JP5222650B2

JP5222650B2 - ピストンリング

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Publication number: JP5222650B2
Application number: JP2008191764A
Authority: JP
Inventors: 智孝仮屋; 悦夫為貝; 裕三石川; 誠 ▲つる▼田
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; STT Inc
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; STT Inc
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: CN101429904A; JP2009074539A; CN101429904B

Description

本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関し、特に、ピストンリングへのアルミニウム凝着（溶着）現象を効果的に防止しうるピストンリングに関する。

一般に往復動のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。

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益々高まってきている。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窒化処理やイオンプレーティング処理あるいは硬質クロムめっき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性を示すことから苛酷な運転条件の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利用に供されている。

しかしながら、窒化処理層を形成したピストンリングは耐摩耗性には優れているものの、アルミ合金製ピストンに装着した場合、ピストンのリング溝摩耗が増大する傾向があった。また、ピストンのリング溝摩耗に起因して、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ピストンリング１の下面３にアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１のアルミニウムが凝着するアルミ凝着が生ずる（図１（ｃ））。

図２（ａ）〜（ｃ）にピストンのリング溝の上面２および下面３の表面状態の変化の様子を現わす触針式表面粗さ試験機によるチャートを示す。図２に示すように、ピストンのリング溝の上面２および下面３の表面状態は、正常状態（図２（ａ））から、ピストン溝荒れ状態（図２（ｂ））、アルミ凝着状態（図２（ｃ））へと変化する。

なお、図２（ａ）〜（ｃ）いずれにおいても、横軸はピストンの位置を示しており、縦軸はピストン溝のうねりを示している。図中の（Ｆ）はフロント方向、（ＡＴ）はアンチスラスト方向、（Ｒ）はリア方向、（Ｔ）はスラスト方向を示している。

また、図３（ａ）〜（ｃ）は、アルミ凝着メカニズムを示し、ピストンリング１の下面３とアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１とが、双方の表面にそれぞれ形成された酸化膜８（０．２μｍ以下）を介して接触し（図３（ａ））、次いで、接触部分の酸化膜８の応力が局部的に高くなり酸化膜８が破壊されて、ピストンリング１の下面３のＦｅとアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１のＡｌとが接合され（図３（ｂ））、アルミニウム合金２０がピストンリング１の下面３に溶着する（図３（ｃ））。なお、アルミ凝着部分の拡大図を図４に示す。図４において、２０は凝着したアルミニウムを示し、２１はＡｌとＦｅとの接合部を示す。

上述したように、ピストンリングの上下運動に伴い、ピストンの溝の一定部分にこの溶着現象に起因する局部的摩耗（ピストン溝荒れともいう。）が発生すると、内燃機関はブローバイガスの吹き抜けによりシール性が低下し、出力が低下する。この現象はピストンのリング溝の下側に短時間で発生し、内燃機関の耐久性に大きな影響を与えるため、従来から多くのピストン溝摩耗対策が提案されている。

例えば、ピストン溝摩耗対策として、ピストンとピストンリングとの直接接触を防止するため、ピストンへの対策としては陽極酸化皮膜処理、メッキ処理あるいはマトリックス強化処理（ピストン中）を施し、またピストンリングへの対策としては、リン酸塩皮膜処理、メッキ処理を施したり、あるいは図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ピストン１０とピストンリング１の表面に樹脂コーティング処理８（例えば、デフリック（（株）川邑研究所製コーティング処理）を施したりしている。

また、前記問題を解消するために、ピストンリングの上面および下面、または下面に、窒化層またはクロムメッキ層等の耐摩耗性処理層を形成し、かつ該耐摩耗性処理層の表面に固体潤滑剤を含有するポリベンゾイミダゾール樹脂皮膜を形成したピストンリングを開発している（特許文献１参照）。

さらに、本願出願人以外にあっても、固体潤滑剤を含有する耐熱樹脂によりその表面が被覆されたピストンリングが開発されている（例えば、特許文献２、３参照）
特開平０７−０６３２６６号公報特開平１０−２４６１４９号公報特開平１１−２４６８２３号公報

