JP2516978Y2 - シリンダとピストンリングの組合せ - Google Patents

シリンダとピストンリングの組合せ

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初夫 高瀬
洋一 清水
誠 家崎
啓一 浦野
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ヤンマーディーゼル株式会社
帝国ピストンリング株式会社
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【考案の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本考案は、内燃機関に用いられるシリンダとピストン
リングの組合せに関する。
「従来の技術」 従来の鋳鉄もしくは鋼製シリンダライナは、その組織
中にグラファイトが微細に分散して油溜りを形成するの
で、油膜が途切れることなく適切な摺動表面となり、シ
リンダ材として多様されてきた。しかし、近年の高速、
高荷重エンジンに使用すると、耐摩耗性に劣るので、摺
動表面に硬質のポーラスクロムめっきを施しためっきシ
リンダが使用されるようになってきた。
一方、ポーラスクロムめっきシリンダの相手材とし
て、ピストンリングは燐酸塩被覆や酸化鉄被覆を施して
なじみ性を与えたり、耐摩耗性を付与するためにフェロ
クロム溶射や窒化処理が施されている。また、シリンダ
にポーラスクロムめっきを施さない場合には、ピストン
リングにソリッドもしくはポーラスクロムめっきを施す
等の組合せが用いられてきた。
また、シリンダライナ摺動面の耐摩耗性を更に向上さ
せる方法として、例えば特開昭52-138797号には、摺動
面にSiC粒子を埋め込む方法が開示されている。更に、
特開昭61-144469号には、摺動内周面にSiC,Al23など
の硬質粒子を埋め込んだシリンダと、摺動外周面に高ク
ロム鋳鉄粉末とFe−C−Cr合金粉末とMo粉末とを混合し
た粉末をプラズマ溶射したピスントンリングとの組合せ
からなる摺動面対構造が開示されている。
更に、ピストリングの耐摩耗性及び耐焼付性を向上さ
せる技術として、摺動外周面に硬質クロムめっきを施
し、その上にイオンプレーティングによりTiN被膜を形
成したもの(特公平1-33658号)、摺動外周面に窒化処
理層を設け、その上にイオンプレーティングによりTiN
被膜を形成したもの(特願昭59-131878号)、摺動外周
面にイオンプレーティングによるTi(Cx,Ny)被膜を形
成したもの(特公平1-52575号)などが既に提案されて
いる。
「考案が解決しようとする課題」 しかしながら、近年、内燃機関は、益々高性能化さ
れ、高速、高荷重のものが開発されており、これらに対
応できる耐久性を有し、しかも潤滑油消費量並びに燃料
消費量の少ない摺動部材が要求されている。このような
ニーズに対応するため、シリンダやピストンリング等の
摺動面は過酷な条件にさらされ、耐熱性、耐食性、耐摩
耗性は勿論のこと、軽量化や、ピストンリング中でもオ
イルリングの追従性、耐焼付性をも満足しなければなら
なくなってきた。
このような状況において、摺動内周面にSiC,Al23
どの硬質粒子を埋め込んだシリンダは、シリンダ自身の
耐摩耗性において抜群の性能を示し、鋼製薄肉シリンダ
などに適用して軽量化を図れるなどの利点を有している
ため、有望なものと考えられている。しかし、このシリ
ンダの場合には、相手ピストンリングを甚だしく摩耗さ
せてしまうという欠点を有しており、これと相性のよい
ピストンリングの組合せは未だ見出されていないのが現
状である。
したがって、本考案の目的は、高速、高荷重の内燃機
関に適用しても優れた耐久性が得られ、しかも潤滑油消
費量なども低減できるシリンダとピストンリングの組合
せを提供することにある。
