JP2004092714A

JP2004092714A - ピストンとピストンリングの組合せ

Info

Publication number: JP2004092714A
Application number: JP2002252355A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Aizawa; 相沢　健; Manabu Kishida; 岸田　学; Masato Kajiwara; 梶原　誠人
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25
Also published as: US20040040436A1; US7024982B2; DE10339711A1

Abstract

【課題】高出力ディーゼルエンジンのような高い燃焼温度と燃焼圧力を伴う高出力の内燃機関に好適に使用される耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せを提供する。
【解決手段】少なくともピストンリング溝１２の材質がスチールであるピストン１１に、少なくとも外周摺動面２５に硬質皮膜を形成した鋳鉄製のピストンリング２１を装着してなるピストンとピストンリングの組合せ１により、上記課題を解決する。この組合せにおけるピストンリング２１としては、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄、可鍛鋳鉄、バーミキュラ鋳鉄及び合金鋳鉄から選択された１の鋳鉄で形成されていることが好ましく、１３万ＭＰａ〜１７万ＭＰａの範囲内の弾性率であることが好ましい。さらに、硬質皮膜がイオンプレーティング皮膜２６であること及び／又はそのピストンリングが窒化処理されていることが好ましい。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の高出力化に対応したピストンとピストンリングの組合せに関し、更に詳しくは、高出力ディーゼルエンジンのような高い燃焼温度と燃焼圧力を伴う高出力の内燃機関に好適に使用される耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のディーゼルエンジンは、アルミニウム製ピストン又は耐摩環（トレーガーともいう）を有するアルミニウム製ピストンと、必要に応じて窒化処理され、外周摺動面に硬質皮膜が形成されたスチール製ピストンリングとが組み合わされて使用されていた。
【０００３】
しかし、近年、環境対策等の観点から内燃機関の高出力化の要求が高まってきており、上述したアルミニウムベースのピストンでは、高い燃焼温度と燃焼圧力を伴う高出力環境下において、耐久性、耐熱性等の機能が果たせなくなってきている。そのため、高出力環境下でもその機能を担保できるスチール製ピストンが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したスチール製ピストンとスチール製ピストンリングとをの組合せて使用した場合においては、ピストンリングの下面と、ピストンが備えるピストンリング溝の下面とが焼き付いて凝着が発生する。こうした現象が起こると、シリンダライナに対するピストンリングの追従性が著しく低下し、ピストンリングの本来果たすべき機能が発揮されないという問題が生じる可能性があった。
【０００５】
本発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであって、その目的は、高出力ディーゼルエンジンのような高い燃焼温度と燃焼圧力を伴う高出力の内燃機関に好適に使用される耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の現象について研究したところ、高い燃焼圧力を伴う高出力環境下では、ピストンリングの上面とピストンリング溝の上面との明確な接触痕が見られないことから、ピストンリングがピストンリング溝の下面に押しつけられて密着していることを確認した。そして、ピストンリング溝の下面に密着したピストンリングの下面は、その中心部で酸素欠乏状態となっており、その状態で大きな熱負荷とピストンスラップによる微動摩擦を受けることにより、その密着部分で凝着現象を起こし、上述した焼き付きが起こったものと知見した。
【０００７】
上記課題を解決するための本発明のピストンとピストンリングの組合せは、上記知見に基づいてなされたものであって、少なくともピストンリング溝の材質がスチールであるピストンに、少なくとも外周摺動面に硬質皮膜を形成した鋳鉄製のピストンリングを装着したことに特徴を有する。
【０００８】