しかしながら、上述した従来のピストン溝摩耗対策は、ピストン使用時の初期段階におけるアルミニウム凝着防止の効果はあるものの、中、長期的な寿命が不充分であり、さらなる耐久性の向上が望まれている。

より具体的には、例えば、前記特許文献１には、ポリベンゾイミダゾール樹脂と固体潤滑剤（グラファイトやＭｏＳ₂）とからなる表面皮膜が開示されているが、ポリベンゾイミダゾール樹脂は皮膜形成の際、液状樹脂が酸化しやすく、経時変化による劣化があり使用に注意を要する。また、長期間にわたって品質を安定させることが困難な場合がある。

また、前記特許文献２には、ポリアミドイミド樹脂やポリイミド樹脂と固体潤滑剤（グラファイト、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、ポリテトラフルオロエチレン）とからなる表面皮膜が開示されているが、このような表面皮膜では、アルミ凝着を十分に防止することはできず、またコスト高が問題となる。

さらに、前記特許文献３には、ポリアミドイミド樹脂やポリイミド樹脂と固体潤滑剤としてのＭｏＳ₂と酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）とからなる表面皮膜が開示されているが、やはりこのような皮膜ではアルミ凝着を十分に防止することができず、また、酸化アンチモンは環境に有害であり、使用することは好ましくない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性を向上させ、かつ、ピストンリングへのアルミニウム凝着現象を効果的に防止し、さらには表面皮膜のピストンリング本体からの剥離を効果的に防止しうるピストンリングを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本願第一の発明は、ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリングの上面と下面の両方に形成される表面皮膜とからなるピストンリングであって、前記表面皮膜は、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された金属粉末とからなる最表面層と、前記ピストンリング本体の最も近くに配置され、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された金属粉末とからなるからなる基底層と、を少なくとも有し、前記最表面層、及び前記基底層に含有される金属粉末が、銅（Ｃｕ）系粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末、ニッケル合金粉末、鉛（Ｐｂ）系粉末、スズ（Ｓｎ）系粉末または珪素（Ｓｉ）系粉末のいずれかであり、前記最表面層、及び前記基底層を構成する耐熱樹脂には、さらに自己潤滑性金属が含有されており、前記最表面層、及び前記基底層に含有される自己潤滑性金属が、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、またはグラファイトのいずれかであり、前記基底層全体に対し、前記基底層に含有される前記金属粉末の含有率が４０質量％以下であり、かつ前記基底層に含有される自己潤滑性金属の含有率が５質量％以下であり、前記最表面層全体に対し、前記最表面層に含有される前記金属粉末の含有率が４０〜８０質量％であり、かつ前記最表面層に含有される自己潤滑性金属の含有率が２〜１０質量％であり、前記基底層に含有される前記金属粉末、及び自己潤滑性金属の平均粒径が５μｍ以下であり、前記最表面層に含有される前記金属粉末、及び自己潤滑性金属の平均粒径が５〜４０μｍであり、前記最表面層、及び前記基底層に含有される前記金属粉末の形状は鱗片状であり、該鱗片状の金属粉末は、前記表面皮膜の厚み方向に重なるように配置されていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するための本願第二の発明は、ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリングの上面と下面の両方に形成される表面皮膜とからなるピストンリングであって、前記表面皮膜は、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された金属粉末とからなる最表面層と、前記ピストンリング本体の最も近くに配置され、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された金属粉末とからなる基底層と、を少なくとも有し、前記基底層に含有される金属粉末の含有率が、前記最表面層に含有される金属粉末の含有率と比較して少ないことを特徴とする。

また、前記耐熱樹脂がポリアミドイミド樹脂、又はポリイミド樹脂であってもよい。

本願第一の発明によれば、ピストンリングの上面または下面の一方、または双方に、耐熱樹脂と耐熱樹脂中に含有された金属粉末とからなる最表面層を形成することにより、表面皮膜に耐摩耗性付与させるとともにアルミニウム合金製ピストンのリング溝の一部が剥離してピストンリングに付着することを防止することができ、耐熱樹脂からなる基底層により、該基底層を介して最表面層とピストンリング母材とを強固に密着させることで、表面皮膜がピストンリング本体から剥離することを防止することができる。

