JPH04203676A

JPH04203676A - ピストンリング

Info

Publication number: JPH04203676A
Application number: JP33358590A
Authority: JP
Inventors: Motonobu Onoda; 元伸小野田; Takeshi Tsuchiya; 武司土屋
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-24
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: JP2865419B2

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ピストンに装着されるピストンリン
グに関し、さらに詳しくは耐摩耗性、耐スカッフィング
性（耐焼付き性）、耐疲労性、耐食性等の諸特性が向上
していて総合性能の高いピストンリングに関する。

〔従来の技術〕

内燃機関用ピストンに装着されるピストンリングにおい
ては、その使用条件が過酷であるため、優れた耐摩耗性
、耐スカッフィング性（耐焼付き性）、耐熱性、耐疲労
性、耐食性等が要求される。

そこで、ピストンリングに要求される主に耐摩耗性を付
与することを目的として例えば鋼材を用いてなるピスト
ンリング母材には従来より種々の表面処理が試みられて
いる。特に硬質クロムめっきは、優れた耐摩耗性を付与
し得るとともに、相手材が鋳鉄シリンダである場合に高
い耐スカッフィング性（耐焼付き性）が得られる等の利
点を有することから多く用いられてきた。

一方、耐摩耗性および耐スカッフィング性を向上させる
ためにピストンリング母材面に複合めっき層を設けたピ
ストンリングも実用化されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、近年、内燃機関の高出力化、高性能化および排
気ガス処理対策が進むに従い、ピストンリングの受ける
熱負荷が高くなってきており、従来の硬質クロムめっき
では耐摩耗性、耐熱性および耐スカッフィング性の点で
満足すべき性能を得ることか困難になってきた。

すなわち、硬質クロムめっきは高温に晒されると、その
硬さにかなりの低下をきたしてクラックの増大を招くた
め熱負荷が高くなってきている最近の内燃機関において
は、高温摺動下で摩耗量か増大してしまうという問題が
顕著になってきた。

そこで、かかる問題を解決するべく少なくとも外周摺動
面に窒化処理層を設けてなるピストンリングが実用化さ
れるに至っている。

しかしながら、この窒化処理を施したピストンリングに
おいては、耐摩耗性は向上している反面、耐スカッフィ
ング性は前記の硬質クロムめっきを施したピストンリン
グに比較して劣っているため、焼付きが起こり易いとい
う問題がある。

また、ピストンリング母材面に複合めっき層を設けたピ
ストンリング（以下、「複合めっきリング」と称するこ
とがある。）においては、硬度を上げるためにマトリッ
クス中のＰ量を増加する必要がある。このマトリックス
中のＰ量について本発明者が検討を重ねたところ、第６
図に示すように、硬度上昇に伴って耐スカッフィング性
も向上することが確認された。一方、この複合めっきり
ングにおいては、Ｐ量の増加に伴ってめっきの靭性か低
下し、長寿命を考慮して厚みを大きくしためっき層では
クラックや剥離が発生し易（なることも確認されている
。したがって、従来の複合めっきリングにおいては、前
記のクラックや剥離の発生の防止および耐摩耗性、耐ス
カッフィング性の向上の両立を図るためにマトリックス
中のＰ量を低目に設定する必要があり、耐摩耗性、耐ス
カッフィング性の向上は未だ必ずしも充分ではない。

