JP2012149765A - ピストンリング及びピストンリングの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上述の課題を解決するために、シリンダと摺動する外周摺動面、ピストンリング溝と接する上下面、及び内周面を備え、自己潤滑性粒子、又は、硬質の炭化物粒子から成る硬質粒子が分散粒子120として鋼中に分散する鋼材から成り、その上下面110において、当該鋼材の表面から当該分散粒子を突出させたピストンリング100を採用した。
【選択図】図3
Description
まず、図1及び図2を参照して、本件発明の実施の形態のピストンリング100(10、20、30)の外観構成例及び使用態様例について説明する。図1は、本実施の形態のピストンリング100として、トップリング10、セカンドリング20及びオイルリング30の外観構成例を示したものであり、図2は当該ピストンリング100の使用態様例を示したものである。本件発明に係るピストンリング100は内燃機関に用いられるものであり、ピストン40に形成されたピストンリング溝50に装着されて使用される。ピストン40がシリンダー60内を往復移動する際に、ピストンリング100もピストン40と共に往復移動する。図2に示すように、ピストン40のクラウン(頭部)側から順に、トップリング10、セカンドリング20、オイルリング30が各ピストンリング溝50(51、52、53)に装着される。本件発明は、トップリング10、セカンドリング20及びオイルリング30のうち、特に、燃焼室からの燃焼ガスの影響を受けてピストンリング側にアルミが凝着しやすい圧力リング(トップリング10及び/又はセカンドリング20)に適用することが好適であり、特に、アルミが凝着しやすいトップリング10に適用することが好適である。以下、本件明細書では、ピストンリング100と称した場合、主として、トップリング10及び/又はセカンドリング20を指すものとする。また、本件明細書では、ピストン40の往復移動方向を上下方向とし、ピストン40のクラウン側を上側と定義する。
次に、本件発明に係るピストンリング100の材料面における特徴を述べる。図3に示す本件発明に係るピストンリング100は、自己潤滑性粒子、又は、硬質の炭化物粒子からなる硬質粒子を分散粒子として鋼中に分散した鋼材から成り、その上下面110において、当該鋼材の表面から当該分散粒子が突出していることを特徴とする。但し、本件発明において、ピストンリング100の上下面110とは、主として、ピストンリング100がピストンリング溝50の内壁面50a、50bと接する上下面のうち、少なくともいずれか一方の面を指す。より具体的には、ピストンリング100がピストンリング溝50の内壁面50a、50bと摺接する面又は部分を指す。例えば、ピストンリング100がトップリング10又はセカンドリング20を指す場合は、本件発明にいう上下面110とは、その上面10a、20a又は下面10b、20b、或いはその両面10a、10b、20a、20bを指す。
次に、以上において説明した本件発明に係るピストンリング100の製造方法を説明する。本件発明に係るピストンリング100の製造方法は、成形工程と、化成処理工程とを備え、必要に応じて窒化処理工程が設けられる。窒化処理工程を行う場合には、化成処理工程の前に実施される。以下、(1)成形工程、(2)窒化処理工程、(3)化成処理工程の順に説明する。
成形工程は、自己潤滑性粒子又は硬質粒子が分散粒子120として鋼中に分散する鋼材を用いて、ピストンリング形状に加工する工程である。
ここで、自己潤滑性粒子が分散粒子120として鋼中に分散する鋼材とは、上述の自己潤滑性粒子が鋼中に分散した鋼材そのものを指す。そして、自己潤滑性粒子については、上述の通りであるため、ここでは説明を省略する。以下、本件発明において使用可能な鋼材を具体的に例示する。
次に、窒化処理工程について説明する。窒化処理工程は、化成処理工程を行う前に鋼材に施される工程であり、必要に応じて行われる。特に、前述の13Cr系のステンレス鋼材及び17Cr系ステンレス鋼材に関しては、窒化処理を施すことにより鋼材表面に窒素を拡散して窒化物や炭窒化物が生成した窒化処理層を形成し、鋼材表面の耐摩耗性や耐疲労性を向上することができる。また、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼材を用いてピストンリング100を形成する場合には、当該鋼材の表面に直接化成処理を施しても、化成処理被膜を形成することができない。この場合、窒化処理層を鋼材表面に形成した上で、化成処理を施すことで、化成処理被膜を上下面110に形成することが可能になる。従って、化成処理を施す上で、必要な場合には当該窒化処理工程が必須の工程となる。
化成処理工程は、成形された鋼材の少なくとも上下面110に相当する面に化成処理を施す工程である。ここで、化成処理とは、金属表面に化学的に非金属物質を被覆する処理を指す。具体的には、化成処理の一例として、リン酸塩処理、クロム酸塩処理などが挙げられる。また、リン酸塩処理としては、リン酸亜鉛処理、リン酸鉄処理、リン酸マンガン処理などが挙げられる。これらの化成処理は、市販されている化成処理液を用いて、従来工程の手法により適宜行うことができる。
この比較例1は、上述の実施例1との対比を行うためのものである。この比較例1では、実施例1で用いた表2に示す線材を用い、実施例1から化成処理(リン酸マンガン処理)を省略して、トップリングとしてのピストンリング(比較試料1−1〜比較試料1−3)を製造した。
