JPH04175577A - 摺動部材 - Google Patents

摺動部材

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JPH04175577A
JPH04175577A JP30133090A JP30133090A JPH04175577A JP H04175577 A JPH04175577 A JP H04175577A JP 30133090 A JP30133090 A JP 30133090A JP 30133090 A JP30133090 A JP 30133090A JP H04175577 A JPH04175577 A JP H04175577A
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良雄 不破
Masahiro Nakagawa
仲川 政宏
Haratsugu Koyama
原嗣 小山
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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、アルコール燃料等のガソリン代替燃料使用時
の、耐食、耐摩耗性摺動部材の組合せに係り、例えば、
ピストンリング及びシリンダボア等の内燃機関用部品に
好適に適用できる。
〔従来技術] 内燃機関において、高回転、高圧縮比、また、軽量化、
燃費向上対策として軽合金の使用や部品の小型化等の必
要性から、そういった背景にある部品表面に対する耐摩
耗性、耐焼付き性、摩耗特性を従来にも増して改善する
必要性がある。
また、ガソリン燃料事情の悪化にともなう内燃機関用代
替燃料としてアルコール燃料の使用が考慮されており、
この対応策として、アルコール燃料使用時における、耐
食、耐摩耗に優れたピストンリング等の内燃機関部品用
摺動部材の必要性が高まっており、多くの研究がなされ
ている。
従来、このような試みの一つとして特開昭60−931
62号公報では、互いに当接して、相対的に摺動する摺
動部材であって、摺動する第1の部材の摺動面を硬質ク
ロムメツキ面とし、摺動する第2の部材の摺動面を、高
炭素Fe−Cr合金のプラズマ溶射層面とした摺動部材
の組合せが開示されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、摺動部は第1の部材及び第2の部材ともCrが
含まれており、同金属どうしの凝着は起こりやすいとい
う性質があるため、上述のような摺動部材の組合せでは
、焼付きが発生しやすいという問題がある。
そこで、本発明では摺動部材の耐焼付き性を向上させる
とともに、耐食性、耐摩耗性もさらに向上させることを
課題とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では、以下のような手段を用いて上述の課題を解
決した。すなわち、互いに当接して相対的に摺動する第
一の部材と第二の部材との組合せにして、前記第一の部
材の少なくとも前記第二の部材に対する摺動面部は重量
比で、Cr:55〜70%、C:1−8〜8.4%、残
部実質的にFeからなる組成のFe−Cr合金粉末の溶
射面とし、前記第二の部材の少なくとも摺動する第一の
部材に対する摺動面部を鋳鉄母材に施した厚さ70〜1
50μmの窒化処理面とした。
また、更に好ましくは、溶射層については、厚さを80
−200μm、硬さをHv400〜800、表面粗さを
1.6〜3.2 u m Rz に、窒化層については
、硬さをHv500以上に、表面粗さを1.6〜3.2
μmRzとするのが望ましい。
次に、溶射層及び窒化層の限定理由について述べる。
まず、Fe−Cr合金溶射層における各成分の限定理由
を述べる。
Cr;55〜70wt% Cr量は55−t%未満では耐食剤としてCrが十分役
割をはたさず腐食が発生してしまう。また、70−t%
を越えると相手材の摩耗の増大、耐焼付き性の低下が生
じる。
C; 1.8〜8.4賀t% C量は1.8wt%未満では十分な硬さが得られず耐摩
耗性に劣る。また、8.4wt%を越えると、相手材の
摩耗の増大、溶射層の靭性の低下の問題が生じる。
次に窒化層の厚さの限定理由を述べる。
窒化層の厚さ 70〜150μm 窒化層の厚さが70am未満では寿命不足で窒化層下の
