JPS5946304B2 - 耐スカツフ性、耐摩耗性に優れた溶射表面層 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は優れた耐スカツフ性に更に優れた耐摩耗性を付
与した改善された溶射表面層に関する。

例えばピストンリングやシリンダライナのような高速で
摺動する機械部品にあつては、耐摩耗性を付与するため
に古くから摺動面に硬質クロムめつきを施したものが広
く使用されている。硬質クロムめつき層は硬度が高く、
優れた耐摩耗性を有するが、めつき処理に長時間を要す
ることと、保油性がなく、摺動中にスカツフを起し易い
といラ欠点を有している。そこで、耐スカツフ性の改善
された表面層として、近年、硬質クロムめつき層に替え
てモリブデン溶射表面層が一部採用されるようになつて
きている。モリブデンを溶射した表面層は多孔質である
ために良好な保油性を有し、かつ、耐スカツフ性に優れ
ているという利点を有しているが、一方、硬度が硬質ク
ロムめつき層に比べて低いので、その耐摩耗性は硬質ク
ロムめつき層よりも劣るという欠点を有している。この
ようなモリブデン溶射表面層の有する欠点を解消するこ
とを目的として、モリブデン粉を主体として、これに例
えばニッケル、クロム、硼素珪素等からなる自溶性合金
粉を添加、混合した混合粉を溶射してなる溶射表面層が
提案されているが、未だ充分満足し得る程度には至つて
いない。

本発明は上記のような従来の溶射表面層の欠点を解消し
、モリブデン溶射表面層の優れた耐スカツフ性を損なう
ことなく、更に、優れた耐摩耗性を兼ね備えた溶射表面
層を提供することを目的としており、モリブデン２５〜
５０％、鉄４０〜６５％、炭素１．５〜２．５％、ニッ
ケル３〜１０％、クロム０．９〜２．５％、珪素及び硼
素が合計で０．３５〜１．０％（内、珪素は０．２〜０
．６％）から実質的になる溶射材料を溶射することによ
つて形成され、かつ、鉄及び炭素の大部分並びにニッケ
ル、クロム、珪素及び硼素が夫々合金となつている耐ス
カツフ性、耐摩耗性に優れた溶射表面層に関する。本発
明溶射表面層はプラズマ溶射法によつて形成させる。

プラズマ溶射法は高温の溶射炎が得られるので、融点の
高い耐摩耗性粉末材料をも容易に溶融して結合力の強い
溶射表面層を形成させることができ、好都合である。本
発明溶射表面層はモリブデン粉及び鋳鉄粉を主体とし、
これにニッケル、クロム、珪素、炭素及び硼素から実質
的になる自溶合金粉を添加、混合した混合粉をプラズマ
溶射して形成させる。次に本発明溶射表面層の組成に就
いて述べる。

モリブデンは２５％未満ではモリブデン溶射表面層の有
する優れた耐スカツフ性が損なわれるようになり、５０
％を超えるとＨｖ４５０〜５５０のやや低い硬度を示す
部分が多くなつて耐摩耗性が改善されないので、その範
囲を２５〜５０％とする。鉄は溶射表面層の硬度を高め
て耐摩耗性に寄与するが、特に炭素と合金させて鋳鉄粉
として配合すると効果が顕著であり、とりわけ、白鋳鉄
粉として配合することが特に好ましい。

鉄の量は後述するように、４０％以上で特に相手材の摩
耗が少なくなり、一方６５％を超えると却つて自身の摩
耗が多くなるのでその範囲を４０〜６５％とする。また
この範囲が最も耐スカツフ性が更に改善される範囲であ
る。ニツケル及びクロムは溶射表面層の機械的強度を高
めて耐摩耗性に寄与し、モリブデン含有量の１／５程度
を加えることが好ましい。

添加量が多くなると耐スカツフ性が損われる。

また、ニツケルとクロムの比率は大略４：１であること
が最も好ましいが、必ずしもこの比率に限る必要はない
。好ましい範囲はニツケル３〜１０％クロム０．９〜２
．５％である。ニツケル及びクロムは合金粉として溶射
材料に配合するのが良い。ニツケル粉及びクロム粉を溶
射材料に配合しても上記のような効果は得難く、そＱ上
、クロムの酸化物が多く生成されて相手材を摩耗させる
ようになり易い。ニツケル、クロムに少量の珪素、炭素
、及び硼素を添加してなる合金は、所謂自溶合金のカテ
ゴリーに含まれる合金であつて、溶射表面層を緻密にし
てその機械的強度を改善し、耐摩耗性に寄与するが、珪
素及び硼素の合計が０．３５％未満では効果が不充分で
あり、一方、１．０％を超えると溶射表面層の気孔が少
なくなり過ぎて保油性を損なうようになるので、その範
囲を０．３５〜１．０％とする。

