JPS6334239B2

JPS6334239B2 -

Info

Publication number: JPS6334239B2
Application number: JP59041958A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Iwaizumi; Yoichi Shimizu
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1988-07-08
Also published as: JPS60187699A

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
（シリンダブロツク、シリンダライナを含む）、或
いはロータリポンプ、ロータリコンプレツサーの
ベーン材に好適な耐摩耗、耐焼付性に優れた皮膜
である複合鉄めつきに関する。〔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
ロムめつき、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、
硬質クロムめつきはエンジンの高速、高出力化に
伴う摺動条件の悪化に対応しきれなくなりつつあ
り、溶射は自身の耐摩耗、耐焼付性には優れたも
のを有しているが、相手シリンダ摩耗が多くなる
傾向にあり、充分普及するに至つていない。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Siアル
ミニウム合金に対して、硬質クロムめつきは自身
の摩耗が多く、特に耐焼付性に劣る為使用できな
いでおり、溶射もアブレツシブな摩耗になりやす
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SiCを分散させた複合鉄
めつきが提案されている（例えば、特公昭57−
58439号公報）。しかし、SiCを分散させた複合鉄
めつきの場合、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つてはいない。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かりでなく、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
つきの中の炭化クロムと炭化ケイ素の硬質粒子の
両方を、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つきに対して５〜
25wt％になるように、分散析出させることを特
徴とするものであり、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出の場合と同等
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、鉄めつ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、鉄めつき中に分散させる複合材としてSiC、
Cr₃C₂、TiC、TiN、Cr₂O₃、Al₂O₃の硬質粒子を
候補に上げ摩耗試験を実験した（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（A390）相手の場合でも、ねずみ鋳鉄
（FC25）相手の場合でも、上記硬質粒子の単独を
鉄めつ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Cr₃C₂とSiCの
組み合せは、夫々単独に鉄めつき中に分散させた
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。従つて、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はピン（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。摩耗量の評価
は、第２図Ａに示すピン（上試片）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))）２につ
いては矢印方向に走らせたアラサ計による段差を
３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％Siアルミニウム合金：HRB70 FC25（JIS G5501（1976）ねずみ鋳鉄）：
HRB96 70^L×17^W×7^t（mm）の平板試験面をバフ研
摩。表面粗さ：0.4μ 上試片（第１図中の１）母材：SK5（JIS G4401（1972）炭素工具鋼鋼
材）硬さHRB98 形状：8〓×23^Lの端面を18^Rの球面加工めつき：端面に硬質粒子を分散させた鉄めつ
きを0.15mm厚さつけて、18^Rの球面仕上を
した。その時のめつき条件は次の通り。浴（硼弗化浴）組成：ホウフツ化第１鉄（Fe（BF₄）₂）：50ｇ／硫酸第１鉄（FeSO₄・7H₂O）：300ｇ／塩化アンモニウム（NH₄Cl）：30ｇ／ピツト防止剤（ラウリル硫酸ナトリウム）：
２ml／浴温：65℃ 電流密度：4A／ｄm²、時間：4.5^Hr 複合材：80ｇ／、SiC、Cr₃C₂、TiC、
TiN、Cr₂O₃、Al₂O₃、SiC＋TiN（50：
50）、Cr₃C₂＋TiN（50：50）、SiC＋Cr₃C₂
（50：50）

【表】

【表】２摩耗試験条件ならし：２Kgｆ×100cpm×５分テスト：１Kgｆ×600cpm×30分潤滑油：SAE10W相当、0.2c.c.／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20：80〜80：20にとした理由は、第４図に
示した往復動摩擦試験（以下、実験２という）結
果の如く、Cr₃C₂の割合が20％未満になると相手
材摩耗が急激に増大し、80％を越えると自分の摩
耗が増加してくる為である。なお、テスト供試し
た試料は相手材が17％Siアルミニウム合金材、ピ
ン母材はSK5で、形状、仕上は実験１と同じであ
り、めつき条件も第３図のものと同じである。め
つきの内容は表２に示すとおりである。テスト条
件も実験１と同じである。

【表】更に炭化クロムと炭化ケイ素の合計複合率を鉄
めつきに対して５〜25wt％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、5wt％未満だと自身
の耐摩耗性が充分でなく、25wt％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
摩耗も多くなつてくる為である。尚、自身及び相
手摩耗を考慮すると10〜20wt％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17％
Si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、めつき条件共実験１、２と同じであ
る。めつき内容は表３に示すとおりである。摩耗
試験条件も実験１、２の場合と同じである。

