JPH0288736A - シリンダ - Google Patents

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 本発明はシリンダに関し、特に内燃機関用に好適なシリ
ンダに関する。

口、従来技術 近年、内燃機関はその高出力化のために、高圧縮比、高
速回転が図られ、これに伴って例えばピストンリングや
シリンダライナ等の摺動部品は高温に曝されて潤滑油膜
が薄くなり、金属接触の機会が多くなって異常摩耗や甚
だしくは焼付を起こすことがある。そのため、これらの
摺動部品には、従来に増して一層の耐摩耗性、耐焼付性
が要求されるようになってきている。

これら摺動部品に耐摩耗性を付与するために、古くから
摺動部品に硬質クロムめっきを施すことが行われている
。硬質クロムめっき層は硬度が高く、それ自身の摩耗、
相手摺動部品の摩耗共に少なく、優れた耐摩耗性を備え
てはいるが、保油性がないために摺動中に焼付を起こし
易いという問題点を有している。

耐焼付性の改善された表面層として、硬質クロムめっき
層に替えてニッケルめっき層の採用が考えられるが、ニ
ッケルめっき層の耐摩耗性は満足し得るものではない。

そこで、近年、耐摩耗性を改善しためっき層として、ニ
ッケル基地中に耐摩耗粒子、例えば炭化珪素粒子を分散
させてなる複合めっき層が注目されるようになってきて
いる。

上記複合めっき層の耐摩耗性を改善しようとして耐摩耗
粒子の分散量を増加していくと、相手摺動部材を摩耗さ
せるようになる上に、めっき層の機械的強度が弱くなる
。他方、上記複合めっき層のニッケル基地中に燐を含有
させ、熱処理によってめっき層の硬度を高め、耐摩耗性
を改善すると共に耐蝕性を改善することが考えられるが
、耐摩耗性改善のために燐含有量を増加させでいくと、
基地を脆化させてめっき層の機械的強度、とりわけ衝撃
強度が低下するようになる。これらのようにめっき層の
機械的強度が低下すると、内燃機関の運転中にめっき層
が局部的に剥離するようになり、この剥離部分がアブレ
イシブ材となって却って摩耗が進行するようになる。

シリンダの材料には鋳鉄が広く採用されているが、最近
、内燃機関の軽量化及びこれによる燃費低減の要請から
、アルミニウム合金製のシリンダが注目されるようにな
ってきている。アルミニウム合金は、鋳鉄に較べて摩耗
し易いため、アルミニウム合金製シリンダには、摺動面
に鋳鉄製シリンダスリーブを嵌め込んだものが使用され
ている。

この方法では、原価高となる上に、軽量化が充分には達
成されず、燃費の低減も充分ではない。それで、アルミ
ニウム合金製シリンダの内周面に、炭化珪素粒子を分散
させたニッケル複合めっき層を形成したものが提案され
ている。

このニッケル複合めっき層は、炭化珪素粒子が八−ドス
ポット（第一摺動面と呼ばれる。）を形成し、ニッケル
の基地が僅か摩耗して凹部（第二摺動面と呼ばれる。）
を形成し、この第二摺動面によって保油性が付与されて
耐摩耗性を改善する。

ところが、炭化珪素は極めて硬質でかつ結晶の端部が鋭
利なため、摺動によって相手材のピストンリングを摩耗
させるという欠点がある。例えば、外周面に硬質クロム
めっき層又は窒化層を設けたピストンリングと組合せて
使用した場合、ピストンリングを摩耗させる。

以上のような次第で、シリンダ用の摺動表面層として、
耐摩耗性、耐焼付性に優れ、かつ相手摺動部材（ピスト
ンリング）の摩耗も少ない表面層が望まれているのであ
るが、このような表面層は開発されていないのが現状で
ある。

ハ０発明の目的 本発明は、耐摩耗性、耐焼付性に優れ、かつ相手摺動部
材（ピストンリング）の摩耗も少ないシリンダを提供す
ることを目的上している。

二１発明の構成 本発明は、２〜１５重量％燐、１０〜４０重量％コバル
ト、残部が実質的にニッケルからなる合金基地中に粒径
１０μｍ以下の窒化珪素粒子が５〜３０容積％分散した
摺動表面層を有するシリンダに係る。

