JPH0286946A

JPH0286946A - 摺動表面層の組合せ

Info

Publication number: JPH0286946A
Application number: JP23816588A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shinada; 品田　学
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1988-09-22
Filing date: 1988-09-22
Publication date: 1990-03-27

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】イ、産業上の利用分野本発明は、摺動表面層の組合せに関し、例えば内燃機関
のピストンリング表面層とシリンダ表面層との組合せに
関する。

口、従来技術近年、内燃機関はその高出力化のために、高圧縮比、高
速回転が図られ、これに伴って例えばピストンリングや
シリンダライナ等の摺動部品は高温に曝されて潤滑油膜
が薄くなり、金属接触の機会が多くなって異常摩耗や甚
だしくは焼付を起こすことがある。そのため、これらの
摺動部品には、従来に増して一層の耐摩耗性、耐焼付性
が要求されるようになってきている。

これら摺動部品に耐摩耗性を付与するために、古くから
摺動部品に硬質クロムめっきを施すことが行われている
。硬質クロムめっき層は硬度が高く、それ自身の摩耗、
相手摺動部品の摩耗共に少なく、優れた耐摩耗性を備え
てはいるが、保油性がないために摺動中に焼付を起こし
易いという問題点を有している。特に、硬質クロムめっ
き層同士の組合せでは焼付が甚だしい。

耐焼付性の改善された表面層として、硬質クロムめっき
層に替えてニッケルめっき層の採用が考えられるが、ニ
ッケルめっき層の耐摩耗性は満足し得るものではない。

そこで、近年、耐摩耗性を改善しためっき層として、ニ
ッケル基地中に耐摩耗粒子、例えば炭化珪素粒子を分散
させてなる複合めっき層が注目されるようになってきて
いる。

上記複合めっき層の耐摩耗性を改善しようとして耐摩耗
粒子の分散量を増加してい（と、相手摺動部材を摩耗さ
せるようになる上に、めっき層の機械的強度が弱くなる
。他方、上記複合めっき層のニッケル基地中に燐を含有
させ、熱処理によってめっき層の硬度を高め、耐摩耗性
を改善すると共に耐蝕性を改善することが考えられるが
、耐摩耗性改善のために燐含有量を増加させていくと、
基地を脆化させてめっき層の機械的強度、とりわけ衝撃
強度が低下するようになる。これらのようにめっき層の
機械的強度が低下すると、内燃機関の運転中にめっき層
が局部的に剥離するようになり、この剥離部分がアブレ
イシブ材となって却って摩耗が進行するようになる。

シリンダの材料には鋳鉄が広く採用されているが、最近
、内燃機関の軽量化及びこれによる燃費低減の要請から
、アルミニウム合金製のシリンダが注目されるようにな
ってきている。アルミニウム合金は、鋳鉄に較べて摩耗
し易いため、アルミニウム合金製シリンダには、摺動面
に鋳鉄製シリンダスリーブを嵌め込んだものが使用され
ている。

この方法では、原価高となる上に、軽量化が充分には達
成されず、燃費の低減も充分ではない。それで、アルミ
ニウム合金製シリンダの内周面に、ピストンリングと同
様に炭化珪素粒子を分散させたニッケル複合めっき層を
形成したものが提案されている。

このニッケル複合めっき層は、炭化珪素粒子がハードス
ポット（第一摺動面と呼ばれる。）を形成し、ニッケル
の基地が僅か摩耗して凹部（第二摺動面と呼ばれる。）
を形成し、この第二摺動面によって保油性が付与されて
耐摩耗性を改善する。

ところが、炭化珪素は極めて硬質でかつ結晶の端部が鋭
利なため、摺動によって相手材のピストンリングを摩耗
させるという欠点がある。例えば、外周面Ｇご硬質クロ
ムめっき層又は窒化層を設けたピストンリングと組合せ
て使用した場合、ピストンリングを摩耗させる。また、
シリンダと同様の炭化珪素分散ニッケルめっきを施した
ピストンリングと組合せて使用した場合、焼付が発生し
易い。

