JPH044361A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPH044361A
JPH044361A JP2106860A JP10686090A JPH044361A JP H044361 A JPH044361 A JP H044361A JP 2106860 A JP2106860 A JP 2106860A JP 10686090 A JP10686090 A JP 10686090A JP H044361 A JPH044361 A JP H044361A
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
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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] 本発明は改良されたピストンリングに関し更に詳しくは
初期運転時の摺動特性を改善した内燃機関用のピストン
リングに関する。
[従来技術] 近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴いピストンリン
グに要求される品質が高度になってきている。従来、内
燃機関用のピストンリングには、その耐久性を改善する
手段として摺動面に硬質クロムメッキ処理や溶射処理あ
るいは窒化処理等の耐摩耗性表面処理が施されている。
これらの表面処理のうちで特に窒化処理は優れた耐摩耗
特性を示すことから過酷な運転条件の下で使用されるピ
ストンリングの表面処理として注目され広く実用に供さ
れている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、窒化処理層は耐摩耗特性に優れている反
面、耐焼き付き特性(耐スカツフイング特性)に関して
は硬質クロムメッキ層や溶射層に比べて必ずしも十分で
あるとはいえず、過酷な運転条件での使用に際しての異
常摩耗を発生する事があり改善が望まれていた。
上記問題点に鑑み、本発明は耐摩耗性に優れていると同
時に耐焼き付き特性に優れていて、過酷な使用条件にお
いても良好な摺動特性を示す内燃機関用ピストンリング
を提供することを目的とするものである。
[問題点を解決するための手段] この発明では上記目的を達成するピストンリングとして
少なくとも外周摺動面に窒化層が形成されかつ該窒化層
の上に更に厚さが0.5〜20μmのNi−B複合分散
メッキ層で成る薄層が形成されていることを特徴とする
内燃機関用ピストンリング、さらには、Ni−8複合分
散メッキ層がボロンな0.1〜10重量%含有するニッ
ケル合金で成る基地中に金属の炭化物、窒化物あるいは
酸化物でなる粒径0. 1〜10μmの硬質粒子を容積
比で5〜30%分散させた複合分散ニッケルメッキ層で
あることを特徴とする内燃機関用ピストンリングを提供
するものである。
[作用] 本発明のピストンリングは少なくともその摺動面には窒
化処理が施され窒化層が形成されているため、この窒化
層の良好な耐摩耗特性によって耐久寿命が高められてい
る。
更に、上記窒化層上に、耐焼き付き性に優れたNi−B
複合分散メッキ層が形成されているため、初期運転時に
おける異常摩耗を有効に防止することが出来る。
[実施例] 以下実施例に従って本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明の一実施例にかかるピストンリングの部
分断面図である。
本発明のピストンリング1の母材として使用される鋼材
は、良好な耐摩耗特性を示す窒化処理層を得るに適する
材料を使用することが望ましい。
例えば、0.16〜1.30%の炭素、12〜19%の
クロムを含有する鋼材あるいはこれにモリブデン及びバ
ナジウムを含有させた鋼材が一般に使用される。
これらの鋼材は良好な耐摩耗性窒化処理層2を形成する
に適する鋼材である。従って、これらの鋼材で作られ、
かつその摺動面に窒化処理が施されたピストンリングは
それ自体耐摩擦特性に優れたものである。
しかしながら、前述の如く窒化処理リングは良好な耐摩
耗特性を示すが、耐焼き付き性に関しては、やや難があ
り特に初期運転時において異常摩耗を発生ずることがあ
る。
そこで本発明では、窒化処理リングの上記難点を除去す
る手段としてピストンリングの外周摺動面に形成された
耐摩耗性窒化処理層2上に更に厚さが、0.5〜20μ
mのNi−B複合分散メッキ層でなる薄層(初期なじみ
層)3を形成する。
ここで、Ni−B複合分散メッキ層3とは複合分散メッ
キ層としてボロン0. 1〜10重量%を含有するニッ
ケル合金で成る基地中に金属の窒化物、炭化物あるいは
、酸化物等の硬質微粒子4を分散させたメッキ層である
。この種のメッキ層は耐摩耗性に優れ、特に焼き付き特
性に関しては窒化処理層や硬質クロムメッキ層に比べ格
段に優れている。
複合分散メッキ層3の厚みは、これが過度に薄いと、十
分な初期なじみ状態が達成される前に複合分散メッキ層
3が消失してしまい期待する効果が十分に得られなくな
る。本発明では、複合分散メッキ層3の厚さを0. 5
μm以上とする事が必要である。
反面、複合分散メッキ層3の厚さを厚くすることは処理
コストを上昇させることはもとより、メッキ層に剥離が
発生しやすくなり、あるいは、窒化層の良好な耐摩耗特
性の利用がなされる状態に至るまでの外周摩耗が多くな
り、リング合口間隙の増大が早期に進行して、ピストン
リングの気密特性の劣化が早期に発生する等の難点があ
る。
それ故に本発明では、複合分散メッキ層8の厚さは、2
0μm以下とし、好ましくは10μm以下とする。
又、本発明において複合分散メッキ層3としてボロン0
.1〜10重量%を含有するニッケル合金で成る基地中
に金属窒化物、炭化物あるいは、酸化物でなる粒径0.
