JPS6217168A - 自己潤滑性を有する摺接部材 - 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、金属基材表面にＡｌｌパック法によるＡ（１
拡散コ一テイング層を形成してなる自己潤滑性を有する
摺接部材に関するものである。

（従来技術） 近年、自動車エンジンの高出力化にともない、ターボチ
ャージャー、過給装置、排ガス利用のＥＧｒ（等を使用
したエンジンに生じるシリンダ系の異常摩耗、スカッフ
ィング、腐蝕摩耗等を防止するために、シリンダ材を構
成する摺接部材の摺動特性の向上、即ち、耐摩耗性およ
び自己潤滑性の向上を図ることが大きな課題となってい
る。

従来からよく知られている耐摩耗性、耐食性処理として
は、ガス軟窒化、クロムメッキ、線爆溶射等の技術があ
るが、ガス軟窒化処理の場合、鋳鉄（ＦＣＨ系合金鋳鉄
）の基地を硬化するため黒鉛部の囲りの縁が刃物となり
、ピストンおよびピストンリング等にかじりが生じ、そ
の結果、摩耗スカッフが発生し、又、クロムメッキの場
合、硫酸腐蝕に弱く、腐蝕摩耗がおこり、更に、ステン
レス系の線爆溶射の場合、ピストンリングとの相性が悪
く、スカッフが発生する等の欠点があり、上記課題を満
足させることが、困難であった。

一方、金属基材の表面にＡｌｌ拡散コーティング層を形
成する表面処理方法、所謂Ａσバック法が開発されてい
る（例えば、特開昭５６−８１６６８号公報参照）。

しかしながら、従来の／ｌパック処理は、Ｎｉを含む金
属基材をパック剤′（通常、Ａσ粉末、アルミナ粉末お
よびハロゲン化活力剤からなる）に埋め込み、不活性ガ
ス中で高温処理（約８ｏｏ℃以上）して、金属基材表面
に、Ａｌｌ拡散コーティング層を形成するものなので、
該Ａｕ拡散コーティング層は、体心立方晶構造を有する
高硬度のＡ（ｌＮｉが支配的となり、六方晶構造を有し
、自己潤滑性に富むＡ（Ｌ、Ｎｉ２をわずがしが含まな
いものとなっている。かかる構造の／ｌ拡散コーティン
グ層を有する材料でシリンダ等の摺接部材を形成する場
合、摺接部材自体の耐摩耗性および耐食性において非常
に優れた性質を有する反面、高硬度なため相手部材を著
しく摩耗させてしまうという欠点があり、摺接部材とし
て不適格なものとなる。

（発明か解決しようとする間、照点） そこで、相手部材の摩耗を減少させるためには、自己潤
滑特性を有するＡＱ３Ｎｉｔの混合比を増大させること
が考えられるが、Ａ（１３Ｎｉ、の混合比が大きくなり
すぎると、機械的に脆く、熱的にも不安定なＡ　（１３
Ｎ　＋２の性質が支配してクラック剥離を生じやすくな
る。従って、Ａｌｌ拡散コーティング層におけるＡ（１
：＋Ｎ！２とＡＣＩＮｉとの混在比率を最適にコントロ
ールする必要がある。

本発明者らは、Ａｌｌ拡散コーティング層におけるＡＬ
ＮｔｚとＡ（ＬＮｉとの混合比率がＡｌｌパック処理に
おける処理温度に大きく依存していることに着目し、パ
ック処理温度を種々変化させ、得られた。ｌ拡散コーテ
ィング層の摺動特性（即ち、摩耗量および摩擦係数）と
相手部材（ここでは片状黒鉛鋳鉄を使用）の摩耗量とを
調べたところ第３図および第４図に示す結果が得られた
。第３図および第４図には、Ａ　（１３Ｎ　ｉｔ／　Ａ
　（ｌ　Ｎ　ｉ比に対する摺接部材と相手部材との摩耗
量および摩擦係数の変化が示されている。ここで、Ａ　
（１３Ｎ　１２／　Ａ　（ｌＮｉ比は、Ａ（ｌ拡散コー
ティング層に対するＸ線解析によるＸ線強度比で表され
ている。これら第３図および第４図から明らかな如＜　
　、Ａｌｌ拡散コーティング層におＩｔ　ルＡ　（１３
Ｎ　Ｌ／　Ａ　ｉＬ　Ｎ　ｉ比が０．４〜４（換言すれ
ば、Ａ（１３Ｎｉ、の生成比率が３０〜８０％）である
とき、Ａ（ｌ拡散コーティング層および相手部材が共に
優れた摺動特性を示すことが判明したのである。

