JP2552638B2 - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JP2552638B2 JP62131468A JP13146887A JP2552638B2 JP 2552638 B2 JP2552638 B2 JP 2552638B2 JP 62131468 A JP62131468 A JP 62131468A JP 13146887 A JP13146887 A JP 13146887A JP 2552638 B2 JP2552638 B2 JP 2552638B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は改良されたピストンリングに関し、更に詳し
くは初期運転時の摺動特性を改善した内燃機関用鋼製ピ
ストンリングに関する。
従来技術とその問題点 近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストン
リングに要求される品質が高度になってきている。従
来、内燃機関用ピストンリングにはその耐久性を改善す
る手段として摺動面に硬質クロムめっき処理や溶射処理
あるいは窒化処理等の耐摩耗表面処理が施されている。
これらの表面処理のうちで、特に窒化処理は優れた耐摩
耗特性を示す事から苛酷な運転条件下で使用されるピス
トンリングの表面処理として注目され広く実用に供され
ている。
しかしながら、窒化処理層は耐摩耗特性に優れている
半面、耐焼付特性に関しては硬質クロムめっき層や溶射
層に比べて必ずしも充分であるとは言えず、苛酷な運転
条件での使用に際して異常摩耗を発生することがあり、
尚一層の改善が望まれていた。
この発明は、上記に鑑み、耐摩耗特性に優れていると
同時に、耐焼付特性に優れていて苛酷な使用条件におい
ても良好な摺動特性を示す内燃機関用ピストンリングを
提供することを目的としてなされたものである。
問題点を解決するための手段とその作用 この発明では、上記の目的を達成するピストンリング
として、少なくとも外周摺動面に窒化層が形成され且つ
該窒化層の上に更に厚さが0.5〜20μmの複合分散めっ
き層でなる薄層が形成されている内燃機関用ピストンリ
ングであって、前記複合分散めっき層がコバルト:10〜5
0重量%、燐:2〜10重量%を含有するニッケル合金でな
る基地中に、窒素珪素からなる粒径10μm以下の硬質粒
子を容積比で5〜30%分散させた複合分散ニッケルめっ
き層で該めっき層を熱処理によって硬さをマイクロビッ
カースで600〜800に調質しためっき層である内燃機関用
調製ピストンリングを提供する。
本発明のピストンリングはその基体が鋼材でなり、少
なくともその摺動面には窒化処理が施されて窒化層が形
成され、この窒化層の良好な耐摩耗特性によって耐久寿
命が高められている。それ故、本発明で、ピストンリン
グの基体として使用される鋼材は、良好な耐摩耗特性を
示す窒化処理層を得るに適する鋼材を採用することが望
ましく、0.16〜1.30%C、12〜19%Crを含有する鋼材あ
るいはこれにMo及び/又はVを少量含有させたクロム鋼
が一般に使用される。
これらクロム鋼材は、良好な耐摩耗性窒化層を形成す
るに適する鋼材である。従ってこれらの鋼材で作られ且
つその摺動面に窒化処理が施されたピストンリングは、
それ自体、耐摩耗特性に優れていたものである。
しかしながら、前述の如くで、窒化処理リングは良好
な耐摩耗特性を示すが、耐焼付性に関してはやゝ難があ
り、特に初期運転時において異常摩耗を発生することが
ある。また最近、ニッケル−リンの複合めっきが使用さ
れてきているが、過給機付きの内燃機関等の高速高負荷
の様な苛酷な条件下では、皮膜の剥離発生が起こること
もある。
本発明では、窒化処理リングの上記難点を除去する手
段として、ピストンリングの外周摺動面に形成された耐
摩耗性窒化処理層の上に、更に厚さが0.5〜20μmの複
合分散めっき層でなる薄層(初期ナジミ層)を形成す
る。
ここで、複合分散めっき層とは、燐、コバルトを含む
ニッケル基でなる金属めっき基地中に窒化珪素(Si
3N4)硬質微粒子を分散させためっき層であり、このめ
っき層は耐摩耗性に優れ、特に耐焼付性に関しては、窒
化処理層や硬質クロムめっき層に比べ格段に優れてい
る。
本発明のピストンリングでは、耐摩耗特性の良好な窒
化処理層の上に、極めて薄い複合分散めっき層が形成さ
れていて、この複合分散めっき層により初期のナジミ運
転時に発生し易い焼付け等の異常摩耗の発生が効果的に
防止されている。
複合分散めっき層の厚さは、これが過度に薄いと充分
な初期ナジミ状態が達成される前に複合分散めっき層が
消失してしまい期待する効果が充分に得られなくなる。
本発明では、複合分散めっき層の厚さを0.5μm以上と