ホ９発明の作用効果 以下、摺動表面層を構成する基地及びこの基地中に分散
させる分散粒子について説明する。

ニッケルは、後述するように、窒化珪素粒子と共にＮｉ
３Ｓｉを生成し、更に燐と共にＮｉ、Ｐを生成し、耐摩
耗性、耐焼付性に寄与する。

コバルトはニッケル中に固溶して硬度を上げ、耐摩耗性
、耐焼付性を改善すると共に表面層の圧壊強度及び疲労
強度を向上させる。基地中のコバルト含有量が１０重量
％以上で上記の効果が顕著になる。また上記コバルト含
有量が４０重量％を超えると相対的にニッケル含有量が
少なくなって、後述するＮｉ３Ｓｉ及びＮｉ３Ｐの生成
量が少なく、表面層の機械的強度が十分には改善されず
、その結果、耐摩耗性、耐焼付性改善の効果が不十分に
なる。従って基地中のコバルト含有量は４０重量％以下
とする。

燐は、熱処理によって基地の硬度を上げて耐摩耗性、耐
焼付性改善に寄与する。即ち、ニッケルと燐とが反応し
て基地中にＮｉ、Ｐの相が生成し、時効硬化に於ける析
出相による機械的強度改善に類似したメカニズムによっ
て基地の硬度を上げ、これによって耐摩耗性改善に寄与
する。かくして基地の硬度は６５０〜８００ＨＭＶに上
昇し、後述する窒化珪素粒子による耐摩耗性改善や炭化
珪素繊維の機械的強度改善による耐摩耗性、耐焼付性改
善に加えて耐摩耗性、耐焼付性が更に改善される。

熱処理は４００℃に加熱の熱処理で良い。

基地中の燐含有量が２重量％未満では上記の効果が顕著
ではなく、これが１５重量％を超えると基地が跪くなっ
て表面層の衝撃強度や母材への被着性が悪くなり、その
結果、耐摩耗性、耐焼付性も劣化する。

窒化珪素粒子は基地中に分散してハードスボットを形成
し、耐摩耗性、耐焼付性改善に寄与する。

然し、炭化珪素のような鋭い端面を持たず、相手摺動面
を摩耗させる作用は少ない。その粒径は、０．５μｍ未
満では微細過ぎて耐摩耗性、耐焼付性改善の効果が顕著
ではなく、これが１０μｍを超えて大きくなるとこの粒
子がアブレイシブ材として作用し、却って互いに摺動相
手材の摩耗が進行するようになる。また粒子の分散量は
、５容積％未満では耐摩耗性、耐焼付性改善の効果が顕
著ではなく、これが３０容積％を超えると表面層の機械
的強度が低下して却って耐摩耗性が劣化するようになる
。従って、基地中に粒径０．５〜ｌＯμｍの窒化容積％
分散させるのが特に好ましい。窒化珪素の粒子を基地中
に分散させると、４００℃加熱の熱処理を施すことによ
って粒子表面にＮｉ３Ｓｉが生成して基地と粒子との接
着効果が顕れ、表面層の機械的強度が一層改善される。

加熱温度が高過ぎると前記の接着効果が低減する。例え
ば６００℃に４分間加熱すると窒化珪素粒子の略全量が
ＮｆｓＳｉになってしまう。また窒化珪素の粒子による
前記の耐摩耗性、耐焼付性改善の効果もなくなってしま
う。

本発明に基づくシリンダは、上述したような耐摩耗性、
耐焼付性に優れた摺動表面層を設けているので、耐久性
が著しく改善される。また、母材はシリンダとして必要
な機械的性質を備えていれば良く、母材には適宜の材料
を使用できる。従って、軽量な例えばアルミニウム合金
を母材に使用することにより、機関の軽量化、消費エネ
ルギーの低減を図ることができる。

へ、実施例 以下、本発明の詳細な説明する。

アルミニウム合金Ａ　３９０の円板（径８０ｍ、厚さ１
０ｆｌ）の円形表面に本発明に基づく表面層を電気めっ
き法によって形成し、２００”ｃに１時間加熱の熱処理
を施した。

めっき浴としては、硫酸ニンヶル、塩化ニッケル、硫酸
コバルト、次亜燐酸ソーダ及び硼酸からなる水溶液（め
っき液）に窒化珪素粉末を懸濁させためっき浴を使用し
、これらの配合量及び窒化珪素粉末の粒径を変化させて
めっき層の組成及び組織を変化させた。

