JPH0351577A - 油掻きリング - 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】 イ．産業上の利用分野 本発明は、油掻きリングに関し、特に、往復動内燃機関
用として好適な油掻きリングに関する。

口６従来技術 往復動内燃機関では、シリンダ内でピストンが往復動（
多くは上下動）するようになっていて、ピストンリング
がピストンのリング溝に嵌入してその外周面がシリンダ
内周面に対して摺動する。

近年、内燃機関の軽量化、高速化、高出力化に伴って油
掻きリングの性能品質、とりわけ油掻き性能を向上して
潤滑柚消費低減に対する要求が高くなってきている。油
掻きリング番よ、その柚掻き性能が向上するよう、シリ
ンダ内周面との摺接面積を小さくして面圧を高めるよう
にしているが、上述のような高度な性能品質要求のため
、油掻きリングは、シリンダ内周面に対して摺動する摺
動部と、この摺動部を背面から押してシリンダ内向面に
高い面圧を以て押付けるためのエキスパンダとからなっ
ている。ところで、上述のような内燃機関の趨勢から、
油掻きリングの摺動部の外周面（シリンダ内面との摺動
面）の摩耗や焼付きが起こり易くなるばかりでなく、背
面もエキスパンダの強い押圧力によって摩耗し、これら
の摩耗によって高い面圧を維持できなくなり、オイル消
費が増大するという問題が生ずるようになってきている
。そこで、摺動部の外周面と背面との双方に硬質クロム
めっきや窒化処理を施した油掻きリングが使用されるよ
うになってきている。然し、硬質クロムめっき層は焼付
きが起こり易く、苛酷な摺動条件になると耐摩耗性が充
分ではない。窒化層は耐摩耗性に優れてはいるが、苛酷
な摺動条件下では耐焼付き性が必ずしも満足し得る程度
ではなく、初期馴染み性が良好ではなく、運転初期のオ
イル消費量が多い。

ハ．発明の１」的 本発明は、苛酷な摺動条件下でも、耐摩耗性、耐焼付き
性共に優れかつオイル消費が増大することのない油掻き
リングを提供することを目的としている。

二．発明の構威 本発明は、シリンダ内周面に対して摺動する摺動部とこ
の摺動部を背後から押圧する弾性手段とからなる油掻き
リングにおいて、前記摺動部の外周面と前記弾性手段が
当接する前記摺動部の背面とに、金属基地中に硬質セラ
ミックス粒子が分散した組織を有するめっき層が形成さ
れていることを特徴とする油掻きリングに係る。

ホ．実施例 以下、本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明に好適なめっき層について説明する。めっ
き層としては、次の２種類のものが特に好適である。そ
の一つは、１０〜５０重量％コバルト、２〜１０重量％
燐を含有するニッケル合金の基地中に、金属の炭化物、
窒化物及び／又は酸化物からなりかつ粒径５μｍ以下の
硬質セラくツクス粒子が５〜３０容積％分散した組織の
めっき層（所謂複合分散めっき層）である。他の一つは
、２〜１０重量％燐を含有する鉄合金を基地とし、その
他は上記のめっき層と同様とした複合分散めっき層であ
る。ニッケル又は鉄を主威分とするめっき層は、陰極と
の距離によるめっき層の厚さの変化が比較的少なく（所
謂めっき付き廻り性が良好）、摺動部の窓等の空間を通
って電流が流れることにより、摺動部外周面へのめっき
と同時にその背面にめっき層が形成される。従って、１
回のめっき処理で両面にめっき層が形或できるので、生
産性の観点から頗る好都合である。これに対して、クロ
ムめっきでは、内外周面を同時にはめっきできず、内外
周の両面にめっき層を形戒するにはめっき作業を２回行
わねばならない。

次に、上記のめっき層の組戒について説明する。

コバルトはニッケル中に固溶して基地の硬度を上げ、耐
摩耗性、耐焼付き性を改善すると共に表面層の圧壊強度
及び疲労強度を向上させる。基地中のコバルト含有量が
１０重量％以−ヒで上記の効果が顕著になる。また上記
コバルト含有量が５０重量％を超えると、コスト高にな
ると共に、相対的にニッケル含有量が少なくなって、後
述するＮｉ３Ｐの生威量が少なく、表面層の機械的強度
が十分には改善されず、その結果、耐摩耗性、耐焼付き
性改善の効果が不十分になる。従って基地中のコバルト
含有量は１０〜５０重量％以下とするのが良い。

