JPH068476B2 - 摺動用部材 - Google Patents

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第一の部材
と第二の部材とよりなる摺動用部材に係り、更に詳細に
は第一の部材が繊維強化金属複合材料にて構成され第二
の部材が鉄−リン合金めっきされた金属にて構成された
摺動用部材に係る。

従来の技術 繊維強化金属複合材料の耐摩耗性や耐焼付き性を改善す
べく、本願出願人は本願出願人と同一の出願人の出願に
かかる特願昭６１−６１７９８号明細書に於て、無機質
繊維を強化繊維としアルミニウム合金若しくはマグネシ
ウム合金をマトリックスとする繊維強化金属複合材料の
特定の表面が電解エッチングされることにより形成さ
れ、前記強化繊維の一部が前記特定の表面に露出してお
り、前記特定の表面に露出する前記強化繊維の間の前記
マトリックスの表面に凹部を有し、前記凹部の平均深さ
が１．５μ以上であり、前記凹部の開口径に対する深さ
の比の平均値が０．０１以上である繊維強化金属複合材
料を提案した。

発明が解決しようとする問題点 上述の複合材料は耐摩耗性や耐焼付き性に優れている
が、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材よりな
る摺動用部材の一方の部材に上述の複合材料が適用され
る場合には、他方の部材の材質によっては一方の部材若
しくは他方の部材の摩耗量が増大する虞れがある。

本願発明者等は、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よりなる摺動用部材であって、第
一の部材が上述の如き複合材料にて構成され、第二の部
材が金属にて構成される場合に於て、それら二つの部材
の摩耗量を低減し焼付きを防止するためには第一の部材
を構成する複合材料及び第二の部材を構成する金属が如
何なる特徴を有するものであることが適切であるかにつ
いて種々の実験的研究を行った結果、複合材料の凹部の
面積率が或る特定の範囲内に設定されると共に第二の部
材を構成する金属が或る特定のめっきを施されているこ
とが好ましいことを見出した。

本発明は、本願発明者等が行った種々の実験的研究の結
果得られた知見に基づき、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よりなる摺動用部材であ
って、第一の部材が摺動面に強化繊維が露出し且摺動面
のマトリックスの表面に凹部を有する繊維強化金属複合
材料にて構成され、第二の部材がめっきされた金属にて
構成され、それら両部材の耐摩耗性及び耐焼付き性等に
優れた摺動用部材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よりなる摺動
用部材にして、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無機質繊維を強化繊維としアル
ミニウム合金若しくはマグネシウム合金をマトリックス
とする繊維強化金属複合材料にて構成され、摺動面が電
解エッチングされることにより前記強化繊維の一部が前
記摺動面に露出しており且前記摺動面に露出する前記強
化繊維の間の前記マトリックスの表面に凹部が形成され
ており、前記凹部の平均深さが１．５μ以上であり、前
記凹部の開口径に対する深さの比の平均値が０．０１以
上であり、前記凹部の面積率が５〜４０％であり、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
部はリン含有量が０．５〜１５wt％である鉄−リン合金
にてめっきされた金属にて構成されていることを特徴と
する摺動用部材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、複合材料の摺動面が電解エッチングさ
れることにより強化繊維の一部が摺動面に露出しており
且摺動面に露出する強化繊維の間のマトリックスの表面
に凹部が形成されており、凹部の平均深さが１．５μ以
上であり、凹部な開口径に対する深さの比の平均値が
０．０１以上であり、更には凹部の面積率が５〜４０％
である繊維強化金属複合材料にて第一の部材の摺動面部
が構成され、これにより摺動面に露出する強化繊維によ
りマトリックスが直接第二の部材に接触する度合が低減
されるだけでなく、上述の好ましい深さ、形態及び面積
率の凹部が油溜りとして良好に作用することにより複合
材料の良好な保油性が確保されると共に、強化繊維がマ
トリックスによって強固に保持される状態が確保され、
また第二の部材の摺動面部がリン含有量が０．５〜１５
wt％であり前記複合材料に対する摺動特性に優れた鉄−
リン合金めっきされた金属にて構成されるので、後に説
明する本願発明者等が行った実験的研究の結果より明ら
かである如く、耐摩耗性及び耐焼付き性等に優れた二つ
の部材の組合せよりなる摺動用部材を得ることができ
る。

