JPH0460275A - ピストンリング - Google Patents

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〕 本発明は内燃機関用のピストンリング、特に耐摩耗性に
優れた複合めっき層を有するピストンリングに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕エンジ
ンのシリンダボアの中でピストンに装着されて高速で摺
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。し
かし、クロムめっきは処理にかなりの時間を要する上に
、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、ニッケルー燐など
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ｔつ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、それに分散量を変え
ることによって耐摩耗性、耐焼付性および耐蝕性などの
改善に優れた効果を示す。しかし、エンジンの高性能化
の著しい昨今の状況下、エンジン機種によっては、この
ような複合めっきを用いても満足のいく結果は得られな
いことがわかった。

従って、本発明の目的は、従来の硬質クロムめっきや複
合めっきの有する欠点を解消し、それ自体耐摩耗性に優
れたピストンリング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、ピストン
リングにニッケル−タングステン合金の基地中に特定の
硬質粒子を特定の成分比率で分散させた複合めっき層を
設けることによって、前記ピストンリングに優れた耐摩
耗性を付加できることを発見し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の複合めっき層を有するピストンリン
グは、前記複合めっき層が、タングステン１０〜５０重
量％、残りが実質的にニッケルからなるニッケル−タン
グステン合金の基地中に、平均粒径０．５〜１０μｍの
酸化クロム粒子を面積比で５〜４０％及び平均粒径０．
５〜１０μｍの窒化ケイ素粒子を面積比で５〜２０％分
散させてなることを特徴とする。

〔実施例及び作用〕

まず本発明のピストンリングに用いる複合めっき層を形
成する成分について説明する。

合金基地中の成分としてタングステンを添加することに
より耐熱性、耐蝕性が改善され、めっき皮膜の強度も向
上する。また熱硬化処理を行なうことにより、タングス
テンの作用によって基地の硬度が高くなり、耐摩耗性に
優れた効果を示す。

合金基地中のタングステンの量は、１０ＭＭ％未満では
上記の効果が顕著に得られず、また５０重量％を超えて
もその効果に著しい変化はない。したがって、タングス
テンの量は１０〜５０重量％が良い。

合金基地中に分散する酸化クロム（ｃｒｉｏ３）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
ロム粒子の容量は５〜４０面積％で、かつその平均粒径
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
超えると皮膜の強度が低下し、さらに、相手材の摩耗を
大きくすることになる。

合金基地中に酸化クロムとともに分散する窒化ケイ素は
皮膜の耐摩耗性、耐焼付性を改善に優れた効果を発揮す
る。窒化ケイ素粒子の容量は５〜２０面積％でかつその
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、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％あるい
は平均粒径が１０μｍを超えると皮膜の強度が低下し、
脆くなって親藩しやすくなる。

さらに、複合皮膜を形成した後、基地の硬度を高めるた
めに５００　℃前後で熱硬化処理を施し、次いで５５０
〜６００　℃で窒化処理を施せば、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。窒化処理
によって、皮膜中のＮｉ、Ｗの結晶化が増し、母材と皮
膜の間の結合強度が上昇する。

このように、複合皮膜を形成した後に窒化処理を施せば
、母材と複合皮膜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。しかし、一方、
窒化処理をした後で複合皮膜を形成すれば、複合皮膜が
摩滅して消滅しても窒化層が存在するので、耐摩耗性が
向上する。従って、これらの処理の順序は適宜変更する
ことができる。

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。

まず試験片を用いた本発明の実施例について以下に示す
。

実施例１ ピストンリング用鋼材で加工した、先端端面が５　ｍｍ
　Ｘ　５皿の直方体の試験片に、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、第１表に示す浴組成および下記のめっき条件で
、平均粒径１．２　μｍの酸化クロム粒子と平均粒径２
．０μｍの窒化ケイ素粒子とを分散した厚さ１２０μｍ
のニッケル−タングステン複合めっきを形成した。

