JP3239610B2 - ピストン/ピストンリングアッセンブリ - Google Patents

ピストン/ピストンリングアッセンブリ

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JP3239610B2
JP3239610B2 JP09457594A JP9457594A JP3239610B2 JP 3239610 B2 JP3239610 B2 JP 3239610B2 JP 09457594 A JP09457594 A JP 09457594A JP 9457594 A JP9457594 A JP 9457594A JP 3239610 B2 JP3239610 B2 JP 3239610B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関に用いられる
ピストン/ピストンリングアッセンブリに関する。
【0002】
【従来の技術】エンジンの高出力化に伴い、ピストンリ
ングとその周辺部品の摩擦、摩耗特性の改善が必要であ
り、種々の提案がなされている。その中で、実開昭63
−110653号公報は、ピストンリング表面に軟窒化
処理を施しその上にTiNをコーティングして、ピスト
ンリングのシリンダボアとの摺動における耐焼付性、耐
摩耗性を向上させることを提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ピストン
リングを、鋳鉄製シリンダブロックのシリンダボアに挿
入させた、アルミ合金MMC(メタル・マトリクス・コ
ンポジット)ピストンリング溝をもつアルミ合金製ピス
トンに適用すると、ピストンリング外周面の耐摩耗性は
向上するが、逆にアルミ合金MMCピストンリング溝の
上下面の摩耗は進行するという問題があった。本発明の
目的は、ピストンリング外周面の耐摩耗性も、ピストン
のピストンリング溝上下面の耐摩耗性も、改善できるピ
ストン/ピストンリングアッセンブリを提供することに
ある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の、本発明のピストン/ピストンリングアッセンブリ
は、次の通りである。 (1)アルミ合金MMCピストンリング溝を有するアル
ミ合金製ピストンと、前記ピストンリング溝に配置され
るピストンリングとから成るピストン/ピストンリング
アッセンブリにおいて、前記ピストンリングのシリンダ
ボアとの摺動面に窒化物層または硬質コーティング膜を
形成し、前記ピストンリングの上下面の硬さをHv40
0〜600としたピストン/ピストンリングアッセンブ
リ。 (2)前記ピストンリングの上下面の硬さが、浸炭焼入
れ、焼きもどしによってHv400〜600とされてい
る(1)記載のピストン/ピストンリングアッセンブ
リ。
【0005】
【作用】上記(1)のピストン/ピストンリングアッセ
ンブリでは、外周面に窒化物層または硬質コーティング
膜が形成されるので外周面の硬さはHv1100〜25
00となり、耐摩耗性が改善される。また、ピストンリ
ング上下面は硬さがHv400〜600とされるので、
AlベースMMCのピストンリング溝への攻撃性が減少
してピストンリング溝上下面の摩耗量は低減し、ピスト
ンリング上下面そのものの摩耗も少なく、バランスのと
れた摩耗特性が得られる。上記(2)のピストン/ピス
トンリングアッセンブリでは、ピストンリングは浸炭焼
入れされ、その後窒化物層または硬質膜の形成時の高温
(400℃〜600℃)を受けて焼もどしされるので、
上下面は容易に硬さがHv400〜600とされる。
【0006】
【実施例】以下に、本発明の望ましい実施例を、図面を
参照して説明する。図1において、ピストン/ピストン
リングアッセンブリは、ピストンリング溝2を郭定する
アルミ合金MMC部材3を鋳ぐるんだアルミ合金製ピス
トン1と、ピストンリング溝2に配置されるピストンリ
ング4とから成る。ピストン/ピストンリングアッセン
ブリは鋳鉄製シリンダボア5に摺動自在に挿入される。
ピストンリング4は、周方向に1ヶ所切れ目を有する、
断面矩形状の環状体から成る。図2はピストンリング4
の断面を示している。図2に示すように、ピストンリン
グ4の断面はリング母材6と、全面に形成された表面硬
さ調整層7と、リング外周面のみに、表面硬さ調整層の
