JP2000088102A

JP2000088102A - 耐摩環

Info

Publication number: JP2000088102A
Application number: JP26437798A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Nakamura; 義勝中村; Teruo Takahashi; 輝夫高橋
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ピストンリングへのアルミ凝着の問題、トッ
プリング溝の摩耗を低減し、熱伝導性等の問題を解決す
る耐摩環の提供。【解決手段】耐摩環１０はピストン３とは異種材料で
あり、ピストンリング溝８面全体に固着され、ピストン
リング７を装着する。製造に際し、溶融したアルミニウ
ム−珪素合金を噴霧化し急冷凝固させて粉末を製造す
る。この粉末は押出成形され管状となり、これをベース
に耐摩環が構成される。耐摩環の組成は珪素１５〜４０
重量％、鉄１．０〜１０．０重量％、銅０．５〜５重量
％、マグネシウム０．１〜３．０重量％、ジルコニウ
ム、ニッケル、マンガン及び亜鉛の合計で３重量％未
満、硬質粒子１〜１０重量％、固体潤滑剤１〜１０重量
％、残部アルミニウムであり、硬質粒子、固体潤滑剤の
平均粒径はそれぞれ５μｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩環に関し、特にディ
ーゼルエンジン用及び高出力ガソリンエンジン用の耐摩
環に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のエンジンの軽量化及び放熱性を高
める目的から、アルミニウム合金製のエンジンが一般化
しつつあり、ピストンもアルミニウム合金製としてい
る。一方で、エンジン高出力化の要請に伴い、エンジン
は高温の燃焼温度にさらされ、またピストンリング材に
も厳しい耐摩耗性が要求されている。そのためピストン
リングを装着するためのピストンリング溝は、硬度の高
いピストンリングの端面で叩きを受けるので、通常のア
ルミ合金ではピストンリング溝のへたりや変形が生じる
おそれがある。特にディーゼルエンジンのトップリング
は、燃焼圧が直接作用するので、トップリング溝はピス
トンリングの衝撃の繰り返しでへたり摩耗が生じ、ガス
漏れやオイル漏れが生じると、エンジン出力の低下を来
たすこととなる。

【０００３】この問題を解決するために、ピストンリン
グ溝にピストン材料よりは高強度の材料にて耐摩環を固
着し、ピストンリングを耐摩環により支持する構成が提
案されている。例えば、ディーゼルエンジン用のトップ
リング溝には、ニレジスト合金により構成されるインサ
ート（耐摩環）を鋳ぐるんだピストンが提案されてお
り、この耐摩環によってシリンダ内におけるピストン摺
動時のピストンリング溝の摩耗を防止している。

【０００４】また特開昭５８−９３８３５号公報では、
アルミナ−シリカ繊維を複合化したアルミニウム基ＭＭ
Ｃ材（金属マトリックス複合材）からなる耐摩環が提案
されており、また特開平６−２６４０７９号公報では、
炭素質粉末と金属で被覆した固体潤滑材とアルミニウム
基金属からなる摺動部材が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしニレジスト合金
により耐摩環を構成する場合には、鋳造品であるため材
料費が高くなりかつ歩留まりが悪く加工性も悪く、総合
的にコスト高となっていた。さらに鋳ぐるみ性を向上さ
せるためにアルミナイズ処理が必要不可欠であり、また
鉄合金のため密度が高くなりエンジン性能の低下を招い
ていた。また熱伝導率も今一つ不充分であった。

【０００６】一方特開昭５８−９３８３５号公報に記載
されているように、アルミニウム基ＭＭＣ材により耐摩
環が構成される場合には、近年のディーゼルエンジンの
出力向上とそれに伴うピストンリング溝部の温度上昇に
より、ピストンリング溝とピストンリングとの間で相互
に発生する凝着（アルミ凝着）が生じていた。即ちピス
トンリング溝が高温と叩きとにより軟化してピストンリ
ングの端面に固着することである。この現象は特に、ピ
ストンリングの下面側（燃焼室と対向していない側）で
顕著である。