本発明は前記の事情に基づいてなされたものであり、本
発明の目的は、耐摩耗性、耐スカッフィング性（耐焼付
き性）、耐熱性、耐疲労性、耐食性等の緒特性が向上し
ていて過酷な使用条件下でも高い総合性能を発揮するピ
ストンリングを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するための本発明の要旨は、内燃機関
用ピストンに装着されるピストンリングにおいて、少な
くとも外周摺動面に複合分散めっき層を有するとともに
、該複合分散めっき層上に物理的気相蒸着法により形成
された皮膜を有し、前記複合分散めっき層はホウ素を０
．１〜１０重量％の割合で含有するニッケル合金中に粒
径０．１〜１０μｍの硬質粒子を容積比で５〜３０％の
割合で分散してなり、前記皮膜は金属窒化物、金属炭化
物および金属酸化物のいずれかよりなることを特徴とす
るピストンリングであり、前記複合分散めっき層中の前
記硬質粒子が金属窒化物粒子、金属炭化物粒子および金
属酸化物粒子よりなる群から選択される少なくとも一種
の粒子である請求項１記載のピストンリングであり、前
記後、合分散めっき層が形成される母材の全周面に窒化
処理層が形成されている請求項１または請求項２に記載
のピストンリングであり、前記複合分散めっき層が形成
される母材における燃焼室側周面、クランクケース側局
面およびピストン装着面の三面に窒化処理層が形成され
ている請求項１または請求項２に記載のピストンリング
である。

〔作用〕

本発明のピストンリングは、その外周摺動面に物理的気
相蒸着法により形成された金属窒化物、金属炭化物およ
び金属酸化物のいずれかよりなる皮膜を有する。物理的
気相蒸着法により形成されるこの皮膜を有する本発明の
ピストンリングは、第７図に示すように、摩耗量が少な
く、また相手材であるシリンダーに対する攻撃性も低い
。ところで、この皮膜をピストンリング母材面に直接形
成すると、皮膜が摩耗して母材面の一部が露出した場合
に耐スカッフィング性（耐焼付き性）が充分ではなくな
る。そこで、本発明のピストンリングにおいては、ピス
トンリング母材面上に設けた複合分散めっき層上に上記
の皮膜が設けられている。この複合分散めっき層は、ホ
ウ素を０．１〜１０重量％の割合で含有するニッケル合
金中に粒径０．１〜１０μｍの硬質粒子を容積比で５〜
３０％の割合で分散してなり、耐摩耗性に優れていると
ともに耐スカッフィング性か著しく向上している。した
がって、本発明のピストンリングにおいては、仮に前記
の皮膜が摩耗して複合分散めっき層の一部が露出したと
しても優れた耐摩耗性および耐スカッフィング性が補償
されている。しかも、ピストンリング母材面の全周面あ
るいは燃焼室側周面、クランクケース側周面およびピス
トン装着面の三面に窒化処理層を設け、この窒化処理層
上に前記の複合分散めっき層および皮膜をこの順に設け
れば、耐摩耗性、耐食性かさらに向上する。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例であるピストンリングの部分
断面図である。

第１図に示すように、このピストンリングはその外周摺
動面において、母材１上に設けた複合分散めっき層２上
に皮膜３を有している。

母材１は、たとえば鋼材を好適に用いて形成される。こ
の鋼材は良好な耐摩耗特性を示す窒化処理層を得るのに
適するものを使用することが望ましい。このような鋼材
としては、たとえば炭素０．１６〜１．３０重量％、お
よびクロム１２〜１９重量％を含有する鋼材あるいはこ
れにモリブデンおよび／またはバナジウムを含有させた
鋼材などが挙げられる。

この母材１上に設けられている複合分散めっき層２は、
ホウ素を０．１〜１０重量％、好ましくは０．５〜６．
０重量％の割合で含有するニッケル合金中に粒径０．１
〜１０μｍ１好ましくは０．３〜３μｍの硬質粒子を容
積比で５〜３０％、好ましくは５〜１５％の割合で分散
させためっき層である。

ここで、ホウ素の含有は、めっき基地の硬度を上げて耐
摩耗性を向上させるが、ホウ素の含有率が０．１重量％
未満であると、耐摩耗性の向上が充分ではないことがあ
り、また１０重量％を超えると、めっき基地の脆弱化を
招くことがある。

