JPS6045717B2 - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は耐摩耗性の表面処理をされた高速で摺動する
ピストンリングに係る。

シリンダまたはシリンダライナと高速で摺動するピスト
ンリングは耐摩耗性を高めるため外周摺動面に硬質クロ
ムめつきを施したものが広く使用されているが、このめ
つき処理にかなりの長時間を要する上に、めつきの廃液
による公害発生の防止対策に多くの費用を要し、めつき
のコストが高くなる等の問題点がある。

硬質クロムめつき以外の表面処理としては元素周期律表
中の肱属に属する鉄、コバルトまたはニッケル中に炭化
珪素のような硬質粒子を分散させた分散めつきや、初期
なじみ性が良好なモリブデン溶射が既に採用されている
が、高鉛ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに使用
した場合にはピストンリングの摩耗が多く、エンジンの
次期オーバホールまでの期間、いわゆる解放期間が短く
なるという欠点がある。

本発明は従来の表面処理を施されたピストンリングより
も一層耐摩耗性に優れると共に、相手材を摩耗させるこ
とが少なく、かつ焼着を生じ難いピストンリングを提供
することを目的とし、内燃機関用ピストンリングにおい
て、燐を２〜１踵量％含有するニッケルめつき層であつ
て、平均粒径０．５〜５μｍの窒化珪素粒子が容積比で
５〜３０％分散され、かつ熱処理を施されてマイクロビ
ッカース硬さ８００以上に硬化された複合ニッケルめつ
き層を摺動面に有することを特徴とする内燃機関用ピス
トンリングに係る。

めつきを施す母材としては通例のピストンリングの材料
として使用される鉄鋼材料、すなわち鋳鉄、鋼、鉄基焼
結合金あるいは鉄基耐熱合金等を使用する。

これら材料で作られた部品の表面に本発明に係る窒化珪
素分散含燐ニッケルめつきを施すのには窒化珪素粒子を
懸濁させたニッケル・次亜燐酸塩浴中で化学めつきを施
すいわゆる無電解・法または窒化珪素粒子を懸濁させた
通常のニッケルめつき液に次亜燐酸塩を添加した液をめ
つき液とし、めつきしようとする部品を陰極とし、ニッ
ケル板またはボールを陽極として電気めつきを施す方法
のいずれでもよい。含燐ニッケルめつき層・は熱処理を
施すことによつて硬さが増加することが知られており、
例えは４００℃、１時間の熱処理によつてビッカース硬
さＨＶ５ＯＯ±５咽度の硬さがほぼＨｖｌＯＯ哩度まで
硬化する。本発明においてはこのように熱処理を施し、
めつき層を硬化させて使用する。窒化珪素分散めつきを
施すに当り、無電解ニッケルめつきの楊合はめつき層の
密着性が良好なのでニッケルストライクめつきは不要で
ある。

しかしながら電気めつきの場合には予めニッケルストラ
イクめつきを施しておくことは母材との密着性を良好に
するために好ましい。本発明に使用する窒化珪素粒子の
平均粒径は０．５〜５μｍの大きさで最大粒子径が１０
ｐｍ以下のものが好適であり、これが０．５μｍ以下で
は耐摩耗性改善の効果が不充分であり、５μｍよりも粗
くなるとめつき層が脆くなり、摺動中に欠けおちるのが
多くなる。

めつき層中の窒化珪素粒子の量は容積比で５〜３０％が
適当であり、これが５％より少ないと耐摩耗性改善の効
果が不充分であり、３０％を越えると摺動相手材を摩耗
させることが多くなる上に、含冫燐ニッケルめつき層の
強度も低下する。

第１図は本発明に係る摺動部品表面近くの断面の顕微鏡
組織を示す写真（２０ＣＰｉ）てあり、図中最下部の層
１は母材、中間の薄黒色のほぼ無地の層２は下地のニッ
ケルストライク層、その上の表２面層３が窒化珪素粒子
分散含燐ニッケルめつき層であり、熱処理により硬化し
た含燐ニッケルめつき層中に窒化珪素粒子が分散した組
織となつているのて耐摩耗性が著しく改善される。

上記の表層の窒化珪素分散含燐ニッケルめつき層の厚さ
と、３もしニッケルストライクめつきを施す場合にはそ
の厚さとはいずれは機械的強度の観点から５μｍ以上で
あることが望ましい。次に本発明に係る摺動面の摩耗試
験および焼着試験について説明する。