また、本願第二の発明によれば、基底層に含有される金属粉末の含有率を最表面層に含有される金属粉末の含有率に対して少なくすることで、ピストンリング本体と表面皮膜との密着性についても維持することができ表面皮膜がピストンリング本体から剥離することを防止することができる。さらに、最表面層が摩耗によってなくなり基底層が露出した場合であっても、基底層の耐摩耗性効果により表面皮膜の耐摩耗性を維持することができる。

前述したピストンリング溝摩耗対策、言い換えればアルミ凝着防止策（従来技術の欄参照）にあっては、ピストンリング本体の表面に潤滑性を付与する目的で固体潤滑剤を含有する表面皮膜を形成しているのに対し、本発明は、固体潤滑剤ではなく金属粉末を含有する表面皮膜を形成している点に特徴を有している。

従来は、ピストンリング溝の摩耗をできるだけ少なくするための方策として、ピストンリングの表面の潤滑性を向上せしめることに着目している。このことは、ピストンリングの表面の潤滑性を向上すれば、その分だけピストンリングのピストンリング溝に対する攻撃性を低減することができ、その結果ピストンリング溝の摩耗を防止することができるだろう。

しかしながら、この方策では、潤滑性に寄与する表面皮膜が十分に存在している初期段階では問題は生じないが、長時間が経過した後にあっては、表面皮膜自体が摩耗し剥離する可能性が高く、摩耗や剥離した後には、もはや潤滑性がなくなり、露出したピストンリング本体によりピストンリング溝の摩耗が発生してしまうこととなる。

本願発明者はこの問題に着目し、当該問題を解決するために、表面皮膜を構成する耐熱樹脂により潤滑性を確保するとともに、当該耐熱樹脂による潤滑性をより長時間保持するために、表面皮膜を構成する最表面層中に金属粉末を分散配合せしめ、当該金属粉末により表面皮膜に耐摩耗性を付与することを想到し、さらには耐熱樹脂からなる基底層を設けることで、ピストンリング本体と最表面層とを接合する基底層に密着性を付与することを想到したものである。つまり、本発明は、従来とは着想を異にしており、本発明における最表面層に含有される金属粉末は、表面皮膜を構成する最表面層に耐摩耗性を付与することを主たる役割とし、基底層を構成する耐熱樹脂は、基底層に密着性を付与することを主たる役割としているのである。

このような本発明によれば、表面皮膜を構成する最表面層の耐熱樹脂によりピストンリングの表面に潤滑性を付与することができるとともに、金属粉末によりピストンリング表面に形成された表面皮膜に耐摩耗性を付与し、さらに表面皮膜を構成する基底層の耐熱樹脂により基底層に密着性を付与することで、初期摩耗を抑制し、長時間にわたり耐摩耗性を維持でき、表面皮膜のピストンリングからの剥離を防止することができるので、前記耐熱樹脂による潤滑性を長時間にわたって機能せしめることができる。

まずはじめに、本願第一の発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。

図６は、本願第一の発明のピストンリングの断面図である。

図７（ａ）は、図６に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、（ｂ）は図６に示すピストンリングの上表面の拡大正面図である。

図６に示すように、本発明のピストンリング６０は、ピストンリング本体６１と、その上面または下面の一方、またはその両方（図６にあっては両方）に形成された表面皮膜６２とから構成され、表面皮膜６２は、摺動面側のピストンリング本体６１から最も離れた位置に配置され、耐熱樹脂６５と該耐熱樹脂中に含有された金属粉末６７とからなる最表面層６４と、前記ピストンリング本体６１の最も近くに配置され、耐熱樹脂６６からなる基底層６３とから構成されている。

本発明のピストンリング本体６１の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ−Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。また、ピストンリングの種類としては、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。

最表面層６４は、表面皮膜６２の耐摩耗性を向上させ、かつ、ピストンリングへのアルミニウム凝着現象を防止するために設けられるものであり、耐熱樹脂６５と、耐熱樹脂中に含有される金属粉末６７とから構成される。

