ス 0.2 c

刊

o 

ゐJ

o 

刊

hh •

、4

。

2 ω

 

0.1 

H 

o 

、 刊、44 

に。ω )

O 

5 0  m 1 n  

Liner: 

Ring 

LI 

O 

図

4‑ 2 

1 0   1 0  

(  〔

z  z 

o 

} 

. 。

⁾ 

.

  _{‑ 1 0}     . . _{1 0} 

1 0 0  m 1 n   1 5 0  m 1 n   (Friction Diagram) 

( 

Cn03  Coat  Ts  =2880 C 

コに

Cr203  Coat  μmin=0.007  300 こ

E‑< 

ω 

コ臼

V=15m/s 

べ

 ^，...

p=3MPa  200 

_ω 

~ p  ‑ r . . / ( p   . A )   E 0 g

^q

 

^噌J •

h‑

E  。

h 

F

^刷

F m :   M a x p C l m u m  F o n t r l l l c c t t  P l o n r  F e a a o u r r c f e l    

^Q) 

100a  o 

h 

A C o n t a c t  A r ・ ・

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， 

^O 

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Uコ³ 

2

h  

‑院h

μ 

^叫に

出.. 

唱F T ' 曹 曹 司 . ‑

O 

50  100  150 

Time  (m in ) 

リ ン グ の 温 度 と 摩 嫌 力 の 経 時 変 化

‑ 1 0 2 ‑

Liner  Ring  Rrms  Ts (0 C) 

μm1 n  

(μm)  100  200  300 

FC  0.31  0.038 

FC  Si3N

、

0.04  0.023 

Cr  0.10  0.012 

(Rrms  ZrO

， 

0.03  0.013  0.11 ‑ TiC  0.05  0.039  0.19

凶 ， )

_SiC 

0.08  0.034 

Cr20

， 

0.04  0.013 

SiC  0.04  0.026 

Zr02  Zr02  0.05  0.012  (Rrms =  Cr  0.14  0.006  0.04 ‑ Si

，

^N句 0.08  0.012  0.07

，

^m)  TiC  0.06  0.012  Cr20

， 

0.04  0.006  A120

， 

0.13  0.046  Si

，

^{N句 SiC  0.07  0.022} 

Zr02  0.04  0.0051 

(Rrms  Cr  0.13  0.010 

0.11 ‑ Si3N

、

0.05  0.010  0.14μm) 

TiC  0.03  0.009 

Cr20

， 

0.04  0.009 

Al

，

O

， 

0.13  0.028  Cr203  SiC  0.08  0.037  (Rr悶 = Cr  0.17  0.008  0.04 ‑ TiC  0.03  0.013  0.0μm7 )  Si

，

N  ..0.05  0.007 

Cr20

， 

0.05  0.007 

図

4 ‑ 3 

材 質お よ び組合 せ の 彬響

( p =3MPa

， 

v =15皿/s

，

M30ilh) 

一103‑

ュ

、

c 

0 . 2 L L n e r RIng  I  ̲ . . ‑ 0 ‑ ー

FC FC 

f 

o  I ‑‑.‑‑‑ ZrO

， 

51C 

μ同υ  一念ー ‑51 

，

^N

、

^ZrO 1 

..< 

一 一

0

一 一

CrlQ

，

Cr20

， 

"

L 

"

 、 。

⁴

0 . 1

以c 

Q) 

，ィ 仁J .< 

ら ら44 

ζω

。 )

 

0 

1 0 ‑

⁶ 

1 0 ‑

⁵ 

1 0 ‑ '  

円号

/ i

う'

図

4 ‑4

材 質 の 組 合 せ に よ る 摩 燦 特 性 曲 線 の 変 化

ー

1 0 4 ‑

ヲ労労必労労労クィ

I ^{ヲタ勿勿汚物}

Test  Before 

10}

︹) 凶

ラ イ ナ 材

‑

lmm 

C  rε0 ， 

す べ り 面 の ス カ ッ フ ィ ン グ 損 傷 例 (c) 

