JP2003254156A - Combination of cylinder and piston ring - Google Patents
Combination of cylinder and piston ringInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に係り、
特にアルミニウム合金製内燃機関におけるシリンダとピ
ストンリングとの組み合わせに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an internal combustion engine,
Particularly, it relates to a combination of a cylinder and a piston ring in an aluminum alloy internal combustion engine.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、地球環境の保全という観点から、
内燃機関には、軽量化、燃費の向上等が要求されてい
る。このような動向にしたがい、内燃機関用ピストンリ
ングでは、形状面でできるだけ薄厚化し、材質面で鋳鉄
製からステンレス鋼製へと種々の改良がなされてきた。
最近のピストンリングは、軽量化や、耐摩耗性、耐スカ
ッフ性向上のため、ピストンリング母材として高硬度の
マルテンサイト系ステンレス鋼が一般的に使用され、さ
らに表面には窒化処理や硬質クロムめっき等の表面硬化
処理が施されて使用されている。2. Description of the Related Art In recent years, from the viewpoint of conservation of the global environment,
Internal combustion engines are required to be lightweight and have improved fuel efficiency. In accordance with such trends, piston rings for internal combustion engines have been made as thin as possible in terms of shape and various improvements have been made in terms of material from cast iron to stainless steel.
In recent piston rings, high hardness martensitic stainless steel is generally used as the piston ring base material to reduce the weight and improve wear resistance and scuff resistance. It is used after being subjected to surface hardening treatment such as plating.
【0003】一方、ピストンリングの摺動の相手材であ
るシリンダは、要求される機械的特性から従来は鋳鉄等
の鉄系材料で製造されていた。しかし、鉄系材料で製造
されたシリンダは重量が重いため、近年の内燃機関への
軽量化要求を満足させることができず、最近では、アル
ミニウム合金製のエンジンが一般化しつつある。しか
し、アルミニウム合金製シリンダは軟質であるため、高
硬度化されたピストンリングと、軟質であるアルミニウ
ム合金製シリンダの内面とを直接摺動させることを避け
て、通常は、シリンダライナを装着してアルミニウム合
金製シリンダ内周面の耐摩耗性を確保している。On the other hand, a cylinder, which is a mating material for sliding of a piston ring, has conventionally been made of an iron-based material such as cast iron because of the required mechanical characteristics. However, since a cylinder made of an iron-based material has a heavy weight, it is not possible to satisfy the recent demand for weight reduction of an internal combustion engine, and recently, an engine made of an aluminum alloy is becoming popular. However, since the aluminum alloy cylinder is soft, avoiding direct sliding between the highly hardened piston ring and the inner surface of the soft aluminum alloy cylinder, and usually installing a cylinder liner Abrasion resistance of the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder is ensured.
【0004】このようなシリンダライナとしては、従来
では鋳鉄製シリンダライナが一般的であった。しかし、
最近では軽量化の目的でアルミニウム合金を使用し、 摺
動特性向上に配慮したシリンダライナが提案されてい
る。例えば、特開平9-19757号公報には、硬い粒子であ
る珪素一次結晶および金属間化合物が摺動面に露出した
過共晶アルミニウムー珪素合金製シリンダライナが開示
されている。Conventionally, as such a cylinder liner, a cast iron cylinder liner has been generally used. But,
Recently, there has been proposed a cylinder liner that uses an aluminum alloy for the purpose of weight reduction and is designed to improve sliding characteristics. For example, Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 9-19757 discloses a hypereutectic aluminum-silicon alloy cylinder liner in which a silicon primary crystal that is hard particles and an intermetallic compound are exposed on a sliding surface.
【0005】また、特開平6-322459 号公報には、摺動
面部をアルミナ短繊維と非球状ムライト粒子との混合物
である強化材により複合強化し、耐摩耗性および耐スカ
ッフ性を改善したアルミニウム合金製シリンダ摺動部材
が提案されている。また、特開平5-86964号公報には、
アルミニウム合金製シリンダの内周面にNi基複合めっき
処理等の表面処理を施す摺動性向上策が提案されてい
る。In Japanese Patent Laid-Open No. 6-322459, a sliding surface portion is compositely reinforced with a reinforcing material which is a mixture of alumina short fibers and non-spherical mullite particles, and aluminum having improved wear resistance and scuff resistance. Alloy cylinder sliding members have been proposed. Further, Japanese Patent Laid-Open No. 5-86964 discloses that
A measure for improving slidability has been proposed in which the inner peripheral surface of an aluminum alloy cylinder is subjected to surface treatment such as Ni-based composite plating treatment.
【0006】一方、エンジンの高回転・高出力化の要請
に伴い熱負荷の増大するエンジンでは、ブローバイ対策
としてガスシール性を向上させるために、従来から、ピ
ストンリングの張力を高く設定していた。特開平9-197
57号公報、特開平6-322459号公報に記載された技術は
いずれも、このような高ピストンリング張力に対応した
シリンダ側からの摺動性向上策である。On the other hand, in an engine in which the heat load increases with the demand for higher engine speed and higher output, the tension of the piston ring has conventionally been set high in order to improve the gas sealability as a measure against blow-by. . JP-A-9-197
The techniques disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 57-322459 and Japanese Laid-Open Patent Publication No. 6-322459 are measures for improving the slidability from the cylinder side in response to such high piston ring tension.
【0007】[0007]
【発明の解決しようとする課題】しかし、最近では、地
球環境保全の観点から、内燃機関の低燃費化がさらに強
く要求されている。このような内燃機関への動向に対応
して、内燃機関の摺動部材であるピストンリングには低
摩擦力を得るために低い張力とすることが求められてい
る。しかしながら、特開平9-19757号公報、特開平6-3
22459 号公報に記載された技術で製造されたシリンダは
ピストンリングと組み合わせて摺動する場合にピストン
リングの張力を高い張力とすることを想定している。し
たがって、低張力用のピストンリングをこれらシリンダ
と組み合わせて使用する場合には、最適なシリンダとピ
ストンリングの組み合わせにならないという問題があ
る。However, recently, from the viewpoint of global environment conservation, there has been a strong demand for lower fuel consumption of internal combustion engines. In response to such a trend toward the internal combustion engine, it is required that the piston ring, which is a sliding member of the internal combustion engine, have a low tension in order to obtain a low friction force. However, JP-A-9-19757 and JP-A-6-3
The cylinder manufactured by the technique described in Japanese Patent No. 22459 is supposed to have a high tension in the piston ring when sliding in combination with the piston ring. Therefore, when the low tension piston ring is used in combination with these cylinders, there is a problem that the optimum combination of cylinder and piston ring cannot be obtained.
【0008】さらに、特開平9-19757号公報、特開平6
-322459 号公報に記載された技術では、シリンダの加工
工程が複雑であり、製造コストの高騰を招くという問題
もあった。このようなことから、摺動時の摩擦力が低
く、かつ安価なシリンダとピストンリングとの組み合わ
せが強く要望されていた。Furthermore, Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-19757 and 6
In the technology described in Japanese Patent No. 322459, there is a problem that the manufacturing process of the cylinder is complicated and the manufacturing cost rises. For this reason, there has been a strong demand for a combination of a cylinder and a piston ring that has a low frictional force during sliding and is inexpensive.
【0009】一方、ピストンリングは、耐摩耗性や耐ス
カッフ性向上、耐食性向上等の観点から、最近では、と
くに第1圧力リングとしてマルテンサイト系ステンレス
鋼を母材としたピストンリングが一般的に使用されてい
る。しかし、このマルテンサイト系ステンレス鋼製ピス
トンリングを、アルミニウム合金製シリンダを相手材と
して摺動する、とくに第1圧力リングとして使用する
と、ブローバイガスの発生が多くなるという問題があ
る。これは、第1圧力リングとして使用したマルテンサ
イト系ステンレス鋼製ピストンリングが、アルミニウム
合金製シリンダの熱膨張に追従できずガスシール性が低
下し、 ガス吹き抜けを起こしたためであると考えられて
いる。On the other hand, as the piston ring, from the viewpoint of improving wear resistance, scuffing resistance, corrosion resistance, etc., recently, a piston ring made of martensitic stainless steel as a base material is generally used as the first pressure ring. It is used. However, when this martensitic stainless steel piston ring slides with an aluminum alloy cylinder as a mating member, especially when it is used as the first pressure ring, there is a problem that blow-by gas is generated more often. It is considered that this is because the martensitic stainless steel piston ring used as the first pressure ring could not follow the thermal expansion of the aluminum alloy cylinder, the gas sealability was deteriorated, and gas blow-through occurred. .
【0010】このような問題に対し、例えば特開2000-1
45963 号公報には、アルミニウム合金製シリンダ用とし
て、15×10-6/℃以上の熱膨張係数を有するオーステナ
イト系ステンレス鋼からなるピストンリングが提案され
ている。しかしながら、特開2000-145963 号公報に記載
されたピストンリングは、高い張力が負荷されることを
想定したピストンリングであり、摺動時に低摩擦力を得
るための低張力用ピストンリングとしては耐摩耗性、耐
スカッフ性の点で不十分であるという問題を残してい
た。また、特開2000-145963 号公報に記載された技術で
は、窒化処理により窒化層を形成するが、表面に形成さ
れた脆弱な化合物層が剥離しやすいという問題が発生し
ていた。To solve such a problem, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-1
In Japanese Patent No. 45963, a piston ring made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 −6 / ° C. or higher is proposed for an aluminum alloy cylinder. However, the piston ring described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-145963 is a piston ring that is assumed to be loaded with high tension, and is resistant as a low tension piston ring to obtain low friction force during sliding. There is a problem that the abrasion resistance and the scuff resistance are insufficient. Further, in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-145963, the nitride layer is formed by the nitriding treatment, but there is a problem that the fragile compound layer formed on the surface is easily peeled off.
