JPS6028902B2 - 溶射表面層 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特に耐スカツフ性にも耐摩耗性にも優れた溶射
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に高速で
摺動する機械部品としては、耐摩耗性を付与するために
摺動面に硬質クロムめつきを施したものが古くから広く
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し、保油性がなく、摺
動中にスカッフを起し易いという欠点を有している。そ
こで、耐スカッ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ってきている。

モリブデンを溶射た表面層は多孔質であるために良好な
保油性を有し、かつ耐スカッフ性に優れているという利
点を有しているが、他方、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、棚素、珪素等からなる自溶合金粉を添加、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っていない。

例えば、米国特許第３６９０６８６号にはＭｏベースで
Ｎｉ，Ｃｒ等の自溶合金を混合したプラズマ溶射村が、
米国特許第３８１４４４７号にはＭｏベースで上記目溶
合金とＷＣ−Ｃｏ合金とを混入したプラズマ溶射村が開
示されている。しかしながら、前者は溶射層自体の摩耗
が多い上に耐スカッフ性も不良であり、後者は相手材の
摩耗が大きいという欠点がある。米国特許第３９３８８
１４号にもＣｏ７５％とＭｏ２５％との合金と、Ｃ，Ｓ
ｉ，Ｃｒ等の自港性合金と、純粋のＭｏ粒子との混合物
からなる溶射材が述べられているが、この熔射層はスカ
ツフ抵抗が低く、しかもＭｏ量が多いためにサーマルシ
ョックが生じ易くなると考えられる。米国特許第３９８
８１１ｙ戦こよれば、ＭｏとＦｅ合金とを混合溶射して
いるが、得られた港射層の耐摩耗性が悪く、膜強度が弱
いものと思われる。

これは、熔射粒子間の結合力を向上させる元素が存在し
ないことに基くものである。またＭｏ等の金属素地中に
金属酸化物や金属炭化物粒子を分散させた溶射層は数多
く知られているが、これらのセラミックは一般に高硬度
で脆く、摺動中に溶射表面層から脱落して相手材を摩耗
させるという欠点を有している。こうした欠陥を解消す
るために、本出願人は、Ｍｏ溶射層の優れた耐スカッフ
性を損うことなく、耐摩耗性にも優れた溶射表面層を特
魔昭５４一６８８３２号として既に提案した。この先願
発明は、Ｍｏ２５〜５０％，Ｆｅ４０〜６５％，ＣＩ．
５〜２．５％，Ｎｉ３〜１０％，Ｃｒｏ．９〜２．５％
，Ｓｉ及びＢが合計で０．３５〜１．０％（このうちＳ
ｉは０．２〜０．６％）から実質的になる材料の溶射に
よって形成され、かつ、少なくともニッケル、クロム、
珪素、棚素、炭素は夫々合金となっている耐スカツフ性
、耐摩耗性に優れた溶射表面層に係るものである。この
港射表面層は特にプラズマ溶射法によって形成するが、
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
溶射表面層を形成するこができ、好都合である。またこ
の溶射表面層はモリブデン粉及び鉄粉を主体とし、これ
に少量のニッケル、クロム、珪素、炭素及び棚素からな
る自溶合金粉を添加、混合した混合粉を特プラズマ溶射
して形成する。なお溶射表面層をＮｉ−Ｃｒ合金を包含
したＭｏとＣｒ３Ｃ２との混合物で形成したものが知ら
れている（米国特許第３５５６７４７号）が、これは鉄
粉が著しく少ないと共に金属素地が少なく、逆にＣｒ３
Ｃ２が多すぎるために、相手材の摩耗が激しくなり、ま
た表面層が繊密性に乏しく、耐スカッフ性が劣化すると
い欠点がある。本発明は、前記先腰発明の特長を生かし
つつ、耐スカッフ性を損わず、耐摩耗性を更に向上させ
るべくなされたものであって、‘ａ｝ 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
棚素が合計で０．３５〜１．０％（このうち珪素は０．
２〜０．６％）から実質的になる材料の溶射によって形
成されたものであること。

