JPH02120575A - ピストンリング - Google Patents
ピストンリングInfo
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- JPH02120575A JPH02120575A JP27199788A JP27199788A JPH02120575A JP H02120575 A JPH02120575 A JP H02120575A JP 27199788 A JP27199788 A JP 27199788A JP 27199788 A JP27199788 A JP 27199788A JP H02120575 A JPH02120575 A JP H02120575A
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Landscapes
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、その上下面を改良したピストンリングに関す
る。
る。
(従来技術)
近年、内燃機関は、ダブルオーバーへフドカムの構造や
ターボチャージャーを備えた構造が多くなり、更に圧縮
比を増加させて、出力向上が図られている。そのため、
ピストンリング特に第1圧力リング近傍は熱負荷が増大
するようになってきている。
ターボチャージャーを備えた構造が多くなり、更に圧縮
比を増加させて、出力向上が図られている。そのため、
ピストンリング特に第1圧力リング近傍は熱負荷が増大
するようになってきている。
アルミニウム合金製ピストンにあっては、熱負荷が大き
くなると、ピストン材のアルミニウムがピストンリング
上下面に付着し、ピストンのリング溝摩耗を発生させ、
ブローバイ及びオイル消費量の増加をもたらすことがあ
る。このピストンリング上下面に対するアルミニウム凝
着は熱負荷の最っともかかる第1圧力リングに起こるこ
とが多い。
くなると、ピストン材のアルミニウムがピストンリング
上下面に付着し、ピストンのリング溝摩耗を発生させ、
ブローバイ及びオイル消費量の増加をもたらすことがあ
る。このピストンリング上下面に対するアルミニウム凝
着は熱負荷の最っともかかる第1圧力リングに起こるこ
とが多い。
従来は熱負荷の大きい空冷2サイクルエンジンに於いて
問題になっていた。ところが、最近では水冷ガソリンエ
ンジン及びディーゼルエンジンにあっても、前述したよ
うに熱負荷が増大するような構造に変わってきているの
で、アルミニウム凝着が問題視されるようになってきて
いる。
問題になっていた。ところが、最近では水冷ガソリンエ
ンジン及びディーゼルエンジンにあっても、前述したよ
うに熱負荷が増大するような構造に変わってきているの
で、アルミニウム凝着が問題視されるようになってきて
いる。
(本発明が解決しようとする課題)
アルミニウム凝着を防止する方法として、厚さ5μm以
上の燐酸塩皮膜、鉄めっき層、四弗化エチレン皮膜や二
硫化モリブデン熱硬化型樹脂コーティング皮膜を第1圧
力リングの上下面に設ける方法、或いはピストンのリン
グ溝表面にアルマイト処理を施す方法が試みられていた
か゛、ピストンリング側での処理はいずれもアルミニウ
ム凝着を十分に防止できていない。またピストンのリン
グ溝へのアルマイト処理はアルミニウム凝着は防げたち
の一表面の粗さやクラックの問題でブローパイやオイル
消費量の増大を招き問題視されている。
上の燐酸塩皮膜、鉄めっき層、四弗化エチレン皮膜や二
硫化モリブデン熱硬化型樹脂コーティング皮膜を第1圧
力リングの上下面に設ける方法、或いはピストンのリン
グ溝表面にアルマイト処理を施す方法が試みられていた
か゛、ピストンリング側での処理はいずれもアルミニウ
ム凝着を十分に防止できていない。またピストンのリン
グ溝へのアルマイト処理はアルミニウム凝着は防げたち
の一表面の粗さやクラックの問題でブローパイやオイル
消費量の増大を招き問題視されている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、
熱負荷の大きいエンジンにあってもアルミニウム凝着を
起こすことのないピストンリングを提供することを解決
すべき課題としている。
熱負荷の大きいエンジンにあってもアルミニウム凝着を
起こすことのないピストンリングを提供することを解決
すべき課題としている。
(課題を解決するための手段とその作用)即ち、本発明
は、上下面に耐食性、耐摩耗性を有するリン酸塩二重層
からなる化成皮膜で表面層を有するピストンリングに係
る。
は、上下面に耐食性、耐摩耗性を有するリン酸塩二重層
