JP2020106109A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】複数の材料で構成されるクラッド構造体を含むピストンリングであって、耐熱ヘタリ性に優れるとともに、複数の材料を選択することにより、優れた熱伝導性及び／又は軽量化を実現し得るピストンリングを提供する。【解決手段】本開示に係るピストンリングは、燃焼室及びクランク室を有する内燃機関のピストンに装着されるものであって、燃焼室側に配置される第１層と、クランク室側に配置される第２層と、第１層と第２層との間に形成されている第３層とを含み、第１層、第２層及び第３層が一体的に形成されているクラッド構造体を有し、クラッド構造体の等価熱伝導率が２２〜５２Ｗ／ｍＫである。【選択図】図６

Description

本開示は燃焼室及びクランク室を有する内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに関する。

自動車等の内燃機関にはピストンリングが用いられている。ピストンリングは、ピストンの外周面に設けられた溝に装着される。ピストンリングは、耐摩耗性、低摩擦性及び耐焼付性等の特性によって内燃機関の高性能化及び燃料消費量の低減等に寄与することが求められる。従来、これらの特性を向上させるための種々の取り組みがなされてきた。

例えば、特許文献１，２は、耐摩耗性の向上の観点から、異部材がピストンリング母材に埋め込まれた態様のピストンリングの製造方法を開示する。特許文献３は、ピストンリングの軽量化の観点から、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯部の外周に、Ｓｉ−Ｃｒ鋼からなる２つ割の外層部を一体形成した複合線よりなるピストンリング用線材を開示する。

特開昭５９−００４９３４号公報 特開昭５９−００４９８４号公報 実開平５−４２８２６号公報

ところで、ピストンリングは、内燃機関における燃焼室で生じる熱によってピストンが過熱されることを防止するため、ピストンの熱をシリンダボア側に逃がす役割も果たしている。例えば、直噴過給や高圧縮比エンジンでは燃焼室や混合気の温度は高い状態となり、高負荷時などはノッキング（異常燃焼）を起こすため、点火時期を遅らせる必要がある。ただし、これでは高い熱効率を維持できないため、ピストンの冠面温度を下げる必要があり、ピストンリング、特にトップリング（第一圧力リング）、セカンドリング（第二圧力リング）からシリンダボア側に放熱させることが有効である。

熱伝導性に優れ且つ比重が小さいことから、Ａｌ及びＡｌ合金製のピストンリングが提案されてきた。しかし、Ａｌ及びＡｌ合金は、強度や耐摩耗性が劣るため、実用化されていないのが現状である。熱伝導性に優れる材料として、Ｃｕ又はＣｕ合金が挙げられるものの、Ｃｕ又はＣｕ合金は比重がＦｅ合金より大きく、また強度や耐摩耗性が劣る。このため、Ｃｕ又はＣｕ合金製のピストンリングも実用化されていない。Ｔｉ合金は、比重が小さい点でピストンリングの軽量化に寄与するものの、熱伝導率が低く、放熱性が乏しい。

ところで、高温条件下で使用されるピストンリングは、ばね特性を維持するため、優れた耐熱ヘタリ性が求められる。熱ヘタリとは、温度の影響により、ピストンリングの接線張力が減退する現象をいう。ＪＩＳ規定（ＪＩＳ Ｂ８０３２−５「内燃機関−小径ピストンリング−第５部：品質要求事項」）ではエンジン作動条件下における若干の接線張力減退は許容されるが、品質を設定するために、リングを呼び径に閉じた状態で行う接線張力減退試験が定められている。

従来、ピストンリングの機能を満たしつつ、優れた熱伝導性及び耐熱ヘタリ性を両立できる材料が検討されてきた。しかし、熱伝導性と耐熱ヘタリ性は一般に相反する関係にあるため、従来の金属材料のみでは性能向上に限界がある。

