JPH07102357A - 溶射複合被膜を有する摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、低摩擦係数を有する溶射複合被膜
を有する摺動部材を提供することである。 【構成】 この溶射複合被膜を有する摺動部材は、基体
表面に気孔率が１〜１０％であり且つ厚さが３０μｍ〜
２ｍｍである溶射複合被膜が接合されている。該溶射複
合被膜は、高硬度を有する溶射材料の化合物、Ｆｅの化
合物及び両者の化合物とから構成されており、低摩擦係
数を示すものである。この溶射複合被膜を有する摺動部
材は、シリンダライナ、ピストンリング、コンロッドベ
アリング、ジャーナルベアリング等のエンジン部品に適
用して好ましいものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、基体表面に溶射複合
被膜を有する摺動部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、摺動部材の耐摩耗性を向上させる
ため、摺動部材の基体表面に溶射によってセラミックス
の被膜を作製する方法は良く知られている。また、窒化
ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ 中に窒化硼素ＢＮ等の固体潤滑材を分
散させて摩擦係数を低減するものは、例えば、特開昭５
９−３０７６９号公報に開示されている。また、焼結助
剤として、Ｆｅ₃ Ｏ₄ 等の鉄Ｆｅの酸化物を添加した窒
化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ は、例えば、特開昭５８−６４２６
８号公報、特開昭５９−８８３７４号公報、特開昭６１
−７２６８５号公報等に開示されている。また、Ｓｉに
Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｙ₂Ｏ₃ 等の酸化物を添加して、主とし
て、高強度化を図る反応焼結する方法は、例えば、特開
昭５９−１５２２７１号公報、特開昭５９−２０７８７
５号公報、特開昭５９−２０７８７６号公報に開示され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、摺動部
材の基体表面に溶射によってセラミックスの被膜を作製
するものは、耐摩耗性は向上するが、摩擦係数は低くな
く、場合によっては基体より摩擦係数が上昇するものが
ある。また、上記のように、Ａｌ合金等の金属にセラミ
ックス粒子、ウィスカーを配した摺動部材では、摺動部
材自体の耐摩耗性は金属基体に比較して向上しているも
のの、オイル吸着性が優れているというものではなく、
一概に摩擦係数μは低いというものではない。更に、摺
動条件の厳しい場所では、摺動部材の表面の油膜が切
れ、スティック等のトラブルが生じることになる。

【０００４】そこで、本出願人は、上記の課題を解決す
るため、低摩擦セラミックスを開発して先に出願した
（特願平５−９５０４８号）。該低摩擦セラミックス
は、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 又はＳｉＣのＳｉを主成分とする母相中
にＦｅＯ，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ₄ 等のＦｅの酸化物を
分散させ、大気中において表面からやや内部にかけて酸
化させ、化合物として存在していたＦｅ−Ｓｉ系の化合
物をオイルとの吸着性に優れたＦｅ−Ｏ系の酸化物に変
化させることによって低摩擦化したものである。

【０００５】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、高硬度を有する溶射材料の化合物、Ｆｅの
化合物及び両者の化合物とから構成されている溶射複合
被膜を基体表面に被覆し、摩擦係数を低減させると共に
摩耗量を低減して耐摩耗性を向上させ、シリンダライ
ナ、ピストンリング、コンロッドベアリング、ジャーナ
ルベアリング等のエンジン部品に適用して好ましい溶射
複合被膜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】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、基体表面に気孔率が１〜１０％であり且つ
厚さが３０μｍ〜２ｍｍである溶射複合被膜が接合さ
れ、該溶射複合被膜は、Ａｌ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ｙ，Ｃａ，
Ｓｉ，Ｃｅ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物、Ｂ，Ｃｒ，Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｖの炭化物、Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆの窒化物、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏの硼化物、
Ｃｒの珪化物のうち少なくとも１種以上の化合物（ａ）
が５０〜９５ｖｏｌ％と、Ｆｅの酸化物、窒化物、珪化
物、硫化物、リン化物、硼化物のうち少なくとも１種以
上の化合物（ｂ）が５〜５０ｖｏｌ％と、残部が前記化
合物（ａ）と前記化合物（ｂ）の化合物とから構成され
ていることを特徴とする溶射複合被膜を有する摺動部材
に関する。

【０００７】また、この溶射複合被膜を有する摺動部材
は、シリンダライナ、ピストンリング、コンロッドベア
リング、ジャーナルベアリング等のエンジン部品に適用
して好ましいものである。

