JP2016156495A - Piston ring for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関用ピストンリングに関し、特に、高温・高負荷条件下においても長期に亘ってアルミ凝着を防止できる内燃機関用ピストンリングに関するものである。 The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly, to a piston ring for an internal combustion engine that can prevent aluminum adhesion over a long period of time even under high temperature and high load conditions.
内燃機関において使用されるトップリング、セカンドリング、オイルリングの3つのピストンリングは、ピストンの表面に設けられたリング溝にそれぞれ係合するように配置され、燃焼室から燃焼ガスが外部に漏洩するのを防止するガスシール機能、ピストンの熱を冷却されたシリンダ壁に伝達してピストンを冷却する熱伝導機能、及び潤滑油としてのエンジンオイルをシリンダ壁に適量与えて余分なオイルを掻き出す機能を有している。 Three piston rings used in an internal combustion engine, a top ring, a second ring, and an oil ring, are arranged so as to engage with ring grooves provided on the surface of the piston, respectively, and combustion gas leaks from the combustion chamber to the outside. A gas seal function that prevents the oil from flowing, a heat transfer function that cools the piston by transferring the piston heat to the cooled cylinder wall, and a function that scrapes excess oil by applying an appropriate amount of engine oil as lubricating oil to the cylinder wall. Have.
これら3つのピストンリングは、内燃機関の動作時、燃焼室における燃料の爆発によりピストンが往復運動する際に、ピストンのリング溝内において、溝内面との間で衝突を繰り返している。また、ピストンリングは、リング溝内において、その周方向に摺動自在であるため、リング溝内を摺動する。ところで、リング溝の表面には、溝形成のための旋盤加工により、1μm程度の高さを有する突起が形成されており、上記したピストンリングとの衝突と摺動により突起が疲労破壊して、リング溝の表面にアルミニウム面が露出するようになる。
この露出したアルミニウム合金面は、衝突によりピストンリング側面と接触し、さらに摺動を繰り返すと、アルミニウム合金がピストンリング側面に凝着する現象である、アルミ凝着が発生する。これは特に、燃焼室に最も近くに位置し、高温条件下に置かれるトップリングにおいて顕著である。
These three piston rings repeatedly collide with the groove inner surface in the ring groove of the piston when the piston reciprocates due to the explosion of fuel in the combustion chamber during operation of the internal combustion engine. Further, since the piston ring is slidable in the circumferential direction in the ring groove, it slides in the ring groove. By the way, on the surface of the ring groove, a protrusion having a height of about 1 μm is formed by lathe processing for groove formation, and the protrusion is fatigued and destroyed by the collision and sliding with the above-described piston ring, The aluminum surface is exposed on the surface of the ring groove.
When the exposed aluminum alloy surface comes into contact with the side surface of the piston ring due to a collision and further slides, aluminum adhesion occurs, which is a phenomenon in which the aluminum alloy adheres to the side surface of the piston ring. This is particularly noticeable in the top ring located closest to the combustion chamber and placed under high temperature conditions.
このアルミ凝着がさらに進行すると、リング溝の摩耗が急速に進行し、ピストンリングのガスシール機能が低下して、高圧の燃焼ガスが燃焼室からクランク室へ流出する、いわゆるブローバイと呼ばれる現象が生じ、エンジン出力の低下を招く問題がある。 As this aluminum adhesion further progresses, the wear of the ring groove progresses rapidly, the gas seal function of the piston ring decreases, and a phenomenon called so-called blow-by occurs in which high-pressure combustion gas flows out from the combustion chamber to the crank chamber. This causes a problem that causes a reduction in engine output.
こうした状況を受けて、これまでピストンリングのアルミ凝着を防止する様々な技術が提案されてきた。例えば、特許文献1には、リング溝と衝突及び摺動するピストンリングの側面に、カーボンブラック粒子を含有する樹脂系被膜を設けることにより、なじみ性を向上させてアルミ凝着を防止する技術について記載されている。 In response to this situation, various techniques for preventing aluminum adhesion of piston rings have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a technique for improving conformability and preventing aluminum adhesion by providing a resin-based film containing carbon black particles on the side surface of a piston ring that collides with and slides on a ring groove. Have been described.
また、特許文献2には、ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、錫系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一または二以上の粉末を表面被膜全体に対して10〜80質量%含有する耐熱樹脂を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、ピストンリングへのアルミ凝着を効果的に防止する技術について記載されている。 Patent Document 2 discloses that one or two or more powders selected from the group consisting of nickel-based powder, lead-based powder, zinc-based powder, tin-based powder, and silicon-based powder are 10 to 80 with respect to the entire surface coating. It describes a technique for effectively preventing aluminum adhesion to the piston ring by providing a heat-resistant resin containing mass% on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring.
しかし、特許文献1及び2に記載された被膜の場合、エンジン内の温度が上昇すると、耐アルミ凝着性が低下する問題があった。そこで、特許文献3には、硬質粒子を含有する、固体潤滑機能を有するポリイミド被膜を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、230℃を超える高温条件下においても、長期に亘って高い耐アルミ凝着性を維持する技術について記載されている。 However, in the case of the coatings described in Patent Documents 1 and 2, there is a problem that the aluminum adhesion resistance decreases when the temperature in the engine rises. Therefore, in Patent Document 3, a polyimide coating containing hard particles and having a solid lubricating function is provided on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring, so that even under high temperature conditions exceeding 230 ° C., for a long period of time. A technique for maintaining high aluminum adhesion resistance is described.