本開示は、複数の材料で構成されるクラッド構造体を含むピストンリングであって、耐熱ヘタリ性に優れるとともに、上記複数の材料を選択することにより、優れた熱伝導性及び／又は軽量化を実現し得るピストンリングを提供する。

本開示に係るピストンリングは、燃焼室及びクランク室を有する内燃機関のピストンに装着されるものであって、燃焼室側に配置される第１層と、クランク室側に配置される第２層と、第１層と第２層との間に形成されている第３層とを含み、第１層、第２層及び第３層が一体的に形成されているクラッド構造体を有し、クラッド構造体の等価熱伝導率が２２〜５２Ｗ／ｍＫである。このピストンリングは、例えば、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンにおける圧力リングに適用される。なお、第１層、第２層及び第３層が一体的に形成されているとは、通常の使用状態においてこれらの層が分離しない態様であることを意味する。

本発明者らの実験的な知見によると、クラッド構造体の等価熱伝導率が５２Ｗ／ｍＫ以下であることで、これを含むピストンリングに優れた耐熱ヘタリ性を付与することができる（図６参照）。他方、クラッド構造体の等価熱伝導率が２２Ｗ／ｍＫ以上であることで、ピストンリングを通じて燃焼室の熱をシリンダ側に十分に放熱することができる。ここでいう「等価熱伝導率」は以下の式によって算出される値を意味する。
等価熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）＝Ｗ／Σ（Ｗｉ／λｉ）
式中、Ｗはクラッド構造体の軸方向の幅（単位：ｍｍ）を示し、Ｗｉは第ｉ層の軸方向の幅（単位：ｍｍ）を示し、λｉは第ｉ層の２００℃における熱伝導率（単位：Ｗ／ｍＫ）を示す。ｉは１〜３の整数である。なお、「軸方向」とはピストンの軸方向を意味し、図２に示す矢印Ａの方向である。

上記クラッド構造体の等価熱伝導率は、ピストンリングの伝導性をより高める観点から、３８〜５２Ｗ／ｍＫであってもよい。上記クラッド構造体の比重は、ピストンリングの軽量化の観点から、例えば、４．０〜９．０であり、４．０〜６．５であってもよい。上記クラッド構造体は、３８〜５２Ｗ／ｍＫの等価熱伝導率を有し且つ４．０〜６．５を有してもよい。かかるクラッド構造体によれば、ピストンリングの優れた熱伝導性及び軽量化の両方をより一層高度に実現できる。

本開示のピストンリングにおいて、第３層（中間層）として、例えば、機械的強度や耐摩耗性がやや劣るものの、優れた熱伝導性を有する材料を採用することで、ピストンリングに優れた熱伝導性を付与することができる。あるいは、第３層（中間層）として、例えば、機械的強度や耐摩耗性がやや劣るものの、比重が十分に小さい材料を採用することで、ピストンリングの軽量化を実現することができる。

ピストンリングの全体の機械的強度を確保するとともに、ピストンリングの側面の十分な耐摩耗性を確保する観点から、第１層及び第２層が機械的強度及び耐摩耗性に優れるとともにこれらの層がある程度の厚さ（軸方向の幅）を有していることが好ましい。すなわち、第１層の軸方向の幅をＷ_１とし、第２層の軸方向の幅をＷ_２とし、クラッド構造体の軸方向の幅をＷとしたとき（図１（ｂ）参照）、式（１）及び式（２）で表される条件を満たすことが好ましい。
Ｗ_１／Ｗ≧０．１・・・（１）
Ｗ_２／Ｗ≧０．１・・・（２）

本開示のピストンリングは、クラッド構造体のみからなるものであってもよいし、クラッド構造体と、クラッド構造体の表面の少なくとも一部を覆うように形成された被覆層及び／又は表面処理膜とによって構成されたものであってもよい。例えば、ピストンリングの側面の耐摩耗性を向上させる観点から、ピストンリングは第１層及び第２層の少なくとも一方を覆うように形成された側面被覆層を更に含んでもよい。側面被覆層は、例えば、リン酸塩化成皮膜層又は窒化層である。窒化層の硬度（ビッカース硬さ）は、例えば、７００Ｈｖ０．０５以上である。ピストンリングの外周面（摺動面）の耐摩耗性を向上させる観点から、ピストンリングは、クラッド構造体の外周面を覆うように形成された表面処理膜を更に含んでもよい。

