JPH0684525B2

JPH0684525B2 - 摺動用部材

Info

Publication number: JPH0684525B2
Application number: JP18626486A
Authority: JP
Inventors: 博文道岡; 良雄不破
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-08-08
Filing date: 1986-08-08
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPS6342337A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、互いに当接して相対的に摺動する第一の部材
と第二の部材とよりなる摺動用部材に係り、更に詳細に
は第一の部材がアルミナ−シリカ系繊維にて複合強化さ
れたアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金よりな
る複合材料にて構成され、第二の部材が金属酸化物粒子
分散強化金属複合材料の溶射層にて被覆された金属にて
構成された摺動用部材に係る。

従来の技術互いに当接して相対的に摺動する二つの部材よりなる摺
動用部材に於ては、二つの部材の組合せ如何によっては
それらの部材の何れか又は両方の摩耗量が大きくなり、
早期寿命を来たすことがある。かかる問題に対処すべ
く、例えば本願出願人と同一の出願人の出願にかかる特
開昭58−93838号や特開昭58−93839号の公報には、アル
ミニウム合金やマグネシウム合金をマトリックスとして
アルミナ−シリカ繊維の如き無機繊維を強化繊維とする
繊維強化金属複合材料にて一方の部材を構成し、所定の
硬さの鋼にて他方の部材を構成し、これにより摺動用部
材の摩擦摺動特性を改善する試みが行われている。

発明が解決しようとする問題点しかし互いに当接して相対的に摺動する二つの部材より
なる摺動用部材に於て、その一方の部材を繊維強化金属
複合材料にて構成した場合には、その他方の部材の材質
によってはその他方の部材の摩耗が増大し、またそれら
の部材の間に於て焼付き等の問題が生じることがある。

本願発明者等は、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よりなる摺動用部材に於て、第一
の部材がアルミナ−シリカ系繊維を強化繊維とする複合
材料にて構成され、第二の部材が金属にて構成される場
合に、第二の部材を構成する金属が如何なる特徴を有す
るものであることが適切であるかについて種々の実験的
研究を行った結果、金属が或る特定の粒子分散強化金属
複合材料の溶射層にて被覆されていることが好ましいこ
とを見出した。

本発明は、本願発明者等が行った種々の実験的研究の結
果得られた知見に基づき、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よりなる摺動用部材であ
って、第一の部材がアルミナ−シリカ系繊維を強化繊維
としてアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金をマ
トリックスとする繊維強化金属複合材料にて構成され、
第二の部材が或る特定の粒子分散強化金属複合材料の溶
射層にて被覆された金属にて構成され、それらの両部材
の耐摩耗性及び耐焼付き性等に優れた摺動用部材を提供
することを目的としている。

問題点を解決するための手段上述の如き目的は、本発明によれば、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よりなる摺動
用部材にして、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40wt％以上Al₂O₃、残部実質的
にSiO₂なる組成を有する体積率３〜30％のアルミナ−シ
リカ系繊維を強化繊維としアルミニウム合金若しくはマ
グネシウム合金をマトリックスとする繊維強化金属複合
材料にて構成され、前記第二の部材の少なくとも前記第
一の部材に対する摺動面部はHv800以上の硬さを有する
体積率25〜85％の金属酸化物粒子を強化材とし鉄、ニッ
ケル、及びそれらを主成分とする合金よりなる群より選
択された金属をマトリックスとする粒子分散強化金属複
合材料の溶射層にて被覆された金属にて構成された摺動
用部材によって達成される。

発明の作用及び効果本発明によれば、第一の部材の少なくとも第二の部材に
対する摺動面部は、体積率３〜30％のアルミナ−シリカ
系繊維を強化繊維としアルミニウム合金若しくはマグネ
シウム合金をマトリックスとする繊維強化金属複合材料
にて構成され、第二の部材の少なくとも第一の部材に対
する摺動面部は、Hv800以上の硬さを有する体積率25〜8
5％の金属酸化物粒子を強化材とし鉄、ニッケル、及び
それらを主成分とする合金よりなる群より選択された金
属をマトリックスとする粒子分散強化金属複合材料の摺
動特性に優れた溶射層にて被覆された金属にて構成され
るので、後に説明する本願発明者等が行った実験的研究
の結果より明らかである如く、二つの部材の耐摩耗性及
び耐焼付き性に優れた摺動用部材を得ることができる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、金属
酸化物粒子分散強化金属複合材料は上述の如き繊維強化
金属複合材料と組合せて摺動用部材を構成するに適した
材料であるが、使用される金属酸化物粒子の硬さがHv80
0未満である場合には、溶射層の耐摩耗性が不十分とな
り、その結果第二の部材の摩耗量が増大する。従って本
発明に於ては、Hv800以上の硬さを有する金属酸化物粒
子、特にCr₂O₃粒子、TiO₂粒子、ZrO₂粒子、Al₂O₃粒子、
及びこれらの二種以上の粒子の混合物よりなる群より選
択された粒子が使用される。尚金属酸化物粒子の硬さが
非常に高い値である場合には、溶射層の相手攻撃性が増
大して第一の部材の摩耗量が増大することが考えられる
ので、金属酸化物粒子の硬さはHv2500以下程度であるこ
とが好ましいものと考えられる。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
溶射層を構成する粒子分散強化金属複合材料の金属酸化
物粒子の体積率が小さい値である場合には、溶射層の耐
摩耗性を十分な値に確保することができず、逆に金属酸
化物粒子の体積率が高い値である場合には、溶射層の相
手攻撃性が増大して第一の部材の摩耗量が高い値になっ
てしまう。従って本発明に於ては、粒子分散強化金属複
合材料の金属酸化物粒子の体積率は25〜85％、好ましく
は30〜80％に設定される。

