JPH06235096A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性、耐焼付き性に優れ、低温でのイオ
ン窒化処理が可能なめっき層を有する摺動部材を提供す
る。 【構成】 少なくとも摺動面に、硬質粒子が分散した複
合分散めっき層が形成され、且つ前記摺動面を含む表面
にイオン窒化処理層が形成されている摺動部材であり、
前記複合分散めっき層が、クロム２〜１０重量％、残部
が実質的に鉄からなる合金基地中に、平均粒径が０．５
〜１０μｍの硬質粒子を５〜３０容積％分散した層であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性に優れた摺動
部材に関し、詳しくは、イオン窒化処理を行った複合め
っき層を摺動面に有する摺動部材に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】軽量化
のため、比重が鉄鋼材料の約１／３であるアルミニウム
合金は鉄鋼材料に変わって、広く実用的な材料として内
燃機関や一般産業機械等に使われつつある。最近では、
内燃機関の燃費向上のために、アルミニウム合金に要求
される品質が高度になってきている。

【０００３】アルミニウム合金は耐摩耗性や耐焼付き性
に劣るため、摺動部材として用いる場合、その摺動面に
表面処理を行う必要がある。表面処理方法として、硬質
クロムめっき処理、無電解ニッケル合金めっきや、陽極
酸化などが使われている。硬質クロムめっきで処理した
摺動面は耐摩耗性があるものの、公害等で問題がある。
無電解ニッケル合金めっきや、陽極酸化の場合は耐焼付
き性に劣る問題がある。

【０００４】耐焼付き性を向上させる試みとして、特開
平３−２８５０９５号には、摺動面に鉄めっきを行った
あと、イオン窒化処理を施し、窒化層を形成させる方法
が開示されている。しかし、イオン窒化の処理温度が５
００℃に達すると、母材のアルミニウム合金の硬度や強
度が低下し、歪みが生じやすくなる。また、皮膜の鉄め
っき層と母材のアルミニウム合金との熱膨張係数の差か
ら、皮膜にクラックが生じたり、剥離が発生するなどの
問題がある。

【０００５】従って、本発明の目的は、耐摩耗性、耐焼
付き性に優れ、低温でのイオン窒化処理が可能なめっき
層を有する摺動部材を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、アルミニウム合金母体に硬質粒
子、固体潤滑剤粒子を分散させた鉄−クロム合金めっき
層を形成することにより、低温でのイオン窒化処理が可
能になり、耐摩耗性、耐焼付き性に優れた摺動部材が得
られることを見出し、本発明に想到した。

【０００７】すなわち、本発明の第一の摺動部材は、少
なくとも摺動面に、硬質粒子が分散した複合分散めっき
層が形成され、且つ前記摺動面を含む表面にイオン窒化
処理層が形成されており、前記複合分散めっき層が、ク
ロム２〜１０重量％、残部が実質的に鉄からなる合金基
地中に、平均粒径が０．５〜１０μｍの硬質粒子を５〜
３０容積％分散した層であることを特徴とする。

【０００８】また、本発明の第二の摺動部材は、少なく
とも摺動面に、硬質粒子と潤滑剤粒子とが分散した複合
分散めっき層が形成され、且つ前記摺動面を含む表面に
イオン窒化処理層が形成されており、前記複合分散めっ
き層が、クロム２〜１０重量％、残部が実質的に鉄から
なる合金基地中に、平均粒径が０．５〜１０μｍの硬質
粒子を５〜３０容積％と、平均粒径５〜２０μｍの潤滑
剤粒子を５〜２０容積％分散した層（硬質粒子と潤滑剤
粒子との合計１０〜４５容積％）であることを特徴とす
る。

【０００９】以下本発明を詳細に説明する。本発明の摺
動部材の基体はアルミニウム合金からなり、イオン窒化
処理に適するものであれば特に限定されない。特に好ま
しい例はＡＣ８Ａ（ＪＩＳ、Ｃｕ：０．８〜１．３％、
Ｓｉ：１１．０〜１３．０％、Ｍｇ：０．８〜１．３
％、Ｚｎ：０．１５％以下、Ｆｅ：０．７％以下、Ｍ
ｎ：０．５％以下、Ｎｉ：０．８〜１．５％、Ａｌ：残
部）等である。

