JPH0127145B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 開示技術は自動車等のレシプロエンジンのシリ
ンダボアとピストンリングの耐スカツフ性、耐摩
耗性が向上されるなじみ材料の組合せの技術分野
に属する。

而して、この発明は自動車等に装備されるレシ
プロエンジンのシリンダボアと該シリンダボアに
挿入されて進退運動するピストンのピストンリン
グとの組合せにおいて、該シリンダボアが合金製
であり、ピストンリングの少くともシリンダボア
に対する摺動面に熱処理を施して硬さ向上がされ
て硬度差が小さくされてあるシリンダボアとピス
トンリングとの組合せに関する発明であり、特
に、該シリンダボアを過共晶Al−Si合金製とし、
一方、ピストンリングを鉄系素材製としてその素
材の鋼、鋳鉄、鋳鋼に焼入れ、焼戻し、浸炭、軟
窒化等を含む窒化処理を施し、シリンダボアの初
晶Siの硬さに対して硬度差が設定値以下になるよ
うにしたシリンダボアとピストンリングの組合せ
に係る発明である。

＜従来技術＞ 周知の如く、例えば、自動車のレシプロエンジ
ンのシリンダボアに対するピストンリングの組合
せ条件としては該シリンダボアに対するピストン
の不可避的な摺動の関係から耐摩耗性、耐スカツ
フ性に優れていることが必要であり、加えて、軽
量化が図れて燃費向上に与り得ることが条件とさ
れている。

而して、これに応うるに、シリンダボアとして
は軽量性、硬さ等の点で、例えば、特開昭50−
148236号公報発明に示されているように過共晶
Al−Si合金製のものが適していることが技術的
には分つてはいるが、ピストンリング材との最適
な組合せについては開発されていない。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、該種シリンダボアと硬質クロム
メツキ処理されたピストリング、或は、FC23
［改］材製の鋳鉄ピストンリングとの組合せによ
るレシプロエンジンを通常の台上運転、及び、実
車走行試験を行なつた場合、焼付による異常摩
耗、或は、異物侵入状態での異常摩耗を起す等の
欠点があり、実用化不能であつた。

蓋し、該過共晶Al−Si合金製のシリンダボア
においては組織中の初晶Siの硬度がHv1000以上
と極めて硬く、したがつて、上記素材製のピスト
ンリングがシリンダボアの初晶Siにより削られて
摩耗し、又、摩耗粉により逆にシリンダボアの過
共晶Al−Si合金が摩耗し、それらが更にシリン
ダボアとピストンリングの相互摩耗を増進させる
ように作用するからであり、又、耐スカツフ性に
ついても同様で、シリンダボアの初晶Siの硬さが
トリガーになつて耐スカツフ性が低下することに
なるからである。

これに対処するに該過共晶Al−Si合金製シリ
ンダボアについてはFeメツキ、もしくは、Ni−
SiC複合メツキを施したり、Fe系材料溶射等の表
面処理を行つて耐摩耗性向上を図るようにした技
術もあるが、前者ではメツキ排液処理に伴う公害
問題が不可避となる難点があり、他方、後者では
溶射層の密着強さが必ずしも充分でないという不
具合さがあつた。

耐スカツフ性については所謂ECM処理や、該
ECM処理にグラフアイトコーテイング、テフロ
ンコーテイング処理する等の手段もとられている
が、これまでのところ、満足すべき性能が得られ
ていない。

したがつて、現実には、例えば、FC23のよう
な片状黒鉛鋳鉄シリンダライナがシリンダボアに
用いられ、その結果、重量軽減が図れないという
不利点を有していた。

このように、在来技術ではシリンダボアとピス
トンリングの各々一方側に良好なデータを有する
ものはあつたが相方になじみ性の良い組合せは得
られていなかつた。

この発明の目的は上述従来技術に基づくシリン
ダボアとピストンリングのなじみ性の良い組合せ
の問題点を解決すべき技術的課題とし、ピストン
リング材、及び、シリンダボア材として公知の技
術同志を組合せるものではあるが、過共晶Al−
Si合金の摩擦摩耗特性を初晶Siの存在を中心に考
察し、これに組合せるに優れた耐焼付性、耐摩耗
性を得るピストンリング材として、鉄系材に熱処
理を施したものを見いだし両者の摺動面の硬さの
差を最小にするような熱処理を施すことにより、
シリンダボアについては本来的に利点を有する過
共晶Al−Si合金製にすることが出来、これに対
しなじみ性が良好で相性が良く、シリンダボア側
の初晶Siとの硬さの差を小さくする軟窒化を含む
窒化処理が可能な合金鋼等の鉄系基材とピストン
リング素材とし、軽量化も図れ、耐摩耗性、耐ス
カツフ性が向上されるようにして自動車産業にお
けるエンジン技術利用分野に益する優れたシリン
ダボアとピストンリングの組合せを提供せんとす
るものである。

