JPS60187699A - 耐摩耗性に優れた複合鉄めつき - 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】 〔技術分野〕 本発明は、耐摩耗、耐焼付性に優れた摺動部材、特に内
燃機関のピストンリング、シリンダ、ベーン材に好適な
耐摩耗、耐焼付性に優れた皮膜である複合鉄めっきに関
する。

〔従来技術〕

従来、耐摩耗、耐焼付性を要求される部材、例えば、内
燃機関のピストンリング、シリンダ等の摺動部材は耐摩
耗、耐焼付性付与として、硬質クロムめっき、溶射等の
表面処理が使用されている。

しかしながら、ピストンリングを例にとると、硬質クロ
ムめっきはエンジンの高速、高出方化に伴う摺動条件の
悪化に対応しきれなくなジっつあり、溶射は自身の耐摩
耗、耐焼付性には優れたもの金有しているが、相手シリ
ンダ摩耗が多くなる傾向にあり、充分普及するに至って
いない。

また、近年、エンジンの軽量化の為に、シリンダのアル
ミニウム化が試行されているが、耐摩耗性に優れ、シリ
ンダ材として評価の高い高８１　アルミニウム合金に対
して、硬質クロムめりきは自身の摩耗が多く、特に１ｔ
ｆｉ付性に劣る為使用できないでおり、溶射もアプレッ
シプな摩耗になりやすく、相手シリンダ摩耗が著しくな
り、使用できない。

最近、その対策としてｓｌａ　１に分散させた複合鉄め
っきが提案されている（例えば、特公昭５７−５８４５
９号公＠）。しかし、ｓＩｃを分散させた複合鉄めっき
の場合、自身の耐摩耗性及び耐焼付性については改善の
効果があがるが相手材摩耗が多くなるという問題を解消
しきってはいない。

かかる状況の中で、自分自身の耐摩耗性、耐焼付性に優
れると共に、相手材摩耗も低減できる表面処理技術の確
立が望まれている。

〔本発明の目的〕

本発明の目的は、上記の要望に答える為に、自身の耐摩
耗、耐焼付性に優れるばがシでなく、相手材の摩耗も低
減させることである。

〔本発明の構成〕

上記の目的を達成するために、本発明は、鉄めっきの中
に炭化クロムと炭化ケイ素の硬質粒子を両方分散析出さ
せることを特徴とするものでアリ、それにより自身の耐
摩耗、耐焼付性を炭化ケイ素単独分散析肝の場合と同等
以上にすると共に、相手材摩耗を大巾に低減することが
できる。

〔本発明の具体的構成〕

本発明において、鉄めっき中に炭化クロムと炭化ケイ素
を分散析出させる理由は次の通りである。即ち、第１図
に概略を示す往復動摩擦試験機による摩耗試験結果（第
３図）に見られるように、鉄めっき中に分散させる複合
材として８１０　、　ｃｒ、ｃ、　、　Ｔｉｅ、　ＴＩ
Ｎ、　Ｃｒ２Ｏ３，Ａ４０ｇの硬質粒子を候補に上げ摩
耗試験を冥施した（以下、実験１という）結果、シリン
ダ相当の１７％Ｓｉアルミニウム合金（／に５９０）相
手の場合でも、ねずみ鋳鉄（Ｆｅ１２）相手の場合でも
、上記硬質粒子の単独を鉄めっき中に分散させたのでは
自身の耐摩耗性に優れるものは相手摩耗が多く、相手摩
耗の少いものは自身の耐摩耗性に劣るという傾向を示し
、双方を満足させ得るものが得られない。これに対し、
自身の耐摩耗性に優れたものと、相手摩耗の少いものと
の組合せで複合させたものは、双方の弱点を補い合う傾
向を示す。特にＯｒ３　ｃ、とｓｌｃの組み合せは、夫
々単独に鉄めっき中に分散させた場合より、自身の摩耗
、相手摩耗共に減少し、著しい相乗効果を得ることがで
きる。従って、本発明では、炭化クロムと炭化ケイ素と
を分散析出させることとしたのである。