試験は第２図および第３３図に要部を図解的に示すライ
ター方式摩耗試験機によつて行なつた。その概要を述べ
ればステータホルダ１にＦＣ２遍で摺動面２がホーニン
グ仕上げされた円板３が取外し可能に取付けられており
、その中央には裏側から注油孔４を通して潤滑４油が注
油されるようにしてあり、図示しない油圧装置によつて
ステータホルダ１には図において右方へ向けて所定圧力
て押圧力がかかるようにしてある。円板３に対向してロ
ータ５上に取付けられた試験片保持具６の回転軸と同心
の円周上に等間隔に刻設された４個の取付孔にそれぞれ
試験片７が取付けられ、それぞれ所定の表面処理が施さ
れた試験片の５×５ｗ０ｎ角の先端端面が円板３の摺動
面２に接触し、図示しない駆動装置によつて所定速度で
回転する。試験はステータ側の注油孔４から一定油温の
潤滑油を摺動面に供給しながら行なう。 摩耗試験は一
定の押圧力の下でロータ５を回転させ、試験片７が所定
の摺動距離だけ円板３上を摺動したときの試験片７とス
テータ円板３の摩耗量によつて耐摩耗性を評価する。
またロータ５を回転させると試験片７と円板３との摩擦
によつてステータホルダ１には図示のようにトルクＦを
生ずるのでスピンドル８を介してロードセル９に作用さ
せ、押圧力の変化によるトルクＦの変化を動歪計１０で
読み、トルクＦが急激に上昇したときに焼着が生じたと
して、そのときの押圧力（面圧）をもつて耐焼着性を評
価する焼着試験を行なうこともできる。

（イ）摩耗試験：潤滑油として加鉛ガソリンを燃料 と
する実機テストに使用後のエンジンオイルＳＡＥＮＯ．
３Ｏにダスト（ＪＩＳ４重）を０．２ｇ／ｅ添加し た
温度８０℃の油を用いて、注油孔４から供給 し、ステ
ータホルダ１にはロータ側に向けて油 圧１００ｋｇ／
ｄの押圧力を加えながら、試験片７ の摩擦速度を３ま
たは５ｍ／Ｓｅｃとし、摺動距離 が１００ｈとなるま
でロータ５を回転させた。

試験片７の端面の表面処理としては本発明に 係る
分散含燐ニッケルめつき層厚さ１２０μｍを 形成し、
平均粒径１μｍの窒化珪素粒子を容積 比で２５％均一
に分散させ、４００゜Ｃ×１時間の硬 化熱処理を施し
てＨＭｖ８ＯＯ〜１０００としたもの で、電気めつき
法、無電解法とも同程度の硬さ であつた。成積は第４
図において符号Ｆ（電気 めつき法）、符号Ｇ（無電解
法）で示してあ る。 対比材として窒化珪素が分散
されていない含 燐ニッケルめつきの無電解カニゼン（
符号ＲＡ）、一般に耐摩耗性表面処理に用いられる硬
質クロムめつき（符号Ｂ）、耐摩耗性、耐スカ ツフ性
が注目されているモリブ下ン溶射（符号Ｃ）、平均粒径
１μｍの炭化珪素粒子が均一に 分散されたニッケルめ
つき（符号Ｄ）および同じく炭化珪素分散含燐ニッケル
無電解めつき（符号Ｅ）を施した試験片についても同様
に試験を行なつた。

試験結果は第４図（図中３，５はそれぞれ摩擦速度を示
す）に示してあるとおりで、ロータの摩耗量は摩擦距離
１００ｋｍ当りの試験片４本のめつき面の摩耗厚さの合
計で、またステータの摩耗量は摩耗痕の断面積で示して
ある。

本発明に係る窒化珪素分散含燐ニッケルめつき層（符号
Ｆ，Ｇ）を有する試験片およびステーータは摩耗量が最
も少なく、また炭化珪素を分散させた含燐ニッケルめつ
きの試験片Ｅに比しても明らかに優れた耐摩耗性を有す
ることが判る。

（ロ）焼着試験：潤滑油は摩耗試験と同じものを使用し
、ステータホルダ１にはロータ側に向けてます油圧４０
ｋ９／ｄの押圧力を加え、摩擦速度８ｍ／Ｓｅｃでロー
タ５を３分間回転させ、次に押圧力を５０ｋ９／Ｃｌｔ
として３分間回転させ、このようにして順次押圧力を１
０ｋ９／Ｃｌｔづつ段階的に増５加して各々３分間保持
し、ロードセル９を介して動歪計１０でトルクＦの変化
を記録し、急激にトルクの増加したときの押圧力から接
触面圧を求めて焼付発生面圧とした。

本発明に係る試験片としては（イ）摩耗試験におけると
同じ処理を施したものを用い、また対比のため同様（イ
）摩耗試験の対比材と同じ処理を施した試験片について
試験を行なつた。なお試験は２回行ない、その結果は第
１表に示すとおりである。本発明に係る窒化珪素分散含
燐ニッケルめつきを施した試験片は初期なじみ性質が良
好であることが周知のモリブデン溶射品と同等かそれ以
上の成積を示し、窒化珪素の代りに炭化珪素を分散させ
た含燐ニッケルめつき層を有する試験片Ｅよりも顕著に
優れた耐焼着性を示している。