さらに、特許文献4には、樹脂系被膜に代えて少なくともシリコンを含有する第1ダイヤモンド・ライク・カーボン(Diamond Like Carbon、DLC)被膜と、該第1DLC被膜の下に形成された少なくともWまたはW、Niを含有する第2DLC被膜を、ピストンリングの上下側面に設けることにより、耐アルミ凝着性、耐スカッフ性、及び耐摩耗性に優れたピストンリングを提供する技術について記載されている。 Further, Patent Document 4 discloses a first diamond-like carbon (DLC) film containing at least silicon instead of a resin-based film, and at least W or W formed under the first DLC film. A technique for providing a piston ring having excellent aluminum adhesion resistance, scuff resistance, and wear resistance by providing a second DLC film containing Ni on the upper and lower side surfaces of the piston ring is described.
ところで、近年、車のダウンサイジングが進んでおり、燃費を向上させるために排気量が小さくなり、その結果、エンジン内の温度及び圧力が益々上昇している。しかしながら、特許文献3のような、樹脂系被膜では、260℃を超える高温条件下、エンジン内の圧力が10MPaを超えるような高負荷条件下では、被膜が早期に摩滅して長期に亘って耐アルミ凝着性を維持するのは困難である。
また、特許文献4に記載されたDLC被膜は、260℃を超える高温条件下ではグラファイト化してしまい、また酸化雰囲気では酸化が進み、DLC被膜本来の特性を発揮して耐アルミ凝着性を維持することは困難である。
By the way, in recent years, downsizing of vehicles has progressed, and the amount of exhaust gas has been reduced in order to improve fuel efficiency. As a result, the temperature and pressure in the engine have been increasing. However, in the resin-based coating as in Patent Document 3, the coating wears out quickly under a high temperature condition exceeding 260 ° C. and a high load condition such that the pressure in the engine exceeds 10 MPa. It is difficult to maintain aluminum adhesion.
In addition, the DLC film described in Patent Document 4 is graphitized under a high temperature condition exceeding 260 ° C., and oxidation proceeds in an oxidizing atmosphere, and the original characteristics of the DLC film are exhibited and the aluminum adhesion resistance is maintained. It is difficult to do.
そこで、本発明の目的は、高温・高負荷条件下において長期に亘ってアルミ凝着を防止できる内燃機関用ピストンリングを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a piston ring for an internal combustion engine that can prevent aluminum adhesion over a long period of time under high temperature and high load conditions.
発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、耐アルミ凝着被膜を、ピストンリング用母材の上に形成された、セラミックスを主成分として固体潤滑剤を含有した複合被膜とすることが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。 The inventors diligently studied how to solve the above problems. As a result, it has been found that it is effective to make the aluminum anti-adhesion coating a composite coating that is formed on the base material for the piston ring and that contains ceramics as a main component and that contains a solid lubricant, thereby completing the present invention. It came to let you.
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)ピストンリング用母材に耐アルミ凝着被膜が被覆された、内燃機関用のピストンリングであって、前記耐アルミ凝着被膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆されたセラミックスを主成分とした複合被膜であり、該複合被膜が固体潤滑剤を含有することを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A piston ring for an internal combustion engine, wherein a piston ring base material is coated with an aluminum anti-adhesion coating, wherein the aluminum anti-adhesion coating is provided on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material. A piston ring for an internal combustion engine, which is a composite coating composed mainly of coated ceramics, wherein the composite coating contains a solid lubricant.
(2)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たす、前記(1)に記載の内燃機関用ピストンリング。
記
Ra<−8.7×10-5HV+0.39 (A)
(2) The Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (A): Piston ring for internal combustion engines.
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)
(3)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の厚みh(μm)とが以下の式(B)を満たす、前記(1)または(2)に記載の内燃機関用ピストンリング。
記
h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
(3) The internal combustion according to (1) or (2), wherein the Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the thickness h (μm) of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (B): Piston ring for engine.
H> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)
(4)前記アルミ凝着被膜は、その厚み方向の断面において、前記セラミックスからなる層と前記固体潤滑剤からなる層とが互いに重なり合う組織を有する、前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (4) The aluminum adhesive coating has any one of the above (1) to (3), in which the ceramic layer and the solid lubricant layer overlap each other in a cross section in the thickness direction. A piston ring for an internal combustion engine according to item.
(5)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVは500以上2800以下である、前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (5) The piston ring for internal combustion engines according to any one of (1) to (4), wherein the aluminum adhesion coating has a Vickers hardness HV of 500 or more and 2800 or less.
(6)前記固体潤滑剤の含有量が、被膜全体に対して1質量%以上20質量%以下である、前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (6) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (5), wherein a content of the solid lubricant is 1% by mass to 20% by mass with respect to the entire coating film.
(7)前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さは0.4μm以下である、前記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (7) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (6), wherein the arithmetic average roughness of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating is 0.4 μm or less.
