JPH0289874A - 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、複合分数めっき層を有する耐摩耗性に優れた
ピストンリングに係り、更に詳しくは、外周摺動面にお
ける複合分散めっき層の密着性と摺動特性が改善された
。且つ、側面の耐摩耗性も改善されたピストンリングに
関する。

（従来技術） 近年、内燃機関の高性能化に伴い各機能部品に対し、益
々苛酷な条件が課せられると共に、内燃機関の寿命の延
長が強く要求されている。ピストンリングも従来にもま
して高回転、高温、高面圧等の厳しい環境に曝され、そ
の耐久性の向上が要求されおり、ピストンリングの耐久
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
や溶射処理或いは窒化処理等の耐摩耗性表面処理が施さ
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最近
多く使用される傾向である。

しかしながら、従来ピストンリングに採用されている窒
化処理層は、耐摩耗性に優れる反面、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必ずしも充分とは
言えず、苛酷な運転条件での使用に際して異常摩耗を発
生する。窒化処理層の耐焼付性及び耐久性を改善するた
め、最近、耐摩耗性や耐焼付性に優れているニッケルー
コバルト−タングステンの基地に硬質粒子を分散させた
複合分散めっきが使用されてきた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このタングステンを含有する複合分散め
っき皮膜をクロム鋼に施した場合、苛酷な運転条件での
使用に際し密着性、摺動特性が充分とはいえず母材との
境界面より剥離したり、異常摩耗が発生することがある
という問題点がありより改善が望まれていた。

（課題を解決するための手段） 本発明は上述のタングステンを含有する複合分散めっき
の問題点に着目してなされたものであり、苛酷な使用条
件においても外周摺動面の良好な密着性と摺動特性を有
すると共に、側面の耐摩耗性が改善されたピストンリン
グを提供することを目的としてなされたものである。

第１の発明として、クロムを４．５〜２１重量％含有す
る鋼製ピストンリングの表面に窒化層が形成され、該ピ
ストンリングの外周摺動面に、ニッケル基地中に粒径０
．２〜１０μｍの金属の窒化物、炭化物又は酸化物であ
る硬質粒子を５〜３０容積％分散している２〜２０μｍ
の厚さの複合分散ニッケルストライクめっき層を有し、
更に該ストライクめっき層の上にコバルトを１０〜５０
重址％、タングステンを１０〜５０重量％含有するニッ
ケル基合金でなる基地中に粒径０．５〜５μ箇の金属の
窒化物、炭化物又は酸化物である硬質粒子を５〜３０容
積％分散している複合分散ニッケルめっき層を有するピ
ストンリングである。

第２の発明として、クロムを４．５〜２１重竜％含有す
る鋼製ピストンリングの表面に窒化層が形成され、該ピ
ストンリングの外周摺動面に、ニッケル基地中に粒径０
．２〜１０μｍの金属の窒化物、炭化物又は酸化物であ
る硬質粒子を５〜３０容積％分散している２〜２０μ麹
の厚さの複合分散ニッケルストライクめっき層を有し、
更に該ストライクめっき層の上にコバルトを１０〜５０
重量％、タングステンを１０〜５０重量％含有するニッ
ケル合金基地中に粒径０．５〜５μｍの金属の窒化物、
金属の炭化物又は金属の酸化物である硬質粒子と粒径０
．５〜５μ−の固体潤滑材粒子を合わせて５〜３０容積
％分散している複合分散ニッケルめっき層を有するピス
トンリングである。

本発明のピストンリングはその母材はクロム鋼である。

クロムが４．５重量％未満では窒化層が良好に形成され
ず、２１重量％を超えると加工性が悪くなるため、クロ
ムの含有量の範囲を４．５〜２１重量％とした。

第１の発明において第１図のピストンリングの断面模式
図に示すように、前記の母材１の表面に窒化層６を形成
することにより、特にピストンリング側面３の耐摩耗性
を向上させる。

窒化処理層６に対するめっきは、一般的に窒化層６の拡
散層がめつき皮膜との結合を弱め密着性を低下させる。

そこで、複合分散めっきとの密着性を強くする方法とし
て、従来、単純なニッケルめっきストライクが使われて
いるが、単純なニッケルめっき層では耐焼付性や耐摩耗
性が劣り、密着性は充分であるが摺動面としては不充分
であった１本発明では、タングステンを含まないニッケ
ルストライクめっき層７を形成させる。このニッケルス
トライクめっきＭ７は５ストライクめっき層７の耐焼付
性を上げるため０．２〜１０μ園、好ましくはの粒径の
０．５〜５μｍの粒径の硬質粒子の分散層を形成させる
。

