JPH0379864A

JPH0379864A - ピストンリングとシリンダの組合せ

Info

Publication number: JPH0379864A
Application number: JP21546989A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shinada; 品田　学
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1991-04-04

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、イオンプレーティングによる窒化チタン皮膜
を摺動面に有する内燃機関用ピストンリングと、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〕

従来の鋳鉄製のエンジンシリンダに代わって、内燃機関
の軽量化の目的でアルミニウム合金製のシリンダが一部
で実用化されてきた。しかし、このアルミニウム合金製
シリンダは耐摩耗性において鋳鉄製シリンダにやや劣る
ので、摺動面に鋳鉄製シリンダライナを組み合わせて使
用することが一般に行われている。ところが鋳鉄製ライ
ナと組合せる方式だとエンジンシリンダがコスト高とな
り、重量も大きくなるので、燃費もその分だけ多くなり
、経済的に好ましくない。

そこでアルミニウム合金製シリンダの内周面に炭化珪素
粒子を分散させたニッケル複合めっき皮膜を形成したシ
リンダが提案された。このニッケル複合めっき皮膜はニ
ッケルの基地中に、平均粒径ｌ〜１０μｍの炭化珪素粒
子を容積比で１０〜３０％の範囲で分散させたものであ
る。このニッケル複合めっき皮膜は、炭化珪素粒子によ
る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、耐摩耗性に優れている。ところが炭化珪素は
硬質で結晶の端部が鋭角のため、相手材であるビストン
リングを摩耗させやすいという問題がある。

例えば硬質クロムめっきを形成したピストンリングまた
は窒化層を形成させたピストンリングとの組合せで使用
した場合、耐摩耗性に問題がある。

またシリンダのめっき層と同じ炭化珪素分散ニッケル複
合めっき層を形成したピストンリングと組み合わせて使
用した場合、耐スカツフ性に問題がある。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に
対しては、従来からあるいかなる表面処理層を有するピ
ストンリングを組み合わせても、耐摩耗性の観点から好
ましくなかった。

そこで、最近相手材への攻撃性が少なく、耐焼付性に優
れた酸化クロム粒子を分散させたニッケル−コバルト−
燐合金めっき皮膜がエンジンシリンダに用いられるよう
になってきた。

しかし、酸化クロム分散ニッケル−コバルト−燐合金め
っき皮膜を有するシリンダに対して、従来の硬質クロム
めっき処理や窒化処理を施したピストンリングを組合せ
た場合、耐焼付性及び耐摩耗性の観点から、必ずしも満
足ではなかった。

そこで最近、酸化クロム分散ニッケル−コバルト−燐合
金めっき皮膜を有するシリンダに、同一の皮膜で硬度が
マイクロビッカースで９００〜１１００位の硬さを持つ
ピストンリングを組み合わせると、耐焼付性、耐摩耗性
が優れていることが分かり、一部に採用されるようにな
ってきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、硬度が異なる酸化クロム分散ニッケル−
コバルト−燐合金めっき皮膜を有するシリンダとピスト
ンリングとの組合せでも、高負荷、高回転の苛酷な条件
ではまだ耐久性の面で不十分であることがわかった。

従って、本発明の目的は、耐摩耗性、耐焼付性に優れて
いるとともに、相手材への攻撃性が少ない皮膜を有する
ピストンリングとシリンダとの組合せを提供することで
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結
果、反応性イオンプレーティングにより摺動面に窒化チ
タン層を形成したピストンリングは、酸化クロム粒子分
散ニッケル−コバルト−燐合金めっき皮膜を有するシリ
ンダと組合せると、良好な耐摩耗性、耐焼付性を発揮し
、両者とも摩耗することなく優れた耐久性を示すことを
発見し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の内燃機関用ピストンリングとシリン
ダとの組合せは、反応性イオンプレーティングによる窒
化チタン皮膜を摺動面に有する内燃機関用ピストンリン
グと、燐が０．５〜１０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−燐合金めっきの基地中に、平均粒径０．５〜１
０μｍの酸化クロム粒子が容積比で５〜３０％の範囲で
分散している複合皮膜を摺動面に有するシリンダとの組
合せであることを特徴とする。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明のピストンリングは摺動面に反応性イオンプレー
ティングによる窒化チタン皮膜を有することを特徴とす
る。この窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜は、窒素ガスの存在
する減圧雰囲気中で金属チタンをターゲツト材として反
応性イオンプレーティングを行うことで得ることができ
る。反応性イオンプレーティングにおいて、金属チタン
は原子状になり、チタン原子の一部は窒素と反応して窒
化チタンとなる。窒化チタン皮膜は硬度が高く、耐摩耗
性に富むため、厚さは１０〜３０μｍで十分である。

