JPH03244875A - Piston ring - Google Patents

Piston ring

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JPH03244875A
JPH03244875A JP3731790A JP3731790A JPH03244875A JP H03244875 A JPH03244875 A JP H03244875A JP 3731790 A JP3731790 A JP 3731790A JP 3731790 A JP3731790 A JP 3731790A JP H03244875 A JPH03244875 A JP H03244875A
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piston ring
piston
ring
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cylinder
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Tatsuo Fujita
藤田 達生
Fumio Kiyota
清田 文夫
Hironori Hanaoka
花岡 広典
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Riken Corp
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve a sliding characteristic inherent in a piston ring and to make the ring lighter in weight by applying hard surface treatment to a sliding surface, with at least a cylinder, of an aluminum alloy not lower than HRB40 in hardness at room temperature after heating as long as 100 hours at 250 deg.C. CONSTITUTION:A piston ring 10 is formed by an aluminum alloy as being more than HRB40 in hardness at room temperature after heating as long as 100 hours at 250 deg.C. Hard surface treatment is applied on a sliding surface, with at least a cylinder, of this piston ring 10. With this constitution, as for abrasion resistance, seizure resistance or the like, it has a characteristic equivalent to an iron piston ring, and as for blow-by gas and fluttering, it has such a characteristic as far surpassing the iron piston ring, thus the suchlike excellent piston ring 10 is securable.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、内燃機関に用いられる軽量化されたピスト
ンリングに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to a lightweight piston ring used in an internal combustion engine.

(従来の技術) ピストンリングとしては、一般に鋳鉄製のものが使用さ
れ、一部には高炭素ステンレス鋼などのスチール製のも
のも使用されている。又、ピストンリングにはCrメツ
キ、MO溶射、フェロクロム溶射などの耐摩耗性、耐焼
付性向上のための表面処理が施されている。
(Prior Art) Piston rings are generally made of cast iron, and some are also made of steel such as high carbon stainless steel. Further, the piston ring is subjected to surface treatments such as Cr plating, MO spraying, ferrochrome spraying, etc. to improve wear resistance and seizure resistance.

一方、鉄鋼と並らぶ代表的工業材料であるアルミニウム
は本来鉄鋼より強度や耐摩耗性が低いために、ピストン
リングとしては用いられていない。尤も、近年注目すべ
き技術としてアルミニウムの急冷凝固粉末冶金法が実用
化され、この方法により製造される粉末冶金製品を各種
自動車用部品として使用することが検討されている。そ
の具体例としては、シリンダーライナー コンロッド、
ピストン、シンクロナイザリング(日本金属学会銀、1
988年Vo1.27. No、 6.第491頁)、
ピストン、コネクティングロッド、シリンダースリーブ
、スプリングリテーナ−、シンクロナイザリング(前掲
第494頁)、シリンダーライナーバルブガイド(特公
昭61−45694号公報)、コンロッド、ピストン、
シリンダー(特公平−20215号公報)などが検討さ
れている。
On the other hand, aluminum, which is a typical industrial material along with steel, is not used for piston rings because it inherently has lower strength and wear resistance than steel. However, in recent years, a rapid solidification powder metallurgy method for aluminum has been put into practical use as a technology that deserves attention, and the use of powder metallurgy products manufactured by this method as various automobile parts is being considered. Specific examples include cylinder liner connecting rods,
Piston, synchronizer ring (Japan Institute of Metals silver, 1
988 Vo1.27. No, 6. page 491),
Piston, connecting rod, cylinder sleeve, spring retainer, synchronizer ring (cited above, p. 494), cylinder liner valve guide (Japanese Patent Publication No. 61-45694), connecting rod, piston,
A cylinder (Japanese Patent Publication No. 20215) is being considered.

また、SiC,A1□03などのセラミックを複合した
アルミニウム基複合材料をコンロッド、ピストン、シリ
ンダーライナーなどに使用することも検討されている(
日経ニューマテリアル、1989年12月11日号第7
3頁)。
In addition, the use of aluminum matrix composite materials with ceramics such as SiC and A1□03 for connecting rods, pistons, cylinder liners, etc. is also being considered (
Nikkei New Material, December 11, 1989 issue No. 7
page 3).

しかしながら、アルミニウム基材料をピストンリングに
使用するためには、該材料がどのような条件を満たすべ
きか、についての検討資料は見られない。これは、ピス
トンリングが以下述べるように薄肉でありかつ高速で摺
動されるために、ピストンやシリンダーなどのように厚
肉の部品としての要求特性を満たす材料がピストンリン
グに好適であるとは言えないからである。
However, no study materials have been found regarding what conditions the aluminum-based material must satisfy in order to be used for piston rings. This is because piston rings are thin-walled and slide at high speeds as described below, so materials that meet the required characteristics for thick-walled parts such as pistons and cylinders are suitable for piston rings. Because I can't say it.

ピストンリング−の エンジンの高速回転化のためには、可動部品の軽量化が
不可欠であるので、ピストンリングの厚さを小さくした
いという要求がある。これは、ピストンリングが薄(な
った分ピストンの寸法を小、さくでき、ピストンリング
、ピストン両方での軽量化が期待できるからである。
Since it is essential to reduce the weight of moving parts in order to increase the speed of engine rotation, there is a demand for reducing the thickness of piston rings. This is because the piston ring is thinner, which allows the piston to be made smaller and thinner, and it is expected that both the piston ring and the piston will be lighter.

また、エンジンを高速回転化したとき、ピストンリング
の重量が大きいと、慣性力によりピストンリングがフラ
ッフリングを起こし、ブローパイが増加するので、この
面からもピストンリングの軽量化が要求されている。
Furthermore, when the engine rotates at high speed, if the weight of the piston ring is large, the piston ring will cause fluffing due to inertia force, increasing blow pie, so there is a need to reduce the weight of the piston ring from this point of view as well.