また金属酸化物粒子の大きさが大き過ぎる場合には、第
一の部材に異常摩耗が生じたり、粒子の脱落に起因して
第一の部材の摩耗量が過大になり、逆に金属酸化物粒子
の大きさが小さ過ぎる場合には、溶射層の耐摩耗性を十
分に向上させることが困難であり、また溶射により第二
の部材の表面に粒子分散強化金属複合材料の溶射層を形
成する際に非常に微細な金属酸化物粒子が使用される
と、金属酸化物粒子がマトリックス中に溶け込んでしま
い、容射層を構成する材料が適正な粒子分散強化金属複
合材料ではなくなってしまう。従って本発明に於ては、
溶射前の金属酸化物粒子の大きさは５〜100μ、特に10
〜60μ程度であることが好ましく、溶射層中の金属酸化
物粒子の大きさは２〜50μ、特に５〜20μ程度であるこ
とが好ましい。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
第二の部材の摺動面部が上述の如き粒子分散強化金属複
合材料の溶射層にて被覆された金属にて構成される場合
には、溶射層の表面の粗さが比較的大きい場合にも、第
二の部材が溶射層にて被覆されていない金属にて構成さ
れる場合に比して、第一及び第二の部材の摩耗量を低減
することができるが、溶射層の表面粗さが特に1.2μRz
以下の場合に二つの部材の摩耗量を小さい値に抑えるこ
とができる。従って本発明の他の一つの詳細な特徴によ
れば、溶射層の表面粗さは1.2μRz以下に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
第一の部材の摺動面が電解エッチングされることにより
アルミナ−シリカ系繊維の一部が摺動面に露出し、摺動
面に露出するアルミナ−シリカ系繊維の間のマトリック
スの表面に凹部が形成される場合には、第一及び第二の
部材の耐摩耗性及び耐焼付き性を更に一層向上させるこ
とができる。従って本発明の更に他の一つの詳細な特徴
によれば、第一の部材はその摺動面が電解エッチングさ
れることによりアルミナ−シリカ系繊維の一部が摺動面
に露出しており、摺動面に露出するアルミナ−シリカ系
繊維の間のマトリックスの表面に凹部が形成された状態
にて使用される。

また粒子分散強化金属複合材料の溶射層の厚さが小さす
ぎる場合には、摩耗の進行により早期に溶射層がなくな
って第二の部材の金属が露出してしまい、逆に溶射層の
厚さが大きすぎる場合には、溶射に要する時間が長くな
り、また粒子分散強化金属複合材料が必要以上に使用さ
れることになり、摺動用部材が高コストになる。従って
粒子分散強化金属複合材料の溶射層の厚さは５μ以上、
特に５〜200μ、更には10〜150μであることが好まし
い。

本発明の一つの具体的実施例に於ては、摺動用部材は内
燃機関であり、第一の部材はシリンダライナであり、第
二の部材はピストンリングである。

また本発明の他の一つの具体的実施例に於ては、摺動用
部材は内燃機関であり、第一の部材はピストンであり、
第二の部材はピストンリングである。

尚本明細書に於ける「アルミナ−シリカ系繊維」なる用
語はAl₂O₃及びSiO₂を主成分とする繊維、即ちAl₂O₃含有
量が40wt％程度以下であり残部が実質的にSiO₂であるガ
ラス繊維、Al₂O₃含有量が40〜80％程度であり残部が実
質的にSiO₂であるアルミナ−シリカ繊維及びAl₂O₃含有
量が80％程度以上であり残部が実質的にSiO₂であるアル
ミナ繊維を総称する概念として定義される。特に本発明
に於て強化繊維として使用されるアルミナ−シリカ系繊
維はAl₂O₃含有量が40％wt％以上のものであればよく、
従って本発明の技術思想に於てはアルミナ−シリカ系繊
維がアルミナ−シリカ繊維であるかアルミナ繊維である
かを区別する必要はない。また本発明に於てアルミナ−
シリカ系繊維のAl₂O₃含有量が40wt％以上に限定される
のは、Al₂O₃含有量が40wt％未満である場合には、複合
材料、従って第一の部材の耐摩耗性を十分に向上させる
ことができないことによる。またアルミナ−シリカ系繊
維は長繊維又は短繊維の何れであってもよく、平均繊維
径は100μ以下、特に１〜40μ程度であることが好まし
い。

