JP5719031B2 - ピストンリング - Google Patents
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Description
本実施形態のピストンリングを構成するピストンリング母材8は、加工性や耐熱性に加え、リング溝との衝突が繰り返されることから、所定の強度や耐摩耗性を有することが望ましい。好ましい材料としては、鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等が挙げられる。また、耐摩耗性を向上させるため、ステンレス鋼では窒化処理、鋳鉄では硬質クロムめっきや無電解ニッケルめっき処理を施したピストンリング母材を用いてもよい。
本実施形態の樹脂系皮膜とピストンリングとの密着性を向上させるため、ピストンリング母材の表面(上面及び下面)には、リン酸塩皮膜を形成してもよい。リン酸塩皮膜としてはリン酸亜鉛系、リン酸マンガン系、リン酸カルシウム系の皮膜が挙げられる。また、リン酸塩皮膜以外の化成処理皮膜や酸化膜を形成することもできる。表面に硬質クロムめっき皮膜や無電解ニッケルめっき皮膜等が形成されているピストンリングには、化成処理皮膜が形成できない。従って、皮膜の密着性を確保するために無機質の汚れや有機質の汚れをピストンリング母材の表面から除去するのが望ましい。また、表面の粗さ調整を兼ねてブラスト処理をピストンリングに行ってもよい。汚れの除去とブラスト処理の両方を実施してもよい。
本実施形態のピストンリングを被覆する樹脂系皮膜は、ポリイミドと、アルミナからなる板状充填材と、からなることを特徴とする。内燃機関では、高温下、燃焼圧力によりピストンリングと、ピストンのリング溝表面との間で衝突が繰り返され、同時に、ピストンリング表面とリング溝表面は周方向に摺動している。本実施形態の樹脂系皮膜中では、硬質の板状充填材が皮膜表面に対してほぼ平行に配列するため、相手材であるピストンのリング溝表面を荒らすことなく、リング溝表面の突起を摺動の初期段階にて摩滅させることができる。この効果を、平滑化効果という。このようにリング溝の突起が早期に消失することにより、リング溝表面がピストンリングと衝突及び摺動する際のピストンリングの攻撃力(リング溝表面のダメージ)が大幅に低減する。また、硬質高強度の板状充填材が分散された本実施形態の樹脂系皮膜は高強度で耐摩耗性に優れ、樹脂系皮膜中に点在する硬質な板状充填材により、前記衝撃による応力が緩和されるため、高出力エンジンにおいても長期にわたって皮膜が維持される。さらに、突起が消失した後、樹脂系皮膜中の硬質の板状充填材との摺接により、リング溝表面のアルミニウム合金のうち、軟質のアルミニウムが選択的に摩耗し、リング溝表面に初晶シリコンが突出する。このため、アルミニウムとピストンリングとの接触が抑えられ、アルミニウム凝着を効果的に防止することができる。この状態では、樹脂系皮膜中の硬質の板状充填材と初晶シリコンとの摺接が支配的となるが、両者の硬度差は小さく、且つ樹脂系皮膜及びリング溝表面の滑らかな平坦面同士が摺接する。そのため、高温高負荷条件下においても、ピストンリング及びピストンのいずれの摩耗も小さく、両方の理想的な摺動面が維持される。このため、本実施形態のピストンリングでは、高出力エンジンにおいても長期にわたり、優れたアルミニウム凝着防止効果を維持できる。
本実施形態の皮膜の形成方法は、特に限定されず、スプレーコーティング、スピンコーティング、ロールコーティング、ディップコーティング、印刷法等の公知の方法を用いることができる。ただし、塗布効率、塗り斑(paint unevenness)の発生を抑えるという観点から、印刷法が好ましい。コーティング液、又はインクの調製方法は、特に限定されない。例えば市販のポリイミド等のワニスに板状充填材を分散させた液に、必要に応じて溶剤を添加して、液の粘度を最適値に調整することによって、コーティング液を調製してもよい。コーティング液の調製、又はインクの粘度の調整に用いる溶剤や添加剤は、コーティング方法、又は印刷方法により適宜選択される。分散方法としては、ロールミルが用いられる。この時、必要に応じて分散剤等を適宜添加してもよい。
低クロム鋼で作製したピストンリングの外周面に、イオンプレーティング法により、厚さ約30μmのCrN皮膜を形成した。得られたピストンリングをアルカリ脱脂した後、約80℃に加熱したリン酸マンガン水溶液中に5分間浸漬し、ピストンリングの外周面以外の面に厚さ約2μmのリン酸マンガン皮膜を形成した。ポリイミドワニス(株式会社I.S.T製 RC5057)に、充填材(添加材)として平均粒径10μm、アスペクト比100の板状アルミナ粉末(板状充填材)を添加し、撹拌機を用いて十分に撹拌した後、ロール間隔を最小にした三本ロールミルに通して、皮膜用コーティング液を調製した。ここで、板状アルミナ粉末の添加量は、皮膜全体に対して、10体積%となるように調整した。リン酸マンガン皮膜を形成したピストンリングの上面及び下面に、皮膜用コーティング液をスプレーコーティングした後、100℃で5分間乾燥し、さらに、300℃の電気炉で1時間加熱した。以上の方法により、ピストンリングの上面及び下面を樹脂系皮膜で被覆した。ピストンリングの上面及び下面における樹脂系皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
ポリアミドイミド樹脂(東洋紡績株式会社 HR13NX)をN-メチル-2-ピロリドンで希釈した液に、平均粒径10μm、アスペクト比100の板状アルミナ粉末(板状充填材)を添加し、撹拌機を用いて十分に撹拌した後、ロール間隔を最小にした三本ロールミルに通して、皮膜用コーティング液を調製した。ここで、板状アルミナ粉末の添加量は、皮膜全体に対して、10体積%となるように調整した。得られたコーティング液を用いて、実施例1と同様のピストンリングの上面及び下面に、実施例1と同様の方法で、樹脂系皮膜を形成した。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
