JPS6045268B2 - piston ring - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高度の耐摩耗性が要求される内燃機関用ピスト
ンリングに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine that requires a high degree of wear resistance.

近年、内燃機関の性能を向上させる目的から圧縮比及び
回転数を増加することが行われている。In recent years, the compression ratio and rotation speed have been increased in order to improve the performance of internal combustion engines.

この為ピストンリングに対する耐摩耗性の要求は必然的
に大なるものがある。ところで摩耗特性を類別する時、
アブレージヨン（高硬度異物による研削摩耗）とスカツ
フという現象はエンジンの性能に大きな影響を与えるも
のであり、従つて耐アブレージヨン性と耐スカツフ性と
の両者が相俟つてはじめて優れた耐摩耗性を発揮するも
のとなる。For this reason, there are inevitably great demands for wear resistance on piston rings. By the way, when classifying wear characteristics,
The phenomena of abrasion (grinding wear caused by high-hardness foreign matter) and scuffing have a major impact on engine performance. Therefore, excellent wear resistance can only be achieved when both abrasion resistance and scuffing resistance work together. Become something to do.

本発明者は、前記耐アブレージヨン性と耐スカツフ性を
同時に兼備えたものとして、特願昭４６一８２３２０に
示す如く、「摺動部材の摺動面と接触する外周面或いは
、その他の面に重量比で１０〜５０％の未合金の自店性
合金と、２０〜６０％の金属炭化物或いは金属酸化物及
び残部５０％以下のＭｏの３相よりなる溶射層を形成せ
しめたことを特徴とする摺動部材。As shown in Japanese Patent Application No. 46-82320, the inventor of the present invention proposes a material that has both abrasion resistance and scuff resistance at the same time. It is characterized by forming a sprayed layer consisting of three phases: 10 to 50% by weight of an unalloyed self-supporting alloy, 20 to 60% of a metal carbide or metal oxide, and the balance of 50% or less of Mo. sliding member.

」及び特願昭５１−１８８４８に示す「ピストンリング
の摺動面に溶射により形成される合金耐摩耗層がモリブ
デン、クロム炭化物及び鉄基合金よりなり分析値で重量
比にてＭ０３０〜５０％、Ｃｒ１５〜６０％、Ｃ００．
５〜７．０％、Ｆｅ５〜２０％、その他酸素及び合金成
分より構成されたことを特徴とするピストンリング。」
を提供した。しかしながら、これら、先に提供したもの
は、自分自身が非常に優れた耐摩耗性を有し、また相手
材がクロムメッキの場合には互に優れた耐摩耗性を示す
のであるが、相手材が特に鋳鉄であつた場合には、組織
中に分散した高硬度の金属炭化物或は金属酸化物によつ
て相手材である鋳鉄を摩耗させる傾向を有していること
が明らかとなつた。” and Japanese Patent Application No. 18848/1984, “The alloy wear-resistant layer formed by thermal spraying on the sliding surface of the piston ring is made of molybdenum, chromium carbide, and iron-based alloy, and the analysis value shows that the weight ratio is M030 to 50%, Cr15-60%, C00.
A piston ring comprising 5 to 7.0% Fe, 5 to 20% Fe, and other oxygen and alloy components. ”
provided. However, these previously provided materials themselves have very good wear resistance, and when the mating material is chrome plated, they both exhibit excellent abrasion resistance. It has become clear that especially when the material is cast iron, the highly hard metal carbide or metal oxide dispersed in the structure tends to wear out the cast iron, which is the mating material.

言うまでもなく、ピストンリングとして検討を加えると
き、相手材である鋳鉄シリンダを摩耗させてるのでは使
用に供せない。この様な状況に鑑み、本発明の目的は、
自分自身が優れた耐摩耗性を有することは勿論のこと、
相手材も摩耗させない優れたピストンリングを提供しよ
うとするもの”である。即ち、本発明の目的はピストン
リングの摺動面に重量比で主として１０〜６０％の鉄基
合金と１０〜５０％のＭｏ及び５〜４０％の自店性合金
の３相及び空孔よりなる組織を有する溶射層を形成せし
めたこ；とを特徴とするものであり、耐摩耗性、すなわ
ち耐スカツフ性及び耐アブレージヨン性を同時に満足せ
しめるピストンリングを提供せんとするものである。Needless to say, when considering a piston ring, it cannot be used if the mating material, the cast iron cylinder, is worn out. In view of this situation, the purpose of the present invention is to
Not only does it have excellent wear resistance, but
It is an object of the present invention to provide an excellent piston ring that does not cause wear on the mating material. That is, the purpose of the present invention is to provide an iron-based alloy with a weight ratio of mainly 10 to 60% and 10 to 50% on the sliding surface of the piston ring. It is characterized by forming a thermal sprayed layer having a structure consisting of three phases of Mo and 5 to 40% self-storing alloy and pores, and has excellent wear resistance, that is, scuff resistance and abrasion resistance. The purpose of the present invention is to provide a piston ring that satisfies the above-mentioned characteristics at the same time.