下地がでてしまう。また、150μmを越えると熱応力
により剥離特性が悪くなるとともに、製造コストがかか
る。
以下に更に好ましい溶射層、窒化層の限定理由を述べる
溶射層の厚さ 80〜200μm 溶射層の厚さが80μm未満では寿命不足で溶射層下の
下地がでてしまう。また、200μmを越えると熱応力
により密着性が悪くなるとともに、高価なCrを使って
いるためコストが上がる。
溶射層の硬さ Hv400〜800 溶射層の硬さがHv400未満では耐摩耗性が十分でな
い。また、Hv800を越えると相手攻撃性が大きく、
相手材の摩耗量を大きくしてしまう。
溶射面の粗さ 1.6〜3.2μmRz溶射面の粗さが
1.6μmRz未満では油保持力が小さ(、相手材と焼
き付きが発生する。また、3.2μmRzを越えると自
己の摩耗量が多く、また相手攻撃性が大きいため相手材
の摩耗量も太きくなってしまう。
窒化層の硬さ 硬度HV500以上 窒化層の硬さが硬度Hv500以下だと窒化層の耐摩耗
性が不足する。
窒化層の粗さ 1.6〜3.2 u m Rz窒化層の
粗さの限定理由も溶射面の粗さの場合と同じく、1.6
μmRz未満では油保持力が小さく、相手材と焼き付き
が発生する。3.2μmRzを越えると自己の摩耗量が
多く、また相手攻撃性が大きいため相手材の摩耗量も大
きくなってしまう。
〔作用〕 互いに当接して相対的に摺動する第1の部材を、耐食性
、耐摩耗性に優れたFe−Cr合金の溶射面に、第2の
部材を同金属どうしの凝着を防ぐ為Crが含有しないで
耐食性、耐摩耗性に優れた鋳鉄の窒化処理面とすること
によって、耐焼付き性を向上させるとともに、耐食性、
耐摩耗性を向上させた。
〔実施例〕
まず、本発明の摺動部材をアルコール燃料使用時の内燃
機関用摺動部材に適用した場合の、実施例について述べ
る。
(第1実施例) 鋳鉄JIS規格FC25製で、外径35IIIn+、内
径5−一、厚さ5m111のディスク試験片(外径35
IIIm×内径5mmの面を試験面とする。)の外径3
5411+、内径5−の面に試験片a;低炭素Fe−C
r合金粉末(Cr:56wt%、C:0.02wt%、
Si:0.8wt%、残部Fe)を70−t%と、高炭
素Fe−Cr合金粉末(Cr:62wt%、C:8.0
wt%。
S i : 1.3wt%、残部Fe)を30wt%混
合したFe−Cr合金粉末(Cr:60wt%、C:2
.2−t%、  S i : 1.0wt%、残部Fe
)を用いてプラズマ溶射し、溶射層を形成させた後研磨
加工仕上げにより溶射層厚さ100μm、溶射層硬さH
v430、表面粗さ2.0μmRzとした試験片を作製
した。
一方相手材として、ステンレス(JIS規格:5US4
40B)製で、大きさが3+++mX4mmX10麟m
のピン試験片(311111X411+11の面を試験
面とする。)を用い、温度450℃、処理時間50Hr
でガス窒化処理を施した窒化処理厚さ100μmの試験
片a°を作製した。この時、試験片の硬さはHvllo
oであった。
また、比較例として実施例と同形状のディスク試験片及
びピン試験片を、第1表に示すような材質からなる組合
せ(比較例1〜6)で作製した。
すなわち、比較例のディスク試験片は母材はすべて実施
例1と同じ鋳鉄(JIS規格FC25)を用い、その摺
動面部に、 試験片b;Ni−Cr合金(Ni:80wt%。
Cr:20wt%)粉末をプラズマ溶射した後、加工研
磨し実施例1と同形状の溶射層で、硬さHv220の溶
射面とした。
試験片C;ガス窒化処理を施し、硬さHv900の窒化
面とした。
試験片d;Crメツキを施し厚さ100μmとし、硬さ
Hv800のメツキ面とした。
試験片e;摺動面は特定の表面処理を行わなかった。
試験片f;試験片aと同様の処理を行い同様のFe−C
r合金層面とした。
試験片g;試験片aと同様の処理を行い同様のFe−C
r合金層面とした。
また、相手材であるピン試験片で、試験片b゛。
c’、d’、e’ は実施例1と同じステンレス鋼(J
IS規格5US440B)を用い、同じ処理を行い、硬
さHvllooの窒化面とした。
試験片f゛::母材てステンレス鋼(JIS規格5US
440B)を用い、Crメンキ処理を行い厚さ100μ
mとし、硬さHv800のメツキ面とした。
試験片g゛;;母材て鋳鉄(J I S規格FC25)
を用い、表面は特に処理しなかった。