第３層（中間層）として、優れた熱伝導性を有する材料を採用した場合、第３層を通じてピストン側の熱をシリンダ側に放熱させる観点から、クラッド構造体の外周面はバレルフェイス形状を有することが好ましく、ピストンリングの外周面もバレルフェイス形状を有することが好ましい。

本開示によれば、複数の材料で構成されるクラッド構造体を含むピストンリングであって、耐熱ヘタリ性に優れるとともに、上記複数の材料を選択することにより、優れた熱伝導性及び／又は軽量化を実現し得るピストンリングが提供される。

図１（ａ）は本開示に係るピストンリングの第一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるｂ−ｂ線における断面図である。 図２は本開示に係るピストンリングが装着されたピストンと、ピストンリングの外周面が接する内周面を有するシリンダボアとを模式的に示す断面図である。 図３は本開示に係るピストンリングの第二実施形態を模式的に示す断面図である。 図４は燃焼行程時のピストンの動き及び高温ガスの流れを模式的に示す断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は本開示に係るピストンリングの他の実施形態を模式的に示す断面図である。 図６は実施例及び比較例の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

＜第一実施形態＞
図１（ａ）は本実施形態に係るピストンリングの斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるｂ−ｂ線における断面図である。これらの図に示すピストンリング１０は、内燃機関（例えば、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジン）用の圧力リングである。圧力リングは、特にエンジンの熱負荷の高い環境に晒される。図２に示すように、ピストンリング１０は内燃機関が備える円柱状のピストンＰの側面に形成されたリング溝Ｐａに装着される。ピストンＰは内燃機関のシリンダボアＢ内に挿入される。

ピストンＰには、三つのピストンリングが装着される場合があり、この場合、内燃機関の燃焼室側からクランク室側に向けてトップリン、セカンドリング及びオイルリング（不図示）がこの順序で装着される。ピストンリング１０は、燃焼室に最も近い位置に配置されるトップリング（圧力リング）として使用されると、内燃機関の熱効率向上に特に貢献し得る。

図１（ａ）に示すとおり、ピストンリング１０は環状である。ここでいう「環状」とは、必ずしも閉じた円のみを意味するものではなく、ピストンリング１０は合口部１０ｃを有し、また、真円状でもよいし、楕円状でもよい。図１（ｂ）に示すとおり、ピストンリング１０の断面形状は略矩形であり、外周面Ｆ１と、内周面Ｆ２と、燃焼室側の側面Ｆ３と、その反対側の側面Ｆ４とによって構成されている。外周面Ｆ１はシリンダボアの内壁に対する摺動面である。内周面Ｆ２はピストンのリング溝底面と対面する。側面Ｆ３，Ｆ４は、リング溝の側面とそれぞれ対面する。なお、図１（ｂ）に示すように、ピストンリング１０の四隅はＲ形状となっていてもよい。

ピストンリング１０は、燃焼室側に配置される第１層Ｌ１１と、クランク室側に配置される第２層Ｌ１２と、第１層Ｌ１１と第２層Ｌ１２との間に形成されている第３層Ｌ１３とからなり、これらの層が一体的に形成されている。すなわち、ピストンリング１０は、第１層Ｌ１１、第３層Ｌ１３及び第２層Ｌ１２がこの順序で燃焼室側からクランク室側に向けてピストンＰの軸方向（図２に示す矢印Ａの方向）に配置されているクラッド構造体Ｃ１からなる。

