JP5113737B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関し、特に、ピストンリングへのアルミニウム凝着（溶着）現象を効果的に防止しうるピストンリングに関する。

一般に往復動のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。

近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が益々高まってきている。従来、内燃機関用ピストンリングにはその耐久性を改善する手段として摺動面に窒化処理やイオンプレーティング処理あるいは硬質クロムめっき処理等の耐摩耗表面処理が施されている。

これらの表面処理のうちで特に窒化処理は優れた耐摩耗性を示すことから苛酷な運転条件の下で使用されるピストンリングの表面処理として注目され広く利用に供されている。

しかしながら、窒化処理層を形成したピストンリングは耐摩耗性には優れているものの、アルミ合金製ピストンに装着した場合、ピストンのリング溝摩耗が増大する傾向があった。また、ピストンのリング溝摩耗に起因して、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ピストンリング１の下面３にアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１のアルミニウムが凝着するアルミ凝着が生ずる（図１（ｃ））。

図２（ａ）〜（ｃ）にピストンのリング溝の上面２および下面３の表面状態の変化の様子を現わす触針式表面荒さ試験機によるチャートを示す。図２に示すように、ピストンのリング溝の上面２および下面３の表面状態は、正常状態（図２（ａ））から、ピストン溝荒れ状態（図２（ｂ））、アルミ凝着状態（図２（ｃ））へと変化する。

なお、図２（ａ）〜（ｃ）いずれにおいても、横軸はピストンの位置を示しており、縦軸はピストン溝のうねりを示している。図中の（Ｆ）はフロント方向、（ＡＴ）はアンチスラスト方向、（Ｒ）はリア方向、（Ｔ）はスラスト方向を示している。

また、図３（ａ）〜（ｃ）は、アルミ凝着メカニズムを示し、ピストンリング１の下面３とアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１とが、双方の表面にそれぞれ形成された酸化膜８（０．２μｍ以下）を介して接触し（図３（ａ））、次いで、接触部分の酸化膜８の応力が局部的に高くなり酸化膜８が破壊されて、ピストンリング１の下面３のＦｅとアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１のＡｌとが接合され（図３（ｂ））、アルミニウム合金２０がピストンリング１の下面３に溶着する（図３（ｃ））。なお、アルミ凝着部分の拡大図を図４に示す。図４において、２０は凝着したアルミニウムを示し、２１はＡｌとＦｅとの接合部を示す。

上述したように、ピストンリングの上下運動に伴い、ピストンの溝の一定部分にこの溶着現象に起因する局部的摩耗（ピストン溝荒れともいう。）が発生すると、内燃機関はブローバイガスの吹き抜けによりシール性が低下し、出力が低下する。この現象はピストンのリング溝の下側に短時間で発生し、内燃機関の耐久性に大きな影響を与えるため、従来から多くのピストン溝摩耗対策が提案されている。

例えば、ピストン溝摩耗対策として、ピストンとピストンリングとの直接接触を防止するため、ピストンへの対策としては陽極酸化被膜処理、メッキ処理あるいはマトリックス強化処理（ピストン中）を施し、またピストンリングへの対策としては、リン酸塩被膜処理、メッキ処理を施したり、あるいは図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ピストン１０とピストンリング１の表面に樹脂コーティング処理８（例えば、デフリック（（株）川邑研究所製コーティング処理）を施したりしている。

また、前記問題を解消するために、ピストンリングの上面および下面、または下面に、窒化層またはクロムメッキ層等の耐摩耗性処理層を形成し、かつ該耐摩耗性処理層の表面に固体潤滑材を含有するポリベンゾイミダゾール樹脂被膜を形成したピストンリングを開発している（特許文献１参照）。

さらに、本願出願人以外にあっても、固体潤滑材を含有する耐熱樹脂によりその表面が被覆されたピストンリングが開発されている（例えば、特許文献２、３参照）
特開平０７−０６３２６６号公報 特開平１０−２４６１４９号公報 特開平１１−２４６８２３号公報

しかしながら、上述した従来のピストン溝摩耗対策は、ピストン使用時の初期段階におけるアルミニウム凝着防止の効果はあるものの、中、長期的な寿命が不充分であり、さらなる耐久性の向上が望まれている。

