JP2825884B2 - ピストンリング及びその製造方法 - Google Patents

ピストンリング及びその製造方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関や圧縮機等に用いられるピストンリ
ング及びその製造方法に関し、更に詳しくは少なくとも
外周摺動面に溶射被膜を形成したピストンリング及びそ
の製造方法に関する。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕
内燃機関や圧縮機において用いられるピストンリン
グ、特に内燃機関用のピストンリングは、耐摩耗性を高
めるために摺動面に硬質Crめっきを施したものが、一般
に使用されている。
しかし、Crめっきピストンリングは、高負荷のエンジ
ンに使用した場合、摺動する相手材であるシリンダライ
ナ鋳鉄材との耐焼付性が悪く、性能上満足し得ないもの
となりつつある。
それに対して、一部の機関で使用されている溶射ピス
トンリング、特にMoやNi−Cr合金等を含有する被膜をプ
ラズマ溶射によって形成したピストンリング(例えば、
特開昭54−1244号、特開昭60−125362号)は、耐焼付性
は良好であるが、相手材に対する攻撃性が高く、剥離も
しやすい。
また、従来のプラズマ溶射は大気圧下で行われていた
ため、大気の巻き込みにより、被膜中に空孔が形成され
やすかった。そのため、被膜自体や被膜と母材の境界が
酸化あるいは腐食され、運転中に剥離しやすい。また、
相手材の硬度が比較的低い場合、表面に露出した空孔の
エッジ部分により、相手材を摩耗させる。あるいは、溶
射中に溶融粉末が酸化し、各粉末粒子間の結合力が弱く
なり、従って被膜自体の機械的強度や耐摩耗性も低かっ
た。
さらに、Moは溶射材の中では比較的に酸化されにくい
が、高価なため、ピストンリング製品が高価になってい
た。硬質で耐摩耗材としてMo以上に有効な物質として、
Cr3C2サーメットが知られているが、やはり酸化が激し
く、プラズマ溶射による適用が難しかった。
従って本発明の目的は、従来のプラズマ溶射による被
膜の欠点を解消し、耐摩耗性と密着性に優れ、相手材を
も摩耗させにくい溶射被膜を形成したピストンリング、
及びその製造方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、Ni−Cr
合金粉末とCr3C2粉末を所定の割合で混合した粉末をピ
ストンリングの摺動面に溶射することによって、耐摩耗
性と密着性のよい被膜が得られ、また、摺動する相手材
に対する攻撃性を低減することができることを発見し、
本発明を完成させた。
すなわち本発明のピストンリングは、少なくとも外周
摺動面に溶射被膜が形成されており、前記溶射被膜は20
〜40重量%のNiと60〜80重量%のCrからなる組成を有す
るNi−Cr合金20〜40重量%と、Cr3C260〜80重量%とか
らなり、空孔率が3体積%以下であることを特徴とす
る。
また本発明のピストンリングの製造方法は、150Torr
以下の不活性ガス雰囲気中で、ピストンリング母材に対
して、20〜40重量%のNiと60〜80重量%のCrからなる組
成を有するNi−Cr合金粉末20〜40重量%とCr3C2粉末60
〜80重量%とからなる混合粉末を用いて、プラズマ溶射
を行うことにより、溶射被膜を形成することを特徴とす
る。
以下、本発明を図面を参照して説明する。
第1図に本発明の一実施例によるピストンリングを示
す。ピストンリング1は縦断面を示してあって、鋳鉄材
や鋼材等の母材2の外周摺動面に、50〜500μmの厚さ
で、空孔が5体積%以下の溶射被膜3が設けられてい
る。図示しているように、母材2の外周に溝4を削設し
て、そこに溶射材を埋設してもよいし、あるいは第2図
に示すように、溝は設けずに、フラットな外周面上に溶
射材3を盛り金してもよい。
被膜3は、Ni−Cr合金粉末20〜40重量%とCr3C2粉末6
0〜80重量%からなる混合粉末を、プラズマ溶射して形
成したものである。
Ni−Cr合金粉末は母材及びCr3C2粉末との結合性が良
好なため、被膜の密着性すなわち耐剥離性を向上させ
る。また耐酸化性と耐食性の向上にも寄与する。一方、
Cr3C2粉末は摺動材として適度な硬度を有するため、耐
摩耗性、耐スカッフィング性を向上させ、相手攻撃性は
低く、しかも安価な材料である。特に、Cr3C2粉末は減
圧プラズマ溶射に適用すれば、溶射工程での酸化、分解
が少なく、被膜の密着性を向上させる。
Ni−Cr合金粉末が20重量%未満、すなわちCr3C2粉末
が80重量%超では、Ni−Cr合金粉末の上述の効果が得ら
れず、溶射被膜の密着性が低下し、脆化してしまう。
一方、Ni−Cr合金粉末が40重量%超、すなわちCr3C2
粉末が60重量%未満では、Cr3C2粉末の上述の効果が得
られず、耐摩耗性、耐スカッフィング性が低下してしま
う。これらの粉末のより好ましい混合割合は、Ni−Cr合
金粉末20〜30重量%、及びCr3C2粉末70〜80重量%であ