尚、第１図中、１はビン（上試片）、２は平板（下試片
（相手材））、３は油圧シリンダー、４はロードセル、
５は駆動源である。摩耗蓋の評価は、第２図（Ａ）に示
すビン（上試片ン１の摩耗痕径ａ、ｂ（第１図中、矢印
αで示す摺動方向の痕径ａと、その直角方向の痕径ｂ）
の平均値をとり、第２図（Ｂ）に示す平板（下試片（相
手材＞＞２ｖｃついては矢印方向に走らせたアラサ計に
よる段差全５ケ所測定し、その平均値で表示した。

また実験１のテスト条件は次の通りである。

１、　テスト供試試料 ■　下試片（相手材）（第１図中の２）：１７％Ｓ１ア
ルミニウム合金：ＨＲＢ７０ＦＯ２５（Ｊ工Ｓ　Ｇ５５
０１　（１９７６）ねずみ鋳鉄）：ＨＲＢ　９６ ７０　Ｘ１７　Ｘ７　（−の平板試験面をパフ研摩。表
面粗さ＝１１４μ ■　上試片（第１図中の１） ｆＢ　材：　ＥＩＫ５　（、ＴＩＳ　Ｇ４４０１（１９
７２）炭素工具鋼鋼材ン　硬さ　ＨＲＢ９Ｂ 形　状＝８φ×２３１の端面ｔ−１８ＲＬ７）球面加工
め゛つき：端面に硬質粒子全分散させた鉄めっきをｏ、
ｉｓ閣厚さつけて、１８Ｒの球面仕上金した。

その時のめつき条件は次の通り。

浴（＃ｉ１１弗化浴）組成ニ ホウフッ化第１鉄（Ｆ１３（ＢＦ４ン２ン：５０ｆ／を
硫酸第１鉄（ＦｅＳＯ４−７Ｈ２０）　：５００ｆ／を
塩化アンモニウム（ＮＨ，Ｏｌ）　：　３０？／ｌビッ
ト防止剤（ラウリル硫酸ナトリウム）：２ｍｌ／を浴　
温：　６５℃ 電流密度：　４　Ａ／　ｄｍ”　、　時間：　４．５　
Ｈｒ複合材：　８０９／ｌ　、　８１０　、　ｃｒ、○
＊　＃　ＴＩＣ＃ＴｉＮ　、０１２０ｇ　、Ａ１２０Ｂ
　、８ｉ０＋ＴｉＮ（５０：５０）、○ｒｌｏ、＋Ｔｉ
Ｎ（５０：５０）。

ＳｉＯ＋０ｒ３（１！１　（５０：５０）表１　第６図
供試材のめつき特性 ならし：　２に９ｆＸ１００ｃｐｍＸ５分テスト：　１
０に９ｆ　Ｘ　６００ｃｐｍＸ５０分潤滑油二ＳＡＩ［
１１０Ｗ相当、α２　ｃｃ／分ミスト状吹き付けまた、
炭化クロムと炭化ケイ素の複合比率を重量比で２０：８
０へ８０　：　２０にすることを好ましい実施態様とし
た理由は、第４図に示し１／ た往復動摩擦試験（以下、実験２というン結果の如＜、
ｏｒｇｅｓの割合が２０％未満になると相手材摩耗が急
激に増大し、８０％を越えると自分自身の摩耗が増加し
てくる為である。なお、テストに供試した試料は相手材
が１７％８１　アルミニウム合金材、ピン母材はｓｘ５
で、形状、仕上は実験１と同じであり、めっき条件もＷ
Ｊｓ図のものと同じである。めっきの内容は表２に表２
　第４図供試材のめつき内容 災に炭化クロムと炭化ケイ素の合計複合率を鉄めっきに
対して５〜２５　ｗｔ％にすることを好ましい実施態様
とした理由は、第５図に示した往復動摩擦試験（以下、
実験３という）結果で明らかなように、Ｓ　ｗｔ％未満
だと自身の摩耗が充分でなく、２５　ｗｔ％を越えると
めつき皮膜が硬くもろくなり、硬質粒子の脱落が起こり
、相手摩耗を促進させるだけでなく、自身の摩耗も多く
なってくる為である。尚、自身及び相手摩耗を考慮する
と１０〜２０　ｗｔ％の範囲がより望ましい。テストに
供試した試料は、相手材が１７１Ｓｉ　アルミニウム合
金材であり、形状、仕上は実験１，２と同じである。ピ
ン（上試片）は、母材、形状、仕上、めっき条件系実験
１゜２と同じである。めっき内容は表３に示すとお′シ
である。摩耗試験条件も実験１，２の場合と表５　第５
図供試材のめっき内容 そして、炭化クロムの粒伍を１０μ以下、炭化ケイ素の
粒径を３μ以下にすることを好ましい実施態様とした理
由は、次の通りである。