板状充填材をアルミナ粉末から板状炭化ケイ素粉末(平均粒径:10μm、アスペクト比:100)に変更した以外は、実施例1と同じ条件下でピストンリングの上面及び下面に樹脂系皮膜を形成した。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
板状充填材として、平均粒径が、それぞれ1μm(参考例4)、2μm(参考例5)、20μm(実施例6)、及び30μm(参考例7)の板状アルミナ粉末を用いた以外は実施例1と同じ条件下でピストンリングの上面及び下面に樹脂系皮膜を形成した。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
板状充填材として、アスペクト比が、それぞれ10(参考例8)、20(実施例9)、200(実施例10)及び300(参考例11)の板状アルミナ粉末を用いた以外は実施例1と同じ条件下でピストンリングの上面及び下面に樹脂系皮膜を形成した。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
皮膜全体の体積を100として、板状アルミナ粉末の添加量をそれぞれ、0.05体積%(実施例12)、0.1体積%(実施例13)、30体積%(実施例14)及び40体積%(実施例15)とした以外は実施例1と同じ条件下で、ピストンリングの上面及び下面に樹脂系皮膜を形成した。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
添加材として板状アルミナ粉末の代わりに固体潤滑剤を用いたこと以外は実施例1と同じ条件下でピストンリングの上面及び下面に皮膜を形成した。固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン粉末(平均粒径2μm)及びグラファイト粉末(平均粒径2μm)を用い、添加量は皮膜全体の体積を100として、それぞれ5体積%とした。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
ポリアミドイミド樹脂(東洋紡績株式会社 HR13NX)をN-メチル-2-ピロリドンで希釈した液に、平均粒径0.5μmの球状アルミナ粉末を添加し、攪拌機を用いて、十分に撹拌した後、ロール間隔を最小にした三本ロールミルに通し、コーティング液を調製した。ここで、球状アルミナ粉末の添加量は、皮膜全体の体積を100として、10体積%とした。得られたコーティング液を用いて、実施例1と同様のピストンリングに、実施例1と同様の方法で、皮膜を形成した。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
添加材を板状アルミナ粉末から平均粒径0.5μmの球状アルミナ粉末に変更した以外は実施例1と同じ条件下で、ピストンリングの上面及び下面に皮膜を形成した。球状アルミナ粉末の添加量は、皮膜全体の体積を100として10体積%とした。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。
添加材を板状アルミナ粉末から平均粒径10μmの鱗片状銅粉末に変更した以外は実施例1と同じ条件下で、ピストンリング上面及び下面に皮膜を形成した。鱗片状銅粉末の添加量は、皮膜全体の体積を100として20体積%とした。ピストンリングの上面及び下面における皮膜の厚さはいずれも約10μmであった。上記の実施例1,6,9,10及び12〜15と参考例2〜5及び7,8,11と比較例1〜4の各皮膜の形成条件を表1に示す。
単体凝着試験では、実施例1,6,9,10及び12〜15と参考例2〜5及び7,8,11と比較例1〜4のピストンリング3を、ガソリンエンジンと同様の環境を擬似的に模した図2に示す単体凝着試験機に装着して、以下の方法により、アルミニウム凝着についての評価を行った。ピストンリング3を、3.0mm/sで回転させながら、アルミニウム合金製のピストン材2(リング溝に相当)を上下に往復運動させ、所定間隔で、面圧5MPaの荷重をピストンリング3にかける単体凝着試験を5時間行った。ここで、ヒーター1と熱電対5を用いて、ピストン材2の温度が250℃±1℃になるように制御し、ピストンリング3に所定間隔で一定量の潤滑油を窒素ガスとともに噴霧した。
1μm以上〜3μm未満:○、1μm未満(リン酸マンガン皮膜有り):△、 1μm未満(リン酸マンガン皮膜無し):×
有るが軽微:△、 有り:×
0.3μm以上〜0.5μm未満:○、0.5μm以上〜0.7μm未満:△、 0.7μm以上:×
良好:○、 比較的良好:△、不可:×
2・・・ピストン材
3・・・ピストンリング
4・・・温度コントローラー
5・・・熱電対
Claims (3)
- シリコンを含むアルミニウム合金で形成されたピストンのリング溝に装着されるピストンリングであって、
アルミナからなる板状充填材と、ポリイミドと、からなる樹脂系皮膜によって、上面及び下面の少なくとも一方が被覆され、
前記樹脂系皮膜は、前記板状充填材及び前記ポリイミドをロールミルに通して調製されたコーティング液を用いて形成され、
前記板状充填材の平均粒径が、10μm〜20μmであり、
前記板状充填材のアスペクト比が、20〜200である、ピストンリング。 - 前記板状充填材の含有量が、樹脂系皮膜に対して0.1〜30体積%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。
- 前記板状充填材は、前記樹脂系皮膜の表面に対して略平行に配列している、請求項1又は2に記載のピストンリング。
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