JPH03244876A

JPH03244876A - ピストンリングとシリンダの組合せ

Info

Publication number: JPH03244876A
Application number: JP4142990A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shinada; 品田　学
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1991-10-31

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、耐摩耗性に優れた複合めっき層を摺動面に有
する内燃機関用ピストンリングと、同じく耐摩耗性に優
れた複合めっき層を有するシリンダとの組合せ技術に関
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
関で用いられるシリンダとしては、鋳鉄製のものが広く
採用されている。しかし近年、内燃機関の軽量化を目的
に、Ａ１合金製シリンダへの移行が一部で行われている
。

従来のＭ合金製シリンダは、鋳鉄製シリンダに比べて摩
耗しやすいために、シリンダボアに鋳鉄製のシリンダラ
イナを装着して用いていた。しかし、そのような構造で
は、製造コストが高くなって経済的に好ましくない。

このため、ＡＡ合金製シリンダの内周面に、ニッケル基
地中に炭化珪素の粒子を分散させた複合めっき（いわゆ
るニジカルめっき）を施したものが提案されている（特
公昭５２−２３０１８号及び特公昭５８９１６０号）　
　このような複合めっき層を有するシリンダは、硬質の
炭化珪素粒子が露出した第一摺動面と、基地部による第
二摺動面との間の保油作用により、耐摩耗性が改善され
ている。

しかし、炭化珪素は硬質で結晶の端部が鋭利なため、相
手材を摩耗させやすい欠点がある。例えば、硬質クロム
めっきを施したピストンリングと組合わせて使用した場
合、ピストンリングに摩耗が発生しやすい。また、シリ
ンダと同様に炭化珪素分散ニッケル複合めっきを施した
ピストンリングと組合わせて使用した場合、互いに相性
が悪いために両者にスカッフィングが起きやすい。さら
にまた、炭化珪素と同様に硬質な窒化珪素をニッケル基
地中に分散させた複合めっきを施したピストンリングと
組合わせることも試みられている。

この場合、耐摩耗性と耐スカッフィング性には優れてい
るが、特に２サイクルエンジンに用いた場合、ピストン
リングのめっき層にクラックが発生しやすいことがｉｔ
忍されている。

このように、炭化珪素分散ニッケル複合めっき皮膜を有
するシリンダと組合わせて用いるピストンリングに施す
のに適当な表面処理層は未だに開発されていない。

従って本発明の目的は、炭化珪素分散ニッケル複合めっ
き皮膜を有するシリンダと、そのようなシリンダとの相
性が良く、かつ耐摩耗性及び耐焼付性に優れているピス
トンリングとの組合せを提供することである。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ニッケル
基合金の基地中に、酸化クロム粒子が分散した複合めっ
きを施したピストンリングを用いることによって、ピス
トンリングと炭化珪素分散ニッケル複合めっき皮膜を有
するシリンダの双方の耐摩耗性が改善されることを発見
し、本発明を完成した。

すなわち、第一の発明は、燐が０．２〜１０重量％、残
りが実質的にニッケルからなるニッケル−燐合金の基地
中に、平均粒径０．５〜１０μｍの酸化クロム粒子が容
積比で５〜３０％の範囲で分散している複合めっき層を
、摺動面に有するピストンリングと、ニッケル基地中に
、平均粒径１〜ｌＯμｍの炭化珪素粒子が容積比で１０
〜３０％の範囲で分散している複合めっき層を、摺動面
に有するシリンダとの組合せである。

また、第二の発明は、燐が０．２〜１０重量％、コバル
トが１０〜４０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−燐合金の基地中に、平均粒径０
．５〜１０μｍの酸化クロム粒子が容積比で５〜３０％
の範囲で分散している複合めっき層を、摺動面に有する
ピストンリングと、ニッケル基地中に、平均粒径１〜１
０μｍの炭化珪素粒子が容積比で１０〜３０％の範囲で
分散している複合めっき層を、摺動面に有するシリンダ
との組合せである。

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明に係るピストンリングとシリンダの断面
図を示す。鋳鉄あるいはスチールからなるピストンリン
グ母材１の外周面に、ニッケル複合めっき皮膜２が設け
られている。複合めっき皮膜２は、ニッケル−燐合金の
基地あるいはニッケル−コバルト−燐合金の基地中に、
平均粒径０．５〜１０μｍの酸化クロム粒子が容積比で
５〜３０％の範囲で分散したものである。また、ニッケ
ル複合めっき皮膜２の密着性を改善するために、皮膜２
と母材１の間にニッケルストライクめっき層３を設ける
のが好ましい。