またマトリックスの表面に油溜りとして作用する凹部が
形成されない場合に於て複合材料の耐摩耗性等を十分に
向上させるためには、強化繊維の露出高さを例えば１０
〜３０μの如く比較的大きく設定しなければならず、そ
のため複合材料の相手材に対する攻撃性が増大すると共
に強化繊維の脱落に起因する異常摩耗の発生の虞れが増
大し、その結果相手材及び複合材料両方の摩耗量が増大
してしまうのに対し、本発明によれば、マトリックスの
表面に油溜りとして良好に作用する凹部が形成されるの
で、強化繊維の露出高さを例えば１μ以下に低減するこ
とができ、これにより相手材に対する攻撃性及び異常摩
耗の発生の虞れを低減することができ、このことによっ
ても二つの部材の摩耗量を低減することができる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、凹部
の面積率、即ち複合材料の摺動面の任意の領域の全面積
に対する凹部の開口面積の合計の比が５％未満の場合に
は複合材料の表面に十分な量の潤滑油を保持させること
ができず、凹部の面積率が４０％を越えると凹部に保有
される潤滑油の量が却って少なくなり、また複合材料の
表面に露出する強化繊維を保持するマトリックスの強度
が低下し、そのため強化繊維が脱落し易くなって複合材
料の摩耗量が増大する。従って本発明の摺動用部材に於
ては、凹部の面積率は５〜４０％に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
第二の部材を構成する金属の表面にめっきされる鉄−リ
ン合金のリン含有量が０．５wt％未満の場合には耐焼付
き性を十分に向上させることができず、逆に１５wt％を
越えるとめっき層の靭性が低下し、めっき層の剥離や該
剥離に起因する耐摩耗性及び耐焼付き性の低下という問
題が生じ易くなる。従って本発明の摺動用部材に於て
は、鉄−リン合金のリン含有量は０．５〜１５wt％に設
定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
複合材料の特定の表面に於ける強化繊維の露出高さの平
均値が１μを越えると、複合材料の表面より露出する強
化繊維により相手材が過剰に擦過されることにより却っ
て摩耗量が増大し、また強化繊維の脱落に起因する異常
摩耗が発生し易くなる。従って本発明の一つの詳細な特
徴によれば、第一の部材を構成する複合材料の摺動面に
於ける強化繊維の露出高さの平均値は１μ以下に設定さ
れる。

本発明の一つの実施例に於ては、本発明の摺動用部材は
内燃機関であり、第一の部材はシリンダライナであり、
第二の部材はピストンである。

尚本発明の繊維強化金属複合材料に於ける強化繊維は、
アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維の如きセラミック
繊維、炭素繊維、種々の金属繊維の如く任意の無機質繊
維であってよく、長繊維又は短繊維の何れであってもよ
い。また強化繊維の平均繊維径は１００μ以下、特に１
〜４０μ程度であることが好ましく、強化繊維の体積率
は３０％以下、特に３〜１５％程度であることが好まし
い。更に強化繊維の配向は一方向配向、二次元ランダム
配向、三次元ランダム配向等任意の配向であってよい
が、特に一方向配向及び二次元ランダム配向の場合に
は、摺動面が一方向配向の方向又は二次元ランダム配向
平面に対しできるだけ垂直又はこれに近い角度をなすよ
う設定されることが好ましい。

またアルミニウム合金及びマグネシウム合金は電解エッ
チング可能なものであれば任意の組成のものであってよ
いが、特にケイ素を含有するアルミニウム合金の如く、
それ自身耐摩耗性に優れたアルミニウム合金やマグネシ
ウム合金であることが好ましい。また第二の部材を構成
する金属は鉄−リン合金にてめっきし得る金属である限
り任意の金属であってよい。