特に珪素は自溶（ＳｅｌｆＦｌｕｘｉｎｇ）性に最も寄
与するが、０．２％未満では効果が不充分であり、一方
、０．６％を超えると溶射表面層の機械的強度を却つて
低下させるので、その範囲を０．２〜０．６％とする。
以下、実施例について説明する。

摩耗試験 第１図は溶射混合粉の配合比を変えて得られた溶射表面
層とシリンダ用鋳鉄とを組合せ、摺動させて摩耗試験を
行なつた結果の一例である。

溶射混合粉の配合比は第１表に示す通りである。これら
の混合粉を５ｍ１×５龍×１０關の角柱状鋳鉄製試験片
の正方形端面に夫々溶射し、研摩仕上を施して厚さ０．
３ｍｍの溶射表面層を形成させた。溶射条件は以下の通
りである。使用ガンリメテコ社製３ＭＢ 電流：４５０〜５００Ａ１電圧６１Ｖ 使用ガスリアルゴン水素混合ガス アルゴン１１０ｆｔ３／Ｈｒｌ 水素１０ｆｔ３／Ｈｒ これらの試験片について溶射表面層の摩耗試験を行なつ
た。

試験機は第２図ａに要部を図解的に示してあるように、
ステータホルダ２に取外し可能に取付けられた直径８０
１１、厚さ１１ｍ１のＦＣ２５製の円板３の中央ＶＣＪ
Ｉま裏側から注油孔４を通して潤滑油が注油される。ま
た、図示しない油圧装置によつてステータホルダ２には
図に於いて右方へ向つて所定圧力で押圧力がかかるよう
にしてある。円板３に対してロータ５に嵌合された試験
片保持具６の回転軸の同心円上に等間隔に刻設された穴
に４個の試験片７が嵌合されており、試験片７の溶射表
面層８が円板３と接触するようになつており、図示しな
い駆動装置によつて所定速度で回転するようにしてある
。このような試験機によつて、接触圧力１００ｋｇ／Ｃ
ｒＡ、摩擦速度３、５、８ｍ／Ｓｅｃ、摩擦距離２００
ｋｍ１潤滑油モータオイル＃３０、油温８０℃、給油量
０．４１／７Ｕの条件で、溶射表面層８と円板３とを摺
動させて両者の摩耗量を測定した。

第１図には比較のために従来の酸素一アセチレン炎によ
るモリブデン溶射表面層及び硬質クロムめつき層につい
て同様の試験を行なつた結果が併記してある。図に於い
て、溶射表面層の摩耗量は各摩擦速度毎の厚さの減少量
の合計で、相手材である円板３の摩耗量は各摩擦速度毎
の試験片との摺動によつて生じた溝状摩耗痕の断面積の
合計で夫々表わしてある。同図から、溶射混合粉の鉄の
割合が減少してモリブデンの割合が増加するに従つて溶
射表面層の摩耗量が減少し、一方、モリブデン、ニツケ
ルークロム合金の割合が増加するに従つて相手材の摩耗
量が増加する傾向にあることが判る。

上記の例に於いて、相手材の摩耗を考慮すると第１表の
何れの配合でも従来のモリプデン溶射表面層よりも優れ
た耐摩耗性を示し、特にＢ．Ｃ、Ｄの配合によつて得ら
れた本発明に係る溶射表面層では硬質クロムめつき層に
比べて略々同程度乃至これに近い耐摩耗性を示している
。

