JPS60208468A - 摺動部材およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野〕 本発明は、摺動部材およびその製造方法に関し、詳しく
は、暴利表面に溶射処理により形成された溶剤層の、全
部もしくはその表層部を、均η合金層となして摺動特性
を改善するごとによっ”（、コーンジン用ピストンリン
グ、シリンダライナ、ピストン等の摺動部に好適に適用
することのできる１８動部材およびその製造方法にかか
る。

〔従来技術〕

エンジンにおいて、性能を向上させる目的での高回転・
高圧縮比化、また、軽量化・燃背向上′１１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、そういっ
た背景にある部品表面に幻する耐摩耗性、耐焼付性、摩
擦特性等の摺動特性を改善する必要性が従来にも増して
高まっており、多くの研究がなされている。

従来、このような試みの一つとして、摺動部に金属、金
属酸化物、炭化物等を溶射処理したり、または、メッキ
処理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。

以下、ピストンリングに例をとって具体的に鋭明する。

ピストンリングのＩＮ動部への耐摩耗性被覆層としては
、鉄系ピストンリング母材の摺動部にクロムメッキ処理
、Ｍｏ金ｍ溶射処理、高炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金熔溶削理等
、％ｆ）Ｉ耗性に優れた被ｒｉ眉を形成する表面処理が
一般に適用されている。

そして、クロムメッキ処理ピストンリングは、慴動する
相手祠であるシリンダライナ鋳鉄材との耐焼付性に劣る
ことから、焼付や、いわゆる、スカッフィングと呼ばれ
る引掻摩耗を発生しやすいという欠点がある。

このための対策とし°ζ、普通鋳鉄にＮｊ、Ｐ。

（、ｒ、Ｍｏおよび、または、Ｂ、Ｎｂ等を添加した低
合金鋳ｒＩ−製シリンダライナを用いることも試７．１
られ′ζいる。

しかし１、このものは、普通鋳鉄（たとえば、ＪＩｓ規
格Ｆ　Ｃ２５）に比較し゛（、鋳造性および機械油Ｌｍ
が悪くなり、従っ′Ｃ、シリンダライナとし“（のコス
トが＋１くなる等の問題がある。

また、ＩＨ動動用周面クロムメッキ処理したピストンリ
ングは、摺動する相手材であるシリンダライナ鋳鉄材の
摩耗は少ないものの、ピストンリング自身の耐摩耗性に
劣るという欠点がある。

また、ＭＯ金属熔溶射ストンリングは、摺動する相手材
であるシリンダライナ鋳鉄材との耐焼付性は良好である
が、ピストンリング自身の耐摩耗性に劣ることや、２５
０℃以上の高温熱負荷となるエンジンにおいては、Ｍｏ
金属の酸化によりピストンリング母材と溶剤層の間、お
よび、溶射層内の結合力が劣化し、Ｍｏ金属熔溶射が剥
離しやすくなったりする欠点がある。

加えて、Ｍｏ金属自体が高価であることから、ピストン
リング製品としても高価となるという欠点もある。

一方、高炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金熔溶射ストンリングにおい
ては、クロムメッキ処理品、Ｍｏ金属溶射処理品に比較
して摺動部材自身のｉ４摩耗性に優れ、また、溶剤層の
酸化劣化は少なく、剥離等の問題は発生しない。

しかし、この高炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金熔溶射ストンリング
は、摺動゛」る相串祠であるシリンダライナ紡鉄月が軟
らかい普通鋳鉄の場合においては、シリンダフ・イリ・
側の摩耗が多くなるという欠点がある。

このような欠点をもつ溶削ビス１ンリングのなかで、特
に、ＭＯ金属熔溶射ストンリングの優れた画境（＝Ｊ性
に着目し、このＭＯ金属熔溶射ストンリングの欠点であ
る摺動部材自身の耐摩耗性、耐熱劣化性を改善するため
に、Ｎｉ基自溶性合金粉末の混合合金粉末によるプラズ
マ溶射ピストンリンクの使用が試みられている。

