JPS5893835A - 摺動部材の組合せ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明に、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材
の組合せに係り、更に詳細には一方の部材が複合材料に
て構成され他方の部材が硬質クロムめっきされた金属に
て構成された二つの部材の組合せに係る。

各種機械の構成要素や部材に於て畔、部分的に特別な機
械的特性を要求されることが多い。例えば、自動車用エ
ンジンに於ては、エンジンの性能に対する要求が高くな
るにつれて、ピストンの如き部材はその比強度や剛性が
優れていることに加えて、その摺動面が耐摩耗性に優れ
ていることが強く要請されるようになってきた。かかる
部材の比強度や耐摩耗性等を向上させる一つの手段とし
て、それらの部材を各種の無機質繊維等を強化材としア
ルミニウム合金の如き軽金属をマトリックスとする複合
材料にて構成することが試られている。かかる繊維強化
金属複合材料の一つとして、アルミナ質ｌｌｌ１ｌを１
化材とし、アルミニウム、マグネシウム、又はそれらの
合金をマトリックスとするｓｅｔ強化金属複合材料は既
に知られており、かかる繊維強化金属複合材料によれば
、それらにて構成された部材の比強度や耐摩耗性等を向
上させることができる。

しかし、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材の
組合せに於て、その一方の部材を上述の如きｌｌｌｌ１
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著しく増大
し、従うてそれらを互いに当接して相対的に摺動する摺
動部材の組合せとして使用することはできない。

本願発明者等は、互いに当接して相対的に摺動する二つ
の部材の組合せであって、その一方の部材がアルミナ−
シリカ繊維又はアルミナ繊維を強化材としアルミニウム
合金の如き軽金属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、その他方の部材が鋳鉄の如き金属
又は硬質クロムめっきされた金属にて構成された部材の
組合せに於て、それら両方の部材の一粍量を最小限に抑
えるためには、それらの組成及び材質の組合せとしては
如何なるものが適切であるかについて種々の実験的研究
を行なった結果、それぞれ特定の組成及び特定の、材質
を有するものでなければならないことを見出した。

本発明は、本願発明者等が行なった上述の如き実験的研
究の結果得られた知見に基き、一方の部材がアルミナ−
シリカ繊維を強化材としアルミニウム合金の如き軽金属
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、その他方の部材が硬質クロムめっきされた金属にて
構成された互いに当接して相対的に摺動する二つの部材
の組合せであって、それら両方の部材の互・いに他に対
する摺動面に於ける耐摩耗性が改善された二つの部材の
組合せを提供することを目的としている。

かかる目的は、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の組合せにして、
前記第一の部材の少なくとも前記第二の部材に対人る摺
動面部は４０〜５５ｗｔ％のアルミナと残部としてのシ
リカとよりなるアルミナ−シリカ繊維を強化材としアル
ミニウム、マグネシウム、それらの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複合材料にて構成
されており、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硬質クロムめっきされた金属にて
構成されていることを特徴とする部材の組合せによって
連成される。

本発明によれば、互いに当接して相対的に摺動する二つ
の部材の組合せであって、それら両方の部材の互いに他
に対する摺動面は耐摩耗性に優れており、従ってそれら
両方の部材のそれぞれの摺動面に於ける摩耗量を最小限
に抑えることができ、しかもその一方の部材は比強度や
剛性などにも優れている如き部材の組合せを得ることが
できる。

本発明の一つの詳細な特機によれば、前記他方の部材は
ピストンリングであり、前記一方の部材は咳ピストンリ
ングを受入れるリング溝部が繊維強化金属複合材料にて
構成されたエンジン用ピストンであってよい。かかるピ
ストンとピストンリングとの組合せによれば、ピストン
のリング溝壁画及びピストンリング上下面両方の摩耗量
を最小限に抑えることができ、これにより長期に１リエ
ンジンの正常な作動を確保することができる。

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。

まず、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材の組
合せであって、その一方の部材がアルミナ−シリカ繊維
を強化材としアルミニウム合金の如き軽金属をマトリッ
クスとする繊維強化金属複合材料にて構成されており、
その他方の部材が鋳鉄の如き金属又は硬質クロムめっき
された金属にて構成された部材の組合せに於て、それぞ
れめ部材の組成や材質が如何なるものであるのが適切で
あるかについて本願発明者等が行なった摩耗試験につい
て説明する。

