JPH0289876A - ピストンリング - 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、イオンプレーティングによる窒化チタン層と
複合分散めっき層との二重構造を摺動面に有する内燃機
関用ピストンリングに係り、特にンリングとの初期なじ
み性が良く、かつ耐摩耗性に優れたピストンリングに関
する。

〔従来の技術〕

近年、エンジンの小型軽量化、高出力化などの高性能化
に伴い、ピストンリングに要求されル条件はますます過
酷なものとなり、耐摩耗性はもちろんのこと、耐焼付性
、耐折損性などさまざまな観点から改良が加えられてい
る。

ところで、一般に組み立て直後のエンジンにおいては、
部品製作の精度上の制約からピストンリングとンリング
の大きさに誤差が生ずることは避けられず、両者間に隙
間が生じる。この隙間が存在したままの状態でエンジン
を運転すると、燃焼室の気密がやぶれ、クランク室への
ガスの吹き抜け（圧縮洩れ）が起こる。そしてこのガス
の吹き抜けは／リンダ内面を一様に覆っている潤滑油膜
を破るために、ピストンリングとシリンダ間に異常摩耗
を引き起こし、スカッフィングを発生させたりする。ま
た同時に、この隙間を通して潤滑オイルが燃焼室に入り
込み、オイル消費量も多くなる。

従って、なじみ運転と呼ばれるエンジン組み立て直後の
初期運転では、ピストンリングとシリンダの共摺りを行
うことにより短期間のうちに両者の隙間を無くし、早く
両者をなじませる必要があるっ 一般に耐摩耗性に優れたピストンリングは高い硬度の摺
動面を有することになるので、このなじみ運転の期間が
長くなる傾向がある。このため短期間にピストンリング
とシリンダをなじませる工夫としてピストンリングの外
周摺動面上に錫めっきなどの軟質皮膜層を設ける方法や
、リングの断面をテーバ上に加工したりする方法が採ら
れている。

し発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、この錫めっきを施す方法は、高温、高負
荷の条件では絡めつき層が軟らかすぎるために始動初期
の段階で簡単に摩滅してしまい、なじみの効果がほとん
どなくなる。またリングの外周摺動面にテーバをつける
方法は、テーバの角度が燃焼室の気密性、及びンリンダ
内周面の保油性に影響を与えるという問題がある。

従って、本発明の目的は、高温、高負荷の条件でも初期
なじみ性が良く、メカ１フイングも発生せず、比較的短
期間になじみ運転が終了し、しかも耐摩耗性の優れたピ
ストンリングを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結
果、耐摩耗性に優れた窒化チタン皮膜層上に適度の硬度
を有する複合分散めっき層を形成することにより、良好
な初期なじみ性を有し、かつ耐摩耗性にも優れたピスト
ンリングを提供できることを発見し、本発明を完成した
。

すなわち、本発明の内燃機関用ピストンリングは、少な
くともその外周摺動面に、第１層として反応性イオンプ
レーティングによる窒化チタン層が、第２層として窒化
珪素粒子分散ニッケル−コバルト−燐合金複合めっき層
が順に形成されてなる二重構造の層を有することを特徴
とする。

〔作　用〕

本発明の二重構造のピストンリング皮膜においては、上
層（第２層）の窒化珪素粒子分散複合めっき皮膜は、下
層（第１層）の窒化チタン層より幾分軟らかい材質であ
るので、エンジンの始動初期におけるシリンダとのなじ
みが良好であると同時に、急速に摩耗することがない。

また下層（第１層）の窒化チタン皮膜は高い硬度を有し
ているので、長期間（上層の摩耗後でも）良好な耐摩耗
性を維持することができる。

〔実施例〕

本発明を以下の実施例により添付図面を参照にして詳細
に説明する。

第１図は、本発明の一実施例による内燃機関用ピストン
リングの断面図である。本実施例にふいては、ピストン
リングｌの外周摺動面に、窒化チタン層２と窒化珪素粒
子分散ニッケル−コバルト−燐合金複合めっき層３とが
二重構造となるように形成されている。

第１層の窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜は、窒素ガスの存在
する減圧霊囲気中で金属チタンをターゲツト材として反
応性イオンプレーティングを行うことで得ることができ
る。反応性イオンプレーティングにおいて、金属チタン
は原子状になり、チタン原子の一部は窒素と反応して窒
化チタンとなる。