【0011】本発明は、上記した従来技術の問題を有利
に解決し、摺動時の摩擦力が低く、かつシリンダーおよ
びピストンリング双方の摩耗量が少なく、しかも耐スカ
ッフ性に優れ、さらに、ブローバイガスの発生が少な
い、シリンダーとピストンリングとの組み合わせを提供
することを目的とする。The present invention advantageously solves the above-mentioned problems of the prior art, has a low frictional force during sliding, a small amount of wear on both the cylinder and the piston ring, and is excellent in scuff resistance. It is an object to provide a combination of a cylinder and a piston ring that generates less gas.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を達成するために、摺動時の摩擦力を低減できるピ
ストンリングについて鋭意検討した。その結果、ピスト
ンリングの母材表面に硬質クロム積層めっき皮膜を形成
することにより、保油性が向上し、 摺動時の摩擦抵抗を
格段に低下させることができることを見いだした。ま
た、硬質クロム積層めっき皮膜は、硬さが高々Hv900 程
度であり相手攻撃性が低く、表面にこのような硬質クロ
ム積層めっき皮膜を形成したピストンリングは、特別な
シリンダライナを装着することなく直接、軟質なアルミ
ニウム合金製シリンダ内周面と組み合わせて使用するこ
とができ、しかも、従来の高硬度ピストンリングと高硬
度の粒子を含むシリンダライナとの組み合わせと同等ま
たはそれ以上の耐摩耗性、 耐スカッフ性を示すことを見
いだした。そして、このような硬質クロム積層めっき皮
膜を表面に形成するピストンリングの母材を、シリンダ
材であるアルミニウム合金(例えば、ADC12 、過共晶Al
-Si 系合金等)の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する
オーステナイト系ステンレス鋼とすることにより、稼動
時の摩擦力を低くでき、同時に稼動時のシール性の低下
もなくブローバイガスの発生を防止できることに想到し
た。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned objects, the present inventors diligently studied a piston ring capable of reducing frictional force during sliding. As a result, they have found that by forming a hard chrome laminated plating film on the surface of the base material of the piston ring, the oil retaining property is improved and the frictional resistance during sliding can be significantly reduced. Also, the hardness of the hard chrome laminated plating film is at most Hv900, and its opponent attack is low.The piston ring with such hard chrome laminated plating film formed on the surface can be directly attached without installing a special cylinder liner. It can be used in combination with the inner surface of a soft aluminum alloy cylinder, and has the same or higher wear resistance and durability as the combination of a conventional high hardness piston ring and a cylinder liner containing high hardness particles. It was found that it shows scuffing. Then, the base material of the piston ring for forming such a hard chrome laminated plating film on the surface is made of an aluminum alloy (for example, ADC12, hypereutectic Al) which is a cylinder material.
-Si alloy, etc.) has a coefficient of thermal expansion close to that of austenitic stainless steel, the frictional force during operation can be reduced, and at the same time blow-by gas is not generated while the sealing property does not decrease during operation. I thought that I could prevent it.
【0013】本発明は、 上記した知見に基づいて、完成
されたものである。本発明の要旨は下記のとおりであ
る。
(1)内燃機関のシリンダと該シリンダの内周面を摺動
するピストンリングとの組み合わせであって、前記シリ
ンダをアルミニウム合金製シリンダとし、前記ピストン
リングを、母材がオーステナイト系ステンレス鋼とな
し、かつ少なくとも外周摺動面に2層以上の硬質クロム
めっき層からなる硬質クロム積層めっき皮膜を形成した
ピストンリングとし、該硬質クロム積層めっき皮膜が、
前記2層以上の硬質クロムめっき層のそれぞれには、外
面側に開口する微細亀裂が分布し、該微細亀裂は深さ方
向に関し自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層内
に留まる部分と、自己の開口が存在する各硬質クロムめ
っき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びてい
る部分を含む、めっき皮膜であることを特徴とするアル
ミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わ
せ。
(2)(1)において、前記微細亀裂が、前記硬質クロ
ム積層めっき皮膜の断面における面積率で、2.0 〜40.0
%の範囲内で存在し、そのうち前記自己の開口が存在す
る各硬質クロムめっき層に留まる微細亀裂が1.5 〜35.0
%、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも
下層の硬質クロムめっき層内まで延びている微細亀裂が
0.5 〜25.0%であることを特徴とするアルミニウム合金
製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
(3)(2)において、前記各硬質クロムめっき層の厚
さが、5.0 〜30.0μmであり、前記微細亀裂の開口部幅
が0.2 μm以下であることを特徴とするアルミニウム合
金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
(4)(2)において、前記各硬質クロムめっき層のう
ち、最表面側の硬質クロムめっき層の厚さを、他の硬質
クロムめっき層の厚さより厚く、かつ50.0μm以下と
し、他の硬質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0μmと
し、前記微細亀裂の開口部幅が0.2 μm以下であること
を特徴とするアルミニウム合金製シリンダとピストンリ
ングとの組み合わせ。
(5)(2)において、前記硬質クロム積層めっき皮膜
が3層以上の硬質クロムめっき層からなり、前記3層以
上の硬質クロムめっき層のうち、母材表面に最も近い硬
質クロムめっき層の厚さを他の硬質クロムめっき層の厚
さより厚くかつ80.0μm以下とし、最表面側の硬質クロ
ムめっき層の厚さを母材表面に最も近い硬質クロムめっ
き層の厚さの次に厚くしかつ50.0μm以下とし、他の硬
質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0μmとし、前記微
細亀裂の開口部幅が0.2 μm以下であることを特徴とす
るアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組
み合わせ。
(6)(1)ないし(5)のいずれかにおいて、前記オ
ーステナイト系ステンレス鋼が、質量%で、Ni:3.5 〜
17.0%、Cr:15.0〜20.0%を含む組成のオーステナイト
系ステンレス鋼であることを特徴とするアルミニウム合
金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
(7) (1) ないし (6) のいずれかにおいて、前記ア
ルミニウム合金製シリンダが、JIS ADC12、J
IS ADC10、JIS ADC14のうちのいずれ
かに規定される組成を有するダイカスト鋳造によるアル
ミニウム合金製シリンダー、またはJIS AC8A、
JIS AC8B、JIS AC8Cのうちのいずれか
に規定される組成を有する静置鋳造によるアルミニウム
合金製シリンダであることを特徴とするアルミニウム合
金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。The present invention has been completed based on the above findings. The gist of the present invention is as follows. (1) A combination of a cylinder of an internal combustion engine and a piston ring that slides on the inner peripheral surface of the cylinder, wherein the cylinder is an aluminum alloy cylinder, and the piston ring is austenitic stainless steel as a base material. And a piston ring having a hard chrome laminated plating film formed of two or more hard chrome plated layers on at least the outer peripheral sliding surface, the hard chrome laminated plating film comprising:
In each of the two or more hard chrome plating layers, fine cracks opening to the outer surface side are distributed, and the fine cracks remain in each hard chrome plating layer in which their own openings exist in the depth direction, A combination of an aluminum alloy cylinder and a piston ring, which is a plating film including a portion extending into the hard chrome plating layer below each hard chrome plating layer having its own opening. (2) In (1), the fine cracks have an area ratio of 2.0 to 40.0 in a cross section of the hard chromium laminated plating film.
% Within the range of 1.5% to 35.0% of microcracks remaining in each hard chrome plating layer in which the self-opening exists.
%, Micro cracks that extend into the hard chrome plating layer below each hard chrome plating layer that has its own opening
Combination of aluminum alloy cylinder and piston ring, which is 0.5 to 25.0%. (3) In (2), the thickness of each of the hard chromium plating layers is 5.0 to 30.0 μm, and the opening width of the fine cracks is 0.2 μm or less. Combination with a ring. (4) In (2), the thickness of the hard chromium plating layer on the outermost surface side of each of the hard chromium plating layers is set to be thicker than the thickness of other hard chromium plating layers and 50.0 μm or less. A combination of an aluminum alloy cylinder and a piston ring, wherein the thickness of the chrome plating layer is 5.0 to 30.0 μm and the opening width of the fine cracks is 0.2 μm or less. (5) In (2), the hard chrome laminated plating film is composed of three or more hard chrome plating layers, and of the three or more hard chrome plating layers, the thickness of the hard chrome plating layer closest to the base material surface. Thickness is 80.0 μm or less than the thickness of other hard chrome plating layers, and the thickness of the hard chrome plating layer on the outermost surface side is next to the thickness of the hard chrome plating layer closest to the surface of the base material and 50.0 μm. A combination of an aluminum alloy cylinder and a piston ring, wherein the thickness of the other hard chromium plating layer is 5.0 to 30.0 μm, and the opening width of the fine cracks is 0.2 μm or less. (6) In any one of (1) to (5), the austenitic stainless steel is, in mass%, Ni: 3.5 to.
A combination of an aluminum alloy cylinder and a piston ring, which is an austenitic stainless steel having a composition containing 17.0% and Cr: 15.0 to 20.0%. (7) In any one of (1) to (6), the aluminum alloy cylinder is JIS ADC12, J
Cylinder made of die-cast aluminum alloy having a composition specified in either IS ADC10 or JIS ADC14, or JIS AC8A,
A combination of an aluminum alloy cylinder and a piston ring, which is a static casting aluminum alloy cylinder having a composition defined in either JIS AC8B or JIS AC8C.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】本発明のシリンダとピストンリン
グとの組み合わせは、シリンダをアルミニウム合金製シ
リンダとし、特別なシリンダライナをボアに装着するこ
となくあるいはシリンダ内周面を複合強化することな
く、直接、シリンダ内周面をピストンリングの摺動面と
する組み合わせである。本発明の組み合わせでは、ピス
トンリング母材をオーステナイト系ステンレス鋼とする
こと、および母材表面の少なくとも外周摺動面に2層以
上の硬質クロムめっき層からなる硬質クロム積層めっき
皮膜を形成すること、に特徴がある。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A combination of a cylinder and a piston ring according to the present invention is a cylinder made of an aluminum alloy, without installing a special cylinder liner in the bore or without strengthening the inner peripheral surface of the cylinder. This is a combination in which the inner circumferential surface of the cylinder is directly used as the sliding surface of the piston ring. In the combination of the present invention, the piston ring base material is austenitic stainless steel, and a hard chromium laminated plating film composed of two or more hard chromium plating layers is formed on at least the outer peripheral sliding surface of the base material surface, Is characterized by.
【0015】本発明で用いるピストンリングは、オース
テナイト系ステンレス鋼材を母材として構成される。オ
ーステナイト系ステンレス鋼材は、Ni:3.5 〜17.0%、
Cr:15.0〜20.0%を含み、好ましくは、C:0.08%以
下、Si:1.00%以下、Mn:2.00%以下を含み、あるいは
さらにMo:6%以下、Cu:4%以下、Nb:1%以下、T
i:0.6 %以下、N:0.3 %以下の1種または2種以上
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と
することが好ましい。なお、延性の観点から、不可避的
不純物としてのP、Sは、P:0.045 %以下、S:0.03
0 %以下とすることが好ましい。The piston ring used in the present invention is composed of an austenitic stainless steel material as a base material. Austenitic stainless steel is Ni: 3.5-17.0%,
Cr: 15.0 to 20.0%, preferably C: 0.08% or less, Si: 1.00% or less, Mn: 2.00% or less, or Mo: 6% or less, Cu: 4% or less, Nb: 1%. Below, T
It is preferable that the composition contains one or two or more of i: 0.6% or less and N: 0.3% or less, and the balance Fe and unavoidable impurities. From the viewpoint of ductility, P and S as unavoidable impurities are P: 0.045% or less and S: 0.03% or less.
It is preferably 0% or less.
