複合摺動部材とその製造方法
【課題】 耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた複合摺動部材を得る。
【解決手段】 金属粒子または金属間化合物粒子を母相１９とする複合材料において、金属粒子の体積率が摺動面１３から内部に向けて変化する。金属粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加する。摺動面１３には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が金属粒子よりも優れた特性を有する相が分散する。
【解決手段】 金属粒子または金属間化合物粒子を母相１９とする複合材料において、金属粒子の体積率が摺動面１３から内部に向けて変化する。金属粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加する。摺動面１３には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が金属粒子よりも優れた特性を有する相が分散する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は例えば内燃機関のピストンリングなどに好適な、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた複合摺動部材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５に示すように、鉄からなるピストンリング１２Ａの摺動面にメツキ、溶射、ＰＶＤまたはＣＶＤにより耐摩耗性被膜１４を形成したものでは、低摩擦性と耐久性とを満足するものが得にくい。また、図６に示すように、ピストンリング１２Ｂの摺動面に窒化相１５を形成したものは、製造は容易であるが十分な耐久性を維持できない。さらに、図７に示すように、窒化珪素などのセラミツクスの内部に、予めセラミツクス短繊維１６と潤滑性を有するモリブデン粒子１７を分散させたピストンリング１２Ｃは、コストが高く、ピストンのリング溝に対する損傷性を軽減することが難しい。
【０００３】特開平11-286755 号公報に開示される焼結ピストンリングは、２０〜４０重量％の銅Cuと、０．６〜１４重量％のニツケルNiと、１．０〜３．０重量％の炭素（黒鉛） Cとを含有し、残りが鉄Feと不可避不純物からなる組成を有し、かつ鉄Feを主成分とする鉄基合金相を、銅Cuを主成分とする銅基合金相で結合してなる素地中に、平均粒径が３０μｍ以下の微細な遊離黒鉛相が析出分散する組織を有する。鉄基合金相は５０重量％以上の鉄FeとニツケルNiと銅Cuと炭素 Cとからなる合金相であり、銅基合金相は５０重量％以上の銅CuとニツケルNiと鉄Feと炭素Cとからなる合金相であり、鉄基合金相に含まれるニツケルNiと炭素 Cの濃度は、銅基合金相に含まれるニツケルNiと炭素 Cの濃度よりも大きい。
【０００４】黒鉛粒子は焼結により一旦素地中に固溶し、焼結後の冷却中に平均粒径が３０μｍ以下の極めて微細な遊離黒鉛となつて気孔に析出分散する。焼結初期段階において Cu-Ni合金の固有共存域に昇温し、焼結体に撓みや歪みなどの変形が生じないように少量の液相を出現させると、 Cu-Ni合金粉末のNiはFe粉末中へ拡散してFe粉末同士の接合強度を向上する。焼結後期段階においてはNiがFe粉末中へ拡散するところから、 Cu-Ni合金粉末のNi含有量が少くなり融点が下がり、一気にCu-Ni合金粉末は融解し、ダイナミツクな液相焼結が進行して緻密化する。上述の複合材料からなるピストンリングでは、熱伝導性が低下することと、ピストンのリング溝の耐損傷性が問題とされ、リング溝が損傷すると、潤滑油の消費量が多くなり、燃焼ガス中に有害物質であるＳＯＦ分が増加する。
【０００５】また、特開平11-166625 号公報に開示されるピストンリングは、ピストンリングの上下面に厚さ０．５〜３０μｍの硬質被膜を形成したものである。硬質被膜は珪素Si，チタンTi，タングステン W，クロムCr，モリブデンMo，ニオブNb，バナジウム Vの群から選ばれた少くとも１つの元素が分散するダイヤモンドライクカーボンから形成される。ダイヤモンドライクカーボン被膜は耐スカツフ性が本来高いが、Si，Ti，W ，Cr，Mo，Nb，V の群から選ばれた少くとも１つの元素（金属と金属炭化物の一方または両方の形態で存在する）を含ませることにより、耐摩耗性と耐アルミニウム凝着性を向上する。上述の硬質被膜を形成したピストンリングでは、被膜の厚さ２０μｍが限界とされており（要求は１００μｍ以上）、被膜の剥離などが懸念される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は上述の問題に鑑み、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた複合摺動部材とその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明の構成は金属または金属間化合物の結晶粒子を母相とする複合材料において、前記結晶粒子の体積率が摺動面から内部に向けて変化しており、前記結晶粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加し、摺動面には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が分散することを特徴とする。