Ｃｒ５ａ＊及びｓｌａの粒径全種々変えて、複合鉄めっ
き全行い、往復動摩擦試験（以下、実験４という）を実
施した結果、第６図に示すように、ａｒ、ｃ、の粒径が
１０μを越え、またＳａＣの粒径が３μ金越えると、相
手材の摩耗が急増する為である。自身の摩耗及び相手材
の摩耗の双方を考慮した場合、０ｒ３０２　の粒径は１
〜５μ、ｓｅａの粒径は０．６〜１μの範囲がより望ま
しい。テストに供した試料は、相手材が１７４Ｓｉ　ア
ルミニウム合金でアリ、ピン母材Ｈｓｘ５、形状、仕上
方法は実験１〜３の場合と同じである。第表４　第６図
供試材のめっき内容 次に、本発明の複合鉄めっきを行う方法について説明す
る。

本発明の複合鉄めっきは、土述の岬１弗化浴（最適ｐＨ
Ａ３〜４）に限らず、硫酸第１鉄浴（最適ｐＨ２〜２．
５）、塩化物浴（最適ｐＨ０，２以下）、スルファミン
酸浴（最適ｐＨ２〜２．５）、グアンダロイ浴（商品名
ン等も使用することができる（なお、各浴において、上
記ｐＨｋ上廻ると液が酸化して使用不能となり、未満に
なるとめつき粗れ、分散が悪くなる等の不具合が発生す
る）。電極は、不純物が少ない低炭素鋼が望ましいが、
５ｓ４１材（Ｊ工８Ｇ５１０１（１９７６）−膜構造用
圧延鋼材ン等も使用することができる。また浴温は、低
温になるとめっき硬さが上昇し、クラックが出やすくな
り、高温になり過ぎるとワークの電喰、めっき粗れ等が
出やすくなる為、６５℃付近で行うことが望ましい。更
に、電流密度は高過ぎると分散濃度が下がってしまい、
とびつき等の不具合も発生するので、４〜５Ａ／ａ−が
適正である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について述べる。

第１図に示した往復動摩擦試験機の上試片１（φＢ×２
！ＩＬ、　８に−５、ピン）の端面を１８Ｈの球面に加
工し、本発明による複合鉄めっき金、α２晴厚さにつけ
た後、１８Ｒの球面に研摩加工した。研摩後のめつき厚
さは１１５ｍで、硬さはＨｖ５６３であった。その時の
めつき内容は次の通りである。

