JPH03172680A

JPH03172680A - ピストンリング及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03172680A
Application number: JP31039689A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Takiguchi; 勝美滝口; Takao Ishizu; 石津　孝夫; Toru Konuki; 小貫　亨
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1991-07-26

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〕本発明は内燃機関や圧縮機等に用いられるピストンリン
グ及びその製造方法に関し、更に詳しくは少なくとも外
周摺動面に溶射被膜を形成したピストンリング及びその
製造方法に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕内燃機
関や圧縮機において用いられるピストンリング、特に内
燃機関用のピストンリングは、耐摩耗性を高めるために
摺動面に硬質Ｃｒめっきを施したものが、一般に使用さ
れている。

しかし、Ｃｒめっきピストンリングは、高負荷のエンジ
ンに使用した場合、摺動する相手材であるシリンダライ
チ鋳鉄材との耐焼付性が悪く、性能上満足し得ないもの
となりつつある。

それに対して、一部の機関で使用されている溶射ピスト
ンリング、特にＭｏやＮｉ−Ｃｒ合金等を含有する被膜
をプラズマ溶射によって形成したピストンリング（例え
ば、特開昭５４−１２４４号、特開昭６０−１２５３６
２号）は、耐焼付性は良好であるが、相手材に対する攻
撃性が高く、剥離もしやすい。

すなわち、従来のプラズマ溶射は大気圧下で行われてい
たため、大気の巻き込みにより、被膜中に空孔が形成さ
れやすかった。そのため、被膜自体や被膜と母材の境界
が酸化あるいは腐食され、運転中に剥離しやすい。また
、相手材の硬度が比較的低い場合、表面に露出した空孔
のエツジ部分により、相手材を摩耗させる。あるいは、
溶射中に溶融粉末が酸化し、各粉末粒子間の結合力が弱
くなり、従って被膜自体の機械的強度や耐摩耗性も低か
った。

さらに、Ｍｏは溶射材の中では比較的に酸化されにくい
が、高価なため、ピストンリング製品が高価になってい
た。硬質で耐摩耗材として藺θ以上に有効な物質として
、Ｃｒ５Ｃｚサーメツトが知られているが、やはり酸化
が激しく、プラズマ溶射による適用が難しかった。

従って本発明の目的は、従来のプラズマ溶射による被膜
の欠点を解消し、耐摩耗性と密着性に優れ、相手材をも
摩耗させにくい溶射被膜を形成したピストンリング、及
びその製造方法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、いわゆる
減圧プラズマ溶射法によって、ピストンリング母材上へ
の溶射を行えば、空孔の少ない優れた特性を備えた溶射
被膜が得られることを発見し、本発明を完成した。

すなわち、本発明のピストンリングは、少なくとも外周
摺動面に減圧プラズマ溶射被膜が形成されているピスト
ンリングであって、前記溶射被膜は５体積％以下の空孔
を有することを特徴とする。

また本発明は、少なくとも外周摺動面に減圧プラズマ溶
射被膜が形成されたピストンリングを製造する方法であ
って、１５０　Ｔｏｒｒ以下の不活性ガス雰囲気中で、
ピストンリング母材に対して減圧プラズマ溶射を行い、
５体積％以下の空孔を有する溶射被膜を形成することを
特徴とする。

以下、本発明を図面を参照して説明する。

第１図に本発明の一実施例によるピストンリングを示す
。ピストンリングｌは縦断面を示してあって、鋳鉄材や
鋼材等の母材２の外周摺動面に、５０〜５００虜の厚さ
で、空孔が５体積％以下の溶射被膜３が設けられている
。溶射材としては、ＭＯ１Ｔｉ％Ｗ　、Ｎｉ−Ｃｒ合金
、あるいはそれらを複合した金属や、１１ｃｍＣｏ　５
ＣｒｓＣｘ等のサーメット、Ａｌｔｏｓ等のセラミック
等を用いることができる。図示しているように、母材２
の外周に溝４を削設して、そこに溶射材３を埋設しても
よいし、あるいは第２図に示すように、溝は設けずに、
フラットな外周面上に溶射材３を盛り金してもよい。

