JPH10324964A

JPH10324964A - 摺動部材

Info

Publication number: JPH10324964A
Application number: JP9136584A
Authority: JP
Inventors: Kenji Miyai; 研二宮井; Harunobu Suzuki; 晴信鈴木
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1998-12-08
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JP3389818B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性及び耐焼付性に優れ、かつ、エンジ
ン内で繰り返し熱負荷がかかった場合でも十分な密着強
さを維持することのできる摺動部材を提供する。【解決手段】鉄系粉末と、アルミニウム合金粉末を混
合し、該混合物を皮膜形成時に皮膜に溶射フレームの熱
を加えながら基材に溶射し、層内に化合物を形成させ、
強固な密着強さの溶射皮膜を得るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
鋳物又は展伸材によって形成された製品、例えば、シリ
ンダボア、バルブリフタ、バルブシート又はピストン等
の摺動面の部材として用いられる、耐摩耗性及び耐焼付
性に優れた摺動部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の摺動部材として、例えば、特開昭
６０−９３１６２号公報には、鉄又は鉄合金やそれらの
粉末にモリブデン粉末を混合した粉末を溶射して皮膜を
形成させた摺動部材が記載されている。しかし、一般
に、鉄系材料を溶射した摺動部材は、溶射時の冷却が十
分でない場合や熱サイクルによって皮膜の密着強さが低
下する傾向があるため、鉄系材料をマトリックスとした
皮膜は信頼性に欠ける。モリブデンも、鉄系材料と同様
に、熱負荷による皮膜の劣化によって密着強さが低下す
る傾向がある。上記公報に記載されているような、鉄合
金の粉末にモリブデン粉末を混合した粉末を溶射した摺
動部材は、耐摩耗性に優れる反面、熱負荷に弱い性質を
持つ材料であるため、エンジン内で使用する部品への適
用において、長期間の使用によって繰り返し熱負荷にさ
らされた場合の信頼性に欠ける。また、モリブデンは、
高価な材料であるため、モリブデンを多量に混合させる
ことは、経済上困難である。一方、特開昭６０−１２５
３６２号公報には、ニッケルクロム合金を溶射して皮膜
を形成させた摺動部材が記載されている。しかし、ニッ
ケルクロム合金を溶射した場合、皮膜の硬さが低く、耐
キズ付き性が劣る。

【０００３】熱サイクルによる密着強さの低下を改良す
るために、耐摩耗性の高い過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金（特公
昭５４−３６９０４号、特公昭６３−１５９８７号）が
提案され、さらに、耐摩耗性向上のために、高炭素Ｆｅ
Ｃｒ合金等を過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金に混合して溶射した
摺動部材（特公昭５８−５４１８９号、特開平８−２５
３８５６号）が提案されている。しかし、過共晶Ｓｉ−
Ａｌ合金皮膜を摺動部材に溶射する方法では、十分な耐
摩耗性を得ることができず、高炭素ＦｅＣｒ合金等を過
共晶Ｓｉ−Ａｌ合金に混合した皮膜においては、鉄系材
料とアルミニウム系材料との界面で金属間化合物等の反
応物を形成していないため、熱サイクルが加わっての摺
動では、脱落や剥離に発展し、十分な耐摩耗性を得るこ
とができなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐摩耗性及
び耐焼付性に優れ、かつ、エンジン内で繰り返し熱負荷
がかかった場合でも十分な密着強さを維持することので
きる摺動部材を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、摺動部材であって、鉄系粉末
と、アルミニウム合金粉末を混合し、該混合物を皮膜形
成時に皮膜に溶射フレームの熱を加えながら基材に溶射
し、層内に化合物を形成させ、強固な密着強さの溶射皮
膜を得るようにしたことを特徴とする。請求項２の発明
は、請求項１の摺動部材において、上記鉄系粉末を、容
量比で５〜６０％混合した混合物を溶射して溶射皮膜を
形成するようにしたことを特徴とする。

