JP5479658B1 - ピストンリング - Google Patents
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Abstract
Description
ピストンリング母材100は、特に限定されないが、リング溝との衝突が繰り返されることから、ある程度の強度が必要である。好ましい材料としては、鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等が挙げられる。また、耐摩耗性を向上させるために、ピストンリング外周面に、ステンレス鋼では窒化処理、鋳鉄では硬質クロムめっきや無電解ニッケルめっき処理を施してもよい。また、いずれの場合も、硬質炭素皮膜を形成してもよい。
ピストンリング母材100と樹脂系皮膜の密着性向上のために、樹脂との密着性に優れたリン酸塩皮膜を予め表面500に形成しておくとよい。リン酸塩皮膜は、リン酸亜鉛系、リン酸マンガン系、リン酸カルシウム系の何れのリン酸塩皮膜でもよい。
樹脂系皮膜は、それぞれの機能が違う第1の樹脂系皮膜300と第2の樹脂系皮膜200を有する。第1の樹脂系皮膜300は、ピストンリング上下側面に対し略平行に配列された平均粒径2〜20μm、アスペクト比20〜200の板状充填材302を含有する。第2の樹脂系皮膜200は、第1の樹脂系皮膜300よりもピストンリング母材100側(下層)に位置し、平均粒径0.01〜1μmの硬質粒子202を含有する。
第1の樹脂系皮膜300と第2の樹脂系皮膜200の形成方法は、特に限定されず、スプレーコーティング、印刷法、スピンコーティング、ロールコーティング、ディップコーティング等の公知の方法を用いることができる。第1の樹脂系皮膜300と第2の樹脂系皮膜200の形成効率と、塗り斑の発生を抑えるという観点から、印刷法が好ましい。
ピストンリング母材が低クロム鋼のピストンリングの上下側面に研磨加工をして、該上下側面をプラトー構造とした。このピストンリングの外周面にイオンプレーティングすることで、厚さ約30μmのCrN皮膜を形成し、アルカリ脱脂後、約80℃に加熱したリン酸マンガン水溶液に約5分浸漬することで、ピストンリングの外周面以外の面に厚さ約2μmのリン酸マンガン皮膜を形成した。このリン酸マンガン皮膜の断面をSEMにて観察したところ、プラトー構造が引き継がれており、視野内の谷部分の幅の平均は0.01μm、プラトー部分の幅の平均は8μmであった。
第1の樹脂系皮膜の樹脂をポリイミドからポリアミドイミドへ、板状充填材をアルミナ粉末から炭化ケイ素粉末へ、第2の樹脂系皮膜の樹脂をポリアミドイミドからポリイミドへ、硬質粒子をアルミナ粉末からジルコニア粉末へ変更した以外は、実験例1と同様にしてピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第1の樹脂系皮膜中のアルミナ粉末の粒径を1、2、20、30μmに変更した以外は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第1の樹脂系皮膜中のアルミナ粉末のアスペクト比を10、20、200、300に変更した以外は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第1の樹脂系皮膜中のアルミナ粉末の添加量を0.5、1、20、30体積%に変更した以外は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第2の樹脂系皮膜のアルミナ粉末の粒径を0.008、0.01、0.1、1、3μmに変更した以外は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第2の樹脂系皮膜のアルミナ粉末の添加量を0.5、1、20、30体積%に変更した以外は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第1の樹脂系皮膜を形成せず、実験例1の第2の樹脂系皮膜のアルミナを固体潤滑剤に変更してコーティング液を調整し、実験例1と同様の方法で、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第2の樹脂系皮膜を形成した。固体潤滑剤は、二硫化モリブデン粉末(平均粒径2μm)とグラファイト粉末(平均粒径2μm)を各5体積%添加した。
第1の樹脂系皮膜を形成せず、実験例8の第2の樹脂系皮膜にさらにアルミナ粉末(粒径0.5μm)を硬化後で5体積%となるように添加し、実験例1と同様の方法で、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第2の樹脂系皮膜を形成した。
第1の樹脂系皮膜の板状充填材としてのアルミナ粉末を板状銅粉末に変更し、硬化後に10体積%から60体積%となるように添加した。第2の樹脂系皮膜の樹脂をポリアミドイミドからポリイミドに変更し、硬質粒子のアルミナ粉末から軟質の板状銅粉末(平均粒径:10μm、アスペクト比:100)に変更し、硬化後に10体積%から20体積%となるように添加した。その他は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。なお、銅はピストンリング母材を構成する低クロム鋼よりも軟らかい。