この発明によれば、少なくともピストンリング溝の材質がスチールであるピストンに鋳鉄製のピストンリングを装着したので、ピストンリング溝の下面にピストンリングの下面が密着した状態で大きな熱負荷と微動摩擦を受けた場合であっても、ピストンリングの下面が備える鋳鉄特有の黒鉛の存在により表面に凹凸が形成され、凹凸が油溜まりに寄与し、また、黒鉛が自己潤滑物質として作用し、相手材であるスチール材質からなるピストンリング溝との間で凝着現象を起こさない。その結果、高出力ディーゼルエンジンのような高い燃焼温度と燃焼圧力を伴う高出力の内燃機関に好適に使用される耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せを提供できる。
【０００９】
本発明のピストンとピストンリングの組合せにおいて、前記ピストンリングが、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄、可鍛鋳鉄、バーミキュラ鋳鉄及び合金鋳鉄から選択された１の鋳鉄で形成されていることが好ましい。
【００１０】
また、本発明のピストンとピストンリングの組合せにおいて、前記ピストンリングが、１３万ＭＰａ〜１７万ＭＰａの範囲内の弾性率であることが好ましい。この発明によれば、ピストンリングの弾性率が上記範囲内にあるので、シリンダライナに対して追従し易く、高出力の内燃機関に好適に使用される耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せを提供できる。
【００１１】
また、本発明のピストンとピストンリングの組合せにおいて、前記硬質皮膜がイオンプレーティング皮膜であること、及び／又は、前記ピストンリングが窒化処理されていることが好ましい。ピストンリングにこうした硬質処理を施すことにより、ディーゼルエンジン等の高負荷環境下であっても耐摩耗性及び耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のピストンとピストンリングの組合せ１について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
【００１３】
（ピストン）
本発明を構成するピストン１１としては、少なくともピストンリング溝１２の材質がスチールであるものが適用される。例えば、ピストン全体がスチール製のもの、ピストンリング溝１２がスチール製でその他の部分はアルミニウム合金等の金属からなるもの、等を挙げることができる。スチール材質については、従来よりピストン用として使用されているものであれば特に限定されないが、例えば、ＳＫＤ６（ＪＩＳ記号、熱間金型用鋼）、ＳＵＳ３０４（ＪＩＳ記号、オーステナイト系ステンレス鋼）、ＳＵＳ６３０（ＪＩＳ記号、析出硬化系ステンレス鋼）等のような耐摩耗性と硬さが要求される材質を挙げることができる。
【００１４】
（ピストンリング）
本発明を構成するピストンリング２１は、鋳鉄製であればよく、その種類は特に限定されないが、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄、可鍛鋳鉄、バーミキュラ鋳鉄及び合金鋳鉄から選択された１の鋳鉄を好ましく挙げることができる。なお、特に好ましくは、後述する弾性率に基づく追従性と強度の観点から球状黒鉛鋳鉄である。鋳鉄製のピストンリングを製造する手段（製造手順、熱処理等）については、従来から行われている方法を適用することができる。
【００１５】
鋳鉄で作製されたピストンリング２１は、その表面に鋳鉄特有の黒鉛の存在により凹凸が形成されているので、ピストンリングの下面２３とピストンリング溝の下面１３とが密着した場合であっても、その凹凸が油だまりとして作用したり、その黒鉛が自己潤滑物質として作用し、相手材であるスチール材質のピストンリング溝１２との間で微動摩擦を受けても凝着現象を起こさない。
【００１６】
これらのピストンリング２１のうち、弾性率が１３万ＭＰａ〜１７万ＭＰａの範囲内の鋳鉄で作製したものが追従性向上の観点からより好ましく用いられる。更に望ましくは、１５万ＭＰａ〜１７万ＭＰａの球状黒鉛鋳鉄が好ましく用いられる。こうした弾性率を有する鋳鉄で作製されたピストンリング２１は、ピストン１１の上下運動時にシリンダライナ３０に対して優れた追従性を示すことができる。なお、弾性率は、引張試験により応力−歪み線図を作成して算出した。
【００１７】
弾性率が１７万ＭＰａを超える場合には、シリンダライナ３０に対するピストンリング２１の追従性がやや劣ることがあり、弾性率が１３万ＭＰａ未満の場合は、ピストンリングが柔軟になりすぎて、この場合もシリンダライナ３０に対するピストンリング２１の追従性がやや劣ることがある。
【００１８】
なお、ディーゼルエンジンのように高い燃焼温度や燃焼圧力を伴う高負荷での運転においては、ピストンリングの各部で温度差が生じ、特に合い口部の温度が高くなる。従来のスチール製のピストンリング２１においては、弾性率が２０万ＭＰａ前後と大きいので、膨張した合い口端部がシリンダライナ３０に強く当たって異常摩耗を起こし易かった。しかし、本発明を構成するピストンリング２１においては、ピストンリング２１の弾性率が上記範囲であり、ピストンリング２１がシリンダライナ３０の内周形状にならい易いので、膨張した合い口端部がシリンダライナ３０の内周面に強く当たって異常摩耗を起こることが抑制されるという効果もある。