【０００６】請求項３の発明は、請求項１又は２の摺動
部材において、上記アルミニウム合金粉末が、１５〜３
０重量％のＳｉを含み、必要に応じて０．５〜５．０重
量％のＣｕもしくは０．２〜３．０重量％のＭｇの一種
もしくは二種を含み、さらに必要に応じてＦｅ、Ｍｎ、
及びＮｉのうちの少なくとも一種を１〜１５重量％含
み、残部が実質的にＡｌからなる組成の過共晶Ｓｉ−Ａ
ｌ合金であることを特徴とする。請求項４の発明は、請
求項１から３のいずれか一の摺動部材において、上記鉄
系粉末が、主成分のＦｅが９０重量％以上であることを
特徴とする。請求項５の発明は、請求項１から４のいず
れか一の摺動部材において、上記鉄系粉末が、チル晶を
有した鋳鉄のアトマイズ粉末であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか一の摺動
部材であって、上記溶射皮膜をシリンダボアに適用した
エンジンシリンダである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明では、鉄系粉末と、アルミニウム合
金粉末を混合し、皮膜形成時に皮膜に溶射フレームの熱
を加えながら溶射し、層内に化合物を形成させ、強固な
密着強さを得るようにしている。

【０００８】（鉄系粉末とアルミニウム合金粉末との反
応）通常、混合状態で溶射された材料間で反応が起こる
ことは期待できないが、鉄系粉末とアルミニウム合金粉
末とを混合して、皮膜形成時に皮膜に溶射フレームの熱
を加えながら溶射した場合、Ａｌ₅Ｆｅ₂等の化合物を
形成して、緻密で層内の結合力が高まり、密着度の高い
皮膜を形成することができる。「皮膜形成時に皮膜に溶
射フレームの熱を加えながら溶射する」とは、具体的に
は、例えば、溶射距離を近づけることにより、皮膜形成
時に皮膜に溶射フレームの熱を加えながら溶射し、化合
物の形成を促進することをいう。通常の溶射では、溶射
フレームの熱が基材に伝わらないように、また、溶射材
料を十分に溶かし、加速させるために溶射距離を８０ｍ
ｍ以上取っている。本発明では、皮膜形成時に皮膜に溶
射フレームの熱が加わる距離において、かつ、溶射フレ
ームが基材に直接到達することを避けている。このよう
に直接到達することを避けるのは、基材表面が軟化した
り、変質することを避けるためである。適正な距離は、
粒子の形状、プラズマガスの種類、プラズマの出力等に
よって相違する。後述の実施例では、距離を３０ｍｍと
した。また、後述の実施例では、距離を３０ｍｍに近づ
けつつ、溶射フレームが直接基材に到達しないように、
溶射角度を４５度とした。このように溶射フレームに角
度を付ける（好適には４５度前後）ことによって溶射距
離を近づけつつ、基材の変質、軟化を避けることができ
る。図１にアルミニウム合金（Ａｌ−２０重量％Ｓｉ−
３．５重量％Ｃｕ−１．２重量％Ｍｇ−５重量％Ｆｅ）
皮膜のＸ線回折結果を、図２に上記アルミニウム合金と
鋳鉄（Ｆｅ−３重量％Ｃ−２．７重量％Ｓｉ−０．６重
量％Ｍｎ）混合皮膜のＸ線回折結果を、図３に鋳鉄皮膜
のＸ線回折結果を示す。図２のアルミニウム合金−鋳鉄
混合皮膜にＡｌ₅Ｆｅ₂等の化合物のピークが認めら
れ、他の図１、３にそのようなピークが認められないこ
とから、混合粉末の溶射によってＦｅとＡｌとの化合物
が生成したことが了解される。

