JP2004018880A - 耐摩耗性摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】相手材の摩耗、特に初期摩耗を大幅に減少させることができる、相手材攻撃性に極めて優れた耐摩耗性摺動部材を提供する。
【解決手段】摺動面に溶射被膜（４）を備えた耐摩耗性摺動部材（１）において、溶射被膜を耐摩耗層（５）となじみ層（６）とから形成し、なじみ層を純銅、黄銅、青銅のうちのいずれか１種を溶射材として機械加工が施されていない耐摩耗層上に溶射して形成する。好ましくは、黄銅及び青銅の銅含有率が９１重量％を超えるようにする。さらに好ましくは、なじみ層を耐摩耗層の最大表面粗さよりも大きい膜厚で形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】摺動面に溶射被膜（４）を備えた耐摩耗性摺動部材（１）において、溶射被膜を耐摩耗層（５）となじみ層（６）とから形成し、なじみ層を純銅、黄銅、青銅のうちのいずれか１種を溶射材として機械加工が施されていない耐摩耗層上に溶射して形成する。好ましくは、黄銅及び青銅の銅含有率が９１重量％を超えるようにする。さらに好ましくは、なじみ層を耐摩耗層の最大表面粗さよりも大きい膜厚で形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、高性能舶用ディーゼルエンジンのピストンリング等に使用されて好適な耐摩耗性摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、高性能舶用ディーゼルエンジンのピストンリング等に使用される耐摩耗性摺動部材は、母材摺動面にＭｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ２ Ｏ３ 等の溶射材をプラズマ溶射することにより、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた溶射被膜を形成し、この溶射被膜を表面研磨して使用していた。しかし、溶射被膜を研磨するためには多大なコストを要するため、近年は研磨を行わずに、溶射面のまま使用されるようにもなった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように摺動部材の母材摺動面に、Ｍｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ２ Ｏ３ 等の溶射材料をプラズマ溶射して溶射被膜を形成し、溶射被膜を表面研磨せずに溶射面のまま使用する場合、初期表面粗さが大きく、しかもこの被膜が耐摩耗性被膜であることから、初期の良好な摺動面が形成されるまでに長時間かかり、相手材の初期摩耗が極めて大きくなるという問題がある。また、この初期表面粗さが大きいと相手材との接触面積が小さくなり、熱伝導性が悪くなるため、さらに相手材の摩耗を促進するという問題がある。
【０００４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、相手材の摩耗、特に初期摩耗を大幅に減少させることができる、相手材攻撃性に極めて優れた耐摩耗性摺動部材を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、摺動面に溶射被膜を備えた耐摩耗性摺動部材において、溶射被膜を耐摩耗層となじみ層とから形成し、このなじみ層を、純銅、黄銅、青銅のうちのいずれか１種を溶射材として機械加工が施されていない耐摩耗層上に溶射して形成したことにある。純銅、黄銅及び青銅は、硬度が小さく熱伝導性にも極めて優れているから、本手段により、柔らかくしかも熱伝導性のよいなじみ層を形成することができる。
【０００６】
