JPS6012425B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関等の摺動部村に関するものであって、
就中相手材としてのシリンダ（シリンダスリーブ、シリ
ンダラィナを含む以下同じ）との相性７０三よく、しか
もピストンリング自体は勿論相手側シリンダの摩耗量を
も低減することができる内燃機関用ピストンリングに関
するものである。

従来、内燃機関のピストンリング等の沼勤都材に対して
は、その基材である鋳鉄或いは鋼材等に種々の表面処理
を施して情動初期性能（なじみ性）及び耐久性の向上を
図っている。その代表的なものとして硬質クロムめつき
及びＭｏ溶射被覆を施したピストンリングが挙げられる
が、何れも一長一短があって、近年の内燃機関等に課せ
られる高度な要求を充たすには至っていない。即ち、硬
質クロムめつきは耐摩耗層の面で優れた特性を有するも
のであるが、耐焼付性に劣るので内燃機関等の負荷が増
大した場合、暁付を生じ結果的には摩耗量が異常に多く
なるばかりか糟手材をも傷けると云う欠点がある。更に
、硬質クロムめつきの高硬度はその特有な亀着組織によ
るものであり、高温、高負荷の内燃機関運転条件下にお
いては硬度低下が箸るしく、その耐摩耗性は劣化する。
又、高鉛ガソリン使用機関、ディーゼル機関等において
は、アブレーシブな燃焼生成物によつても硬質クロムめ
つきピストンリングの摩耗が促進され、安定した寿命を
期待することが出来ない。一方、Ｍｏ熔射被覆は硬質ク
ロムめつき被覆に較べて耐暁付性の面では優れているが
、耐アプレーシブ摩耗に対しては劣っている。従来、更
に、ピストンリング等の耐摩耗性及び耐暁付性を向上さ
せる対策として、各種の炭化物、酸化物等の硬質物質を
濠合溶射してピストンリング等の表面処理を行なう方法
が知られているが、これらの手法によってはピストンリ
ングそれ自体の耐摩耗性、耐焼付性は向上するものの、
相手材としてのシリンダの摩耗が大きく、内燃機関情動
部材全体の総合性能上欠陥がある。

本発明の目的は、近年の内燃機関の苛酷な運転条件に対
応し得る優れた性能を具有するとともに、相手材（例え
ばシリンダ）の摩耗をも軽減し得る摺動部材を提供する
にあり、具体的には従来の硬質クロムめつき又はＭｏ総
射被覆ピストンリングの何れよりも総合性能が優れてい
るピストンリングを提供するところにある。

本発明の第１の特徴（以下第１発明と称する）は、重量
比で、ＣＩ〜６％及びＣｒ２０〜３５％を含有し、更に
０．５〜６％のＳｊ及び０．５〜３％のＭｏの少なくと
も１種を含有する粒度が２００メッシュより粗粒でない
高クロム鋳鉄鶴砕粉末６０〜９０％と、粒度が２５０メ
ッシュより粗粒でないアトマィズ粉末からなる銅合金１
０〜４０％とをプラズマ熔射し、沼動面に耐熱耐摩耗層
を形成した摺動部材にある。

本発明の第２の特徴（以下第２発明と称する）は、重量
比でＣＩ〜６％及びＣｒ２０〜３５％を含有し、更に０
．５〜６％のＳｉ及び０．５〜３％のＭｏの少なくとも
１種を含有する粒度が２００メッシュより粗粒でない高
クロム鋳鉄鳩砕粉末５０〜７０％と、粒度が２５０メッ
シュより絹粒でないアトマィズ粉末からなる銅合金１０
〜３５％と、粒度が２５０メッシュより粗粒でないァト
マィズ粉末からなる自溶合金１０〜３５％とをプラズマ
溶射し、糟動面に耐熱耐摩耗層を形成した摺敷部材にあ
る。第１発明及び第２発明の共通の特徴は高クロム鋳鉄
鳩砕粉末をベースとした粉末をプラズマ溶射することに
あり、その意義は高クロム鋳鉄の高含有量のＣｒによっ
て優れた耐熱性が具現されるとともに、Ｃｒが炭化物と
して鋳造材料中に既に存在しているので、港射層中にも
安定した炭化物形態として微細に分散しており、優れた
耐摩耗性を奏するところにある。

