JP3894687B2

JP3894687B2 - piston ring

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Publication number: JP3894687B2
Application number: JP26747399A
Authority: JP
Inventors: 悦夫為貝
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2019-09-21
Also published as: JP2001089873A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はピストンリングに関し、特に複数のめっき層からなる積層構造のめっき層を有するピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用ピストンリングには、シリンダーライナーに対する焼付き性が無く、かつ耐摩耗性を有していることが要求される。これらの要求に対処するため、内燃機関用ピストンリング表面に、耐焼付き性、耐摩耗性に優れた硬質クロムめっきを施すことが知られている。
【０００３】
ここで、硬質クロムめっきの耐摩擦性、耐スカッフ性を高めるため、単一のめっき層からなるクロムめっき層を形成し、クロムめっき皮膜内に網目状の微細亀裂たる亀裂ネットワークを形成し、めっき表面に析出した微細亀裂をオイルポケットとして使用し、潤滑油を保持している。しかし、一層構造の硬質クロムめっきの表面に微細亀裂を形成したのみでは、微細亀裂がめっき表面からピストンリング本体との境界部分まで連続せず、ピストンリング本体付近では微細亀裂構造を有しないため、摩耗により微細亀裂を有する部分が摩滅されると、微細亀裂を有しない部分が露出し、表面が鏡面状となり、耐摩擦性、耐スカッフ性を発揮することができなくなる。一方で、微細亀裂の摩滅の問題を解消するために、微細亀裂をあまり深く形成しすぎると、ピストンリングの疲労強度が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、微細亀裂を有するクロムめっきの疲労強度を向上しつつ、摩耗後にも微細亀裂を表面に露出させ、めっき中における微小亀裂中の保油量を所定量保つべく、ピストンリング本体付近においても微細亀裂構造を生じさせる目的から、連続的に積層される複数のクロムめっき層からなるクロムめっき皮膜が案出された。
【０００５】
このようなクロムめっき皮膜は、正電工程と逆電工程とを交互に繰返すことにより形成され、微細亀裂構造がクロムめっき皮膜の厚さ方向に断続的に形成されている。具体的には、正電工程により所望の厚さのクロムめっき層を析出させ、逆電工程にてクロムめっき層に微細亀裂を形成し、当該微細亀裂を所定のサイズまで拡大した後、直ちに正電工程を行い、当該微細亀裂を形成したクロムめっき層の上部にクロムめっき層を被せて微細亀裂を封孔し、更に当該上部のクロムめっき層を所望の厚さまで成長させた後、再び逆電工程を実行する。以上の工程を繰返し実行して、個々のクロムめっき皮膜に微細亀裂が形成された積層構造を有するクロムめっき膜を成膜する。よって各クロムめっき層の微細亀裂構造を有する部分が摩滅しても、ピストンリング本体に近い次層のクロムめっき層の微細亀裂構造が出現し、見かけ上、微細亀裂がクロムめっき皮膜の厚さ方向全体に亘り順次出現することとなり、全体的に所望の耐摩擦性、耐スカッフ性を維持することができる。更に、微細亀裂は見かけ上連続的に出現するものの実質上連続していないために、ピストンリングの疲労強度の向上を図ることができる。
【０００６】
また、この微小亀裂中に硬質粒子等を保持させることにより、更に耐摩耗性の向上を図ったクロムめっきも知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、高燃費、高出力化等の要求が強くなり、それに伴って内燃機関の諸部品にかかる負荷は、ピストンリングも含め更に増大し続けている。そのため、従来の硬質クロムめっきでは、内燃機関に要求される耐摩耗性能及び疲労強度について十分な対応ができなくなりつつある。
【０００８】
特に硬質クロムめっきは、めっき皮膜の硬度の高さとその微細亀裂の保油作用とにより摩擦係数を低減し、耐摩耗性を発揮するが、めっき皮膜の硬度が高いことは、弾性体という観点から見れば、弾性が低いことを意味し、脆性が高いこととなる。更に、潤滑に必要な油膜の形成を容易とする働きを有する微細亀裂（空洞、または亀裂ネットワーク）は、最外面に大きな凹凸を露出させ、エンジン摺動時に、ピストンリングに負荷される繰返し加重により亀裂進展を招き、やがてはピストンリングが折損に至る恐れがある。即ち、使用に耐えるに十分な疲労強度という観点からは、問題点を有していた。
【０００９】
また、表面に微細亀裂構造を有する薄い硬質クロムめっき層を積層させることにより、成膜方向に独立した複数の微小亀裂が形成されたクロムめっき皮膜においても、微細亀裂構造による外表面の凹凸形状に起因した問題点がある。特に、積層構造を有するクロムめっき皮膜においては、クロムめっき層形成後には逆電が負荷されるため、クロムめっき層の表面は荒れた状態となる。従って、その上に形成される薄いクロムめっき層は、正電工程にて析出された時点で、その下側に形成されたクロムめっき層の荒れた表面状態に倣い、荒れた形状で形成されることとなる。この状態で更に逆電が施されることから、表面状体の荒れが輪をかけて進む。この繰返しによりクロムめっき皮膜が形成されるため、クロムめっき皮膜の表面部（最外周クロムめっき層の表面）は、かなり荒れた状態となるのである。
【００１０】
この現象は、最外周クロムめっき層の表面全体に生じるが、ピストンリング製造における最終工程に、摺動面に沿って研磨が行われるため、製品として完成したピストンリングの摺動面においては、上述のようにして生じた表面の荒れが修正される。しかし、この研磨は摺動面に沿ってのみ行われ、コーナー部には研磨加工が施されないため、コーナー部における表面の荒れは修正されず、コーナー部の凹凸がノッチ効果を生み、コーナー部からの亀裂伝播を招き、最終的には破断を生じ、疲労強度や皮膜衝撃強度を弱める結果となる。
【００１１】
そして、この微小亀裂中に硬質粒子等を保持させたクロムめっき皮膜では、相手材の摩耗を大きくするのみならず、微細亀裂幅をその硬質粒子径と同等の大きさまで広げなければならないため、自己耐摩耗性は向上するものの切欠効果はより大きくなり、疲労強度は更に低下してしまう。
【００１２】
そこで本発明は、保油性に優れ、なおかつ、内燃機関の高出力化に耐える疲労強度及び皮膜衝撃強度を有するクロムめっきを施したピストンリングを提供することを目的とする。
【００１３】
【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、ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の少なくとも摺動面を含む外面に施される複数のクロムめっき層からなるクロムめっき層群とを有し、該クロムめっき層群を構成する複数の該クロムめっき層は各々の表面に微細亀裂構造を有するピストンリングにおいて、該クロムめっき層群の最外周層の厚さが、該最外周層以外の各クロムめっき層の厚さと比較して厚く、該最外周層の厚さが１乃至８０μｍであるピストンリングを提供している。