「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本考案のシリンダとピスト
ンリングの組合せは、摺動内周面に硬質粒子が分散して
埋設されたシリンダと、摺動外周面に窒化処理層が形成
され、更にその上にPVD処理によるTi(Cx,Ny)からなる
硬質被膜層が形成されたピストンリングとから構成され
ることを特徴とする。
以下、本考案について具体例を挙げて更に詳細に説明
する。
本考案において、シリンダ(シリンダライナを含む)
の摺動内周面に分散して埋設させる硬質粒子としては、
SiC,Al23,Cr23,Si34,BNなどから選ばれた少なく
とも1種が好ましく採用される。
これらの硬質粒子をシリンダの摺動内周面に分散して
埋設させると、硬い粒子が摺動面の最表面に存在して一
次摺動面となり、シリンダ表面の二次摺動面との間に微
小な間隙が形成され、これが油膜形成域となるので、常
に最良の潤滑作用を与えることができる。しかも、硬質
粒子は、上記のようなセラミックス粒子からなるので、
極めて高い耐摩耗性が付与される。
硬質粒子の平均粒径は5〜20μmが好ましく、5μm
未満では一次摺動面と二次摺動面との間隙が小さすぎて
油膜の形成に支障を来し、20μmを超えると一次摺動面
と二次摺動面との間隙が大きくなりすぎる上に、相手材
との摺動時に粒子の脱落が生じるおそれがあるので望ま
しくない。
硬質粒子をシリンダの摺動内周面に分散して埋設させ
る方法としては、例えばシリンダ内周面をラッピング加
工により仕上げる際に、硬質粒子を含んだスラリー状の
液体を吹き付けながら研削することによって埋設する方
法が採用できる。この方法については、前述した特開昭
61-144469号等に詳しく記載されている。
一方、ピストンリングは、上記のシリンダと組合せる
場合、通常最も多く用いられているクロムめっきリング
では、耐摩耗性が不足する。このため、本考案では、ピ
ストンリングの少なくとも摺動外周面に窒化処理を施
し、更にその上にPVD処理によるTi(Cx,Ny)からなる硬
質被膜層を形成する。
窒化処理としては、ガス窒化法、塩浴軟窒化法、ガス
軟窒化法、イオン窒化法など、公知のいずれの方法も採
用できる。窒化処理を施すことにより、表面の硬度は、
手法にもよるがHv600〜1300程度となり、優れた耐摩耗
性を示す。
しかし、硬質粒子を埋設したシリンダとの相性から
は、上記窒化処理だけでは不十分であり、更にその上に
Ti(Cx,Ny)からなる硬質被膜層を形成することが必要
である。この硬質被膜層は、真空蒸着法、イオンプレー
ティング法、スパタリング法などのPVD処理によって形
成できるが、特に好ましくはイオンプレーティング法が
採用される。
イオンプレーティング法によるTi(Cx,Ny)の形成
は、例えば、蒸発源であるTiに電子ビームを照射し、蒸
発源近傍にイオン化電極を設けた高真空型のイオンプレ
ーティング装置を用い、窒素ガス及びアセチレンガス雰
囲気の下で処理することによって行なうことができる。
この場合、窒素ガスとアセチレンガスとの分圧を変える
ことにより、Ti(Cx,Ny)におけるxとyの比率を変化
させることができる。
Ti(Cx,Ny)被膜は、TiCとTiNの中間の性質を示し、
自身の耐摩耗性においてはTiNを上回り、相手攻撃性に
おいてはTiCを下回る。また、Ti(Cx,Ny)におけるxの
比率が大きいほどTiCに近い性質となり、yの比率が大
きいほどTiNに近い性質となる。Ti(Cx,Ny)被膜は、x
とyの比率によってHv2200〜2600の硬度を有する。本考
案においては、硬質粒子を埋設したシリンダとの相性か
ら、x>yとすることがより好ましい。
なお、硬質粒子を埋設したシリンダの摺動内周面の最
大表面粗さは2〜10μm程度が好ましく、窒化処理層及
びTi(Cx,Ny)被膜を形成したピストンリングの摺動外
周面の最大表面粗さは3μm以下が好ましい。
「作用」 前述したように、硬質粒子をシリンダの摺動内周面に