又、上記共通する特徴の意義は、耐熱、耐摩耗性楢動層
の相手材との相性が良い点にもある。即ち、現在の内燃
機関シリンダの材質は、ラィナレス機関の場合ＦＣ２５
相当材であり、又シリンダラィナを鉄菱するディーゼル
機関の場合、高級合金鋳鉄材が使用されているが、これ
らの何れの材質とも良い相性を呈し、相手材を著しく摩
耗させることはない。本発明の第２の共通の特徴は、銅
合金粉末を上記高クロム鋳鉄鶴砕粉末と混合してプラズ
マ溶射することにあり、その意義は銅合金粉末が比較的
融点が低く、液相を呈するため、溶射層中にあっては高
クロム鋳鉄粉末粒子間に浸透し、気孔を減少させるとと
もに港射層の低い気孔率のために熱伝導性を向上させ相
手材への放熱効果を奏するところから、溶射層の熱的経
時変化を防止し、それ自身（例えばピストンリング）の
熱へたりをも未然に防止し得るところにある。尚、高ク
ロム鋳鉄中のクロム炭化物それ自体は高硬度を有し、相
性の面からは好ましくないが、本発明ではク。

ム炭化物を単独で溶射するのではなく、鋳鉄基地中に均
一に分散されているクロム炭化物を溶射するので、好結
果を得ることが出来るのである。さらに、高ク。

ム鋳鉄は耐食性、殊に稀硫酸腐食に対する耐食‘性が良
好であるので、内燃機関燃焼生成物としてのＳ０３より
生成する腐食性酸による問題も少なくなる。加えて、高
クロム鋳鉄は鋳造状態で白鋳鉄組織を有し、この事は鋳
物（ィンゴット等）の鳩砕性に好影響を与え、結果的に
は粉末の製造が容易になるに留らず、粉末形状も粉末粒
子間結合強度を高めるものとなっていると考えられる。
高クロム鋳鉄は炭化物等と比較して安価に、公知の手法
で入手できる点でも利するところが多い。なお、本発明
において鳩砕鋳鉄粉末に代えてアトマィズ鉄粉を使用す
ることができる。次に、高クロム鋳鉄の組成限定理由に
ついて述べる。主要成分であるＣｒは炭化物形成に強い
作用をもつ元素であって、鋳鉄中に含有されるこの大部
分をＣｒ７Ｃ３，Ｃｒ２３Ｃ６等の炭化物として固定す
る。

これらの炭化物は基地中に微細形態で分散しており、溶
射された鋳鉄粒子中にも介在相として含まれ、摺動部村
としての耐摩耗性及び耐擬付性を付与する重要な働きを
もつ。而してて、Ｃｒ含有量は相手材としての鋳鉄製シ
リンダとの相対摩耗をも念頭において定められ、２０％
未満では晶出する炭化物の量が不足して、ピストンリン
グ自身の耐摩耗性及び耐競付性が低下し、又３５％を越
えるとピストンリングの耐摩耗性が向上する反面、相手
材の摩耗を促進する。したがって、Ｃｒ含有量は２０な
し・し３５％であり、好ましくは２５なし、し３５％で
ある。Ｃ含有量はＣｒと結合して、前記炭化物を生成す
る範囲に留めるべきであり、そのために１ないし６％、
好ましくは２なし、し５％、を適量範囲とする。

即ち、Ｃ含有量が１％未満では生成される炭化物の絶対
量が不足し、耐摩耗性が不満足であり、又６％を越える
と、被溶射基材との密着性を阻害する遊離炭素（黒鉛）
が鋳鉄中に発生するおそれがあるので、遊離炭素が混在
しない６％以下に留めることが望ましい。ＩＳｉは鋳鉄
に耐酸化性を付与するとともに、溶射用粉末の原材料と
しての高クロム鋳鉄の鳩砕性を改善し、高クロム鋳鉄粉
末の粒度の調節を容易にする。