第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２は、ピストンリング１０に強度及び耐摩耗性を付与する層である。燃焼室側の側面Ｆ３が第１層Ｌ１１で構成され、クランク室側の側面Ｆ４が第２層Ｌ１２で構成されている。第１層Ｌ１１は、側面Ｆ３とリング溝Ｐａの接触によって生じる摩耗を抑制する。第２層Ｌ１２は、側面Ｆ４とリング溝Ｐａの接触によって生じる摩耗を抑制する。第３層Ｌ１３は、ピストンリング１０に優れた熱伝導性を付与する層である。ピストンリング１０が熱伝導性に優れる中間層（第３層Ｌ１３）を有することで、燃焼室の熱がピストンリング１０を通じてシリンダボアＢに伝わることが促進され、ピストン冠面温度の冷却速度を高めることができる。ピストンリング１０がクラッド構造体Ｃ１からなることで、内燃機関の高出力化及び高燃費性能向上が図られるとともに、この状態を長期にわたって維持することができる。例えば、ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ、予混合圧縮着火）方式のエンジンのような高温・断熱エンジンにおいても、ピストンリング１０の変形やノッキング、ブローバイを十分に抑制することができる。

ピストンリング１０の幅（図１（ｂ）に示す幅Ｗ）は、使用される内燃機関の種類又は出力等によるが、例えば、０．８〜３．０ｍｍである。ピストンリング１０の径方向の厚さ（図１（ｂ）に示す厚さＴ）は、例えば、２．０〜３．８ｍｍである。ピストンリング１０の外径は、例えば、６０〜１００ｍｍである。

ピストンリング１０の第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２は、高い強度を有するとともに耐摩耗性及び耐熱性に優れる金属材料からなる。第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２を構成する材料は、必ずしも熱伝導性に優れていなくてもよい。第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２を構成する金属材料として、例えば、ＳＵＳ（熱伝導率：２０Ｗ／ｍＫ）、ニッケル合金（熱伝導率：１０〜２０Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２の２００℃における熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫ以下であってもよく、５〜１５Ｗ／ｍＫ又は１０Ｗ／ｍＫ以下であってもよい。なお、第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２を構成する金属材料は、互いに同じであっても異なっていてもよい。

ピストンリング１０の第３層Ｌ１３は、熱伝導性に優れる金属材料からなる。第３層Ｌ１３の２００℃における熱伝導率は２３Ｗ／ｍＫを超えることが好ましく、２００Ｗ／ｍＫ以上であることがより好ましく、３００Ｗ／ｍＫ以上であることが更に好ましい。第３層Ｌ１３の２００℃における熱伝導率が２３Ｗ／ｍＫを超えることで、燃焼室の熱が第３層Ｌ１３を通じてシリンダボアＢに伝わることが促進され、ピストン冠面温度の冷却速度を高めることができる。第３層Ｌ１３を構成する金属材料として、例えば、純鉄（熱伝導率：６３Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム合金（２０５Ｗ／ｍＫ）、銅合金（３５８Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。なお、第３層Ｌ１３を構成する材料の２００℃における熱伝導率は、第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２を構成する材料の２００℃における熱伝導率の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上、４倍以上又は８倍以上であってもよい。

ピストンリング１０（クラッド構造体Ｃ１）の等価熱伝導率は２２〜５２Ｗ／ｍＫである。ピストンリング１０の等価熱伝導率が２２Ｗ／ｍＫ以上であることで、ピストンリング１０を通じて燃焼室の熱をシリンダ側に十分に放熱することができ、他方、５２Ｗ／ｍＫ以下であることで十分な耐熱ヘタリ性を確保できる。ピストンリング１０の等価熱伝導率は、ピストンリング１０の伝導性をより高める観点から、３８〜５２Ｗ／ｍＫであることが好ましく、３８〜４３Ｗ／ｍＫ又は４３〜５２Ｗ／ｍＫであってもよい。