このように、ピストンリング、シリンダ双方共摩耗が少
なくかつ焼付を起こし難い表面層の組合せが望まれるの
であるが、現在迄のところ、この要請に応える好ましい
表面層の組合せは見出されていない。

ハ１発明の目的本発明は、苛酷な摺動条件下にあっても、互いに摺動す
る摺動表面層の双方共摩耗が少なくかつ焼付を起こし難
い、摺動表面層の組合せを提供することを目的としてい
る。

二０発明の構成本発明は、２〜１５重量％燐、１０〜４０重量％コバル
ト、残部が実質的にニッケルからなる合金基地中に平均
粒径０．５〜１０μｍの窒化珪素粒子が５〜４０容積％
分散した第一の表面層と、２〜１５重量％燐、１０〜４
０重量％コバルト、残部が実質的にニッケルからなる合
金基地中に平均粒径０．５〜１０μｍの窒化珪素粒子が
５〜３０容積％分散した第二の表面層とが互いに摺動す
る、摺動表面層の組合せに係る。

水１発明の作用効果潤滑材として作用する黒鉛を組織中に含有する鋳鉄以外
では、一般に同種の材料を組合せて摺動させると、摩耗
や焼付が甚だしくなるものである。

ところが、本発明に基づく表面層の組合せでは、同種の
組成の表面層の組合せであるにも拘らず、耐摩耗性、耐
焼付性が極めて良好である。

以下、表面層を構成する基地及びこの基地中に分散させ
る分散粒子について説明する。

ニッケルは、後述するように、窒化珪素粒子と共にＮｉ
３Ｓｉを生成し、更に燐と共にＮｉ１Ｐを生成し、耐摩
耗性、耐焼付性に寄与する。

コバルトはニッケル中に固溶して硬度を上げ、耐摩耗性
、耐焼付性を改善すると共に表面層の圧壊強度及び疲労
強度を向上させる。基地中のコバルト含有量が１０重量
％以上で上記の効果が顕著になる。また上記コバルト含
有量が４０重量％を超えると相対的にニッケル含有量が
少なくなって、後述するＮｉ、Ｓｉ及びＮＬ、Ｐの生成
量が少なく表面層の機械的強度が十分には改善されず、
その結果、耐摩耗性、耐焼付性改善の効果が不十分にな
る。従って基地中のコバルト含有量は４０重量％以下と
する。

燐は、熱処理によって基地の硬度を上げて耐摩耗性、耐
焼付性改善に寄与する。即ち、ニッケルと燐とが反応し
て基地中にＮｉ３Ｐの相が生成し、時効硬化に於ける析
出相による機械的強度改善に類似したメカニズムによっ
て基地の硬度を上げ、これによって耐摩耗性改善に寄与
する。かくして基地の硬度は６５０〜８００ＨＭＶに上
昇し、後述する窒化珪素粒子による耐摩耗性改善や炭化
珪素繊維の機械的強度改善による耐摩耗性、耐焼付性改
善に加えて耐摩耗性、耐焼付性が更に改善される。

但し、この表面層と組合せる相手摺動表面層の窒化珪素
分散量は、５〜３０容積％とする。両表面層の窒化珪素
粒子分散量が共に３０容積％を超えると両表面層の摩耗
が増大する。熱処理は４００℃に加熱の熱処理で良い。

基地中の燐含有量が２重量％未満では上記の効果が顕著
ではなく、これが１５重量％を超えると基地が脆くなっ
て表面層の衝撃強度や母材への被着性が悪（なり、その
結果、耐摩耗性、耐焼付性も劣化する。

