JPH0337479A - 摺動部材 - 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、摺動部材、例えばピストンリングに関する。

口、従来技術 近年、内燃機関は、軽量化が図られると共に、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のような摺動部品に要求される品質
が高度になってきている。

従来から、内燃機関用ピストンリングにあっては、耐久
性を改善する手段として、特に外周摺動面に硬質クロム
めっき層や溶射表面層或いは窒化層を形成させる方法が
採用されている。これらの表面層のうち、特に窒化層は
、優れた耐摩耗性を示すことから、苛酷な運転条件下で
使用されるピストンリングの表面層として注目されるよ
うになってきている。然しなから、窒化層は、耐摩耗性
に優れてはいるが、初期馴染み性が良好ではなく、新品
のピストンリングにあっては、苛酷な運転条件下では運
転初期での耐焼付き性が満足し得る程良好ではなく、そ
の結果、異常摩耗を起こすことがあるという問題が残さ
れている。

近年、ニッケルー燐ヤニンケルーコハルト−燐の合金め
っき基地中に窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）や窒化硼素（ｈ−
ＢＮ）の粒子を分散させた所謂複合分散めっき層が注目
されるようになってきている。燐は、熱処理によってニ
ッケルと結合してＮｉ３Ｐの微粒子を析出し、耐摩耗性
、耐焼付き性の改善に寄与する。然し、ニッケル又はニ
ッケル合金に燐を含有させためっき層では、潤滑油の潤
滑作用が不安定になるような特に苛酷な摺動条件になる
と、摺動方向に直角の方向に亀裂が発生するようになり
、更には亀裂が進行してめっき層の局部的剥離を起こす
ようにもなる。また、窒化層の上に含燐ニッケル合金の
めっき層を形威させた場合、めっき層の上記剥離が窒化
層の剥離を惹き起こすに至ることもある。

ハ１発明の目的 本発明は、苛酷な摺動条件下でも初期馴染み性が良好で
焼付きが起こり難くかつ耐摩耗性に優れていて、優れた
耐久性を示す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、鉄基合金からなる母材上に、窒化層と厚さ１
〜２０μｍのめっき層とがこの順に前記母材の側から形
成されてこれらの層が摺動表面層を構成し、前記めっき
層が、コバルト１０〜５０重量％、残部が実質的にニッ
ケルからなるニッケル合金基地中に、クロム化合物から
なりかつ粒径５μｍ以下の硬質粒子が５〜３０容積％分
散した組織のめっき層である摺動部材に係る。

上記母材としては、優れた耐摩耗性を示す窒化層が表面
に形成されるような材料を使用するのが望ましく、例え
ば、０．１６〜１．３０重量％炭素、１２〜１９重量％
クロムを含有する鋼材や、更に上記合金元素に加えてモ
リブデン及び／又はバナジウムを少量含有させた鋼材が
好適である。

ホ０発明の作用効果 本発明にあっては、窒化層の前述した問題点を解消する
ため、初期馴染み性の良好なめっき層を窒化層の上に形
威させる。

本発明に基づく摺動部材では、耐摩耗性に優れる窒化層
の上に初期馴染み性の良好な薄いめっき層が形威されて
いて、このめっき層の良好な初期馴染み性によって運転
初期に発生し易い焼付きが効果的に防止される。めっき
層の厚さが１μｍ未満では、初期馴染み状態が遠戚され
る前にめっき層が摩耗によって消失し、上記の効果が期
待できなくなる。他方、めっき層が２０μｍを越えて厚
くなると、めっき処理コストが上昇するばかりではなく
、運転中にめっき層に剥離が発生し易く、また、下地の
窒化層による耐摩耗性が発揮できる状態に至る迄に摩耗
が多くなり、特にピストンリングにあっては合い目障間
が大きくなってピストンリングの気密性が劣化するよう
になる。従って、めっき層の厚さは１〜２０μｍの範囲
内とし、特に１〜１０μｍとするのが好ましい。

めっき層は、コバル１−を含有するニッケル合金基地中
にクロム炭化物からなる硬質粒子が分散した所謂複合分
散めっき層とする。以下、めっき層の基地及びこの基地
中に分散させる分散粒子について説明する。

コバルトはニッケル中に固溶して基地の硬度を上げ、耐
摩耗性、耐焼付き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。この作用は高温でも保持さ
れる。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５０重量％を越えても上記効
果の増大は顕著ではなく、またコスト高になる。従って
、基地中のコバルト含有量は１０〜５０重量％とする。

クロム化合物の硬質粒子は基地中に分散してハードスポ
ットを形威し、耐摩耗性、耐焼付き性改善に寄与する。

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。

その粒径が５μｍを越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、耐焼付き性改善の効果が顕著では
なく、これが３０容積％を越えるとめっき層の機械的強
度が低下して却って耐摩耗性が劣化するようになると共
に、相手摺動部材を摩耗させるようになる。従って、基
地中に粒径５μｍ以下、好ましくは０．３〜５μｍのク
ロム化合物の硬質粒子を５〜３０容積％分散させる。

