JPS5996295A - 内燃機関用ピストンリング - 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】 この発明は耐摩耗性の表面処理をされた高速で摺動する
部品に係る。

例えばシリンダまたはシリンダライチと高速で摺動する
ピストンリングは耐摩耗性を高めるため外周摺動面に硬
質クロムめっきを施したものが広く使用されているが、
このめっき処理にかなりの長時間を要する上に、めっき
の廃液による公害発生の防止対策に多くの費用を要し、
めっきのコストが高くなる等の問題点がある。

硬質クロムめっき以外の表面処理としては元素周期律表
中の８Ａ属に属する鉄、コバルトまたはニッケル中に炭
化珪素のような硬質粒子を分散させた分散めっきや、初
期なじみ性が良好なモリブデン溶射が既に採用されてい
るが、高鉛ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに使
用した場合にはピストンリングの摩耗が多く、エンジン
の次期オーバホールまでの期間、いわゆる解放期間が短
くなるという欠点がある。

本発明は従来の表面処理の施された摺動部品よシも一層
耐摩耗性の優れた耐摩耗性摺動部品を提供することを目
的とし、 鉄鋼製摺動部品のすくなくとも摺動面に２〜１０％の燐
を含有するニッケルめっき層が形成され、該ニッケルめ
っき層中に平均粒径０．５〜５ミクロンの窒化珪素粒子
が容積比で５〜３０％分散しておシ、かつ該ニッケルめ
っき層が硬化熱処理を施されマイクロビッカース硬さ８
００以上であることを特徴とする耐摩耗性摺動部品に係
る。

めっきを施す摺動部品母材としては通例ピストンリング
等の摺動部品の材料として使用される鉄鋼材料、すなわ
ち鏝鉄、鋼、鉄基焼結合金あるいきを施すのには窒化珪
素粒子を懸濁さぜたニッケル・次亜燐酸塩浴中で化学め
っきを施すいわゆる無電解法または窒化珪素粒子を懸濁
させた通常のニッケルめっき液に次亜燐酸塩を添加した
液をめっき液とし、めっきしようとする部品を陰極とし
、ニッケル板またはボールを陽極として電気めっきを施
す方法のいずれでもよい。含燐ニッケルめっき層は熱処
理を施すことによって硬さが増加することが知られてお
シ、例えば４００℃、１時間の熱処理によってビッカー
ス硬さＨ，ｖ　５００±５０程度の硬さがほぼＨｖ１０
００程度まで硬化する。

本発明においてはこのように熱処理を施し、めっき層を
硬化させて使用する。

窒化珪素分散めっきを施すに当シ、無電解ニッケルめっ
きの場合はめつき層の密着性が良好なのでニッケルスト
ライクめっきは不要である。しかしながら電気めっきの
場合には予めニッケルストライクめっきを施しておくこ
とは母材との密着性を良好にするために好ましい。

径 本発明に使用する窒化珪素粒子の平均粒２は０．５〜５
μｍの大きさで最大粒子径が１０μｍ以下のものが好適
であシ、これが０．５μｍ以下では耐摩耗性改善の効果
が不充分であシ、５μｍよシも粗くなるとめつき層が跪
くなシ、摺動中に欠けおちるのが多くなる。

めっき層中の窒化珪素粒子の量は容積比で５〜３０％が
適当であシ、これが５％より少ないと耐摩耗性改善の効
果が不充分であ、９．３０％を越えると摺動相手材を摩
耗させることが多くなる上に、含燐ニッケルめっき層の
強度も低下する。

第１図は本発明に係る摺動部品表面近くの断面の顕微鏡
組織を示す写真（２００倍）であシ、図中最下部の層α
）は母材、中間の薄黒色のほぼ無地の層（２）は下地の
ニッケルストライク層、その上の表面層（３）が窒化珪
素粒子分散含燐ニッケルめっき層であシ、熱処理によシ
硬化した含燐ニッケルめっき層中に窒化珪素粒子が分散
した組織となっているので耐摩耗性が著しく改善される
。上記の表層の窒化珪素分散含燐ニッケルめっき層の厚
さと、もしニッケルストライクめっきを施す場合にはそ
の厚さとはいずれも機械的強度の観点から５μｍ以上で
あることが望ましい。