めっき浴の温度は５０〜５３℃、電流密度は８Ａ／ｄｎ
ｆ、めっき時間は２．５時間、めっき浴のｐ）ｌは浴組
成に応じて２．０〜３．０の間の所定の値とした。

めっき条件並びにめっき層の組成及び硬度の一例を挙げ
ると、下記第１表、第２表に示す通りである。

第１表 第２表 前記円板試験片に対する摺動相手試験片としては、鋳鉄
製角柱試験片の正方形端面（５ｍＸ５ｍ）に、鉄基地中
に平均粒径１．１μｍの炭化珪素粒子が１８容積％分散
した複合めっき層を形成させたものを使用した。

上記円板試験片のめっき層と角柱試験片のめっき層とを
互いに摺動させ、焼付試験及び摩耗試験を行った。試験
方法は次の通りである。

茨仕広腋 試験装置は第７図及び第７図の■−■線に沿う矢視側面
図である第８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前記円板試
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が同心円上に等間陥に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の表面層（めっき層
）２ａと角柱試験片５の表面層（めっき層）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。一定時間
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ａで読み取り、
記録計９に記録させる。トルクＴが急激に上昇するとき
に焼付が生じたものとし、その大小を以て耐焼付性の良
否を判断する。

試験条件は次に示す通りである。

摩擦速度＝８ｍ／ｓｅｃ 潤滑油　；加鉛ガソリンを燃料とする実機試験に供した
モータオイル５ＡＥ３０ にダスト（ＪＩＳ２種を０．２　ｇ　／　ＩＩ添加した
もの（温度８０℃））を ４００ｔｎ　Ｉ！／　ｓｉｎ給油 接触圧力；試験開始時４０ｋｇ／ｃＩｌ、その後３分間
経過毎に１０ｋｇ／ｃｄずつ上昇 ！圧■腋 第７図、第８図の試験装置を使用し、次のような試験条
件で摩耗試験を行った。

摩擦速度は７　ｍ　／　ｓｅｃ　、接触圧力は１００ｋ
ｇ／ｃｄに一定、摩擦距離は１１００ｋ、その他の試験
条件は前記焼付試験に於けると同じである。

摩耗量は次のようにして測定した。角柱試験片について
は、試験後に試験片を取り外し、摩耗による高さ寸法の
減少を測定した。円板試験片については、摩耗によって
生じた円環状の摩耗痕の深さを測定した。

試験結果は、第３図〜第６図に示す通りであった。第３
図〜第６図から、表面層２ａの基地は、２〜１５重量％
燐、１０〜４０重量％コバルトのニッケル合金とし、こ
れらの基地中に分散させる窒化珪素粒子は、平均粒径を
０．５〜１０μｍ、分散量を５〜３０容積％とするのが
、良い結果が得られることが理解できる。

比較のため、表面層２ａを硬質クロムめっき層とした円
板試験片（比較例１）及び平均粒径１，２μｍの炭化珪
素粒子を２０容積％分散させたニッケル複合めっき層と
した円板試験片（比較例２）について、上記と同様の試
験を行った。

前記実施例のうちの第１表、第２表に示した円板試験片
及び上記比較の円板試験片の試験結果を下記第３表に示
す。

第３表 第３表から、実施例の円板試験片は、比較の円板試験片
に対して耐焼付性が改善され、摩耗が少なくかつ相手角
柱試験片の摩耗も大幅に低減していて耐摩耗性が著しく
改善されていることが解る。

実鬼跋腋 第１図は実機試験に供したシリンダライナ（ボア径８６
ｍ）の断面図である。アルミニウム合金Ａ３９０の母材
１１の内周面に厚さ１２０μｍの複合めっき層１２が形
成されている。複合めっき層１２は、５重量％燐、３０
重量％コバルト、残部が実質的にニッケルからなる基地
中に、平均粒径０．８μｍの窒化珪素粒子が２５容積％
分散した組織としである。

（工３） 複合めっき層１２は、下記第４表の条件で形成させ、次
いで２００℃に１時間加熱の熱処理を施した。

第４表 めっき層の硬度はＨＨＩ　７２０であった。

第２図は、第１図の複合めっき層１２の組織を示す顕微
鏡写真（倍率４００倍）である。ニッケル合金の基地中
に、灰色を呈する窒化珪素粒子が均一に分散しているの
が観察される。なお、熱処理によって基地中に析出した
Ｎ　ｉ３　Ｐ相、Ｎｉ３Ｓｉ相は、極めて微細であって
写真には顕われていないが、これらの相の存在はＸ線回
折試験によって確認されている。

