JP3751330B2 - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は内燃機関用ピストンリング関し、特に表面処理を施した内燃機関用ピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、内燃機関の高性能化に伴い、各機能部品に対し益々苛酷な条件が課せられると共に、内燃機関の寿命の延長が強く要求されている。ピストンリングも従来にも増して高回転、高温、高面圧等の厳しい環境にさらされ、その耐久性の向上が要求されている。更に、エンジン性能向上やコンパクト化の要求から、圧力リング3本とオイルリング2本の組合せや、圧力リング3本とオイルリング1本の組合せ、圧力リング2本とオイルリング1本の組合せ、圧力リング1本とオイルリング1本の組合せ等、種々の内燃機関用ピストンリングの組合せがディーゼルエンジンやガソリンエンジンに採用されている。そしてピストンリングの耐久性を改善する手段として摺動面に硬質クロムめっき処理や窒化処理等の耐摩耗性処理が施されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のクロムめっき層を有するピストンリングでは、耐摩耗性が十分でなくなってきており、窒化処理は優れた耐摩耗性を有することから苛酷な運転条件の下で使用される第1圧力リング(トップリング)の表面処理として注目され、最近多く使用される傾向である。しかしながら、従来のピストンリングに採用された窒化処理においてもいまだ耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性の点で十分とは言えなかった。
【0004】
そこで、本発明は、耐摩耗性、耐スカッフィング性が良好であり、又、相手攻撃性も可及的に減少可能な(耐相手攻撃性が良好な)内燃機関用ピストンリングを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、酸素と、Cr2N型の窒化クロムとの混合物からなるイオンプレーティング皮膜が形成され、混合組成比率がCrN型窒化クロム:45.0〜98.0重量%、酸素:0.01〜20.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残部であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング内燃機関用ピストンリングを提供している。
【0006】
また本発明は、外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、金属Crと、酸素と、Cr2N型窒化クロムとの混合物からなるイオンプレーティング皮膜が形成され、混合組成比率がCrN型窒化クロム:45.0〜98.0重量%、Cr:0.5〜15.5重量%、酸素:0.01〜20.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残部であることを特徴とする内燃機関用ピストンリングを提供している。
【0007】
更に、上記のいずれのピストンリングにおいて、混合物からなるイオンプレーティング皮膜の気孔率が0.5〜20.0%であることが好ましい。
【0008】
【作用】
上記範囲のCrN型窒化クロムとCr2N型窒化クロムの混合物にさらに酸素(O)を含有させたイオンプレーティング皮膜、又はCrN型窒化クロムとCr2N型窒化クロムとCrとの混合物に更に酸素を含有させたイオンプレーティング皮膜を外周摺動面に形成した圧力リングまたはオイルリングはその皮膜の有する耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性及び耐剥離性によりエンジン高性能化の要求を満たすことが可能である。
【0009】
下表にCr2N、CrNの諸物性を示す。これによりCr2N、CrN各々単独では、硬く、かつ、脆いことが分る。
【0010】
【0011】
従ってPVD法により生成された各々の単一イオンプレーティング皮膜を単独で用いた場合には、研削・研磨時における加工性の悪さ等から欠け、剥離が多く発生し、良品率が著しく低下する。また、その完成品を内燃機関にて使用した場合、発生する動的衝撃、及び熱的衝撃に対し、極めて弱く、折損等を引き起こし易くなり、その優れた耐摩耗性、耐スカッフィング性を十分に活用することができない。
【0012】
これに対し、上記組成範囲における混合イオンプレーティング皮膜においては、両者の内では低硬度、低弾性率のCrNを45重量%より多く含有させ、残りをCr2Nとすることにより、Cr2N(六方晶)CrN(立方晶)の結晶は、晶系が異なることも効果し、相互に複雑に絡み合いながらイオンプレーティング皮膜を生成する。さらにこれに酸素を含有させることにより皮膜の硬度やや高めることにより最も優れた耐摩耗性、耐スカッフィング性を有するCrN単独からなるイオンプレーティング皮膜と同等の耐摩耗性、耐スカッフィング性を損なうことなく、むしろ酸素を含有させる事によりこれらの諸特性を向上させながら、耐衝撃性、靱性を向上させ、欠け、剥離、折損等を克服した優れた摺動部材を得ることができる。