好ましくは、黄銅及び青銅の銅含有率が９１重量％を超えるようにする。銅の含有率を高めることにより、銅の有する上記特性をよりよく発揮させることができる。さらに好ましくは、なじみ層を耐摩耗層の最大表面粗さよりも大きい膜厚で形成する。これにより、なじみ層が少なくとも耐摩耗層の表面粗さの最大高さ近くまで摩耗したときに、相手材に対しなじみ層の全面で摺動することができるようになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る耐摩耗性摺動部材の発明の実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は、ピストンリング１の拡大断面図であり、ピストンリング１の母材２の外周面３には、耐摩耗層５となじみ層６とからなる溶射被膜４が形成されている。母材２は鋳鉄製であり、切削加工により形成された外周面３には、溶射前に研磨処理と脱脂処理とショットブラスト処理とが施され、１０〜７９μｍＲｚ の粗さに仕上げられる。仕上げられた外周面３に、Ｍｏを主成分とする耐摩耗性溶射材、例えば、Ｍｏ、Ｍｏ・Ｎｉ−Ｃｒ、Ｍｏ・Ｎｉ−Ｃｒ・Ｃｒ炭化物、Ｍｏ・Ｎｉ−Ｃｒ・Ｃｒ酸化物等の溶射材を溶射して、耐摩耗層５を形成する。これにより、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた溶射被膜が形成される。
【０００９】
この耐摩耗層５の上に、純銅（Ｃｕ）、又は銅含有率が９１重量％を超える黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ）若しくは青銅（Ｃｕ−Ｓｎ）のうちのいずれか１種を溶射材とする、なじみ層６を溶射して形成する。このなじみ層６を溶射する前の耐摩耗層５の表面には、研磨、ブラスト等の機械加工はまったく施さない。これに伴い、なじみ層６への溶射は、耐摩耗層５への溶射に続いて、耐摩耗層５が冷却されない間に連続溶射される。耐摩耗層５に機械加工を施さないことによる表面粗さの維持、及びこのなじみ層６の連続溶射により、なじみ層６は極めて密着性の優れたものとなる。形成された複層の溶射皮膜４の厚さは１００μｍ以上であり、図２（ａ）に示すように、なじみ層６は、耐摩耗層５の最大表面粗さＲｙ よりも大きい膜厚Ｔで形成される。なじみ層６の表面には、バイアス溝加工以外の仕上加工は施さない。
【００１０】
このように形成したピストンリング１をライナ材に組み込んで使用すると、柔らかくしかも熱伝導性に優れたなじみ層６が、耐摩耗層５の最大表面粗さＲｙ よりも大きい膜厚Ｔで形成されているため、まず、なじみ層６が極く短時間に急速に摩耗して、図２（ｂ）に示すように、耐摩耗層５の表面粗さの最大高さ近くまで摩耗する。一方、ピストンリング１の表面がなじみ層６だけで覆われている間は、なじみ層６が柔らかいため、相手ライナ材の摩耗は極くわずかである。このことは、なじみ層６が無く耐摩耗層５だけの単層材の場合に、急激な初期摩耗が発生するのとは対照的である。
【００１１】
そして、なじみ層６が耐摩耗層４の表面粗さの最大高さ近くまで摩耗した後は、溶射被膜４及び相手ライナ材は、初期摩耗が完了した後の単層材の場合とほぼ同様の態様で徐々に摩耗していく。したがって、なじみ層６がある場合の相手ライナ材の摩耗量は、およそ単層材における初期摩耗の分だけ少なくなる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の耐摩耗性摺動部材を各種の試験によって説明する。同じピストンリング用鋳鉄材からなる母材上に、以下の表１に示す被膜層をそれぞれ形成し、研磨、ブラスト等の機械加工を全く施さないものを試験片とした。
【００１３】
溶射皮膜はプラズマ溶射によるものである。溶射条件は次のとおりであった。
使用ガン：スルザーメテコ社製９ＭＢプラズマ溶射ガン
電圧：６０〜７０Ｖ
電流：５００Ａ
このように形成した各試験片について、スカッフ及び摩耗試験を実施した。
【００１４】
スカッフ試験
図３に示すように、回転式平面滑り試験機１０により、各試験片１１のスカッフ限界面圧を測定した。一定速度で回転する回転片１２の回転面に、各比較例および実施例の試験片１１を所定時間だけ所定の面圧Ｐ１ で圧接し、スカッフが発生した時の面圧を限界面圧として測定した。面圧操作は、初期面圧を２．５ＭＰａとし、３０分後に面圧を５ＭＰａとし、それから５分毎に１ＭＰａずつ漸次増加させていく方法が採られた。
【００１５】
試験条件は、次のとおりであった。
周速：５ｍ／ｓｅｃ
潤滑油：ＳＡＥ３０＋白灯油（１：１）
油量：初期塗布のみで無給油
相手材：ターカロイ（日本ピストンリング株式会社の商品名として知られているボロン鋳鉄）
摩耗試験及び相手材攻撃性試験
図４に示すように、アムスラー型摩耗試験機２０により、各試験片２１及び相手材の摩耗量を測定した。試験片２１を一定速度で回転する相手材２２の外周面上に、所定時間だけ所定の荷重Ｐ２ をかけて、初期摩耗の程度を測定した。
【００１６】
試験条件は次のとおりであった。
周速：１ｍ／ｓ
荷重：４４１Ｎ