最表面層６４を構成する耐熱樹脂６５は、主にピストンリング表面に潤滑性を付与することを目的としており、一方で金属粉末６７は、これが含有せしめられる表面皮膜６２を構成する最表面層６４に耐摩耗性を付与し、これにより前記耐熱樹脂６５による潤滑性を長時間保持することを目的としている。

最表面層６４を構成する耐熱樹脂６５としては、当該ピストンリングが用いられる環境（温度）に耐え得ることができ、かつ潤滑性を有しており、後述する金属粉末６７を保持固定することができる樹脂であれば特に限定されることはない。具体的には、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂やポリイミド（ＰＩ）樹脂などを挙げることができる。

一方、本発明の最表面層６４を構成する金属粉末６７にあっては、これが含有せしめられる表面皮膜６２に耐摩耗性を付与することを目的とし、このような目的を達成することができる金属粉末６７であれば、金属粉末６７の材質について特に限定されることはない。

しかしながら、本発明において、金属粉末は、前述の耐熱樹脂が摩耗するのを防止する役目がある一方で、相手材であるピストンリング溝を攻撃することは避けなければならず、このような観点からすれば、金属粉末６７の材質としては、耐摩耗性に優れ、相手材であるピストンリング溝への攻撃性が低いという特徴を有する銅（Ｃｕ）系粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末、ニッケル合金粉末、鉛（Ｐｂ）系粉末、スズ（Ｓｎ）系粉末または珪素（Ｓｉ）系粉末等が好ましい。

このような金属粉末６７の形状については、本発明は特に限定することはなく、鱗片状、球形状または多角形状のような定形状であっても、不定形状であってもよい。しかしながら、金属粉末６７によって相手材であるピストンリング溝を攻撃することは避けなければならず、このような観点からすると、多角形状であることは好ましくなく、図７に示すような鱗片状や、球形状（図示せず）であることが好ましい。金属粉末６７の形状を鱗片状や球形状とし、図７に示すように、表面皮膜の厚さ方向に重ねるように配置することにより、ピストンリング溝が傷つくことを防止することができる。

金属粉末６７を鱗片状や球形状とした場合において、その大きさは特に限定することはないが、平均粒径を５〜４０μｍとすることが好ましい。最表面層６４に含有される金属粉末６７の粒径を前記範囲内とすることで、最表面層６４の耐摩耗性をさらに向上させることができる。なお、鱗片状や球形状の金属粉末６７の粒径とは、図７（ｂ）に示す符号ｒの長さであり、鱗片の長軸の長さを意味する。

本発明の表面皮膜６２を構成する最表面層６４において、前記耐熱樹脂６５に対する前記金属粉末６７の含有率については、耐熱樹脂６５が潤滑性能を十分に発揮し、かつ金属粉末６７が耐摩耗性能を十分に発揮できる程度のバランスで適宜設定することができるが、具体的には、金属粉末６７の含有率を４０〜８０質量％とすることが好ましく、５０〜６０質量％とすることが特に好ましい。金属粉末６７の含有率が４０質量％未満では、表面皮膜の摩耗による減少・消滅を十分に防止することができず、またアルミ凝着を十分に防止することができない。一方で金属粉末６７の含有率が８０質量％を超えると、表面皮膜全体としてのフレキシブル性が低下するとともに、耐熱樹脂６５により金属粉末６７を固定することが困難となり、金属粉末６７が脱離してしまうおそれがある。

本発明のピストンリングを構成する最表面層６４における金属粉末６７がしめる面積比率（図７（ｂ）参照）は、６〜７４％であることが好ましい。当該面積比率をこの範囲内に限定することによって、耐熱樹脂６５と金属粉末６７とのバランスが良好となり、それぞれの効果を十分に発揮することができる。

図８に示すように前記耐熱樹脂６５中には、自己潤滑性金属６８を含有させることが好ましく、これらは均一に分散されていることが好ましい。当該自己潤滑性金属６８としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、またはグラファイトのいずれかであることが好ましい。このように、自己潤滑性金属６８を添加することで、アルミニウム凝着の初期なじみを向上させることができる。具体的な含有率としては、最表面層全体６４に対する自己潤滑性金属６８の含有率を２〜１０質量％とすることが好ましく、３〜５質量％とすることがより好ましい。（この場合、所定の材料からなる金属粉末６７の含有量が４０〜８０質量％とすると、その残部が耐熱樹脂６５となる。）。所定の材料からなる金属粉末６７に加え自己潤滑性金属６７が含有された表面皮膜６２をピストンリングの上下面に形成することにより、アルミニウム材からなるピストン材との初期なじみ性、耐摩耗性を向上することができ、その結果、アルミニウム凝着の発生を防止し、耐久性に優れたピストンリングを提供することができる。

