JPH0240059A - 内燃機関 - 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］ 本発明はシリンダボアとピストンリングとの摺動部の構
造に特色がある内燃機関に関する。

［従来の技術］ シリンダブロックの軽量化のために、アルミニウム合金
（Ａ　３９０、ＡＣ４Ｃ等）を採用すると、シリンダボ
アのトップリング上死点における段付き摩耗およびピス
トンリング、ピストンスカートとのスカッフィングの発
生が問題となる。そこで、乾式で薄肉の片状黒鉛鋳鉄（
Ｆ　２３　Ｃ等）シリンダライナをシリンダブロックに
圧入する方法が一般に行なわれている。この場合、シリ
ンダブロックとシリンダライナとのほめあいを適度なし
まりばめにするとこが必要で、不適切な場合には、フレ
ッティング摩耗およびヒートスポット発生によるスカッ
フ発生等の問題が生じる。

この問題を解決するために提案されたのが特開昭６２−
２９７４９号公報の発明であって、この発明は、シリン
ダライナの表面に形成されためつき皮膜層に皮膜層を強
化する微粒子を分散させると共にＮｉＰ化合物を析出さ
せたＮｉ複合めつきであり、このシリンダライナと表面
にクロムめっきを施したピストンリングとを組み合わせ
た内燃機関の摺動部の構造である。

内燃機関用ピストンリングは、燃焼室の機密性を保持す
るための圧力リングと、ピストンリングおよびシリンダ
ーライナー間の潤滑油膜を調整するための油かきリング
により構成されている。第１図に内燃機関のシリンダボ
アの部分断面図を示す。第１図において１はシリンダラ
イナ、２はシリンダブロック、３ａ、３ｂ、３ｃは圧力
リング、３ｄは油かきリング、４はピストンである。こ
のピストンリングのうち、圧力リングはピストンヘッド
の直下に遊嵌され燃焼ガスの影響を大きく受けるもので
あり、耐摩耗性、耐スカッフィング性および耐熱性等が
要求される。

ピストンリングについては、近年、内燃機関の軽量化、
高出力化および高回転化に伴い、圧力リングの薄幅化が
積極的に進められてきた。このピストンリングの薄幅化
は、ピストンリングを軽量化し、ピストンリング溝内で
のピストンリングの挙動の安定化、油膜厚さが薄くでき
ることによる潤滑油消費量の改善が図られる。

しかし、このようにピストンリングの薄幅化が進められ
ると、油膜厚さが薄くなり摩耗が増大し寿命が短くなる
ので、従来一般的であった鋳鉄製のリングや、炭素鋼、
シリクローム鋼、あるいはオイルテンパー練製のリング
では使用に耐えなくなってきた。すなわち、鋳鉄製のリ
ングでは軸方向に薄いものが製造しがたく、かつ耐折損
強度の点で不十分であり、シリクローム鋼リングは高温
での強度が小さいため比較的断面積の大きいものとなり
、慣性が大きくフラッタリング現象を起こしやすい。そ
こで、最近ではピストンリングの材料として工具鋼、ば
ね鋼およびステンレス鋼が用いられるようになっており
、特にステンレス鋼としては１３Ｃｒマルテンサイト系
ステンレス鋼く０６５Ｃ−１３，５Ｃｒ−０，３Ｍｏ−
０，ＩＶ）が圧力リングとして用いられ好結果が得られ
ている。

しかし、これらマルテンサイト系ステンレス鋼製のピス
トンリングも、摩擦摩耗の激しいエンジンに用いた場合
、未だ耐摩耗性および耐スカッフィング性の点において
不十分である。また、マルテンサイト系ステンレス鋼を
用いガス窒化処理した圧力リングでは、ピストンへの組
付強度が十分でなく、必要以上に合い口を広げると折損
するという問題がある。さらに、この圧力リングは耐ス
カツフ性に対する要求が厳しい内燃機関に関しては、不
十分な性能で、スカッフするという問題がある。