燐は、熱処理によって基地の硬度を上げて耐摩耗性、耐
焼付き性改善に寄与する。即ち、ニッケル又は鉄と燐と
が反応して基地中にＮｉ３Ｐ又はＦｅ３Ｐの相が」二成
し、時効硬化に於４Ｊる析出相による機械的強度改善に
類似したメカニズムによって基地の硬度を上げ、これに
よって耐摩耗性改善に寄与する。かくして基地の硬度は
６５０〜８００　１−１．，に」二昇して耐摩耗性、耐
焼付き性が更に改善される。

熱処理は４００’Ｃに加熱の熱処理で良い。

基地中の燐含有量が２重景％未満では上記の効果が顕著
ではなく、これが１０重量％を超えると基地が脆くなっ
てめっき層の衝撃強度や母材への被着性が悪くなり、そ
の結果、耐摩耗性、耐焼付き性も劣化する。

硬質セラミックス粒子は基地中に分散してハードスポッ
トを形成し、耐摩耗性、耐焼付き性改着に寄与する。然
し、炭化珪素のような鋭い端面を持たず、相手シリンダ
の内周面を摩耗させる作用は少ない。その粒径が１０μ
ｍを超えて大きくなるとこの粒子がアブレイシブ材とし
て作用し、却って油掻きリング、シリンダの摩耗が進行
するようになる。また粒子の分散量は、５容積％未満で
は耐摩耗性、耐焼付き性改善の効果が顕著ではなく、こ
れが３０容積％を超えるとめっき層の機械的強度が低下
して却って耐摩耗性が劣化するようになると共に相手シ
リンダを摩耗させるようになる。従って、基地中に粒径
５μｍ以下、特に好ましくは０．３〜５μｍの硬質セラ
ミックス粒子を５〜３０容積％分散させるのが良い。硬
質セラミックス粒子としては、例えば窒化珪素（Ｓｉ：
＋Ｎ４）、酸化クロム（Ｃｒｚ（Ｌ＋）、炭化クロム（
Ｃｒ，Ｃ２）等の粒子が好適である。めっき層のニッケ
ル合金基地中に窒化珪素粒子を分散させると、４００゜
Ｃ加熱の熱処理を施すことによって粒子表面にＮｉ，Ｉ
Ｓｊが生威して基地と粒子との接着効果が顕れ、めっき
層の機械的強度が一層改善される。加熱温度が高過ぎる
と前記の接着効果が低減する。例えば６００“Ｃに４分
間加熱すると窒化珪素粒子の略全量がＮｉ３Ｓｉになっ
てしまう。また窒化珪素の粒子による前記の耐摩耗性、
耐焼付き性改善の効果もなくなってしまう。

摺動部の材料としては、充分な剛性を示す比較的高炭素
の鋼が好適である。前述のめっき層の下地として窒化層
を設ける場合は、窒素との親和力の強いクロムを含有す
るもの、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４
４０Ｂ等が好適である。

エキスパンダの材料としては、ばね性を高ずる比較的高
炭素の鋼が好適である。

次に、焼付き試験及び摩耗試験について説明する。

マルテンサイト系ステンレスｌｌ４ｓＵｓ４４０Ｂ（０
．７５　〜０．９５％Ｃ、≦１．０％Ｓｉ　、≦１．０
％Ｍｎ、≦０．０４０％Ｐ１≦０．０３０％Ｓ１≦０．
６０％Ｎｉ　，　１６．０〜１８．０％Ｃｒ、≦０．７
５％Ｍｏ　　（いずれも重量％））の供試材を用意し、
この｛Ｊｔ試材から５　ｍｍ　Ｘ　５　ｍｍ　Ｘ１０馴
の試験片を採取した。これら試験片のうちの一部には正
方形端面にニッケル合金複合分散めっき層を形成させ、
他の一部には正方形端面に鉄合金複合分散めっき層を形
成させた。めっき層の厚さはいずれも１００μｍで、め
っき後に４００゜Ｃに１時間加熱の熱処理を施した。