からなる化成皮膜で表面層を有するピストンリングに係
る。
本発明は、実機試験によって検討を重ねた結果、アルミ
ニウム凝着はピストンリングを組付けてからの運転初期
に発生することが判った。従って、運転初期にアルミニ
ウム凝着を起こさないようにすれば良く、そのためには
、ピストンリングの上、下面とピストンのリング溝側面
との馴染みを速やかに行うようにする必要がある。本発
明は上記の知見によってなされたものである。
ニウム凝着はピストンリングを組付けてからの運転初期
に発生することが判った。従って、運転初期にアルミニ
ウム凝着を起こさないようにすれば良く、そのためには
、ピストンリングの上、下面とピストンのリング溝側面
との馴染みを速やかに行うようにする必要がある。本発
明は上記の知見によってなされたものである。
(実施例)
以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。
第1図は圧力リングの断面図である。圧力リング1は、
鋳鉄製又は鋼製の母材2の全周表面に窒化処理層3が形
成され、その層3の上にリン酸マンガンの結晶皮膜表面
層4が形成され、更にその上にリン酸スズ皮膜5が形成
されている。
鋳鉄製又は鋼製の母材2の全周表面に窒化処理層3が形
成され、その層3の上にリン酸マンガンの結晶皮膜表面
層4が形成され、更にその上にリン酸スズ皮膜5が形成
されている。
この圧力リング1の外周面はバレルフェース形状として
あって、硬質クロムめっきN6を形成しである。
あって、硬質クロムめっきN6を形成しである。
リン酸マンガン皮膜からなる表面層4の皮膜は多孔質な
結晶体からなっている。このため潤滑油の吸収性、保持
性が良く、皮膜は回転、摺動する部分の金属対金属の接
触を避けるので、焼付き、カジリ等の現象を防ぐために
設けた層である。この4層の厚さは5〜15μmが良く
、5μm未満では、上記の接触を避ける効果が顕著でな
く、15μmを越えて厚くすると、表面が粗くなり過ぎ
て、部分的な結晶の剥離を起こすようになる。
結晶体からなっている。このため潤滑油の吸収性、保持
性が良く、皮膜は回転、摺動する部分の金属対金属の接
触を避けるので、焼付き、カジリ等の現象を防ぐために
設けた層である。この4層の厚さは5〜15μmが良く
、5μm未満では、上記の接触を避ける効果が顕著でな
く、15μmを越えて厚くすると、表面が粗くなり過ぎ
て、部分的な結晶の剥離を起こすようになる。
表面層4の厚さは、初期馴染みを改善してアルミニウム
凝着を防止するためには少なくとも5μmを必要とする
。またその上限は、ピストンのリング溝の幅寸法とピス
トンリング幅寸法との差によって形成されるクリアラン
スによって定まるが、通常は5〜15μmとする。表面
層4が厚過ぎると、ピストンへのピストンリング装着性
に難があり、また上記効果の増大は顕著でなく、コスト
高にもなる。更にその上に形成されるリン酸スズの皮膜
5は表面Ji4のリン酸マンガン結晶体より耐食性、耐
摩耗性が優れ、結晶が有孔性であるため、潤滑油の吸収
、保油性に優れスズの潤滑性や初期馴染みの特性が併せ
て更に効果を発揮します。この初期馴染み潤滑性を持つ
表面層5の厚みは1〜2μmで良く、1μm未満ではリ
ン酸スズの結晶が発達せず上記効果が不十分であり2μ
m以上と厚くなると結晶の多孔質化が進み結晶結合力が
低下して、結合力が十分でないため、組付は時までに皮
膜がとれてしまう難がある。
凝着を防止するためには少なくとも5μmを必要とする
。またその上限は、ピストンのリング溝の幅寸法とピス
トンリング幅寸法との差によって形成されるクリアラン
スによって定まるが、通常は5〜15μmとする。表面
層4が厚過ぎると、ピストンへのピストンリング装着性
に難があり、また上記効果の増大は顕著でなく、コスト
高にもなる。更にその上に形成されるリン酸スズの皮膜
5は表面Ji4のリン酸マンガン結晶体より耐食性、耐
摩耗性が優れ、結晶が有孔性であるため、潤滑油の吸収
、保油性に優れスズの潤滑性や初期馴染みの特性が併せ
て更に効果を発揮します。この初期馴染み潤滑性を持つ
表面層5の厚みは1〜2μmで良く、1μm未満ではリ
ン酸スズの結晶が発達せず上記効果が不十分であり2μ
m以上と厚くなると結晶の多孔質化が進み結晶結合力が
低下して、結合力が十分でないため、組付は時までに皮
膜がとれてしまう難がある。
実験:
第1図のピストンリングに於いて、母材2を62%mX
1,5mX3.1mの耐熱鋼5US440B(C: 0
.80〜0.95%、Si : 1.0%以下、Mn:
1.0%以下、P:0.045%以下、Cr:17.O
〜18.0%、Mo:0.8〜1.5%、V : 0.