＜課題を解決するための手段＞ 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とす
るこの発明の構成は前述課題を解決するために、
合金製のシリンダボアと該シリンダボアに対し少
なくとも摺動面を熱処理して両者の硬度差を小さ
くされたピストンリングとの組合せであつて、上
記シリンダボアを過共晶Al−Si合金製とし、こ
れに対し上記ピストンリングを鉄系材製とし、少
くとも該シリンダボアに対する摺動面に該シリン
ダボアの初晶Siとの硬さの差が小さくされるよう
に軟窒化を含む窒化処理を施してあるシリンダボ
アとピストンリングとの組合せにするものであ
る。

＜作用＞ 一方側のシリンダボアを過共晶Al−Si合金製
とし、他方のピストンリングについては鋼材製と
し、焼入れ焼戻しの熱処理による摺動面硬度が
Hv350以上、浸炭焼入れ処理による硬度がHv600
以上、鋳鉄、鋳鋼材等の素材製の場合は、軟窒化
を含む窒化処理による表面硬度がHv600以上、更
にはラツピング、バフ研摩、すり合せ等により表
面のもろい化合物層の除去を行い、又、高周波焼
入れにより表面硬度をHv600以上とし、シリンダ
ボアの初晶Siとの硬度差を充分に小さくしてシリ
ンダボア内面との摩耗を抑え、スカツフ性能を維
持することが出来るようにした技術的手段を講じ
たものである。

＜実施例＞ 次にこの発明の実施例を図面を参照して説明す
れば以下の通りである。

まず、一方側のシリンダボアについては過共晶
Al−Si合金製とし、該過共晶Al−Si合金はSi11.7
％以上の共晶点以上になるような合金であれば特
に限定条件はなく、一般にはSi：16〜18％、
Cu：４〜５％、Mg：0.45〜0.65％、Al：残部重
量％成分比とされているもので良い。

そして、製造に際しその内面スカツフ性能向上
処理として通常の鋳鉄シリンダボアと同様にホー
ニング加工によるクロスハツチ成形、或いは、プ
ラトーホーニング加工を行い適宜の表面粗さ、例
えば、Rz2〜3μとして優れたオイル消費性能を確
保するようにする。

尚、この発明においては前述の如き所謂ECM
処理、或いは、ECM処理にグラフアイトコーテ
イング、或いは、テフロンコーテイングを行う等
の手段を講ずる必要はないが、設計によつて行う
ことは可能である。

次に、該シリンダボアとこれに組合せる他方側
のピストンリングの具体的実施態様を例示する。

実施例 １ 鋼材として、例えば、SUS420J2、SUS440C、
SK−６、SUP7、SWOSC−Ｖの各ピストンリン
グ素材に熱処理として焼入れ（980℃×30分油
冷）、及び、焼戻し（420℃×90分脂冷）を行い、
摺動面の表面硬さをHv370としたピストンリング
と過共晶Al−Si合金製シリンダボアの組合せ。

実施例 ２ Cr、Ti、Al等を含有する軟窒化用鋼製ピスト
ンリング素材を上述実施例同様の焼入れ、焼戻し
を行つた後に高温状態にしてNH₃ガスを吹付け、
厚さ0.06mmの窒化層を形成させて表面硬さを
Hv650とした第１図に示す様なピストンリング１
と高共晶Al−Si合金製シリンダボアとの組合せ。

尚、窒化層の厚さは窒化条件により適宜に設計
対象とすることが可能である。

実施例 ３ 上述実施例３同様のピストンリング素材に対し
摺動面のみ、及び、全面にガス軟窒化、塩浴窒化
を施して硬さHv650とし、又、その後摺動面にラ
ツピング、バフ研摩、すり合せ等を行い表面のも
ろい化合物層を除去したピストンリングと高共晶
Al−Si合金製シリンダボアとの組合せ。