次に本発明に係る摺動面の摩耗試験および焼焙試験につ
いて説明する。試１験は第２図葛よび第３図に要部を図
解的に示すライダ一方式摩耗試験機によって行なった。

その概要を述べればステータホルダ１にＦｅ１２製で摺
動面２がホーニング仕上げされた円板３が取外し可能に
取付けられており、その中央には裏側から注油孔４を通
して潤滑油が注油されるようにしてあシ、図示しない油
圧装置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である。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
付孔にそれぞれ試験片７が取付けられ、それぞれ所定の
表面処理が施された試験片の５×５ｒｍｎ角の先端端面
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。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。

摩耗試験は一定の押圧力の下でロータ５を回転させ、試
１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の摩耗分によって耐摩耗性
を評価する。

またロータ５を回転させると試験片７と円板３との応擦
によってステータホルダ１には図示のようにトルクＦを
生ずるのでスピンドル８を介シてロードセル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、トルクＦが急徴に上昇したときに焼焙が生じたと
して、そのときの押圧力（面圧）をもって耐焼焙性を評
価する焼焙試験を行なうこともできる。

ビ）摩耗試験：　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Ｓ　Ａ　Ｅ扁３
０にダスｌ−（Ｊ　Ｉ　Ｓ　２種）を０．２　？／Ａ添
加した温度８０℃の油を用いて、注油孔４から供給し、
ステータボルダ１にはロータ側に向けて−となるまでロ
ータ５を回転させた。

試験片７の端面の表面処理としては本発明に係る分散含
燐ニッケルめっき層厚さ１２０μｍを形成し、平均粒径
１μｍの窒化珪素粒子を容積比で２５％均一に分散させ
、４００℃×１時間の硬化熱処理を施してＨＭＶ　８０
０〜１．０００としたもので、電気めっき法、無電解法
とも同程度の硬さであった。成績は第３図において符号
Ｆ（電気めっき法）、符号Ｇ（無電解法）で示しである
。

対比材として窒化珪素が分散されていない含燐ニッケル
めっきの無電解カニゼン（符号Ａ）、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（符号Ｂ）、耐摩
耗性、耐スカツフ性が注目されているモリブデン溶射（
符号Ｃ）、平均粒径１μｍの炭化珪素粒子が均一に分散
されたニッケルめっき（符号Ｄ）および同じく炭化珪素
分散含燐ニッケル無１３解めっき（符号Ｅ）を施した試
験片についても同様に試験を行なった。

試験結果は第４図（図中３．５はそれぞれ摩擦速度を示
す）に示しであるとおシで、ロータの摩耗量は摩擦距離
１１００Ｋ当シの試験片４本のめつけ摩耗痕の断面積で
示しである。

本発明に係る窒化珪素分散含燐ニッケルめっき層（符号
Ｆ、Ｇ）を有する試験片およびステータは摩耗量が最も
少なく、また炭化珪素を分散させだ含燐ニッケルめっき
の試験片ＥＫ比しても明らかに優れた耐摩耗性を有する
ことが判る。

に）焼焙試験：　潤滑油は摩耗試験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
　ｋｙｌｃｔＡ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ｓ　ｏ　ｋ
ｙｌｃｔＡとして３分間回転させ、このようにして順次
押圧力を１０　ｋｙｌｃｔＡづ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、急激にトルクの増加したときの押
圧力から接触面圧を求めて焼付発生面圧とした。本発明
に係る試験片としてはげ）摩耗試験におけると同じ処理
を施したものを用い、また対比のだめ同様ビ）摩耗試験
の対比材と同じ処理を施した試験片について試験を行な
った。

なお試験は２回行ない、その結果は第１表に示すとおシ
である。

本発明に係る窒化珪素分散含燐ニッケルめっきを施した
試験片は初期なじみ性質が良好であることが周知のモリ
ブデン溶射品と同等かそれ以上の成績を示し、窒化珪素
の代）に炭化珪素を分散させた含燐ニッケルめっき層を
有する試験片ＣＥ）よシも顕著に優れた耐焼焙性を示し
ている。