次に、本発明のピストンリングの製造工程を説明する。

第３図に示すように、プラズマガン５とピストンリング
母材２とをチャンバ（図示せず）内に置く。プラズマガ
ン５は、プラズマガス噴出のためのノズルを兼ねて、銅
などからなる環状の陽極６と、この陽極６の上部に位置
してタングステンなどからなる陰極７、及び電源８とで
構成されている。陽極、陰極とも中にキャビティ（図示
せず）が形成され、十分に水冷を施す構造となっている
。

陽極すなわちノズル６の先端と母材２の間の距離は２０
へ１００ｍｎとする。

チャンバ内の空気をポンプ等で吸引して、１０−　’〜
１Ｏ−２Ｔｏｒｒ程度の真空にするとともに、酸素等の
有害ガスを除去する。次に＾ｒ等の不活性ガスをチャン
バ内に導入して、約２０〜１５０　Ｔｏｒｒの低圧に調
整する。

この状態で陽極６と陰極７間に高電圧を印加すると、ア
ーク放電９により不活性ガスが加熱され、プラズマ化す
る。その際の膨張によりガスは高温かつ高速でノズル６
から噴出し、プラズマジェット流ｌＯをつくる。

このプラズマジェット流中に原料粉末１１を投入する。

粉末の供給口は、図示のようにノズル６内か、あるいは
ノズル６の直下に設ける。粉末１１はプラズマジェット
流中で溶融、加速されて母材２に衝突する。それによっ
て、瞬時に偏平化して、母材温度まで急冷凝固し、被膜
３が形成される。

母材２の表面には予めショツトブラスト等でｌθ〜２０
ｔｍ程度の粗さを持たせるのがよい。それによって、溶
融粒子が母材の凸部に衝突した際に、凸部が局部溶融を
起こして合金化しやすく、機械的にも溶融粒子の凝固収
縮応力によるアンカー効果が生じて、接着力が強固とな
る。

また、溶射直前に母材２を予熱して４００〜５５０℃の
高温にし、移行アークにより表面をクリーニングすると
表面が活性化し、溶射後、母材２と被膜３の間に相互拡
散層が形成され、強固な接合を形成できる。

減圧下においてはプラズマジェット中のガス速度が高速
になる。従って、粉末粒子は大気プラズマ溶射の場合よ
りも高速に加速されて母材に衝突する。その結果、溶射
層は空孔の体積が５％以下の緻密な組織となる。そのた
め、被膜自体や被膜と母材の境界は酸化や腐食がされに
＜＜、運転中に被膜が剥離しにくくなる。また、組織が
緻密なことにより、摺動する相手材に対する攻撃性が低
い。

さらにまた、大気プラズマ溶射に比べて、溶融から凝固
に至る過程において雰囲気による粉末の酸化がない。従
って被膜中に酸化物が混在せず、被膜粒子間の結合力が
強く、機械的強度と耐摩耗性が高い。

以上の効果は、上述した金属、サーメット、セラミック
等、いかなる被膜材料についても得ることができるが、
特にＮｉ−Ｃｒ合金とＣｒａＣ２の混合粉末を溶射材と
して用いた場合に効果的である。ＮｉＣｒ合金は結合力
と耐食性の向上に寄与し、Ｃｒ３Ｃ−は硬度が高いので
、耐摩耗性を向上させる。

〔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外径１００　ｍｍ、軸方向幅３．Ｏｍｍ、厚さ３．８ｍ
ｍの断面矩形の球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ　６０）製ピスト
ンリング母材の外周に、３２５メツシユのＮｉ−Ｃｒ合
金粉末５０重量％、３２５メツシユの（：ｒ３Ｃｚ粉末
５０重量％からなる混合粉末を用いて、約２００Ｊの厚
さの被膜を減圧プラズマ溶射によって形成した。溶射条
件は以下の通りとした。

使用ガン：メテコ社製しＰＣ−９ＭＢプラズマ溶射ガン電圧ニア０ｖ電流：５００Ａ雰囲気ガス：Ａｒチャンバ内圧カニ　３０Ｔｏｒｒ母材予熱温度：４００℃ なお、形成された被膜中の空孔率は、平均で３体積％で
あった。

比較例１実施例１と同形状、同材質のピストンリング母材の外周
に、２００メツシユの１粉末８０重量％、２００メツシ
ユのＮｉ−［：ｒ合金粉末１０重量％、２００メツシユ
のＣｒ５Ｃｚ粉末ｌＯ重量％からなる混合粉末を用いて
、約２００−の厚さの被膜を大気圧下でプラズマ溶射に
よって形成した。溶射条件は以下の通りとした。