窒化チタン皮膜は硬度が高く、耐摩耗性に富む。

ＴｉＮ層皮膜の厚さは１０〜３０μｍであればよい。

なお窒化チタンの皮膜は、第２図に示すイオンプレーテ
ィング装置を用いて、形成することができる。第２図の
装置において、ピストンリング母材４の下方には、蒸発
源の金属チタン８を収容する水冷式銅製ルツボ９が設置
してあり、真空容器７の側壁には、ＨＣＤ型電子銃１１
及び雰囲気ガス導入用のバイブ１２が取りつけられてお
り、また電子銃１１から射出される電子ビームを蒸発源
の金、萬チタン８に照射するように、ルツボ９の上には
収束コイル１０が設置されている。この装置を用いて、
ピストンリング母材４を母材保持具５で保持し、ヒータ
ー７でピストンリング母材４を所定の温度に加熱する。

このとき真空ｗＩＴ内は真空ポンプ（図示せず）により
減圧状態にする。

窒化チタン皮膜は硬度が高すぎるために初期なじみ性に
劣るので、この欠点を補うために、第２層として窒化珪
素粒子分散ニッケルーコバルトーリン合金複合めっき皮
膜を第１＠上に形成する。

複合皮膜中に含まれる燐は、皮膜の硬度を高め、耐摩耗
性、耐焼付性に対し優れた効果を示し、また基地の耐食
性も向上する。燐を含有するめっき皮膜の硬度は熱処理
により向上するので、熱処理温度を適切に選ぶことによ
り、良好な初期なじみ性を得るのに適した硬度（Ｈ１７
７００〜９００）とすることができる。しかし燐の量が
１重量％以下では熱処理を行っても硬度が）１ＭＶ７０
０　Ｅ上にならず、耐摩耗性、耐スカツフ性の効果は少
ない。また１０重量％を超えると硬度は増すが脆くなり
、衝撃強度も低下する。従って燐の量は１〜１０重量％
とするのが良い、より好ましい燐の含有量は４〜７重量
％である。

コバルトはめっき合金基地の耐熱性、耐食性を改善する
とともに皮膜の圧壊疲労強度も向上させる。合金基地中
のコバルトの量は１０重量％以下では上記の効果が顕著
に得られず、また４０重量％を超えてもその効果に著し
い変化はないので、１０〜４０重量％とするのが良い。

より好ましいコバルトの含有量は２０〜３０重屯％であ
る。

窒化珪素粒子は燐とともに皮膜の耐摩耗性の向上に優れ
た効果を示す。また窒化珪素は金属との濡れ性が低いの
で、耐焼付性、耐スカツフ性の改善にも寄与する。窒化
珪素の量は５〜３０容量％で、その平均粒径は０．５〜
５μｍが良い。容量が５％未満あるいは粒子が０．５　
μｍ未満では基地表面に占める窒化珪素の面積が少なく
、耐摩耗性、耐スカツフ性の向上効果が少ない。また容
量が３０％を超えるか粒径が５μｍを超えると相手材の
摩耗を大きくすることとなり、さらに複合皮膜の強度も
低下する。より好ましくは、窒化珪素粒子の平均粒径は
０．８〜１．２μｍで、含有量は１５〜２５容量％であ
る。

複合めっき皮膜の形成には、上記所望の組成となるよう
にニッケル化合物、コバルト化合物及び燐化合物を溶解
させためっき浴中に窒化珪素粒子を分散させたものを使
用する。ニッケル化合物及びコバルト化合物としては硫
酸塩、スルファミン酸塩等を用い、燐化合物としては燐
酸、亜燐酸等を用いる。

得られた複合めっき皮膜は水洗、乾燥後、必要に応じて
熱処理を行う。熱処理温度は３５０〜４００℃程度で、
時間は１〜２時間である。熱処理により複合皮膜の基地
が硬化し良好な初期なじみ性を得るのに適した硬度の複
合皮膜が得られる。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例１ ピスト／リング外周摺動面に第１層として窒化チタン皮
膜を形成する第１の工程と、第２層として第１層上に複
合分散袷つき層を形成する第２の工程と、得られた二重
構造の層に熱処理を施こす第３の工程により、皮膜を形
成した。

