JPH0338336B2

JPH0338336B2 -

Info

Publication number: JPH0338336B2
Application number: JP57131734A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Fuwa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1982-07-28
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1991-06-10
Also published as: JPS5923865A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、内燃機関用ピストンリング、シリン
ダライナ、エアコンプレツサ、シフトフオーク爪
部等の摺動面に適用できる摺動部材に関するもの
である。

内燃機関において、性能を向上させる目的での
高回転化、高圧縮化及び軽量化並びに燃費向上対
策としての軽合金の使用、あるいは小型化等の必
要性の点から耐摩耗性、耐焼付性材料や低摩擦材
料が切望されており、従来から多くの研究がなさ
れている。かかる対策の一つとして、摺動部材の
摺動部に金属、酸化物、炭化物を溶射したり又は
めつきを施すことにより耐摩耗性被覆層を形成す
ることは従来より公知であり、その応用例も多
い。

従来の摺動部材をピストンリングを例にしてさ
らに具体的に述べると、ピストンリングの耐摩耗
性被覆層としては、鉄系ピストンリング母材の外
周面にクロムめつきやモリブデン溶射、高炭素
Fe−Cr合金溶射等を施して耐摩耗性の優れた層
を形成する表面処理が行われている。

しかしながら、クロムめつきが施されたピスト
ンリングは、相手部材である鋳鉄製シリンダライ
ナとの耐焼付性が良くないため、焼付き、スカツ
フイングを生ぜしめ易い。この対策として、普通
鋳鉄にニツケル、リン、クロム、モリブデン及
び／又はボロン、ニオブを添加した低合金鋳鉄製
のシリンダライナが用いられている。しかしこの
ものは、普通鋳鉄品たとえばJIS FC23からなる
ものに比べて鋳造性と加工性が悪く、従つて製造
コスト高になる等の問題があつた。またクロムめ
つき処理の場合には、相手部材であるシリンダボ
アの摩耗は減少する反面、ピストンリング自体の
耐摩耗性が劣るという欠点があつた。

他方、モリブデン溶射被覆層を有するピストン
リングでは、相手側の鋳鉄性シリンダライナとの
耐焼付性は良好である反面、300℃以上の熱負荷
がかかるエンジンに使用されたとき、モリブデン
の酸化によりピストンリングの母材と溶射層の間
及び溶射層内の密着性に問題が生じ、さらにモリ
ブデン自体が高価なためピストンリング自体も高
価になる等の欠点を有している。

さらにまた高炭素Fe−Cr合金溶射が施された
場合には、クロムめつき処理の場合よりシリンダ
ライナの鋳鉄材との耐焼付性は良好であり、そし
てピストンリング自体の耐摩耗性も向上する反
面、相手部材であるシリンダボアの摩耗が増加す
るという問題があつた。

本発明は上記従来技術の問題点を解決するため
のものであり、摺動部自体の耐摩耗性、耐焼付性
を向上させるとともに、相手部材への攻撃性をほ
とんどもたない摺動部材を提供することを目的と
する。

かかる本発明の摺動部材は、母材表面に10〜70
重量％の低炭素Fe−Cr合金と90〜30重量％のAl
−Si合金よりなる溶射層を設けたことを特徴とす
る。

本発明の摺動部材の母材表面に溶射される材料
中、低炭素Fe−Cr合金としては、Cr量について
は55％（重量）より少ないと耐焼付性が低下し、
また70％（重量）より多いと相手材の摩耗が増大
すること、及びＣ量については３％（重量）より
多いと硬さが増大して相手材の摩耗が増加すると
いう理由から、55〜70重量％のCr、３重量％以
下のＣ及び残部Feよりなる組成のものを使用し、
またAl−Si合金としては、Si量が15％（重量）
より少ないと自身の耐摩耗性が十分ではなく、24
％（重量）より多いと相手材の摩耗が増加すると
いう理由から、15〜24重量％のSi及び残部Alよ
りなるものを使用する。なお、低炭素Fe−Cr合
金においてSi、Mn、Ｓ、Pb等が一般の炭素鋼程
度含まれていてもよく、またAl−Si合金におい
てCu、Mg、Zn、Fe、Mn、Ni、Sn等が一般の
アルミニウム合金程度と同様に含まれていてもよ
い。