前者のめっき浴としては、硫酸ニッケル、塩化ニッケル
、硫酸コバルト、次亜燐酸ソーダ及び硼酸からなる水溶
液（めっき液）に窒化珪素粉末を懸濁させためっき浴を
使用し、これらの配合量及び窒化珪素粉末の粒径を変化
させてめっき層の組或及び組織を変化させた。

めっき浴の温度は５０〜５３゜Ｃ、電流密度は８Ａ／ｄ
ｒｒｒ、めっき時間は２．５時間、めっき浴のｐＨは浴
組戒に応して２．０〜３．０の間の所定の値とした。

めっき条件並びにめっき層の組成及び硬度の一例を挙げ
ると、下記第１表、第２表に示す通りである。

（以下余白） 第 ２ 表 後者のめっき浴としては、硫酸第一鉄、塩化第一鉄、次
亜燐酸ソーダ及び硼酸からなるめっき液に窒化珪素粉末
を懸濁さセためつき液を使用し、これらの配合量及び窒
化珪素粉末の粒径を変化させた。めっき浴の温度は５５
〜５７゜Ｃ、電流密度は５Ａ／ｄｄ、めっき時間は２．
５時間、めっき浴のｐＨは２．６〜２．８である。

めっき条件並びにめっき層のＩａ戒及び硬度の一例を挙
げると、下記第３表、第４表に示す通りである。

（以下余白） 第 ３ 表 第 ４ 表 これら試験片と相対的に摺動させる相手材としては、シ
リンダライナ用鋳鉄ＦＣ２５を使用し、次のような試験
を行った。

災仕主拭駄 試験装置は第６図及び第６図の■−■線に沿う矢視断面
図である第７図に概要を図解的に示すものであって、ス
テータホルダ２１に取外し可能に（】１） 取付けられた相手円板試験片２２の中央には裏側から注
油孔２３を通して潤滑泊が注油される。ステータホルダ
２１には図示しない油圧装置によって図に於いて右方へ
向けて所定圧力で押圧力Ｐが作用するようにしてある。

円板試験片２２に相対向してロータ２４があり、図示し
ない駆動装置によって所定速度で回転するようにしてあ
る。Ｉコタ２４の円板試験片２２に対ずる端面に取付げ
られた試験片保持具２４ａには正方形端面を摺動面とし
て角柱試験片２５が同心円上に等間隔に４個取外し可能
に、かつ円板試験片２２に対して摺動自在に取付けてあ
る。

このような装置において、ステータ２１に所定の押圧力
Ｐをかけ、所定の面圧で円板試験片２２と角柱試験片２
５のめっきＮ２５ａとが接触するようにしておいて、注
油孔２３から摺動面に所定給油速度で給油しながらロー
タ２４を回転させる。

一定時間毎にステータ２１に作用ずる圧力を段階的に増
加してゆき、ローク２４の回転によって角柱試験片２５
と円板試験片２２との摩擦によって（１２） ステータ２１に生ずるトルク（摩擦力によって生ずるト
ルク）Ｔｑをスピンドル２６を介してロードセル２７に
作用せしめ、その変化を動歪計２８で読み取り、記録計
２９に記録させる。トルクＴｑが急激に上昇するときに
焼付きが生じたものとし、その大小を以て耐焼付き性の
良否を判断する。

試験条件は次に示す通りである。

摩擦速度：８ｍ／ｓｅｃ 潤滑油：モータオイル＃３０を４００ｍＲ／ｍｉｎ給油
接触圧力；試験開始時４０ｋｇ／ｃ献その後３分間経過
毎に１０ｋｇ／ｃ＋ｆｌずつ上昇度且跋駄 第６図、第７図の試験装置を使用し、次のような試験条
件で摩耗試験を行った。