り、この範囲で上述の効果がさらに向上する。
またNi−Cr合金粉末の組成を20〜40重量%のNi及び60
〜80重量%のCrとすることにより、溶射被膜の高温での
耐酸化性が向上する。
上述のNi−Cr合金粉末とCr3C2粉末の混合粉末を用い
て大気プラズマ溶射を行えば、従来の溶射材を用いた被
膜よりも優れた特性を備えたピストンリングが得られる
が、いわゆる減圧プラズマ溶射を適用すれば、さらに優
れた被膜が得られる。
減圧プラズマ溶射法によって本発明のピストンリング
を製造する工程を、以下に説明する。
第3図に示すように、プラズマガン5とピストンリン
グ母材2とをチャンバ(図示せず)内に置く。プラズマ
ガン5は、プラズマガス噴出のためのノズルを兼ねて、
銅などからなる環状の陽極6と、この陽極6の上部に位
置してタングステンなどからなる陰極7、及び電源8と
で構成されている。陽極、陰極とも中にキャビティ(図
示せず)が形成され、十分に水冷を施す構造となってい
る。陽極すなわちノズル6の先端と母材2の間の距離は
20〜100mmとする。
チャンバ内の空気をポンプ等で吸引して、10-1〜10-2
Torr程度の真空にするとともに、酸素等の有害ガスを除
去する。次にAr等の不活性ガスをチャンバ内に導入し
て、約20〜150Torrの低圧に調整する。
この状態で陽極6と陰極7間に高電圧を印加すると、
アーク放電9により不活性ガスが加熱され、プラズマ化
する。その際に膨張によりガスは高温かつ高速でノズル
6から噴出し、プラズマジェット流10をつくる。
このプラズマジェット流中に原料粉末11を投入する。
粉末の供給口は、図示のようにノズル6内か、あるいは
ノズル6の直下に設ける。粉末11はプラズマジェット流
中で溶融、加速されて母材2に衝突する。それによっ
て、瞬時に偏平化して、母材温度まで急冷凝固し、被膜
3が形成される。
母材2の表面には予めショットブラスト等で10〜20μ
m程度の粗さを持たせるのがよい。それによって、溶融
粒子が母材の凸部に衝突した際に、凸部が局部溶融を起
こして合金化しやすく、機械的にも溶融粒子の凝固収縮
応力によるアンカー効果が生じて、接着力が強固とな
る。
また、溶射直前に母材2を予熱して400〜550℃の高温
にし、移行アークにより表面をクリーニングすると表面
が活性化し、溶射後、母材2と被膜3の間に相互拡散層
が形成され、強固な接合を形成できる。
減圧下においてはプラズマジェット中のガス速度が高
速になる。従って、粉末粒子は大気プラズマ溶射の場合
よりも高速に加速されて母材に衝突する。その結果、溶
射層は空孔の体積が3%以下の緻密な組織となる。その
ため、被膜自体や被膜と母材の境界は酸化や腐食がされ
にくく、運転中に被膜が剥離しにくくなる。また、組織
が緻密なことにより、摺動する相手材に対する攻撃性が
低い。
さらにまた、大気プラズマ溶射に比べて、溶融から凝
固に至る過程において雰囲気による粉末の酸化がない。
従って被膜中に酸化物が混在せず、被膜粒子間の結合力
が強く、機械的強度と耐摩耗性が高い。
〔実施例〕
本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明
する。
実施例1、2、3 ピストンリング用球状黒鉛鋳鉄材(FCD60)を、縦100
mm、横50mm、厚さ10mmの角柱状に加工し、さらにその一
端面を湾曲面に研削加工した。
次に、第1表の実施例1、2、3で示す組成を有する
325メッシュのNi−Cr合金粉末(Ni:25重量%、Cr:75重
量%)と325メッシュのCr3C2粉末からなる混合粉末を用
いて、上記湾曲面に約200μmの厚さの被膜を減圧プラ
ズマ溶射によって形成した。溶射条件は以下の通りとし
た。
使用ガン:メテコ社製LPC−9MBプラズマ溶射ガン 電圧:70V 電流:500A 雰囲気ガス:Ar チャンバ内圧力:30Torr 母材予熱温度:400℃ なお、形成された被膜中の空孔率は、平均で3体積%
であった。
また、実施例2で得られたピストンリングの外周部分
における、金属組織の顕微鏡写真(×100)を第4図に
示す。溶射被膜3と母材2の接合部は合金化して拡散結
合している。被膜3中には空孔が極めて少ない。
比較例1 実施例1〜3と同形状、同材質のピストンリング用鋳
鉄材の湾曲面に、第1表で示す組成を有する200メッシ
ュのNi−Cr合金粉末(Ni:25重量%、Cr:75重量%)と20
0メッシュのCr3C2粉末を用いて、約200μmの厚さの被
膜を大気圧下でプラズマ溶射によって形成した。溶射条
件は以下の通りとした。
使用ガン:メテコ社製7Mプラズマ溶射ガン 電圧:70V 電流:500A 雰囲気ガス:Ar チャンバ内圧力:760Torr なお、形成された被膜中の空孔率は、平均で16体積%
であった。
比較例2、3 実施例1〜3と同形状、同材質のピストンリング用鋳
鉄材の湾曲面に、第1表で示す組成を有する325メッシ
ュのNi−Cr合金粉末(Ni:25重量%、Cr:75重量%)と32
5メッシュのCr3C2粉末を用いて、約200μmの厚さの被