本発明において、低炭素Fe−Cr合金とAl−Si
合金よりなる材料を使用するのは、これら各合金
の有する利点を利用するためである。すなわち、
上記組成からなる低炭素Fe−Cr合金溶射層のみ
と硬さは、組成によつて異なるがビツカース硬さ
でHv300〜500（５Kgで）であり、この層自体の摩
耗は多いという欠点がある反面、摺動部材として
通常使用されている鋳鉄（JIS FC25）あるいは
炭素鋼（JIS S45C）の相手部材の摩耗は小さい
という利点がある。一方、Al−Si合金溶射層の
みの硬さは、組成によつて異なるがビツカース硬
さでHv150〜250（５Kgで）であつてそれ程硬くは
ないが、硬さの高い微細な初晶Si（硬さmHv1200
（50ｇで））が合金中に存在するため、この層自体
の耐摩耗性は良いという利点がある反面、鋳鉄
（JIS FC25）あるいは炭素鋼（JIS S45C）の相
手部材の摩耗を多くするという欠点がある。

そこで、上記２種類の合金からなる材料を溶射
してなる溶射層は、合金の組成及びその混合割合
によつて異なるがビツカース硬さHv200〜450（５
Kgで）の範囲の硬さがあり、それ自体の耐摩耗性
はAl−Si合金の場合と同等であり、鋳鉄（JIS
FC25）あるいは炭素鋼（JIS S45C）製相手部材
の摩耗をAl−Si合金のみを用いたものより大巾
に減らすことができるからである。

低炭素Fe−Cr合金量を10〜70重量％と限定し
たのは、低炭素Fe−Cr合金量が10重量％より少
ないと鋳鉄（JIS FC25）あるいは炭素鋼（JIS
S45C）製相手部材がAl−Si合金のみの場合と同
程度の摩耗を示すからであり、また70重量％を越
えると溶射層自体の摩耗が多くなるからである。

なお、摺動部材の母材としては、例えば球状黒
鉛鋳鉄のような通常この種の用途に用いられるも
のが使用できる。

上記２種類の混合材料を溶射するには、アーク
溶射、ガス溶射及びプラズマ溶射法等によつて行
う。しかしながら特にプラズマ溶射法で行うの
は、母材への付着性の点から好ましい。このプラ
ズマ溶射法の場合、上記２種類の成分を粉末とし
て用いるのが良い。

上記２種類の粉末粒度はいずれも350メツシユ
（44μ）より細かいものが望ましい。44μより粗い
と気孔が多くなり耐摩耗性、耐スカツフイング性
が悪くなるからである。溶射層の厚さとしては
0.02〜0.5mmが望ましい。0.02mmより薄いと表面に
均一な厚さ溶射層は得られなく、また0.5mmより
厚いと溶射層のハクリが発生しやすい欠点があ
る。

以下、本発明に係る摺動部材を実施例に基づき
具体的に説明する。例中、「％」は「重量％」を
表わす。

実施例１球状黒鉛鋳鉄製の外形25.6mm、内径20.0mm、厚
さ16mmの回転試験片のリング端面に、下記の処理
によつて厚さ0.02〜0.30mmの被覆層を形成した。

(A)：クロムメツキ（比較例） (B)：モリブデンのガス溶射（比較例） (C)：100％のAl−Si合金（組成：Al−17％Si−４
％Cu−0.6％Mg、粉粒度44〜10μ、以下同じ）
粉末のプラズマ溶射（比較例） (D) 10％の低炭素Fe−Cr合金（組成：Fe−66％
Cr−0.03％Ｃ、粉粒度44〜10μ、以下同じ）粉
末と90％Al−Si合金粉末の混合粉末のプラズ
マ溶射（実施例） (E) 30％低炭素Fe−Cr合金粉末と70％Al−Si合
金粉末の混合粉末のプラズマ溶射（実施例）、 (F) 50％低炭素Fe−Cr合金粉末と50％Al−Si合
金粉末の混合粉末のプラズマ溶射（実施例）、 (G) 70％低炭素Fe−Cr合金粉末と30％Al−Si合
金粉末の混合粉末のプラズマ溶射（実施例）及
び (H) 100％低炭素Fe−Cr合金粉末のプラズマ溶射
（比較例）。

(I) 30％高炭素Fe−Cr合金（Fe−66％Cr−８％
Ｃ−1.9％Si）粉末と70％Al−Si合金粉末の混
合粉末のプラズマ溶射（比較例）そして、形成された各々のメツキ面及び溶射面
を研削加工した。

加工処理した回転試験片を、相手部材である外
径25.6mm、内径20.0mm、厚さ16mmの炭素鋼（JIS
S45C）試験片の端面と接するように設置し、接
触面に潤滑油としてモータオイルSAE30（キヤツ
スル社製）を供給し、荷重を25Kgから500Kgまで
増加させて焼付限度荷重を測定し、表面の損傷状
態を観察した。

