JPH01307568A - ピストンリング - 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］ 本発明は内燃機関に使用される窒化ピストンリングの改
良に関する。

［従来技術］ 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高度になってきている。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
段として摺動面に硬質クロムめっき処理や溶射処理ある
いは窒化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実用に供され
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
耐摩耗性に優れているが、アルミ合金ピストンに装着し
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。特に、ピストンリングの下面にアルミ合金ピストン
の溝下面のアルミニウムが溶着する溶着現象が生ずる。

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オイル消
費が増大し、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、従来から多ぐのピストン溝摩耗
防止対策が提案されている０例えば、実開昭６０−８２
５５２号にはピストンリングの少なくとも下面上に、下
地皮膜としての燐酸塩皮膜又は四三酸化鉄皮膜を施し、
その上に固体潤滑剤を含有する耐熱耐摩耗性樹脂皮膜を
形成してピストンリング溝の摩耗を防止することが提案
されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、窒化リングの場合、固体潤滑剤を含有する耐熱
耐摩耗性樹脂皮膜を形成するための下地被覆を施すと、
第２図に示すように、疲労強度が低下してリング破損の
危険性が増大する。

又、燐酸塩皮膜等の下地皮膜が施されているものは長期
運転におけるピストンリングの上下運動によってピスト
ンリングの疲労強度が低下するだけでなく、耐摩耗性樹
脂が剥離することがある。

即ち、燐酸塩皮膜等の下地処理は処理液の組成、処理温
度、処理時間等により下地皮膜の物性が変化するもので
あり、例えば燐酸マンガン皮膜の場合に於ては処理液の
酸比が標準値５〜６に対して低い酸比５以下の場合は、
燐酸マンガン皮膜の結晶が成長しにくくエツチングの過
大となりエッチピット深さが深くなる。このエッチピッ
トは切欠効果によりピストンリングの疲労強度を低下さ
せ、ピストンリングの切損を誘発する危惧がある。又、
酸比が６以上になると燐酸マンガン皮膜の活性化が不十
分となり、母材との結晶結合力が充分でなく密着性が低
下する。従って長期運転に於ては下地皮膜が剥離する傾
向が増大するため、改善が望まれていた。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは耐熱耐摩耗性樹脂皮膜が形成されても疲労
強度の低下しない窒化リングを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するため１本発明が採用する手段は、ピ
ストンリング上下面の少なくとも下面に窒化層が形成さ
れたピストンリングにおいて、その窒化層の上に固体潤
滑剤を含む耐熱耐摩耗性樹脂皮膜を形成したことにある
。耐熱耐摩耗性樹脂としてはエポキシ樹脂、フッ素樹脂
、ポリアミドイミド樹脂等を使用することができる。固
体潤滑剤としては二硫化モリブデン、黒鉛、炭素、窒化
硼素、等を使用することができる。なお、固体潤滑剤の
外に充填剤として炭素繊維、ガラス繊維等を添加混合す
ることができる。この固体潤滑剤を含有した耐熱耐摩耗
性樹脂をスプレー、浸漬、ｉ電塗装等でピストンリング
面に付着させた後に加熱焼成して皮膜に形成する。その
皮膜の厚さは１〜２０鉢の範囲にする。

窒化層は化合物層とその下の窒化拡散層から構成されて
いる。化合物層は硬度がＨｖ１３００程度で非常に硬く
、優れた耐摩耗性を有しており、固体潤滑剤を含む耐熱
耐摩耗性樹脂皮膜を上記化合物層に形成した場合は、化
合物層のみの場合よりも耐アルミニウム溶着性に優れる
。更に化合物層を除去して化合物が点在した硬度Ｈｖ７
００以上の窒化拡散層に固体潤滑剤を含む耐熱耐摩耗性
皮膜を形成した場合は、化合物に皮膜を形成したものよ
り更に耐アルミニウム溶着性に優れたものになる。窒化
層の硬さはＨｖ７００以上であれば長期の耐摩耗に対し
て充分であり、又、Ｈｖ１３００程度もあれば耐アルミ
ニウム溶着性を充分改善することができる。窒化層形成
コストと耐アルミニウム溶着性改善の点からは窒化層硬
さはＨｖ９５０〜１１００が好ましい、皮膜厚さは１終
以下であると耐アルミニウム溶着性が不充分であり１反
面、皮膜の厚さを２０１Ｌ以上にしても耐アルミニウム
溶着性が更に高まることがなく、処理コストを上昇させ
ることになる。従って、耐アルミニウム溶着性、処理コ
ストの点で皮膜の厚さは２舊〜１０鉢が良い。

［作用］ ピストンリングは窒化層が形成されているので、苛酷な
使用条件に耐えることができる。さらに、ピストンリン
グ上下面における窒化層の上には固体潤滑剤を含む耐熱
耐摩耗性の樹脂皮膜が形成されているから、アルミニウ
ム製ピストンのリング溝が剥離してピストンリングに付
着することは防止される。又、ピストンリングには下地
としての燐酸塩皮膜を形成していないから、第２図に示
すように、ピストンリングの疲労強度が低下してピスト
ンリングが折損するおそれはない、下地皮膜は存在しな
いが、窒化層によって、樹脂皮膜は強固に密着するので
、樹脂皮膜が使用中に剥離するおそれもない。

