JPS6046176B2 - 非チル組織部とチル組織部とを共存させた鋳鉄製摺動部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザビームによつて、摺動面に高硬度のチ
ル組織を点状又は帯状に形成せしめ、チル組織部と非チ
ル組織部を共存させた耐摩耗、耐スカツフイング性に優
れた鋳鉄製摺動部材に関するものであり、内燃機関の摺
動部材であるシリンダ、ピストリング、カムシャフト、
タペット、ロッカ−アーム等、特に苛酷な摩擦条件で使
用される機能部品に適する。

これらの摺動部材には、従来から、耐摩耗、耐スカツフ
イング性を付与する為に、対象物に応じて、焼入、チル
組織化、窒化、浸硫処理、および硬質クロムめつきの被
覆などが実施され、ある程度の効果を収めている。 し
かしながら、焼入は耐スカツフイング性の向上があまり
望めず、チル組織は、耐ピッチング性に劣り、窒化、浸
硫処理は処理層が浅い為、耐久性にとぼしく、又硬質ク
ロムめつきは剥離の問題があるなど、夫々に一長一短が
あり、全てを満足させ得る部材は得られていない。 こ
の中で鋳鉄のチル組織は、カムシャフト、タペット、ロ
ッカ−アーム等の一部に使用され、優れた耐摩耗、耐ス
カツフイング性が実証されている。

しかしながらこれらのチル組織を得る方法 は、一般に
鋳造の際、鋳型中に冷金を置き、該部の溶湯を急冷凝固
させる方法がとられている為、造型時の冷金の設定作業
が煩雑であつたり、チル組織近傍がまだら組織になり、
全体の機械的強度が要求されるものには使用できず、又
硬化層の硬さおよび深さを管理することが困難で、精密
、小物部品には適用し難い等の製造上の制約と、摺動部
全体にチル組織を設ける為、自己潤滑性を有し、オイル
ポケットとなり得る遊離黒鉛の存在が”全くなくなるこ
とにより、カムシャフト、タペット、ロッカ−アームの
ように比較的潤滑油が潤沢で温度も、それほど上昇しな
い部材においては問題はないが、潤滑状態が悪くなると
耐スカツフイング性が不足してくる上、耐ピッチング性
も劣る等、性能上にも問題がある為、優れた摩擦特性を
有しながら適用範囲が制約されているのが実情である。
本発明は以上述べた従来のチル組織の欠点を改善し、
優れた特性である耐摩耗性を低下させずに、耐スカツフ
イング性および耐ピッチング性を付与し、しかも製造上
の制約をなくし、適用範囲を広げる為に発明したもので
ある。

即ち、本発明は鋳鉄製摺動部材の摺動面をレーザビーム
で急速加熱して溶融せしめ、急速冷却により、黒鉛析出
のないチル組織を点状、又は帯状に分布さぜ、且つ、チ
ル組織の摺動面全体に対する面積率を５〜７０％とし、
いわゆるチル組織と非チル組織とを共存させたことを特
徴とする。周知のように、レーザビームは単波長の光で
ある為、ビームの集束性が非常に良く、エネルギ密度を
極めて高くできるので、微小部分の溶断、溶接、穴あけ
、表面焼入等広い分野に応用されている。

又レーザビームが光であることは直進性に優れているこ
とであり、ミラーおよびレンズの組み合せにより自由に
ビームの方向が変えられる為、複雑な形状の処理にも適
用でき、しかも大気中で操作が可能であるので工業的利
用価値は極めて高い。レーザは固体レーザ、ガスレーザ
等種々のものがあるが、この中でＣＯ２ガスレーザは大
出力の発振装置が可能なこと、およびパルス発振と連続
発振の両方が可能なこと等により、比較的大型の溶断、
溶接、穴あけ、表面焼入に使用されている。

従来、レーザによる表面硬化処理は、表面焼入が一般的
で自動車部品の一部にも応用されだしている。レーザ焼
入の原理は高いエネルギ密度を利用して、ビームを照射
した局部を急速に鉄鋼材料のＡ１変態点以上に加熱しな
がら、ビームを移動させると、周囲への熱伝導により急
冷される為、焼入できるものて、従来の焼入手法のよう
に、冷却液は全く必要とせず、いわゆる自己焼入が可能
となる。

レーザビームによる加熱の際、さらにエネルギ密度を上
げると表面層の溶融が起り、焼入の場合と同じように、
周囲への熱伝導により急冷され、いわゆる溶湯の急冷組
織が得られる。

加熱する材料が鋳鉄の場合、この溶湯の急冷組織は、い
わゆるチル（白銑）組織となる。

本発明はレーザビームのこれらの特徴を巧みに利用して
、鋳鉄製摺動部材の摺動表面に部分的にチル組織を分布
させたものである。

レーザビームによる加熱はビームの集束性が良く、エネ
ルギ密度を極めて高くできるので短時間加熱で済む為、
照射した部分のみチル組織となり、周囲への熱影響をご
く少なくすることができる。この為、処理部品の熱変形
を極めて少なく押えることができ、後加工を省略できる
か、実施してもごくわずかの仕上加工で済む。レーザビ
ームの発振源にＣＯ２レーザを使用すれば、パルスおよ
び連続発振の両方が可能となる為、点状のチル組織でも
帯状のチル組織でも自由に選択できる為、本発明に最も
適する。