またアルミナ−シリカ系繊維の体積率が５％未満、特に
３％未満の場合には、繊維強化金属複合材料の耐摩耗性
等を十分に向上させることができず、逆にアルミナ−シ
リカ系繊維の体積率が15％、特に30％を越えると、第二
の部材の摩耗量のみならず繊維強化金属複合材料自身の
摩耗量も増大する。従ってアルミナ−シリカ系繊維の体
積率は３〜30％、好ましくは３〜15％に設定される。更
にアルミナ−シリカ系繊維の配向は一方向配向、二次元
ランダム配向、三次元ランダム配向等任意の配向であっ
てよいが、特に一方向配向及二次元ランダム配向の場合
には、摺動面が一方向配向の方向又は二次元ランダム配
向平面に対しできるだけ垂直又はこれに近い角度をなす
よう設定されることが好ましい。

また第二の部材の溶射層の金属酸化物粒子分散強化金属
複合材料のマトリックスとしてのFeを主成分とする合金
及びNiを主成分とする合金は、炭素鋼（例えばJIS規格S
WRM1〜４）、低合金鋼（例えばJIS規格SUJ2）、ステン
レス鋼（例えばJIS規格SUS304）、Ni-Cr合金、Ni自溶合
金（例えば72％Ni-3％B-4％Si-20％Co）の如き任意のFe
合金及びNi合金であってよい。

更に第二の部材を構成する金属は上述の粒子分散強化金
属複合材料にて溶射により被覆し得る金属である限り任
意の金属であってよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１互いに当接して相対的に摺動する二つの部材よりなる摺
動用部材であって、その一方の部材がアルミナ−シリカ
繊維を強化繊維としアルミニウム合金をマトリックスと
する繊維強化金属複合材料にて構成されており、その他
方の部材が粒子分散強化金属複合材料の溶射層にて被覆
された金属にて構成された摺動用部材について行われた
摩耗試験及び焼付き試験を、他の材質の組合せよりなる
摺動用部材について行われた摩耗試験及び焼付き試験と
対比して説明する。

まず平均繊維径2.8μ、平均繊維長6mmのアルミナ−シリ
カ繊維（55wt％Al₂O₃、残部実質的にSiO₂）が実質的に
三次元ランダムにて配向された繊維成形体を形成し、該
繊維成形体を用いて行われる高圧鋳造（溶湯の温度730
℃、溶湯に対する加圧力500kg/cm²）により、体積率８
％のアルミナ−シリカ繊維を強化繊維としアルミニウム
合金（JIS規格AC8A）をマトリックスとする複合材料を
製造した。次いでこの複合材料より大きさが16×６×10
mmであり、その一つの面（16×6mm）を試験面とする平
板試験片を多数作成した。また比較用としてアルミナ−
シリカ繊維にて強化されていないアルミニウム合金（JI
S規格AC8A）のみよりなり、上述と平板試験片と同一の
寸法を有する平板試験片を多数作成した。

次いでこれらの平板試験片を順次摩擦摩耗試験機にセッ
トし、相手部材である外径35mm、内径30mm、幅10mmの球
状黒鉛鋳鉄（JIS規格FC270）又は厚さ150μのプラズマ
溶射層にて被覆された球状黒鉛鉛鋳鉄（JIS規格FCD70）
製の円筒試験片の端面と接触させ、それらの試験片の接
触部に温度150℃の潤滑油（キャッスルモータオイル5W
−30（商品名）を供給しつつ、荷重60kg、回転数160rpm
にて円筒試験片を１時間回転させる摩耗試験を行った。

尚平板試験片と円筒試験片との組合せは下記の表１に記
されている通りであり、表１（その他の表に於ても同
じ）の「…−…溶射」の表示に於ける−の前の部分及び
後の部分はそれぞれ各溶射層を構成する粒子分散強化金
属複合材料のマトリックス及び金属酸化物粒子を示して
おり、各溶射層の金属酸化物粒子含有量及び粒子の平均
粒径はそれぞれ40vol％、10μであった。また各溶射層
は、円筒試験片の一方の端面をショットブラストにより
清浄化した後、METCO社製のプラズマ溶射装置（3MB）を
用いて、それぞれ下記の表２に示された条件にてプラズ
マ溶射を行うことにより形成された。また表１に於て、
組合せA₁〜A₅の円筒試験片の溶射層の表面粗さの単位は
μRzであり、他の組合せの円筒試験片の被試験面の表面
粗さは全て1.2μRzであり、表面粗さは被試験面に対す
る研削条件を変更することにより調整された。

表２（プラズマ溶射条件） Arガス流量:2300/hr H₂ガス流量:450/hr 供給電流:450〜500A 混合粉末の平均粒径:20μ 混合粉末の供給量:40g/min 溶射距離:100mm この摩耗試験の結果を第１図に示す。尚第１図に於て、
上半分は平板試験片の摩耗量（摩耗痕深さμ）を表わし
ており、下半分は相手材である円筒試験片の摩耗量（摩
耗減量mg）を表わしている（後述の第２図〜第５図に於
ても同じ）。