05〜0.15%)とし母材の全周表面に深さ50μm
の窒化処理層3を形成させた後、上下面の一方の面に1
0μm厚のリン酸マンガン結晶皮膜4を形成し、その上
に2μm厚のリン酸スズ皮膜5を形成した。
1,5mX3.1mの耐熱鋼5US440B(C: 0
.80〜0.95%、Si : 1.0%以下、Mn:
1.0%以下、P:0.045%以下、Cr:17.O
〜18.0%、Mo:0.8〜1.5%、V : 0.
05〜0.15%)とし母材の全周表面に深さ50μm
の窒化処理層3を形成させた後、上下面の一方の面に1
0μm厚のリン酸マンガン結晶皮膜4を形成し、その上
に2μm厚のリン酸スズ皮膜5を形成した。
第2図に凝着試験に供した試験装置の概要を示す。
ピストンリングホルダ12は、ユニバーサルジヨイント
14を介してエアシリンダ13のロッド13aに接続し
、上記のピストンリング1)を表面層4を下に向は保持
している。ピストン材ホルダ16には凹部16a、16
bが重畳して形成され、下側の凹部16bにはヒータが
挿入され、上側の凹部16aにはピストン材料として広
く使用されている鋳造用アルミニウム合金Ac−8Aか
らなるピストン材試料15が嵌入して固定される。
14を介してエアシリンダ13のロッド13aに接続し
、上記のピストンリング1)を表面層4を下に向は保持
している。ピストン材ホルダ16には凹部16a、16
bが重畳して形成され、下側の凹部16bにはヒータが
挿入され、上側の凹部16aにはピストン材料として広
く使用されている鋳造用アルミニウム合金Ac−8Aか
らなるピストン材試料15が嵌入して固定される。
ヒータ17はリード18によって図示しない電源に接続
し、ピストン材試料15を所定温度に加熱するようにし
である。ピストン材ホルダ16には軸19が固着してい
て、軸19はヘアリング20に回転可能に支持され、軸
19には、モータ22の軸23に取付けられた平歯車2
4と歯合する平歯車21が取イ」けてあって、モータ2
2の駆動によってピストン材試料15を所定周期を以て
正逆方向に回転させ、回転するピストン材試料15を繰
返し叩くようにして、凝着を調べる。
し、ピストン材試料15を所定温度に加熱するようにし
である。ピストン材ホルダ16には軸19が固着してい
て、軸19はヘアリング20に回転可能に支持され、軸
19には、モータ22の軸23に取付けられた平歯車2
4と歯合する平歯車21が取イ」けてあって、モータ2
2の駆動によってピストン材試料15を所定周期を以て
正逆方向に回転させ、回転するピストン材試料15を繰
返し叩くようにして、凝着を調べる。
試験条件は下記の通りである。
ピストン材試料の温度:250℃±5℃接触面圧:14
kg/cd ストローク:10fI サイクル:4回/秒 正逆反転周期=2.5回/分 回転角度:180’ ピストンリング試料とピストン材との相対的に正逆方向
に回転させるのは、エンジンの運転中にピストンが往復
動してピストンリングの上下面がピストンのリング溝側
面に衝突すると共に、ピストンリングはピストンのリン
グ溝中でランダムに回動するので、このような運動をシ
ュミレートするためである。
kg/cd ストローク:10fI サイクル:4回/秒 正逆反転周期=2.5回/分 回転角度:180’ ピストンリング試料とピストン材との相対的に正逆方向
に回転させるのは、エンジンの運転中にピストンが往復
動してピストンリングの上下面がピストンのリング溝側
面に衝突すると共に、ピストンリングはピストンのリン
グ溝中でランダムに回動するので、このような運動をシ
ュミレートするためである。
このようにして試験を行った結果は、下記第1表に示す
通りである。同表には比較のため、表面層に、3〜7μ
m厚のテフロンで被覆した試料、5〜7μm厚の硬質ク
ロムめっきを施した試料、耐熱鋼JIS 5US44
0に窒化処理を施した試料及び10〜12μm厚のリン
酸マンガン結晶膜のみで被覆した試料について同様の試
験を行った結果が併せて記しである。同表中、OKは凝
着を認めなかったことを、NOは凝着を起こしたことを
表わしている。
通りである。同表には比較のため、表面層に、3〜7μ
m厚のテフロンで被覆した試料、5〜7μm厚の硬質ク
ロムめっきを施した試料、耐熱鋼JIS 5US44
0に窒化処理を施した試料及び10〜12μm厚のリン
酸マンガン結晶膜のみで被覆した試料について同様の試
験を行った結果が併せて記しである。同表中、OKは凝
着を認めなかったことを、NOは凝着を起こしたことを
表わしている。
第1表
第1表から、比較の試料はいずれも短期間の試験で剥離
又は凝着を起こしているのに対し、実施例の試料では凝
着も剥離も起こさずアルミニウム凝着に対する抵抗に優
れていることが判る。
