JPH0340106B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は摺動部材、特に内燃機関用ピストンリ
ング、シリンダライナ、エアコンプレツサ、シフ
トフオーク等の摺動面に適用できる摺動部材に関
する。

〔従来の技術〕

内燃機関において、性能を向上させる目的での
高回転・高圧縮比化、まな軽量化・燃費向上対策
としての軽合金の使用や部品の小型化等の必要性
から、そういつた背景にある部分に対しては耐摩
耗性、耐焼付性材料や低摩擦材料を従来部品にも
まして改善する必要性が高まつており、従来から
多くの研究がなされている。

従来、かかる対策の一つとして、摺動部に金
属、酸化物、炭化物を溶射したり又はメツキによ
り耐摩耗性被覆層を形成することは公知であり、
その応用例も多い。

〔発明が解決しようとする課題〕

以下ピストンリングに例をとつて、具体的に説
明する。ピストンリングの耐摩耗性被覆層として
は、鉄系ピストンリング母材の外周面にクロムメ
ツキやMo溶射、高炭素Fe−Cr合金溶射など耐摩
耗性に優れた層を形成する表面処理が行われてい
る。クロムメツキピストンリングは、相手材であ
るシリンダライナ鋳鉄材との耐焼付性がよくない
ため、焼付きやいわゆるスカツフイングと呼ばれ
る引掻摩耗を発生しやすい。

この不具合対策として、通常鋳鉄にNi、Ｐ、
CrMo及び、又はＢ、Nbを添加した低合金鋳鉄
シリンダライナが用いられているが、このものは
普通鋳鉄（例えばJISFC23）に比べて、鋳造性と
加工性が悪くなり、従つてシリンダライナがコス
ト高となる等の問題がある。

またクロムメツキピストンリングの場合には、
相手部材であるシリンダボアの摩耗は減少する
が、ピストンリング自体のクロムメツキ層の耐摩
耗性が劣るという欠点がある。

Mo溶射ピストンリングは、相手側のシリンダ
ライナ鋳鉄材との耐焼付性は良好であるが、300
℃以上の熱負荷がかかるエンジンでは、Moの酸
化により、ピストンリング母材と溶射層の間及び
溶射層内の結合力が劣つており、かつMo自体が
高価なため、ピストンリング製品が高価となる等
の欠点を有している。

本発明は摺動部材自体の耐摩耗・耐焼付性を向
上させるとともに、相手部材の摩耗・焼付をも発
生させない摺動部材を提供すること、特にピスト
ンリング、シリンダライナ、ピストン等の摺動面
に適用できる摺動部材を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

かかる目的は、55〜70重量％（以下同じ）Cr、
３〜９％Ｃ、残部Fe及び不可避の不純物として
のSi、Mn、Ｐ、Ｓを含有する組成をもつた高炭
素Fe−Cr合金粉末；30〜85％と、Mo粉末；10〜
50％と、Al系合金粉末・Cu系合金粉末・炭素鋼
粉末を単独もしくは２種以上配合した軟質合金粉
末；２〜35％から成る混合粉末を、基材表面にプ
ラズマ溶射して溶射層を設けたことを特徴とする
摺動部材によつて達成される。

〔作用〕

本発明において、高炭素Fe−Cr合金粉末と、
Mo粉末と、軟質合金粉末の混合粉末を使用する
のは、各粉末の有する利点を利用するためであ
る。

すなわち、高炭素Fe−Cr合金粉末のプラズマ
溶射層の硬さは、ビツカース硬さで830〜1000と
硬質クロムメツキと同程度の硬さを有し、自身の
耐摩耗性には優れているが、相手部材の摩耗が多
いという欠点を有している。

Moのガス溶射層の硬さは、ビツカース硬さで
60〜800であり摺動部材自身の摩耗は多いが、相
手部材の摩耗が少なく、耐焼付性に優れていると
いう長所を有している。

一方軟質合金溶射層の硬さは、ビツカース硬さ
で50〜500であり、それほど硬くなく相手部材の
摩耗が非常に少ないという長所を有しているが、
同時に摺動部材自身の摩耗が多いという欠点を有
している。

個別には上記のような特性を示す上記３種類の
粉末の混合粉末をプラズマ溶射した層のビツカー
ス硬さは、400〜900であり、摺動部材自身の耐摩
耗性は高炭素Fe−Cr合金溶射層と同等であり、
相手部材の摩耗はMo溶射層より少なく、さらに
耐焼付性についてはMo溶射層と同等であり、き
わめて優れた摺動特性を示す。

次に本発明において、各粉末添加量の限定理由
について説明する。

高炭素Fe−Cr合金粉末の添加量を30〜85％と
したのは、高炭素Fe−Cr合金粉末の添加量が30
％より少ないと、摺動部材自身の摩耗が増加する
からであり、85％を越えると相手部材の摩耗が増
加するからである。