【０００８】また、本発明の製造方法は金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きする工程と、前記開気孔に鉄またはモリブデンを含有する溶液を含浸する工程と、前記成形体を所定の温度に加熱して母相を焼結するとともに前記溶液を含浸した部分を固体に転化する工程と、前記成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体に転化した部分を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する工程とからなることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明では金属粉末または金属間化合物粉末を原料として、所要の成形体（例えばピストンリング）を成形する。成形体のシリンダの内周面（ボア面）と接する面には、固体潤滑性を有するナノ微粒子と、油吸着性を有するナノ微粒子とを塗布法により分散させる。成形体を成形後に開気孔（気孔が外面に開口するもの）が残つた状態でモリブデンアンモニウム溶液などを含浸し、乾燥後に焼結する。さらに、成形体の酸化または硫化処理によりモリブデン粒子を固体潤滑剤に転化させる。ナノ微粒子を使用することにより、母相自体の焼結性が損なわれることがなく、粒界部分が強化される。さらにモリブデンアンモニウム溶液の含浸法によりナノオーダの固体潤滑機能を付与することができる。成形体にモリブデンアンモニウム溶液を含浸するだけで焼結してもも、固体潤滑機能を発揮する。
【００１０】
【実施例】本発明に係る複合摺動部材をピストンリングの場合について説明すると、図１に示すように、内燃機関のシリンダ２に嵌挿されるピストン３は、外周面に環状のリング溝４を形成され、リング溝４に断面がほぼ長方形をなすピストンリング１２が嵌挿され、ピストンリング１２の外周面がシリンダ２の内周面２ａに摺動可能に押し付けられる。図３に示すように、複合摺動部材としてのピストンリング１２は、金属または金属間化合物をベースとする焼結金属から構成される。複合摺動部材としてのピストンリング１２は、金属または金属間化合物の結晶粒子２１を母相１９とし、粒界２０に結晶粒子２１よりも耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた特性を有する粒子２２，２３，２４の相が分散される。図２R>２に示すように、結晶粒子２１の体積率は摺動面から内部に向けて変化しており、結晶粒子２１の体積率は摺動面近傍では小さく、内部へ向かつて増加する。
【００１１】図３に示すように、結晶粒子２１の粒界２０には、母相１９を形成する結晶粒子２１のサイズよりも小さく、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が結晶粒子２１よりも優れた特性を有する相が分散する。耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が結晶粒子２１よりも優れた特性を有する相の粒子のサイズはｎｍ（ナノメートル）レベルのものである。つまり、結晶粒子２１の粒界２０には、硫化鉄FeS ，４酸化３鉄Fe3O4 のナノ微粒子２２と、硫化モリブデンMoS ，３酸化モリブデンMoO3のナノ微粒子２３と、酸化物セラミツクスのナノ微粒子２４とが分散される。
【００１２】即ち、上述の耐摩耗性に優れた相２４は酸化物セラミツクスである。酸化物セラミツクスはアルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛のいずれか、またはそれらの組合せである。固体潤滑性に優れた相２３はモリブデンの酸化物MoO3または硫化物MoS である。油吸着性に優れた相２２は酸化鉄Fe3O4 である。
【００１３】上述の構成により、ピストンリング１２の摺動面１３が低摩耗性と低摩擦性を有し、シリンダ２の内周面２ａやリング溝４を損傷することがなく、さらに伝熱性にも優れるので、摺動摩擦による熱を迅速にシリンダ壁またはピストン本体へ伝達し、ピストンリング１２の熱負荷を軽減する。
【００１４】本発明による複合摺動部材を製造するには、金属または金属間化合物の混合粉末から所定の成形体を成形し、成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布し、所定温度に加熱して緻密化する。
【００１５】つまり、本発明による複合摺動部材を製造するには、金属または金属間化合物の混合粉末から所定の成形体を成形し、成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布する。次いで、成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きし、成形体の開気孔に別の金属を含む溶液を含浸し、成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する。