【０００７】また特開平６−２６４０７９号公報に記載
されている材料では、トップリング溝用の耐摩環として
は耐熱性が十分でなく、また強度も十分ではなかった。

【０００８】そこで本発明は、ピストンリングへのアル
ミ凝着の問題が生じず、トップリング溝の摩耗を低減
し、熱伝導性、加工性等の問題を解決する耐摩環を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、内燃機関のピストンとは異なる材料で形
成され、ピストンリング溝面全体に固着されてシリンダ
ライナに対して摺動するピストンリングを装着する耐摩
環において、組成が、珪素を１５〜４０重量％、鉄を
１．０〜１０．０重量％、銅を０．５〜５重量％、マグ
ネシウムを０．１〜３．０重量％、ジルコニウム、ニッ
ケル、マンガン及び亜鉛の合計が３．０重量％未満、残
部アルミニウムであるアルミニウム合金体からなり、該
アルミニウム合金体は、上記組成からなる溶融したアル
ミニウム合金を急冷凝固させてアルミニウム合金粉末を
製造し、次に該アルミニウム合金粉末を押出成形させる
ことにより製造される耐摩環を提供している。

【００１０】ここで、前記アルミニウム合金粉末には、
炭化珪素及びアルミナからなる硬質粒子の合計が１〜１
０重量％含有され、該炭化珪素、アルミナの平均粒径は
５μｍ以下であるのが好ましい。また、前記アルミニウ
ム合金粉末には、グラファイト、硫化物及びフッ化物か
らなる固体潤滑剤の合計が１〜１０重量％含有され、該
グラファイト、硫化物、フッ化物の平均粒径は５μｍ以
下であるのが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による耐摩環
について図１乃至図３に基づき説明する。

【００１２】図１はディーゼルエンジンの要部を示して
おり、鋳造されたクランクケース２内にシリンダライナ
６を内周面側に圧入したライナ４が設けられ、このシリ
ンダライナ６内にアルミ合金製のピストン３が摺動可能
に案内されている。クランクケース２内でシリンダ胴４
の周りには、シリンダ冷却用ウォータージャケット５が
形成されている。またクランクケース２の上部には、シ
リンダヘッド１が設けられ、ピストン３の上面との間で
燃焼室が画成される。またピストンの上部側には複数の
ピストンリング７が装着されている。

【００１３】図２に示されるように、ピストンリング７
を装着するためのリング溝８が、ピストン３の外周面に
環状に形成されている。リング溝８は上面、下面、底面
からなる断面コの字状をしており、リング溝８にはピス
トンより高強度材料により形成される断面コの字状の耐
摩環１０が固着されている。ピストン３の摺動に伴いピ
ストンリングとリング溝８との間に相対的移動が生じる
が、耐摩環１０によりピストンリング溝の摩耗やへた
り、変形が防止できる。

【００１４】次に耐摩環１０の組成及びその製造方法に
ついて説明する。耐摩環１０の材料は、重量％で次の組
成を有している。珪素１５〜４０％鉄１．０〜１０．０％銅０．５〜５％マグネシウム０．１〜３．０％ジルコニウム、ニッケル、マンガン、亜鉛の合計３．
０％未満アルミニウム残部

【００１５】珪素については、微細な初晶珪素粒子が耐
摩耗性を高める。含有率が１５重量％未満であるとその
効果が認められない。一方、含有率が４０重量％を超え
ると粉末が硬くなり過ぎ、耐摩環の製造過程で後述する
押出成形を行う際に、押出形成性が悪くなる。

【００１６】鉄は、耐熱性を高める効果がある。含有率
が１．０重量％未満ではその効果が認められない。一
方、含有率が１０重量％を超えると高融点成分が増える
ことになり、後述するアルミニウム合金粉末製造の際の
アトマイズ工程における噴霧性を低下させる。

【００１７】銅は、時効硬化性を付与し、機械的強度、
硬度、耐摩耗性を改善する効果がある。含有率が０．５
重量％未満ではその効果は認められない。一方、含有率
が５重量％を超えると強度、伸びが低下する。

【００１８】マグネシウムは、銅とともに時効硬化性を
付与し、機械的強度、硬度、耐摩耗性を改善する効果が
あるが、含有率が０．１重量％未満ではその効果が認め
られない。一方、含有率が３．０重量％を超えると、熱
膨張が増加する。

【００１９】ジルコニウム、ニッケル、マンガン、亜鉛
は、高温強度、熱膨張を改善する効果があるが、これら
の合計の含有率が３．０重量％を超えると、強度、伸び
が低下する。

【００２０】次に耐摩環１０の製造過程について説明す
る。

【００２１】はじめに、アトマイズ法により、アルミニ
ウム−珪素合金の粉末を製造する。一般にアトマイズ法
とは溶解した金属を細いノズルから流出させ、高圧の不
活性ガス雰囲気の室の中に霧状に滴化することをいう。
ガスアトマイズされた金属溶滴が飛行中に急冷凝固する
ことにより、マクロ偏析がなく、微細均一等方性の組
織、微細に析出した組織、低酸素含有量、熱間加工性の
良好な粉末が得られる。