一方、本発明のシリンダは摺動面に酸化クロム粒子を含
有する複合めっき皮膜を有することを特徴とする。

複合皮膜中に含まれる燐は、皮膜の硬度を高め、耐摩耗
性、耐焼付性に対し優れた効果を示し、また基地の耐食
性も向上する。燐の量が０．５重量％以下では硬度が高
くならず、耐摩耗性の効果は少ない。また１０重量％を
超えると硬度は増すが脆くなり、衝撃強度も低下する。

従って燐の量は０．５〜１０重量％とするのが良い。よ
り好ましい燐の含有量は４〜７重量％である。

コバルトはめっき合金基地の耐熱性、耐食性を改善する
とともに皮膜の圧壊疲労強度も向上させる。合金基地中
のコバルトの量は１０重量％以下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
い変化はないので、１０〜４０重量％とするのが良い。

より好ましいコバルトの含有量は２０〜３０重量％であ
る。

酸化クロム粒子は燐とともに皮膜の耐摩耗性の向上に優
れた効果を示す。また酸化クロム粒子は金属との摩擦係
数及び濡れ性が低いので、耐焼付性の改善にも寄与する
。酸化クロム粒子の量は５〜３０容量％で、その平均粒
径は０．５〜１０μｍが良い。容量が５％未満あるいは
平均粒径が０．５μｍ未満では基地表面に占める酸化ク
ロム粒子の面積が少なく、耐摩耗性の向上効果が少ない
。また容量が３０％を超えるか平均粒径が１０μｍを超
えると相手材の摩耗を大きくすることとなり、さらに複
合皮膜の強度も低下する。より好ましくは、酸化クロム
粒子の平均粒径は０．８〜１．２μｍで、含有量は１５
〜２５容量％である。

複合めっき皮膜の形成には、上記所望の組成となるよう
にニッケル化合物、コバルト化合物及び燐化合物を溶解
させためっき浴中に酸化クロム粒子を分散させたものを
使用する。ニッケル化合物及びコバルト化合物としては
硫酸塩、スルファミン酸塩等を用い、燐化合物としては
燐酸、亜燐酸等を用いる。

得られた複合めっき皮膜は、水洗乾燥後、必要に応じて
熱処理を行う。熱処理温度は１５０〜２００℃程度で、
時間は（〜２時間である。熱処理により複合皮膜の基地
が硬化する。

〔作　用〕

ピストンリングの窒化チタン皮膜と、シリンダの酸化ク
ロム粒子含有複合めっき皮膜とを組合せると、耐摩耗性
及び耐焼付性が向上するとともに、相手材への攻撃性が
低くなる。この理由は必ずしも明らかでないが、両皮膜
とも熱伝導性、耐食性に優れ、溶融金属に濡れにくい安
定した性質を持ち、また窒化チタンはビッカース硬度２
０００程度の単一相組織で形成されているので、摺動面
として極めて優れた効果をあられすためであると考えら
れる。

〔実施例〕

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例１第１図に示すイオンプレーティング装置を用いて、ピス
トンリングに窒化チタンの皮膜を形成した。

第１図の装置において、ピストンリング母材ｌの下方に
は、蒸発源の金属チタン５を収容する水冷式銅製ルツボ
６が設置してあり、真空容器４の側壁には、ＨＣＤ型電
子銃８及び雰囲気ガス導入用のパイプｌＯが取りつけら
れており、また電子銃８から射出される電子ビームを蒸
発源の金属チタン５に照射するように、ルツボ６の上に
は収束コイル７が設置されていた。この装置を用いて、
ピストンリング母材１を母材保持具２で保持し、ヒータ
ー３でピストンリング母材ｌを所定の温度に加熱した。