また、この複合分散めっき層２中に分散させる硬質粒子
としては、例えばＳｔ　　Ｎ　　、ＴｉＮ。

ＣｒＮ、Ｃｒ、Ｎ、ＺｒＮ５Ｔ＋　ＡＩＮ、、ＨｆＮ等
の金属窒化物；Ｔｉｃ、ＳｉＣ，Ｃｒ３Ｃ２、ｗｃ等の
金属炭化物；Ｃｒ　　Ｏ、ＺｒＯ２、ＡＩ　２０３等の
金属酸化物；　Ｔ　Ｉ　Ｂ　２　、Ｚ　ｒ　Ｂ　２等の
金属ホウ化物などが挙げられる。これらの中でも、金属
窒化物、金属炭化物および金属酸化物が好ましく、金属
窒化物は特に好ましい。なお、これらの硬質粒子は一種
単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。

複合分散めっき層２における硬質粒子の粒径が０．１μ
ｍ未満であったり、含有率が容積比で５％未満であった
りすると、耐摩耗性の向上が充分ではないことがある。

一方、複合分散めっき層２における硬質粒子の粒径が１
０μｍを超えたり、含有率が容積比で３０％を超えたり
すると、複合分散めっき層２の強度が低下し、さらに相
手材の摩耗を大きくすることがある。したがって、硬質
分散めっき層２中に分散させる硬質粒子の粒径および含
有率は前記の範囲にすることが必要である。

複合分散めっき層２の層厚は３〜５０μｍ、好ましくは
３０〜５０μｍである。この層厚が３μｍ未満であると
、耐摩耗性、耐スカッフィング性の向上が充分ではない
ことがある。一方、５０μｍを超えると、クラックや剥
離が発生し易くなる。

複合分散めっき層２上の皮膜３は、金属窒化物、金属炭
化物および金属酸化物のいずれかよりなり、物理的気相
蒸着法（ＰＶＤ法）により形成されている。

皮膜３の形成材料に用いられる金属窒化物としては、例
えばＳｉ　　Ｎ　　　ＴｉＮ、ＣｒＮ。

３４ゝＣｒ　２Ｎ、％Ｚ　ｒ　Ｎ、　Ｔ　ｉ　Ａ　Ｉ　Ｎ、　
Ｈｆ　Ｎなどが挙げられる。

また、金属炭化物としては、例えばＴｉＣ。

ＳｉＣ，Ｃｒ　　Ｃ、ＷＣなどが挙げられるさらに金属
酸化物としては、例えばＡ　ｌ　２０３、Ｃｒ　　○　
、ＺｒＯ２などが挙げられる。

これらの形成材料の中でも、好ましいのは金属窒化物で
あり、特に好ましいのは窒化チタン（Ｔ　ｉ　Ｎ）　、
窒化クロム（Ｃｒ　、Ｎ　）である。

皮膜３は、たとえばイオンブレーティング法、スパッタ
リング法、真空蒸着法等の物理的気相蒸着法（ＰＶＤ法
）を用いて形成される。

ここで、皮膜３の形成に物理的気相蒸着法（ＰＶＤ法）
を採用する理由は、耐摩耗性に優れているとともに相手
材を摩耗させにくく、しかも複合分散めっき層２との密
着強度の高い皮膜３を形成することができるからである
。

皮膜３の膜厚は、通常、０．３〜３０μｍ１好ましくは
３〜１０μｍである。この膜厚が０．　３μｍ未満であ
ると、耐摩耗性の向上が充分ではなく、また相手材の摩
耗を減少させる効果が充分に奏されないことがある。一
方、３０μｍを超えると、クラックが発生し易くなる。

なお、第２図に示すように、全周面に窒化処理層４が形
成された母材１上の複合分散めっき１２上に皮膜３を有
していてもよいし、あるいは第３図に示すように、燃焼
室側周面、クランクケース側周面およびピストン装着面
の三面に窒化処理層４が形成された母材１上の複合分散
めっき層２上に皮膜３を有していてもよい。