【０００８】

【作用】この発明による溶射複合被膜を有する摺動部材
は、上記のように構成されており、次のように作用す
る。即ち、この溶射複合被膜を有する摺動部材は、基体
表面に気孔率が１〜１０％であり且つ厚さが３０μｍ〜
２ｍｍである溶射複合被膜が接合され、該溶射複合被膜
が耐摩耗性の化合物とＦｅの化合物を含んでいるので、
溶射複合被膜中にオイル吸着性に優れたＦｅの化合物が
存在し、溶射複合被膜の表面に潤滑油皮膜が形成され、
また、潤滑油中の元素とＦｅの反応生成物が生成するこ
とにより、低摩擦係数を示し、しかも耐摩耗性も向上す
る。

【０００９】また、この溶射複合被膜を有する摺動部材
は、低摩擦係数で且つ耐摩耗性に富んでいるので、シリ
ンダライナ、ピストンリング、コンロッドベアリング、
ジャーナルベアリング等のエンジン部品に適用して好ま
しいものである。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による溶射
複合被膜を有する摺動部材の実施例を説明する。この溶
射複合被膜を有する摺動部材は、基体表面に気孔率が１
〜１０％であり且つ厚さが３０μｍ〜２ｍｍである溶射
複合被膜が接合されているものである。溶射複合被膜
は、Ａｌ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ｙ，Ｃａ，Ｓｉ，Ｃｅ，Ｔｉ，
Ｎｉ，Ｃｒのうち少なくとも１種以上の酸化物、Ｂ，Ｃ
ｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｖのうち少な
くとも１種以上の炭化物、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆのうち少な
くとも１種以上の窒化物、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏのうち
少なくとも１種以上の硼化物、Ｃｒの珪化物のうち少な
くとも１種以上の化合物（ａ）が５０〜９５ｖｏｌ％
と、Ｆｅの酸化物、窒化物、珪化物、硫化物、リン化
物、硼化物のうち少なくとも１種以上の化合物（ｂ）が
５〜５０ｖｏｌ％と、残部が化合物（ａ）と化合物
（ｂ）の化合物とから構成されているものである。ま
た、この溶射複合被膜を有する摺動部材は、低摩擦係数
で且つ耐摩耗性に富んでいるので、シリンダライナ、ピ
ストンリング、コンロッドベアリング、ジャーナルベア
リング等のエンジン部品に適用して好ましいものであ
る。

【００１１】この発明による溶射複合被膜を有する摺動
部材の一実施例を実施例１として説明する。 〔実施例１〕この溶射複合被膜を有する摺動部材を作製
する当たって、まず、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末と所定量のＦｅ₃
Ｏ₄ 粉末とを混合し、その混合粉末に蒸留水を加えてボ
ールミルにて混合粉砕した後、造粒処理を行うことによ
り均一な組成の球状の混合粉を作製した。また、基体表
面への混合粉の溶射時の分解を抑えるために、混合粉の
表面に金属によってメッキコートを行った。一方、基体
として、熱膨張係数が８〜９×１０^{- 6} ／℃であり、そ
の大きさが１５×１０×６５ｍｍの鋳鉄を使用した。こ
の基体上に、移行式アークプラズマ溶射装置を用いて上
記混合粉を溶射し、基体表面に厚さ３０μｍ〜２ｍｍの
溶射複合被膜を形成した。溶射による被膜は、３０μｍ
以下では溶射被膜の付着むらが発生し、また、２ｍｍ以
上では溶射被膜形成時の残留応力によりクラックが発生
してしまうため、溶射複合被膜は３０μｍ〜２ｍｍの範
囲が好ましいものである。

【００１２】上記工程により得た溶射複合被膜の観察を
行ったところ、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃Ｏ₄ 及び両者の化合
物であるＦｅ（Ｆｅ，Ａｌ）₂ Ｏ₄ から成る溶射複合被
膜が形成され、１〜１０％の気孔が存在することが確認
された。この溶射複合被膜の表面をＲ_z ０．８μｍ以下
となるように研磨し、摺動試験片（以下、プレートとい
う）とした。摺動試験の相手材として、相対密度９９％
以上の窒化ケイ素焼結体をφ８×３０ｍｍ、先端の曲率
半径Ｒ１８ｍｍに加工したピンを使用した。