【００２２】本実施の形態においては、アルミニウムマ
トリックス中に初晶珪素が形成され、合金マトリックス
内において、硬質の粒子が細かく分散した分布及び均質
な分布が得られる。

【００２３】具体的には、アトマイズされた溶湯滴は、
高速のガスにより急速に加速され、飛行速度が急激に上
昇し、ついにはガス速度と等しくなり、最高速度は溶湯
滴の径によっても異なるが３０〜１００ｍ／秒となる。
またアトマイズされた粒子はガスによって冷却され、温
度が急激に低下する。この冷却の速度は、１０³Ｋ／Ｓ
以上であり、粒子は固化して粉末状になる。この粉末状
のものは、珪素の含有率の高いアルミ合金であり、初晶
珪素をはじめとする析出物が微細化されたものである。

【００２４】即ち、アトマイズされた溶湯滴は、ガスに
よって急速に冷却され過冷されて、凝固し粉末状とな
る。凝固までの冷却速度は最後まで変化はなく、均一な
微細組織を有する粉末が得られる。特に急冷凝固により
微細な凝固組織が得られ、析出物の微細化、均一化が達
成される。また偏析が低減されるとともに、非晶質相、
過飽和固溶体等の準安定相が出現するという効果があ
る。

【００２５】アトマイズ後には、得られた粉末を押出成
形法によって管状に成形する。この押出成形法は、管状
等の形状の製品を成形する際に、極めて有効な方法であ
る。

【００２６】ここで、押出成形を行う前に、必要に応じ
て硬質粒子又は個体潤滑剤の粒子を粉末に添加し混合わ
せる。硬質粒子、固体潤滑剤はそれぞれ、粒子の平均粒
径が５μｍ以下のものであり、粉末中で含有率がそれぞ
れ１〜１０重量％となる量だけ添加される。硬質粒子は
耐摩耗性に効果があるが、含有率が１重量％未満では効
果がなく、一方、含有率が１０重量％を超えると加工性
が悪化する。硬質粒子の平均粒径が５μｍを超えると、
耐摩環として使用された際に、相手材であるピストンリ
ングを過度に摩耗させる。固体潤滑剤は、耐摩耗性を向
上させる効果があるが、含有率が１重量％未満では効果
がなく、一方、含有率が１０重量％を超えると強度が低
下する。固体潤滑剤の平均粒径が５μｍを超えると、さ
らに強度が低下する。硬質粒子としては、炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等が挙げられ、また、固
体潤滑剤としては、グラファイト、二硫化モリブデン
（ＭｏＳ₂）、硫化タングステン（ＷＳ₂）、硫化マンガ
ン（ＭｎＳ）等の硫化物、フッ化カルシウム（Ｃａ
Ｆ₂）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）等のフッ化物等が挙
げられる。これらの硬質粒子、固体潤滑剤は、１種類、
若しくは２種類以上添加される。

【００２７】その後、粉末を冷間静水圧プレスで圧縮成
形し、円柱状のコンパクトを作成する。このコンパクト
が、図３に示されるような押出機によって熱間押出成形
に供される。

【００２８】押出機１１は、押出室１３を画成するとと
もに、押出室内には押出棒１４が移動可能に設けられて
いる。押出室１３の開口端には金型１２が配置され、金
型１２を囲むように管状成形部材１６が設けられてい
る。金型１２は円形開口部を画成し、管状成形部材１６
も金型１２の円形開口部と同軸の円形開口部が形成され
ている。押出棒１４内には、それと同軸の断面円形のガ
イド穴１４ａが形成され、ガイド穴１４ａ内には断面円
形のロッド１７が延び、該ロッド１７は、金型１２の円
形開口及び管状成形部材１６の円形開口とも同軸に固定
されている。従ってロッド１７の先端部と管状成形部材
１６の円形開口部とによって管状空間をなす押出口１５
が画成される。押出室１３の断面積とこの押出口１５の
断面積は、押出の断面収縮率が約２０対１となるように
形成されている。

【００２９】押出成形を行っている間、押出室１３内の
温度は、約５００℃の高温に維持されている。この高温
下で押出棒１４が、押出室１３内で図３の矢印の方向に
摺動され、溶融した粉末を押出口１５より押出す。押出
口１５からは、管状に成形され固形化された、ＳｉＣ
（炭化珪素）粒子分散型のアルミ合金基複合材料である
押出材１８が得られる。