なお、自己潤滑性金属６８としては、上記で列挙したものの他、セレン化タングステン、セレン化モリブデン、窒化ホウ素、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレンなど）を用いても同様の効果を得ることができる。

基底層６３は、前述した最表面層６４とピストンリング本体６１とを密着し、ピストンリングから表面皮膜６２が剥離することを防止するために設けられる。

基底層を構成する耐熱樹脂６５は、基底層に密着性を付与するために用いられるものであり、前記効果を奏することができれば、基底層６３を構成する耐熱樹脂６６の材質について特に限定されることはなく、従来公知の材質を適宜選択して用いることができる。このような耐熱樹脂６６として具体的には、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂やポリイミド（ＰＩ）樹脂などを挙げることができる。このような樹脂からなる基底層６３とピストンリング本体６１及び最表面層６４との密着性は高いことから、ピストンリング本体６１と最表面層６４との密着性を高め、ピストンリングからの表面皮膜６２の剥離を防止することができる。

本発明における表面皮膜６２の形成方法については特に限定することはなく、例えば、耐熱樹脂６６をスプレー塗装、浸漬塗装、静電塗装などによりピストンリング本体６１の表面に塗布して基底層６３を形成し、その後、前述の金属粉末６７を耐熱樹脂６５に含有せしめ、これを基底層６３の表面に塗布することで最表面層６４を形成してもよい。また、当該表面皮膜６２は必要に応じて加熱焼成等の後処理を行ってもよい。

このような方法で形成された本発明における最表面層６４の膜厚については、５.０〜１１．０μｍとし、基底層６３の膜厚については０．１〜２．０μｍ程度とすることが好ましい。

表面皮膜６２を構成する最表面層６４及び基底層６３をこのような膜厚とすることで、基底層において母材との密着性をより向上させ、最表面層において耐摩耗性をより維持することができる。

以上説明したように、本願第一の発明によれば表面皮膜６２を構成する層として最表面層６４と基底層６３を設けることで、最表面層６４により表面皮膜６２の耐摩耗性を向上させ、ピストンリングへのアルミニウム凝着現象を防止することができ、基底層６３によりピストンリングから表面皮膜６２が剥離することを防止することができる。

次に本願第二の発明について説明する。

図８は、本願第二の発明のピストンリングの断面図である。

図９（ａ）は、図８に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、（ｂ）は図８に示すピストンリングの最表面層表面の拡大正面図であり、（ｃ）は図８に示すピストンリングの基底層表面の拡大正面図である。

本願第二の発明は、前記基底層６３を構成する耐熱樹脂６６に金属粉末６７が含有されたものであり、基底層６３に含有される金属粉末６７の含有率が、最表面層６４に含有される金属粉末６７の含有率と比較して少ないことに特徴を有するものであり、ピストンリング６０を構成するピストンリング本体６１、最表面層６４及び基底層６３を構成する耐熱樹脂６６については、前述した図６、図７に対応するものであり詳細な説明は省略する。

基底層６３に含有される金属粉末６７がピストンリング本体６１に沈降すると、基底層６３とピストンリング本体６１との密着率は低下することから、基底層６３に含有される金属粉末６７の含有率は、最表面層６４に含有される金属粉末６７の含有率と比較して少ないことが好ましい。

このように基底層６３の金属粉末６７の含有率を少なくすることで、密着性を付与するための耐熱樹脂６６の効果によりピストンリング本体６１と基底層６３、及び最表面層６４と基底層６３の密着性は向上し、ピストンリングからの表面皮膜６２の剥離を防止することができ、最表面層６４の金属粉末６７の含有率を増やすことにより表面皮膜６２の耐摩耗性を維持することができる。さらには、基底層６３に含有される金属粉末６７により基底層６３自体も耐摩耗性を有することから、最表面層６４が摩耗により消滅した場合であっても、金属粉末が含有されていない基底層と比較して一定の耐摩耗性を維持することができる。

