JPH04171369A - 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〕 本発明は複合分散めっき層及び窒化層を有する内燃機関
用ピストンリングに係り、特に高鉛燃料を使用する内燃
機関や、内部が腐食雰囲気となる内燃機関や、過給機付
内燃機関等に使用するのに適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〕従来、
内燃機関用ピストンリングの表面処理に多く使用されて
いた硬質クロムめっきは、高鉛燃料を使用する場合や腐
食雰囲気下で作動する場合に耐摩耗性に難点があり、代
替として溶射処理が施されるようになった。しかしなが
ら、溶射皮膜は耐摩耗性に優れているものの、運転中に
皮膜の剥離や脱落を生じたり、相手材を摩耗させる等の
問題があった。

そこで最近は耐摩耗性に優れた窒化処理を施した鋼材リ
ングが実用化されている。またディーゼルエンジン等に
使用されているピストンリングの側面は著しく摩耗する
部位であるが、この部位の耐摩耗性向上にも窒化処理を
施すことが実用化されている。

しかしながら、窒化処理層は耐摩耗性に優れている反面
、耐焼付性に関しては硬質クロムめっき層や溶射層に比
べて劣り、スカッフィングの発生や母材の疲労強度の低
下からピストンリング折損か起きる例もみられる。従っ
て、特に外周摺動面に窒化処理層を有するピストンリン
グは苛酷な運転条件下での使用に問題かあった。

そこでピストンリングの外周摺動面に硬質粒子や固体潤
滑粒子を分散した複合分散めっきを施すことか提案され
た。これにはニッケルー燐合金複合分散めっき、コバル
ト−燐合金複合分散めっき、鉄−燐合金複合分散めっき
等が使用されてきているか、これらの場合、複合分散め
っき皮膜中の燐がめつき皮膜形成時の時効処理（４００
’Ｃ）によって燐化合物（例えばＮ１ａＰ）を生成する
ために、皮膜に脆性があられれたり、母材の疲労強度か
低下し、ピストンリングの折損や皮膜の剥離か発生する
おそれがあった。

また、窒化処理した上に複合分散めっきを施すことも考
えられるが、この場合、一般的に窒素の拡散層である窒
化層は母材とめっき皮膜との密着性を低下させる傾向を
有する。また表面に窒化層を形成しても、その上からめ
っき処理をすると、窒化層表面上にエツチングか起きた
りスマットか生成したりすることにより、皮膜と母材と
の密着力か低下し、更に母材自体に欠陥をもたらす結果
にもなる。このときピストンリング側面の窒化層もエツ
チング等で侵された分だけ薄くなり、その表面も凹凸上
を呈してくる。従って、この表面を平面研磨等で平坦に
する等の必要性から、あらかじめ余分に厚く窒化処理層
を設けなければならず、経済的にも好ましくない。

以上の問題点を克服するピストンリングとして、特開平
２−８５５６９号は、外周摺動面に硬質粒子か分散した
複合分散めっき層が形成され、且つ前記複合分散めっき
層以外の表面に窒化処理層か形成されているピストンリ
ングを開示している。このピストンリングにおいては、
複合分散めっき層の基地合金としてタングステンか１０
〜５０重量％で、残部か実質的にニッケルからなるもの
を用いている。

このピストンリングは耐摩耗性や耐焼付性を改善してい
ると同時に、母材の耐折損性を向上させてはいるが、苛
酷な条件、たとえば高鉛燃料を使用する内燃機関や、内
部か腐食雰囲気となる内燃機関、又は過給機付内燃機関
等に使用される場合にはその耐摩耗性や耐焼付性は充分
とは言い難く、さらに耐摩耗性や耐焼付性に優れたピス
トンリングが望まれる。

従って、本発明の目的は、耐摩耗性に優れていると同時
に耐焼付性にも優れ、相手材への攻撃性が少なく、母材
の耐折損性を向上させ、且つ側面には充分な耐摩耗性を
有する皮膜を形成している内燃機関用ピストンリングを
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、ピストンリングの表面に硬質粒子分散複合めっき層
と窒化処理層を組み合わせて形成したピストンリングに
おいて、複合めっき層の基地合金としてモリブデンを１
０〜５０重量％含み、残部がニッケルからなるものを用
い、これに硬質粒子を分散すれば、耐摩耗性及び耐焼付
性に優れ、耐折損性を向上したピストンリングとするこ
とができることを発見し、本発明を完成した。

すなわち、外周摺動面に硬質粒子が分散した複合分散め
っき層が形成され、且つ前記複合分散めっき層以外の表
面に窒化処理層か形成されている本発明の内燃機関用鋼
製ピストンリングは、前記複合分散めっき層か、モリブ
デン１０〜５０重量％、残部か実質的にニッケルからな
る合金基地中に、粒径が０．５〜５μｍの硬質粒子を５
〜４０容積％分散した層であることを特徴とする。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明のピストンリングの基体は鋼材からなり、良好な
耐摩耗性を示す窒化処理層を得るのに適する鋼材であれ
ば特に限定されない。特に好ましい例はＣ：　０．１６
〜１．３０％、Ｃｒ：１２〜１９％を含有する鋼材、あ
るいはこれにＭｏ及び／又はＶを少量含有させたクロム
鋼等である。