することが必要である。
反面、複合分散めっき層の厚さを厚くすることは、処
理コストを上昇させることはもとより、めっき層に剥離
が発生し易くなり、あるいは窒化層の良好な耐摩耗特性
の利用がなされる状態に至るまでの外周摩耗が多くな
り、リング合口隙間の増大が早期に進行しピストンリン
グの気密特性の劣化現象が早期に発生する等の難点があ
る。それ故、本発明では、複合分散めっき層の厚さは20
μm以下とし、好ましくは10μm以下とする。
また、本発明において、複合分散めっき層として、コ
バルト;10〜50重量%、燐;2〜10重量%を含有するニッ
ケル合金でなる基地中に、窒化珪素でなる粒径:10μm
以下の硬質粒子を容積比で5〜30%分散させた複合分散
ニッケルめっき層を採用する場合、該複合分散めっき層
の耐摩耗特性が窒化処理層のそれに近く、従って、初期
摩耗も少なくすることができるので、特に好適である。
ここで、燐の含有はめっき基地の硬度を上げ、耐摩耗
特性向上に有効に作用する。この効果の為には0.2重量
%以上の含有が望ましい。然し、10%を越えて多量に含
有させるとめっき基地を脆弱にするので、10%以下とす
るのがよい。またコバルトの含有は、めっき基地の耐焼
付性、耐摩耗性を高め、皮膜強度を上げる特徴がある。
この効果の為には、10重量%以上が望ましく、50重量%
を越えても、その効果に著しい変化は無く、経済的でな
い。また、窒化珪素(Si3N4)硬質粒子の分散量及び粒
径は、形成するめっき層の厚さとも関係するが、これ
が、過度に多い場合や大きい場合には、めっき層が脆く
なるとともに、摺動相手材の摩耗を増大させるので、本
発明では、分散量については、5〜30容積%の範囲、粒
径については10μm以下とすることが望ましい。また皮
膜の硬さはマイクロビッカースで600〜800がよい。800
以上にすると皮膜が脆くなり、厳しい使用条件下では剥
離し易い。又、800以下の硬さでは、耐焼付性、耐摩耗
性が劣り、効果が充分に発揮されない。
実施例 1)耐焼付性試験 合金鋼SUS440B(C:0.75〜0.95%、Si:1.0%以下、Mn:
1.0%以下、P:0.04%以下、Ni:0.60%以下、Cr:16.0〜1
8.0%、Mo:0.75%以下)に硬質クロムめっき層を形成し
た試料(A)、窒化処理層を形成した試料(B)、コバ
ルトを30%、燐を約5%含有するニッケル基地中に粒径
5μm以下の窒化珪素が容積比で約10%分散する複合分
散ニッケルめっき層を形成した試料(C)、及び燐を約
90%含有する及びニッケル基地中に粒径5μm以下の窒
化珪素が容積比で約10%分散する複合分散ニッケルめっ
き層を形成させた試料(D)を作成し、耐焼付性試験を
行った。
試験装置は第1図及び第2図に要部を図解的に示すも
ので、ステータホルダー1に取り外し可能に取り付けら
れた直径80mmの円板3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。ステータホルダー1には図示
省略した油圧装置によって図において右方に向けて所定
圧力で押し圧力が作用するようにしてある。円板3に相
対向してロータ5があり、図示省略した駆動装置によっ
て所定速度で回転するようにしてある。ロータ5に取り
外し可能に取り付けられた試験片保持具6には5mm角、
高さ10mmの試験片7が同心円上に等間隔に4個取り付け
てある。このような装置に於いてステータホルダー1に
所定の押し圧力をかけ、所定の面圧で円板(相手材)3
と試験片7とが接触するようにしておいて、注油孔4か
ら摺動面に所定給油速度で給油しながらロータ5を回転
させる。この試験装置により、次のような方法で耐焼付
性試験を行った。すなわち、試験片7を円板3に摺動さ
せ一定時間毎にステータホルダー1に作用する圧力を段
階的に増加しながら、試験片7と円板3との間の摩擦に
よってステータホルダー1に生ずるトルク(摩擦力)T
を、第1図のII−II線に沿う矢視側面図である第2図に
示すスピンドル8を介してロードセル9に作用せしめ、
その変化を動歪計10で読む。トルクTが急激に上昇した
とき、焼き付けが生じたものとして、そのときの接触面
圧を以って焼き付け発明面圧とし、その大小をもって耐
焼付性の良否を判断する。
試験条件は次に示す通りである。
摩擦速度:8m/sec 潤滑油 :モータオイル#30 接触面圧:40kg/cmから3分間毎に10kg/cmずつ上昇させ
る。
試験結果は第3図に示す通りである。同図から解るよ
うに、本発明複合分散めっき層を形成した試料(C)は
ニッケル−リン−窒化珪素複合分散めっき層を形成させ
た試料(D)や硬質クロムめっき層を形成させた試料
(A)や窒化処理層を形成した試料(B)に比較して耐
焼付性が大幅に改善されている。