‘ｂ｝ 鉄及び炭素の大部分が互いに合金となっている
と共に、ニッケル、クロム、珪素及び棚素も夫々合金と
なっていること。を夫々構成とする金属素地中に硬度の
比較的低い炭化クロム粒子（望ましくは、粒径３０〜１
０５山のＣｒ３Ｃ２粒子）が分散された組織を有し、前
記金属素地が８５〜９３％、前記炭化クロム粒子が６〜
１５％の割合を占めることを特徴とする溶射表面層に係
るものである。

まず、本発明の溶射表面層の金属素地の組成について説
明する。

モリブデンの量が２５％未満ではモリブデン溶射表面層
が本来有する優れた耐スカッフ性が損われるようになり
、５０％を超えるとＨｖ４５０〜５５０のやや低い硬度
を示す部分が多くなって耐摩耗性が改善されないので、
Ｍｏの量的範囲を２５〜５０％にしなければならないが
、２７〜４６％が更に望ましい。

鉄は溶射表面層の硬度を高めて耐摩耗性に寄与するが、
特に炭素と合金化した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のが望まし
い。鉄の配合量は、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、他方６５％を超えると却っ
て溶射表面層自体の摩耗が多くなるので、鉄の量的範囲
を４０〜６５％とすることが不可欠である。またこの範
囲が最も耐スカッフ性が更に改善される範囲である。鉄
の量的範囲と同様の理由で、炭素の量を１．５〜２．５
％（望ましくは１．５５〜２．４０％）にする必要があ
る。ニッ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′甥華度
を加えることが好ましい。この添加量が多くなると耐ス
カッフ性が損われる。また、ニッケルとクロムの比率は
ほ）、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。不可欠な量的範囲は、ニッケ
ル３〜１０％（望ましくは３．５〜９．５％）、クロム
０．９〜２．５％（望ましくは０．９２〜２．３０％）
である。ニッケル及びクロムは合金粉として溶射材料に
配合するのがよい。ニッケル粉及びクロム粉を溶射材料
に夫々配合しても上記の様な効果は得られ難く、その上
、クロムの酸化物が多く生成されて相手材を摩耗させる
のであまり望ましくない。ニッケル、クロムに少量の珪
素、炭素、棚素を添加してなる合金は所謂自熔合金のカ
テゴリーに含まれる合金であって、溶射表面層を繊密に
してその機械的強度を改善し、耐摩耗性に寄与するが、
珪素及び棚素の合計が０．３５％未満では効果が不充分
であり、他方、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、珪素
及び棚素の合計量を０．３５〜１．０％にする必要があ
る。

棚素は０．１５〜０．４５％含まれるのが望ましい。特
に珪素は目溶（ＳｅｌｆＦＩ皿ｉｎｇ）性に最も寄与す
るが、０．２％未満では効果や不十分であり、他方、０
．６％を超えると溶射表面層の機械的強度を却って低下
させるようになるので、珪素の量は０．２〜０．６％の
範囲でなければならないが、０．２１〜０．５５％が更
に望ましい。本発明の溶射表面層中の金属素地の占める
割合は、クロム炭化物（特にＣｒ３Ｃ２）の量を６〜１
５％（望ましくは７〜１４％）とするので、８５〜９４
％となる。溶射表面層中に分散させるクロム炭化物は、
Ｃｒ３Ｃ２なる分子式を有し、かつ粒径３０〜１０５仏
のものが好適である。この炭化物粒子はハードスポット
となって第１損動面を形成し、耐摩耗性に寄与する。Ｃ
ｒ３Ｃ２はＨｖ１３００程度であり、炭化物の中で低い
硬度を有しており、衝撃に対して破砕され難いと考えら
れ、また溶射表面層から脱落したとしても相手材の摩耗
は軽微で済む。また、溶射材料の主体である鉄粉との濡
れ性が良好であり、溶射表面層の機械的強度を損なうこ
とがない。クロム炭化物の量は６％禾満では効果が不十
分であり、１５％を超えると溶射表面層の繊密性が損な
われ、かつ耐スカッフ性が損なわれる。次に、本発明の
溶射表面層を形成するための溶射材の具体例を説明して
おく。溶射材の組成（但、Ｃｒ３Ｃ２は含まず）として
、下記表−１に示すものを使用する。