このように母材１の全周面または燃焼室側周面、クラン
クケース側周面およびピストン装着面の三面に窒化処理
層４を有していると、耐摩耗性、耐食性かさらに向上す
る。

第４図は実施界および従来のピストンリングのそれぞれ
における摩耗量を示すグラフである。

ここで、実施界Ａは、鋼製ピストンリング母材１の全周
面に厚さ９０μｍの窒化処理層４を有し、この窒化処理
層４上にＮ　ｚ　　Ｂ　　Ｓ　１３　Ｎ　４からなる厚
さ３０μｍの複合分散めっき層２を有し、さらにこの複
合分散めっき層２上にイオンブレーティング法を採用し
て形成された厚さ３μｍのＴｉＮ膜からなる皮膜３を有
し、第２図に示した構成からなり、実施界Ｂは、皮膜３
が厚さ３μｍのＣｒ　２　Ｎ膜からなるほかは実施界Ａ
と同様の構成を有する。また、比較界Ａは外周摺動面に
厚さ１００μｍの硬いクロムめっき層を有する従来のピ
ストンリングであり、比較界Ｂは外周摺動面に、Ｐ量を
低く抑えたＮ１−Ｐ−８ｉ３Ｎ４からなる厚さ９０μｍ
の厚膜複合めっき層を有する従来のピストンリングであ
る。なお、この摩耗量は、排気量２０００ｃｃの乗用車
用ディーゼル機関のピストンに装着して１００時間の連
続高速運転を行なった後の測定値である。

第４図に示すように、実施界Ａおよび実施界Ｂは、比較
界Ａおよび比較界Ｂに比べて耐摩耗性か向上しているこ
とが判る。

また第５図は、実施界Ａ、Ｂおよび比較界Ｂについての
密着強度を示すグラフである。この密着強度は、ねじり
剥離試験機を使用して剥離発生角度を測定することによ
り行なった。

第５図に示すように、実施界Ａ、Ｈの剥離発生角度は比
較界Ｂの剥離発生角度よりも大きく、密着強度の向上が
著しいことが確認された。

また、実施界Ａ、Ｈについて実機試験を行なって６００
時間連続高速運転後のクラックおよび剥離の発生につい
て評価したところ、実施界Ａ、　　Ｂにはいずれもクラ
ックおよび剥離の発生は見られず、実施界Ａ、Ｂは充分
な皮膜強度および密着強度を有していることが確認され
た。なお、この実機試験には、排気量２０００ｃｃの乗
用車用ディーゼル機関を使用した。

さらに、本発明に係るピストンリングの耐摩耗性、相手
攻撃性および耐焼付き性に関する試験結果を次に示す。

（耐摩耗性、相手攻撃性）本発明の実施界Ａ、Ｂと実施界Ｃとについて、耐摩耗性
試験および相手攻撃性試験を行なった。

ここで、実施界Ｃは、鋼製ピストンリングに厚さ９０μ
ｍの窒化処理層を設け、この窒化処理層上にＮ１−Ｗ−
Ｃｒ３Ｃ２からなる厚さ３０μｍの複合分散めっき層を
有し、さらにこの複合分散めっき層上にイオンブレーテ
ィング法を採用して形成された厚さ３μｍのＴｉＮ膜か
らなる被膜を有するものである。

試験はアムスラー型摩耗試験機を使用し、回転片のほぼ
半分を油に浸漬し、固定片と接触させて荷重をかけると
いう方法によって行なった。なお、試験条件は次の通り
である。

相手材　Ｆｅ１２（ＨＲＢ９８）潤滑油　１０Ｗ３０油温　室温摩擦速度　０．　８９ｍ／＋ｅｃ　　（５００ｒ　ｐｍ
）荷重　１００ｋｇ時間　４０時間摩耗量測定：粗さ計による段差プロフィール１こで摩耗
量（μｍ）を測定。

