JPH0552263A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐焼付性及び耐摩耗性に優れたピストンリン
グを提供する。 【構成】 外周摺動面に、１〜10重量％の燐と、10〜40
重量％のニッケルと55〜80重量％のコバルトとからなる
コバルト−ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径 0.5
〜10μｍの酸化クロム粒子を面積比で５〜40％分散した
複合めっき層を有するピストンリング。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、特に耐焼付性及び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。

【０００２】

【従来の技術】エンジンのシリンダボアの中でピストン
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般
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。

【０００３】このような問題点を解決するために、ニッ
ケル−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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００５】従って、本発明の目的は、従来の硬質クロ
ムめっき等の有する欠点を解消し、耐焼付性及び耐摩耗
性に優れたピストンリングを提供することである。

【０００６】

【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、特定の合金組成比を有するコバル
ト−ニッケル−燐合金の基地中に、粒子が分散した複合
めっき層を設けることによって耐焼付性及び耐摩耗性の
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。

【０００７】すなわち、本発明の第一のピストンリング
は、外周摺動面に、１〜10重量％の燐と、10〜40重量％
のニッケルと55〜80重量％のコバルトとからなるコバル
ト−ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径 0.5〜10μ
ｍの酸化クロム粒子を面積比で５〜40％分散した複合め
っき層を有することを特徴とする。

【０００８】また、本発明の第二のピストンリングは、
外周摺動面に、１〜10重量％の燐と、10〜40重量％のニ
ッケルと55〜80重量％のコバルトとからなるコバルト−
ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径 0.5〜10μｍの
酸化クロム粒子を面積比で５〜40％と、平均粒径0.5 〜
10μｍの固体潤滑材粒子とを面積比で５〜20％分散した
複合めっき層を有することを特徴とする。

【０００９】本発明を以下詳細に説明する。本発明のピ
ストンリングの摺動面に設ける複合めっき層は、コバル
ト−ニッケル−燐合金からなる基地に粒子を分散したも
のである。

【００１０】合金基地中に燐を含有させ、熱硬化処理を
行なうことにより、基地の硬度が高くなり、耐摩耗性に
優れた効果を示し、また基地の耐蝕性の改善にも効果を
示す。燐の量が１重量％未満では熱硬化処理を行っても
硬度が高くならず、耐摩耗性を向上させる効果は少な
い。また10重量％を超えると硬度は増すが、めっき皮膜
はかえって脆くなって衝撃強度が弱くなり、皮膜の密着
性も悪くなる。したがって、燐の量は１〜10重量％とす
る。好ましい燐の含有量は1.5 〜６重量％である。

【００１１】また、合金基地中にニッケルを含有させる
ことにより、皮膜の耐熱性、耐蝕性及び靱性が改善さ
れ、さらに皮膜の強度も向上する。ニッケルの量が10重
量％未満では上記の効果が顕著に得られず、また40重量
％を超えてもその効果に著しい変化はない。従って、ニ
ッケルの量は10〜40重量％とする。好ましいニッケルの
含有量は15〜35重量％である。

【００１２】さらに、合金基地中にコバルトを含有させ
ることにより、合金基地の耐熱性や耐食性が改善される
とともに、皮膜の圧壊疲労強度も向上する。またディー
ゼル機関のようなピストンリング温度が300 ℃を超える
ような使用条件では、表面のコバルトが酸化されて四酸
化三コバルトが生成する。これによって摺動摩擦に好ま
しい低摩擦係数の酸化物層が形成される。この複合めっ
き皮膜の合金基地中のコバルトの量が55重量％未満では
上記の効果が顕著に得られず、また80重量％を超えても
その効果に著しい変化はないので、55〜80重量％とす
る。好ましいコバルトの含有量は60〜80重量％である。

【００１３】合金基地中に酸化クロム（Cr₂ O ₃ ) 粒子
を分散させることによって、皮膜の耐摩耗性が改善され
る。分散する酸化クロム粒子の容量は５〜40面積％で、
かつその平均粒径は 0.5〜10μｍとする。容量が５面積
％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％あるいは平均粒
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。好ましい酸化クロム
粒子の容量は10〜20面積％であり、好ましい平均粒径は
１〜２μｍである。

【００１４】また、合金基地中に酸化クロム粒子と共に
固体潤滑材粒子を分散させると、皮膜の耐摩耗性、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 0.5〜10μｍとす
る。容量が５面積％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％あるいは平均粒径が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。好ま
しい固体潤滑材粒子の容量は５〜15面積％であり、好ま
しい平均粒径は１〜２μｍである。