【００３０】押出成形後、得られた押出材１８に必要に
応じて鍛造（ハンマリング）を行い、最後に軸方向で所
定幅毎にスライスしてリング状部材を得て、リング溝８
に嵌着させる。嵌着後、ピストン全体を切削機にセット
して、リング溝８に嵌着されたリング状部材に対して環
状溝加工を行うことにより、耐摩環１０が製造される。

【００３１】アトマイズ法による製造方法により耐摩環
を製造し、耐摩環の材料組成を上述のように構成するこ
とにより、ピストンリングへの耐摩環のアルミ凝着を低
減させ、またリング溝特にトップリング溝の摩耗を低減
させることができる。また従来問題となっていた熱伝導
性、加工性を大幅に改善することができる。さらに押出
成形法による製造方法により、粉末から有形固形物を成
形することを容易にしている。

【００３２】次に本実施の形態による耐摩環の試験方法
及び試験結果について図４及び表１に基づき説明する。

【００３３】図４は耐摩環についての試験機１９を示
す。試験機１９は高温弁座摩耗試験機を用いた。耐摩環
１０に対応するピストン側材２１を試験機１９に対して
軸方向に移動不能に固定し、ピストンリング７に対応す
るリング材２０をピストン側材２１に同心に装着し、リ
ング材２０の内周面側にシリンダライナに対応する鋳鉄
製円柱棒２３を軸方向に往復動作させ、ピストン側の摩
耗量（耐摩環材２１の摩耗量）、リング摩耗量（リング
材２０の摩耗量）、リング材へのアルミ凝着性について
試験を行った。試験機１９は加熱するためのヒーター２
２を有しており、実際には燃料の燃焼を行わなくともエ
ンジン内の燃焼時の高温状態を作り出すことができ、耐
摩環の状態変化を試験することができる。

【００３４】試験条件は次のとおりであった。ピストン側材温度３４０℃ 繰返し数１５００回／分ローテーション３．０ｒｐｍ面圧２０ｋｇ／ｃｍ² 試験時間１０Ｈｒなお、ローテーションとはリング材の回転数のことであ
る。

【００３５】試験片としては本発明によるピストン側材
２１として、組成を表１のように異ならせた本発明材１
乃至５を用意した。比較材１は表１の組成を有するアル
ミニウム鋳造引抜き材であり、比較材２はアルミニウム
材（ＪＩＳＡＣ８Ａ）、比較材３はアルミニウム材（Ｊ
ＩＳＡＣ８Ａ）をアルマイト処理したもの、比較材４は
ニレジストから構成されるものである。

【００３６】一方リング材２０としては、リング材１乃
至３の３種を用意した。リング材１はＦＣＤを母材とし
て、外周面をクロムでメッキしたもの、リング材２は珪
素−クロム鋼を母材として、外周面をクロムでメッキし
たもの、リング材３は１７クロムステンレス鋼をガス窒
化したものである。なお、ＦＣＤとは、球状黒鉛鋳鉄品
のことであり、ＪＩＳＧ５５０２に規定されるもの
である。また表１において、アルミ凝着の欄のＡは「ア
ルミ凝着なし且つ表面状態良好」を意味し、Ｂは「アル
ミ凝着なし」を意味する。又Ｃは「アルミ凝着あり」を
意味する。

【００３７】

【表１】

【００３８】試験結果は表１に示されるとおりであり、
珪素、鉄、銅、マグネシウム、ジルコニウム、ニッケ
ル、マンガン、亜鉛、アルミニウムの比率が本発明の重
量％に収まっている本発明材１乃至５の場合には、ピス
トン側摩耗、リング側摩耗、アルミ凝着のいずれをとっ
ても試験結果は良好であった。ピストン側摩耗について
はリング材１〜３のどの場合でも２．０〜５．０ｍｇの
範囲に収まっており、比較材１〜４を試験した場合のピ
ストン側摩耗の範囲である６．８〜２３．０ｍｇを大き
く下回っていることが判る。また、硬質粒子、固体潤滑
剤が添加されている本発明材２〜４は、これらが添加さ
れていない本発明材１よりも、ピストン側摩耗がさらに
少ないことが判る。リング材摩耗についても本発明材で
は、５．０〜１０．５ｍｇであるのに対して、比較材１
〜４では４．８〜１５．０ｍｇとばらつきが大きく、本
発明による耐摩環がピストンリング７の摩耗の改善にも
寄与していることが判る。

【００３９】更に、アルミ凝着は、本発明による耐摩環
の場合には全く生じなかった。一方比較材については、
比較材１及び２ではアルミ凝着が生じており、また比較
材３ではアルミ凝着は生じないものの、耐摩環及びピス
トンリング表面の状態は良好ではなかった。