そこで、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼製のピス
トンリングの耐摩耗性をさらに改善すべくなされたのが
、特願昭６２−１４６００６号の発明であって、この発
明ではＣｒおよびＣの含有量を増加することによりＣｒ
の炭化物を従来鋼より多量に形成せしめ、耐摩耗性に改
善が行なわれている。また、特願昭６２−２３０４４６
号の発明では、前記マルテンサイ１へ系ステンレス鋼に
さらにＡ１を添加することにより、熱間加工性および冷
間加工性を殆ど低下させずに耐摩耗性を改善したもので
ある。なお、前記発明においては、窒化処理等の表面処
理を施すことによって、さらに耐摩耗性を向上すること
ができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、レーシングエンジンのごとく、エンジン
油として低粘度油を用い、高油温、高水温、高回転で運
転されるエンジンでは、燃料希釈も多くより低粘度化さ
れ、潤滑も十分に行うことができないため、ピストンリ
ングとの摺動部においてスカッフを発生することがある
。

また、Ｎｉベース複合めっき被膜をもつシリンダボアの
場合も、硬質クロムめっきおよび特殊合金鋳鉄製ピスト
ンリングとの組み合わせでは、ＦＣ２３製シリンダライ
ナをもつシリンダボアの場合と同程度の耐スカツフ性で
あり、必要な耐スカツフ性が得られていなかった。さら
に、Ｎｉベース複合めっき被膜シリンダボアの場合は、
硬質粒子が被膜の耐摩耗性を確保しているが、この硬質
粒子が摺動面において凸部を形成するために、相手ピス
トンリングを摩耗させ、硬質クロムめっきおよび鋳鉄製
のピストンリングでは、ＦＣ２３製シリンダライナをも
つシリンダボアの場合よりも著しくピストンリングの摩
耗が増大し、オイル消費性能の悪化や、ブローバイガス
量の増大によりエンジン性能を低下させていた。

本発明は内燃機関のシリンダボアの摺動部における前記
のごとき問題点に鑑みてなされたもので、耐摩耗性、耐
スカツフ性および耐食性を兼ね備えた内燃機関を提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は前記目的を達成するため、シリンダボアと
ピストンリングの摺動の機構について鋭意研究を重ねた
。その結果、シリンダボアの摺動面を形成するＮｉベー
ス複合めっき皮膜は、マトリックス中に硬さの高い硬質
物質が分散されているので、摩擦面に硬質物質からなる
凸部とマトリックスからなる凹部が形成され、この凹部
が油だまりとなって、油切れが起こりにくくなることを
見出だした。そこで、相手材であるピストンリングにも
Ｃｒ炭窒化物からなる硬質物質をマトリックス中に晶出
せしめて、シリンダボアと同様の機構により、摩擦面を
形成せしめることを着想し本発明を完成した。

本発明の内燃機関は、皮膜強化微粒子を分散したＮｉも
しくはＮｉのＰ化合物からなるＮｉ複金めつき層を表面
に施したシリンダボアと、粒径２μｍ以上の炭窒化物が
面積率で３％以上晶出し少なくとも前記シリンダボアと
の摺動面にガス窒化処理を施したピストンリングとから
なることを要旨とする。

本発明で用いられるＮｉベース複合めっきは、慣用され
ている周知のめつき液に、皮膜層内に分散させて皮膜の
硬度を上げる皮膜強化微粒子を懸濁させ、さらにＮｉの
Ｐ化合物を析出させてめっき皮膜層のマトリックスを強
化するために、適当量のＰ化合物を添加する。

本発明においてシリンダボアのめつき層に分散させる皮
膜強化微粒子としては、例えば５ｉＣ１Ｓ　ｉ　３　Ｎ
　４、ＢＮ、ＡＩＮ等を用いることができる。

皮膜強化粒子の平均粒径は０．５〜４μ粕であることが
好ましい。皮膜強化微粒子の平均粒径が０゜５μ「ｎ未
満であると、摩擦面の油だまりを形成する凹部の深さが
浅くなり、耐摩耗性が劣化するからである。逆に微粒子
の平均粒径が４μｍを越えると相手材に対する攻撃性が
増加して好ましくないからである。

また分散させる皮膜強化微粒子の量は５〜３０容量％で
あることが好ましい。分散させる皮膜強化微粒子の量が
５％未満では十分な耐摩耗性および耐スカツフ性が得ら
れず、３０％を越えるとめつき皮膜層の強度が不十分と
なりめっき皮膜層が剥離するおそれがあるからである。

本発明で用いられるピストンリングの材料として、前記
特願昭６２−１４６００６号および特願昭６２−２３０
４４６号に開示されたマルテンサイト系ステンレス鋼が
好ましい。ちなみに、その化学成分を列記すると、Ｃ；
０．７〜１．１％、Ｃｒ・１２〜２５％、Ｓｉ；２％以
下、Ｍ　ｎ　；　２％以下を含有し、さらに必要に応じ
てＡ１．０．０５〜１．１０％、Ｎ　ｉ；０．２〜２．
０％、Ｍｏ；０．２〜２．０％、■・０．０５〜０５％
、Ｎｂ、０．０５〜０．５％、Ｃｕ・０．２〜１０％の
うち１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不
純物元素からなる。

