JPH02154864A - 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】 〔卒業上の利用分野〕 本発明は複合分散めっき層及びイオンプレーティングに
よる硬質皮膜を有する内燃機関用ピストンリングに関す
る。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来、
内燃機関用ピストンリングの表面処理に多く使用されて
いた硬質クロムめっきは、高鉛燃料を使用する場合や腐
食雰囲気下で作動する場合に耐摩耗性に難点があり、代
替として溶射処理が施されるようになった。しかしなが
ら、溶射皮膜は耐摩耗性に優れているものの、運転中に
皮膜の剥離や脱落を生じたり、相手材を摩耗させる等の
問題があった。

そこで最近は耐摩耗性に優れた窒化処理を施した鋼材リ
ングが実用化されている。

しかしながら、窒化処理層は耐摩耗性に優れている反面
、耐焼付性に関しては硬質クロムめっき層や溶射層に比
べて劣り、スカッフィングの発生や母材の疲労強度の低
下からピストンリング折損が起きる例もみられる。従っ
て、特に外周摺動面に窒化処理層を有するピストンリン
グは苛酷な運転条件下での使用に問題があった。

そこで、イオンプレーティングにより、耐摩耗性、耐焼
付性や耐食性に優れた皮膜をピストンリングの表面に施
すことが始められた。しかし、イオンプレーティングに
よる皮膜・は耐摩耗性には優れているものの、一般に皮
膜を厚くすることが難しく、またたとえイオンプレーテ
ィングにより厚い皮膜を形成しても、皮膜の密着力が低
下するという問題があった。すなわち、イオンプレーテ
ィングによる皮膜は、優れた耐摩耗性を有するが、膜厚
を太き（することができないために耐久性の面で問題が
あった。

したがって、本発明の目的は、高温、高負荷のような苛
酷な条件下でも、耐摩耗性、耐スカツフ性、耐食性に優
れ、また耐久性にも優れたピストンリングを提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結
果、耐摩耗性に優れたイオンプレーティングによる皮膜
と、耐スカツフ性及び耐久性に優れた複合分散めっき皮
膜とを重ねてピストンリングの摺動面に形成することに
より、高温、高負荷の条件下でも耐摩耗性、耐スカツフ
性のみならず、耐食性及び耐久性にも優れたピストンリ
ングを得ることを発見し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の内燃機関用ピストンリングは、少な
くともその外周摺動面に、硬質粒子が分散した複合分散
めっき層と、前記複合分散めっき層の上に形成された金
属窒化物皮膜層とからなる二重構造の層を有することを
特徴とする。

〔作　用〕

金属窒化物皮膜と硬質粒子分散複合めっき皮膜との二重
構造の層を摺動面に設けることによって、耐摩耗性、耐
焼付性のみならず耐久性にも優れたピストンリングを得
ることができる。これは、金属窒化物皮膜単独の層では
耐久性が不十分であり、皮膜の一部が摩耗してピストン
リング母材が表われるとスカッフィング等を起こすこと
になるので、金属窒化物皮膜層の下に硬質粒子分散の複
合めっき皮膜を形成しておくことによって、上記のよう
なスカッフィングを避け、もって耐久性を向上させてい
る。

〔実施例〕

本発明を以下の実施例により添付図面を参照にして詳細
に説明する。

第１図は、本発明の一実施例による内燃機関用ピストン
リングの部分断面図である。本実施例においては、ピス
トンリング１の外周摺動面に、硬質粒子が分散した腹合
分散めっき層２とイオンプレーティングによる金属窒化
物皮膜層３とが二重構造となるように形成されている。

第１層の複合分散めっき層は、ニッケルータングステン
合金めっき浴中に金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物
あるいは金属ホウ化物等の硬質粒子を懸濁させたのち、
ピストンリングを浸漬させて電気めっきを行うことによ
って得られる。

複合分散めっき層を構成するタングステンは、めっき基
地の耐摩耗性、耐焼付性を高め、皮膜の高温時の硬度や
耐食性を上げるのに有効に作用する。この効果のために
は、１０重量％以上の含有量が望ましい。また５０重景
％を超えてもその効果に著しい変化はなく経済的でない
。従ってタングステンの含有量は１０〜５０重量％とす
るのが良い。より好ましいタングステンの含有量は３０
〜４０重量％である。

ところでこの第１層の複合分散めっき層は熱処理により
硬度を増す。これはめっき層の基地であるニッケルータ
ングステン合金中でＮｉ４Ｈの結晶化が起こるためであ
る。この結晶化により複合分散めっき層の硬度はビッカ
ース硬さで１０００〜１３００となる。

このような熱硬化型合金めっきには、本発明のニッケル
ータングステン合金のほかにもあり、たとえばニッケル
ー燐合金では熱処理により燐化合物（例えばＮｉ３Ｆ）
の結晶化が起き、めっき層の硬度がビッカース硬さで約
１０００になる。しかしこの結晶は層状結晶構造をとり
、皮膜層の密着性や強度に問題がある。これに対して本
発明のニッケルータングステ合金基地においては熱処理
により形成される結晶は柱状結晶構造をとるために、引
張り剪断応力に強く、密着性や強度において優れている
。