表一１ 兼１）メテコ社製の商品名（以下同じ）であって、Ｍｏ
粉とＣ，Ｃｒ ，Ｎｉ等の宮溶合金粉とを機械的に混合
したもの。

＊２）メテコ社製の商品名（以下同じ）であって、白鋳
鉄粉の表面ＫＭｏを被覆したもの。

そして、このメテコ５０５とメテコ３５０との混合物に
、更に下記表−２のようにＣｒ３Ｃ２粉を添加したもの
を本発明では使用することができる。表−２ 註）上記成分のうち、Ｃ及びＣｒはＣｒ３Ｃ２中の成分
量は含まない。

また本発明においては、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｂ，Ｓｊ等の自溶
合金成分は、ＪＩＳ日８３０３に規格化された下記表−
３に示す溶射材の選択によって供給することができる。
表−３ 溶射は極めて短時間に加熱、溶解、凝固、冷却が進行す
る工程であり、ニッケル及びクロム、並びに珪素、炭素
、棚素は夫々単一の粉末を配合して熔射するよりもこれ
らを合金粉として配合する方が、熔解の過程で均一に溶
け合うので望ましい。

なお、ニッケルークロム合金粉及び珪素−炭素−棚素−
マンガン合金粉も使用できるが、上記のように所定の比
率となるような単一のニッケルークロム−珪素−炭素−
棚素合金粉を使用するとよい。以下、本発明を例示して
更に詳細に説明する。

まず、本発明における金属素地の組成及びその作用効果
を述べる。第１図及び第２図は、金属素地を形成するた
めの溶射混合粉の配合比を種々変えて得られた溶射表面
層（Ｃｒ３Ｃ２を含まず）とシリンダ用鉄とを組合せ、
摺動させて摩耗試験を行なった結果の一例である。溶射
混合物の配合比は下記表−４に示す通りである。表−４ 言王１）鉄及び炭素の大部分は自鋳鉄粉として、Ｎｉ，
Ｃｒ，Ｓｉ及びＢは合金粉として配合。

言王２） Ｂ，Ｃ，Ｄの配合が本発明における金属素地
形成用の溶射材組成の具体例である。

これらの混合粉を５柳×５側×１仇肋の角柱状鏡鉄製試
験片の正方形端面に夫々溶射し、研磨仕上を施して厚さ
０．３柳の溶射表面層を形成させた。

総射条件は以下の通りである。使用ガン：メテコ社製弧
伍 電流：４５０〜５００Ａ、電圧６１Ｖ 使用ガス：アルゴン水素混合ガス アルゴン１１皿３／ｈｒ、 水素１ｍｔ３′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っ
た。

試験機は、第３図Ａにその要部を図示している。即ち、
ステータホルダ２に取外し可能に取付けられた直径８仇
肋、厚さ１１側のＦＣ２５製の円板３の中央には、裏側
から注油孔４を通じて潤滑油が注油される。また、図示
しない油圧装置によってステータホルダ２に図面右方向
に所定圧力で押圧力が加わるようにしてある。円板３に
対向して、ロータ５に鉄合された試験片保持具６の回転
軸の同０円上に等間隔に設けられた穴に４個の試験片７
が綾合され、試験片７の溶射表面層８が円板３と接触す
るようになっており、図示しない駆動装置によって所定
速度でロータ５が回転するようにしてある。このような
試験機によって、接触圧力１００ｋ９／ｃ虎、摩擦速度
３，５，８ｍ／ｓｅｃ、摩擦距離２００ｋｍ、潤滑油モ
ータオィル＃３０、油温８０００、給油量０．４と／柵
の条件で、溶射表面層８を円板３に対して摺動させて両
者の摩耗量を測定した。第１図及び第２図において、溶
射表面層８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
験片との摺動によっ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。

