JPS5893839A

JPS5893839A - 摺動用部材

Info

Publication number: JPS5893839A
Application number: JP19192181A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Fuwa; 良雄不破; Joji Miyake; 譲治三宅; Tadashi Donomoto; 堂ノ本　忠; Haratsugu Koyama; 原嗣小山; Sanehiro Miura; 三浦　修弘
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1981-11-30
Filing date: 1981-11-30
Publication date: 1983-06-03
Also published as: JPS6150129B2

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】本発明は、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材
の組合せに係り、更に詳細には一方の部材が複合材料に
て構成され他方の部材が鋼にて構成された二つの部材の
組合せに係る。

各種機械の構成要素や部材に於ては、部分的に特別な機
械的特性を要求されることが多い。例えば、自動車用エ
ンジンに於ては、エンジンの性能に対する要求が高くな
るにつれて、ピストンの如き部材はその比強度や剛性が
優れていることに加えて、その摺動面が耐摩耗性に優れ
ていることが強く要請されるようになってきた。かかる
部材の比強度や耐摩耗性等を向上させる一つの手段とし
て、それらの部材を各種の無機質繊緒等を強化材とし・
アルミニウム合金の如き軽金属をマトリックスとする複
合材料にて構成することが試られている。かかる繊維強
化金属複合材料の一つとして、アルミナ貿ｌ１１１１を
強化材とし、アルミニウム、マグネシウム、又はそれら
の合金をマトリックスとする繊維強化金属複合材料は既
に知られており、かかる繊維強化金属複合材料によれば
、それらにて構成された部材の比強度や耐摩耗性等を向
上させることができる。

しかし、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材の
組合せに於て、その一方の部材を上述の如き繊維強化金
属複合材料にて構成した場合には、その他方の部材の材
質によってはその他方の部材の摩耗が著しく増大し、従
ってそれらを互いに当接して相対的に雪動する摺動部材
の組合せとして使用することはできない。

本願発明者等は、互いに当接して相対的に摺動する二つ
の部材の組合せで□あって、その一方の部材がアルミナ
繊維を強化材としアルミニウム合金の如き軽金属をマト
リックスとする繊維強化金属複合材料にて構成され、そ
の他方の部材が鋼にて構成された部材の組合せに於て、
それら両方の部材の摩耗量を最小限に抑えるためには、
それらの材質の組合せとしては如何なるものが適切であ
るかについて種々の実験的研究を行なった結果、それぞ
れ特定の組成及び特定の性質を有するものでなければな
らないことを見出した。

本発明は、本願発明者等が行なった上述の如き実験的研
究の結果得られた知見に基き、一方の部材がアルミナ繊
維を強化材としアルミニウム合金の如き軽金属をマトリ
ックスと・する繊維強化金属複合材料にて構成され、そ
の他方の部材が鋼にて構成された互いに当接して相対的
に摺動する二つの部材の組合せであって、それら両方の
部材の互いに他に対する摺動面に於ける耐摩耗性が改善
された二つの部材の組合せを提供することを目的として
いる。

かかる目的は、本発明によれば、互いに当接して相対的
に摺動する第一の部材と第二の部材との組合せにして、
前記第一の部材の少なくとも前記第二の部材に対する震
動面部は５０ｗｔ％以上のアルミナと残部としてのシリ
カとよりなりαアルミナ含有率が５〜５５ｗｔ％である
アルミナ繊維を強化材としアルミニウム、マグネシウム
、それらの合金よりなる群より選択された金属をマトリ
ックスとする複合材料にて構成されており、前記第二の
部材の少なくとも前記第一の部材に対する震動面部は硬
さＨｖ　（１’０ｋａ）　−２５＜）以上の鋼にて構成
されていることを特徴とする部材の組合せによって達成
される。

本発明によれば一１互いに当接して相対的に摺動する二
つの部材の組合せであって、それら両方の部材の互いに
他に対する摺動面は耐摩耗性に優れており、従ってそれ
ら両方の部材のそれぞれの摺動面に於ける摩耗量を最小
限に抑えることができ、しかもその一方の部材は比強度
や剛性などにも優れている如き部材の組合せを得ること
ができる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、前記アルミナ繊維
はそのαアルミナ含有串（アルミナ繊維中の全アルミナ
の■量に対するαアルミナの重量の割合）が１０〜４５
ｗｔ％であるのが好ましい。