【００１６】また、本発明による複合摺動部材を製造するには、金属または金属間化合物から成形体を成形する。成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きし、成形体の開気孔に別の金属を含有する溶液を含浸する。次いで、成形体を所定の温度に加熱して母相１９を焼結するとともに、溶液を含浸した部分を固体に転化する。さらに、成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体に転化した部分を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する。
【００１７】［具体例１］鉄Feを主成分とし、銅Cu，窒素 N，炭素 Cを含有する混合粉末から、静水圧プレスにより直径約１５ｍｍ、長さ約３０ｍｍの円柱状の成形体を成形した。成形体の外面に、粒径が数十ｎｍの酸化鉄粉末を含む粉末のスラリを塗布した。乾燥後に、成形体を不活性雰囲気にて温度約１２００℃に加熱して焼結し、緻密化させた。得られた成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上加工したピンを作製した。
【００１８】一方、鋳鉄製の正方形のプレート（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）を作製し、ピンの先端部をプレートに垂直に立てて摩擦する、ピンオンディスク型摺動試験機にセツトした。プレートを回転数２０００ｒｐｍで回転し、潤滑油１０Ｗ−３０を使用して、ピンを２０００００ｍ摺動させた時の、ピンの摩擦係数とピンの摩耗状態を測定した。
【００１９】［具体例２］具体例１で得たピンの外面（焼結体の加工面）を、温度１０００℃の硫化水素雰囲気に晒して硫化処理を行つた。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２０】［具体例３］鉄Feを主成分とし、銅Cu，窒素 N，炭素 Cを含有する混合粉末から、静水圧プレスにより直径約１５ｍｍ、長さ約３０ｍｍの円柱状の成形体を成形した。成形体の外面に、粒径が数十ｎｍの酸化鉄粉末を含む粉末のスラリを塗布した。乾燥後に、不活性雰囲気にて温度約９００℃に加熱して開気孔が残るように予備焼結を行つた。次いで、予備焼結を行つた成形体を、モリブデンアンモニウム溶液の入つた容器に浸し、減圧することによりモリブデンアンモニウム溶液を成形体の気孔の内部に含浸した。次いで、成形体を温度約２２０℃で乾燥させた後、不活性雰囲気で焼成して緻密化させた。得られた成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上加工したピンを作製した後に、温度１０００℃の硫化水素雰囲気に晒して硫化処理を行い、鉄粉末とモリブデン粉末を硫化させた。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２１】［具体例４］具体例３と同様の工程で、鉄Feを主成分とし、銅Cu，窒素 N，炭素 Cを含有する混合粉末から、静水圧プレスにより直径約１５ｍｍ、長さ約３０ｍｍの円柱状の成形体を成形した。成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上げ加工したピンを作製した後に、大気中にて温度約６００℃に熱処理し、鉄粉末とモリブデン粉末を硫化させた。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２２】［具体例５］具体例１と同様の工程で、Fe-Si 微粉末と鉄微粉末との混合粉末から成形体を成形した。成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上加工したピンを作製した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２３】
［比較例１］ステンレス材料から具体例１で用いたピンと同形状のピンを作製した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２４】［比較例２］鋳鉄から具体例１で用いたピンと同形状のピンを作製し、ピンの外面にクロムCrメツキを施した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２５】［比較例３］鋳鉄から具体例１で用いたピンと同形状のピンを作製し、ピンの外面にＤＬＣ被膜を形成した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２６】図４は以上の各実施例と各比較例に係るピストンリングの摩擦特性を表し、表１にはピストンリングとしての評価を表す。
【００２７】
【発明の効果】本発明は上述のように、金属または金属間化合物の結晶粒子を母相とする複合材料において、前記結晶粒子の体積率が摺動面から内部に向けて変化しており、前記結晶粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加し、摺動面には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が分散するものであり、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた複合摺動部材が得られる。