また溶射粉末中Mo添加量を10〜50％としたの
は、Mo添加量が10％より少ないと耐焼付性の向
上が得られず、50％を越えると溶射層自体の耐摩
耗性が落ちるとともに、高温での耐酸化性が低下
するからである。

さらに軟質合金粉末添加量を２〜35％としたの
は、軟質合金粉末が２％より少ないと、相手部材
の摩耗が増加するからであり、また35％を越える
と、溶射等自体の摩耗が多くなるからである。

軟質合金粉末としては、Al系合金粉末・Cu系
合金粉末・または炭素鋼粉末を単独もしくは２種
以上混合し、さらにこの混合粉末と高炭素Fe−
Cr合金粉末及びMo粉末を適宜配合した粉末を基
材表面に溶射することにより、高炭素Fe−Cr合
金粉末の粒子間に軟質合金粒子とMo粉末粒子が
分酸保持される。しかも３種類の粉末の結合した
構造の溶射層とすることにより、溶射層の粒子間
結合強度及び溶射層と基材との結合強度を弱める
ことなく、容射層の硬さを低下させることができ
る。

軟質合金のうちAl系合金としては、Al−Si合
金、Al−Cu合金、Al−Mg合金、Al−Mn合金、
Al−Zn−Mg合金などが使用でき、耐摩耗性の点
では過共晶Al−Si合金（Siが12％以上）が好ま
しい。

この合金の耐摩耗性は、Si含有量が高くなるに
つれて向上するが、Si含有量が高くなると密着性
が低下するので、Al−15〜24％Si合金が適当で
ある。

アトマイズ法による上記比率のAl−Si合金粉
末にすれば、硬さが高く（Hv1200程度）微細な
初晶Siが溶射層内に均一に分散して、より耐摩耗
性及び相手部材の摩耗が少ない点で優れている。

また、軟質合金のうちCu系合金としては、黄
銅（55〜72％Cu−28〜45％Zn）、青銅（81〜90％
Cu−３％以下zn−４〜９％Sn−６％以下Pb）、
リン青銅（87〜91％Cu−９〜12％Sn−0.05〜0.2
％Ｐ）、Al青銅（８〜10.5％Al−１〜６％Fe−６
％以下Ni−1.5％以下Mn−残部Cu）などが使用
でき、耐摩耗性の点で高力黄銅が特に優れ、リン
青銅、Al青銅も好ましい。

また炭素鋼としては、広範囲の炭素含有量のも
のが使用されるが、自己潤滑性をもつた黒鉛の分
布する鋳鉄、あるいは軟鉄で密着性のよい低炭素
含有量の炭素鋼が好ましい。

ただし、炭素含有量の高い方が硬さが高く耐摩
耗性に優れているので、密着性が低下しない範囲
で炭素含有量の高い方がよい。

上記３種類の混合粉末を溶射するには、基材へ
の密着性の点からプラズマ溶射法が好ましく、粉
末粒度はいずれも350メツシユ（44μ）より細か
いものが望ましい。44μより粗いと気孔率が高く
なり、耐摩耗性・耐スカツフイング性が悪くなる
からである。

溶射層の厚さは0.02〜0.5mmが望ましい。0.02mm
より薄いと表面に均一な厚さの溶射層が得られな
いからであり、また、0.5mmより厚いと溶射層の
剥離が発生しやすいからである。

〔実施例〕

次に、本発明に係る摺動部材を実施例に基づき
従来のものと比較して具体的に説明する。

実施例 １ 球状黒鉛鋳鉄製の外径25.6mm、内径20.0mm、厚
さ15.0mmの回転試験片のリング端面に、Ａ：クロ
ムメツキ、Ｂ：Moのガス溶射、Ｃ：高炭素Fe−
Cr合金（組成；Fe−66％Cr−７％Ｃ−1.8％Si、
粉末粒度44〜10μ以下）粉末のプラズマ溶射、
Ｄ：40％高炭素Fe−Cr合金粉末と40％Mo粉末と
20％軟質合金AL−24％Si合金粉末よりなる混合
粉末のプラズマ溶射、Ｅ：70％高炭素Fe−Cr合
成粉末と20％Mo粉末と10％軟質合金Fe−08％Ｃ
合金粉末よりなる混合粉末のプラズマ溶射、Ｆ：
50％高炭素Fe−Cr合金粉末と50％Mo粉末よりな
る混合粉末のプラズマ溶射、Ｇ：100％軟質合金
Al−24％Si合金の粉末のプラズマ溶射を0.20〜
0.30mm行い、各々のメツキ面及び溶射面を研削加
工した。こを相手部材である外径25.6mm、内径
20.0mm、厚さ15.0mmの炭素鋼（JISS45C）試験片
の端面と接するように設置し、接触面に潤滑油と
してキヤツスルモータオイルSAE30を供給し、
荷重を25Kgから500Kgまで段階的に増加させ焼付
限度荷重を調べた。