（めっき条件） 液温　　　　６５℃ ｐＨ６，５ 電流密度　　１０Ａ／ｄｍ’ めっき時間　２時間 さらに第三工程として、４００　℃で１時間加熱して熱
硬化処理を行った。

得られた複合めっき層の金属組織の顕微鏡写真（ｘ４０
０）を第１図に示す。

実施例２ 実施例１と同じ試験片に、実施例１と同様の２６゜き処
理と熱硬化処理を行った後、さらに５７０　℃でガス窒
化処理を施した。

比較例１ 実施例１と同じ試験片に、実施例１と同様のめつき処理
と熱硬化処理を行った。ただし、めっき浴成分の中には
第１表に示す通り、窒化ケイ素は加えなかった。

比較例２ 実施例１と同じ試験片に、比較例１と同様のめつき処理
と熱硬化処理を行った後、５７０　℃でガス窒化処理を
施した。

比較例３ 実施例１と同じ試験片に、一般に耐摩耗性表面処理に用
いられる硬質クロムｔつきを施した。

比較例４ 実施例１と同じ試験片に、一般に耐摩耗性表面処理に用
いられるモリブデン溶射を施した。

得られた実施例１．２及び比較例１．２のめつき皮膜の
組成を第２表に示す（比較例３．４は単層であるため示
さず）。

また、ｔつき皮膜の硬度をマイクロビッカース硬度計で
測定した。その結果、実施例１が８７０、実施例２が１
２５０、比較例１が９５０、比較例２が１１００、比較
例３が９５０、比較例４が７００であった。

次に、得られた実施例１．２及び比較例１．２．３．４
のピストンリング材について摩耗試験及び焼付試験を行
った。以下に試験方法の概略と試験結果を示す。

摩耗試験 摩耗試験は第２図及び第３図に示すようなライダ一方式
の摩耗試験機によって行った。この摩耗試験機には、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、ステータホ
ルダ１に、取外し可能に取付けられており、その中央に
は裏側から注油孔４を通して潤滑油が供給される構造に
なっている。

また、油圧装置（図示せず）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
ような構造になっている。円板３に対向してロータ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個の取りつけ孔に、それぞれ試
験片７が取付けられ、それぞれ上記実施例Ｉ、２及び比
較例１．２．３．４の表面処理が施された試験片の５×
５ｍｍ角の先端端面が円板３の摺動面２に接触し、駆動
装置（図示せず）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。試験片７が所定の摺動距離
だけ円板３上を摺動したときの試験片７とステーク円板
３の摩耗量によって耐摩耗性を評価する。

具体的には、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５ＡＥＮｏ、３０に
ダスト　（Ｊ　Ｉ　Ｓ　２種）を０．２ｇ／Ｉ！添加し
た温度８０℃の油を用いて、注油孔４から供給したステ
ータホルダ１にはロータ側に向けて油圧１００　ｋｇ　
／　ｃｔの押圧力を加えながら、試験片７の摩擦速度を
３〜５　ｍ　／ｓｅｃ　とし、摺動距離が１１００ｋと
なるまでロータ５を回転させた。

結果を第３表に示す。

焼付試験 上記摩耗試験と同じ試験機を使って焼付試験を行った。

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、ステータホルダユには図示のようにトルクＦを生
ずるので、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、トルクＦが急激に上昇したときに
焼付きが生じたものとみなして、そのときの押圧力をも
って耐焼付き性を評価した。

潤滑油は摩耗試験のものと同じものを使用し、ステータ
ホルダ１にはロータ側に向けて、まず油圧４０ｋｇ７７
Ｃｒｌの押圧力を加え摩擦速度３ｍ／ｓｅｃでロータ５
を３分間回転させ、次に押圧力を５０ｋｇ／ｃｒｌとし
て３分間回転させる。このようにして順次押圧力を１０
　ｋｇ　／　ｃ＋ｄずつ段階的に増加して各々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、急激にトルクが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。