潤滑油：軸受油スーパーマルパス−２（日石三菱株式会社の商品名として知られている軸受油）
油温：８０±１０°Ｃ
油量：１０−４ｍ３ ／ｍｉｎ
試験時間：７時間
相手材：ターカロイ（日本ピストンリング株式会社の商品名として知られているボロン鋳鉄）
測定結果は、以下の表２に示すとおりであった。各試験片のスカッフ限界面圧、リング材摩耗量、相手材摩耗量は、試験片Ｎｏ．１（比較例）について測定されたそれぞれの値を１００とした場合における相対値で表わされている。
【００１７】
以上から明らかなように、この摩耗試験において、実施例Ｎｏ．４ないしＮｏ．９の相手材の摩耗量は、比較例Ｎｏ．１ないしＮｏ．３よりも格段に少なかった。特に、比較例Ｎｏ．１と実施例Ｎｏ．４、及び、比較例Ｎｏ．２と実施例Ｎｏ．５は、表１に示したように、それぞれ耐摩耗層上にＣｕ（１００％）のなじみ層があるかないかの相違のみであり、このことからもＣｕ（１００％）のなじみ層があることにより、相手材の摩耗量は大幅に減少し、かつスカッフ限界面圧も上がることがわかる。また、耐摩耗層にＣｕを含む比較例Ｎｏ．３と比べても、実施例Ｎｏ．４ないしＮｏ．９の相手材の摩耗量は大幅に減少し、かつスカッフ限界面圧も上昇した。このように、実施例Ｎｏ．４ないしＮｏ．９は、いずれも相手材攻撃性において極めて優れており、耐スカッフ性においても優れたものであった。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の耐摩耗性摺動部材は、摺動面に溶射被膜を備えた耐摩耗性摺動部材において、溶射被膜を耐摩耗層となじみ層とから形成し、このなじみ層を、純銅、黄銅、青銅のうちのいずれか１種を溶射材として機械加工が施されていない耐摩耗層上に溶射して形成したから、相手材の摩耗、特に初期摩耗を大幅に減少させることができ、相手材攻撃性に極めて優れるという格段の効果を奏する。
【００１９】
このため、特に厳しい条件下で使用される耐摩耗性摺動部材、例えば、高性能舶用ディーゼルエンジンのピストンリング等に使用できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耐摩耗性摺動部材の一例としてのピストンリング１を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、図１の溶射被膜４の使用前の状態を示す断面図であり、（ｂ）は、所定時間使用した後の状態を示す断面図である。
【図３】回転式平面滑り試験機１０を示す略図である。
【図４】アムスラー型摩耗試験機２０を示す略図である。
【符号の説明】
１ ピストンリング
２ 母材
３ 外周面
４ 溶射被膜
５ 耐摩耗層
６ なじみ層
１０ 回転式平面滑り試験機
１１ 試験片
１２ 回転片
２０ アムスラー型摩耗試験機
２１ 試験片
２２ 相手材
Ｒｙ 最大表面粗さ
Ｔ 膜厚
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、高性能舶用ディーゼルエンジンのピストンリング等に使用されて好適な耐摩耗性摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、高性能舶用ディーゼルエンジンのピストンリング等に使用される耐摩耗性摺動部材は、母材摺動面にＭｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ２ Ｏ３ 等の溶射材をプラズマ溶射することにより、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた溶射被膜を形成し、この溶射被膜を表面研磨して使用していた。しかし、溶射被膜を研磨するためには多大なコストを要するため、近年は研磨を行わずに、溶射面のまま使用されるようにもなった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように摺動部材の母材摺動面に、Ｍｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ２ Ｏ３ 等の溶射材料をプラズマ溶射して溶射被膜を形成し、溶射被膜を表面研磨せずに溶射面のまま使用する場合、初期表面粗さが大きく、しかもこの被膜が耐摩耗性被膜であることから、初期の良好な摺動面が形成されるまでに長時間かかり、相手材の初期摩耗が極めて大きくなるという問題がある。また、この初期表面粗さが大きいと相手材との接触面積が小さくなり、熱伝導性が悪くなるため、さらに相手材の摩耗を促進するという問題がある。