摩擦速度は５ｍ／ｓｅｃ、接触圧力は１００ｋｇ／ａｌ
ｔに一定、潤滑油はモータオイル＃３０にダスト（ＪＩ
Ｓ２種）を０．２ｇ／Ｉ！．添加したもの、その他の試
験条件は前記焼付き試験に於けると同じである。

摩耗量は次のようにして測定した。角柱試験片について
は、試験後に試験片を取り外し、摩耗に（１３） よる高さ寸法の減少を測定した。円板試験片については
、摩耗によって生した円環状の摩耗痕の深さを測定した
。

試験結果は、第８図〜第１４図に示す通りであった。第
８図〜第１４図から、ニッゲル合金めっき層の基地は、
２〜１０重量％燐、ｌＯ〜５０重景％コバルトのニッケ
ル合金とし、これらの基地中に分散させる窒化珪素粒子
は、平均粒径を５μｍ以下、特に０．３〜５μｍ、分散
量を５〜３０容積％とするのが、また、鉄合金めっき層
の基地は２〜１０垂量％燐とするのが良い鈷果が得られ
ることが理解できる。これらの図において、摩耗試験の
試験時ｎｉｌば５０分間である。

比較のために、同し母材上に、厚さ１００μｍの硬質ク
ロムめっき層を形成した角柱試験片（比較例１）厚さ１
００μｍの窒化層を形成した角柱試験片（比較例２）に
ついて同様の試験を行った。これら比較例の角柱試験片
を、前述の角柱試験片のうち、めっき層の基地を２０重
量％コバルト、５重量％燐、残部ニッケルとし、この基
地中に０．３〜（１４） ３μｍのＳｉＪ４粒子を１０容積％分散させたもの（実
施例１）及びめっき層の基地を２重量％燐、残部鉄とし
てこの基地中と実施例１と同様のＳｉＪ４粒子を分散さ
せたもの（実施例２）の試験結果と対比して第１５図及
び第１６図に示す。なお、第１５図中、焼付き発生面圧
が１０ｋｇ／ｃｉｌＴの間隔の目盛の中間に位置してい
るのは、接触面圧上昇途中に焼付きが発生したことを示
しており、ハッチングを付した領域は、２回の同じ試験
で得られた低い値と高い値との範囲を示している。

比較例１は、焼付き発生面圧が最も低く、摩耗量も最も
大きい。比較例２は、摩耗量が最も小さく、耐焼付き性
が比較例１に較べて改善されている。これらに対し、実
施例１、２共に摩耗量は比較例２のそれに近く、耐焼付
き性は比較例２に対して更に改善されている。

実豊跋験 次に、本発明に基く油掻きリングをエンジンに組付けて
運転した実機試験（ヘンチテスト）について説明する。

（１５） 油掻きリングとしては、第３図に拡大部分斜視図で、第
１図に拡大断面図で示す構造のものを使用した。この油
掻きリングは、本出願人が先に提示（実開昭５１１１２
６４２号）した形状のものである。

油掻きリング１は、硬鋼線材ＳＷＲＨ７７Ｂを圧延して
断面Ｍ字形に或形してなる摺動部材２とステンレスｌｉ
ｉｌｓＵｓ３０４を加工硬化させたコイルエキスパンダ
６とからなっている。摺動部材２の平行部分２ａ、２ａ
の端面にはニッケル合金複合分散めっき層又は鉄合金複
合分散めっき層５Ａ、５Ａが形成され、これらめっき層
５Ａ、５Ａがシリンダライナ（第４図の１６）に対して
摺動する。摺動部材２の谷を形或する部分（断面Ｖ字形
の部分）２ｂの背面には上記と同しめっき層５Ｄが形成
され、谷の部分２ｂの底部にはオイルを通ずためのオイ
ル窓４が周方向に等間隔に設けられている。

上記めっき層は、断面Ｍ字形の母材３を上下方向に多数
重ね、これを陰極としてめっき浴中で回転させながらめ
っき浴槽の側壁近くの陽極との間でめっき浴を電気分解
して母材３上に被着させて（ＩＧ） 形成される。従って、隣同士の摺動部材が接触する平行
部分２ａの外面にはめっき層は形成されない。前述した
ように上記のめっき層はめっき付き廻り性が良好なので
、電流が窓４を通って摺動部材内側に流れ、谷の部分２
ｂの背面にもめっき層５Ｄが均一な厚さに形成される。

