JPH0413898A

JPH0413898A - ピストンリング

Info

Publication number: JPH0413898A
Application number: JP11165290A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shinada; 品田　学; Junichi Sagawa; 佐川　順一
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1990-05-01
Filing date: 1990-05-01
Publication date: 1992-01-17

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）本発明は特に耐摩耗性に勝れた複合メッキ層を有するピ
ストンリングに関する。

（従来の技術）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。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５．それに分散量を変え
ることによって面］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。

（本発明が解決しようとする課題）本発明は、前述の硬質クロムメッキ等を施したピストン
リングの有する問題点を解消すると共に、特に耐摩耗性
の更なる向上を、その技術的課題とする。

〔本発明の構成〕

（技術的解決手段）第１の手段として、燐が１〜１５重量％、コバルトが１
０〜５０重量％、残りがニッケルからなるニッケルーコ
バルト−燐合金めっきの基地層中に、平均粒径０．５〜
１ｏｕｍの酸化クロムを面積比で５〜４０％と、０．５
〜１０μｍの四酸化コバルト粒子が５〜２０面積％で分
散している複合皮膜層を有することにある。

第２の手段として、燐が１〜１５重量％、コバルトが１
０〜５０重量％、残りが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層中に、平均粒径０．５〜
１０μｍの酸化クロムを面積比で５〜４０％と、０．５
〜１０μｍの四酸化コバルト粒子が５〜２０面積％で分
散している複合皮膜層を有するピストンリングに窒化処
理を施したことにある。

（作用）先ず第１の手段によると、合金基地中に含まれる燐は、
熱硬化処理を行なうことにより基地の硬度が高くなって
耐摩耗性に優れた効果を示し、また基地の耐食性改善に
も効果がある。

燐の量が１％以下では熱硬化処理を行っても硬度が高く
ならず耐摩耗性の効果は少ない。また１５％を越えると
硬度は増すが皮膜はかえって跪くなり、衝撃強度は弱く
なり、皮膜の密着性も悪くなる。したがって燐の量は１
〜１５％が良い。

合金基地中にコバルトを添加することにより耐熱性、耐
蝕性は改善され、皮膜の強度も向上する。

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５０重量％を越えてもそ
の効果に著しい変化はない。したがって、コバルトの量
は１０〜５０重量％が良い。

合金基地中に分散する酸化クロム（Ｃｒ２０□）は皮膜
の耐摩耗性の改善に優れた効果を示す。分散する酸化ク
ロムの容量は５〜４０面積％で且っその平均粒径は０．
５〜１０μｍが良い。容量が５％以下或いは平均粒径が
０．５μｍ以下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１０μｍを越えると
皮膜の強度はかえって低下し、さらに、相手材の摩耗を
大きくすることになる。

合金生地中に酸化クロムと共に分散させる固体潤滑材粒
子は、耐摩耗性、耐焼付性を改善する。

四酸化コバルト粒子の容量は５〜２０面積％で且つその
平均粒径は０．５〜１０μｍが良い。容量が５％以下或
いは平均粒径が０．５μｍ以下では耐摩耗性、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を越えると皮膜の強度はかえって低下し
、さらに、脆くて脱落しやすくなる。

次に第２の手段によると、窒化処理を施している。これ
は、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。従来の燐を含有した複合めっき皮膜は
、基地の硬度を高めるために４００°Ｃ前後で熱効果処
理を施す。この皮膜に対してさらに５５０〜６００°Ｃ
で窒化処理を施すと、かえって基地の硬度は低下するが
、皮膜の靭性が増し、皮膜層間剥離の原因となる皮膜層
間強度が改善される。

また、複合皮膜層を形成した後に窒化処理を施す方法は
、窒化処理後に複合皮膜を形成する方法よりも、母材と
複合皮膜層と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。

（実施例１）ピストンリング用鋼材である先端端面が５　ｍｍ　Ｘ５
胴の試験片に、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、表１の浴
組成およびめっき条件で、酸化クロムを分散した厚さ１
２０μｍのニッケルコバルト−燐複合めっきを形成した
。

い、第２の発明は、５６０″Ｃでガス窒化処理を行なった。

めっき皮膜組成とその硬度をマイクロビッカース硬度計
で測定した結果を表２に示す。

第三工程として、第１の発明は、ピストンリングを４０
０°Ｃで１時間加熱して熱硬化処理を行な次に本発明に
係る摺動面の耐摩耗試験および焼付試験について説明す
る。試験は第２図および第３図に示すライダ一方式摩耗
試験機によって行った。その概要はステータホルダ１に
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が取外し可能
に取り付けられており、その中央には裏側から注油孔４
を通して潤滑油が注油されるようにしてあり、図示しな
い油圧装置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に対向してローフ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
の取付孔にそれぞれ試験片７が取付けられ、それぞれ所
定の表面処理が施された試験片の５　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。