浴組成ニホウフッ化第１鉄（Ｆｅ　（ＢＦ４）３）　：
　５０　ｆ／を偵ｅ第１鉄（ＦｅＳＯ４−７Ｈ，Ｏ）　
：　５００　ｆ／１塩化アンモニウム（ＮＨ４０ｔ）　
：　３０　？　／　１浴温：６５℃ Ｎｆｆｆｂ密度：　４　Ａ／ｄｍ”　１時間：４．５Ｈ
ｒ複合材：　ｃｒ、ａ、　４０９／ｌ、　８１Ｃｊ　４
０９／ｌ複合材として使用したｃｒ３ｃ、の最大粒径は
５μ（平均粒径３μ）、ＳｉＯの最大粒径は１μ（平均
粒径０．６μ）であり、めっき中へはほぼ重量比で５０
：５０に入っており、合計複合率は１２ｗｔ％であった
。

比較材として、硬質クロムめっき及びプラズマ浴射によ
るＦｅ−Ｃｒ合金溶射をφ８×２３　のピンの端面につ
け、１８　の球面加工してテストに供した。なお、硬質
クロムめっきの硬さはＨＶ９５８、Ｆｅ−０ｒｉｕ射の
硬さはＨｖ７８６であった。

以上の６種類のピンに対して、相手材として１７％Ｓ１
　アルミニウム合金材とＦｃ２５の鋳鉄材を、第１図に
示した試験機の７ＯＬ×１７ｗ×７を鬼の平板（下試片
）２に加工し、試験面をパフ研摩して、往復動摩擦試験
を実施した結果を第７図に示す。試験条件は前述の実験
１の場合と同じである。

第７図から明らかなように、本発明による複合鉄めっき
は、比較材の硬質り四ムめっき及びＦｅ−Ｃｒのプラズ
マ溶射材に較べて、１７％ｓ１アルミニウム合金材を相
手にした場合でも、ＦＣ！２５の鋳鉄材を相手にした場
合でも、自身の摩耗は勿論、相手摩耗も少なくなってい
る。特に摺動面状況は、１７％Ｓ１　アルミニウム合金
材相手の場合、硬質クロムめっきはスカッフインクぎみ
で摺動キズが多（、Ｆｅ−Ｃ！ｒのプラズマ溶射材は相
手アルミ合金中の硬い初晶シリコンを掘り起こしており
、自身の溶射面も粒子が脱落奮起こしており、摩耗全促
進しているのに対し、本発明による複合鉄めっきは、自
身も相手材も非常に滑らかな摩擦面金星しており、摩擦
材として優れた特性を有していることがわかる。

また、第８図（Ａ）に、上記の本発明複合鉄めっきの１
００倍の顕微鏡写真を示す。第８図（Ａ）中、１１は母
材（ＥＩＫ−５）、１２は純鉄層、１３は複合鉄めっき
層、１４はうめ込み樹脂である。　。

第８図（Ｂ）は、第８図（Ａ）中の複合鉄めっき層１５
０５００倍の顕微鏡写真である。

第８図（Ａ）の純鉄層１２は、複合めっきをする際に、
液の攪拌を行わずにめっきすることによ　４゜シ生成さ
れるものであり、複合鉄めっきを母材（この場合５Ｋ−
５）に直接行うと密着不良を起すために、これを排除す
る目的で生成される。