基底層６３を構成する耐熱樹脂６６に含有される金属粉末６７としては、最表面層６４に含有される金属粉末６７と同様、金属粉末粉末である銅（Ｃｕ）系粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末、ニッケル合金粉末、鉛（Ｐｂ）系粉末、スズ（Ｓｎ）系粉末または珪素（Ｓｉ）系粉末が挙げられ、金属粉末６７の形状及び表面積については前述した図６、図７に対応するものであり省略する。

本発明の表面皮膜６２を構成する基底層６３において、前記耐熱樹脂６６に対する前記金属粉末６７の含有率については、耐熱樹脂６６がピストンリング本体６１と最表面層６４との密着性能を発揮し、かつ金属粉末６７が耐摩耗性能を発揮できる程度のバランスで適宜設定することができるが、基底層はピストンリング本体と最表面層とを接合させる必要があり、このような点を考慮すると、最表面層６４の金属粉末６７の含有量に対して基底層６３の金属粉末６７の含有量は少ないことが好ましく、基底層６３に含有される金属粉末６７の含有率を基底層６３全体の質量の４０質量％以下とすることがより好ましい。金属粉末６７の含有率が４０質量％より大きいと、基底層６３中の樹脂成分の含有量が少なくなることから基底層６３の密着性能は低下しピストンリングからの表面皮膜６２の剥離を効果的に防止することができず、表面皮膜６２が剥離するおそれがある。

また、基底層６３を構成する耐熱樹脂中には、図８、図９に示すように自己潤滑性金属６８を含有させることが好ましく、これらは均一に分散されていることが好ましい。当該自己潤滑性金属６８としては、前述した最表面層６４に含有される自己潤滑性金属６８と同様、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、またはグラファイトのいずれかであることが好ましい。このように、自己潤滑性金属６８を添加することで、アルミニウム凝着の初期なじみを向上させることができる。

基底層６３の自己潤滑性金属６８がピストンリング本体６１に沈降し基底層６３の密着性能が低下することを防止するために、基底層６３の自己潤滑性金属６８の含有率は、最表面層６４の自己潤滑性金属６８の含有率に対してすくないことが好ましく、基底層全体６３に対する自己潤滑性金属６８の含有量を５質量％以下とすることがより好ましい。（この場合、所定の材料からなる金属粉末６７の含有量が４０質量％以下とすると、その残部が耐熱樹脂６６となる。）。自己潤滑性金属の含有率が５％より大きくなるとアルミニウム材からなるピストン材との初期なじみ性、耐摩耗性を向上することができるが、前述したように自己潤滑性金属がピストンリング表面へ沈降することにより、基底層の密着性が低下してしまうおそれがある。

このように所定の材料からなる金属粉末６７に加え自己潤滑性金属６８が含有された基底層６３をピストンリングの上下面に形成することにより、最表面層が消滅した場合であっても、アルミニウム材からなるピストン材との初期なじみ性、耐摩耗性を維持することができ、さらに基底層６３に含有される金属粉末６７及び自己潤滑性金属６８を最表面層６４に含有されるそれと比較して少なくすることで、密着性を付与するための耐熱樹脂６６の含有量を確保することができ、その結果、アルミニウム凝着の発生を防止し、耐久性に優れ、表面皮膜６２が剥離することのないピストンリングを提供することができる。

なお、自己潤滑金属としては、上記で列挙したものの他、セレン化タングステン、セレン化モリブデン、窒化ホウ素、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレンなど）を用いても同様の効果を得ることができる。

