JPS62124248A - 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１２１動する二つの
部材の組合ぜに係り、更に詳細には一方の部材が窒化ケ
イ素ホイスカを強化材とする複合材料にて構成され他方
の部材が窒化処理された鋼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愈
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ｍ動面が耐摩耗性に優れ
ていることが強り！！請されるようになってぎた。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Ｒ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ＩＭ維
強化金属複合材料の一つとして、窒化ケイ素ホイスカを
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は既に知られており、かかる繊
随強化金腐複金材料によれば、それらにて構成された部
材の比強度１９耐摩耗性等を向上させることができる。

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さ繊維強化金
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１習ｅするｌＰＩ
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）Ｆｌ動する
二つの部材の組合せであって、その一方の部材がＵ＆紺
強化金属複合材料にて構成され、その他方の部材が窒化
処理された鋼にて構成された部材の組合Ｖ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、本願発明名等が行なった一Ｆ）ホの如き実験
的研究の結果１９られた知見に基き、一方の部材が強度
及び剛性に優れた窒化ケイ素ホイスカを強化材としアル
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、その他方の部材が窒化処理
された鋼にて構成された互いに当接して相対的に活動す
る二つの部材の組合せであって、それら両方の部材の互
いに他に対する活動面に於ける耐摩耗性が改善された二
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ぜにし
て、前記第一の部材の少なくとも前記第二の部材に対す
る活動面部は直径１５０μ以上の非ｍ＃ｉ化粒子の総量
が２ｗｔ％以下であり置体積率が３％以上の窒化ケイ素
ホイスカの集合体を強化材とし、アルミニウム、マグネ
シウム、スズ、銅、鉛、亜鉛、及びそれらの合金よりな
る群より選択された金属をマトリックスとする複合材料
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活動面部は硬さＨｖ（５００）が６
００以上の窒化処理された鋼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、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
に対する贋動面は耐摩耗性に優れており、従ってそれら
両方の部材のイれぞれの摺動面に於（）る摩耗量を最小
限に抑えることができ、しかしその一方の部材は比強度
ｆ＞剛性などにも優れている如き部材の組合Ｕを得るこ
とかできる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、強化材としての窒
化ケイ素ホイスカの体積率は、一方の部材を構成する繊
維強化複合材料の強度及び耐摩耗性を向上させる必要か
ら、３％、好ましくは４％、更に好ましくは５％以上と
される。

本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、窒化ケイ素は
非常に硬いものであり、本願発明者等が行なった実験的
研究の結果によれば、特に直径１５０μ以上の窒化ケイ
素の非繊組化粒子が多聞に複合材料中に含まれている場
合には、複合材料に対し切削等の加工を行なうことが非
常に困難であり、また相手材に対しスカッフィング等の
巽常摩耗を惹起こすので、直径１５０μ以上の窒化ケイ
素の非ｍ維化粒子の総量は窒化ケイ素ホイスカの集合体
の全重量に対し２ｗｔ％以下、好ましくは１ｗｔ％以下
に制限される。

尚本願出願人と同一の出願人の出願にかがる特願昭６０
−４６２９３号明細占及び同じく特願昭６０−９４８８
０号明細占には、それぞれムライト結晶含有アルミナ−
シリカ繊維及び鉱物繊維にて強化された金属よりなる複
合材料と窒化処理された鋼との組合せ及びアルミナ繊維
及びアルミナ−シリカ繊維にて強化された金属よりなる
複合材料と窒化処理された鋼との組合せが記載されてい
る。

本発明による部材の組合Ｕは、例えば自動車用エンジン
のシリンダとピストン、ピストンリングとビス１〜ンの
如く、種々の機械装冒等の部材の組合ぼに対し適用され
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。

１１九二 互いに当接して相対的に摺動ケ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、その他方の部材が窒化処理された鋼にて
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。

直径１５０μ以上の非繊維化粒子の総量が０９６ｗｔ％
となるよう処理された平均ＩＪＩ雑径１μ、平均ｔａ帷
長１００μの窒化ケイ素ホイスカ（タテホ化学工業株式
会社製、９９ｗｔ％以上Ｓ＋３Ｎ４．１ｗｔ％以下不純
物、結晶構造α）をコロイダルシリカ水溶液中に分散し
、該分散液に対し真空成形を行うことにより、窒化ケイ
素ホイスカの成形体を形成し乾燥させることにより、第
１図に示されている如く個々の窒化ケイ素ホイスカ２が
実質的に三次元ランダムにて配向された８０Ｘ８０Ｘ２
Ｑｍｍの繊維成形体１を形成した。