ごの〜１ｏ金属粉末とＮｉ基自熔性合金粉末の混合合金
１５〕末によるプラズマ溶射によって、ピストンリング
としＣの自身の耐摩耗性、ｉ（熱劣化性は、Ｍ　ａ　ｒ
８躬ピストンリングに比較して著しく改善されるが、特
に、相゛Ｉ′−月が普通鋳鉄製シリンダライナごある場
合には、まだ、耐摩耗性、耐熱劣化性５耐焼付性につい
て充分バランスのとれたものとなっていない。

この理由は、これらの混合合金粉末に使用されるＮｉ基
自熔性合金の耐摩耗性に起因しており、公知材として用
いられているＮｉ基自熔性合金が自溶性を得るために、
Ｂ、Ｓｉを必須の成分とし、他にＣｒ、Ｃを含有するご
とによって、硼化物や炭化物を生成させて耐摩耗性を高
め”ζいるからである。

このため、これらの生成物の硬さが非常に高い（炭化物
ではＨｖ１２００以上）ことから、摺動する相手材を損
傷しやすいという欠点がある。

このように、ＭＯ金属粉末と一般的なＮｉ基自熔性合金
粉末の混合合金粉末のプラズマ溶射では、いかなる配合
比率で混合した合金粉末を用いても、ピストンリングと
して摺動部材自身および摺動する相手材の耐摩耗性、耐
熱劣化性、耐焼付性の全てを満足するものとはならない
という欠点がある。

ところで、上述のような溶射処理によって形成された溶
剤層の特性として、表層部の凹凸形状（表面粗さ）が、
クロムメッキ処理等と比較して非常に大きいことから、
苛酷な使用条件下においては特に摺動する相手材である
シリンダライチ鋳鉄月に極めて、ハしいＩＩ耗を引き起
すことがある。

この現象は、溶剤１−内の気孔の存在が避けられ４いご
とから、表１一部の凹凸がＦＪ滅した後におい゛Ｃ露出
したｆＪｉたな表層部においても凹凸形状となっζ、同
様な挙動を防止することはできない。

また、溶射１−は、一部を除いて母材とは機械的結合と
なっていることから、その当然の結果として密着性が充
分でなく耐剥離性が充分でないという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上述の従来技術の欠点を解消するためになさ
れたもので、基材表面に溶射処理することにより形成さ
れた溶射層の、全部もしくはその表１偕部を、均質合金
層となすことによって、耐摩耗性、１焼（；Ｊ性、耐熱
劣化性、摺動する相手材に対する損傷性が少なく、しか
も、母材との密着性を改善してピストンリング、シリン
ダライナ、ピストン等の摺動部に好適に通用することの
できる、摺動部祠およびその製造方法を提供することを
目的としている。

〔発明の構成〕

このような目的は、本発明によれば、基材表面に溶射処
理することにより形成された溶射層の、全部もしくはそ
の表層部を、均質合金層となしたことを特徴とする摺動
部材、および、基材表面に溶射処理することにより形成
゛された溶剤層に、レーザ、電子ビーム、ＴＩＧアーク
等の高密度エネルギを照射することによって、前記基材
表面に形成された溶射層の、全体もしくはその表層部に
、均質合金層を形成することを特徴とする摺動部材の製
造方法によって達成される。

（発明の作用） 以下、本発明の摺動部材の作用について、第１図に示す
ようなピストンリングに例をとって説明する。

即ち、本発明の摺動部材であるピストンリング１の慴動
部（外周面）４には溶射層２が形成され、その溶射層２
の表層部から２μ以上の深さで均質合金層３が形成され
ている。

そして、このように本発明の均質合金層３の形成された
１μ動部４は、従来の溶射層２だりの場合と比較し”（
表層部を緻密化することができ、さらに、ピストンリン
グ（母材）１と均質合金層３との間には、一部合金屓５
を形成することにより、溶射層２．均質合金屓３．ピス
トンリング（母材）１との間に強固な密着性をもたせる
ことができるのである。