又、本発明のレーザビームによるチル組織の大きさ、深
さ、形状などは、レーザビームの出力、ビームの走査速
度、焦点はずし距離などを変えることにより、自由に所
望のものが得られ、調整も容易にできる為、応用範囲は
広い。

第１図において、レーザビームにより摺動部材のチル化
していない摺動面１の局部を再溶融させてチル化した組
織２は、冷却速度が非常に速い為、通常、冷金使用によ
り得られるチル組織よりも極めて微細な組織となり、硬
さも高い。

又、加熱溶融の際、溶融層周辺は当然Ａ１変態点以上に
加熱される部分３が存在し、の部分３は焼入組織となり
、丁度、チル組織２を包むような形でチル組織部分を強
化している。このことは、耐ピッチング性に効果的に働
き、本発明のレーザ硬化処理した鋳鉄製摺動部材の有用
性を高めている。次に請求範囲の限定理由について述べ
る。加熱源をレーザビームに限定した理由は、照射した
部分のみに加熱できるほどビームの集束性が良く、鋳鉄
を簡単に溶融させ得るほどエネルギ密度が高く、しかも
操作性を考えて、大気中て処理できるのは、レーザビー
ム以外にない為である。

チル組織を点状又は帯状に設け、チル組織と非チル組織
を分散共存させた理由は、チル組織の耐摩耗性と非チル
組織部に析出した黒鉛による自己潤滑作用およびオイル
ポケット作用を付与することにより、耐摩耗性と耐スカ
ツフイング性の両方”を兼ねそなえた摺動部材にする為
である。なお、チル組織の摺動面に対する面積率は凡そ
５〜７０％の範囲であつて、５％未満ては必要な耐摩耗
性が得られず、７０％を越えると、耐摩耗性は充分でも
、黒鉛析出量が少なくなる為、充分な耐．スカツフイン
グ性が得られず、又処理工数が増大して経済的でなくな
る。そして上記面積率の好ましい範囲は２０〜６０％で
ある。〔実施例１〕 長さ７０ｍｎ１巾１７順、厚さ７蒜のタンザク状片状ノ
黒鉛鋳鉄材試験片に最大連続出力１２００Ｗ（７）ＣＯ
２ガスレーザ装置を用いて出力１０００Ｗでパルス照射
を行い、、ビーム走査速度２０００順／Ｍｉｎで第２図
ａに示すように、ピッチＷを３悶、パルス間隔１を２．
５？、チル組織径ｄを１．５７７！７７！の点状に処理
したものと出力１０００Ｗて連続照射を行い、ビーム走
査速度１２００ＴＴ＄ｔ／Ｍｉｎで第２図ｂに示すよう
にピッチＷを５７Ｔ０ｎ、チル組織巾Ｈを３順の帯状に
処理したものとを作製した。

この時の摺動面に対するチル組織の面積率は第２堺ａで
約２０％、第２図ｂで約６０％であつた。さらに冷金に
よる全面チル組織、ズブ焼入、およびベースになる無処
理材を夫々同一形状、大きさに作製して、スカツフイン
グ限界荷重を求める為に往復動摩擦試験を実施した。試
験に使用した往復動摩擦試験機の概略図を第３図に示し
、４は試験片、５は相手ピン、６は摩擦力を検出するロ
ードセル、７は荷重をかけるための油圧ユニット、８は
検出した摩擦力を記録する記録計、９は油圧（荷重）表
示計である。試験条件はストローク５０悶で摩擦速度を
１００ｃｐｍ１摩擦回数を２００サイクル、荷重を３０
ｋ９から５ｋ９毎に６０ｋ９までで夫々試験した。

潤滑は摩擦面に軽油を塗布した後、ガーゼで一定にむき
とり追加しない、いわゆる半湿式で行い相手ピン５は８
順φの丸棒の先端に硬質クロムめつきをつけて−試験面
に球面に仕上げたものを使用した。スカツフイング限界
荷重の求め方は各荷重で２００サイクルまで摩擦させ、
その間にスカツフイングを起こさせなかつたものを良（
０）、スカツフイングを起こしたものを否（×）とし、
各６回づつ行い良（０）の数が５０％以上得られた荷重
をスカツフイング限界荷重とした。

スカツフイングの判定には、試験機の摩擦力検出装置て
摩擦力が急増する時点と、摩擦面の目視観察て行つた。
摩擦回数を２００サイクルで切つたのは、２００サイク
ルまでスカツフイングが起きなかつたものは、それ以上
摩擦回数を増やしても酸化膜の生成により、スカツフイ
ングを起こさず、スカツフイングを起こすものは２００
サイクルまでにほとんどスカツフイングをすることによ
る。この試験結果を表１に示す。この試験結果を見ても
明らかなように、本発明の摺動部材は、点状チル組織で
も帯状チル組織でも、無処理の材料に対しては勿論ズブ
焼入および従来公知の冷金による全面チル組織材にくら
べても、はるかに高いスカツフイング限界荷重を示して
おり、耐スカツフイング特性が優れていることが明白で
ある。