上に形成された窒化物層あるいは硬質コーティング膜8
と、から成る。リング母材6は、浸炭用低合金鋼または
ステンレス鋼から成り、たとえばJIS:SCr、JI
S:SCM(肌焼鋼)、日本自動車工業会規格ASCB
等の中炭素低合金、およびステンレス鋼のグループから
選択された何れか一種の鋼から成る。表面硬さ調整層7
は、その硬さがビッカース硬さでHv400〜600に
調整された層から成り、たとえば、浸炭焼入れ、高温焼
もどしによって容易に得られる。窒化物層あるいは硬質
コーティング膜8は、リング外周面、すなわちシリンダ
ボア5との摺動面にのみ形成される。硬質膜コーティン
グ、たとえばCrN、TiNi等は、イオンプレーティ
ングにて400℃〜600℃で形成され、窒化物層は5
00℃〜600℃にて形成される。これらの硬質層形成
時の400℃〜600℃の高温を利用して、浸炭後の高
温焼もどしが自然に行われる。
【0007】つぎに、上記ピストン/ピストンリングア
ッセンブリのうち、ピストンリングの製造方法を、図3
を参照して、説明する。まず、工程11にて、素材とし
てSCr、SCM、ASCB、ステンレス鋼の何れかを
用いたピストンリング素材を用意し、必要に応じて機械
加工する。SCr、SCMは炭素量は0.3%以下で低
炭素鋼であり、ASCBは炭素量が0.3〜0.5%の
中炭素鋼である。ついで、工程12にて、浸炭ガス雰囲
気下でピストンリング素材に浸炭焼入れを施す。浸炭焼
入れ条件は、たとえばカーボンポテンシャルC.P.
(浸炭ガス雰囲気のカーボン量)が1.0にて930℃
×2hr浸炭し、ついでC.P.を0.8にて850℃
×30min浸炭し、ついで130℃、油冷の焼入を行
う。この浸炭焼入れによって、ピストンリング素材の表
面部分の炭素量は0.5%以上となり、浸炭焼入れ層の
硬さは焼もどし前でHv800程度である。ついで、工
程13にて、摺動面を研磨仕上げする。前工程において
表面がHv800程度に硬化されているので、研磨仕上
りは容易に良好面となる。ついで、工程14にて、外周
面(シリンダボアとの摺動面)のみに窒化物層または硬
質コーティング膜8を形成する表面処理を行う。硬質膜
コーティング(CrN、TiN等)はイオンプレーティ
ングにて400℃〜600℃で行う。あるいは窒化にお
いても500℃〜600℃にて行う。TiNイオンプレ
ーティング(アーク式)では、たとえば、アーク電流が
80A、バイアス電圧が150V、N2 ガス圧が20m
Torr、成膜時間が60min、処理温度が500℃
とされる。ガス窒化層の場合は外周面硬さはHv110
0程度であり、TiN膜の場合は外周面硬さはHv20
00程度である。処理温度400℃〜600℃により、
ピストンリング上下面の浸炭焼入れ層は自然に高温焼も
どしを受け、硬質膜コーティングあるいは窒化処理後に
あらためて焼もどしを行う必要はない。この焼もどし作
用によって、硬さがHv800程度であった浸炭焼入れ
層は、硬さがHv400〜600程度になる。
【0008】つぎに、作用を説明する。ピストンリング
4は外周面に窒化物層または硬質コーティング膜8を形
成した場合は、外周面硬さがHv1100程度以上ある
ので、ピストンリング外周面の摩耗は抑制されるととも
に、シリンダボア5との焼付きも生じない。また、ピス
トンリング4の上下面はHv400〜600の硬さに減
少されているので、ピストンリング溝への攻撃性が低減
し、またピストンリングそのものの摩耗も少なく、バラ
ンスのとれた硬さである。
【0009】上記特性を、種々の比較例を作製してテス
トにおいて本発明と比較してみた。比較例は次の通りで
ある。 比較例1 ステンレス鋼にガス窒化処理を施し、リング表面全体に
化合物層を形成した。化合物層厚さは90μm、化合物
層硬さはHv1100であった。 比較例2 ステンレス鋼のリング素材の外周面にのみガス窒化を施
し、上下面は非硬化でHv200程度であった。 比較例3 比較例1にさらにリング表面全域にイオンプレーティン
グにてTiN膜を成膜した。TiN膜厚は3μmであ
り、TiN硬さはHv2000程度であった。 比較例4 比較例1にさらに外周面にのみイオンプレーティングに
てTiN膜を成膜した。TiN膜厚は3μm、TiN硬
さはHv2000程度であった。 本発明実施例 素材にSCM420を用いて、930℃×3Hrの浸炭