この比較例2は、上述の実施例2との対比を行うためのものである。この比較例2では、実施例2で用いた線材の代わりに、本件発明に係る分散粒子120が鋼中に分散していない鋼材を用いた点のみが異なる。即ち、鋼材を変更した以外は、実施例2と同様にしてトップリングとしてのピストンリングを製造した。比較例2で用いた鋼材の化学成分組成は表3に示す通りである。
以上のようにして製造した実施例1及び実施例2のピストンリング100−1、100−2と、比較例のピストンリングについて、アルミ凝着防止効果を評価した。まず、評価方法を説明する。
(1)評価方法
実施例及び比較例で製造した各ピストンリングについて、摩耗試験を行い、アルミ凝着が発生するまでの時間を評価した。摩耗試験は、図8に示す摩耗試験装置200を用いて行った。
<評価結果1:実施例1と比較例1との対比>
摩耗試験結果を述べる。上述のようにして製造したピストンリングを、ピストンに装着して、上述の摩耗試験装置で測定すると、アルミ凝着が発生した時点で、ブローバイ量の計測は不能になる。実施例1で製造したピストンリング100(実施試料1−1〜実施試料1−3)は、摩耗試験を開始してから、アルミ凝着が発生するまでの間に、約20時間〜約22時間を要した。一方、比較例1で製造したピストンリング(比較試料1−1〜比較試料1−3)は、摩耗試験を開始してから約3時間〜約5時間でアルミ凝着が発生した。
実施例2で製造したピストンリング100は、摩耗試験を開始してから、アルミ凝着が発生するまでの間にそれぞれ約13時間を要した。一方、比較例2で製造したピストンリングは、摩耗試験を開始してから約3時間でアルミ凝着が発生した。当該結果から、ピストンリング100を、分散粒子120が鋼中に分散した鋼材を用いて構成し、上下面110において分散粒子120を鋼材の表面から突出させることにより、アルミ合金製のピストン40に当該ピストンリング100を装着して使用しても、アルミ凝着防止効果を従来に比して長期間、維持可能であることが分かる。
20・・・セカンドリング(ピストンリング)
30・・・オイルリング(ピストンリング)
100・・・ピストンリング
110(10a、10b、20a、20b)・・・上下面
120・・・分散粒子
130・・・化成処理層
Claims (14)
- 内燃機関に用いられるピストンリングであって、
シリンダと摺動する外周摺動面、ピストンリング溝と接する上下面、及び内周面を備え、
自己潤滑性粒子、又は、硬質の炭化物粒子から成る硬質粒子が分散粒子として鋼中に分散した鋼材から成り、
前記上下面において、当該鋼材の表面から前記分散粒子が突出していること、
を特徴とするピストンリング。 - 前前記鋼材の少なくとも前記上下面に相当する面に化成処理が施されている請求項1に記載のピストンリング。
- 前記自己潤滑性粒子は、粒径が0.5μm〜500μmの硫化物粒子又は炭硫化物粒子であり、
前記上下面において当該自己潤滑性粒子が占める面積率(%)が2%〜10%である請求項1又は請求項2に記載のピストンリング。 - 前記硬質粒子は、粒径が0.5μm〜20μmのCr、V、Ti、Al、Mo及びWから成る群から選択される少なくとも一種の元素の炭化物粒子であり、
前記摺動面において当該硬質粒子が占める面積率(%)が2%〜30%である請求項1又は請求項2に記載のピストンリング。 - 前記鋼材は窒化処理層を備える請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のピストンリング。
- 前記鋼材は、C含有量が0.6質量%〜1.0質量%、Si含有量が1.0質量%以下、Mn含有量が1.0質量%以下、Cr含有量が13.0質量%〜18.5質量%を含み、残部はFeおよび不可避的不純物の組成のステンレス鋼材を用いて得られる請求項1に記載のピストンリング。
- 前記鋼材中に、Mo含有量が0.2質量%〜1.3質量%のステンレス鋼材を用いて得られる請求項6に記載のピストンリング。
- 前記鋼材中に、V含有量が0.05質量%〜0.15質量%のステンレス鋼材を用いて得られる請求項6又は請求項7に記載のピストンリング。
- 前記鋼材は、C含有量が0.5質量%〜0.6質量%、Si含有量が0.1質量%〜1.6質量%、Mn含有量が0.5質量%〜1.0質量%、S含有量が0.01質量%〜0.3質量%、Cr含有量が0.1質量%〜3.0質量%、Ni含有量が1.0質量%以下、残部はFeおよび不可避的不純物からなるバネ鋼を用いて得られる請求項1に記載のピストンリング。
- 前記鋼材中に、Ti含有量および/またはZr含有量が合計で0.2質量%〜2.0質量%のバネ鋼を用いて得られる請求項9に記載のピストンリング。
- 前記鋼材中に、Cu含有量を1.0質量%以下のバネ鋼を用いて得られる請求項9又は請求項10に記載のピストンリング。
- 前記鋼材中に、Al含有量が0.2質量%〜0.5質量%のバネ鋼を用いて得られる請求項9〜請求項11のいずれか一項に記載のピストンリング。
- 内燃機関に用いられるピストンリングを製造するためのピストンリングの製造方法であって、
自己潤滑性粒子又は硬質粒子がピストンとして鋼中に分散する鋼材を用いてピストンリング状に成形する成形工程と、
成形された鋼材の少なくとも上下面に相当する面に化成処理を施す化成処理工程と、
を備えることを特徴とするピストンリングの製造方法。 - 前記化成処理工程を行う前に、前記鋼材に窒化処理を施す請求項13に記載のピストンリングの製造方法。
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