【００１９】
ピストンリング２１には、少なくとも外周摺動面２５に硬質皮膜が形成されており、その硬質皮膜がイオンプレーティング皮膜２６であることが好ましい。イオンプレーティング皮膜２６としては、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系等を好ましく挙げることができる。こうしたイオンプレーティング皮膜２６を外周摺動面２５に有するピストンリング２１は、ディーゼルエンジンのような高負荷環境下においても、優れた耐摩耗性を発揮できる。なお、それらのイオンプレーティング皮膜２６の硬さは、ビッカース硬度で通常Ｈｖ１０００〜Ｈｖ２２００の範囲にある。なお、イオンプレーティング皮膜２６の好ましい厚さは、１０〜７０μｍである。
【００２０】
また、イオンプレーティング皮膜２６が形成されたピストンリング２１には、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、必要に応じて窒化層２７が形成されていることが好ましい。その窒化層２７は、ピストンリング２１の全周であっても（図２（ａ）を参照）、上下面及び内周面のみであってもよく（図２（ｂ）（ｃ）を参照）、任意に選択されて設けられる。窒化層２７を上下面と内周面のみに設ける方法としては、▲１▼鋳鉄製のピストンリング母材２２に窒化処理２７を施し、外周摺動面２５の窒化層２７をとりのぞき、イオンプレーティング皮膜２６を形成する方法（図２（ｂ）を参照）、▲２▼鋳鉄製のピストンリング母材２２の外周摺動面２５にイオンプレーティング皮膜２６を形成した後、窒化処理を行って上下面と内周面のみに窒化層を形成する方法（図２（ｃ）を参照）、等を例示することができる。窒化層２７は、ガス窒化、イオン窒化、塩浴窒化、プラズマ窒化等の従来から行われている窒化手段で形成できる。窒化層２７の好ましい厚さは、およそ５〜１０μｍである。
【００２１】
なお、ピストンリング２１の外周摺動面２５には、イオンプレーティング皮膜２６に代えて、硬質炭素皮膜やＣｒめっき皮膜を形成することもできるが、イオンプレーティング皮膜２６が、生産性、摺動特性から望ましい。
【００２２】
こうしたピストンリング２１は、トップリング、セカンドリング、オイルリングの何れかであってもまたはそれらの全てであってもよい。特に、トップリングには好適に使用される。
【００２３】
（ピストンとピストンリングの組合せ）
本発明に係るピストンとピストンリングの組合せ１は、上述したように、少なくともピストンリング溝１２の材質がスチールであるピストン１１に、少なくとも外周摺動面に硬質皮膜を形成した鋳鉄製のピストンリング２１を装着したことに特徴を有するものである。こうした組合せ構造とすることにより、ピストンリング溝の下面１３にピストンリングの下面２３が密着した状態で大きな熱負荷と微動摩擦を受けた場合であっても、ピストンリングの下面２３が備える鋳鉄特有の黒鉛の影響による凹凸表面が油だまりとなり、また、黒鉛自身が自己潤滑物質として作用し、相手材であるスチール材質のピストンリング溝１２との間で凝着現象を起こさないという格別の効果を奏する。
【００２４】
なお、本発明の組合せ態様は、ピストンとピストンリングとの間の凝着現象を有効に抑制できるものであるが、類似の問題を有した摺動部材に対しても、本発明の技術的思想を適用してその問題を解決できる。
【００２５】
【実施例】
実施例と比較例を挙げて、本発明を更に詳しく説明する。以下において、組成を示す「％」は、質量％を意味する。
【００２６】
（実施例１〜８）
ＳＫＤ６（ＪＩＳ記号）で作製したピストン１１と、片状黒鉛鋳鉄（Ｃ：２．９％、Ｓｉ：１．３％、Ｍｎ：０．８％、Ｐ：０．２％、Ｓ：０．０５％、Ｎｉ：０．５％、Ｃｒ：０．１７％、Ｍｏ：０．５％、残部：鉄）又は球状黒鉛鋳鉄（Ｃ：２．５％、Ｓｉ：１．８％、Ｍｎ：０．７％、Ｐ：０．２％、Ｓ：０．０５％、Ｃｒ：０．３％、残部：鉄）で作製したピストンリング２１をそれぞれを組合せ、各種の試験を行った。表１に示すように、実施例１〜１０で使用したピストンリング２１には、イオンプレーティング皮膜２６を形成し、必要に応じて窒化層２７を形成した。
【００２７】
イオンプレーティング皮膜２６は、イオンプレーティング装置により、ピストンリング２１の外周摺動面２５に厚さ３μｍのＣｒ−Ｎ系皮膜（積分強度比（％）でＣｒ：５．７％、Ｃｒ２　Ｎ：７．９％、ＣｒＮ：８６．４％）又はＣｒ−Ｂ−Ｎ系皮膜（Ｃｒ：７８．５％、Ｂ：１．２％、Ｎ：２０．３％）を形成した。窒化層２７は、塩浴窒化処理（条件：５８０℃×３０ｍｉｎ）により、深さ１０μｍとなるように形成した。
【００２８】
