JPH03134373A

JPH03134373A - ピストンリング

Info

Publication number: JPH03134373A
Application number: JP27349789A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shinada; 品田　学
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1991-06-07

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〕本発明は内燃機関用のピストンリング、特に耐摩耗性に
優れた複合めっき層を有する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〕エンジ
ンのシリンダボアの中でピストンに装着されて高速で摺
動するピストンリングは、耐摩耗性を高めるために硬質
クロムめっきを施したものが一般に使用されている。し
かし、クロムめっきは処理にかなりの時間を要するうえ
に、高鉛ガソリンを燃料とするエンジンや、高負荷のエ
ンジンに使用した場合、耐摩耗性、耐焼付性および耐蝕
性などに問題があった。

このような問題点を解決するために、ニッケル−燐など
の合金マトリックス中に窒化物や酸化物、あるいは炭化
物などの硬質粒子を分散させた複合めっきが注目されて
いる。これは、複合めっきあるいは分散めっきと呼ばれ
、分散させる粒子の種類や大きさ、それに分散量を変え
ることによって耐摩耗性、耐焼付性および耐蝕性などの
改善に優れた効果を示す。しかし、エンジンの高性能化
の著しい昨今の状況下、エンジン機種によっては、この
ような複合めっきを用いても満足のいく結果は得られな
いことがわかった。

従って、本発明の目的は、従来の硬質クロムめっきや複
合めっきの有する欠点を解消し、それ自体耐摩耗性に優
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〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ニッケル
−コバルト−硼素合金の基地中に、硬質粒子が分散した
複合めっき層を設けることによって耐摩耗性の優れたピ
ストンリングが得られることを発見し、本発明を完成し
た。

すなわち、本発明の第一のピストンリングは、硼素が１
〜７重量％、コバルトが１０〜５０重量％、残りが実質
的にニッケルからなるニッケル−コバルト−硼素合金の
基地中に、平均粒径０．５〜５μｍの窒化珪素が面積比
で５〜４０％分散している複合めっき層を有することを
特徴とする。

また、本発明の第二のピストンリングは、硼素が１〜７
重量％、コバルトが１０〜５０重量％、残りが実質的に
ニッケルからなるニッケル−コバルト−硼素合金の基地
中に、平均粒径０，５〜５μｍの窒化珪素が面積比で５
〜４０％と、平均粒径０．５〜１０μｍの固体潤滑材粒
子が面積比で５〜２０％分散している複合めっき層を有
することを特徴とする。

本発明を以下詳細に説明する。

本発明のピストンリングの摺動面に設けるめっき層は、
ニッケル−コバルト−硼素合金からなる基地を有する。

合金基地中に硼素を含有させ、熱硬化処理を行なうこと
により、基地の硬度が高くなり、耐摩耗性に優れた効果
を示し、また基地の耐蝕性の改善にも効果がある。硼素
の量が１重量％未満では熱硬化処理を行っても硬度が高
くならず、耐摩耗性を向上させる効果は少ない。また７
重量％を超えると硬度は増すが、めっき皮膜はかえって
脆くなって衝撃強度が弱くなり、皮膜の密着性も悪くな
る。したがって、硼素の量は１〜７重量％が良い。

また、合金基地中にコバルトを添加することにより、耐
熱性と耐蝕性が改善され、めっき皮膜の強度も向上する
。コバルトの量が１０重量％未満では上記の効果が顕著
に得られず、また５０重量％を超えてもその効果に著し
い変化はない。従って、コバルトの壷は１０〜５０重量
％が良い。

合金基地中に窒化珪素　（ＳｉＪ＊）を分散させること
によって、めっき皮膜の耐摩耗性が改善される。

分散する窒化珪素の容量は５〜４０面積％で、かつその
平均粒径は０．５〜５μｍが良い。容量が５面積％未満
あるいは平均粒径が０．５μｍ未満では耐摩耗性の改善
効果が少ない。また容量が４０面積％或いは平均粒径が
５μｍを超えると皮膜の強度が低下し、さらに、相手材
の摩耗を大きくすることになる。

合金基地中に窒化珪素と共に固体潤滑材粒子を分散させ
ると、耐摩耗性、耐焼付性をさらに改善することができ
る。固体潤滑材粒子としては、二硫化モリブデンや弗化
黒鉛、ボロンナイトライドなどがよい。固体潤滑材粒子
の容量は５〜２０面積％でかつその平均粒径は０．５〜
１０μｍが良い。容量が５面積％未満あるいは平均粒径
が０．５μｍ未満では、耐摩耗性、耐焼付性の改善効果
が少ない。

また容量が２０面積％或いは平均粒径が１０μｍを超え
ると皮膜の強度が低下し、脆くなって脱落しやすくなる
。

さらに、めっき皮膜を形成した後、３００℃前後で熱硬
化処理を施し、次いで５５０〜６００℃で窒化処理を施
せば、基地の硬度は低下するが、ピストンリングの側面
摩耗の改善と皮膜強度の向上に効果がある。窒化処理に
よって、皮膜中のＮ１５Ｂの結晶が増し、母材と皮膜の
間の結合強度が上昇するので、皮膜の剥離が防止される
。

