【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
イ０発明の技術分野
本発明は硬質粒子分散ニッケルー燐−コバルトめっき層
を有する耐摩耗性摺動部材に関する。
口、従来技術と問題点
例えば、高速で摺動するピストンリングは耐摩耗性を高
めるため硬質クロムめっきを施したものが広く使用され
ているが、このめっきは、処理にかなりの長時間を要す
る上に、めっきの廃液による公害発生防止対策に多額の
費用を要し、めっきのコストが高くなるなどのほかに、
高鉛ガソリンを燃料とするエンジンや、高負荷のエンジ
ンに使用した場合耐摩耗性、耐焼付性、耐蝕性などに問
題があった。
上記問題点を解決するため、例えばニッケルー燐などの
合金マトリクス中に窒化物、炭化物、酸化物などの硬質
粒子を分散させる複合めっき方法が注目されている。こ
れは、複合めっき又は分散めっきと呼ばれていて１分散
される粒子の種類、大きさ、分散量を適当に選ぶことに
よって耐摩耗性、耐焼付性、耐蝕性に優れた皮膜を形成
することができ、既にシリンダや、ピストンリングのよ
うな摺動部材などに使用され始めている。しかし高速運
転のエンジンに使用した場合熱負荷の影響などにより皮
膜がもろくなりやすい欠点があった。
ハ０発明の目的
本発明は従来の複合めっきの問題点を解消し。
耐摩耗性、耐焼付性、耐蝕性に優れた皮膜層を摺動面に
有する摺動部材を提供するものである。
ニ０発明の構成
第１図に示す金属製摺動部品（１）の摺動面に複合めっ
き層を形成した摺動部材で、該複合めっき層がコバルト
１０〜４０重量％、燐２〜１５重量％、ニッケル５０〜
８８重量％の合金基地（３）中に硬質粒子を５〜３０容
量％分散させた摺動部材
ホ０作用効果
合金基地中に含まれる燐は熱硬化処理を行うと硬度が増
し、耐摩耗性、耐蝕性に優れた効果がある。燐の量は２
〜１５重量％が良い。燐の量が２％以下ではその効果は
少なく、１５％を越すとかえって皮膜は脆くなり、衝撃
強度、密着性も悪くなる。
合金基地中にコバルトを添加することにより耐焼付性、
耐蝕性が優れ、また圧壊疲労強度も増す。
コバルトの量は１０〜４０重量％が良い、その量が１０
重量％より少ないと効果は少なく、また４０重量％を越
えてもその効果に著しい変化は無く。
経済的ではない。
合金基地中に分散される硬質粒子の粒径は０゜５〜１０
μｍ、その量は５〜ｂ
硬質粒子の粒径が０．５μｍ以下、或いは５容量％以下
では耐摩耗性としての効果は少ない。また１０μｍ、或
いは３０容量％を越えると、皮膜の強度はかえって低下
し、更に相手材の摩耗を大きくすることになる。
へ１発明の実施例
ピストンリング用鋼材である先端端面が５閣×５Ｗ１１
の鋼製試験片に、まず第一工程として摺動面に通例のニ
ッケルストライクめっき方法で厚さ５μのニッケルめっ
きを形成しておき１次に第二工程として電気めっき法に
より表１の条件で厚さ１２０μ！ｎの窒化珪素分散ニッ
ケルー燐−コバルトめっき層を形成させた。またこれと
は別に電気めっき法と同じ材質の試験片に無電解めっき
法により表１の条件で厚さ１００μｍの窒化珪素分散ニ
ッケルー燐−コバルトめっき層を形成させた。無電解ニ
ッケルめっきは、めっき層の密着性が良好なのでニッケ
ルストライクめっきは省略することができる。
第三工程として前記各方法で得た各試験片を３７０℃で
１時間加熱硬化処理をした。この種のニッケルーコバル
ト−燐合金めっき層には通常加熱硬化処理が施されるが
、この加熱温度は２００〜４５０℃が一般に採用されて
いる。
マイクロビッカース硬度計で測定した結果と、めっき層
組成を表２にしめす。TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a wear-resistant sliding member having a nickel-phosphorus-cobalt plating layer in which hard particles are dispersed. Conventional technology and problems For example, piston rings that slide at high speed are widely used with hard chrome plating to increase wear resistance, but this plating requires a considerable amount of time to process. On top of that, a large amount of money is required to prevent pollution caused by waste liquid from plating, which increases the cost of plating.