次に複合分散めっき層について説明する。

複合分散めっき層を構成するモリブデンは、めっき基地
の耐摩耗性、耐焼付性を高め、皮膜の高温時の硬度や耐
食性を上げるのに有効に作用する。

この効果のためには、１０重量％以上の含有量が望まし
い。また５０重量％を超えてもその効果に著しい変化は
なく経済的でない。従ってモリブデンの含有量は１０〜
５０重量％とするのか良い。より好ましいモリブデンの
含有量は３０〜４０重量％である。

硬質粒子を分散した複合めっき層は耐摩耗性に優れ、ま
た耐焼付性に関しては、窒化処理層や硬質クロムめっき
層に比して格段に優れている。複合めっき層に分散され
る硬質粒子は、Ｃｒ３Ｃ２、ＴＩＣ，ＳｉＣなどの金属
炭化物、ＴｉＮ　、　５ｉａＮ４、Ｃｒ２Ｎなどの金属
窒化物、又はＣｒｚＯｉ　、Ａｌｌ　２０３、ＺｒＯ２
などの金属酸化物である。特に好ましい粒子はＣｒ２０
ｚ等である。

硬質粒子の分散量及び粒径は形成するめつき厚にも関係
するが、これらが過度に多い場合や大きい場合にはめっ
き層が脆くなるとともに、摺動相ギ材の摩耗を増大させ
るので好ましくない。また分散量が少ない場合や粒子径
の小さい場合はその効果が少ない。本発明では分散量に
ついては５〜４０容量％の範囲、粒径については０．５
〜５μｍとすることが望ましい。

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、モリブデン化合物を溶解させためっ
き洛中に、硬質粒子を分散させたものを使用する。ニッ
ケル化合物、モリブデン化合物としては、硫酸ニッケル
、モリブデン酸ナトリウム等を用いる。得られた複合め
っき皮膜は水洗、乾燥後、硬化させる必要かある場合熱
処理を行うか、窒化処理により同様の効果をあげること
ができる。

次に窒化処理について述べる。

本発明では複合分散めっきを外周摺動面に施した後に窒
化処理を行い、外周摺動面以外の表面に窒化層を形成さ
せる。この窒化処理は６００℃近辺で行うため、窒化処
理時に複合分散めっき皮膜中のニッケルとモリブデンと
がＮｉ５Ｍｏ　、ＮｌｓＭｏの結晶化を引き起こし、め
っき皮膜の硬度は著しく上昇する。この硬度の上昇に伴
い耐摩耗性及び耐焼付性がさらに向上する。同時にこの
熱処理のため内部応力も除去されてめっき皮膜のクラッ
クの発生もなくなる。また疲労強度も向上するため折損
し難くなる。

本発明のピストンリングでは、第１図に示すように窒化
層３は外周摺動面以外のピストンリング表面に形成され
、外周摺動面の複合分散めっき層２下の母材１には形成
されていないので、複合めっき皮膜とピストンリング母
材との密着性はきわめて良い。

〔作　用〕

本発明のピストンリングが耐摩耗性及び耐焼付性に優れ
ているのは、リング摺動面に施した複合分散めっき層自
身の本来の特性による他に、窒化処理により複合分散め
っき層の硬度がより上昇したためである。また耐折損性
にも優れているのは、複合分散めっき層下に窒化層が存
在しないため、めっき層と母材の密着性が良好であるこ
と、さらにめっき層に対して窒化処理が熱処理として作
用するために疲労強度が向上し、かつ内部応力が除去さ
れ折損の起点となるクラックの発生が防止されることな
どに起因すると考えられる。

〔実施例〕

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 合金鋼５ＵＳ４４０Ｂ相当（重量でＣ：０．８０〜０．
９５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ　：　１．０％以下
、Ｐ　：　０，０４５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃ
ｒ：１７．０〜１８．０％、Ｍｏ：０．８〜１゜５％、
Ｖ：０．０５〜０．１５％）からなるピストンリング母
材の外周摺動面に、モリブデンを４０重量％含有するニ
ッケル基地中に硬質粒子として平均粒径１．０μｍのＣ
ｒ、Ｌ粒子を２５容量％分散した複合分散めっき層を形
成後、５７０°Ｃで３時間窒化処理を行い、外周摺動面
以外の表面に窒化層を形成した（試験片Ａ）。

実施例２ 実施例１と同じピストンリング母材の外周摺動面にモリ
ブデン４０重量％を含有するニッケル基地中に硬質粒子
として平均粒径１．２μｍの５ｉａＮ４粒子を２５容量
％分散した複合分散めっき層を形成後、５７０℃で３時
間窒化処理を行い、窒化層を外周摺動面以外の表面に形
成した（試験片Ｂ）。

比較例１ 実施例１と同じピストンリング母材の全表面を５７０°
Ｃて７時間窒化処理した後、実施例１て行った複合分散
めっき層を外周摺動面に形成し、４００°Ｃ１１時間の
時効処理を行った（試験片Ｃ）。