この結果、Ａ：クロムメツキ処理した試験片は
200〜250Kgで、Ｃ：高炭素Fe−Cr合金粉末をプ
ラズマ溶射したものは325〜350Kgで、Ｆ及びＧの
粉末をプラズマ溶射したものは450〜475Kgでそれ
ぞれ焼付を発生したのに対し、Ｂ：Mo溶射した
ものならびに本発明の実施例であるＤ及びＥの混
合粉末をプラズマ溶射したものは、500Kgでも焼
付を発生しなかつた。

実施例 ２ 酸素鋼製の外径35mm、内径30mm、幅10mmの円筒
試験片の外周面に実施例１と同様にＡ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの処理を行い、各々0.20〜0.30mm
の被覆層を形成し、各々のメツキ及び溶射面を研
削加工した。

これらの試験片を摩擦面摩耗試験機にセツト
し、大きさが16×16×10mmの鋳鉄（JISFC23相
当）製の相手部材のその一つの面（16×16）と接
触させ、キヤツスルモータオイルSAE30を供給
しながら、回転数160rpm、荷重60Kgで１時間摩
耗試験を行つた。

この試験結果を図に示す。図において、横軸に
対して上方は、回転試験片であるクロムメツキ及
び各種溶射品の摩耗量（摩耗減量；単位mg）を示
し、下方は相手部材である鋳鉄の摩耗量（摩耗痕
深さ；単位μ）を表しＡ乃至Ｅの符号は実施例１
で用いたＡ乃至Ｅと一致させてあり、各々この摩
擦試験結果を示している。

国及び摩擦面の観察により以下のことが明から
になつた。Ａのクロムメツキ処理を施した円筒試
験片の外周面は焼付き気味であり、それ自身の摩
耗量は多いが相手部材の摩耗は少なかつた。

ＢのMoガス溶射材は、焼付きを発生しておら
ず、相手部材の摩耗も少なかつたが、それ自身の
摩耗量が多かつた。

Ｃの100％高炭素Fe−Cr合金粉末をプラズマ溶
射したものは若干焼付き発生気味であり、それ自
身の摩耗量は非常に少ない反面、相手部材の摩耗
が多かつた。

Ｆの50％高炭素Fe−Cr合金粉末と50％Mo粉末
よりなる混合粉末のプラズマ溶射は、焼付きが見
られず、溶射自身の摩耗量は非常に少ない反面、
相手部材の摩耗が多かつた。

Ｇの100％軟質合金Al−24％Si合金粉末よりな
る混合粉末のプラズマ溶射は、焼付きが見られ
ず、相手部材の摩耗は少なかつたが、それ自身の
摩耗量が非常に多かつた。

これに対し、本発明に係るＤ及びＥの混合粉末
をプラズマ溶射したものは、焼付きが見られず、
それ自身の摩耗量もＧの100％軟質合金Al−24％
Si合金粉末のプラズマ溶射したものに比べ格段に
少なく、Ａのクロムメツキ及びＢのMoガス溶射
したものよりも1/2〜1/3と少なくされ、Ｃの100
％高炭素Fe−Cr合金粉末をプラズマ溶射、Feの
50％高炭素Fe−Cr合金粉末と５％Mo粉末よりな
る混合粉末のプラズマ溶射したものと同程度であ
り、しかも相手部材の摩耗も、Ｃの100％高炭素
Fe−Cr合金粉末でプラズマ溶射したものの1/3程
度、Ｆの50％高炭素Fe−Cr合金粉末と50％Mo粉
末よりなる混合粉末のプラズマ溶射したものの1/
２程度であり、ＢのMoガス溶射したものに比較
して同等以下である。

以上述べた如て、本発明に係る摺動部材は、耐
摩耗性・耐焼付性を要求される厳しい条件下の摺
動部材として最適のものである。

〔発明の効果〕

以下に、本発明の効果を列挙する。

(1) 耐摩耗性は、溶射材自身及びその相手材の摩
耗量が非常に少なく、従来のMo溶射やクロム
メツキ処理を施したものより優れている。

(2) 耐焼付性は、クロムメツキ処理を施したもの
より優れており、Moガス溶射品と同等であ
る。

(3) 従来のMo溶射に比べ低コストで製造でき、
また使用粉末は広く市販されているため入手が
容易である。

従つて、上記のような効果から、本発明材はピ
ストンリング、シリンダライナ、ピストン等の耐
摩耗性・耐焼付性を要求される摺動部材として最
適に利用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明における実施例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. １ 55〜70重量％（以下同じ）Cr、３〜９％Ｃ、
   残部Fe及び不可避の不純物としてのSi、Mn、
   Ｐ、Ｓを含有する組成をもつた高炭素Fe−Cr合
   金粉末；30〜85％と、Mo粉末；10〜50％と、、
   Al系合金粉末・Cu系合金粉末・炭素鋼粉末を単
   独もしくは２種以上配合した軟質合金粉末；２〜
   35％から成る混合粉末を、基材表面にプラズマ溶
   射して溶射層を設けたことを特徴とする摺動部
   材。