【００１４】
また、該ピストンリング本体の少なくとも摺動面を含む外面上に直接アンダーコート層が形成され、該クロムめっき層群は該アンダーコート層上に形成され、該アンダーコート層の厚さが、該最外周層以外の各クロムめっき層の厚さと比較して厚く、該アンダーコート層の厚さが１乃至８０μｍであることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によるピストンリングについて図１乃至図５に基づき説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態によるピストンリングの一部拡大断面図である。ピストンリング本体１の少なくとも摺動面を含む外面にアンダーコート層（最下層クロムめっき層）２が形成され、その上に、クロムめっき層群３が形成される。クロムめっき層群３は、互いに同じ厚さを有する複数のクロムめっき層３ａ、３ｂ等の集合により構成される積層めっき３Ａと、最外周に形成され、摺動面に沿って研磨加工された最外周クロムめっき層３Ｂとにより構成されている。各クロムめっき層３ａ、３ｂ等の表面には、逆電工程により微細亀裂が形成されている。
【００１７】
ここで、最外周クロムめっき層３Ｂは、積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ等と比較して厚さが厚く、かつ、最外周クロムめっき層３Ｂの厚さは１μｍ乃至８０μｍの範囲内である（請求項１）。最外周クロムめっき層３Ｂの厚さを、積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ等と比較して厚くすることにより、最外周クロムめっき層３Ｂを形成する際に端面効果が生じる。具体的には、最外周クロムめっき層３Ｂの厚さが十分なため、上述の積層めっき３Ａを形成する際に生じるコーナー部における表面の荒れが修復され、積層めっき３Ａの最表面の荒れた形状の影響を弱めることができる。また、最外周クロムめっき層３Ｂの厚さが１μｍ乃至８０μｍの範囲内であることが重要である。最外周クロムめっき層３Ｂの厚さが１μｍ未満であると、最外周クロムめっき層３Ｂを形成しても、積層めっき３Ａ形成時に生じるコーナー部におけるノッチ効果で形成された表面の荒れが修復されなくなるからである。一方、８０μｍより大きいと、最外周クロムめっき層３Ｂがなかなか摩耗しきらず、その直下に形成された積層めっき３Ａが摺動面付近に現れないため、微細亀裂構造も表面に現れず、耐摩耗性、耐スカッフ性、疲労強度の向上等、積層めっき３Ａを設けた為に生じる優れた効果を奏しなくなるからである。
【００１８】
また、アンダーコート層２の厚さは、積層めっき３Ａを形成する各クロムめっき層３ａ等と比較して厚さが厚くなっており、かつ、その１μｍ乃至８０μｍの範囲内である（請求項２）。積層めっき３Ａは、それを構成する各クロムめっき層３ａ、３ｂ等が通常のクロムめっき層よりも大きい亀裂幅を有し、また、数多くのクロムめっき層３ａ、３ｂ等を擁することから、その分弾性に富むため、通常のものより大きな変形量にも対応することができる。しかしながら、応力が負荷された場合、クロムめっき皮膜全体が変形追従する必要はなく、むしろ上部側（外周側）のみの変形で対応し、下部（ピストンリング本体１付近）に掛けて変形量を減少するようにすれば、より大きな応力負荷に少ない変形量で対応することができる。そのためにアンダーコート層２を１μｍ乃至８０μｍの範囲の中でなおかつ積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ、３ｂ等の厚さよりも厚いものと規定する。また、アンダーコート層２の厚さが１μｍ乃至８０μｍの範囲内であることが重要である。アンダーコート層２の厚さが１μｍ未満であると、下部（ピストンリング本体１付近）に掛けて変形量を減少する効果を得ることができないからである。一方、８０μｍより大きいと、アンダーコート層２の厚さに比してクロムめっき層群３の積層めっき３Ａ全体の厚さが相対的に小さくなり、多層構造にしたことによる疲労強度の増加等の優れた効果が低減されてしまうからである。
【００１９】
尚、本実施の形態では、クロムめっき層群３の積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ、３ｂ、３ｃ等は、各々同一の厚さを有し、厚さの範囲は１μｍ乃至４０μｍである。
【００２０】
次に、図１に示すピストンリングのめっき層の形成工程について説明する。クロムめっき皮膜の生成の工程は、脱脂工程、酸洗浄工程、液体ホーニング工程、電解研磨工程、めっき工程、逆電工程から構成される。まず、脱脂工程、酸洗浄工程、液体ホーニング工程、電解研磨工程にて、ピストンリング本体１の表面を洗浄・加工し、その後に、所定のめっき厚さとなるまでめっき工程と逆電工程とを繰返し行い、複数の硬質または軟質めっき層を積層させる。
【００２１】
脱脂工程では、トリクロロエチレン等の有機溶剤の蒸気により表面上の油脂分を洗浄する。次に、酸洗浄工程では、３０℃〜８０℃に加熱された塩酸中に１５秒〜３００秒浸漬し、被めっき材からなるピストンリング本体１表面の酸化物等を除去し、被めっき材下地を露出させる。そして、液体ホーニング工程では、酸洗浄により下地が露出したピストンリング本体１の表面全体に、セラミックス等の硬質粒子を懸濁溶解した水溶液を、２〜１０ｋｇ／ｍｍ²の圧力で均一に圧力噴流する。この工程によって、ピストンリング本体１の表面が梨地状となり、ピストンリング本体１の表面とクロムめっき皮膜との密着強度が向上する。
【００２２】
電解研磨工程は、被めっき材の酸化層が強固な場合は、必要に応じて行われるが、被めっき材たるピストンリング本体１をめっき漕に挿入し、被めっき材を陽極、対極を陰極として、電流密度２０Ａ／ｄｍ²〜１００Ａ／ｄｍ²の電流が流れるよう、１０秒〜１２０秒間電圧を印加する。ここで、めっき漕中のめっき浴は、ＣｒＯ₃が２５０ｇ／Ｌ、ＳＯ₄が２．５ｇ／Ｌの組成である通常のクロムめっき浴に珪フッ化ナトリウム等の添加剤が加えられたものとし、電解研磨工程が行われている間、クロムめっき浴の温度は５５℃に保持する。
【００２３】
次に、母材（被めっき材）直上の第１層（アンダーコート層２）を形成するためのめっき工程が行われる。具体的には、上記電解研磨工程後に被めっき材と対極の極性を急速反転させ、被めっき材を陰極、対極を陽極として、電流密度３０Ａ／ｄｍ²〜１２０Ａ／ｄｍ²の電流が流れるよう、２分〜２００分間電圧を印加し、クロムめっき層（アンダーコート層２）を析出させる。この工程において、電圧印加時間により、析出するめっき層の厚さが決定されるので、所望のめっき厚さに対応する電圧印加時間を設定する。
【００２４】
そして、アンダーコート２の表面に微細亀裂構造を形成するための逆電工程を行う。所定の電圧印加時間経過後に、被めっき材と対極の極性を急速反転させ、被めっき材を陽極、対極を陰極として、電流密度２０Ａ／ｄｍ²〜１００Ａ／ｄｍ²の電流が流れるよう、１０秒〜２００秒間電圧を印加し、クロムめっき層を溶出させる。この溶出により、めっき層の表面に微細亀裂構造が出現する。この工程において、電圧印加時間により、溶出するめっき層の厚さが決定されるので、所望のアンダーコート２のめっき厚さが残るよう電圧印加時間を設定する。
【００２５】
