JP3380748B2 - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents
内燃機関用ピストンリングInfo
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Description
リングに関する。
は、2本の圧力リングと1本のオイルリングで用いられ
ることが多い。この圧力リングは、内燃機関内の高温燃
焼ガスをシールすると共に、燃焼によって高温になった
ピストンの熱をシリンダに放熱する役割も果たしてい
る。その為、圧力リングは鋳鉄、Si−Cr鋼又は高ク
ロムマルテンサイト鋼等の鋼材で作られ、必要に応じ、
これら母材の耐摩耗性、耐焼付性、耐凝着性、摩擦 係
数等の摺動特性を改善するために、外周面に電気メッキ
による硬質クロムめっき皮膜を施したり、窒化処理によ
る窒化層を施したりして用いられてきた。これらの材料
の内、鋳鉄はSi量が2%以上と高く、Si−Cr鋼は
高耐力を得るためにSi量が1%以上と高くなってい
る。
れらの組成変更合金などのAl−Si系アルミニウム合
金製ピストンが内燃機関に使用されることが多い。この
ピストンのピストンリング溝に装着されて使用されるピ
ストンリングには、内燃機関の高出力、高回転化に伴
い、ピストンのAl−Si系アルミニウム合金溝面とピ
ストンリング側面との間に凝着が発生し、ピストンリン
グ溝が摩耗したり、ピストンリングが膠着するという不
具合が発生するようになってきた。これらの対策とし
て、ピストンリング側面に固体潤滑剤含有の樹脂被膜を
設けたり(特開平7−63266)、ピストンリング溝
側面にアルマイト皮膜を設けるなどの対策がとられてき
たが、いずれも、高コストとなるためにその用途は限定
されていた。
及びピストンリング上下面が耐摩耗性に優れ、かつアル
ミニウム合金製ピストンのピストンリング溝と凝着する
ことのない、低コストのピストンリングを提供すること
を目的としている。
アルミニウム合金製ピストンとピストンリング材との間
での凝着の発生について鋭意研究したところ、凝着のし
易さは、ピストンリング材のSi量と関係することを見
出し、本発明に到達するに至った。本発明は、ピストン
リングとしての機能維持に必要な最小限のSiのみを含
有し、重量%でC0.59〜0.76%,Si0.15
〜0.35%,Mn0.60%以下を含み、残部Feお
よび不可避的不純物からなる鋼材を本体とするピストン
リングを提供するものである。ピストンリング本体の外
周摺動面は、必要に応じて、硬質クロムめっき皮膜を有
し、側面は母材のままか或いは化成処理皮膜を有する。
ピストンリング側面に施こす化成処理皮膜は、使用初期
には凝着防止に効果を有するので、施しても差し支えな
い。
要最小限しか含まず、ピストンリングとしての機能を損
なわない、ピストンリング材となる様な成分とするた
め、重量%でC0.59〜0.76%、Si0.15〜
0.35%、Mn0.60%以下を含み、残部Feおよ
び不可避的不純物からなる鋼材を母材もしくは本体とす
る。次にピストンリング母材の各成分の限定理由を述べ
る。
であり、また炭化物を形成しつつフェライト量を少なく
して、耐摩耗性に寄与する重要な元素であるため、少な
くとも0.59%は必要である。しかしCはNと同様に
Fe中に侵入型に固溶する元素であるため、多量の添加
は加工時の伸び・絞りの低下を招き、多量の炭化物形成
や特に初析炭化物の発生は相手材のAl−Si系アルミ
ニウム合金ピストンの溝面を摩耗させることになるの
で、上限を0.76%とした。
ることによって張力の減退を抑える元素であるため、少
なくとも0.15%は必要である。しかし、多量のSi
添加は、熱伝導率を低下させることになるので、ピスト
ンリングの放熱性が下がり、Al−Si系アルミニウム
合金ピストンの昇温を助長する。従って、ピストンリン
グ溝面の耐焼付性を害するばかりでなく、Al−Si系
アルミニウム合金ピストンの初晶もしくは共晶Siと反
応して、ピストンリングの膠着やピストンリング溝の凝
着摩耗を発生するため、上限を0.35%とした。
る元素である。なお、添加量が少ないSiの作用を発揮
するためにはSiを酸化させずにFe中に固溶させる必
要があるために,Mnを必須成分として添加する。但
し、多量の添加は熱間加工性を低下させるため、0.6
0%を上限とした。好ましくは0.4%以上のMnを添
加する。
として使用する場合は、少なくとも側面に化成処理皮膜
を施すと、Al−Si系アルミニウム合金との初期凝着