【0016】つぎに、オーステナイト系ステンレス鋼材
の組成限定理由について、 説明する。
Ni:3.5 〜17.0%
Niは、オーステナイト相を安定化し、熱膨張係数を増加
させる作用を有する。ピストンリングの熱膨張係数を、
シリンダを構成するアルミニウム合金の熱膨張係数に近
い値とするために、Niは3.5 %以上の含有を必要とす
る。また、17.0%を超えて含有すると、熱膨張係数が低
下してくるため、本発明ではNiは3.5 〜17.0%の範囲に
限定することが好ましい。Next, the reasons for limiting the composition of the austenitic stainless steel material will be explained. Ni: 3.5 to 17.0% Ni has the effect of stabilizing the austenite phase and increasing the coefficient of thermal expansion. The coefficient of thermal expansion of the piston ring,
In order to obtain a value close to the coefficient of thermal expansion of the aluminum alloy that constitutes the cylinder, Ni must be contained at 3.5% or more. Further, when the content exceeds 17.0%, the thermal expansion coefficient decreases, so in the present invention, Ni is preferably limited to the range of 3.5 to 17.0%.
【0017】Cr:15.0〜20.0%
Crは、耐食性を増加するとともに、 強度を増加し耐摩耗
性を向上させる元素であり、さらにオーステナイト組織
を形成するための元素として、本発明では15%以上の含
有を必要とする。一方、20.0%を超えて含有すると、オ
ーステナイト組織を形成するために必要なNiの含有量を
さらに増加する必要があり、コスト高となるため好まし
くない。このため、本発明ではCrは15.0〜20.0%に限定
することが好ましい。Cr: 15.0 to 20.0% Cr is an element that increases the corrosion resistance and the strength to improve the wear resistance. Further, as an element for forming an austenite structure, Cr of 15% or more is used in the present invention. Requires inclusion. On the other hand, if the content exceeds 20.0%, it is necessary to further increase the content of Ni necessary for forming the austenite structure, which results in an increase in cost, which is not preferable. Therefore, in the present invention, Cr is preferably limited to 15.0 to 20.0%.
【0018】Ni、Cr以外の成分の限定理由は下記のとお
りである。
C:0.08%以下、
Cは、強度を増加し、オーステナイト相を安定化する元
素であるが、多量に含有すると、強度が高くなりすぎ加
工性が低下するとともに、熱膨張係数が低下する。この
ため、Cは0.08%以下に限定するのが好ましい。The reasons for limiting the components other than Ni and Cr are as follows. C: 0.08% or less C is an element that increases the strength and stabilizes the austenite phase, but if it is contained in a large amount, the strength becomes too high and the workability is lowered, and the thermal expansion coefficient is lowered. Therefore, C is preferably limited to 0.08% or less.
【0019】Si:1.00%以下
Siは、製鋼過程で脱酸剤として必要な元素であるが、フ
ェライト生成元素であり、多量の含有は機械的特性を劣
化させるため、できるだけ低減するのが望ましいが、本
発明では1.00%までは許容できる。
Mn:2.00%以下
Mnは、鋼中に固溶し強度を向上させ、オーステナイト相
を安定化する作用を有するが、2.00%を超えると強度が
高くなりすぎ、切削性が低下する。このため、Mnは2.00
%以下に限定するのが好ましい。Si: 1.00% or less Si is an element necessary as a deoxidizing agent in the steelmaking process, but it is a ferrite-forming element, and its inclusion in a large amount deteriorates the mechanical properties, so it is desirable to reduce it as much as possible. In the present invention, up to 1.00% is acceptable. Mn: 2.00% or less Mn has a function of forming a solid solution in steel to improve the strength and stabilize the austenite phase, but if it exceeds 2.00%, the strength becomes too high and the machinability deteriorates. Therefore, Mn is 2.00
It is preferably limited to not more than%.
【0020】Mo:6%以下、Cu:4%以下、Nb:1%以
下、Ti:0.6 %以下、N:0.3 %以下の1種または2種
以上
Mo、Cu、Nb、Ti、Nは、耐食性、強度や加工性を改善さ
せる元素であり、必要に応じ選択して上記した範囲で含
有することができる。上記した組成範囲のオーステナイ
ト系ステンレス鋼材としては、SUS 304,SUS303,SUS 316
が例示され、いずれも本発明で使用されるピストンリン
グ母材として好適に適用できる。なお、本発明では、C
量が0.03%以下の、低炭素系ステンレス鋼としても何ら
問題は無いが、過剰な品質となり、コスト高となる。Mo: 6% or less, Cu: 4% or less, Nb: 1% or less, Ti: 0.6% or less, N: 0.3% or less, one or more of Mo, Cu, Nb, Ti and N are It is an element that improves corrosion resistance, strength, and workability, and can be selected as necessary and contained in the above range. As the austenitic stainless steel material having the above composition range, SUS 304, SUS 303, SUS 316
Are exemplified, and any of them can be suitably applied as the piston ring base material used in the present invention. In the present invention, C
There is no problem even if it is a low carbon stainless steel with an amount of 0.03% or less, but it becomes an excessive quality and a high cost.
【0021】上記した組成範囲のオーステナイト系ステ
ンレス鋼材を母材として使用することにより、ピストン
リングの熱膨張係数は、シリンダ材であるアルミニウム
合金の熱膨張係数に近い、15×10-6/℃以上となる。こ
れにより、シリンダ材とピストンリングとの熱膨張差が
小さく、ピストンリングのシール性の低下は防止でき、
ブローバイガスの発生を抑えることができる。By using an austenitic stainless steel material having the above composition range as the base material, the coefficient of thermal expansion of the piston ring is close to that of the aluminum alloy that is the cylinder material, that is, 15 × 10 -6 / ° C or more. Becomes As a result, the difference in thermal expansion between the cylinder material and the piston ring is small, and the deterioration of the sealability of the piston ring can be prevented.
Generation of blow-by gas can be suppressed.
【0022】本発明で使用するピストンリングは、上記
した組成範囲のオーステナイト系ステンレス鋼材を母材
とし、この母材表面の少なくとも外周摺動面に2層以上
の硬質クロムめっき層からなる硬質クロム積層めっき皮
膜を形成する。本発明でいう「硬質クロム積層めっき皮
膜」とは、硬質クロムめっき層を2層以上積層しためっ
き皮膜であり、各硬質クロムめっき層のそれぞれには、
摺動面側(めっき皮膜外面側)に開口する微細亀裂が分
布し、この微細亀裂は深さ方向で自己の開口が存在する
各硬質クロムめっき層に留まる部分 (微細亀裂)と、自
己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の
硬質クロムめっき層内まで延びている部分(微細亀裂)
とを含む、めっき皮膜をいうものとする。「硬質クロム
積層めっき皮膜」の一例を模式的に図1に示す。The piston ring used in the present invention comprises an austenitic stainless steel material having the above composition range as a base material, and a hard chrome laminated layer comprising two or more hard chrome plating layers on at least the outer peripheral sliding surface of the base material surface. Form a plating film. The “hard chrome laminated plating film” in the present invention is a plating film in which two or more hard chrome plated layers are stacked, and each hard chrome plated layer has
Fine cracks that open on the sliding surface side (outer surface of the plating film) are distributed, and these fine cracks remain in each hard chrome plating layer where their own openings exist in the depth direction (fine cracks) and their own openings. Part that extends into the hard chrome plating layer below each hard chrome plating layer where there are (fine cracks)
It means a plating film including and. An example of the "hard chrome laminated plating film" is schematically shown in FIG.
【0023】図1は、母材1の外周側表面に、4層の硬
質クロムめっき層2a,2b,2c,2dからなる硬質
クロム積層めっき皮膜2が形成されたピストンリングの
断面を示している。各硬質クロムめっき層には、めっき
皮膜外面側に開口した微細亀裂3が分布している。各硬
質クロムめっき層には、断面が略V字状の微細亀裂が網
目状に形成されており、少なくとも表面の開口部におい
ては連続している。各硬質クロムめっき層表面では単一
の微細亀裂であっても、 亀裂底部の到達深度は場所によ
り異なっている。FIG. 1 shows a cross section of a piston ring in which a hard chrome laminated plating film 2 composed of four hard chrome plated layers 2a, 2b, 2c and 2d is formed on the outer peripheral surface of a base material 1. . In each hard chrome plating layer, fine cracks 3 opening on the outer surface side of the plating film are distributed. In each hard chrome plating layer, fine cracks having a substantially V-shaped cross section are formed in a mesh shape and are continuous at least in the opening portion of the surface. Even if there is a single microcrack on the surface of each hard chrome plating layer, the reaching depth of the crack bottom differs depending on the location.
【0024】これら微細亀裂は、母材表面に最も近い硬
質クロムめっき層2aを除けば、深さ方向に関して、自
己の開口が存在する各硬質クロムめっき層内で留まる部
分3aと、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層
より下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分3
b,3cとを含んでいる。微細亀裂3bは、亀裂が硬質
クロムめっき層2層にわたる例であり、3cは3層にわ
たる例である。なお、微細亀裂は下層にまで延びている
部分が下層に開口する微細亀裂と一部合体していてもよ
い。Except for the hard chrome plating layer 2a closest to the surface of the base metal, these fine cracks are divided into a portion 3a remaining in each hard chrome plating layer having its own opening and its own opening in the depth direction. Portion 3 extending from the existing hard chrome plating layers to the lower hard chrome plating layers
b and 3c are included. The fine crack 3b is an example in which the crack extends over two hard chromium plating layers, and 3c is an example in which the crack extends over three layers. The portion of the fine crack extending to the lower layer may be partly combined with the fine crack that opens to the lower layer.
【0025】本発明で使用するピストンリングに形成さ
れる硬質クロム積層めっき皮膜では、微細亀裂を有する
硬質クロムめっき層を2層以上積層するため、各硬質ク
ロムめっき層の外面側 (摺動面側)に開口する微細亀裂
は、 上層の硬質クロムめっき層によって封孔される。こ
のため、本発明で使用するピストンリングに形成される
硬質クロム積層めっき皮膜では、摺動時に亀裂底部にお
ける応力集中が最表層の硬質クロムめっき層では発生す
るが、下層の硬質クロムめっき層では該めっき層に開口
する微細亀裂は上層の硬質クロムめっき層により被覆、
封孔されているため、上層のめっき層が消失し微細亀裂
が開口するまでは亀裂底部における応力集中の発生は防
止され亀裂の進展は生じ難く、硬質クロム積層めっき皮
膜の劣化が抑制される。In the hard chrome laminated plating film formed on the piston ring used in the present invention, since two or more hard chrome plated layers having fine cracks are laminated, the outer surface side (sliding surface side) of each hard chrome plated layer is ) Is closed by the upper hard chrome plating layer. Therefore, in the hard chrome laminated plating film formed on the piston ring used in the present invention, stress concentration at the crack bottom during sliding occurs in the outermost hard chrome plated layer, but in the lower hard chrome plated layer, Micro cracks opening in the plating layer are covered by the hard chrome plating layer on the upper layer,
Since the holes are sealed, stress concentration is prevented from occurring at the crack bottom and cracks hardly propagate until the upper plating layer disappears and the microcracks open, and the deterioration of the hard chrome laminated plating film is suppressed.