(8)前記耐アルミ凝着被膜の厚さは0.1μm以上20μm以下である、(1)〜(7)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (8) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (7), wherein the thickness of the aluminum adhesion-resistant coating is 0.1 μm or more and 20 μm or less.
(9)前記の耐アルミ凝着被膜を構成するセラミックスは、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムからなる群から選ばれる少なくとも一種からなり、耐アルミ凝着被膜に含有する固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト(Gr)、フッ化カルシウム、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、錫、銅、インジウム、銀、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、窒化ホウ素からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる、前記(1)〜(8)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (9) The ceramic constituting the aluminum-resistant adhesive coating is a group consisting of alumina, titania, yttria, zirconia, silica, magnesia, chromia, silicon carbide, chromium carbide, aluminum nitride, titanium nitride, silicon nitride, and chromium nitride. The solid lubricant comprised of at least one selected from the group consisting of molybdenum disulfide, tungsten disulfide, graphite (Gr), calcium fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI) Any one of (1) to (8), consisting of at least one selected from the group consisting of tin, copper, indium, silver, polytetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and boron nitride. A piston ring for an internal combustion engine according to item.
本発明によれば、耐アルミ凝着被膜を高温で安定、且つ硬質なセラミックスを主成分とすることにより被膜の耐久性を向上させ、さらに固体潤滑剤を被膜中に含有させることにより被膜による相手攻撃性を低減したため、高温・高負荷条件下において長期に亘ってアルミ凝着を防止できる。 According to the present invention, the durability of the coating is improved by making the aluminum anti-adhesion coating stable at a high temperature and containing a hard ceramic as a main component, and the solid lubricant is contained in the coating to further counteract the coating. Since the aggressiveness is reduced, aluminum adhesion can be prevented for a long time under high temperature and high load conditions.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、リング溝に係合した状態の本発明に係る内燃機関用ピストンリングの模式断面図である。この図に示した内燃機関用ピストンリング1は、ピストンリング用母材11に耐アルミ凝着被膜12が被覆された内燃機関用のピストンリングである。ここで、耐アルミ凝着被膜12は、ピストンリング用母材11の上下側面11a及び11bの少なくとも一方に被覆されたセラミックスを主成分とした複合被膜であり、該複合被膜に固体潤滑剤を含有させることが肝要である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a piston ring for an internal combustion engine according to the present invention engaged with a ring groove. The piston ring 1 for an internal combustion engine shown in this figure is a piston ring for an internal combustion engine in which a piston
図1に示すように、ピストンリング1は、リング溝21内に係合した状態で、シリンダ24の側壁とピストン20との間の隙間を塞ぎ、燃焼ガス及びオイルをシールする。そして、ピストンリング1は、ピストン20の往復運動(図中の矢印方向の運動)にピストンリング1が追従し、リング溝21内で上下運動が起こり、ピストンリング1とリング溝21の上面22及び下面23との間で衝突を繰り返す。また、ピストンリング1がリング溝21内において周方向に摺動自在であるため、ピストンリング1がリング溝21の上面22及び下面23と接触しながら摺動を繰り返す。
As shown in FIG. 1, in a state where the piston ring 1 is engaged in the
これらピストンリング1とリング溝21の上面22及び下面23との間の衝突及び摺動の繰り返しにより、リング溝21の上面22及び下面23上に形成されている突起(図示せず)が削られて、突起跡を中心としたアルミニウム合金面が生じる。ここで、本発明においては、耐アルミ凝着被膜12を耐熱性と耐酸化性に優れるセラミックスで主に構成することにより、被膜の相手攻撃性を低減しつつ、リング溝21の上面22及び下面23との間で、アルミニウム面が削られて初晶シリコンが表面に突き出した面を形成される。
Due to repeated collision and sliding between the piston ring 1 and the
そして、内燃機関の動作時に、表面に突き出した初晶シリコンと耐アルミ凝着被膜12のセラミックスとが摺動するが、耐アルミ凝着被膜12(すなわちセラミックス)に含有させた固体潤滑剤が耐アルミ凝着被膜12の摩擦係数を低下させてピストン材への攻撃をさらに緩和する。これにより、高温及び高負荷条件下において長期に亘ってアルミ凝着を防止できるのである。
During the operation of the internal combustion engine, the primary crystal protruding to the surface and the ceramic of the aluminum
尚、本発明において、「複合被膜」とは、固体潤滑剤を含有する被膜を意味し、また、「セラミックスを主成分とする」とは、複合被膜においてセラミックスが50質量%以上含有されていることを意味している。以下、内燃機関用ピストンリング1の各構成について説明する。 In the present invention, “composite coating” means a coating containing a solid lubricant, and “based on ceramics” means that the composite coating contains 50% by mass or more of ceramics. It means that. Hereinafter, each structure of the piston ring 1 for internal combustion engines is demonstrated.
