JPH02259048A

JPH02259048A - 摺動部材

Info

Publication number: JPH02259048A
Application number: JP8298289A
Authority: JP
Inventors: Yukio Hosotsubo; 幸男細坪; Yuji Kawakami; 川上　雄士
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1990-10-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】イ、産業上の利用分野本発明は、摺動部材に関し、例えば内燃機関のピストン
リングとして好適な摺動部材に関する。

口、従来技術近年、自動車用往復動内燃機関（ディーゼルエンジン及
びガソリンエンジン）の高速、高負荷及び長寿命化に伴
って、ピストンリングに要求される品質が高度となり、
その材料には鋳鉄に替わつて鋼、例えばステンレス鋼が
使用されるようになってきている。また、従来から、ピ
ストンリングには耐摩耗性を付与するために、摺動面特
に外周面に硬質クロムめっきを施したものが多用されて
いる。然し乍ら、硬質クロムめっき層は、高鉛ガソリン
を使用する場合や腐蝕性雰囲気下で使用する場合には、
耐摩耗性が満足し得るには至っていない。また、硬質ク
ロムめっき層は、めっき処理に長時間を要することと廃
液処理とがコスト高の原因になっている。

上記の対策として、外周面に硬質の溶射表面層を形成さ
せたり、１３重量％又は１７重重量のクロムを含有する
マルテンサイト系ステンレス鋼等に窒化処理を施したピ
ストンリングが使用されるようになってきている。然し
、硬質溶射表面層は、気孔が内在するので保油性を有し
、優れた耐摩耗性を示すのであるが、運転中に局部的な
剥離や脱落が起る等の問題がある。また、上記のマルテ
ンサイト系ステンレス鋼に窒化処理を施したピストンリ
ングは、腐蝕性雰囲気下での耐摩耗性及び摺動相手材を
摩耗させないという点では優れているが、耐スカツフ性
が不充分であって高負荷の内燃機関に使用するとスカッ
フが発生し易い。

鋼製ピストンリングは、鋳鉄製ピストンリングとは異な
り、望性加工によって製造されるものである。従って、
鋼製ピストンリングを改善する場合、インゴットから線
材に加工する工程及び線材をピストンリング形状に加工
する工程での加工性を劣化させないという制約を受ける
。この制約から、鋼製ピストンリングの性能向上には限
界がある。

ハ０発明の目的本発明は、耐摩耗性、耐スカツフ性に優れ、組合せて使
用する相手摺動部材の摩耗が少なく、かつ、製造の容易
な摺動部材を提供することを目的としている。

二１発明の構成本発明は、炭素０．８〜１．５重量％、珪素１．０〜ナ
ジウム０．１〜０．２重量％、コバルト２．０〜１０．
０重量％、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、少な
くとも主要摺動面に窒化層が形成されている摺動部材に
係る。

ホ０発明の作用効果本発明者は、鋭意研究の結果、摺動部材を特定の化学組
成としてこれに窒化処理を施すことにより、優れた耐摩
耗性、耐スカツフ性を示し、相手摺動部材の摩耗も少な
く、その上、鋳造性が良好で従来の鋳鉄製摺動部材にお
けると同様に鋳造及びその後の機械加工によって容易に
製造できる摺動部材を開発した。

以下、上記化学組成について説明する。

炭素は、基地中に固溶して硬度を高めると共に、クロム
、モリブデン、バナジウムと結合して硬質の炭化物を形
成し、耐摩耗性、耐スカツフ性を改善する。炭素含有量
が０．８重量％（以下、重量％を単に「％」で表わす。

）未満では、炭化物の形成量が耐摩耗性、耐スカツフ性
の改善に充分ではなく、また、溶湯の流動性が悪くて引
けず、湯境等の鋳造欠陥が発生するようになる。炭素含
有量が１．５％を越えると、炭化物の量が多くなり過ぎ
て靭性が低下し、例えばピストンリングに要求される機
械的強度が得られない。

珪素は、溶湯の流動性を良くして鋳造性を改善すること
を目的として含有され、その含有量が１，０％未満では
上記効果が顕著ではなく、２．０％を越えると脆くなっ
て機械的強度が低下する。