この上に、クロムめっき層群３を形成するためのめっき工程が行われる。具体的には、上記アンダーコート２形成後の逆電工程の電圧印加時間が経過した後、被めっき材と対極の極性を急速反転させ、被めっき材を陰極、対極を陽極として、電流密度３０Ａ／ｄｍ²〜１２０Ａ／ｄｍ²の電流が流れるよう、２分〜１００分間電圧を印加し、クロムめっき層３ａを析出させる。この工程において、電圧印加時間により、析出するめっき層の厚さが決定されるので、所望のめっき層厚さに対応する電圧印加時間を設定する。そして、所定の電圧印加時間経過後に被めっき材と対極の極性を急速反転させ、被めっき材を陽極、対極を陰極として、電流密度２０Ａ／ｄｍ²〜１００Ａ／ｄｍ²の電流が流れるよう、１０秒〜２００秒間電圧を印加し、クロムめっき層を溶出させる。この工程において、電圧印加時間により、溶出するめっき層の厚さが決定されるので、所望のクロムめっき層３ａのめっき層厚さが残るよう電圧印加時間を設定する。
【００２６】
更に、クロムめっき層３ａの上に、クロムめっき層３ａを形成したときと同様の工程により、クロムめっき層３ｂ、クロムめっき層３ｃ、クロムめっき層３ｄ……を各々形成し、積層めっき３Ａを形成する。
【００２７】
そして最後に、最外周クロムめっき層３Ｂを形成する。具体的には、積層めっき３Ａを形成した後、被めっき材たるピストンリング本体１と対極の極性を急速反転させ、被めっき材を陰極、対極を陰極として電流密度３０Ａ／ｄｍ²〜１２０Ａ／ｄｍ²の電流が流れるよう、２分〜２００分間電圧を印加し、クロムめっき層を析出させる。この工程において、電圧印加時間により、析出するめっき層の厚さが決定されるので、所望の最外周クロムめっき層３Ｂのめっき層厚さに対応する電圧印加時間を設定する。なお、最外周クロムめっき層３Ｂについては、本実施の形態では、逆電工程は実行されない。最外周クロムめっき層３Ｂに逆電工程を負荷しなければ、逆電工程を負荷したものに比べ、最外周クロムめっき層３Ｂの微細亀裂の幅は小さくなり、最外周において生じるノッチ効果を低減させ、疲労強度の更なる向上が期待できるからである。
【００２８】
最後に、最外周クロムめっき層３Ｂの外周面のみを研磨することにより、ピストンリングを製品として仕上げる。
【００２９】
本発明のピストンリングの効果を立証するため、以下の７種のピストンリングを用意し、耐摩耗性、耐スカッフ性、疲労強度、皮膜衝撃強度の実験を行った。その結果を図２乃至図５に示す。
【００３０】
摩耗試験では、アムスラー型摩耗試験機を用いて試験を行った。少なくとも摺動面にピストンリング完成品と同等のクロムめっきが施された固定片を固定し、ほぼ半分を潤滑油に浸漬させた。回転材たる相手材を接触させ、所定の荷重を負荷した状態で、相手材を回転させた。そして、試験後の固定片について、粗さ計による段差プロフィールにて摩耗量（μｍ）を測定した。
【００３１】
摩耗試験の試験条件は、次の通りである。
相手材ＦＣ２５（ＨＲＢ９８）
潤滑油タービン油（＃１００）
油温８０℃
周速１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）
荷重８０ｋｇ
時間７ｈｒ
【００３２】
スカッフ試験では、アムスラー型摩耗試験機を用いて試験を行った。少なくとも摺動面にピストンリング完成品と同等のクロムめっきが施された固定片を固定した。そして、回転材たる相手材に潤滑油を付着させ、固定片に接触させ、スカッフが発生するまで荷重を負荷し続けた。負荷される荷重は５ｋｇ／分の割合で線形連続的に増加させて行き、スカッフによって負荷信号が発生したときの荷重をスカッフ荷重とした。ただし、潤滑油はセット時に付着させたのみであり、以後の補給は行わなかった。
【００３３】
スカッフ試験の試験条件は、次の通りである。
相手材ＦＣ２５（ＨＲＢ９８）
潤滑油２号スピンドル油
油温成行き
周速１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）
【００３４】
疲労強度試験では、リング実体型疲労試験機を用いて試験を行った。少なくとも摺動面にクロムめっきが施された完成品のピストンリングに所定の一定の荷重を繰返し負荷した。ピストンリングが１０⁷回の荷重負荷に耐えず、途中で折損した場合、その時点で当該荷重の負荷を終了し、そのときの荷重は当該ピストンリングの折損限界以上であると見なした。次にピストンリングに与える荷重の大きさを低減して同様の試験を行い、ピストンリングが１０⁷回の荷重負荷に耐え、途中で折損しなかった場合、そのときの負荷荷重を当該ピストンリングの折損限界以下であると見なし、そのピストンリングの疲労強度とした。
【００３５】
疲労強度試験の試験条件は、次の通りである。
繰返し速度２０００ｃｙｃｌｅ／分
荷重各所定の設定荷重
【００３６】
皮膜衝撃強度試験では、ＮＰＲ式衝撃試験機（特許第２９３６６２号）を用いて試験を行った。少なくとも摺動面にクロムめっきがされた完成品のピストンリングのリングコーナー４５°（図１の矢印Ａ）に、所定の一定の衝撃エネルギーを加えながら、めっき表面を観察し、めっき表面に剥離が発生するまでこれを続けた。ピストンリングのめっき表面に剥離が発生した時点で試験を終了し、それまでにピストンリングに衝撃エネルギーを与え続けた回数を、そのピストンリングの皮膜衝撃強度とした。
【００３７】
皮膜衝撃強度試験の試験条件は、次の通りである。
ストローク１．５ｍｍ
荷重所定の設定荷重
【００３８】
本実験で試片として用いたピストンリング▲１▼乃至▲７▼は以下の通りである。
【００３９】
試片▲１▼は、一層構造のクロムめっきにより形成されるクロムめっき皮膜を有するピストンリング（従来技術）である。
【００４０】
試片▲２▼は、厚さが１０μｍの複数のクロムめっき層のみを積層させて形成されたクロムめっき皮膜を有するピストンリング（従来技術）である。
【００４１】
試片▲３▼は、最外周クロムめっき層３Ｂの厚さが１５μｍ、積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ、３ｂ等の厚さが１０μｍで、最下層クロムめっき層（アンダーコート層２）の厚さも１０μｍである本発明によるピストンリングである。
【００４２】
試片▲４▼は、最外周クロムめっき層の厚さが９０μｍ、積層めっきを構成する各クロムめっき層の厚さが１０μｍで、最下層クロムめっき層（アンダーコート層）の厚さも１０μｍであるピストンリング（比較例）である。
【００４３】
試片▲５▼は、最外周クロムめっき層３Ｂの厚さが１５μｍ、積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ、３ｂ等の厚さが１０μｍで、アンダーコート層２の厚さが１μｍの本発明によるピストンリングである。
【００４４】
試片▲６▼は、最外周クロムめっき層３Ｂの厚さが１５μｍ、積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ、３ｂ等の厚さが１０μｍで、アンダーコート層２の厚さが３０μｍの本発明によるピストンリングである。
【００４５】
試片▲７▼は、最外周クロムめっき層３Ｂの厚さが１５μｍ、積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ、３ｂ等の厚さが１０μｍで、アンダーコート層２の厚さが９０μｍの本発明によるピストンリングである。
【００４６】
図２乃至図５では、比較の基準として、試片▲１▼の耐摩耗性、耐スカッフ性、疲労強度を１００としている。
【００４７】