また、ピストンリングは燃焼ガス圧力によりシリンダー
に押しつけられるような力を受け、この力によってガス
をシールしている。しかし、シリンダーの変形等に追従
してしつける力を常時維持する必要がある。このため、
ピストンリングは、自由状態では真円よりも少し開いた
形状に加工され、これをシリンダー内径に沿って弾性的
に真円に閉じて嵌合される。
Also, the piston ring is pressed against the cylinder by the combustion gas pressure, and this force seals the gas. However, it is necessary to constantly maintain a force that follows the deformation of the cylinder. For this reason,
The piston ring is machined into a shape that is slightly more open than a perfect circle in its free state, and is fitted by elastically closing the ring into a perfect circle along the inner diameter of the cylinder.

スチールピストンリングの トップリングに関して言えば、10年前は厚さが1.5
〜2.0mmだったものが、現在では1.5〜1.0m
mのものが多く使われるようになってきている。さらに
■近では厚さが0.8mmあるいは0.6mmのトップ
リングが要求されている。
When it comes to the top ring of steel piston rings, the thickness was 1.5 10 years ago.
What used to be ~2.0mm is now 1.5~1.0m
m is increasingly being used. Furthermore, near ■, a top ring with a thickness of 0.8 mm or 0.6 mm is required.

ところが、ピストンリングを薄肉化すれば、当然ピスト
ンリング溝幅も小さくなり、切削刃物も薄い物を使うこ
とになる。すると、ビビリ等が発生しやすくなり、ピス
トンの加工精度が十分でなく、シール性を損なうことと
なる。このため、現在では0.6mmがスチールリング
の厚さの限界と言われ、これ以上の薄肉化即ち軽量化は
不可能である。
However, if the piston ring is made thinner, the width of the piston ring groove will naturally become smaller, and a thinner cutting tool will need to be used. As a result, chatter and the like are likely to occur, the machining accuracy of the piston is insufficient, and the sealing performance is impaired. For this reason, 0.6 mm is currently said to be the limit for the thickness of a steel ring, and it is impossible to make the steel ring thinner or lighter than this.

(発明が解決しようとする課題) 従来の鉄系材料に代えて、比重の小さいアルミニウム合
金をピストンリングに使用すると、薄肉化をしないで軽
量化を実現することができると考えられる。スチール製
ピストンリングの摺動面には、Crメツキなどの表面処
理皮膜が通常形成されていることを考慮すれば、アルミ
ニウム製ピストンリングの摺動面に陽極酸化、Crメツ
キ、Ni基メツキ、Fe基メツキ等のA℃に対し適用可
能な硬質表面処理を実施することが必要になるであろう
から基地のアルミニウム合金自体には良好な摺動特性を
求める必要はない。しかし、基地の硬度や強度が小さい
と、アブレーシブ粒子が摺動面に介在した時など、表面
の硬質表面処理膜が陥没する形で剥離、摩耗することと
なるので、このような観点からの硬質表面処理膜を支持
する機能が基地のアルミニウム合金に要求される。
(Problems to be Solved by the Invention) It is believed that if an aluminum alloy with a low specific gravity is used for the piston ring instead of the conventional iron-based material, weight reduction can be achieved without reducing the thickness. Considering that a surface treatment film such as Cr plating is usually formed on the sliding surface of steel piston rings, anodizing, Cr plating, Ni-based plating, Fe plating, etc. is applied to the sliding surface of aluminum piston rings. Since it will be necessary to carry out hard surface treatment applicable to A° C., such as base plating, it is not necessary to require good sliding properties from the base aluminum alloy itself. However, if the hardness or strength of the base is low, when abrasive particles are present on the sliding surface, the hard surface treatment film on the surface will peel off or wear out in the form of depressions. The base aluminum alloy is required to have the ability to support the surface treatment film.

上述のようにピストンリングはエンジン内で燃焼ガスを
シールするため、運転時にはその温度が300℃近(ま
で昇温する。このため、従来の鋳造法によるアルミニウ
ム合金では、たとえ使用前にT6等の硬化熱処理を実施
しても、使用時の温度で軟化し、塑性変形してしまい、
さらに結晶粒の粗大化等の発生により軟化および塑性変
形の程度は増大する。
As mentioned above, the piston ring seals the combustion gas inside the engine, so its temperature rises to nearly 300℃ during operation.For this reason, when using aluminum alloys made by conventional casting methods, even if they are made of T6 or similar material before use, Even if hardening heat treatment is performed, it will soften and plastically deform at the temperature during use.
Furthermore, the degree of softening and plastic deformation increases due to coarsening of crystal grains.

ピストンリングはそれ自体の弾性力によるシリンダーに
押しつけられるようにシリンダーへの組付時に、ピスト
ンリングの所定数が材料の弾性率に対応して定められる
。しかし、通常のアルミニウム合金がピストンリングの
作動条件に長時間さらされると、クリープ変形等の塑性
変形により弾力が失われてしまう。
The predetermined number of piston rings is determined in accordance with the elastic modulus of the material when assembled to the cylinder so that the piston rings are pressed against the cylinder by their own elastic force. However, when ordinary aluminum alloys are exposed to the operating conditions of piston rings for a long time, they lose their elasticity due to plastic deformation such as creep deformation.

さらに硬度の低下によりピストンリング摺動面の表面硬
化処理による摺動特性を維持することができな(なる。
Furthermore, due to the decrease in hardness, the sliding characteristics of the piston ring sliding surface due to surface hardening treatment cannot be maintained.