【００４０】以上の試験結果から、本発明による耐摩環
はピストン側摩耗性、リング側摩耗性及びアルミ凝着の
どの特性をとっても良好であることが判明した。

【００４１】本発明は上述した実施の形態に限定され
ず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変形が可
能である。例えば、上述した実施の形態では、押出成形
後、得られた押出材に必要に応じて鍛造（ハンマリン
グ）を行い、軸方向で所定幅毎にスライスしてリング状
部材を得たが、押出形成後にＴ６（焼入後焼もどし処
理）等の時効硬化処理を加えてもよい。

【００４２】

【発明の効果】請求項１記載の耐摩環によれば、耐摩環
自体の耐摩耗性が向上するばかりか、ピストンリング自
体の摩耗量を低下させ、またアルミ凝着の発生を防止す
ることができる。また、溶融したアルミニウム合金を１
０³Ｋ／Ｓ以上の速度で急冷凝固することができ、この
急冷凝固により耐摩環用の合金粉末を形成するので、微
細均一等方性の組織、微細に析出した組織、低酸素含有
量、熱間加工性の良好な合金組織が得られる。得られた
良好な合金組織を有する粉末を押出形成し、耐摩環とし
て使用することにより、工程の簡素化等の改善を図るこ
とができる。また、押出形成により、アルミニウム合金
粉末を容易に固形化できる。

【００４３】請求項２記載の耐摩環によれば、硬質粒子
を粉末に混ぜて押出形成することにより耐摩環を製造す
るため、より耐摩耗性に優れた耐摩環とすることができ
る。

【００４４】請求項３記載の耐摩環によれば、固体潤滑
剤を粉末に混ぜて押出形成することにより耐摩環を製造
するため、より耐摩耗性に優れた耐摩環とすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による耐摩環が固着された
内燃機関を示す断面図。

【図２】本発明の実施の形態による耐摩環を備えたピス
トンの一部断面図。

【図３】本発明の実施の形態による耐摩環を製造する過
程で行われる押出成形機を示す断面図。

【図４】本発明の実施の形態による耐摩環の特性試験を
行う試験機を示す斜視図。

【符号の説明】

３ピストン６シリンダライナ７ピストンリング１０耐摩環

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２２Ｆ 5/12 Ｂ２２Ｆ 9/08 Ａ 5/00 Ｃ２２Ｃ 1/04 Ｃ 9/08 1/05 Ｃ２２Ｃ 1/04 1/10 Ｊ 1/05 21/00 Ｅ 1/10 21/02 21/00 Ｆ０２Ｆ 5/00 Ｅ 21/02 Ｂ２２Ｆ 5/00 ＢＦ０２Ｆ 5/00 ＧＦターム(参考） 3J044 AA02 AA08 AA18 BA04 BB14 BC03 CA07 DA09 EA01 EA10 4E029 AA02 AA07 AC02 CA03 EA02 4K017 AA04 BA01 BB13 BB15 BB16 EB01 4K018 AA16 AB01 AB02 AB05 AB07 AC01 BA08 BA20 BB04 EA32 KA09 4K020 AA22 AA23 AA27 AC01 BB24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関のピストンとは異なる材料で形
成され、ピストンリング溝面全体に固着されてシリンダ
ライナに対して摺動するピストンリングを装着する耐摩
環において、組成が、珪素を１５〜４０重量％、鉄を１．０〜１０．
０重量％、銅を０．５〜５重量％、マグネシウムを０．
１〜３．０重量％、ジルコニウム、ニッケル、マンガン
及び亜鉛の合計が３．０重量％未満、残部アルミニウム
であるアルミニウム合金体からなり、該アルミニウム合金体は、上記組成からなる溶融したア
ルミニウム合金を急冷凝固させてアルミニウム合金粉末
を製造し、次に該アルミニウム合金粉末を押出成形させ
ることにより製造されることを特徴とする耐摩環。
【請求項２】前記アルミニウム合金粉末には、炭化珪
素及びアルミナからなる硬質粒子の合計が１〜１０重量
％含有され、該炭化珪素、アルミナの平均粒径は５μｍ
以下であることを特徴とする請求項１記載の耐摩環。
【請求項３】前記アルミニウム合金粉末には、グラフ
ァイト、硫化物及びフッ化物からなる固体潤滑剤の合計
が１〜１０重量％含有され、該グラファイト、硫化物、
フッ化物の平均粒径は５μｍ以下であることを特徴とす
る請求項１又は２記載の耐摩環。