JPH0512585B2 - - Google Patents

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
ライナ等の摺動面に適用できる摺動部材に関する
ものである。

近年内燃機関において燃費を向上させる目的で
燃焼室の断熱化に関する研究開発が進められてい
るが、燃焼室の断熱化によりピストンリングとシ
リンダライナ間の摺動面が高温になり、油膜破断
が起りやすくなり、その結果ピストンリングとシ
リンダライナ間の焼きつきや過大摩耗が発生し易
くなつている。

従来、かゝる問題への対策の一つとして鉄系ピ
ストンリング外周面の摺動部にクロムメツキ、モ
リブデン溶射または鉄クロム合金溶射等を施すこ
とにより耐摩耗性被覆層を形成せしめることは公
知であり、その応用例も広い。しかしながら断熱
化のためにシリンダライナに窒化珪素を使用した
場合には焼きつきや、過大摩耗の問題を生じ易く
なる。

本発明は上記従来技術の問題点を解決するため
になされたものであり、シリンダライナに窒化珪
素を適用した場合に、従来の鉄系母材の表面にモ
リブデン溶射または鉄クロム合金溶射を施したも
のよりも耐焼きつき性および耐摩耗性の良好なピ
ストンリング摺動部材を提供することを目的とす
るものである。

上記の目的で研究を重ねた結果、本発明者等は
摺動面にNi−Al又はNi−Cr−Al複合粉末を溶射
し、次いで酸化クロム粉末をプラズマ溶射して形
成された酸化クロム（Cr₂O₃）の溶射層を有する
ピストンリングが合金鋳鉄のシリンダライナと摺
動する場合には相手部材を摩耗するが窒化珪素と
摺動する場合には、ピストンリング自体が摩耗し
ないうえ、相手部材を攻撃して摩耗させることも
ないことを見出して、本発明を完成した。

すなわち、本発明の摺動部材は摺動可能な一対
の部材のうち一方の部材が窒化珪素からなる摺動
部を有し、他方の部材の摺動部がNi−Al又はNi
−Cr−Alの下地溶射層の上に形成された酸化ク
ロムの溶射層からなることを特徴とする。

本発明を構成し、窒化珪素の摺動部を有する部
材は窒化珪素セラミツクス単独からなる部材でも
よいし、金属母材上に窒化珪素セラミツクスをラ
イニングしたものでもよい。窒化珪素セラミツク
スは通常の方法により焼結した焼結体が使用でき
その形状はピストンリング自体、またはそのライ
ニング材、或いはその他の部品形状等、使用目的
に応じて自由に変更することができ限定されるこ
とがない。

窒化珪素の焼結体と金属との接合は300〜500℃
に保たれた炉中に金属体を入れ熱膨張した内径等
に窒化珪素の焼結体をはめこみ常温まで徐冷させ
金属の収縮によつて固定させる焼きばめ方法が用
いられる。あるいはまた、窒素雰囲気中で金属珪
素を母材金属の表面にスパツタリングすることに
より該金属表面に窒化珪素の被膜を形成せしめた
ものを摺動部材として使用することもできる。

上記の部材と摺動する相手部材には相手部材が
ピストンリングであれば鋳鉄、鋼鉄からなる所定
形状の母材の摺動面に酸化クロム粉末の溶射層の
皮膜を設けたものが使用される。皮膜を形成する
ためにはアーク溶射、ガス溶射またはプラズマ溶
射等の方法があるが母材への付着性の点からは特
にプラズマ溶射が好ましい。なおプラズマ溶射の
場合には酸化クロム（Cr₂O₃）の粉末を用いる。
粉末粒度は280メツシユ（53μ）より細かいもの
が望ましく88μより粗いと得られた溶射層に気孔
が多くなり耐摩耗性、耐焼きつき性が悪くなる。
溶射層の厚さとしては0.1ないし0.25mmが望まし
い。0.05mmより薄いと表面に均一な厚さの溶射層
は得られず、また0.3mmより厚いと溶射層の剥離
が発生しやすい欠点がある。

尚酸化クロムの溶射層と金属母材との密着性を
向上させるために金属母材は前処理としてシヨツ
トブラストが施こされる。このシヨツトブラスト
の粗面化による金属母材の表面粗さは20〜40μRz
が好ましい。

又更に密着性を向上させるためにこの粗面化さ
れた金属母材上に金属母材との密着性に優れる
Ni−Al複合粉末（メテコ社製メテコ450）、Ni−
Cr−Al（メテコ社製メテコ443）粉末等によつて
下地溶射（溶射厚さ20〜80μ）が施こされると効
果が大きい。