【0026】各硬質クロムめっき層に存在する微細亀裂
は断面略V字状であることから、シリンダー内周面との
摺動によりめっき皮膜が摩耗するにしたがい、微細亀裂
の開口部面積および開口された空洞の容積はしだいに減
少してゆく。しかし、本発明で使用する硬質クロム積層
めっき皮膜では、上層の硬質クロムめっき層が摩耗によ
り完全に消失すると、新たに下層に開口する微細亀裂が
多数出現し、微細亀裂の開口部面積および開口された空
洞の容積は再び増加する。さらに、本発明で使用する硬
質クロム積層めっき皮膜では、各硬質クロムめっき層の
微細亀裂が深さ方向に関し、自己の亀裂開口部が存在す
る層よりも下層の硬質クロムめっき層まで亀裂底部が延
びている部分を含んでいるため、上層の硬質クロムめっ
き層が消失する寸前でも、十分な量の微細亀裂が存在す
る。このため、本発明の組み合わせで使用するピストン
リングは、保油性に優れ、しかも硬質クロム積層めっき
皮膜の摩耗が進行しても保油性の周期的な低減をまった
く生じないか、 あるいは生じてもその変動幅は少ない。
したがって、本発明のシリンダーとピストンリングとの
組み合わせでは、保油性の周期的低下が全くないかあっ
てもわずかであり、一定して摩擦力を低く維持すること
ができることになる。Since the fine cracks present in each hard chrome plating layer have a substantially V-shaped cross section, the opening area and opening of the fine cracks are increased as the plating film is worn by sliding on the inner peripheral surface of the cylinder. The volume of the cavities gradually decreases. However, in the hard chrome laminated plating film used in the present invention, when the hard chrome plating layer of the upper layer completely disappears due to wear, a large number of fine cracks newly opening in the lower layer appear, and the opening area and opening of the fine cracks are increased. The cavity volume increases again. Furthermore, in the hard chrome laminated plating film used in the present invention, the micro cracks of each hard chrome plating layer are related to the depth direction, and the crack bottom extends to the hard chrome plating layer below the layer in which the self crack opening exists. Since it includes the portion including the cracked portion, a sufficient amount of fine cracks exist even before the hard chrome plating layer as the upper layer disappears. Therefore, the piston ring used in the combination of the present invention has an excellent oil retaining property, and even if the wear of the hard chromium laminated plating film progresses, no periodic reduction of the oil retaining property occurs, or even if it occurs, The fluctuation range is small.
Therefore, with the combination of the cylinder and the piston ring of the present invention, there is little or no periodic decrease in the oil retaining property, and the frictional force can be constantly kept low.
【0027】本発明の組み合わせで使用するピストンリ
ングの母材表面に形成される硬質クロム積層めっき皮膜
には、硬質クロム積層めっき皮膜の断面における面積率
で、2.0 〜40.0%の範囲内で微細亀裂が存在するように
調節することが好ましい。微細亀裂の全体量が2.0 %未
満では、潤滑油を保持する空洞が不足し保油性が劣化す
る。一方、微細亀裂の量が40.0%を超えると、皮膜の強
度が不足する。The hard chromium laminated plating film formed on the surface of the base material of the piston ring used in the combination of the present invention has fine cracks within the range of 2.0 to 40.0% in the area ratio in the cross section of the hard chromium laminated plating film. Is preferably present. If the total amount of fine cracks is less than 2.0%, the cavities holding the lubricating oil are insufficient, and the oil retaining property deteriorates. On the other hand, if the amount of fine cracks exceeds 40.0%, the strength of the film becomes insufficient.
【0028】また、断面における面積率で、微細亀裂の
うち自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層に留ま
る部分が面積率で1.5 〜35.0%、自己の開口が存在する
各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層
内まで延びている部分が0.5〜25.0%となるように調節
することが、めっき皮膜の保油性の変動を少なくし、摺
動時の摩擦力を低く一定に維持するうえで好ましい。Further, in terms of area ratio in the cross section, the portion of the microcracks remaining in each hard chrome plating layer having its own opening is 1.5 to 35.0% in area ratio, and each hard chrome plating layer having its own opening is Also, adjusting the portion extending into the lower hard chrome plating layer to be 0.5 to 25.0% reduces fluctuations in the oil retaining property of the plating film and maintains a low frictional force during sliding. Is preferable.
【0029】微細亀裂のうち自己の開口が存在する各硬
質クロムめっき層に留まる部分の比率が1.5 %未満で
は、微細亀裂の空洞が少なく保油性が低下する。一方、
35.0%を超えると、2層以上にわたる微細亀裂の量が相
対的に少なくなり、保油性の変動が大きくなる。微細亀
裂のうち自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よ
りも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分が
0.5 %未満では、保油性の変動幅が大きくなる。一方、
25.0%を超えると、摺動時の亀裂底部における応力集中
の影響が下層のめっき層にまで波及するようになるた
め、亀裂の進展が生じやすくなり、めっき皮膜が劣化し
やすくなる。If the ratio of the portion of the fine cracks that remains in each hard chrome plating layer having its own opening is less than 1.5%, the number of voids in the fine cracks is small and the oil retaining property is deteriorated. on the other hand,
When it exceeds 35.0%, the amount of fine cracks in two or more layers is relatively small, and the oil retention is greatly varied. Of the microcracks, the part that extends into the hard chrome plating layer below each hard chrome plating layer where its own opening exists
If it is less than 0.5%, the fluctuation range of oil retention becomes large. on the other hand,
If it exceeds 25.0%, the influence of stress concentration at the crack bottom during sliding will spread to the lower plating layer, so cracks will easily develop and the plating film will deteriorate.
【0030】硬質クロム積層めっき皮膜を構成する各硬
質クロムめっき層の厚さは、5.0 〜30.0μmとし、微細
亀裂の開口部幅を0.2 μm以下とすることが、ピストン
リングに要求される諸特性を満足し、かつ上記した範囲
のめっき皮膜断面内の微細亀裂量および分布を確保する
観点から好ましい。なお、微細亀裂の開口部幅が0.2μ
m以下であることは、すべての微細亀裂の幅が0.2 μm
以下であるか、開口部幅が0.2 μmを超える亀裂が存在
しても性能に影響を及ぼさない程度の量であることを意
味する。Various characteristics required for the piston ring are such that the thickness of each hard chrome plating layer constituting the hard chrome laminated plating film is 5.0 to 30.0 μm and the opening width of fine cracks is 0.2 μm or less. Is preferable, and it is preferable from the viewpoint of ensuring the amount and distribution of fine cracks in the cross section of the plating film within the above range. The opening width of the microcracks is 0.2μ.
m or less means that the width of all microcracks is 0.2 μm
It is less than or equal to the amount that does not affect the performance even if a crack having an opening width of more than 0.2 μm is present.
【0031】なお、硬質クロム積層めっき皮膜の、中間
層を構成する各硬質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0
μmとしたうえで、最表面側の硬質クロムめっき層の厚
さを、他の硬質クロムめっき層の厚さより厚く、かつ5
0.0μm以下、好ましくは5.0μm以上とすることがより
好ましい。最表面側の硬質クロムめっき層を中間層より
厚くすることにより、最表面の剛性を高くでき、ピスト
ンリングの耐折損性が向上する。最表面側の硬質クロム
めっき層の厚さが50.0μmを超えると、摺動時の変形が
最表面層に限定され皮膜全体での変形吸収能が低下す
る。The thickness of each hard chrome plating layer constituting the intermediate layer of the hard chrome laminated plating film is 5.0 to 30.0.
The thickness of the hard chrome plating layer on the outermost surface side is thicker than the thickness of other hard chrome plating layers, and
It is more preferably 0.0 μm or less, preferably 5.0 μm or more. By making the hard chromium plating layer on the outermost surface side thicker than the intermediate layer, the rigidity of the outermost surface can be increased and the breakage resistance of the piston ring is improved. If the thickness of the hard chrome plating layer on the outermost surface side exceeds 50.0 μm, the deformation during sliding is limited to the outermost surface layer, and the deformation absorbability of the entire coating decreases.
【0032】また、本発明の組み合わせで使用するピス
トンリングの母材表面に形成される硬質クロム積層めっ
き皮膜が3層以上の硬質クロムめっき層からなる場合に
は、母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さを他
の硬質クロムめっき層の厚さより厚くかつ80.0μm以下
とし、最表面側の硬質クロムめっき層の厚さを母材表面
に最も近い硬質クロムめっき層の厚さの次に厚くしかつ
50.0μm以下とし、他の硬質クロムめっき層の厚さを5.
0 〜30.0μmとすることがより好ましい。なおこの場合
でも、微細亀裂の開口部幅は0.2 μm以下と同様とする
ことが好ましい。When the hard chrome laminated plating film formed on the surface of the base material of the piston ring used in the combination of the present invention is composed of three or more hard chrome plating layers, the hard chrome closest to the base material surface. The thickness of the plating layer is thicker than other hard chromium plating layers and is 80.0 μm or less, and the thickness of the hard chromium plating layer on the outermost surface side is next to the thickness of the hard chromium plating layer closest to the base metal surface. Thick and
50.0 μm or less, and the thickness of other hard chrome plating layers is 5.
The thickness is more preferably 0 to 30.0 μm. Even in this case, it is preferable that the opening width of the microcracks is 0.2 μm or less.
【0033】母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の
厚さを他の硬質クロムめっき層に比べ厚く形成すること
により、この硬質クロムめっき層内の微細亀裂を少なく
しかつ細くすることができ、硬質クロム積層めっき皮膜
全体の剛性を大きくすることができる。母材表面に最も
近い硬質クロムめっき層の厚さが他の硬質クロムめっき
層より薄いと、 ピストンリング母材との境界近傍の変位
量を抑制する効果が少ない。また、母材表面に最も近い
硬質クロムめっき層の厚さが80.0μmを超えると、めっ
き皮膜全体に占める最下層の割合が大きくなって、 中間
層のめっき層数が少なくなり、積層めっき皮膜の有利な
特性を有効に発揮できなくなる。By forming the hard chrome plating layer closest to the surface of the base material thicker than other hard chrome plating layers, it is possible to reduce and thin fine cracks in the hard chrome plating layer. The rigidity of the entire hard chrome laminated plating film can be increased. When the thickness of the hard chrome plating layer closest to the surface of the base material is thinner than the other hard chrome plating layers, the effect of suppressing the displacement amount near the boundary with the piston ring base material is small. When the thickness of the hard chrome plating layer closest to the surface of the base metal exceeds 80.0 μm, the ratio of the bottom layer to the entire plating film increases, and the number of intermediate plating layers decreases, resulting in The advantageous characteristics cannot be effectively exhibited.
