JPH04175442A

JPH04175442A - 摺動部材

Info

Publication number: JPH04175442A
Application number: JP2301329A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Michioka; 博文道岡; Yoshio Fuwa; 良雄不破
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-11-07
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1992-06-23

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、アルコール燃料等のガソリン代替燃料使用時
の、耐食、耐摩耗性摺動部材の組合せに係り、例えばシ
リンダボアとピストンスカート等の内燃機関用部品に好
適に適用できる。

〔従来技術〕

内燃機関において、高回転、高圧縮比、また、軽量化、
燃費向上対策として軽合金の使用や部品の小型化等の必
要性がある。そういった背景にある部品表面に対する耐
摩耗性、耐焼付き性、摩耗特性を従来にも増して改善す
る必要性が高まっている。

また、ガソリン燃料事情の悪化にともなう内燃機関用代
替燃料としてアルコール燃料の使用が考慮されており、
この対応策として、アルコール燃料使用時における、耐
食、耐摩耗に優れたシリンダボア、ピストンスカート部
等の内燃機関部品用摺動部材の必要性が高まっており、
多くの研究がなされている。

従来、このような試みの一つとして特開昭６０−９３１
６２号公報には、互いに当接して、相対的に摺動する摺
動部材であって、摺動する第１の部材の摺動面を硬質ク
ロムメツキ面とし、摺動する第２の部材の摺動面を、高
炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金のプラズマ溶射層面とした摺動部材
の組合せが開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、摺動部は第１の部材及び第２に部材ともＣｒが
含まれており、同金属どうしの凝着は起こりやすいとい
う性質があるため、上述のような摺動部材の組合せでは
焼付きが発生しやすいという問題がある。

そこで、本発明では摺動部材の耐焼付き性を向上させる
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、以下のような手段を用いて上述の課題を解
決した。すなわち、互いに当接して相対的に摺動する第
一の部材と第二の部材との組合せにして、前記第一の部
材の少なくとも前記第二の部材に対する摺動面部は重量
比で、Ｃｒ：５５〜７０％、Ｃ：１．８〜８．４％、残
部実質的にＦｅからなる組成のＦｅ−Ｃｒ合金粉末の溶
射面とし、前記第二の部材の少なくとも摺動する第一の
部材に対する摺動面部を二硫化モリブデン、ポリテトラ
フルオロエチレン、グラファイトの固体潤滑材とポリア
ミドイミド樹脂バインダーからなる厚さ５〜３０μｍの
低熱樹脂被覆層面とした。

また、更に好ましくは、溶射層については硬さをＨＶ６
００以下に、表面粗さを３．２μｍＲｚ以下に、樹脂被
覆層については表面粗さを３．０〜６゜ＱｐｍＲｚとす
るのが望ましい。

次に、溶射層及び樹脂被覆層の限定理由について述べる
。

まず、Ｆｅ−Ｃｒ合金溶射層における各成分の限定理由
を述べる。

Ｃｒ；５５〜７０％１ｔ％Ｃｒ量は５５−ｔ％未満では耐食剤としてＣｒが十分役
割をはたさず腐食が発生してしまう。また、７０ｗｔ％
を越えると相手材の摩耗の増大、耐焼付き性の低下が生
じる。

Ｃｉ　１．８〜８．４社％Ｃ量は１．８ｓｙｔ％未満では十分な硬さが得られず耐
摩耗性に劣る。また、８．４ｗｔ％を越えると、相手材
の摩耗の増大、溶射層の靭性の低下の問題が生じる。

次に、樹脂被覆層の厚さの限定理由を述べる。

樹脂被覆層の厚さ　５〜３０μｍ５μｍ未満では寿命不足で被覆層下の下地がでてしまう
。また、３０μｍを越えると剥離が発生するとともにコ
ストアップとなる。

以下に更に好ましい溶射層および被覆層の限定理由を述
べる。

溶射層の硬さ　Ｈｖ６００以下Ｈｖ６００以上では相手攻撃性が太き（、相手材の摩耗
量を大きくしてしまう。

溶射面の粗さ　３．２μｍＲｚ以下３．２μｍＲｚ以上では相手攻撃性が大きく、相手材の
摩耗量を大きくしてしまう。

樹脂被覆層の粗さ　３．０〜６．ＱｐｍＲｚ３、Ｑｐｍ
Ｒｚ未満では油保持力が小さく相手材と焼き付きが発生
する。６．ＱｐｍＲｚを越えると自己の摩耗量が増加す
る。

〔作用〕

互いに当接し相対的に摺動する第１の部材を耐食性、耐
摩耗性に優れたＦｅ−Ｃｒ合金粉末の溶射面とし、第２
の部材を同金属どうしの凝着を防ぐため、鋳鉄表面に耐
食性に優れ摩擦係数の小さい樹脂層を被覆することによ
って耐焼付き性を向上させた。