ニッケルーコバルト−タングステンの複合分散めっき層
８の耐焼付性、耐摩耗性を上げるため熱硬化処理すると
ニッケルの生成が起こり母材との密着力が低下する。そ
こで本発明では、熱硬化処理を施してもニッケルを生成
しない皮膜、つまり、タングステンを含まない硬質粒子
分散めっき層７を中間層として介在させることを特徴と
する。この複合分散ストライクめっき層７の厚さは、こ
れが過度に薄いと充分な密着力の効果が得られなくなる
０本発明ではニッケル複合分散ストライクめっきＮ７の
厚さは２μ−以上にすることが必要である１反面、ニッ
ケル複合分散ストライクめっき層７の厚さを厚くするこ
とは、ニッケルーコバルト−タングステン複合分散めっ
き層８が摩耗により消失してストライクめっき層７が摺
動面として作用した場合ニッケルーコバルト−タングス
テン複合分散めっき層４より劣るので早く外周摩耗が多
くなり、リング合口４の隙間の増大が進行しピストンリ
ングの気密特性の劣化が発生する難点がある。それ故、
本発明ではニッケル複合分散ストライクめっき層８の厚
さは２０μ慶以下とし、好ましくは１０μｍ以下とする
。

ここで用いられる硬質粒子としては、金属の窒化物例え
ばＴｉＮ、Ｓｉ、Ｎ、、Ｃｒ、Ｎ、金属の炭化物例えば
ＴｉＣ，ＳｉＣ，ＣｒａＣｌ、金属の酸化物例えばＡｌ
、Ｏ，、Ｔｉｅ、、Ｃｒ２Ｏ，等である。

硬質粒子の分散量及び粒径は形成するストライクめっき
層７の厚さと関係するが、分＃Ｉｌ量が５容積％未満、
粒径が０．５μｍ未満では耐焼付性及び耐摩耗性におい
て効果が充分に発揮されない、分散量が３０容積％１粒
径が５μｍを超えるとめつき層が脆くなると共に、摺動
相手材の摩耗を増大させるので、分散量の範囲を５〜３
０容積％、粒径の範囲を０．５〜５μｍとした。

ストライクめっき層７の上に更にニッケルーコバルト−
タングステン複合分散めっき層８を形成する。

コバルトは耐焼付性、耐摩耗性及び耐食性を高め皮膜の
靭性強度を上げるのに有効に作用するが、１０重社％未
満ではその効果が顕著でなく、５０重量％を超えてもそ
の効果に著しい変化はなく経済的ではないので、コバル
トの含有量の範囲を１０〜５０重量％とじた。

タングステンはめつき基地の硬度を上げ耐摩耗性の向上
に有効に作用するが、１０重足％未満ではその効果が少
なく、５０重量％以上ではめつき基地とを脆弱にするの
で５タングステンの含有量の範囲を１０〜５０重竜％と
した。

硬質粒子の種類１分散量及び粒径は前記の複合分散スト
ライクめっき層７における各々と同様である。

第２の発明において、窒化層６を形成後ニッケル基複合
分散ストライクめっき層７の上にニッケルーコバルト−
タングステン複合分散めっき層８を形成する場合、分散
材として硬質粒子の他に固体潤滑材を添加することが大
きな特徴である。他は第１の発明と同様である。

固体潤滑材としては、二硫化モリブデン、二硫化タング
ステン又はボロンナイトライド等であり。

粒径は硬質粒子と同様に、０６２μ菖未満では耐焼付性
及び耐摩耗性の効果が少なく、１０μ園を超えた場合は
めっき層が脆くなると共に、摺動相手材の摩耗を増大さ
せるので１粒径の範囲を　０．２〜１０μ票とした。

分散量は硬質粒子と合わせて５容積％未満では耐焼付性
や耐摩耗性の効果が少なく、３０容積％を超える場合は
めっき層が脆くなると共に摺動相手材の摩耗を増大させ
るので、分散量の範囲を５〜３０μｍの範囲とした。