第１図より、組合せA₁₄〜A₁₉の平板試験片の摩耗量は非
常に高い値であり、特に組合せA₁₄の場合には円筒試験
片の摩耗量も比較的高い値であることが解る。また組合
せA₁〜A₁₂の平板試験片の摩耗量は組合せA₁₄〜A₁₉の平
板試験片の摩耗量に比して遥かに小さい値であり、また
これらの組合せA₁〜A₁₂の円筒試験片の摩耗量は組合せA
₁₃及びA₁₄よりも遥かに小さい値であることが解る。か
くしてアルミナ−シリカ繊維にて強化されたアルミニウ
ム合金よりなる平板試験片と金属酸化物粒子分散強化金
属複合材料の溶射層にて被覆された球状黒鉛鋳鉄よりな
る円筒試験片との組合せA₁〜A₁₂の場合には、平板試験
片及び円筒試験片両方の摩耗量が他の組合せの場合に比
して小さく、特に組合せA₁〜A₅の摩耗試験の結果より、
溶射層の表面粗さは1.2μRz以下であることが好ましい
ことが解る。

また上掲の表１に示された試験片の組合せA₁〜A₁₉につ
いて、平板試験片と円筒試験片との接触部に常温の潤滑
油（キャッスルモータオイル5W−30）を供給し、円筒試
験片を回転数1000rpmにて回転させつつ平板試験片に対
する円筒試験片の押圧荷重を10kgより700kgまで増加さ
せ、これにより焼付き限度荷重を測定する焼付き試験を
行った。

この試験の結果、組合せA₁〜A₁₂、特に組合せA₃〜A₁₂の
焼付き限度荷重は他の何れの組合せよりも高く、従って
これらの組合せは耐焼付き性にも優れていることが確認
された。

実施例２上述の実施例１の場合と同一の要領にて、体積率８％に
て実質的に三次元ランダムにて配向されたアルミナ−シ
リカ繊維（実施例１に於て使用されたアルミナ−シリカ
繊維と同一）を強化繊維とし、マグネシウム合金（JIS
規格MC2）をマトリックスとする複合材料を高圧鋳造
（溶湯の温度700℃、溶湯に対する加圧力800kg/cm²）に
て製造し、該複合材料より実施例１の場合と同一の寸法
の平板試験片を多数作成した。

次いでこれらの平板試験片について、下記の表３に示さ
れた試験片の組合せにて実施例１の場合と同一の要領及
び条件にて摩耗試験及び焼付き試験を行った。尚下記の
表３に示された組合せB₁〜B₃の円筒試験片はそれぞれ上
揚の表１に示された組合せA₂、A₃、A₅と同一の要領及び
条件にて、また組合せB₄〜B₆の円筒試験片はそれぞれ組
合せA₆〜A₈と同一の要領及び条件にて溶射層が形成され
表面粗さが調整されたものであり、組合せB₇の円筒試験
片の被試験面の表面粗さは1.2μRzであった。

この摩耗試験の結果を第２図に示す。第２図より、組合
せB₇の場合に比して組合せB₁〜B₆の摩耗量は平板試験片
及び円筒試験片の何れについても低い値であり、特に組
合せB₂〜B₆の摩耗量は平板試験片及び円筒試験片の何れ
についても組合せB₁の場合よりも低い値であり、従って
アルミナ−シリカ繊維にて強化されたマグネシウム合金
よりなる複合材料と金属酸化物粒子分散強化金属複合材
料の溶射層にて被覆された球状黒鉛鋳鉄との組合せも耐
摩耗性に優れており、また溶射層の表面粗さは1.2μRz
以下であることが好ましいことが解る。

また図には示されていないが、焼付き試験の結果、アル
ミナ−シリカ繊維にて強化されたマグネシウム合金より
なる複合材料と金属酸化物粒子分散強化金属複合材料の
溶射層にて被覆された球状黒鉛鋳鉄との組合せは耐焼付
き性にも優れていることが確認された。

実施例３上述の実施例１の場合と同一の要領にて、体積率６％に
て実質的に三次元ランダムにて配向されたアルミナ繊維
（95wt％Al₂O₃、残部実質的にSiO₃、平均繊維径3.2μ、
平均繊維長8mm）を強化繊維とし、アルミニウム合金（J
IS規格ADC10）をマトリックスとする複合材料を高圧鋳
造（溶湯の温度740℃、溶湯に対する加圧力500kg/cm²）
にて製造し、該複合材料より実施例１の場合と同一の寸
法の平板試験片を多数作成した。