【００１３】往復動型摩擦試験機において、上記ピンを
上記プレートの表面に対してほぼ垂直になるようにセッ
トし、荷重１ｋｇｆ、温度１５０℃、速度０．５ｍ／ｓ
という試験条件によって摩擦係数を測定した。この時、
潤滑油として合成油を用いた。Ｆｅ₃ Ｏ₄ の添加量が異
なる各種の溶射複合被膜を持つ試験片に対して摩擦係数
μを測定した試験結果を図１に示す。図１において、横
軸にＦｅ₃ Ｏ₄ の添加量（ｖｏｌ％）をとり、縦軸に摩
擦係数μをとっている。また、図１において、Ｆｅ₃ Ｏ
₄ が零の点がＡｌ₂ Ｏ₃ 単独を被膜した従来の比較例の
摺動部材を示している。図１から分かるように、Ｆｅ₃
Ｏ₄ 添加量が５〜５０ｖｏｌ％である範囲で摩擦係数の
低減の効果があることが認められた。Ｆｅ₃ Ｏ₄ の添加
によって摩擦係数が低下するのは、Ｆｅ₃ Ｏ₄ 自体ある
いはＦｅ₃ Ｏ₄ とＡｌ₂ Ｏ₃ の化合物に潤滑油が吸着し
易くなって溶射複合被膜上に潤滑油皮膜が形成されるこ
とと、また、溶射複合被膜中のＦｅ原子と、潤滑油中の
Ｓ，Ｐ，Ｃｌといった原子が反応し、剪断力が低いた
め、摩擦力を低減させる化合物が生成することによると
類推される。また、Ｆｅ₃ Ｏ₄ 添加量を５０ｖｏｌ％以
上とした時には、摩擦係数が上昇するのは溶射複合被膜
自体の硬度が低下していくため、接触面積が増加したた
めと類推された。

【００１４】更に、上記摺動試験条件において、２時間
摺動試験を行った後、各種の溶射複合被膜の摩耗量を測
定し、摩耗量を測定し、比摩耗量を計算した。その結果
を図２に示す。図２において、横軸にＦｅ₃ Ｏ₄ の添加
量（ｖｏｌ％）をとり、縦軸に比摩耗量（×１０^{- 6} ・
ｍｍ³ ／Ｎ・ｍ）をとっている。また、図２において、
Ｆｅ₃ Ｏ₄ が零の点がＡｌ₂ Ｏ₃ 単独を被膜した従来の
比較例の摺動部材を示している。図２から分かるよう
に、Ｆｅ₃ Ｏ₄ 添加量が５〜５０ｖｏｌ％である範囲で
比摩耗量の低減の効果があることが認められた。これ
は、Ｆｅ₃ Ｏ₄ の添加によって上記のように潤滑油皮膜
が形成されることと、ＦｅとＳ，Ｐ，Ｃｌとの化合物が
生成してことにより、ピンとプレートとの固体接触の頻
度が減ったことによると類推された。また、Ｆｅ₃ Ｏ₄
添加量を５０ｖｏｌ％以上と増加させた時に、摩耗量が
増加しているが、これは溶射複合被膜自体の硬度が低下
していくため、荷重を受け止め難くなり、固体接触の頻
度が増加したことによるものと類推された。

【００１５】この発明による溶射複合被膜を有する摺動
部材の別の実施例を実施例２として説明する。 〔実施例２〕この実施例における溶射複合被膜を有する
摺動部材は、実施例１におけるＡｌ₂ Ｏ₃ の代わりに各
種の溶射材料にＦｅ₃ Ｏ₄ を添加して混合粉を作製し
た。この混合粉を、熱膨張係数３〜１１×１０^{- 6} ／℃
の鋳鉄製プレートに溶射し、摺動部材を作製した。この
とき、溶射材料と鋳鉄の熱膨張係数の差が３以内になる
ようにした。これらの溶射複合被膜を観察したところ、
溶射材料とＦｅ₃ Ｏ₄ 、また、ほとんどの場合、両者の
化合物との３種以上の相により構成されていた。ＺｒＯ
₂ の場合には、両者の化合物が認められなかった。これ
らの溶射複合被膜を接合した摺動部材について摩擦係
数、比摩耗量を測定した。表１には、Ｆｅ₃Ｏ₄ を２０
ｖｏｌ％添加して作製した溶射複合被膜を有する摺動部
材と、比較例としてＦｅ₃ Ｏ₄ を添加していない溶射被
膜を持つ摺動部材との摩擦係数及び比摩耗量を示す。表
１から分かるように、各種の溶射材料の選定にかかわら
ずに、Ｆｅ₃ Ｏ₄ を５〜５０ｖｏｌ％添加して作製した
溶射複合被膜は、摩擦係数の低減効果及び比摩耗量の低
減効果が認められた。