次いで第２図に示されている如り、４ａ維成形体１を鋳
型３のモールドキャビティ内に配置し、該モールドキャ
ビティ内に７３０℃のアルミニウム合金（、）［Ｓ規格
ＡＣ８Ａ）の溶湯５を注渇し、該溶湯を鋳型３に嵌合す
るプランジャ６により１５００ｋｇ／Ｊの圧力に加圧し
、その加圧状態を溶湯が完全に凝固するまで保持し、か
くして第３図に示されている如く外径１１０１１１１１
１、高さ５０ＩＩＩＩ１１の円柱状の凝固体７を鋳造し
、更に該凝固体に対し熱処理ＴＩを施し、該凝固体より
体積率１０％の窒化ケイ素ホイスカを強化ｔ［とじアル
ミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）をマトリックスど
する複合材料１′を切出した。次いでイの複合材料より
大きさが１６Ｘ６Ｘ１Ｑｍｎ＋であり、その−“つの面
（１６Ｘ　１０ｍｍ）を試験面とするブロック試験片を
作成した。

同様にアルミニウム合金ＬＪＩＳ規格ΔＣ８Δ〉のみよ
りなる同一寸法のブロック試験片、及び体積率７％のア
ルミナ−シリカ繊維〈平均繊維径２゜８μ、平均繊維長
３ＩＩＩ１１）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
ク試験片を作成した。

これらの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３５ｍｍ。

内径３０１１１ｍ１幅１０ＩＩｌ１１の窒化処理された
ステンレス鋼又は窒化処理された軸受鋼製の円筒試験片
の外周面と接触させ、それら試験片の接触部に常温（２
０℃）の潤滑油（キャッスルモータオイル５Ｗ−３０＞
を供給しつつ、面圧２０ｋｇ／ｌｌ１ｌｌ１２、すべり
速度０．３１１１．／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。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１に
示す通りであった。

１：試験片の組合せ 注：１）ＪｒＳ規格ＡＣ８Ａ ２）ＪＩＳ規格５ＵＳ４２０Ｊ２ ３）Ｊ　Ｉｓ規格ＳＵＪ　２ ４）４３ｗｔ％Ａｔ　２０ａ　、５２ｗｔ％Ｓ！Ｏｐ上
述の摩耗試験の結果を第４図に示寸。尚第４図に於て、
上半分はブロック試験片の摩耗聞（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ｍ（
摩耗域１ｍｇ）を表しており、記号Ａ。−Ａ５はそれぞ
れ上掲の表１に於ける試験片の組合せＡ　ｏ　”　Ａ　
６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＜Ａｏ）はその摩耗層が非常に大きいのに対し
、強化！！維にて強化されたアルミニウム合金よりなる
ブロック試験片（Ａ＋〜Ａ５）は、鋼の材質や硬さに関
係なくアルミニウム合金のみよりなるブロック試験片（
Ａ）に比べその摩耗聞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、硬さＨｖ
（５０ｇ）が６００以上の場合に摩耗聞が小さく、特に
組合せ八２〜Ａ４の円筒試験片の摩耗機は、比較例の組
合Ｌ’ＡＩ及びＡ５の場合よりも小さいことが解る。

実施例２ 上述の実施例１より、互いに当接して相対的にｍ　！Ｉ
Ｉ　する二つの部材の組合せに於て、その他方の部材が
窒化処理された鋼にて構成されている場合には、鋼の種
類や硬さに拘らず、その一方の部材を構成する複合材料
の強化材は窒化ケイ素ホイスカであることが好ましいこ
とが解ったので、強化材としての窒化ケイ素ホイスカの
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。

直径１５０μ以下の非繊維化粒子の総出が０゜７ｗｔ％
となるよう処理された窒化ケイ素ホイスカ（実施例１と
同じ）が体積率１％、２％、３％、４％、５％、１５％
、２５％にて実質的に三次元ランダムに配向された繊維
成形体を強化材とし、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格Ａ
Ｃ８Ａ）をマトリックスとする複合材料を実施例１の場
合と同一の条件の高圧鋳造にて製造し、それぞれの複合
材料に対しＴｒ熱処理を施した後、それぞれの複合材料
より大きさが１６×６×１０ＩＩＩＩｌであり、その一
つの而（１６Ｘ１０Ｉ１ｍ）を試験面とするブロック試
験片８ｌ−ＢＹを作成した。また比較例としてアルミニ
ウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）のみよりなる同一寸法
のブロック試験片Ｓｏを作成した。