When used in engines using high-lead gasoline as fuel or engines with high loads, there were problems with wear resistance, seizure resistance, corrosion resistance, etc. In order to solve the above problems, a composite plating method in which hard particles such as nitrides, carbides, and oxides are dispersed in an alloy matrix such as nickel-phosphorus has attracted attention. This is called composite plating or dispersion plating, and it involves forming a film with excellent wear resistance, seizure resistance, and corrosion resistance by appropriately selecting the type, size, and amount of dispersed particles. It has already begun to be used in cylinders and sliding parts such as piston rings. However, when used in high-speed engines, the film tends to become brittle due to the effects of heat load. OBJECT OF THE INVENTION The present invention solves the problems of conventional composite plating. The present invention provides a sliding member having a coating layer on its sliding surface with excellent wear resistance, seizure resistance, and corrosion resistance. D0 Structure of the Invention A sliding member in which a composite plating layer is formed on the sliding surface of the metal sliding component (1) shown in FIG. Weight%, nickel 50~
Sliding member with 5 to 30% by volume of hard particles dispersed in 88% by weight alloy matrix (3) 0 Effects The phosphorus contained in the alloy matrix increases in hardness and wear resistance when subjected to thermosetting treatment. , has excellent corrosion resistance. The amount of phosphorus is 2
~15% by weight is good. If the amount of phosphorus is less than 2%, the effect will be small, and if it exceeds 15%, the film will become brittle and its impact strength and adhesion will deteriorate. Seizure resistance is improved by adding cobalt to the alloy base.
Excellent corrosion resistance and increased crush fatigue strength. The amount of cobalt is preferably 10 to 40% by weight, and the amount is 10% by weight.
If it is less than 40% by weight, the effect will be small, and if it exceeds 40% by weight, there will be no significant change in the effect. It's not economical. The particle size of the hard particles dispersed in the alloy matrix is 0°5~10
μm, and the amount thereof is 5 to b.If the particle size of the hard particles is less than 0.5 μm or less than 5% by volume, the effect of wear resistance is small. Moreover, if the thickness exceeds 10 μm or 30% by volume, the strength of the film will actually decrease and the wear of the mating material will increase. 1 Example of the invention The tip end surface of the steel material for piston rings is 5×5W11
As a first step, a nickel plating with a thickness of 5 μm was formed on the sliding surface of a steel specimen using the usual nickel strike plating method, and then as a second step, electroplating was performed under the conditions shown in Table 1. Thickness 120μ! A silicon nitride dispersed nickel-phosphorus-cobalt plating layer of n was formed. Separately, a silicon nitride dispersed nickel-phosphorus-cobalt plating layer with a thickness of 100 μm was formed on a test piece made of the same material as the electroplating method using the electroless plating method under the conditions shown in Table 1. With electroless nickel plating, the adhesion of the plating layer is good, so nickel strike plating can be omitted. As a third step, each test piece obtained by each of the above methods was heat-cured at 370° C. for 1 hour. This type of nickel-cobalt-phosphorus alloy plating layer is usually subjected to heat hardening treatment, and the heating temperature generally employed is 200 to 450°C. Table 2 shows the results measured with a micro-Vickers hardness meter and the composition of the plating layer.