これによれば、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って溶射表面層の摩耗量が減
少し、他方、モリブデン、ニッルークロム合金の割合が
増加するに従って相手材の摩耗量が増加する傾向にある
ことが分る。相手材の摩耗を考慮すると、特にＢ，Ｃ，
Ｄの配合によって得られた溶射表面層が優れた耐摩耗性
を示している。なお、比較のために、Ｍｏ３０％，Ｆｅ
５５％，Ｎｉ９．２２％，Ｃｒ２．４０％，Ｓｉｏ．２
５％，ＢＯ．５１％，Ｍｎｏ．０５％と本発明の組成範
囲にあるが、Ｃが０．１７％と極端に少ない溶射材かち
得られた溶射表面層について実験したところ、溶射表面
層の摩耗量は２２仏、相手材の摩耗量は１．９５の×１
０‐４であっていずれも不適当であった。また溶射材と
して、Ｆｅ４０％及びＭｏ６０％からなるものを使用し
た場合には溶射表面層の摩耗量は２３仏、相手材の摩耗
量は１．７５地×１０‐４であり、Ｍｏ８５％及び目漆
合金１５％からなるものを使用した場合には溶射表面層
の摩耗量は２１山、相手材の摩耗量は１．６の×１０‐
４であったので、本発明の優位性が証明された。次に、
上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った。

試験条件は接触圧力、摩擦速度、摩擦距離を条いては摩
耗試験に於けると同一であった。第３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４０ｋ９
／地に、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１０
ｋｇ／のづつ上昇させていき、港射表面層８と円板３と
の間の摩擦によってステータホルダ２に生ずるトルク（
摩擦力）Ｆを、第３Ａ図のｍＢ−ｍＢ線矢視側面図であ
る第３Ｂ図に示すように、スピンドル９を介して。ード
セル１０１こ作用せしめ、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
ついてトルクＦが急激に上昇する時にスカッフが起った
ものとし、この時の接触圧力を比較して耐スカッフ性の
評価を行なった。試験結果は第４図に示す通りである。

これによれば、Ｂ，Ｃ及びＤの配合による溶射表面層が
耐スカッフ性に非常に優れていることが分る。なお従来
のＭｏ溶射では１４０ｋ９／めでスカツフが発生し、硬
質Ｃｒめつきでも１１０ｋ９／めでスカッフが発生し、
いずれも不適当である。第５図は、Ｃｒ３Ｃ２粉を上記
組成範囲の溶射材に添加してなる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
、これらを相対的に階動させて摩耗試験を行なった結果
の一例である。

溶射混合粉の配合比は下記表−５に示す通りであり、実
験方法は上述した金属素地に就いての実験方法と同一方
法であった。表一５ 註）試料Ｇ，日，１及びＪが本発明にょる溶射表面層形
成用の溶射材組成の具体例である。

第５図には、比較のために、従来の酸素−アセチレン炎
によるモリブー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った結果が併記してある。同
図から、６％以上のＣｒ３Ｃ２の配合によって、溶射表
面層自身の摩耗が減少することが明らかであって、従釆
のモリブデン溶射表面層に比べては勿論、硬質クロムめ
つき層に比べても優れた耐摩耗性を示している。また相
手村の摩耗も少なくなっている。上記摩耗試験に供した
と同一の試験片についてスカッフ試験を行なった。

実験方法は上述した金属素地に就いての実験方法と同一
方法であった。試験結果は下記表−６に示す通りである
。泰一６ この表から、Ｃｒ３Ｃ２の配合によって耐スカツフ性は
や）低下し、配合量が１８％になるとその影響が明なか
に願われることが判る。