更に本発明に於ける電解エッチングの電解液は硝酸水溶
液又は塩化ナトリウム水溶液であってよく、硝酸水溶液
が使用される場合にはその濃度、電位差、通電量がそれ
ぞれ８０〜１６０ml／ｌ、４．５〜６．０Ｖ、２００〜
４５０クローン／dm²に設定されることが好ましく、塩
化ナトリウム水溶液が使用される場合にはその濃度、電
位差、通電量が８０〜１６０ｇ／ｌ、３．０〜４．０
Ｖ、１００〜４００クローン／dm²に設定されることが
好ましい。

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よりなる摺
動用部材であって、その一方の部材が電解エッチングさ
れた繊維強化金属複合材料にて構成されており、その他
方の部材が鋼にて構成された摺動用部材について行われ
た焼付き試験を、他の材質の組合せよりなる摺動用部材
について行われた焼付き試験と対比して説明する。

まず平均繊維径２．８μ、平均繊維長６mmのアルミナ−
シリカ繊維（５５wt％Ａｌ_２Ｏ_３、残部実質的にＳｉＯ
_２）が実質的に三次元ランダムにて配向された繊維成形
体を形成し、該繊維成形体を用いて行われる高圧鋳造に
より、体積率８％のアルミナ−シリカ繊維を強化繊維と
してアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＤＴ４）をマトリ
ックスとする複合材料を製造した。次いでこの複合材料
より外径２５．６mm、内径２０．０mm、長さ１６mmの寸
法を有し一方の端面を被試験面とする円筒試験片を多数
作成し、各試験片の被試験面の面粗さを研削により０．
６μＲｚに仕上げた。

次いで硝酸水溶液を用いて行われる電解エッチングによ
り被試験面のマトリックスの表面に凹部を形成した。第
１図はかくして形成された試験片の被試験面近傍の断面
を示す模式図であり、図に於て１は強化繊維としてのア
ルミナ−シリカ繊維を示しており、２はマトリックスと
してのアルミニウム合金を示しており、３は凹部を示し
ている。

尚この場合電解エッチングの条件を適宜に設定すること
により、被試験面の任意の断面が現われる凹部３の深さ
Ｄｉの平均値▲▼が２．０μであり、凹部３の開口
径に対する深さの比の平均値、即ち被試験面の任意の断
面に現われる凹部３の開口部長さＷｉに対する深さＤｉ
の比の平均値 が０．０２であり、複合材料の表面４よりのアルミナ−
シリカ繊維の露出高さＨｉの平均値▲▼が０．５μ
であり、凹部の面積率、即ち複合材料の任意の断面の或
る基準長さＬに対する凹部３の開口部長さＷｉの合計の
比の百分率が２０％である３個の円筒試験片Ｂ〜Ｄを形
成した。

次いでこれらの円筒試験片及び電解エッチングが行われ
ず、従って凹部の深さ、アルミナ−シリカ繊維の露出高
さ及び凹部の面積率が０である複合材料よりなる円筒試
験片Ａを順次摩擦摩耗試験機にセットし、アルミニウム
合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ｐ）よりなり、大きさが３０×
３０×５mmであり、その一つの面（３０×３０mm）を被
試験面となる平板試験片の被試験面と接触させ、それら
の試験片の接触部に常温の潤滑油（キャッスルモータオ
イルＳＡＥ３０）を供給し、円筒試験片を回転数１００
０rpmにて回転させつつ、平板試験片に対する円筒試験
片の押圧荷重を１０kgより６００kgまで増加させ、これ
により焼付き限度荷重を測定する焼付き試験を行った。
尚この焼付き試験に於ける円筒試験片と平板試験片との
組合せは下記の表１に示す通りであった。

上述の焼付き試験の結果を第２図に示す。この第２図よ
り、相手材がめっきされていないアルミニウム合金（組
合せＣ）及びクロムめっきされたアルミニウム合金（組
合せＤ）の何れの場合にも焼付き限度荷重が低い値であ
り、また相手材が鉄−リン合金めっきされたアルミニウ
ム合金である場合にも、複合材料が電解エッチングされ
ない場合には焼付き限度荷重が比較的低い値であるのに
対し、複合材料が電解エッチングされ相手材が鉄−リン
合金めっきされたアルミニウム合金である場合（組合せ
Ｂ）には、焼付き限度荷重が高い値であることが解る。