ピストンリング１０の比重は、軽量化の観点から、例えば、４．０〜９．０であることが好ましく、４．０〜６．５又は６．５〜９．０であってもよい。ピストンリング１０は、３８〜５２Ｗ／ｍＫの等価熱伝導率を有し且つ４．０〜６．５を有してもよい。かかるピストンリング１０によれば、ピストンリングの優れた熱伝導性及び軽量化の両方をより一層高度に実現できる。

図１（ｂ）に示すように、第１層Ｌ１１の軸方向の幅をＷ_１とし、第２層Ｌ１２の軸方向の幅をＷ_２とし、クラッド構造体の軸方向の幅をＷとしたとき、式（１）及び式（２）で表される条件を満たすことが好ましい。
Ｗ_１／Ｗ≧０．１・・・（１）
Ｗ_２／Ｗ≧０．１・・・（２）
第１層Ｌ１１及び第２層Ｌ１２はいずれも機械的強度及び耐摩耗性に優れる材料からなる層であり、これらの層がある程度の幅を有していることで、ピストンリング１０の全体の機械的強度を確保するとともに、ピストンリング１０の側面の十分な耐摩耗性を確保することができる。かかる観点から、第１層Ｌ１１の幅Ｗ_１は以下の式（１Ａ）又は式（１Ｂ）で表される条件を満たすものであってもよく、第２層Ｌ１２の幅Ｗ_２は以下の式（２Ａ）又は式（２Ｂ）で表される条件を満たすものであってもよい。
０．１≦Ｗ_１／Ｗ≦０．４８・・・（１Ａ）
０．２≦Ｗ_１／Ｗ≦０．３５・・・（１Ｂ）
０．１≦Ｗ_２／Ｗ≦０．４８・・・（２Ａ）
０．２≦Ｗ_２／Ｗ≦０．３５・・・（２Ｂ）

上述のとおり、クラッド構造体Ｃ１（本実施形態ではピストンリング１０）の等価熱伝導率は以下の式によって算出される値を意味する。
等価熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）＝Ｗ／Σ（Ｗｉ／λｉ）
式中、Ｗはクラッド構造体の軸方向の幅（単位：ｍｍ）を示し、Ｗｉは第ｉ層の軸方向の幅（単位：ｍｍ）を示し、λｉは第ｉ層の２００℃における熱伝導率（単位：Ｗ／ｍＫ）を示す。ｉは１〜３の整数である。

第３層Ｌ１３は、熱伝導性に優れる材料からなる層であり、この層がある程度の幅を有していることで、クラッド構造体Ｃ１の等価熱伝導率を十分に高くすることができる。かかる観点から、第３層Ｌ１３の幅Ｗ_３は以下の式（３Ａ）、式（３Ｂ）又は式（３Ｃ）で表される条件を満たすことが好ましい。
０．０５≦Ｗ_３／Ｗ≦０．８・・・（３Ａ）
０．１≦Ｗ_３／Ｗ≦０．７・・・（３Ｂ）
０．２≦Ｗ_３／Ｗ≦０．６・・・（３Ｃ）

ピストンリング１０は、三層構成のクラッド材からなる線材を例えばコイリング工法によって加工する工程を経て製造することができる。あるいは、三層構成のクラッド材からなる板材をレーザー加工又はプレス加工することによってピストンリング１０を製造してもよい。

＜第二実施形態＞
第一実施形態に係るピストンリング１０は、図１（ｂ）に示したとおり、単純な三層構造であったが、本実施形態に係るピストンリング２０は、図３に示すクラッド構造体Ｃ２からなる。すなわち、ピストンリング２０は、第３層Ｌ２３が内周面Ｆ２の全体を構成するとともに燃焼室側の側面Ｆ３の一部を構成している。図４は、ピストンＰの動き及び高温ガスＧ（ブローバイガス）の流れを模式的に示す断面図であり、燃焼室において点火が生じたタイミングを図示したものである。図中の太い矢印はピストンＰの動く方向を示し、細い矢印は高温ガスの流れを示す。高温ガスＧはピストンリング２０の燃焼室側の側面Ｆ３に至り、その後、内周面Ｆ２に沿って流れるため、これらの部分を熱伝導率が大きい金属材料（第３層Ｌ２３）で構成することで内燃機関の熱伝達向上により一層貢献し得る。