実施例 （１）耐焼付性試験 合金ｍ５Ｕｓ４４０Ｂ　（Ｃ：０．７５〜０．９５％、
ｓｉ：　１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．
０４％以下、Ｎｉ：　０．６０％以下、Ｃｒ：１６゜０
〜１８．０％、Ｍｏ：０．７５％以下）に窒化層２を形
成し、その上にニッケル基地中に粒径が０゜３〜５μｍ
の炭化クロム（ｃｒｉｃｚ）が１０容積％分敵している
ストライクめっき層７を厚さ５μｍ形成し、更に、該ス
トライクめっき層６の上にコバルト２５重量％、タング
ステン４０重量％含有しているニッケル基地中に粒径０
．３〜５μｍの炭化クロムを１０容積％分赦している複
合分散めっきＭ８を形成した第１の発明品の試料（Ａ）
と、窒化層６を形成しその上にニッケル基地中に粒径が
０　、３〜５　ｐ−の炭化クロム（ｃｒ３ｃ２）が１０
容積％分散しているストライクめつきＭ７を厚さ５μｍ
形成し、更に、該ストライクめっき層６の上にコバルト
２５重量％、タングステン４０重量％含有しているニッ
ケル基地中に粒径０．３〜５μ腫の炭化クロムと粒径が
０．３〜５μ臘の二硫化モリブデンを合わせて１０容積
％分散している複合分散層８を形成した第２の発明品の
試料（Ｂ）を作成し、５７０℃で１時間熱処理を施し耐
焼付性試験を行なった。

比較品として、従来の硬質クロムめっきを形成した試料
（Ｃ）、窒化層を形成した試料（Ｄ）を作成し同様に耐
焼付性試験を行なった。

試験装置は第４図に要部を図解的に、第５図に第４図の
Ａ−Ａ矢視断面図を示す。

ステータホルダ１１に取外し可能に取付けられた直径８
０薦鬼×厚さｌｏｎｍ研磨仕上げを施した円板１２（相
手材）の中央には裏側から注油孔１３を通して潤滑油が
注油される。ステータホルダ１１には図示しない油圧装
置によって図において左右に向けて所定圧力で押圧力が
作用するようにしである０円板１２に相対向してロータ
１４があり。

図示しない駆動装置によって所定速度で回転するように
しである。ロータ１４に取外し可能に取付けられた試験
片保持具１５には、５ｍｍ角Ｘ高さ１０ｍｍの試験片１
０が同心円状に等間隔に４個取外し可能に、且つ５円板
に対して摺動自在に取付けである。

このような装置においてステータホルダ１１に所定圧力
の押圧力Ｐをかけ、所定の面圧で円板１２と試験片１０
とが接触するようにしておいて。

注油孔１３から摺動面に所定給油速度で給油しながらロ
ータ１４を回転させる。一定時間毎にステータホルダ１
１に作用する圧力を段階的に増加していき、０−タ１４
の回転によって試験片１０と円板１２との間に摩擦によ
ってステータホルダ１１に生ずるトルク（摩擦力）Ｔを
第５図に示すスピンドル１６を介してロードセル１７に
作用せしめ。

その変化を動歪計１８で読み取り記録計１９に記録され
る。トルクＴが急激に上昇したとき、焼付けが発生した
ものとし、この時の接触面圧をもって焼付発生面圧とし
、その大小を以って耐焼付性の良否を判断する。

試験条件は次の通りである。

摩擦速度二８−厘／ｓａｃ 相手材ニジリンダライナ材鋳鉄（Ｆｅ１２）潤滑油：モ
ータオイル＃３０　油温８０℃供給量４００　ｃｃ／＋
＊ｉｎ 接触面圧：　４０　ｋｇ／ｃｍ”でならした後焼付は発
生まで１０　ｋｇ／ｃｍ”ずつ増圧、各面圧に３分間保
持 試験結果を第２図に示す、同図から明らかなように、比
較品のクロムめっき品（Ｃ）、窒化処理品（Ｄ）は接触
面圧１１８ｋｇ／ｃ＋＊　、　１１２ｋｇ／ｃ＋ｍ”で
焼き付けが発生したが、本発明の（Ａ）、（Ｂ）は接触
面圧１４１　ｋｇ／ｃ＋＊”、１４９　ｋｇ／ｃ＋ｉ”
で焼き付けが発生しており耐焼付性が大巾に改善された
ことが確認される。

