JP4097047B2 - ピストンリング - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、初期なじみ性に優れ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、エンジンの高出力化、高回転化、長寿命化および排ガス規制の対応に伴って、ピストンリングの使用環境がますます苛酷になっているため、ピストンリングの外周摺動面には、非常に硬い窒化層や硬質Ｃｒめっき、あるいはＰＶＤ皮膜等が形成される例が多くなっている。これにより、ピストンリングの摩耗特性は格段に向上し、特にエンジンの長寿命化を実現している。
【０００３】
しかしながら、窒化層や硬質Ｃｒめっき、あるいはＰＶＤ皮膜は、運転初期の状態では、初期なじみ性が悪く、初期の潤滑油消費量の悪化をもたらす。
【０００４】
これに対して、Ｃｒめっきの最外周表面を毛羽状にしたり（特公昭３３−５８１５号）、微小亀裂のあるＣｒめっきを施したり（特公昭５１−４６２１９号）、あるいは細かいチャンネル形ポーラスと粗いチャンネル形ポーラス又は粗いピンポイント形ポーラスが共存する層を表面に有するＣｒめっきを設ける（特開昭２−３０４２６６号）などが提案されている。
【０００５】
一方、内燃機関のシリンダにおいて、内周面に被覆するＣｒめっきの硬度をＨＶ７００〜８００とすることも提案されている（特開平８−２０８８９号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最外周表面を毛羽状にしたものは摩滅が早すぎて効果が得られず、上記亀裂やポーラスを有するものは外周当たり面が狭い場合は欠けの問題があり、さらには亀裂やポーラスを起点としてピストンリングの疲労破壊を招く原因となる。
【０００７】
また、シリンダの内周面に被覆する硬度ＨＶ７００〜８００のＣｒめっきは、めっき浴温度が６１〜６５℃であり、この温度で処理されたＣｒめっきは耐スカッフ性が低い欠点を有している。
【０００８】
本発明の目的は、初期なじみ性、耐スカッフ性、さらには耐疲労性に優れたピストンリングを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外周摺動面に耐摩耗層を形成し、その上にＣｒめっきを被覆した内燃機関用ピストンリングにおいて、
前記Ｃｒめっきが、めっき浴温度４０℃以下でめっき処理されたソリッドＣｒめっきで、硬度がＨＶ４００〜７５０、厚さが２〜１５μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１０】
ソリッドＣｒめっきの硬度がＨＶ７５０を越えると初期なじみ性が低下し、ＨＶ４００未満では摩耗速度が大きすぎるため、初期なじみの充分な時間が得られない。また、めっき硬度が上記範囲内にあっても、高いめっき浴温度でめっき処理されたものは耐スカッフ性が低下するため、めっき浴温度は４０℃以下とする。
【００１１】
上記Ｃｒめっきの厚さは、なじみ代として下限が２μｍ、上限は摩滅した際に合い口が必要以上に拡大するとブローバイの増加の原因となることから１５μｍ以下とする。より好ましい範囲は５〜１０μｍである。
【００１２】
前記耐摩耗層としてはＨＶ９００以上の硬度を有する窒化層やＨＶ８００以上の硬度を有するＣｒめっきが使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１（ａ）に基づいて説明する。
【００１４】
ピストンリング１の全表面にＨＶ９００以上の硬度を有するガス窒化層２が形成されており、外周摺動面のガス窒化層２上にソリッドＣｒめっき３が被覆されている。ソリッドＣｒめっき３の硬度はＨＶ４００〜７５０、厚さは２〜１５μｍの範囲にある。
【００１５】
ソリッドＣｒめっき３のＣｒめっき浴組成とめっき条件を下記に示す。
▲１▼めっき浴組成
ＣｒＯ3 ２５０ｇ／ｌ
Ｈ2 ＳＯ4 １ｇ／ｌ
Ｈ2 ＳｉＦ6 ５ｇ／ｌ
▲２▼めっき条件
電流密度 ６０Ａ／ｄｍ2
めっき浴温度 ２０〜３０℃
【００１６】
図１（ｂ）は本発明の別の実施形態を示す。
【００１７】
本実施形態はピストンリング１の外周摺動面にＨＶ８００以上の硬度を有する硬質Ｃｒめっき４が形成されており、その硬質Ｃｒめっき４上にソリッドＣｒめっき３が被覆されている。ソリッドＣｒめっき３は上記実施形態で記載したものと同じである。
【００１８】
以下、本発明の効果を確認する試験結果を説明する。
【００１９】
往復動摩擦試験機を使用して摩耗試験とスカッフ試験を行った。
【００２０】
１．摩耗試験
（１）往復動摩擦試験機
図２に往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験片１０は固定ブロック１１により保持され、上方から油圧シリンダ１２により下向きの荷重が加えられて、下試験片１３に押接される。矩形の平盤形状の下試験片１３は可動ブロック１４により保持され、クランク機構１５により往復動させられる。１６はロードセルである。
【００２１】
（２）試験片
上試験片１０：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼からなる直径８ｍｍ×長さ２５ｍｍの丸棒の一端にＲ１８ｍｍの球面加工を施し、その球面上にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成し、そのガス窒化層上に表１に示すＣｒめっきを施した。
下試験片１３：長さ７０ｍｍ×幅１７ｍｍ×高さ１４ｍｍの平板で材質は鋳鉄材（ＦＣ２５０）