以下、本発明を詳細に説明する。The present invention will be explained in detail below.

本発明の特徴は、溶射層を改善すべく自溶性合金を添加
したことにある。自溶性合金としては、例えばＮｉ−Ｂ
一Ｓｉ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系、ＣＯ−Ｎｉ−Ｃｒ
−ＭＯ（又はＷ）−Ｂ−Ｓｉ系等がある。自溶性合金は
高硬度であり、８Ｃ６０以上に及ぶものもあり、摂氏３
５０度程度では、硬度低下もなく、耐摩耗性、耐食性に
すぐれている。自溶性合金は、本来溶射後ヒユージング
することにより、非常に緻密な組織となつた状態で使用
される。A feature of the present invention is that a self-fluxing alloy is added to improve the sprayed layer. Examples of self-fusing alloys include Ni-B
-Si system, Ni-Cr-B-Si system, CO-Ni-Cr
-MO (or W)-B-Si system, etc. Self-fusing alloys have a high hardness, some reaching 8C60 or higher, and a hardness of 3 degrees Celsius.
At about 50 degrees, there is no decrease in hardness and the wear resistance and corrosion resistance are excellent. Self-fusing alloys are originally used in a state where they have a very dense structure by fusing after thermal spraying.

このヒユージング処理は、被溶射物を摂氏１０５０度前
後の高温に加熱して拡散を行うので、ピストンリングの
張力は減退し使用は全く考えられなかつた。しかしなが
ら、本発明者はこの自溶性合金をプラズマ溶射すると、
ヒユージングをせずとも緻密な組織となり、そのまま使
用に耐えることに着目したのである。In this fusing process, the object to be thermally sprayed is heated to a high temperature of around 1050 degrees Celsius to perform diffusion, so the tension in the piston ring decreases, making it completely unthinkable to use it. However, the inventor discovered that when this self-fusing alloy is plasma sprayed,
They focused on the fact that it has a dense structure even without fusing and can be used as is.

この場合、本発明はプラズマ溶射を行うので溶射層は必
然的に空孔を有することとなるものである。次にこの耐
摩耗性にすぐれた自溶性合金をＭＯに添加して行くとＭ
Ｏのみのポーラスな組織から次第に緻密な組織へ変わつ
てくる。このポーラスは周知の如く、保油性を有するの
で非常に重要である。しかしながら、ＭＯは高温一度て
酸化されると、ＭＯ酸化物を生成し、該ＭＯ酸化物は、
高温度で気化しやすく、酸化摩耗を生する。このため、
本発明において、ＭＯの重量比は５０％以下にしている
。そして、減少した成分については、添加する第ζ３の
成分によつてこれを補い、解決することができる。In this case, since the present invention performs plasma spraying, the sprayed layer will inevitably have pores. Next, when this self-fluxing alloy with excellent wear resistance is added to MO, M
The porous structure consisting only of O gradually changes to a dense structure. As is well known, this porous material has oil retaining properties and is therefore very important. However, once MO is oxidized at high temperature, it produces MO oxide, which is
Easily vaporizes at high temperatures, causing oxidative wear. For this reason,
In the present invention, the weight ratio of MO is 50% or less. The decreased component can be compensated for and solved by the ζ-th component added.

即ち、本発明の一つの特色は鉄基合金の採用にある。That is, one feature of the present invention is the use of an iron-based alloy.

ＭＯ粒子はＦｅの面に溶射されるとＦｅと合金化さ５れ
る。When the MO particles are sprayed onto the Fe surface, they become alloyed with the Fe.