【０００９】（鉄系粉末混合量）鉄系材料は、アルミニ
ウム基材との熱膨張差により、繰り返し熱負荷を受ける
と基材との密着強さが低下すること、そして鉄系皮膜を
形成した面積が広いほど熱膨張最の影響が大きく出る。
そこで、本発明では、鉄系材料間をアルミニウム合金で
つなぎ、熱応力を緩和し、なおかつ皮膜形成時にその鉄
系材料とアルミニウム合金材料との界面に化合物を形成
させ、溶射で通常期待されるアンカー効果以上の密着強
さを得ることができる。鉄系材料の混合割合は、５〜６
０容量％が好ましい。この範囲であれば、繰り返し熱負
荷に対して密着強さが低下しない皮膜を得ることができ
る。鉄系材料が６０容量％を超えるようになると、鉄系
材料がほとんどつながった状態となり、アルミニウム合
金で熱応力を緩和することができなくなる。また、５容
量％未満では、耐摩耗性向上のために入れた鉄系材料の
効果がほとんど得られなくないからである。

【００１０】（鉄系材料の組成）鉄系材料は、鋼や鋳鉄
等の主成分のＦｅが９０重量％以上を占めるものが好ま
しい。アルミニウム合金との反応性が高く、溶融粒子が
凝固するまでの間に十分な化合物が形成され、摺動に対
して強固な良い皮膜を得ることができるからである。Ｃ
ｒを６０重量％前後含むＦｅＣｒ合金等では、層間の密
着を高めるのに十分な化合物を形成することができず、
厳しい摺動条件のもとでは、脱落や剥離が生じる。鉄系
材料の粉末の形態としては、急冷凝固されたアトマイズ
粉末でも、粉砕粉でも良く、特に限定されないが、鋳鉄
のアトマイズ粉が好適である。鋳鉄をアトマイズしてチ
ル晶を有した粉末を溶射した場合、硬さが増し、耐摩耗
性が高くなることから、鋳鉄のアトマイズ粉を使用する
ことが好ましい。

【００１１】（アルミニウム合金材料）アルミニウム合
金材料の役割としては、鉄系材料のバインダー、応力緩
和材としての役割があるが、アルミニウム合金自体の強
度も必要であるため、Ａｌ−１５〜３０重量％Ｓｉ系を
用いることが好適である。Ａｌ−１５〜３０重量％Ｓｉ
系であって、０．５〜５．０重量％のＣｕ、０．２〜
３．０重量％のＭｇのうちの１種もしくは２種を含む１
５０℃までの高温強度に優れた過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金を
用いることもできる。この過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金にＦ
ｅ、Ｍｎ、及びＮｉのうちの少なくとも一種を１〜１５
重量％含む２５０℃程度までの高温強度に優れた過共晶
Ｓｉ−Ａｌ合金を用いることもできる。以上のような過
共晶Ｓｉ−Ａｌ合金であれば、素地の硬さを向上させる
ことができ、かつ繰り返し熱負荷による硬さ低下を防止
することができる。なお、アルミニウム合金粉末は、ア
トマイズにより急冷凝固された粉末が成分的に均一なた
め好ましい。

【００１２】（溶射方法）本発明では、溶射方法として
は、プラズマ溶射法が好適であるが、これに限定される
ものではない。Ｈ．Ｖ．Ｏ．Ｆ．（超音速ガスフレーム
溶射）、アーク溶射、ガス溶射等他の溶射法でも良く、
要するに、形成された皮膜に溶射フレームの熱を加えな
がら溶射することができ、アルミニウム合金材料と鉄材
料との界面に化合物を形成させ、層間の結合を強化でき
るものであれば特に限定されるものではない。

【００１３】本発明の摺動部材の基材（下地）の材質と
しては、ピストンやシリンダライナ等のエンジン部品に
通常用いられるアルミニウム合金鋳物又は展伸材を挙げ
ることができる。適用される部位としては、シリンダボ
ア、バルブリフタ、バルブシート又はピストン等の摺動
面の部材である。シリンダボアに適用した場合には、鋳
鉄スリーブに比較して、スリーブレス化による軽量化、
コンパクト化、そして熱伝導の良さから来る高性能化を
期待することができる。また、めっきシリンダに比較し
て、基材の材質に制限が少ないために、ダイカストシリ
ンダにも適用できるというメリトがある。さらに、形状
に関する制約が少ないために、クランクケースと一体化
したシリンダに適用することができ、エンジンの剛性向
上が可能となる。

