JPH0416541B2

JPH0416541B2 -

Info

Publication number: JPH0416541B2
Application number: JP57131733A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Fuwa; Yoshikazu Yamamoto; Haratsugu Koyama; Shoji Myazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1982-07-28
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1992-03-24
Also published as: JPS5923864A

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JISFC２３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、相手側の鋳鉄製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
するものである。

かかる本発明は、母材表面に、55〜70重量％の
Crと３重量％未満のＣと残部Feよりなる組成の
低炭素Fe−Cr合金粉末30〜75重量％、55〜70重
量％のCrと３重量％以上のＣと残部Feよりなる
組成の高炭素Fe−Cr合金粉末10〜40重量％、及
びMo粉末10〜50重量％の混合粉末よりなる溶射
層を設けたことを特徴とする摺動部材である。

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す
る。また高炭素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量については自身の耐摩耗性
から３％（重量）以上とし溶射層の密着性の点か
ら９％（重量）以下とすることが好ましいことか
ら、55〜70重量％のCr、３〜９重量％のＣ及び
残部Feよりなる組成のものを使用する。Moは、
通常この種の用途に使用されるものを使用する。
なお、低炭素Fe−Cr合金及び高炭素Fe−Cr合金
において、Sc，Mn，Ｓ，Ｐ等が一般の炭素鋼程
度含まれていてもよい。

本発明において、低炭素Fe−Cr合金と、高炭
素Fe−Cr合金とMoよりなる材料を使用するの
は、これら各部分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合金溶射層のみの硬さは、組成によつて異な
るがピツカース硬さでH_V300〜400（５Kgで）であ
つてそれほど硬くはないが、相手材の摩耗を少な
くするという利点を有する。反面、それ自体の摩
耗が多いという欠点を有する。また上記組成から
なる高炭素Fe−Cr合金溶射層のみの硬さは、ピ
ツカース硬さでH_V830〜1000（５Kgで）であつて
クロムメツキと同程度の硬さを有し、それ自体の
耐摩耗性は良いが、相手部材の摩耗が多いという
欠点を有する。さらにモリブデンのガス溶射を施
したものは、硬さがピツカース硬さでH_V600〜
800（５Kgで）であり、それ自体の摩耗は多いが、
相手材の摩耗が少なく、また耐焼付性に優れると
いう利点を有している。

そこで、上記３種類からなる混合材料を溶射し
てなる溶射層は、ピツカース硬さでH_V400〜850
（５Kgで）であり、それ自体の耐摩耗性は高炭素
Fe−Cr合金溶射層と同等であり、相手材の摩耗
は低炭素Fe−Cr合金容射層あるいはモリブデン
溶射層の場合と同等あるいはそれ以下であり、さ
らに耐焼付性についてはモリブデン溶射層と同程
度であり、極めて優れた摺動特性を示すからであ
る。

溶射用材料中、低炭素Fe−Cr合金量を30〜75
重量％と限定したのは、低炭素Fe−Cr合金量が
30重量％より少ないと相手材の摩耗が増加するか
らであり、また75重量％を超えると溶射層自体の
摩耗が多くなるからである。

また溶射溶材料中、高炭素Fe−Cr合金量を10
〜40重量％としたのは、高炭素Fe−Cr合金量が
10重量％より少ないと溶射層自体の摩耗が増加す
るからであり、40重量％を超えると相手材の摩耗
が増加するからである。さらにMo量を10〜50重
量％としたのは、Mo量が10重量％より少ないと
耐焼付性の向上は得られず、50重量％を超えると
溶射層自体の耐摩耗性が落ちるとともに、高温で
の耐酸化性が低下するからである。

なお、摺動部材の母材としては、例えばJISFC
２３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３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３種類の成分を粉末とし
て用いるのが良い。

上記３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
と気孔率が大になり耐摩耗性・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の溶射層は得
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径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0.20〜0.30mm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（以下同じ）のガス溶射（比較
例）。

(C)：100％高炭素Fe−Cr合金（組成：Fe−66％
Cr−８％Ｃ−1.9％Si、粉粒度44〜10μ以下同
じ）粉末のプラズマ溶射（比較例）、 (D)：100％低炭素Fe−Cr合金（組成：Fe−65％
Cr−0.04％Ｃ、粉粒度44〜10μ、以下同じ）粉
末の溶射（比較例）、 (E)：60％低炭素Fe−Cr合金粉末と、25％高炭素
Fe−Cr合金粉末と15％モリブデン粉末よりな
る混合粉末のプラズマ溶射（実施例）、 (F)：40％低炭素Fe−Cr合金粉末と、15％高炭素
Fe−Cr合金粉末と45％モリブデン粉末よりな
る混合粉末のプラズマ溶射（実施例）、及び (G)：65％低炭素Fe−Cr合金粉末と、35％高炭素
Fe−Cr合金粉末よりなる混合粉末のプラズマ
溶射（比較例）。

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
形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、焼付限度荷重を調べた。

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)のプラズマ溶射したも
のは325〜350Kgで、(D)及び(G)のプラズマ溶射した
ものは350〜375Kgでそれぞれ焼付きを発生したの
に対し、(B)のモリブデン溶射したもの並びに本発
明実施例である(E)及び(F)の混合粉末をプラズマ溶
射したものは、500Kgでも焼付き発生しなかつた。

実施例２球状黒鉛鋳鉄製の外形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)及び(G)の処理を行つて各0.20
〜0.30mmの被覆層を形成し、各々のメツキ面及び
溶射面を研削加工した。これらの試験片を順次摩
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（６×10mm）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60
Kg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
対して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
鉄の摩耗量すなわち摩耗痕深さ（μ）を表わし、
Ａ〜Ｇの符号は実施例中で用いた(A)〜(G)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多
いが、相手材の摩耗は少なかつた。(B)のモリブデ
ンの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％高炭素Fe−Cr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、それ自体の摩耗は非常に少ない反面、相
手部材を非常に摩耗させた。また(D)の100％低炭
素Fe−Cr合金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。

これに対し、本発明係る(E)及び(F)の混合粉末を
それぞれプラズマ溶射したものは、焼付きは見ら
れず、それ自体の摩耗も(A)のクロムメツキ及び(B)
のモリブデンガス溶射したものより格段に少な
く、(C)のプラズマ溶射したものと同程度であり、
しかも相手部材の摩耗も(C)で処理したものの1/3
程度であり、(B)のモリブデンのガス溶射及び(D)の
プラズマ溶射したものと比較して同等あるいはそ
れ以下であることが判明した。(G)のプラズマ溶射
したものは、焼付きが殆ど見られず、耐摩耗性も
やや良好であつたが、本発明に係る(E)及び(F)の溶
射品ほどではなかつた。

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
材として最適なものである。

【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、55〜70重量％のCrと３重量％
未満のＣと残部Feよりなる組成の低炭素Fe−Cr
合金粉末30〜75重量％、55〜70重量％のCrと３
重量％以上のＣと残部Feよりなる組成の高炭素
Fe−Cr合金粉末10〜40重量％、及びMo粉末10〜
50重量％の混合粉末よりなる溶射層を設けたこと
を特徴とする摺動部材。２溶射層がプラズマ溶射して形成された溶射層
である特許請求の範囲第１項記載の摺動部材。