この試験結果から、(A)のクロムメツキ処理した
試験片は200〜250Kgで、(C)のプラズマ溶射処理し
たものは500Kgで、(D)及び(E)の混合粉末をプラズ
マ溶射したものは475〜500Kgで、そして(F)、(G)及
び(I)の混合粉末をプラズマ溶射したものは450〜
475Kgでそれぞれ焼付きを発生したのに対し、(B)
のモリブデンをガス溶射したものは500Kgでも焼
付きを発生しなかつた。

以上のことから、本発明に係る(D)、(E)、(F)及び
(G)の低炭素Fe−Cr合金粉末とAl−Si合金粉末の
混合粉末をプラズマ溶射したものは、クロムメツ
キ処理したもの（(A)の場合）や100％低炭素Fe−
Cr合金粉末をプラズマ溶射したもの（(H)の場合）
より焼付荷重が高いことが判明した。

実施例２球状黒鉛鋳鉄製の外径35mm、内径30mm、幅10mm
の円筒試験片の外周面に、実施例１と同様に(A)、
(B)、(C)、(D)、(E)、(F)、(G)、(H)及び(I)の処理によ
つ
て各0.20〜0.30mmのメツキ層及び溶射層を形成
し、各々のメツキ面及び溶射面を研削加工した。
これらの試験品を順次摩擦摩耗試験機にセツト
し、大きさが16×６×10mmの鋳鉄（JIS FC23相
当）製の相手部材のその一つの面（16×10mm）と
接触させ、モータオイルSAE30を供給しながら、
回転数160rpm、荷重60Kgで１時間摩耗試験を行
つた。

この試験結果を図に示す。図において、横軸に
対する上方の縦軸は回転試験片であるクロムメツ
キ及び溶射品の摩耗量すなわち摩耗減量（mg）を
示し、横軸に対して下方の縦軸は、相手材である
鋳鉄の摩耗量（摩耗痕深さμ）を表わし、Ａ〜Ｉ
の符号は実施例中で用いた(A)〜(I)の符号と一致さ
せてあり、各々の摩耗試験結果を示している。図
及び摩擦面の観察により以下のことが判明した。

(A)のクロムメツキ処理を施した円筒試験片の外
周面は焼付き気味であり、それ自体の摩耗量は若
干多いが、相手材の摩耗は少なかつた。(B)のモリ
ブデンガス溶射を施したものは焼付きは発生して
おらず、相手材の摩耗は少なかつたが、それ自体
の摩耗量は多かつた。(C)の100％Al−Si合金粉末
をプラズマ溶射したものは若干焼付き発生気味で
あり、それ自体の摩耗は少ない反面、相手部材を
非常に摩耗させた。(H)の100％低炭素Fe−Cr合金
粉末のプラズマ溶射を行つたものは、焼付きが発
生しないが、それ自体の摩耗が多かつた。また(I)
の30％高炭素Fe−Cr合金粉末と70％Al−Si合金
粉末の混合粉末のプラズマ溶射を行なつたもの
は、それ自体の摩耗は少なかつたが、相手材を最
も著しく摩耗させた。

これに対し、本発明に係る(D)、(E)、(F)及び(G)の
方法によりプラズマ溶射処理したものは焼付きが
見られず、それ自体の摩耗も(A)、(B)及び(H)で処理
したものより格段に少なく、また相手部材の摩耗
も(C)で処理したもの及び(I)で処理したものの1/2
以下であり、(B)で処理したものと同等であつて、
少ないことが判明した。なお、Al−Si合金粉末
と低炭素Fe−Cr合金粉末の混合割合において、
(E)の30％低炭素Fe−Cr合金粉末と70％Al−Si合
金粉末のプラズマ溶射したものは、それ自体及び
相手材の摩耗が少ないことが判明した。

以上述べたように本発明に係る摺動部材は、そ
れ自体優れた耐摩耗性、耐焼付性を有するととも
に、相手部材の摩耗を最小限に抑えることができ
るという利点を有するものであり、ピストンリン
グ、シリンダライナ、ピストン、シフトフオーク
爪部、エアコンプレツサ等の耐摩耗性、耐焼付性
が要求される摺動部材として最適のものである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明実施例と比較例の摺動部材の摩耗量
及び鋳鉄製相手部材の摩耗量の関係を表わすグラ
フである。

Claims

【特許請求の範囲】１母材表面に10〜70重量％の低炭素Fe−Cr合
金（該合金の組成はCr55〜70重量％、C3重量％
以下、残部Fe）と90〜30重量％のAl−Si合金
（該合金の組成はSi15〜24重量％、残部Al）より
なる溶射層を設けたことを特徴とする摺動部材。２ 10〜70重量％の低炭素Fe−Cr合金粉末と90
〜30重量％のAl−Si合金粉末よりなる混合粉末
を母材表面にプラズマ溶射してなる溶射層を有す
る特許請求の範囲第１項記載の摺動部材。