JPH01206162A - ピストン−ピストンリングアッセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ピストンとピストンリングから成るアッセン
ブリに関する。

［従来の技術］ 車両用内燃機関等に用いられるピストン−ピストンリン
グアッセンブリは耐熱性を要求される。

ピストン母材がＡ１合金から成る場合、機関出力が上っ
てピストンおよびピストンリングの温度が上がってくる
と、ピストンのＡ１合金母材が柔らかくなって、高温強
度が低下しピストンリングにＡ１合金母材が凝着してピ
ストンリングのスティックを起すおそれが出てくる。ス
ティックが生じると、シリンダボアへの追従性悪化によ
ってピストンリングおよびボア壁面の摩耗の急激な進行
や、ピストンリング合口部近傍の局部的加熱によるピス
トンリング溝壁の損傷等を生じるので、スティックは防
止されなければならない。

母材が／１合金から成るピストンとピストンリング間の
スティックを防止するためにとられていた従来の代表的
方法として、セラミックファイバーをピストンのピスト
ンリング溝近傍に鋳込む方法（実開昭５９−８１７５６
号公報）や、ピストンリング溝に硬化処理を施す方法、
具体的にはピストンリング溝にアルマイト処理を施しそ
の上にＴｉＮ層をコーティングする方法（実開昭６２−
１３７３６１号公報）等がある。

上記の他、実開昭６０−８２５５２号公報は、自己潤滑
性に富みかつ他物質が付着し難い接着性が悪い四弗化エ
チレン被膜をピストンリング表面に形成し、ピストン／
ｌ母材のピストンリングへの凝着を抑制する技術を開示
しており、実開昭５９−１８４３４６号公報はピストン
リングではないがオイルリングをポリアミド樹脂から構
成しボアへの追従性を向上させる技術を開示している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来技術には次の欠点があった。

セラミックファイバーにＡＡを鋳込む方法によるときは
、セラミックファイバーに／ｌ溶湯をしみ込ませるのに
、重力鋳造に代えて加圧鋳造を用いなければならないの
で、高価なものとなる。

ピストンにアルマイト処理を含む硬化処理を施す方法に
よるときは、アルマイト処理によってピストンリング溝
表面の粗さが粗くなり、この粗面とピストンリング表面
間に形成される空隙を通ってオイル消費やブローバイガ
ス量が増大するという二次的問題を発生してしまう。

四弗化エチレン被膜をピストンリングに形成する方法に
よるときは、四弗化エチレン被膜が剥がれたときには急
激に摩耗が進行し、ピストンリング溝表面にアルマイト
処理を施す場合に比べて信頼性が低い。

リング全体をポリアミド樹脂で構成する方法は、低温の
オイルリングに適用できても、高温となるトップリング
には適用できない。

本発明は、上記従来技術の欠点を解決すべく、ピストン
−ピストンリングアッセンブリの耐熱性を向上させ、Ａ
ｎ凝着を防止することを課題とする。

本発明は上記課題をピストンリング溝の硬化処理を含む
方法によって達成するわけであるが、−般に硬化処理は
溝表面に粗さを増大ざぜるので、たとえ硬化処理によっ
て面粗度が悪化しても、オイル消費の増大ヤブローバイ
量の増大を伴なわないようにすることを副次的課題とす
る。

［課題を解決するための手段］ 上記課題は本発明によれば、次の（１）のピストン−ピ
ストンリングアッセンブリによって達成される。

（１）　ピストンリング溝の、少なくともトップリング
溝下面を含む溝表面が、面粗ざの増大を伴なう表面硬化
処理を施されている、母材が／１合金から成るピストン
と： 前記ピストンリング溝に嵌着され、少なくとも前記硬化
処理を施されている溝表面に対向する表面に高接着性の
樹脂を主成分とする被膜がコーティングされているピス
トンリングと： から成ることを特徴とするピストン−ピストンリングア
ッセンブリ。