分散して埋設させると、硬い粒子が摺動面の最表面に存
在して一次摺動面となり、シリンダ表面の二次摺動面と
の間に微小な間隙が形成されるので、これが油膜形成域
となり、常に最良の潤滑作用を与えることができる。ま
た、硬質粒子によってシリンダの摺動内周面の耐摩耗性
が飛躍的に向上する。
一方、ピストンリングの摺動外周面に、窒化処理層及
びTi(Cx,Ny)被膜を形成することによって、硬質粒子
を埋設したシリンダの相手材として、十分に耐え得る耐
摩耗性及び耐焼付性を付与することができる。すなわ
ち、窒化処理層によって硬度及び耐食性が向上し、その
上に更にTi(Cx,Ny)被膜を形成すると、TIC及びTiNは
いずれも高硬度、高融点の性質を示すので、より優れた
耐摩耗性及び耐焼付性が得られるのである。
本考案は、このようなシリンダとピストンリングの組
合せによって、高荷重の内燃機関にも適用できる耐久性
を付与し、潤滑油消費量や燃料消費量を低減することも
可能としたのである。
「実施例」 第1図には、本考案によるシリンダとピストンリング
の組合せの一実施例が示されている。
図において、シリンダライナ11は、図示を省略したシ
リンダの内壁に嵌着されている。このシリンダライナ11
の内周には、ピストン12が上下動可能に挿入されてい
る。ピストン12は、外周に3つの環状の溝13を有し、こ
れらの溝13に、トップリング14、セカンドリング15、オ
イルリング16からなるピストンリングが嵌着されてい
る。オイルリング16は、上下レール18a、18bと、上下レ
ール18a、18bを連結し多数のオイル孔を備えた薄肉の柱
部とからなる断面略I型の鋼製オイルリングと、その内
側に配置されたコイルエキスパンダ17とから構成されて
いる。
本考案においては、シリンダライナ11の摺動内周面に
硬質粒子が埋設された層19が形成されている。また、各
ピストンリング14、15、16の摺動外周面(オイルリング
16の場合は上下レール18a、18bの摺動面)には、窒化処
理層20が形成され、その上にTi(Cx,Ny)からなる硬質
被膜層21が形成されている。
したがって、内燃機関が作動してピストン12が往復動
作すると、シリンダライナ11の硬質粒子が埋設された層
19と、ピストンリング14、15、16の硬質被膜層21とが摺
接する。シリンダライナ11は、硬質粒子によって摺動外
周面の耐摩耗性が向上すると共に、適切な油膜が形成さ
れて潤滑作用がもたらされる。また、ピストンリング1
4、15、16は、窒化処理層20及び硬質被膜層21によって
摺動外周面の耐摩耗性及び耐焼付性が向上する。
実施例 規定寸法に加工し、かつ、脱脂洗浄した、内径100φm
m×長さ180mmの鋳鉄製シリンダライナ(FC30相当)の内
周面を、平均粒径15μmのSiC粒子を含むスラリーを用
いて、ラッピングシュー圧力;0.8kg/cm2、回転数×スト
ローク×時間;60rpm/min×30回/min×2分の条件で、ラ
ッピング加工を行なうと同時にSiC粒子をシリンダライ
ナ内周面に埋め込み分散させた。
別に、鋼製トップリング(SUS420J2材、外周断面バレ
ル形状、表面粗さ0.5μm)及び鋼製オイルリング(SKD
61材、I型、表面粗さ0.5μm)をパークロルエチレン
蒸気で洗浄し、SUS304鋼製電気炉内にセットして、炉内
の空気を窒素により置換後、NH3ガスを導入し、炉内の
温度を570℃まで昇温し、3時間保持して窒化処理を行
なった。窒化層の厚みは85nmであったが、脆性の高い酸
化物層及び白層を除去したので、実際の厚みは70μmと
なった。
その後、イオンプレーティング槽内に静置し、槽内を
高真空にした後、窒素ガス(分圧1.1×10-2Pa)及びア
セチレンガス(分圧6.5×10-2Pa)の雰囲気の下で、蒸
発源であるチタンに電子ビームを照射してイオンプレー
ティングを実施し、厚さ10μmのTi(C0.75,N0.25)か
らなる硬質被膜を形成した。
