JPH0343340B2

JPH0343340B2 -

Info

Publication number: JPH0343340B2
Application number: JP57153330A
Authority: JP
Inventors: Joji Myake; Shoji Myazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1982-09-02
Filing date: 1982-09-02
Publication date: 1991-07-02
Also published as: JPS5943878A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ピストンリングの相手材となるシリ
ンダボアが窒化珪素焼結体などのセラミツクスで
作られたシリンダボアに使用されるピストンリン
グに関するものである。

内燃機関において、燃費を向上させるため、燃
焼室の断熱化が図られている。この燃焼室の断熱
化により、ピストンリングとシリンダーライナー
間の摺動面は高温になり、油膜破断が起り易くな
り、その結果、ピストンリングとシリンダーライ
ナー管の焼付や過大摩耗が発生し易くなる。この
ため近年、シリンダーライナー材料として、窒化
珪素焼結体のように、セラミツクス製のシリンダ
ーボアの使用が考慮されている。

一方、ピストンリングとしては、その摺動部に
モリブデン溶射や鉄クロム合金粉末の溶射を施す
ことにより、ピストンリングの耐摩耗性、油膜の
保持性を高めている。

しかし、このように改良されたピストンリング
においても、窒化珪素焼結体などのセラミツクス
ボアに使用すると、ピストンリングは十分な耐摩
耗性を有するとは言えず、また相手材であるセラ
ミツクスボアの壁面の摩耗も大きかつた。

本発明はかかる実情に鑑み開発されたものであ
り、耐摩耗性を有し、かつ、相手材であるセラミ
ツクスボアの攻撃性も少ないセラミツクスボア用
ピストンリングを提供することを目的とする。

本発明者は、この目的を達成するために、種々
の溶射材料を調査、研究した。

その結果、本発明者は、窒化珪素焼結体などの
セラミツクスボアに用いるピストンリングにおい
て、摺動層となる溶射層をアルミナとチタニヤお
よび酸化クロムから構成し、更にアルミナとチタ
ニヤ60重量％、残部（40重量％）酸化クロム付近
で相手材攻撃性の臨界的意義が得られることに発
見、確認し、そして、アルミナとチタニヤ40〜80
重量％に対し残部20〜60重量％が酸化クロムとす
れば、優れた耐摩耗性をもち、しかも相手材であ
るセラミツクスボアに対する攻撃性が少ない溶射
層が得られることに着目し、本発明を完成したも
のである。

即ち、本発明のセラミツクスボア用ピストンリ
ングは、金属製のピストンリング本体とピストン
リング本体の摺動面に形成された摺動層とより成
るピストンリングにおいて、摺動層がアルミナ、チタニヤおよび酸化クロム
の溶射盛金で形成され、アルミナとチタニヤ40〜80重量％に対し残部20
〜60重量％が酸化クロムであり、セラミツクス焼
結体製シリンダボアへの攻撃性が低いことを特徴
とするものである。

本発明の金属製のピストンリングの本体とは、
その摺動面に摺動層を形成する前のピストンリン
グ素材を言う。係るピストンリング本体として
は、従来のピストンリング素材をそのまま使用す
ることができる。ピストンリングの種類として
は、コンプレツシヨンリング、オイルリングと従
来の各種のピストンリングを用いることができ
る。

ピストン本体の摺動面に形成された摺動層は、
アルミナ、チタニヤおよび酸化クロムの溶射盛金
で形成されていることに特色がある。摺動層の構
成割合は、重量％でアルミナとチタニヤが40〜80
重量％、残部20〜60％が酸化クロムである。ここ
でアルミナとチタニヤについては、単酸化物の混
合物でもよいが分子オーダーで混合したアルミ
ナ、チタニヤ複酸化物とするのがよい。これによ
りアルミナとチタニヤの均一性がより確実となり
摺動層の組織がより安定する。

アルミナとチタニヤの混合割合はアルミナ40重
量部に対しチタニヤ60重量部が最適であり、実際
上、アルミナ35〜45重量部、チタニヤ55〜65重量
部がよい。なお、チタニヤはアルミナの耐摩耗
性、耐熱サイクル性改良への効果がある。

アルミナ、チタニヤおよび酸化クロムの粒径
は、10ミクロン〜44ミクロンが好ましい。

摺動層に存在する気孔の気孔率は、３〜10％が
良い。なお、気孔はオイル保持の役割をもつ。摺
動層の厚さは、50ミクロン以上、好ましくは100
〜300ミクロン程度が好ましい。

参考までに摺動層の組成を変え、ピストンリン
グの耐摩耗性および相手材の攻撃性を試験したモ
デル試験結果を説明する。ピストンリング本体の
モデル材料として、外径35mm、内径31mm、厚さ
8.75mmのリング状の軸受鋼（SUJ2）製回転摩耗
試験片Ａ〜Ｇを用意した。そして、この試験片Ａ
〜Ｇの外周面にアルミナ、チタニヤ複合粉末、
（Al₂O₃：40％、TiO₂残部）と酸化クロム粉末と
の混合粉末をそれらの配合割合を変えてプラズマ
溶射した。

配合割合は、アルミナ、チタニヤ合金粉末が試
験片Ａ：100％、試験片Ｂ：90％、試験片Ｃ：80
％、試験片Ｄ：60％、試験片Ｅ：40％、試験片
Ｆ：30％、試験片Ｇ：０％、残部酸化クロム粉末
とした。ここで、試験片Ｃ、試験片Ｄ、試験片Ｅ
が本発明品となる。また試験片Ａ、試験片Ｂ、試
験片Ｆ、試験片Ｇが比較例となる。