クロム化合物の硬質粒子には、炭化クロム（Ｃｒ３の粒
子が好適であるが、他の硬質クロム化合物の２ 粒子であっても良く、これらの粒子を合計で５〜３０容
積％分散させても良い。

摺動表面層を上述のような層構成としているので、運転
初期には、表面の初期馴染み性の良好なめっき層によっ
て焼付き等のトラブルを起こすことがない。また、この
めっき層は窒化層に近い優れた耐摩耗性を有しでおり、
仮台定常状態の運転後に表面のめっき層が摩耗によって
消失したとしても、この消失によって表面に露呈する窒
化層（耐摩耗性に優れる層）により、苛酷な運転条件下
でも優れた耐久性を示すようになる。

へ、実施例 以下、本発明の詳細な説明する。

マルテンサイト系ステンレス鋼５Ｕｓ４４０Ｂ（０，７
５〜０．９５％Ｃ１≦１．０％Ｓｉ、≦１．０％Ｍｎ。

≦０．０４０％Ｐ、≦０．０３０％Ｓ、２０．６０％Ｎ
ｉ。

１６．０〜１８．０％Ｃｒ、≦０．７５％Ｍｏ（いずれ
も重量、Ｕ ％））の供試料を用意し、その表面に通例のガス窒化法
によって窒化層を形成させ、その上に下記の条件でニッ
ケル合金複合分散めっき層を形成させ、２００°Ｃに１
時間加熱の熱処理を施して試験片とした。窒化層の厚さ
は１００　μｍ、めっき層の厚さは１０μｍである。

めっき浴としては、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、硫酸
コバルト及び硼酸からなる水溶液（めっき液）にＣｒ、
Ｃ２粉末（一部は更にＣｒ２Ｏ３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Ｃｒ　３　Ｃ２＜
５１末の粒径を変化させてめっき層のＭｉ威及び組織を
変化させた。

めっき浴の温度は５０〜５３°Ｃ，電流密度は８Ａ／ｄ
ｎ？、めっき時間は２．５時間、めっき浴のｐＨは浴組
成に応して２．０〜３．０の間の所定の値とした。

（以下余白） 第 表 第 表 これら試験片と相対的に摺動させる相手材としては、シ
リンダライナ用鋳鉄ＦＣ２５を使用し、次のような試験
を行った。

焼仕主跋駄 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相手円板試
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）Ｔｑ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に記録させる。トルクＴｑが
急激に上昇するときに焼付きが生したものとし、その大
小を以て耐焼付き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：１５ｍ／ｓｅｃ 潤滑油　：モータオイル＃３０（温度８０’Ｃ）を４０
０　ｍｆｉ／ｍｉｎ給油 接触圧カニ試験開始時４０ｋｇ／ｃＩｆｌ、その後３分
間経過毎にｌ　Ｑ　ｋｇ　／　ｃ＋ｆｌずつ上昇輩に拭
駄 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５ｍ／ｓｅｃ、接触圧力は１００　ｋｇ／ｃ
＋１に一定、潤滑油はモータオイル＃３０にダスト（Ｊ
ＩＳ２種）を０．２ｇ／ｊ２添加したもの、その他の試
験条件は前記焼付き試験に於けると同しである。

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２図〜第４図に示す通りであった。第２
図〜第４図から、表面層５ａの基地は、２〜ｌＯ重量％
燐、１０〜５０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Ｃｒ３Ｃ。

粒子は、平均粒径を５μｍ以下（特に０．３〜５μｍ）
、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。これらの図において、摩耗試験
の試験時間は５０分間である。

上記の角柱試験片のうち、めっき層の基地組成を３０重
量％コバルト、残部ニッケルとし、この基地中に２μｍ
のＣｒ、Ｃ２粒子を１０容積％分散させた表面層の顕微
鏡写真（倍率４００倍）を第１図に示す。めっき層には
、ニッケル合金の基地中に、灰色を呈するＣｒ３Ｃ２粒
子が均一に分散しているのが観察される。

比較のために、同じ母材上に、厚さ１００μｍの硬質ク
ロムめっき層を形威した角柱試験片（比較例１）、厚さ
１００μｍの窒化層を形威した角柱試験片（比較例２）
及びニッケル合金めっき層の基地を前記の組成に加えて
５重量％の燐を添加、２００°Ｃに１時間加熱の熱処理
を施した角柱試験片（比較例３）について同様の試験を
行った。これら比較例の試験結果を、第１図の角柱試験
片（実施例１）及びＣｒｌＣｚ粒子に替えて同様のＣｒ
３Ｃ２粒子と酸化クロム（Ｃｒ２０３）粒子とを同量と
して合計で１０容積％を同様のめっき層基地中に分散さ
せた試験片（実施例２）と対比して、第５図及び第６図
に示す。なお、第５図中、焼付き発生面圧が１０ｋｇ／
ｃ＋ｆＴ間隔の目盛の間に位置しているのは、接触面圧
上昇中に焼付きが発生したことを示している。