〔実施例２〕 Ｔ．Ｃ３．２３％，Ｓｌ２．ｌ４％，ＭｎＯ．７８％，
ＰＯ．３３％，ＳＯ．Ｏ４％，ＣｒＯ．２６％残Ｆｅの
片状黒鉛鋳鉄製シリンダの内周面にＣＯ２ガスレーザ装
置を使用して出力１０００Ｗ１ビーム送り速度２０００
ｒ１ｒＩｎ／Ｍｉｎで、第４図ａに示すようにピッチＷ
を３７７！７７！、パルス間隔１を２．５ｗｔ１チル組
織径ｄを１．５？の点状に処理したシリンダライナＡと
、出力１０００Ｗ１ビーム送り速度１５００Ｔｓｎ／Ｍ
ｉｎで第４図ｂに示すように螺旋状にピッチＷを５顛、
チル組織巾Ｈを２顛の帯状に処理したシリンダライナＢ
とを作製した。

この時の摺動面に対するチル組織部２の面積率は第４図
ａで約２０％、第４図ｂで約４０％であつた。これらの
シリンダライナＡおよびＢを１１６順φ、６気筒、７８
６０ｃｃ１１８５馬力のデーゼルエンジンに２気筒づつ
組み込み、比較材として上述した成分の片状黒鉛鋳鉄製
シリンダの無処理材のシリンダライナＣも２気筒組み込
み、全負荷で３００時間の耐久試験を行なつた。

相手のトップリングにはクロムめつきリングを使用した
。試験後のシリンダライナのトップリング上死点の８ケ
所測定平均摩耗量とトップリングの５ケ所測定平均摩耗
量を第５図に示す。

同図においてμはトップリング上死点シリンダ摩耗量、
μ″はトップリング摩耗量である。試験結果を見れば明
らかなように本発明によるシリンダライナＡおよびＢの
摩耗は無処理材Ｃの約１１３であり、しかも相手クロム
めつきリングの摩耗も２０〜３０％減少しており、非常
に優れた摩耗特性を示した。

又試験後のシリンダ内周面の観察状況は、本発明による
シリンダライナの摺動面には目視できるような摺動キズ
が見られず、非常にきれいな面を呈しているのに対して
無処理材は明らかなスカツフイングまでには至らないが
こまかい摺動キズが無数に見られ耐スカツフイング特性
の差異があられれている。〔実施例３〕 片状黒鉛鋳鉄製ピストンリングの外周面に、ＣＯ２ガス
レーザ装置を使用して出力８００Ｗ１ビーム送り速度１
０００Ｔ１Ｕｎ／Ｍｉｎで第６図に示すようにピストン
リングの巾Ｂｌ．５Ｔ＄ｌに対して、１ＴＷＬ巾Ｈの帝
状にチル組織２を設けたトップリングＲを作製した。

この時の摺動面に対するチル組織部の面積率は約６７％
であつた。このピストンリングＲを４サイクル水冷４気
筒１６００ｃｃのガソリンエンジンのトップリングとし
て組み込み、比較材としてクロムめつきリングｒを組み
込んで全負荷１００時間の耐久試験を実施した。

試験結果を第７図に示す。

ピストンリングの摩耗は５ケ所測定の平均値を示し、シ
リンダ摩耗はトップリング上死点位置の８ケ所測定の平
均値を示す。本発明によるピストンリングは耐摩耗特性
被覆材として実績のある硬質クロムめつき以上の耐摩耗
性を示し、しかも相手シリンダ摩耗も減少しており、優
れた摩耗特性を示した。

以上実施例で述べたように、本発明の摺動部材は、従来
の摺動部材に較べてはるかに優れた耐摩耗、耐スカツフ
イング特性を有し、しかもレーザビームを使用すること
により、大気中で処理可能”で形状、大きさにも制限さ
れない等、応用範囲も広く、省資源、省エネルギが叫ば
れている現在、その工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明摺動部材のチル組織部の拡大断面を示
す模式図、第２図は往復摺動摩擦試験に供試した試験片
の摺動摩擦面の拡大平面図て、ａは点状チル組織部を有
する摺動摩擦面、ｂは帯状チル組織部を有する摺動摩擦
面、第３図は往復摺動摩擦試験機の概略図、第４図はシ
リンダライナｊの摺動面の一部を拡大した模式図で、ａ
は点状チル組織部を有するライナ、ｂは帯状チル組織部
を有するライナ、第５図は〔実施例２〕の結果を示すグ
ラフ、第６図はピストンリングの要部摺動面縦断面を示
す拡大模式図、第７図は〔実施例３〕ｊの結果を示すグ
ラフを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 摺動面に黒鉛の析出した非チル組織部とレーザビー
   ムによる黒鉛析出のない点状又は帯状のチル組織部とを
   共存させた鋳鉄製摺動部材。