（２）密着性試験 耐焼付性試験に使用したと同質の鋼材（ＳＵＳ４４０Ｂ
）で呼び径×巾Ｘ厚さが８１　Ｘ　１，５　Ｘ３．３ｍ
ｍのピストンリング１を作成しその全表面に窒化層６を
形成し、そのピストンリングの外周摺動面２に、ニッケ
ル基地中に粒径が０．３〜５μｍの炭化クロムが１０容
積％分散しているストライクめっき層７を厚さ５μｍ形
成し、更に該ストライクめっき、ｌｉ’ｆ３の上にコバ
ルトが２５重量％、タングステンが４０重量％含有して
いるニッケル基地中に粒径が０．３〜５μｍの炭化クロ
ムが１０容積％分散している複合分散ニッケルめっき層
８を形成した第１の発明品の試料（Ａ）と、ピストンリ
ングの全表面に窒化層６を形成し、その外周摺動面２に
、ニッケル基地中に粒径が０．３〜５μ麺の炭化クロム
が１０容積％分散していストライクめっき層６を厚さ５
μ膿形成し、更に該トスライクめっき層６の上にコバル
トが２５重量％、タングステンが４０重量％含有してい
るニッケル基地中に粒径が０．３〜ト１の炭化クロムと
粒径０゜３〜５μｍの固体潤滑材粒子を合わせて１ｏ容
積％分散している複合分散ニッケルめっき層８を形成し
た第２の発明品の試料（Ｂ）、比較量として、ピストン
リングの外周摺動面に、コバルトが２５重社％、タング
ステンが４０重量％を含有しているニッケル基地中に粒
径０．３〜５μｍの窒化珪素を１０重量％分散している
複合分散ニッケルめっき層を形成した試料（Ｃ）を作成
し、５７０℃で１時間熱処理を施し密着性試験を行なっ
た。

試験装置は第６図に要部を図解的に示す、ピストンリン
グ１の合口５の相対向する合口端部を掴持具９ａ、９ｂ
で掴持し、掴持具９ａを固定しておいて掴持具９ｂをピ
ストンリング１の合口反対側５を軸として破線で示され
るように回転してピストンリング１をねじり、所定のね
じり角度毎にピストンリング１の合口反対側５における
めっき層の剥離の有無を目視で観察するツイスト試験を
行なった。

試料（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の夫々に４０μ踵、６０μ
墓、　８０μｍ、　１００μｍ、　１２０μ閣、　１４
０μｍのめっき厚さを形成させた。試験結果は第３図に
示す。

第３図から明らかなように、直接含有複合分散ニッケル
めっき層を形成した比較量の試料（Ｃ）は低い角度で母
材からめっき層の剥離が発生したが、下地にストライク
めっき層を形成させその上に複合分散ニッケルめっき層
を形成させた本発明品の試料（Ａ）、（Ｂ）は共に良好
な密着性を示し、密着性が大巾に改善されたことが確認
された。

（３）実機試験 呼び径Ｘ巾Ｘ厚さが８１Ｘ１．５Ｘ３．３ｍ＋＊の鋼製
（ＳＵＳ４４０Ｂ）の第１圧力リングに本発明の複合分
散めっきを施しボア径８１ｍｍ、４気筒水冷過給機付ガ
ソリンエンジンに組付け、７３００ｒ。

ｐ、ｍの回転数で１００時間の高速耐久試験を行ないピ
ストン摺動面及び鋳鉄（Ｆｅ１２）製シリンダライナの
内周面の摩耗量及び皮膜剥離や焼付は発生等の不具合を
調べた。

ピストンリング１の全表面に窒化層６を形成し、その外
周摺動面に、ニッケル基地中に粒径が０゜３〜５μｍの
炭化クロムが１０容積％分散しているストライクめっき
層７を厚さ５μ閣形成し、更にその上にコバルトを２５
重量％、タングステンが４０重社％含有しているニッケ
ル基地中に粒径が０．３〜５μｍの炭化クロムを１０容
積％分散している複合分散ニッケルめっき屑８を形成し
た第１の発明品の試料（Ａ）を作成した。