これらの試験片を順次ＬＦＷ摩擦摩耗試験機にセットし
、相手部材である外径３５Ｉｌｆｌ＋１内径３０１１ｆ
ｆｉ、幅１０１１１１の窒化処理されたステンレス鋼（
ＪｒｓＰＡ格５ＵＳ４２０Ｊ２、Ｈｖ　　（５０ａ　）
−８００）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のｒＩＪ滑油（キャッスルモー
タオイル５Ｗ−３０）を供給しつつ、面圧２０ｋｇ／ｍ
１１１２、滑り速度０．３　ｍ／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ＩＦＪ耗試験の結果を第５図に示す。尚第５図に於
て、上半分はブロック試験片の摩耗ｆｆ１（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
摩耗聞く摩耗＠　ｍ　ｍｇ）を表しており、横軸は窒化
ケイ素ホイスカの体積率（％）を表しており、記号Ｂｏ
＝Ｂｙはそれぞれ上述のブロック試験片Ｂｏ〜Ｂ７に対
応している。

この第５図より、ブロック試験片及び円筒試験片の何れ
の摩耗聞の点からも、窒化ケイ素ホイスカの体積率は３
％以上、好ましくは４％以上、更に好ましくは５％以上
であることが望ましいことが解る。

衷１」ＬＬ 窒化ケイ素ホイスカ（実施例１と同じ）の集合体に対し
脱粒処理を施して直径１５０μ以上の非繊維化粒子を除
去し、該窒化ケイ素ホイスカの集合体に非繊維化粒子を
添加することによって直径１５０μ以上の非繊維化粒子
の総量がそれぞれ７゜Ｑｗｔ％、５．Ｑｗｔ％、３．Ｑ
ｗｔ％、２．Ｑｗｔ％、１、Ｑｗｔ％、０，５ｗｔ％で
ある窒化ケイ素ホイスカの集合体Ｃ１〜Ｃ６を形成した
。次いでこれらの集合体を用いて行われる上述の実施例
１の場合と同一の要領及び条件の高圧Ｕ造により、体積
率２０％の窒化ケイ素ホイスカを強化材としアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ規格八ＣへＡ）をマトリックスとする複
合材料Ｃ！・−Ｃ６を製造し、各？（金材料より８０Ｘ
８０Ｘ２０＋１１１１の切削試験片を形成した。

かくして形成された各試験片を超硬バイトを用いて切削
速度１５０　ｎ＋／ｍｉｎ　、送り速＋ｆｆ０．０３１
１／回転、クーラント水にて一定間の切削を行い、その
場合の超硬バイトの逃げ面の摩耗ｌ（＋ＩＩＩｎ）を測
定した。この切削試験の結果を第６図に示す。

第６図より、直径１５０μ以上の非繊維化粒子が比較的
多Ｍに含まれる窒化ケイ素ホイスカの集合体を強化材と
する複合材料０１〜Ｃ３は他の複合材料に比して被削性
が著しく悪く、従って被削性に優れた複合材料とフるた
めには、直径１５０μ以上の非繊維化粒子の総量は２ｗ
ｔ％以下、更には１ｗｔ％以下に抑υｊされる必要があ
ることが解る。

１ｍ 直径１５０μ以上の非繊維化粒子の総量が０゜５ｗｔ％
となるよう脱粒処理された窒化ケイ素ホイスカ（実施例
１と同じ）が体積率１０％にて実質的に３次元ランダム
に配向された繊維成形体を強化材とし、マグネシウム合
金（Ｊ■Ｓ規格ＭＯＣＩ−Ａ）、亜１合金（Ｊ■Ｓ規格
ＺＯＣ１）　、鉛白８　（Ｊ　ｌ５Ｉｅ＆ＷＪ８）、ス
ズ合金（Ｊ　ＩＳＩ格ＷＪ２）をマトリックス金属とす
る複合材ｒ１を、高圧鋳造法（それぞれ湯温６９０℃、
５００℃、４１０℃、３３０℃、溶湯に対する加圧力１
０００　ｋ（１／　［２）にて製造し、各複合材料より
実施例１と同一寸法のブロック試験片Ｄ１〜Ｇ＋を形成
した。更に比較の目的でそれぞれ対応する合金のみより
なる同一寸法のブロック試験１’＋’　Ｄ　ｏ〜Ｇｏを
形成した。