繊維径２．８μのアルミナ−シリカ繊維（５５ｖｔ％Ａ
　’　！　Ｏ＠、４５　ｗｔ％８１０ｔ　）をカサ密度
０、１６０／ａｍ”にて無作為に配向した繊維成形体を
強化材とし、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）
をマトリックス゛・とする複各材料を製造し、大きさが
１６Ｘ６Ｘ１０１ｍであり、その一つのＷＪ（１６ｍ５
ｘ　１０＋ｎ）を試験面とするプロック試験片を作成し
た。また比較用として、繊維径３゜Ｏμのアルミナ繊維
（９５ｗｔ％Ａｌ！Ｏ・、５ｗｔ％８１０ｇ）をカサ密
度０．１６９／ａｍ”にて無作為に配向した繊維成形体
を強化材とし、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、及び繊維にて強化さ
れていないアルミニウム合金＜ＪＩＳＭ格ＡＣ８Ａ）の
みよりなる上述のブロック試験片と同一寸法のブロック
試験片を作成した。

これらの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１！３５ｍ５、内径３０−１幅１０−の球
状黒鉛鋳鉄（Ｊ　ｌ５ＩＩＩｉＦＣＤ７０）製の円筒試
験片の外周面と接触させ、それら試験片の接触部に濃度
１５０℃の潤滑油（キャッスルモータオイル５Ｗ−３０
＞を供給しつつ、押圧力６０ｋｏ、回転数１６０ｒｐ−
にて円筒試験片を１時−回転させる摩耗試験を行なった
。尚この摩耗試験に於ては、円筒試験片を硬質クロムめ
っきしたものとしないものの２種類用意し、以下の表１
に示すブロック試験片と円筒試験片との組合せＡ〜Ｄに
ついて試験を行なった。

注：１）ｇ５ｗｔ％Ａｌ　！　Ｏ＠　、４５ｗｔ％Ｓ１
０！２）ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ ３）９５ｗｔ％Ａ　ｌ　ｔ　Ｏｓ　ｓ　５　ｗｔ％５ｌ
ｏｔ４、）ＪＩＳ規格ＦＣＣ７０ 上述の摩耗試験の結果を第１図に示す。尚第１図に於て
、上半分はブロック試験片の摩耗量（摩耗痕深さμ）を
表しており、下半分は相手材である円筒試験片の摩耗量
（摩耗減最−〇）を表しており、記号Ａ−Ｄはそれぞれ
１掲“の表１に於ける試験片の組合せＡ−Ｄに対応して
いる。

この第１図より、アルミニウム合金のみよりなるブロッ
ク試験片（Ｄ）はその摩耗量が非常に大きいのに対し、
強化繊維にて強化されたアルミニウム合金よりなるブロ
ック試験片（Ａ−Ｃ）は、何れもアルミニウム合金のみ
よりなるブロック試験片（Ｄ）に比べその摩耗量が非常
に小さいことが解る。また相手材としての円筒試験片の
摩耗については、組合せＢ、Ｃの円筒試験片は組合せＤ
の円筒試験片よりその摩耗量が大きいのに対し、組合せ
Ａの円筒試験片の摩耗量は、組合せ８〜Ｄの場合よりも
小さいことが解る。

また、４０〜６５ｗｔ％のアルミナと残部としてのシリ
カとよりなる種々の組成のアルミナ−シリカ繊維を強化
材とし、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合
金をマトリックスとする複合材料にてブロック試験片を
作成し、また焦心可鍛鋳鉄などの１種々の鋳鉄にて円筒
試験片を作成し、上述の摩耗試験と同様の摩耗試験を行
なったところ、第１図に示す結果と実質的に同様の傾向
を示す試験結果を轡た。

これらの摩耗試験の結果より、互いに当接して相対的に
摺動する二つの部材の組合せであって、その一方の部材
がアルミナ−シリカ繊維を強化材とし、アルミニウム合
金の如き軽金属をマトリックスとする複合材料にて構成
されており、その他方の部材が鋳鉄にて構成されている
如き二つの部材の組合せに於ては、前記一方の部材を構
成する複合材料は４０〜６５ｗｔ％のアルミナと残部と
してのシリカとよりなるアルミナ−シリカ繊維を強化材
とし、アルミニウム、マグネシウム、それらの合金より
なる群より選択された金属をマトリックスとする複合材
料であり、前記他方の部材を構成する鋳鉄はその摺動面
が硬質クロムめっきされたものであることが好ましいこ
とが解る。

次にエンジン用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部材の組合せの具体的実施
例について説明する。

第２図は上述の実施例を示す解重的縦断面図、第３図は
その要部を示す解図的拡大部分縦断面図、第４図はピス
トンリング（トップリング）を拡大して示す解重的部分
縦１１ｉＷＪ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（ＪＩＢ１ａ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、
ｆ！Ａ焼ガスがピストン１とシリンダブロック３のシリ
ンダ壁面との闇を経てエンジンのＩ！ｌ焼室より濡洩す
るのを防止するフンプレッシッンリング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１９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ｍ２
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、繊維１！３μのアルミナ−シ
リカ繊維（５５ｗｔ％Ａ１！０・、４５ｗｔ％８１０ｔ
　）をカサ密度０．１４０１０＠”にて無作為に配向し
てなる繊ｌ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
ルドキャピテイ底壁上に繊維成形体を載値し、その鋳型
内に溶融アルミニウム合金を注湯し、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予成形体とし、それを熱処理（
Ｔ６処理）シ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、球状黒鉛鋳鉄（ＪＩｓ規格ＦＣＤ
７０）にて構成されている。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層Ｗ！１山部にモリブデ
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、及び
１掲の１１１の組合せＢ−Ｄにて構成されたピストンと
ピストンリングを４気筒４サイクルデイーゼルエンジン
に組込み、下記の表２に示す試験条件にて実機による摩
耗試験を行なった。