試片▲２▼は、積層構造を有するため、柔構造となっており、一層構造のクロムめっき皮膜を有するピストンリング▲１▼よりも弾力性の面で優れており、耐摩耗性、耐スカッフ性ともに優れており、疲労強度においても試片▲１▼よりは若干優れている。しかし、最外周クロムめっき層の厚さが他の積層めっき層を構成する各クロムめっき層の厚さと比較して厚くなっていないので、コーナー部における表面の荒れが修復されておらず、皮膜衝撃強度が試片▲１▼と比較して却って若干弱くなっている。
【００４８】
試片▲３▼は、試片▲２▼と同様、積層構造を有するため、耐摩耗性、耐スカッフ性ともに優れている。更に、最外周クロムめっき層の厚さが他の積層めっき層を構成する各クロムめっき層の厚さと比較して厚くなっているので、コーナー部における表面の荒れが端面効果により修復されており、疲労強度において極めて優れた特性を有するとともに、試片▲１▼、▲２▼と比較して、皮膜衝撃強度が飛躍的に向上している。
【００４９】
試片▲４▼は、積層構造を有してはいるが、最外周クロムめっき層の厚さが厚すぎるため、積層構造を有することによる弾力性の向上等がほとんど見られず、耐摩擦性、耐スカッフ性、疲労強度、皮膜衝撃強度のいずれにおいても一層構造のクロムめっき皮膜を有する試片▲１▼とほぼ同程度の特性となっている。
【００５０】
試片▲５▼は、試片▲２▼、▲３▼と同様、積層構造を有するため、耐摩耗性、耐スカッフ性ともに優れており、更に、最外周クロムめっき層の厚さが他の積層めっき層を構成する各クロムめっき層の厚さと比較して厚くなっているので、コーナー部における表面の荒れが端面効果により修復されており、疲労強度においても極めて優れた特性を有する。しかし、アンダーコート層、即ち最下層クロムめっき層の厚さが試片▲３▼に比較して薄いために、クロムめっき皮膜において下部側（ピストンリング本体付近）にて変形量を減少する効果を得ることができず、皮膜衝撃強度については却って若干低下する。
【００５１】
試片▲６▼は、試片▲２▼、▲３▼、▲５▼と同様、積層構造を有するため、耐摩耗性、耐スカッフ性ともに優れており、更に、最外周クロムめっき層の厚さが他の積層めっき層を構成する各クロムめっき層の厚さと比較して厚くなっているので、疲労強度においても極めて優れた特性を有する。更に、アンダーコート層、即ち最下層クロムめっき層の厚さがアンダーコート層２の上に施される積層めっき３Ａを構成する各クロムめっき層３ａ等の厚さと比較して厚く、かつその厚さが適正であるので、クロムめっき皮膜において下部側（ピストンリング本体付近）にて変形量を減少する効果を得ることができ、クロムめっき皮膜全体の変形によらず、上部側（外周側）のみの変形で対応することができる。更に、最外周クロムめっき層の厚さが、他の積層めっき層を構成する各クロムめっき層の厚さと比較して厚くなっているので、コーナー部における表面の荒れが端面効果により修復されており、疲労強度において極めて優れた特性を有するとともに、皮膜衝撃強度が飛躍的に向上している。
【００５２】
試片▲７▼は、アンダーコート層の厚さが試片▲５▼や▲６▼と比較して厚いため、クロムめっき皮膜全体に対する積層めっき構造の比率が小さくなり、弾力性の点で不利になる。このため、疲労強度は試片▲１▼と同程度である。また、皮膜衝撃強度も、試片▲１▼、▲４▼と比較して僅かに改良される程度である。しかし、試片▲２▼、▲３▼、▲５▼、▲６▼と同様に、最外周層付近で積層構造を有するため、耐摩耗性、耐スカッフ性ともに優れている。
【００５３】
以上の実験から、クロムめっき皮膜を積層構造とし、なおかつ最外周クロムめっき層の厚さを所定の厚さとすることにより、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上することができることがわかった。また、アンダーコート層の厚さを所定の値とすることにより、クロムめっき皮膜全体に対する積層めっき構造の比率を高くすることができ、クロムめっき皮膜の弾力性を向上することとなり、疲労強度がある程度向上することがわかった。更に、積層めっき層の外周に設けた最外周クロムめっき層の厚さを、積層めっき層を構成する各クロムめっき層の厚さよりも厚くすることにより、コーナー部における表面の荒れを修正することができ、疲労強度を更に高めることができることがわかった。加えて、積層めっき層を形成し、アンダーコート層の厚さと最外周クロムめっき層の厚さの双方を適正にすることにより、皮膜衝撃強度が飛躍的に向上することがわかった。
【００５４】
本発明によるピストンリングは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、この微小亀裂中に硬質粒子等を保持させることにより、更に耐摩耗性を向上させることができる。また上述した実施の形態では、電圧印加時間を変化させることで、めっき層の厚さを調整したが、電流密度を変化させることでも層厚を調整することができる。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１記載のピストンリングによれば、クロムめっき層を複数の積層構造とし、なおかつ最外周クロムめっき層の厚さを所定の値とすることにより、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上することができる。また、積層めっき層の外周に設けた最外周クロムめっき層の厚さを、積層めっき層を構成する各クロムめっき層の厚さよりも厚くすることにより、コーナー部における表面の荒れを修正することができ、疲労強度を更に高めることができる。
【００５６】
請求項２記載のピストンリングによれば、アンダーコート層の厚さを所定の値とすることにより、クロムめっき皮膜全体に対する積層めっき構造の比率を大きくすることができ、クロムめっき皮膜の弾力性を向上することとなり、疲労強度をある程度向上させることができる。またアンダーコート層の厚さと最外周クロムめっき層の厚さの双方を適正にすることにより、皮膜衝撃強度を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるピストンリングを示す拡大部分断面図。
【図２】本発明の実施の形態によるピストンリング及び比較例たるピストンリングの、耐摩耗性試験の結果を示すグラフ。
【図３】本発明の実施の形態によるピストンリング及び比較例たるピストンリングの、耐スカッフ性試験の結果を示すグラフ。
【図４】本発明の実施の形態によるピストンリング及び比較例たるピストンリングの、疲労強度試験の結果を示すグラフ。
【図５】本発明の実施の形態によるピストンリング及び比較例たるピストンリングの、皮膜衝撃強度試験の結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１ピストンリング本体
２アンダーコート層
３クロムめっき層群
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄクロムめっき層
３Ｂクロムめっき層群の最外周層[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a piston ring, and more particularly to a piston ring having a plating layer having a laminated structure composed of a plurality of plating layers.