【0034】本発明の組み合わせで使用するピストンリ
ングの好ましい製造方法について説明する。本発明で
は、好ましくは上記した組成を有するオーステナイト系
ステンレス鋼材を母材として、 ピストンリングの所定形
状に成形したのち、必要に応じ脱脂、洗浄、ホーニング
等の前処理を施したのち、硬質クロム積層めっき処理を
施す。A preferred method of manufacturing the piston ring used in the combination of the present invention will be described. In the present invention, preferably, an austenitic stainless steel material having the above-mentioned composition is used as a base material, and after being formed into a predetermined shape of a piston ring, if necessary, subjected to pretreatments such as degreasing, washing, and honing, and then hard chromium lamination Apply plating treatment.
【0035】硬質クロム積層めっき処理は、母材をクロ
ムめっき浴槽に浸漬し、めっき工程と逆電工程とを施し
微細亀裂を有する硬質クロムめっき層を表面に形成する
硬質クロムめっき層形成工程を、必要な積層数だけ繰り
返すことからなる。使用するクロムめっき浴は、特に限
定されないが、 従来から公知である酸性のクロム酸液、
フッ化浴等とすることが好ましい。母材を、このような
クロムめっき浴槽に浸漬し、電解研磨を行い母材表面を
清浄化することがめっき密着性の観点から好ましい。In the hard chrome laminated plating treatment, a hard chrome plating layer forming step of forming a hard chrome plating layer having fine cracks on the surface by immersing the base material in a chrome plating bath and performing a plating step and a reverse electrolysis step, It consists of repeating as many layers as necessary. The chromium plating bath to be used is not particularly limited, but it is a conventionally known acidic chromic acid solution,
It is preferable to use a fluorination bath or the like. From the viewpoint of plating adhesion, it is preferable to immerse the base material in such a chrome plating bath and perform electrolytic polishing to clean the base material surface.
【0036】電解研磨後、めっき工程を施し、まず、母
材表面に所定厚さの最下層の硬質クロムめっき層を形成
する。めっき工程では、母材を陰極とし、電流密度20〜
100A/dm2 としてめっきすることが好ましい。めっ
き厚さの調整は電流印加時間を所望めっき厚さに応じ設
定することにより行うことが好ましい。ついで、比較的
速い切り替え時間で極性を反転して、逆電工程を施す。
最下層の硬質クロムめっき層を形成する場合には、最下
層の厚さを80μm以下でめっき皮膜中最も厚くすること
が好ましく、また微細亀裂の深さを当該最下層のクロム
めっき層内で留める必要があるため、極性の切り替え時
間は100 μsec 以下とすることが好ましい。逆電工程で
は、母材を陽極とし、電流密度20〜100 A/dm2 とし
て、 予め設定した厚さが残るように硬質クロムめっき層
を溶出させる。After electropolishing, a plating process is performed to first form a hard chromium plating layer as a lowermost layer having a predetermined thickness on the surface of the base material. In the plating process, the base material is the cathode and the current density is 20 ~
It is preferable to plate as 100 A / dm 2 . The plating thickness is preferably adjusted by setting the current application time according to the desired plating thickness. Then, the polarity is reversed with a relatively fast switching time, and the reverse charging process is performed.
When forming the hard chrome plating layer of the bottom layer, it is preferable that the thickness of the bottom layer be 80 μm or less and be the thickest in the plating film, and the depth of fine cracks should be kept within the chrome plating layer of the bottom layer. Since it is necessary, the polarity switching time is preferably 100 μsec or less. In the reverse current step, the base material is used as an anode and the current density is set to 20 to 100 A / dm 2 , and the hard chromium plating layer is eluted so that a preset thickness remains.
【0037】最下層の硬質クロムめっき層の上層の中間
層として、さらに硬質クロムめっき層を積層するため、
第2回目以降のめっき工程、逆電工程を施す。最下層の
硬質クロムめっき層の逆電工程が終了したのち、再び極
性を反転させ、母材を陰極とし、電流密度30〜120 A/
dm2 として、 めっきし、電流印加時間を調整し、所定
厚さの硬質クロムめっき層を形成することが好ましい。
ついで、緩慢な切り替え時間で極性を反転して、逆電工
程を施す。逆電工程では、母材を陽極とし、電流密度20
〜100 A/dm2 として、 予め設定した厚さが残るよう
に硬質クロムめっき層を溶出させる。中間層の硬質クロ
ムめっき層の厚さは、5.0 〜30.0μmの厚さとすること
が好ましく、この厚さの場合にはめっき工程から逆電工
程への極性の切り替え時間は100 〜2000μsec とするこ
とが好ましい。これにより、開口部幅を0.2 μm以下と
し、微細亀裂が単一層内に止まる部分と、2層以上に延
びる部分とが混在する微細亀裂を形成することができ
る。Since a hard chrome plating layer is further laminated as an intermediate layer on the uppermost hard chrome plating layer,
The second and subsequent plating steps and reverse current steps are performed. After the reverse electrolysis process of the bottom hard chrome plating layer is completed, the polarity is reversed again and the base material is used as the cathode, and the current density is 30 to 120 A /
As dm 2 , it is preferable to perform plating and adjust the current application time to form a hard chromium plating layer having a predetermined thickness.
Then, the polarity is reversed at a slow switching time, and a reverse charging process is performed. In the reverse current process, the base material was used as the anode and the current density was 20
The hard chrome plating layer is eluted so that a preset thickness remains at -100 A / dm 2 . The thickness of the hard chrome plating layer of the intermediate layer is preferably 5.0 to 30.0 μm, and in this thickness, the polarity switching time from the plating process to the reverse current process is 100 to 2000 μsec. Is preferred. This makes it possible to form a fine crack in which the opening width is 0.2 μm or less and a portion where the fine crack stops in a single layer and a portion that extends to two or more layers are mixed.
【0038】このようなめっき工程と逆電工程を必要な
積層数だけ繰り返すことにより、所望の積層数を有する
中間層(硬質クロムめっき層)を形成することができ
る。必要数の中間層を形成したのち、最表面の硬質クロ
ムめっき層を形成する。中間層の逆電工程が終了したの
ち、再び極性を反転させ、母材を陰極とし、電流密度30
〜120 A/dm2 として、 めっきし、所定厚さとなるよ
うに電流印加時間を設定し、硬質クロムめっき層を形成
することが好ましい。ついで、緩慢な切り替え時間で極
性を反転して、逆電工程を施す。逆電工程では、母材を
陽極とし、電流密度20〜100 A/dm2 として、 予め設
定した厚さが残るように電流印加時間を設定し、硬質ク
ロムめっき層を溶出させる。最表面層の硬質クロムめっ
き層の厚さは、5.0 〜50.0μmの厚さとすることが好ま
しく、この厚さの場合にはめっき工程から逆電工程への
極性の切り替え時間は100 〜2000μsec とすることが好
ましい。これにより、開口部幅を0.2 μm以下とし、微
細亀裂が単一層内に止まる部分と、2層以上に延びる部
分とが混在する微細亀裂を形成することができる。By repeating such a plating process and a reverse electrolysis process for the required number of laminated layers, it is possible to form an intermediate layer (hard chrome plated layer) having a desired number of laminated layers. After forming the required number of intermediate layers, the hard chromium plating layer on the outermost surface is formed. After the reverse charge process of the intermediate layer was completed, the polarity was reversed again and the base material was used as the cathode, and the current density was 30
It is preferable that the hard chrome plating layer is formed by plating at 120 A / dm 2 and setting the current application time so that a predetermined thickness is obtained. Then, the polarity is reversed at a slow switching time, and a reverse charging process is performed. In the reverse current step, the base material is used as the anode, the current density is set to 20 to 100 A / dm 2 , and the current application time is set so that the preset thickness remains, and the hard chromium plating layer is eluted. The thickness of the hard chromium plating layer of the outermost surface layer is preferably 5.0 to 50.0 μm. In this thickness, the polarity switching time from the plating process to the reverse current process is 100 to 2000 μsec. It is preferable. This makes it possible to form a fine crack in which the opening width is 0.2 μm or less and a portion where the fine crack stops in a single layer and a portion that extends to two or more layers are mixed.
【0039】上記した工程により、母材表面の少なくと
も外周側(摺動面)に硬質クロム積層めっき皮膜を形成
したピストンリングとすることができる。硬質クロム積
層めっき皮膜はピストンリング母材との密着性に優れ、
ピストンリングの耐久性が向上するという効果を示す。
このようなピストンリングを、ピストンに組み込み、軟
質なアルミニウム合金製シリンダーボアと直接組み合わ
せて摺動 (使用)しても、保油性に優れているため、耐
摩耗性、耐スカッフ性を従来の組み合わせ並あるいはそ
れ以上とすることができる。本発明の組み合わせによれ
ば、特別なシリンダーライナを装備することなく、ま
た、シリンダに特殊な複合強化を施すことなく、軟質な
アルミニウム合金製シリンダと直接組み合わせて使用す
ることができ、シリンダ (シリンダブロック)製造工程
の単純化、製造コストの低減が可能となるという顕著な
効果を示す。By the steps described above, a piston ring having a hard chromium laminated plating film formed on at least the outer peripheral side (sliding surface) of the base material surface can be obtained. The hard chrome laminated plating film has excellent adhesion to the piston ring base material,
The effect is that the durability of the piston ring is improved.
Even if such a piston ring is built into a piston and slid (used) directly in combination with a soft aluminum alloy cylinder bore, it has excellent oil retention, so wear resistance and scuff resistance are combined with the conventional combination. It can be average or higher. According to the combination of the present invention, the cylinder (cylinder) can be directly combined with a soft aluminum alloy cylinder without a special cylinder liner and without special composite reinforcement of the cylinder. (Block) A remarkable effect that the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
【0040】また、本発明では、ピストンリング母材と
してオーステナイト系ステンレス鋼を用いるため、稼動
時にピストンリングとアルミニウム合金製シリンダとの
熱膨張差が少なく、ピストンリングのガスシール性の低
下が認められず、したがって、ブローバイガスの発生を
防止できるという効果を示す。また、上記したように母
材表面の少なくとも外周側(摺動面側)に硬質クロム積
層めっきを形成したピストンリングに組み合わせて使用
できるアルミニウム合金製シリンダは、ダイカスト鋳造
法により製造された鋳造品、すなわちJIS H 5302に規定
される、アルミニウム合金ダイカストがいずれも好適に
利用できる。なかでも、ADC12、ADC10、AD
C14のうちのいずれかに規定される組成を有するアル
ミニウム合金ダイカストが好ましい。なお、ダイカスト
法で形成されたアルミニウム合金鋳造品は冷却速度が速
いため、 組織が微細化し、硬さも高くなり、 引張強さを
向上させることができる。Further, in the present invention, since the austenitic stainless steel is used as the piston ring base material, the difference in thermal expansion between the piston ring and the aluminum alloy cylinder during operation is small, and the gas sealability of the piston ring is deteriorated. Therefore, the effect of preventing the generation of blow-by gas is exhibited. Further, as described above, an aluminum alloy cylinder that can be used in combination with a piston ring having hard chrome laminated plating formed on at least the outer peripheral side (sliding surface side) of the base material is a cast product manufactured by a die casting method, That is, any aluminum alloy die casting specified in JIS H 5302 can be preferably used. Among them, ADC12, ADC10, AD
Aluminum alloy die castings having a composition defined in any of C14 are preferred. Since the aluminum alloy cast product formed by the die casting method has a high cooling rate, the structure becomes finer, the hardness becomes higher, and the tensile strength can be improved.