ピストンリング用母材11の材料は、リング溝21との衝突に耐える強度を有していれば、特に限定されない。鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等とすることが好ましい。また、耐摩耗性を向上させるため、側面に、ステンレス鋼では窒化処理、鋳鉄では硬質Crめっきや無電解ニッケルめっき処理が施された母材であってもよい。
The material of the piston
耐アルミ凝着被膜12を構成するセラミックスは、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムからなる群から選ばれる少なくとも一種とすることができる。また、耐アルミ凝着被膜に含有する固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト(Gr)、フッ化カルシウム、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、錫、銅、インジウム、銀、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、窒化ホウ素からなる群から選ばれる少なくとも一種とすることができる。
The ceramic constituting the aluminum adhesion-
耐アルミ凝着被膜12のセラミックスのビッカース硬さHVは、500以上2800以下とすることが好ましい。ここで、ビッカース硬さを500以上とすることにより、耐アルミ凝着被膜の十分な硬度を確保して、リング溝の表面に形成されたなじみ面表層の初晶シリコン(ビッカース硬さ1000程度)によって、耐アルミ凝着被膜が著しく摩耗することを抑制することができる。また、ビッカース硬さを2800以下とすることにより、なじみ面表層の初晶シリコンを破壊する割合を抑制して、ピストン材が著しく摩耗するのを防止することができる。
The Vickers hardness HV of the ceramic of the aluminum adhesion-
また、耐アルミ凝着被膜12の表面粗さは0.4μm以下とすることが好ましい。このような表面粗さを有する耐アルミ凝着被膜12は、リング溝と接触した場合にも面圧を抑制してピストン材の攻撃を低減し、ピストン材の摩耗量の増加を抑制することができる。尚、本発明において、セラミックスの表面粗さは、JIS B0601(1994)に基づく算術平均粗さRaを意味しており、表面粗さ測定装置を用いて測定する。
Further, the surface roughness of the aluminum adhesion
ここで、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たすことが好ましい。
Ra<−8.7×10-5HV+0.39 (A)
発明者らは、様々な材料、ビッカース硬さ、表面粗さ、膜厚を有する耐アルミ凝着被膜12をピストンリング用母材11上に形成し、得られたピストンリング1の耐アルミニウム凝着性能、及びピストン材の摩耗量を評価した。その結果、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと表面の算術平均粗さRaが上記式(A)を満足する場合に、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、表面の算術平均粗さRaを耐アルミ凝着被膜12の硬さに応じた適切な値とすることにより、ピストンリング1とリング溝21の上面22と下面23とが接触する際に、それらの間の面圧を低減できるためと考えられる。
Here, it is preferable that the Vickers hardness HV and the surface arithmetic average roughness Ra (μm) of the aluminum adhesion-
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)
The inventors formed an aluminum-resistant
さらに、耐アルミ凝着被膜12の厚さは、1μm以上20μm以下とすることが好ましい。ここで、1μm以上とすることにより、セラミックスの表面粗さに対して被膜の膜厚が十分となり、耐アルミ凝着被膜12を均質な膜にして自己摩耗を抑制することができる。また、20μm以下とすることにより、リング溝21における十分なクリアランスを確保して、上記したピストンリングの機能を実行させることができる。
Furthermore, the thickness of the aluminum adhesion-
ここで、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと膜厚h(μm)とが以下の式(B)を満たすことが好ましい。
h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
発明者らは、上記式(A)の場合と同様に、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと膜厚hが上記式(B)を満足する場合にも、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、膜厚hを耐アルミ凝着被膜12の硬さに応じた適切な値とすることにより、耐アルミ凝着被膜12が摩滅することなくピストン材の摩耗を抑制できるためと考えられる。
Here, it is preferable that the Vickers hardness HV and the film thickness h (μm) of the aluminum adhesion-
h> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)
As in the case of the above formula (A), the inventors suppress the wear of the piston material even when the Vickers hardness HV and the film thickness h of the aluminum adhesion
耐アルミ凝着被膜12に含有させる固体潤滑剤の含有量は、被膜全体に対して1質量%以上20質量%以下とすることが好ましい。ここで、1質量%以上とすることにより、耐アルミ凝着被膜12の摩擦係数をより低減してピストン材の摩耗量をより低減することができる。また、20質量%以下とすることにより、耐アルミ凝着被膜12自身が著しく摩耗するのを防止することができる。特に好ましくは、5質量%以上10質量%以下とする。
The content of the solid lubricant contained in the aluminum adhesion
こうした耐アルミ凝着被膜12は、セラミックス微粒子や気化したセラミックス微粒子を直接表面に積層させる既知の様々な方法により形成できる。具体的には、溶射、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition、CVD)、物理気相成長法(Physical Vapor Deposition、PVD)、コールドスプレー法等を用いて、適切な成膜条件下で成膜を行うことにより、本発明に係るピストンリングを作製することができる。
Such an aluminum adhesion-
また、固体潤滑剤は、微粒子としてセラミックス微粒子に混合する、気化した固体潤滑剤を表面に直接積層する、または気化した固体潤滑剤を表面付近の雰囲気中に混合し、セラミックス微粒子を成膜することにより、耐アルミ凝着被膜12中に含有させることができる。
Also, solid lubricant is mixed with ceramic fine particles as fine particles, vaporized solid lubricant is directly laminated on the surface, or vaporized solid lubricant is mixed in an atmosphere near the surface to form ceramic fine particles. Thus, the
耐アルミ凝着被膜12を溶射により形成する場合、粉末組成物は、溶射装置内で加熱され、ピストンリング用母材11の側面に向けて高速で噴射される。粉末組成物をピストンリング用母材11の側面上に溶射する方法としては、ガスフレーム溶射法、プラズマ溶射法及び高速フレーム溶射法(HVOF)等が挙げられ、プラズマ溶射法が好ましい。