マンガンは、機械的強度の改善及び炭化物安定剤として
作用し、また、溶湯の脱硫、脱酸作用を有する。その含
有量が、０．５％未満では上記の効果が顕著ではなく、
１．０％を越えても上記効果の増大は顕著ではなくなる
。

クロムは、鉄及び炭素と結合して硬質の炭化物（Ｆ　ｅ
、Ｃｒ）、、Ｃ，（Ｆ　ｅ、Ｃｒ）、Ｃ３を網目状に形
成させると共に、窒化処理によって表面に更に硬質の炭
窒化物が形成され、耐摩耗性、耐久力・シフ性を著しく
向上させる。クロム含有量が７．５％未満では、上記網
目状の炭化物及び炭窒化物の生成量が不足して耐摩耗性
、耐スカツフ性改善の効果が顕著ではなく、これが１５
．０％を越えると上記炭化物、炭窒化物の生成量が多く
なり過ぎて母材、窒化層共に靭性が低下するようになる
。

モリブデンは、クロムと同様に鉄及び炭素と結合して硬
質の炭化物を形成し、耐摩耗性、耐スカツフ性を改善す
る。また、一部基地中に固溶して靭性を高めると共に、
５００°Ｃ以上の加熱による焼戻し軟化に対する抵抗を
付与することにより、窒化処理による母材硬度の低下を
防ぐ。モリブデン含有量が０．８％未満では上記の効果
が充分には奏せられず、これが１．５％を越えると炭化
物の量が多くなり過ぎて靭性が低下するようになる。

バナジウムは、クロム、モリブデンと同様に鉄及び炭素
と結合して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性、耐スカツ
フ性改善に寄与する。バナジウム含有量が０．１％未満
では上記効果が充分には得られず、これが０．２％を越
えても上記効果の増大は顕著ではない。

コバルトは、炭化物を形成せず、従って炭化物形成によ
る耐摩耗性、耐スカツフ性改善には直接寄与しないが、
殆どが基地中に固溶して焼戻し硬さ及び赤熱硬さを上昇
させることにより、耐スカツフ性を改善する。コバルト
含有量が２％未満では耐スカツフ性改善の効果が充分に
は奏せられず、これが１０％を越えると基地が脆化して
機械的強度が低下し、耐スカツフ性は却って劣化するよ
うになる。

本発明における窒化処理又は軟窒化処理は、アンモニア
雰囲気中で５５０〜６００″Ｃに３００〜６００分間加
熱するのが好ましい。この処理によって摺動部材の表面
には、深さ９０〜１２０μｍの窒化層が形成されて表面
硬度が高くなり、表面層の網目状の硬質炭化物は更に硬
質の炭窒化物に変化し、耐摩耗性、耐スカツフ性が著し
く改善される。

以上説明したように、上記所定量の各構成元素成分の作
用による相乗効果によって硬質の炭化物が網目状に形成
され、更に窒化処理によって表面の窒化層では上記網目
状の炭化物が更に硬い炭窒化物に変化し、この炭窒化物
が表面から僅か突出するようになって基地が油溜りとな
る。その結果、耐摩耗性、耐スカツフ性が著しく改善さ
れる。また、基地は靭性に冨んでいるので、摺動部材の
機械的強度も高い。

へ、実施例以下、本発明の詳細な説明する。

前述の合金元素のうちの１種のみ含有量を変化させ、他
の合金元素の含有量を略一定にして試験片素材を鋳造し
、研削仕上げを施して５　ｍｍ　Ｘ　５　ｍｍの角柱試
験片とし、窒化処理を施してスカッフ試験及び摩耗試験
に供した。鋳造は、通例の高周波誘導炉による熔解によ
り、生砂型に注湯して素材とした。窒化処理は、アンモ
ニア気流中で５７０°Ｃに４２０分間加熱の処理により
、正方形端面に深さ約０．１ｍｍの窒化層を形成させ、
この窒化層を研摩仕上げした。研摩仕上げの仕上げ代は
０．０３ｍｍである。

第１図は、１．１０％Ｃ１１，５０％Ｓｉ、０．８％Ｍ
ｎ。

１２．０％Ｃｒ、１．０％Ｍｏ、０．１５％■、８．０
％ＣＯ１残部Ｆｅの試験片母材の組織を示す倍率４００
倍の顕微鏡写真である。ソルバイトの基地中に、白色を
呈する共晶炭化物及び白色を呈し網目状に析出した初析
炭化物が観察される。