膜を減圧プラズマ溶射によって形成した。なお、溶射条
件は実施例1〜3と同じにした。その結果、形成された
被膜中の空孔率は、平均で3体積%であった。
比較例4 実施例1〜3と同形状、同材質のピストンリング用鋳
鉄材の湾曲面に、200メッシュのMo粉末50重量%、200メ
ッシュのNi−Cr合金粉末10重量%、200メッシュのCr3C2
粉末10重量%、及び200メッシュの純鉄粉末30重量%か
らなる混合粉末を用いて、約200μmの厚さの被膜を大
気圧下でプラズマ溶射によって形成した。なお、溶射条
件は実施例4と同じにした。その結果、形成された被膜
中の空孔率は、平均で16体積%であった。
摩耗試験 上記実施例1〜3及び比較例1〜4のピストンリング
材を供試材として、摩耗試験を行った。
第5図に概略して示す科研式摩耗試験機で高温湿式摩
耗試験を行った。支点12を挟んでアーム13の一方の端に
50kgの重り14を吊るすとともに、支点12と重り14の間に
各供試材15を、溶射ピストンリングを形成した湾曲面を
下向きにして固定した。アーム13の他方の端には、アー
ム13が水平になるようにバランサー16を吊るした。ヒー
タ17を内蔵して180℃に保ったドラム形シリンダライナ
材(FC25製)18を周速0.5m/秒で回転して、供試材15と
摺接させた。シリンダライナ材18の摺接面に低粘度オイ
ル19を3滴/分の量で滴下しながら240分間の試験を行
った。
試験後、供試材15とライナ材18の摩耗量を測定した結
果を第1表に示す。各摩耗量は、比較例3の摩耗量を10
0として、その相対値として表示している。第1表に示
されたように、Ni−Cr合金粉末とCr3C2粉末を適当量混
合して溶射したものにおいて、リング材とライナ材とも
に摩耗量が少ない。特に、減圧プラズマ溶射を行うこと
によって摩耗量が少なくなった。
また、同じく上記試験後に、各々のピストンリング材
の溶射被膜の剥離の有無を調べた。その結果を第1表に
あわせて示す。Ni−Cr合金粉末を20重量%以上配合し、
かつ減圧プラズマ溶射を行ったものにおいて、剥離が起
こらなかった。
〔発明の効果〕 以上説明した通り、本発明のピストンリングにおいて
は、Ni−Cr合金粉末とCr3C2粉末を各々所定量混合して
プラズマ溶射した被膜が、外周摺動面に形成されてい
る。従って、それら原料粉末の特性により、被膜は母材
との密着性と耐摩耗性に優れている。また、摺動する相
手材に対する攻撃性が低いので、相手材をも摩耗させな
い。
さらに、上記原料粉末を用いて減圧プラズマ溶射すれ
ば、被膜中の空孔が少なくなり、耐酸化性も向上するの
で、密着性と摩耗特性がより一層向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例によるピストンリングを示す
縦断面図であり、 第2図は本発明の別の実施例によるピストンリングを示
す縦断面図であり、 第3図は本発明のピストンリングを製造するための溶射
装置を示す概略縦断面図であり、 第4図は本発明のピストンリングの外周部分における断
面の金属組織を示す顕微鏡写真(×100)であり、 第5図は摩耗試験機の概略図である。 1……ピストンリング 2……母材 3……溶射被膜 4……溝 5……プラズマガン 6……陽極 7……陰極 8……電源 9……アーク放電 10……プラズマジェット流 11……原料粉末
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−230760(JP,A) 特開 昭62−182265(JP,A) 特開 昭62−182266(JP,A) 特公 昭52−1376(JP,B2) 特公 昭51−40859(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F16J 1/00 - 10/04 C23C 4/00 - 6/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも外周摺動面に溶射被膜が形成さ
    れているピストンリングであって、前記溶射被膜は20〜
    40重量%のNiと60〜80重量%のCrからなる組成を有する
    Ni−Cr合金20〜40重量%と、Cr3C260〜80重量%とから
    なり、空孔率が3体積%以下であることを特徴とするピ
    ストンリング。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のピストンリングを製造す
    る方法であって、150Torr以下の不活性ガス雰囲気中
    で、ピストンリング母材に対して、20〜40重量%のNiと
    60〜80重量%のCrからなる組成を有するNi−Cr合金粉末
    20〜40重量%とCr3C2粉末60〜80重量%とからなる混合
    粉末を用いて、プラズマ溶射を行うことにより、溶射被
    膜を形成することを特徴とする方法。
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