この焼付き試験の結果より、電解エッチングされた繊維
強化金属複合材料と鉄−リン合金にてめっきされた金属
との組合せは耐焼付き性に優れていることが解る。

実施例２ 上掲の表１に示された試験片の組合せＡ〜Ｄについて、
荷重を２００kg（一定）に設定して上述の焼付き試験と
同様の要領の摩耗試験を１時間に亙り行った。この摩耗
試験を結果の第３図に示す。尚第３図に於て、上半分は
円筒試験片の摩耗量（摩耗減量mg）を表わしており、下
半分は平板試験片の摩耗量（摩耗減量mg）を表わしてい
る。

この第３図より、組合せＢの摩耗量は、円筒試験片及び
平板試験片の何れについても他の組合せの場合よりも小
さく、従って電解エッチングされた繊維強化金属複合材
料と鉄−リン合金にてめっきされた金属との組合せは耐
摩耗性にも優れていることが解る。

実施例３ 凹部の面積率が如何なる範囲であることが適切であるか
の検討を行った。

上述の実施例１に於て作成された６個の円筒試験片の被
試験面を種々の条件にて電解エッチングすることによ
り、下記の表２に示されている如き円筒試験片Ｅ_１〜Ｅ
_６を形成し、各試験片について実施例１及び２の場合と
同一の要領及び条件にて、リン含有量が１．０wt％であ
る鉄−リン合金にてめっきされたアルミニウム合金（Ｊ
ＩＳ規格ＡＣ８Ａ）を相手材として焼付き試験及び摩耗
試験を行った。これらの試験の結果をそれぞれ第４図及
び第５図に示す。

第４図より、凹部の面積率が５〜４０％程度の場合に焼
付き限度荷重が高くなり、焼き付きが生じ難くなること
が解る。また第５図より、凹部の面積率が５〜４０％程
度の場合に円筒試験片及び平板試験片の摩耗量が低い値
になることが解る。

これらの焼付き試験及び摩耗試験の結果より、凹部の面
積率が５〜４０％であることが好ましいことが解る。

実施例４ 第二の部材を構成する金属の表面にめっきされる鉄−リ
ン合金のリン含有量が如何なる範囲であることが適切で
あるかの検討を行った。

まず上述の実施例１の場合と同様の要領及び条件にて電
解エッチングされた７個の円筒試験片を形成した。また
リン含有量が種々の値である鉄−リン合金にてめっきさ
れたアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ｐ）よりなる
６個の平板試験片及び鉄−リン合金にてめっきされてい
ない１個の平板試験片を形成した。

次いでこれらの円筒試験片及び平板試験片を組合せて上
述の実施例２の場合と同一の要領及び条件にて摩耗試験
を行った。この摩耗試験の結果を第６図に示す。尚第６
図に於て横軸は鉄−リン合金のリン含有量（wt％）を示
している。

第６図より、リン含有量が１５％を越える領域に於ては
円筒試験片の摩耗量が比較的高い値であり、またリン含
有量が０．５％未満及び１５％を越える領域に於ては平
板試験片の摩耗量が比較的高い値であり、従って円筒試
験片及び平板試験片の両方の摩耗量を低減するために
は、リン含有量は０．５〜１５wt％、特に０．５〜１０
wt％であることが好ましいことが解る。

尚強化繊維がアルミナ繊維（９５wtＡｌ_２Ｏ_３残部実質
的にＳｉＯ_２、平均繊維径３．２μ、平均繊維長８m
m）、炭化ケイ素ホイスカ（平均繊維径０．５μ、平均
繊維長１００μ）、窒化ケイ素ホスイカ（平均繊維径
０．５μ、平均繊維長２５０μ）である複合材料及びマ
トリックスがマグネシウム合金（ＪＩＳ規格ＭＤＣ１
Ａ）である複合材料についても上述の実施例１〜４と同
様の焼付き試験及び摩耗試験を行ったところ、電解エッ
チングされた繊維強化金属複合材料と鉄−リン合金にて
めっきされた金属との組合せは耐焼付き性及び耐摩耗性
に優れており、凹部の面積率は５〜４０％であることが
好ましく、鉄−リン合金のリン含有量は０．５〜１５wt
％、特に０．５〜１０wt％であることが好ましいことが
認められた。