また本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、鋼の硬さ
はＨｖ　　（１’０ｋｏ）−３５０以上であることが好
ましい。

また本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、前記
他方の部材はピストンリングであり、前記一方の部材は
該ピストンリングを受入れるリング溝部が繊維強化金属
複合材料にて構成されたエンジン用ピストンであってよ
い。かかるピストンとピストンリングとの組合せによれ
ば、ピストンのリング溝壁面及びピストンリング上下面
両方の摩耗量を最小限に抑えることができ、これにより
長期に厘りエンジンの正常な作動を確保することができ
る。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳報に説明する。

まず、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材の組
合せであって、その一方の部材がアルミナ繊維を強化材
としアルミニウム合金の如き軽金属をマトリックスとす
る繊維強化金属複合材料にて構成されており、その他方
の部材が鋼にて構成された部材の組合せに於て、それぞ
れの部材の材質が如何なるものであるのが適切であるか
について本願発明者等が行なった摩耗試験について説明
する。

繊維径３．０μのアルミナ繊維（９５ｖｔ％Ａ１ｔ　Ｏ
ｓ　、　５ｗｔ％ＳＩ　Ｏｔ　）　’ｔカサＷｉＫｏ、
　１５　Ｑ／　ｃｍ’にて無作為に配向した繊維成形体
を強化材とし、アルミニウム合金（ＪＩＳｊｌ格ＡＣ８
Ａ＞をマトリックスとする複合材料をＳｔ；ｔ、、、大
きさが１６ｘ６ｘ１０−であり、その一つの面（１６ｓ
ｅｘ　１０嘗論）を試験面とするブロック試験片を作成
した。この場合アルミナ繊維のαアルミナ含有率がＯｆ
ｔ％、５ｗｔ％、３’Ｑｗｔ％、５５ｖｔ％、７０實ｔ
％である５種類のブロック試験片を作成した。

また比較用として、繊維にて強化されていないアルミニ
ウム合金（ＪＩｓｊｌｌｌＡｃ８Ａ）のみよりなる上述
のブロック試験片と同一寸法のブロック試験片を作成し
た。

これらの試験片を順次＊＊＊粍試験機にセットし、相手
部材である外径３５ｍｍ、内径３’Ｏｗｇ＋、幅１０−
一の鋼（ＪＩＳＩＩ格８ＵＳ４２０Ｊ２＞−の円筒試験
片の外周面と接触させ、それら試験片の接触部に常温の
ｍｔ＊油（キャッスルモータオイル５Ｗ−３０＞を供給
しつつ、押圧力６０ｋａ、回転数１６’０ｒｌ）園にて
円筒試験片を１時間回転させる摩耗試験を行なった。尚
この摩耗試験に於ては、熱処理により円筒試験片の硬さ
ＨＶ（１０ｋＧ）を２’ＯＤ、２５’０１３５０，５０
’Ｏの４段階に設定し、以下の表１に示すブロック試験
片と円筒試験片との組合せＡ〜■について試験を行なっ
た。

注：１）αアルミナ含有皐°０豐ｔ％２）αアルミナ含有率Ｓｗｔ％３）αアルミナ含有率３０ｗｔ％４）αアルミナ含有率５５ｗｔ％５）αアルミナ含有率７’□ｖｔ％上述の摩耗試験の結果を第１図に示す。尚第１図に於て
、上半分はブロック試談片の摩耗量（摩耗痕深さμ）を
表しており、・下半分は相手材である円筒試験片の摩耗
量（摩耗減量麿り）を表しており、記号Ａ〜■はそれぞ
れ１掲の表１に於ける試験片の組合せＡ〜■に対応して
いる。

