JPS5893840A - 摺動用部材 - 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】 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鋳鉄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１ｉＩ１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、アルミナ質繊維を強化
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−純性等を向上さ
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摺動する摺動部材
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ｌｌｌｌ１強化金属複合材料にて構成され
、その他方の部材が鋳鉄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、それらの組成及び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、それぞれ特定の特徴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
他方の部材が鋳鉄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向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５〜５Ｅｌｔ％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鋳
鉄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、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向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アルミナ含有率（アルミナ繊維中の全アルミナ
の重量に対する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、前記第二
の部材の前記第一の部材に対する摺動面はリューブライ
ト処理されていることが好ましく、また前記第二の部材
の前記摺動面部を構成する鋳鉄は球状黒鉛鋳鉄であるこ
とが好ましい。

本発明の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、前記一方の部材は類ピスト
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Ｗ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
詳細に説明する。

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６− 馬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、その他方の部材が鋳鉄にて構成された部材
の組合せに放て、それぞれの部材の組成や材質が如何な
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（９５ｗｔ％Ａ１ｔ　
Ｏ＠　、５ｗｔ％８１０！＞をカサ密度０．１５＋１／
　ｃ−’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（Ｊ　Ｉｓ規格ＡＣ８Ａ＞をマトリ
ックスとする複合材料を製造し、大きさが１６ｘ６ｘ１
０−一であり、その一つの面（１６１−Ｘ１０１−）、
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Ｑｖｔ％、５ｗｔ％、
３０ｗｔ％、５５’ｌｌｔ％、６５ｗｔ％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（ＪＩＳＩ格ＡＣ８Ａ）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＊＊＊耗試験機にセットし、相手
部材である外径３５−１内！！３０ｍ５、幅１０１１（
Ｆ）球状ｊｌｌ鉛鋳１１ｔ　（Ｊ　ｌ８１１ＦＣＤ７０
）製の円筒試験片の外周面と接触させ、それら試験片の
接触部に高ｍ１（１５０℃）の調清油（キャッスルモー
タオイル５Ｗ−３０）を供給しつつ、押圧力６０ｋｏ；
回転数１６０ｒｐ−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けるブロック
試験片と円筒試験片との組合せは下記の表１に示す通り
であった。

１　：　　　　　の　　　せ 注：１）αアルミナ含有率（３５ｗｔ％２）αプルミナ
含有率５５ｗｔ％ ３）αアルミナ含有率３Ｑｗｔ％ ４）αアルミナ含有率ｓｅｔ％ ５）αアルミナ含有率Ｑｗｔ％ 上述の摩耗試験の＠県を第１図に示す。尚第１図に於て
、上半分はブロック試験片の摩耗量（ｌＩ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−９）を表しており、記号Ａ−Ｈは１掲の
表１に於ける試験片の組合せＡ−Ｈに対応している。

この第１図より、アルミニウム合金のみよりなるブロッ
ク試験片（Ｇ及びＨ）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−Ｆ）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（Ｇ及びＨ）に比べその
摩耗量が非常に小さく、特にリュープライト処理された
円筒試験片に対するブロック試験片（Ａ−Ｅ）は硬質ク
ロムめっきされた円筒試験片に対するブロック試験馬を
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、その他方の部材が鋳鉄にて構成された部材の組
合せに於て、それぞれの部材の組成や材質が如何なるも
のであるのが適切であるかについて本膿発明者等が行な
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（９５ｗｔ％Ａｌ＊　Ｏ
ｓ　、５豐ｔ％８１０りをカサ密度０．１５＋１／　ａ
ｓ”にて無作為に配向したＩｌ雑成形体を強化材とし、
アルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ＞をマトリック
スとする複合材料を＠造し、大きさが１６ｘ６ｘ１０ｍ
−であり、その一つの面（１６ａ−ｘｌｏａ−）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０豐ｔ％、５ｗｔ％、３０ｖ
ｔ％、５５ｗｔ％、６５ｗｔ％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（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）のみよりなる上述の１
０ツ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摩擦摩耗試験機にセットし、相手
部材である外径３５−１内１！３０ｍｍ、幅１０Ｉ−の
球状黒鉛鋳鉄（Ｊ　ｌ８１１１ＦＣＤ７０）製の円筒試
験片の外周面と接触させ、それら試験片の接触部に高Ｉ
Ｉ（１５０℃）の潤滑油（キャッスルモータオイル５Ｗ
−３０）を供給しつつ、押圧力６０ｋｏ、回転数１６０
ｒＥＩ−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けるブロック試験片と円
筒試験片との組合せは下記の表１に示す通りであった。

１　：　　　　　の　　　せ 注＝１）αアルミナ含有率５５ｗｔ％ ２）αアルミナ含有率５５ｗｔ％ ３）αアルミナ含有率３Ｑｗｔ％ ４）αアルミナ含有率ａＶｔ％ ５）αアルミナ含有率９ｗｔ％ 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験片の摩耗量（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ＳＯ）を表しており、記号Ａ〜Ｈは１掲の表
１に於ける試験片の組合せＡ−Ｈに対応している。