When the aluminum adhesion-
プラズマ溶射法では、溶射装置の陽極と陰極との間に高電圧を印加することにより、陽極と陰極の間の気体がプラズマ化する。プラズマ化された気体は加熱され、さらに膨張するため、高温且つ高速で溶射装置から噴出され、プラズマジェット流となる。溶射装置に供給された粉末組成物が上記プラズマジェット流中で加熱され、且つ加速され、ピストンリング用母材11に向けて噴射される。加熱され、且つ加速された粒子は、粒子の一部が溶融しているため、ピストンリング用母材11に衝突する際に、扁平化して、ピストンリング用母材11の側面上に層状に堆積する。そして、層状に堆積した粒子はピストンリング用母材11で急冷され、溶射被膜を形成する。
In the plasma spraying method, the gas between the anode and the cathode is turned into plasma by applying a high voltage between the anode and the cathode of the thermal spraying apparatus. Since the gas converted into plasma is heated and further expanded, it is ejected from the thermal spraying apparatus at a high temperature and at a high speed, and becomes a plasma jet flow. The powder composition supplied to the thermal spraying apparatus is heated and accelerated in the plasma jet stream, and sprayed toward the piston
プラズマ溶射法は、供給される粉末組成物中の粒子を、他の溶射方法よりも高温に加熱することができ、粉末組成物中の各粒子の溶融が促進する傾向がある。このため、プラズマ溶射により得られた溶射被膜の摺動面に垂直な断面(被膜の厚さ方向に平行な断面)では、セラミックスからなる層と固体潤滑剤からなる層とが波のようにうねりながら互いに重なり合い(褶曲し)、且つ絡み合う組織が形成される傾向がある。そして、溶射被膜の断面において上記組織が形成されることにより、摺動後も炭化クロムが溶射被膜中に保持され、また、摺動後の溶射被膜表面が平滑となる傾向がある。したがって、上記プラズマ溶射により得られた溶射被膜は、耐摩耗性に優れ、且つ相手材の摩耗を抑制するものとなる。 In the plasma spraying method, particles in the supplied powder composition can be heated to a higher temperature than other spraying methods, and the melting of each particle in the powder composition tends to be promoted. For this reason, in the cross section perpendicular to the sliding surface of the thermal spray coating obtained by plasma spraying (the cross section parallel to the thickness direction of the coating), the ceramic layer and the solid lubricant layer undulate like waves. However, they tend to form tissues that overlap (fold) and entangle with each other. Then, by forming the above structure in the cross section of the sprayed coating, chromium carbide is retained in the sprayed coating even after sliding, and the surface of the sprayed coating after sliding tends to be smooth. Therefore, the thermal spray coating obtained by the above plasma spraying is excellent in wear resistance and suppresses wear of the counterpart material.
こうして、本発明に係るピストンリングは、高温・高負荷条件下において長期に亘ってアルミ凝着を防止できるものとなる。 Thus, the piston ring according to the present invention can prevent aluminum adhesion over a long period of time under high temperature and high load conditions.
<ピストンリングの作製>
以下、本発明の実施例について説明する。
低クロム鋼からなるピストンリング用母材の上下側面に、表1〜4に示す各種材料、セラミックス材料の硬さ、固体潤滑剤材料の含有量、被膜の表面粗さ、膜厚を有する被膜を形成した。ここで、発明例1〜63及び比較例5については、セラミックス微粒子や気化したセラミックス微粒子を直接表面に積層させる既知の方法により被膜を形成し、ピストンリングを作製した。
一方、比較例1及び2については、後述する各組成に調整した塗料をスプレーコーティングにより被膜を形成してピストンリングを作製した。また、比較例3については、無電解めっき法により被膜を形成してピストンリングを作製した。さらに、比較例4については、PVD法により被膜を形成してピストンリングを作製した。
尚、比較例1の樹脂被膜Aは、MoS2粉末(平均粒径2μm)を5質量%、グラファイト粉末(平均粒径2μm)を5質量%含有するポリイミド樹脂被膜である。さらに、比較例2の樹脂被膜Bは、Al2O3粉末(平均粒径0.5μm)を10質量%含有するポリイミド樹脂被膜である。
<Production of piston ring>
Examples of the present invention will be described below.
On the upper and lower side surfaces of the piston ring base material made of low chromium steel, various materials shown in Tables 1 to 4, the hardness of the ceramic material, the content of the solid lubricant material, the surface roughness of the film, and the film having the film thickness Formed. Here, in Invention Examples 1 to 63 and Comparative Example 5, a coating was formed by a known method of directly laminating ceramic fine particles or vaporized ceramic fine particles on the surface, and a piston ring was produced.
On the other hand, for Comparative Examples 1 and 2, a piston ring was produced by forming a film by spray coating a paint adjusted to each composition described later. Moreover, about the comparative example 3, the film was formed by the electroless-plating method and the piston ring was produced. Furthermore, about the comparative example 4, the film was formed by PVD method and the piston ring was produced.