窒化珪素粒子は基地中に分散してハードスポットを形成
し、耐摩耗性、耐焼付性改善に寄与する。

然し、炭化珪素のような鋭い端面を持たず、相手摺動面
を摩耗させる作用は少ない。その粒径は、０．５μｍ未
満では微細過ぎて耐摩耗性、耐焼付性改善の効果が顕著
ではなく、これが１０，１７ｍを超えて大きくなるとこ
の粒子がアブレイシブ材として作用し、却って互いに摺
動相手材の摩耗が進行するようになる。また粒子の分散
量は、５容積％未満では耐摩耗性、耐焼付性改善の効果
が顕著ではなく、これが４０容積％を超えると表面層の
機械的強度が低下して却って耐摩耗性が劣化するように
なる。従って、基地中に粒径０．５〜１０μｍの窒化珪
素粒子を５〜４０容積％分散させる。窒化珪素の粒子を
基地中に分散させると、４００”ｃ加熱の熱処理を施す
ことによって粒子表面にＮｉ、Ｓｉが生成して基地と粒
子との接着効果が顕れ、表面層の機械的強度が一層改善
される。加熱温度が高過ぎると前記の接着効果が低減す
る。例えば６００℃に４分間加熱すると窒化珪素粒子の
略全量がＮＬ３Ｓｉになってしまう。また窒化珪素の粒
子による前記の耐摩耗性、耐焼付性改善の効果もなくな
ってしまう。

へ、実施例以下、本発明の詳細な説明する。

ピストンリング用材料として使用されている合金工具鋼
鋼材５ＫＤ６１から断面５　Ｍ　Ｘ　５　＋ｕの角柱状
試料を採取し、試料の正方形端面にニッケルのストライ
クめっき層を介して厚さ１００μｍのめっき層を形成し
、４００℃に５時間加熱の熱処理を施してからめっき層
表面を研磨仕上げし、試験片とした。

めっき浴としては、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、硫酸
コバルト、次亜燐酸ソーダ及び硼酸からなる水溶液（め
っき液）に窒化珪素粉末を懸濁させためっき浴を使用し
、これらの配合量及び窒化珪素粉末の粒径を変化させて
めっき層の組成及び組織を変化させた。

めっき浴の温度は５０〜５３℃、電流密度は８Ａ／ｄｔ
Ｊ、めっき時間は２．５時間、めっき浴のｐ　Ｈは浴組
成に応じて２．０〜３．０の間の所定の値とした。

これら試験片に対する摺動相手材としては、シリンダ用
アルミニウム合金Ａ３９０の円板（直径８０ｎ１厚さ１
０ｆｉ）の表面に上記と同様にして次のようなめっき層
を形成させ、研磨仕上げを施した。

このめっき層は、３０重量％コバルト、５重量％燐、残
部が実質的にニッケルからなる基地中に、平均粒径０．
８μｍの窒化珪素粒子が２０容積％分散した組織のめっ
き層である。

上記角柱試験片と円板試験片とを互いに摺動させ、焼付
試験及び摩耗試験を行った。試験方法は次の通りである
。

塊仕拭鍍試験装置は第９図及び第９図のＸ−Ｘ線に沿う矢視側面
図である第１０図に概要を図解的に示すものであって、
ステータホルダ１に取外し可能に取付けられた前記円板
試験片２の中央には裏側から注油孔３を通じて潤滑油が
注油される。ステータホルダ１には図示しない油圧装置
によって図に於いて右方へ向けて所定圧力で押圧力Ｐが
作用するようにしである。円板試験片２に相対向してロ
ータ４があり、図示しない駆動装置によって所定速度で
回転するようにしである。ロータ４の円板試験片２に対
する端面に取付けられた試験片保持具４ａには正方形端
面を摺動面として角柱試験片５が同心円上に等間隔に４
個取外し可能に、かつ円板試験片２に対して摺動自在に
取付けである。

このような装置において、ステータ１に所定の押圧力Ｐ
をかけ、所定の面圧で円板試験片２の表面層（めっき層
）２ａと角柱試験片５の表面層（めっき層）５ａとが接
触するようにしておいて、注油孔３から摺動面に所定給
油速度で給油しながらロータ４を回転させる。一定時間
毎にステータ１に作用する圧力を段階的に増加してゆき
、ロータ４の回転によって角柱試験片５と円板試験片２
との摩擦によってステータ１に生ずるトルク（摩擦力に
よって生ずるトルク）Ｔをスピンドル６を介してロート
セルフに作用せしめ、その変化を動歪計８で読み取り、
記録計９に記録させる。トルクＴが急激に上昇するとき
に焼付が生じたものとし、その大小を以て耐焼付性の良
否を判断する。