以下、本発明に係る摺動部材の組合わせを実施
例により具体的に説明し、従来のものと比較す
る。なお例中「％」は「重量％」を表わす。

実施例 １ ピストンリングの母材として球状黒鉛鋳鉄製の
外径35.0mm、内径31.0mm、厚さ（）巾8.75mmの回
転試験片を用い、その外周面に異なる処理方法に
より厚さ0.1ないし0.2mmの被覆層を形成せしめて
下記の摺動部材を得た。

(A) クロムメツキ処理をした部材 (B) Fe−Cr合金（組成：Fe−65％Cr−8.2％Ｃ−
1.5％Si、粉末粒度10〜74μ、以下同じ）のプラ
ズマ溶射処理をした部材 (C) Ni−Al粉末（メテコ社製、メテコ450）によ
る下地溶射層（40〜60μ）の上に酸化クロム粉
末（メテコ社製、P106F−11、以下同じ）をプ
ラズマ溶射した部材 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。

上記の処理を施した各回転試験片を相手部材
（シリンダライナ材料）である長さ15.75mm、巾
6.35mm、高さ10.2mmの、 (D) 合金鋳鉄 (E) ホツトプレスした窒化珪素製のブロツク試験
片の各端面（15.75mm×6.35mm）と接するよう
に配置し、接触面に潤滑油としてモータオイル
10W−30を供給し摩耗試験機を使用し、回転数
160rpm、荷重180Kgで１時間の摩耗試験を実施
した。

摺動部材の組合せシリンダライナ ピストンリング Ｄ Ａ 比較例 Ｄ Ｂ 〃 Ｄ Ｃ 〃 Ｅ Ａ 〃 Ｅ Ｂ 〃 Ｅ Ｃ 実施例 上記組合せによる試験結果を第１図に示す。図
中、横軸に関して上方の縦軸はブロツク試験片の
摩耗量（μ）を表わし、横軸に関して下方の縦軸
は回転試験片の摩耗量（mg）を表わし、(A)〜(E)の
符号は前記の符号と一致させてあり、図のグラフ
から以下のことが判明した。

シリンダライナの材料としての(D)と(E)を比較す
ると、ピストンリングに従来の材料を用いた場合
（Ｄ−Ａ，Ｄ−Ｂ，Ｅ−Ａ，Ｅ−Ｂ）、(D)の摩耗は
(A)よりも減少するが相手部材である(A)及び(B)の摩
耗量が著しく増大する。これに対しピストンリン
グに本発明による(C)を使用した場合、(C)自身の摩
耗量は(A)(B)に比し格段に低いがシリンダライナが
(D)の合金鋳鉄であると(D)の摩耗量が(A)(B)を相手に
したときよりもかえつて増加する。これに対し、
シリンダライナが(E)の窒化珪素のときは、全く逆
の傾向を示して(E)の摩耗量は(C)を相手にしたとき
最少であり、(C)自身の摩耗量も(A)，(B)に比し格段
に低い。

以上を要約すると、本発明の構成要素である(C)
の酸化クロム溶射層を有する部材は(E)の窒化珪素
との組合せにおいて最も効果を発揮しているとい
うことができる。

実施例 ２ 実施例１と同様に球状黒鉛鉄製のピストンリン
グ基材の摺動面にNi−Al下地溶射層の上に酸化
クロム粉末を溶射し、通常の研削加工、ラツピン
グ加工を施し実機試験用のピストンリング（摺動
面の表面粗さ：0.5〜20μRz）を製作した。また
比較用としてクロムメツキを施したピストンリン
グ、鉄−クロム合金粉末溶射を施したピストンリ
ングを製作した。

上記３種のピストンリングをそれぞれデイーゼ
ルエンジンに組込み、実機による耐久試験を実施
した。但し使用したデイーゼルエンジンは排気量
2188c.c.、シリンダ孔径90mm、ストローク86mm、４
サイクル４気筒のものであり、シリンダライナと
してはホツトプレス法により製作した窒化珪素製
のものを用いた。試験条件はエンジン回転数
5200rpm全負荷とし、燃料として軽油を用い500
時間の連続試験を行なつた。

この結果、ピストンリングの厚さ方向の平均摩
耗量はクロムメツキを施したものが83μ、鉄クロ
ム合金溶射を施したものが55μであつたのに対
し、酸化クロム溶射を施したものは8μに過ぎず、
極めて優秀であつた。また前２者は摺動方向のた
て傷が見受けられ、焼きつきの兆候を呈している
のに対し、酸化クロム溶射のものにはこれが認め
られず、耐焼きつき性能もすぐれていることが確
認された。なお相手部材のシリンダライナの摩耗
量はクロムメツキを施したピストンリングと組合
せた場合を除いては軽微で問題のないことが確認
された。また500時間の試験中のオイル消費量お
よびブローバイガス量は酸化クロム溶射のピスト
ンリングを使用した場合が、他に比して良好であ
つた。これはピストンリング材料の摩耗量の差違
と関連するものと思われる。

