JPS60125362A - 摺動部材 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、摺動部材に関し、詳しくは、エンジン用ピス
トンリング、シリンダライナ、ピストン等の摺動面に、
好適に適用できる摺動部材にかか、る。

〔従来技術〕

エンジンにおいて、性能を向上させる目的での高回転、
高圧縮比化、また、軽量化、燃費向上対策としての軽合
金の使用や部品の小型化等の必要性から、そういった背
景にある部品表面に対する耐摩耗性、耐焼付性、摩擦特
性等を、従来にもまして改善する必要性が高まっており
、多くの研究がなされている。

従来、このような試みの一つとして、摺動部に金属、酸
化物、炭゛化物を溶射したり、またはメッキにより耐摩
耗性被覆層を形成することは公知であり、その応用例も
多い。

以下、ピストンリングに例をとって具体的に説明する。

ピストンリングの摺動部への耐摩耗性被覆層としては、
鉄系ピストンリング母材の摺動部にクロムメッキ、Ｍｏ
金属溶射、高炭素Ｐｅ　−Ｃｒ合金溶射等、耐摩耗性に
優れた被覆層を形成する表面処理が行われている。

クロムメッキピストンリングは、摺動する相手材である
シリンダライチ鋳鉄材との耐焼付性がよくないため、焼
付きや、いわゆる、スカッフィングと呼ばれる引掻摩擦
を発生しやすいという欠点がある。

このための対策として、普通鋳鉄にＮｉ、　ＰＳＣｒｓ
Ｍｏおよび、または、Ｂ、Ｎｂを添加した低合金鋳鉄シ
リンダライナを用いることもある。

しかし、このものは、普通鋳鉄（たとえば、ＪＩｓ規格
ＦＣ２５）に比べて、鋳造性および機械加工性が悪くな
り、従って、シリンダライナとしての、コストが高くな
る等の問題がある。

また、摺動外周面にクロムメッキしたピストンリングは
、摺動する相手材である。シリンダボアの摩耗は少ない
が、ピストンリング自身の耐摩耗性が劣る欠点がある。

また、Ｍｏ金属溶射ピストンリングは、摺動する相手材
である、シリンダライナ鋳鉄材との耐焼付性は良好であ
るが、ピストンリング自身の耐摩耗性に劣ることや、２
５０℃以上の熱負荷がかかるエンジンでは、ＭＯ金金属
酸化により、ピストンリング母材と溶射層の間、および
溶射層内の結合力が劣下し、Ｍｏ金属溶射層が剥離しや
すくなったりする欠点がある。

加えて、Ｍｏ金属自体が高価なため、ピストンリング製
品が高価となる欠点もある。

一方、高炭素鉄−クロム合金溶射においては、クロムメ
ッキ、ＭＯ金属溶射品に比べ、摺動部材自身の耐摩耗性
に優れ、また、熱負荷により溶射層の酸化劣化は少なく
、剥離等の問題は生じない。

しかし、摺動する相手材であるシリンダボアが、軟らか
い普通鋳鉄の場合には、シリンダボア側の摩耗が大きく
なる欠点がある。

このような欠点をもつ溶射ピストンリングの中で、特に
、Ｍｏ金属溶射ピストンリングの優れた耐焼付性に着目
し、このＭｏ金属溶射ピストンリングの欠点である、摺
動部材自身の、耐摩耗性、耐熱劣化性を改善するため、
Ｍｏ金属粉末と、耐摩耗性および耐酸化性に優れたＮｉ
基自溶性合金粉末の、混合粉末による、プラズマ溶射ピ
ストンリングが試みられている。

このＭｏ金属粉末とＮ＋基自溶性合金粉末の混合粉末に
よるプラズマ溶射によって、ピストンリングとしての自
身の耐摩耗性、熱劣化性は、Ｍｏ金属溶射ピストンリン
グに比べ、著しく改善されたが、特に、相手材が普通鋳
鉄シリンダライナ材である場合には、まだ、耐摩耗性、
耐熱劣化性、耐焼付性について、十分バランスのとれた
ものとはなっていない。