実施例５ 上述の実施例１に於て使用されたアルミナ−シリカ繊維
及びアルミニウム合金を用いて、実質的に三次元ランダ
ムにて配向された体積率１２％のアルミナ−シリカ繊維
にて強化されたアルミニウム合金よりなるシリンダライ
ナを高圧鋳造により製造し、該ライナをグラビティ鋳造
により鋳ぐるむことにより、シリンダボア径８０mmの４
気筒４サイクル内燃機関用シリンダブロックを４個形成
した。次いで一つのシリンダブロックのシリンダボアを
ホーニング加工によって表面粗さ０．６μＲｚに仕上げ
ることによりシリンダブロック（強化繊維の露出高さ０
μ、凹部の面積率０％）を形成した。また他の残りのシ
リンダブロックのシリンダボアをホーニング加工によっ
て表面粗さ０．６μＲｚに仕上げた後、硝酸水溶液によ
る電解エッチングにより、凹部の平均深さ１．９μ、凹
部の開口径に対する深さの比の平均値０．０１８、強化
繊維の露出高さの平均値０．３μ、凹部の面積率６％の
シリンダブロックを形成した。

次いで実施例１の組合せＡ〜Ｄに対応してこれらのシリ
ンダブロック及びアルミニユム合金製のピストンが組込
まれた内燃機関を６０００rpmにて２００時間に亙る高
速耐久試験に供したところ、組合せＡ、Ｃ、Ｄのシリン
ダブロックのシリンダボア及びピストンの外周面にはス
カッフィングが発生していることが認められたのに対
し、組合せＢのシリンダブロックのシリンダボア及びピ
ストンの外周面にはスカッフィングの発生は全く認めら
れなかった。また組合せＢのシリンダブロックのシリン
ダボア及びピストンの外周面の平均摩耗量はそれぞれ
２．０μ以下、５．０μ以下であるのに対し、他の組合
せのシリンダブロックのシリンダボア及びピストンの外
周面の平均摩耗量はそれぞれ１０〜３０μ、１０〜３０
μであり、従って組合せＢのシリンダブロック及びピス
トンは他の組合せのシリンダブロック及びピストンより
も遥かに耐摩耗性に優れていることが認められた。

以上に於て本発明を本願発明者等が行った実験的研究の
結果との関連に於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、本発明の範囲内に
て他の種々の実施例が可能であることは当業者にとって
明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による繊維強化金属複合材料の表面部の
断面を示す模式図、第２図及び第３図はそれぞれ種々の
部材の組合せについて行われた焼付き試験及び摩耗試験
の結果を示すグラフ、第４図及び第５図はそれぞれ複合
材料のマトリックス表面の凹部の面積率をパラメータと
して行われた焼付き試験及び摩耗試験の結果を示すグラ
フ、第６図は鉄−リン合金のリン含有量をパラメータと
して行われた摩耗試験の結果を示すグラフである。 １…アルミナ−シリカ繊維，２…アルミニウム合金，３
…凹部，４…表面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに当接して相対的に摺動する第一の部
   材と第二の部材とよりなる摺動用部材にして、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
   無機質繊維を強化繊維としアルミニウム合金若しくはマ
   グネシウム合金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、摺動面が電解エッチングされること
   により前記強化繊維の一部が前記摺動面に露出しており
   且前記摺動面に露出する前記強化繊維の間の前記マトリ
   ックスの表面に凹部が形成されており、前記凹部の平均
   深さが１．５μ以上であり、前記凹部の開口径に対する
   深さの比の平均値が０．０１以上であり、前記凹部の面
   積率が５〜４０％であり、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リン含有量が０．５
   〜１５wt％である鉄−リン合金にてめっきされた金属に
   て構成されていることを特徴とする摺動用部材。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項の摺動用部材に於
   て、前記摺動面に於ける前記強化繊維の露出高さの平均
   値は１μ以下であることを特徴とする摺動用部材。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項の摺動用
   部材に於て、前記第一の部材は内燃機関用シリンダライ
   ナであり、前記第二の部材はピストンであることを特徴
   とする摺動用部材。