T 

i 

C 

リング材 (b) 

Z 

^r 

0 ， 

リング材 (a) 

図

4‑5 

カ ッフ ィ ン グ 性 の 向 上 は 期 待 で き な い こ と が わ か る 次に，

ライナ材がジルコニア，室化けい索， 並 び に 酸 化 ク ロ ム 焼 成 膜 の 高 硬 度 な セ ラ ミ ッ ク ス の 場 合 . リング材が室化けい索，

サ

ーメ ッ ト あ る い は 酸 化 ク ロ ム 焼 成 般 の セ ラ ミ ッ ク ス で あ れ

ば

T ，

は

2 0 0

"C以上と高く， μ .， ，は

0 . 0 1

付近に小さく なる. しかし，リ ング材がアルミナや炭化けい紫では， μ .  ， ，  は大きく

T

，は 相 手 ラ イ ナ 材 の 硬 度 が 高 く な る 程 高 く な る 傾向にあるが， その値は

2 0 0

"C以下とかなり低く.またジル コニアでも μ .

， 

，は 小 さ い が

T

，は高くならないこと等がわ かる

このよ うなライナ材やリング材， あ る い は そ れ ら の 組 合 せ に よ っ て 摩 僚 や ス カ ッ フ ィ ン グ 発 生 温 度 の 変 化 が 起 こ る 理 由 を 以 下 に 考 察 す る ま ず 前 提 と な る す べ り 面 の 状 態 で あ る が . 図

4 ‑4

の摩煉特性曲線から， い ず れ の 場 合 も 混 合 潤 滑 岐 に

あり， す べ り 面 内 に 局 所 的 な 団 体 接 触 が 常 時 起 き て い る も の と想定した

最 初 に ラ イ ナ 材 が 鋳 鉄 の 場 合 ， 相 手 リ ン グ 材 に セ ラ ミ ッ ク ス の よ う な 高 硬 度 で ， 高 融 点 の 材 質 を 選 ぶ 仁 摩 傑 熱 は . 主 として， 低 温 で目熱 伝 導 率 と 熱 容 量 ( こ の 両 者 の 大 き さ で 材 料 の 熱 放 散 性 が 決 ま る ) の 大 き な ラ イ ナ 側 へ 逃 げ 去 り tI 1 21 

リング材が融ける程の温度上昇にはなりにくいものの， 団体 接 触 都 の 変 形， 涜動， あるいはせん断が，低硬度で， 敵点の 低い鋳鉄のライナ側で激しく起こるために， 摩 擦 は 高 く， 低 い

T ，

値でスカップイ ング が 発 生 し た も の と 考 え ら れ る

‑ 1

0)‑

次にライナ材がセラミックスの場合， そ の 材 質 に よ り ， 硬 度， 破壊靭位， 熱放散性， 融点等が異なるものの， 前述のよ

うな リングの材質に対する 一様な差遣が生じた原因として，

まず， ア ル ミ ナ は 低 い 硬 度 と 破 峨 靭 性 値 に よ る 高 摩 擦 (116) 

並 び に 耐 熱 衝 撃 性 が 低 い こ と ， 炭 化 け い 索 は 高 硬 度 で， 相手 ラ イ ナ 材 の 硬 度 が 高 く な る 寝 な じ み 易 く な り .

T.

は 高 くなる 傾 向 に あ るものの. 低 い 破 峨 靭 性 値 に よ る 高 摩 擦 や 耐 熱 衝撃 性 が 低 い こ と 等 が 考 え ら れ る. また， ジ ル コ ニ ア は 比 較 的 低 硬 度 で， 破 媛 靭 性 値 が 高 <. 摩 擦 は 低 くな る が ， 熱 放 散 性 に 乏しく， 固 体 接 触 部 の 温 度 上 昇 が 大 き く な る た め に . 熱的強 度 の 不 足 ( 結 晶 転 移 に よ る 機 械 的 強 度 の 劣 化 や 耐 熱 衝掌性の 低さ)により， そ の 摩 機 面 に 図

4‑ 5 

(a) の よ う な 多 数 の 亀 裂 の 発 生 ， 進 展 か ら表面 の は く厳 に 至 る マ ク ロ 的 破 捜 が 起 こ

り易いこと等が指摘できる<<1111) 

さ ら に ， 霊 化 け い 索 ， サ メ ッ ト お よ び 酸 化 ク ロ ム 焼 成 膜 の場合は

T.