摩耗量は、比較例１を除いては大差がないが、実施例１
．２共に比較例１．２に対して耐焼付き性が格段に改善
されている。比較例３では、数値の上ではニッケル合金
複合分散めっき層によって比較例１．２よりも耐焼付き
性が著しく改善されているように見えるが、燐の含有に
よって摩擦速度１５ｍ／ｓｅｃという極めて苛酷な摺動
条件になると、めっき層に巨大な亀裂の発生が認められ
る。

従って、長時間の摺動ではめっき層が剥離するおえると
曲線の勾配が小さくなっているが、これは、厚さ１０μ
ｍのめっき層が消失して更に耐摩耗性の良好な窒化層が
摺動面に露呈したことによるものである。

実機拭系 次に、ピストンリングの外周摺動面に前記と同様の摺動
表面層（前記実施例Ｉにおけると同様の摺動表面層）を
形威し、このピストンリングをエンジンに組付けて実機
試験（ベンチテスト）を行った例について説明する。

第１０図はピストンリングの自由状態での平面図、第１
１図は同しく右側面図、第９図は第１０図のＩＸ−ＩＸ
線拡大断面図である。第１０図及び第１１図には、使用
状態での真円形状のピストンリングが仮想線で示しであ
る。

このピストンリングは、呼び径りが８６ｍｍ、幅Ｂが１
．５ｍｍ、厚さＴが３．３ｍｍ、合い目障間Ｃが０．２
５ｍｍ、自由合い日陰間りが１０ｍｍのバレルフェース
形圧力リングであり、外周摺動面には、前記と同しマル
テンサイト系ステンレス鋼の母材５上に厚さ１００μｍ
の窒化層５ｂ及び厚さ１０μｍのニッケル合金複合分散
めっき層５Ｃからなる摺動表面層５ａを形成しである。

このピストンリングを第−圧力リングとして、ボア径８
６ｍｍ、４サイクル、６気筒のガソリンエンジンに組付
け、回転数５６０Ｏｒｐｍ　、全負荷で２００時間の実
機試験を行った。その結果、運転初期から試験終了に至
るまで、焼付きはもとより出力の低下は殆ど認められず
、極めて優れた耐久性を示した。この良好な試験結果は
、先に第６図で説明したように、ニッケル合金複合分散
めっき層５Ｃの良好な初期馴染み性と窒化層５ｂの優れ
た耐摩耗性とにより、焼付きが防止され、外周面の摩耗
が少なくて合い目障間Ｃの増大が極めて僅かであること
によって得られたものである。

これに対し、前記比較例１．２の摺動表面層を外周面に
設けたピストンリングでは、運転初期のうちに焼付きが
起こり、試験続行が不可能になった。

以上、本発明の詳細な説明したが、ピストンリング以外
のシリンダライナその他の摺動部品や、苛酷な摺動条件
下で使用される内燃機関以外の摺動部品に本発明を適用
して、同様に良好な耐摩耗性、耐焼付き性を示すことが
期待できる。

【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図は角柱試験片の金属組織を示す顕微鏡写真、 第２図、第３図及び第４図はめっき層の組成と耐摩耗性
又は耐焼付き性との関係を示すグラフ、第５図は焼付き
試験の結果を比較例と対比して示すグラフ、 第６図は摩耗試験の結果を比較例と対比して示すグラフ
、 第７図は焼付き試験、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、第９図はピスト
ンリングの拡大断面図（第１０図のＩＸ−ＩＸ線矢視拡
大断面図）、 第１０図はピストンリングの平面図、 第１１図は同じく右側面図 である。 なお、図面に示された符号において、 ２・・・・・・・・・円板試験片（相手摺動試験片）５
・・・・・・・・・角柱試験片 ５ａ・・・・・・・・・摺動表面層 ５ｂ・・・・・・・・・窒化層 ５ｃ・・・・・・・・・めっき層 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、鉄基合金からなる母材上に、窒化層と厚さ１〜２０
   μｍのめっき層とがこの順に前記母材の側から形成され
   てこれらの層が摺動表面層を構成し、前記めっき層が、
   コバルト１０〜５０重量％、残部が実質的にニッケルか
   らなるニッケル合金基地中に、クロム化合物からなりか
   つ粒径５μｍ以下の硬質粒子が５〜３０容積％分散した
   組織のめっき層である摺動部材。