【表１】

【００１６】この発明による溶射複合被膜を有する摺動
部材の更に別の実施例を実施例３として説明する。 〔実施例３〕実施例１と同様に、Ｆｅ₃ Ｏ₄ の代わり
に、各種のＦｅの化合物、即ち、酸化物、珪化物、窒化
物、硫化物、リン化物、硼化物にＡｌ₂ Ｏ₃ を添加して
作製した混合粉を、熱膨張係数８〜９×１０^{- 6} ／℃の
鋳鉄製プレートに溶射し、溶射複合被膜を有する摺動部
材を作製した。これらの摺動部材について摩擦係数μと
比摩耗量を測定した。特に、各種のＦｅの化合物を２０
ｖｏｌ％添加して作製した溶射複合被膜を有する摺動部
材についての摩擦係数μと比摩耗量を測定した結果を、
表２に示す。表２から分かるように、Ｆｅ化合物の種類
にかかわらず、Ｆｅ化合物を５〜５０ｖｏｌ％添加して
作製した溶射複合被膜を有する摺動部材は、その摩擦係
数μと比摩耗量とは低減効果が認められた。

【表２】

【００１７】この発明による溶射複合被膜を有する摺動
部材の他の実施例を実施例４として説明する。 〔実施例４〕実施例１とほぼ同様に、Ｆｅ₃ Ｏ₄ を２０
ｖｏｌ％添加したＺｒＯ₂ 粉末を原料にしてシリンダラ
イナの摺動面に溶射複合被膜を被覆した。更に、同様
に、ピストンリングの表面にも溶射複合被膜を被覆し
た。一方、比較例として、ＺｒＯ₂ のみをシリンダライ
ナの摺動面及びピストンリングの表面に被覆し、ＺｒＯ
₂被覆のシリンダライナとピストンリングとを作製する
と共に、鋳鉄製のシリンダライナとピストンリングとを
作製した。これらのシリンダライナ及びピストンリング
をエンジンに組み込み、ピストンリングとシリンダライ
ナとの間の摩擦力を測定するため、モータによりエンジ
ンを回転させ、モータ駆動力を測定した。その結果、本
発明の溶射複合被膜を被覆したシリンダライナとピスト
ンリングとの組み合わせエンジンは、鋳鉄製のシリンダ
ライナとピストンリングとの組み合わせエンジンに比較
して２０％の駆動力の低下が認められ、また、ＺｒＯ₂
被覆のシリンダライナとピストンリングとの組み合わせ
エンジンに比較して５％の駆動力のアップが認められ
た。

【００１８】また、上記各エンジンに対して上記の測定
を１０時間行った後、それぞれの磨耗量を測定した。そ
の結果、鋳鉄製のシリンダライナとピストンリングとの
組み合わせエンジンの磨耗量に比較して、本発明の溶射
複合被膜を被覆したシリンダライナとピストンリングと
の組み合わせエンジンの磨耗量は、２３％の低減が認め
られ、また、ＺｒＯ₂ 被覆のシリンダライナとピストン
リングとの組み合わせエンジンの磨耗量は、１８％の低
減が認められた。以上の測定結果から、本発明の溶射複
合被膜を被覆したシリンダライナとピストンリングとの
組み合わせエンジンは、従来のエンジンに比較して、潤
滑油皮膜或いは反応性生成相ができ、これにより摩擦力
が減少し、且つ磨耗量が低減して耐摩耗性が向上してい
ると類推された。