さらに比較例として、同種類の試験片を用い、
その外周面に鉄クロム合金粉末（Cr：65％、
Ｃ：8.2％、Si：1.5％、残部Fe）を溶射盛金した
試験片Ｈ、さらには硬質クロムメツキをした試験
片を採用した。

又この試験では、セラミツクス製シリンダボア
に相当する相手部材として、長さ15.75mm幅6.35
mm高さ10.2mmのホツトプレスで得られた窒化珪素
焼結体よりなるブロツク試験片Ｋを採用し、さら
に比較例として、同じ形状の合金鋳鉄のブロツク
試験片Ｊも採用した。

そして、このブロツク試験片Ｋ、Ｊの端面
（15.75mm×6.35mm）と上記リング状の試験片Ａ〜
Ｉの外周面とが接する様に配置し、接触面に潤滑
油としてモーターオイル（10W−30）を供給し、
回転数160rpm、荷重300Kgで３時間の摩耗試験を
実施した。

試験結果を第１図に示す。第１図において上部
は、ブロツク試験片Ｋ、Ｊの摩耗量を示し、具体
的にはブロツク試験片Ｋ、Ｊの摩耗痕の深さを指
標とし、その深さ（単位ミクロン）をあらわす。
第１図において下部は、リング状の回転試験片Ａ
〜Ｉの摩耗量を示し、具体的には回転試験片Ａ〜
Ｉの摩耗減量を指標とし、重量減（単位ミリグラ
ム）をあらわす。

第１図に示す試験結果より、相手材が窒化珪素
焼結体製のブロツク試験片Ｋである場合には、ア
ルミナチタニヤ粉末が40〜80％、酸化クロムが20
〜60％の組成をもつ試験片Ｃ、Ｄ、Ｅとすると、
つまり溶射盛金がアルミナ、チタニヤ、酸化クロ
ムの３成分を含んでいれば、相手材である窒化珪
素焼結体製のブロツク試験片Ｋの摩耗量は５〜
6.5ミクロンあたりと極めて少ないことがわかる。

しかもアルミナチタニヤ粉末が60％、酸化クロ
ムが40％の組成をもつ試験片Ｄでは、窒化珪素焼
結体製のブロツク試験片Ｋの摩耗量は最低である
ことがわかる。

一方、相手材が合金鋳鉄製のブロツク試験片Ｊ
である場合には、アルミナチタニヤ粉末が40〜80
％、酸化クロムが20〜60％の組成をもつ試験片
Ｄ、Ｅであつても、つまり溶射盛金がアルミナ、
チタニヤ、酸化クロムの３成分を含んでいても、
相手材であるブロツク試験片Ｊの摩耗量は14.9ミ
クロン、14.8ミクロン付近と極めて大きいことが
わかる。

以下、実施例により説明する。

第２図に示す球状黒鉛鋳鉄製のピストンリング
本体１とその外周面にプラズマ溶射で形成された
摺動層２とより成る本発明のピストンリングを製
造した。

摺動層２として、アルミナ、チタニヤ複合粉末
60％、酸化クロム40％のもの、アルミナ、チタニ
ヤ複合粉末40％、酸化クロム60％のもの０と２種
類のピストンリングを製造した。

このピストンリングの摺動層の厚さは0.10〜
0.15mmである。又、摺動層の気孔率は５％であ
る。これらの摺動層は、上記混合粉末をピストン
リング本体の外周面に溶射し、通常の研削加工、
ラツピング加工を施し、表面粗さを0.5〜2.0ミク
ロンとしたものである。これら２種類のピストン
リングをそれぞれ別のデーゼルエンジンに組み込
み、実際のエンジンによる耐久試験を実施した。
使用したデイーゼルエンジンは排気量2188c.c.、シ
リンダーの孔径90mm、ストローク86mmの４サイク
ル４気筒のものであり、シリンダーボアとして
は、ホツトプレス法で製造した窒化珪素焼結体を
用いた。又、試験条件は、エンジン回転数
5200rpm全負荷とし、燃料として軽油を用い、
500時間の耐久試験を実施した。

この耐久試験において、２種類のピストンリン
グはいずれも良好に作動し、ピストンリングの摩
耗量は極めて軽微であつた。又、相手材である窒
化珪素焼結体製のシリンダボアの摩耗もほとんど
認められることができず、スカツフイングと呼ば
れる縦傷の発生も全く見られなかつた。

この耐久試験により本発明のピストンリングは
シリンダーボアがセラミツクスで形成されたエン
ジンのピストンリングとして十分な耐久性をも
ち、かつ相手材に対する攻撃性が少なく、すぐれ
たピストンリングであることが立証された。

【図面の簡単な説明】

第１図は摩擦試験の結果を示す棒グラフ、第２
図は本発明の実施例で得られたピストンリングの
断面図を示す。図中符号１はピストンリング本
体、２は摺動層を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１金属製のピストンリング本体と該ピストンリ
ング本体の摺動面に形成された摺動層とより成る
ピストンリングにおいて、上記摺動層がアルミナ、チタニヤおよび酸化ク
ロムの溶射盛金で形成され、アルミナとチタニヤ40〜80重量％に対し残部20
〜60重量％が酸化クロムであり、セラミツクス焼
結体製シリンダボアへの攻撃性が低いことを特徴
とするセラミツクスボア用ピストンリング。