比較例２ 実施例１と同じピストンリング母材の全表面を５７０°
Ｃで７時間窒化処理した後、実施例２て行った複合分散
めっき層を外周摺動面に形成し、４００°Ｃ１１時間の
時効処理を行った（試験片Ｄ）。

比較例３ 実施例１と同じピストンリング母材に従来の硬質クロム
めっきを施した（試験片Ｅ）。

比較例４ 実施例１と同じピストンリング母材の全表面を５７０°
Ｃで５時間窒化処理した（試験片Ｆ）。

（１）耐焼付性試験 以上の試験片Ａ−Ｆについて、下記装置及び方法で耐焼
付性試験を行った。第２図は試験装置の要部を示す部分
断面図、第３図は第２図中のＸ−Ｘ矢視図である。ステ
ータホルダ４に、シリンダ材として使用される鋳鉄材Ｆ
ｅ１２製て摺動面５かホーニング仕上げされた円板６か
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７を通して潤滑油か注油されるようになっている
。ここてステータホルダ４には油圧装置（図示せず）に
よって、第２図において右方向へ向けて所定圧力で押圧
力（Ｐ）がかかるようにしである。円板６に対向するロ
ータ８上に取り付けられた試験片保持具９には回転軸と
同心状の円周上に等間隔に四個の取り付は孔か刻設され
ており、それぞれに試験片１０が取りつけられる。それ
ぞれ所定の表面処理が施された試験片■０の５ｍｍＸ５
ｍｍの先端面か円板６の摺動面５に接触し、駆動装置（
図示せず）によって所定速度て回転する。

以上の装置を用いて、ステータ側の注油孔７から一定温
度の潤滑油を摺動面に供給しなから試験を行った。ロー
タ８を回転させると試験片１０と円板６との間の摩擦に
よって、ステータホルダ４にトルクＦ（第３図中のＦ）
か生ずるか、そのトルクＦをスピンドル１１を介してロ
ードセル１２により検知し、押圧力の変化によるトルク
Ｆの変化を動歪計１３で読み取った。焼付か生じるとト
ルクＦか急激に上昇するので、その時の押圧力をもって
試験片の耐焼付性とした。

試験条件は次に示す通りであった。

摩擦速度　：　　　８　ｍ／Ｓｅｅ。

潤滑油　　・　　無添加モータオイル＃３０油温　　　
・　　８０℃ 給油量　　−４００ｃｃ／ｍｉｎ 接触面圧　；　　　２０ｋｇ／ｃｄより焼付発生まで１
０ｋｇ／ｃａｒずつ増圧、各 面圧に３分間保持 結果を第１表に示す。

（２）実機試験 呼び径×巾×厚さが８６．０ｍｍＸ　２．０１１１１＋
１　Ｘ　３．６ｍｍの鋼製（ＳＵＳ４４０Ｂ）ピストン
リングに前記の耐焼付性試験に用いた試験片Ａ−Ｆと同
様な表面処理を施し、それぞれに対応して試験片Ａ′〜
Ｆ′とした。

これらをそれぞれボア径８６ｍｍ、４気筒の水冷過給機
付ディーゼルエンジンに第−圧力リングとして組み込み
、軽油を燃料とし、５２００ｒｐｍ　５１０００時間の
高速耐久試験を行い、ピストンリング摺動面及び鋳鉄（
ＦＣ−２５材）製シリンダライナ内局面の摩耗を測定し
た。また焼付の状態、折損状況を観察した。試験結果を
第２表に示す。

第２表から明らかなように、本発明のピストンリング〔
試験片Ａ（Ａ’）、Ｂ（Ｂ’））は耐摩耗性、耐焼付性
に優れ、相手材を摩耗させることも少なく、さらに耐折
損性にも優れている。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り、本発明のピストンリングは、外周摺
動面に複合分散めっき層が母材上に形成され、且つ他の
表面には窒化処理層が形成されているので、耐摩耗性、
耐焼付性に優れ、また相手材を摩耗させることも少なく
、折損や皮膜の剥離や脱落もなく、且つ側面の摩耗も少
ないという利点を有する。

【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を示す
断面図であり、 第２図は耐焼付性試験の試験装置の胃部を示す部分断面
図であり、 第３図は第２図のＸ−Ｘ矢視図である。 １・・・ピストンリング母材 ２・・・複合分散めっき層 ３・・・窒化層 ４・・・ステータホルダ ５・・・摺動面 ６・・・円板 ７・・・注油孔 ８・・・ロータ ９・・・試験片保持具 ｌＯ・・・試験片 １１・・・スピンドル １２・・・ロードセル Ｉ３・・・動歪計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　外周摺動面に硬質粒子が分散した複合分散めっき層が
   形成され、且つ前記複合分散めっき層以外の表面に窒化
   処理層が形成されている内燃機関用鋼製ピストンリング
   において、前記複合分散めっき層が、モリブデン１０〜
   ５０重量％、残部が実質的にニッケルからなる合金基地
   中に、粒径が０．５〜５μｍの硬質粒子を５〜４０容積
   ％分散した層であることを特徴とする内燃機関用鋼製ピ
   ストンリング。