また、同図中のうめ込み樹脂１４は、断面写真をとるた
めに使用されるものである。

第８図（Ｂ）中、やや大きく○に見えるものがＣｒ３Ｃ
２、・に見えるのが８１０である。

〔本発明の効果〕

以上の様に、本発明の複合鉄めっきは、複合オを炭化ク
ロム＋炭化ケイ素とし、また好ましくは複合割合、Ｆｅ
　めつき中の割合及び粒度全特定することにより、従来
の単独複合材による東金めつきの場合に生じた自身の摩
耗が少い場印は相手摩耗が多く、相手摩耗が少ない場合
は自身の摩耗が多いという欠点を解消し、単独添’１０
によって得られるものより自身の摩耗、相手堺耗共少な
くなるという相乗効果金臭することができ、摺動部材と
して極めて有用であり、そり工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の摩耗試験に使用した公仰の往復動摩擦
試験機の概要図、第２図は摩耗量の評価方法を示す図、
第５図は鉄めっき中への各種複合材の耐摩耗性を見る為
に実施した摩耗試験結果を示すグラフ、第４図はａｒ３
ｃ、とｓｌｃの配合比率を変えてテストした摩耗試験結
果を示すグラフ、第５図は０ｒ３０２＋ＳｉＯの複合比
率を変えてテストした摩耗試験結果を示すグラフ、第６
図はＯｒ、０．と８１０　の粒径と摩耗量の関係を示す
摩耗試験結果のクラブ、第７図は本発明による複合鉄め
っきと、従来の硬質クロムめっきとプラズマ溶射材との
比較摩耗試験結果を示すグラフ、第８図は本発明による
複合鉄めっきの金属組織を示す断面写真である。 代理人　内　１）　明 代理人　萩　原　亮　− 手続補正書 昭和５９年　６　月／夕１］ 特許庁長官　若杉和夫　殿 １、小作の表ンｉ＜ 昭和５９　甲９．１冨′ｊ−願第４１９５８号２・発明
０名称、ｉｉＩ、＠１５性え優ゎ、９鉄いっき３、油止
をする名 ゛１腎′１．との関係　’ｌ’ｌ’ｉｆ’ｌ出１ダ１゛
ｆ人１ｉ１’ｌｉ　東京都中央区八重洲−丁目９番９号
４、代理人 ｆｌ　″す１　東１ｊ轄１こ港区虎ノ門−１’ｌ］１６
計２シナ１７ｇノ門Ｅ代Ｉｌｌビル　屯＋ｆ、Ｔ、（’
、１（１４゜１８９４番氏　乙　イ）゛理１：　Ｌ７１
７９＋　１勺　１１１　明（ほか１名） （１）明細汀の「発明の詳細な説明」の欄（２）　図　
面 ８補正の内容 １（１）　明細書の第２頁１行目の「シリンダ、」なる
記載を［シリンダ（シリンダブロック、シリンダライチ
を含む）、或いはロークリポンプ、ロータリコンプレッ
サーの」と訂正する。 （２）同第９頁下から６行目の「自身の１辛耗」なる記
載を「自身の耐摩耗性」と訂ｉＥする。 （３）　同第１６頁表４の上欄「ｍａｘ粒径」なる記載
を「最大粒径Ｑｌ）」と訂正する。 （４）同第１６頁１行目の「Ｆｅ　−Ｃｒ溶射」なる記
載を「Ｆｅ　−Ｃｒ溶射層」と訂正する。 （５）　同第１８頁３行目の「複合割合」なる記載の前
（／Ｃ「前記両行の夫々の」を加入する。 （６）　同第１８頁６行目の「めっき中の割合」なる記
載を「めっき中の合計癒合割合Ｊと訂ＩＥする。 （７）　同第１８頁１０行目の１摺動部拐として極めて
有用であり、」なる記載を「従って、本発明の複合鉄め
つきを摺動部側に適用すれば極めて有用な効果を発揮し
、」と削正する。 （８）　図面の第２図（Ｂ）及び第３図を別紙のとおり
訂正する。 第２図 （Ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄めっき中に炭化クロムと炭化ケイ素の硬質粒子
   全分散析出させたことを特徴とする耐摩耗性に優れた複
   合鉄めっき。
2. （２）　炭化クロムと炭化ケイ素の複合比率が重量比で
   ２０：８０〜８０：２０にあり炭化クロムと炭化ケイ素
   の硬質粒子の合計が鉄めっきに対して５〜２５　ｗｔ％
   にしたこと金％徴とする特許請求範囲第（１）項記載の
   耐摩耗性に優れた複合鉄めっき。
3. （３）炭化クロムの粒径が１０μ以下であり、炭化ケイ
   素の粒径が３μ以下であることｔ％徴とする特許請求範
   囲第（１）項又は第（２）項記載の耐摩耗性に優れた複
   合鉄めっき。