【0041】また、アルミニウム合金製シリンダは、静
置鋳造法で製造された鋳造品としても何ら問題はない。
静置鋳造法で製造された鋳造品の場合は、JIS H 5202
に規定される、アルミニウム合金鋳物がいずれも好適に
利用できる。なかでも、AC8A、AC8B、AC8C
のうちのいずれかに規定される組成を有するアルミニウ
ム合金鋳物が好ましい。静置鋳造法はシリンダブロック
のような大きな形状の鋳造品の製造には適していないた
め、静置鋳造法を利用する場合には、スリーブのような
薄形状として、鋳込むことも可能である。Further, the aluminum alloy cylinder does not pose any problem as a cast product manufactured by the static casting method.
JIS H 5202 for cast products manufactured by the static casting method
Any of the aluminum alloy castings defined in 1. can be suitably used. Among them, AC8A, AC8B, AC8C
Aluminum alloy castings having compositions defined in any of the above are preferred. Since the stationary casting method is not suitable for the production of large-sized castings such as cylinder blocks, when using the stationary casting method, it is possible to cast it into a thin shape such as a sleeve. .
【0042】本発明の組み合わせで使用するシリンダの
製造方法は、特に限定されるものではなく、通常公知の
方法がいずれも適用できる。たとえば、所定の組成を有
するアルミニウム合金溶湯を溶製し、所定の寸法形状に
組み立てられた鋳型に高圧鋳造法、あるいは静置鋳造に
て鋳込み、あるいはさらに溶湯鍛造を施した後、さらに
内周面を所定の表面形状とする加工(ホーニング加工)
を施すことが好ましい。The method for producing the cylinder used in the combination of the present invention is not particularly limited, and any of the commonly known methods can be applied. For example, a molten aluminum alloy having a predetermined composition is melted, and a mold assembled into a predetermined size and shape is cast by a high-pressure casting method or static casting, or after further forging the melt, the inner peripheral surface is further With a predetermined surface shape (honing)
Is preferably applied.
【0043】[0043]
【実施例】オーステナイト系ステンレス鋼(SUS 304:
C:0.06質量%、Si:0.90質量%、Mn:1.5 質量%、
P:0.02質量%、S:0.02質量%、Cr:18質量%、Ni:
8 質量%、残部Fe)、マルテンサイト系ステンレス鋼(S
US 440:C:0.85質量%、Si:0.40質量%、Mn:0.30質
量%、Cr:17.0質量%、P:0.03質量%、S:0.02質量
%、Mo:1.0 質量%、V:0.1 質量%、残部Fe)を素材
として、 所定の寸法形状のピストンリング母材を作製し
た。これらピストンリング母材に、 前処理として脱脂、
洗浄、液体ホーニングを施したのち、めっき浴槽に浸漬
した。なお、めっき浴は、従来公知のフッ化浴とした。[Example] Austenitic stainless steel (SUS 304:
C: 0.06 mass%, Si: 0.90 mass%, Mn: 1.5 mass%,
P: 0.02 mass%, S: 0.02 mass%, Cr: 18 mass%, Ni:
8% by mass, balance Fe), martensitic stainless steel (S
US 440: C: 0.85 mass%, Si: 0.40 mass%, Mn: 0.30 mass%, Cr: 17.0 mass%, P: 0.03 mass%, S: 0.02 mass%, Mo: 1.0 mass%, V: 0.1 mass% , And the balance Fe) was used as a raw material to produce a piston ring base material of a predetermined size and shape. Degreasing these piston ring base materials as pretreatment,
After washing and liquid honing, it was immersed in a plating bath. The plating bath was a conventionally known fluoride bath.
【0044】まず、めっき浴槽内で、電流密度:60A/
dm2 、印加時間:20sの条件で電解研磨を行った。つい
で、極性を反転して、母材を陰極とし、電流密度:60A
/dm 2 、印加時間:30min の条件でめっきするめっき工
程と、引き続き、750 μs の極性切り替え時間で極性を
反転し、母材を陽極とし、電流密度:60A/dm2 、印加
時間:90sの条件で逆電工程を施し、最下層の硬質クロ
ムめっき層を形成した。First, in the plating bath, current density: 60 A /
dm2Electrolytic polishing was performed under the conditions of application time: 20 s. Just
Then, reverse the polarity and use the base material as the cathode, current density: 60A
/ Dm 2, Plating time: plating under the condition of 30min
Then, the polarity is switched with the polarity switching time of 750 μs.
Inverted, base material as anode, current density: 60A / dm2, Applied
Time: 90 seconds, reverse charge process is applied
A plating layer was formed.
【0045】ついで、再び、極性を反転し、母材を陰極
とし、電流密度:60A/dm2 、印加時間:15min の条件
でめっきするめっき工程と、引き続き、750 μs の極性
切り替え時間で極性を反転し、母材を陽極とし、電流密
度:60A/dm2 、印加時間:90sの条件で逆電工程を施
し、表1に示す厚さの硬質クロムめっき層(中間層)を
形成した。このような中間層のめっき工程と逆電工程
を、さらに10回繰り返し、合計10層の中間層を形成し
た。Then, the polarity is reversed again, the base material is used as the cathode, and the plating step is performed under the conditions of current density: 60 A / dm 2 and application time: 15 min, followed by the polarity switching time of 750 μs. Reversed, the base material was used as an anode, a reverse current process was performed under conditions of current density: 60 A / dm 2 and application time: 90 s to form a hard chrome plating layer (intermediate layer) having a thickness shown in Table 1. The intermediate layer plating step and the reverse current step were repeated 10 times to form a total of 10 intermediate layers.
【0046】ついで、再び極性を反転し、母材を陰極と
し、電流密度:60A/dm2 、印加時間:20min の条件で
めっきするめっき工程により最表面層を形成した。な
お、最表面層では逆電工程は省略した。ただし、めっき
後の加工により、最表面のめっき層は研削されるため、
摺動面は微細亀裂を有する面となる。また、ピストンリ
ングの上下コーナー付近の削られない部位は、下層のめ
っき層を保護する。Next, the polarity was reversed again, the base material was used as the cathode, and the outermost surface layer was formed by the plating step of plating under the conditions of current density: 60 A / dm 2 and application time: 20 min. Note that the reverse charge step was omitted in the outermost surface layer. However, since the outermost plating layer is ground by the processing after plating,
The sliding surface becomes a surface having fine cracks. Further, the uncut portion near the upper and lower corners of the piston ring protects the lower plated layer.
【0047】また、めっき工程と逆電工程の条件を変化
し、微細亀裂量が少ない場合、微細亀裂量が多い場合、
単一層内に留まる亀裂量が多い場合、2層間に延びる亀
裂量が多い場合の硬質クロム積層めっき皮膜を形成し、
比較例とした。このような層厚、微細亀裂量分布の異な
る硬質クロム積層めっき皮膜を形成したピストンリング
を、アルミニウム合金製シリンダーボアと表1に示すよ
うに組み合わせて、ブローバイガス発生量の測定、摩耗
試験およびスカッフ試験を実施した。When the conditions of the plating process and the reverse current process are changed and the amount of fine cracks is small, the amount of fine cracks is large,
If there is a large amount of cracks remaining in a single layer, form a hard chrome laminated plating film when the amount of cracks extending between two layers is large,
It was used as a comparative example. A piston ring having a hard chrome laminated plating film with different layer thickness and fine crack distribution is combined with an aluminum alloy cylinder bore as shown in Table 1 to measure blow-by gas generation, wear test and scuffing. The test was conducted.
【0048】なお、ピストンリングに組み合わせる相手
材としてのシリンダーは、JISADC12またはAD
C10組成のアルミニウム合金ダイカストとし、表面は
研磨加工を施し、表面粗さをRz:2μmとした。一部の
シリンダーはJIS AC8A組成の静置鋳造法による
アルミニウム合金製とした。ピストンリング表面に形成
されためっき層の厚さ、積層数、皮膜中の微細亀裂量、
微細亀裂の割合、およびピストンリングとシリンダーと
の組み合わせ条件を表1に示す。The cylinder as the mating material to be combined with the piston ring is JIS ADC12 or AD.
An aluminum alloy die cast of C10 composition was used, the surface was subjected to polishing, and the surface roughness was set to Rz: 2 μm. Some cylinders were made of aluminum alloy by the static casting method of JIS AC8A composition. The thickness of the plating layer formed on the piston ring surface, the number of layers, the amount of fine cracks in the coating,
Table 1 shows the ratio of fine cracks and the conditions for combining the piston ring and the cylinder.
【0049】なお、同じめっき浴槽を用いて同様なめっ
き工程および逆電工程を1回施し、単層の硬質クロムめ
っき皮膜を形成したピストンリングを作製し、従来例と
した。また、母材表面にガス窒化層(窒化層厚:70μ
m、窒化層硬さ:Hv1100)を形成したピストンリングを
比較例の1つとした。The same plating process and reverse electrolysis process were performed once using the same plating bath to prepare a piston ring having a single-layer hard chrome plating film formed thereon, which was used as a conventional example. In addition, the gas nitriding layer (nitriding layer thickness: 70μ
m, the hardness of the nitride layer: Hv1100) was formed as one of the comparative examples.
【0050】[0050]
【表1】 [Table 1]
【0051】ブローバイガス発生量の測定方法は、下記
のとおりとした。
(1)ブローバイガス発生量の測定
外周摺動面に、表1に示す硬質クロム積層めっき皮膜を
形成したピストンリング(No. 1、No. 10)を試験材と
して、 第1圧力リングに使用した。第2圧力リングおよ
びオイルリングは、従来型のピストンリング(材質:FC
250 )を使用した。なお、第1圧力リングの合口の隙間
幅は0.3 mm、第2圧力リングの合口の隙間幅は0.5 mm、
オイルリングの合口の隙間幅は0.2 mmに設定した。The method for measuring the amount of blow-by gas generated was as follows. (1) Measurement of blow-by gas generation amount Piston rings (No. 1, No. 10) having hard chromium laminated plating film shown in Table 1 formed on the outer peripheral sliding surface were used as test materials for the first pressure ring. . The second pressure ring and oil ring are conventional piston rings (material: FC
250) was used. The gap width of the abutment of the first pressure ring is 0.3 mm, the gap width of the abutment of the second pressure ring is 0.5 mm,
The gap width of the oil ring abutment was set to 0.2 mm.