【００２８】本発明による複合摺動部材は焼結によるから成形が容易であり、低コストで製造でき、摺動面近傍の組織の耐久性と耐剥離性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複合摺動部材としてのピストンリングの装着状態を示す正面断面図である。
【図２】同ピストンリングの正面断面図である。
【図３】同ピストンリングの組織を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の各実施例と各比較例に係るピストンリングの摩擦特性を表す線図である。
【図５】従来のピストンリングの正面断面図である。
【図６】従来の他のピストンリングの正面断面図である。
【図７】従来の他のピストンリングの正面断面図である。
【符号の説明】
２：シリンダ ２ａ：内周面 ３：ピストン ４：リング溝 １２：ピストンリング １３：摺動面 １９：母相 ２０：粒界 ２１：結晶粒子 ２２：粒子２３：粒子 ２４：粒子
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は例えば内燃機関のピストンリングなどに好適な、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた複合摺動部材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５に示すように、鉄からなるピストンリング１２Ａの摺動面にメツキ、溶射、ＰＶＤまたはＣＶＤにより耐摩耗性被膜１４を形成したものでは、低摩擦性と耐久性とを満足するものが得にくい。また、図６に示すように、ピストンリング１２Ｂの摺動面に窒化相１５を形成したものは、製造は容易であるが十分な耐久性を維持できない。さらに、図７に示すように、窒化珪素などのセラミツクスの内部に、予めセラミツクス短繊維１６と潤滑性を有するモリブデン粒子１７を分散させたピストンリング１２Ｃは、コストが高く、ピストンのリング溝に対する損傷性を軽減することが難しい。
【０００３】特開平11-286755 号公報に開示される焼結ピストンリングは、２０〜４０重量％の銅Cuと、０．６〜１４重量％のニツケルNiと、１．０〜３．０重量％の炭素（黒鉛） Cとを含有し、残りが鉄Feと不可避不純物からなる組成を有し、かつ鉄Feを主成分とする鉄基合金相を、銅Cuを主成分とする銅基合金相で結合してなる素地中に、平均粒径が３０μｍ以下の微細な遊離黒鉛相が析出分散する組織を有する。鉄基合金相は５０重量％以上の鉄FeとニツケルNiと銅Cuと炭素 Cとからなる合金相であり、銅基合金相は５０重量％以上の銅CuとニツケルNiと鉄Feと炭素Cとからなる合金相であり、鉄基合金相に含まれるニツケルNiと炭素 Cの濃度は、銅基合金相に含まれるニツケルNiと炭素 Cの濃度よりも大きい。
【０００４】黒鉛粒子は焼結により一旦素地中に固溶し、焼結後の冷却中に平均粒径が３０μｍ以下の極めて微細な遊離黒鉛となつて気孔に析出分散する。焼結初期段階において Cu-Ni合金の固有共存域に昇温し、焼結体に撓みや歪みなどの変形が生じないように少量の液相を出現させると、 Cu-Ni合金粉末のNiはFe粉末中へ拡散してFe粉末同士の接合強度を向上する。焼結後期段階においてはNiがFe粉末中へ拡散するところから、 Cu-Ni合金粉末のNi含有量が少くなり融点が下がり、一気にCu-Ni合金粉末は融解し、ダイナミツクな液相焼結が進行して緻密化する。上述の複合材料からなるピストンリングでは、熱伝導性が低下することと、ピストンのリング溝の耐損傷性が問題とされ、リング溝が損傷すると、潤滑油の消費量が多くなり、燃焼ガス中に有害物質であるＳＯＦ分が増加する。
【０００５】また、特開平11-166625 号公報に開示されるピストンリングは、ピストンリングの上下面に厚さ０．５〜３０μｍの硬質被膜を形成したものである。硬質被膜は珪素Si，チタンTi，タングステン W，クロムCr，モリブデンMo，ニオブNb，バナジウム Vの群から選ばれた少くとも１つの元素が分散するダイヤモンドライクカーボンから形成される。ダイヤモンドライクカーボン被膜は耐スカツフ性が本来高いが、Si，Ti，W ，Cr，Mo，Nb，V の群から選ばれた少くとも１つの元素（金属と金属炭化物の一方または両方の形態で存在する）を含ませることにより、耐摩耗性と耐アルミニウム凝着性を向上する。上述の硬質被膜を形成したピストンリングでは、被膜の厚さ２０μｍが限界とされており（要求は１００μｍ以上）、被膜の剥離などが懸念される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は上述の問題に鑑み、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた複合摺動部材とその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明の構成は金属または金属間化合物の結晶粒子を母相とする複合材料において、前記結晶粒子の体積率が摺動面から内部に向けて変化しており、前記結晶粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加し、摺動面には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が分散することを特徴とする。