[0002]
[Prior art]
A piston ring for an internal combustion engine is required to have no seizure to a cylinder liner and to have wear resistance. In order to cope with these demands, it is known to apply hard chromium plating having excellent seizure resistance and wear resistance to the surface of the piston ring for an internal combustion engine.
[0003]
Here, in order to improve the friction resistance and scuff resistance of hard chrome plating, a chromium plating layer consisting of a single plating layer is formed, and a crack network that is a mesh-like fine crack is formed in the chromium plating film, and plating is performed. The fine cracks deposited on the surface are used as oil pockets to hold the lubricating oil. However, only by forming a microcrack on the surface of the hard chrome plating with a single layer structure, the microcrack does not continue from the plating surface to the boundary portion with the piston ring body, and there is no microcrack structure near the piston ring body. When the portion having fine cracks is worn away by abrasion, the portion not having fine cracks is exposed, the surface becomes mirror-like, and the friction resistance and scuff resistance cannot be exhibited. On the other hand, if the fine crack is formed too deep in order to solve the problem of wear of the fine crack, there is a problem that the fatigue strength of the piston ring is lowered.
[0004]
Therefore, in order to improve the fatigue strength of chromium plating with fine cracks and to expose the fine cracks to the surface even after wear, and to maintain a predetermined amount of oil retention in the microcracks during plating, it is fine even near the piston ring body. For the purpose of generating a crack structure, a chrome plating film composed of a plurality of chrome plating layers laminated successively has been devised.
[0005]
Such a chromium plating film is formed by alternately repeating a positive electric process and a reverse electric process, and a fine crack structure is intermittently formed in the thickness direction of the chromium plating film. Specifically, a chromium plating layer having a desired thickness is deposited by a positive electric process, a fine crack is formed in the chromium plating layer by a reverse electric process, the fine crack is enlarged to a predetermined size, and then a positive crack is immediately produced. An electric process is performed, the chromium plating layer is covered on the chrome plating layer on which the fine crack is formed, the fine crack is sealed, and the upper chrome plating layer is further grown to a desired thickness, and then the reverse electric power is again applied. Execute the process. The above process is repeatedly performed to form a chromium plating film having a laminated structure in which fine cracks are formed in individual chromium plating films. Therefore, even if the portion having the fine crack structure of each chrome plating layer is worn out, the fine crack structure of the next chrome plating layer close to the piston ring body appears, and apparently the fine crack is in the thickness direction of the chrome plating film. Appearing sequentially throughout, the desired overall friction and scuff resistance can be maintained. Further, although the microcracks appear to appear continuously but are not substantially continuous, the fatigue strength of the piston ring can be improved.
[0006]
In addition, chromium plating is known in which hard particles and the like are held in the microcracks to further improve wear resistance.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, demands for higher fuel consumption, higher output, and the like have become stronger, and accordingly, loads on various parts of the internal combustion engine continue to increase further including piston rings. For this reason, conventional hard chromium plating is becoming unable to sufficiently cope with wear resistance and fatigue strength required for internal combustion engines.
[0008]
In particular, hard chromium plating reduces the friction coefficient and exhibits wear resistance by the high hardness of the plating film and the oil retaining action of the fine cracks, but the high hardness of the plating film is from the viewpoint of an elastic body. If it sees, it means that elasticity is low and it will be highly brittle. Furthermore, fine cracks (cavities or crack networks) that facilitate the formation of the oil film necessary for lubrication expose large irregularities on the outermost surface, and are repeatedly applied to the piston ring during engine sliding. There is a risk that cracking will be caused and the piston ring will eventually break. That is, there was a problem from the viewpoint of fatigue strength sufficient to withstand use.
[0009]
In addition, by laminating a thin hard chromium plating layer having a microcrack structure on the surface, even in a chromium plating film in which a plurality of microcracks independent in the film forming direction are formed, the uneven surface of the outer surface due to the microcrack structure is formed. There is a problem caused. In particular, in a chromium plating film having a laminated structure, a reverse current is applied after the chromium plating layer is formed, so that the surface of the chromium plating layer becomes rough. Therefore, the thin chrome plating layer formed thereon is formed in a rough shape following the rough surface state of the chrome plating layer formed thereunder when deposited in the positive electric process. It will be. In this state, since the reverse electric power is further applied, the surface-like body is gradually roughened. Since the chrome plating film is formed by this repetition, the surface portion of the chrome plating film (the surface of the outermost chrome plating layer) is considerably roughened.
[0010]
This phenomenon occurs on the entire surface of the outermost peripheral chromium plating layer, but since the polishing is performed along the sliding surface in the final process of manufacturing the piston ring, the sliding surface of the piston ring completed as a product has the above-mentioned phenomenon. The roughness of the surface generated as described above is corrected. However, this polishing is performed only along the sliding surface, and the corner portion is not polished. Therefore, the surface roughness at the corner portion is not corrected, and the unevenness of the corner portion produces a notch effect. In the end, it causes crack propagation and eventually breaks, resulting in weakening of fatigue strength and film impact strength.
[0011]
And, in the chromium plating film in which hard particles etc. are held in this micro crack, not only the wear of the counterpart material is increased, but also the width of the micro crack must be expanded to the same size as the hard particle diameter. Although the wear resistance is improved, the notch effect is increased and the fatigue strength is further reduced.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a chromium-plated piston ring that has excellent oil retention and has fatigue strength and film impact strength that can withstand high output of an internal combustion engine.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention comprises a piston ring body and a chromium plating layer group comprising a plurality of chromium plating layers applied to an outer surface including at least a sliding surface of the piston ring body, The plurality of chromium plating layers constituting the chromium plating layer group are each a piston ring having a fine crack structure on each surface, and the thickness of the outermost peripheral layer of the chromium plating layer group is different from that of the outermost peripheral layer. A piston ring is provided which is thicker than the layer thickness and the outermost peripheral layer has a thickness of 1 to 80 μm.
[0014]
In addition, an undercoat layer is directly formed on the outer surface including at least the sliding surface of the piston ring body, the chrome plating layer group is formed on the undercoat layer, and the thickness of the undercoat layer is set to the maximum thickness of the undercoat layer. It is preferable that the thickness of each chromium plating layer other than the outer peripheral layer is thicker, and the thickness of the undercoat layer is 1 to 80 μm.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A piston ring according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0016]
FIG. 1 is a partially enlarged sectional view of a piston ring according to an embodiment of the present invention. An undercoat layer (lowermost chrome plating layer) 2 is formed on the outer surface including at least the sliding surface of the piston ring body 1, and a chrome plating layer group 3 is formed thereon. The chrome plating layer group 3 includes a multilayer plating 3A composed of a set of a plurality of chrome plating layers 3a and 3b having the same thickness, and an outermost layer formed on the outermost periphery and polished along the sliding surface. It is comprised by the outer periphery chrome plating layer 3B. Fine cracks are formed on the surfaces of the chrome plating layers 3a, 3b and the like by a reverse electric process.