１１ユＪＪＬＬＬ 使用エンジン：　　４気筒４サイクル デイーゼルエンジン シリンダポアｔ！Ｉ：　　　９０ａｓ ストローク：　　　　　　８６１− 圧縮比：　　　　　　　２１．５ 排気量：　　　　　２１８８ｃｃ シリンダ材質：　　ねずみ鋳鉄 （ＪＩＳＩ格ＦＣ２５） 使用燃料二　　　　軽油 エンジン回転数：　　５２００　ｒ９ｍエンジン負荷：
　　フル０−ド 試験時間：　　　　　５００峙閤 この実機による摩耗試験の結果を第５図に示す。

この第５図より、上述の実施例によるピストンとピスト
ンリングとの組合せによれば、他の三つの組合せのいず
れよりもピストンのトップリング溝６の下面１１及びト
ップリング４の下面１７の摩耗量を小さく維持すること
ができ、特に現在汎用されているアルミニウム合金（Ｊ
ＩＳ規格ＡＣ８Ａ）ＩＩのピストンと鋳鉄製のピストン
リング又は下面がクロムめっきされた鋳鉄製ピストンリ
ングとの組合せに比較して、リング溝下面の摩耗量は１
７８に低減され、またピストンリング下面の摩耗量も１
／４に低減されることが解る。

更に上述の実機による摩耗試験と同様の摩耗試験を複合
材料中のアルミナ−シリカ繊維のアルミナ組成を種々に
変化させて行なったとこ−ろ、アルミナの組成値が６５
ｗｔ％以上の場合にはトップリング下面の摩耗量が増大
し、またアルミナの組成値が４０ｗｔ％以下の場合には
トップリング溝下面の摩耗量が増大し、アルミナ−シリ
カ繊維にてアルミニウム合金を強化した効果を得ること
ができないことが認められた。このことから、複合材料
の強化繊維としてアルミナ−シリカ繊維は４０〜６５ｖ
ｔ％のアルミナと残部としてのシリカとよりなるものが
好ましいことが解る。

以上に於ては本発明をピストンとピストンリングと９組
合せに対し適用された一つの実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、互いに当接して相対的に摺動する他の部材の組合せ
にも適用可能であることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明者等が行なった摩耗試験の結果を示す
グラフ、第２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部材の組合せの一つの実
施例を示す解重的縦断面図、第３ａｌは第２図に示され
た実施例の要部を示す解重的拡大部分縦断１図、第４図
はピストンリング（トップリング）を拡大して示す解重
的拡大部分縦断面図、第５図は実機による摩耗試験の結
果を示すグラフである。 １・・・ピストン、２−・・側部外周面、３・・・シリ
ンダライチ、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、１４・
・・セカンドランド、１５−・・モリブデン１１１ｍ層
、１６・・・トップリング溝の上面、１７−・・トップ
リングの下面時　許　出　験　人　トヨタ自動串工東株
式会社同　　　　　アート金属工業株式会社 代　　　　層　　　　人　　弁理士　　　明　　石　　
昌　　毅第１図 第２図 第３図　　　第４図 第５図 第１頁の続き ０発　明　者　三浦修弘 豊田布トヨタ町１番地トヨタ自 動車工業株式会社内 ０発　明　者　榊原達雄 上田市緑ケ丘１の１０の１０ ０発　明　者　三宅紀明 上田型上田１９５３−３ ■出　願　人　アート金属工業株式会社東京都中央区銀
座６丁目１４番５ 号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに当接して相対的に摺動する第一の部材と第
   二の部材との組合せにして、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４０〜６５ｗｔ％
   のアルミナと残部としてのシリカとよりなるアルミナ−
   シリカ繊維を強化材としアルミニウム、マグネシウム、
   それらの合金よりな・る群より選択された金属をマトリ
   ックスとする複合材料にて構成されており、前記第二の
   部材の少なくとも前記第一の部材に対する１勤面部は硬
   質クロムめっきされた金属にて構成されていることを特
   徴とする部材の組合せ。 （２、特許請求の範囲第１項の部材の組合せに於て、前
   記第一の部材はエンジン用ピストンであり、′＠記第二
   の部材はピストンリングであ°るこ”とを特徴とする部
   材の組合せ。