JPH0374680A

JPH0374680A - ピストンリング

Info

Publication number: JPH0374680A
Application number: JP20981689A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shinada; 品田　学
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1989-08-14
Filing date: 1989-08-14
Publication date: 1991-03-29

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〕本発明は内燃機関用のピストンリング、特に耐摩耗性に
優れた複合めっき層を有するピストンリングに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕エンジ
ンのシリンダポアの中でピストンに装着されて高速で摺
動するピストンリングは、耐摩耗性を高めるために硬質
クロムめっきを施したものが一級に使用されている。し
かし、クロムめっきは処理にかなりの時間を要するうえ
に、高鉛ガソリンを燃料とするエンジンや、高負荷のエ
ンジンに使用した場合、耐摩耗性、耐焼付性および耐蝕
性などに問題があった。

このよう−な問題点を解決するために、ニッケルー燐な
どの合金マトリックス中に窒化物や酸化物、あるいは炭
化物などの硬質粒子を分散させた複合めっきが注目され
ている。これは、複合めっきあるいは分散めっきと呼ば
れ、分散させる粒子の種類や大きさ、それに分散量を変
えることによって耐摩耗性、耐焼付性および耐蝕性など
の改善に優れた効果を示す。しかし、エンジンの高性能
化の著しい昨今の状況下、エンジン機種によっては、こ
のような複合めっきを用いても満足のいく結果は得られ
ないことがわかった。

従って、本発明の目的は、従来の硬質クロムめっきや複
合めっきの有する欠点を解消し、それ自体耐摩耗性に優
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〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ニッケル
−タングステン合金の基地中に、硬質粒子が分散した複
合めっき層を設けることによって耐摩耗性の優れたピス
トンリングが得られることを発見し、本発明を完成した
。

すなわち、本発明の第一のピストンリングは、タングス
テンが１０〜５０重量％、残りが実質的にニッケルから
なるニッケル−タングステン合金の基地中に、平均粒径
０．５〜１０μｍの酸化クロムが面積比で５〜４０％分
散している複合めっき層を有することを特徴とする。

また、本発明の第二のピストンリングは、タングステン
が１０〜５０重量％、残りが実質的にニッケルからなる
ニッケル−タングステン合金の基地中に、平均粒径０．
５〜１０μｍの酸化クロムが面積比で５〜４０％と、平
均粒径０．５〜１０μｍの固体潤滑材粒子が面積比で５
〜２０％分散している複合めっき層を有することを特徴
とする。

本発明を以下詳細に説明する。

合金基地中の成分としてタングステンを添加することに
より耐熱性、耐蝕性が改善され、めっき皮膜の強度も向
上する。また熱硬°比処理を行なうことにより、タング
ステンの作用によって基地の硬度が高くなり、耐摩耗性
に優れた効果を示す。

合金基地中のタングステンの量は、１０重量％未満では
上記の効果が顕著に得られず、また５０重量％を超えて
もその効果に著しい変化はない。したがって、タングス
テンの量は１０〜５０重量％が良い。

合金基地中に分散する酸化クロム（ＣｒｓＯｓ）は皮膜
の耐摩耗性の改善に優れた効果を示す。分散する酸化ク
ロムの容量は５〜４０面積％で、かつその平均粒径は０
．５〜１０μｍが良い。容量が５％未満あるいは平均粒
径が０．５μｍ未満では耐摩耗性の改善効果が少ない。

また容量が４０面積％或いは平均粒径が１０μｍを超え
ると皮膜の強度が低下し、さらに、相手材の摩耗を大き
くすることになる。

合金基地中に酸化クロムと共に固体潤滑材粒子を分散さ
せると、耐摩耗性、耐焼付性をさらに改善することがで
きる。固体潤滑材粒子としては、二硫化モリブデンや二
硫化タングステン、ボロンナイトライドなどがよい。固
体潤滑材粒子の容量は５〜２０面積％でかつその平均粒
径は０．５〜ｌＯμｍが良い。容量が５％未満あるいは
平均粒径が０゜５μｍ未満では、耐摩耗性、耐焼付性の
改善効果が少ない。また容量が２０面積％或いは平均粒
径が１０μｍを超えると皮膜の強度が低下し、脆くなっ
て脱落しやすくなる。

さらに、複合皮膜を形成した後、基地の硬度を高めるた
めに５００℃前後で熱硬化処理を施し、次いで５５０〜
６００℃で窒化処理を施せば、ピストンリングの側面摩
耗の改善と皮膜強度の向上に効果がある。窒化処理によ
って、皮膜中のＮｔ４Ｍの結晶化が増し、母材と皮膜の
間の結合強度が上昇する。