【0013】
しかしながら、CrN単独のイオンプレーティング皮膜の耐摩耗性に比較し、Cr2N単独のイオンプレーティング皮膜のそれは低い為、CrNを45重量%以下にした混合イオンプレーティング皮膜では、その耐摩耗性は急激に低下するとともに皮膜密着性が極めて低い。またCrNを98.0重量%以上混合しても耐摩耗性、皮膜密着性の急激な増加は見込まれない。
【0014】
一方、酸素含有量は0.01重量%以下では皮膜硬度を高めることができず、また20.0重量%以上では皮膜強度は脆くなる。また、この混合イオンプレーティング皮膜中にCrを0.5〜15.0重量%含有させることにより、つまり、セラミックスの結晶粒界に金属(Cr)を介在させることにより、結晶粒相互間の粘着力を強化せしめ、イオンプレーティング皮膜の靱性を向上させることが可能となる。これにより、欠け、剥離、折損等の克服に更なる効果を発揮することができる。しかし、Cr含有量が0.5重量%以下では効果がなく、また、15.0重量%を上回ると逆に耐スカッフィング性を低下させることになる。
【0015】
イオンプレーティング皮膜の靱性は、その皮膜の気孔率によっても大きく影響される。従って上記イオンプレーティング皮膜の気孔率を0.5〜20.0%にし、欠け、剥離、折損等の克服に更なる効果を発揮することができる。しかしながら、気孔率が0.5%以下では皮膜の緻密度が高くなり脆くなり、欠けや、剥離等が発生しやすくなる。逆に、気孔率が20.0%を上回るとイオンプレーティング皮膜自体の強度が低下し、コラプション気味となり耐摩耗性は低下する。
【0016】
【実施例】
本発明の内燃機関用ピストンリングを図1ないし図6に基づいて説明する。
図1は本発明実施例の内燃機関用ピストンリングを示す。ピストン1には3個の環状溝1a、1b、1cが刻設され、燃焼室に近い順に第1圧力リング2(トップリング)、第2圧力リング3、オイルリング4が装着されている。オイルリング4は組合せオイルリングであり、サイドレール4aとスペーサエキスパンダ4bとから構成されている。
【0017】
圧力リング2、3の母材はステンレス鋼(17Crステンレス鋼)製であり、オイルリング4のサイドレール4aの母材もステンレス鋼(13Crステンレス鋼)である。また、リング2、3、4の外周摺動面はシリンダライナ5に摺接している。第1圧力リング2とオイルリング4の外周摺接面にはイオンプレーティング皮膜2A、4Aがそれぞれ形成されている。第1圧力リング2は、摩耗が最も顕著であるため、耐摩耗製、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性の向上を目的として外周摺動面にイオンプレーティング皮膜2Aが形成される。また、オイルリング4についても、それが摩耗すると油掻き作用が失われ、オイル上がりが増すので、潤滑油の消費が増え、また燃焼室に潤滑油が流入して燃焼状態に悪影響を与える。よって、オイルリング4の外周摺動面にも、イオンプレーティング皮膜4Aが形成される。
【0018】
上述した実施例のイオンプレーティング皮膜2A、4Aは、公知の反応性イオンプレーティング法により形成される。この方法は、窒素等の反応ガス中にCrを蒸発させ、気相状態でイオン化して、マイナスにバイアスされた母材表面に反応ガスと蒸発物質イオンとの反応生成物、すなわちCrNとCr2Nの混合を、又はCrNとCr2NとCrの混合を形成させる表面処理方法である。
【0019】
次に内燃機関用ピストンリングの耐摩耗性試験並びにシリンダライナ攻撃性試験について説明する。まずCr2N型単独のイオンプレーティング皮膜を施したもの、Cr2N型とCrN型混合のイオンプレーティング皮膜を施したもの及びCrN型単独のイオンプレーティング皮膜を施したものの特性について試験した。具体的にはエンジンに適合するサイズの圧力リングサンプルとオイルリングサンプルを用意した。なお1気筒当りの圧力リングとオイルリングの本数はそれぞれ1である。またシリンダボアは鋳鉄であり、具体的にはFC25相当である。
【0020】
圧力リングの母材はクロムを17%含有するステンレス、サイドレールはクロムを13%含有するステンレスとし、サンプルIは該リング母材該周摺動面に厚さ30μmのCr2N型イオンプレーティング皮膜を施したもの、サンプルIIは該リング母材外周摺動面に厚さ30μmのCr2N型とCrN型が混在するイオンプレーティング皮膜を施したものであり、Cr2N型とCrN型の含有比率は50:50である。そしてサンプルIIIは該リング母材外周摺動面に厚さ30μmのCrN型イオンプレーティング皮膜を施したものである。