こうして実施例１〜８のピストン１１とピストンリング２１とを組合せて供試材とし、凝着評価のための往復動摩擦試験を行った。また、ピストンリング２１を供試材とし、強度評価のための撓み疲労強度試験、耐摩耗性評価のための摩耗試験、密着性評価のための衝撃試験をそれぞれ行った。
【００２９】
（比較例１〜４）
ＳＫＤ６（ＪＩＳ記号）で作製したピストン１１と、ＳＵＳ４４０（ＪＩＳ記号、１７Ｃｒステンレス鋼）で作製したピストンリング２１とを組み合わせ、各種の試験を行った。それ以外は上述した実施例と同様とした。
【００３０】
（往復動摩擦試験）
凝着評価のための往復動摩擦試験は、図３に示す往復動摩擦試験機３１を使用した。この往復動摩擦試験機において、ピストンリング材である供試材３２（ブロック形状：７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍ）は固定ブロック３３で支持され、その供試材３２は、上方から油圧シリンダ３４で下向き荷重が負荷され、ピストン材である供試材３５（平盤形状：２０ｍｍ×１５ｍｍ×３ｍｍ）を押圧した。その供試材３５は、可動ブロック３６により支持され、クランク機構３７により水平、面内を往復運動させた。ピストンリングである供試材３２としては、実施例１〜８及び比較例１〜４のピストンリングを使用した。一方、ピストンである供試材３３としては、何れにもＳＫＤ６を使用した。
【００３１】
試験条件は、摺動速度０．５Ｈｚ、負荷１０ｋｇｆ、時間３０分、無潤滑とし、焼き付きによる凝着の発生は、摩擦係数の異常上昇を摩擦力の変動としてロードセル１６を介して及び拡大鏡での目視観察により確認することにした。
【００３２】
表１に示すように、実施例１〜８の組合せにおいては、凝着の発生は確認されなかった。一方、比較例１〜４の組合せにおいては、摩擦係数の異常上昇がロードセルを介して観察され、凝着が発生した。
【００３３】
（撓み疲労強度試験）
ピストンリングの強度評価のための撓み疲労強度試験は、特開２００１−２０８６５０により公知のピストンリング性能評価装置を使用した（図４を参照）。この撓み疲労強度試験機において、供試材４２であるピストンリングの１８０°部（合い口部の反対側）下面最外周に歪みゲージを貼付し、そのピストンリングの上方から、図４に示す治具４１により３０Ｈｚのｓｉｎ波の繰り返し荷重を負荷した。なお、その繰り返し荷重は、図示しない油圧制御式疲労強度試験機で行った。供試材としては、表１に示す実施例１〜１０および比較例１〜５のピストンリングを使用した。
【００３４】
結果は撓み疲労強度指数で評価した。比較例１の撓み疲労強度指数を１００とすると、表１に示したように、実施例１〜８及び比較例２〜４の何れの供試材においても、撓み疲労強度指数は９９〜１０１であり、何れも十分な強度を示していた。
【００３５】
（摩耗試験）
ピストンリングの耐摩耗性の評価のための摩耗試験は、図５に示すアムスラー型摩耗試験機５１を使用した。この摩耗試験機５１において、ピストンリングである供試材５２（１８ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍ）を固定片とし、シリンダライナに相当する相手材５３（回転片）にはドーナツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用い、供試材５２と相手材５３を接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。供試材５２としては、実施例１〜８および比較例１〜４の供試材を使用した。各供試材５２を用いた摩耗係数試験条件は、潤滑油：軸受け油、油温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：１５０ｋｇｆ、試験時間：７時間の条件下でボロン鋳鉄を相手材５３として行った。なお、摩耗量の測定は、粗さ計による段差プロフィールで摩耗量（μｍ）を測定することにより行った。
【００３６】
供試材５２であるピストンリングとしては、表１に示す実施例１〜８および比較例１〜４のピストンリングを使用した。なお、表１には各ピストンリングの外周摺動面に形成された硬質皮膜のビッカース硬さも併せて示した。
【００３７】
摩耗指数は、実施例１〜８および比較例２〜４の各供試材の摩耗量を、比較例１の供試材の摩耗量に対しての相対比として算出し、摩耗指数とした。従って、各供試材の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少なく耐摩耗性に優れていることを表す。表１に示すように、イオンプレーティング皮膜を形成した場合の摩耗指数は、何れも９８〜１００であり、何れも十分な耐摩耗性を示していた。また、イオンプレーティング皮膜においては、硬度に差があっても、摩耗量に大きな影響は見られず、何れも優れた耐摩耗性を示していた。
【００３８】
（衝撃試験）