なお、高接着性の樹脂は高濡れ性の樹脂の意であり、他
物質を排除するすなわち濡れ性のない四弗化エチレンは
含まない。

上記ピストン−ピストンリングアッセンブリは次の態様
をとることができる。

（２〉　前記面粗さの増大を伴なう表面硬化処理がアル
マイト処理である（１）記載のピストン−ピストンリン
グアッセンブリ。

（３）　前記高接着性の樹脂がポリアミド樹脂である（
１）記載のピストン−ピストンリングアッセンブリ。

（４）　前記高接着性の樹脂がポリイミド樹脂である（
１）記載のピストン−ピストンリングアッセンブリ。

（５）　前記高接着性の樹脂を主成分とする被膜が、二
硫化モリブデン（ＭＯ３２＞、グラファイト、鉄系酸化
物の何れか一以上を含んでいる（１）記載のピストン−
ピストンリングアッセンブリ。

（６）　前記アルマイト処理の硬化層の厚さが１５±５
ミクロンの範囲にある（２）記載のピストン−ピストン
リングアッセンブリ。

（７）　前記アルマイト処理の硬化層の粗さが凹凸の山
と谷との高さ方向間隔で４〜１６ミクロンの範囲にある
粗さである（２）記載のピストン−ピストンリングアッ
センブリ。

（８）　前記アルマイト処理の硬化層の硬さがヌープ硬
さでＨｋ３００〜４５０の範囲にある（２）記載のピス
トン−ピストンリングアッセンブリ。

（９）　前記コーティング被膜の厚さが３〜１３ミクロ
ンの範囲にある（１）記載のピストン−ピストンリング
アッセンブリ。

［作　用］ 上記（１）のピストン−ピストンリングアッセンブリに
おいては、ピストンリング溝は、負荷的、熱的に最も厳
しい面となるトップリング溝下面を少なくとも含み表面
が硬化処理、たとえばアルマイト処理されるので、たと
えば硬化処理前の／１合金母材のヌープ硬さＨｋ２００
以下がＨｋ３００〜４５０に硬化されるので、その耐熱
性は著しく向上される。

この効果処理は通常アルマイト処理であり、硬化した表
面を山谷の間隔で４〜１６ミクロンの粗さに粗くしてし
まう。この粗くされた表面にピストリングの対向面があ
たるとピストンリングの平坦面とアルマイト処理の粗面
との間に空隙が形成されてオイル消費およびブローパイ
量の増大を生じるので、この空隙は小とされなければな
らない。

そのためには粗化されたアルマイト処理面を研摩するこ
とも考えられるが、研摩のバイトが溝高さが１〜２Ｍの
ピストンリング溝に入りにくいこと、研摩はコストが高
くつくこと等により、実用的でない。

本発明では、ピストンリング側にコーティングされた高
接着性の樹脂を主成分とする被膜が、この空隙を埋める
ように作用する。エンジン運転中ピストンがシリンダ内
に往復動されると、ビスｌ〜ンリングはピストンリング
溝内を上下に動く他、ピストン軸心まわりに回転し、ピ
ストンリング表面とピストンリング溝表面はこすれ合う
。このとき、ピストンリングの高接着性樹脂を主成分と
する被膜はアルマイト処理表面のギザギザで徐々に削り
とられて、ギザギザの谷に入って凝着し谷を埋める。四
弗化エチレンのような他物質を排除する性質の樹脂は谷
に凝着せず飛んでしまうので谷を埋めないが、本発明で
は高接着性の樹脂を用いているので谷が埋められていく
。またポリアミド、ポリイミド樹脂はギザギザ面に押し
つけられたとき谷を埋めるように変形するので、この変
形もギザギザ面の谷の空隙を少なくするように作用する
。

これらの作用によって、オイル消費、ブローバイの増大
は、効果的に抑制され、またコーティング被膜による潤
滑性によりピストンリングの回転も良好に保たれピスト
ンリングの凝着を阻止できる。