（ハ）ベンチテストニ次にピストンリングについて実施
例およびペンチテスト成積を述べる。

７７×１．２×３．２Ｔｒ＄Ｌ鋼製第一圧力リングおよ
び７７×０．６１×２．３Ｔ！ｒｌ！Ｌ鋼製組合せ油掻
きリングのレール外周面にまず通例のニッケルストライ
クめつき方法で厚さ１０ｐｍのニッケルめつき層を形成
させておき、次にスルファミン酸ニッケル４５０ｇ／ｌ
、塩化ニッケル３０ｇ／′、硼酸３０ｇ／ｅ１次亜燐酸
ナトリウム２ｇ／′から成るベースめつき液に平均粒径
１μｍ（最大粒径５μｍ）窒化珪素粒子を６０ｇ／ｆ添
加し撹拌しながら液温５０〜５３℃、ＰＨ４．５の浴中
で、電流密度８Ａｄイとしてニッケルストライク層の上
に厚さ１２０ｐｍの窒化珪素分散含燐ニッケルめつき層
を電気めつき法で形成させた。

該めつき層中の窒化珪素粒子の量は容積比で２５％であ
つた。次に４００℃、１時間加熱して硬化熱処理を施し
、表面硬さＨＭｖ８ＯＯ〜９５０とした。上記電気めつ
き法とは別に、硫酸ニッケル２５ｇ／ｅ１次亜燐酸ナト
リウム３０ｇ／ｅ１コハク酸１６ｇ／ｅ１リンゴ酸２４
ｇ／Ｅ．．ＰＨ４．２、液温９０℃、平均粒径１μｍ（
最大粒径５μｍ）の窒化珪素粒子を１．５ｇ／′添加し
ためつき浴を撹拌しながら、その中で前記寸法と同じ寸
法のリングを無電解めつきして厚さ１００ｐｍ（７）窒
化珪素分散含燐ニッケルめつき層を形成させた。これら
のピストンリングをシリンダボア径７７順、４サイクル
、直列４気筒水冷エンジンに組付けて、高鉛ガソリンを
燃料とし５５００ｒ．ｐ．ｍ．、全負荷、１０ＣＷＩ間
の下記のペンチテスト（１），（２）を行ない、ピスト
ンリングの外周摺動面および鋳鉄（ＦＣ２５）製シリン
ダライナ内周面の摩耗量を測定した。

比較のため硬質クロムめつき、モリブデン溶射、炭化珪
素分散ニッケルめつき（厚さ１５０μｍ１粒子径および
分散量は本発明の上記例と同程度とした）を施したピス
トンリングについても同様に試験を行なつた。（１）
第１圧力リングに上記表面処理を施した圧力リングを、
第２圧力リングには７７×１．５×３．３顛の鋳鉄製リ
ングを、油掻きリングには７７×０．６１×２．３醋の
クロムめつきレールを有する組合せリングを使用した。

試験結果は第２表に示すとおりである。（２）油掻きリ
ングに上記の表面処理を施したリングを使用し、第１圧
力リングはクロムめつきリングを、第２圧力リングは鋳
鉄製リング（寸法はいずれも上記（１）の場合に同じ）
を使用して試験を行なつた結果は第３表に示すとおりで
ある。

上記第２表、第３表から明らかなように比較品のうち摺
動面に炭化珪素分散ニッケルめつき層を有するピストン
リングは特に耐摩耗性が優れているが、本発明に係る窒
化珪素分散含燐ニッケルめつき層を有するピストンリン
グはこれよりも摩耗量が少なく、更に優れた耐摩耗性を
有していることが判る。

以上説明したように摺動面に窒化珪素分散含燐ニッケル
めつきを施した本発明に係る摺動部品は・炭化珪素分散
含燐ニッケルめつきまたはその他の耐摩耗性表面処理を
施した摺動部品に比して高鉛ガソリンを燃料とするエン
ジンのピストンリング用として優れた耐摩耗性を示し、
エンジンの解放期間を顕著に延長することができる。

またその他の高速で摺動する摺動部品に適用して自己の
寿命ならず、相手摺動部品の寿命を長くせることができ
、広い適用範囲において工業上の効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る摺動部品断面の顕微鏡組織を示す
写真、第２図は摩耗試験機の一部破砕側面図、第３図は
同じく第２図■−■矢視正面図、第４図は摩耗試験結果
を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関用ピストンリングにおいて、燐を２〜１０
   重量％含有するニッケルめつき層であつて、平均粒径０
   ．５〜５μｍの窒化珪素粒子が容積比で５〜３０％分散
   され、かつ熱処理を施されてマイクロビッカース硬さ８
   ００以上に硬化された複合ニッケルめつき層を摺動面に
   有することを特徴とする内燃機関用ピストンリング。