なお、試験開始後２０時間目でアムスラー型試験機を一
旦停止させ、耐摩耗性および相手攻撃性について測定し
た。

試験結果は第７図に示す通りである。

第７図に示すように、実施界Ａ、Ｂは比較界Ｃに比べて
耐摩耗性および相手攻撃性が優れて（Ｘることか判る。

（耐焼付き性試験）前記耐摩耗性試験および相手攻撃性試験に用（Ａだのと
同様の実施界Ａ、Ｂおよび比較界Ｃ１こつ０て回転円板
式滑り摩擦摩耗試験機を用０て下記の試験条件で耐焼付
き性試験を行なった。

相手材・Ｆ　Ｃ２５（Ｈ，９８）潤滑油：ＳＡＥ＃３０　（５０％）＋白灯油（５０％）油量：０．０２リットル／ｍｉｎ油温：５０℃（タンク内温度）摩擦速度：　３．　７５ｍ／ｓｅｃ　　（３００ｒ　ｐ
ｍ）面圧：２５ｋｇ／ｃｍ２以上の試験条件にて２０分間慣らし運転を行なった後、
潤滑油の供給を停止し、面圧３０　ｋ　ｇ／Ｃｍ２から
２分後に面圧を１０ｋｇ／ｃｍ２づつ加圧し、これによ
ってスカッフィングが発生した面圧をスカッフィング発
生限界面圧とした。

試験結果は第８図に示す通りである。

第８図から明らかなように、実施界Ａの耐焼付き性は比
較界Ｃの耐焼付き性と同程度であるが、実施界Ｂの耐焼
付き性は比較界Ｃの耐焼付き性よりも優れていることが
判る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、耐摩耗性、耐スカッフィング性等が従
来の複合めっき層に比べて向上している特定の複合分散
めっき層上に設けられているとともに、自らも耐摩耗性
、耐スカッフィング性等に優れ、しかも充分な皮膜強度
、密着強度を有する特定の皮膜を外周摺動面に備えてい
るので、耐摩耗性、耐焼付き性、耐疲労性、耐食性等の
緒特性が向上していて総合性能の高いピストンリングを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はそれぞれ本発明のピストンリングの一
例を示す部分断面図、第４図は本発明のピストンリング
および従来品のそれぞれについての耐摩耗性試験の試験
結果を示すグラフ、第５図は同じく密着強度試験の試験
結果を示すグラフ、第６図は複合めっき層中のＰ量と焼
付発生面圧との関係を示すグラフ、第７図は本発明のピ
ストンリングおよび従来品のそれぞれについての摩耗特
性および相手攻撃性に関する試験結果を示すグラフ、第
８図は同じく耐焼付き性に関する試験結果を示すグラフ
である。１・・母材、２・・・複合分散めっき層、３・・・皮膜
、４・・窒化処理層。出願人代理人　　石　　川　　泰　　実弟　ｆ　図苓　２　図倍　３　図苓５図＃６　図

Claims

【特許請求の範囲】

１．内燃機関用ピストンに装着されるピストンリングに
おいて、少なくとも外周摺動面に複合分散めっき層を有
するとともに、該複合分散めっき層上に物理的気相蒸着
法により形成された皮膜を有し、前記複合分散めっき層
はホウ素を０．１〜１０重量％の割合で含有するニッケ
ル合金中に粒径０．１〜１０μｍの硬質粒子を容積比で
５〜３０％の割合で分散してなり、前記皮膜は金属窒化
物、金属炭化物および金属酸化物のいずれかよりなるこ
とを特徴とするピストンリング。
２．前記複合分散めっき層中の前記硬質粒子が金属窒化
物粒子、金属炭化物粒子および金属酸化物粒子よりなる
群から選択される少なくとも一種の粒子である請求項１
記載のピストンリング。
３．前記複合分散めっき層が形成される母材の全周面に
窒化処理層が形成されている請求項１または請求項２に
記載のピストンリング。
４．前記複合分散めっき層が形成される母材における燃
焼室側周面、クランクケース側周面およびピストン装着
面の三面に窒化処理層が形成されている請求項１または
請求項２に記載のピストンリング。