より具体的には、例えば、前記特許文献１には、ポリベンゾイミダゾール樹脂と固体潤滑材（ＣやＭｏＳ₂）とからなる表面被膜が開示されているが、ポリベンゾイミダゾール樹脂は被膜形成の際、液状樹脂が酸化しやすく、経時変化による劣化があり使用に注意を要する。また、長期間にわたって品質を安定させることが困難な場合がある。

また、前記特許文献２には、ポリアミドイミド樹脂やポリイミド樹脂と固体潤滑材（グラファイト、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ポリテトラフルオロエチレン）とからなる表面被膜が開示されているが、このような表面被膜では、アルミ凝着を十分に防止することはできず、またコスト高が問題となる。

さらに、前記特許文献３には、ポリアミドイミド樹脂やポリイミド樹脂と固体潤滑材としてのＭｏＳ_２と酸化アンチモンとからなる表面被膜が開示されているが、やはりこのような被膜ではアルミ凝着を十分に防止することができず、また、酸化アンチモンは環境に有害であり、使用することは好ましくない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ピストンリングへのアルミニウム凝着現象を効果的に防止しうるピストンリングを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリングの上面と下面の両方に形成される表面被膜とからなるピストンリングであって、前記表面被膜は、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された銅系粉末とから構成され、かつ、前記表面被膜全体に対する銅系粉末の含有率が２０〜８０質量％であり、前記銅系粉末が、純銅、酸化銅、または銅合金の何れかであり、前記銅系粉末の形状が、鱗片形状であり、その平均粒径が８〜１２μｍであり、
前記耐熱樹脂が、ポリアミドイミド樹脂またはポリイミド樹脂の何れかであることを特徴とする。

また、前記ピストンリングにおいては、前記銅系粉末の比表面積が、０．６〜０．９ｍｍ^２／ｇであってもよい。

また、前記ピストンリングにおいては、前記表面被膜の表面における銅系粉末が占める面積比率が、６〜７４％であってもよい。

また、前記ピストンリングにおいては、前記ピストンリング本体における前記表面被膜が形成される面には、化成処理が施されていてもよい。

また、前記ピストンリングにおいては、耐熱樹脂中には、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイトから選択された一種からなる固体潤滑材が含有されており、前記表面被膜全体に対する当該潤滑材の含有率が１〜１０質量％であってもよい。

本発明によれば、ピストンリングの上面または下面の一方、または双方に耐熱樹脂と銅系粉末からなる表面被膜が形成されているので、アルミニウム合金製ピストンのリング溝の一部が剥離してピストンリングに付着することを防止することができる。

前述したピストンリング溝摩耗対策、言い換えればアルミ凝着防止策（従来技術の欄参照）にあっては、ピストンリング本体の表面に潤滑性を付与する目的で固体潤滑材を含有する表面被膜を形成しているのに対し、本発明は、固体潤滑材ではなく銅系粉末を含有する表面被膜を形成している点に特徴を有している。

従来は、ピストンリング溝の摩耗をできるだけ少なくするための方策として、ピストンリングの表面の潤滑性を向上せしめることに着目している。このことは、ピストンリングの表面の潤滑性を向上すれば、その分だけピストンリングのピストンリング溝に対する攻撃性を低減することができ、その結果ピストンリング溝の摩耗を防止することができるだろう。

しかしながら、この方策では、潤滑性に寄与する表面被膜が十分に存在している初期段階では問題は生じないが、長時間が経過した後にあっては、表面被膜自体が摩耗し剥離する可能性が高く、摩耗や剥離した後には、もはや潤滑性がなくなり、露出したピストンリング本体によりピストンリング溝の摩耗が発生してしまうこととなる。

本願発明者はこの問題に着目し、当該問題を解決するために、表面被膜を構成する耐熱樹脂により潤滑性を確保するとともに、当該耐熱樹脂による潤滑性をより長時間保持するために、表面被膜中に銅系粉末を分散配合せしめ、当該銅系粉末により表面被膜に耐摩耗性を付与することを想到した。つまり、本発明は従来とは着想を異にしており、本発明における銅系粉末は、表面被膜を保護するため、耐熱耐摩耗性を付与することを主たる役割としているのである。

このような本発明によれば、表面被膜を構成する耐熱樹脂によりピストンリングの表面に潤滑性を付与することができるとともに、銅系粉末によりピストンリング表面に形成された表面被膜に耐摩耗性を付与することができるので、前記耐熱樹脂による潤滑性を長時間にわたって機能せしめることができる。