［実施例］ 以下に、本発明に係るピストン−ピストンリングアッセ
ンブリの望ましい実施例を、図面を参照して説明する。

第２図はピストンリング、オイルリングを装着した、内
燃機関用ピストンを示している。ピストン２は周方向全
周にわたって延びる少なくとも１本のピストンリング溝
４．６とその下方のオイルリング溝８を有し、ピストン
リング溝４．６にはそれぞれピストンリング１０．１２
が、オイルリング溝８にはオイルリング１４が、それぞ
れ嵌着される。

最上位のピストンリング溝４がトップリング溝であり、
以下下方に向って、セカンドリング溝６、サードリング
溝・・・・・・どなる。トップリング溝４に嵌着される
ピストンリング１０がトップリングであり、以下下方に
向ってセカンドリング１２、リードリング、・・・・・
・どなる。ピストン２は燃焼室に面するピストン頂面か
ら熱をうけ、その多くをピストンリングを介してシリン
ダボアへと逃がすが、トップリング１０を介して移動す
る熱量が大きいので、トップリング溝４近傍は、他のリ
ング溝６、オイルリング溝８に比べて熱的に厳しく、２
００〜３００℃にもなり、燃焼圧力でトップリング１０
が押しつけられて負荷的にも厳しくなる溝下面で最高２
００℃以上になる。

ピストン２はＡ１合金母材から成る。Ａ１合金から成る
ピストンのトップリング溝に、トップリング溝を表面硬
化処理しないでトップリングを嵌着してエンジンを運転
すると、２００〜２３０℃を越えると／１合金の高温強
度低下により、２００〜３００℃にもなるトップリング
溝部位で、トップリングに／１合金が凝着するおそれが
ある。これを防止するために、ピストンリング溝４．６
には、少なくともトップリング溝４を含み、少なくとも
溝下面４ａ　（６ａ＞表面に、面粗さの増大を伴なう硬
化処理が施されている。

ここで、少なくともトップリング溝４としたのは、トッ
プリング溝４が最も熱的に厳しいからであり、セカンド
リング溝６、サードリング溝、・・・・・・の表面にも
硬化処理を施してもよいことを意味しており、また少な
くとも溝下面４ａ、　６ａとしたのは、溝下面４ａ、６
ａが負荷的に最も厳しいからであり、溝上面４ｂ、６ｂ
、溝底面４Ｃ１６Ｇにも硬化処理を施してもよいことを
意味している。また面粗さの増大を伴なう硬化処理には
、アルマイト処理や、アルマイト処理を施してその上に
ＴｉＮ　（チタンナイトライド）層をイオンブレーティ
ングによってコーティングする場合を含む。

アルマイト処理をすると処理表面はギザギザの粗い表面
になり、ギザギザの山と谷との間隔は４〜１６ミクロン
程度になる。またアルマイト処理の下地の上にＴｉＮ層
をコーティングすると、ＴｉＮ層はアルマイト処理下地
の凹凸に倣って凹凸するので、ＴｉＮ層の表面も同様に
粗くされた表面となる。硬化処理を施したくない面はマ
スキングされ、その状態でピストン２はアルマイト処理
用液につけられて必要な面がアルマイト処理される。

第１図は、硬化処理されたピストンリング溝とそれに嵌
着されたピストンリングをたとえばトップリングの例で
示している。硬化５１！！理がアルマイト処理による場
合、その硬化層１６の厚さは、１５±５ミクロンの範囲
にあることが望ましい。最小厚さ１０ミクロンの根拠は
、アルマイト処理硬化層１６といえども、エンジン運転
中に摩耗するので、必要な寿命をもたすには約１０ミク
ロンの厚さが必要であるからである。また、最大厚さ２
０ミクロンとしたのは、硬化層の厚さを大にしていくと
尖った山の確率が増えていきそれが摩耗したときにピス
トンリングとの間の不必要なガタを不必要に増やしてし
まい、オイル消費とブローパイ量を増大させてしまうか
らである。