一般の鋳鉄ではＳｉは黒鉛化を促進することは周知であ
るが、本発明では炭化物形成傾向の大きいＣｒが多量に
含まれているので、黒鉛化よりむしろ鳩砕性改善上意義
がある。Ｓｉ含有量が０．５％禾満ではその効果が期待
されず、６％を越えると、溶射被覆層の熱ショックに対
する抵抗性が劣化するので、０．５〜６％の範囲とする
。Ｓｉの好ましい含有量は２〜６％である。ＭｏはＳｉ
とともに又はその代りに添加され、高クロム鋳鉄の基地
中に殆んど固溶され、その高温強度及び耐熱性を改善し
て溶射被覆層の耐煉付性の増代に寄与し、且つ高クロム
鋳鉄の鳩砕‘性を改善する働きをする。

Ｍｏ含有量が０．５％未満では上記効果が期待されず、
３％を越えるとコストが上昇し不利になるので０．５〜
３％の範囲とする。好ましいＭｏ含有量は０．５〜２％
である。なお、上記Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏ及びＣｒ以外に鋳鉄
材としての他の成分、例えばＭｎ，Ｐ，Ｓ，Ｎｉ等は前
記特性を害しない範囲で少量含有してもよい。

さらに、Ｓｉ及びＭｏは何れか一方含有されておれば良
いが、高クロム鋳鉄鳩砕粉末の粒度調整の容易さ、溶射
条件の安定性あるし、は溶射被覆層の質的向上等を企図
する場合はともに含有させてもよい。次に、高クロム鋳
鉄の損砕方法としては、鋳物又は溶湯を適当な形状に凝
固させたものを、スタンプミル、ボールミル等で鳩砕し
、ふるい等により分粒され、所望の粒度に斉える。

上記高クロム鋳鉄爆砕粉末を２００メッシュを越えない
粒度を限定した理由を以下に述べる。

一般に溶射層は気孔を有し、これが油溜りとなって耐暁
付性に貢献するが、一方気孔が粗大になると熔射粒子間
の自己結合力が不足して溶射粒子がピストンリング表面
から摺動中に脱落して摩耗が起こるのみならず、脱落粒
子が摺動部材間に介在して相手材をも摩耗する結果を招
く。そこで、潤滑油保持及びピストンリング又は相手材
の耐摩耗性の面から気孔率、気孔の大きさ及びその分布
状態を適正に制御すべきであり、これは溶射法をプラズ
マ溶射と特定した場合、主として溶射材料、特に溶射粉
末の粒度に大きく影響される。かかる面を考慮して２０
メッシュを越えない粒度に限定した。さらに、溶射の作
業性ひいては溶射層の性質も溶射粉末粒度によって影響
を受け、余りに徴粉になると流動性が害され、溶射ノズ
ルへの粉末安定供給が困難になり、好ましくない。特に
鳩砕粉末では粒形が不整形になり流動化が阻害される。
この面から２０ミクロン以上の粗粒が好ましい。粒度が
２０ミクロン以上で且つ２００メッシュを越えない粒度
である時は、気孔割合、気孔の分布が安定となる。第１
発明においては上記高クロム鋳鉄鴇砕粉末に対して一定
割合の銅合金粉末を混合してプラズマ溶射するところに
特徴がある。

この銅合金粉末は比較的融点が低く液相を呈するため、
港射層中にあっては高クロム鋳鉄粉末粒子間に浸透し、
気孔を減少させることにより溶射層の熱伝導性を向上さ
せ内燃機関の燃焼熱をピストンリングを介して相手シリ
ンダに対して放散させることが出来るから、溶射層の熱
的経時変化を防止し、ピストンリング自体の熱へたりを
も未然に防止し得る効果を奏する。従って、内燃機関の
性能を長期に亘つて高性能且つ安定に維持存続させるこ
とが出来る。本発明に用いる銅合金としては一般に入手
し易く、溶射粉末として粒形がよく流動性が良好なアト
マィズ粉末が出来易い、或いは作業環境上毒性が少ない
等の理由から、Ｓｎ含有量５〜１５％程度のＣｕ−Ｓｎ
合金（青銅）又はＺｎ含有量１０〜３０％程度のＣｕ−
Ｚｎ合金（黄銅）あるいはＣｕ−Ｓｎ−Ｚｎ合金を用い
ることが望ましい。