このとき、ディスク試験片a、b、c、d、e。
f、g、およびピン試験片a’lb’、C’、d’、e
’。
f’、g’の表面粗さは2〜3μmRzである。
これらの関係を第1表に示す。
なお、aとa’、bとb’、cとC”、dとd’ eと
e’、fとr”、gとgoそれぞれの試験片の組合せを
A、B、C,D、E、F、G、とする。 上記各々の試
験片をビン−ディスク型試験機に装着し、約70°Cに
加熱された5wt%のギ酸水溶液中に浸漬させたディス
ク試験片にビン試験片を接触させ、面圧25 kgf/
cn+2を負荷しながら0.13+/sのすべり速度で
ディスク試験片を回転させる腐食摩耗試験を30分間行
った。
この試験結果を第3図に示す。
第3図において、横軸に対する上方の縦軸は回転試験片
であるディスク試験片の摩耗量(損耗深さμm)を示し
、下方の縦軸は相手材であるピン試験片の摩耗量(損耗
重量mg)を示している。
第3図における横軸のAないしGの符号は、上述した試
験片の組合せAないしGの符号と一致させており、各々
の摩耗試験結果を示している。
第3図から明らかなように、組合せ記号A、F。
G1すなわちディスク試験片にFe−Cr合金の溶射を
施したものは、他のディスク試験片に比べて摩耗量が少
ない。また、その中でも実施例Iすなわち記号a°のピ
ン試験片に窒化処理を施したものを相手材としたとき、
相手材であるピン試験片の摩耗が顕著に少ない。
(第2実施例) 第1表に示したディスク試験片の材料で17mmX 1
25mmX8mmの平板試験片(17mmX125mm
の面を試験面とする。)を、またピン試験片の材料で内
径7BIII++、外径6El+m、幅2IllaIの
ピストンリングを作製し、外径の弧の長さが6mmとな
るように切断して同じくピン試験片を得た。それらを組
み合わせて通常摩耗試験を行った。
実施例2は、第1表に示した実施例1すなわち組合せ記
号のAと同一の材料組合せとなっており、比較例7,8
,9,10,11.12は表1に示した組合せ記号のB
、C1,D、E、F、Gと同一の材料組合せである。
実施例2及び比較例7〜12の各組合せ試験片を順次、
往復摺動型摩擦摩耗試験機にセットし、平板試験片を5
Hzで往復摺動させ、それにビン試験片を押付力15k
gfで押し付け、すべり距離50mmで20時間の摩耗
試験を行った。なお、潤滑条件はディーゼル劣化油を油
浴とした。
この摩耗試験結果を第4図に示す。
第4図は横軸に各組合せによる実施例及び比較例を、横
軸に対する上方の縦軸は平板試験片の摩耗量(摩耗深さ
μm)を、下方の縦軸はビン試験片の摩耗量(当り巾m
m)を取っている。
第4図から明らかなように、本実施例2は実施例1の腐
食雰囲気上同様、平板試験片、ビン試験片とも摩耗量は
非常に少なく良好であった。
また、比較例8.11においては試験中に焼き付きが発
生した。
(第3実施例) 第1表に示したディスク試験片の材料で外径25mmX
内径20mmx高さ15mmの円筒試験片(外径25m
mX内径20mmの面を試験面とする。)を、またビン
試験片の材料で30mmx30mmX厚さ5mmの平板
試験片(30mmx30mmの面を試験面とする。)を
作製し、それらを組み合わせて焼付き試験を行った。
実施例3は、第1表に示した実施例1すなわち組合せ記
号のAと同一の材料組合せとなっており、比較例13,
14.15.16,17.18は表1に示した組合せ記
号のB、C,D、E、F、Gと同一の材料組合せである
実施例3及び比較例13〜18の各組合せ試験片を順次
機械試験所望焼付き試験機にセットし、回転数1100
Orp、押付荷重MAX500kgfまでの焼付き試験
を行った。なお、潤滑条件はヘースオイル5W−30を
0.15 cc/sinの割合で摺動面に添加した。
この試験結果を第5図に示す。
第5図は横軸に各組合せによる実施例及び比較例を、横
軸に焼付き荷重を取っている。
第5図から明らかなように、本実施例3は他の比較例に
比べ優れた耐焼付き性を示す。比較例14.17につい
ては同種金属との摺動となるため早期に焼付きが発生し
た。
(第4実施例) 第1表に示した材料組合せのうち、A、D、Eについて
ディスク試験片の材料を、第1図、及び第2図に示すよ
うに、排気量2000cc、4気筒ガソリン機間のシリ
ンダボアに用い、ビン試験片の材料をそのピストンリン
グに用いた。
