JPS61174343A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材
の組合せに係り、更に詳細には一方の部材が鉱物繊維を
強化材とする複合材料にて構成され他方の部材が鋳鉄に
て構成された二つの部材の組合せに係る。

従来の技術 各種機械の構成要素や部材に於ては、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、本願出願人
と同一の出願人の出願にかかる特願昭５９−２１９０９
１号に於て、鉱物４ＩＮを強化材としアルミニウム合金
などをマトリックスとする繊維強化金属複合材料が既に
提案されており、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、またアルミナ繊維等を強化材とす
る複合材料に比して遥かに低廉な複合材料を得ることが
できる。

発明が解決しようとする問題点 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繊維強化金
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
っ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摩耗
量を最小限に抑えるためには、それらの材質及び性質の
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、それぞれ特定の特徴を
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繊
維等に比して遥かに低廉な鉱物繊維を強化材としアルミ
ニウム合金の如き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
摺動面に於ける摩耗特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。

問題点を解決するための手段 上述の如き目的は、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す
る別動面部はＳｆＯｇ、ＣａＯ１ＡＩ２ｈａを主成分と
しＭｇＯ含有量が１０ｗｔ％以下でありｌ”ｅ　ｔ　Ｏ
＋含有量が５ｗｔ％以下でありその他の無機物含有量が
ｉｏｗｔ％以下である鉱物繊維であってその繊維集合体
中に含まれる非繊維化粒子の総量及び粒径１５０μ以上
の非繊維化粒子含有量がそれぞれ２０ｗｔ％以下、７冑
【％以下である鉱物繊維を強化材とし、アルミニウム、
マグネシウム、スズ、銅、鉛、亜鉛、及びこれらを主成
分とする合金よりなる群より選択された金属をマトリッ
クスとし、鉱物繊維の体積率が４〜２５％である複合材
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鋳鉄にて構成されてい
ることを特徴とする部材の組合せによって達成される。

発明の作用及び効果 本発明によれば、第一の部材の摺動面部を構成する複合
材料に於ては、アルミノ−繊維等に比して遥かに低廉で
ありマトリックス金属の溶渇との濡れ性がよく溶澗との
反応による劣化が少ない鉱物繊維により体積率４〜２５
％にてマトリックス金属が強化され、また鉱物繊維の集
合体中に含まれる非繊維化粒子の総量及び粒径１５０μ
以上の非繊維化粒子含有量がそれぞれ２Ｑｗｔ％以下、
７ｗｔ％以下に制限され、第二の部材の摺動面部は遊離
黒鉛を含み自己１１！１清性に優れた鋳鉄にて構成され
るので、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高温強度の如き機
械的性質にも優れた部材の組合せを得ることができる。

鉱物繊維は岩石を溶融して繊維化することにより形成さ
れるロックウール（ロックファイバー）、製鉄スラグを
繊維化することにより形成されるスラグウール（スラグ
ファイバー）、岩石とスラグとの混合物を溶融して繊維
化することにより形成されるミネラルウール（ミネラル
ファイバー）などの人工繊維を総称したものであり、一
般に３５〜５０Ｗ【％Ｓｉ　０２．２０〜４０ｗｔ％Ｃ
ａＯ１１０〜２０ｗｔ％Ａｌ　２０ｓ　、３〜７ｗｔ％
Ｍ！；ｌ　０．１〜５ｗｔ％Ｆｅ２Ｏ３，０〜１０ｗｔ
％ソノ他ノｍｍ物なる組成を有している。

かかる鉱物繊維は一般にスピニング法の如き方法にて製
造されており、かかる方法による鉱物繊維の製造に於て
は繊維と共に不可避的に非繊維化粒子が生成する。かか
る非繊維化粒子は非常に硬く旦繊帷径に比して遥かに大
きく、そのため複合材料の加工性を悪化し、複合材料の
強度向上を阻害し、複合材料に当接して相対的に摺動す
る相手部材を過剰に摩耗したり、更には非繊維化粒子が
マトリックスより脱落することにより相手部材にスカッ
フィング等の弊害を発生させる要因となる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、上述
の如き弊害は非繊維化粒子の粒径が１５０μ以上の場合
に特に顕著であり、鉱物繊維の集合体中に含まれる非繊
維化粒子の総量は２０ｗ（％以下、好ましくは１０ｗｔ
％以下に抑えられなければならず、また粒径１５０μ以
上の非繊維化粒子の含有潰は７ｗｔ％以下、好ましくは
２ｗｔ％以下に抑えられなければならない。