めっき層５Ｄの厚さはめっき層５Ａの厚さの１７５〜１
／ｌＯとなる。

また、平行部分２ａの内面から谷の部分２ｂの外面にも
めっき層５Ｂが形成され、窓４の面にもめっき層５Ｃが
形成される。上記めっき層は次のような組成のものであ
る。ニッケル合金複合分散めっき層は、２０重量％ニッ
ケル、５重量％燐を含有するニッケル合金基地中に粒径
３μｍの窒化珪素粒子が１０容積％分散させた構造を有
する。鉄合金複合分散めっき層は、２重量％燐を含有す
る鉄合金基地中に粒径３μｍの窒化珪素粒子が５容積％
分散させた構造を有する。

この例では、めっき層５Ａの厚さはいずれも１００μｍ
、めっき層５Ｄの厚さは、ニッケル合金複合分散めっき
層ではｌ５μｍ、鉄合金複合分散め（１７） っき層では１０μｍである。摺動部材２には、めっき後
に４００゜Ｃに１時間加熱の熱処理を施した。第２Ａ図
はニッケル合金複合分散めっき層の組織を示す倍率４０
０倍の顕微鏡写真、第２Ｂ図は鉄合金複合分散めっき層
の組織を示す倍率４００倍の顕微鏡写真である。ニッケ
ル合金又は鉄合金の基地中に灰色を呈する窒化珪素粒子
が均一に分散しているのが観察される。なお、熱処理に
よって析出するＮｉ３Ｐ相、ＮｉｓＳｉ相、Ｆｅ．Ｐ相
は、極めて微細であるので写真では観察されないが、こ
れらの相の存在はＸ線回折試験によって確認さクている
。

コイルエキスパンダ６の母月７の表面には、厚さ１０μ
ｍの硬質クロムめっき層８を形成させた。

油掻きリング１の呼び径は８６ｍｍ，幅Ｂは４ｍｍ，厚
さＴは２．５ｍｍである。

上記の油掻きリングをボア径８６ｍｍ、４サイクル、水
冷、４気筒、排気量２０００ｃｃのディーゼルエンジン
に組付け、回転数４７５０ｒｐｍ　、全負荷で２００時
間のペンヂデストを行い、オイル泪費量をη］り定した
。

第４図はエンジンのビス１〜ンリング及びその周辺（Ｉ
８） の拡大断面図である。鋳鉄製のシリンダライナ１６にピ
ス１ヘン１３が嵌入し、ピストン１３のリング溝１４Ａ
、１４Ｂ、１４Ｃには上から順にバレルフェース形の第
一圧カリング１１、テーパフェース形の第二圧カリング
１２、前記の油掻きリング１が装着されている。油掻き
リング１は、摺動部材２が背面からコイルエキスパンダ
６によって押され、シリンダライナ１６の内周面に高面
圧で押付けられる。図中、１７は水冷ジャケットである
。

測定結果は第５図に示す通りである。同図では、比較の
ために、第１図のめっき層５Ａ及び５Ｄの箇所に厚さ１
００μｍの硬質クロムめっき層を形成させた油掻きリン
グ（比較例１）及び同箇所にガス窒化によって窒化層を
形成させた油掻きリング（比較例２）について同様の試
験を行った結果が併記してある。

オイル消費量は、実施例ｌ、実施例２、比較例１の順と
良好であり、これらは５０時間の運転で変化が略なくな
る。比較例２では窒化層の初期馴染み性が良好ではない
ため、１００時間の運転迄オイ（１９） ル消費が漸減していて、オイル消費量が大きい。

なお、実施例１、２の窒化珪素粒子に替えて、酸化クロ
ム（ｃｒｚｏｚ）粒子を分散させた例（実施例３、４）
、同しく炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ４）粒子を分散させた例
（実施例５、６）について同様の試験を行ったところ、
１００時間運転の時点でオイル消費量は下記第５表に示
す通りであって、良好な結果を示した。酸化クロム粒子
、炭化クロム粒子の粒径及び分散量は、実施例■、２と
同しにしてある。