（発明の目的） 本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、Ａ（１
パツク処理により金属基材表面に析出するＡ１１ａＮ＋
２、ＡＱＮｉの２化合物の混在比率を適当に選ぶことに
よって、摺動特性に優れた摺接部材を得ることを目的と
するものである。

（目的を達成するための手段） 本発明では、上記目的を達成するための手段として、金
属基材（詳しくは、Ｎｉを含む金属基材）の摺接面に、
３０〜８０％（Ｘ線解析強度比による割合）のＡ　（１
３Ｎ　Ｌを含み且つ残りが実質的にＡ（Ｌ　Ｎ　ｉから
なるＡｕ拡散コーティング層を設けている。

（作　用） 本発明では、上記手段によって、下記の如き作用が得ら
れる。

即ち、Ａｌｌ拡散コーティング層において、自己潤滑性
に富むＡ１１Ｎ＋２と高硬度のＡ（ｌＮｉとが好適な混
在比で存在することとなっているため、摺接部材の摺動
特性が著しく向上する。

又、上記／ｌ拡散コーティング層は、摩擦係数ら低く、
自動車エンジン用のシリンダ等として使用する場合、摺
動抵抗が軽減される。

（実施例１） 金属母材の表面にＮｉメッキを施してなる片状黒鉛鋳鉄
からなる金属基材に、下記の条件で／１バック処理を施
し、第１図に示すように金属基材の表面に／ｌ拡散コー
ティング層を形成した。

なお、第１図はその断面組織を示し、電子顕微鏡で４０
０倍に拡大しており、図中Ａは母材を、ＢはＮｉメッキ
層を、ＣはＡｕ拡散コーティング層をそれぞれ示してい
る。また、図中矩形痕は硬度試験の跡である。

パック剤の組成 Ａ（１２０３粉末（＃　１００〜２００）：５４．５〜
６２．５（重量％）Ａｌｌ粉末（＃　１０Ｇ　〜２００
）：３０．０（重量％）ミツシュメタル粉末（＃８０〜
２００）：０．５（重量％）ＮＨ，ＣＱ粉末＝７〜１５
（重量％） 上記パック剤中に前記金属基材を埋め込み、これを不活
性ガス（例えば、Ｎ２、Ｎ７、Ａｒ等）雰囲気中にて６
００℃で２．０時間加熱処理した。上記処理により得ら
れたＡ（ｌ拡散コーティング層にＸ線解廿〒を行ったと
ころ、第５図図示のＸ線強度図が得られた。これを公知
の手法で解析してみると、このへ〇拡散コーティング層
は、３８％のＡ（ＩａＮｉ２と６２％のＡ　ＩｌＮ　ｉ
とからなっていることがわかる。なお、パック処理温度
を変化させると、Ａｌ１３Ｎ　ｉ２／　Ａ　（ｌ　Ｎ　
ｉ比の異なるものが得られる。即ち、加熱処理温度を５
００〜７５０℃の範囲で種々変化させ、それぞれの処理
温度で得られた摺接部材（シリンダ）と相手部材（ピス
トンリング）とを乾式摩耗テストにかけたところ、第７
図図示の如く処理温度によって摺動特性の異なる摺接部
材が得られた。

なお、Ａｉ１パック処理温度が５５０℃以下になると、
Ｎｉメッキ層への／ｌ拡散が十分に行なわれず、所望の
Ａｌｌ拡散コーティング層が得られないところから、第
７図図示の如く、耐摩耗性に劣るものとなり、Ａｌｌパ
ック処理温度が７００℃以上の高温となると二本実施例
では、優れた耐摩耗性を示しているが、第９図図示の如
＜Ｎｉメッキ層が母材から剥離することかあるため望ま
しくない。これは母材とメッキ層との熱膨張係数の差に
基づくものと考えられろ。第９図には、パＪり処理温度
に対する鋳鉄母材上におけるＮｉメッキ層の剥離面積率
の変化が示されている。