第２図は本発明を適用したピストンリングの拡大断面図
である。この例ではピストンリング２０はバレルフェー
スの圧力リングである。母材２１は前述の化学組成及び
組織を有していて、外周面（シリンダライナと摺接する
面）に窒化層２２が形成されている。この例では外周面
にのみ窒化層を形成しているが、外周面に加えて、ピス
トンのリング溝の面に摺接（衝突と摺動とが合成された
摺接）する上、下面にも窒化層を設けて良いことは言う
迄もない。

スプ」じｉ狡試験装置は第９図及び第９図のＸ−Ｘ線に沿う矢視側面
図である第１０図に概要を図解的に示すものであって、
ステータホルダ１に取外し可能に取付けられたｌＫ１円
板試験片２の中央には裏側から注油孔３を通じて潤滑油
が注油される。ステータホルダ１には図示しない油圧装
置によって図に於いて右方へ向けて所定圧力で押圧力Ｐ
が作用するようにしである。円板試験片２に相対向して
ロータ４があり、図示しない駆動装置によって所定速度
で回転するようにしである。ロータ４の円板試験片２に
対する端面に取付けられた試験片保持具４ａには正方形
端面を摺動面として角柱試験片５が同心円上に等間隔に
４個取外し可能に、かつ円板試験片２に対して摺動自在
に取付けである。

このような装置において、ステータ１に所定の押圧力Ｐ
をかけ、所定の面圧で円板試験片２と角柱試験片５の表
面層（窒化層）５ａとが接触するようにしておいて、注
油孔３から摺動面に所定給油速度で給油しながらロータ
４を回転させる。

定時間毎にステータ１に作用する圧力を段階的に増加し
てゆき、ロータ４の回転によって角柱試験片５と円板試
験片２との摩擦によってステータ１に生ずるトルク（摩
擦力によって生ずるトルク）Ｔをスピンドル６を介して
ロードセル７に作用せしめ、その変化を動歪計８で読み
取り、記録計９（Ｑ）ラフ性の良否を判断する。

試験条件は次に示す通りである。

円板２の材料ニジリンダライナ用鋳鉄ＦＣ２５摩擦速度
　　：８ｍ／ｓｅｃ潤滑油　　　：無添加モータオイル＃３０（温度８０°
Ｃ）を３００ｍ／ｍｉｎ給油接触圧力　　：試験開始時２０ｋｇ／ｃ＋ｆｌ、その後
３分間経過毎に１０ｋｇ／ｃ＋＋ｌずつ上昇炭素、クロム、コバルトの含有量を変化させての試験結
果を例に挙げると、第３図〜第５図に示す通りである。

第３図〜第５図で、１０ｋｇ／ｃｔａ単位の目盛の中間
にプロットされた点は、接触面圧上昇の途中でスカッフ
が発生したことを示している。

第３図〜第５図から、次のことが理解できる。

炭素が０．８％未満、クロムが７．５％未満、コバルト
が２％未満では、スカッフ発生面圧が後述する比較例ｅ
（従来例）のスカッフ発生面圧を下廻る又はこれに近付
くように低下する。また、コバルトが１０％を越えると
スカッフ発生面圧が比較例ｅのスカッフ発生面圧に近付
くように低下する。

比較のだ峠に、前記第１図の母材に窒化処理を施した試
験片と対比して、下記表に示すように、上記試験片（ａ
）に窒化処理を省略したもの（ｂ）、１３％クロムを含
有するクロム鋼に窒化処理を施したもの（Ｃ）、同じく
窒化処理を施さなかったも（７）（ｄＬ１７％クロムを
含有するクロム鋼に窒化処理を施したもの（ｅ）、同じ
く窒化処理を施さなかったもの（ｆ）、及びピストンリ
ング用鋳鉄に硬質クロムめっきを施したもの（ｇ）につ
いて同様の試験を行った。

試験結果は第１１図に示す通りであって、本実施例（ａ
）は特に優れた耐スカツフ性を示している。

摩１Ｍ晩第１２図に概要を示す科研式摩耗試験機によって摩耗試
験を行った。支点１３で支持される揺動可能なレバー１
２には試験片ホルダ１２ａが設けられていて、試験片ホ
ルダ１２ａに取付けられた５　ｏ＋ｍ　Ｘ　５　ｍの角
柱試験片５の窒化層５ａが円柱試験片１１に接触する。