が

i l

く. μ .inは小さくなったが， そ の 原 因 は い ず れ も 硬 質 ， 高靭性で R・，gが小 さ く ， 融 点 や 耐 熱 衝翠性 が 高 い た め と 忠 わ れ る

な か で も 酸 化 ク ロ ム 焼 成 股 が ， 箆化け い 索 や サ ーメッ トに 比べ， よ り 高 い 耐 ス カ yフ ィ ン グ 性 を 示 す こ と は 注 目 に 値 す る こ れ は 熱 伝 導 率 と 熱 容 量 が ジル コ ニ ア 並 に 小 さ く， 熱放 散 性 に 欠 け る が ， ヤ ン グ 率 Eと硬さ Hの比 (E / H )を求め る と 鋳 鉄 が

4 7

. サ ーメッ トから ジル コ ニ ア ま で の 単一体セ ラ ミ ッ ク ス が

1 7 ‑ 2 8 .  

ク ロ ム め っ き が

1 0

であるのに対1‑.

ー

1 0 7

酸 化 ク ロ ム

t

完成股は

6

と小さ く， 実 験 で 使 用 し た 材 料の中で 固 体 接 触 に 伴 う微 小 突 起 部 の 変 形 が 最 も 算 性 的 と な る 機 械 的 な 性 質 を も つことがわかる'" 引. つ まり，

E /H

の 値 が 小 さ い 程 ， 固 体 内 の 塑 性 変 形 戚 (

1

脆性破峨の規模)が小さく.

深部まで及』まないことから. 突 起 先 端 部 の み の ミ ク ロ な 破 嫌 にとどまり， 面は平滑化されてなじみ， ス カ ッ フ ィ ン グ が 発 生 しにくく な る も の と 考 え ら れ る (I I • ) • ( 1 I S 1 

一方， ラ イ ナ 材 と し て の セ ラ ミ ッ ク ス を 評 価 す る と ， 室 化 け い 索 は 而 粗 度 が 大 き い に も か か わ ら ず 低 摩 僚 で ス カ ッフィ ング を 起 こ し に く く ， 酸 化 ク ロ ム 焼 成 膜 と 共 に 優 れ た 材 料 で あるが， ジル コ ニ ア は 商 粗 度 が 小 さ い 割 に

T .

^{値 が 若 干 低}

く， 耐スカ y フィ ング性に多少劣るといえる.

さらに， ライナ， リングの組合せとして， 低 摩 僚 と 耐 ス カ ッフィ ング性の観点から， 材料問の相性をみると， 同一材料 同士の組合せにより不利となることはないこと， ラ イ ナ 材 の もつ機 械 的 強 度， とくに硬度が相手リ ング 表 面 の な じ み を 促

す適正な大きさであること， ライナ側は熱放散性に優れ， リ

ン グ 側 は 耐 熱 性 に 優 れ る よ う な 組 合 せ が 望 ま し い こ と 等 が 指 摘できる

結局， ラ イ ナ 材 と し て は 酸 化 ク ロ ム 焼 成 膜 と 蜜 化 け い 素 が 優れ， ジルコニアは若干劣ること， またリ ング材としては，

現行のクロムめっき以上の特性を示したものの中で， 酸化ク ロム焼成膜が最も優れ. そ れ に 続 い て サ

ー

メ ッ ト と 室 化 け い 索 が 優 れ て い る こ と が 明 ら か に な っ た

‑108‑

4

.