又は凝着を起こしているのに対し、実施例の試料では凝
着も剥離も起こさずアルミニウム凝着に対する抵抗に優
れていることが判る。
実機試験:
ボア径67鶴のシリンダを備え、ビストンストローク5
6mm、排気量200cc、空冷4サイクルの単気筒ガ
ソリンエンジンを使用して実機テストを行った。
6mm、排気量200cc、空冷4サイクルの単気筒ガ
ソリンエンジンを使用して実機テストを行った。
第3図はシリンダ中のピストン及びピストンリングを示
し、ピストン33の第1リング溝33a1第2リング溝
33b1油掻きリング溝33cには、第1圧力1)ング
1、第2圧力リング31、油掻きリング32が夫々嵌入
し、各ピストンリングl、31.32の外周面はシリン
ダ34の内周面に圧接している。
し、ピストン33の第1リング溝33a1第2リング溝
33b1油掻きリング溝33cには、第1圧力1)ング
1、第2圧力リング31、油掻きリング32が夫々嵌入
し、各ピストンリングl、31.32の外周面はシリン
ダ34の内周面に圧接している。
第1圧カリング1には、第1図に示した構造のものを使
用し、母材2には耐熱鋼5O3440B(C: 0.8
0〜0.95%、Si : 1.0%以下、Mn:1.
0%以下、P;0.045%以下、Cr:17.O〜1
8.0%、Mo:0.8〜1.5%、V : 0.05
〜0.15%)材を使用し、母材の全周表面に深さ20
μmの窒化処理層3を形成させ後、上下面に10μm厚
のリン酸マンガン結晶皮膜4を形成し、その上に2μm
厚のリン酸スズ皮膜5を形成させた。ピストンリング1
の寸法は67 tm X 1.2w X 2.3 m+
である。
用し、母材2には耐熱鋼5O3440B(C: 0.8
0〜0.95%、Si : 1.0%以下、Mn:1.
0%以下、P;0.045%以下、Cr:17.O〜1
8.0%、Mo:0.8〜1.5%、V : 0.05
〜0.15%)材を使用し、母材の全周表面に深さ20
μmの窒化処理層3を形成させ後、上下面に10μm厚
のリン酸マンガン結晶皮膜4を形成し、その上に2μm
厚のリン酸スズ皮膜5を形成させた。ピストンリング1
の寸法は67 tm X 1.2w X 2.3 m+
である。
このピストンリング1を第1圧力リングとし、第3図の
ようにして前記エンジンに組付け、回転数800Orp
m、全負荷、油温140〜142℃の条件で1時間の実
機運転を行い、運転後エンジンを分解して第1圧力リン
グ1へのアルミニウム合金凝着を観察し、ピストン33
の第1圧力リング溝33a側面の摩耗量を測定した。
ようにして前記エンジンに組付け、回転数800Orp
m、全負荷、油温140〜142℃の条件で1時間の実
機運転を行い、運転後エンジンを分解して第1圧力リン
グ1へのアルミニウム合金凝着を観察し、ピストン33
の第1圧力リング溝33a側面の摩耗量を測定した。
比較のために、表面層4.5に替えて、3〜5μm厚の
テフロン被覆を施したもの、5〜6μm厚の硬質クロム
めっきを施したもの、4〜6μm厚の鉄めっきを施した
もの、1)〜13βmのリン酸マンガン結晶化皮膜を施
したもの及び母材に耐熱鋼5US440Bの表面に15
〜20j1m厚の窒化層を形成させたものを第1圧カリ
ングに使用して同様の実機試験を行った。
テフロン被覆を施したもの、5〜6μm厚の硬質クロム
めっきを施したもの、4〜6μm厚の鉄めっきを施した
もの、1)〜13βmのリン酸マンガン結晶化皮膜を施
したもの及び母材に耐熱鋼5US440Bの表面に15
〜20j1m厚の窒化層を形成させたものを第1圧カリ
ングに使用して同様の実機試験を行った。
実験結果は下記第2表に示す通りである。
第2表
比較のピストンリングでは、いずれもピストン材の凝着
が起こっており、ピストンのリング溝側面もピストンリ
ング上下面との繰返し衝突によって摩耗しているのに対
し、実施例のピストンリングではピストン材の凝着が起
こらず、ピストンのリング溝側面の摩耗も殆ど起こらず
、極めて優れた耐アルミニウム凝着性を示している。
が起こっており、ピストンのリング溝側面もピストンリ
ング上下面との繰返し衝突によって摩耗しているのに対
し、実施例のピストンリングではピストン材の凝着が起
こらず、ピストンのリング溝側面の摩耗も殆ど起こらず
、極めて優れた耐アルミニウム凝着性を示している。
(効 果)
本発明のピストンリングは、上下面に第4図の電子顕微
鏡写真1000倍で示す様に極めて微細で均一なリン酸
スズの結晶の表面を有しているのでピストン材料との初
期馴染みが良好であり、その結果、熱負荷の大きい苛酷
なエンジン運転条件下でも、ピストンリングの上下面と
ピストンのリング溝側面との間で凝着を起こすことがな
(、上記凝着によるエンジントラブルを起こすことがな