アルミ凝着現象の説明図であり、（ａ）はピストンの斜視図、（ｂ）はピストンのリング溝およびピストンリングの拡大斜視図、（ｃ）はピストンリングへのアルミ凝着を示す拡大斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ピストンのリング溝の状面および下面の表面状態の変化の様子を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、アルミ凝着メカニズムを示す断面図である。 アルミ凝着部分の拡大図である。 従来の樹脂コーティング処理を示す断面図である。 本発明のピストンリングの断面図である。 （ａ）は、図６に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、（ｂ）は図６に示すピストンリングの上表面の拡大正面図である。 実施例２４のピストンリングの断面拡大写真である。 実施例６のピストンリングの表面拡大写真である。 高温弁座摩耗試験機を示す図である。

符号の説明

１、６０…ピストンリング
２…ピストン溝上面
３…ピストン溝下面
１０…ピストン
６１…ピストンリング本体
６２…表面被膜
６３…耐熱樹脂
６４…銅系粉末

以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。

図６は、本発明のピストンリングの断面図である。

図７（ａ）は、図６に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、（ｂ）は図６に示すピストンリングの上表面の拡大正面図である。

図６に示すように、本発明のピストンリング６０は、ピストンリング本体６１と、その上面または下面の一方、またはその両方（図６にあっては両方）に形成された表面被膜６２とから構成されている。

本発明のピストンリング本体６１の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ−Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。また、ピストンリングの種類としては、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。

図６および図７に示すように、このような本発明のピストンリング本体６１の表面には、耐熱樹脂６３と該耐熱樹脂６３に含有された銅系粉末６４とからなる表面被膜が形成されている。

耐熱樹脂６３は、主にピストンリング表面に潤滑性を付与することを目的としており、一方で銅系粉末６４は、これが含有せしめられる表面被膜６２に耐摩耗性を付与し、これにより前記耐熱樹脂による潤滑性を長時間保持することを目的としている。

本発明の表面被膜６２を構成する耐熱樹脂６３としては、当該ピストンリングが用いられる環境（温度）に耐え得ることができ、かつ潤滑性を有しており、後述する銅系粉末を保持固定することができる樹脂であれば特に限定されることはない。具体的には、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂やポリイミド（ＰＩ）樹脂などを挙げることができる。

一方、本発明の表面被膜６２を構成する銅系粉末６４にあっては、純粋な銅の粉末の他、酸化銅の粉末や各種銅合金（例えば、黄銅合金）など、種々の銅系粉末を用いることができる。しかしながら、本発明において、銅系粉末は、前述の耐熱樹脂が摩耗するのを防止する役目がある一方で、相手材であるピストンリング溝を攻撃することは避けなければならず、あまり硬度が高すぎてはならない。このような観点からすると、銅系粉末の材質としては純銅や酸化銅が好ましい。

このような銅系粉末６４の形状については、本発明は特に限定することはなく、球形状や多角形状のような定形状であっても、不定形状であってもよい。しかしながら、前記銅系粉末の材質の説明においても言及したように、銅系粉末６４によって相手材であるピストンリング溝を攻撃することは避けなければならず、このような観点からすると、多角形状であることは好ましくなく、図７に示すような鱗片状であることが好ましい。銅系粉末６４の形状を鱗片状とし、図７に示すように、表面被膜の厚さ方向に重ねるように配置することにより、ピストンリング溝が傷つくことを防止することができる。

銅系粉末６４を鱗片状とした場合において、その大きさは特に限定することはないが、平均粒径を８〜１２μｍとすることが好ましい。平均粒径を８μｍ未満とすると、銅系粉末の微細化に必要なコストが高くなり、一方１２μｍより大きくすると、相手材となるピストンリング溝を攻撃するおそれがあるからである。なお、鱗片状の銅系粉末の粒径とは、図７（ｂ）に示す符号ｒの長さであり、鱗片の長軸の長さを意味する。

また、銅系粉末６４を鱗片状とした場合において、当該銅系粉末６４の比表面積は、０．６〜０．９ｍｍ^２／ｇであることが好ましい。非表面積が０．６ｍｍ^２／ｇ未満であると、耐熱樹脂６３と銅系粉末６４との密着性が不良となる場合があり（つまり、銅系粉末が耐熱樹脂により固定されない場合が生じる）、一方０．９ｍｍ^２／ｇより大きいと銅系粉末６４が大きすぎ、相手材であるピストンリング溝を攻撃する可能性が生じる。なお、本発明における比表面積とは、銅系粉末１ｇ当たりの表面積を意味し、空気透過法により測定した値である。