スカツフ試験 前記摩耗試験に供したと同一の試験片について同じ試験
機を使用してスカツフ試験を行なつた。

試験条件は接触圧力、摩擦速度、摩擦距離を除いては摩
耗試験に於けると同一である。第２図ａに於いて、試験
片７の溶射表面層８と円板３との接触圧力を４０１＜ｇ
／Ｃ７７ｆに、摩擦速度を８ｍ／Ｓｅｃにとり、摩耗試
験と同一潤滑条件で摺動させ、３分間経過毎に接触圧力
を１０ｋｇ／ｄづつ上昇させていき、溶射表面層８と円
板３との間の摩擦によつてステータホルダ２に生ずるト
ルク（摩擦力）Ｆを、第２図ａ（７）Ｉ−矢視側面図第
２図ｂに示すように、スピンドル９を介してロードセル
１０に作用せしめ、その変化を動歪計１１で読み記録計
１２に記録させた。このよ゜うにして各試験片について
第３図に硬質クロムめつきを施した試験片（比較材）で
例示したようなグラフを作成しトルクＦが急激に上昇す
る時にスカツフが起つたものとし、この時の接触圧力を
比較して耐スカツフ性の評価を行なつた。試験結果は第
２表に示す通りである。

同表から、第１表Ａ及びＥの配合による溶射表面層でも
従来のモリブデン溶射表面層に比べて更に耐スカツフ性
が改善されており、Ｂ．Ｃ及びＤの配合による本発明溶
射表面層は更に一層耐スカツフ性が改善されていること
が判る。

実機試験 第４図に示すように、１２５ｍｍＸ４ｍ１Ｘ４．５關の
球状黒鉛鋳鉄製ピストンリング２１の外周面に、幅２．
５ｍ７１Ｌ１深さ０．２５ｍ１の帯状溝を削設し、この
溝に前記第１表中のＣ及びＤの配合の混合粉を溶射し、
研磨仕上を施して本発明に係る溶射表面層２２を形成さ
せた。

このピストンリングをシリンダ径１２５ｍｍ１６気筒、
水冷、４サイクルデイーゼルエンジンに組込んで実機試
験に供した。シリンダライナの材料はＦＣ２５である。
試験条件は回転数２０００ｒｐｍ、全負荷、油温１００
℃、冷却水温８０℃、運転時間２００時間とし、試験後
ピストンリング及びシリンダライナの摩耗量を測定した
。

比較のために、従来の酸素アセチレン炎によるモリブデ
ン溶射表面層を同様の寸法で形成させたピストンリング
及び外周面に硬質クロムめつきを施したピストンリング
について同様の試験を併せて行なつた。試験結果は第５
図に示す通りである。

ピストンリングの摩耗量は厚さ寸法の減少で、シリンダ
ラィナの摩耗量は上死点附近の内径が最も大きくなつた
部分の半径の増加量（段摩耗値）で示してある。同図か
ら、本発明溶射表面層を有するピストンリングは自身の
摩耗、相手シリンダライナの摩耗共に従来のモリブデン
溶射を施したピストンリングに比べては勿論、硬質クロ
ムめつきを施したピストンリングと比べても少なくなつ
ており、優れた耐摩耗性を備えていることが判る。

以上説明したように、本発明溶射表面層を摺動面に有す
る摺動部材は、従来の同種のものに比べて耐摩耗性、耐
スカツフ性が著しく改善されており、特に相手材の摩耗
が少ない。

従つて内燃機関のピストンリングやシリンダライナのよ
うな苛酷な運転条件下で使用される摺動部材として好適
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は摩耗試験の、第５図は実機試験の結果を示すグ
ラフである。 第２図ａは摩耗試験及びスカツフ試験に使用した試験機
の要部を図解的に示す部分縦断面図、同ｂはＡｆ）Ｉ−
１矢視側面図である。３：相手材円板、４：注油孔、７
：試験片、８：溶射表面層、１０：ロードセル、１１：
動歪計。 第３図はスカツフ試験で得られた接触圧力とトルクとの
関係を示すグラフであつて、比較材硬質クロムめつき層
について例示したものである。第４図は実機試験に供し
たピストンリングの縦断面図である。２１：球状黒鉛鋳
鉄製ピストンリング、２２：溶射表面層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ モリブデン２５〜５０％、鉄４０〜６５％、炭素１
   ．５〜２．５％、ニッケル３〜１０％、クロム０．９〜
   ２．５％、珪素及び硼素が合計で０．３５〜１．０％（
   内、珪素は０．２〜０．６％）から実質的になる溶射材
   料を溶射することによつて形成され、かつ、鉄及び炭素
   の大部分並びにニッケル、クロム、珪素及び硼素が夫々
   合金となつている耐スカツフ性耐摩耗性に優れた溶射表
   面層。