【００１９】この発明による溶射複合被膜を有する摺動
部材の更に他の実施例を実施例５として説明する。 〔実施例５〕実施例４とほぼ同様に、Ｆｅ₃ Ｏ₄ を２０
ｖｏｌ％添加したＺｒＯ₂ 粉末を原料にしてコンロッド
ベアリング、ジャーナルベアリングの内面に溶射複合被
膜を被覆した。一方、比較例として、ＺｒＯ₂ のみを被
覆したコンロッドベアリング、ジャーナルベアリングを
作製すると共に、ケルメット製コンロッドベアリング、
ジャーナルベアリングを作製した。これらのコンロッド
ベアリング、ジャーナルベアリングをエンジンに組み込
み、実施例４と同様に摩擦力を測定した。その結果、本
発明の溶射複合被膜を被覆したコンロッドベアリング、
ジャーナルベアリングを組み込んだエンジンの駆動力
は、ケルメット製コンロッドベアリング、ジャーナルベ
アリングを組み込んだエンジンの駆動力に比較して９％
の駆動力低下が認められた。また、ＺｒＯ₂ を被覆した
コンロッドベアリング、ジャーナルベアリングを組み込
んだエンジンの駆動力は、ケルメット製コンロッドベア
リング、ジャーナルベアリングを組み込んだエンジンの
駆動力とほぼ等しいものであった。

【００２０】また、上記各エンジンに対して上記の測定
を１０時間行った後、それぞれの磨耗量を測定した。そ
の結果、本発明の溶射複合被膜を被覆したコンロッドベ
アリング、ジャーナルベアリングを組み込んだエンジン
の摩耗量は、ケルメット製コンロッドベアリング、ジャ
ーナルベアリングを組み込んだエンジンの摩耗量に比較
して１７％の摩耗量の低減が認められた。また、ＺｒＯ
₂ を被覆したコンロッドベアリング、ジャーナルベアリ
ングを組み込んだエンジンの摩耗量は、ケルメット製コ
ンロッドベアリング、ジャーナルベアリングを組み込ん
だエンジンの摩耗量に比較して８％の摩耗量の低減が認
められた。以上の測定結果から、本発明の溶射複合被膜
を被覆したコンロッドベアリングとジャーナルベアリン
グを組み混んだエンジンは、従来のエンジンに比較し
て、潤滑油皮膜或いは反応性生成相ができ、これにより
摩擦力が減少し、且つ磨耗量が低減して耐摩耗性が向上
していると類推された。

【００２１】

【発明の効果】この発明による溶射複合被膜を有する摺
動部材は、上記のように構成されており、次のような効
果を有する。即ち、この発明は、基体表面に気孔率が１
〜１０％であり且つ厚さが３０μｍ〜２ｍｍである溶射
複合被膜が接合され、該溶射複合被膜が高硬度を有する
溶射材料とＦｅの化合物あるいは両者の化合物から構成
されているので、従来の溶射被膜に比較して低摩擦係数
を示し、且つ摩耗量を低減して耐摩耗性を向上させるこ
とができる。即ち、本発明の溶射複合被膜は、Ｆｅ化合
物を有するので、Ｆｅ化合物が吸着性に優れた分散剤と
して機能し、油膜の途切れ難い低摩擦化を確保でき、耐
摩耗性に富んだ安定したものとなり、エンジン部品の摺
動部に使用してもスティック等のトラブルが発生するこ
とがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による溶射複合被膜を有する摺動部材
のＡｌ₂ Ｏ₃ 溶射粉末中のＦｅ₃ Ｏ₄ の添加量に対する
摩擦係数を示すグラフである。

【図２】この発明による溶射複合被膜を有する摺動部材
のＡｌ₂ Ｏ₃ 溶射粉末中のＦｅ₃ Ｏ₄ の添加量に対する
比摩耗量を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体表面に気孔率が１〜１０％であり且
   つ厚さが３０μｍ〜２ｍｍである溶射複合被膜が接合さ
   れ、該溶射複合被膜は、Ａｌ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ｙ，Ｃａ，
   Ｓｉ，Ｃｅ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物、Ｂ，Ｃｒ，Ｔ
   ｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｖの炭化物、Ｔｉ，
   Ｚｒ，Ｈｆの窒化物、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏの硼化物、
   Ｃｒの珪化物のうち少なくとも１種以上の化合物（ａ）
   が５０〜９５ｖｏｌ％と、Ｆｅの酸化物、窒化物、珪化
   物、硫化物、リン化物、硼化物のうち少なくとも１種以
   上の化合物（ｂ）が５〜５０ｖｏｌ％と、残部が前記化
   合物（ａ）と前記化合物（ｂ）の化合物とから構成され
   ていることを特徴とする溶射複合被膜を有する摺動部
   材。
2. 【請求項２】 シリンダライナ、ピストンリング、コン
   ロッドベアリング、ジャーナルベアリング等のエンジン
   部品に適用できることを特徴とする請求項１に記載の溶
   射複合被膜を有する摺動部材。