【０００４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、相手材の摩耗、特に初期摩耗を大幅に減少させることができる、相手材攻撃性に極めて優れた耐摩耗性摺動部材を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、摺動面に溶射被膜を備えた耐摩耗性摺動部材において、溶射被膜を耐摩耗層となじみ層とから形成し、このなじみ層を、純銅、黄銅、青銅のうちのいずれか１種を溶射材として機械加工が施されていない耐摩耗層上に溶射して形成したことにある。純銅、黄銅及び青銅は、硬度が小さく熱伝導性にも極めて優れているから、本手段により、柔らかくしかも熱伝導性のよいなじみ層を形成することができる。
【０００６】
好ましくは、黄銅及び青銅の銅含有率が９１重量％を超えるようにする。銅の含有率を高めることにより、銅の有する上記特性をよりよく発揮させることができる。さらに好ましくは、なじみ層を耐摩耗層の最大表面粗さよりも大きい膜厚で形成する。これにより、なじみ層が少なくとも耐摩耗層の表面粗さの最大高さ近くまで摩耗したときに、相手材に対しなじみ層の全面で摺動することができるようになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る耐摩耗性摺動部材の発明の実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は、ピストンリング１の拡大断面図であり、ピストンリング１の母材２の外周面３には、耐摩耗層５となじみ層６とからなる溶射被膜４が形成されている。母材２は鋳鉄製であり、切削加工により形成された外周面３には、溶射前に研磨処理と脱脂処理とショットブラスト処理とが施され、１０〜７９μｍＲｚ の粗さに仕上げられる。仕上げられた外周面３に、Ｍｏを主成分とする耐摩耗性溶射材、例えば、Ｍｏ、Ｍｏ・Ｎｉ−Ｃｒ、Ｍｏ・Ｎｉ−Ｃｒ・Ｃｒ炭化物、Ｍｏ・Ｎｉ−Ｃｒ・Ｃｒ酸化物等の溶射材を溶射して、耐摩耗層５を形成する。これにより、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた溶射被膜が形成される。
【０００９】
この耐摩耗層５の上に、純銅（Ｃｕ）、又は銅含有率が９１重量％を超える黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ）若しくは青銅（Ｃｕ−Ｓｎ）のうちのいずれか１種を溶射材とする、なじみ層６を溶射して形成する。このなじみ層６を溶射する前の耐摩耗層５の表面には、研磨、ブラスト等の機械加工はまったく施さない。これに伴い、なじみ層６への溶射は、耐摩耗層５への溶射に続いて、耐摩耗層５が冷却されない間に連続溶射される。耐摩耗層５に機械加工を施さないことによる表面粗さの維持、及びこのなじみ層６の連続溶射により、なじみ層６は極めて密着性の優れたものとなる。形成された複層の溶射皮膜４の厚さは１００μｍ以上であり、図２（ａ）に示すように、なじみ層６は、耐摩耗層５の最大表面粗さＲｙ よりも大きい膜厚Ｔで形成される。なじみ層６の表面には、バイアス溝加工以外の仕上加工は施さない。
【００１０】
このように形成したピストンリング１をライナ材に組み込んで使用すると、柔らかくしかも熱伝導性に優れたなじみ層６が、耐摩耗層５の最大表面粗さＲｙ よりも大きい膜厚Ｔで形成されているため、まず、なじみ層６が極く短時間に急速に摩耗して、図２（ｂ）に示すように、耐摩耗層５の表面粗さの最大高さ近くまで摩耗する。一方、ピストンリング１の表面がなじみ層６だけで覆われている間は、なじみ層６が柔らかいため、相手ライナ材の摩耗は極くわずかである。このことは、なじみ層６が無く耐摩耗層５だけの単層材の場合に、急激な初期摩耗が発生するのとは対照的である。
【００１１】
そして、なじみ層６が耐摩耗層４の表面粗さの最大高さ近くまで摩耗した後は、溶射被膜４及び相手ライナ材は、初期摩耗が完了した後の単層材の場合とほぼ同様の態様で徐々に摩耗していく。したがって、なじみ層６がある場合の相手ライナ材の摩耗量は、およそ単層材における初期摩耗の分だけ少なくなる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の耐摩耗性摺動部材を各種の試験によって説明する。同じピストンリング用鋳鉄材からなる母材上に、以下の表１に示す被膜層をそれぞれ形成し、研磨、ブラスト等の機械加工を全く施さないものを試験片とした。