上記のシリンダライナを、水冷４サイクル、４気筒、排
気量１８００ｃｃのガソリンエンジンに組付け、回転数
７５０Ｏｒｐｍ＋、全負荷で１００時間の実機試験を行
い、ピストンリング外周面及び上死点でのシリンダライ
ナ内周面の摩耗量を測定し、表面状態を観察した。

ピストンリングには、各気筒共シリコンクロム鋼（ばね
＃Ａ）ＳＵＰ１２のピストンリング外周面に、平均粒径
１．１μｍの炭化珪素粒子が１８容積％分散しためっき
層（前述の各社試験片と同様）を形成したものを使用し
た。ピストンリングめっき層の硬度はＨＭＶ５０９〜５
２０である。

第１筒及び第２筒のシリンダライナには、前述のシリン
ダライナを使用し、第３筒及び第４筒には内周面めっき
層をニッケル基地中に平均粒径３．０μｍの炭化珪素粒
子が１８容積％分散した複合めっき層としたシリンダラ
イナを使用した。即ち、第１筒及び第２筒が実施例で、
第３筒及び第４筒が比較例である。

試験結果は下記第５表に示す通りであった。

第５表 第５表に示されているように、比較の第３筒、第４筒は
シリンダの摩耗、ピストンリングの摩耗が大きくばらつ
いており、これらが大きな値となることがある。また、
めっき層が剥離しているものも認められる。これに対し
て実施例の第１筒及び第２筒では、シリンダライナの摩
耗、ピストンリングの摩耗共に少なく、かつ安定してお
り、めっき層の剥離も認められなかった。

以上のように、本実施例のシリンダライナは耐久性に優
れていることが理解できる。

摺動表面層には、窒化珪素粒子に加えて潤滑粒註）第１
筒及び第２筒は実施例、第３筒及び第４筒は比較例であ
る。

好適である。代表的な潤滑材としては、二硫化モリブデ
ン、弗化炭素、窒化硼素、黒鉛等が挙げられる。このよ
うな潤滑粒子を分散させることにより、相手材（ピスト
ンリング）の摩耗を一層少なくすることができる。これ
ら潤滑粒子の粒径は使用する潤滑材によって異なるが０
．５μｍ未満、分散量５容積％未満では上記効果が顕著
ではなく、粒径２０μｍ、分散Ｍ３５容積％を超えると
表面層の強度が低下して局部的に剥離が起こるようにな
る。

従って潤滑粒子の粒径は０．５〜２０μｍ、その分散量
は５〜３５容積％とするのが良く、粒径ｌ〜１０μｍ１
分散量１０〜３０容積％とするのが更に好ましい。また
、窒化珪素粒子ば潤滑粒子との合計分散量は、表面層の
強度の観点から４０容積％以下とするのが良い。

本発明に基づくシリンダは、内燃機関のほか、コンプレ
ッサ等の往復動機関に使用して、同様の効果を奏するこ
とは言う迄もない。

【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図はシリンダライナの断面図、 第２図はシリンダライナの表面層の金属組織を示す顕微
鏡写真、 第３図、第４図、第５図及び第６図は表面層の組成と耐
摩耗性又は耐焼付性との関係を示すグラフ、 第７図は焼付試験、摩耗試験の装置の要部を示す一部破
砕正面図、 第８図は第７図の■−■線矢視側面図 である。 なお、図面に示された符号において、 ２　・・・・円板試験片 ２ａ・・・・円板試験片の表面層 ５−・・・角柱試験片 １１・・・・シリンダライナの母材 １２・−・・シリンダライナの表面層 である。 代理人　　弁理士　　逢　坂　　　宏 Ｎ 県釦葛壽（？斐讐− 【Ｖ葛鄭Ｑ釣配← ＠旬譚届旧昭 （ｌＩ−彰葛痺幻衿神具 頃ａｌｌ菖濤旬１浄ｌ 田ＷΣ鄭ｆ：診爾φ監 ［１キ幻砂本・（−号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、２〜１５重量％燐、１０〜４０重量％コバルト、残
   部が実質的にニッケルからなる合金基地中に粒径１０μ
   ｍ以下の窒化珪素粒子が５〜３０容積％分散した摺動表
   面層を有するシリンダ。