次いでこれらの平板試験片について、下記の表４に示さ
れた試験片の組合せにて実施例１の場合と同一の要領及
び条件にて摩耗試験及び焼付き試験を行った。尚下記の
表４に示された組合せC₁〜C₃の円筒試験片はそれぞれ上
掲の表１に示された組合せA₂、A₃、A₅と同一の要領及び
条件にて、また組合せC₄〜C₆の円筒試験片はそれぞれ組
合せA₆〜A₈と同一の要領及び条件にて溶射層が形成され
表面粗さが調整されたものであり、組合せC₇の円筒試験
片の被試験面の表面粗さは1.2μRzであった。

この摩耗試験の結果を第３図に示す。第３図より、組合
せC₇の場合に比して組合せC₁〜C₆の摩耗量は平板試験片
及び円筒試験片の何れについても低い値であり、特に組
合せC₂〜C₆の摩耗量は平板試験片及び円筒試験片の何れ
についても組合せC₁の場合よりも低い値であり、従って
アルミナ繊維にて強化されたアルミニウム合金よりなる
複合材料と金属酸化物粒子分散強化金属複合材料の溶射
層にて被覆された球状黒鉛鋳鉄との組合せも耐摩耗性に
優れており、また溶射層の表面粗さは1.2μRz以下であ
ることが好ましいことが解る。

また図には示されていないが、焼付き試験の結果、アル
ミナ繊維にて強化されたアルミニウム合金よりなる複合
材料と金属酸化物粒子分散強化金属複合材料の溶射層に
て被覆された球状黒鉛鋳鉄との組合せは耐焼付き性にも
優れていることが確認された。

実施例４上述の実施例１の場合と同一の要領にて、体積率６％に
て実質的に三次元ランダムにて配向されたアルミナ繊維
（実施例３に於て使用されたアルミナ繊維と同一）を強
化繊維とし、マグネシウム合金（JIS規格MC2）をマトリ
ックスとする複合材料を高圧鋳造（溶湯の温度700℃、
溶湯に対する加圧力800kg/cm²）にて製造し、該複合材
料より実施例１の場合と同一の寸法の平板試験片を多数
作成した。

次いでこれらの平板試験片について、下記の表５に示さ
れた試験片の組合せにて実施例１の場合と同一の要領及
び条件にて摩耗試験及び焼付き試験を行った。尚下記の
表５に示された組合せD₁〜D₃の円筒試験片はそれぞれ上
掲の表１に示された組合せA₂、A₃、A₅と同一の要領及び
条件にて、また組合せD₄〜D₆の円筒試験片はそれぞれ組
合せA₆〜A₈と同一の要領及び条件にて溶射層が形成され
た表面粗さが調整されたものであり、組合せD₇の円筒試
験片の被試験面の表面粗さは1.2μRzであった。

この摩耗試験の結果を第４図に示す。第４図より、組合
せD₇の場合に比して組合せD₁〜D₆の摩耗量は平板試験片
及び円筒試験片の何れについても低い値であり、特に組
合せD₂〜D₆の摩耗量は平板試験片及び円筒試験片の何れ
についても組合せD₁よりも低い値であり、従ってアルミ
ナ繊維にて強化されたマグネシウム合金よりなる複合材
料と金属酸化物粒子分散強化金属複合材料の溶射層にて
被覆された球状黒鉛鋳鉄との組合せも耐摩耗性に優れて
おり、また溶射層の表面粗さは1.2μRz以下であること
が好ましいことが解る。

また図には示されていないが、焼付き試験の結果、アル
ミナ繊維にて強化されたマグネシウム合金よりなる複合
材料と金属酸化物粒子分散強化金属複合材料の溶射層に
て被覆された球状黒鉛鋳鉄との組合せは耐焼付き性にも
優れていることが確認された。

尚実施例２〜４と同様の耐摩試験を、溶射層のマトリッ
クスがNiである円筒試験片についても行ったところ、そ
れぞれ実施例２〜４の場合と同様の結果が得られた。

実施例５円筒試験片の表面にプラズマ溶射を行う際のFe粉末とZr
O₂粉末との混合比を変化させることにより、円筒試験片
の溶射層のZrO₂粒子含有量が0vol％、10vol％、25vol
％、40vol％、60vol％、85vol％、100vol％となるよ
う、上述の実施例１の場合と同一の要領及び条件にてプ
ラズマ溶射を行い、実施例１の組合せA₁〜A₁₃の平板試
験片と同一の平板試験片を用いて、実施例１の場合と同
一の要領及び条件にて摩耗試験を行った。この摩耗試験
の結果を第５図に示す。

第５図より、平板試験片の摩耗量はZrO₂含有量が30vol
％未満及び80vol％を越える場合に、特に25vol％未満及
び85vol％を越える場合に高い値であり、また円筒試験
片の摩耗量はZrO₂含有量が30vol％未満、特に25vol％未
満の場合に高い値であることが解る。かかる結果を得た
のは、ZrO₂含有量が少ない場合には、溶射層の耐摩耗性
が不十分になって摩耗量が増大し、溶射層の摩耗に伴っ
て発生する摩耗粉により平板試験片の摩耗量が増大さ
れ、またZrO₂含有量が高い領域に於ては、溶射層の硬さ
が高くなり過ぎ、また溶射層よりZrO₂粒子が脱落し易く
なることによるものと考えられる。第５図に示された結
果より、ZrO₂粉末の体積率は25〜85vol％、特に30〜80v
ol％であることが好ましいことが解る。

