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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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用ピストン
リングに関する。
リングに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、内燃機関用ピストンリング
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。
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。
【０００３】ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃもしくはこ
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。
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、外周摺動面
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。
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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者がＡｌ−Ｓｉ系
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。
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。
【０００６】本発明のピストンリングは、Ｓｉ成分を必
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。
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。
【０００７】ＣはＦｅ中に固溶し、強度に寄与する元素
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。
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。
【０００８】ＳｉはＦｅ中に固溶して耐熱性を向上させ
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。
【０００９】Ｍｎは鋳塊製造時に脱酸剤として添加され
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。
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。
【００１０】上記したピストンリング本体を圧力リング
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。
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。
【００１１】
【実施例】実施例１
表１に示すピストンリングを製造し実際のエンジンによ
る実機試験を行った。
る実機試験を行った。
【００１２】
【表１】
【００１３】表１は、本実験に用いたピストンリング材
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。
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。
【００１４】これらの材料を用い、通常のピストンリン
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。
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。
【００１５】１．エンジンテスト条件
使用エンジン
水冷６気筒２，５００ｃｃエンジン（ピストンリング
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。
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。
【００１６】
【表２】
【００１７】このエンジンテスト結果から以下のことが
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。
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。
【００１８】
【発明の効果】本発明のピストンリング本体はＳｉ量を
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。
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。
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平１−279733（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−13090（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−280960（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−197850（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−176269（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C22C 1/00 - 49/14
F02F 5/00
F16J 9/26
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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