い。その上、ピストンのリング溝側面の摩耗も極めて軽
微となり、エンジンの耐久性が改善される。
鏡写真1000倍で示す様に極めて微細で均一なリン酸
スズの結晶の表面を有しているのでピストン材料との初
期馴染みが良好であり、その結果、熱負荷の大きい苛酷
なエンジン運転条件下でも、ピストンリングの上下面と
ピストンのリング溝側面との間で凝着を起こすことがな
(、上記凝着によるエンジントラブルを起こすことがな
い。その上、ピストンのリング溝側面の摩耗も極めて軽
微となり、エンジンの耐久性が改善される。
第1図は、本発明の一実施例を示すピストンリングの断
面図、第2図は凝着試験装置の断面図、第3図はエンジ
ンに組付けられたピストン、ピストンリング及びシリン
ダを示す断面図、第4図はた皮膜の1000倍に拡大し
た結晶構造の電子顕微鏡写真である。 図中: 1・・第1圧力リング、2・・母材、3・・窒化処理層
、4・・リン酸マンガン結晶化皮膜、5・・リン酸スズ
皮膜、6・・外周面の硬質クロムめっき層。
面図、第2図は凝着試験装置の断面図、第3図はエンジ
ンに組付けられたピストン、ピストンリング及びシリン
ダを示す断面図、第4図はた皮膜の1000倍に拡大し
た結晶構造の電子顕微鏡写真である。 図中: 1・・第1圧力リング、2・・母材、3・・窒化処理層
、4・・リン酸マンガン結晶化皮膜、5・・リン酸スズ
皮膜、6・・外周面の硬質クロムめっき層。
Claims (2)
- (1)上下面にリン酸マンガン結晶化皮膜を形成させ更
にその上にリン酸スズ皮膜を形成させた化成処理から成
る表面層を有するピストンリング。 - (2)アルミニウム合金材からなるピストンのリング溝
に使用される請求項(1)のピストンリング。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27199788A JPH02120575A (ja) | 1988-10-29 | 1988-10-29 | ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27199788A JPH02120575A (ja) | 1988-10-29 | 1988-10-29 | ピストンリング |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02120575A true JPH02120575A (ja) | 1990-05-08 |
Family
ID=17507711
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP27199788A Pending JPH02120575A (ja) | 1988-10-29 | 1988-10-29 | ピストンリング |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02120575A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003512552A (ja) * | 1998-12-14 | 2003-04-02 | マーレ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 内燃機関のピストン用のピストンリング |
US7094474B2 (en) | 2004-06-17 | 2006-08-22 | Caterpillar, Inc. | Composite powder and gall-resistant coating |
-
1988
- 1988-10-29 JP JP27199788A patent/JPH02120575A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003512552A (ja) * | 1998-12-14 | 2003-04-02 | マーレ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 内燃機関のピストン用のピストンリング |
US7094474B2 (en) | 2004-06-17 | 2006-08-22 | Caterpillar, Inc. | Composite powder and gall-resistant coating |
US7404841B2 (en) | 2004-06-17 | 2008-07-29 | Caterpillar Inc. | Composite powder and gall-resistant coating |
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