【0052】これら圧力リング、オイルリングを用い
て、アルミニウム合金(ACD12 )製シリンダのエンジン
でブローバイガス発生量を測定した。測定は、各回転数
でエンジンを回転させブローバイガス量(l/min )を測
定した。これらの結果から、6000rpm-WOT (ワイドオー
プンスロットル)でのPmax を65kg/cm2としてブローバ
イガス量を算出した。Using these pressure ring and oil ring, the blow-by gas generation amount was measured with an engine of an aluminum alloy (ACD12) cylinder. The measurement was performed by rotating the engine at each rotation speed and measuring the blow-by gas amount (l / min). From these results, the blow-by gas amount was calculated with Pmax at 6000 rpm-WOT (wide open throttle) set at 65 kg / cm 2 .
【0053】得られた結果を図2に示す。なお、ブロー
バイ比は、比較例であるマルテンサイト系ステンレス鋼
を母材とするピストンリング(組み合わせNo.10) のブ
ローバイガス量の最大値を100 として、それに対する相
対比で表示している。摩耗試験およびスカッフ試験の試
験条件はつぎのとおりとした。
(2)摩耗試験
アムスラー型摩耗試験機を使用して、得られたピストン
リングより固定片を削り出し、相手材である回転片(シ
リンダー内周面相当)の半分を油に浸漬し荷重をかけな
がら固定片に接触させて下記に示す条件で摩耗試験を行
った。The obtained results are shown in FIG. The blow-by ratio is shown as a relative ratio to the maximum value of the blow-by gas amount of a piston ring (combination No. 10) having a base material of martensitic stainless steel as a comparative example, which is 100. The test conditions for the wear test and the scuff test were as follows. (2) Abrasion test Using an Amsler type abrasion tester, a fixed piece is cut out from the obtained piston ring, half of the rotating piece (corresponding to the inner peripheral surface of the cylinder), which is the mating material, is immersed in oil and a load is applied. While making contact with the fixed piece, a wear test was performed under the following conditions.
【0054】
潤滑油:タービン油(#100 )
油温:80℃
周回転速度:478 rpm
荷重:80kgf
時間:7h
試験後、固定片(ピストンリング相当)および相手材
(シリンダー内周面)の摩耗量を粗さ計による段差プロ
フィールで測定した。従来例を基準(=1)として、基
準値に対する相対値(摩耗量比)で評価した。Lubricating oil: Turbine oil (# 100) Oil temperature: 80 ° C Circumferential rotation speed: 478 rpm Load: 80kgf Time: 7h After the test, wear of fixed piece (equivalent to piston ring) and mating material (inner surface of cylinder) The quantity was measured by the step profile with a roughness meter. Using the conventional example as a reference (= 1), evaluation was made with a relative value (wear ratio) to the reference value.
【0055】摩耗量比は、1より小さい場合が従来例よ
り、摩耗量が少ないことを示しており、数値が1より小
さい方が望ましい。
(3)スカッフ試験
アムスラー型摩耗試験機を使用して、得られたピストン
リングより固定片を削り出し、相手材である回転片(シ
リンダー内周面相当)に油を付着させ、荷重をかけなが
ら固定片に接触させて、下記に示す条件で、荷重を10kg
f/min の割合で線形連続的に増加させ続け、スカッフが
発生して負荷信号が発生した時点の荷重をスカッフ限界
荷重とした。When the wear amount ratio is smaller than 1, it means that the wear amount is smaller than that of the conventional example, and it is desirable that the value is smaller than 1. (3) Scuff test Using an Amsler type abrasion tester, cut out a fixed piece from the obtained piston ring, attach oil to the rotating piece (corresponding to the inner peripheral surface of the cylinder) that is the mating material, and apply a load. Contact the fixed piece and load 10 kg under the conditions shown below.
The load at the time when the scuffing occurred and the load signal was generated was defined as the scuffing limit load, while continuously increasing linearly at the rate of f / min.
【0056】
潤滑油:2号スピンドル油
油温:成りゆき
周回転速度:478 rpm
なお、従来例を基準(=1)として、基準値に対する相
対値(スカッフ限界荷重比)で評価した。スカッフ限界
荷重比は、1より大の場合が、従来例よりスカッフ荷重
が高いことを示しており、数値が大きい方が望ましい。Lubricating oil: No. 2 spindle oil Oil temperature: Natural rotation speed: 478 rpm In addition, the conventional example was evaluated as a relative value (scuff limit load ratio) with respect to a reference value with reference (= 1). When the scuff limit load ratio is greater than 1, it indicates that the scuff load is higher than that of the conventional example, and it is desirable that the numerical value is large.
【0057】さらに、外周摺動面に、表1に示す硬質ク
ロム積層めっき皮膜、硬質クロムめっき皮膜、をそれぞ
れ形成したピストンリングについて、疲労強度試験およ
び皮膜衝撃強度試験を実施した。疲労強度試験、皮膜衝
撃強度試験の試験条件は下記のとおりである。
(4)疲労強度試験
リング実体型疲労試験機を使用し、ピストンリングに所
定の荷重を負荷しながら、繰り返し速度を 2000cycle/
min として107 回繰り返した。所定の荷重にて107 回を
クリアしたら荷重の段階を上げて同様の速度で107 回繰
り返した。107回をクリアできた最も大きい荷重を、被
試験材の疲労強度(MPa )とした。Further, a fatigue strength test and a film impact strength test were carried out on piston rings each having a hard chrome laminated plating film and a hard chrome plating film shown in Table 1 formed on the outer peripheral sliding surface. The test conditions for the fatigue strength test and the film impact strength test are as follows. (4) Fatigue strength test ring Using a physical fatigue tester, while applying a predetermined load to the piston ring, the repetition rate is 2000 cycles /
Repeated 10 7 times as min. After clearing 10 7 times with a predetermined load, the load stage was increased and repeated 10 7 times at the same speed. The maximum load that cleared 10 7 cycles was the fatigue strength (MPa) of the material under test.
【0058】なお、従来例の疲労強度(MPa )を基準
(=1)として基準値に対する相対値(疲労強度比)で
疲労強度を評価した。疲労強度比は1より大の場合が従
来例より、疲労強度が高いことを示しており、数値が大
きい方が望ましい。
(5)皮膜衝撃強度試験
自社オリジナルの衝撃試験機を使用し、被試験材(ピス
トンリング)のリングコーナー45゜にストーク 1.5mmで
打撃することによりめっき皮膜の剥離が発生するまで所
定荷重の衝撃エネルギーを加え続け、剥離発生までの打
撃回数を測定した。The fatigue strength (MPa) of the conventional example was used as a reference (= 1) to evaluate the fatigue strength with a relative value (fatigue strength ratio) to the reference value. When the fatigue strength ratio is greater than 1, it indicates that the fatigue strength is higher than in the conventional example, and the larger the numerical value, the better. (5) Film impact strength test Using an original impact tester of our company, impact with a predetermined load until the plating film peels by hitting the ring corner 45 ° of the material under test (piston ring) with a stalk of 1.5 mm Energy was continuously applied, and the number of hits until the occurrence of peeling was measured.
【0059】なお、従来例の剥離発生までの打撃回数を
基準(=1)として、基準値に対する相対値(皮膜衝撃
強度比)で皮膜衝撃強度を評価した。皮膜衝撃強度比
は、1より大の場合が従来例より耐剥離性に優れている
ことを示しており、数値が大きい方が望ましい。得られ
た結果を表2に併記する。Incidentally, the film impact strength was evaluated by the relative value (film impact strength ratio) to the reference value, with the number of hits until the occurrence of peeling in the conventional example as a reference (= 1). When the film impact strength ratio is greater than 1, it indicates that the peeling resistance is superior to that of the conventional example. The obtained results are also shown in Table 2.
【0060】[0060]
【表2】 [Table 2]
【0061】本発明例(No.1〜No.3)はいずれも、ピス
トンリング摩耗量比、シリンダー内周面摩耗量比が1よ
り小さく、従来例より摩耗量が少なくなっており、耐摩
耗性にすぐれた組み合わせとなっている。また、本発明
例はいずれも、スカッフ限界荷重比が1より大きく従来
例より高いスカッフ限界荷重を示しており、耐焼付き性
に優れた組み合わせとなっている。更に本発明例は、い
ずれも疲労強度比及び皮膜衝撃強度比が、従来例及び比
較例より高い値を示し、耐疲労性、耐皮膜衝撃性に優れ
たピストンリング皮膜となっている。In all of the examples of the present invention (No. 1 to No. 3), the piston ring wear amount ratio and the cylinder inner peripheral surface wear amount ratio were smaller than 1, and the wear amount was smaller than that of the conventional example. The combination is excellent in sex. Further, in all of the examples of the present invention, the scuff limit load ratio is larger than 1 and the scuff limit load is higher than that of the conventional example, and the combinations are excellent in seizure resistance. Further, in each of the examples of the present invention, the fatigue strength ratio and the film impact strength ratio are higher than those of the conventional example and the comparative example, and the piston ring film is excellent in fatigue resistance and film impact resistance.
【0062】なお、比較例(No.4)はピストンリングめ
っき皮膜中の微細亀裂量が少ないため、ピストンリング
摩耗量が多く、スカッフ限界荷重も低い。比較例(No.
5)はピストンリングめっき皮膜中の微細亀裂量が多い
ため、ピストンリング摩耗量が少なく、またスカッフ限
界荷重も高いが、ピストンリングめっき皮膜の疲労強度
比及び皮膜衝撃強度比は低い。比較例(No.6)はピスト
ンリングめっき皮膜中の単一層内に溜まる微細亀裂量が
多いため、ピストンリング摩耗量が少なく、スカッフ限
界荷重が高いが、疲労強度比及び皮膜衝撃強度比が低く
なっている。比較例(No.7)はピストンリングめっき皮
膜中の2層間に延びる微細亀裂量が多いため、ピストン
リング摩耗量が少なく、スカッフ限界荷重が高いが、疲
労強度比が低くなっている。比較例(No.8)はガス窒化
膜を形成した例であり、皮膜が硬いため、ピストンリン
グ摩耗量は少ないが、アルミニウム合金製シリンダに対
しての相手攻撃性が高いため、シリンダ内周面摩耗量が
多く、また保油性がないため、スカッフ限界荷重が低
い。In the comparative example (No. 4), since the amount of fine cracks in the piston ring plating film is small, the piston ring wear amount is large and the scuff limit load is low. Comparative example (No.
In 5), the piston ring plating film has a large amount of fine cracks, so the piston ring wear amount is small and the scuffing limit load is high, but the fatigue strength ratio and the film impact strength ratio of the piston ring plating film are low. The comparative example (No. 6) has a large amount of fine cracks accumulated in a single layer in the piston ring plating film, so the piston ring wear amount is small and the scuff limit load is high, but the fatigue strength ratio and film impact strength ratio are low. Has become. In the comparative example (No. 7), the amount of fine cracks extending between the two layers in the piston ring plating film is large, so the piston ring wear amount is small and the scuff limit load is high, but the fatigue strength ratio is low. The comparative example (No. 8) is an example in which a gas nitriding film is formed. Since the film is hard, the amount of piston ring wear is small, but since it is highly aggressive against the aluminum alloy cylinder, the cylinder inner surface Since the amount of wear is large and there is no oil retention, the scuff limit load is low.