第2図におけるシリンダボアとピストンリングの摺動部
(1)の拡大図を第1図に示す。
ピストンリング4はステンレス鋼がらなり、シリンダボ
ア3との摺動部は厚さ1100t1の窒化処理面21が
形成されている。また、そのピストンリング4に相対す
るシリンダボア3は鋳鉄からなっており、ピストンリン
グ4との摺動部は厚さ100μmの溶射面31が形成さ
れている。
このガソリン機関にメタノール85%のアルコール燃料
を使用して連続高速耐久300時間の実機耐久試験を行
った。その結果を第2表に示す。
第2表 第2表かられかるように本実施例4では、腐食の発生、
焼付きの発生はなく良好な結果が得られた。
(第1試験例) 以下の実施例では溶射層及び窒化層の限定理由を説明す
る。
まず、窒化層の厚さの限定理由を説明する。
第1表に示した本発明の組合せであるAのディスク試験
片の材料を、排気量1600cc、4気筒ガソリン機関
のシリンダボアに用い、ビン試験片の材料をその窒化層
の厚さを変化させピストンリングに用い、メタノール8
5%のアルコール燃料を使用して6000rρmで実機
耐久試験を行った。
この時、変化させた窒化層の厚さを横軸に取り、溶射層
厚さが20μmに達した時の時間を耐久寿命として縦軸
に取ったときの図が第6図である。
第6図を見て明らかなように窒化層厚さが70μmより
小さくなると耐久寿命が著しく減少してしまう。
また、同じように窒化層の厚さを変化させたピストンリ
ングを作製し、今度は剥離特性の試験を行った。その結
果を第3表に示す。
第3表 第3表を見て分かるように、窒化層厚さが150pmを
越えると剥離が発生する。
よって、上述の結果より窒化層の厚さを70〜150μ
mとする。
(第2試験例) 次に、溶射層の厚さの限定理由を説明する。
第1表に示した本発明の組合せであるAのディスク試験
片の材料をその厚さを変化させ、排気量1600cc、
4気筒ガソリン機関のシリンダボアに用い、ピン試験片
の材料をそのピストンリングに用い、メタノール85%
のアルコール燃料を使用して6000rpmで実機耐久
試験を行った。
この時、変化させた溶射層の厚さを横軸に取り、溶射層
厚さが30μmに達した時の時間を耐久寿命として縦軸
に取ったときの図が第7図である。
第7図を見て明らかなように溶射層厚さが80μmより
小さくなると耐久寿命が著しく減少してしまう。
また、同じように溶射層の厚さを変化させたシリンダボ
アを作製し、今度は密着力の試験を行った。
横軸に溶射層厚さμm、縦軸に密着力kgf/+wm2
をとると第8図のようになる。
図を見て分かるように、溶射層厚さが200μmを越え
た時から密着力が減少している。即ち溶射層厚さが20
0μmを越えると剥離する危険がある。
よって、上述の結果より溶射層の厚さを80〜200μ
mとする。
(第3試験例) 次に、溶射層の硬さの限定理由を説明する。
第1表に示した本発明の組合せであるAのディスク試験
片の材料で低炭素Fe−Cr合金粉末(Cr:56wt
%、C:0.02wt%、Si:0.8−t%、残部F
e)と高炭素Fe−Cr合金粉末(Cr:62wt%、
C:8.0wt%、 S i : 1.3wt%、残部
Fe)の割合を変え、硬さを変化させた他は第2実施例
と同様の条件で往復摺動型摩擦摩耗試験を行った。
これらの結果を第9図に示す。
第9図は、横軸に平板試験片の溶射層の硬さ(Hv)を
、横軸に対する上方の縦軸は同じく平板試験片の摩耗量
(溶射層の摩耗深さμm)を、下方の縦軸は相手材であ
るピン試験片の摩耗量(窒化材の当たり巾mm)を示し
ている。
第9図を見て分かるように、溶射層の硬さがHv400
より小さいと自身が摩耗してしまい耐摩耗性が劣る。ま
た、溶射層の硬さがHv800より大きいと今度は相手
攻撃性が大きくなり、窒化処理を施したピン試験片の摩
耗量が大きくなってしまう。よって、溶射層の硬さはH
v400〜800が望ましい。
(第4試験例) 次に、溶射層の表面粗さの限定理由について説明する。
第1表に示した本発明の組合せであるAのディスク試験
片の材料で、その硬さを変化させないで表面の粗さを変
化させた他は第3試験例と同様の条件で往復摺動型摩擦
摩耗試験を行った。
これらの結果を第10図に示す。
第10図は、横軸に平板試験片の溶射層の表面粗さCR
zμm)を、横軸に対する上方の縦軸は同しく平板試験
片の摩耗量(?8射層の摩耗深さμm)を、下方の縦軸