ただし、Ａｔｌ拡散コーティング層の厚さは、パック処
理時間に左右され、所望に応じてパック処理時間を決定
する必要がある。

（実施例２） 金属母材の表面にＮ１−Ｐメッキを施してなる片状黒鉛
鋳鉄からなる金属基材に、下記の条件でＡｆ１パック処
理を施し、第２図に示すように金属基材の表面に／ｌ拡
散コーティング層を形成した。

第２図（ａ）はその断面組織を示し、電子顕微鏡で１０
０倍に拡大１．ており、図中Ａ′は母材を、Ｂ′はＮｉ
メッキ層を、Ｃ′はＡ（ｌ拡散コーティング層をそれぞ
れ示している。また、第２図（ｂ）はその表面部分をさ
らに４００倍に拡大したちのである。なお、図中の矩形
痕は硬度試験の圧痕である。

パック剤の組成 Ａσ２０３粉末（＃　１００〜２００）：５４．５〜６
２．５（重量％）Ａ１粉末（＃　１００〜２００）：３
０．０（重量％）ミツシュメタル粉末（＃８０〜２００
）：Ｑ、５（重量％）ＮＨ，Ｃ（ｌ粉末ニア−１５（重
量％）上記パック剤中に前記金属基材を埋め込み、これ
を不活性ガス（例えば、Ｈｌ、Ｎ２、Ａｒ等）雰囲気中
にて６００℃で１．０時間加熱処理した。上記処理によ
り得られたＡｌｌ拡散コーティング層にＸ線解析を行っ
たところ、第６図図示のＸ線強度図が得られた。これを
公知の手法を用いて解析してみると、このＡσ拡散コー
ティング層は、８０％のＡ（１３Ｎｌｔと２０％のＡｆ
ｌＮｉとからなっていることがわかる。なお、バック処
理温度を変化させると、Ａ　Ｃ１３Ｎｆｔ／Ａ　（ｌＮ
ｉ比の異なるものが得られる。

即ち、加熱処理温度を５００〜７５０℃の範囲で種々変
化させ、それぞれの処理温度で得られた摺接部材（シリ
ンダ）と相手部材（ピストンリング）とを乾式摩耗テス
トにかけたところ、第８図図示の如く処理温度によって
摺動特性の異なる摺接部材が得られた。なお、Ａαパッ
ク処理温度が５００℃以下になると、Ｎｉメッキ層への
／Ｍｌ拡散が十分に行なわれず、所望のＡ（ｌ拡散コー
ティング層が得られないところから、第８図図示の如く
、耐摩耗性に劣るものとなり、Ａｌｌパック処理温度が
７００℃以上の高温となると、本実施例では、優れた耐
摩耗性を示しているが、第９図図示の如（Ｎｉメッキ層
が母材から剥離することがあるため望ましくない。

上記実施例１および２の如くして得られた摺接部材（例
えば、シリンダ）と相手部材（例えば、ピストンリング
）との摩耗テストの結果が従来の表面処理法によるもの
と比較して第１０図および第１１図に示されている。

第１θ図には、乾式摩耗テストの結果が示されており、
テスト装置としては、第１２図図示の往復摺動テスター
が使用された。即ち、基台１１上に固定された摺接部材
（シリンダ片）１２上面に、相手部材（ピストンリング
片）１３を所定面圧Ｐで押し付けながら往復動させて、
両者の摩耗重量を計測した。ここで、符号１４はモータ
、１５はモータ１４の回転運動を往復運動に変換するク
ランク、１６は相手部材Ｉ３を支持するボルダ−１１７
は該ホルダー１６と前記クランクとを連結する連係部材
、１８は支持台である。

なお、テスト条件は下記の如くであった。

面圧Ｐ　：０．４Ｋｇ／ｍｍ２、速度ニア００サイクル
／分、距離Ｎ・２００００、摩擦長さ：ｌ０ｍｍ、摩擦
方式：大気中往復摩擦、摩耗計測１重量法 又、第１１図には、腐蝕摩耗テストの結果が示されてい
る。テスト装置としては、前記乾式摩耗テストにおいて
使用されたと同じ往復摺動テスター（第１２図図示）が
使用された。