本実施形態に係るピストンリング２０は、上述のとおり、ピストンリング２０の内周面Ｆ２の全体が第３層Ｌ２３によって構成されており、第１層Ｌ２１及び第２層Ｌ２２が内周面Ｆ２に露出していない点において、ピストンリング１０と相違し、その他の構成はピストンリング１０と同様である。以下、この相違点に係る構成について説明する。

第３層Ｌ２３の径方向の厚さをＴ２（図３参照）とし、ピストンリング２０の厚さＴ（図１（ｂ）に示す厚さＴ参照）としたとき、式（４Ａ）又は式（４Ｂ）で表される条件を満たすことが好ましい。
０．１≦Ｔ２／Ｔ≦０．４・・・（４Ａ）
０．１≦Ｔ２／Ｔ≦０．２・・・（４Ｂ）
Ｔ２／Ｔの値が０．１以上であることで内燃機関の熱効率をより一層十分に向上し得る。他方、Ｔ２／Ｔの値が０．４以下であることでピストンリング２０の耐熱ヘタリ性を十分に確保することができる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明の上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、三種の金属材料からなるクラッド材から製造されるピストンリングを例示したが、強度及び耐摩耗性を向上させるための第１層及び第２層の材質は必ずしも金属でなくもよく、例えば、酸化物、炭化物、窒化物等のセラミックスであってもよい。

また、上記実施形態においては、クラッド構造体からなるピストンリングを例示したが、本開示に係るピストンは側面Ｆ３，Ｆ４の少なくとも一方を覆うように形成された側面被覆層を更に備えてもよいし、外周面Ｆ１を覆うように形成された表面処理膜を更に備えてもよい。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すピストンリング３０，４０はいずれもピストンリング１０の変形例である。図５（ａ）に示すピストンリング３０は、第２層Ｌ１２の表面に形成された耐摩耗層Ｌ１４（側面被覆層）を有する。図５（ｂ）に示すピストンリング４０は、表面処理膜Ｌ１５によって外周面Ｆ１が構成されている。耐摩耗層Ｌ１４は、第２層Ｌ１２（ピストンリングの母材）の所定の領域に対して表面処理を施すことによって形成することができる。表面処理としては、リン酸塩化成処理、窒化処理、イオンプレーティング式ＰＶＤ及びプラズマＣＶＤ等が挙げられる。表面処理膜Ｌ１５もこれらの処理によって形成することができる。窒化層の硬度（ビッカース硬さ）は７００Ｈｖ０．０５以上であることが好ましい。

図５（ｂ）に示すピストンリング４０においては、クラッド構造体の外周面がバレルフェイス形状を有し、また、ピストンリング４０の外周面Ｆ１もバレルフェイス形状を有する。ピストンリング４０の外周面Ｆ１がバレルフェイス形状であることで、外周面Ｆ１における第３層Ｌ１３に対応する領域がシリンダボアＢの内壁に対して接した状態で摺動しやすく、熱伝導性に優れる第３層Ｌ１３を通じてシリンダ側に効率的に放熱することができる。

更に、ピストンリングを構成するクラッド材は、三種の金属材料からなるものに限定されず、三種以上の金属材料からなるものであってもよい。例えば、三種の金属材料（三つの層）の間に、これらの接合強度を高める目的で中間層を設けてもよい。また、各二種の金属材料の界面に拡散層が形成されたクラッド材を使用してもよい。

クラッド構造体を含むピストンリングの製造方法もクラッド材を原料として使用する方法や表面処理する工程を経る方法に限定されない。例えば、３Ｄプリンターの使用や焼結によって複数の材料を複合化する工程を経て、本開示に係るピストンリングを製造してもよい。