また上述の窒化ケイ素ホイスカと銅合金（ＧＯ−１Ｑｗ
ｔ％Ｓｎ）粉末とを秤吊し、これに少日のエタノールを
添加してスターラーにて約３０分間混合した。かくして
得られた混合物を８０℃にて５時間乾燥した後、金型内
に所定分の混合物を充填し、その混合物をパンチにて４
０００ｋｇ／１．２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炉にて各板状体を７
７０℃にて３０分間加熱Ｊ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、窒化ケイ素ホ
イスカの体積率が５％であり、直径１５０μ以上の非繊
維化粒子の総量が０．５ｗｔ％である窒化ケイ素ホイス
カを強化材とし銅合金をマトリックスとする複合材料を
製造し、この複合材料よりブロック試験片１−１＋を形
成した。更に比較の目的でＣｕ−１０ｗｔ％Ｓｎ粉末の
みを焼結させることにより同一寸法のブロック試験片Ｈ
ｏを形成した。

次いでこれらのブロック試験片について窒化処理された
ステンレス鋼ＣＪＩＳＭ格５ＬＪＳ４２０Ｊ２、Ｈｖ　
　（５０ｇ＞−８００）製の円筒試験片を相手材として
実施例１の場合と同一の条件（但しブロック試験片Ｅａ
　−Ｇｏ　、Ｅ　Ｉ”Ｇ＋につぃては面圧５ｋｇ／ｌ１
ｍ２、試験時間３０分間）にて摩擦摩耗試験を行った。

この摩耗試験の結果を下記の表２に示す。同表２に於て
、ブロック試験片の１ｆ耗聞比率とはそれぞれブロック
試験片Ｄｏ＝ＨＯの摩耗量（磨耗根深さｌｌ１ｌ）に対
するブロック試験片Ｄ１〜１−１１の摩耗量（摩耗根深
さｍｍ）の百分率を意味し、円筒試験片の摩耗量とはブ
ロック試験片Ｄ＋〜Ｎ　＋　とＨ１６された円筒試験片
の摩耗ｍ（摩耗域」−ｇ）を意味する。尚ブロック試験
片ＤＯ及びＨａと摩擦された円筒試験片の摩耗量はそれ
ぞれ０．２１（＋、０．３ｕであり、ブロック試験片Ｅ
ｏ”Ｇｏと摩擦された円筒試験片の摩耗量は測定不可能
なほど小さく実質的に０であった。

ｕ 表２より窒化ケイ素ホイスカにより銅合金、マグネシウ
ム合金、亜鉛合金、鉛合金、スズ合金を強化すれば、相
手材の摩耗量を実質的に増大さＵることなくそれらの合
金の摩耗ｍを大幅に低減し得ることが解る。

上述の各実施例の結果より、ｎいに当接して相対的に潜
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
部材が窒化処理された鋼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直径１５０μ以上の非繊維化粒子の
総量が２ｗｔ％以下であり且体積率が３％以上の窒化ケ
イ素ホイスカを強化材とし、アルミニウム、マグネシウ
ム、スズ、銅、鉛、佃鉛、及びそ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する
複合材料であることが好ましく、また前記他方の部材を
構成する窒化処理された鋼は硬さＨＶ　　（５０（＋　
）が６００以上の鋼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、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、木ブを明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業占にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は実質的に三次元ランダムにて配向された窒化グ
イ索ホイスカよりなる繊維成形体を示丈斜視図、第２図
は高圧ｖＩ造法による複合材料の製造工程を示す解団、
第３図は第２図の高圧鋳造により形成された凝固体を示
ず斜視図、第４図は神々の繊維強化金属複合材料と鋼と
の組合せについて行われた実施例１の摩耗試験の結果を
示すグラフ、第５図は窒化ケイ素ホイスカの体積率をパ
ラメータとして行われた実施例２の摩耗試験の結果を示
すグラフ、第６図は窒化ケイ素ホイスカの集合体中に含
まれる直径１５０μ以上の非繊維化粒子の総量をパラメ
ータとして行われた実施例３の切削試験の結果を示すグ
ラフである。 １・・・繊維成形体、１′・・・複合材料、２・・・窒
化ケイ素ホイスカ、３・・・鋳型、４・・・モールドキ
ャビティ、５・・・溶湯、６・・・プランジｔ、７・・
・凝固体特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社
代　　　理　　　人　　弁理士　　明石　昌毅第１図　
　　第３図 第２図 第　６　区

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直径１５０μ以上の非繊
   維化粒子の総量が２ｗｔ％以下であり且体積率が３％以
   上の窒化ケイ素ホイスカの集合体を強化材とし、アルミ
   ニウム、マグネシウム、スズ、銅、鉛、亜鉛、及びそれ
   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
   マトリックスとす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
   部は硬さＨｖ（５０ｇ）が６００以上の窒化処理された
   鋼にて構成されていることを特徴とする部材の組合せ。