ぐ→ベンチテスト：　次にピストンリングについて実施
例およびベンチテスト成績を述べる。

７７Ｘ１．２Ｘ３．２ｍ鋼製第一圧力リングおよび７７
Ｘ０．６１Ｘ２．３圓鋼製組合せ油掻きリングのレール
外周面にまず通例のニッケルストライクめっき方法で厚
さ１０μｍのニッケルめっき層を形成させておき、次に
スルファミン酸ニッケル４５０グ／　’　％塩化ニッケ
ル３ｏｔ／ｐ、硼酸３０ｆ／／ｌ、次亜燐酸ナトリウム
２１／１＋　から成るベースめっき液に平均粒径１μｍ
（最大粒径５μｍ）窒化珪素粒子を６ｏｙ／ｌ添加し攪
拌しなから液温５０〜５３℃、ｐＨ４，５の浴中で、電
流密度８　Ａ／　ｄｍ’としてニッケルストライク層の
上に厚さ１２０μｍの窒化珪素分散含燐ニッケルめっき
層を電気めっき法で形成させた。該めっき層中の窒化珪
素粒子の量は容積比で２５％であった。

次に４００℃、１時間加熱して硬化熱処理を施［７、表
面硬さＨＭｖ　８００〜９５０とした。上記電気めっき
法とは別に、硫酸ニッケルｚ５ｔ／ｐ１次亜燐酸プ川・
リウム３０グ／’％−ハク酸１６　！／ｌ、リンゴ酸２
４　ｆ／Ａ　、　ｐＨ４，２、液温９０℃、平均粒径１
μｍ（最大粒径５μｍンの窒化珪素粒子を１．５ｒ／ｊ
ｌ添加しためつき浴を攪拌しながら、その中で前記寸法
と同じ寸法のリングを無電解めっきして厚さ１００μｍ
の窒化珪素分散含鱗ニッケルめっき層を形成させた。

これらのピストンリングをシリンダボア径７７閲、４サ
イクル、直列４気筒水冷エンジンに組付けて、高鉛ガソ
リンを燃料とじ５５００　ｒ、Ｉ）、ｍ、、全負荷、１
００時間の下記のベンチテストαへＣ２）を行な゛い、
ピストンリングの外周摺動面および鋳鉄（Ｆｅ１２）製
シリンダライチ内周面の摩耗量を測定した。比較のため
硬質クロムめっき、モリブデン溶射、炭化珪素分散ニッ
ケルめっき（厚さ１５０μｍ１粒子径および分散量は本
発明の上記例と同程度とした）を施したピストンリング
にっいても同様に試ｊ倹を行なった。

α）第１圧力リングに上記表面処理を施した圧力リング
を、第２圧力リングには７７Ｘ１．５Ｘ３．３工のｒＪ
鉄製リングを、油掻きリングには７７ｘ０．６１ｘ２．
３開のクロムめっきレールを有する組合せリングを使用
した。試験結果は第２表に示すとおりである。

第２表 注ニジリンダライナ摩耗量はいずれも２〜３μｍ（２）
油掻きリングに上記の表面処理を施したリングを使用し
、第１圧カリングはクロムめっきリングを、第２圧カリ
ングは鋳鉄製リング（寸法はいずれも上記Ｕ）の場合に
同じ）を使用して試験を行なった結果は第３表に示すと
おりである。

第３表 上記第２表、第３表から明らかなように比較品のうち摺
動面に炭化珪素分散ニッケルめっき層を有するピストン
リングは特に耐摩耗性が優れているが、本発明に係る屋
化珪素分散含燐ニッケルめっき層を有するピストンリン
グはこれよシも摩耗量が少なく、更に優れた耐摩耗性を
有していることが判る。

以１説明したように摺動面に窒化珪素分散含燐ニッケル
めっきを施した本発明に係る摺動部品は炭化珪素分散含
燐ニッケルめっきまたはその他の耐摩耗性表面処理を施
した摺動部品に比して高鉛ガソリンを燃料とするエンジ
ンのピストンリング用として優れた耐摩耗性を示し、エ
ンジンの解放期間を顕著に延長することができる。また
その他の高速で摺動する摺動部品に適用して自己の寿命
ならず、相手摺動部品の寿命を長くせることができ、広
い適用範囲において工業上の効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る摺動部品断面の顕微鏡組織を示す
写真、第２図は摩耗試験機の一部破砕側面図、第３図は
同じく第２図ＩＩＦ−１矢視正面図、箒４図は摩耗試験
結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鉄鋼製摺動部品のすくなくとも摺動面に２〜１０重量％
   の燐を含有するニッケルめっき層が形成され、該ニッケ
   ルめっき層中に平均粒径０，５〜５ミクロンの窒化珪素
   粒子が容積比で５〜３０％分散しており、かつ該ニッケ
   ルめっき層が硬化熱処理を施されマイクロビッカース硬
   さ８００以上であることを特徴とする耐摩耗性摺動部品