使用ガン：メテコ社製７Ｍプラズマ溶射ガン電圧：　７
０Ｖ電流：　５００　Ａ雰囲気ガス：Ａｒチャンバ内圧カニ　７６０Ｔｏｒｒなお、形成された被膜中の空孔率は、平均で１６体積％
であった。

ａ）実機試験上記実施例１と比較例１の溶射ピストンリングを第１圧
力リングとして、水冷４気筒１８００ｃｃのガソリンエ
ンジンに、ポーラスクロムめっきを施した鋳鉄（Ｆｅ１
２）製シリンダライチとともに組み込み、３５００ｒｐ
ｍ　、全負荷で３００時間の高速耐久運転を行った。

なお、その際、実施例１のリングは気筒Ｎα２及び気筒
Ｎｏ、　４のピストンに、比較例１のリングは気筒Ｎａ
　ｌ及び気筒Ｎα３のピストンに組み込んだ。また、全
ての気筒において、第２圧力リングとしては球状黒鉛鋳
鉄にクロムめっきを施したものを用い、オイルリングと
してはスチール製３ピースリングを用いた。

運転終了後、各々の第１圧力リングの外周面の摩耗量と
シリンダライナ上死点の摩耗量を測定した。結果を第４
図に示す。実施例１を適用したＮα２、Ｎα４の気筒に
おいて、比較例１よりも第１圧力リング、シリンダライ
ナともに、摩耗量が著しく少なくなった。

また、気筒Ｎα１のリング（比較例１）において、被膜
の剥離が１ケ所で発生し、気筒Ｎｏ、　３のリング（同
じく比較例１）において、剥離が２ケ所で発生したのに
対して、気筒Ｎα２及びＮα４のリング（実施例１）に
おいては剥離が発生しなかった。

ｂ）剥離試験減圧プラズマ溶射による実施例１のピストンリング、及
び大気プラズマ溶射による比較例１のピストンリングを
各々２本用意し、以下の通り、剥離試験を行った。

自由状態のピストンリング合い口の一方の端に上向きの
荷重を、他方の端に下向きの荷重をかけて、ピストンリ
ングに捩りを加え、溶射層が母材から剥離する捩り角度
を測定した。

その結果、比較例１のピストンリングにおいては、捩り
角度７０°及び８０°で剥離が発生したのに対して、実
施例１のピストンリングにおいては、捩り角度１２０　
”及び１３５°で剥離が発生した。従って、本発明のピ
ストンリングの溶射被膜の密着性の高さが証明された。

〔発明の効果〕以上説明した通り、本発明のピストンリングは、いわゆ
る減圧プラズマ溶射によって摺動面に耐摩耗性の被膜を
形成したものであり、被膜中の空孔量が従来のものより
も少ない。

従って、酸化や腐食がされにくいので、運転中に被膜が
剥離しにくい。また、被膜粒子間の結合力が強く、機械
的強度と耐摩耗性が高い。

さらに、被膜は緻密な組織を有していて、相手材に対す
る攻撃性が低いので、内燃機関におけるシリンダライチ
、圧縮機におけるハウジング等の相手材を摩耗させない
。

【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を示す
縦断面図であり、第２図は本発明の別の実施例によるピストンリングを示
す縦断面図であり、第３図は本発明のピストンリングを製造するための溶射
装置を示す概略縦断面図であり、第４図は本発明及び従
来のピストンリングの耐摩耗性を測定した結果を示すグ
ラフである。１・・・ピストンリング２・　・母材３・　・溶射被膜４・・・溝５・・・プラズマガン６・　・陽極７・・・陰極８・　・電源９・・・アーク放電１０・　・プラズマジェット流１１・　・原料粉末

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも外周摺動面に減圧プラズマ溶射被膜が
形成されているピストンリングであって、前記溶射被膜
は５体積％以下の空孔を有することを特徴とするピスト
ンリング。
（２）少なくとも外周摺動面に減圧プラズマ溶射被膜が
形成されたピストンリングを製造する方法において、１
５０Ｔｏｒｒ以下の不活性ガス雰囲気中で、ピストンリ
ング母材に対して減圧プラズマ溶射を行い、５体積％以
下の空孔を有する溶射被膜を形成することを特徴とする
方法。