JPS59100263A - 溶射ピストンリング - 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】 本発明は優れた耐摩耗性と耐スカッフ性とを具えるとと
もに相手シリンダの摩耗の少ない溶射ピストンリングに
関するものである。

近年、内燃機関特に自動車用エンジンの溝、床な進歩に
よって、ピストンリングの作動条件は極めて苛酷となっ
ている。従来、自動車用ピストンリングは、特にトップ
リングには耐摩擦性、耐スカッフ性の附与のため硬質Ｃ
ｒメッキを摺動面に施していたが、特にディーゼルエン
ジンにおいて耐スカッフ性の点で問題が生ずる場面が出
現し始め、従来のＣｒメッキに代る耐摩耗性、耐スカッ
フ性に富むピストンリングの要求が高まっている。

かかる要求に対応するため、Ｍｏ溶射リングが開発され
実用に供されていることは公知であるが、耐摩耗性の点
でＣｒメッキに比し問題があり、その改良のため、各種
のピストンリング用の溶射材料が研究開発されつつある
。しかし、その溶射材料は金属の酸化物、炭化物あるい
は金属間化合物を主体としている。一般的にはこれ等の
溶射材料は高硬度であるため、ピストンリング自体の耐
摩耗性、耐スカッフ性はＣｒメッキあるいはＭｏ溶射リ
ングのそれを上廻って良好な結果を示しているが、これ
等の硬質の溶射材料の高硬度に基因するシリンダ摩耗が
発生し、Ｃｒメッキリングを使用した場合に比し、シリ
ンダ摩耗は２〜３倍になるケースさえある。

そこで、本発明は優れた耐摩耗性と耐スカッフ性とを具
えるとともに相手シリンダの摩耗の少ない溶射ピストン
リングを提案するものである。即ち、その要旨とすると
ころは、 重量比で Ｃ　　　　　　　　１〜４％ Ｃｒ　　　　　　　１０〜３０％ Ｎｉ　　　　　　　２〜１５％ Ｍｏ　　　　　　　１０〜３０％ Ｃｏ　　　　　　　２０〜４０％ Ｎｂ　　　　　　　１〜５％ Ｆｅ（含不純物）　　　残部 からなる特殊合金粉末４０〜９０重量％と自硬性を有す
る鉄または鉄合金粉末１０〜６０重量％との混合粉末を
プラズマ溶射してなる溶射層をリング摺動面に形成した
ものである。本発明における特殊合金粉末は優れた耐摩
耗性、耐スカッフ性を附与するとともに相手シリンダの
摩耗の減少を目的とし、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏおよび
Ｎｂなどの合金元素を鉄と所定の割合で混合し、溶解し
合金を粉砕又はアトマイズして製造する。

自硬性を有する鉄または鉄合金粉末とは、プラズマ溶射
等によって被溶射体に溶着する際に、溶射粒子が急冷さ
れることによって硬化する性質（自己焼入性）をもつ粉
末を指し、より具体的にはＣを０．６％以上含む高炭素
鋼或いはＣｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｍｎ等の元素を含む合金鋼
等を指すが、工業的に実施する場合はコストの面から高
炭素鋼が望ましい。

次に、本発明の溶射皮膜を構成する各粉末組成（重量比
率％）の限定理由を述べる。

まず、特殊合金粉末については、ＣはＣｒ，Ｍｏおよび
Ｎｂと結合して複合カーバイドを形成するものであり、
その量が１％（重量％以下同じ）未満では、析出カーバ
イド量が少ないし、４％を超えると、析出カーバイドが
極端に粗大化するので、その量を１〜４％とする。

ＣｒおよびＭｏはＣ及びＮｂとともに上記のように複合
カーバイドを形成し、耐摩耗性、耐熱性の向上に寄与し
、またＭｏは合金の融点を低下せしめる効果をもつので
、溶射の際の粉末の溶けこみがよく空孔の発生を少なく
する効果をも奏する。ＣｒおよびＭｏの量が１０％未満
では、上記の効果を充分に発揮できないし、３０％を越
えてもそれ以上の効果が認められないばかりでなく経済
的にも不利となるので、ＣｒおよびＭｏはともに１０〜
３０％の範囲とする。

