JPH03244875A - 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） 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。

（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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

一方急冷凝固アルミニウム粉末合金は、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

その他の諸定数は内燃機関の設計により決まる。

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。

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図中、スチールおよび鋳鉄の材質は次のとおりである。

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
。

（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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

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。