JPH1151186A - ピストンリングおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 初期なじみ性、耐スカッフ性、さらには耐疲
労性に優れたピストンリングを提供する。 【解決手段】 ピストンリング１の全表面にＨＶ９００
以上の硬度を有するガス窒化層２を形成し、外周摺動面
のガス窒化層２上にソリッドＣｒめっき３を被覆する。
ソリッドＣｒめっき３の硬度はＨＶ４００〜７５０の範
囲にある。ソリッドＣｒめっき３のめっき浴組成は、Ｃ
ｒＯ₃ ：２５０ｇ／ｌ、Ｈ₂ ＳＯ₄ ：１ｇ／ｌ、Ｈ₂ Ｓ
ｉＦ₆ ：５ｇ／ｌ、めっき条件は電流密度が６０Ａ／ｄ
ｍ² 、めっき浴温度が２０〜３０℃である。ガス窒化層
２に代えて、ＨＶ８００以上の硬度を有する硬質Ｃｒめ
っき４を形成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、初期なじみ性に優
れた内燃機関用ピストンリングに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの高出力化、高回転化、
長寿命化および排ガス規制の対応に伴って、ピストンリ
ングの使用環境がますます苛酷になっているため、ピス
トンリングの外周摺動面には、非常に硬い窒化層や硬質
Ｃｒめっき、あるいはＰＶＤ皮膜等が形成される例が多
くなっている。これにより、ピストンリングの摩耗特性
は格段に向上し、特にエンジンの長寿命化を実現してい
る。

【０００３】しかしながら、窒化層や硬質Ｃｒめっき、
あるいはＰＶＤ皮膜は、運転初期の状態では、初期なじ
み性が悪く、初期の潤滑油消費量の悪化をもたらす。

【０００４】これに対して、Ｃｒめっきの最外周表面を
毛羽状にしたり（特公昭３３−５８１５号）、微小亀裂
のあるＣｒめっきを施したり（特公昭５１−４６２１９
号）、あるいは細かいチャンネル形ポーラスと粗いチャ
ンネル形ポーラス又は粗いピンポイント形ポーラスが共
存する層を表面に有するＣｒめっきを設ける（特開昭２
−３０４２６６号）などが提案されている。

【０００５】一方、内燃機関のシリンダにおいて、内周
面に被覆するＣｒめっきの硬度をＨＶ７００〜８００と
することも提案されている（特開平８−２０８８９
号）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最外周
表面を毛羽状にしたものは摩滅が早すぎて効果が得られ
ず、上記亀裂やポーラスを有するものは外周当たり面が
狭い場合は欠けの問題があり、さらには亀裂やポーラス
を起点としてピストンリングの疲労破壊を招く原因とな
る。

【０００７】また、シリンダの内周面に被覆する硬度Ｈ
Ｖ７００〜８００のＣｒめっきは、めっき浴温度が６１
〜６５℃であり、この温度で処理されたＣｒめっきは耐
スカッフ性が低い欠点を有している。

【０００８】本発明の目的は、初期なじみ性、耐スカッ
フ性、さらには耐疲労性に優れたピストンリングを提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、外周摺動面に
耐摩耗層を形成し、その上にＣｒめっきを被覆したピス
トンリングにおいて、前記Ｃｒめっきが、めっき浴温度
４０℃以下でめっき処理されたソリッドＣｒめっきで、
硬度がＨＶ４００〜７５０の範囲にあることを特徴とす
る。

【００１０】ソリッドＣｒめっきの硬度がＨＶ７５０を
越えると初期なじみ性が低下し、ＨＶ４００未満では摩
耗速度が大きすぎるため、初期なじみの充分な時間が得
られない。また、めっき硬度が上記範囲内にあっても、
高いめっき浴温度でめっき処理されたものは耐スカッフ
性が低下するため、めっき浴温度は４０℃以下とする。

【００１１】上記Ｃｒめっきの厚さは、なじみ代として
下限が２μｍ、上限は摩滅した際に合い口が必要以上に
拡大するとブローバイの増加の原因となることから１５
μｍ以下とする。より好ましい範囲は５〜１０μｍであ
る。