このように、複合皮膜を形成した後に窒化処理を施せば
、母材と複合皮膜の密着性が向上するとともに、母材の
疲労強度も高くなるという利点がある。しかし一方、窒
化処理をした後で複合皮膜を形成すれば、複合皮膜が摩
滅して消滅しても窒化層が存在するので、耐摩耗性が向
上する。従って、これらの処理の順序は適宜変更するこ
とができる。

〔実施例〕

本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明す
る。

実施例１ピストンリング用鋼材で加工した、先端端面が５　ｍｍ
　Ｘ　５　ｍｍの直方体の試験片に、まず第一工程とし
て、摺動面に通例のニッケルストライクめっき方法で、
厚さ５μｍのニッケルめっきを形成しておき、次に第二
工程として、第１表に示す浴組成および下記のめっき条
件で、平均粒径１．２μｍの窒化珪素を分散した厚さ　
１００μｍのニッケル−コバルト−硼素複合めっきを形
成した。

（めっき条件）液温　　　　５３〜５５℃ ｐＨ５，０電流密度　　５　Ａ／ｄｍ” めっき時間　２時間さらに第三工程として、３００℃で１時間加熱して熱硬
化処理を行った。

実施例２実施例１と同じ試験片に、同様のめっき処理と熱硬化処
理を行った。ただし、めっき浴成分の中には第１表に示
す通り、平均粒径３μｍのボロンナイトライドを加えた
。

得られた複合めっき層の金属組織の顕＠鏡写真（ｘ　４
００）を第１図に示す。

実施例３実施例１と同じ試験片に、同様のめっき処理と熱硬化処
理を行った後、５６０℃でガス窒化処理を施した。

実施例４実施例１と同じ試験片に、同様のめっき処理と熱硬化処
理を行った後、５６０℃でガス窒化処理を施した。ただ
し、めっき浴成分の中には第１表に示す通り、平均粒径
３μｍのボロンナイトライドを加えた。

第２表実施例１〜４によって得られためっき皮膜の組成を第２
表に示す。また、めっき皮膜の硬度をマイクロビッカー
ス硬度計で測定した結果、実施例１が１０２０、実施例
２が１０００、実施例３が６３０、実施例４が６２０だ
った。

次に、本発明のピストンリング材の摩耗試験、焼付試験
及び実機試験を行った。

（ａ）　＃耗試験摩耗試験は第２図及び第３図に示すライダ一方式の摩耗
試験機によって行った。シリンダー材などとして使用さ
れる鋳鉄材ＦＣ２５製で摺動面２がホーニング仕上げさ
れた円板３が、ステータホルダー１に取外し可能に取付
けられており、その中央には裏側から注油孔４を通して
潤滑油が供給されるようにしである。また、油圧装置く
図示せず）によってステータホルダ１には図において右
方へ向けて所定圧力で押圧力がかかるようにしである。

円板３に対向してロータ５上に取付けられた試験片保持
具６の回転軸と同心の円周上に等間隔に刻設された４個
の取り付は孔に、上記実施例１〜４の表面処理が施され
た試験片７が取付けられている。試験片の５　ｍｍ　ｘ
　５　ｍｍ角の先端端面が円板３の摺動面２に接触し、
図示しない駆動装置によって所定速度で回転する。

試験はステータ側の注油孔４から一定油温の潤滑油を摺
動面に供給しながら行なう。試験片７が所定の摺動距離
だけ円板３上を摺動したときの試験片７とステータ円板
３の摩耗量によって耐摩耗性を評価する。

具体的には、潤滑油として、加鉛ガソリンを燃料とする
実機テストに使用後のエンジンオイル５ＡＥＮα３０に
ダスト（ＪＩＳ２種）を０．２ｇ／ｌ添加した温度８０
℃の油を、注油孔４から供給し、ステータホルダ１に対
してロータ５側に向けて油圧１００ｋｇ／ｃｆｆｌの押
圧力を加えながら、試験片７の摩擦速度を３〜５ｍ／ｓ
ｅｃとし、摺動距離が１００　ｋｍとなるまでロータ５
を回転させた。

前記実施例１〜４で得られた試験片の他に比較のため一
般に耐摩耗性表面処理に用いられる硬質クロムめっき、
モリブデン溶射についても同様の試験を行った。

試験結果を次の第３表に示す。

第　　　　　３　　　　　表ｂ）焼付試験上記摩耗試験と同じ試験機を使って焼付試験を行った。

ロータ５を回転させると、試験片７と円板３との摩擦に
よってステータホルダ１には第３図に示すようにトルク
Ｆが生ずる。このトルクＦをスピンドル８を介してロー
ドセル９に作用させ、押圧力の変化によるトルクＦの変
化を動歪計１０で読み取った。トルクＦが急激に上昇し
たときに焼付けが生じたものとみなして、そのときの押
圧力をもって耐焼付き性を評価した。