このように、表面硬化処理を実施することを・前提とし
たピストンリングとしても、通常のアルミニウム合金を
ピストンリングに用いることができなかった。
As described above, it has not been possible to use ordinary aluminum alloys for piston rings even if the piston rings are intended to be subjected to surface hardening treatment.

本発明はこのような状況に鑑みて実施されたもので、ス
チールリングにおいて達成された以上の摺動特性を達成
し、大幅に軽量化したピストンリングを提供することを
目的とする。
The present invention was carried out in view of these circumstances, and it is an object of the present invention to provide a piston ring that achieves sliding characteristics better than that achieved with steel rings and is significantly lighter in weight.

(課題を解決するための手段) 本発明は250℃で100時間加熱後の室温での硬度が
H□40以上であるようなアルミニウム合金からなり、
少なくともシリンダーとの摺動表面に硬質表面処理を施
した、ピストンリングに関わる。
(Means for Solving the Problems) The present invention is made of an aluminum alloy whose hardness at room temperature after heating at 250°C for 100 hours is H□40 or more,
It relates to piston rings that have hard surface treatment applied to at least the sliding surface with the cylinder.

ピストンに装着されて、高圧の燃焼ガスをシールしなが
らシリンダー内を高速で上下運動をするピストンリング
は300℃近くまで温度が上昇し、燃焼生成物等がアブ
レーシブ粒子として摺動面に存在するため、ピストンリ
ングの摺動条件は厳しい。このような厳しい摺動条件に
耐えるためにはピストンリングは母材の材料と表面処理
の両面からの対策が必要になる。後者の対策としては、
少なくともシリンダーとの摺動表面には耐摩耗性、耐焼
付性の向上を目的とした硬質表面処理を施すことが不可
欠となる。さらに、最近の高出力エンジンでは燃焼室内
の温度が高になり、ピストン溝とピストンリングとのあ
いだの凝着、摩耗が問題となることがあるので、ピスト
ン溝と摺動する部分のピストンリングにも硬質表面処理
を施すことが必要になることもある。
The temperature of the piston ring, which is attached to the piston and moves up and down at high speed inside the cylinder while sealing high-pressure combustion gas, rises to nearly 300°C, and combustion products exist as abrasive particles on the sliding surface. , the sliding conditions of piston rings are severe. In order to withstand such severe sliding conditions, piston rings require measures from both the base material and surface treatment. As a countermeasure for the latter,
It is essential that at least the sliding surface with the cylinder be subjected to hard surface treatment for the purpose of improving wear resistance and seizure resistance. Furthermore, in recent high-output engines, the temperature inside the combustion chamber is high, and adhesion and wear between the piston groove and piston ring can become a problem. It may also be necessary to apply a hard surface treatment.

なお、ピストン溝と摺動する部分のピストンリングには
硬質表面処理に代えて自己潤滑性皮膜処理を施すことも
できる。
Note that the portion of the piston ring that slides on the piston groove may be treated with a self-lubricating film instead of the hard surface treatment.

この硬質表面処理皮膜はその使用されろ条件に応じて、
Crメツキ、Fe基メツキ、Ni基メツキ等の電解法あ
るいは無電解法による湿式メツキ皮膜や、スパッタリン
グ法あるいはイオンブレーティング法等による金属ある
いはそれらの炭化物、窒化物、酸化物、それらの複合化
合物等の乾式表面処理皮膜から選択することができる。
Depending on the conditions under which this hard surface treatment film is used,
Wet plating films by electrolytic or electroless methods such as Cr plating, Fe-based plating, Ni-based plating, etc., metals, their carbides, nitrides, oxides, composite compounds, etc. by sputtering or ion blating methods, etc. Dry surface treatment films can be selected from.

しかし、このような硬質表面処理を実施しても、下地と
なるピストンリング母材の硬度、強度が低いと、下地の
変形により硬質表面処理皮膜が破壊、脱落して優れた摺
動特性を維持することができない。硬質表面処理の耐摩
耗性、耐焼付性向上の効果を維持するためには、下地ア
ルミニウム合金は少な(とも室温での硬度がH1lfi
40以上であることが必要である。ここで硬度は高温で
長時間使用されるピストンリングへの適用を検討してい
るため、250℃で100時間加熱された後室温で測定
した値を意味する。また−旦、250℃x100時間の
加熱を行い、その後再び250℃での加熱を行うと硬度
は低下する。したがって、最初の250℃xlOO時間
の加熱後において測定した硬度(H,1,≧40)を本
発明の要件とする。
However, even if such hard surface treatment is performed, if the hardness and strength of the underlying piston ring base material are low, the hard surface treatment film will break and fall off due to deformation of the base, making it difficult to maintain excellent sliding properties. Can not do it. In order to maintain the effects of hard surface treatment on improving wear resistance and seizure resistance, the base aluminum alloy must be used in a small amount (hardness at room temperature is H1lfi).
It needs to be 40 or more. Here, hardness refers to the value measured at room temperature after being heated at 250° C. for 100 hours, since we are considering application to piston rings that are used at high temperatures for long periods of time. Furthermore, if heating is performed at 250° C. for 100 hours, and then heating is performed again at 250° C., the hardness decreases. Therefore, the hardness (H, 1, ≧40) measured after the initial heating at 250° C. x 100 hours is a requirement of the present invention.