【００１２】前記耐摩耗層としてはＨＶ９００以上の硬
度を有する窒化層やＨＶ８００以上の硬度を有するＣｒ
めっきが使用される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
（ａ）に基づいて説明する。

【００１４】ピストンリング１の全表面にＨＶ９００以
上の硬度を有するガス窒化層２が形成されており、外周
摺動面のガス窒化層２上にソリッドＣｒめっき３が被覆
されている。ソリッドＣｒめっき３の硬度はＨＶ４００
〜７５０、厚さは２〜１５μｍの範囲にある。

【００１５】ソリッドＣｒめっき３のＣｒめっき浴組成
とめっき条件を下記に示す。 めっき浴組成 ＣｒＯ₃ ２５０ｇ／ｌ Ｈ₂ ＳＯ₄ １ｇ／ｌ Ｈ₂ ＳｉＦ₆ ５ｇ／ｌ めっき条件 電流密度 ６０Ａ／ｄｍ² めっき浴温度 ２０〜３０℃

【００１６】図１（ｂ）は本発明の別の実施形態を示
す。

【００１７】本実施形態はピストンリング１の外周摺動
面にＨＶ８００以上の硬度を有する硬質Ｃｒめっき４が
形成されており、その硬質Ｃｒめっき４上にソリッドＣ
ｒめっき３が被覆されている。ソリッドＣｒめっき３は
上記実施形態で記載したものと同じである。

【００１８】以下、本発明の効果を確認する試験結果を
説明する。

【００１９】往復動摩擦試験機を使用して摩耗試験とス
カッフ試験を行った。

【００２０】１．摩耗試験 （１）往復動摩擦試験機 図２に往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験
片１０は固定ブロック１１により保持され、上方から油
圧シリンダ１２により下向きの荷重が加えられて、下試
験片１３に押接される。矩形の平盤形状の下試験片１３
は可動ブロック１４により保持され、クランク機構１５
により往復動させられる。１６はロードセルである。

【００２１】（２）試験片 上試験片１０：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼
からなる直径８ｍｍ×長さ２５ｍｍの丸棒の一端にＲ１
８ｍｍの球面加工を施し、その球面上にガス窒化層（硬
度ＨＶ１１００）を形成し、そのガス窒化層上に表１に
示すＣｒめっきを施した。 下試験片１３：長さ７０ｍｍ×幅１７ｍｍ×高さ１４ｍ
ｍの平板で材質は鋳鉄材（ＦＣ２５０）

【００２２】 比較例２〜４のチャンネル形ポーラスＣｒめっきは、め
っき工程後、ソリッドＣｒめっきに逆電処理を施し、表
面をポーラス化した。

【００２３】（３）試験条件 ５ｋｇ×３００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ 潤滑油：１０Ｗ

【００２４】（４）試験結果 図３（ａ）に示す。図３（ａ）の試験結果から、比較例
１の硬質Ｃｒめっきと、硬質Ｃｒめっきと同程度の硬度
を有している比較例２のチャンネル形ポーラスＣｒめっ
きは、耐摩耗性が高すぎて初期なじみ性が劣ることがわ
かる。一方、実施例のソリッドＣｒめっきと同程度の硬
度とした比較例３，４のチャンネル形ポーラスＣｒめっ
きは、摩耗速度が早すぎる。これらに対して、実施例の
ソリッドＣｒめっきと同程度の硬度を有している比較例
５のソリッドＣｒめっきと実施例のソリッドＣｒめっき
は、硬質Ｃｒめっきの２〜５倍の摩耗速度を有してお
り、初期なじみ性の点で良好な結果を示している。