然し、Ｃｒ３Ｃ２配合量が１５％迄は、耐スカツフ性に
優れるといわれる従来のモリブデン溶射表面層に比べて
もかなり優れた耐スカッフ性を示している。次に、第６
図に示すように、１２５肋×４肋×４．５肌の球状黒鉛
鋳鉄製ピストンリング２１の外周面に、幅２．５肌、深
さ０．２５側の帯状溝２３を削設し、この溝に上記表−
５中のＣ及び日の配合の混合粉を夫夫溶射し、研魔仕上
を施して溶射表面層２２を形成させた。

１が本発明による溶射表面層である。

このピストンリングをシリンダ径１２５肋、６気筒、水
冷、４サイクルディーゼルエンジンに組込んで実機試験
に供した。シリンダラィナの材料はＦＣ２５であった。
試験条件は、回転数２００仇ｐｍ、全負荷、油温１００
００、冷却水温８０ｏｏ、運転時間２００時間とし、試
験後にピストンリング及びシリンダラィナの摩耗量を測
定した。比較のために、従来の酸素−アセチレン炎によ
るモリプデン溶射表面層を同様の寸法で形成させたピス
トンリングと、外周面に硬質クロムめつきを施したピス
トンリングとについて同様の試験を併せて行なつた。試
験結果は第７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った
部分の半径の増加量（段摩耗値）で示してある。この結
果から、本発明による熔射表面層を有するピストンリン
グはそれ自身の摩耗、相手材であるシリンダラィナの摩
耗と共に、従来のモリプ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っており、優れた耐摩耗性を
備えていることが分る。以上説明したように、本発明の
溶射表面層は特に、従来のモリブデン熔射表面層に比べ
て耐スカッフ性に優れている上に、既存のものより耐摩
耗性が大幅に改善されており、特に相手材の摩耗が少な
い。

従って、内燃機関のピストンリングやシリンダラィナの
ような苛酷な運転条件下で使用される摺動部材に好適で
ある。或いは、ピストンリング及びシリングラィナ等の
両摺動面に、本発明の溶射表面層を形成することも可能
である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明を説明するものであって、第１図は金属素
地形成用の溶射材中のＭｏ含有量による摩耗量及び耐ス
カッフ性を従来材と比較して示すグラフ、第２図は同溶
射村中のＦｅ含有量による摩耗量及び耐スカッフ性を従
来材と比較して示すグラフ、第３Ａ図は摩耗及びスカッ
フ試験に使用した試験機の要部の断面図、第３Ｂ図は第
３Ａ図のｍＢ−皿Ｂ線側面図、第４図はスカッフ試験で
得られた接触圧力とトルクとの関係を比較して示すグラ
フ、第５図は溶射材中のＣｒ３Ｃ２の配合量による摩耗
量及び耐スカッフ性を批鮫して示すグラフ、第６図は試
験に供した実際のピストンリングの断面図、第７図は同
ピストンリングを使用した試験で測定された摩耗量を比
較して示すグラフである。 なお図面に用いられている符号において、３・・・円板
（相手村）、４…注油孔、７・・・試験片、８，２２・
・・溶射表面層、２１・・・ピストンリング、である。 第１図第２図 第３Ａ図 第３Ｂ図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （ａ）モリブデン２５〜５０％、鉄４０〜６５％、
   炭素１．５〜２．５％、ニツケル３〜１０％、クロム０
   ．９〜２．５％、珪素及び硼素が合計で０．３５〜１．
   ０％（このうち珪素は０．２〜０．６％）から実質的に
   なる材料の溶射によつて形成されたものであること。 （ｂ）鉄及び炭素の大部分が互いに合金となつていると
   共に、ニツケル、クロム、珪素及び硼素も夫々合金とな
   つていること。を夫々構成とする金属素地中に硬度の比
   較的低い炭化クロム粒子が分散された組織を有し、前記
   金属素地が８５〜９４％、前記炭化クロム粒子が６〜１
   ５％の割合を占めることを特徴とする溶射表面層。