第2の樹脂系皮膜のアルミナ粉末を、板状のアルミナ粉末(平均粒径:1μm、アスペクト比:2)に変更した他は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第1の樹脂系皮膜の板状のアルミナ粉末を、平均粒径0.5μmの異方性を有しないアルミナ粉末に変更した他は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。
第2の樹脂系皮膜にアルミナ粉末を添加しない以外は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。本実験例は図4の例に相当する。
第2の樹脂系皮膜を形成しない以外は、実験例1と同様にして、ピストンリング母材の上下側面のリン酸マンガン皮膜上に、第1の樹脂系皮膜と第2の樹脂系皮膜を形成した。本実験例は図6の例に相当する。
各実験例のピストンリングをエンジンと相関が取れた単体凝着試験機により試験した。単体凝着試験機は、図7に示すピストン2が上下に往復運動を行い、ピストンリング3が回転運動を行う機構であり、試験は、ヒーター1と熱電対5によりピストン2を加熱制御させて行った。試験条件は、面圧5.0MPa、回転速度3.0mm/s、制御温度250℃、試験時間3hとし、オイルの添加を随時行った。
◎:3μm以上
○:1μm以上3μm未満
△:1μm未満(リン酸マンガン皮膜有り)
×:1μm未満(リン酸マンガン皮膜無し)
○:なし
△:あり(段差計等を用いて確認できるレベル)
×:あり(肉眼で凹凸(凝着の存在)が観察できるレベル)
◎:0.5μm未満
○:0.5μm以上1.0μm未満
△:1.0μm以上1.5μm未満
×:1.5μm以上
◎:0.3μm未満
○:0.3μm以上0.5μm未満
△:0.5μm以上0.7μm未満
×:0.7μm以上
比較例である実験例8,9では、単体試験後には、樹脂系皮膜は全く残存せず、ピストンリング母材下地のリン酸マンガン皮膜まで摩耗が進行しており、顕著なアルミニウム凝着が認められた。また、ピストン2の表面は平滑化されておらず、摩耗が進行していることが確認された。
2 ピストン
3 ピストンリング
4 温度コントローラー
5 熱電対
100 ピストンリング母材
200 第2の樹脂系皮膜
202 硬質粒子
300 第1の樹脂系皮膜
302 板状充填材
500 ピストンリング母材の表面
502 谷部分
504 山部分
506 プラトー部分
Claims (8)
- ピストンリング母材の上下側面の少なくとも一方の上に樹脂系皮膜を形成したピストンリングであって、
前記樹脂系皮膜は、平均粒径2〜20μm、アスペクト比20〜200の板状充填材を含有する第1の樹脂系皮膜と、前記第1の樹脂系皮膜よりも下層に位置し、平均粒径0.01〜1μmの硬質粒子を含有する第2の樹脂系皮膜と、を有し、
該第2の樹脂系皮膜の直下がプラトー構造であり、該プラトー構造の谷部分に、前記硬質粒子が挿入されていることを特徴とするピストンリング。 - 前記板状充填材の含有量は、前記第1の樹脂系皮膜に対して1〜20体積%である請求項1に記載のピストンリング。
- 前記硬質粒子の含有量は、前記第2の樹脂系皮膜に対して1〜20体積%である請求項1又は2に記載のピストンリング。
- 前記板状充填材は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素からなる群の少なくとも1種を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載のピストンリング。
- 前記硬質粒子は、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ダイヤモンド、酸化セリウムからなる群の少なくとも1種を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載のピストンリング。
- 前記樹脂系皮膜の厚さは、5〜20μmであって、前記第2の樹脂系皮膜の厚さが1〜3μmである請求項1〜5のいずれか1項に記載のピストンリング。
- 前記樹脂系皮膜は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、フェノール樹脂からなる群の少なくとも1種を主成分とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のピストンリング。
- ピストンリング母材の上下側面の少なくとも一方と前記樹脂系皮膜との間に、リン酸塩皮膜を有する請求項1〜7のいずれか1項に記載のピストンリング。
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