この理由は、これらの混合粉末に使用される、Ｎｉ基自
溶性合金の耐摩耗性に起因しており、公知材として用い
られているＮｉ基自溶性合金は、自溶性を得るために、
Ｂ、ＳＬを必須の成分とし、他にクロム、炭素を含有す
ることによって、硼化物や炭化物を生成させて、耐摩耗
性を高めてし喝。

このため、これらの生成物の硬さが非常に高い（炭化物
ではＨｖ１２００以上）ことから、摺動する相手材を摩
耗させやすい欠点がある。

このように、Ｍｏ金属粉末と一般的なＮｉ基自溶性合金
粉末の、混合粉末のプラズマ溶射では、いかなる配合比
率で混合した粉末を用いても、ピストンリングとして、
摺動部材自身および摺動する相手材の耐摩耗性、耐熱劣
化性、耐焼付性の、全てを満足するものとはならないと
いう欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来技術の欠点を解決するもので、特に
、Ｎｉ−Ｃｒ合金の優れた耐酸化性に着目し、Ｍｏ金属
溶射の欠点である、摺動部材自身の耐摩耗性、耐熱劣化
性を改善して、摺動部材自身の耐摩耗性、耐焼付性を向
上させるとともに、摺動する相手材の摩耗をも低減でき
ることから、ピストンリング、シリンダライナ、ピスト
ン、シフトフォーク爪部、ニアコンプレッサ等の摺動面
に、好適に適用できる摺動部材を提供することを目的と
している。

〔発明の構成〕

このような目的は、本発明によれば、重量比率で、７８
〜８２％Ｎ１と１８〜２２％Ｃｒの組成からなるＮｉ−
Ｃｒ合金粉末を、基材の摺動面にプラズマ溶射して、溶
射層を形成したことを特徴とする摺動部材、および、重
量比率で、７８〜８２％Ｎｉと１８〜２２％Ｃｒの組成
からなるＮｉ−Ｃｒ合金粉末；９５〜３０％と、Ｍｏ金
属粉末；５〜７０％の混合粉末を、基材の摺動面にプラ
ズマ溶射して、溶射層を形成させたことを特徴とする摺
動部材によって達成される。

〔発明の作用〕

第１の発明において溶射材として使用されている、重量
比率で７８〜８２％Ｎｉ−２２〜１８％ＣｒからなるＮ
ｉ−Ｃｒ合金は、一般に、ニクロム線として発熱体等に
用いられセいるもので、高温耐酸化性に優れているもの
の硬さが低く、ディーゼルエンジン用ピストンリング等
のような、高負荷、高温状態に対応できる、高いレベル
の耐焼付性および摺動部材自身の耐摩耗性が要求さる場
合には、十分な特性を備えた材料とはいえない。

しかし、ガソリンエンジンにおいては、溶射材として上
記Ｎｉ−Ｃｒ合金を用いれば十分な摺動性能を示す。

また、ディーゼルエンジンにおけるような高負荷時の耐
焼付性、摺動部材自身の耐摩耗性を確保するためには、
Ｎｉ−Ｃｒ合金とＭＯ金金属２種類の合金の混合粉末を
用いることによって、両粉末の優れた特性を生かすこと
ができるものである。

なお、Ｍｏ金属粉末を使用する場合、Ｎｉ　−Ｃｒ合金
のみの場合に比較して材料費がコストアップするため、
両者の使いわけが重要である。

また、第２の発明において、Ｍｏ金属粉末と旧−Ｃｒ合
金粉末の混合粉末を用いるのは、両粉末の有する利点を
活かし、欠点を補うためである。

すなわち、１００％ＭＯ金属溶射層は、摺動する相手材
との耐摩耗性、耐焼付性に優れているが、２５０℃以上
では酸化しやすく、溶射層内の粒子間結合力が低下する
ため、摺動部材として用いると、熱負荷を受けたとき、
粒子間の破壊によって、局部的に剥離しやすくなる。

また、比較材として、Ｎ；従来公知のＭｏ金属粉末とＮ
ｉ基自溶性合金の混合粉末のプラズマ溶射面、０；クロ
ムメッキ（厚さ０．１５ｍ１）としたものを製作し、前
記ＡないしＭの試料とともに、各々の溶射面およびメッ
キ面を研削加工した。