The resin coating A of Comparative Example 1 is a polyimide resin coating containing 5% by mass of MoS 2 powder (average particle size 2 μm) and 5% by mass of graphite powder (average particle size 2 μm). Furthermore, the resin coating B of Comparative Example 2 is a polyimide resin coating containing 10% by mass of Al 2 O 3 powder (average particle size 0.5 μm).
発明例1〜63及び比較例1〜5のピストンリングの耐アルミ凝着性能を評価した。そのために、図2に示したエンジン模擬試験装置を使用した。図2に示したエンジン模擬試験装置30は、ピストン材32が上下に往復運動を行い、ピストンリング33が回転運動を行う機構を有しており、試験は、ヒーター31、温度コントローラー34及び熱電対35により、ピストン材32を加熱制御して行った。試験条件は、面圧13MPa、リング回転速度3mm/s、制御温度270℃、試験時間5時間とし、窒素ガスとともに、オイルを所定の間隔で一定量噴射しながら行った。試験後に、ピストンリングの被膜残存量及びアルミ凝着の発生の有無を調べた。得られた結果を表1〜4に示す。尚、被膜残存量の評価基準は以下のとおりである。
◎:初期膜厚に対し、80%以上が残存
○:初期膜厚に対し、40%以上80%未満が残存
△:初期膜厚に対し、40%未満が残存
×:被膜なし
Aluminum adhesion resistance of the piston rings of Invention Examples 1 to 63 and Comparative Examples 1 to 5 was evaluated. For this purpose, the engine simulation test apparatus shown in FIG. 2 was used. The engine simulation test apparatus 30 shown in FIG. 2 has a mechanism in which the
◎: 80% or more remains with respect to the initial film thickness ○: 40% or more but less than 80% remains with respect to the initial film thickness △: Less than 40% remains with respect to the initial film thickness ×: No film
また、アルミ凝着性能の評価は、目視で確認した。得られた結果を表1〜4に示す。尚、アルミ凝着性能の評価基準は以下の通りである。
◎:アルミ凝着の発生なし
○:アルミ凝着が発生しているが極めて軽微
×:アルミ凝着が発生している
The evaluation of the aluminum adhesion performance was confirmed visually. The obtained results are shown in Tables 1 to 4. In addition, the evaluation criteria of aluminum adhesion performance are as follows.
◎: Aluminum adhesion not occurred ○: Aluminum adhesion occurred but very slight ×: Aluminum adhesion occurred
ピストン材の摩耗量は、試験後のピストン材表面を形状測定して基準面からの深さを算出した。得られた結果を表1〜4に示す。尚、摩耗量の評価基準は以下の通りである。
◎:0.5μm未満
○:0.5μm以上1.0μm未満
△:1.0μm以上3.0μm未満
×:3.0μm以上
The amount of wear of the piston material was calculated by measuring the shape of the surface of the piston material after the test and calculating the depth from the reference surface. The obtained results are shown in Tables 1 to 4. The evaluation criteria for the amount of wear are as follows.
A: Less than 0.5 μm O: 0.5 μm or more and less than 1.0 μm Δ: 1.0 μm or more and less than 3.0 μm ×: 3.0 μm or more
ピストンリングの耐アルミ凝着性能及びピストン材の摩耗量の評価結果から、ピストンリングの性能を総合的に評価した。得られた結果を表1〜4に示す。尚、総合評価の基準は以下の通りである。
◎:優良
○:良好
△:比較的良好
×:悪い
ここで、総合評価は、被膜が初期膜厚に対し80%以上が残存、アルミ凝着がなし、ピストン材摩耗量が0.5μm未満の被膜を◎、被膜が初期膜厚に対し40%以上80%未満が残存、アルミ凝着がなし、ピストン材摩耗量が0.5μm以上1.0μm未満の被膜を○、被膜がなし、アルミ凝着がある、ピストン材摩耗量が3.0μm以上の被膜を×、それ以外の被膜を△とした。
The performance of the piston ring was comprehensively evaluated from the evaluation results of the aluminum ring anti-adhesion performance of the piston ring and the wear amount of the piston material. The obtained results are shown in Tables 1 to 4. The criteria for comprehensive evaluation are as follows.
◎: Excellent ○: Good △: Relatively good ×: Bad Here, the overall evaluation is that the film remains 80% or more with respect to the initial film thickness, there is no aluminum adhesion, and the wear amount of the piston material is less than 0.5 μm. The film is ◎, the film is 40% or more and less than 80% of the initial film thickness, aluminum is not adhered, the piston material wear amount is 0.5 μm or more and less than 1.0 μm, ○, the film is not present, the aluminum The coating with a wear amount of the piston material of 3.0 μm or more was marked with ×, and the coatings other than that were marked with Δ.