このため鉄基合金に対して、非常にすぐれた密着性を有
し、溶射の下地処理として使用されることもある。また
、ＭＯ粒子とＭＯ粒子の結合力よりもＭＯ粒子とＦｅ粒
子の結合力の方がすぐれている。本発明はこの点に着眼
されているので、こ４こでいう鉄基合金とは炭素鋼、鋳
鉄、ステンレス鋼等にとどまらず、極く一般的な総称で
ある鉄基合金を指す。このようにしてＭＯとＦｅの粒子
は強固に結合し、溶射粒子の脱落によるアブレージヨン
反耗を防ぐ。Therefore, it has excellent adhesion to iron-based alloys and is sometimes used as a base treatment for thermal spraying. Further, the bonding force between MO particles and Fe particles is superior to that between MO particles and MO particles. Since the present invention focuses on this point, the term "iron-based alloy" referred to herein refers not only to carbon steel, cast iron, stainless steel, etc., but also refers to iron-based alloys, which is a very general general term. In this way, the MO and Fe particles are firmly bonded to each other, thereby preventing abrasion wear due to shedding of sprayed particles.

この時鉄基合金が１０％未満及び６０％超では結合力が
弱くそのため溶射粒子の脱落によつてアブレージヨン摩
耗を生ずる。従つてこのＦｅ基合金は１０−叩重量％の
範囲内に設定しなければならない。また、ＭＯ及び自溶
性合金は、比較的低硬度な鉄基合金とが摺動面に共存す
ることにより、ＭＯ及び自溶性合金と鉄系合金との間に
微小の摩耗段差が生じ、該摩耗段差による凹部に常時潤
滑フ油が満され、該凹部より鉄系合金の摺動面上に潤滑
油を供給し、このことによつて耐スカツフ性が改善され
る。ＭＯの混合割合が重量比で１０％未満では摩耗段差
による凹部が不足し、そのため潤滑油の保持能力の低下
をきたし、しかも、ＭＯ自身・は非常に耐スカツフ性に
すぐれ、このＭＯが１０％未満では所望の耐スカツフ性
が得られず、一方５０％超では前述のごとく高温度で酸
化されるとＭＯ酸化物を生成し、該ＭＯ酸化物は高温度
で気化しやすく酸化摩耗を生するので、ＭＯは重量比で
１０”〜５０％に設定した。また自溶性合金は、５％未
満では、耐摩耗性が低下する。At this time, if the content of the iron-based alloy is less than 10% or more than 60%, the bonding force is weak and abrasion wear occurs due to dropout of sprayed particles. Therefore, this Fe-based alloy must be set within a range of 10-10% by weight. Furthermore, due to the coexistence of MO and self-fusing alloys with relatively low-hardness iron-based alloys on the sliding surfaces, minute wear differences occur between MO and self-fluxing alloys and iron-based alloys, resulting in wear. The recessed portion formed by the step is constantly filled with lubricating oil, and the lubricating oil is supplied from the recessed portion onto the sliding surface of the iron-based alloy, thereby improving scuff resistance. If the mixing ratio of MO is less than 10% by weight, there will be insufficient recesses due to wear steps, resulting in a decrease in lubricating oil retention ability.Moreover, MO itself has excellent scuff resistance, and if this MO is 10% If it is less than 50%, it will not be possible to obtain the desired scuff resistance, while if it is more than 50%, MO oxide will be produced when oxidized at high temperature as mentioned above, and this MO oxide will easily vaporize at high temperature, causing oxidative wear. Therefore, MO was set at a weight ratio of 10'' to 50%.If the amount of MO is less than 5%, the wear resistance of the self-fluxing alloy decreases.

また、自溶性合金は高硬度で靭性にとぼしく、ピストン
リングはシリンダー内で変形を受けるが、この繰り返し
の変形により、溶射層にクラックを生じ易く脱落しやす
くなる。このため自溶性合金は４０％以下でなければな
らない。上述の如く、本発明のピストンリングにおいて
は、摺動面に特定量の鉄基合金，ＭＯ，自溶性合金が溶
射されるが、溶射時にわずかながら合金層ができるため
、上記成分で主としてすなわち実質的に構成され、これ
ら相乗的に作用して耐摩耗、すなわち耐スカツフ，耐ア
ブレージヨン性を同時に満足せしめるものである。上記
のごとく溶射時に僅かの量の合金層ができるため、特許
請求の範囲の記載において「主として」の用語を使用し
た。次に本発明を、更に実施例により詳しく述べる。In addition, self-fusing alloys have high hardness and poor toughness, and the piston rings are deformed within the cylinder, but this repeated deformation tends to cause cracks in the sprayed layer and make it easy to fall off. Therefore, the content of self-fusing alloy must be 40% or less. As mentioned above, in the piston ring of the present invention, a specific amount of iron-based alloy, MO, and self-fluxing alloy is thermally sprayed on the sliding surface, but since a small amount of alloy layer is formed during thermal spraying, the above components are mainly used, that is, substantially These elements act synergistically to simultaneously satisfy wear resistance, that is, scuff resistance and abrasion resistance. As mentioned above, since a small amount of alloy layer is formed during thermal spraying, the term "mainly" is used in the claims. Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