なお、ここで、試験片Ａないし　の溶射材は、−２００
メツシユ（７４μ以下）の粉末粒度ものであり、特に、
Ｎｉ−Ｃｒ合金は、７９．６％Ｎｉ−２０゜３％Ｃｒ−
残部不純物、Ｍｏ金属粉末は、９９％以上Ｍｏの組成の
ものを用いた。

また、各々試験片の加工は、研削加工後ラップ仕上げを
行ない、加工後の被覆層厚さを０．１ｓ■にそろえ、表
面アラサは、溶射面で２〜６μＲｚ、クロムメッキ品で
０．５〜１．２μＲｚであった。

上記試験片を、摺動する相手材である、大きさが１６ｍ
ｍｘｌＯｍｍＸ６ｍの普通鋳鉄（ＪＩＳＦＣ２５相当）
試験片の端面（１６ｗｍＸ　１　（Ｉｎ）と摺接させ、
摺接面に潤滑剤として、モータオイルＳＡＥ＃３０を供
給しながら、回転数１６Ｏｒｐｍ。

荷重６０ｋｇおよび１８０ｋｇで１時間摩耗試験を行っ
た。

この時の、摺動部材自身および摺動する相手材の摩耗量
を図に示す。

〔実施例〕

以下、添付図面に基づき、本発明にかかる摺動部材の実
施例を、公知材と比較して説明する。

実施例１ 外径φ３５寵、内径φ３０鶴、幅１０鶴の、低合金鋼製
円筒試験片の外周面に、Ｍｏ金属粉末とＮｉ−Ｃｒ合金
粉末との配合比率を、第１表に示すように変化させて、
各々に０．２〜０．３ｆｉ厚のプラズマ溶射して、試験
片ＡないしＭを製作した。

第１表 の各溶射層、クロムメッキ品の摩耗量（摩耗減量■）を
示し、下方は摺動する相手材である。普通鋳鉄の摩耗量
（摩耗痕深さμ）を表り、Ａないし０の符号は、上記説
明で用いた符号と一致させである。

図の摩耗試験結果と摩擦面の観察により、次のことが明
らかとなった。

■　０ニクロムメッキ品は、荷重６０ｋｇで焼付気味で
あり、荷重１８０ｋｇでは焼付きを発生し摺動する相手
材の摩耗量は少ないが、摺動部材自身の摩耗が大きい。

■　Ｎ：市販のＮｉ−Ｍｏ粉末溶溶射は、摺動部材自身
の摩耗量は、クロムメッキ品より少ないが、摩耗による
損傷が多く、摺動する相手材の摩耗が著しい。

■　Ａ、１００％Ｎｉ−Ｃｒ合合金溶射色、荷重６０ｋ
ｇではＮｉ−Ｃｒ合金粉末とＭｏ金属粉末の混合粉末Ｂ
ないししと、同等の摺動部材自身の摩耗量を示し、摺動
する相手材の摩耗量もそれらと同等であり、良好な耐摩
耗性を示したが、荷重１８０ｋｇになるとＢないしＬに
比較して、摺動部材自身の摩耗量が著しく多くなる。

■　Ｍ；１００％Ｍｏ金属溶射品は、焼付きが認められ
す、摺動する相手材の摩耗は、クロムメッキ品より若干
多い程度で、特に、摺動部材自身の摩耗は少ない。

これらに対し、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末とＭｏ金属粉末の混
合粉末溶射層のうち、本発明材にかかるＡ：Ｎｉ−Ｃｒ
合合金溶射色荷重６０ｋｇの場合とＢないしＪの、Ｎｉ
−Ｃｒ合金粉末；　９５〜３０％と、Ｍｏ金属粉末；５
〜７０％の混合粉末を、プラズマ溶射したものは、比較
材である、Ｎ；市販のＮｉ　−Ｍｏ粉末溶溶射に比べ、
摩耗損傷が小さく、摺動部材自身の摩耗量は同等であっ
たが、摺動する相手材の摩耗がクロムメッキ品と同等レ
ベルと少なく、総合的に優れたレベルにあることが明ら
かとなった。