比較例 鋼製トップリング(SUS420J2材、外周断面バレル形
状、表面粗さ0.5μm)及び鋼製オイルリング(SKD61
材、I型、表面粗さ0.5μm)に硬質クロムめっきを施
した。硬質クロムめっきの厚さは、トップリング110μ
m、オイルリング100μmである。これらのリングを上
記実施例のシリンダライナと組合せて使用した。
試験例 実施例及び比較例のシリンダライナ及びピストンリン
グを用い、4サイクル、水冷4気筒、排気量3600cc、出
力110馬力のディーゼルエンジンに組み込み、軽油を使
用し、全負荷400時間の耐久テストを実施した。
テスト後のトップリングとオイルリングの摩耗量及び
相手シリンダライナの上死点位置の摩耗量を測定した結
果を第2図に示す。また、潤滑油消費量を測定した結果
を第3図に示す。
この結果から、本考案のシリンダとピストンリングの
組合せによれば、高出力のエンジンに使用してもピスト
ンリングの摩耗が少なく、従来のクロムめっきリングに
比べて、はるかに高い耐久性が得られ、また潤滑油消費
量も大幅に低減できることがわかる。
「考案の効果」 以上説明したように、本考案によれば、硬質粒子を埋
設した摺動内周面を有するシリンダと、窒化処理層及び
Ti(Cx,Ny)からなる硬質被膜層を形成した摺動内周面
を有するピストンリングとを組合せることにより、双方
共に耐摩耗性及び耐焼付性が向上して、相性のよい摺動
面対構造が得られる。したがって、高速、高荷重エンジ
ンに適用しても優れた耐久性が得られ、燃料消費量及び
潤滑油消費量も低減できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本考案によるシリンダとピストンリングの組合
せの一実施例を示す部分断面図、第2図はトップリング
とオイルリングの摩耗量及び相手シリンダライナの上死
点位置の摩耗量を測定した結果を示す図表、第3図は潤
滑油消費量を測定した結果を示す図表である。 図中、11はシリンダライナ、12はピストン、13は溝、14
はトップリング、15はセカンドリング、16はオイルリン
グ、18はサイドレール、19は硬質粒子が埋設された層、
20は窒化処理層、21はTi(Cx,Ny)からなる硬質被膜層
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 家崎 誠 東京都中央区八重洲1丁目9番9号 帝 国ピストンリング株式会社内 (72)考案者 浦野 啓一 東京都中央区八重洲1丁目9番9号 帝 国ピストンリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−144469(JP,A) 特公 平1−52575(JP,B2)

Claims (4)

    (57)【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】摺動内周面に硬質粒子が分散して埋設され
    たシリンダと、摺動外周面に窒化処理層が形成され、更
    にその上にPVD処理によるTi(Cx,Ny)からなる硬質被膜
    層が形成されたピストンリングとから構成されることを
    特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
  2. 【請求項2】前記硬質粒子が、SiC,Al23,Cr23,Si3
    4,BNから選ばれた少なくとも1種である請求項1記載
    のシリンダとピストンリングの組合せ。
  3. 【請求項3】前記硬質粒子の平均粒径が5〜20μmであ
    る請求項1又は2記載のシリンダとピストンリングの組
    合せ。
  4. 【請求項4】前記Ti(Cx,Ny)においてx>yとされて
    いる請求項1〜3のいずれか1つに記載のシリンダとピ
    ストンリングの組合せ。
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