実施例１ 外径８３顛×幅２Ｔｎ×厚さ３．８順の寸法を有するピ
ストンリングの摺動面に凹溝を形成し、該ピストンリン
グを脱脂し、その後１６０℃に加熱し、プラズマ溶射を
し、しかる後摺動面を平滑加工し本発明ピストンリング
を得た。Example 1 A concave groove was formed on the sliding surface of a piston ring having dimensions in the order of outer diameter 83mm x width 2Tn x thickness 3.8, the piston ring was degreased, then heated to 160°C, and plasma sprayed. After that, the sliding surface was smoothed to obtain a piston ring of the present invention.

この時の溶射層は、金属モリブデン粉末（３μ）３５％
と自溶性合金粉末（Ｃｌ．Ｏ％，Ｓｌ４．Ｏ％，Ｃｒｌ
７．Ｏ％，Ｂ３．５％，Ｆｅ４．Ｏ％，残部Ｎｉ）３５
％及びＳＫ澹粉末（鉄基合金粉末）（Ｃｌ．Ｏ％，Ｓｌ
Ｏ．２％，ＭｒｌＯ．２％，残部Ｆｅ）３０％の組織を
持つた溶射層である。（溶射条件） プラズマ装置 メテコＡＭ 電流，電圧 ８０ＱＡ，３５Ｖ 溶射距離 １００ｍ この時、溶射層において、空孔率４．０％、硬度スーパ
ーフイシヤル３０−Ｎ６２．２であつた。The sprayed layer at this time was 35% metal molybdenum powder (3μ).
and self-fusing alloy powder (Cl.O%, Sl4.O%, Crl
7. O%, B3.5%, Fe4. O%, balance Ni) 35
% and SK 澹 powder (iron-based alloy powder) (Cl.O%, Sl
O. 2%, MrlO. This is a thermally sprayed layer with a structure of 30% (2% Fe, balance Fe). (Thermal spraying conditions) Plasma device: Metco AM Current, voltage: 80 QA, 35 V Spraying distance: 100 m At this time, the porosity of the sprayed layer was 4.0%, and the hardness was 30-N62.2.

実施例２実施例１と同一寸法のピストンリングの摺動面
に同一条件にてプラズマ溶射し、しかる後、摺動面を平
滑加工し本発明ピストンリングを得た。Example 2 Plasma spraying was applied to the sliding surface of a piston ring having the same dimensions as in Example 1 under the same conditions, and then the sliding surface was smoothed to obtain a piston ring of the present invention.

この時の溶射層は金属モリブデン粉末（３μ）４０％と
自溶性合金粉末（ＣＯ．ｌ５％，Ｓｉ２．５％，Ｃｒｌ
Ｏ．Ｏ％，Ｂ２．５％，Ｆｅ２．５％，残部Ｎｉ）１０
％及び鉄基合金粉末（Ｃ３．５％，ＭｎＯ．３５％，残
部Ｆｅ）５０％の組織をもつた溶射層であり、空孔率＆
Ｏ％、硬度スーパーフイシヤル３０−Ｎ６Ｏ．８であつ
た。以下、本発明の効果を確認するため下記の如く試験
を行なつた。前記した実施例の項で述べたと同一条件に
て、ダクタイル材にして摺動面に空孔率４．０％、硬度
スーパーフイシヤル３０−Ｎ６２．２の混合溶射層を０
．５顛形成せしめた試料１（１５−×２『×７醜）及び
空孔率８．０％、硬度スーパーフイシヤル３０−Ｎ６２
．２の混合溶射層を０．５順形成せしめた試料２（１５
順×２０ｍ×７顛）を作成した。At this time, the sprayed layer consisted of 40% metal molybdenum powder (3 μ) and self-fluxing alloy powder (CO.l 5%, Si 2.5%, Crl).
O. O%, B2.5%, Fe2.5%, balance Ni) 10
% and iron-based alloy powder (C3.5%, MnO.35%, balance Fe) 50% structure, with porosity &
0%, hardness super physical 30-N6O. It was 8. In order to confirm the effects of the present invention, the following tests were conducted. Under the same conditions as described in the example section above, a ductile material was used and a mixed thermal sprayed layer with a porosity of 4.0% and a hardness of 30-N62.2 was applied to the sliding surface.
．． Sample 1 (15-x2 "x7 ugly") with 5 layers formed, porosity 8.0%, hardness super fibrous 30-N62
．． Sample 2 (15
A total of 20m x 7 pieces was created.