基底層６３に含有される金属粉末６７及び自己潤滑性金属６８の平均粒径が大きくなると密着性が低下してしまうことから、基底層６３に含有される金属粉末６７及び自己潤滑性金属６８の平均粒径は最表面層６４の金属粉末６７及び自己潤滑性金属６８の平均粒径と比較して小さいことが好ましい。また平均粒径が５μｍ以上となると基底層の密着性は著しく低下してしまうことから基底層６３に含有される金属粉末６７及び自己潤滑性金属６８の平均粒径は５μｍ以下であることが好ましい。このように基底層６３に含有される金属粉末６７及び自己潤滑性金属６８の平均粒径を５μｍ以下とすることで、基底層の密着性は向上し、ピストンリング本体６１と表面皮膜６２との密着性をさらに向上させることができる。

以上説明した本願第二の発明によれば、基底層６３に金属粉末６７を含有させることで、基底層６３は耐摩耗性について一定の効果を発揮することができ、最表面層６４が消滅した場合であっても表面皮膜６２の耐摩耗性を維持することができる。

また、基底層６３に含有される金属粉末６７の含有量を、最表面層６４に含有されるそれと比較して少なくすることで、基底層６３の密着性能を維持することができ、ピストンリングから表面皮膜６２が剥離することを防止することができる。

さらには、基底層６３に含有される金属粉末６７及び自己潤滑性金属６８の平均粒径を、最表面層６４に含有されるそれと比較して小さくすることで、基底層６３の密着性及び最表面層６４の耐摩耗性をさらに向上させることができる。

本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。

（実施例１〜２９、比較例１〜６）
ＪＩＳＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材を用いてピストンリング本体に相当する部材を用意した。ピストンリングの寸法は、外径：７１ｍｍ、リング径方向幅（ａ１寸法）：２．５５ｍｍ、リング軸方向幅（ｈ１寸法）：１．２ｍｍとした。なお、ＪＩＳＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材の組成は、Ｃ：０．５５質量％、Ｓｉ：１．４質量％、Ｍｎ：０．６質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０２質量％、Ｃｒ：０．６５質量％、Ｃｕ：０．０８質量％、残部はＦｅおよび不可避不純物である。

前記材料からなる部材の上面と下面の両方に、耐熱樹脂としてポリアミドイミド樹脂を用い、これに金属粉末として銅系粉末を、自己潤滑性金属として二硫化モリブデンを含有せしめ、スプレー法にて、厚さ２．０μｍの基底層を形成した。次に基底層上に基底層と同様の材料を用いスプレー法にて、厚さ８．０μｍの最表面層を形成した。なお、金属粉末の平均粒径、および基底層及び最表面層全体に対する金属粉末及び自己潤滑性金属の含有率、金属粉末の平均粒径については、それぞれ表１に示す通りである。

なお、比較例１は、銅系粉末を含有させず、ポリアミドイミド樹脂に二硫化モリブデンを２質量％含有させた最表面層と、ポリアミドイミド樹脂に銅系粉末を２０質量％、二硫化モリブデンを２質量％含有させた基底層とからなり、これら最表面層および基底層を試験片に形成した場合における、すべりたたき試験後のピストン材摩耗量およびピストンリング材摩耗量を１００とし、それぞれの摩耗量を算出した。

このようにして形成された各ピストンリング試験片を、実施例１〜２９および比較例１〜６とする（表１参照）。

以上の実施例および比較例それぞれの試験片に対し、すべりたたき試験を行った。

＜すべりたたき試験＞
この試験は、図１０に示す高温弁座摩耗試験機１０１を使用して行った。試験条件は、ストローク：４ｍｍ、繰り返し速度：５００回／分、リング回転数：３ｒｐｍ、試験時間：７時間、ピストンの温度：約２５０℃、ピストンの材質：アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）、とした。

なお、すべりたたき試験とは、ピストン材１０３を試験機１０１に対して軸方向移動不能に固定し、ピストンリング試験片１０２をピストン材１０３に同心円上に装着し、ピストンリング試験片１０２の内局面側に備わっている鋳鉄製円棒１０５を軸方向に往復させて行う試験であり、ピストンリング試験片１０２を回転しつつピストン材１０３をたたく動作モードを付与した試験方法である。試験機１０１は、被験材加熱用のヒータ１０４を有しており、実際に燃料を燃焼させずともエンジン内の燃焼時の高温状態を再現することができ、ピストン材の状態変化を模すことができる。