通常の鋳造法によって製造されるアルミニウム合金では
、銅、マグネシウム等の合金元素を添加し、時効硬化熱
処理を実施することにより、室温での強度、硬度を大幅
に向上させることができる。しかし、200℃を超える
温度に加熱されると、析出物の粗大化が急速に進み、強
度、硬度が低下する。さらに長時間加熱されると組織の
粗大化も進行し、さらに強度、硬度が低下する。そのた
め、250℃に100時間加熱すると、HRB40を超
える室温での硬度を維持できる合金は得られず、300
℃近(まで温度が上昇するピストンリングには用いるこ
とができなかった。
In aluminum alloys manufactured by ordinary casting methods, the strength and hardness at room temperature can be significantly improved by adding alloying elements such as copper and magnesium and performing age hardening heat treatment. However, when heated to a temperature exceeding 200° C., the precipitates rapidly become coarser and the strength and hardness decrease. If heated for a further long time, the structure will become coarser and the strength and hardness will further decrease. Therefore, when heated to 250°C for 100 hours, an alloy that can maintain hardness at room temperature exceeding HRB40 cannot be obtained;
It could not be used for piston rings whose temperature rises to close to ℃.

一方急冷凝固アルミニウム粉末合金は、Fe。On the other hand, the rapidly solidified aluminum powder alloy contains Fe.

Ni、Mn等の遷移金属を多量に添加すると、高温でも
安定な金属間化合物が微細に分散した組織が得られる。
When a large amount of transition metals such as Ni and Mn are added, a structure in which intermetallic compounds are finely dispersed and is stable even at high temperatures can be obtained.

遷移金属としては、Fe、CrMn、Ti、Mo、Zr
、Ni、Co、Ta、Wなどを用いることができる。
Transition metals include Fe, CrMn, Ti, Mo, Zr
, Ni, Co, Ta, W, etc. can be used.

但しCu、Agは遷移金属であるがAj2と合金し易く
かつへβ中の拡散係数が高いので1本発明においては必
須成分ではな(任意成分である。また上記以外の遷移元
素である、Rb、Sr、Y。
However, although Cu and Ag are transition metals, they are easily alloyed with Aj2 and have a high diffusion coefficient in β, so they are not essential components (optional components) in the present invention.Also, transition elements other than the above, Rb , Sr., Y.

Cs−Hfは比較的希少元素であるために、コストの面
から使用に不適である。
Since Cs-Hf is a relatively rare element, it is unsuitable for use in terms of cost.

上記のCuの他にSL、Mgなどを任意成分として本発
明のアルミニウム合金中に添加することができる。Si
は共晶あるいは初晶Siを形成して耐摩耗性を高め、そ
の含有量は8〜30%である。Cu、Mgは時効成分で
あり、その含有量は0.2〜8.0%である。
In addition to the above-mentioned Cu, SL, Mg, etc. can be added as optional components to the aluminum alloy of the present invention. Si
forms eutectic or primary Si to improve wear resistance, and its content is 8 to 30%. Cu and Mg are aging components, and their content is 0.2 to 8.0%.

遷移金属のアルミニウム中の拡散係数は、時効硬化成分
である銅5、マグネシウム等に比較すると非常に小さく
、高温に長時間加熱されても金属間化合物は粗大化を生
じにくい、そのため、金属間化合物による分散強化の効
果は、高温に長時間加熱されてもほとんど変化すること
がない。したがって硬質表面処理皮膜の摺動特性もピス
トンリング使用中に持続されることになる。遷移金属な
多量に添加した組成の急冷凝固アルミニウム粉末合金で
あれば、250℃に100時間以上加熱しても室温での
強度H,11140以上のアルミニウム合金を得ること
ができる。
The diffusion coefficient of transition metals in aluminum is very small compared to copper 5, magnesium, etc., which are age-hardening components, and intermetallic compounds do not tend to coarsen even when heated to high temperatures for long periods of time. The dispersion-strengthening effect of steel remains almost unchanged even when heated to high temperatures for long periods of time. Therefore, the sliding properties of the hard surface treatment film are maintained during use of the piston ring. If a rapidly solidified aluminum powder alloy has a composition in which a large amount of transition metal is added, an aluminum alloy having a strength H of 11140 or more at room temperature can be obtained even if heated to 250° C. for 100 hours or more.

このようなアルミニウム合金を用いることにより、硬質
表面処理皮膜の耐摩耗性、耐焼付性向上の効果を損なう
ことなく大幅に軽量化されたピストンリングを初めて得
ることができる。
By using such an aluminum alloy, it is possible for the first time to obtain a piston ring that is significantly lighter in weight without impairing the effects of improving the wear resistance and seizure resistance of the hard surface treatment film.

急冷凝固アルミニウム粉末冶金合金の製造法はいくつか
提案されているが、空気アトマイズ法と熱間押出成形法
を組合わせた方法が工業的に実施されている。粉末製造
時の冷却速度が特性に太き(影響するため、コスト的に
許される場合はアトマイズ法よりも冷却速度の大きいス
プラット法を用いることもできる。
Although several methods have been proposed for producing rapidly solidified aluminum powder metallurgy alloys, a method that combines air atomization and hot extrusion is currently practiced industrially. The cooling rate during powder production has a large effect on the properties, so if cost permits, the splat method, which has a faster cooling rate than the atomization method, can also be used.

ピストンリングは燃焼ガス圧力によりシリンダーに押し
つけられるような力を受け、この力によってガスをシー
ルしている。しかし、シリンダーの変形等に追従して安
定してシールを行うためには、ピストンリング自体の弾
性力によりシリンダーに押しつける力を常時維持する必
要がある。このため、ピストンリングは、自由状態では
真円よりも少し開いた形状に加工され、これをシリンダ
ー内径に沿って弾性的に真円に閉じて嵌合される。高温
に長時間加熱されても硬度の変化しない急冷凝固アルミ
ニウム粉末合金でも、高温での耐力は室温の場合よりい
も小さいため、長時間運転することにより塑性変形を生
じて、張力が低下してしまう。
The piston ring is pressed against the cylinder by the combustion gas pressure, and this force seals the gas. However, in order to perform stable sealing while following the deformation of the cylinder, it is necessary to constantly maintain the force pressing against the cylinder using the elastic force of the piston ring itself. For this reason, the piston ring is machined into a shape slightly more open than a perfect circle in its free state, and is fitted into the cylinder by elastically closing it into a perfect circle along the inner diameter of the cylinder. Even in rapidly solidified aluminum powder alloys whose hardness does not change even when heated to high temperatures for long periods of time, the yield strength at high temperatures is lower than at room temperature, so long-term operation causes plastic deformation and decreases in tension. .