以下、本発明について実施例に基づいて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜金属材料＞
以下の金属材料を準備した。
［Ａ群］２００℃における熱伝導率２３〜３０Ｗ／ｍＫ、比重７．７
Ａ１：マルテンサイト系ステンレス鋼（例：ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４４０Ｂ）
［Ｂ群］２００℃における熱伝導率３１〜６３Ｗ／ｍＫ、比重７．７
Ｂ１：ばね鋼（例：ＳＵＰ９、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ１２、ＳＷＲＨ６２）、
Ｂ２：純鉄（例：ＩＦ鋼）
［Ｃ群］２００℃における熱伝導率１００〜３５８Ｗ／ｍＫ、比重２．７（Ａｌ），９．０（Ｃｕ）
Ｃ１：Ａｌ合金（例：Ａ５０５２、Ａ４０３２、Ａ６０６１、Ａ６０６３）、
Ｃ２：Ｃｕ合金（例：Ｃｒ−Ｃｕ、Ｂｅ−Ｃｕ、ＣＡＣ３０１）
［Ｄ群］２００℃における熱伝導率１７〜６１Ｗ／ｍＫ、比重４．５（Ｔｉ），１．８（Ｍｇ）
Ｄ１：Ｍｇ合金（例：ＡＺ９１、ＡＭ６０）
Ｄ２：Ｔｉ合金（例：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ[６４チタン]）

＜実施例１＞
第１層及び第２層を構成する金属材料として、Ａ群からＡ１（ＳＵＳ４４０Ｂ材)を選択し、第３層を構成する金属材料（高熱伝導性材料）としてＢ群からＢ１（ばね鋼ＳＵＰ１０）を選択した。Ｂ１（ばね鋼ＳＵＰ１０）をＡ１（ＳＵＳ４４０Ｂ材）で挟み込み、熱間圧延、熱処理及び冷間圧延を繰り返し、クラッド材を作製した。レーザー加工等でクラッド板から所定の形状、寸法に切り出すことによってピストンリング素材を得た。ピストンリングの寸法は直径９５ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ３．５ｍｍとし、張力は１５Ｎに設定した。ピストンリングの断面形状は略矩形とし、外周形状はバレルフェイス形状に仕上げた。外周面の表面にはイオンプレーティングによりＣｒ−Ｎ系の硬質膜を形成した。表１中の（Ｎ）は外周面にＣｒ−Ｎ系の硬質膜を形成したことを意味する。

＜実施例２〜１３＞
第３層を構成する金属材料（高熱伝導性材料）として表１に示す材料を選択したこと、各層の厚さを表１に示す厚さとしたことの他は実施例１と同様にして実施例２〜１３に係る各ピストンリングを作製した。

＜実施例１４〜２１＞
第１層、第２層及び第３層を構成する金属材料として表１に示す材料をそれぞれ選択したこと、各層の厚さを表１に示す厚さとしたこと、外周面にＣｒ−Ｎ系の硬質膜を形成しなかったことの他は実施例１と同様にして実施例１４〜２１に係る各ピストンリングを作製した。

＜比較例１〜８＞
第１層、第２層及び第３層を構成する金属材料として表２に示す材料をそれぞれ選択したこと、各層の厚さを表２に示す厚さとしたこと、外周面にＣｒ−Ｎ系の硬質膜を形成しなかったことの他は実施例１と同様にして比較例１〜８に係る各ピストンリングを作製した。

＜比較例９，１０＞
比較例９及び比較例１０に係るピストンリングは、クラッド材ではない従来から使用されている単一の金属材料からなるものとした。比較例９に係るピストンリングはマルテンサイト系ステンレス鋼（Ａ１）からなり、比較例１０に係るピストンリングはばね鋼（Ｂ１）からなるものとした。