２００時間運転後、コイルエキスパンダの喰い込みによ
って摺動部材背面に生じた凹部の深さは、実施例１〜６
ではいずれも２μｍであった。これに対して比較例１で
は４０μｍの深さであった。なお、摺動部材背面にマス
キングして表面を母柑の債とした油掻きリングにあって
は、上記凹部の深さは１１０μｍであった。この結果か
ら、第５図では比較例ｌはオイル消費量が実施例のそれ
と大差ないとしても、更に長時間の運転になるとオイル
消費が増大するものと判断される。

以上の焼付き試験、摩耗試験及び実機試験の結果から、
本発明に基く油掻きリングは、優れた耐焼付き性、耐摩
耗性を示して耐久性に優れており、初期馴染み性が良好
で運転初期から長時間に亘って良好なオイル供給機能を
発揮し、かつオイル消費が少なく、経済的であることが
解る。

なお、油掻きリングの形状は、上記の例に限られるもの
ではなく、上下２枚のレール（摺動部材）とこれを背後
から押すプレートエキスパンダ又はスベーサエキスパン
ダとを備えたプレートエキスパンダ付き油掻きリング又
はスベーサエキスパンダ付き油掻きリングに本発明を適
用して同様の効果が奏せられる。

へ．発明の効果 本発明は、摺動部の外周面と弾性手段が当接す（２ｌ） （ｚＵノ る背面とに、金属基地中に硬質セラミックス粒子が分散
した組織を有するめっき層が形成されているので、この
めっき層の−１二記組織に起因する優れた耐焼付き性及
び耐摩北性によって苛酷な使用条件下にあっても優れた
耐久性を示し、かつ、上記めっき層の優れた耐焼付き性
、耐摩耗性に加えて良好な初期馴染み性によって機関の
運転初１リ１から長期間に亘って良好な潤滑油供給機能
を果たすと共に潤滑油消費量も少なくて済む。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示すものであって、 第１図は油掻きリングの拡大断面図、 第２Ａ図及び第２Ｂ図は夫々めっき層の金属組織を示す
顕微鏡写真、 第３図は油掻きリングの拡大部分斜視図、第４図は油掻
きリング及び圧力リングを組付けたヂイーゼルエンジン
の拡大部分断面図、第５図は実機試験の結果を示すグラ
フ、第６図は焼付き試験、摩耗試験の装置の要部を（２
２） 示す一部破砕概略図、 第７図は第６図の■−■線矢視断面図、第８図、第９図
、第１０図、第１１図、第１２図、第１３図及び第１４
図はめっ゛き層の組威と耐焼付き性又は耐摩耗性との関
係港示すグラフ、第１５図は焼付き試験の結果を比較例
と対比して示すグラフ、 第１６図は摩耗試験の結果を比較例と対比して示すグラ
フ である。 なお、図面に示された符号において、 １・・・・・・・・・油掻きリング ２・・・・・・・・・摺動部材 ３・・・・・・・・・摺動部材の母材 ４・・・・・・・・・オイル窓 ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ，２５ａ ・・・・・・・・・めっき層 ６・・・・・・・・・コイルエキスパンダ７・・・・・
・・・・コイルエキスパンダの母材８・・・・・・・・
・硬質クロムめっき層（２３） １１、１２・・・・・・・・・圧力リング１３・・・・
・・・・・ピストン １６・・・・・・・・・シリンダライナ２１・・・・・
・・・・ステータ ２２・・・・・・・・・円板試験片（相手摺動試験片）
２３・・・・・・・・・注油孔 ２４・・・・・・・・・ロータ ２５・・・・・・・・・角柱試験片 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、シリンダ内周面に対して摺動する摺動部とこの摺動
   部を背後から押圧する弾性手段とからなる油掻きリング
   において、前記摺動部の外周面と前記弾性手段が当接す
   る前記摺動部の背面とに、金属基地中に硬質セラミック
   ス粒子が分散した組織を有するめっき層が形成されてい
   ることを特徴とする油掻きリング。