このように、複合皮膜を形成した後に窒化処理を施せば
、母材と複合皮膜の密着性が向上するとともに、母材の
疲労強度も高くなるという利点がある。しかし、一方、
窒化処理をした後で複合皮膜を形成すれば、複合皮膜が
摩滅して消滅しても窒化層が存在するので、耐摩耗性が
向上する。従って、これらの処理の順序は適宜変更する
ことができる。

〔実施例中〕

本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明す
る。

実施例１ピストンリング用鋼材で加工した、先端端面が５　ｇ　
Ｘ　５　ｍｍの直方体の試験片に、まず第一工程として
、摺動面に通例のニッケルストライクめっき方法で、厚
さ５μｍのニッケルめっきを形成しておき、次に第二工
程として、第１表に示す浴組成および下記のめっき条件
で、平均粒径１．２μｍの酸化クロムを分散した厚さ　
１２０μｍのニッケル−タングステン複合めっきを形成
した。

くめつき条件）液温　　　　６５℃ ｐＨ６，５電流密度　　１０＾／ｄｍ２めっき時間　２時間さらに第二工程として、５００℃で１時間加熱して熱硬
化処理を行った。

実施例２実施例１と同じ試験片に、同様のめっき処理と熱硬化処
理を行った。ただし、めっき浴成分の中には第１表に示
す通り、平均粒径２．０μｍのボロンナイトライドを加
えた。

得られた複合めっき層の金属組織の顕微鏡写真（Ｘ　４
００）を第１図に示す。

実施例３実施例１と同じ試験片に、同様のめっき処理と熱硬化処
理を行った後、５６０℃でガス窒化処理を施した。

実施例４実施例１と同じ試験片に、同様のめっき処理と熱硬化処
理を行った後、５６０℃でガス窒化処理を施した。ただ
し、めっき浴成分の中には第１表に示す通り、平均粒径
２．０μｍのボロンナイトライドを加えた。

第１表第２表実施例１〜４によって得られためっき皮膜の組成を第２
表に示す。また、めっき皮膜の硬度をマイクロビッカー
ス硬度計で測定した結果、実施例１が９５０、実施例２
が９２０、実施例３が１１００．実施例４が１０５０だ
った。

次に、本発明のピストンリング材の耐摩耗試験、焼付試
験及び実機試験を行った。

（ａ）　１１耗試験摩耗試験は第２図及び第３図に示すライダ一方式の摩耗
試験機によって行った。ステータホルダ１にシリンダー
材などとして使用される鋳鉄材ＦＣ２５１＆で摺動面２
がホーニング仕上げされた円板３が取外し可能に取付け
られており、その中央には裏側から注油孔４を通して潤
滑油が供給されるようにしである。また、油圧装置（図
示せず）によってステータホルダ１には図において右方
へ向けて所定圧力で押圧力がかかるようにしである。

円板３に対向してロータ５上に取付けられた試験片保持
具６０回転軸と同心の円周上に等間隔に刻設された４個
の取りつけ孔にそれぞれ試験片７が取付けられ、それぞ
れ上記実施例１〜４の表面処理が施された試験片の５×
５ｆｌ角の先端端面が円板３の摺動面２に接触し、図示
しない駆動装置によって所定速度で回転する。試験はス
テータ側の注油孔４から一定油温の潤滑油を摺動面に供
給しながら行なう。試験片７が所定の摺動距離だけ円板
３上を摺動したときの試験片７とステータ円板３の摩耗
量によって耐摩耗性を評価する。

具体的には、潤滑油として加鉛ガソリンを燃料とする実
機テストに使用後のエンジンオイルＳＡＥ＆３０にダス
ト（Ｊ　Ｉ　Ｓ　２種〉を０．２ｇ／ｉ添加した温度８
０℃の油を用いて、注油孔４から供給したステータホル
ダ１にはロータ側に向けて油圧１００ｋｇ／Ｌ：ＩＩの
押圧力を加えながら、試験片７の摩擦速度を３〜５ｍ／
ｓｅｃとし、摺動距離が１１００ｋとなるまでロータ５
を回転させた。

前記実施例１〜４°で得られた試験片の他に比較のため
一般に耐摩耗性表面処理に用いられる硬質クロムめっき
、モリブデン溶射についても同様の試験を行った。

試験結果を次の第３表に示す。

１１３表ｂ）焼付試験上記摩耗試験と同じ試験機を使って焼付試験を行った。

ロータ５を回転させると試験片７と円板３との摩擦によ
ってステータホルダｌには図示のようにトルクＦを生ず
るので、このトルクＦをスピンドル８を介してロードセ
ル９に作用させ、押圧力の変化によるトルクＦの変化を
動歪計１０で読み、トルクＦが急激に上昇したときに焼
付けが生じたものとみなして、そのときの押圧力をもっ
て耐焼付き性を評価した。