この１１１図より、アルミニウム合金のみよりなるブロ
ック試験片（Ｉ）はその摩耗量が非常に大きいのに対し
、強化繊維にて強化されたアルミニウム合金よりなるブ
ロック試験片（Ａ−Ｈ）は、何れもアルミニウム合金の
みよりなるブロック試験片（１）に比べその摩耗量が非
常に小さいことが解る。また相手材としての円筒試験片
の摩耗につ慎では、αアルミナ含有率がそれぞれ’Ｏｆ
ｔ％、７０ｗｔ％である組合せＡ及びＥの円筒試験片及
び鋼の硬さの低い組合せＨの円筒試験片は、組合せＩの
円筒試験片よりその摩耗量が大きいのに対し、αアルミ
ナ含有率が５’ｌｌｔ％、５５ｗｔ％であり硬さＨｖ（
１’０ｋｏ）が５　’Ｏ’Ｏｔ’ある組合せＢ及びＤｌ
及びαアルミナ含有率が３ｏｗｔ％であり硬さｌ−１ｖ
（１０ｋＯ）がそれぞれ５’Ｏ’０，３５’０１２５”
Ｏである組合せＣ，Ｆ、Ｇの円筒試験片の摩耗量は、組
合せＩの場合と同等若しくはそれよりも極く僅かに大き
い程度に抑えられていることが解る。

また、８０ｗｔ％以上のアルミナと残部としてのシリカ
とよりなる種々のαアルミナ組成のアルミナ繊維を強化
材とし、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合
金をマトリックスとする複合材料にてブロック試験片を
作成し、また炭素鋼などにて円筒試験片を作成して、上
述の摩耗試験と同様の摩耗試験を行なったところ、第１
図に示す結果と実質的に同様の傾向を示す試験結果を得
た。

これらの摩耗試験の結果より、互いに当接して相対的に
摺動する二つの部材の組合せであって、その一方の部材
がアルミナ繊維を強化材とし、アルミニウム合金の如き
軽金属をマトリックスとする複合材料にて構成されてお
り、その他方の部材が鋼材にて構成されている如き二つ
の部材の組合せに於ては、前記一方の部材を構成する複
合材料は８’０１ｌＴｔ％以上のアルミナと残部として
のシリカとよりなりαアルミナ含有率が５〜５５ｗｔ％
、好ましくは１０〜４５ｗｔ％であるアルミナ繊維を強
化材とし、アルミニウム、マグネシウム、それらの合金
よりなる群より選択された金属をマトリックスとする複
合材料であり、前記他方の部材を構成する鋼はその硬さ
Ｈｖ（１’０ｋａ）が２５０以上、好ましくは３５０以
上の鋼であることが好ましいことが解る。

次にエンジン用ピストンとピストンリングとの組合せに
対し適用された本発明による部材の組合せの具体的実施
例について説明する。

第２図は上述の実施例を示す解重的縦断面図、第３図は
その要部を示す解重的拡大部分縦断面図、第４図はピス
トンリング（トップリング）を拡大して示す解重的部分
縦断面図である。これらの図に於て、１はピストンであ
り、アルミニウム合金（ＪＩＳＩＩ格ＡＣ８Ａ）にて構
成されている。ピストン１の側部外周面２には、燃焼ガ
スがピストン１とシリンダブロック３のシリンダ壁面と
の間を経てエンジンのｍ焼室より濡洩するのを防止する
コンブレツシコ“シリンダ４及び５を受入れる二つのリ
ング溝６及び７と、余分のオイルを掻落すオイルリング
８を受入れるリング溝９とが形成されている。図示の実
施例に於ては、ピストン１の側部外局面２に沿うピスト
ンヘッド１０よりトップリング溝６の下１ｉ１１の下方
までの部分は、繊１１１１３．０μ、αアルミナ含有率
３０ｗｔ％のアルミナ繊維（９５ｗｔ％Ａｌ　！　Ｏｓ
　１５１ｆｔ％８１０！　）をカサ密度０．１５ｏ／ｃ
■３にて無作為に配向してなる繊維成形体を強化材とし
、ピストン１の他の部分を構成するアルミニウム合金ｌ
ｌ８１格ＡＣ８Ａ）をマトリックスとする複合材料１２
にて構成されている。この複合材料１２はトップリング
４を受入れるトップリング溝６の壁面を郭定しており、
またピストンの側部外周面２に露出する部分にてトップ
ランド１３及びセカンドランド１４の一部を郭定してい
る。

尚、かかるピストンはそれを鋳造するための鋳型のモー
ルドキャピテイ底壁上に繊維成形体を載習し、その鋳型
内に溶融アルミニウム合金を注湯し、その鋳型に液密的
に嵌合するプランジャによりアルミニウム合金を加圧し
つつ凝固させてビストン予成形体とし、それを熱処理（
Ｔ６処１りＬ。