2.2 

表 面 粗 さ と す べ り 速 度 の 彬 響

図

4 ‑ 6 は ，

いくつかの組合せについて， す べ り 面 の 表 面 粗さ

R

r.. s による

T .

と μ .

， 

，の 変 化 を 調 べ た 結 果 で あ る また図

4 ‑ 7

は，酸化クロム焼成股同士の組合せで，

ライナ

の 表 面 粗 さ を パ ラ メ

ー

タ と し て 平 均 す べ り 速 度 守 と

T

，の関 係 を 調 べ た 結 果 で あ る

こ れ ら 二 つ の 図 と 図 4 ‑

8に 示 す 摩 煉 特 性 曲 線 の 変 化 か ら .

ライナ側，

あ る い は リ ン グ 側 の い ず れ か一方. ま た は 双 方 で

R r.. 5が大きいと T，は 低 く な り ， ス カ ッ フ ィ ン グ が 発 生 し 易 く な る こ と R

r . .  

⁵

の

T

，

に及ぼす彰響は， 守 の そ れ と 同 僚 に 極 め て 大 き い こ と 等 が わ か る そして， こ の よ う な 表 面 粗 さのスカップイ ングに対する大きな彰響は， 現 行 鋳 鉄 材 を 対 象 と し た 試 験 (1 e 

)

で は み ら れ な か っ た 現 象 で あ る

また R

r . . ， の

μや μ .

"に及ぼす彰

響に

ついて，

ライナ倒と リ ン グ 側 の 双 方 で R

r . . ，が大きく，

粗 い 場 合 は ， 摩 擦 が 著 し

く増 大 し 試 験 条 件 の 設 定 点 に 至 る 前 の 段

階でスカ

ッフィン

グ が 発 生 し 潤 滑 性 と 耐 ス カ

ッフィング

性 は 極 端 に 低 下 し た ものの， 図

4‑ 6 . 図 4 ‑ 8 に示すように，

いずれか一方の すべり面のみを粗くした場合には， μやμ..i n

が小さくなり，

む し ろ 摩 擦 が 減 る 傾 向 に あ る こ れ は 面 粗 さ に よ る 摩 機 メ カ ニ ズ ム の 変 化 【I1 SI 粗面のも

つ油

膜 形 成 作 用

(

I I 6 )等 が 影 響 する特異なトライポ現象であり， そ の 特 性 の 応 用 面 等 も 考 慮

し つ つ ， 今 後 さ ら に 検 討 を 深 め る 必 要 が あ る .

次に， すべり速度予の影響について， 図 4‑7お よ び 図 4

‑

1

0 9 ‑

Ring  Rrms  (μm)  Ts (0 C)  μm.n  Liner  Liner Ring  100  200  300 

Al

，

^O

， 

0.15  0.75  0.011  SiJN匂 0.24  0.14  0.011 

0.14  0.13  0.046 

ZrOz  0.16  0.31  0.008  Si3N^匂 0.14  0.04  0.013  SilN^匂 0.28  0.06  0.014 

ZrOz  0.07  0.08  0.012 

SilN句 0.32  0.04  0.006  SilN句 0.12  0.05  0.010 

図 4‑6  表 面 粗 さ の 彰響 (p =3MPa， 百=15'/5， M30泊 )

ー

1 1 0

υ ︒

nω FH

‑

ωL

コ

U V 4 L ω

且E

ω

ト

0 . 3 8  

•

300 

200 

凶C

﹂門

'H M凹

コ

U

'H O ωU Cω 'H

UUO

コ

L

100 

0.

・

56、 ¥^{¥ 0}

、 ・ .

^.46

0.4口、¥

Ring: I ¥ 

(Rrms=0.04 ‑0.05.m) 

Liner:Cr20l

，

^Ring:CrlO

， 

戸

=3MPa

，

011  :  M30 

5  10  15  20 

ドキュメント内 内燃機関ピストンリングの潤滑および摩擦特性に関 する研究 (ページ 34-43)