[0017]
Here, the outermost peripheral chromium plating layer 3B is thicker than the respective chromium plating layers 3a constituting the laminated plating 3A, and the outermost peripheral chromium plating layer 3B has a thickness in the range of 1 μm to 80 μm. (Claim 1). By making the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer 3B thicker than that of each chromium plating layer 3a and the like constituting the multilayer plating 3A, an end face effect is produced when the outermost peripheral chromium plating layer 3B is formed. Specifically, since the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer 3B is sufficient, the roughness of the surface at the corner portion that occurs when the above-described multilayer plating 3A is formed is repaired, and the roughest shape of the outermost surface of the multilayer plating 3A is restored. Can weaken the effect. In addition, it is important that the outermost peripheral chromium plating layer 3B has a thickness in the range of 1 μm to 80 μm. When the outermost peripheral chrome plating layer 3B has a thickness of less than 1 μm, even when the outermost peripheral chrome plating layer 3B is formed, the roughness of the surface formed by the notch effect at the corner portion generated when the multilayer plating 3A is formed cannot be repaired. Because. On the other hand, if it is larger than 80 μm, the outermost peripheral chromium plating layer 3B is not easily worn, and the laminated plating 3A formed immediately below does not appear in the vicinity of the sliding surface. This is because the excellent effects generated by providing the multilayer plating 3A such as improvement of scuff resistance and fatigue strength are not achieved.
[0018]
Further, the thickness of the undercoat layer 2 is larger than that of each chrome plating layer 3a or the like forming the multilayer plating 3A, and is within the range of 1 μm to 80 μm. ). In the multilayer plating 3A, each chrome plating layer 3a, 3b, etc. constituting it has a crack width larger than that of a normal chrome plating layer, and also has many chrome plating layers 3a, 3b, etc. Since it is rich in elasticity, it can cope with a larger deformation than a normal one. However, when stress is applied, it is not necessary for the entire chrome plating film to follow the deformation. Rather, only the upper side (outer peripheral side) can be deformed, and the deformation is reduced by applying to the lower part (near the piston ring body 1). By doing so, it is possible to cope with a larger stress load with a small amount of deformation. Therefore, the undercoat layer 2 is defined to be thicker than the thicknesses of the chromium plating layers 3a, 3b, etc. constituting the multilayer plating 3A in the range of 1 μm to 80 μm. Further, it is important that the thickness of the undercoat layer 2 is in the range of 1 μm to 80 μm. This is because if the thickness of the undercoat layer 2 is less than 1 μm, it is not possible to obtain the effect of reducing the deformation amount by being applied to the lower portion (near the piston ring body 1). On the other hand, if it is larger than 80 μm, the total thickness of the multilayer plating 3A of the chromium plating layer group 3 is relatively smaller than the thickness of the undercoat layer 2, and the fatigue strength is increased due to the multilayer structure. This is because the excellent effect is reduced.
[0019]
In the present embodiment, the chromium plating layers 3a, 3b, 3c, etc. constituting the multilayer plating 3A of the chromium plating layer group 3 have the same thickness, and the thickness ranges from 1 μm to 40 μm. is there.
[0020]
Next, the formation process of the plating layer of the piston ring shown in FIG. 1 will be described. The production | generation process of a chromium plating film is comprised from a degreasing process, an acid washing process, a liquid honing process, an electropolishing process, a plating process, and a reverse electric process. First, in the degreasing process, the acid cleaning process, the liquid honing process, and the electropolishing process, the surface of the piston ring body 1 is cleaned and processed, and then the plating process and the reverse electric process are repeated until a predetermined plating thickness is obtained. And laminating a plurality of hard or soft plating layers.
[0021]
In the degreasing step, the oil and fat on the surface is washed with a vapor of an organic solvent such as trichlorethylene. Next, in the acid cleaning step, the substrate is immersed in hydrochloric acid heated to 30 ° C. to 80 ° C. for 15 seconds to 300 seconds to remove oxides and the like on the surface of the piston ring body 1 made of the material to be plated, To expose. In the liquid honing process, an aqueous solution in which hard particles such as ceramics are suspended and dissolved over the entire surface of the piston ring body 1 whose base is exposed by acid cleaning is 2 to 10 kg / mm. ² The pressure jets uniformly at a pressure of. By this step, the surface of the piston ring body 1 becomes a satin finish, and the adhesion strength between the surface of the piston ring body 1 and the chromium plating film is improved.
[0022]
The electropolishing process is performed as necessary when the oxide layer of the material to be plated is strong, but the piston ring body 1 as the material to be plated is inserted into the plating rod, and the material to be plated is used as an anode and the counter electrode as a cathode. , Current density 20A / dm ² ~ 100A / dm ² The voltage is applied for 10 seconds to 120 seconds so that the current flows. Here, the plating bath in the plating tank is CrO. _Three Is 250g / L, SO _Four Is added to an ordinary chromium plating bath having a composition of 2.5 g / L, and the temperature of the chromium plating bath is set to 55 ° C. during the electropolishing process. Hold.
[0023]
Next, a plating step for forming the first layer (undercoat layer 2) immediately above the base material (material to be plated) is performed. Specifically, after the electropolishing step, the polarity of the material to be plated and the counter electrode is rapidly reversed, and the current density is 30 A / dm using the material to be plated as a cathode and the counter electrode as an anode. ² ~ 120A / dm ² Then, a voltage is applied for 2 to 200 minutes so that the current flows, and a chromium plating layer (undercoat layer 2) is deposited. In this step, since the thickness of the deposited plating layer is determined by the voltage application time, the voltage application time corresponding to the desired plating thickness is set.
[0024]
And the reverse electric process for forming a fine crack structure in the surface of the undercoat 2 is performed. After a predetermined voltage application time, the polarity of the material to be plated and the counter electrode is rapidly reversed, and the current density is 20 A / dm using the material to be plated as an anode and the counter electrode as a cathode. ² ~ 100A / dm ² Then, a voltage is applied for 10 seconds to 200 seconds so that the current flows, and the chromium plating layer is eluted. By this elution, a fine crack structure appears on the surface of the plating layer. In this step, since the thickness of the plating layer to be eluted is determined by the voltage application time, the voltage application time is set so that the desired plating thickness of the undercoat 2 remains.