【表】そして、炭化クロムの粒径を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。 Cr₃C₂及びSiCの粒径を種々変えて、複合鉄め
つきを行い、往復動摩擦試験（以下、実験４とい
う）を実験した結果、第６図に示すように、
Cr₃C₂の粒径が10μを越え、またSiCの粒径が3μを
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、Cr₃C₂の粒径は１〜5μ、SiCの粒径は0.3〜1μ
の範囲がより望ましい。テストに供した試料は、
相手材が17％Siアルミニウム合金であり、ピン母
材はSK5、形状、仕上方法は実験１〜３の場合と
同じである。第６図に供試しためつき内容を第４
に示す。

〔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
（φ8×23^L、SK−５、ピン）の端面を18Rの球面
に加工し、本発明による複合鉄めつきを、0.2mm
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0.15mmで、厚さはHv563であ
つた。その時のめつき内容は次の通りである。浴組成：ホウフツ化第一鉄（Fe（BF₄）₂）：50ｇ／
硫酸第１鉄（FeSO₄・7H₂O）：300ｇ／塩化アンモニウム（NH₄Cl）：30ｇ／ピツト防止剤（ラウリル硫酸ナトリウム）：２
ml／浴温：65℃ 電流密度：4A／ｄm²、時間：4.5Hr 複合材：Cr₃C₂40ｇ／、SiC40ｇ／複合材として使用したCr₃C₂の最大粒径は5μ
（平均粒径3μ）、SiCの最大粒径は1μ（平均粒径
0.6μ）であり、めつき中へはほぼ重量比で50：50
に入つており、合計複合率は12wt％であつた。比較材として、硬質クロムめつき及びプラズマ
溶射によるFe−Cr合金溶射をφ8×23^Lのピンの端
面につけ、18^Rの球面加工してテストに供した。
なお、硬質クロムめつきの硬さはHv958、Fe−
Cr溶射層の硬さはHv786であつた。以上の３種類のピンに対して、相手材として17
％Si、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70^L×17^W×7^tｍ／ｍの平
板（下試片）２に加工し、試験面をバフ研摩し
て、往復動摩擦試験を実験した結果を第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
鉄めつきは、比較材の硬質クロムめつき及びFe
−Crのプラズマ溶射材に較べて、17％Siアルミ
ニウム合金材を相手にした場合でも、FC25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つている。特に摺動面状況
は、17％Siアルミニウム合金材相手の場合、硬質
クロムめつきはスカツフイングぎみで摺動キズが
多く、Fe−Cr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探り起こしており、自
身の溶射面も粒子が脱落を起こしており、摩耗を
促進しているのに対し、本発明による複合鉄めつ
きは、自身も相手材も非常に滑らかな摩擦面を呈
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つき
の100倍の顕微鏡写真を示す。第８図Ａ中、１１
は母材（SK−５）、１２は純鉄層、１３は複合鉄
めつき層、１４はうめ込み樹脂である。第８図Ｂ
は、第８図Ａ中の複合鉄めつき層１３の500倍の
顕微鏡写真である。第８図Ａの純鉄層１２は、複合めつきをする際
に、液の撹拌を行わずにめつきすることにより生
成されるものであり、複合鉄めつきを母材（この
場合SK−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、やや大きく〇に見えるものが
Cr₃C₂、・に見えるのがSiCである。〔本発明の効果〕以上の様に、本発明の複合鉄めつきは、複合材
を炭化クロム＋炭化ケイ素とし、その複合割合
と、Feめつき中の割合を特定し、また好ましく
はその粒度を特定することにより、従来の単独複
合材による複合めつきの場合に生じた自身の摩耗
が少い場合は相手摩耗が多く、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
独添加によつて得られるものより自身の摩耗、相
手摩耗共少なくなるという相乗効果を奏すること
ができ、従つて、本発明の複合鉄めつきを摺動部
材に適用すれば極めて有用な効果を発揮し、その
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知の往
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３図は鉄めつき中への各種複合
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Cr₃C₂とSiC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Cr₃C₂＋SiC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Cr₃C₂と
SiCの粒径と摩耗量の関係を示す摩耗試験結果の
グラフ、第７図は本発明による複合鉄めつきと、
従来の硬質クロムめつ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
よる複合鉄めつきの金属組織を示す断面写真であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１鉄めつき中に炭化クロムと炭化ケイ素の硬質
粒子を、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つきに対して５〜
25wt％になるように、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つき。２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以下であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性に優れた複合
鉄めつき。