〔実施例〕

本発明の摺動部材をアルコール燃料使用時の内燃機関用
摺動部材に適用した場合の実施例について述べる。

（第１実施例）以下に実施例１の作製方法を述べる。

鋳鉄ＪＩＳ規格ＦＣ２５製で、形状が３０ｍｍＸ３０ｍ
ｍＸ厚さ５ｍｍの平板試験片（３０ｍｍＸ３０ｍｍの面
を試験面とする。）の３０ｍｍＸ３０ｍｍの面に試験片
ａ；低炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末（Ｃｒ：５６ｗｔ％、Ｃ
：０．０２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８ｗｔ％、残部Ｆｅ）を
７０−ｔ％と、高炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末（Ｃｒ：６２
ｗｔ％、Ｃ：８．０ｗｔ％。

Ｓｉ：１．３ｗｔ％、残部Ｆｅ）を３０−ｔ％混合した
Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末（Ｃｒ：６０ｗｔ％、Ｃ：２．２−
１％、　　Ｓ　ｉ　：　１，０ｗｔ％、残部Ｆｅ）を用
いてＨＶＯＦ溶射し厚さ２００ａｍのＦｅ−Ｃｒ合金溶
射層を形成させた後、研磨加工仕上げにより溶射層厚さ
１００μｍ、溶射層硬さＨｖ４３０．表面粗さ２．０μ
ｍＲｚとした試験片を作製した。

一方相手材として、アルミ合金（ＪＩＳ規格：ＡＣ８Ａ
）製で、大きさが外形２６ｓｓＸ内径２〇−鵬×高さ１
５ｍ５＋の円筒試験片の端面に、二硫化モリブデン（Ｍ
　ｏ　Ｓｔ）　１２ｅｖｔ％、ポリテトラフルオロエチ
レン（ＰＴＦＥ）３ｅｖｔ％、グラファイト（Ｃ）２ｗ
ｔ％の固体潤滑材とポリアミドイミド樹脂（ＦＡＩ）１
５＠ｔ％のバインダーを主成分としこれに基溶剤として
Ｎメチル２ピロリドン４５−ｔ％、ジメチルホルムアミ
ド１１１ｔ％、キシレン２２−ｔ％を配合した処理液を
エア霧化吹付塗装装置を用いコーティングし乾燥後、１
６０″ＣＸ２時間の焼成を行い、約１０μｍの被覆層を
設けた試験片ａ”を作製した。

また、比較例として実施例１と同形状の平板試験片及び
円筒試験片を、第１表に示すような材質からなる組合せ
（比較例１〜１０）で作製した。

すなわち、比較例の平板試験片は母材はすべて実施例１
と同じ鋳鉄（ＪＩＳ規格ＦＣ２５）を用い、その摺動面
部に、試験片ｂ；試験片ａと同様の処理を行い同様のＦｅ−Ｃ
ｒ合金層面とした。

試験片Ｃ：摺動面は特定の表面処理を行わなかった。

試験片ｄ；Ｎｉ−Ｃｒ合金（Ｎｉ：８０ｗｔ％。

Ｃｒ：２０ｗｔ％）粉末をプラズマ溶射した後、加工研
磨し実施例１と同形状の溶射層で、硬さＨｖ２００の溶
射面とした。

試験片ｅ；Ｃｒメツキを施し厚さ０．０５ｍｍとし、硬
さＨｖ９００のメツキ面とした。

試験片ｆ；試験片ａと同様の処理を行い同様のＦｅ−Ｃ
ｒ合金層面とした。

試験片ｇ；試験片ａと同様の処理を行い同様のＦｅ−Ｃ
ｒ合金層面とした。

、　　試験片ｈ；試験片ａと同様の処理を行い同様のＦ
ｅ−Ｃｒ合金層面とした。

試験片ｉ；試験片ａと同様の処理を行い同様のＦｅ−Ｃ
ｒ合金層面とした。

試験片ｊ；摺動面は特定の表面処理を行わなかった。

試験片に；試験片ａと同様の処理を行い同様のＦｅ−Ｃ
ｒ合金層面とした。

このとき、平板試験片ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ。

ｇ、　　ｈ、　　ｉ、　　ｊ、　ｋの表面粗さは２〜３
μｍＲ２である。

また、相手材である円筒試験片で、試験片ｂ゛。

Ｃ’＋ｄＺｅＺｆ’１ｇＺＴｈ’＋　ＩＺＪ’、に’　
は実施例１と同じアルミ合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）を
母材として用い、以下の表面処理を行った。