＜評価試験＞
［１］熱ヘタリ試験
熱ヘタリ試験をＪＩＳ Ｂ８０３２−５に基づいて実施した。最初に張力を測定し、呼称径にリングを閉じて３００℃で３時間加熱した後、再度張力を測定して、その減退率（ＪＩＳでは接線方向張力減退度）を評価した。実施例及び比較例の各ピストンリングについて５回の測定を行い、その平均値を各ピストンリングの「張力減退率」とした。表１，２及び図６に結果を示す。なお、ＪＩＳ規格では、張力減退率の上限を８％としている。図６に示されたとおり、等価熱伝導率が５２Ｗ／ｍＫを超えると張力減退率が急激に上昇した。

［２］エンジン試験
４気筒のガソリンエンジンを用いてエンジン試験を実施し、ピストンリングの耐摩耗性を評価した。すなわち、第１〜第３気筒に実施例１，４，９，１４，２１及び比較例１，４，８，９に係る各ピストンリングを圧力リング（トップリング）として装着し、他方、第４気筒に比較例１０の圧力リングを装着し、所定の運転条件で３００時間のエンジン試験を行った。セカンドリング及びオイルリングは、当該エンジン用の既存のリングを使用した。トップリングの下側面摩耗量及び外周摩耗量を測定した結果、第１層及び第２層を耐摩耗性のある金属材料で構成することで、第３層にアルミ合金や銅合金のような強度及び耐摩耗性の低い金属材料を用いても、側面及び外周面に対する耐摩耗性を悪化させず、優れた耐摩耗性を示した。なお、表１，２に記載の側面摩耗量及び外周摩耗量は比較例１０のピストンリングの摩耗量に対する相対値である。

１０，２０，３０，４０…ピストンリング、１０ｃ…合口部、Ｂ…シリンダボア、Ｃ１，Ｃ２…クラッド構造体、Ｆ１…外周面、Ｆ２…内周面、Ｆ３，Ｆ４…側面、Ｌ１１，Ｌ２１…第１層、Ｌ１２，Ｌ２２…第２層、Ｌ１３，Ｌ２３…第３層、Ｌ１４…耐摩耗層（側面被覆層）、Ｌ１５…表面処理膜、Ｐ…ピストン

Claims (11)

1. 燃焼室及びクランク室を有する内燃機関のピストンに装着されるピストンリングであって、
   前記燃焼室側に配置される第１層と、
   前記クランク室側に配置される第２層と、
   前記第１層と前記第２層との間に形成されている第３層と、
   を含み、前記第１層、前記第２層及び前記第３層が一体的に形成されているクラッド構造体を有し、
   前記クラッド構造体の等価熱伝導率が２２〜５２Ｗ／ｍＫである、ピストンリング。
2. 前記クラッド構造体の等価熱伝導率が３８〜５２Ｗ／ｍＫである、請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記クラッド構造体の比重が４．０〜９．０である、請求項１又は２に記載のピストンリング。
4. 前記クラッド構造体の比重が４．０〜６．５である、請求項１又は２に記載のピストンリング。
5. 前記第１層の軸方向の幅をＷ_１とし、前記第２層の軸方向の幅をＷ_２とし、前記クラッド構造体の軸方向の幅をＷとしたとき、
   式（１）及び式（２）で表される条件を満たす、請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
   Ｗ_１／Ｗ≧０．１・・・（１）
   Ｗ_２／Ｗ≧０．１・・・（２）
6. 前記第１層及び前記第２層の少なくとも一方を覆うように形成された側面被覆層を更に含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンリング。
7. 前記側面被覆層がリン酸塩化成皮膜層又は窒化層である、請求項６に記載のピストンリング。
8. 前記窒化層の硬度が７００Ｈｖ０．０５以上である、請求項７に記載のピストンリング。
9. 前記クラッド構造体の外周面を覆うように形成された表面処理膜を更に含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のピストンリング。
10. 当該ピストンリングの外周面がバレルフェイス形状を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のピストンリング。
11. 前記内燃機関がガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、
    圧力リングとして使用される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のピストンリング。
    
    

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