またアルミナ繊維等を強化繊維とする複合材料の場合に
は、強化繊維の体積率が０．５％程度であっても十分な
耐摩耗性を確保することができるが、繊維自身の強度及
び硬度がアルミナ繊維等に比して低い鉱物ｓｔｅｗを強
化繊維とする場合には、本願発明者等が行った実験的研
究の結果によれば、鉱物繊維の体積率が４％以上、好ま
しくは５％以上にされなければ、複合材料の強度、耐摩
耗性、相手部材に対する摩擦摩耗特性を良好にすること
が困難である。またアルミナ繊維等を強化１１ＡＮとす
る複合材料に於ては、強化１１Ｍの体積率が増大するに
つれて複合材料の強度が向上する。しかし鉱物繊維を強
化繊維とする複合材料に於ては、本願発明者等が行った
実験的研究の結果によれば、鉱物繊維の体積率が２０％
以上、特に２５％以上になると鉱物繊維の体積率の増大
につれて複合材料の強度が急激に低下する。従って鉱物
繊維の体積率は４〜２５％の範囲に、好ましくは５〜２
０％の範囲に維持されなければならない。

更に鉱物繊維の構成材料たる鉱物の溶融状態に於ける粘
性が比較的小さく、また鉱物繊維がアルミナ繊維紐等に
比して比較的脆弱であることから、鉱物繊維は繊維径１
〜１０μ、繊維長１０μ〜約１０ｃｍ程度の短繊維（不
連続繊維）の形態にて製造されている。従って低置な鉱
物ｍ帷の入手性を考慮すれば、本発明の複合材料に於て
使用される鉱物繊維の平均繊維径は２〜８μ程度であり
、平均繊維長は２０μ〜５ｃｍ程度であることが好まし
い。また複合材料の製造方法を考慮すると、鉱物繊維の
平均繊維長は加圧鋳造法の場合には１００μ〜５Ｃ−程
度、粉末冶金法の場合には２０μ〜２１１１Ｉｌ程度で
あることが好ましい。

尚本発明による部材の組合せは、例えば自動車用エンジ
ンのシリンダとピストン、ピストンリングとピストンの
如（、種々の機械装置等の部材の組合せに対し適用され
てよい。

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。

実施例１ 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ｌａＮ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にて構成された
部材の組合せに於て、それぞれの部材の材質や性質が如
何なるものであるのが適切であるかについての摩耗試験
を行なった。

下記の表１に示された日東紡績株式会社製の鉱物繊維を
強化材とし、アルミニウム合金ＬＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）
をマトリックスとする複合材料を高圧鋳造法（溶湯温度
７４０℃、溶湯に対する加圧力１５００ｋＯ／ａｍ’）
にて製造し、その複合材料に対しＴｖ処理を施した後、
その複合材料より大きさが１６Ｘ６Ｘ１０ｉ＋ｍであり
、その一つの面（１６ｘ１０ｓｖ）を試験面とするブロ
ック試験片Ｂを作成した。同様にアルミニウム合金（Ｊ
ＩＳ規格ＡＣ８Ａ）のみよりなる同一寸法の比較例とし
てのブロック試験片Ａ１下記の表２に示された日東紡績
株式会社製の鉱物繊維を強化材としアルミニウム合金を
マトリックスとする複合材料にて形成された同一寸法の
ブロック試験片Ｃ１アルミナ繊Ｍ（ＩＯ１株式会社製ア
ルミナ繊維「サフイル」、平均繊維長５ｉｍ＋、繊維径
２〜３μ）を強化材としアルミニウム合金をマトリック
スとする複合材料（アルミナ繊維の体積率５％）より形
成された同一寸法のブロック試験片Ｄ、下記の表３に示
されたＪ　ｉｓ　　Ｗａｌｔｅｒ　Ｒｅ５ｏｕｒｃｅｓ
社製の鉱物繊維を強化材としアルミニウム合金をマトリ
ックスとする複合材料にて形成された同一寸法のブロッ
ク試験片Ｅ１下記の表４に示された日東紡績株式会社製
の鉱物繊維を強化材としマグネシウム合金をマトリック
スとする複合材料にて形成された同一寸法のブロック試
験片Ｆを作成した（尚ブロック試験片Ｆの複合材料を製
造する際の溶湯の温度は７００℃であった）。

また鉱物繊維の体積率が４．０ｗｔ％になるよう、下記
の表３に示されたＪ　ｉｓ　　Ｗａｌｔｅｒ　Ｒｅ５ｏ
ｕｒｃｅｓ社製の鉱物ｍ維と銅合金（ＧＯ−１０ｗｔ％
ｓｎ＞粉末とを秤量し、これに少量のエタノールを添加
してスターラーにて約３０分間部合した。かくして得ら
れた混合物を８０℃にて５時間乾燥した後、横断面の寸
法が１６．５Ｘ１０．５ｍｓのキャピテイを有する金型
内に所定量の混合物を充填し、その混合物をパンチにて
４０００ｋＭＪの圧力にて圧縮することにより板状に成
形した。次いで分解アンモニアガス（露点−３０℃）雰
囲気に設定されたバッチ型焼結路にて各板状体を７７０
℃にて３０分間加熱することにより焼結し、焼結炉内の
冷却ゾーンにて徐冷することにより複合材料を製造した
。次いでかくして製造された複合材料よりブロック試験
片Ａなどと同一寸法のブロック試験片Ｇを作成した。