試験片ｂ　’　＋摺動面は特定の表面処理を行わなかっ
た。

試験片ｃ゛；摺動面は特定の表面処理を行わなか　′っ
た。

試験片ｄ゛；試験片ａ゛と同様の処理を行い同様の樹脂
被覆層面とした。

試験片ｅ゛：試験片ａ゛と同様の処理を行い同様の樹脂
被覆層面とした。

試験片ｆ　１．ポリイミド樹脂をコーティングし、約１
０ａｍの被覆層を設けた。

試験片ｇ゛；エポキシ変成ポリイミド樹脂をコーティン
グし、約１０μｍの被覆層を設けた。

試験片ｈ′；ポリテトラフルオロエチレン３０＠ｔ％と
ポリイミド樹脂１０ｗｔ％からなる厚さ約１０μｍの被
覆層を設けた。　　　　　　　　　　　　′試験片ｉ゛
：二流化モリブデン４０ｗｔ％とポリイミド樹脂６０−
１％からなる厚さ約１０μｍの被覆層を設けた。

試験片ｊ゛；試験片ａ”と同様の処理を行い同様の樹脂
被覆層面とした。

試験片に’；Ｃｒメツキを施し厚さ０．０５ｍｍとし、
硬さＨｖ９００のメツキ面とした。

なお、ａとａ’、ｂとｂ’、ｃとｃ’、ｄとｄ’、ｅと
ｅ’、ｆとｆ’、ｇとｇ’、ｈとｈ’＋　ｉと１’＋Ｊ
と３１゜ｋとに゛それぞれの試験片の組合せをＡ、Ｂ、
Ｃ。

Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｉ、Ｊ、にとする。

上記各々の試験片を機械試験新型スラスト試験機に装着
し、エンジンオイル５Ｗ−３０の油浴中にて平板試験片
を回転数１０００ｒｐ−で回転させながら、その試験面
に円筒試験片の端面を押し付け、２分ごとに２５ｋｇｆ
ずつ荷重をプラスしながら焼付き試験を行った。

試験結果を第３図に示す。

第３図において、横軸ＯＡないしＫの符号は、上述した
試験片の組合せＡないしＫの符号と一致させており、横
軸に対する縦軸は焼付き荷重を示している。

また、棒グラフ上のμの値は、本試験下における各試験
片の焼付き発生前のもっとも安定した動摩擦係数を示し
である。

第３図から明らかなように、本発明では６００Ｋｇｆの
荷重をかけても焼付きは発生しなかった。

よって、本発明は他の比較例に比べて耐焼付き性が優れ
るとともに、摩擦係数μの値も小さくフリクション低減
に対しても優れた特性を有している。

（第２実施例）第１表に示した平板試験片の材料で外径３５ｍｍ×内径
３１ｍｍｘ幅８．７　ｍ　ｍのリング試験片（外径３５
ｍｍｘ幅８．７ｍｍの面を試験面とする。

）を、また円筒試験片の材料で、樹脂コート被覆層の厚
さを１０μｍから１５μｍに変化させ１５ｍｍＸ７ｍｍ
Ｘ１０ｍｍのブロック試験片（１５ｍｍｘ７ｍｍの面を
試験面とする。）を作製し、それらを組み合わせて摩耗
試験を行った。

実施例２は、第１表に示した実施例１すなわち組合せ記
号のＡで樹脂コート被覆層の厚さを１０μｍから１５μ
ｍに変化させたものと同一の材料組合せとなっている。

また、比較例１１．１２，１３．１４，１５゜１６．１
７．１Ｂ、１９．２０は、それぞれ第１表に示した組合
せ記号Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｃ，。

Ｈ，Ｉ、Ｊ、にと対応しており、Ｂ、Ｃ，には第１表の
構成そのままで、Ｄ、　Ｅ、　　Ｆ、　Ｇ、　Ｈ，Ｉ。

Ｊは樹脂コート被覆層の厚さを１０μｍから１５μｍに
変化させたものと同一の材料組合せである。

実施例２及び比較例１１〜２０の各組合せ試験片を順次
摩耗試験機に装着し、５Ｗ−３０オイル中で、２Ｏｒｐ
ｍ＋の速度で回転したリング試験片に、３にｇｆでブロ
ック試験片を押し付けながら３分間の摩耗試験を行った
。