【０００８】また、本発明の製造方法は金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きする工程と、前記開気孔に鉄またはモリブデンを含有する溶液を含浸する工程と、前記成形体を所定の温度に加熱して母相を焼結するとともに前記溶液を含浸した部分を固体に転化する工程と、前記成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体に転化した部分を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する工程とからなることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明では金属粉末または金属間化合物粉末を原料として、所要の成形体（例えばピストンリング）を成形する。成形体のシリンダの内周面（ボア面）と接する面には、固体潤滑性を有するナノ微粒子と、油吸着性を有するナノ微粒子とを塗布法により分散させる。成形体を成形後に開気孔（気孔が外面に開口するもの）が残つた状態でモリブデンアンモニウム溶液などを含浸し、乾燥後に焼結する。さらに、成形体の酸化または硫化処理によりモリブデン粒子を固体潤滑剤に転化させる。ナノ微粒子を使用することにより、母相自体の焼結性が損なわれることがなく、粒界部分が強化される。さらにモリブデンアンモニウム溶液の含浸法によりナノオーダの固体潤滑機能を付与することができる。成形体にモリブデンアンモニウム溶液を含浸するだけで焼結してもも、固体潤滑機能を発揮する。
【００１０】
【実施例】本発明に係る複合摺動部材をピストンリングの場合について説明すると、図１に示すように、内燃機関のシリンダ２に嵌挿されるピストン３は、外周面に環状のリング溝４を形成され、リング溝４に断面がほぼ長方形をなすピストンリング１２が嵌挿され、ピストンリング１２の外周面がシリンダ２の内周面２ａに摺動可能に押し付けられる。図３に示すように、複合摺動部材としてのピストンリング１２は、金属または金属間化合物をベースとする焼結金属から構成される。複合摺動部材としてのピストンリング１２は、金属または金属間化合物の結晶粒子２１を母相１９とし、粒界２０に結晶粒子２１よりも耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた特性を有する粒子２２，２３，２４の相が分散される。図２R>２に示すように、結晶粒子２１の体積率は摺動面から内部に向けて変化しており、結晶粒子２１の体積率は摺動面近傍では小さく、内部へ向かつて増加する。
【００１１】図３に示すように、結晶粒子２１の粒界２０には、母相１９を形成する結晶粒子２１のサイズよりも小さく、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が結晶粒子２１よりも優れた特性を有する相が分散する。耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が結晶粒子２１よりも優れた特性を有する相の粒子のサイズはｎｍ（ナノメートル）レベルのものである。つまり、結晶粒子２１の粒界２０には、硫化鉄FeS ，４酸化３鉄Fe3O4 のナノ微粒子２２と、硫化モリブデンMoS ，３酸化モリブデンMoO3のナノ微粒子２３と、酸化物セラミツクスのナノ微粒子２４とが分散される。
【００１２】即ち、上述の耐摩耗性に優れた相２４は酸化物セラミツクスである。酸化物セラミツクスはアルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛のいずれか、またはそれらの組合せである。固体潤滑性に優れた相２３はモリブデンの酸化物MoO3または硫化物MoS である。油吸着性に優れた相２２は酸化鉄Fe3O4 である。
【００１３】上述の構成により、ピストンリング１２の摺動面１３が低摩耗性と低摩擦性を有し、シリンダ２の内周面２ａやリング溝４を損傷することがなく、さらに伝熱性にも優れるので、摺動摩擦による熱を迅速にシリンダ壁またはピストン本体へ伝達し、ピストンリング１２の熱負荷を軽減する。
【００１４】本発明による複合摺動部材を製造するには、金属または金属間化合物の混合粉末から所定の成形体を成形し、成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布し、所定温度に加熱して緻密化する。
【００１５】つまり、本発明による複合摺動部材を製造するには、金属または金属間化合物の混合粉末から所定の成形体を成形し、成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布する。次いで、成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きし、成形体の開気孔に別の金属を含む溶液を含浸し、成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する。