本発明のピストンリングを構成する表面被膜６２において、前記耐熱樹脂６３に対する前記銅系粉末６４の含有率については、耐熱樹脂６３が潤滑性能を十分に発揮し、かつ銅系粉末６４が耐摩擦性能を十分に発揮できる程度のバランスで適宜設定することができるが、具体的には、表面被膜６２全体に対する銅系粉末６４の含有率を２０〜８０質量％とすることが好ましく、５０質量％とすることが特に好ましい。銅系粉末の含有率が２０質量％未満では、表面被膜の摩擦による減少・消滅を効果的に防止することができず、またアルミ凝着を十分に防止することができない。一方で銅系粉末の含有率が８０質量％を超えると、表面被膜全体としてのフレキシブル性が低下するとともに、耐熱樹脂により銅系粉末を固定することが困難となり、銅系粉末が脱離してしまうおそれがある。

前記耐熱樹脂６３中には、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイトから選択された一種からなる固体潤滑材を含有させることが好ましい。このように、微量の固体潤滑材等を添加することで、アルミニウム凝着の初期なじみを向上させることができる。具体的な含有量としては、表面被膜全体６２に対する固体潤滑材の含有量を１〜１０質量％とすることが好ましい（この場合、銅系粉末６４の含有量が２０〜８０質量％とすると、その残部が耐熱樹脂となる。）。銅系粉末に加え固体潤滑材が含有された表面被膜をピストンリングの上下面に形成することにより、アルミニウム材からなるピストン材とのとの初期なじみ性、耐摩耗性を向上することができ、その結果、アルミニウム凝着の発生を防止し、耐久性に優れたピストンリングを提供することができる。図７には示していないが、固体潤滑材は耐熱樹脂６３中に均一に分布されることが好ましい。

本発明のピストンリングを構成する表面被膜６２の表面における銅系粉末６４がしめる面積比率（図７（ｂ）参照）は、６〜７４％であることが好ましい。当該面積比率をこの範囲内に限定することによって、耐熱樹脂６３と銅系粉末６４とのバランスが良好となり、それぞれの効果を十分に発揮することができる。

本発明における表面被膜６２の形成方法については特に限定することはなく、例えば、前述の銅系粉末６４を耐熱樹脂としてのポリアミドイミド樹脂に含有せしめ、これをスプレー塗装、浸漬塗装、静電塗装などによりピストンリング本体６１の表面に塗布してもよい。また、当該表面被膜６２は必要に応じて加熱焼成等の後処理を行ってもよい。

このような方法で形成された本発明における表面被膜の厚さについては、例えば３〜２０μｍ程度とすることが好ましい。

また、表面被膜６２を形成する前の段階で、ピストンリング本体６１における表面被膜６２が形成される表面に対し、前処理としての化成処理を施してもよい。化成処理としては、例えば、リン酸塩処理、より具体的にはリン酸マンガン処理等を挙げることができる。リン酸塩処理を行うことにより、ピストンリング本体６１の表面と表面被膜６２との密着性を向上せしめることができる。

本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。

（実施例１〜４６、比較例１〜８６）
以下に示す２種類の材料を用いてピストンリング本体に相当する部材を用意した。
・１０Ｃｒ材・・・Ｃ：０．５質量％、Ｓｉ：０．２質量％、Ｍｎ：０．３質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０１質量％、Ｃｒ：１０．２質量％、残部はＦｅおよび不可避不純物（実施例１〜２３、比較例１〜３８）
・ＪＩＳ ＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材・・・Ｃ：０．５５質量％、Ｓｉ：１．４質量％、Ｍｎ：０．６質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０２質量％、Ｃｒ：０．６５質量％、Ｃｕ：０．０８質量％、残部はＦｅおよび不可避不純物（実施例２４〜４６、比較例３９〜８６）
前記２種類の材料からなる部材の上面と下面の両方に、耐熱樹脂としてポリアミドイミド樹脂を用い、銅系粉末として鱗片状の銅粉（純度９９．５％）からなる粉末を用い、スプレー法にて、厚さ１０μｍの表面被膜を形成した。なお、用いた鱗片状の銅系粉末の平均粒径は９μｍであり、表面被膜全体に対する銅系粉末の添加量は、それぞれ表１、２に示す通りである。また、固体潤滑材として、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイトを添加した実施例もあり、これらの添加量は、それぞれ表１、２に示す通りである。また、部材としてＪＩＳ ＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材を用いた場合にあっては、表面被膜を形成する面にリン酸マンガン系化成処理を行った（表２参照）。このようにして形成された各ピストンリング試験片を、実施例１〜４６および比較例１〜７６とする（表１、２参照）。また、比較例７７〜８６として、部材としてＪＩＳ ＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材を用い、この上面と下面の両方に、従来から用いられているＭｏＳ₂、ＷＳ₂、もしくはグラファイトを含有するポリアミドイミド樹脂を含む表面被膜を５μｍの厚さで形成した。なお、添加した固体潤滑材の平均粒径は１〜７μｍである。