試験結果を第４図に示す。

第４図において、横軸に対する縦軸はブロック試験片の
摩耗痕の深さを示している。

第４図を見て分かるように本発明による組合せである実
施例２は、他の比較例と比べて十分優れている。

他にこの摩耗特性が優れたものとして、比較例１１．１
２．２０があるが、比較例１１．１２はブロック試験片
の表面に特定の処理を施してなく、アルミニウム合金（
ＡＣ８Ａ）そのものが摺動面となっているため第１図を
見てわかるように耐焼付き性が良くない。

また、比較例２０は、ブロック試験片にＣｒメツキを施
したものでＣｒメツキが非常に硬質なため、ブロック試
験片の摩耗量は少ないが第３図に示すように動摩擦係数
の値が大きいため、相手材であるリング試験片の摩耗量
が多くなってしまう。

（第３実施例）第１表に示した材料組合せのうち、本発明の組合せであ
るＡと、従来材の組合せであるＢについて、平板試験片
の材料を第１図、第２図に示す排気量２０００ｃｃ、４
気筒ガソリンエンジンのシリンダボアに、円筒試験片の
材料をそのピストンのスカート部に用いた。

第２図におけるシリンダボア３とピストンスカート部２
の摺動部（１）の拡大図を第１図に示す。

ピストンスカート部２はアルミニウム合金からなり、シ
リンダボア３との摺動部は、二硫化モリブデン、ポリテ
トラフルオロエチレン、グラファイトの固体潤滑材とポ
リアミドイミド樹脂バインダーからなる厚さ１０μｍの
樹脂被覆層面２１が形成されている。また、そのピスト
ンスカート部２に相対するシリンダボア３は鋳鉄から成
っており、ピストンスカート部との摺動部は厚さ１００
μｍの溶射面３１が形成されている。

試験条件としては、燃料にメタノール１００％のアルコ
ールを使用し、５８００ｒｐ−の回転数のもと１８０時
間の連続高速耐久テストを行った。

この試験において、従来材の組合せであるＢを用いたも
のは、テスト開始後約５０時間でピストンとシリンダボ
ア間でスカッフィングが発生したのに対して、本発明の
組合せであるＡを用いたものは、１８０時間経過しても
スカッフィングの発生はなく、試験後においてもピスト
ンスカート部に樹脂コート皮膜層が残っていた。

また、従来材の組合せであるＢを用いたものは、シリン
ダボア面に腐食の発生が見られるのに対して、本発明の
組合せであるＡを用いたものは、シリンダボア面の腐食
の発生はなかった。

（第１試験例）第４実施例において、樹脂被覆層の限定理由について説
明する。

第１表に示した本発明の組合せであるＡの平板試験片の
材料を、排気量２０００ｃｃ、４気筒ガソリン機関のシ
リンダボアに用い、ブロック試験片′の材料をその樹脂
被覆層の厚さを変化させピストンスカート部に用い、メ
タノール１００％のアルコール燃料を使用して６０００
ｒｐｍで実機連続高速耐久試験を行った。

この時、変化させた樹脂被覆層の厚さを横軸に取り、樹
脂被覆層がなくなった時の時間を耐久寿命として縦軸に
取ったときのグラフが第５図である。

第５図を見て明らかなように被覆層厚さが５μｍより小
さくなると耐久寿命が著しく減少してしまう。

また、同じように樹脂被覆層の厚さを変化させたピスト
ンを作製し、今度は密着力の試験を行った。その結果を
第２表に示す。

第２表 μｍを越えると剥離が発生する。

よって、上述の結果より被覆層の厚さを５〜３０μｍと
する。

また、被覆層厚さが厚くなるとコストアップとなる為、
経済的には出来るだけ被覆層の厚さを薄くしたほうが良
い。

（第２試験例）第２試験例において、Ｆｅ−Ｃｒ合金溶射層の硬さの限
定理由を説明する。

第１表に示した本発明の組合せであるＡのリング試験片
の材料で低炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末（Ｃｒ：５６ｓｍｔ
％、Ｃ：０．０２ｗｔ％、　　Ｓ　ｉ　：　０．８ｗｔ
％。