そこで、シリンダー摺動面と反対側の部分に、バネの据
わりが良くなるように第2図に示すような適当な凹部1
0aを設けた、「コ」状にピストンリングを加工し、鉄
基合金、ニッケル基合金、コバルト基合金、チタン基合
金から適宜選択され、ピストンリングのさらされる温度
域では耐力の低下が問題とならない材質によって製作さ
れたバネを前記凹部に組込むことによって、ピストンリ
ングの張力を一定に保ち、シール性を長時間安定して維
持できるようになる。
Therefore, a suitable recess 1 as shown in Fig. 2 is made on the opposite side of the cylinder sliding surface so that the spring can be seated better.
The piston ring is machined into a "U" shape with 0a, and the piston ring is appropriately selected from iron-based alloys, nickel-based alloys, cobalt-based alloys, and titanium-based alloys. By incorporating a spring made of a unique material into the recess, the tension of the piston ring can be kept constant and the sealing performance can be maintained stably for a long time.

張力維持のためのバネ形状としては、第3図に示すトー
ションバー型、第4図に示すようなコイル型のものなど
を使用することができる。
As the spring shape for maintaining tension, a torsion bar type shown in FIG. 3, a coil type shown in FIG. 4, etc. can be used.

バネ11(第3図)の断面形状が丸である必要はなく、
角断面あるいは異形断面形状等、適宜選択することがで
きる。
The cross-sectional shape of the spring 11 (Fig. 3) does not need to be round;
A square cross section or an irregular cross section shape can be selected as appropriate.

本発明に係るピストンリングは、トップリング、セカン
ドリング、オイルリングの何れか一つにも用いられ、ま
た全部にも用いられる。すなわち、本発明のピストンリ
ングと従来のピストンリングの組み合わせも可能であり
、全て本発明のピストンリングとすることができる。
The piston ring according to the present invention can be used as any one of a top ring, a second ring, and an oil ring, or can be used as all of them. That is, a combination of the piston ring of the present invention and a conventional piston ring is also possible, and all the piston rings can be the piston ring of the present invention.

また、本発明のピストンリングをオイルリングに使用す
るときは、スチールリングの場合と同様に張力を付与す
る必要があり、バネを組込む必要がある。一方、本発明
のピストンリングをトップリングに使用するときは、バ
ネを組込む必要は必ずしもないが、バネによる張力付加
機構を利用することが好ましい。オイルリングは従来の
スチールリングの場合と同様に組合わせリングとするこ
とができる。
Furthermore, when the piston ring of the present invention is used in an oil ring, it is necessary to apply tension and a spring must be incorporated in the same way as in the case of a steel ring. On the other hand, when the piston ring of the present invention is used as a top ring, it is not necessarily necessary to incorporate a spring, but it is preferable to use a tension applying mechanism using a spring. The oil ring can be a combination ring as well as a conventional steel ring.

また、ピストンリングの寸法は公知の計算公式で計算さ
れる。ここで使用される諸定数のうち急冷凝固アルミニ
ウム合金に特有のものは、弾性率E=7000〜120
00kg/mm”である。
Further, the dimensions of the piston ring are calculated using a known calculation formula. Among the various constants used here, those specific to rapidly solidified aluminum alloys are the elastic modulus E = 7000 to 120.
00kg/mm”.

その他の諸定数は内燃機関の設計により決まる。Other constants are determined by the design of the internal combustion engine.

なお、厚さ(1寸法)はスチール製ピストンリングと同
じでも後者より軽量化を達成することができる。T寸法
=0.6〜1.2mm、すなわち現用ピストンリングの
1寸法と同等以下とすることによりブローパイ量が極め
て少ないピストンリングを提供することができる。
Note that even though the thickness (one dimension) is the same as that of a steel piston ring, it is possible to achieve a lighter weight than the latter. By setting the T dimension to 0.6 to 1.2 mm, that is, equal to or less than one dimension of a currently used piston ring, a piston ring with an extremely small amount of blow pie can be provided.

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to Examples.

(実施例) 空気アトマイズ法により表1中にA〜Jとして組成を示
す急冷凝固粉末(粒度平均45μm)を製造し、冷間静
水圧変形により押出用ビレットを成形した。その後、ア
ルゴン雰囲気中で脱ガスを兼ねた予熱を実施し、熱間間
接押出法(押出温度400℃、押出比的20)により実
質的に真密度の成形体を得た。
(Example) Rapidly solidified powders (particle size average 45 μm) having compositions shown as A to J in Table 1 were produced by air atomization, and billets for extrusion were formed by cold isostatic deformation. Thereafter, preheating that also served as degassing was carried out in an argon atmosphere, and a molded article having substantially true density was obtained by hot indirect extrusion (extrusion temperature: 400° C., extrusion ratio: 20).