2)耐摩耗性試験 前記の耐焼付性試験において使用したのと同質の鋼材
(SUS440B)に窒化処理を施し厚さ100μmの窒化処理層
を形成させた試料(B−1)、前記試料(B−1)の窒
化処理層の上に、厚さ10μmの硬質クロムめっき層を形
成させた試料(A−1)、前記試料(B−1)の窒化処
理層の上に、コバルトを30%、燐を5%含有するニッケ
ル基地中に粒径3μm以下の窒化珪素を容積比で約10%
分散させ厚さ10μmの複合分散ニッケルめっき層を形成
した試料(C−1)、前記試料(B−1)の窒化処理層
の上に燐を約9%含有するニッケル基地中に粒径3μm
の窒化珪素を容積比で5%分散させた厚さ10μmの複合
分散ニッケめっき層を形成させた試料(D−1)つい
て、前記耐焼付性試験に使用した試験装置により耐摩擦
性試験を行った。試験条件は次の通りである。
摩擦速度:5m/sec 相手材 :シリンダライナ用FC25 接触面圧:100kg/cm 潤滑油 :モータオイル#30+ダスト入り 油温 :80℃ 供給量 :400cc/min 試験結果を第4図に示す。
第4図から明らかな如く、硬質クロムめっき層を形成
させた試料(A−1)の摩耗が一番早く、次にニッケル
−リン−窒化珪素複合分散めっき層を形成させた試料
(D−1)で、本発明複合分散めっき層を形成させた試
料(C−1)の摩耗速度は窒化処理層(B−1)の摩耗
速度に近く、良好な耐摩耗特性を示している。なお、以
上の試験では、鋼材としてSUS440B材を使用したが、鋼
材としては、これに限らず、他の高クロムを含有するク
ロム鋼、例えば1.0〜1.4%C、13〜16%Cr、更にMo及び
Vの一種又は二種を合計で0.2〜1.0%含有するクロム鋼
なども勿論使用可能である。
3)実機試験 次に、呼び径×巾×厚さが81×1.5×3.3mmの鋼製第一
圧力リングに本発明複合分散めっきを施し、ボア径81m
m、4気筒の水冷過給機付きガソリンエンジンに組付
け、7300rpmの回転数で100時間の高速耐久を行い、ピス
トンリング摺動面及び鋳鉄(FC25)製シリンダライナの
内周面の摩耗量及び皮膜剥離やスカッフィングの発生等
の不具合を調べた。
本発明複合分散めっきピストンリングは前記の耐焼付
き試験において使用したと同質の鋼材(SUS440B)に窒
化処理を施し、厚さ100μmの窒化処理層を形成させた
ピストンリングの窒化処理層に上に、コバルトを30%、
燐を5%含有するニッケル基地中に粒径3μm以下の窒
化珪素を容積比で10%分散させた厚さ15μmの複合分散
ニッケルめっき層を施した。又、比較材として、同質の
鋼材(SUS440B)の窒化処理層を100μm形成したままの
もの、その上に硬質クロムめっき層を15μm形成したも
の、燐を約6%含有するニッケル基地中に粒径3μmの
窒化珪素を容積比で10%分散させた厚さ15μmの複合分
散めっき層を形成させたもの及び本発明複合分散めっき
層と燐を約9%含有するものについては硬度がマイクロ
ビッカースで950のものについても行った。試験結果を
表1に示す。
表1からわかる様に、本発明の内燃機関様鋼製ピスト
ンリングは、耐摩耗特性の良好な窒化処理層の上に耐摩
耗性、とりわけ耐焼付特性の良好な複合分散めっき層の
薄層(初期ナジミ層)を形成させているので、運転初期
のナジミ運転期間に発生し易い焼き付きの発生が効果的
に防止され皮膜の剥離もなく、且つ耐久寿命を増大させ
ることができ、産業上の利用価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は耐焼付試験及び耐摩耗試験に使用し
た試験装置の要部を示す図である。 第3図は耐焼付性試験の結果を示すグラフ図で、第4図
は耐摩耗試験の結果を示すグラフ図である。 図中: 1……ステータホルダー、 3……円板(相手材)、 4……注油孔、 5……ロータ、 6……試験片保持具、 7……試験片、 9……ロードセル、 10……動歪計。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも外周摺動面に窒化層が形成され
    且つ該窒化層の上に更に厚さが0.5〜20μmの複合分散
    めっき層でなる薄層が形成されている内燃機関用ピスト
    ンリングであって、前記複合分散めっき層がコバルト:1
    0〜50重量%、燐:2〜10重量%を含有するニッケル合金
    でなる基地中に、窒化珪素からなる粒径10μm以下の硬
    質粒子を容積比で5〜30%分散させた複合分散ニッケル
    めっき層で該めっき層を熱処理によって硬さをマイクロ
    ビッカースで600〜800に調質しためっき層である内燃機
    関用調製ピストンリング。
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