ピストンリングの外周摺動面に形成した硬質皮膜の密着性評価のための衝撃試験は、図６に示すＮＰＲ式衝撃試験機６１を使用した。この衝撃試験機６１において、矢印で示すように、当て金６４で支持したピストンリング６２の外周摺動面に圧子６３を介して１回当たり４３．１ｍＪ（４．４ｋｇｆ・ｍｍ）の衝撃エネルギーを加え、剥離発生までの衝撃回数で評価した。供試材としては、表１に示す実施例１〜８および比較例１〜４のピストンリングを使用した。各供試材を用いて衝撃試験を行い、耐剥離性の評価を行った。剥離の有無は、表面を１５倍に拡大して観察し、評価した。
【００３９】
剥離指数は、比較例１の供試材の剥離発生までの衝撃回数を１００とし、実施例１〜８及び比較例２〜４の供試材の剥離発生までの衝撃回数を比較例１の衝撃回数と対比させて算出した。従って、剥離指数が１００よりも大きくなると、比較例１の供試材よりも多い衝撃回数で剥離が発生することとなるので、耐剥離性に優れることとなる。表１に示すように、剥離指数は何れも１００〜１０２であり、大きな影響は見られず、何れも優れた耐摩耗性を示していた。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のピストンとピストンリングの組合せによれば、ピストンリング溝の下面にピストンリングの下面が密着した状態で大きな熱負荷と微動摩擦を受けた場合であっても、ピストンリングの下面が備える鋳鉄特有の黒鉛の影響による凹凸表面が油だまりとして作用し、また、その黒鉛が自己潤滑物質として作用し、相手材であるスチール材質からなるピストンリング溝との間で凝着現象を起こさないので、高出力ディーゼルエンジンのような高い燃焼温度と燃焼圧力を伴う高出力の内燃機関に好適に使用される耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せを提供できる。
【００４２】
また、本発明のピストンとピストンリングの組合せにおいて、ピストンリングの弾性率を所定の範囲内とすることにより、シリンダライナに対する追従性をより向上させることができ、高出力の内燃機関に好適に使用される耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せを提供できる。
【００４３】
また、本発明のピストンとピストンリングの組合せにおいて、ピストンリングの外周摺動面にイオンプレーティング皮膜を形成したり窒化処理することにより、ディーゼルエンジン等の高負荷環境下であっても耐摩耗性及び耐久性に優れたピストンとピストンリングの組合せとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストンとピストンリングの組合せの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のピストンとピストンリングの組合せの他の例を示す断面図である。
【図３】往復動摩擦試験機の概略構成図である。
【図４】撓み疲労強度試験機の概略構成図である。
【図５】アムスラー型摩耗試験機の概略構成図である。
【図６】ＮＰＲ式衝撃試験機の概略構成図である。
【符号の説明】
１　ピストンとピストンリングの組合せ
１１　ピストン
１２　ピストンリング溝
１３　ピストンリング溝の下面
１４　ピストンリング溝の上面
２１　ピストンリング
２２　ピストンリング母材
２３　ピストンリングの下面
２４　ピストンリングの上面
２５　ピストンリングの外周摺動面
２６　イオンプレーティング皮膜
２７　窒化層
３０　シリンダライナ

Claims

少なくともピストンリング溝の材質がスチールであるピストンに、少なくとも外周摺動面に硬質皮膜を形成した鋳鉄製のピストンリングを装着したことを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。
前記ピストンリングが、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄、可鍛鋳鉄、バーミキュラ鋳鉄及び合金鋳鉄から選択された１の鋳鉄で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピストンとピストンリングの組合せ。
前記ピストンリングが、１３万ＭＰａ〜１７万ＭＰａの範囲内の弾性率であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のピストンとピストンリングの組合せ。
前記硬質皮膜が、イオンプレーティング皮膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のピストンとピストンリングの組合せ。
前記ピストンリングが、窒化処理されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のピストンとピストンリングの組合せ。