【表１】[Table 1]
【表２】
次に本発明に係る摺動面の耐摩耗試験および焼付試験に
ついて説明する。試験は第３図および第４図に示すライ
ダ一方式摩耗試験機によって行った６その概要はステー
タホルダ１にシリンダー材などとして使用される鋳鉄材
Ｆｅ１２製で摺動面２がホーニング仕上げされた円板３
が取外し可能に取り付けられており、その中央には裏側
から注油孔４を通して潤滑油が注油されるようにしてあ
り、図示しない油圧装置によってステータホルダ１には
図において右方へ向けて所定圧力で押圧力がかかるよう
にしである０円板３に対向してロータ５上に取付けられ
た試験片保持具６の回転軸と同心の円周上に等間隔に刻
設された４個の取付孔にそれぞれ試験片７が取付けられ
、それぞれ所定の表面処理が施された試験片の５Ｘ５ｍ
角の先端端面が円板３の摺動面２に接触し、図示しない
駆動装置によって所定速度で回転する。試験はステータ
側の注油孔４から一定油温の潤滑油を摺動面に供給しな
がら行なう。
摩耗試験は一定の押圧力の下でロータ５を回転させ、試
験片７が所定の摺動距離だけ円板３上を摺動したときの
試験片７とステータ円板３の摩耗量によって耐摩耗性を
評価する。
またロータ５を回転させると試験片７と円板３との摩擦
によってステータホルダ１には図示のようにトルクＦを
生ずるので、このトルクＦをスピンドル８を介してロー
ドセル９に作用させ、押圧力の変化によるトルクＦの変
化を動歪計１０で読みトルクＦが急激に上昇したときに
焼付けが生じたとして、そのときの押圧力をもって耐焼
付は性を評価する。
試験片７には、前記実施例で得られた試験片の他に比較
のため一般に耐摩耗性表面処理に用いられる硬質クロム
めっき、耐摩耗性耐スカツフ性に優れているモリブデン
溶射、およびコバルトを含まない窒化珪素分散ニッケル
ー燐めつきについても同様の試験を行った。
ａ）摩耗試験
潤滑油として加鉛ガソリンを燃料とする実機テストに使
用後のエンジンオイルＳＡＥ Ｎｏ３０にダスト（Ｊ
ＩＳ２種）を０．２ｇ／ｌ添加した温度８０℃の油を用
いて、注油孔４から供給し、ステータホルダ１にはロー
タ側に向けて油圧１００Ｋｇ／ａｓ”の押圧力を加えな
がら、試験片７の摩擦速度を３〜５ｍ／ｓｅｃとし、摺
動距離が１００に■となるまでロータ５を回転させた。
試験結果を次の表３に示す。[Table 2] Next, the wear resistance test and seizure test of the sliding surface according to the present invention will be explained. The test was conducted using a lidar one-type wear tester shown in Figs. 3 and 46.The outline of the test is as follows: The stator holder 1 is made of cast iron Fe12, which is used as a cylinder material, etc., and the sliding surface 2 is a circle with a honed finish. Board 3
is removably attached to the stator holder 1, and lubricating oil is supplied to the center from the back side through an oil fill hole 4, and a predetermined pressure is applied to the stator holder 1 toward the right in the figure by a hydraulic device (not shown). Four mounting holes are equally spaced on the circumference of the test specimen holder 6, which is mounted on the rotor 5 facing the zero disc 3 so that a pressing force is applied. The test piece 7 is attached to each of the 5 x 5 m
The tip end face of the corner contacts the sliding surface 2 of the disc 3, and is rotated at a predetermined speed by a drive device (not shown). The test is conducted while lubricating oil at a constant temperature is supplied to the sliding surface from the oiling hole 4 on the stator side. In the wear test, the rotor 5 is rotated under a constant pressing force, and the wear resistance is measured by the amount of wear of the test piece 7 and the stator disk 3 when the test piece 7 slides on the disk 3 by a predetermined sliding distance. Assess gender. Furthermore, when the rotor 5 is rotated, a torque F is generated in the stator holder 1 as shown in the figure due to the friction between the test piece 7 and the disk 3, so this torque F is applied to the load cell 9 via the spindle 8, and the pressing force is The change in the torque F due to the change in is read by the dynamic strain meter 10, and it is assumed that seizure occurs when the torque F suddenly increases, and the seizure resistance is evaluated based on the pressing force at that time. In addition to the test piece obtained in the above example, test piece 7 was coated with hard chrome plating, which is generally used for wear-resistant surface treatment, molybdenum spraying, which has excellent wear resistance and scuff resistance, and cobalt. Similar tests were conducted on silicon nitride-dispersed nickel-phosphorus plating without silicon nitride. a) Dust (J
Using oil at a temperature of 80°C to which 0.2 g/l of IS2 type was added, it was supplied from the oil hole 4, and the test was carried out while applying a hydraulic pressure of 100 kg/as'' to the stator holder 1 toward the rotor side. The friction speed of the piece 7 was set to 3 to 5 m/sec, and the rotor 5 was rotated until the sliding distance became 100%.The test results are shown in Table 3 below.