アルマイト処理硬化層１６の形成は、ピストン２の非処
理面をマスキングして、しゆう酸、５Ａ酸を含むアルマ
イト処理用液につけることによって行なうが、アルマイ
ト処理自体は公知である。アルマイト処理硬化層１６を
、厚さで１０〜２０ミクロン形成すると、粗さはギザギ
ザの凹凸の山と谷との高さ方向間隔が約４〜１６ミクロ
ンの範囲にある。

硬化処理がアルマイト処理による場合、アルマイト処理
硬化層１６の硬さはヌープ硬さでＨｋ３００〜４５０と
なり、Ａｌ合金母材のヌープ硬さＨｋ２００以下に対し
て著しく硬化される。この硬化によって、ピストンリン
グへのＡｎ凝着が生じなくなる。負荷的、熱的に最も厳
しくなる、トップリング溝下面４ａの温度が最大２００
’Ｃ〜３００℃であるから、アルマイト硬化処理層１６
はこの温度に十分耐え、／ｌの軟化によるピストンリン
グ凝着を阻止する。

上記の如くアルマイト処理硬化層１６は粗面となるので
、何らの対策も施されなければ、ピストンリングの平坦
面との間に空隙を形成し、オイル消費、ブローパイ量の
増大を伴うであろう。しかし、本発明では、かかるオイ
ル消費、ブローパイ量の増大は、以下に述べる如く、ピ
ストンリング側の、少なくともピストンリング溝の硬化
処理面に対向する面にコーティングした、高接着性の樹
脂を主成分とする被膜１８によって、防止される。ここ
で、高接着性とは、ピストンリング表面にもピストンリ
ング溝表面にも高濡れ性をもって凝着する樹脂を言い、
催物質を排除する、濡れ性のない、四弗化エチレン樹脂
のような樹脂は含まない。

高接着性の樹脂の例としては、たとえば、ポリアミド樹
脂、ポリイミド樹脂がある。ポリアミド樹脂、ポリイミ
ド樹脂は、その使用許容温度が一７０℃〜３６０℃であ
り、トップリング溝近傍の温度に耐え得、かつ良好な潤
滑性（ピストンリングのピストンリング溝に対する上下
動および相対回転動を与える潤滑性）も得られる。

高接着性の樹脂を主成分とする被膜１８は、二硫化−［
リブデン（ＭＯ３２＞、グラフフィト（Ｃ）、鉄系酸化
物の何れか一以上を含んでもよい。かかる成分を含むこ
とによって、被膜１８の耐熱性、潤滑性が向上される。

コーティング被膜１８の厚さは、３〜１３ミクロンの範
囲にあることが望まれる。３〜１３ミクロンはピストン
リングの上下面にコーティングされる場合は片側で３〜
１３ミクロンを意味する。３ミクロンは、コーティング
被膜１８がエンジン運転中にピストンリング溝のアルマ
イト処理硬化層１６の粗面によって該粗面が摩耗する迄
の開栓々に削りとられていくとき粗面の谷を埋めるのに
必要な最小限の値である。また、最大限界１３ミクロン
は、コーティング被膜１８が徐々に削りとられていって
ピストンリングとピストンリング溝との隙間が増大して
も、不必要にピストンリングをガタつかせないための限
界値である。もしも必要以上にピストンリングがピスト
ンリング溝内でガタつくとピストンリングの姿勢がずれ
てオイル消費、ブローパイ量を増大させてしまうので、
それは避けられなければならない。