試験片５は、レバー１２の先端部に取付けられた重錘１
４によって所定の接触荷重で円柱試験片１１に接触する
ようにしである。円柱試験片１１は図示しない駆動装置
によって所定速度で回転するようになっていて、角柱試
験片５と円柱試験片１１との摺接箇所には、ノズル１５
からｐＨ２の硫酸水溶液を滴下するようになっている。

このような試験機により、下記の条件で摩耗試験を行っ
た。

円柱試験片１１の材料ニジリンダライナ用鋳鉄ＦＣ２５硫酸水溶液滴下量　　：Ｏ，１ｒｒｄｌ／ｓｅｃ接触荷
重　　　　　　：４ｋｇ摩擦速度　　　　　　：　０．２５ｍ　／ｓｅｃ摩擦距
離　　　　　　：５．４ｋｍ炭素、クロム、コバルトの含有量を変化させての角柱試
験片の摩耗量を例に挙げると、第６図〜第８図に示す通
りである。なお、摩耗量は、角柱試験片５については高
さ寸法の減少で、円柱試験片１１については摺動によっ
て生じた帯状摩耗痕の断面積（円柱試験片１１の中心軸
線を含む断面での断面積）で表わしである。

第６図〜第８図から、次のことが理解できる。

炭素が０．８％未満、クロムが７．５％未満では、角柱
試験片の摩耗量が前記比較例ｅ（従来例）の摩耗量に近
付く又はこれ以上になるように増大する。コバルト含有
量の耐摩耗性に及ぼす影響は認められなかった。

比較のために、前記スカッフ試験に供したと同じ実施例
及び比較例の試験片（前記表のａ−ｇ）について同様の
試験を行った。試験結果は第１３図に示す通りであって
、本実施例（ａ）は自己の摩耗、相手円柱試験片の摩耗
共に小さく、優れた耐摩耗性を示している。

以上、本発明の詳細な説明したが、上記の例のほか、種
々の変形が可能である。例えば、窒化層はピストンリン
グ外周面と共に上下面にも形成させ、ピストンのリング
溝との摺動摩耗を軽減することができる。また、本発明
は、圧力リングのほか、ファイアリングや油掻きリング
にも適用でき、ピストンリング以外にも、カム、軸受、
バルブシート等種々の摺動部品に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示すものであって、第１図は母材の金属組織を示す顕微鏡写真、第２図はピ
ストンリングの拡大断面図、第３図、第４図及び第５図
はスカッフ試験の結果を示すグラフ、第６図、第７図及び第８図は摩耗試験の結果を示すグラ
フ、第９図はスカッフ試験装置の概略正面図（一部破砕図）
、第１０図は第９図のＸ−Ｘ線矢視側面図、第１１図は比
較例と対比して示すスカッフ試験結果のグラフ、第１２図は摩耗試験機の概略正面図、第１３図は比較例と対比して示す摩耗試験結果のグラフである。なお、図面に示された符号において、２・・・・・・・・・円板（相手試験片）３・・・・・
・・・・注油孔５・・・・・・・・・角柱試験片５ａ、２２・・・・・・・・・窒化層１１・・・・・・・・・円柱試験片（相手試験片）１６
・・・・・・・・・硫酸水溶液２０・・・・・・・・・ピストンリング２１・・・・・
・・・・母材である。代理人　　　弁理士　　通板　宏（２田）／［）ソ）Ｗ要千妻し／・＃χ区Ｕ）帳区Ｃつ卸二（山Ｗ）委賀夕（Ｊ９称■耳更区ｑつ区＼ｊ綜区ト塚 ◇１区０フ相

Claims

【特許請求の範囲】

１．　炭素０．８〜１．５重量％、珪素１．０〜２．０
重量％、マンガン０．５〜１．０重量％、クロム７．５
〜１５．０重量％、モリブデン０．８〜１．５重量％、
バナジウム０．１〜０．２重量％、コバルト２．０〜１
０．０重量％、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
少なくとも主要摺動面に窒化層が形成されている摺動部
材。