次いで各ブロック試験片を順次ＬＦＷ摩擦摩耗試験機に
セットし、相手部材である外径３５１Ｌ内径３０１ｍ、
　＠　１０ｍｓの球状黒鉛鋳鉄ＣＪＩＳＭ格ＦＣＣ７０
）又は低合金片状黒鉛鋳鉄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常温（２５℃）の潤滑
油（キャッスルモータオイル５　Ｗ　−３０）を供給し
つつ、面圧２０　ｋａ／１Ｉ１２、すべり速度０．３ｍ
／ｓｅａにて円筒試験片を１時間回転させる摩耗試験を
行なった。尚この摩耗試験に於けるブロック試験片と円
筒試験片との組合せは下記の表５に示す通りであった。

注：１）９１８Ｍ４格ＡＣ８Ａ ２）９５ｗｔ％Ａｌ　　２　０＋　　、　５ｗｔ％Ｓｆ
Ｏ！３）ＪＩＳ規格ＭＤＣ１−Ａ ４）Ｃｕ−１０ｗｔ％Ｓｎ 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ｆ
ｆ１（ＩＩ耗減ｆｌ１ｍｏ＞を表しており、記号Ａ−Ｇ
はそれぞれ上場の表５に於ける試験片の組合せＡ−Ｇ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（Ａ＞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ブロック試験片（Ｂ−Ｇ）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（
Ａ）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。

Ｅ−Ｇの円筒試験片の摩耗■は、組合せＡ、Ｄの場合よ
りも小さいことが解る。従ってこの摩耗試験の結果より
、鉱物１１Ｍはアルミナ繊維に比して相手攻撃性が遥か
に小さく、鋳鉄にて構成された部材と互いに当接して相
対的に摺動する複合材料製部材の強化１ｉＡ１１１とし
て優れており、またそれ自身の耐摩耗性が比較的乏しい
マグネシウム合金がマトリックスである場合には、マト
リックスがアルミニウム合金等の場合に比して鉱物繊維
の体積率が僅かに高目に設定されることが好ましいこと
が解る。

またこの実施例の摩耗試験と同様の摩耗試験を、マトリ
ックスがスズ合金、鉛合金、亜鉛合金である点を除き同
様に形成された複合材料より切出されたブロック試験片
についても行なったところ、＃１１図に示す結果と実質
的に同様の試験結果を得た。

実施例２ 上述の実施例１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に於て、その他方の部材が鋳鉄にて
構成されている場合には、マトリックス金属及び鋳鉄の
種類に拘らず、その一方の部材を構成する複合材料の強
化繊維としては鉱物ｌｌＮが適していることが解ったの
で、強化繊維としての鉱物繊維の体積率が如何なる値で
あることが適切であるかについての摩耗試験を行なった
。

まず上述の実施例１と同様の要領にて下記の表６に示す
鉱物繊維の成形体Ｈ１−８７を作成し、それらの鉱物繊
維成形体を強化材としアルミニウム合金（ＪＩＳ規格Ａ
Ｃ８Ａ）をマトリックス金属とする複合材料を高圧鋳造
法（溶潟温度７４０℃、溶湯に対する加圧力１５００ｋ
（Ｊ／Ｊ）にて製造した。尚使用された鉱物繊維は平均
繊維径５μの鉱物ｍ雑（Ｊ　ｉｓ　　Ｗａｉｔｅｒ　　
Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ社製ｒＰＭＦＪ　）であり、繊維成
形体Ｈ重及びＨ２、Ｈ！ｌ〜１−１ｓ、Ｈａ及びＨ７の
繊維の平均繊維長はそれぞれ２Ｉ１ｍ、２００μ、１０
０μであった。

表　　６ 繊維　体積率　　　粒子量　　バインダー量成形体　％
　　　　　ｗｔ％　　ｖｏ１％（ｗｔ％）？−（＋　　
　２．８　　６．１　　（０，４）　　１３．４（１０
，６）Ｈｅ　　　３，９　　６．１　　（０，４）　　
１３．７（１０，８）Ｈｓ　　　１０．１　　６．１　
　（０，４）　　１３．７（１０，８）Ｈ４１５，２６
，１（０，４）　　１３．４（１０，６）ト！＋　　　
　　　１５．２　　　　　　６．１　　　（０，４）　
　　　　１３．５（１０，７）Ｈｅ　　　２４．９　　
６．１　　（０，４）　　１３．３（１０，５）Ｈｙ　
　　２８，１　　６．１　　（０，４）　　１３．５（
１０，７＞注：カッコ内は粒径１５０μｌ１ｌＩＸ上の
非繊維化粒子含有量 次いでかくして製造された各複合材料より大きさが１５
．７Ｘ６．３５Ｘ１０．１６＋＋＋＋ｅであり、その一
つの而（１５，７Ｘ６．３５ｅｍ）を試験面とするブロ
ック試験片Ｈ１〜Ｈｙを作成した。また比較の目的でア
ルミニウム合金（ＪＩＳ規格八〇へＡ）のみよりなる同
一寸法のブロック試験片Ｈｏを作成した。