ピストンリングのコーディング被膜１８は、ピストンリ
ング溝の硬化処理層１６の粗面によって、エンジン運転
中途々に削りとられ、この削りとられた高接着性樹脂を
主成分とする材料は、硬化処理層１６の粗面の凹凸の谷
を埋めるようにピストンリング溝表面の硬化処理された
粗面に移行して凝着していき、粗面とピストンリング平
坦面との間に形成される隙間を小にする。高接着性の樹
脂はピストンリング溝表面側に移行して凝着できるが、
四弗化エチレン樹脂のような排他的な、すなわち漂れ性
を有しない樹脂には、このような谷を埋める作用はない
。これが、本発明において、従来ピストンリング表面に
コーティングされることのあった四弗化エチレン樹脂を
除外する理由であり、本発明が従来技術と全く異なる、
凝着による谷埋めという、物理現象を利用していること
を理解する助けとなる。また、コーティング被膜１８は
、ピストンリングがピストンリング溝の硬化処理層１６
に押しつけられたとき、粗面の山の先端が被１１１８に
くいこみ、その結果被膜１８のくい込まれた部分の両側
は谷を埋める側に変形し、これによってもピストンリン
グ溝粗面とピストンリング平坦面との間の隙間は埋めら
れる。コーティング被膜１８の有する上記２つの谷埋め
作用によって、オイル消費、ブローパイ量の増大は効果
的に抑制される。

第３図は、コーティング被膜１８によるオイル消費の増
大抑制作用を、試験結果で示している。

同じエンジンにおいて、同じ吸気管負圧下で、同時間運
転し、トップリング溝をアルマイト処理したアルマイト
ピストンとコーティング被膜を施さない無処理トップリ
ングとの組合せを３例（ｎ＝３）と、同じ条件でトップ
リング溝をアルマイト処理したアルマイトピストンと高
接着性樹脂にＭｏＳ２、グラファイトを配合したコーテ
ィング被膜を施したコーティングトップリングの組合せ
を３例（ｎ＝３＞とを、オイル消費比率で比較して、第
３図に示した。試験例で最もオイル消費の大であったも
のを比率で１．０として示しである。

第３図から明きらかな如く、ピストンリングに高接着性
樹脂を主成分とするコーティング被膜を施すことにより
、ｔＭすない場合に比べて、オイル消費を約１７３に低
減させることができた。この低減されたオイル消費率は
、開発目標のオイル消費率を、十分に下まわっていた。

［発明の効果］ 本発明によれば、次の効果を得る。

第１に、溝の、少なくともトップリング溝下面を含む溝
表面に、アルマイト処理等の、面の粗さ増大を伴なう硬
化処理を施したので、ピストン−ピストンリングアッセ
ンブリの耐熱性が向上され、ピストンリング凝着および
それに伴なう不具合を解決できた。

第２に、ピストンリング溝硬化処理による粗さ増大にも
かかわらず、ピストンリングの、少なくとも前記硬化層
に対面する面に、高接着性樹脂を主成分とするコーティ
ング被膜を施したので、粗面のギザギザの谷を埋めるこ
とができ、オイル消費の増大、ブローパイ量の増大を、
効果的に抑制できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、少なくとも一部に硬化処理を施されたピスト
ンリング溝と、そこに嵌着されたピストンリングと、そ
の近傍の拡大断面図、 第２図は、本発明の一実施例に係るピストン−ピストン
リングアッセンブリの全体断面図、第３図は、アルマイ
ト処理ピストン−無処理コーティングピストンリングと
、アルマイト処理ピストン−コーティング被膜ピストン
リングと、のオイル消費試験結果比較図、 である。 ２・・・・・・・・・・・・ピストン 第 ４．６・・・・・・ピストンリング溝　　　　　　　　
イ済 ４ａ、６ａ・・・ピストンリング溝４．６の　　　費率 下面 １０１１２・・・・・・ピストンリング１６・・・・・
・・・・・・・硬化処理層、たとえばアルマイト硬化処
理層 １８・・・・・・・・・・・・高接着性樹脂を主成分と
する］−ティング被膜 特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社（ｆｉ−
ｊ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ピストンリング溝の、少なくともトップリング溝下
   面を含む溝表面が、面粗さの増大を伴なう表面硬化処理
   を施されている、母材がＡｌ合金から成るピストンと； 前記ピストンリング溝に嵌着され、少なくとも前記硬化
   処理を施されている溝表面に対向する表面に高接着性の
   樹脂を主成分とする被膜がコーティングされているピス
   トンリングと； から成ることを特徴とするピストン−ピストンリングア
   ッセンブリ。