前記組成のマルテンサイト系ステンレス鋼をピストンリ
ング材として用いれば、粒径２μ粕以上の炭窒化物が面
積率で３％以上晶出したピストンリングが得られる。

ピストンリング材に晶出した炭窒化物は、粒径２μ以上
のものの占める面積率が３％以上であることが必要であ
る。粒径が２μｍ以上の炭窒化物の面積率が３％未満で
あると、炭窒化物による凸部の形成が低く、摩擦面の油
だまりを形成する凹部の深さが浅くなって、耐摩耗性が
劣化するからである。

［作用］ 本発明のシリンダボアとピストンリングの組み合わせに
よる内燃機関の摺動部の構造では、それぞれの材料の単
独では得られない、従来材をはるかに凌ぐ優れた耐摩耗
性が得られる。このように優れた耐摩耗性が得られる理
由は、第４図に示すごとく、シリンダボア材５およびピ
ストンリング材６がともに、マトリックス中に硬さの高
い硬質物質、すなわちシリンダボア材５中の皮膜強化微
粒子７、およびピストンリング材６中に晶出したＣｒ炭
窒化物８が存在する材料なので、摩耗により摩擦面はマ
トリックスに対し硬質物質が凸部９および１０を形成す
るようになる。この結果、摩擦面間に油だまりの役目を
する凹部１１および１２が形成され、油切れがおこりに
くくなるとともに、凸部９および１０を形成する物質で
あるＣｒ炭窒化物８と皮膜強化微粒子７という凝着しに
くい高融点同志の摩擦が大部分となるため、優れた耐摩
耗性および耐スカツフ性が得られると考えられる。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を詳細に説明し、本発明の効果を
明らかにする。

（実施例１） 第２図に示すように、焼付試験片として内径２０１、外
径２５．７ｍｍ、高さ１７ｍｍのシリンダボア材２０を
Ｆｅ１２そのままのものと、摺動面にＮｉ−３Ｐベース
にＳｉＣ平均粒径４μ拍を２０容量％分散させたＮｉ複
合めっきを施したもの２種類を作製した。

０．９Ｃ−２１Ｃｒステンレス鋼、１’７Ｃｒステンレ
ス鋼および１３Ｃ「ステンレス鋼を用い、第２図に示す
ような長さ３０１Ｏ５幅３０ｍｍ、高さ５ｍｍのビス１
〜ンリング材２２を作製した。これらステンレス鋼から
なるピストンリング材２２はアンモニアガス気流中て５
３０〜５９０℃に加熱し５時間以上のガス窒化処理を施
した。得られたピストンリング材２２の２μ【ｎ以上の
炭窒化物の面積率および表面から２０μ川の窒化層の硬
さを測定した。なお、比較のためにＣｒめっきを施した
もの、および特殊鋳鉄からなるものについても同様にピ
ストンリング材２２を作製した。

以上にごとくして得られたシリンダボア材２０およびピ
ストンリング材２２を用い、レース用エンジンのごとく
、高回転、高油温、低粘度油（燃料希釈有り）、潤滑量
小と厳しい潤滑条件下で使用する場合を想定した焼付試
験を行った。

焼付試験は機械試験所望摩擦摩耗試験機を用い、第２図
に示すように、シリンダボア材２０とピストンリング材
２２を荷重下で接触させ、ピストンリング材２２を回転
させてシリンダボア材２０と摺動させた。試験条件は摺
動速度１　、２　ｍ／　ｓｅｅ、低粘度エンジンオイル
滴下潤滑、荷重は２分毎に２５ｋｇ増大する。焼付の判
定は摩擦係数が０．２以上急上昇した荷重を焼付荷重と
した。得られた結果は第１表に示す。なお、第２表には
ピストンリング材２２に用いたステンレス鋼の化学成分
と炭窒化物量および窒化層の硬さを示した。

（以下余白） 第１表から明らかなように、ピストンリング材がＣｒめ
っきあるいは特殊鋳鉄、またはシリンダボア材がＦｅ１
２である従来例のビスｊ・シリンダとシリンダボアの組
み合わせは、いずれも焼付荷重が１６７．５ｋｇ以下で
あるのに対し、本発明のシリンダボア材とピストンリン
グ材の組み合わせは、焼付荷重が４５０ｋｇ以」二であ
って、本発明は従来材の組み合わせに対して優れた耐焼
付性が得られた。