[0025]
On this, the plating process for forming the chromium plating layer group 3 is performed. Specifically, after the voltage application time in the reverse electric process after the formation of the undercoat 2 has elapsed, the polarity of the material to be plated and the counter electrode is rapidly reversed, and the current density is 30 A with the material to be plated as the cathode and the counter electrode as the anode. / Dm ² ~ 120A / dm ² Then, a voltage is applied for 2 to 100 minutes so that the current flows, and the chromium plating layer 3a is deposited. In this step, since the thickness of the deposited plating layer is determined by the voltage application time, the voltage application time corresponding to the desired plating layer thickness is set. Then, after a predetermined voltage application time has elapsed, the polarity of the material to be plated and the counter electrode is rapidly reversed, and the current density is 20 A / dm using the material to be plated as an anode and the counter electrode as a cathode. ² ~ 100A / dm ² Then, a voltage is applied for 10 seconds to 200 seconds so that the current flows, and the chromium plating layer is eluted. In this step, since the thickness of the eluted plating layer is determined by the voltage application time, the voltage application time is set so that the desired plating layer thickness of the chromium plating layer 3a remains.
[0026]
Further, a chromium plating layer 3b, a chromium plating layer 3c, a chromium plating layer 3d,... Are formed on the chromium plating layer 3a by the same process as when the chromium plating layer 3a is formed, thereby forming a multilayer plating 3A. To do.
[0027]
Finally, the outermost peripheral chrome plating layer 3B is formed. Specifically, after forming the multi-layer plating 3A, the polarity of the counter electrode and the piston ring body 1 which is the material to be plated is rapidly reversed, and the current density is 30 A / dm using the material to be plated as a cathode and the counter electrode as a cathode. ² ~ 120A / dm ² A voltage is applied for 2 minutes to 200 minutes so that the current flows, and a chromium plating layer is deposited. In this step, since the thickness of the plating layer to be deposited is determined by the voltage application time, the voltage application time corresponding to the plating layer thickness of the desired outermost chromium plating layer 3B is set. In this embodiment, the reverse electricity process is not performed for outermost peripheral chromium plating layer 3B. If the outermost chrome plating layer 3B is not loaded with a reverse electric process, the width of the fine crack in the outermost chrome plated layer 3B is smaller than that with the reverse electric process applied, and the notch effect generated in the outermost rim is reduced. This is because further improvement in fatigue strength can be expected.
[0028]
Finally, the piston ring is finished as a product by polishing only the outer peripheral surface of the outermost peripheral chromium plating layer 3B.
[0029]
In order to prove the effect of the piston ring of the present invention, the following seven types of piston rings were prepared, and experiments on wear resistance, scuff resistance, fatigue strength, and film impact strength were conducted. The results are shown in FIGS.
[0030]
In the wear test, the test was performed using an Amsler type wear tester. At least a sliding piece having a chromium plating equivalent to that of the finished piston ring was fixed on the sliding surface, and almost half was immersed in the lubricating oil. The mating material, which is a rotating material, was brought into contact and the mating material was rotated with a predetermined load applied. And about the fixed piece after a test, the abrasion loss (micrometer) was measured with the level | step difference profile by a roughness meter.
[0031]
The test conditions for the wear test are as follows.
Opponent material FC25 (HRB 98)
Lubricating oil Turbine oil (# 100)
Oil temperature 80 ℃
Peripheral speed 1m / sec (478 rpm)
80 kg load
Time 7hr
[0032]
In the scuff test, the test was performed using an Amsler type wear tester. At least a sliding piece having a chromium plating equivalent to that of the finished piston ring was fixed on the sliding surface. Then, the lubricant was attached to the mating material as the rotating material, brought into contact with the fixed piece, and the load was continuously applied until scuffing occurred. The load applied was increased linearly continuously at a rate of 5 kg / min, and the load when a load signal was generated by scuffing was defined as the scuffing load. However, the lubricating oil was only attached at the time of setting, and the subsequent replenishment was not performed.
[0033]
The test conditions for the scuff test are as follows.
Opponent material FC25 (HRB 98)
Lubricating oil No. 2 spindle oil
Oil temperature
Peripheral speed 1m / sec (478 rpm)
[0034]
In the fatigue strength test, the test was conducted using a ring solid type fatigue tester. A predetermined constant load was repeatedly applied to the finished piston ring having at least the sliding surface plated with chrome. 10 piston rings ⁷ When it was not able to withstand the load load of one time and it broke in the middle, the load of the load was terminated at that time, and the load at that time was considered to be more than the breakage limit of the piston ring. Next, the same test was conducted by reducing the load applied to the piston ring, ⁷ When it was able to withstand the load load of 1 time and did not break in the middle, the load load at that time was regarded as being below the breakage limit of the piston ring, and the fatigue strength of the piston ring was defined.
[0035]
The test conditions for the fatigue strength test are as follows.
Repetition rate 2000cycle / min
Load Each predetermined set load
[0036]
In the film impact strength test, an NPR impact tester (Japanese Patent No. 293662) was used for the test. At least 45 mm (arrow A in Fig. 1) of the ring corner of the finished piston ring with chrome plating on the sliding surface, while observing the plating surface while applying a predetermined constant impact energy, the plating surface is peeled off. This was continued until it occurred. The test was terminated when peeling occurred on the plated surface of the piston ring, and the number of times that the impact energy was continuously applied to the piston ring until that time was defined as the film impact strength of the piston ring.
[0037]
The test conditions for the film impact strength test are as follows.
Stroke 1.5mm
Load Predetermined set load
[0038]
Piston rings {circle around (1)} to {circle around (7)} used as specimens in this experiment are as follows.
[0039]
Specimen {circle around (1)} is a piston ring (prior art) having a chromium plating film formed by a single layer of chromium plating.
[0040]
Specimen (2) is a piston ring (prior art) having a chromium plating film formed by laminating only a plurality of chromium plating layers having a thickness of 10 μm.
[0041]
Specimen {circle around (3)} is that the outermost peripheral chromium plating layer 3B has a thickness of 15 μm, the chromium plating layers 3a, 3b, etc. constituting the multilayer plating 3A have a thickness of 10 μm, and the lowermost chromium plating layer (undercoat layer 2 Is a piston ring according to the present invention having a thickness of 10 μm.
[0042]
In the specimen (4), the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer is 90 μm, the thickness of each chromium plating layer constituting the multilayer plating is 10 μm, and the thickness of the lowermost chromium plating layer (undercoat layer) is also 10 μm. It is a piston ring (comparative example).
[0043]
Specimen (5) has a thickness of the outermost peripheral chromium plating layer 3B of 15 μm, each of the chromium plating layers 3a and 3b constituting the multilayer plating 3A has a thickness of 10 μm, and the thickness of the undercoat layer 2 is 1 μm. 1 is a piston ring according to the present invention.
[0044]
Specimen {circle around (6)} is that the outermost peripheral chromium plating layer 3B has a thickness of 15 μm, each of the chromium plating layers 3a and 3b constituting the multilayer plating 3A has a thickness of 10 μm, and the undercoat layer 2 has a thickness of 30 μm. 1 is a piston ring according to the present invention.
[0045]
Specimen (7) has an outermost chromium plating layer 3B having a thickness of 15 μm, each of the chromium plating layers 3a and 3b constituting the laminated plating 3A having a thickness of 10 μm, and an undercoat layer 2 having a thickness of 90 μm. 1 is a piston ring according to the present invention.