【００１０】次に複合分散めっき層について説明する。
複合分散めっき層は２〜１０重量％のクロムと残部の鉄
によって構成される。クロムは窒素との親和力が強いた
め、イオン窒化処理によって硬度が向上する。また、イ
オン窒化処理温度も従来の５００℃より低い温度である
３００〜４００℃で行うことができる。複合めっき層の
基地に鉄−クロム合金とすることによって分散めっき層
そのものにイオン窒化処理を施すことが可能となり、耐
摩耗性改善に著しい効果を示す。

【００１１】複合分散めっき層において、クロム含有量
が２重量％未満では、イオン窒化処理を行っても硬度が
高くならず、耐摩耗性の効果が少ない上、イオン窒化処
理の処理温度も４００℃以下にできない。一方、クロム
含有量が１０重量％を越えても、その効果に著しい変化
はなく、経済的でない。従ってクロムの含有量は２〜１
０重量％とするのが良い。より好ましいクロムの含有量
は３〜８重量％である。

【００１２】硬質粒子を分散した複合めっき層は耐摩耗
性に優れ、特に耐焼付き性に関しては、窒化処理層や硬
質クロムめっき層に比して格段に優れている。複合めっ
き層に分散される硬質粒子は、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 、ＴｉＣ、Ｓ
ｉＣなどの金属炭化物、ＴｉＮ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｃｒ₂ Ｎ
などの金属窒化物、又はＣｒ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｚｒ
Ｏ₂ などの金属酸化物である。特に好ましい粒子はＣｒ
₂ Ｏ₃ 等である。

【００１３】硬質粒子の分散量及び粒径は形成するめっ
き厚にも関係するが、これらが過度に多い場合や大きい
場合にはめっき層が脆くなるとともに、摺動相手材の摩
耗を増大させるので好ましくない。また分散量が少ない
場合や粒径の小さい場合はその効果が少ない。本発明で
は分散量については０．５〜３０容量％とし、平均粒径
については０．５〜１０μｍとする。硬質粒子の分散量
が０．５容量％未満では、めっき基地表面に占める硬質
粒子の面積が少なくなり、耐摩耗性としての効果が少な
い。また硬質粒子の分散量が３０容量％を越えたり、平
均粒径が１０μｍを越えると、相手摺動材の摩耗が大き
くなり、めっき層皮膜の強度も低下する。

【００１４】複合めっき層の形成には、上記所望の組成
となるように鉄化合物、クロム化合物を溶解させためっ
き浴中に、硬質粒子を分散させたものを使用する。鉄化
合物、クロム化合物としては、硫酸鉄、硫酸クロム等を
用いる。めっき層の厚さは１０〜１５０μｍとするのが
好ましい。得られた複合めっき層は水洗、乾燥後、イオ
ン窒化処理により硬化させる。

【００１５】次にイオン窒化処理について述べる。本発
明では複合分散めっきを摺動面に施した後に、摺動部材
のイオン窒化処理を行い、窒化層を形成させる。イオン
窒化処理時に、複合分散めっき層中の鉄とクロムとが結
晶化を引き起こし、めっき層の硬度は著しく上昇する。
この硬度の上昇に伴い耐摩耗性及び耐焼付性がさらに向
上する。同時にこの処理のため内部応力も除去されてめ
っき層のクラックの発生もなくなる。また疲労強度も向
上するため折損し難くなる。イオン窒化処理の処理温度
は３００〜４５０℃が好ましく、処理時のガス圧力は１
３３〜２６６０Ｐａとするのがよい。窒素、水素混合ガ
ス中水素の占める割合を１０〜４０容量％とし、処理時
間を２〜１０時間とする。このイオン窒化処理によって
形成される窒化層の厚さが５〜２０μｍであればよく、
皮膜のマイクロビッカース硬度が７００〜１２００であ
ればよい。

【００１６】図１は、本発明の摺動部材の一例として、
アルミニウム合金を母材とするピストンリングの断面図
を示す。ピストンリングの摺動面に複合分散めっき層２
が形成され、そして、イオン窒化層３は摺動部材表面に
形成されている。

【００１７】本発明の第二の摺動部材では、上記硬質粒
子のほかに、さらに潤滑剤粒子を複合めっき層に分散す
る。潤滑剤粒子は相手材の耐摩耗性、耐焼付き性の改善
に優れた効果がある。潤滑材粒子としては、壁開性のあ
る低摩擦係数の固体潤滑剤が挙げられる。例えば、二硫
化モリブデン、フッ化黒鉛、窒化硼素、テフロン等が挙
げられる。複合めっき層における潤滑剤粒子の分散量は
０．５〜２０容量％とし、平均粒径を０．５〜２０μｍ
とする。分散量が０．５容量％未満、あるいは平均粒径
が０．５μｍ未満では、潤滑剤としての効果が少なく、
また分散量が２０容量％を越えたり、平均粒径が２０μ
ｍを越えると、めっき層自身の耐摩耗性が低下し、めっ
き層の強度も低下する。なお、硬質粒子と潤滑剤粒子の
合計分散量は、複合めっき層の１０〜４５容量％が適当
である。