また性能比較用としてダクタイル材の摺動面にＭＯ３Ｏ
％、自溶性合金３０％、Ｃｒ２Ｏ３４Ｏ％よりなる溶射
層を０．５Ｔ＄Ｌ形成せしめた試料３（１５ｗＲ×２０
コ×７Ｗ１１ｊ）及びダクタイル材の摺動面にＭＯ４３
．５％，Ｃｒ３５．９％，Ｆｅｌ２．２％，Ｃ３．Ｏ％
，空孔率５．５％，硬度スーパーフイシヤル３０−Ｎ６
２の混合溶射層を０．５顛形成せしめた試料４（１５ｍ
×２ｈ×７］Ｆｌ２ｌｌ）を作成した。Also, for performance comparison, MO3O was added to the sliding surface of the ductile material.
Sample 3 (15 wR x 20
MO43 on the sliding surface of the ductile material
．． 5%, Cr35.9%, Fe2.2%, C3. O%
, porosity 5.5%, hardness super fibrous 30-N6
Sample 4 (15 m
×2h×7]Fl2ll) was created.

このように作成した試料１，２，３，４を回転式摩耗試
験機を用い、かかる試料１，２，３，４をそれぞれ固定
片（ピストンリング相当）とし、この固定片を鋳鉄材（
Ｃ３．２％，Ｓｉ２．Ｏ％，ＭｎＯ．８％）で製作され
たリング状試料（硬度ＨＲＢ９８）（シリンダー・ライ
ナーに相当）（外径１３６コ，内径１０５Ｔ！Ａ，厚さ
７ｍ）上面にそれぞれ圧接し、その圧接面に対し、常時
潤滑油を供給しつつリング状試料を回転させ、運転後の
摩耗量を測定した。Samples 1, 2, 3, and 4 prepared in this way are used as fixed pieces (equivalent to piston rings) using a rotary wear tester, and these fixed pieces are made of cast iron (
C3.2%, Si2. O%, MnO. 8%) (hardness HRB98) (equivalent to cylinder liner) (outer diameter 136 mm, inner diameter 105 T!A, thickness 7 m) is pressed against the upper surface of each ring, and the pressed surfaces are constantly lubricated. The ring-shaped sample was rotated while supplying oil, and the amount of wear after operation was measured.

試験条件潤滑油量：０．２ｆ／Ｍｉｎ 潤滑油 ：ダフニオイル＃６５＋白灯油（１：１）荷重
：２０ｋｇ／Ｃｌｌ摩擦速度；１０ｒｎ／Ｓｅｃ 走行距離：３００― 上記、試験結果は、第１図に示す如くである。Test conditions Lubricating oil amount: 0.2 f/Min Lubricating oil: Daphne oil #65 + white kerosene (1:1) Load: 20 kg/Cll Friction speed: 10 rn/Sec Travel distance: 300 - The above test results are shown in Figure 1. As shown.

試験結果から明らかな如く、本発明による試料１，２に
おける耐摩耗性は性能比較用としての試料３，４より優
れており、特に、ピストンリング、の相手材であるシリ
ンダライナーの耐摩耗性は本発明品の方が従来品に比し
て非常に優れていることが判る。よつて上記試験に基づ
き、本発明のピストンリングが耐摩耗性、すなわち耐ア
ブレージヨン性及）び耐スカツフイング性の点に於いて
も優れていることが判明した。As is clear from the test results, the wear resistance of Samples 1 and 2 according to the present invention is superior to Samples 3 and 4 for performance comparison, and in particular, the wear resistance of the cylinder liner, which is the mating material of the piston ring, is It can be seen that the product of the present invention is significantly superior to the conventional product. Therefore, based on the above test, it was found that the piston ring of the present invention is also excellent in wear resistance, that is, abrasion resistance and scuffing resistance.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は試験結果のグラフを示す。 Figure 1 shows a graph of the test results.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ ピストンリングの摺動面に重量比で主として１０〜
６０％の鉄基合金と１０〜５０％のＭｏ及び５〜４０％
の自溶性合金の３相及び空孔よりなる組織を有する溶射
層を形成せしめたことを特徴とするピストンリング。1 The sliding surface of the piston ring mainly has a weight ratio of 10 to
60% iron-based alloy and 10-50% Mo and 5-40%
1. A piston ring comprising a thermally sprayed layer having a structure consisting of three phases of a self-fusing alloy and pores.