[0046]
In FIG. 2 to FIG. 5, the wear resistance, scuff resistance, and fatigue strength of the specimen (1) are set as 100 as a reference for comparison.
[0047]
Specimen (2) has a laminated structure, so it has a flexible structure and is more elastic than piston ring (1) with a chrome plating film of one layer structure, and wear resistance and scuff resistance. Both are excellent in fatigue and slightly better than the specimen (1) in terms of fatigue strength. However, since the thickness of the outermost chromium plating layer is not thicker than that of each of the other chromium plating layers, the surface roughness at the corner is not repaired, and the film impact The strength is slightly weaker than that of the specimen (1).
[0048]
Specimen (3), like specimen (2), has a laminated structure and is therefore excellent in both wear resistance and scuff resistance. Furthermore, since the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer is thicker than the thickness of each chromium plating layer constituting the other laminated plating layer, the surface roughness at the corner is repaired by the end face effect, In addition to extremely excellent characteristics in terms of fatigue strength, the film impact strength is dramatically improved as compared with specimens (1) and (2).
[0049]
Specimen (4) has a laminated structure, but the outermost chrome plating layer is too thick, so there is almost no improvement in elasticity due to the laminated structure, and friction resistance. The scuff resistance, fatigue strength, and impact strength of the film are almost the same as those of the specimen {circle around (1)} having a single-layer chromium plating film.
[0050]
Specimen (5), like specimens (2) and (3), has a laminated structure, so it has excellent wear resistance and scuff resistance, and the outermost chromium plating layer has other thicknesses. Since it is thicker than the thickness of each chromium plating layer constituting the multilayer plating layer, the roughness of the surface at the corner is repaired by the end face effect, and the fatigue strength is extremely excellent. However, since the thickness of the undercoat layer, that is, the lowermost chrome plating layer is thinner than that of the specimen (3), the effect of reducing the deformation amount on the lower side (near the piston ring body) in the chrome plating film is effective. It cannot be obtained and the film impact strength slightly decreases.
[0051]
Specimen (6), like specimens (2), (3) and (5), has a laminated structure, so it has excellent wear resistance and scuff resistance, and the outermost chromium plating layer is thick. Is thicker than the thickness of each chromium plating layer constituting the other multilayer plating layer, and therefore has extremely excellent characteristics in terms of fatigue strength. Further, the thickness of the undercoat layer, that is, the lowermost chromium plating layer is thicker than the thickness of each chromium plating layer 3a constituting the multilayer plating 3A applied on the undercoat layer 2, and the thickness thereof. Therefore, it is possible to obtain the effect of reducing the deformation amount on the lower side (near the piston ring body) in the chrome plating film, and only on the upper side (outer peripheral side) regardless of the deformation of the entire chrome plating film. It can respond by deformation. Furthermore, since the outermost chrome plating layer is thicker than the chrome plating layers that make up the other multi-layer plating layers, surface roughness at the corners is repaired by the end face effect. In addition to having extremely excellent characteristics in fatigue strength, the impact strength of the film has been dramatically improved.
[0052]
Specimen (7) is disadvantageous in terms of elasticity because the thickness of the undercoat layer is thicker than specimens (5) and (6), and the ratio of the laminated plating structure to the entire chromium plating film is reduced. become. For this reason, the fatigue strength is comparable to that of the specimen (1). Also, the film impact strength is only slightly improved as compared with the specimens (1) and (4). However, like the specimens (2), (3), (5), and (6), since it has a laminated structure in the vicinity of the outermost peripheral layer, both wear resistance and scuff resistance are excellent.
[0053]
From the above experiments, it was found that the wear resistance and scuff resistance can be improved by forming the chrome plating film in a laminated structure and setting the outermost chrome plating layer to a predetermined thickness. In addition, by setting the thickness of the undercoat layer to a predetermined value, the ratio of the multilayer plating structure to the entire chromium plating film can be increased, the elasticity of the chromium plating film is improved, and the fatigue strength is to some extent. It turns out that it improves. Furthermore, by making the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer provided on the outer periphery of the multilayer plating layer larger than the thickness of each chromium plating layer constituting the multilayer plating layer, it is possible to correct the surface roughness at the corner portion. It was found that the fatigue strength can be further increased. In addition, it was found that the film impact strength is dramatically improved by forming a multilayer plating layer and making both the thickness of the undercoat layer and the outermost peripheral chromium plating layer appropriate.
[0054]
The piston ring according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be made within the scope described in the claims. For example, the wear resistance can be further improved by retaining hard particles or the like in the microcracks. In the above-described embodiment, the thickness of the plating layer is adjusted by changing the voltage application time. However, the layer thickness can also be adjusted by changing the current density.
[0055]
【The invention's effect】
According to the piston ring of claim 1, the wear resistance and scuff resistance are improved by making the chromium plating layer into a plurality of laminated structures and setting the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer to a predetermined value. Can do. In addition, by making the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer provided on the outer periphery of the multilayer plating layer larger than the thickness of each chromium plating layer constituting the multilayer plating layer, it is possible to correct surface roughness at the corner portion. It is possible to further increase the fatigue strength.
[0056]
According to the piston ring of claim 2, by setting the thickness of the undercoat layer to a predetermined value, the ratio of the laminated plating structure to the entire chromium plating film can be increased, and the elasticity of the chromium plating film can be increased. As a result, the fatigue strength can be improved to some extent. Further, by making both the thickness of the undercoat layer and the thickness of the outermost peripheral chromium plating layer appropriate, the impact strength of the film can be dramatically improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged partial sectional view showing a piston ring according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results of a wear resistance test of a piston ring according to an embodiment of the present invention and a piston ring as a comparative example.
FIG. 3 is a graph showing the results of a scuff resistance test of a piston ring according to an embodiment of the present invention and a piston ring as a comparative example.
FIG. 4 is a graph showing the results of a fatigue strength test of a piston ring according to an embodiment of the present invention and a piston ring as a comparative example.
FIG. 5 is a graph showing the results of a film impact strength test of a piston ring according to an embodiment of the present invention and a piston ring as a comparative example.
[Explanation of symbols]
1 Piston ring body
2 Undercoat layer
3 Chrome plating layer group
3a, 3b, 3c, 3d Chrome plating layer
3B outermost layer of chromium plating layer group

Claims

A plurality of chromium plating layers each having a piston ring body and a chromium plating layer group including a plurality of chromium plating layers applied to an outer surface including at least a sliding surface of the piston ring body; In the piston ring with a fine crack structure on each surface, the layers
The outermost peripheral layer of the chromium plating layer group is thicker than the chromium plating layers other than the outermost peripheral layer, and the outermost peripheral layer has a thickness of 1 to 80 μm. piston ring.

An undercoat layer is directly formed on the outer surface including at least the sliding surface of the piston ring body, the chrome plating layer group is formed on the undercoat layer, and the thickness of the undercoat layer is set to the outermost peripheral layer. 2. The piston ring according to claim 1, wherein the undercoat layer has a thickness of 1 to 80 [mu] m.