JP4111453B2 - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は内燃機関用ピストンリングの表面処理に関する。

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メッキ処理や窒化処理等の耐摩耗性処理が実施されている。

しかし、従来のクロムメッキ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。

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。

上記目的を達成するために本発明が採用する手段は、内燃機関用ピストンリングの圧力リング又はオイルリングの外周摺動面にＣｒＮ型窒化クロムとＣｒ₂Ｎ型窒化クロムと金属Ｃｒとの混合物からなるイオンプレーティング皮膜を形成し、混合組成比率がＣｒＮ型窒化クロム：４５．０〜９８．０重量％、Ｃｒ：０．５〜１５．０重量％、Ｃｒ₂Ｎ型窒化クロム：残部としたことにある。

上記範囲のＣｒＮ型窒化クロムとＣｒ₂Ｎ型窒化クロムとＣｒとの混合物からなる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又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となる。

下表にＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎの諸物性を示す。これよりＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ各々単独では、硬く、かつ、脆い事が分かる。

Ｃｒ₂Ｎ ＣｒＮ
理論密度（ｇ／ｃｍ³） ６．５１ ６．１４
硬度Ｈｖ（ｋｇ／ｍｍ²） １８００〜２５００ １５００〜２２００
弾性率（ｋｇ／ｍｍ²） 約３５０００ 約２５０００
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事が出来ない。

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とする事により、Ｃｒ₂Ｎ（六方晶）、ＣｒＮ（立方晶）の結晶は、晶系が異なる事も効果し、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為、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特性を損なう事なく、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事が出来る。

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。又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。

又、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％含有させる事により、つまり、セラミックスの結晶粒界に金属（Ｃｒ）を介在させる事により、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事が可能となる。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事が出来る。しかし、Ｃｒ含有量が０．５重量％以下では効果がなく、又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事になる。

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事が出来る。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。

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％、金属クロムが０．５〜１５．０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。

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。

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。又、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の外周摺動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、耐摩耗性、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。又、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。

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。

次に発明による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。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。又シリンダボアは鋳鉄であり、具体的にはＦＣ２５相当である。

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 は該リング母材外周摺動面に厚さ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。

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み込み、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。

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。

又、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。

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、各種実験を行った。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以下のとおりである。 試料１〜試料８は５０μｍの各組成を有するイオンプレーティング層である。比較例としてクロムメッキを厚さ５０ｍμ施した試料９を用いた。

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：１ｍ／ｓｅｃ、潤滑油：１０Ｗ３０、油温：８０℃、
荷重：１５０ｋｇ、時間：７時間
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。
図３から明らかなように、従来のクロムメッキを１００とした場合、実施例試料４、５、７は４０〜５０であり、耐摩耗性に優れていること，及び相手材（回転片）の摩耗が少なく耐相手攻撃性を具備していることが判る。ＣｒＮ４０％の比較例試料１と、本発明品ではあるが、気孔率が２５％と気孔率が比較的大きい実施例試料８は摩耗が７０〜８５でありクロムめっきより少しよい程度であった。比較例試料６は摩耗が７０〜８０であり、摩耗の改善が少なかった。

耐スカッフ性試験
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℃、
油量：０．２Ｌ／ｍｉｎ
荷重：スカッフ発生まで
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為に、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・片固定片各々を互いに面接し回転させた。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。

図４から明かなように、従来のクロムめっきの耐スカッフィング性を１００とした場合、実施例試料４，５、７の場合は３００であり、耐スカッフィング性に優れていることが明かである。ＣｒＮ４０％の比較例試料１と、ＣｒＮ：６５％、Ｃｒ₂Ｎ：１５％、Ｃｒ
：２０％の比較例試料６と、本発明品ではあるが、気孔率が２５％と気孔率が比較的大きい実施例試料８はそれぞれ耐スカッフィング性が１５０、１３５、１２５であり実施例の約半分であった。

最後に、イオンプレーティ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本作製し、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に示されるような捻り剥離試験機にて行った。

捻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を所定の捻り角度にて捻る。捻り後に、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。

図５から明かなように、従来のクロムめっき試料の耐折損性を１００とした場合、実施例試料４，５、７、８の場合は１００〜１３０でありクロムめっきと同等かあるいはクロムめっきより優れていることが明かである。比較例試料１は８０でありクロムめっきより耐折損性が劣るものである。なお、比較例試料６は１２０であり、耐折損性は優れているが、先に述べたとおり図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。

は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、 は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、 は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、 は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、 は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、 は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、
２Ａ、４Ａ：イオンプレーティング皮膜

Claims (1)

1. 外周摺動面にＣｒＮ型の窒化クロムと、Ｃｒ₂Ｎ型の窒化クロムと、金属Ｃｒ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、前記イオンプレーティング皮膜の混合組
   成比率がＣｒＮ型窒化クロム：５０〜８５重量％、Ｃｒ：５〜１０重量％、Ｃｒ₂Ｎ型窒化クロム：残部であり、気孔率が０．５〜２０．０％であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。

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