また、溶射層２は耐摩耗性および耐酸化性に優れた溶射
層であり、表層部の均質合金層３はこれらの特性を損な
うことなく、従来の溶射層に見られたような気孔を経由
しての母材や溶射層の酸化を防１１二することができる
。

なお、この均質合金層３の深さが溶射層２全体に及ふよ
うな場合においても、上述と同様な効果が得られること
は発明者らの研究により明らかとなっている。

Ｊ二連のように、本発明のピストンリング（摺動部４わ
は、従来、Ｉ′１１酷な使用環境条件下、たとえば、ｉ
ｎＩ船ガソリンを用いたエンジンにおいてのシリンダラ
イナ（し１示せず）の摩耗１強い酸化性雰囲気による溶
射Ｎ２の酸化、さらに、溶射Ｎ２とピストンリング（母
材）■の密着性劣化等の問題を解決することができるも
のである。

なお、この均質合金層３の深さは２μ未満では溶剤層２
の表層部の凹凸部全域に渡って形成することができない
ことから、２μ以上は必要である。

〔実施例〕

以下、添付図面に基づいて、本発明の詳細な説明する。

（実施例１） 外径φ３５ｍｍ、内径φ３０璽ｍ、幅１０鰭の低合金鋼
製円筒試験片の外周面に、従来材である高炭素Ｆｅ−Ｃ
ｒ合金粉末およびＭＯ金属粉末を使用して、各々０．２
〜０．３ｕ厚さでプラズマ溶射した状態の試験片Ａおよ
びＢを製作した。

また、厚さ０．１５鰭のクロムメブキ処理して試験片Ｃ
を製作した。

さらに、本発明材として高炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末を０
．２〜０．３龍の厚さでプラズマ溶射した後、ＴＩＧア
ークによる高密度エネルギを照射して、均質合金ｊ−厚
さを１．２．５．１００μとなるように形成した試験ハ
１）ないしＧを製作した。

そし゛Ｃ８前記試験片ＡないしＧにおける、溶射処理状
態面、クロムメッキ処理面、ｆ６射処理後の均質合金層
面を研削仕上した。

なお、ごこで試験片Ａ、Ｄ、）’、、Ｆ、Ｇに用いた＋
１１１炭素ｌ’　ｅ　Ｃｒ合金４５）末は、Ｆｅ−６０
Ｃｒ７Ｃの組成を有する合金粉末を、また、試験片［３
に用いたＭｏ金属粉末は純［９９％以上の純ＭＯわ）未
とした。

そして、各々の試験片の加工は、上述の研削仕１−後、
ラップ仕−ヒげを実ｂｉシ、仕上加工後の被覆ｌｔｉ厚
さをＱ、　ｌ　ａｓにそろえた。

この時の表面ｔ１１さは溶射処理状態語で２〜６μＲｚ
　、クロムメッキ処理品で０．５〜１．２μＲｚ。

本発明の実施例である溶射処理後均質合金１畜を形成し
た試験ハでは０．４〜１．　ｌμＲ２であった。

この結果から明らかなように、本発明の実ｈ＆！例であ
る、溶射処理後均質合金層を形成した試験片では、緻密
な面の形成されていることが理解され上記試験片を摺動
する相手材である、大きさ１６＋ｕＸｌＯｕ＋Ｘ６ｍｍ
の普通鋳鉄（ＪＩＳ規格ＦＣ２５）試験片の端面（１６
＊ｍＸ　Ｉ　Ｏｍｍ）とＩｎ接させ、摺接面に潤滑剤と
してモータオイルＳ　Ａ　ＥＨ１１を供給しながら、回
転数１６Ｏｒｐｍ、１１１１８０Ｋｇで１時間の摩擦摩
耗試験を実施した。