Ｎｂはそれ自体で特殊なカーバイドを形成するとともに
、Ｃｒ，Ｍｏ及びＣと複合カーバイドを形成し、これら
カーバイドの微細化に優れた効果を発揮する。その量が
１％未満では上記の効果を充分に発揮できないし、５％
を超えると、Ｎｂカーバイドが粗大化してくるので好ま
しくないから１〜５％の範囲とする。

ＮｉおよびＣｏはともに溶射層の耐熱性および耐蝕性を
向上せしめる。Ｎｉが２％未満、およびＣｏが２０％未
満では、それらの効果が充分に発揮できず、またＮｉが
１５％を超え、Ｃｏが４０％を超えると、経済的に不利
となるので、Ｎｉは２〜１５％、Ｃｏが２０〜４０％の
範囲とする。上記の成分範囲で得られる合金粉末の硬さ
はＨｖ７５０〜１０００で、ピストンリング用の溶射粉
末としては耐摩耗性、耐スカッフ性、耐蝕性の面ですぐ
れた特性を持っている。

次に、特殊合金粉末と自硬性を有する鉄または鉄合金末
（例えば高炭素鋼）との混合割合について限定理由を述
べる。

特殊合金粉末が４０％未満では、ピストンリングの溶射
層自体の耐摩耗性、耐焼付性が低下し、また９０％を越
えると、溶射皮膜の強度およびピストンリング母材との
密着性が低下するので、特殊合金粉末は４０〜９０％の
範囲とする。また、自硬性を有する鉄または鉄合金粉末
（例えば高炭素鋼）は、特殊合金粉末を溶射層内におい
て安定的に分散保持する材料であって、かつその自己焼
入れ性からこの鉄合金部分を焼入れ硬度の水準（Ｈｖ　
６５０〜７５０）になすものである。

例えば、前述の如き、特殊合金粉末と高炭素鋼粉末とを
前記の組成割合で混合して、同時にプラズマ溶射すると
、これらの粉末粒子は均一に層伏に積層され、特殊合金
部分と鉄合金部分が均一に分布し、全体的に均質な組成
となる。

しかも、特殊合金粉末、尚炭素鋼粉末ともに溶射の際の
とけ込みがよいことと、とくに高炭素鋼の溶射粒子は、
ピストンリング母材に衝突する際に十分な熱可塑性を有
しているため、各粒子間及びピストンリング母材（鋳鉄
又は鋼）との間の結合が強化され、溶射粒子の剥脱を未
然に防止することができる。

また本発明の溶射粉末は溶け込みがよく空孔の発生が少
ないこと、耐熱性、耐摩耗性に優れた特殊合金部分と焼
入れ硬度の水準をもつ鉄合金部分が均一に分布した均質
な組成となっている為、ラッピング研削等の仕上げ加工
時の加工性もよく、滑らかな加工表面性状が得られるこ
とから、在来の金属炭化物や金属酸化物の単独溶射ある
いはそれらを多量に含有する混合溶射に較べアブレーシ
ョン摩耗に対する抵抗性を向上し、相手シリンダ材の摩
耗を軽減するとともに、自らの耐摩耗性も優れている。

従って摺動部材の寿命を延長し得るという効果が得られ
る。

次に本発明を実施例に基づき説明する。

なお、下記の実施例（１），（２）で使用する溶射粉末
の成分比（重量％）は第１表に示すとおりである。

実施例（１） 呼び径９０ｍｍ、厚さ３．８ｍｍ、幅２．５ｍｍの球状
黒鉛鋳鉄製ピストンリング母材の外周面及び上，下面を
加工後、外周面に第１図の様な溝１加工を行ない、粒度
−２５０メッシュの特殊合金粉末と同じく−２５０メッ
シュの高炭素鋼（０．８％Ｃ）とを前者と後者の比率が
夫々９０：１０、７０：３０４０：６０になるように調
整した３種類の混合粉末と、特殊合金粉末単独のものを
、リング外周面にプラズマ溶射後、溶射層２の最大厚さ
が０．２ｍｍになるように完成加工した。このときのプ
ラズマ溶射の主要条件は、 溶射機：メテコ３ＭＢ 一次ガス（アルゴン）流量 １００ＰＳＩ：８０Ｓ．Ｃ．Ｆ．Ｈ 二次ガス（水素）流量 ５０ＰＳＩ：１５Ｓ．Ｃ．Ｆ．Ｈ プラズマ供給電力 ５００Ａ×７０Ｖ＝３５ＫＷ 溶射距離・８０ｍｍ　　　　であった。