表1に各種合金について、T6あるいはO処理を実施し
、その後250℃に100時間加熱した時の室温での硬
度を示す。合金A〜Gは本発明に係る急冷凝固アルミニ
ウム粉末合金成形体である。H〜Jは通常得られる鋳造
合金の中でも耐熱性に優れた合金を選び、ホットトップ
鋳造法により得られる丸棒を熱間間接押出加工した比較
材である。Kはピストンリングに現用のスチール(鋼種
5WO3C−V (弁ばね用シリコンクロム鋼、オイル
テンパー線、硬さHm v ’r 500 )である。
Table 1 shows the hardness of various alloys at room temperature when they were subjected to T6 or O treatment and then heated to 250° C. for 100 hours. Alloys A to G are rapidly solidified aluminum powder alloy compacts according to the present invention. H to J are comparative materials in which an alloy with excellent heat resistance was selected from commonly available casting alloys, and a round bar obtained by hot top casting was processed by hot indirect extrusion. K is the steel currently used for piston rings (steel type 5WO3C-V (silicon chrome steel for valve springs, oil tempered wire, hardness Hmv'r 500).

(以下余白) これより、通常の鋳造アルミニウム合金は、250℃1
00時間の加熱により大幅に硬度が低下するのに比べ、
遷移金属を多量に添加し、微細な金属間化合物を多量に
分散させた急冷凝固アルミニウム粉末合金は硬度の低下
が少ないことがわかる。
(Left below) From this, it can be seen that normal cast aluminum alloys are
Compared to the fact that the hardness decreases significantly after heating for 00 hours,
It can be seen that rapidly solidified aluminum powder alloys containing a large amount of transition metals and having a large amount of fine intermetallic compounds dispersed have little decrease in hardness.

さらにO処理状態でも高い硬度が得られるため、0処理
で使用することにより加熱による硬度変化が殆どないも
のを得ることができる。
Further, since high hardness can be obtained even in the O-treated state, by using the O-treated material, it is possible to obtain a product with almost no change in hardness due to heating.

表1の幾つかの材料について以下説明するような方法で
摺動による表面硬化処理膜の破壊状況の比較を行った。
For some of the materials in Table 1, the destruction of the surface hardened film due to sliding was compared using the method described below.

硬度の低い基地上に表面硬化処理を実施した時に、基地
の変形による皮膜の破壊、脱落による摩耗を再現するた
めに、各種材料に、通常のピストンリングに施されてい
るものと同様に、厚さ50μmの硬質Crメツキにクラ
ックがはいる荷重を調査した。使用した摩擦試験機を第
5図に示す。
When surface hardening is performed on a base with low hardness, in order to reproduce the destruction of the film due to deformation of the base and the wear caused by falling off, a thick coating is applied to various materials, similar to that applied to ordinary piston rings. The load at which a crack would form in hard Cr plating with a thickness of 50 μm was investigated. The friction tester used is shown in Figure 5.

図中、1はステータホルダ、2は円盤、3は注油孔、4
はロータ、5は試験片保持具、6は試験片である。ピス
トンリング材を5mmx5mmの正方形断面を持つビン
状試験片6に加工し、上述の用にCrメツキと熱処理を
施したビンをシリンダーライナー材に相当するFe12
の円盤2と摺動させた。潤滑はエンジンオイルを用い、
摺動速度を5m/秒一定とし、荷重を徐々に大きくして
きながら、クラック発生の有無を確認した。この様にし
て、Crメツキにクラックが発生しない最大荷重を求め
た結果を現行スチール材にCrメツキを施した時の値と
比較して第1図に示す。
In the figure, 1 is the stator holder, 2 is the disk, 3 is the oiling hole, 4
is a rotor, 5 is a test piece holder, and 6 is a test piece. The piston ring material was processed into a bottle-shaped specimen 6 with a square cross section of 5 mm x 5 mm, and the bottle was Cr-plated and heat-treated as described above.
It was made to slide with disk 2 of. Engine oil is used for lubrication.
The sliding speed was kept constant at 5 m/sec, and the presence or absence of cracks was confirmed while gradually increasing the load. In this way, the maximum load at which cracks do not occur in Cr plating was determined, and the results are shown in FIG. 1 in comparison with the values when Cr plating is applied to current steel materials.

図中、横軸は250℃x100時間加熱後の硬度(H,
、)を示し、縦軸はスチール材を1としたときのクラッ
ク発生荷重(1トン)を示す。
In the figure, the horizontal axis is the hardness (H,
, ), and the vertical axis shows the crack generation load (1 ton) when the steel material is 1.

加熱により硬度が大幅に低下し、変形抵抗が小さい鋳造
材(H,J)では低い荷重でクラックが発生している。
The hardness of the cast materials (H, J) decreased significantly due to heating, and cracks occurred under low loads in the cast materials (H, J) with low deformation resistance.

一方、加熱後も高硬度を維持している急冷凝固アルミニ
ウム粉末冶金合金(A。
On the other hand, rapidly solidified aluminum powder metallurgical alloy (A) maintains high hardness even after heating.

C,E、G)は、高い荷重までクラックが発生しないこ
とがわかる。
It can be seen that cracks do not occur in specimens C, E, and G) even under high loads.

そして、硬度とクラック発生荷重の関係で見るとHR,
40以上であれば、現用スチール材の場合とほぼ同程度
の耐荷重性を示すので、ピストンリングとして使用する
ことができることがわかる。
Looking at the relationship between hardness and crack generation load, HR,
If it is 40 or more, it can be used as a piston ring because it shows almost the same load resistance as the current steel material.

実機試験 実際のエンジンに本発明によるピストンリングを装着し
、従来の鉄系材料を用いたピストンリングの場合とブロ
ーパイ量を比較した。
Actual machine test The piston ring according to the present invention was installed in an actual engine, and the blow pie amount was compared with that of a conventional piston ring made of iron-based material.