【００２２】
【００２３】
（３）試験条件
５ｋｇ×３００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ
潤滑油：１０Ｗ
【００２４】
（４）試験結果
図３（ａ）に示す。図３（ａ）の試験結果から、比較例１の硬質Ｃｒめっきと、硬質Ｃｒめっきと同程度の硬度を有している比較例２のチャンネル形ポーラスＣｒめっきは、耐摩耗性が高すぎて初期なじみ性が劣ることがわかる。一方、実施例のソリッドＣｒめっきと同程度の硬度とした比較例３，４のチャンネル形ポーラスＣｒめっきは、摩耗速度が早すぎる。これらに対して、実施例のソリッドＣｒめっきと同程度の硬度を有している比較例５のソリッドＣｒめっきと実施例のソリッドＣｒめっきは、硬質Ｃｒめっきの２〜５倍の摩耗速度を有しており、初期なじみ性の点で良好な結果を示している。
【００２５】
２．スカッフ試験
（１）往復動摩擦試験機
上記摩耗試験で説明したものと同じである。
【００２６】
（２）試験片
上記摩耗試験で説明したものと同じである。
【００２７】
（３）試験条件
速度：１００ｃｐｍ
荷重：初期２ｋｇから２ｋｇ／ｍｉｎずつステップアップ
潤滑油：軽油相当粘度軸受油一塗り
【００２８】
（４）試験結果
図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の試験結果から、比較例２〜４のチャンネル形ポーラスＣｒめっきおよび実施例のソリッドＣｒめっきは硬質Ｃｒめっき以上の耐スカッフ性を有していることがわかる。しかしながら、比較例５のソリッドＣｒめっき（めっき浴温度８０℃）は耐スカッフ性が低いことがわかる。すなわち、実施例のソリッドＣｒめっきと同程度の硬度を有していても、めっき浴温度が高いと、耐スカッフ性は低下することがわかる。
【００２９】
次に、実機試験を行った結果を説明する。
【００３０】
（１）供試ピストンリング
比較例１：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の比較例１に示す硬質Ｃｒめっきを被覆した。
比較例６：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成した。
実施例１：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の実施例１に示すソリッドＣｒめっきを被覆した。
【００３１】
（２）試験条件
φ８１ｍｍ直列４気筒ガソリンエンジンを使用し、６０００ｒｐｍ×全負荷の条件で、初期の潤滑油消費量試験を行った。
【００３２】
（３）試験結果
図４に示す。図４の試験結果から、実施例のソリッドＣｒめっきは窒化層や硬質Ｃｒめっきよりも初期の潤滑油消費量が少なく、初期なじみ性が優れていることがわかる。
【００３３】
次に、疲労試験を行った結果を説明する。
【００３４】
（１）供試ピストンリング（径：φ８１ｍｍ）
比較例３：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の比較例３に示すチャンネル形ポーラスＣｒめっきを被覆した。
実施例１：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の実施例１に示すソリッドＣｒめっきを被覆した。
【００３５】
（２）試験条件
疲労試験機により、大気中でピストンリングの合い口の開閉を繰り返す。
振幅：３ｍｍ
速度：１８００ｃｐｍ
【００３６】
（３）試験結果
図５に示す。図５の試験結果から、実施例のソリッドＣｒめっきは疲労強度が優れていることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のピストンリングによれば、耐摩耗性に優れ、かつ、初期なじみ性と耐スカッフ性が優れているとともに、耐疲労性も優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態を示す縦断面図、（ｂ）は本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は摩耗試験結果を示すグラフ、（ｂ）はスカッフ試験結果を示すグラフである。
【図４】実機試験結果を示すグラフである。
【図５】疲労試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ピストンリング
２ ガス窒化層
３ ソリッドＣｒめっき
４ 硬質Ｃｒめっき
１０ 上試験片
１１ 固定ブロック
１２ 油圧シリンダ
１３ 下試験片
１４ 可動ブロック
１５ クランク機構
１６ ロードセル
Claims (3)
- 外周摺動面に耐摩耗層を形成し、その上にＣｒめっきを被覆した内燃機関用ピストンリングにおいて、
前記Ｃｒめっきが、めっき浴温度４０℃以下でめっき処理されたソリッドＣｒめっきで、硬度がＨＶ４００〜７５０、厚さが２〜１５μｍの範囲にあることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 - 前記耐摩耗層が窒化層であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストンリング。
- 前記耐摩耗層がＨＶ８００以上の硬度を有するＣｒめっきであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストンリング。
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