【0021】
以上のサンプルを4サイクル水冷4気筒1600ccのガソリンエンジンに組込み、全負荷運転で200時間の耐久テストを行った。図2は圧力リングとオイルリングのサイドレールの摩耗量及び相手シリンダの上死点付近の摩耗量データを示すグラフである。図2から、圧力リング、オイルリングとともに、Cr2N型単独のイオンプレーティング皮膜を施したものよりも、Cr2N型とCrN型混合のイオンプレーティング皮膜を施したもの及びCrN型単独のイオンプレーティング皮膜を施したものが耐摩耗性に優れていることが判明した。
【0022】
図示していないが、通常の窒化処理のリングの摩耗量を「1」とした場合、CrN型イオンプレーティング皮膜付きリングでは摩耗量はその約1/5程度であり、Cr2N型とCrN型混合のイオンプレーティング皮膜付きリング(サンプルB)では約1/10程度であるから、通常の窒化処理を施した圧力リングやオイルリングに比較して、イオンプレーティング皮膜を施したリングは摩耗量が著しく小さい。
【0023】
また、シリンダへの攻撃性については、200時間運転後のシリンダの摩耗量を測定した。サンプルIと摺動関係にあったシリンダではその摩耗量が1.5μmであり、サンプルIIと摺動関係にあったシリンダではその摩耗量が1.0μmであり、サンプルIIIと摺動関係にあったシリンダではその摩耗量が1.0μmであった。特にCr2N型とCrN型混合のイオンプレーティング皮膜を施したサンプルIIはCrN型イオンプレーティング皮膜を施したサンプルIIIと同様に、耐相手攻撃性が良好であることがわかった。
【0024】
次に、本発明による内燃機関用ピストンリングのリング単体での優秀性を確認するために、テスト片に様々な表面処理を施し、各種試験を行った。テスト片の母材はステンレス鋼であり、それらの表面処理は表1に示す。
【0025】
【表1】
【0026】
試料1〜試料8は厚さ50μmのイオンプレーティング層を有し、試料9は厚さ50μmのクロムめっき層を有する。
【0027】
組成 :X線回析図形の各組成の反射強度比により決定
気孔率 :断面方向の切断された検鏡試料面の画像処理から算定
耐摩耗性試験
摩耗試験気:アムスラー型摩耗試験機
回転片(外径:40mm、内径:16mm、厚さ:10mm)
固定片(18mm×15mm×5mm):当り面側に各種皮膜材
(厚さ=50μm)
周速:1m/sec、潤滑油:10W30、油温:80℃
荷重:150kg、時間:7時間
【0028】
上記試験条件において耐摩耗性試験を行った。回転片の材料はシリンダライナ用鋳鉄(C:3.2重量%、Si:2.1重量%、Mn:0.8重量%、P:0.3重量%、Cu:0.4重量%、Mo:0.2重量%、B:0.1重量%、Fe:残部)を用いた。結果は試料9の摩耗量を指数100として図3に図示した。
【0029】
図3から明らかなように、従来のクロムめっきを100とした場合に実施例試料3、5、7の摩耗量指数が35〜40であり、クロムめっきを施した試料9より耐摩耗性に優れていることが判る。また実施例試料3、5、7の相手材(回転材)の摩耗量指数も40〜53と低く、耐相手攻撃性を具備していることが判る。試料2はCrN50%、Cr2N50%であり、Cr、Oを含まない組成である。試料2の摩耗指数は40、50であり、クロムめっきを施した試料9より結果は良好であった。Cr、Oを含まない組成である試料1の摩耗指数は80、95であり、Oの組成が25%である試料4では60、100であり、試料9と比較して同程度若しくは若干良好であった。Crの組成が20%である試料6や、気孔率25%である試料8は摩耗指数が100を越え、クロムめっきを施した試料9より悪化したことがわかる。
【0030】
耐スカッフィング性試験
摩耗試験機:アムスラー型摩耗試験機
回転片(外径:40mm、内径:16mm、厚さ:10mm)
固定片(18mm×15mm×5mm):当り面側に各種皮膜材(厚さ=50μm)
周速:5m/sec
潤滑油:SAE30+白灯油(1:1)
油温:50度℃
油量:0.2L/min
荷重:スカッフ発生まで
【0031】
上記試験条件において耐スカッフィング試験を行った。この試験は摩耗試験と同じ材質の回転片、同じ各種皮膜材質の固定片を用いた。初めにテスト片の摺動面に馴染みを持たせるために、テスト片を固定し、荷重25kg/cm2にて20分間潤滑油を供給しながら回転片を固定片に押圧接触させつつ回転させた。次の面圧を30kg/cm2に上げ、2分毎に面圧を5kg/cm2づつ上昇させスカッフィングが生じた時の荷重を限界面圧として測定した。結果はクロムめっきのスカッフィング発生面圧を指数100として図4に図示した。
【0032】