潤滑油は摩耗試験のものと同じものを使用し、ステータ
ホルダ１にはロータ側に向けてまず油圧４Ｑｋｇ／ａｆ
ｆ！の押圧力を加え、摩擦速度８ｍ／ｓｅｃでロータ５
を３分間回転させ、次に押圧力を５０ｋｇ／ｃｍとして
３分間回転させる。このようにして順次押圧力を１０ｋ
ｇ／ｃａ！ずつ段階的に増加して各々３分間保持し、ロ
ードセル９を介して動歪計１０でトルクＦの変化を記録
し、急激にトルクが増加したときの押圧力から接触面圧
を求めて焼付発生面圧とした。

試験結果を次の第４表に示す。

第　　　　　４　　　　　表Ｃ）実機試験呼び径Ｘ巾Ｘ厚さが８６ｍｍ　Ｘ　　１．５ｗ　Ｘ　３
．３ｍｍの鋼製第一圧力リングの外周摺動面に、後述す
る各種の本発明の複合めっきを施し、ボア径８６＋ｎ＋
ｎ、　４気筒の水冷過給機付きディーゼルエンジンに組
み付けた。軽油を燃料とし、５２００ｒｐｍ　、全負荷
で１００時間の高速耐久試験を行い、第−圧力リングの
外周摺動面、上下面および鋳鉄（ＦＣ２５）製シリンダ
ライナ内周面の摩耗量を測定した。

なお、本発明の複合めっきとしては、コバルト２５重量
％、硼素４重量％、残部実質的にニッケルのニッケル−
コバルト−硼素合金基地中に、平均粒径１．２μｍの窒
化珪素を２０面積％分散させたもの（実施例５）、平均
粒径１，２μｍの窒化珪素を２０面積％と平均粒径３μ
ｍのボロンナイトライドを１５容量％分散させたもの（
実施例６）、実施例５のものに３００℃×１時間の熱硬
化処理後、５６０ｔ’Ｘ３時間のガス窒化処理を施した
もの（実施例７）、及び実施例６のものに上記と同じ熱
硬化処理と窒化処理を施したもの（実施例８）を用いた
。

また、比較例として硬質クロムめっき、モリブデン溶射
をそれぞれ摺動面に施した第−圧力リングについても、
同様の試験を行った。試験結果を第５表と第６表に示す
。

第表第　　６表〔発明の効果〕以上に詳述した通り、本発明に係る窒化珪素粒子を分散
したニッケル−コバルト−硼素複合めっき層は、従来の
めっき層に比べて耐摩耗性、耐焼付性に優れているうえ
に、相手材を摩耗させることも少なく、ピストンリング
の表面処理層として好適であることが理解される。また
、第６表の結果かられかるように、複合めっき層にさら
に窒化処理を施したものは、側面の摩耗にも効果のある
ことがわかり、そのほかに、複合めっき層の靭性の改善
にも効果のあることが確認されている。また窒化層の上
に複合めっき層を形成することにより、めっき皮膜が消
滅しても窒化層が存在して、耐久性を向上させることも
出来る。

従って、本発明の複合めっき皮膜を有するピストンリン
グは、特に耐摩耗性が要求される高鉛ガソリンを燃料と
するエンジンに用いると、優れた効果を示すことが理解
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る複合めっき層の金属組織を示す
顕微鏡写真（Ｘ　４００）であり、第２図は摩耗試験機
の要部を示す一部断面図であり、第３図は第２図のｘ−ｘ矢視図である。スデータホルダ摺動面円板注油孔ロータ試験片出　　願　　人　　　株　式　会　社　　　　リ　ケ　
ン代　　理　　人　　　弁理士　　　高　　石　　　橋
　　馬第３図

Claims

【特許請求の範囲】（１）硼素が１〜７重量％、コバルトが１０〜５０重量
％、残りが実質的にニッケルからなるニッケル−コバル
ト−硼素合金の基地中に、平均粒径０．５〜５μｍの窒
化珪素が面積比で５〜４０％分散している複合めっき層
を有することを特徴とするピストンリング。（２）請求
項１に記載のピストンリングにおいて、さらに窒化処理
を施したことを特徴とするピストンリング。（３）硼素が１〜７重量％、コバルトが１０〜５０重量
％、残りが実質的にニッケルからなるニッケル−コバル
ト−硼素合金の基地中に、平均粒径０．５〜５μｍの窒
化珪素が面積比で５〜４０％と、平均粒径０．５〜１０
μｍの固体潤滑材粒子が面積比で５〜２０％分散してい
る複合めっき層を有することを特徴とするピストンリン
グ。（４）請求項３に記載のピストンリングにおいて、さら
に窒化処理を施したことを特徴とするピストンリング。