【００１４】

【実施例】以下の本発明の実施例を挙げる。実施例１溶射材料として以下のものを用いた。ｉ）鋳鉄破砕粉：Ｆｅ−３．０２重量％Ｃ−２．７３重
量％Ｓｉ−０．６重量％Ｍｎｉｉ）過共晶Ｓｉ−Ａｌ急冷凝固粉：Ａｌ−２０重量％
Ｓｉ−３．５重量％Ｃｕ−１．２重量％Ｍｇ−５重量％
Ｆｅ上記鋳鉄破砕粉と過共晶Ｓｉ−Ａｌ急冷凝固粉を表２に
示す容量比で、５種類配合した粉末を、表１の条件でＡ
Ｃ４Ｃ（Ｔ６処理）アルミニウム基材に溶射した。各試
料は、熱サイクルを加えた試料と熱サイクルを加えてい
ない試料とを用意し、繰り返し熱負荷による密着強さの
低下を調査した。表２に各試料の密着強さ試験結果を示
す。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】５０容量％鋳鉄粉末を溶射した試料（Ｃ）では、密着強
さは低下しなかったが、７５容量％鋳鉄粉末を溶射した
試料（Ｄ）では、密着強さが低下した。したがって、５
０容量％鋳鉄と７５容量％鋳鉄との間で熱応力を緩和す
る限界があると判断した。そこで、上記鋳鉄破砕粉と過
共晶Ｓｉ−Ａｌ急冷凝固粉を表３に示す配合比で含む粉
末を溶射した試料について上記と同様の試験を行い、密
着強さを測定した。表３に測定結果を示す。表３より、
７０容量％鋳鉄では密着強さの低下が起きていることか
ら、鉄系材料配合量の上限は６０容量％までと結論し
た。

【００１７】

【表３】

【００１８】実施例２溶射材料として以下のものを用いた。ｉ）鋳鉄破砕粉：Ｆｅ−３．０２重量％Ｃ−２．７３重
量％Ｓｉ−０．６重量％Ｍｎｉｉ）過共晶Ｓｉ−Ａｌ急冷凝固粉：Ａｌ−２０重量％
Ｓｉ−３．５重量％Ｃｕ−１．２重量％Ｍｇ−５重量％
Ｆｅ上記鋳鉄破砕粉と過共晶Ｓｉ−Ａｌ急冷凝固粉を２５容
量％鋳鉄の容量比で、表１の条件でＡＣ４Ｃ（Ｔ６処
理）アルミニウム基材に溶射した。この試料に２５０℃
の熱をかけ、荷重３００ｇｆ、１０秒印加の条件でビッ
カース硬さの経時変化を測定した。測定結果を表４に示
す。表４より、硬さ低下は見られないため、強度の低下
が起こっていないことが示される。

【００１９】

【表４】

【００２０】実施例３溶射材料として以下のものを用いた。ｉ）鋳鉄破砕粉：Ｆｅ−３．０２重量％Ｃ−２．７３重
量％Ｓｉ−０．６重量％Ｍｎ ii) 過共晶Ｓｉ−Ａｌ急冷凝固粉：Ａｌ−２０重量％Ｓ
ｉ−３．５重量％Ｃｕ−１．２重量％Ｍｇ−５重量％Ｆ
ｅ iii)高炭素ＦｅＣｒ合金粉末：Ｆｅ−６５重量％Ｃｒ−
７．３重量％Ｃ iv) 鋳鉄アトマイズ粉：Fe−3.14重量%C−0.52重量%Si
−0.49重量%Mn −0.09重量%P−0.11重量%S

【００２１】上記過共晶Ｓｉ−Ａｌ急冷凝固粉に、上記
鋳鉄破砕粉、高炭素ＦｅＣｒ合金粉末、又は鋳鉄アトマ
イズ粉をそれぞれ容積比で２５容量％配合して、表１の
溶射条件ＡＣ４Ｃ（Ｔ６処理）アルミニウム基材に溶射
した。この試料を用いて大越式摩耗試験を行い、耐摩耗
性を評価した。表５に試験条件を、表６に試験結果を示
す。表６の結果より、高炭素ＦｅＣｒ合金が他に比べて
摩耗しやすく、相手攻撃性も高いことがわかる。また、
耐摩耗性の高さでは、鋳鉄のアトマイズ粉（チル晶を有
する）を混合して溶射した試料が一番優れていた。