【００１５】複合めっき皮膜を形成した後、大気中、30
0 〜500 ℃の高温で１〜２時間、熱硬化処理を施せば、
複合めっき皮膜表面のコバルトが酸化されて四酸化三コ
バルト層が形成し、また、皮膜中の燐がニッケル、コバ
ルトにより強く固溶し皮膜の硬度を高める。複合めっき
皮膜表面に生成されたコバルト酸化物層は摺動摩擦に好
ましい低摩擦係数を有する。

【００１６】また、複合めっき皮膜を形成し、必要に応
じて上述の熱硬化処理を施した後、大気中、300 〜500
℃の高温で１〜３時間、複合めっき皮膜の仕上げ表面に
酸化処理を施せば、複合めっき皮膜表面のコバルト元素
がより多く四酸化三コバルトに変化し、四酸化三コバル
ト層（厚さ２〜３μｍ）を生成することにより、ピスト
ンリングの耐焼付性が向上し、かつピストンリングの側
面摩耗及び相手材の磨耗（シリンダライナ摩耗量）がさ
らに低減する。

【００１７】

【実施例】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５mm×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、
表１に示す浴組成および下記のめっき条件で、平均粒径
１μｍの酸化クロムを分散した厚さ120μｍのコバルト
−ニッケル−燐複合めっきを形成した。

【００１８】（めっき条件） 液温 50〜53℃ pH 4.5 電流密度 8 A/dm² めっき時間 ２時間

【００１９】さらに第三工程として、大気中、400 ℃で
１時間加熱して熱硬化処理を行った。

【００２０】実施例２ 実施例１と同じ試験片に、実施例１と同様にめっき処理
と熱硬化処理を行った。ただし、めっき浴成分の中には
表１に示す通り、平均粒径1.2 μｍ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（×400)を図１に示す。

【００２１】実施例３ 実施例１と同じ試験片に、実施例１と同様にめっき処理
と熱硬化処理を行った後、大気中、400 ℃で３時間複合
めっき層の仕上げ表面に酸化処理を施した。

【００２２】実施例４ 実施例１と同じ試験片に、実施例１と同様にめっき処理
と熱硬化処理を行った後、大気中、400 ℃で３時間複合
めっき層の仕上げ表面に酸化処理を施した。ただし、め
っき浴成分の中には表１に示す通り、平均粒径1.2 μｍ
のボロンナイトライドを加えた。

【００２３】 表１ 成分量（ｇ／リットル） 浴組成 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ 硫酸コバルト 200 200 200 200 硫酸ニッケル 30 30 30 30 塩化ニッケル 30 30 30 30 次亜燐酸ソーダ 2 2 2 2 ホウ酸 30 30 30 30 酸化クロム 40 40 40 40 ボロンナイトライド 0 10 0 10

【００２４】得られた実施例１〜４の複合めっき皮膜の
組成を表２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。その結果、実施例１が87
0 、実施例２が860 、実施例３が900 、実施例４が790
であった。

【００２５】 表２めっき皮膜組成 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ コバルト （重量％） 67 67 67 67 ニッケル （重量％） 20 20 20 20 燐 （重量％） 3 3 3 3 酸化クロム （面積％） 25 25 25 25 ボロンナイトライド（面積％） 0 10 0 10

【００２６】次に、得られた実施例１〜４のピストンリ
ング材について摩耗試験及び焼付試験を行った。以下に
試験方法の概略と試験結果を示す。

【００２７】ａ）摩耗試験 摩耗試験は第２図及び第３図に示すライダー方式の摩耗
試験機によって行った。シリンダー材などとして使用さ
れる鋳鉄材ＦＣ25製で摺動面２がホーニング仕上げされ
た円板３が、ステータホルダー１に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てある。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てある。

【００２８】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６の回転軸と同心の円周上に等間隔に刻
設された４個の取り付け孔に、上記実施例１〜４の表面
処理が施された試験片７が取付けられている。試験片の
５mm×５mm角の先端面が円板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。

【００２９】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。

【００３０】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ＳＡ
ＥNo.30 にダスト（ＪＩＳ２種）を0.2ｇ／リットル添
加した温度80℃の油を、注油孔４から供給し、ステータ
ホルダ１に対してロータ５側に向けて油圧 100kg/cm ²
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 100kmとなるまでロータ５を回
転させた。