尚この実施例と同様の摩耗試験を実施例２〜４の場合と
同一の平板試験片を用いて行ったところ、第５図に示さ
れた結果と同様の結果が得られた。また実施例１より、
Cr₂O₃、TiO₂、Al₂O₃もZrO₂と同様の機能を果たす金属酸
化物であるので、金属酸化物粒子としてこれらの粒子が
使用される場合も同様の結果が得られるものと推測され
る。

実施例６実施例１に於て使用されたアルミナ−シリカ繊維と同一
のアルミナ−シリカ繊維が実質的に三次元ランダムにて
配向された繊維成形体を形成し、該繊維成形体を用いて
行われる高圧鋳造（溶湯の温度730℃、溶湯に対する加
圧力500kg/cm²）により、体積率８％のアルミナ−シリ
カ繊維を強化繊維としアルミニウム合金（JIS規格ADC1
0）をマトリックスとする複合材料を製造した。次いで
この複合材料より外径25.6mm、内径20.0mm、長さ16mmの
寸法を有し一方の端面を被試験面とする円筒試験片を８
個形成し、各試験片の被試験面の表面粗さを研削により
0.6μRzに仕上げた。

次いで硝酸水溶液を用いて行われる電解エッチングによ
り、６個の円筒試験片の被試験面のマトリックスの表面
に凹部を形成した。第６図はかくして形成された試験片
の被試験面近傍の断面を示す模式図であり、図に於て21
は強化繊維としてのアルミナ−シリカ繊維を示してお
り、22はマトリックスとしてのアルミニウム合金を示し
ており、23は凹部を示している。

この場合電解エッチングの条件を適宜に設定することに
より、被試験面の任意の断面に現われる凹部23の深さDi
の平均値▲▼が1.8μであり、凹部23の開口径に対
する深さの比の平均値、即ち被試験面の任意の断面に現
われる凹部23の開口長さWiに対する深さDiの比の平均値
▲▼が0.02であり、複合材料の表面24よりア
ルミナ−シリカ繊維の露出高さHiの平均値▲▼が0.
8μであり、凹部の面積率、即ち複合材料の任意の断面
の或る基準長さＬに対する凹部23の開口部長さWiの合計
の比の百分率が20％である６個の円筒試験片が形成され
た。

次いで電解エッチングが行われたこれらの円筒試験片及
び電解エッチングが行われず、従って凹部の深さ、アル
ミナ−シリカ繊維の露出高さ及び凹部の面積率が０であ
る複合材料よりなる円筒試験片を順次摩擦摩耗試験機に
セットし、球状黒鉛鋳鉄（JIS規格FCD70）よりなり、大
きさが30×30×5mmであり、その一つの面（30×30mm）
を被試験面とする平板試験片の被試験面と接触させ、そ
れらの試験片の接触部に常温の潤滑油キャッスルモータ
オイルSAE30（商品名）を供給し、円筒試験片を回転数1
000rpmにて回転させつつ、平板試験片に対する円筒試験
片の押圧荷重を10kgより700kgまで増加させ、これによ
り焼付き限度荷重を測定する焼付き試験を行った。

尚この焼付き試験に於ける円筒試験片と平板試験片との
組合せは下記の表６に示す通りであった。また各平板試
験片の被試験面の表面粗さは全て1.2μRzであり、組合
せE₁及びE₄〜E₈の平板試験片に於ける粒子分散強化金属
複合材料の溶射層はそれぞれ上掲の表２に示された条件
と同一の条件のプラズマ溶射により形成された。

この焼付き試験の結果を第７図に示す。第７図より、組
合せE₁の焼付き限度荷重は組合せE₂の焼付き限度荷重よ
りも遥かに高く、組合せE₄〜E₈（焼付き発生せず）の焼
付き限度荷重は組合せE₂及びE₃の焼付き限度荷重よりも
遥かに高く、従ってアルミナ−シリカ繊維にて強化され
たアルニウム合金よりなる複合材料と金属酸化物粒子分
散強化金属複合材料の溶射層にて被覆された球状黒鉛鋳
鉄との組合せ、及びアルミナ−シリカ繊維にて強化され
たアルミニウム合金よりなり電解エッチングされた複合
材料と金属酸化物粒子分散強化金属複合材料の溶射層に
て被覆された球状黒鉛鋳鉄との組合せは耐焼付き性に優
れていることが解る。また特に組合せE₁とE₄との比較よ
り、複合材料に電解エッチングを施して強化繊維を露出
させると共に、複合材料の表面の強化繊維の間に凹部を
形成すれば耐焼付き性が更に向上することが解る。

尚図には示されていないが、上掲の表６に示された試験
片の組合せについて実施例１の場合と同一の要領にて摩
耗試験を行ったところ、組合せE₁及びE₄〜E₈、特に組合
せE₄〜E₈は耐摩耗性にも優れていることが確認された。