ピストンリング１の全表面に窒化層６を形成しその外周
摺動面２に、ニッケル基地中に粒径が０゜３〜５μｍの
炭化クロムを１０容積％分散していストライクめっき層
７を厚さ５μ璽形成し、更にその上にコバルトが２５重
量％、タングステンが４０重量％含有しているニッケル
基地中に粒径が０．３〜５μｍの炭化クロムと粒径０．
３〜５μ園の二硫化モリブデンを合わせて１０容積％分
散している複合分散ニッケルめっき層８を形成している
第２の発明品の試料（Ｂ）を作成した。

比較材として摺動面にコバルトを２５重量％、タングス
テンが４０重量％を含有しているニッケル基地中に粒径
０．３〜５μｍの炭化クロムを１０容積％分散している
複合分散ニッケルめっき層を形成している試料（Ｃ）、
硬質クロムめっきを形成した試料（Ｄ）を作成し、試料
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を５７０℃×１時間の熱処理を
施した。各試料のめっき厚さを夫々１００μ■とし密着
性試験を行なった。試験結果を第１表に示す。

第１表 きの問題点を解決し、苛酷な使用条件においても耐焼付
性、耐摩耗性が優れた摺動皮膜を有し、該皮膜の密着性
が良好で折損もなく、且つ、側面摩耗を防止し耐久寿命
を向上させたピストンリングが得られた実用上の効果は
大である。

第１表から明らかなように、比較品の下地にストライク
めっき層のないもの（Ｃ）は摩耗量は少なかったが剥離
が発生し、硬質クロムめっき品（Ｄ）は剥離の発生はな
かったが摩耗量が非常に多かったが１本発明のピストン
リングはシリンダライナの摩耗も少なく、且つ、皮膜の
剥離や焼付けの発生もなく良好であった。

（効果） 本発明はタングステンを含有する複合分散めっ

【図面の簡単な説明】

第１図　本発明の一実施例を示すピストンリングの断面
模式図 第２図　耐焼付性試験結果を示す図 第３図　密着性試験結果を示す図 第４図　耐焼付性試験の試験装置の要部を示す一部破砕
図 第５図　第４図のＡ−Ａ矢視断面図 第６図　密着性試験の試験装置を示す模式図１：ピスト
ンリング　　　２：外周摺動面３：側面　　　　　　　
　４：合口 ６：窒化層 ７：タングステンを含まないストライクめっき層 ８　： ９　ａ、 １１　： １４　： １７　： タングステンを含有する分散めっき層 ９ｂ：掴持具　　１０：試験片 ステータホルダ　１２：円板（相手材）ロータ　　　　
　１５：試験片保持具 ロードセル　　　１８：動歪計 牙１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、クロムを４．５〜２１重量％含有する鋼製ピストン
   リングの表面に窒化層が形成され、該ピストンリングの
   外周摺動面に、ニッケル基地中に粒径０．２〜１０μｍ
   の金属の窒化物、炭化物又は酸化物である硬質粒子を５
   〜３０容積％分散している２〜２０μｍの厚さの複合分
   散ニッケルストライクめっき層を有し、更に該ストライ
   クめっき層の上にコバルトを１０〜５０重量％、タング
   ステンを１０〜５０重量％含有するニッケル基合金でな
   る基地中に粒径０．５〜５μｍの金属の窒化物、炭化物
   又は酸化物である硬質粒子を５〜３０容積％分散してい
   る複合分散ニッケルめっき層を有することを特徴とする
   ピストンリング。 ２、クロムを４．５〜２１重量％含有する鋼製ピストン
   リングの表面に窒化層が形成され、該ピストンリングの
   外周摺動面に、ニッケル基地中に粒径０．２〜１０μｍ
   の金属の窒化物、炭化物又は酸化物である硬質粒子を５
   〜３０容積％分散している２〜２０μｍの厚さの複合分
   散ニッケルストライクめっき層を有し、更に該ストライ
   クめっき層の上にコバルトを１０〜５０重量％、タング
   ステンを１０〜５０重量％含有するニッケル合金基地中
   に粒径０．５〜５μｍの金属の窒化物、炭化物又は酸化
   物である硬質粒子と粒径０．５〜５μｍの固体潤滑材粒
   子を合わせて５〜３０容積％分散している複合分散ニッ
   ケルめっき層を有することを特徴とするピストンリング
   。