ここで、Ａｒｔを１８０にｇとしたのはエンジンの苛酷
条件を想定して、このように高荷重としたものである。

この時の摺動部材自身および１Ｎ動する相手材の摩耗量
を第２図に示す。

第２図において、上方は摺動部祠である回転試験片であ
る溶射処理状態品、クロムメッキ処理品。

溶射処理後均質合金層形成品のそれぞれの摩耗量（摩耗
Ｎ　ｌ　ｍｇ）を表示し、下方は摺動する相手材である
普通鋳鉄の摩耗量（摩耗痕深さμ）を表示し、図中の人
ないしＧの符合は上述の説明において用いた符合と一致
させである。

第２図のＩｔＪ擦摩耗試験結果と試験後の試験片の１％
＜　１４面の観埼）モに、１、す、以上のことが明らか
となった。

（１）、１Ｆ１１炭素Ｆｅ　Ｃｒ合金溶射処理状態品（
試験）１Δ）は、摺動部自身の摩耗量は少ないが摺動゛
４る絹目Ａに対”４−るｌｒ４傷が著しい。

■、Ｍ　ｏ　１ｇ射処理状態品（試験片Ｂ）は、摺動部
４４自１目０１′１１耗化１１（動する用手祠に対する
（１１傷１？１ともに商店、÷’、　Ｆｅ　−Ｃｒ合金
溶射処理状態語（試験ハＡ）に比較し°ζ大きい。

■、りｕ　ｌ、メッキ処理品（試験片Ｃ）は、摺動する
相手材に対するｔｉ傷性は少ないが、焼（（Ｊを発生ず
ることから摺動部＋、（自身の摩耗量が著しく大きい。

■、溶射処理後均質合金層形成品であっても均質合金層
を１μとした試験片りは、摺動部材自身の摩耗量、　１
１？動する相手＋Ｊに対する損傷性ともに、Ｉｎ１炭素
Ｆ　ｅ　−Ｃｒ合金溶射処理状恕品（試験片Ａ）とほぼ
同等のレヘルを示し、摺動する相手材に幻”４るｆｉｌ
（１％性が大きく均質合金層を形成した効果が認められ
ない。

これに対し、溶射処理後均質合金層形成品であって均質
合金層を、それぞれ、２．５．１００μ形成させた試験
片Ｅ、Ｆ、Ｇでは、いずれも、ＩＦ？動部材自身の摩耗
９が他の試験片と比較し°ζ著しく少なく、高炭素Ｆｅ
−Ｃｒ合金熔溶射理状態品（試験片Ａ）と同等もしくは
それ以下となり、良好な摺動特性を示した。

また、摺動する相手材に対するｒａ！ｌＩ性も溶射処理
状態語（試験片Ａ、Ｂ）に比較して極めて少なくクロム
メッキ処理品（試験片Ｃ）と同等もしくはそれ以下とい
う良好な結果となった。

以上の結果から、溶射処理後２μ以上の均質合金層を形
成した試験片Ｅ、Ｆ、Ｇでは、摺動部材自身の耐摩耗性
および摺動する相手材に対する損傷性から見て、綜合的
に優れた摺動特性を示すものであることが明らかとなっ
た。

なお、均質合金層の厚さを３μから溶剤層全体に渡って
、種々の深さとして摺動特性を評価したところ、均質合
金層の深さが２μ以上であれば、いずれも、同様に優れ
た摺動特性を示すことを発叩打らは蒲認している。

（実施例２） 実施例１においζ用いた試験ハのうち溶射処理品（ある
ａｌ（験ハへ、１．（、Ｄ、Ｅ、Ｉ”、Ｇに対し、Ｆ記
の方法により〜着熱劣化性の評価試験を実施した。

即ら、人気中に°Ｃ３００℃の炉内加熱と炉外冷却を２
００回繰り返し、溶射屓内の酸化、クラック発］１−等
による熔Ａ４　Ｉｉｆ内におりる熱劣化状態、および、
溶射ｊ−と１１４の境界における熱劣化状態を観察した
。

