JPH03172681A

JPH03172681A - ピストンリング及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03172681A
Application number: JP31039789A
Authority: JP
Inventors: Takao Ishizu; 石津　孝夫; Toru Konuki; 小貫　亨; Katsumi Takiguchi; 勝美滝口
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1991-07-26
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JP2825884B2

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
ナ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Ｎｏ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。

また、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Ｍｏ以上に有効な物質として
、Ｃｒ＊Ｃ２サーメッ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、Ｎｉ−Ｃ
ｒ合金粉末とＣｒ３Ｃ２粉末を所定の割合で混合した粉
末をピストンリングの摺動面に溶射することによって、
耐摩耗性と密着性のよい被膜が得られ、また、摺動する
相手材に対する攻撃性を低減することができることを発
見し、本発明を完成させた。

すなわち本発明のピストンリングは、少なくとも外周摺
動面に溶射被膜が形成されたもので、ＮｉＣｒ合金２０
〜４０重量％と、Ｃｒ３Ｃ２６０〜８０重量％とからな
るプラズマ溶射被膜を有することを特徴とする。

さらに本発明のピストンリングの製造方法は、１５０Ｔ
ｏｒｒ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、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末２０〜４０重量％とＣ
ｒ３Ｃｗ粉末６０〜８０重量％とからなる混合粉末を用
いて減圧プラズマ溶射を行い、５体積％以下の空孔を有
する溶射皮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１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
。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。

被膜３は、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末２０〜４０重量％とＣｒ
５Ｃｚ粉末６０〜８０重量％からなる混合粉末を、プラ
ズマ溶射して形成したものである。

Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末は母材及びＣｒ、Ｃ２粉末との結合
性が良好なため、被膜の密着性すなわち耐剥離性を向上
させる。また耐酸化性と耐食性の向上にも寄与する。一
方、Ｃｒ３Ｃ２粉末は摺動材として適度な硬度を有する
ため、耐摩耗性、耐スカッフィング性を向上させ、相手
攻撃性は低く、しかも安価な材料である。特に、Ｃｒ５
Ｃｚ粉末は減圧プラズマ溶射に適用すれば、溶射工程で
の酸化、分解が少なく、被膜の密着性を向上させる。

Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末が２０重量％未満、すなわちＣｒ：
＋Ｃ２粉末が８０重量％超では、〜１−Ｃｒ合金粉末の
上述の効果が得られず、溶射被膜の密着性が低下し、脆
化してしまう。

一方、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末が４０重量％超、すなわちＣ
ｒ５Ｃａ粉末が６０重量％未満では、Ｃｒ３Ｃ＊粉末の
上述の効果が得られず、耐摩耗性、耐スカッフィング性
が低下してしまう。これらの粉末のより好ましい混合割
合は、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末２０〜３０重里％、及びＣｒ
　、、Ｃ、粉末７０〜８０重量％であり、この範囲で上
述の効果がさらに向上する。

またＮｉ−Ｃｒ合金粉末は、２０〜４０重量％のＮ＋と
６０〜８０重量％のＣ［からなる組成のものとすること
が好ましく、それによって、溶射被膜は高温での耐酸化
性が向上する。

上述のＮｉ−Ｃｒ合金粉末とＣｒ５Ｃｚ粉末の混合粉末
を用いて大気プラズマ溶射を行えば、従来の溶射材を用
いた被膜よりも優れた特性を備えたピストンリングが得
られるが、いわゆる減圧プラズマ溶射を適用すれば、さ
らに優れた被膜が得られる。

減圧プラズマ溶射法によって本発明のピストンリングを
製造する工程を、以下に説明する。

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
〜１００　＋＋ｏｎとする。

チャンバ内の空気をポンプ等で吸引して、１０−１〜１
０−”Ｔｏｒｒ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Ａｒ等の不活性ガスをチャンバ
内に導入して、約２０〜１５０Ｔｏｒｒ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１０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ｌＯ〜２０
虜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、凸部が局部溶融を艷
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。

〔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１．２．３ピストンリング用球状黒鉛鋳鉄材（ＦＣＤ　６０）を、
縦１００ｎ＋ｍ、横５０ｎｕａ、厚さ１０順の角柱状に
加工し、さらにその一端面を湾曲面に研削加工した。

次に、第１表の実施例１．２．３で示す組成を有する３
２５メツシユのＮｉ−Ｃｒ合金粉末（Ｎｉ：２５重量％
、Ｃｒニア５重量％）と３２５メツシユの［ｒ３Ｃｚ粉
末からなる混合粉末を用いて、上記湾曲面に約２００即
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ＬＰＣ−９ＭＢプラズマ溶射ガン電圧＝７０ｖ電流：５００Ａ雰囲気ガス：Ａｒチャンバ内圧カニ　３ＱＴｏｒｒ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。