実施例７第８図は内燃機関のピストンとピストンリングとの組合
せよりなる本発明による摺動用部材の具体的実施例を示
す解図的縦断面図、第９図はその要部を示す解図的拡大
部分縦断面図、第10図はピストンリング（トップリン
グ）を拡大して示す解図的部分縦断面図である。

これらの図に於て、１はピストンであり、アルミニウム
合金（JIS規格AC8A）にて構成されている。ピストン１
の側部外周面２には、燃焼ガスがピストン１とシリンダ
ブロック３のシリンダ壁面との間を経て内燃機関の燃焼
室より漏洩するのを防止するコンプレッションリング４
及び５を受入れる二つのリング溝６及び７と、余分のオ
イルを掻落すオイルリング８を受入れるリング溝９とが
形成されている。

図示の実施例に於ては、ピストン１の側部外周面２に沿
うピストンヘッド10よりトップリング溝６の下面11の下
方までの部分は、実施例１に於て使用されたアルミナ−
シリカ繊維と同一のアルミナ−シリカ繊維が体積率８％
にて実質的に三次元ランダムに配向された繊維成形体を
強化材とし、ピストン１の他の部分を構成するアルミニ
ウム合金（JIS規格AC8A）をマトリックスとする複合材
料12にて構成されている。この複合材料12はトップリン
グ４を受入れるトップリング溝６の壁面を郭定してお
り、またピストンの側部外周面２に露出する部分にてト
ップランド13及びセカンドランド14の一部を郭定してい
る。

尚、かかるピストンはそれを鋳造するための鋳型のモー
ルドキャビティ底壁上に繊維成形体を載置し、その鋳型
内にアルミニウム合金の溶湯を注湯し、その鋳型に液密
的に嵌合するプランジャによりアルミニウム合金を加圧
しつつ凝固させてピストン粗材とし、それを熱処理（T6
処理）した後所定の寸法に加工し、更にリング溝６、
７、９を形成することによって製造されてよい。

上述の如きピストン１と互いに当接して相対的に摺動す
るトップリング４は、ステンレス鋼（JIS規格SUS420J
2）にて構成されており、図には示されていないが下面1
7は厚さ20μのCr₂O₃粒子分散Feの溶射層（Cr₂O₃含有量4
0vol％、Cr₂O₃粒子の平均粒径10μ、表面粗さ0.8μR
z）、TiO₂粒子分散Feの溶射層（TiO₂粒子含有量60vol
％、TiO₂粒子の平均粒径10μ、表面粗さ0.8μRz）、又
はZrO₂粒子分散Feの溶射層（ZrO₂粒子含有量45vol％、Z
rO₂粒子の平均粒径15μ、表面粗さ0.8μRz）にて被覆さ
れている。特に図示の実施例は７゜のキーストンリング
として構成されており、そのシリンダブロック３のシリ
ンダ壁面との摺動面部にモリブデン溶射層15が形成され
たものである。

上述の如く構成されたピストンとピストンリングとを４
気筒４サイクルディーゼル機関に組込み、機関回転数54
00rpm、機関負荷フルロードの試験条件にて500時間に亙
る耐久試験を行なった。また比較の目的で、球状黒鉛鋳
鉄（JIS規格FCD70）にて形成され、下面17が金属酸化物
粒子分散強化金属複合材料の溶射層にて被覆されていな
いピストンリングについても同一の条件にて耐久試験を
行った。

試験の結果、下面17が金属酸化物粒子分散強化金属複合
材料の溶射層にて被覆されていない球状黒鉛鋳鉄製のピ
ストンリングの場合には、リング溝の下面11の摩耗量が
20μであり、ピストンリングの下面17の摩耗量が15μで
あったのに対し、下面17が金属酸化物粒子分散強化金属
複合材料の溶射層にて被覆されたピストンリングの場合
には、リング溝の下面11の摩耗量が3.0μであり、ピス
トンリングの下面17の摩耗量が0.5μであり、従って実
施例のピストン及びピストンリングは比較例よりも遥か
に耐摩耗性に優れていることが認められた。

実施例８上述の実施例１に於て使用されたアルミナ−シリカ繊維
及びアルミニウム合金を用いて、実質的に三次元ランダ
ムにて配向された体積率10％のアルミナ−シリカ繊維に
て強化されたアルミニウム合金よりなるシリンダライナ
を高圧鋳造（溶湯の温度730℃、溶湯に対する加圧力500
kg/cm²）により製造し、該シリンダライナをグラビティ
鋳造により鋳ぐるむことにより、シリンダボア径80mmの
４気筒４サイクル内燃機関用のシリンダブロックを４個
形成し、各シリンダブロックのシリンダボアをホーニン
グ加工によって表面粗さ0.6μRzに仕上げた。