残部Ｆｅ）と高炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末（Ｃｒ：６２−
ｔ％、Ｃ：８．０ｗｔ％、　Ｓ　ｉ　：　１．３＠ｔ％
、残部Ｆｅ）の割合を変え硬さを変化させたものに、相
手材として本発明の組合せであるＡのブロック試験片の
材料を用い、第２実施例と同様の方法で摩耗試験を行っ
た。

この結果を第６図に示す。

第６図は横軸に溶射層の硬さＨｖを、縦軸に樹脂被覆層
の摩耗量μｍをとっである。

第６図を見て分かるように溶射層の硬さがＨｖ６００以
上になると相手材である樹脂被覆層の摩耗量が急に大き
くなることが分かる。よって、溶射層の硬さをＨｖ６０
０以下とした。

（第３試験例）第３試験例において、Ｆｅ−Ｃｒ合金溶射層の表面粗さ
の限定理由を説明する。

第１表に示した本発明の組合せであるＡの平板試験片の
材料のＦｅ−Ｃｒ合金壇射層の表面粗さを変化させたも
のに、相手材として本発明の組合せであるＡの円筒試験
片の材料を用い、第２実施例と同様の方法で摩耗試験を
行った。

この結果を第７図に示す。

第７図は横軸に溶射層の表面粗さμｍＲｚを、縦軸に樹
脂被覆層の摩耗量μｍをとっである。

第７図をみて分かるように溶射層の表面粗さが３．２μ
ｍＲｚよりも大きくなると、樹脂被覆層の摩耗量が急激
に大きくなっていることが分かる。

よって、溶射層の表面粗さを３．２μｍＲｚ以下とした
。

（第４試験例）第４試験例において、樹脂被覆層の表面粗さの限定理由
を説明する。

第１表に示した本発明の組合せであるＡの円筒試験片の
材料の樹脂被覆層の表面粗さを変化させたものに、相手
材として本発明の組合せであるＡの平板試験片の材料を
用い、第２実施例と同様の方法で摩耗試験を行った。

この結果を第８図に示す。

第８図は横軸に樹脂被覆層の表面粗さμｍＲｚを、縦軸
に樹脂被覆層の摩耗量μｍをとっである。

第８図から溶射層の表面粗さが３．０μｍＲｚ以下およ
び６．０μｍＲｚ以上では、樹脂被覆層の摩耗量が急激
に大きくなっていることが分かる。

よって、樹脂被覆層の表面粗さを３．０〜６．０μｍＲ
ｚとした。

〔発明の効果〕

以上より明らかなように、本発明にがかる摺動部材の組
合せによりアルコール燃料等のガソリン代替燃料使用時
のシリンダボアとピストンスカートの耐焼付き性を向上
させることができた。

また、シリンダボアとピストンスカートのスカッフィン
グ発生の防止が出来、しかもボア面の耐食性が改善され
長寿命化が達成できる。ひいては燃費向上（約１〜２％
）にも効果が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図に示すシリンダボアとピストンの部分拡
大図、第２図は本発明の組合せをシリンダボアとピストンに応
用したときのシリンダボアとピストンの断面図、第３図は各摺動部材の組合せの焼付き試験結果を示すグ
ラフ、第４図は各摺動部材の組合において、ブロック試験片の
耐摩耗性を示すグラフ、　゛第５図は樹脂被覆層の限定理由を説明するグラフ、第６図はＦｅ−Ｃｒ合金溶射層の硬さの限定理由を説明
するグラフ、第７図はＦｅ−Ｃｒ合金溶射層の表面粗さの限定理由を
説明するグラフ、第８図は樹脂被覆層の表面粗さの限定理由を説明するグ
ラフである。１−　ピストン本体　　　　２１−樹脂被覆層２−・ピ
ストンスカート　　３１−溶射層３−・シリンダボア

Claims

【特許請求の範囲】

　互いに当接して相対的に摺動する第一の部材と第二の
部材との組合せにして、前記第一の部材の少なくとも前
記第二の部材に対する摺動面部は重量比で、Ｃｒ：５５
〜７０％、Ｃ：１．８〜８．４％、残部実質的にＦｅか
らなる組成のＦｅ−Ｃｒ合金粉末の溶射面とし、前記第
二の部材の少なくとも摺動する第一の部材に対する摺動
面部を二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン
、グラファイトの固体潤滑材とポリアミドイミド樹脂バ
インダーからなる厚さ５〜３０μｍの低熱樹脂被覆層面
としたことを特徴とする摺動部材。