【００１８】

【作用】本発明の摺動部材が耐摩耗性及び耐焼付性に優
れているのは、摺動面に施した複合分散めっき層自身の
本来の特性による他に、イオン窒化処理により複合分散
めっき層の硬度がより上昇したためである。まためっき
層に対して窒化処理が熱処理として作用するために疲労
強度が向上し、かつ内部応力が除去され折損の起点とな
るクラックの発生が防止されることなどに起因すると考
えられる。

【００１９】

【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明する。なお、以下の実施例では、摺動部材としてピス
トンリングを例にとって説明するが、本発明はこれに限
定されず、本発明の思想を逸脱しない限り、広く摺動す
る部材に適用する。

【００２０】実施例１ １６シリコンアルミニウム合金( 重量でＣｕ：２．０〜
５．０％、Ｓｉ：１５〜１７％、Ｍｇ：０．４〜２．０
％、Ｍｎ：２．０％以下）からなるピストンの第一圧力
リングの外周摺動面に、表１に示すめっき浴組成及びめ
っき条件で、硬質粒子として酸化クロム粒子を分散した
厚さ６０μｍの鉄−クロム複合めっきを形成した。な
お、このピストンリングのサイズは、呼び径×幅×厚さ
で８６×１．５×３．３ｍｍである。

【００２１】表１ めっき浴組成及びめっき条件めっき浴組成 硫酸クロム １５ ｇ／ｌ 硫酸第一鉄 １５０ ｇ／ｌ 硼酸 ３０ ｇ／ｌ クエン酸 １００ ｇ／ｌ 硫酸アンモニウム ７０ ｇ／ｌ 酸化クロム粒子 ５０ ｇ／ｌ （平均粒径１μｍ、最大粒径１０μｍ）めっき条件 液温 ５０〜５３ ℃ ｐＨ ２．０ 電流密度 ８ Ａ／ｄｍ²

【００２２】複合めっき層中のクロムの含有量は３．５
重量％で、硬質粒子である酸化クロムの分散量は２５容
積％である。次に、ピストンリングを表２の条件でイオ
ン窒化処理を行った。

【００２３】表２ イオン窒化処理の条件 処理温度 ３８０ ℃ ガス圧力 ５３２ Ｐａ ガス組成 ８０％Ｎ₂ 、２０％Ｈ₂ 処理時間 ３ ｈ

【００２４】イオン窒化処理を経て、ピストンリングの
皮膜のマイクロビッカース硬度が４００〜５００から、
９００〜１０００にまで増加し、窒化層の厚さが１５μ
ｍになった。このピストンリングをシリンダボア径８６
ｍｍの４サイクル、４気筒水冷エンジンに取りつけて、
高鉛ガソリンを燃料として、６８００ｒｐｍ、全負荷、
１００時間の条件でベンチテストを行い、ピストンリン
グの外周摺動面及びシリンダ（鋳鉄ＦＣ２５０製）内周
面の摩耗量を測定した。試験結果を図２に示す。

【００２５】実施例２ 実施例１と同様の１６シリコンアルミニウム合金からな
るピストンの第一圧力リングの外周摺動面に、表３に示
すめっき浴組成及びめっき条件で、硬質粒子として酸化
クロム粒子、潤滑剤粒子として窒化硼素を分散した厚さ
６０μｍの鉄−クロム複合めっきを形成した。なお、こ
のピストンリングのサイズは、呼び径×幅×厚さで８６
×１．５×３．３ｍｍである。

【００２６】表３ めっき浴組成及びめっき条件めっき浴組成 硫酸クロム １５ ｇ／ｌ 硫酸第一鉄 １５０ ｇ／ｌ 硼酸 ３０ ｇ／ｌ クエン酸 １００ ｇ／ｌ 硫酸アンモニウム ７０ ｇ／ｌ 酸化クロム粒子 ５０ ｇ／ｌ （平均粒径１μｍ、最大粒径１０μｍ） 窒化硼素 ２０ ｇ／ｌ （平均粒径２μｍ、最大粒径１２μｍ）めっき条件 液温 ５０〜５３ ℃ ｐＨ ２．５ 電流密度 ８ Ａ／ｄｍ²