［実施例］ 第１図において、摺動面ｌ、上面２、下面３、内周面４
に窒化層５を形成したＤφ９２　ｍｍＸ　Ｂ２．０ｍｍ
ＸＴ３．３ｍｍの窒化ピストンリング（バレルフェース
）に、固体潤滑剤としての二硫化モリブデン及びグラフ
ァイト（カーボン）をポリアミドイミド樹脂に対し、２
０％（重量）混合したものを揮発性の搬送剤とともに、
スプレーガンによって前記ピストンリングの上下面２．
３に吹付け、２００℃で４０分加熱焼成して、厚さ７＃
Ｌｍの樹脂皮ＩＩ！　７を形成した。ピストンリング母
材は成分が重量パーセントでＣ：０．６３、Ｓｔ：０．
３１、Ｍ　ｎ　：　０　、２８、Ｃｒ：１３．４５、　
　Ｍｏ：０．３４．、Ｐ：０．０２６、　Ｓ：０゜００
５、残Ｆｅからなる焼戻しマルテンサイトのステンレス
スチールであり、ガス窒化処理による窒化層５のピスト
ンリング上面２、下面３は化合物が除去され、化合物が
点在する窒化拡散層であり、表面硬度はＨｖ９５０であ
る。

上記表面処理を施した本発明のピストンリングと、比較
材として表面処理なしの同一サイズ、同一形状の窒化ピ
ストンリングとを、下記仕様のエンジンの第１リングと
して夫々組込み、同一条件下で試験した。

供試エンジン：４サイクル４気筒エンジン（ピストン１
０１．アルミニウム製） 排気量　２０００ｃｃ 口径　　９２φｍｍ 運転条件及び試験方法： ならし運転（４００Ｏｒ、ｐ、ｍ）４／４負荷で２０分
運転後、高速回転（７５００ｒ、ｐ。

ｍ）４／４負荷で１０分間運転後ピストンリング上面又
は下面へのアルミニウムの付着を確認する。

燃料：ハイオクタンガソリン オイル混合比　３２：ｌ（比重０．７５　）試験の結果
１本発明によるピストンリングの上下面２．３にはアル
ミニウムの付着が全く認められなかったが、比較材のピ
ストンリングには上下面２，３に局部的なアルミニウム
付着が認められた。

このように、本発明はリング面（下面又は上下面）に形
成した樹脂皮膜が自己潤滑性に富み、耐熱性もあること
から、アルミニウムがリング面上に付着することがない
、したがって、従来のようにアルミニウムがリング面に
付着してガスシール機能が低下し、それに伴って出力が
低下してブローパイも増加するという問題は発生しない
。

次に、窒化ピストンリングに直接前記樹脂皮膜を形成し
たものと、燐酸塩下地皮膜を形成してその上に前記樹脂
皮膜を形成したものの疲労強度を測定した。

試験条件及び試験方法： ピストンリングの自由台ロスキマ長さ１１から応力を加
えた状態の合ロスキマ交０（接線方向変位立１−交０）
まで合口を閉じ毎分２０００回繰返し回数を与えて振動
させる０合口スキマが１１になった時のピストンリング
の合口から１８０゜の位置（反合口側）のリングの外周
の応力とピストンリングが折損破断に至るまでの繰返し
数Ｎとの関係を求める疲労試験を行いＳ−Ｎ曲線を得る
。その結果は第２図に示す通りであり、燐酸塩下地皮膜
の上に樹脂皮膜を形成したものは直接樹脂皮膜を形成し
たものに比べると、疲労強度が大幅に低下することがわ
かった。さらに、疲労強度試験において、燐酸塩下地皮
膜を形成したものは、樹脂皮膜の剥離が生じたものもあ
った。又エツチングピットの切欠効果によりピストンリ
ング母材にクラックが発生したものがあった。

［発明の効果］ 本発明のピストンリングは、従来の燐酸塩皮膜処理を施
してから耐熱耐摩耗性樹脂皮膜を形成したものに比べる
と、疲労強度の低下をまねかすに、アルミニウム溶着を
防止することができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は窒化ピストンリングの部分断面図であり、樹脂
皮膜のみ誇張して図示している。 第２図は疲労強度試験の結果を示すグラフである。 図において符号１は摺動面、２は上面、３は下面、４は
内周面、５は窒化層をそれぞれ示す。 出願人　日本ピストンリング株式会社 第１図よヨ 第２図 １０”　　１０”　　１０”　　１０４　ｔｏ’　　１
０’　　１０’−−繰返し回数−Ｎノ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ピストンリング上下面の少なくとも下面に窒化層が
   形成され且つ該窒化層の下面上に更に固体潤滑剤を含有
   する耐熱耐摩耗性の樹脂皮膜が形成されたことを特徴と
   するピストンリング。 ２）窒化層は化合物層が除去された窒化拡散層であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。