銅合金の量は、高クロム鋳鉄鳩砕粉末がもたらす耐摩耗
性を阻害しない範囲でしかも前記効果を喪失しない範囲
として１０〜４の重量％を設定するが、より好ましい範
囲は１０〜３０重量％である。銅合金粉末の混合量が１
０％未満では前記効果が十分でなく、４０％を越えると
必然的に高クロム鋳鉄鳩砕粉末の量、即ちクロム炭化物
の生成量が不足してピストンリング等の耐摩耗性が低下
する。高クロム鋳鉄粉末の量は自ずから６０〜９０重量
％の範囲となる。銅合金粉末の粒度は２５０メッシュよ
り粗粒になると、溶射層の熱伝導は影響されないとはい
え、溶射時の粒子溶融が不足して、液相化が不十分とな
り、気孔の増大又は粗大化、粒子間結合力の劣化、及び
溶射層中の各成分の不均一分散等の好ましくない結果を
招来する。上記第１発明では気孔率１０〜２５％、気孔
の大きさは１０ミクロン以下第２発明では３〜１５％、
気孔の大きさは５ミクロン以下に調節され、しかも均一
に分布した気孔が得られる。基体はピストンリング（組
合せピストンリングのサイドレールを含む）として常用
される鋳鉄、その他の鋼材を用いることが出釆る。上記
第１発明によればＭｏ線材の酸素アセチレン溶射等に比
較して可成りの改善効果が得られるが、沼動部村特性の
より一層の充実を図るために、Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ｎｉ−
Ｃｒ基或いはＦｅ基等の自溶合金を一定の割合で高クロ
ム鋳鉄損砕粉末及び銅合金粉末と混合してプラズマ溶射
する第２発明が提供される。この自溶合金は目溶成分と
して一般的なＢを例えば２〜３％及び／又はＳｉを３〜
４．５％含有し、主成分として、Ｎｊ，Ｃｏ，Ｆｅ及び
Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種を残部含有する。上記Ｎｉ
，Ｃｏ，Ｃ奪等‘ま一般に耐熱性及び耐酸化性が良好で
あり、ピストンリングに溶射されても同様な効果があり
、さらにＮｉ等々は自溶成分の存在により一旦液相状態
となった後に粒子状に凝固すると想定されるので、前述
の液相を呈する鋼合金と同様な状態で高クロム鋳鉄粒子
を強固に分散保持し、この結果、溶射被覆層の強度も格
段と高められる。又、一般に高クロム鋳鉄損砕粉末の単
独港射の場合は、気孔率が高くなる煩向があるが、第２
発明においては目溶合金及び銅合金の相互作用によって
気孔率も調節される。

更に自溶合金と銅合金を併用して混合すると溶射後の摺
動面を加工仕上した際に極めて平滑な面が得られ、摺動
初期における相手村とのなじみ上、好結果が得られる。
上述のように、自溶合金は耐酸化性が高く、かつ溶射被
覆層の強度も高めるので、熱負荷が高く、かつ酸化も厳
しい内燃機関運転条件下でのピストンリング等の性能が
改善される。自溶合金粉末の粒度は２５０メッシュより
相粒になると漆射時の粒子熔融が不足して、気孔の増大
又は粗大化、粒子間結合力の劣化、及び溶射被覆層中の
各成分の不均一分散等の好ましくない結果を招く。