【００１６】また、本発明による複合摺動部材を製造するには、金属または金属間化合物から成形体を成形する。成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きし、成形体の開気孔に別の金属を含有する溶液を含浸する。次いで、成形体を所定の温度に加熱して母相１９を焼結するとともに、溶液を含浸した部分を固体に転化する。さらに、成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体に転化した部分を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する。
【００１７】［具体例１］鉄Feを主成分とし、銅Cu，窒素 N，炭素 Cを含有する混合粉末から、静水圧プレスにより直径約１５ｍｍ、長さ約３０ｍｍの円柱状の成形体を成形した。成形体の外面に、粒径が数十ｎｍの酸化鉄粉末を含む粉末のスラリを塗布した。乾燥後に、成形体を不活性雰囲気にて温度約１２００℃に加熱して焼結し、緻密化させた。得られた成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上加工したピンを作製した。
【００１８】一方、鋳鉄製の正方形のプレート（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）を作製し、ピンの先端部をプレートに垂直に立てて摩擦する、ピンオンディスク型摺動試験機にセツトした。プレートを回転数２０００ｒｐｍで回転し、潤滑油１０Ｗ−３０を使用して、ピンを２０００００ｍ摺動させた時の、ピンの摩擦係数とピンの摩耗状態を測定した。
【００１９】［具体例２］具体例１で得たピンの外面（焼結体の加工面）を、温度１０００℃の硫化水素雰囲気に晒して硫化処理を行つた。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２０】［具体例３］鉄Feを主成分とし、銅Cu，窒素 N，炭素 Cを含有する混合粉末から、静水圧プレスにより直径約１５ｍｍ、長さ約３０ｍｍの円柱状の成形体を成形した。成形体の外面に、粒径が数十ｎｍの酸化鉄粉末を含む粉末のスラリを塗布した。乾燥後に、不活性雰囲気にて温度約９００℃に加熱して開気孔が残るように予備焼結を行つた。次いで、予備焼結を行つた成形体を、モリブデンアンモニウム溶液の入つた容器に浸し、減圧することによりモリブデンアンモニウム溶液を成形体の気孔の内部に含浸した。次いで、成形体を温度約２２０℃で乾燥させた後、不活性雰囲気で焼成して緻密化させた。得られた成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上加工したピンを作製した後に、温度１０００℃の硫化水素雰囲気に晒して硫化処理を行い、鉄粉末とモリブデン粉末を硫化させた。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２１】［具体例４］具体例３と同様の工程で、鉄Feを主成分とし、銅Cu，窒素 N，炭素 Cを含有する混合粉末から、静水圧プレスにより直径約１５ｍｍ、長さ約３０ｍｍの円柱状の成形体を成形した。成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上げ加工したピンを作製した後に、大気中にて温度約６００℃に熱処理し、鉄粉末とモリブデン粉末を硫化させた。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２２】［具体例５］具体例１と同様の工程で、Fe-Si 微粉末と鉄微粉末との混合粉末から成形体を成形した。成形体から先端部（摺動面）がＲ１８となるよう球面に仕上加工したピンを作製した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２３】
［比較例１］ステンレス材料から具体例１で用いたピンと同形状のピンを作製した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２４】［比較例２］鋳鉄から具体例１で用いたピンと同形状のピンを作製し、ピンの外面にクロムCrメツキを施した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２５】［比較例３］鋳鉄から具体例１で用いたピンと同形状のピンを作製し、ピンの外面にＤＬＣ被膜を形成した。このピンを用いて具体例１と同様の摺動試験を行つた。
【００２６】図４は以上の各実施例と各比較例に係るピストンリングの摩擦特性を表し、表１にはピストンリングとしての評価を表す。
【００２７】