実施例２ 実施例１により、Ａ：Ｎｉ−Ｃｒ合合金溶射色Ｂないし
Ｊの、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末；９５〜３０％とＭｏ金属粉
末纂５〜７０％の、配合比率でのプラズマ溶射層が、摺
動部材自身の摩耗、および摺動する相手材の摩耗に関し
て、総合評価で優れた結果を示した原因を調査するため
、溶射層の硬さを調査しなお、比較として、Ｎ；市販の
Ｎ１−Ｍ０粉末溶射品も同時に調査した。

この結果、本発明合金に用いられるＮｉ　−Ｃｒ合金粉
末溶射部の硬さは、ｍＨｖ（２５ｇ＞　２００〜３００
であり、Ｍｏ金属溶射部はｄｖ（２５ｇ）　４００〜５
００であった。

また、これら溶射層全体の硬さは、ｍＨｖ（Ｉｋｇ）で
ＡＳＢ、Ｃにおいて２００〜３００、Ｄ、Ｅ。

Ｆにおいて３００゛〜４００、Ｇ、Ｈにおいて３５０〜
５００．Ｌ　Ｊにおいて４００〜５２０であった。

これらに対し、比較材である、Ｎ；市販Ｎ１−Ｍ。

粉末溶射層のＮｉ基自溶性合金溶射部は、ｍＨｖ（２５
ｇ）６００〜７００で、Ｍｏ金属溶射部は本発明材のＭ
ｏ金属溶射部とほぼ同等の硬さであった。

また、溶射層全体の硬さは、Ｈｖ　（１ｋｇ）　５８０
〜６５０と本発明材より若干高い値を示した。

以上のことから、Ｎ；市販のＮｉ　−Ｍｏ溶溶射が、摺
動する相手材を摩耗させる理由は、Ｎｉ基自溶性合金粉
末の硬さが、高いことによると思われる。

これは、Ｎｉ基自溶性合金が自溶性を得るために、Ｂ、
Ｓｔを含有しており、特に、Ｂによる硼化物の形成が、
硬さを高める原因となっているものと思われる。

これに対し、本発明材のＮｉ−Ｃｒ合金粉末は、これら
硬さを高めるＢやＣを含まないため軟かく、摺動する相
手材を摩耗させる成分を殆ど含まないことから、実施例
１に示すような、摺動する相手材の摩耗が少ない結果を
示したものと思われる。

実施例３ 外径２５．６鶴、内径２０鶴、厚さ１６＋ｎの炭素鋼製
回転試験片の、リング端面に実施例１で示した、Ａない
しＭの溶射試験片と比較して、Ｎ；市販のＮｉ−Ｍｏ粉
末溶溶射、０；クロムメッキ品を、実施例１と同様に研
削加工した。

これらの試験片を、摺動する相手材である、３０龍×３
０１蒙×１０重■の炭素鋼（ＪＩＳ規格８４５Ｃ）試験
片の端面と摺接し、摺接面に潤滑剤として、モータオイ
ルＳＡＥ＃３０を供給して、荷重を２５ｋｇから５００
　ｋｇまで増加させ、焼付限度荷重を測定するとともに
、表面の損傷状態を観察した。

この結果を第２表に示す。

第２表 注）＊５００ｋｇでも焼付かず 第２表から明らかなように、０；クロムメッキ品は、２
００〜２５０　ｋｇで焼付いたのに対し、Ａ；１００％
Ｎｉ−Ｃｒ溶溶射は、３８０〜４００ｋｇと０；クロム
メッキ品より高い焼付荷重を示し、Ｂ；９５％−”ｒ−
Ｃｒ合合金粉末＋５％Ｍ金金属粉末ら、Ｍ；１００％Ｍ
ｏ金属粉末へと、ＶＩｏ金属粉末の配合比率を高めてい
くに従って、焼付限度荷重は高くなり、本発明のＭｏ金
金属粉未配化比率ある５〜７０％ＯＢないしＪは４００
　ｋｇ以上と高く、耐焼付性に優れていることを示して
いる。