試験条件は次に示す通りである。

摩擦速度＝　８　ｍ／ｓｅｃ潤滑油　：加鉛ガソリンを燃料とする実機試験に供した
モータオイル５ＡＥ３０にダスト（３１３２種を０．２　ｇ　／　Ｉ！添加した
もの（温度８０℃））を４００ａ＋　ｊ！　／　ｗｉｎ給油接触圧カニ試験開始時４０ｋｇ／ｃＩＫ、その後３分間
経過毎に１０ｋｇ／ｃｊずつ上昇輩用広腋第９図、第１０図の試験装置を使用し、次のような試験
条件で摩耗試験を行った。

摩擦速度ば５　ｎ’Ｌ　／　３Ｂ（、接触圧力は１００
ｋｇ／ｃｄに一定、摩擦距離は１１００ｋ、潤滑油は加
鉛ガソリンを燃料としての実機テストに使用済みのエン
ジンオイルＳ　Ａ　Ｅ　Ｎ１３０にダスト（３１３２種
）を０．２　ｇ　／　１添加したもので温度８０℃、そ
の他の試験条件は前記焼付試験に於けると同じである。

摩耗量は次のようにして測定した。角柱試験片について
は、試験後に試験片を取り外し、摩耗による高さ寸法の
減少を測定した。円板試験片については、摩耗によって
生じた円環状の摩耗痕の深さを測定した。

試験結果は、第４図〜第７図に示す通りであった。

上記と同様にして、角柱試験片の表面層を４．５重量％
燐、２７重量％コバルトのニッケル合金基地中に平均粒
径０．８μｍの窒化珪素粒子を３９容積％分散させたも
のとし、円板試験片の表面層を５重量％燐、３０重景％
コバルト、残部ニッケルのニッケル合金基地中に平均粒
径０．８μｍの窒化珪素粒子の分散量を５〜３０容積％
の範囲で変化させ、同様の試験を行った。試験結果は第
８図に示す通りであった。

第４図〜第８図から、互いに摺動する表面層の基地は、
２〜１５重量％燐、１０〜４０重量％コバルトのニッケ
ル合金とし、これらの基地中に分散させる窒化珪素粒子
は、一方の表面層では平均粒径を０．５〜１０μｍ、分
散量を５〜４０容積％とし、他方の表面層では平均粒径
を０．５〜１０μｍ、分散量を５〜３０容積％とするの
が、良い結果が得られることが理解できる。

大檄拭腋次に、ピストンリングの外周面とシリンダライチ内周面
とに本発明に基づく表面層を形成させ、これらを内燃機
関に組付けて実機試験を行った結果について説明する。

呼び径７８ｍ、幅１．５鶴、厚さ３．２ｆｉの鋼製第一
圧力リングに、第一工程として外周面に通例のニッケル
ストライクめっきを施して厚さ１０８ｍのニッケルめっ
き層を形成した０次に第二工程として下記第１表に示す
浴組成及びめっき条件で窒化珪素粒子を分散させた厚さ
１１０μｍのニッケルーコバルト−燐複合めっき層を前
記ニッケルめっき層上番こ形成した。

第１表シリンダライナはボア径７８Ｍのアルミニウム合金Ａ３
９０製とし、ボア内周面に下記第２表に示す浴組成及び
めっき条件で窒化珪素粒子を分散させた厚さ１２０μｍ
のニッケルーコバルト−燐複合めっき層を形成した。