【００２５】２．スカッフ試験 （１）往復動摩擦試験機上記摩耗試験で説明したものと
同じである。

【００２６】（２）試験片 上記摩耗試験で説明したものと同じである。

【００２７】（３）試験条件 速度：１００ｃｐｍ 荷重：初期２ｋｇから２ｋｇ／ｍｉｎずつステップアッ
プ 潤滑油：軽油相当粘度軸受油一塗り

【００２８】（４）試験結果 図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の試験結果から、比較例
２〜４のチャンネル形ポーラスＣｒめっきおよび実施例
のソリッドＣｒめっきは硬質Ｃｒめっき以上の耐スカッ
フ性を有していることがわかる。しかしながら、比較例
５のソリッドＣｒめっき（めっき浴温度８０℃）は耐ス
カッフ性が低いことがわかる。すなわち、実施例のソリ
ッドＣｒめっきと同程度の硬度を有していても、めっき
浴温度が高いと、耐スカッフ性は低下することがわか
る。

【００２９】次に、実機試験を行った結果を説明する。

【００３０】（１）供試ピストンリング 比較例１：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形
成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の比較例１に示
す硬質Ｃｒめっきを被覆した。 比較例６：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形
成した。 実施例１：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形
成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の実施例１に示
すソリッドＣｒめっきを被覆した。

【００３１】（２）試験条件 φ８１ｍｍ直列４気筒ガソリンエンジンを使用し、６０
００ｒｐｍ×全負荷の条件で、初期の潤滑油消費量試験
を行った。

【００３２】（３）試験結果 図４に示す。図４の試験結果から、実施例のソリッドＣ
ｒめっきは窒化層や硬質Ｃｒめっきよりも初期の潤滑油
消費量が少なく、初期なじみ性が優れていることがわか
る。

【００３３】次に、疲労試験を行った結果を説明する。

【００３４】（１）供試ピストンリング（径：φ８１ｍ
ｍ） 比較例３：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形
成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の比較例３に示
すチャンネル形ポーラスＣｒめっきを被覆した。 実施例１：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形
成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の実施例１に示
すソリッドＣｒめっきを被覆した。

【００３５】（２）試験条件 疲労試験機により、大気中でピストンリングの合い口の
開閉を繰り返す。 振幅：３ｍｍ 速度：１８００ｃｐｍ

【００３６】（３）試験結果 図５に示す。図５の試験結果から、実施例のソリッドＣ
ｒめっきは疲労強度が優れていることがわかる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明のピストンリ
ングによれば、耐摩耗性に優れ、かつ、初期なじみ性と
耐スカッフ性が優れているとともに、耐疲労性も優れて
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施形態を示す縦断面図、
（ｂ）は本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。

【図２】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。

【図３】（ａ）は摩耗試験結果を示すグラフ、（ｂ）は
スカッフ試験結果を示すグラフである。

【図４】実機試験結果を示すグラフである。

【図５】疲労試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ピストンリング ２ ガス窒化層 ３ ソリッドＣｒめっき ４ 硬質Ｃｒめっき １０ 上試験片 １１ 固定ブロック １２ 油圧シリンダ １３ 下試験片 １４ 可動ブロック １５ クランク機構 １６ ロードセル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周摺動面に耐摩耗層を形成し、その上
   にＣｒめっきを被覆したピストンリングにおいて、 前記Ｃｒめっきが、めっき浴温度４０℃以下でめっき処
   理されたソリッドＣｒめっきで、硬度がＨＶ４００〜７
   ５０の範囲にあることを特徴とするピストンリング。
2. 【請求項２】前記Ｃｒめっきの厚さが２〜１５μｍの範
   囲にあることを特徴とする請求項１記載のピストンリン
   グ。
3. 【請求項３】 前記耐摩耗層が窒化層であることを特徴
   とする請求項１または２記載のピストンリング。
4. 【請求項４】 前記耐摩耗層がＨＶ８００以上の硬度を
   有するＣｒめっきであることを特徴とする請求項１また
   は２記載のピストンリング。
5. 【請求項５】 外周摺動面に耐摩耗層を形成し、その上
   にＣｒめっきを被覆したピストンリングの製造方法にお
   いて、 前記Ｃｒめっきが４０℃以下のめっき浴温度でめっき処
   理されることを特徴とするピストンリングの製造方法。