図4から明らかなように、従来のクロムメッキの耐スカッフィング性を100とした場合、試料1〜5、7の場合はクロムめっきよ耐スカッフィングが優れていることが明かである。特に実施例試料3、5、7はスカッフィング面圧指数が138、140、145と高い結果を示した。一方Crを20%含有する試料6や、気孔率が25%である試料8はスカッフィング面圧指数が65〜70でありクロムめっきを施した試料9より耐スカッフィング性が劣ることが判る。
【0033】
最後に、イオンプレーティング皮膜の母材に対する密着性について評価試験を行った。直径90mmのピストンリングを9本作成し、それらの外周面にそれぞれ耐摩耗性、耐スカッフ性の試験と同じ被覆を設けた。皮膜の厚さはすべて50μmとした。密着性の評価試験は図6に示されるようなねじり剥離試験機にて行った。
【0034】
ねじり剥離試験機を用いてツイスト試験を行った。ツイスト試験においては、ピストンリング2の合口21aの相対向する合口端部を掴持具32a、32bで掴持し、掴持具32aを固定しておいて掴持具32bをピストンリング2の直径方向で合口の反対側21bを軸として一点鎖線で示されるように回転させてピストンリング2を所定のねじり角度にてねじる。ねじり後に、このピストンリング2の合口反対側21bを切断し、切断面(破面)における皮膜層のリング母材からの剥離の有無を目視で観察した。結果はクロムめっきの比較例試料9の剥離角度を指数100として図5に図示した。
【0035】
図5から明かなように、従来のクロムメッキ試料の耐折損性を100とした場合、比較例試料2、6及び実施例試料3、5、7の場合は剥離角度指数が110〜145でありクロムメッキより優れていることが明かである。一方Cr、Oを含まない組成の比較試料1やOが25%組成の比較試料4や、気孔率25%の比較試料8は剥離角度指数が60〜75でありクロムめっきを施した試料9より耐折損性が劣るものである。なお比較例試料6はクロムめっきにたいして指数140であり耐折損性は優れているが、図3、図4の耐摩耗性、耐スカッフィング性を同時に具備していないので使用に適さない。
【0036】
【発明の効果】
上記のとおり、本発明の内燃機関用ピストンリングは外周摺動面にCrN型窒化クロムが45.0〜98.0重量%、酸素が0.01〜20.0重量%、残部がCr2N型窒化クロムの混合物からなるイオンプレーティング皮膜、または、CrN型窒化クロムが45.0〜98.0重量%、金属クロムが0.5〜15.0重量%、酸素が0.01〜20.0重量%、残部がCr2N型窒化クロムの混合物からなるイオンプレーティング皮膜を具備するから、耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性に優れているだけでなく、相乗効果によって耐剥離性も著しく向上するという格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による内燃機関用ピストンリングの実施例を示す断面図。
【図2】エンジン実機試験における圧力リング及びオイルリング摩耗量及び相手材であるシリンダの摩耗量を示すグラフ。
【図3】各種表面処理が施されたテスト片と相手材の耐摩耗性を示すグラフ。
【図4】各種表面処理が施されたテスト片の耐スカッフィング性を示すグラフ。
【図5】各種表面処理が施されたテスト片の皮膜密着性を示すグラフ。
【図6】密着性試験の試験装置を示す模式図。
【符号の説明】
2、3 圧力リング
4 オイルリング
5 シリンダライナー
2A、4A イオンプレーティング皮膜
Claims (3)
- 外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、酸素と、Cr2N型の窒化クロムとの混合物からなるイオンプレーティング皮膜が形成され、混合組成比率がCrN型窒化クロム:45.0〜98.0重量%、酸素:0.01〜20.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残部であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
- 外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、金属Crと、酸素と、Cr2N型窒化クロムとの混合物からなるイオンプレーティング皮膜が形成され、混合組成比率がCrN型窒化クロム:45.0〜98.0重量%、Cr:0.5〜15.5重量%、酸素:0.01〜20.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残部であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
- 混合物からなるイオンプレーティング皮膜の気孔率が0.5〜20.0%であることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関用ピストンリング。
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