このようにして得られた試料の密着度の試験結果を第２
表に示す。

尚、溶射後のピストンリング母材３に対する密着度の測
定には、第１図に示す完成加工後の溶射層２を有するピ
ストンリング４を、第２図（ａ）に示すとおり、その合
い口面に直交する半径方向のＡ点及びＢ点に、夫々反対
方向の荷重Ｐを作用させて、第２図（ｂ）の如くピスト
ンリング母材が破壊する寸前まで自由合い口すきま量を
拡張させる方法を用いた。この方法によると、ピストン
リングの合い口と反対側のＣ点に最大応力がかかり、こ
の応力に溶射層が耐えきれなくなると、ピストンリング
母材との接着が損われ、溶射層の剥離が発生するか、或
いは溶射層内にて亀裂が生じて溶射層内部での層間剥離
を発生するに至る。

従って、この時の自由合い口すきまの増加量ΔＬ＝（拡
張時の自由合い口すきま量Ｌ）−（拡張前の自由合い口
すきま量Ｌｏ）を以って、溶射層の密着度を示す指標と
して用いた。即ちΔＬが大きいほど、溶射層の密着度が
高いことを意味する。

第２表に示すとおり、特殊合金粉末単独のものの自由合
い口すきま増加量（ΔＬ）は２３〜３５ｍｍたが、本発
明による特殊合金粉末と高炭素鋼の比率が夫々９０：１
０、７０：３０、４０：６０のものは、溶射層の剥離或
いは亀裂発生がなく密着度が優れていることが判る。

実施例（２） 実施例（１）と同様にして作製した各種溶射ピストンリ
ングを水冷直列４気筒２２００ｃｃディーゼルエンジン
（最高出力７２ＰＳ／４２００ｒｐｍ）に組付け１００
時間の台上試験を行なった。

運転条件：全負荷４８００ｒｐｍ 供試シリンダライナ：ＦＣ３０相当材 尚、１００時間運転後の摩耗量は、ピストンリングにつ
いては合い口すきまの増加量から換算した数値を用い、
シリンダライナについては、トップリング上死点位置の
摩耗量の平均値を用い、又比較材としてＨｖ　１１００
程度の硬さをもつ高炭素フエロクロム粉末（重量比６２
．８％　Ｃｒ、６．３％Ｃ、１．７％Ｓｉ、０．０２％
Ｐ、０．０４％Ｓ、残部Ｆｅ）を溶射したピストンリン
グを組付けた際のピストンリング及びシリンダライナの
摩耗量を（１００）とし、特殊合金粉末単独溶射および
特殊合金粉末と高炭素鋼粉末を夫々の配合比率を変えて
溶射したピストンリングを組付けた際のピストンリング
及びシリンダライナの摩耗量を摩耗指数で示したものが
、第３図である。

（第３図（ａ）高炭素フエロクロム（ｂ）特殊合金単独
溶射（ｃ）特殊合金粉末７０％と高炭素鋼（０．８％Ｃ
）３０％を混合して溶射したもの（ｄ）特殊合金粉末４
０％と高炭素鋼（０．８％Ｃ）６０％を混合して溶射し
たもの（ｅ）特殊合金粉末３０％と高炭素鋼（０．８％
Ｃ）７０％を混合して溶射したもの）台上試験の結果、
以下のことが判明した。特殊合金粉末単独の溶射ピスト
ンリングは、高炭素フエロクロム粉末を溶射したピスト
ンリングに比ベそれ自身の摩耗量はやや多くなるが、相
手側のシリンダライナの摩耗は約１／３にできるという
優れた特性を有する。