而して、上述実施例2.及び3.では軟窒化を含む
窒化を行なう場合、最表面のもろい化合物層を除
去して使用するがこれは、過共晶Al−Si合金を
異常摩耗させる事を防止するものである。

実施例 ４ 鋼、鋳鉄、鋳鉄製のピストンリング材の摺動
面、及び、該摺動面とその上下面に各々高周波焼
入れを行つて硬度Hv630としたピストンリングと
高共晶Al−Si合金製シリンダボアとの組合せ。

而して、上述各実施例につき得られた試料を第
２図に示す様に、シリンダボア材２、ピストンリ
ング材３の試験片にし、両者間にエンジンオイル
を介在させて試験片２に300Kgの負荷々重を印加
すると共に試験片３を0.3ｍ／secの周速で回転さ
せて西原式摩耗試験方式で試験した。

この場合の耐摩耗性は摩耗重量で評価し、耐ス
カツフ性能は周速２ｍ／secで荷重を徐々に増加
させた時の焼付限度荷重で評価した。

これらの評価データは第３，４図に示す通りで
ある。

尚、第３図の耐摩耗性評価については前述の如
く、シリンダボアとピストンリングの組合せでは
在来タイプとしてシリンダボアとしては片状黒鉛
鋳鉄のFC23が、又、ピストンリングとしてはCr
メツキのFC23「改」が広く用いられ、一応満足す
べきデータが得られているので、該在来タイプの
ものより好データが得られた場合には優れたもの
として判定し得るとみなし、相対評価指標を１を
基準にして評価するようにして示してある。

当該データから判るように、耐摩耗性において
も、又、耐スカツフ性においても、シリンダボ
ア、ピストンリングの両者共に在来の組合せ態様
のものより優れていることが分る。

尚、この発明の実施態様は上述各実施例に限ら
れるものではないことは勿論のことであり、例え
ば、過共晶Al−Si合金製シリンダボアの初晶Si
硬度に対して硬度差が可及的に小さく出来る炭化
物析出に与る熱処理を行うことが出来る鋼材等の
鉄系材によるピストンリングとの組合せ態様は全
て実施態様に含まれるものである。

＜発明の効果＞ 以上、この発明によれば、高共晶Al−Si合金
製シリンダボアに対する組合せのピストンリング
をして該シリンダボアの初晶Siの極めて高い硬度
Hv1000以上のものに対して結果的に炭化物析出
に与る軟窒化を含む窒化処理を施し得る鋼、鋳
鉄、鉄、鋳鋼等の素材選択により可及的にシリン
ダボアとピストンリングの硬度差を小さくし、シ
リンダボアの初晶Siとの相対摩耗を少くし、スカ
ツフ性を良くすることが出来るようにしたことに
より、エンジン性能が耐久性において極めて向上
するという優れた効果が奏されるのみならず、在
来のホーニング加工を施すことによりオイル上り
も在来通り保障され、運転性能も充分に維持され
る効果があり、加えて、高共晶Al−Si合金製シ
リンダボアとすることにより、軽量化が図れ、燃
費向上に益するところ大であるという優れた効果
があり、実用化可能の利点がある。

そして、実用上、一般の熱処理も採用出来、実
験に基づくデータによつて充分に量産が可能であ
るため、又、ECM処理等も不要で工数も少く、
コスト的にも安くつくメリツトもある。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の実施例の説明図であり、第１
図は積層ピストンリングの概略部分断面図、第２
図は試験態様の概略斜視図、第３図は耐摩耗性デ
ータ図、第４図は耐スカツフ性データ図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 合金製のシリンダボアと該シリンダボアに対
   し少くとも摺動面を熱処理して両者の硬度差を小
   さくされたピストンリングとの組合せにおいて、
   上記シリンダボアを過共晶Al−Si合金製とし、
   これに対し上記ピストンリングを鉄系素材製と
   し、少くとも該シリンダボアに対する摺動面に該
   シリンダボアの初晶Siとの硬さの差が小さくされ
   るように軟窒化を含む窒化処理を施してあること
   を特徴とするシリンダボアとピストンリングとの
   組合せ。