た後所定の寸法に加工し、更にリング溝６．７．９を形
成することによって製造されてよい。

上述の如きピストン１と互いに当接して相対的に摺動す
るトップリング４は、ステンレス鋼（ＪＩｓ規格５ＵＳ
４２０Ｊ２、硬さＨｖ（１’０ｋａ）−４２’Ｏ）にて
構成されている。特に図示の実施例は７ｍのキーストン
リングとして構成されており、そのシリンダブロック３
のシリンダ壁面との摺動面部にモリブデン溶射層１５が
形成されたものである。

上述の如く構成されたビス“トンとピストンリングとを
４気筒４サイクルデイーゼルエンジンに組込み、下記の
表２に示す試験条件にて摩耗試験を行なった。

魚λ」」（１麦五− 使用エンジン：　　４気筒４サイクルデーイーゼルエンジンシリンダボア径：　９０■■ ストローク：　　　　８６１１圧縮比：　　　　　　２１．５排気量：　　　　２１８８ｃｃ− 使用燃料二　　　　軽油エンジン回転数：　　５２０’０ｒｐ−エンジン負荷：
　　フルロード試験時間：　　　　　５０’ＯＩＩ　ｒｌＪこの摩耗試
験の結果、トップリング溝６の上面１６及び下面１１の
摩耗量は共に４．５μであり、トップリング４の下＠１
−７の摩耗量は４μであることが解った。この試験結果
より、上述の実施例によるピストンとピストンリングと
の組合せによれば、現在汎用されているアルミニウム合
金（ＪＴＳｆＩ４格ＡＣ８Ａ）製のピストンと鋳鉄−の
ピストンリング又は上下面がクロムめっきされた鋳鉄製
ピストンリングとの組合せに比較して、リング溝の摩耗
量は１１５に低減され、またピストンリング上下面の摩
耗量は１／２に低減されることが解る。

以上に於ては本発明をピストンとピストンリングとの組
合せに対し適用された一つの実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、互いに当接して相対的に摺動する他の部材の組合せ
にも適用可能であることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明者等が行なった摩耗試験の結果を示す
グラフ、第２図はピストンとピストンリングとの組合せ
に対し適用された本発明による部材の組合せの一つの実
施例を示す解重的縦断面図□、第３図は第２図に示され
た実施例の要部を示す解重的拡大部分縦断面図、第４図
はピストンリング（トップリング）を拡大して示す解重
的部分縦断面図である。１・・・ピストン、２・・・側部外周面、３・・・シリ
ンダボア径、４−・・トップリング、５・・・セカンド
リング。６・・・トップリング溝、７・・・セカンドリング溝、
８・・・オイルリング、９・・・リング溝、１０・・・
ピストンヘッド、１１・・・トップリング溝の下面、１
２・・・複合材料、１３・・・トップランド、１４・・
・セカンドランド、１５・・・モリブデン溶射層、１６
・・・トップリング溝の上面、１７・・・トップリング
の下面時　許　出　願　人　トヨタ自動車工業株式会社
代　　　　　理　　　　　人　　弁理士　　　明　　石
　　昌　　毅第１図

Claims

【特許請求の範囲】（１）互いに当接して相対的に摺動する第一の部材と第
二の部材との組合せにして、前記第一の部材の少なくと
も前記第二の部材に対する摺動面部はａｏｗｔ％以上の
アルミナと残部としてのシリカとよりなりαアルミナ含
有率が５〜５５ｗｔ％であるアルミナ繊維を強化材とし
アルミニウム、マグネシウム、それらの合金よりなる群
より選択された金属をマトリックスとする複合材料にて
構成されており、前記第二の部材の少なくとも前記第一
の部材に対する摺動面部は硬さＨｖ　　（１’０ｋａ）
　−２５０以上の鋼にて構成されていることを特徴とす
る部材の組合せ。（２、特許請求の範囲第１項の部材の組合せに於て前記
アルミナ繊維のαアルミナ含有率は１０〜４５ｗｔ％で
あることを特徴とする部材の組合せ。（３）特許請求の範囲第１項又は第２項の部材の組合せ
に於て、前記鋼の硬さはＨｖ　（１’０ｋａ）　−３５
０以上であることを特徴とする部材の組合せ。（４）特許請求の範囲第１項乃至第３項の部材の組合せ
に於て、前記第一の部材はエンジン用ピストンであり、
前記第二の部材はピストンリングであることを特徴とす
る部材の組合せ。