【0063】また、比較例(No.10 〜No.12 )は、ピス
トンリング母材をマルテンサイト系ステンレス鋼SUS 44
0 とした以外は、本発明例と同様の硬質クロム積層めっ
き皮膜を形成しており、耐摩耗性、耐焼付き性にすぐれ
た組み合わせとなっており、また、耐疲労性、耐皮膜衝
撃性に優れたピストンリング皮膜となっている。図2か
ら、本発明例(No.1)のブローバイ比は、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼を母材とする比較例(No.10 )に比べ
低い。このことから本発明は、ガスシール性の低下が少
なく、ブローバイガスの発生量を抑制することができる
ことがわかる。In the comparative examples (No. 10 to No. 12), the piston ring base material was martensitic stainless steel SUS 44.
Other than 0, the same hard chrome laminated plating film as in the example of the present invention is formed, and the combination is excellent in wear resistance and seizure resistance, and also in fatigue resistance and film impact resistance. It has an excellent piston ring coating. From FIG. 2, the blow-by ratio of the present invention example (No. 1) is lower than that of the comparative example (No. 10) using martensitic stainless steel as the base material. From this, it is understood that the present invention is less likely to deteriorate the gas sealing property and can suppress the amount of blow-by gas generated.
【0064】このように、本発明のピストンリングとシ
リンダとの組み合わせによれば、シリンダライナを必要
とせず、直接アルミ合金製シリンダとピストンリングを
組み合わせて摺動させることができ、しかもブローバイ
ガスの発生を抑制することができるという顕著な効果を
示す。As described above, according to the combination of the piston ring and the cylinder of the present invention, the cylinder liner is not required and the cylinder made of the aluminum alloy and the piston ring can be directly slid together and the blow-by gas The remarkable effect that the generation can be suppressed is shown.
【0065】[0065]
【発明の効果】本発明によれば、摺動時の摩擦力が低
く、かつシリンダおよびピストンリング双方の摩耗量が
少なく、しかも耐スカッフ性に優れ、シリンダをアルミ
ニウム合金製としてもブローバイガスの発生を抑制でき
るシリンダとピストンリングとの組み合わせを提供する
ことができ、産業上格段の効果を奏する。また、シリン
ダライナを必要とせず、ピストンリングを軟質なシリン
ダー内周面と直接組み合わせることができ,エンジンの
製造コストを顕著に低減できるという効果もある。According to the present invention, the frictional force during sliding is low, the amount of wear of both the cylinder and the piston ring is small, and the scuff resistance is excellent. Even if the cylinder is made of aluminum alloy, blow-by gas is generated. It is possible to provide a combination of a cylinder and a piston ring capable of suppressing the above, and it is possible to achieve a marked effect in industry. Further, there is also an effect that the piston ring can be directly combined with the soft inner peripheral surface of the cylinder without requiring a cylinder liner, and the engine manufacturing cost can be remarkably reduced.
【図1】本発明に好適な硬質クロム積層めっき皮膜の断
面構造を模式的に示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cross-sectional structure of a hard chrome laminated plating film suitable for the present invention.
【図2】実施例と比較例のブローバイ化を示すグラフで
ある。FIG. 2 is a graph showing blow-by conversion in Examples and Comparative Examples.
1 ピストンリング母材 2 硬質クロム積層めっき皮膜 2a,2b,2c,2d 硬質クロムめっき層 3a 単一層内に留まる微細亀裂 3b 2層に延びる微細亀裂 3c 3層に延びる微細亀裂 1 Piston ring base material 2 Hard chrome laminated plating film 2a, 2b, 2c, 2d Hard chrome plating layer 3a Microcracks that remain in a single layer 3b Fine cracks extending in two layers 3c 3 microcracks extending into 3 layers
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F16J 9/26 F16J 9/26 C 10/00 10/00 A (72)発明者 井口 邦浩 埼玉県さいたま市本町東五丁目12番10号 日本ピストンリング株式会社内 Fターム(参考) 3G024 AA22 AA23 AA24 FA00 FA06 FA08 FA14 GA02 GA16 GA18 HA01 HA07 3J044 AA02 BA03 BA04 BB15 BB28 BC07 BC13 DA07 4K024 AA02 AB02 BA04 BB04 BC06 CA01 CA06 GA03 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) F16J 9/26 F16J 9/26 C 10/00 10/00 A (72) Inventor Kunihiro Iguchi Saitama City, Saitama Prefecture Honmachi Higashi 5-12-12 Japan Piston Ring Co., Ltd. F term (reference) 3G024 AA22 AA23 AA24 FA00 FA06 FA08 FA14 GA02 GA16 GA18 HA01 HA07 3J044 AA02 BA03 BA04 BB15 BB28 BC07 BC13 DA07 4K024 AA02 AB02 BA04 BB04 BC06 CA01 CA06 GA03
Claims (7)
面を摺動するピストンリングとの組み合わせであって、
前記シリンダをアルミニウム合金製シリンダとし、前記
ピストンリングを、母材がオーステナイト系ステンレス
鋼となし、かつ少なくとも外周摺動面に2層以上の硬質
クロムめっき層からなる硬質クロム積層めっき皮膜を形
成したピストンリングとし、該硬質クロム積層めっき皮
膜が、前記2層以上の硬質クロムめっき層のそれぞれに
は、外面側に開口する微細亀裂が分布し、該微細亀裂は
深さ方向に関し自己の開口が存在する各硬質クロムめっ
き層内に留まる部分と、自己の開口が存在する各硬質ク
ロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延
びている部分を含む、めっき皮膜であることを特徴とす
るアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組
み合わせ。1. A combination of a cylinder of an internal combustion engine and a piston ring which slides on an inner peripheral surface of the cylinder,
A piston in which the cylinder is an aluminum alloy cylinder, the piston ring has a base material of austenitic stainless steel, and a hard chrome laminated plating film having two or more hard chrome plating layers is formed on at least an outer peripheral sliding surface. The hard chrome laminated plating film is a ring, and in each of the two or more hard chrome plated layers, fine cracks that open to the outer surface side are distributed, and the fine cracks have their own openings in the depth direction. An aluminum alloy characterized by being a plating film including a portion remaining in each hard chrome plating layer and a portion extending into the hard chrome plating layer below each hard chrome plating layer having its own opening Combination of cylinder and piston ring.
っき皮膜の断面における面積率で、2.0 〜40.0%の範囲
内で存在し、そのうち前記自己の開口が存在する各硬質
クロムめっき層に留まる微細亀裂が1.5 〜35.0%、自己
の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬
質クロムめっき層内まで延びている微細亀裂が0.5 〜2
5.0%であることを特徴とする請求項1に記載のアルミ
ニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わ
せ。2. The fine cracks are present in the range of 2.0 to 40.0% in the area ratio of the cross section of the hard chromium laminated plating film, and the fine cracks remain in each hard chromium plating layer in which the self-opening exists. 1.5 to 35.0% of cracks, 0.5 to 2 micro cracks extending into the hard chrome plating layer below each hard chrome plating layer where self-opening exists.
The combination of the aluminum alloy cylinder and the piston ring according to claim 1, which is 5.0%.
0 〜30.0μmであり、前記微細亀裂の開口部幅が0.2 μ
m以下であることを特徴とする請求項2に記載のアルミ
ニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わ
せ。3. The thickness of each hard chrome plating layer is 5.
0 to 30.0 μm, and the opening width of the microcracks is 0.2 μm.
The combination of the aluminum alloy cylinder and the piston ring according to claim 2, wherein the combination is m or less.
面側の硬質クロムめっき層の厚さを、他の硬質クロムめ
っき層の厚さより厚く、かつ50.0μm以下とし、他の硬
質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0μmとし、前記微
細亀裂の開口部幅が0.2 μm以下であることを特徴とす
る請求項2に記載のアルミニウム合金製シリンダとピス
トンリングとの組み合わせ。4. The hard chrome plating layer of each of the hard chrome plating layers, wherein the hard chrome plating layer on the outermost surface side is thicker than the other hard chrome plating layers and has a thickness of 50.0 μm or less. 3. The combination of the aluminum alloy cylinder and the piston ring according to claim 2, wherein the thickness of the aluminum alloy is 5.0 to 30.0 μm, and the opening width of the fine cracks is 0.2 μm or less.
上の硬質クロムめっき層からなり、前記3層以上の硬質
クロムめっき層のうち、母材表面に最も近い硬質クロム
めっき層の厚さを他の硬質クロムめっき層の厚さより厚
くかつ80.0μm以下とし、最表面側の硬質クロムめっき
層の厚さを母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚
さの次に厚くしかつ50.0μm以下とし、他の硬質クロム
めっき層の厚さを5.0 〜30.0μmとし、前記微細亀裂の
開口部幅が0.2 μm以下であることを特徴とする請求項
2に記載のアルミニウム合金製シリンダとピストンリン
グとの組み合わせ。5. The hard chrome laminated plating film is composed of three or more hard chrome plated layers, and among the hard chrome plated layers of three or more hard layers, the thickness of the hard chrome plated layer closest to the surface of the base material is different. Thicker than the thickness of the hard chrome plating layer of 80.0 μm, and the thickness of the hard chrome plating layer on the outermost surface side is next to the thickness of the hard chrome plating layer closest to the surface of the base material and 50.0 μm or less The thickness of the other hard chrome plating layer is 5.0 to 30.0 μm, and the opening width of the fine cracks is 0.2 μm or less. 3. The aluminum alloy cylinder and piston ring according to claim 2, wherein combination.
質量%で、Ni:3.5〜17.0%、Cr:15.0〜20.0%を含む
組成のオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴
とする請求項1ないし5のいずれかに記載のアルミニウ
ム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。6. The austenitic stainless steel comprises:
The aluminum alloy cylinder and piston ring according to any one of claims 1 to 5, which is an austenitic stainless steel having a composition containing Ni: 3.5 to 17.0% and Cr: 15.0 to 20.0% by mass. In combination with.
IS ADC12、JIS ADC10、JIS AD
C14のうちのいずれかに規定される組成を有するダイ
カスト鋳造によるアルミニウム合金製シリンダー、また
はJIS AC8A、JIS AC8B、JIS AC
8Cのうちのいずれかに規定される組成を有する静置鋳
造によるアルミニウム合金製シリンダであることを特徴
とする請求項1ないし6のいずれかに記載のアルミニウ
ム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。7. The aluminum alloy cylinder is J
IS ADC12, JIS ADC10, JIS AD
Cylinder made of aluminum alloy by die casting having a composition defined in any of C14, or JIS AC8A, JIS AC8B, JIS AC
The combination of the aluminum alloy cylinder and the piston ring according to any one of claims 1 to 6, which is a static casting aluminum alloy cylinder having a composition defined in any of 8C.
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