実施例 ３ 直径20mm×長さ20mmの炭素鋼（S45）製の丸棒
（テストピース）２個を製作し、両丸棒の端面を
シヨツトプラスト（メテコ社製／メテコライト
VF）により25〜35μRzの表面粗さに粗面化した。
粗面化した丸棒の１つの端面をメテコ社製プラズ
マ溶射装置のプラズマ炎で100〜150℃に予熱後、
下地溶射層としてNi−Cr−Al（メテコ443）を40
〜70μの厚さに溶射した。次いで、この下地溶射
層の上に酸化クロム（メテコ106F−11）粉末を
100〜120μの厚さにプラズマ溶射した。この酸化
クロム溶射された丸棒の端面と、シヨツトブラス
トされているが溶射されてない別の丸棒の端面
に、エポキシ系接着剤（アシルダイトAT−１）
を塗布し、両端面を合わせた後、恒温炉中150℃
×1hr加熱保持し、接着品（試料Ａ）を作つた。

一方、Ni−Cr−Al下地溶射を施さずに直接シ
ヨツトブラスト面に酸化クロム（メテコ106F−
11）粉末を100〜120μの厚さにプラズマ溶射した
丸棒と、別のシヨツトプラスト（同様にメテコラ
イトVFで25〜35μRzに粗面化）しかされていな
い丸棒を、上記と同様に接着して比較品（試料
Ｂ）を作つた。

このようにして得られた試料Ａ，Ｂの密着性を
計測した。計測は引張試験機を用い、接着した丸
棒をチヤツクにて保持し、0.5mm／minの引張り
速度で引張り試験を行つた。この結果を第２図
に、そして最終的な破断状態を第３図に示す。

第２図からわかるようにNi−Cr−Al下地溶射
層を施した試料Ａは、下地溶射層を施さない試料
Ｂに比べ15倍以上の高い密着性を有することがわ
かつた。特に下地溶射（Ni−Cr−Al）を施さな
い試料Ｂは、酸化クロム溶射後の試料の外周を観
察した結果、酸化クロム溶射層とS45母材間にス
キマが部分的に見られた。一方Ni−Cr−Al下地
溶射を施した試料Ａには、こうしたスキマは見ら
れなかつた。

下地溶射層により母材と酸化クロム溶射層の密
着性が向上するのは以下の理由，によるもの
と考えられる：金属母材にセラミツクを溶射す
ると、その熱膨張率の相違により、冷却時に母材
側がセラミツク層より大きく収縮し、その結果、
母材とセラミツクとの界面に微小の空間があき、
密着性が低下するが、それに対して、金属母材と
セラミツクとの間にNi−Al又はNi−Cr−Alの下
地溶射層を設けると、この柔らかい金属の下地溶
射層が金属母材によくなじみ且つ冷却時の熱収縮
差を吸収するので密着性が向上する。一般的に
溶射表面は凹凸の入り込んだ複雑形状をしてお
り、この凹凸に富む下地溶射層の上に酸化クロム
溶射層を設ける構造であるため、いわゆる投錨効
果により密着性が向上する（尚、シヨツトブラス
ト処理表面と溶射表面とを比較すると、シヨツト
ブラスト処理表面の凹凸はなだらかであり、投錨
効果が少ない）。

本発明の摺動部材は上述したような構成であ
り、摺動部材のうちの一方の部材の摺動部を窒化
珪素とし、その相手部材の摺動面材料としてNi
−Al又はNi−Cr−Al下地溶射層の上に酸化クロ
ム合金溶射したものを使用することにより、 従来のピストンリング材料に比べて自身の摩
耗が大巾に減少する。

シリンダライナ（窒化珪素）の摩耗は従来
品、或いは従来の組合せに比べて低く抑えるこ
とができる。

シリンダライナとの耐焼付性が向上する。

窒化珪素のシリンダライナを支障なく使用で
きることになり燃費の向上に資することができ
る。

等の効果を有し、更に２次的には酸化クロム溶射
したものはオイル消費量、ブローバイガスの量が
少なくなる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例１の各摺動部材の組合せ
における耐摩耗性を示すグラフ、第２図は下地溶
射層の有無とクロム溶射層の密着性との関係をに
ついての試験結果を示すグラフ、第３図はその試
験で観察された試料の破断状態の説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 摺動可能な一対の部材のうち、一方の部材が
   窒化珪素からなる摺動部を有し、他方の部材の摺
   動部がNi−Al又はNi−Cr−Alの下地溶射層の上
   に形成された酸化クロムの溶射層からなることを
   特徴とする摺動部材。