０％未満の比較例４−１及び４−２と比較して、Ｃｒ量が１．０〜３．５％の実施例４−１〜４−３では、摩擦係数が２０％程度低くなることが分かった。このことから自動車用エンジンを想定し、ピストンリングを相手材として摺動するシリンダライナにおいても、本発明による鋳鉄材料は摩擦を低減することが明らかとなった。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、鋳鉄の組成について具体的に説明したが、他の元素を含んでいてもよい。例えばＭｇ、ＭｎやＳ、Ｐなどである。
本発明は、相互に摺動する摺動面を有する一対の摺動部材と、該対向する摺動面間に介在する潤滑油と、を備えた摺動機構において、前記摺動面の少なくとも一方は、組成として炭素（Ｃ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、さらにクロム（Ｃｒ）を質量％で１．０〜３．５％含み、組織として黒鉛を含む鋳鉄材料からなり、前記潤滑油は添加剤としてモリブデン（Ｍｏ）を含むことを特徴とする摺動機構、としても把握される。
Claims (4)
- 相互に摺動する摺動面を有する一対の摺動部材と、該対向する摺動面間に介在する潤滑油と、を備えた摺動機構であって、
前記摺動面の少なくとも一方は、組成として、炭素（Ｃ）を２．０〜６．５質量％と、クロム（Ｃｒ）を１．０〜３．５質量％と、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群のうちの少なくともＳｉとを含み、それらの含有量は、Ｓｉが２〜６．５質量％、Ｃｕが０〜１．５質量％、Ｎｉが０〜１．５質量％であり、残部が鉄（Ｆｅ）及び不純物からなり、組織として、黒鉛を含む鋳鉄材料により構成され、
前記潤滑油は添加剤としてモリブデン（Ｍｏ）を含む
ことを特徴とする摺動機構。 - 前記鋳鉄材料は、ブリネル硬さがＨＢ２００〜ＨＢ３８０であることを特徴とする請求項１記載の摺動機構。
- 前記鋳鉄材料は、摺動により、表面に二硫化モリブデンを含む被膜が形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の摺動機構。
- エンジン部品及び駆動部品の摺動部に用いられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１に記載の摺動機構。
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