ニッケル基合金基地中に含まれる燐は、熱硬化処理を行
なうと硬度が高くなって耐摩耗性向上に優れた効果を示
し、また基地の耐蝕性改善にも効果がある。燐の里が０
．２重量％未満では、熱硬化処理をおこなっても硬度が
高くならず耐摩耗性向上の効果は少ない。また１０重量
％を超えると、硬度は増すがめつき皮膜はかえって脆く
なり、衝撃強度が弱くなり、ピストンリング母材との密
着性も悪くなる。したがって燐の量は０．２〜１０重量
％とする。好ましい燐の含有量は、０．５〜７６０重量
％である。

合金基地中にコバルトを１０〜４０重量％の範囲で添加
すると、合金基地の耐熱性と耐蝕性が改善されるととも
に、皮膜の圧壊疲労強度も向上する。

１０重量％未満では上記の効果が顕著に得られず、また
４０重量％を超えてもその効果に著しい変化はない。好
ましいコバルトの含有量は２０〜３０重量％である。

合金基地中に分散する酸化クロム粒子は、燐とともに皮
膜の耐摩耗性改善に優れた効果を示す。

特に、ピストンリングは高速、高温下でシリンダ内面上
を摺動するので、一般には潤滑条件が悪化するが、酸化
クロム粒子が分散した複合めっき皮膜を形成することに
より、摩擦係数が低下し、耐摩耗性のみならず耐久、カ
ッフィング性が向上する。

また酸化クロムはセラミックスの中でも耐熱性、耐酸化
性、化学的安定性に優れ、金属との反応性や濡れ性が低
く、金属と融着しにくいため、炭化珪素粒子などに比べ
て耐スカッフィング性も良くなる。

酸化クロム粒子の含有量は、容積比で０．５〜３０％で
あり、且つその平均粒径は０．５〜１０μｍとする。

含有量が０．５％未満或いは粒径が０．５μｍ未満では
、基地表面に占める酸化クロムの面積が少なく、耐摩耗
性を向上させる効果が少ない。また含有量が３０％を超
えるか或いは粒径が１０μｍを超えると、相手材の摩耗
を大きくすることになり、さらに皮膜の強度も低下する
。好ましくは、酸化クロム粒子の含有量が１５〜２５％
、平均粒径が１〜５μｍである。

次にシリンダについて説明する。

第１図において、ピストンリングと摺動するシリンダに
は、Ｍ又はＭ合金等のシリンダ母材４の内周面に、ニッ
ケル基地中に炭化珪素粒子が分散した複合めっき皮膜５
が設けられている。エンジンのなじみ運転が終了すると
、硬質の炭化珪素粒子が露出して第一摺動面となり、ニ
ッケル基地の第二摺動面との間で段差が生じて保油作用
が良好となり、耐摩耗性が改善される。

炭化珪素粒子は平均粒径１〜１０μｍで、容積比１０〜
３０％の範囲で分散させる。含有量が容積比で１０％未
満あるいは粒径が１μｍ未満ては、十分な耐摩耗性が得
られない。一方、含有量が３０％超あるいは粒径が１０
μｍを超えると、相手のピストンリングを摩耗させてし
まう。また加工性が悪くなり、皮膜の強度も低下する。

好ましくは、炭化珪素粒子の含有量が１５〜２５％、平
均粒径が２〜５μｍである。

以上のような複合めっき皮膜を有するピストンリングと
シリンダを組合わせて用いることにより、双方の耐摩耗
性と耐スカッフィング性が改善される。

〔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呼び径Ｘ幅×厚さが８１ｍｍＸ　１．５ｍｍＸ　３．２
ｍｍの鋼製第一圧力リングに、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１
０μｍのニッケルめっきを形成した。

次に第二工程として、第１表に示す浴成分の、酸化クロ
ム粒子を懸濁させためっき浴を用い、リングの摺動面に
さらに、ニッケル−燐合金基地中に酸化クロムが分散し
た厚さ１００μｍの複合めっき層を形成した。なお、め
っき条件は液温５５℃、ｐＨ２，０、電流密度５Ａ／ｄ
ｍ’とした。