（実施例２） 第３図に示すように、摩耗試験片として、外径３５ｍｍ
、幅９ｍｍのシリンダボア材２ｏをＦ　２３　Ｃそのま
まのものと、摺動面にＮｉ−３ＰベースにＳｉＣ平均粒
径４μｍを２０容量％分散させたＮｉ複合めっきを施し
たもの２種類を作製した。

実施例■で用いたと同様の０．９Ｏ−２１Ｃｒステンレ
ス鋼、１７Ｃｒステンレス鋼および１３Ｃｒステンレス
鋼を用い、第３図に示ずにうな長さ１５．７５ｍｍ、幅
６．３５ｍｍ、高さＩＯ，１５ｍｍのピストンリング材
２２を作製した。これらステンレス鋼からなるピストン
リング材２２はアンモニアガス気流中て５３０〜５９０
℃に加熱し５時間以」二のガス窒化処理を施した。なお
、比較のためにＣｒめっきを施したもの、および特殊鋳
鉄からなるものについても同様にピストンリング材２２
を作製した。

次に得られたシリンダボア材２０とピストンリング材２
２を組み合わせた場合の摩耗試験を行った。摩耗試験は
ＬＷＦ−１摩耗試験機を用い、第３図に示すように、シ
リンダボア材２０とピストンリング材２２を荷重下で接
触させ、シリンダボア材２０を回転させてピストンリン
グ材２２と摺動させた。試験条件は摺動速度１　、２＋
ｎ／ｓｅｅ、低粘度エンジンオイル滴下潤滑、荷重は６
０ｋｇ、時間１２０分間摺動し、ピストンリング材２２
の摩耗量を測定した。得られた結果は第３表に示した。

（以　　下　　余　　白　　） 第 表 第３表から明らかなように、シリンダボア材がＮｉ−３
Ｐベ一ス複合めっきの場合は、シリンダボア材がＦｅ１
２の場合と比較し、相手材のピストンリング材がＮｏ、
４の１３Ｃｒステンレス鋼・ガス窒化、Ｃｒめっき、特
殊鋳鉄の時に、ピストンリング材の摩耗が約２倍に増大
する。ごれに対して本発明のシリンダボア材とピストン
リング材の組み合わせでは、摩耗量が若干増大するだけ
であり、本発明のシリンダボア材とピストンリング材の
組み合わせが優れた耐摩耗性が確保できることが確認さ
れた。

［発明の効果］ 本発明の内燃機関のシリンダボアの構造は、めっき皮膜
強化微粒子をめっき皮膜内に分散されたＮｉもしくはＮ
ｉのＰ化合物とを含むＮｉ複合めっきが表面に形成され
たシリンダボアと、少なくともシリンダボアとの摺動面
にガス窒化処理を施した粒径２μｍ以上の炭窒化物が面
積率で３％以上品出したピストンリングとを組み合わせ
たことを特徴とするものであって、シリンダボアとピス
トンリングの摩擦面において皮膜強化微粒子および炭窒
化物等の硬質物質が凸部を形成し、マｌ〜リックス部に
形成された四部が油だまりの役目を果たすので、油切れ
がおこりにくくなるとともに、凸部を形成する硬質物質
が凝着しにくい高融点同志の摩擦が大部分となるため、
従来材のシリンダボアとピストンリングの組み合わせの
摺動部に比較して、著しく優れた耐摩耗性および耐スカ
ツフ性が得られるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリンダボアの部分断面図、第２図は焼付試験
を模式的に示す斜視図、第３図は摩耗試験を模式的に示
す斜視図、第４図はシリンダボアとピストンリングの摩
擦面を微視的に説明するための模式図である。 １・　・・シリンダライナ、３・　　・ピストンリング
、２０・・　シリンダボア材、２２　・−ピストンリン
グ材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）皮膜強化微粒子を分散したＮｉもしくはＮｉのＰ
   化合物からなるＮｉ複合めっき層を表面に施したシリン
   ダボアと、粒径２μｍ以上の炭窒化物が面積率で３％以
   上晶出し少なくとも前記シリンダボアとの摺動面にガス
   窒化処理を施したピストンリングとからなることを特徴
   とする内燃機関。