このとき真空槽４内は真空ポンプ（ＴＩ！Ｊ示せず）に
より減圧状態にした。

呼び径×幅Ｘ厚さが７７ｍｍＸ　１．５　ｍｍＸ　３．
１　ｍｍの５ＫＤ−６１材のピストンリングを複数本ま
とめて母材１として、以下の条件で反応性イオンプレー
ティングを実施した。

母材温度＝４００℃ 電子ビーム出カニ　　３５Ｖ−５００Ａ窒素ガス分圧：
　　開始〜１分　Ｏｔｏｒｒ１分〜５０分　５　Ｘ　１
０”’ｔｏｒｒアルゴンガス分圧：　５　Ｘ　１０−’
ｔｏｒｒ蒸発源：　　　　　金属チタン母材バイアス：　　　−１００Ｖ初めは窒素ガスを導入せずにイオンプレーティングを行
って金属チタンの下地層を形成し、１分経過後から窒素
ガスを導入して窒化チタンの皮膜層を形成した。皮膜の
厚さは約ＩＯμｍであった。

実機試験一方、４サイクル水冷４気筒エンジン用のアルミニウム
合金製エンジンシリンダブロックのシリンダ円周面に、
燐５．８重量％、コバルト３２重量％、残部が実質的に
ニッケルからなるめっき基地中に１４容量％の酸化クロ
ム粒子（平均粒径２．８μｍ）が均一に分散した複合め
っき皮膜を形成し、２００℃で１時間の水素脆性処理を
行った。これに上記表面処理したピストンリングを組合
せ、高鉛ガソリンを燃料として、８６００ｒｐｍ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の内周面の摩耗量を測定した。

比較例１〜４また比較のため各ピストンリングに以下の４種類の皮膜
を形成し、実施例１のシリンダと組合せて、それぞれ同
様に実機試験を行った。

（１）反応性イオンプレーティングによって得られた厚
さ３０μｍの窒化クロム皮膜を有するピストンリング。

（２）燐５．８重量％、コバルト４０重量％、残部がニ
ッケルからなるニッケル−コバルト−燐合金基地中に平
均粒径１．５μｍで容積比２０％の酸化クロム粒子を分
散し、１００μｍのめっき厚に形成したのち、４００℃
で１時間の熱処理を行った複合めっき皮膜を有するピス
トンリング。

（３０７クロム鋼に窒化処理を施し、窒化層を７０μｍ
に形成したピストンリング。

（４）通常の硬質クロムめっき皮膜を有するピストンリ
ング。

試験結果を第２図に示す。なお、第２図において硬質ク
ロムめっきを施したピストンリング（比較例４）を組み
合わせたときの摩耗量を１００％とし、他の組合せの摩
耗量を割合（％）で示した。

第２図に明らかなように、窒化チタンの反応性イオンプ
レーティング皮膜を有する実施例１のピストンリングは
、耐摩耗性に優れ、また均−単一相であるため、相手材
であるシリンダの摩耗を著しく小さくしている。このよ
うに本発明の組合せは、いずれの組合せよりもピストン
リング及びシリンダの耐摩耗性に優れていることがわか
る。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り、本発明の窒化チタン皮膜を摺動面に
有する内燃機関用ピストンリングと複合分散めっき層を
有するシリンダとの組合せは、耐摩耗性、耐焼付性に優
れているとともに、それぞれ相手材を摩耗させることも
少なく、優れた組合せとなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用したイオンプレーティング装置の
概要を示し、第２図は、実施例及び比較例の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。１・・・母材（ピストンリング）２・・・母材保持具３・・・ヒーター４・・・真空容器５・・・金属チタン６・・・水冷銅ルツボ７・・・収束コイル８・・・ＨＣＤ電子銃９・・・雰囲気ガス導入用のバイブ

Claims

【特許請求の範囲】

　反応性イオンプレーティングによる窒化チタン皮膜を
摺動面に有する内燃機関用ピストンリングと、燐が０．
５〜１０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
めっきの基地中に、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
合皮膜を摺動面に有するシリンダとの組合せ。