【００２２】

【表５】

【００２３】

【表６】

【００２４】実施例４繰り返し熱負荷を加えた摩耗試験として発電機シリンダ
に実施例３で用いた溶射皮膜３種類と過共晶Ｓｉ−Ａｌ
合金単独皮膜を表７の条件で形成した。表８に発電機エ
ンジン諸元と試験条件を示す。試験の結果を表９に示し
た。表８より、高炭素ＦｅＣｒ合金は、層間の密着が低
く、ＦｅＣｒ粒子が脱落し、ピストンリングに引きずら
れることで全面に縦すじが多く、摩耗が進行したものと
考えられる。それに対し、鋳鉄の破砕粉・アトマイズ粉
を混合して溶射したシリンダは、層間の密着が高く、ピ
ストンリングと当たりが出る程度に留まった。表９の摩
耗量は、真直度測定結果から見た摩耗深さで、図４〜図
７にそれぞれの真直度曲線を示す。真直度曲線は、この
シリンダで一番摩耗し易い部分とした。なお、図８は、
シリンダの平面図であり、シリンダボア１のＡが真直度
を測定した位置である。

【００２５】

【表７】

【００２６】

【表８】

【００２７】

【表９】

【００２８】

【発明の効果】上記したところから明かなように、本発
明によれば、耐摩耗性及び耐焼付性に優れ、かつ、エン
ジン内で繰り返し熱負荷がかかった場合でも十分な密着
強さを維持することのできる摺動部材が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金皮膜のＸ線回折結果を示
すグラフである。

【図２】過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金−鋳鉄複合皮膜のＸ線回
折結果を示すグラフである。

【図３】鋳鉄複合皮膜のＸ線回折結果を示すグラフであ
る。

【図４】過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金の溶射シリンダの真直度
を示すグラフである。

【図５】過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金−２５容量％鋳鉄破砕粉
の溶射シリンダの真直度を示すグラフである。

【図６】過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金−２５容量％高炭素Ｆｅ
Ｃｒ合金の溶射シリンダの真直度を示すグラフである。

【図７】過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金−２５容量％鋳鉄アトマ
イズ粉の溶射シリンダの真直度を示すグラフである。

【図８】本発明を適用したシリンダの平面図である。

【符号の説明】

１シリンダボアＡ真直度測定位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄系粉末と、アルミニウム合金粉末を混
合し、該混合物を皮膜形成時に皮膜に溶射フレームの熱
を加えながら基材に溶射し、層内に化合物を形成させ、
強固な密着強さの溶射皮膜を得るようにしたことを特徴
とする摺動部材。
【請求項２】上記鉄系粉末を容量比で５〜６０％混合
した混合物を溶射して溶射皮膜を形成するようにしたこ
とを特徴とする請求項１の摺動部材。
【請求項３】上記アルミニウム合金粉末が、１５〜３
０重量％のＳｉを含み、必要に応じて０．５〜５．０重
量％のＣｕもしくは０．２〜３．０重量％のＭｇの一種
もしくは二種を含み、さらに必要に応じてＦｅ、Ｍｎ、
及びＮｉのうちの少なくとも一種を１〜１５重量％含
み、残部が実質的にＡｌからなる組成の過共晶Ｓｉ−Ａ
ｌ合金であることを特徴とする請求項１又は２の摺動部
材。
【請求項４】上記鉄系粉末が、主成分のＦｅが９０重
量％以上であることを特徴とする請求項１から３のいず
れか一の摺動部材。
【請求項５】上記鉄系粉末が、チル晶を有した鋳鉄の
アトマイズ粉末であることを特徴とする請求項１から４
のいずれか一の摺動部材。
【請求項６】請求項１から５のいずれか一の摺動部材
であって、上記溶射皮膜をシリンダボアに適用したこと
を特徴とするエンジンシリンダ。