摩耗試験は一定の押圧力の下でロータ５を回転させ、試
験片７が所定の摺動距離だけ円板３上に摺動したときの
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。

またロータ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には図示のようにトルクＦを
生するので、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ｌ・ルクＦが急激に上昇したとき
に焼付けが生じたとして、そのときの押圧力をもって耐
焼付き性を評価する。

試験片７には、前記実施例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
。

ａ）　摩耗試験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ＳＡＥ　　Ｎｏ、３０にダスト（
ＪＩＳ２種）を０．２　ｇ　／　１添加した温度８０°
Ｃの油を用いて、注油孔４から供給しステータホルダ１
にはロータ側に向けて油圧１ｏ０ｋｇ／ｃｍ２の押圧力
を加えながら、試験片７の摩擦速度を３〜５ｍ／ｓｅｃ
とし、摺動距離が１１００Ｋとなるまでロータ５を回転
させた。

試験結果を次の表３に示す。

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、急激にトルクの増加したとき
の押圧力から接触面圧を求めて焼付発生面圧とした。

試験結果を次の表４に示す。

ｂ）　焼付試験潤滑油は摩耗試験のものと同じものを使用し、ステータ
ボルダ１にはロータ側に向けてまず油圧４０ｋｇ／ｃｍ
２の押圧力を加え摩擦速度を８ｍ／ｓｅｃでロータ５を
３分間回転させ、次に押圧力を５０ｋｇ　／　ｃｍ　２
として３分間回転させ、このようにして順次押圧力を１
０ｋｇ／ｃｍ２づつ段階的に増加してＣ）　実機試験次に呼び径×巾×厚ざが、８６　Ｘ　１．５　Ｘ　３．
３　ｍｍｍ鋼製−圧力リングの外周摺動面に本発明複合
めっきを施し、ボア径８６ｍｍ、４気筒の水冷過給機付
キディーゼルエンジンに組みつけて、軽油を燃料として
５２００ｒｐｍ、全負荷で１００時間の高速耐久試験を
行い、第−圧カリシブの外周摺動面、上下側面および鋳
鉄（Ｆｅ１２）製シリンダライナ内周面の摩耗を測定し
た。

この第−圧力リングは、コバルト２５重量％、燐４重量
％、残ニッケルのニッケルーコバルト燐合金基地中に、
平均粒径０．８μｍの酸化クロムを２０面積％、平均粒
径３μｍの四酸化コバルトを１５容量％分散させたもの
のそれぞれに、４００°Ｃ×１時間の熱硬化処理を施し
たものと、５６０°Ｃ×３時間のガス窒化処理を施した
ものとを使用した。

尚、比較例として前記実施例で使用したものと同様の硬
質クロムめっき、モリブデン溶射をそれぞれ摺動面に形
成させた第−圧力リングについても試験を行った。試験
結果を表５、表６に示す。

〔表５〕（効果）表３、表４、表５、表６により、本発明の酸化クロムと
四酸化コバルトの混在分散したニッケルコバルト−燐複
合めっき層は、従来のめつき層］　４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などのピ
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、表６の結果かられかるように、第２の発
明として窒化処理を施したものは、更に側面の摩耗にも
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。

従って、本発明の複合皮膜は、特に耐摩耗性を要求され
る高鉛ガソリンを燃料とするエンジンに対して、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、第２の発明の実施例を示す複合めっき層の金
属組織を示す顕微鏡写真（Ｘ４００）、第２図は、摩耗
試験機の要部を示す一部破砕図、第３図は第２図のＸ−
Ｘ矢視図である。図中　１・・・ステータボルダ、２・・・摺動面、３・
・・円板、４・・・注油孔、５・・・ロータ、７・・・
試験片代理人　弁理士　桑　原　英　明

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燐が１〜１５重量％、コバルトが１０〜５０重量
％、残りがニッケルから成るニッケル・コバルト・燐合
金メッキの基地層中に、平均粒径０．５〜１０μｍの酸
化クロム粒子を面積比で５〜４０％と、０．５〜１０μ
ｍの四酸化コバルト粒子を面積比で５〜２０％で分散し
ている複合皮膜層を有することを特徴とするピストンリ
ング。
（２）燐が１〜１５重量％、コバルトが１０〜５０重量
％、残りがニッケルから成るニッケル・コバルト・燐合
金メッキの基地層中に、平均粒径０．５〜１０μｍの酸
化クロムを面積比で５〜４０％と、０．５〜１０μｍの
四酸化粒子を面積比で５〜２０％分散している複合皮膜
層を有するピストンリングに窒化処理を施したことを特
徴とするピストンリング。