特殊合金粉末７０％と高炭素鋼（０．８％Ｃ）３０％を
混合して溶射したものも、特殊合金粉末を単独で溶射し
たものと同等の耐摩耗性を有する。

また、特殊合金粉末４０％と高炭素鋼（０．８％Ｃ）６
０％を混合して溶射したものは、それ自身の摩耗量は高
炭素フエロクロム粉末を溶射したものに比べ４０％程度
摩耗量が多いものの、相手シリンダライナの摩耗量は約
１／３にできるという優れた特性を有する。ところが、
特殊合金粉末が３０％と高炭素鋼（０．８％Ｃ）７０％
を混合して溶射したものは、相手シリンダライナの摩耗
は高炭素フエロクロム溶射リングの約１／２と、少なく
なるものの、溶射皮膜自身の摩耗が高炭素フエロクロム
溶射皮膜に比べ約７０％増加する。

以上の試験結果から、特殊合金粉末を４０％以上含む溶
射皮膜は、自身の耐摩耗性に優れ、また相手シリンダラ
イナの摩耗が高炭素フエロクロム溶射皮膜より格段に少
ないのが判る。従って、相対的寿命の点での改善効果は
明らかである。

なお、第４図は溶射皮膜の断面であり、培率１００倍の
顕微鏡写真、第５図は同溶射皮膜の表面であり、倍率１
００倍の顕微鏡写真である。

そして、第４図及び第５図の（ａ），（ｂ）は夫々、第
４図（ａ）：本発明溶射皮膜（特殊合金粉末７０％＋高
炭素鋼（０．８％Ｃ）３０％） の断面写真 （ｂ）：高炭素フエロクロム粉末溶射皮膜の断面写真 第５図（ａ）：発明溶射皮膜（特殊合金粉末７０％＋高
炭素鋼（０．８％Ｃ）３０％） の表面写真 （ｂ）：高炭素フエロクロム粉末溶射皮膜の表面写真 であり、 写真に付した符号２は溶射層、３はピストンリング母材
、５が空孔である。

そして、上記写真からも明らかなように、本発明の溶射
皮膜（特殊合金粉末７０％＋高炭素鋼（０．８％Ｃ）３
０％）は、高炭素フエロクロム粉末を溶射したものに比
べて、空孔の発生が少ないのがわかる。

即ち、高炭素フエロクロム粉末を溶射してなる溶射層の
空孔率（面積比）は１８〜２８％（実施例写真のものは
２２．４％）であるのに対し、本発明のもの（特殊合金
粉末７０％＋高炭素鋼（０．８％Ｃ）３０％）の空孔率
（８〜１８％（実施例写真のものは１３．２％）である
。

【図面の簡単な説明】 第１図は摺動面に溶射層を有するピストンリングの断面
部分図、第２図（ａ）および（ｂ）は溶射層の密着度の
測定要領を示す説明図、第３図はディーゼルエンジンで
の台上試験結果を示す。 第４図は溶射皮膜の断面であり倍率１００倍の顕微鏡写
真、第５図は同溶射皮膜の表面であり倍率１００倍の顕
微鏡写真である。そして、第４図及び第５図の（ａ），
（ｂ）は夫々、第４図（ａ）：本発明溶射皮膜（特殊合
金粉末７０％＋高炭素鋼（０．８％Ｃ）３０％） の断面写真 （ｂ）：高炭素フエロクロム粉末溶射皮膜の断面写真 第５図（ａ）：本発明溶射皮膜（特殊合金粉末７０％＋
高炭素鋼（０．８％Ｃ）３０％） の表面写真 （ｂ）：高炭素フエロクロム粉末溶射皮膜の表面写真 である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量比で Ｃ　　　　　　１〜４％ Ｃｒ　　　　　１０〜３０％ Ｎｉ　　　　　２〜１５％ Ｍｏ　　　　　１０〜３０％ Ｃｏ　　　　　２０〜４０％ Ｎｂ　　　　　１〜５％ Ｆｅ（含不純物）　残部 からなる特殊合金粉末４０〜９０重量％と自硬性を有す
   る鉄又は鉄合金粉末１０〜６０％との混合粉末をプラズ
   マ溶射してなる溶射層を摺動面に形成した溶射ピストン
   リング。