この第１図より、アルミニウム合金のみよりなるブロッ
ク試験片（Ｇ及びＨ）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−Ｆ）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（Ｇ及びＨ）に比べその
摩耗量が非常に小さく、特にリュープライト処理された
円筒試験片に対するブロック試験片（Ａ−Ｅ）は硬質ク
ロムめっきされた円筒試験片に対するブロック試験片（
Ｆ）よりもその摩耗量が小さいことが解る。

また相手材としての円筒試験片の摩耗については、組合
せＡ、Ｅ、Ｆの円筒試験片の摩耗量は、組合せＧ及びＨ
の場合よりも大きいのに対し、本発明に係る組合せ８、
Ｃ１Ｄの円筒試験片の摩耗量は組合せＧ及びＨ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、８０ｖｔ％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、また焦心可鍛鋳鉄など種々の鋳鉄にて円筒試験
片（リュープライト処理したものとしないものの両方）
を作成し、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（但し
この場合の円筒試験片の摩耗量は球状黒鉛鋳鉄の場合よ
りも僅かに大きい）を示す試験結果を得た。

これらの摩耗試験の結果より、互（（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Ｓ＠が鋳鉄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８０ｗｔ％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５〜５５１１１ｔ
％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
材を構成する鋳鉄はリュープライト処理された鋳鉄、特
にリュープライト処理された球状黒鉛鋳鉄であることが
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
トンリングを拡大して示す解重的部分５１ｍｍ図である
。これらの図に放て、１はピストンであり、アルミニウ
ム合金（Ｊ１８ｍ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、＊＊ガスがピストン１と
シリンダブロック３のシリンダ！面との閣を経てエンジ
ンのｍ＊室より濡洩するのを防止するコンプレッション
リング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τ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の下面１１の下方までの部分は、繊維１
！３．０μ、αアルミナ含有率３０ｗｔ％のアルミナ繊
維（９５ｗｔ％Ａ：！０・、５＋＋ｙｔ％５ｌｏｔ）を
カサ密度０゜１５９／ｃｌ”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（Ｊ　ｌ５Ｉ１４＠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
ルドキャビティ底壁上に＊＊成形体を載隨し、その鋳型
内に溶融アルミニウム合金を注濃し、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
つつ凝固させてピストン予成゛形体とし、それを熱処３
１（Ｔ６処理）し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、球状黒鉛鋳鉄（ＪＩｓｌｅ格ＦＣ
Ｃ７０）にて構成されており、表面処理とし、てリュー
プライト処理されたものである。

特に図示の実施例は７°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ピストンとピストンリング（１掲
の表１の組合せＣに対応）、及び１掲の表１の組合せＡ
、Ｅ−Ｈにて構成されたピストンとピストンリングを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実機による摩耗試験を行なった。

色λ二」Δ鳳ＪＪＬ 使用エンジン：　　４気筒４サイクル デイーゼルエンジン シリンダボア！：　　　９０＋ｎ ストローク：　　　　　８６ｇ＋ａ 圧縮比：　　　　　　　２１．５ 排気量：　　　　　２１８８ｃｃ シリンダ材質：　　ねずみ鋳鉄 （Ｊ　Ｉｓ規格ＦＣ２５＞ 使用燃料：　　　　軽油 エンジン回転数：　　５２００　ｒｐｍエンジン負荷＝
　　フルロード 試験時間：　　　　５００時間 この実機による摩耗試験の結果を第５図に示す。

尚第５図に於て、上半分及び下半分はそれぞれトップリ
ング溝下面１１及びトップリング下面１７の摩耗量（摩
耗痕深さμ）を表わしており、記号Ａ、Ｃ，Ｅ、Ｆ、Ｇ
、Ｈはそれぞれ１掲の表１に於ける組合せＡ、Ｃ，ＥＳ
Ｆ、Ｇ、Ｈに対応している。

この第５図より、組合せＩ　Ｃ，Ｅ、Ｆの場合は組合せ
Ｈの場合に比較してピストンのトップリング溝下面１１
、トップリング下面１７とも摩耗量が小さく、特に本発
明の組合せＣの場合はリング溝下面及びピストンリング
下面の摩耗量は何れの組合せの場合よりも小さいことが
解る。更に本発明の組合せＣの場合に於けるオイル消費
量及びブローバイガス量は他の何れの組合せの場合より
も低位に安定していた。

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
拡大部分縦断面図、第５図は実機による摩耗試験の結果
を示すグラフである。 １・・・ピストン、２・・・側部外周面、３・・・シリ
ンダライナ、４・・・トップリング、５・・・セカンド
ランド。

Claims (1)

1. 【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１ＩＩＩ１面部はｓｏｗｔ％
   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衝動両部は鋳鉄にて構成されてい
   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５Ｉｌｌのαアルミナ含有率は１０〜４５ｗ
   ｔ％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、前記第二の部材の前記第一の部材に対する摺動
   面はリュープライト処理されてい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。