まず第１の工程では、第２図に示す・イオンプレーティ
ング装置により、呼び径ｘ幅×厚さが７７ｍｍ×１．５
市×３．１酩のＳ　Ｋ　Ｄ−６１材のピストンリングを
央数本まとめて母材ｌとして、以下の条件で反応性イオ
ンプレーティングを実施した。

母材温度：４００　℃ 電子ビーム出カニ　　３５Ｖ−５００＾窒素ガス分圧二
　　開始〜１分　０ １分〜５０分　５　Ｘｌ０−’ｔｏｒｒアルゴンガス分
圧：　５　ｘｌＯ−’ｔｏｒｒ蒸発源：　　　　　金属
チタン 母材バイアス：　　　−１００Ｖ 初めは窒素ガスを導入せずにイオンプレーティングを行
って金属チタンの下地層を形成し、１分経過後から窒素
ガスを導入して窒化チタンの皮膜層を形成した。皮膜の
厚さは約１０μｍであった。

第２の工程として、上記イオンプレーティングによって
得られた窒化チタン皮膜を表面に有するピストンリング
を下記組成を有するめっき浴中に浸漬し、めっき浴温度
６０℃、ｐＨ４、電流密度ｌＯ＾／ｄｍ２で３分間電流
を流して、電気めっきを行った。

成　　窒化珪素粒子　　　　　　　　６０ｇ／β■１゛
″″″−””Ｒ、”：　’ｆ；ｆ、？４”°“ゴこの第
２工程により得られた第二層の複合めっき皮膜の草さは
約５μｍであった。

次に第３工程として得られた二重構造の皮膜に３１］　
０　℃で１時間の熱処理を施し、皮膜を硬化させた。こ
のときの硬度はＨ＆（Ｖ　７０　Ｑであった。

実機試験 ４サイクル水冷４気筒１３００ｃｃエンジン用のアルミ
ニウム合金製エンジンシリンダに、上記ピストンリ〕・
グを組み込み、７５００ｒｐｍ全負荷で１００　時間の
ペンチテストを行い、オイル消費量を測定した。

比較例１ また比較のため、ピストンリングの外周摺動面に窒化チ
タン皮膜のみを形成したピストンリングを用いて実施例
１と同様に実機試験を行い、オイル消費量を測定した。

試験結果を第３図に示す。

第３図から明らかなように本発明のピストンリングは、
窒化チタン皮膜のみを摺動面に有するピストンリングに
比べて、初期の時点からオイルの消費量が少なくなって
いることがわかる。これはピストンリングとシリンダと
の隙間が短時間で消失していくため、すなわち初期なじ
み性が良いためである。

また実施例では、ヌカソフィングも全く認められなかっ
た。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り、窒化チタン層と窒化珪素粒子分散ニ
ッケル−コバルト−燐合金複合めっき層とを外周摺動面
に有する本発明のピストンリングは、複合分散めっき皮
膜により初期なじみ性、耐スカツフ性に優れ、また窒化
チタン皮膜により長期耐摩耗性に優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるピストンリングの断面
図であり、 第２図は本発明に使用するイオンプレーティング装置の
一例を示す概略図であり、 第３図は実施例１及び比較例１のピストンリングにおい
て試験時間とオイル消費量との関係を示すグラフである
。 ■・　・　・ピストンリング ２・・・窒化チタン皮膜 ３・・・窒化珪素粒子分散ニッケル−コバルト−燐合金
複合めっき皮膜 ４・・・母材（ピストンリング） ５・・・母材保持具 ６・・・ヒーター ７・・・真空容器 ８・・・金属チタン ９・・・水冷銅ルツボ ｌＯ・・・収束コイル １１・・・）（ＣＤ電子銃 １２　・ ・男囲気ガス導入用のバイブ 出　　願　　人　　　株　　式　　会　　社　　リ　　
ケ　　ン代　　理　　人　　　弁　理　　士　　　　高
　石　橘　馬第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくともその外周摺動面に、反応性イオンプレーティ
   ングによる窒化チタン層と、前記窒化チタン層の上に形
   成された窒化珪素粒子分散ニッケル−コバルト−燐合金
   複合めっき層とからなる二重構造の層を有することを特
   徴とする内燃機関用ピストンリング。