<被膜残存量及び耐アルミ凝着性能の評価>
表1〜4に示すように、発明例1〜63のピストンリングの全てについて、アルミ凝着が発生しなかった。また、発明例40〜43、46、47、52、53及び63を除く発明例については、被膜残存量が初期膜厚に対し80%以上と極めて多かった。一方、比較例1及び2については、試験後に被膜が全く残っておらず、アルミ凝着が発生していた。また、比較例3については、比較例1及び2と同様、試験後に被膜が全く残っておらず、アルミ凝着が発生していたが、ごく軽微なものであった。さらに、比較例4及び5については、被膜残存量が多く、アルミ凝着は発生しなかった。
<Evaluation of residual coating amount and aluminum adhesion resistance>
As shown in Tables 1 to 4, aluminum adhesion did not occur in all of the piston rings of Invention Examples 1 to 63. Moreover, about the invention examples except invention examples 40-43, 46, 47, 52, 53, and 63, the film residual amount was as much as 80% or more with respect to the initial film thickness. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, no film remained after the test, and aluminum adhesion occurred. In Comparative Example 3, as in Comparative Examples 1 and 2, no coating remained after the test and aluminum adhesion occurred, but it was very slight. Furthermore, in Comparative Examples 4 and 5, the remaining amount of the film was large, and aluminum adhesion did not occur.
<ピストン材摩耗量の評価>
表1に示すように、発明例30、35〜37、40、41、46、52及び58を除く発明例については、ピストン摩耗量は1.0μm未満であり少なかった。また、固体潤滑剤材料の含有量が比較的少ない発明例58については、摩耗量が1.0μm以上3.0μm未満とやや多かった。
一方、比較例1及び2については、摩耗量が3μm以上と多かった。また、比較例3については、摩耗量はやや少なかったものの、比較例4及び5については、摩耗量は多かった。
<Evaluation of piston material wear>
As shown in Table 1, with respect to the inventive examples other than the inventive examples 30, 35 to 37, 40, 41, 46, 52 and 58, the piston wear amount was less than 1.0 μm and was small. Moreover, about the invention example 58 with comparatively little content of solid lubricant material, the abrasion amount was a little large with 1.0 to 3.0 micrometer.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the wear amount was as large as 3 μm or more. In Comparative Example 3, the wear amount was slightly small, but in Comparative Examples 4 and 5, the wear amount was large.
また、表2は、被膜の表面粗さとピストン材の摩耗量との関係を示しており、被膜のビッカース硬さと表面粗さが式(A)を満足する発明例28、29、31〜34、38及び39については、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。表1に示した発明例1〜27、表3に示した発明例42〜45、47〜51及び53〜57、並びに表4に示した発明例59〜62も式(A)を満足しており、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。 Table 2 shows the relationship between the surface roughness of the coating and the amount of wear of the piston material. Invention examples 28, 29, 31 to 34, in which the Vickers hardness and surface roughness of the coating satisfy the formula (A), About 38 and 39, it turns out that it has the high aluminum adhesion-proof performance, suppressing abrasion of piston material. Invention Examples 1-27 shown in Table 1, Invention Examples 42-45, 47-51 and 53-57 shown in Table 3, and Invention Examples 59-62 shown in Table 4 also satisfy the formula (A). It can be seen that the aluminum material has high adhesion resistance while suppressing the wear of the piston material.
さらに、表3は、被膜の膜厚とピストン材の摩耗量との関係を示しており、被膜のビッカース硬さと膜厚が式(B)を満足する発明例42〜45、47〜51及び53〜57については、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。表1に示した発明例1〜27、表4に示した発明例59〜63、及び表2に示した発明例28、29、31〜34、38及び39も式(B)を満足しており、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。 Further, Table 3 shows the relationship between the film thickness of the coating film and the amount of wear of the piston material. Invention Examples 42 to 45, 47 to 51 and 53 in which the Vickers hardness and film thickness of the coating film satisfy the formula (B). About -57, it turns out that it has the high aluminum adhesion-proof performance, suppressing abrasion of piston material. Invention Examples 1-27 shown in Table 1, Invention Examples 59-63 shown in Table 4, and Invention Examples 28, 29, 31-34, 38 and 39 shown in Table 2 also satisfy the formula (B). It can be seen that the aluminum material has high adhesion resistance while suppressing the wear of the piston material.
<総合評価>
発明例1〜63の全てに対して、比較的良好以上の評価が与えられた。特に、耐アルミ凝着被膜がセラミックスを主成分として固体潤滑剤を1質量%以上20質量%以下を含有した被膜であって、耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さ及び表面粗さが式(A)を満足する場合、あるいはビッカース硬さ及び膜厚が式(B)を満足する場合の全てについて、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有するピストンリングが得られたことが分かる。
これに対して、樹脂被膜が設けられた比較例1及び2については、耐アルミ凝着性能及びピストン材摩耗量の双方について劣っていた。また、ニッケル被膜が設けられた比較例3及びDLC被膜が設けられた比較例4、アルミナ被膜が設けられた比較例5については、耐アルミ凝着性能は良好あるいは優良であり、ピストン材摩耗特性も優良であるが、本発明ほどではなかった。
<Comprehensive evaluation>
Evaluation of comparatively good or better was given to all of Invention Examples 1 to 63. In particular, the aluminum anti-adhesion coating is a coating containing ceramics as a main component and containing 1% by mass to 20% by mass of a solid lubricant, and the Vickers hardness and surface roughness of the aluminum anti-adhesion coating are expressed by the formula (A ) Or when the Vickers hardness and film thickness satisfy the formula (B), a piston ring having high aluminum adhesion resistance while suppressing wear of the piston material was obtained. I understand.