【００３１】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。試験結果を次の表３に示す。

【００３２】

【００３３】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１には図３に示すようにトルクＦ
が生ずる。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で読み取った。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。

【００３４】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40
kg/cm ² 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/cm ² 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/cm
² 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。試験結果を次の表４に示す。

【００３５】

【００３６】ｃ）実機試験 呼び径×巾×厚さが86mm× 1.5mm× 3.3mmのＳＵＳ440
Ｂ17クロム鋼製第一圧力リングの外周摺動面に、後述す
る各種の本発明の複合めっきを施し、ボア径86mm、４気
筒の水冷過給機付きディーゼルエンジンに組み付けた。
軽油を燃料とし、5200rpm 、全負荷で 100時間の高速耐
久試験を行い、第一圧力リングの外周摺動面、上下側面
および鋳鉄（ＦＣ25）製シリンダライナ内周面の摩耗量
を測定した。

【００３７】なお、本発明の複合めっきとしては、燐が
３重量％、ニッケルが20重量％及びコバルト67重量％の
コバルト−ニッケル−燐合金基地中に、平均粒径1.8 μ
ｍの酸化クロムを20面積％分散させて複合めっきを形成
後、400 ℃×１時間の熱硬化処理を施したもの（実施例
５）、実施例５と同じ合金基地中に平均粒径1.8 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％分散させて複合めっきを形成後、400
℃×１時間の熱硬化処理を施したもの（実施例６）、実
施例５のものにさらに400 ℃×３時間の大気中酸化処理
を施したもの（実施例７）、及び実施例６のものにさら
に400 ℃×３時間の大気中酸化処理を施したもの（実施
例８）を用いた。

【００３８】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一圧力リング
についても、同様の試験を行った。試験結果を表５と表
６に示す。

【００３９】 表５ ピストンリング シリンダライナ 外周摩耗量 摩耗量 硬質クロムめっき 25μｍ 10μｍ モリブデン溶射 20μｍ 20μｍ 実施例５ 5μｍ 2μｍ 実施例６ 4μｍ 2μｍ 実施例７ 6μｍ 1μｍ 実施例８ 5μｍ 1μｍ

【００４０】

【００４１】

【発明の効果】以上に詳述した通り、本発明に係る粒子
を分散したコバルト−ニッケル−燐合金複合めっき層
は、従来のめっき層（硬質クロムめっき及びモリブデン
溶射）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
の表面処理層として好適であることが理解される。ま
た、表４、表５及び表６の結果からわかるように、特に
酸化処理を施した複合めっき層を有するピストンリング
は、酸化処理を施さないものに比べて側面摩耗及び相手
材の摩耗（シリンダライナ摩耗量）の低減に効果のある
ことがわかり、また、耐焼付性が優れていることがわか
る。

【００４２】従って、本発明の複合めっき層を有するピ
ストンリングは、特に耐摩耗性及び耐焼付性が要求され
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】

【図１】本発明に係る複合めっき層（実施例２）の金属
組織を示す顕微鏡写真（×400)である。

【図２】摩耗試験機の要部を示す一部断面図である。

【図３】図２のＸ−Ｘ矢視図である。

【符号の説明】

１・・・ステータホルダ ２・・・摺動面 ３・・・円板 ４・・・注油孔 ５・・・ロータ ６・・・試験片保持具 ７・・・試験片 ８・・・スピンドル ９・・・ロードセル 10・・・動歪計

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周摺動面に、１〜10重量％の燐と、10
   〜40重量％のニッケルと55〜80重量％のコバルトとから
   なるコバルト−ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径
   0.5〜10μｍの酸化クロム粒子を面積比で５〜40％分散
   した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２】 請求項１に記載のピストンリングにおい
   て、前記複合めっき層の表面に酸化処理を施してコバル
   ト酸化物を主体とする酸化物層を形成することを特徴と
   するピストンリング。
3. 【請求項３】 外周摺動面に、１〜10重量％の燐と、10
   〜40重量％のニッケルと55〜80重量％のコバルトとから
   なるコバルト−ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径
   0.5〜10μｍの酸化クロム粒子を面積比で５〜40％と、
   平均粒径0.5〜10μｍの固体潤滑材粒子とを面積比で５
   〜20％分散した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４】 請求項３に記載のピストンリングにおい
   て、前記複合めっき層の表面に酸化処理を施してコバル
   ト酸化物を主体とする酸化物層を形成することを特徴と
   するピストンリング。