この焼付限度には、Ｍｏ金金属粉未配化比率影響が大き
く、Ｍｏ金属粉末の、配合比率が９０％以上のり、Ｍは
、５００　ｋｇでも焼付かず、優れた耐焼付性を示した
。

実施例４ 実施例１の第１表に示す。Ａ−Ｍの各種溶射試料と、比
較材として、Ｎ；市販のＮｉ＝Ｍｏ粉末を用いて、実施
例１と同様の試験片に溶射し、加工した後、耐熱劣化性
を評価した。

評価方法は、大気中３００℃炉内加熱と炉外冷却を、２
００回繰り返し、溶射層内の酸化・クランク発生等によ
る、溶射層内熱劣化状態を調査した。

結果を第３表に示す。

第３表 第３表の結果から、以下のことが理解される。

■　Ｍｏ金属粉未配合量が２０％以下では、溶射層の酸
化劣化は殆ど認められない。

■　Ｍｏ金属粉未配合量が３０％以上になると、若干酸
化物生成が認められ、５０％以上になると、クランク発
生も若干化められるものの、Ｍｏ金属粉末７０％までは
、溶射層内熱劣化も低いレベルにある。

■　Ｍｏ金属粉未配合量が８０％以上になると、酸化物
生成やクランク発生が増加し、溶射層が脱落・剥離する
等、溶射層の熱劣化の進行が著しい。

以上のことから、溶射層１の熱（酸化）劣化に対しては
、Ｎｏ金属粉末の配合量は、７０％までが限界であるこ
とが明らかとなった。

上記実施例１．２．３．４から、本発明材に用いるＮｉ
　−Ｃｒ合金粉末とＭｏ金属粉末の配合範囲は、耐熱劣
化性、および、摺動する相手材に対する摩耗効果から、
７０％以下とするのが望ましく、残部を軟かいＮｉ−Ｃ
ｒ合金粉末からなる、本発明範囲のＮｉ−Ｃｒ合金粉末
の溶射層、および、Ｎｉ　−Ｃｒ合金粉末とＭｏ金属粉
末の混合粉末の溶射層が、摺動部材として総合的に優れ
ていることが明らかとなった。

また、特に、ディーゼルエンジン用ピストンリングのよ
うな、高負荷な場合、摺動部材自身の摩耗を考慮に入れ
ると、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末とＮｏ金属粉末の混合粉末の
溶射層が、摺動部材として優れていることが明らかとな
った。

〔発明の効果〕 以上により明らかなように、本発明にかかる第１の発明
の摺動部材に゛よれば、ガソリンエンジン等の低負荷エ
ンジンにおいて、優れた摺動性能が確保できる利点があ
り、また、第２の発明の摺動部材によれば、Ｍｏ金属溶
射の優れた耐焼付性を維持したまま、Ｍｏ金属溶射の欠
点である摺動部材自身の耐摩耗性、耐熱劣化性を改善す
ることによって、摺動部材自身の耐摩耗性、耐焼付性を
向上さセるとともに、摺動する相手材の摩耗を低減でき
る利点がある。

従って、上記のように、本発明にかかる摺動部材は、ピ
ストンリング、シリンダライナ、シフトフォーク爪部、
ニアコンプレッサ等の摺動面に、好適に適用できる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明にかかる実施例１の摩耗試験結果を示すグラ
フである。 出願人　トヨタ自動車林式会社 手続補正書　（方式） １．事件の表示 昭和５８年特許願第２３１１５４号 ２、発明の名称 摺動部材 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　愛知県豊田市トヨタ町１番地　〒４７１昭和５９
年　２月２８日 ５、補正の対象 明細書 ６、補正の内容 別紙のとおり

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比率で、７８〜８２％Ｎｉと１８〜２２％Ｃｒ
   の組成からなるＮ１−Ｃｒ合金粉末を、基材の摺動面に
   プラズマ溶射して、溶射層を形成したことを特徴とする
   摺動部材。 ２、重量比率で、７８〜８２％Ｎｉと１８〜２２％Ｃｒ
   の組成からなるＮｉ−Ｃｒ合金粉末；９５〜３０％と、
   Ｍｏ金属粉末；５〜７０％の混合粉末を、基材の摺動面
   にプラズマ溶射して、溶剤層を形成させたことを特徴と
   する摺動部材。