On the other hand, Comparative Examples 1 and 2 provided with the resin film were inferior in both aluminum adhesion resistance and piston material wear. Further, Comparative Example 3 provided with a nickel coating, Comparative Example 4 provided with a DLC coating, and Comparative Example 5 provided with an alumina coating have good or excellent aluminum adhesion resistance, and piston material wear characteristics. Is also excellent, but not as good as the present invention.
本発明によれば、耐アルミ凝着被膜を高温で安定、且つ硬質なセラミックスを主成分とすることにより被膜の耐久性を向上させ、さらに固体潤滑剤を被膜中に含有させることにより被膜による相手攻撃性を低減し、高温・高負荷条件下において長期に亘ってアルミ凝着を防止できるため、自動車部品製造業に有用である。 According to the present invention, the durability of the coating is improved by making the aluminum anti-adhesion coating stable at a high temperature and containing a hard ceramic as a main component, and the solid lubricant is contained in the coating to further counteract the coating. It is useful for the automobile parts manufacturing industry because it can reduce aggressiveness and prevent aluminum adhesion over a long period of time under high temperature and high load conditions.
1,33 ピストンリング
11 ピストンリング用母材
11a ピストンリング用母材の上側側面
11b ピストンリング用母材の下側側面
12 耐アルミ凝着被膜
20 ピストン
21 リング溝
22 リング溝の上面
23 リング溝の下面
24 シリンダ
30 エンジン模擬試験装置
31 ヒーター
32 ピストン材
34 温度コントローラー
35 熱電対
1,33
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)ピストンリング用母材に耐アルミ凝着被膜が被覆された、内燃機関用のピストンリングであって、前記耐アルミ凝着被膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆されたセラミックスを主成分とした複合被膜であり、該複合被膜が固体潤滑剤を含有し、前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
記
Ra<−8.7×10 -5 HV+0.39 (A)
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A piston ring for an internal combustion engine, wherein a piston ring base material is coated with an aluminum anti-adhesion coating, wherein the aluminum anti-adhesion coating is provided on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material. A composite coating comprising a coated ceramic as a main component, the composite coating containing a solid lubricant, the Vickers hardness HV of the aluminum anti-adhesion coating and the arithmetic average roughness of the surface of the aluminum anti-adhesion coating Ra (μm) satisfies the following formula (A): A piston ring for an internal combustion engine.
Record
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)
(2)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の厚みh(μm)とが以下の式(B)を満たす、前記(1)に記載の内燃機関用ピストンリング。
記
h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
(2) The piston ring for an internal combustion engine according to (1 ) , wherein the Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the thickness h (μm) of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (B): .
H> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)
(3)前記アルミ凝着被膜は、その厚み方向の断面において、前記セラミックスからなる層と前記固体潤滑剤からなる層とが互いに重なり合う組織を有する、前記(1)または(2)に記載の内燃機関用ピストンリング。 (3) The internal combustion coating according to (1) or (2) , wherein the aluminum adhesive coating has a structure in which a layer made of the ceramic and a layer made of the solid lubricant overlap each other in a cross section in the thickness direction. Piston ring for engine.
(4)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVは500以上2800以下である、前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (4) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (3) , wherein the aluminum adhesion coating has a Vickers hardness HV of 500 or more and 2800 or less.
(5)前記固体潤滑剤の含有量が、被膜全体に対して1質量%以上20質量%以下である、前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (5) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (4) , wherein a content of the solid lubricant is 1% by mass or more and 20% by mass or less with respect to the entire coating film.
(6)前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さは0.4μm以下である、前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (6) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (5) , wherein the arithmetic average roughness of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating is 0.4 μm or less.
(7)前記耐アルミ凝着被膜の厚さは0.1μm以上20μm以下である、(1)〜(6)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (7) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (6) , wherein the aluminum adhesion-resistant coating has a thickness of 0.1 μm or more and 20 μm or less.
(8)前記の耐アルミ凝着被膜を構成するセラミックスは、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムからなる群から選ばれる少なくとも一種からなり、耐アルミ凝着被膜に含有する固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト(Gr)、フッ化カルシウム、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、錫、銅、インジウム、銀、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、窒化ホウ素からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる、前記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (8) The ceramic constituting the aluminum anti-adhesion coating is composed of alumina, titania, yttria, zirconia, silica, magnesia, chromia, silicon carbide, chromium carbide, aluminum nitride, titanium nitride, silicon nitride, chromium nitride. The solid lubricant comprised of at least one selected from the group consisting of molybdenum disulfide, tungsten disulfide, graphite (Gr), calcium fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI) Any one of (1) to (7) , consisting of at least one selected from the group consisting of tin, copper, indium, silver, polytetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and boron nitride. A piston ring for an internal combustion engine according to item.
Claims (9)
前記耐アルミ凝着被膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆されたセラミックスを主成分とした複合被膜であり、該複合被膜が固体潤滑剤を含有することを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 A piston ring for an internal combustion engine in which an aluminum adhesion coating is coated on a piston ring base material,
The aluminum adhesion-resistant coating is a composite coating composed mainly of ceramics coated on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material, and the composite coating contains a solid lubricant. Piston ring for internal combustion engines.
記
Ra<−8.7×10-5HV+0.39 (A) 2. The piston for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (A): ring.
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)
記
h>−2.9×10-4HV+0.89 (B) The piston ring for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein a Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and a thickness h (µm) of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (B).
H> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)
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