第２表この複合めっき層の基地中の燐の量は４４５重量％、コ
バルトの量は３０重量％、窒化珪素粒子の分散量は１５
容積％であった。

第三工程としてピストンリングを４００℃に１時間加熱
し、基地を硬化させた。この処理によって複合めっき層
の硬度はマイクロビッカース硬度８００〜９００となっ
た。

第１図はピストンリングの拡大断面図で、鋼の母材１１
の外周面にニッケルめっき層１２を介して複合めっき層
１３が形成されている。第２図はシリンダライナの断面
図で、ボアにはアルミニウム合金の母材１４上に複合め
っき層１５が形成されている。

第３図はピストンリングの複合めっき層（第１図の１３
）の組織を示す顕微鏡写真（倍率４００倍）である。ニ
ッケル合金の基地中に、灰色を呈する窒化珪素粒子が均
一に分散しているのが観察される。なお、熱処理によっ
て基地に析出したＮｉｓ　Ｐ相、Ｎｉ３Ｓｔ相は、極め
て微細であって写真には顕われていないが、これらの相
の存在はＸ線回折試験によって確認されている。シリン
ダライナの複合めっき層（第２図の１５）も第３図の組
織と実質的に同じであった。

上記ピストンリング及びシリンダライナを４サイクル、
水冷４気筒のガソリンに組付け、高鉛ガソリンを燃料と
して回転数８６０Ｏｒｐｍ、全負荷、１００時間のベン
チテストを行い、ピストンリング外周面及び上死点での
シリンダライナ内周面の摩耗量を測定した。

比較のために、シリンダライナは上記と同様のものを使
用し、ピストンリング表面層として硬質クロムめっき層
、１７クロム鋼に形成した窒化層、又は炭化珪素粒子を
分散させた上記と同様のニッケル複合めっき層を形成し
たピストンリングの組合せについて同様の試験を行った
。

試験結果は第１１図に示す通りであった。摩耗量は、硬
質クロムめっき層を形成したピストンリングを使用した
ときの摩耗量に対する百分率で表しである。同図から、
実施例のピストンリングとシリンダライナとの組合せは
、比較の組合せに対して耐摩耗性が著しく改善されてい
る。１７クロム鋼に窒化処理を施したピストンリングを
使用した場合は、摩耗量はかなり小さくなってはいるが
、軽いスカッフ（焼付き）が発生していた。これに対し
、実施例ではスカッフ発生の痕跡は認められなかった。

以上の結果から、本発明を内燃機関やコンプレッサ等の
ピストンリングとシリンダライナとの組合せに適用する
と、耐久性が著しく改善されることが理解できる。また
、シリンダライナの母材は任意の材料とでき、これをア
ルミニウム合金とすることにより内燃機関の軽量化を図
ることができる。この場合、シリンダブロックもアルミ
ニウム合金製とするのが効果的である。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示すものであって− 第１図はピストンリングの拡大断面図、第２図はシリン
ダライナの断面図、第３図はピストンリングの表面層の金属組織を示す顕微
鏡写真、第４図、第５図、第６図、第７図及び第８図は表面層の
組成と耐摩耗性又は耐焼付性との関係を示すグラフ、第９図は焼付試験、摩耗試験の装置の要部を示す一部破
砕正面図、第１０図は第９図のＸ−Ｘ線矢視側面図、第１１図は実
機試験の結果を示すグラフである。なお、図面に示された符号において、２　・・・・円板試験片５　・・・・角柱試験片１１・・・・ピストンリング母材１４・・−・シリンダライナ母材２ａ、５ａ、１３．１５・・・・表面層である。

Claims

【特許請求の範囲】

１．２〜１５重量％燐、１０〜４０重量％コバルト、残
部が実質的にニッケルからなる合金基地中に平均粒径０
．５〜１０μｍの窒化珪素粒子が５〜４０容積％分散し
た第一の表面層と、２〜１５重量％燐、１０〜４０重量
％コバルト、残部が実質的にニッケルからなる合金基地
中に平均粒径０．５〜１０μｍの窒化珪素粒子が５〜３
０容積％分散した第二の表面層とが互いに摺動する、摺
動表面層の組合せ。