次に上記めっき層に分散させる硬質粒子について説明す
る。

硬質粒子を分散した複合めっき層は耐摩耗性に優れ、ま
た耐焼付性に関しては、窒化処理層や硬質クロムめっき
層に比して格段に優れている。複合めっき層に分散され
る硬質粒子は、Ｃｒ、Ｃ２、’ｒｉｃ。

ＳｉＣなどの金属炭化物、ＴｉＮ、　５ＩｆｆＮ４、Ｃ
ｒ２Ｎなどの金属窒化物、（：ｒ２０ｓ、＾１２０３、
ＺｒＯ２などの金属酸化物、又は２ｒＢ２、Ｔｉｅ、な
どの金属ホウ化物である。

特に好ましい粒子はＣｒ、Ｃ，等である。

硬質粒子の分散量及び粒径は形成するめっき厚にも関係
するが、これらが過度に多い場合や大きい場合にはめっ
き層が脆くなるとともに、摺動相手材の摩耗を増大させ
るので好ましくない。また分散量が少ない場合や粒子径
の小さい場合はその効果が少ない。本発明では分散量に
ついては５〜４０容量％の範囲、粒径については０．５
〜１０μｍとするｔことが望ましい。

次に第二層として形成される金属窒化物皮膜層について
説明する。

第二層の金属窒化物皮膜層は、窒素ガスの存在する減圧
雰囲気中で窒化物とする金属をターゲツト材として反応
性イオンプレーティングを行うことで得ることができる
。反応性イオンプレーティングにおいて、金属は原子状
になり、金属原子の一部は窒素と反応して金属窒化物と
なる。

なお金属窒化物の皮膜は、第２図に示すイオンプレーテ
ィング装置を用いて、形成することができる。第２図の
装置において、ピストンリング母材４の下方には、蒸発
源の金属８を収容する水冷式銅製ルツボ９が設置してあ
り、真空容器７の側壁には、ＨＣＤ型電子銃１１及び雰
囲気ガス導入用のパイプ１２が取りつけられており、ま
た電子銃１１から射出される電子ビームを蒸発源の金属
８に照射するように、ルツボ９の上には収束コイルｌＯ
が設置されている。この装置を用いて、ピストンリング
母材４を母材保持具５で保持し、ヒーター６でピストン
リング母材４を所定の温度に加熱する。

このとき真空槽７内は真空ポンプ（図示せず）により減
圧状態にする。

このようにして、複合分散めっき層上に金属窒化物皮膜
層が形成されるが、反応して窒化物を生成する金属には
、チタン又はクロムなどが良く、特にチタンが好ましい
。窒化チタン皮膜は硬度が高く、耐摩耗性に富むもので
、その厚さは２〜８μｍであればよい。

ところで、イオンプレーティングにより金属窒化物皮膜
を形成する際に、ピストンリング母材の温度は５００℃
以上になるが、この熱により、母材上にすでに形成され
ている複合分散めっき層が熱処理されることになる。す
なわち、イオンプレーティングの工程で複合分散めっき
層は硬化する。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例１ 合金鋼５ＬＩ３４４０Ｂ相当（重量でＣ；０．８０〜０
．９５％、Ｓｉ：１．Ｑ％以下、Ｍｎ　：　０．８〜１
．５％、Ｐ：０．０４５％腸下、Ｓ：、０．０３％以下
、Ｃｒ　：　１７．　Ｏ〜１８．０％、Ｍｏ：０．８〜
１．５％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、残部実質的にＦ
ｅ）からなり、呼び径Ｘ幅×厚さが７７＋ｎｍｘ１５ｍ
ｍｘ３，１ｍｍのピストンリング母材の表面に窒化処理
を施し、第一の工程として、表１に示す浴組成のめっき
浴を用い、表２に示す条件でピストンリング母材の外周
摺動面に複合分散めっき層を形成した。

表　　１ 硫酸ニッケル　　　　　　　　　　４０　ｇ　／　Ｉ！
タングステン酸ナトリウム　　　　６０ｇ／βクエン酸
　　　　　　　　　　　　８０　ｇ　／　１炭化クロム
粒子　　　　　　　　　５０　ｇ　／　１（平均粒径１
．５μｍ１最大粒径１０μｍ）表　　２ 浴　　　　　　　　温　　　　　　　　７０℃電　　流
　　密　　度　　　　　　　　１０Ａ／ｄｍ’電　　解
　　時　　間　　　　　　　　１時間ｐＨ７ なおめっき浴のｐＨを７に調整するために、アンモニア
水をめっき浴に加えた。まためっき浴に母材を浸漬する
前には脱脂−酸洗いをした。