は相手材であるピン試験片の摩耗量(窒化材の当たり巾
mm)を示している。
第1O図を見て分かるように、溶射層の表面粗さがRz
1.6μmより小さいと溶射を施した平板試験片と窒化
処理を施したピン試験片の間で焼付きが発生してしまう
。また、溶射層の表面粗さがRz 3.2μm以上より
大きいと、平板試験片自身の摩耗及び相手材であるピン
試験片の摩耗が大きくなってしまう。よって、溶射層の
表面粗さはRz 1.6 am−Rz 3.2 amが
望ましい。
(第5試験例) 次に、窒化層の表面粗さの限定理由について説明する。
第1表に示した本発明の記号a゛のピン試験片の材料の
表面粗さを変化させた他は第2実施例と同様の条件で往
復摺動型摩擦摩耗試験を行った。
これらの結果を第11図に示す。
第11図は、横軸にピン試験片の窒化層の表面粗さ(R
z tlm)を、横軸に対する上方の縦軸は深さμm)
を、下方の縦軸はピン試験片の摩耗量(窒化材の当たり
巾mm)を示している。
第11図を見て分かるように、窒化層の表面粗さがRz
1.6μmより小さいと溶射を施した平板試験片と窒化
処理を施したピン試験片の間で焼付きが発生してしまう
。また、窒化層の表面粗さがRz 3.2μm以上より
大きいと、ピン試験片自身の摩耗及び相手材である平板
試験片の摩耗が大きくなってしまう。よって、窒化層の
表面粗さはRz 1.6 am−Rz 3.2 μmが
望ましい。
〔発明の効果〕
以上により明らかなように、本発明にかかる摺動部材に
よれば、互いに当接して相対的に摺動する2つの部材に
おいて、摺動する第1の部材の摺動面を、Fe−Cr合
金粉末の溶射面とし、摺動する第2の部材の摺動面を窒
化処理面とすることによって、アルコール燃料等のガソ
リン代替燃料使用時の、耐焼付き性を向上させるととも
に耐食・耐摩耗性を従来の摺動部材よりも大幅に改良で
き、例えばピストンリングと、シリンダボア等の内燃機
関用摺動部品に、好適に適用できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は第2図1部の部分拡大図、 第2図は本発明の組合せをシリンダボアとピストンリン
グに応用した時のピストンとシリンダボアの断面図、 第3図は各摺動部材の組合せの腐食摩耗試験結果を示す
グラフ、 第4図は各摺動部材の組合せの往復摺動型摩擦摩耗試験
結果を示すグラフ、 第5図は各摺動部材の組合せの焼付き試験結果を示すグ
ラフ、 第6図は本発明材の組合せで窒化層の厚さを変化させた
ときの実機連続高速耐久試験結果を示すグラフ、 第7図は本発明材の組合せで溶射層の厚さを変化させた
ときの実機連続高速耐久試験結果を示すグラフ、 第8図は本発明材の組合せで溶射層の厚さを変化させた
ときの密着力の試験結果を示すグラフ、第9図は本発明
材の組合せで溶射層の硬さを変化させたときの往復摺動
型摩擦間摩耗試験結果を示すグラフ、 第10図は本発明材の組合せで溶射層の表面粗さを変化
させたときの往復摺動型摩擦間摩耗試験結果を示すグラ
フ、 第11図は本発明材の組合せで窒化層の表面粗さを変化
させたときの往復摺動型摩擦間摩耗試験結果を示すグラ
フである。 1−−−ピストン本体       21−窒化層2−
 ピストンスカート      31−溶射層3− シ
リンダボア 4− ピストンリング(トップ) 5− ピストンリング(セカンド) 8−ピストンリング(オイル) 出願人   トヨタ自動車株式会社 第2因 第6図 0   50  80100    +5i:l   
200  250.、、。 、3軒眉厚3 溶射層厚コ 第8図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  互いに当接して相対的に摺動する第一の部材と第二の
    部材との組合せにして、前記第一の部材の少なくとも前
    記第二の部材に対する摺動面部は重量比で、Cr:55
    〜70%、C:1.8〜8.4%、残部実質的にFeか
    らなる組成のFe−Cr合金粉末の溶射面とし、前記第
    二の部材の少なくとも摺動する第一の部材に対する摺動
    面部を鋳鉄母材に施した厚さ70〜150μmの窒化処
    理面としたことを特徴とする摺動部材。
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