実機試験に供試したスチールピストンリングは厚み(8
寸法)が1.2.1.5.2.0mmのものであった。
The steel piston ring used in the actual machine test had a thickness (8
The dimensions) were 1.2.1.5.2.0 mm.

この実機試験では、トップリングの軽量化の効果をはっ
きりさせるために、厚みが1.2mmのピストンリング
についてトップリングのみについて本発明材と従来材と
を入れ換え、セカンド、オイルリングは同一のものを使
用した。アルミニウム合金製ピストンリングとして、こ
こでは表1中のA(0処理)を用い、厚さ1.2mmの
ピストンリング形状に加工した後、シリンダーと摺動す
る外周表面にCrメツキ(厚み50μm)を施し、他の
部分は表面処理を実施せずに試験に用いた。第6図には
フルロードでのブローパイ量を、第4図にはノーロード
でのブローパイ量を示す。
In this actual machine test, in order to clearly demonstrate the effect of reducing the weight of the top ring, only the top ring of the piston ring with a thickness of 1.2 mm was replaced with the inventive material and the conventional material, and the second and oil rings were made of the same material. used. As an aluminum alloy piston ring, A (0 treatment) in Table 1 was used here, and after processing it into a piston ring shape with a thickness of 1.2 mm, Cr plating (thickness of 50 μm) was applied to the outer peripheral surface that slides on the cylinder. The other parts were used in the test without surface treatment. FIG. 6 shows the amount of blow pie at full load, and FIG. 4 shows the amount of blow pie at no load.

第6図より、鉄系ピストンリングの厚さ(8寸法)を小
さくしてトップリングの重量を少なくすることにより、
ブローパイ量が減少していることがわかる。そして、ア
ルミニウム合金を用いてさらに軽量化したピストンリン
グとすることにより一層ブローパイ量が減少することが
わかる。
From Figure 6, by reducing the thickness of the iron piston ring (8 dimensions) and reducing the weight of the top ring,
It can be seen that the amount of blow pie is decreasing. It can also be seen that by using an aluminum alloy to make the piston ring even lighter, the amount of blow pie can be further reduced.

第7図に示すように、ノーロード条件ではフラッタリン
グが発生しゃすいた、高回転域で急激にブローパイ量が
増加する。しかし、ピストンリングの重量を少なくする
ほど高回転域まで少ないブローパイ量が維持され、ピス
トンリングの軽量化の効果がわかる。アルミニウム合金
製ピストンリングは、試験後も外観に異常はな(、摩耗
もほとんど認められなかった。
As shown in FIG. 7, under no-load conditions, the amount of blow pie increases rapidly in the high rotation range where fluttering occurs. However, as the weight of the piston ring is reduced, the amount of blow pie is maintained even in the high rotation range, which shows the effect of reducing the weight of the piston ring. The aluminum alloy piston ring had no abnormalities in appearance after the test (and almost no wear was observed).

高温加熱による張力の変化 ピストンリングの張力は、真円に閉じた時の弾性変形応
力によって発生するものであるため、張力は自由状態で
の合口隙間の大きさに依存している。そのため、張力の
変化を調べるには、合口隙間の変化を調べれば良いこと
になる。
Change in Tension Due to High Temperature Heating The tension in the piston ring is generated by the elastic deformation stress when the piston ring closes in a perfect circle, so the tension depends on the size of the abutment gap in the free state. Therefore, to examine changes in tension, it is sufficient to examine changes in the abutment gap.

ここでは、本発明によるピストンリングの実施例として
、表1中のA(O処理)のアルミニウム合金を用いた第
8図に示すピストンリング本体10と、第3図に示すイ
ンコネル750を用いたバネ11を第9図のように組合
わせた。ピストンリングの形状は自由状態での合口隙間
9mm、真円にとじた状態で外形φ75mm、厚さ1.
2mm、高さ3.1mmの形状、このピストンリングは
、スチール製ピストンリングに比較して45%の重量で
あった。
Here, as an example of the piston ring according to the present invention, a piston ring body 10 shown in FIG. 8 using an aluminum alloy of A (O treatment) in Table 1, and a spring using Inconel 750 shown in FIG. 11 were combined as shown in FIG. The piston ring has a gap of 9 mm in its free state, an outer diameter of 75 mm in a perfectly circular state, and a thickness of 1.
2 mm and 3.1 mm high, this piston ring weighed 45% compared to a steel piston ring.

表面硬化処理はシリンダーと摺動する外周面だけでな(
、ピストン溝と摺動する上下面およびバネと接触する内
周面についても硬質Crメツキを施した。
Surface hardening treatment is applied not only to the outer peripheral surface that slides on the cylinder (
The upper and lower surfaces that slide on the piston groove and the inner circumferential surface that contacts the spring were also plated with hard Cr.

このピストンリングをピストンの形状を模式したトップ
リング溝を持つ円盤に組付け、この円盤を内径φ75m
mのシリンダーに相当する円筒に嵌合した。これを、3
00℃に加熱保持したオーブン類に挿入し、10時間加
熱後取り出して室温まで冷却した。
This piston ring is assembled into a disk with a top ring groove modeled after the shape of the piston, and this disk is assembled with an inner diameter of φ75m.
It was fitted into a cylinder corresponding to the m cylinder. This is 3
The sample was placed in an oven heated at 00°C, heated for 10 hours, then taken out and cooled to room temperature.

ピストンリングを円筒および円盤より取外し、加熱前後
の自由状態での合口隙間の変化を測定した。同様の試験
をスチールおよび鋳鉄製ピストンリングについて行った
。これらの結果を併せて第10図に示す。
The piston ring was removed from the cylinder and disk, and changes in the abutment gap in the free state before and after heating were measured. Similar tests were conducted on steel and cast iron piston rings. These results are shown together in FIG. 10.