これらの１０ツク試験片を順次ＬＦＷ摩擦摩耗試験機に
セットし、相手部材である外径３５ｍｍ、内径３０１１
１１）幅１０１１Ｉｌの球状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ規格ＦＣ
Ｄ７０）製の円筒試験片の外周面と接触させ、それらの
試験片の接触部に常温（２５℃）の潤滑油（キャッスル
モーターオイル５Ｗ−３０）を供給しつつ、接触面圧２
０　ｋｇ／Ｉｍ’　、滑り速度Ｑ、　３　１／Ｓｅｃに
て円筒試験片を１時間回転させる摩耗試験を行なった。

この摩耗試験の結果を第２図に示す。尚第２図に於て、
上半分はブロック試験片の摩耗１（摩耗痕深さμ）を表
しており、下半分は相手部材である円筒試験片の摩耗量
（１耗減ｆｆｉ　ｒａａ　）を表しており、横軸は鉱物
ＭＡＨの体積率（％）を表している。

この第２図より、鉱物繊維の体積率がＯ〜約４％の範囲
に於ては、鉱物繊維の体積率の増大と共にブロック試験
片及び円筒試験片の摩耗量が著しく低下し、鉱物繊維の
体積率が約５％以上に於てはブロック試験片及び円筒試
験片の摩耗量は鉱物繊維の体積率の値に拘らず実質的に
一定であることが解る。このことから鉱物繊維の体積率
は４％以上、好ましくは５％以上であることが望ましい
ことが解る。

尚この実施例の摩耗試験と同様の摩耗試験を下記の表１
、表２、表４に示されている如き日東紡績株式会社製の
鉱物繊維を強化８１１１とする複合材料より切出された
ブロック試験片について、またマトリックスが銅合金、
スズ合金、鉛合金、亜鉛合金である点を除き上述の実施
例と同様に形成された複合材料より切出されたブロック
試験片についても行なったところ、第２図に示す結果と
実質的に同様の傾向を示す結果を得た。

上述の各実施例の結果より、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
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繊維強化金属複合
材料は５ｉＯｔ　、　Ｃａ　ＯＳＡ　ｌ　ｔ　Ｏｓを主
成分としＭｇｏ含有量がｉＱｗｔ％以下でありＦｅ２Ｏ
３含有量が５ｗｔ％以下でありその他の無機物含有量が
！Ｏｗｔ％以下である鉱物繊維であって、その繊維集合
体中に含まれる非繊維化粒子゛の総量及び粒径１５０μ
以上の非繊維化粒子含有量がそれぞれ２０ｗｔ％以下、
７ｗｔ％以下である鉱物繊維を強化材とし、アルミニウ
ム、マグネシウム、スズ、銅、鉛、亜鉛、及びこれらを
主成分とする合金よりなる群より選択された。金属をマ
トリックスとし、鉱物繊維の体積率が４〜２５％である
複合材料であることが好ましく、また前記他方の部材を
構成する鋳鉄は球状黒鉛鋳鉄であることが好ましいこと
が解る。

以上に於ては本発明を特定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、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は種々のｌＩＭ強化複合材料と鋳鉄との組合せに
ついて行なわれた実施例１の摩耗試験の結果を示すグラ
フ、第２図は鉱物繊維の体積率をパラメータとして行な
われた実施例２の摩耗試験の結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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ＳｉＯ＿２、ＣａＯ、Ａ
   ｌ＿２Ｏ＿３を主成分としＭｇＯ含有量が１０ｗｔ％以
   下でありＦｅ＿２Ｏ＿３含有量が５ｗｔ％以下でありそ
   の他の無機物含有量が１０ｗｔ％以下である鉱物繊維で
   あってその繊維集合体中に含まれる非繊維化粒子の総量
   及び粒径１５０μ以上の非繊維化粒子含有量がそれぞれ
   ２０ｗｔ％以下、７ｗｔ％以下である鉱物繊維を強化材
   とし、アルミニウム、マグネシウム、スズ、銅、鉛、亜
   鉛、及びこれらを主成分とする合金よりなる群より選択
   された金属をマトリックスとし、鉱物繊維の体積率が４
   〜２５％であ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
   鋳鉄にて構成されていることを特徴とする部材の組合せ
   。