次いで球状黒鉛鋳鉄（JIS規格FCD70）よりなり、半径方
向外側の外周面がプラズマ溶射により厚さ150μのCr₂O₃
粒子分散Feの溶射層（Cr₂O₃含有量40vol％、Cr₂O₃粒子
の平均粒径10μ、表面粗さ1.0μRz）、TiO₂粒子分散Fe
の溶射層（TiO₂粒子含有量60vol％、TiO₂粒子の平均粒
径40μ、表面粗さ1.0μRz）、又はZrO₂粒子分散Feの溶
射層（ZrO₂粒子含有量45vol％、ZrO₂粒子の平均粒径45
μ、表面粗さ1.0μRz）にて被覆されたピストンリング
と、球状黒鉛鋳鉄（JIS規格FCD70）よりなり金属酸化物
粒子分散強化金属複合材料の溶射層にて被覆されていな
い比較例としてのピストンリングを用意し、これらのピ
ストンリングと上述のシリンダブロックとを組合せて４
気筒４サイクディーゼル機関に組込み、機関回転数6000
rpm、機関負荷フルロードにて200時間に亙る高速耐久試
験を行った。

この試験の結果、ピストンリングが比較例のピストンリ
ングである場合には、シリンダボアにスカッフィングが
発生し、シリンダボアの摩耗量は30μと高い値であった
のに対し、ピストンリングが金属酸化物粒子分散強化金
属複合材料の溶射層にて被覆された球状黒鉛鋳鉄よりな
るピストンリングの場合には、シリンダボアにスカッフ
ィングは発生しておらず、ピストンリングの外周面及び
シリンダボアの摩耗量が2.0μ以下の非常に小さい値で
あり、従って実施例のシリンダライナ及びピストンリン
グは比較例に比して遥かに耐摩耗性に優れていることが
認められた。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はそれぞれ実施例１〜５の摩耗試験の
結果を示すグラフ、第６図は本発明よる摺動用部材の第
一の部材を構成する繊維強化金属複合材料の表面部の断
面を示す模式図、第７図は実施例６の焼付き試験の結果
を示すグラフ、第８図はピストンとピストンリングとの
組合せに対し適用された本発明による摺動用部材の一つ
の具体的実施例を示す解図的縦断面図、第９図は第８図
に示された実施例の要部を示す解図的拡大部分縦断面
図、第10図はピストンリング（トップリング）を拡大し
て示す解図的部分縦断面図である。１……ピストン,2……側部外周面,3……シリンダライ
ナ,4……トップリング,5……セカンドリング,6……トッ
プリング溝,7……セカンドリング溝,8……オイルリン
グ,9……リング溝,10……ピストンヘッド,11……トップ
リング溝の下面,12……複合材料,13……トップランド,1
4……セカンドランド,15……モリブデン溶射層,17……
トップリングの下面,21……アルミナ−シリカ繊維,22…
…アルミニウム合金,23……凹部,24……表面

───────────────────────────────────────────────────── 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 // Ｂ２２Ｄ 19/14 Ｃ 9266−4ＥＦ１６Ｊ 9/26 Ｄ 7366−3Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに当接して相対的に摺動する第一の部
材と第二の部材とよりなる摺動用部材にして、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
40wt％以上Al₂O₃、残部実質的にSiO₂なる組成を有する
体積率３〜30％のアルミナ−シリカ系繊維を強化繊維と
しアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金をマトリ
ックスとする繊維強化金属複合材料にて構成され、前記
第二の部材の少なくとも前記第一の部材に対する摺動面
部はHv800以上の硬さを有する体積率25〜85％の金属酸
化物粒子を強化材とし鉄、ニッケル、及びそれらを主成
分とする合金よりなる群より選択された金属をマトリッ
クスとする粒子分散強化金属複合材料の溶射層にて被覆
された金属にて構成された摺動用部材。
【請求項２】特許請求の範囲第１項の摺動用部材に於
て、前記金属酸化物粒子はCr₂O₃粒子、TiO₂粒子、ZrO₂
粒子、Al₂O₃粒子、及びこれらの二種以上の粒子の混合
物よりなる群より選択された粒子であることを特徴とす
る摺動用部材。
【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項の摺動用
部材に於て、前記溶射層の表面粗さは1.2μRz以下であ
ることを特徴とする摺動用部材。
【請求項４】特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れか
の摺動用部材に於て、前記第一の部材の摺動面が電解エ
ッチングされることにより前記アルミナ−シリカ系繊維
の一部が前記摺動面に露出しており且前記摺動面に露出
する前記アルミナ−シリカ系繊維の間の前記マトリック
スの表面に凹部が形成されていることを特徴とする摺動
用部材。
【請求項５】特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか
の摺動用部材に於て、前記摺動用部材は内燃機関であ
り、前記第一の部材はシリンダライナであり、前記第二
の部材はピストンリングであることを特徴とする摺動用
部材。
【請求項６】特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか
の摺動用部材に於て、前記摺動用部材は内燃機関であ
り、前記第一の部材はピストンであり、前記第二の部材
はピストンリングであることを特徴とする摺動用部材。