JPH0390583A - 摺動表面層の組合せ - 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】 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。

ロ、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くと、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９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、アルご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、軽量化が十分には達
成されず、燃費の低減も十分ではない。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。）を形威し、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、外周面に硬質クロム
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６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の酸化クロム粒子が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の酸化クロム
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。

ホ０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わらず、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
る分散粒子についで説明する。

ニッケルは、燐と共にＮｉ、Ｐ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、Ｎｉ、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Ｎ１ｚＰ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６５０〜８００Ｈ□に上昇し
、後述する酸化クロム粒子による耐摩耗性、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
、この表面層と組合わせる相手摺動表面層の酸化クロム
粒子の分散量は、５〜３０容積％とする。

両表面層の酸化クロム粒子分散量が共に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　
”Ｃ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くなり、その
結果、耐摩耗性、耐焼付性も劣化する。

酸化クロム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１０ｕｍ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の酸化クロム粒子を５〜
４０容積％分散させる。酸化クロムの粒子には、Ｃｒｚ
０３の粒子が好適である。

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５ｍｍＸ５ｍｍ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、４０
０　’Ｃ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。

めらき浴としては、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Ｃｒ、０．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Ｃｒ２Ｏ３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°Ｃ１電流密度は８Ａ／ｄ
ｎｆ、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ξニウム合金Ａ３９０の円板（直径８０恥、厚さ１
０ｍｍ）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２．
ＯａｍのＣｒ、Ｏ，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
。

垢仕跋験 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を介してロード
セル７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：８ｍ／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（ＪＩＳ２種を０．２ｇ／ ｌ添加したもの（温度８０°Ｃ））を ４００　ｍ／ｍｉｎ給油 接触圧カニ試験開始時４０ｋｇ／ｃＩＩＩ、その後３分
間経過毎に１０ｋｇ／ｃｔｆｌずつ上昇速１」＆狡 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。

摩擦速度は５ｍ／ｓｅｃ、接触圧力は１００　ｋｇ／Ｃ
ＩＪに一定、摩擦距離は１００　ｋｉｎ、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　Ｎａ３０にダスト（ＪＩＳ２＋ｆ
ｆ１）を０．２　ｇ／／！添加したもので温度８０°Ｃ
１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Ｃｒ、０３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重量
％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２．０μｍのＣｒ２Ｏ。

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重景％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Ｃｒ、Ｏ，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。

夫錐拭騒 次に、ピストンリングの外周面とシリンダライナ内周面
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７８ｍｍ、幅１．５　ａｍ、厚さ３．２　ｍｍ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
ニンケルストライクめっきを施して厚さ１０μｍのニッ
ケルめっき層を形成した。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ＣｒｚＯ＋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に形成した。

第　　　１　　　表 この複合めっき層の基地中の燐の量は４．５重量％、コ
バルトの量は３０重量％、Ｃｒ２Ｏ，粒子の分散量は１
５容積％であった。

第三工程としてピストンリングを４００°Ｃ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。

シリンダライナはボア径７８ｍｍのアルミニウム合金Ａ
　３９０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ＣｒｚＯ３粒子を分散させた厚さ１２
０ａｍのニッケルーコバルト−燐複合めっき層を形成し
た。

（以下余白） 第 表 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Ｊ
ｉｉ１３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ＣｒｚＯｚ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Ｎｉ３相は、極めて微細であって写
真には顕れていないが、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８６００ｒｐｍ　、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ラ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４・・・・
・・・・・シリンダライナ母材２ａ。 ５ａ、 ３、 ５・・・・・・・・・表面層 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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の酸化クロム粒子が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の酸化クロム粒子が
   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。