また、実施例２で得られたピストンリングの外周部分に
おける、金属組織の顕微鏡写真（Ｘ　１００）を第４図
に示す。溶射被膜３と母材２の接合部は合金化して拡散
結合している。被膜３中には空孔が極めて少ない。

実施例４実施例１〜３と同形状、同材質のピストンリング用鋳鉄
材の湾曲面に、第１表で示す組成を有する２００メツシ
ユのＮｉ−Ｃｒ合金粉末（Ｎｉ：２５重潰％、Ｃｒ　：
　７５重量％）と２００メツシユのＣｒ５Ｃ２粉末を用
いて、約２００ρ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＝７０
■ 電流：５００Ａ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。

比較例１．２実施例１〜３と同形状、同材質のピストンリング用鋳鉄
材の湾曲面に、第１表で示す組成を有する３２５メツシ
ユのＮｉ−Ｃｒ合金粉末（Ｎｉ：２５重量％、Ｃｒニア
５重量％）と３２５メツシユのＣｒａＣａ粉末を用いて
、約２００虜の厚さの被膜を減圧プラズマ溶射によって
形成した。なお、溶射条件は実施例１〜３と同じにした
。その結果、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３実施例１〜３と同形状、同材質のピストンリング用鋳鉄
材の湾曲面に、２００メツシユのＭＯ粉末５０重量％、
２００メツシユのＮｉ−Ｃｒ合金粉末１０重量％、２０
０メツシユのＣｒａＣ２粉末１０粉末１０及看２００メ
ツシユの純鉄粉末３０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。なお、溶射条件は実施例４と同じにし
た。その結果、形成された被膜中の空孔率は、平均で１
６体積％であった。

摩耗試験上記実施例１〜４及び比較例１〜３のピストンリング材
を供試材として、摩耗試験を行った。

第５図に概略して示す科研式摩耗試験機で高温湿式摩耗
試験を行った。支点１２を挟んでアーム１３の一方の端
に５０ｋｇの重り１４を吊るすとともに、支点１２と重
り１４の間に各供試材１５を、溶射ピストンリングを形
成した湾曲面を下向きにして固定した。

アーム１３の他方の端には、アーム１３が水平になるよ
うにバランサー１６を吊るした。ヒータ１７を内蔵して
１８０℃に保ったドラム形シリンダライナ材（ＦＣ２５
製）１８を周速０．５ｍ／秒で回転して、供試材１５と
摺接させた。シリンダライナ材１８の摺接面に低粘度オ
イル１９を３滴／分の量で滴下しながら２４０分間の試
験を行った。

試験後、供試材１５とライナ材１８の摩耗量を測定した
結果を第１表に示す。各摩耗量は、比較例３の摩耗量を
１００として、その相対値として表示している。第１表
に示されたように、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末とＣｒ５Ｃａ粉
末を適当量混合して溶射したものにおいて、リング材と
ライナ材ともに摩耗量が少ない。特に、減圧プラズマ溶
射を行うことによって摩耗量が少なくなった。

また、同じく上記試験後に、各々のピストンリング材の
溶射被膜の剥離の有無を調べた。その結果を第１表にあ
わせて示す。Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末を２０重量％以上配合
し、かつ減圧プラズマ溶射を行ったものにおいて、剥離
が起こらなかった。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明のピストンリングにおいては
、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末とＣｒ３Ｃ−粉末を各々所定量混
合してプラズマ溶射した被膜が、外周摺動面に形成され
ている。従って、それら原料粉末の特性により、被膜は
母材との密着性と耐摩耗性に優れている。また、摺動す
る相手材に対する攻撃性が低いので、相手材をも摩耗さ
せない。

さらに、上記原料粉末を用いて減圧プラズマ溶射すれば
、被膜中の空孔が少なくなり、耐酸化性も向上するので
、密着性と摩耗特性がより一層向上する。

【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図は本発明のピス
トンリングの外周部分における断面の金属組織を示す顕
微鏡写真であり、第５図は摩耗試験機の概略図である。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ＩＯ・　・プラズマジェット流１１・・・原料粉末（ｘｌｏｏ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも外周摺動面に溶射被膜が形成されたピ
ストンリングにおいて、Ｎｉ−Ｃｒ合金２０〜４０重量
％と、Ｃｒ＿３Ｃ＿２６０〜８０重量％とからなるプラ
ズマ溶射被膜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、前記
Ｎｉ−Ｃｒ合金は、２０〜４０重量％のＮｉと６０〜８
０重量％のＣｒからなる組成を有することを特徴とする
ピストンリング。
（３）請求項１又は２に記載のピストンリングを製造す
る方法であって、１５０Ｔｏｒｒ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、Ｎｉ−Ｃｒ合金
粉末２０〜４０重量％とＣｒ＿３Ｃ＿２粉末６０〜８０
重量％とからなる混合粉末を用い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皮膜を形成する
ことを特徴とする方法。