結果を第４表に示す。

第　　　　　４　　　　　表 次に、本発明を実際のピストンリングにおいて実施した
例について以下に示す。

実施例３ 呼び径Ｘ巾×厚さがｌ１１６ｘ　１．５ｘ　３．３市の
鋼製第一圧力リングの外周摺動面に、タングステン３５
重量％、残部実質的にニッケルからなるニッケル−タン
グステン合金基地中に平均粒径１．２μｍの酸化クロム
粒子を２０面積％及び平均粒径３μｍの窒化ケイ素粒子
を１５容量％分散させた複合めっき層を形成した。

実施例４ 実施例３と同様のピストンリングに実施例３と同様の複
合ｔつき処理を施した後、さらに５２０　℃×１時間の
熱硬化処理後、５２０　℃×３時間のガス窒化処理を施
した。

比較例５ 実施例３と同様のピストンリングに実施例３と同様の複
合めっき処理を施した。ただし、複合ｔつき層に窒化ケ
イ素は含有させなかった。

比較例６ 実施例３と同様のピストンリングに比較例５と同様の複
合めっき処理を施した後、実施例４と同様の熱硬化処理
後及びガス窒化処理を施した。

比較例７ 実施例３と同様のピストンリングの摺動面に硬質クロム
めっきを施した。

比較例８ 実施例３と同様のピストンリングの摺動面にモリブデン
溶射を施した。

上述の実施例３．４及び比較例５．６．７．８のピスト
ンリングについて実機試験を行った。

以下に試験方法の概略と試験結果を示す。

実機試験 上述した実施例１．２及び比較例１．２のピストンリン
グを第−圧力リングとして、ボア径８６Ｍ１４気筒の水
冷過給機付きディーゼルエンジンに組みつけた。軽油を
燃料とし、５２００ｒｐｍ　、全負荷で１００時間の高
速耐久試験を行い、第−圧力リングの外周摺動面、上下
面及び鋳鉄（ＦＣ２５）製シリンダライナ内周面の摩耗
量を測定した。

結果を第５表と第６表に示す。

〔発明の効果〕

以上に詳述した通り、本発明の酸化クロム粒子と窒化ケ
イ素粒子とを分散したニッケル−タングステン複合めっ
き層は、従来のめっき層に比べて、耐摩耗性、耐焼付性
に優れている上に、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表面処理層として好適である。また
、第６表の結果かられかるように、複合めっき層にさら
に窒化処理を施したものは、側面の摩耗に対しても優れ
た効果を発揮することがわかる。またその他に、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。

また窒化層の上に複合めっき層を形成することにより、
めっき皮膜が消滅しても、窒化層が存在するため、耐久
性を著しく向上させることも可能である。

よって、本発明の複合めっき皮膜を有するピストンリン
グは、特に耐摩耗性が要求される高鉛ガソリンを燃料と
するエンジンに用いる場合においても、優れた効果を発
揮することが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例１の複合ｔつき層の金属組織
を示す顕微鏡写真（Ｘ４００）であり、第２図は摩耗試
験機の要部を示す一部断面図であり、 第３図は第２図のＸ−Ｘ矢視図である。 １・・・ステータホルダ ２・・・摺動面 ３・・・円板 ４・・・注油孔 ５・・・ロータ ７・・・試験片 ８１・・スピンドル ９・・・ロードセル １０・・・動歪計 出　　願　　人　　　株　式　会　社　　　　リ　　ケ
　ン代　　理　　人　　　弁理士　　　高　　石　　　
橋　　馬第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複合めっき層を有するピストンリングにおいて、
   前記複合めっき層が、タングステン１０〜５０重量％、
   残りが実質的にニッケルからなるニッケル−タングステ
   ン合金の基地中に、平均粒径０．５〜１０μｍの酸化ク
   ロム粒子を面積比で５〜４０％及び平均粒径０．５〜１
   ０μｍの窒化ケイ素粒子を面積比で５〜２０％分散させ
   てなることを特徴とするピストンリング。
2. （２）請求項１に記載のピストンリングにおいて、さら
   に窒化処理を施したことを特徴とするピストンリング。