実施例２４のピストンリング試験片の断面拡大写真、および表面拡大写真を撮影した。その結果を図８および図９に示す。

図８中、複合樹脂層は図６、７に示す表面被膜６２である。図８中、ＰＡＩがポリアミドイミド樹脂からなる耐熱樹脂層６３を示し、図８中、Ｃｕは銅系粉末６４を示す。

また、実施例１〜４６および比較例１〜８６それぞれの試験片に対し、すべりたたき試験を行った。

この試験は、図１０に示す高温弁座摩耗試験機１０１を使用して行った。試験条件は、ストローク：４ｍｍ、繰り返し速度：５００回／分、リング回転数：３ｒｐｍ、試験時間：７時間、ピストンの温度：約２５０℃、ピストンの材質：アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）、とした。

なお、すべりたたき試験とは、ピストン材１０３を試験機１０１に対して軸方向移動不能に固定し、ピストンリング試験片１０２をピストン材１０３に同心円上に装着し、ピストンリング試験片１０２の内局面側に備わっている鋳鉄製円棒１０５を軸方向に往復させて行う試験であり、ピストンリング試験片１０２を回転しつつピストン材１０３をたたく動作モードを付与した試験方法である。試験機１０１は、被験材加熱用のヒータ１０４を有しており、実際に燃料を燃焼させずともエンジン内の燃焼時の高温状態を再現することができ、ピストン材の状態変化を模すことができる。

当該試験によりピストン側の摩耗量とピストンリング側の摩耗量を評価した。なお、摩耗量は表面粗さ計にて段差を測定し、比較例５の摩耗量を１００とした場合におけるそれぞれの摩耗量を算出した。

評価結果を以下の表１、２に示す。

表１、２に示す実施例１〜４６と従来技術である比較例７７〜８６を比較すれば明らかなように、本願発明の実施例のピストンリング試験片にはアルミ凝着がみられない。また、実施例１〜１０と比較例１〜４とを比較すれば明らかなように、銅系粉末の添加量が１５％ではアルミ凝着が発生している。また、銅系粉末の添加量が９０％ではアルミ凝着は発生しないが、銅系粉末の影響が大きくなるため、ピストンの摩耗量が従来技術としての比較例５と変わりなく好ましいとは言い難い。この結果からも、銅系粉末の添加量は２０〜８０％であることが好ましいことが分かる。

Claims (5)

1. ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリングの上面と下面の両方に形成される表面被膜とからなるピストンリングであって、前記表面被膜は、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された銅系粉末とから構成され、かつ、前記表面被膜全体に対する銅系粉末の含有率が２０〜８０質量％であり、
   前記銅系粉末が、純銅、酸化銅、または銅合金の何れかであり、
   前記銅系粉末の形状が、鱗片形状であり、その平均粒径が８〜１２μｍであり、
   前記耐熱樹脂が、ポリアミドイミド樹脂またはポリイミド樹脂の何れかであることを特徴とするピストンリング。
2. 前記銅系粉末の比表面積が０．６〜０．９ｍｍ ² ／ｇであることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記表面被膜の表面における銅系粉末が占める面積比率が、６〜７４％であることを特徴とする請求項１または２に記載のピストンリング。
4. 前記ピストンリング本体における前記表面被膜が形成される面には、化成処理が施されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一の請求項に記載のピストンリング。
5. 前記耐熱樹脂中には、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイトから選択された一種からなる固体潤滑材が含有されており、前記表面被膜全体に対する当該潤滑材の含有率が２〜１０質量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一の請求項に記載のピストンリング。