焼入れを実施し、その後500℃のイオンプレーティン
グにより外周面にのみTiN膜を3μm形成した。イオ
ンプレーティング時の500℃により、浸炭焼入れ層は
高温焼もどしされた。外周面のTiN膜の硬さはHv2
000程度であり、上下面の浸炭焼入れ高温焼もどし層
の硬さは、Hv500程度であった。これらを表示する
と、次の通りである。
【0010】
【表1】
【0011】以上の5仕様のピストンリングを、AlM
MC(Al2 3 ・SiO2 ファイバ)のピストンリン
グ溝2を有するピストン1にセットし、200Hrのエ
ンジン耐久試験を実施した。その結果を、図6に示す。
各比較例、実施例について、ピストンリング溝の摩耗深
さおよびリング上下面の摩耗深さを並記した。図6から
明らかなように、比較例1〜4は、いずれも硬さレベル
の低い側が一方的に摩耗し、トータルの摩耗量が大きい
のに対し、本発明実施例では、ピストンリング溝2とピ
ストンリング上下面との摩耗のバランスがとれることに
より、両者のトータル摩耗量を低く抑えることができ
た。
【0012】つぎに、各数値の意味について説明する。
図4は、リング上下面硬さをHv400〜600に設定
した根拠を示している。リング上下面硬さがHv400
より小だと、リング上下面摩耗深さが急増する。一方、
リング上下面硬さがHv600より大だと、ピストンリ
ング溝の摩耗深さが急増する。ピストンリングの方も、
ピストンリング溝の方も、摩耗量が小さい範囲がHv4
00〜600である。したがって、ピストンリング上下
面硬さをHv400〜600とした。つぎに、浸炭焼入
れ後、高温焼もどし(たとえば、400℃〜600℃に
て)する理由は、次の通りである。図5に示すように、
浸炭焼入れ層の硬さはHv800程度であるが、最終表
面処理温度(その温度で焼もどしされる)が400℃〜
600℃だと、浸炭焼入れ焼もどし層の硬さがHv60
0〜400となる。逆に云えばHv600〜400を得
るには、焼もどし温度を400℃〜600℃にすればよ
いということになる。
【0013】
【発明の効果】請求項1によれば、ピストンリングの外
周面に窒化物層または硬質コーティング膜を形成し、ピ
ストンリングの上下面の硬さをHv400〜600とし
たので、ピストンリングの外周面の摩耗を抑制でき、か
つピストンリング上下面とピストンリング溝上下面の摩
耗量もバランスよく低減できる。請求項2によれば、浸
炭焼入れ後、焼もどしするので、ピストンリング上下面
の硬さHv400〜600を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るピストン/ピストンリ
ングアッセンブリの部分断面図である。
【図2】図1のうちピストンリングの断面の拡大図であ
る。
【図3】図1のピストンリングの製造工程を示すブロッ
ク図である。
【図4】リング上下面摩耗深さ、ピストンリング溝摩耗
深さとリング上下面硬さとの関係図である。
【図5】浸炭層表面硬さ対最終表面処理温度(焼もどし
温度)との関係図である。
【図6】本発明実施例と各比較例の、ピストンリング溝
およびピストンリング上下面の摩耗深さの棒グラフであ
る。
【符号の説明】
1 ピストン 2 ピストンリング溝 4 ピストンリング 5 シリンダボア 7 表面硬さ調整層 8 窒化物層あるいは硬質コーティング膜

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミ合金MMCピストンリング溝を有
    するアルミ合金製ピストンと、前記ピストンリング溝に
    配置されるピストンリングとから成るピストン/ピスト
    ンリングアッセンブリにおいて、前記ピストンリングの
    シリンダボアとの摺動面に窒化物層または硬質コーティ
    ング膜を形成し、前記ピストンリングの上下面の硬さを
    Hv400〜600としたことを特徴とするピストン/
    ピストンリングアッセンブリ。
  2. 【請求項2】 前記ピストンリングの上下面の硬さが、
    浸炭焼入れ、焼きもどしによってHv400〜600と
    されている請求項1記載のピストン/ピストンリングア
    ッセンブリ。
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