JPH02120575A - ピストンリング - Google Patents

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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。