このようにして得られた複合分散めっき層の厚さは６０
μｍであった。

次に、第二の工程として、表３に示す条件でイオンプレ
ーティングを行なうことによって、上記第一の工程によ
って得られた複合分散めっき層を有する表面に窒化チタ
ン皮膜層を形成した。

表　　３ 母　　材　　温　　度　　：　　５００　℃電子ビーム
出力　：　　３５Ｖ−５（１０Δ窒素ガス分圧　　：　
開始〜１分０ １分〜５０分５　Ｘｌ０−’ｔｏｒｒ アルゴンガス分圧：　　５　Ｘｌ０−’ｔｏｒｒ蒸　　
発　　源　二　金属チタン 母材バイアス　　ニー１００Ｖ なお、イオンプレーティング開始から１分経過まで窒素
ガスを導入しなかったのは、まず母材表面上に金属チタ
ンの下地層を形成するためである。

このようにして７μｍの厚さの窒化チタン皮膜層を形成
した。このとき第２層の窒化チタン皮膜層の硬度はビッ
カーズ硬さで２１００であり、また第１層の複合分散め
っき層の硬度はビッカーズ硬さで１２５０であった。

実機試験 ４サイクル水冷４気筒１３００ｃｃで、高鉛ガソリンを
燃料とする過給機付エンジン用の鋳鉄（ＦＣ−２５）製
エンジンシリンダに上記ピストンリングを組み込み、７
５００ｒｐｍ全負荷で２００時間の実機耐久試験を行な
い、ピストンリング及びシリンダの摩耗量を測定した。

またピストンリング及びシリンダの摺動面におけるスカ
ッフィングの有無、ピストンリング皮膜の剥離やクラッ
クの発生の有無を観察した。なお実機試験の途中１００
時間目でエンジンを一旦停止させ、上記の項目について
同様に観察をした。

比較例１〜３ また比較のため、実施例１と同じピストンリング母材に
以下の３種類の皮膜を形成し、実施例１と同様の条件で
実機耐久試験を行った。

（１）イオンプレーティングによって得られた厚さ５μ
ｍの窒化チタン皮膜層のみを有するピストンリング。

（２）実施例１と同様の条件で形成された厚さ６０μｍ
のニッケルータングステン合金複合分散めっき層のみを
摺動面に有するピストンリング。

（３）窒化処理を施し、窒化層を５０μｍに形成したピ
ストンリング。

ピストンリング及びピストンシリンダの摩耗量に関する
試験結果を第３図に、スカッフィング及び皮膜剥離／ク
ラックの発生の有無についての観察捨果を表４に示す。

第３図及び表４から明らかなように本実施例のピストン
リングは耐摩耗性、耐焼付性に優れ、また相手材（シリ
ンダ）を摩耗させることもなく、折損、皮膜の剥離や脱
落もない。また２００時間の実機試験の摩耗量も他と比
して少なく、耐久性のあるピストンリングであることが
わかる。

〔発明の効果〕

以・上詳述した通り、本発明のピストンリングはその摺
動面にニッケルータングテスン合金複合分散めっき層と
イオンプレーティングによる金属窒化物層とからなる二
重構造の層を有しているので、耐摩耗性、耐焼付性のみ
ならず耐久性にも優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるピストンリングの断面
図であり、 第２図は本発明に使用するイオンプレーティング装置の
一例を示す概略図であり、 第３図は実施例１及び比較例１〜３の実機試験の結果を
表わすものであり、ピストンリング及びシリンダの摩耗
量を示している。 ピストンリング母材 硬質粒子分散複合めっき皮膜 金属窒化物皮膜 母材（ピストンリング） 母材保持具 ヒーター 真空容器 金属チタン 水冷銅ルツボ 収束コイル ＨＣＤ電子銃 雰囲気ガス導入用のパイプ 出　　願　　人　　　３株　式　会　社　　　　リ　ケ
　ン代　理　人　　弁理士　　高　石　　橘（ｐｍ　） 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともその外周摺動面に、硬質粒子が分散し
   た複合分散めっき層と、前記複合分散めっき層の上に形
   成された金属窒化物皮膜層とからなる二重構造の層を有
   することを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
2. （２）請求項１に記載のピストンリングにおいて、前記
   複合分散めっき層が、タングステン１０〜５０重量％、
   残部が実質的にニッケルからなる合金基地中に、粒径が
   ０．５〜１０μｍの硬質粒子を５〜４０容積％分散した
   層であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
3. （３）請求項１に記載のピストンリングにおいて、前記
   金属窒化物層が、反応性イオンプレーティングにより形
   成されたものであり、もって前記金属窒化物層の形成時
   の発熱により、前記複合分散めっき層が熱硬化されてい
   ることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
4. （４）請求項３に記載のピストンリングにおいて、前記
   金属窒化物層が窒化チタン又は窒化クロム層であること
   を特徴とする内燃機関用ピストンリング。