形成された複合めっき層中の燐の量は５重量％、酸化ク
ロムの量は容積比で２５％であった。

さらに、第三工程として、ピストンリングを４００℃で
１時間加熱して熱硬化処理を行ない、基地を硬化させた
。この処理によってマイクロビッカース硬度は８００〜
９００　となった。

実施例２実施例１と同様に、呼び径Ｘ幅×厚さが８１ｍｍｘ１．
５ｍｍＸ　３．２ｍ＋ｎの鋼製第一圧力リングに、ニッ
ケルストライクめっきを形成したのち、第二工程として
、リングの摺動面にさらに、第１表に示す浴成分および
実施例１と同じめっき条件で、ニッケル−コバルト−燐
合金基地中に酸化クロムが分散した厚さ１００μｍの複
合めっき層を形成した。

複合袷っき層中の燐の量は５重量％、コバルトの量は３
０重量％、酸化クロムの量は容積比で１５％であった。

第三工程として、ピストンリングを４００℃で１時間加
熱して、基地を硬化させた。この処理によってマイクロ
ビッカース硬度は８００〜９００　となった。

（実機試験）実施例１および実施例２で得られた第−圧力リングを、
４サイクルの水冷４気筒エンジンに取り付けて実機試験
を行った。

シリンダは、ボア径５６ｍｍのアルミ合金製で、その内
周面に、ニッケル基地中に平均粒径３μｍの炭化珪素粒
子を容積比で２０％分散させた複合めっき層を形成した
ものを用いた。また、第二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。

高鉛ガソリンを燃料として回転数７３０Ｏｒｐｍ　、全
負荷、１００時間のベンチテストを行い、ピストンリン
グの外周摺動面及びシリンダ内周面の摩耗量を測定した
。

比較のため、ピストンリングの外周摺動面に硬質クロム
めっきを施したもの、及び炭化珪素を分散させたニッケ
ル複合めっきを施したものと、上記と同じシリンダの組
合せについても、それぞれ同様に試験を行なった。

試験結果を第２図に示す。第２図は、硬質クロムめっき
を施したピストンリングを用いたときのピストンリング
とシリンダの摩耗量を１００として、その他の組合せの
ピストンリングとシリンダの摩耗量を比較したものであ
る。実施例１、実施例２ともに、ピストンリングに従来
のめっきを施した場合よりも、ピストンリングとシリン
ダ双方の摩耗量が著しく減少している。

また、実施例１、実施例２ともに、ピストンリングのめ
っき皮膜にクラックや剥離は発生しなかった。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明においては、シリンダとして
、その内周面にニッケル基地中に炭化珪素粒子を分散さ
せた複合めっきを施したものを用いており、摺動面の保
油作用が優れているので、耐１９粍性が向上する。

そのシリンダの相手材として、従来のめっきを施したピ
ストンリングを用いた場合は、ピストンリングの摩耗や
スカッフィングが発生していたが、本発明のように酸化
クロム粒子を分散させた複合めっきをピストンリングに
施すと、シリンダとピストンリングの相性がよく、双方
の摩耗が低減し、スカッフィングも発生しない。

【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とシリ
ンダの摺動部分を示す断面図であり、第２図は、実機試
験におけるピストンリング及びシリンダの摩耗量を示す
グラフである。１・・・ピストンリング母材２・・・酸化クロム分散複合めっき皮膜３・・・ニンケ
ルストライクめっき層４・・・シリンダ母材５・・・炭化珪素分散複合めっき皮膜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燐が０．２〜１０重量％、残りが実質的にニッケ
ルからなるニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径０．
５〜１０μｍの酸化クロム粒子が容積比で５〜３０％の
範囲で分散している複合めっき層を、摺動面に有するピ
ストンリングと、ニッケル基地中に、平均粒径１〜１０
μｍの炭化珪素粒子が容積比で１０〜３０％の範囲で分
散している複合めっき層を、摺動面に有するシリンダと
の組合せ。
（２）燐が０．２〜１０重量％、コバルトが１０〜４０
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−燐合金の基地中に、平均粒径０．５〜１０μｍ
の酸化クロム粒子が容積比で５〜３０％の範囲で分散し
ている複合めっき層を、摺動面に有するピストンリング
と、ニッケル基地中に、平均粒径１〜１０μｍの炭化珪
素粒子が容積比で１０〜３０％の範囲で分散している複
合めっき層を、摺動面に有するシリンダとの組合せ。