【００２７】複合めっき層中のクロムの含有量は３．５
重量％で、硬質粒子である酸化クロムの分散量は１５容
積％であり、潤滑剤粒子である窒化硼素の分散量は１０
容量％である。次に、このピストンリングを、実施例１
と同じように上記表２の条件でイオン窒化処理を行い、
ピストンリングの皮膜のマイクロビッカース硬度を４０
０〜５００から、９００〜１０００まで増加した。窒化
層の厚さは８μｍであった。得られたピストンリングを
シリンダボア径８６ｍｍの４サイクル、４気筒水冷エン
ジンに取りつけて、高鉛ガソリンを燃料として、６８０
０ｒｐｍ、全負荷、１００時間の条件でベンチテストを
行い、ピストンリングの外周摺動面及びシリンダ（鋳鉄
ＦＣ２５０製）内周面の摩耗量を測定した。試験結果を
図２に示す。

【００２８】比較例１ 実施例１と同じピストンリング母材の外周摺動面に、従
来の硬質クロムめっきを施した。このピストンリングを
用いて、実施例１と同じように、ピストンリングの外周
摺動面及びシリンダ内周面の摩耗量を測定した。試験結
果を図２に示す。

【００２９】比較例２ 実施例１と同じピストンリング母材の外周摺動面に従来
の無電解ニッケル−リン合金めっきを施した。このピス
トンリングを用いて、実施例１と同じように、ピストン
リングの外周摺動面及びシリンダ内周面の摩耗量を測定
した。試験結果を図２に示す。

【００３０】比較例３ 実施例１と同じピストンリング母材に従来の鉄めっきを
施した後、処理温度が５００℃である以外は、表２と同
じ条件でイオン窒化処理を行った。このピストンリング
の窒化層の厚さは１０μｍであり、マイクロビッカース
硬度４００〜４５０であったものが、７００〜７５０ま
でに上昇した。このピストンリングを用いて、実施例１
と同じように、ピストンリングの外周摺動面及びシリン
ダ内周面の摩耗量を測定した。試験結果を図２に示す。

【００３１】図２から明らかなように、実施例１及び実
施例２のピストンリングは、比較例１〜３より摩耗量が
少なく、また相手シリンダの摩耗量も少ない。潤滑剤粒
子を分散した実施例２のピストンリングは、実施例１の
よりも、相手シリンダの摩耗量が少ない。一方、イオン
窒化処理した鉄めっき層を有する比較例３では、摩耗量
が大きく、硬度が低かった。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の摺動部材
は、摺動面に複合分散めっき層が形成され、且つ部材表
面にはイオン窒化処理層が形成されているので、耐摩耗
性、耐焼付性に優れ、また相手材を摩耗させることも少
ない利点を有する。本発明の摺動部材は内燃機関のピス
トンリングなどに利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるピストンリングを示す
断面図である。

【図２】本発明の実施例１、２及び比較例１〜３におけ
るピストンリングと相手シリンダの摩耗量を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ ピストンリング母材（アルミニウム合金） ２ 複合分散めっき層 ３ イオン窒化処理層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｃ 8/36 7516−4Ｋ 26/00 Ｚ Ｆ０２Ｆ 1/00 Ｇ 8503−3Ｇ 5/00 Ｆ 8503−3Ｇ Ｆ１６Ｊ 9/26 Ｃ 7366−3Ｊ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも摺動面に、硬質粒子が分散し
   た複合分散めっき層が形成され、且つ前記摺動面を含む
   表面にイオン窒化処理層が形成されている摺動部材であ
   って、前記複合分散めっき層が、クロム２〜１０重量
   ％、残部が実質的に鉄からなる合金基地中に、平均粒径
   が０．５〜１０μｍの硬質粒子を５〜３０容積％分散し
   た層であることを特徴とする摺動部材。
2. 【請求項２】 少なくとも摺動面に、硬質粒子と潤滑剤
   粒子とが分散した複合分散めっき層が形成され、且つ前
   記摺動面を含む表面にイオン窒化処理層が形成されてい
   る摺動部材であって、前記複合分散めっき層が、クロム
   ２〜１０重量％、残部が実質的に鉄からなる合金基地中
   に、平均粒径が０．５〜１０μｍの硬質粒子を５〜３０
   容積％と、平均粒径５〜２０μｍの潤滑剤粒子を５〜２
   ０容積％分散した層（硬質粒子と潤滑剤粒子との合計１
   ０〜４５容積％）であることを特徴とする摺動部材。