潤滑油は摩耗試験のものと同じものを使用し、ステータ
ホルダ１にはロータ側に向けてまず油圧４０ｋｇ／ｃｄ
の押圧力を加え摩擦速度８ｍ／ｓｅｃでロータ５を３分
間回転させ、次に押圧力を５０ｋｇ／ｃｄとして３分間
回転させる。このようにして順次押圧力を１０ｋｇ／ｄ
ずつ段階的に増加して各々３分間保持し、ロードセル９
を介して動歪計１０でトルクＦの変化を記録し、急激に
トルクが増加したときの押圧力から接触面圧を求めて焼
付発生面圧とした。

試験結果を次の第４表に示す。

第　　　　　４　　　　　表Ｃ）実機試験呼び径×巾×厚さが８６Ｘ　　１．５Ｘ　３．３ｍｍの
鋼製第一圧力リングの外周摺動面に、本発明の複合めっ
きを施し、ボア径８６ｍ、４気筒の水冷過給機付きディ
ーゼルエンジンに組みつけた。軽油を燃料とし、５２０
０ｒｐｍ　、全負荷で１００時間の高速耐久試験を行い
、第−圧力リングの外周摺動面、上下面および鋳鉄（Ｆ
ｅ１２）製シリンダライチ内周面の摩耗量を測定した。

なお、本発明の複合めっきとしては、タングステン３５
重量％、残部実質的にニッケルのニッケル−タングステ
ン合金基地中に、平均粒径１．２μｍの酸化クロムを２
０面積％分散させたもの（実施例５）、平均粒径１．２
μｍの酸化クロムを２０面積％と平均粒径３μｍのボロ
ンナイトライドを１５容量％分散させたもの（実施例６
）、実施例５のものに５２０℃×１時間の熱硬化処理後
、５２０℃×３時間のガス窒化処理を施したもの（実施
例７）、及び実施例６のものに上記と同じ熱硬化処理と
窒化処理を施したもの（実施例８〉を用いた。

また、比較例として硬質クロムめっき、モリブデン溶射
をそれぞれ摺動面に施した第−圧力リングについても、
同様の試験を行った。試験結果を第５表と第６表に示す
。

第第表表〔発明の効果〕以上に詳述した通り、本発明に係る酸化クロムを分散し
たニッケル−タングステン複合めっき層は、従来のめっ
き層に比べて、耐摩耗性、耐焼付性に優れているうえに
、相手材を摩耗させることも少なくピストンリングなど
の表面処理層として好適であることが理解される。また
、第６表の結果かられかるように、複合めっき層にさら
に窒化処理を施したものは、側面の摩耗にも効果のある
ことがわかり、そのほかに、複合めっき層の靭性の改善
にも効果のあることが確認されている。また窒化層の上
に複合めっき層を形成することにより、めっき皮膜が消
滅しても、窒化層が存在して耐久性を向上させることも
出来る。

従って、本発明の複合めっき皮膜を有するピストンリン
グは、特に耐摩耗性が要求される高鉛ガソリンを燃料と
するエンジンに用いると、優れた効果を示すことが理解
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る複合めっき層の金属組織を示す
顕微鏡写真（ｘ　４００）であり、第２図は摩耗試験機
の要部を示す一部断面図であり、第３図は第２図のｘ−ｘ矢視図である。・・ステータホルダ・・摺動面・円板・・注油孔・・ロータ・・試験片

Claims

【特許請求の範囲】

（１）タングステンが１０〜５０重量％、残りが実質的
にニッケルからなるニッケル−タングステン合金の基地
中に、平均粒径０．５〜１０μｍの酸化クロムが面積比
で５〜４０％分散している複合めっき層を有することを
特徴とするピストンリング。
（２）請求項１に記載のピストンリングにおいて、さら
に窒化処理を施したことを特徴とするピストンリング。
（３）タングステンが１０〜５０重量％、残りが実質的
にニッケルからなるニッケル−タングステン合金の基地
中に、平均粒径０．５〜１０μｍの酸化クロムが面積比
で５〜４０％と、平均粒径０．５〜１０μｍの固体潤滑
材粒子が面積比で５〜２０％分散している複合めっき層
を有することを特徴とするピストンリング。
（４）請求項３に記載のピストンリングにおいて、さら
に窒化処理を施したことを特徴とするピストンリング。