なお、テスト条件は下記の如くであった。

面圧Ｐ　：１１．６Ｋｇ／＋ｎ＋ｕ’、速度ニア００サ
イクル／分、距離Ｎ　：４００００、摩擦長さ二１０ｍ
ｍ、テスト温度：常温、使用した腐蝕性潤滑油：ディー
ゼルエンジンオイル８４％、軽油１０％、水１％、Ｆ（
，９０，５％の混合液、注油方法Ｎ＝　４００００回に
１回滴下注油、摩耗計測：重量上記両テストの結果から
明らかな如く、本発明実施例によるＡｌｌ拡散コーティ
ング層は、従来のいかなる表面処理層に比べても、極め
て優れた耐摩耗性および耐腐蝕摩耗性を有していること
がわかる。

なお、上記Ａｌｌ拡散コーティング層の層厚範囲として
は５〜５０μであり、実用上の見地からは１０〜２０μ
あればよい。また、Ａ（ｌ拡散コーティング層において
、Ａ（１３Ｎｉｔが３０％以上混在していないと、自己
潤滑性の効果か発揮されず、相手部材の摩耗をはやめる
おそれがある。又、Ａ（ｌＮｉが２０％以上混在してい
ないと、延性が不足し、コーティング層の密着性および
耐久性を確保することができなくなる。

上記各実施例においては、金属母材にＮｉメッキあるい
はＮ１−Ｐメッキを施したものについて述べたが、金属
基材自体にＮｉを含むものであれば、上記各実施例と同
様のＡｃｔ拡散コーティング層を形成することができる
ことは勿論である。

（発明の効果） 収車の如く　、本発明によれば、金属基材の摺接面に、
Ｘ線強度比率において３０〜８０％のＡｌ１３Ｎ　ｉ　
２を含み、残りが実質的にＡ（ｌＮｉからなるＡΩ拡散
コーティング層を設けたので、自己潤滑性に富むＡ　Ｑ
　３Ｎ　１２の適度な混在により、摺動特性が著しく向
上するとともに、延性に富むＡｕＮｉの存在により、金
属基材への密着性および耐久性も著しく向上する。従っ
て、自動車エンジン用のシリンダ等の材料として最適な
摺接部材が得られるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図（ａ）　、　（ｂ）は、本発明の実
施例１および実施例２にかかる自己潤滑性を有する摺接
部材の金属組織の断面を示す図、第３図は、Ａｌｌ拡散
コーティング層におけるＡ　（１３Ｎ　＋２／　ＡＣＬ
Ｎｉ比に対する摺接部材（実線Ａ）および相手部材（実
線Ｂ）の摩耗量の変化を示す特性図、第４図は、Ａｒｌ
拡散コーティング層におけるＡＣ１３Ｎ１２／　Ａ　（
ｌ　Ｎ　ｉ比に対する摺接部材の摩擦係数の変化を示す
特性図、第５図および第６図は、本発明の実施例１およ
び実施例２にかかる摺接部材のＡ１拡散コーティング層
のＸ線解析によるＸ線強度図、第７図および第８図は、
ＮｉメッキおよびＮ１−Ｐメッキに対するパック処理温
度を種々変化させて得られた摺接部材と相手部材との摩
耗テストの結果を示す図、第９図は、パック処理温度に
対する鋳鉄母材上におけるＮｉメッキ層の剥離面積率の
変化を示す特性図、第１θ図および第１１図は、本発明
実施例にがかる摺接部材の乾式摩耗テストおよび腐蝕摩
耗テストの結果を示す図、第１２図は、摩耗テスト装置
の概略を示す側面図である。 第２図（ｂ） Ａ石Ｎｂ／ＡＩＮ＋比 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．金属基材の摺接面に、Ｘ線強度比率において３０〜
   ８０％のＡｌ＿３Ｎｉ＿２を含み且つ実質的にＡｌＮｉ
   からなるＡｌ拡散コーティング層を設けたことを特徴と
   する自己潤滑性を有する摺接部材。