1〜10μmの硬質粒子4を容積比で5〜30%分散さ
せた複合分散ニッケルメッキ層を採用する場合、該複合
分散メッキ層6一 3の耐摩耗特性が窒化処理層の耐摩耗特性に近く、従っ
て初期の摩耗も少なくすることができるので特に好適で
ある。
ここで、ボロンの含有は、メッキ基地の硬度を上げ耐摩
耗性の向上に有効に作用する。この効果を得るためには
、0.1重量%以上のボロン含有が望ましい。しかし、
10重量%を越えて多量に含有させると、メッキ基地を
脆弱にするので10重量%以下とするのがよい。
又、硬質粒子4の分散量及び粒径は形成するメッキ層の
厚さとも関係するがニッケル合金基地中に分散される硬
質粒子4(例えばSi3N4、SiC,WC,A120
3、Z r O2、Cr、、Oa等)の粒径は0.1〜
10μm1 その量は容積比で5〜30容積%が好まし
い。硬質粒子の粒径が0.1μm以下あるいは5容量%
以下では耐摩耗性を向上させる効果は少ない。一方、粒
径が10μmあるいは分散量が30容量%を越えると皮
膜強度はかえって低下し、更に相手材の摩耗を大ぎくす
ることになる。このため、硬質粒子の粒径、分散量は上
記範囲内であることが必要である。
以下本発明の一実施例にかかるピストンリングの耐摩耗
性、耐焼き付き性に関する実験の結果を示す。
合金鋼5US440B (C: 0.75〜0.95%
、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.
04%以下、Ni:0.C30%以下、Cr :16.
O〜18.0%、Mo:0.75%以下)に厚さ100
μmの硬質クロムメッキ層を形成した試料(A)、5U
S440Bに窒化処理を施し厚さ100μmの窒化処理
層を形成した試料(B)、更に、試料(B)にボロンを
5%含有するニッケル基地中に粒径0. 3μmの窒化
珪素(Si3N4)が容積比で10%分散する厚さ10
μmの複合分散ニッケルメッキ層を形成した試料(C:
本発明品)を作製した。試料(C)の熱処理による硬さ
の変化を測定すると第2図のようになる。又、試料C(
本発明品)のメッキしたままを試料C,−1、試料Cを
摂氏300度で1時間熱処理した物を試料C−2とする
。第2図で明らかなように、摂氏300度で熱処理した
場合にNi−B複合分散メッキ層が高い硬度を発揮して
いる。
(耐焼付性試験) 前記の試料で回転円板式平面滑り摩擦摩耗試験機を用い
て下記試験条件で行った。
試験条件 潤滑油 :  SAE#30+白灯油(各50%)油 
温 : 摂氏50度 潤滑油量:  0.02  /min 摩擦速度:  3.75m/5ec(300r、p、i
n)面圧: 25kg/cm2 相手材 :  Fe12 (HRB98)以上の試験条
件にて、20分ならし運転後側滑油の供給を中止し、面
圧30kg/cm2より、2分毎に10Kg/cm2づ
つ加圧し、これによってスカッフィングが発生した面圧
をスカッフィング限界面圧とする。
試験結果は、第3図に示すとおりである。
第3図から判るように複合分散メッキ層を形成した本発
明試料C−1、C−2は硬質クロムメッキ層を形成した
(A)や窒化処理層を形成した試料Bに比較して耐焼き
付き性が大幅に改善されている。
(耐摩耗性試験) 前記の耐焼き付き性試験において使用した物と同質の鋼
材(SUS44.OB)に厚さ1.00 μmの硬質ク
ロムメッキ層を形成させた試料(A)、窒化処理を施し