が抑制される。化成処理としては、リン酸マンガン、リ
ン酸亜鉛などのリン酸塩化成処理により、厚さ1〜10
μmの、粗さ2〜5μmの皮膜を形成することが好まし
い。また、上記したピストンリング本体を第1圧力リン
グとして使用する場合は、少なくとも外周摺動面に耐摩
耗性に優れた硬質クロムめっき皮膜を施すことが好まし
い。硬質クロムめっき皮膜は、厚さ70〜80μmであ
ることが好ましい。以下、実施例により本発明を詳しく
説明する。
る実機試験を行った。
の化学成分と芯部の硬度および表面処理を示すもので、
表中供試材No.1〜3は本発明鋼であり、調質状態は
異形引抜後、焼入焼戻を行った状態であった。次に、N
o.4〜6は現在ピストンリングとして使用されている
材料であり、No.4はSi−Cr鋼(SWOSC−
V)、No.5は球状黒鉛鋳鉄(FCD700相当)、
No.6は片状黒鉛鋳鉄(FC250相当)である。外
周摺動面に施した硬質クロムめっきは、厚さ70〜80
μmの皮膜であった。側面に施したリン酸亜鉛皮膜は厚
さ2〜4μmの皮膜であった。
グ加工で、φ86×1.5×3.3mmの2ndリング
を製造し、下記条件のエンジン実機試験を実施した。エ
ンジンテスト条件および結果は記の通りである。
2ndリング:φ86×1.5×3.3) ピストン:Al−Si系アルミニウム合金製ピストン
(AC8A相当) 6,000rpm×4/4(負荷)×100時間 なお、この条件は試験時間の100時間内でリン酸亜鉛
皮膜が部分的に消滅してピストンリング母材とピストン
が接当・摺動するように設定している。
明らかである。 (1)本発明ピストンリング1はSiが少ないためピス
トン溝との凝着が発生せず、リング上下面摩耗量および
Alピストン溝摩耗量も少ない。但し、Siが少ないた
め、張力減退率が現用材リングに比べて、多くなったが
5%以下であり、実用上問題にならない。尚、硬質クロ
ムめっきの効果でピストンリング外周摺動面の摩耗は少
ない。 (2)本発明ピストンリング2、3はピストンリング溝
摩耗及び凝着は本発明ピストンリング1と同様にあっ
た。但し、母材の耐摩耗性が硬質クロムめっきよりも劣
るためピストンリング外周摺動面の摩耗が現用材リング
に比べて、多くなったが5.0μm以下であり、実用上
問題ない。 (3)現用ピストンリング材1〜3はSiが多いためピ
ストン溝との凝着が発生し、ピストンリングAlピスト
ン溝摩耗量が多くなった。ただし、現用ピストンリング
材1は2、3に比べて母材硬度が高いため、リング上下
面摩耗量が少なく、2は熱伝導率が1、3に比べて低い
ため、Alピストン溝摩耗量が多く、3は1・2に比べ
て母材硬度が低いため、リング上下面摩耗量が多くなっ
ている。 (4)リング上下面摩耗量およびAlピストン溝摩耗量
は、本試験条件では、いずれも5μm以下であれば実用
上問題にならないので、本発明ピストンリングおよび現
用ピストンリング材3のみ本試験条件で適用可能であ
る。しかし、現用ピストンリング材1および2は何らか
のリング上下面摩耗およびAlピストン溝摩耗対策が必
要である。
従来より非常に少なく抑えたためにSi含有アルミニウ
ム合金製ピストンの摩耗が少なくなった。さらに、ピス
トンリングとしての機能を損なわないように、炭素量を
亜共析もしくは共析範囲に定め、最低量のSiを添加し
た。したがって、本発明のピストンリングはAl−Si
系アルミニウム合製ピストンと組み合わせて使用するの
に極めて適している。
Claims (3)
- 【請求項1】 Al−Si系アルミニウム合金製ピスト
ンのピストンリング溝に装着されるピストンリングであ
って、ピストンリング本体が、重量%でC0.59〜
0.76%,Si0.15〜0.35%,Mn0.60
%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる
鋼材からなることを特徴とする内燃機関用ピストンリン
グ。 - 【請求項2】 ピストンリング本体の少なくとも側面に
化成処理皮膜を施した圧力リングである請求項1記載の
内燃機関用ピストンリング。 - 【請求項3】 ピストンリング本体の少なくとも外周摺
動面に硬質クロムめっき皮膜を施した第1圧力リングで
ある請求項1記載の内燃機関用ピストンリング。
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Applications Claiming Priority (1)
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