図中、スチールおよび鋳鉄の材質は次のとおりである。In the figure, the materials of steel and cast iron are as follows.

スチールA : 5US440相当材、スチールB (
SWO3C−V相当材)、鋳鉄A(FCD60相当材)
、鋳鉄B (FCD20相当材)。第10図より、アル
ミニウム合金製ピストンリングバネを内周側に組合わせ
ることで、スチールおよび鋳鉄ピストンリングと同程度
の合口隙間減少率のピストンリングが得られ、長時間安
定した張力を維持することができることが明らかである
Steel A: 5US440 equivalent material, Steel B (
SWO3C-V equivalent material), cast iron A (FCD60 equivalent material)
, Cast iron B (FCD20 equivalent material). From Figure 10, by combining an aluminum alloy piston ring spring on the inner circumferential side, a piston ring with a gap reduction rate comparable to that of steel and cast iron piston rings can be obtained, and stable tension can be maintained for a long time. It is clear that this can be done.

(発明の作用および効果) 本発明により、所定硬さを有するアルミニウム合金母材
に硬質表面処理を施すことによって、耐摩耗性、耐焼付
性などについては鉄系ピストンリングと同等の特性を有
し、ブローバイガスやフラッタリングについては鉄系ピ
ストンリングをはるかにしのぐ特性を有するピストンリ
ングが得られる。アルミニウムは本来耐摩耗性や耐焼付
性は鉄系材料より劣っているが、硬質表面処理と所定母
材の硬度の作用がこれらの特性を良好にする。
(Operations and Effects of the Invention) According to the present invention, by applying hard surface treatment to an aluminum alloy base material having a predetermined hardness, it has properties equivalent to iron-based piston rings in terms of wear resistance, seizure resistance, etc. With regard to blow-by gas and fluttering, a piston ring can be obtained that has characteristics far superior to iron-based piston rings. Aluminum is inherently inferior to iron-based materials in wear resistance and seizure resistance, but hard surface treatment and the hardness of a given base material improve these properties.

方、アルミニウムは軽量化に適し、ブローバイガスやフ
ラッタリングに対しては鉄系材料より適している。硬度
を上述のように特定してもアルミニウムは高温における
張力の減退があり、ピストンリングの特性上好ましくな
い。この点は張力の減退を考慮して、ピストンリングの
形状を設計することにより回避はできるが、張力の減退
を補うためのバネを用いることにいより根本的に解決さ
れる。
On the other hand, aluminum is suitable for weight reduction and is more suitable for blow-by gas and fluttering than iron-based materials. Even if the hardness is specified as described above, aluminum tends to lose tension at high temperatures, which is not preferable in terms of piston ring characteristics. Although this problem can be avoided by designing the shape of the piston ring in consideration of the decrease in tension, it can be fundamentally solved by using a spring to compensate for the decrease in tension.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はピストンリングの硬度(H,I)とクラック発
生荷重の関係を示すグラフ、 第2図はバネを嵌合する凹部を有するピストンリングの
断面形状を示す図、 第3図および第4図はバネを示す図、 第5図は摩擦試験機の概要を示す一部断面図、第6図は
フルロード試験に供されたピストンリングの8寸法(厚
み)とブローパイ量の関係を示すグラフ、 第7図はノーロード試験について第6図と同様のグラフ
、 第8図は実施例におけるピストンリングの図、第9図は
実施例においてピストンリングを円盤に組込んだ図、 第10図は自由状態での合口隙間減少率を示すグラフで
ある。
Figure 1 is a graph showing the relationship between piston ring hardness (H, I) and crack generation load, Figure 2 is a diagram showing the cross-sectional shape of a piston ring having a recess into which a spring is fitted, Figures 3 and 4 The figure shows the spring, Figure 5 is a partial cross-sectional view showing the outline of the friction tester, and Figure 6 is a graph showing the relationship between the 8 dimensions (thickness) of the piston ring subjected to the full load test and the amount of blow pie. , Figure 7 is a graph similar to Figure 6 for the no-load test, Figure 8 is a diagram of the piston ring in the example, Figure 9 is a diagram of the piston ring assembled in the disk in the example, and Figure 10 is a free graph. It is a graph which shows the abutment gap reduction rate in the state.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、250℃で100時間加熱後の室温での硬度がH_
R_B40以上であるようなアルミニウム合金の少なく
ともシリンダーとの摺動表面に硬質表面処理を実施した
ことを特徴とするピストンリング。 2、シリンダーとの摺動面の反対側の部分に張力を補う
ためのバネを組込んだことを特徴とする請求項1記載の
ピストンリング。 3、少なくとも合金元素としてFe、Cr、Mn、Ti
、Mo、Zr、Ni等の遷移金属を、単独または2種以
上を、併せて2.5〜20.0wt%を含有することを
特徴とする請求項1または2記載のピストンリング。
[Claims] 1. Hardness at room temperature after heating at 250°C for 100 hours is H_
A piston ring made of an aluminum alloy having an R_B of 40 or more and having hard surface treatment applied to at least the sliding surface with the cylinder. 2. The piston ring according to claim 1, characterized in that a spring for supplementing tension is incorporated in a portion on the opposite side of the sliding surface with respect to the cylinder. 3. At least Fe, Cr, Mn, Ti as alloying elements
3. The piston ring according to claim 1, wherein the piston ring contains 2.5 to 20.0 wt% of transition metals such as , Mo, Zr, and Ni, singly or in combination of two or more.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007092117A (en) * 2005-09-28 2007-04-12 Toyota Central Res & Dev Lab Inc High strength and low specific gravity aluminum alloy

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