当該試験によりピストン側の摩耗量とピストンリング側の摩耗量を評価した。なお、摩耗量は表面粗さ計にて段差を測定し、比較例１の摩耗量を１００とした場合におけるそれぞれの摩耗量を算出し、ピストン材摩耗量比およびピストンリング材摩耗量比が９０以下である場合を「◎」、ピストン材摩耗量比およびピストンリング材摩耗量比が９０より大きく９５未満である場合を「○」、ピストン材摩耗量比およびピストンリング材摩耗量比が９５以上である場合を「×」とした。

評価結果を以下の表１に示す。

表１に示す実施例１〜５と、比較例１〜３とを比較すると最表面層に金属粉末を含有した本願発明の実施例の耐摩耗性が極めて良好であること、また実施例６〜２９と、比較例４〜６とを比較すると基底層に含有される金属粉末の含有率を最表面層に含有される金属粉末の含有率より少なくした本願発明の実施例の耐摩耗性が極めて良好であることは、ピストン材およびピストンリング材の摩耗量比の数値からも明確である。

アルミ凝着現象の説明図であり、（ａ）はピストンの斜視図、（ｂ）はピストンのリング溝およびピストンリングの拡大斜視図、（ｃ）はピストンリングへのアルミ凝着を示す拡大斜視図である。（ａ）〜（ｃ）は、ピストンのリング溝の状面および下面の表面状態の変化の様子を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、アルミ凝着メカニズムを示す断面図である。アルミ凝着部分の拡大図である。従来の樹脂コーティング処理を示す断面図である。本願第一の発明のピストンリングの断面図である。（ａ）は、図６に示すピストンリングの表面皮膜近傍の拡大断面図であり、（ｂ）は図６に示すピストンリングの最表面層表面の拡大正面図である。本願第二の発明のピストンリングの断面図である。（ａ）は、図８に示すピストンリングの表面皮膜近傍の拡大断面図であり、（ｂ）は図８に示すピストンリングの最表面層表面の拡大正面図であり、（ｃ）は図８に示すピストンリングの基底層表面の拡大正面図である。高温弁座摩耗試験機である。

符号の説明

１、６０…ピストンリング
２…ピストンリングの上面
３…ピストンリングの下面
１０…ピストン
６１…ピストンリング本体
６２…表面皮膜
６３…基底層
６４…最表面層
６５、６６…耐熱樹脂
６７…金属粉末
６８…自己潤滑性金属

Claims

ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリングの上面と下面の両方に形成される表面皮膜とからなるピストンリングであって、
前記表面皮膜は、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された金属粉末とからなる最表面層と、前記ピストンリング本体の最も近くに配置され、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された金属粉末とからなる基底層と、
を少なくとも有し、
前記最表面層、及び前記基底層に含有される金属粉末が、銅（Ｃｕ）系粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末、ニッケル合金粉末、鉛（Ｐｂ）系粉末、スズ（Ｓｎ）系粉末または珪素（Ｓｉ）系粉末のいずれかであり、
前記最表面層、及び前記基底層を構成する耐熱樹脂には、さらに自己潤滑性金属が含有されており、
前記最表面層、及び前記基底層に含有される自己潤滑性金属が、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、またはグラファイトのいずれかであり、
前記基底層全体に対し、前記基底層に含有される前記金属粉末の含有率が４０質量％以下であり、かつ前記基底層に含有される自己潤滑性金属の含有率が５質量％以下であり、
前記最表面層全体に対し、前記最表面層に含有される前記金属粉末の含有率が４０〜８０質量％であり、かつ前記最表面層に含有される自己潤滑性金属の含有率が２〜１０質量％であり、
前記基底層に含有される前記金属粉末、及び自己潤滑性金属の平均粒径が５μｍ以下であり、
前記最表面層に含有される前記金属粉末、及び自己潤滑性金属の平均粒径が５〜４０μｍであり、
前記最表面層、及び前記基底層に含有される前記金属粉末の形状は鱗片状であり、該鱗片状の金属粉末は、前記表面皮膜の厚み方向に重なるように配置されていることを特徴とするピストンリング。
前記耐熱樹脂がポリアミドイミド樹脂、又はポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。