厚さ100μmの窒化処理層を形成させた試料(B)、
前記試料(B)の窒化処理層の上にボロンを約5%含有
するニッケル基地中に粒径0. 3μm以下の窒化珪素
(Si3N4)を容積比で約10%分散させた厚さ10
μmの複合分散ニッケルメッキ層を形成した試料(C:
本発明品)を作製した。本発明品(試料C)のメッキし
たままを試料C−1、試料Cを摂氏300度で1時間熱
処理した物を試料C−2とする。前記試料でアムスラー
型摩耗試験機を用いて下記条件で耐摩耗性試験を行った
試験条件 潤滑油  :  10W30 油温   : 室温 摩擦速度 :  0. 89 m/see (500r
、p、m、)荷重   :  60kg 時間   : 3.5.10.15.20時間相手材 
 :  Fe12(HRa98)回転片のほぼ半分を潤
滑油に浸漬し固定片と接触させ荷重を負荷して摩耗試験
を行う。
摩耗量測定二表面粗さ計による段差プロフィールにて摩
耗量(μm)を測定した。
試験結果は第4図に示すとおりである。第4図から明ら
かな如く硬質クロムメッキ層を形成させた試料(A)の
摩耗の進行が一番早い。本発明のNi−B複合分散メッ
キ層を形成させた試料(C−1)、(C−2)の摩耗速
度は窒化処理(B)の摩耗速度に近く、良好な耐摩擦特
性を示している。
尚、以上の試験では鋼材として5US440B材を使用
したが鋼材としては、これに限らず他のクロム鋼、例え
ば炭素を1.0〜1.4%、クロムを13〜16%、モ
リブデン、バナジウムの一種または二種を合計で0. 
2〜1.0%含有するクロム鋼等も使用可能である。
[効果] 本発明の内燃機関用ピストンリングは耐摩耗特性の良好
な窒化処理層の上に耐摩耗性、とりわけ耐焼き付き特性
の良好な複合分散メッキ層の薄層〔初期なじみ層〕を形
成させているので、運転初期のなじみ運転期間に発生し
易い焼き付きの発生が効果的に防止されかつ耐久寿命を
増大させることが出来るので産業上の利用価値は大きい
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例にかかるピストンリングの部
分断面図、 第2図は熱処理による複合分散メッキ層の硬さ変化を示
すグラフ、 第3図は耐焼付性試験の結果を示すグラフ、第4図は耐
摩耗性試験の結果を示すグラフである。 図中符号1・・・ピストンリング、 2・・・耐摩耗性窒化層 3・・・複合分散メッキ層 4・・・硬質粒子 出願人 日本ピストンリング株式会社 代理人 弁理士 北洋−浩 (他1名)熱処理温度  
  (’cxhrl

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)少なくとも外周摺動面に窒化層が形成されかつ該
    窒化層の上に更に厚さが0.5〜20μmのNi−B複
    合分散メッキ層で成る薄層が形成されていることを特徴
    とする内燃機関用ピストンリング。
  2. (2)前記Ni−B複合分散メッキ層がボロンを0.1
    〜10重量%含有するニッケル合金で成る基地中に金属
    の炭化物、窒化物あるいは酸化物でなる粒径0.1〜1
    0μmの硬質粒子を容積比で5〜30%分散させた複合
    分散ニッケルメッキ層であることを特徴とする請求項1
    記載の内燃機関用ピストンリング。
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