【発明の効果】本発明は上述のように、金属または金属間化合物の結晶粒子を母相とする複合材料において、前記結晶粒子の体積率が摺動面から内部に向けて変化しており、前記結晶粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加し、摺動面には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が分散するものであり、耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性に優れた複合摺動部材が得られる。
【００２８】本発明による複合摺動部材は焼結によるから成形が容易であり、低コストで製造でき、摺動面近傍の組織の耐久性と耐剥離性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複合摺動部材としてのピストンリングの装着状態を示す正面断面図である。
【図２】同ピストンリングの正面断面図である。
【図３】同ピストンリングの組織を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の各実施例と各比較例に係るピストンリングの摩擦特性を表す線図である。
【図５】従来のピストンリングの正面断面図である。
【図６】従来の他のピストンリングの正面断面図である。
【図７】従来の他のピストンリングの正面断面図である。
【符号の説明】
２：シリンダ ２ａ：内周面 ３：ピストン ４：リング溝 １２：ピストンリング １３：摺動面 １９：母相 ２０：粒界 ２１：結晶粒子 ２２：粒子２３：粒子 ２４：粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】金属または金属間化合物の結晶粒子を母相とする複合材料において、前記結晶粒子の体積率が摺動面から内部に向けて変化しており、前記結晶粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加し、摺動面には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が分散することを特徴とする複合摺動部材。
【請求項２】前記耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が、母相を形成する前記結晶粒子の粒界に分散する、請求項１に記載の複合摺動部材。
【請求項３】前記耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子が、母相を形成する前記結晶粒子のサイズよりも小さい、請求項１，２に記載の複合摺動部材。
【請求項４】前記耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子のサイズがｎｍレベルのものである、請求項１〜３に記載の複合摺動部材。
【請求項５】前記耐摩耗性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子が酸化物セラミツクスである、請求項１〜４に記載の複合摺動部材。
【請求項６】前記酸化物セラミツクスがアルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛のいずれか、またはそれらの組合せである、請求項５に記載の複合摺動部材。
【請求項７】前記固体潤滑性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子がモブデンの酸化物または硫化物である、請求項１〜４に記載の複合摺動部材。
【請求項８】前記油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子が酸化鉄または硫化鉄である、請求項１〜４に記載の複合摺動部材。
【請求項９】前記複合材料がピストンリングである、請求項１に記載の複合摺動部材。
【請求項１０】金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きする工程と、前記開気孔に鉄またはモリブデンを含有する溶液を含浸する工程と、前記成形体を所定の温度に加熱して母相を焼結するとともに前記溶液を含浸した部分を固体に転化する工程と、前記成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体に転化した部分を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する工程とからなることを特徴とする、複合摺動部材の製造方法。
【請求項１１】金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物粒子よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布する工程と、前記成形体を所定温度に加熱して緻密化する工程とからなることを特徴とする、複合摺動部材の製造方法。
【請求項１２】金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布する工程と、前記成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きする工程と、前記成形体の開気孔に別の金属を含む溶液を含浸する工程と、前記成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、前記別の金属を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する工程とからなることを特徴とする、複合摺動部材の製造方法。