【表３】
ｂ）焼付試験
潤滑油は摩耗試験のものと同じものを使用し、ステータ
ホルダ１にはロータ側に向けてまず油圧４０ Ｋｇ／
ａｉ”の押圧力を加え、摩擦速度８ｍ／ｓｅＣでロータ
５を３分間回転させ、次に押圧力を５０Ｋｇ／ｍ”とし
て３分間回転させ、このようにして順次押圧力を１０Ｋ
ｇ／ａｍ”づつ段階的に増加して各々３分間保持し、ロ
ードセル９を介して動歪計１０でトルクＦの変化を記録
し、急激にトルクの増加したときの押圧力から接触面圧
を求めて焼付発生面圧とした。
試験結果を次の表４に示す。[Table 3] b) Seizure test The same lubricant as that used in the wear test was used, and the stator holder 1 was first filled with a hydraulic pressure of 40 kg/kg towards the rotor side.
The rotor 5 was rotated for 3 minutes at a friction speed of 8 m/sec by applying a pressing force of 50 Kg/m'', and then rotated for 3 minutes at a pressing force of 50 Kg/m.
The change in torque F is recorded by the dynamic strain meter 10 via the load cell 9, and the contact surface pressure is calculated from the pressing force when the torque suddenly increases. The test results are shown in Table 4 below.
【表４】
実機試験
次に呼び径Ｘ巾×厚さが、８６ Ｘ １．５ Ｘ ３．
３ｍｍ＃ｌｌ製第−圧カリングに本発明複合めっきを施
し、ボア径８６ｍｍ、４気筒の水冷エンジンに組みつけ
て、高鉛ガソリンを燃料とし６２００ｒｐｍ１００時間
の高速耐久試験を行い、ピストンリング摺動面および鋳
鉄（Ｆｅ１２）製シリンダライナ内周面の摩耗を測定し
た。このピストンリングの複合めっき層組成はコバルト
２５重量％、燐７゜５重量％、窒化珪素の平均粒径０．
８μｍ２０容量％で残りニッケルのものを使用した。
試験結果を第２図に示す、尚、比較例として前記ライダ
ー摩耗試験機で使用したものと同様の方法で得た硬質ク
ロムめっき、モリブデン溶射およびコバルトを含まない
窒化珪素分散ニッケルー燐めつきについても試験を行っ
た。
表３１表４および第２図より本発明のニッケルーコバル
ト−燐複合めっき層は従来のめっき層に比べて、耐摩耗
性、焼付性が優れていることがわかる。また、相手材を
摩耗させることも少なくピストンリングなどの摺動部材
として好適な表面処理層である。[Table 4] Actual machine test Next, the nominal diameter x width x thickness was 86 x 1.5 x 3.
Composite plating of the present invention was applied to a 3mm #ll No. And wear of the inner peripheral surface of a cast iron (Fe12) cylinder liner was measured. The composition of the composite plating layer of this piston ring is 25% by weight of cobalt, 7.5% by weight of phosphorus, and 0.5% by weight of silicon nitride.
8 μm, 20% by volume, and the remaining nickel was used. The test results are shown in Figure 2. As comparative examples, hard chromium plating, molybdenum spraying, and cobalt-free silicon nitride dispersed nickel-phosphorus plating obtained using the same method as that used in the lidar wear tester were also used. The test was conducted. It can be seen from Table 31 and Table 4 and FIG. 2 that the nickel-cobalt-phosphorus composite plating layer of the present invention has superior wear resistance and seizure resistance compared to conventional plating layers. Moreover, the surface treatment layer is suitable for sliding members such as piston rings because it does not cause abrasion of the mating material.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図は、電気めっき法により得られた本発明のピスト
ンリングめっき層断面同
第２図は、実機試験の摩耗結果を示す同第３図、第４図
は、摩耗試験機で
図中１は、ステータホルダ
２は、摺動面
３は、円板
４は、注油孔
５は、ロータ
６は、試験片保持具
７は、試験片
８は、スピンドル
９は、ロードセル
１０は、動歪計Figure 1 shows a cross section of the piston ring plating layer of the present invention obtained by electroplating. Figure 2 shows the wear results of an actual test. stator holder 2, sliding surface 3, disk 4, oiling hole 5, rotor 6, test piece holder 7, test piece 8, spindle 9, load cell 10, dynamic strain meter