好ましくは、粒度１０ミクロン以上であり、これより微
粒では溶射中に自溶合金が過溶解し、溶射層の物性が悪
くなる。そして粉末の種類としては流動性が良いことと
市場性の点からアトマィズ粉とした。而して２５０メッ
シュを越えない微粒であって、３５０メッシュを越えな
い微粒が５０％以上あると溶射の際の溶射材料の流動性
が向上し、粒子の溶融性が高まるので、高クロム鋳鉄粒
子と銅合金粒子及び自溶合金粒子とが夫々窟平に層状に
堆積される。しかも、自落合金粉末の場合は微細粉末で
あっても酸化変質することがなく、表面からの熱酸化に
対して優れた抵抗性を示すので、より安定した被覆層の
形成に役立つばかりでなく、その密度及び加工性が向上
し、摺動面の仕上加工時の溶射粒子の脱落が減少するこ
とによって、摺動特性上より安定した仕上面が得られる
。ここに第２発明における目溶合金粉末の混合量が１０
％未満では前記諸効果が発揮されず、３５％を越えると
相対的に高クロム鋳鉄鳩砕粉末及び鋼合金粉末の混合量
が減少し、クロム炭化物の生成量が不足してピストンリ
ング等の耐摩耗性が劣化することから自熔合金粉末の混
合量は１０〜３５重量％の範囲とするが、好ましい範囲
は１０〜３の重量％である。而して第２発明は、高クロ
ム鋳鉄爆砕粉末、節合金粉末及び自落合金粉末の組合せ
を特色とするものである。

これは各粉末の特色を兼備し、総合したものであり、高
クロム鋳鉄粒子の耐熱性、耐摩耗性及び相手村との相性
が他の粒子の共存によってなおも改善され、耐酸化性、
熱伝導性等の顕著な向上を示すことが判明した。第２発
明における各粉末の混合量は、第１発明と同様の理由に
よって、限定されるが、他の粉末混合量との関連で、高
クロム鋳鉄鳩砕粉末５０〜７０重量％、銅合金粉末１０
〜３５重量％、目落合金粉末１０〜３５重量％である。

実施例 下記条件： テストエンジン ４サイクルデイーゼルエンジン （４気筒ターボ付） 内蓬約７８ぐ ストローク７８肋シリ
ンダー材． ＦＣ・２９相当にて供試
溶射材の試験を行なった。

溶射に使用した粉末は次のとおりであった。

○ 高鋳鉄鳩砕粉末：粒度２００メッシュ、組成３０％
Ｃｒ，４％Ｃ，３％Ｓｊ，２％Ｍｏ。○ 鋼合金粉末：
粒度２５０メッシュ、組成１０％Ｓｎ又は２０％Ｚｎ残
部鋼。

○ 自落合金粉末：粒度２５０メッシュ、組成ＪＩＳＭ
ＳＦＮｉ３１４．７％Ｃｒ，３．２４％Ｂ，４．２６％
Ｓｉ，０．６５％Ｃ，２．７５％Ｆｅ残部ニッケル。

注■印は比較例である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比で、Ｃ１〜６％及びＣｒ２０〜３５％を含有
   し、更に０．５〜６％のＳｉ及び０．５〜３％のＭｏの
   少なくとも１種を含有する粒度が２００メツシユより粗
   粒でない高クロム鋳鉄搗砕粉末６０〜９０％と、粒度が
   ２５０メツシユより粗粒でないアトマイズ粉末からなる
   銅合金１０〜４０％とをプラズマ溶射し、摺動面に耐熱
   耐摩耗層を形成した摺動部材。 ２ 重量比で、Ｃ１〜６％及びＣｒ２０〜３５％を含有
   し、更に０．５〜６％のＳｉ及び０．５〜３％のＭｏの
   少くとも１種を含有する粒度が２００メツシユより粗粒
   でない高クロム鋳鉄搗砕粉末５０〜７０％と、粒度が２
   ５０メツシユより粗粒でないアトマイズ粉末からなる銅
   合金１０〜３５％と、粒度が２５０メツシユより粗粒で
   ないアトマイズ粉末からなる自溶合金１０〜３５％をプ
   ラズマ溶射し、摺動面に耐熱耐摩耗層を形成した摺動部
   材。 ３ 銅合金がＳｎ含有量が５〜１５重量％のＣｕ−Ｓｎ
   系合金である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の摺
   動部材。 ４ 銅合金が、Ｓｎ含有量５〜１５重量％及びＺｎ含有
   量１００〜３０重量％のＣｕ−Ｓｎ−Ｚｎ系合金である
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の摺動部材。