【００１３】
使用ガン：スルザーメテコ社製９ＭＢプラズマ溶射ガン
電圧：６０〜７０Ｖ
電流：５００Ａ
このように形成した各試験片について、スカッフ及び摩耗試験を実施した。
【００１４】
スカッフ試験
図３に示すように、回転式平面滑り試験機１０により、各試験片１１のスカッフ限界面圧を測定した。一定速度で回転する回転片１２の回転面に、各比較例および実施例の試験片１１を所定時間だけ所定の面圧Ｐ１ で圧接し、スカッフが発生した時の面圧を限界面圧として測定した。面圧操作は、初期面圧を２．５ＭＰａとし、３０分後に面圧を５ＭＰａとし、それから５分毎に１ＭＰａずつ漸次増加させていく方法が採られた。
【００１５】
試験条件は、次のとおりであった。
周速：５ｍ／ｓｅｃ
潤滑油：ＳＡＥ３０＋白灯油（１：１）
油量：初期塗布のみで無給油
相手材：ターカロイ（日本ピストンリング株式会社の商品名として知られているボロン鋳鉄）
摩耗試験及び相手材攻撃性試験
図４に示すように、アムスラー型摩耗試験機２０により、各試験片２１及び相手材の摩耗量を測定した。試験片２１を一定速度で回転する相手材２２の外周面上に、所定時間だけ所定の荷重Ｐ２ をかけて、初期摩耗の程度を測定した。
【００１６】
試験条件は次のとおりであった。
周速：１ｍ／ｓ
荷重：４４１Ｎ
潤滑油：軸受油スーパーマルパス−２（日石三菱株式会社の商品名として知られている軸受油）
油温：８０±１０°Ｃ
油量：１０−４ｍ３ ／ｍｉｎ
試験時間：７時間
相手材：ターカロイ（日本ピストンリング株式会社の商品名として知られているボロン鋳鉄）
測定結果は、以下の表２に示すとおりであった。各試験片のスカッフ限界面圧、リング材摩耗量、相手材摩耗量は、試験片Ｎｏ．１（比較例）について測定されたそれぞれの値を１００とした場合における相対値で表わされている。
【００１７】
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の耐摩耗性摺動部材は、摺動面に溶射被膜を備えた耐摩耗性摺動部材において、溶射被膜を耐摩耗層となじみ層とから形成し、このなじみ層を、純銅、黄銅、青銅のうちのいずれか１種を溶射材として機械加工が施されていない耐摩耗層上に溶射して形成したから、相手材の摩耗、特に初期摩耗を大幅に減少させることができ、相手材攻撃性に極めて優れるという格段の効果を奏する。
【００１９】
このため、特に厳しい条件下で使用される耐摩耗性摺動部材、例えば、高性能舶用ディーゼルエンジンのピストンリング等に使用できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耐摩耗性摺動部材の一例としてのピストンリング１を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、図１の溶射被膜４の使用前の状態を示す断面図であり、（ｂ）は、所定時間使用した後の状態を示す断面図である。
【図３】回転式平面滑り試験機１０を示す略図である。
【図４】アムスラー型摩耗試験機２０を示す略図である。
【符号の説明】
１ ピストンリング
２ 母材
３ 外周面
４ 溶射被膜
５ 耐摩耗層
６ なじみ層
１０ 回転式平面滑り試験機
１１ 試験片
１２ 回転片
２０ アムスラー型摩耗試験機
２１ 試験片
２２ 相手材
Ｒｙ 最大表面粗さ
Ｔ 膜厚
Claims (3)
- 摺動面に溶射被膜（４）を備えた耐摩耗性摺動部材（１）において、前記溶射被膜を耐摩耗層（５）となじみ層（６）とから形成し、前記なじみ層を純銅、黄銅、青銅のうちのいずれか１種を溶射材として機械加工が施されていない前記耐摩耗層上に溶射して形成したことを特徴とする耐摩耗性摺動部材。
- 前記黄銅及び青銅の銅含有率が９１重量％を超えるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の耐摩耗性摺動部材。
- 前記なじみ層（６）を前記耐摩耗層（５）の最大表面粗さ（Ｒｙ ）よりも大きい膜厚（Ｔ）で形成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の耐摩耗性摺動部材。
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