【請求項１３】前記別の金属が鉄、モリブデンのいずれか、またはそれらの混合物である、請求項１２に記載の複合摺動部材の製造方法。
【請求項１】金属または金属間化合物の結晶粒子を母相とする複合材料において、前記結晶粒子の体積率が摺動面から内部に向けて変化しており、前記結晶粒子の体積率が摺動面近傍では小さく内部へ向かつて増加し、摺動面には耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が分散することを特徴とする複合摺動部材。
【請求項２】前記耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相が、母相を形成する前記結晶粒子の粒界に分散する、請求項１に記載の複合摺動部材。
【請求項３】前記耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子が、母相を形成する前記結晶粒子のサイズよりも小さい、請求項１，２に記載の複合摺動部材。
【請求項４】前記耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子のサイズがｎｍレベルのものである、請求項１〜３に記載の複合摺動部材。
【請求項５】前記耐摩耗性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子が酸化物セラミツクスである、請求項１〜４に記載の複合摺動部材。
【請求項６】前記酸化物セラミツクスがアルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛のいずれか、またはそれらの組合せである、請求項５に記載の複合摺動部材。
【請求項７】前記固体潤滑性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子がモブデンの酸化物または硫化物である、請求項１〜４に記載の複合摺動部材。
【請求項８】前記油吸着性が前記結晶粒子よりも優れた特性を有する相の粒子が酸化鉄または硫化鉄である、請求項１〜４に記載の複合摺動部材。
【請求項９】前記複合材料がピストンリングである、請求項１に記載の複合摺動部材。
【請求項１０】金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きする工程と、前記開気孔に鉄またはモリブデンを含有する溶液を含浸する工程と、前記成形体を所定の温度に加熱して母相を焼結するとともに前記溶液を含浸した部分を固体に転化する工程と、前記成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、固体に転化した部分を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する工程とからなることを特徴とする、複合摺動部材の製造方法。
【請求項１１】金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物粒子よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布する工程と、前記成形体を所定温度に加熱して緻密化する工程とからなることを特徴とする、複合摺動部材の製造方法。
【請求項１２】金属または金属間化合物の混合粉末から成形体を成形する工程と、該成形体の外面に耐摩耗性と固体潤滑性と油吸着性が前記金属または金属間化合物よりも優れた特性を有する粒子を含有する混合物を塗布する工程と、前記成形体を開気孔が残留する状態になるように仮焼きする工程と、前記成形体の開気孔に別の金属を含む溶液を含浸する工程と、前記成形体を酸素または硫黄を含む雰囲気で熱処理することにより、前記別の金属を固体潤滑性と油吸着性を有する物質に転化する工程とからなることを特徴とする、複合摺動部材の製造方法。
【請求項１３】前記別の金属が鉄、モリブデンのいずれか、またはそれらの混合物である、請求項１２に記載の複合摺動部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００３−１４７４１２（Ｐ２００３−１４７４１２Ａ）
【公開日】平成１５年５月２１日（２００３．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００１−３４５９８７（Ｐ２００１−３４５９８７）
【出願日】平成１３年１１月１２日（２００１．１１．１２）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１５年５月２１日（２００３．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１３年１１月１２日（２００１．１１．１２）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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