以下、Ｉ＆ｉ１熱劣化ａＫ験後の試験片観察結果につい
て説明する。

１１］１炭素Ｆ’　ｃ−Ｃｒ合金溶射処理状態品（試験
片／）は、溶射層においては試験前とほぼ同様の正−■
状態であるが、溶射層と母材の境界において一部酸化お
よびクラックの発生が認められた。

Ｍ　Ｏ？’ａ射処理状態品（試験片Ｂ）は、ＭＯ金属熔
溶剤の酸化が著しく、溶射層の半分以上が脱落ｔいしり
、Ｉ＋　１０１し′（、このため、母相の酸化も著しい
ことが明らかとなった。

また、溶剤処理後１μの均質合金層を形成した試験片り
は、はぼ高炭素Ｆｅ−Ｃｒ合金熔溶射理状態品（試験片
Ａ）と同様な熱劣化状態であった。

一方、溶剤処理後２μ以上の均質合金層を形成した試験
片Ｅ、Ｆ、Ｇにおいては、試験後においても試験前と同
様な状態で溶射層および均質合金層における熱劣化は認
められず、また、溶射層と母材との境界における酸化、
クランク等も認められなかった。

上述の結果から、溶剤処理品においてその表層部に２μ
以上の均質合金層を形成することによって、酸化性雰囲
気から溶射層および母材の酸化を防止することができ、
ひいては、溶射層の密着性の劣化を防止できることが理
解される。

このような結果は、均質で気孔のない均質合金層が溶射
層の表面を被覆していること、均質合金層と母材との境
界部が合金化していること等に起因していると考えられ
る。

（実施例３） 実施例１の試験片Ｅ、Ｆ、Ｇの製作方法の説明で示した
諸元にてピストンリングを試作し、エンジン実ｔａ耐久
試験を実施した。

この場合、第１図に示す摺動部４およびピストンリング
の上下面６の両方に溶剤処理を実施し、Ｔ　ｒ　Ｇアー
クを照射して均質合金層３を形成した後、仕上加−「を
行った試験片を上記エンジン実機耐久試験に供した。

このエンジン実機耐久試験の結果、本発明の溶射処理後
２μ以上の均質合金層を形成した試験片Ｅ、Ｆ、Ｇは、
いずれもピストンリングとして優れた耐久性を有してい
ることが確認できた。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる摺動部月お
よびその製造方法によれば、基材表面に溶剤処理するこ
とにより形成された溶射層の、全部もしくはその表層部
を、均質合金層となずことによっ゛Ｃ，耐摩耗性、耐焼
画境性、耐熱劣化性、摺動する相手相に対する損傷性等
の摺動特性に優れ、しかも、母材との密着性を改善して
ピストンリング、シリンダライナ、ピストン等の１ｇ動
部に好適に適用することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の摺動部材を適用したピストンリング
の横断面図。 第２図は、本発明のｔａ動部材の摩擦摩耗試験結果を示
すグラフである。 １−・−ピストンリング（母材）。 ２−−一溶射層。 ３−・−均質合金層。 ４−・−摺動部。 ５−−−一母月と均質合金層の合金層。 Ｇ−・−−−−ピストンリング上下面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［、基祠表ｕｌに溶射処理することにより形成された溶
   射層の、全部もしくはその表層部を、均質合金層となし
   たごとを特徴とするＩＮ動部祠。 ２、均質合金層の深さが２μ以上である特許請求の範囲
   第１項記載の摺動部材。 ３、エンジン用ビス（・シリンダに適用した特許請求の
   範囲第１項、または、第２項記載の摺動部材。 ４　糸材表面に溶射処理することにより形成された／ｇ
   　ＩＡＪ屓に、レーザ、電子ビーム、ＴＩＧアーク等の
   ＋１１ｉ密度エネルギを照射することによって、１）；
   ｊ記Ｊ甜Ａ表面に形成された溶剤層の、全体もしくはそ
   の表層部に、均質合金層を形成することを特徴とする摺
   動部材の製造方法。