JPH0476258A - 内燃機関用ピストンリング - 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、自動車エンジンなどの内燃機関用ピストンに
用いられるピストンリングの改良に関する。［従来の技
術］ 内燃機関用ピストンリングは、ピストンの外周面に形成
されたリング溝に装着されて、圧縮工程や爆発工程のと
きに燃焼室の気密を保つ、シリンダ壁にある余分のオイ
ルを掻き落して燃焼室に入るのを防ぐ、ピストンの熱の
大部分をシリンダ壁に伝達するなどの働きをする。この
ため、従来のピストンリングは、強度、耐摩耗性の高い
特殊オイルナンバ鋼線や特殊鋳鉄で形成されている。例
えば、炭素繊維にピッチ類を含浸させた複合材料、炭素
繊維に樹脂を含浸させた複合材料等で形成されたものが
知られている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、近年、自動車の低燃費化が求められてあり、
このため、エンジン燃焼至の高い気密性を保持し、かつ
シリンダボアとの摩擦抵抗の小さいピストンリングが求
められている。しかし、上記従来の炭素−炭素複合材料
の場合には耐摩耗性が不足し、また、炭素−樹脂複合材
料の場合には耐熱性及び耐摩耗性が不足して好ましくな
い。

本発明の目的は、気密性を保持すべき張力を具備し、耐
熱性及び耐摩耗性に優れ、かつ摩擦係数の低いピストン
リングを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の内燃機関用ピストンリングは、剛性材料でリン
グ状に形成された基部と、該基部の少なくともシリンダ
ボアと摺動する面に形成された表面層とからなり、該表
面層は、炭素マトリックス中に炭素繊維があるいは炭素
繊維と無機微小体とが一体的に埋設された組織を有し、
該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見て光学異方性の微
粒子が均一に密集したモザイク構造をもち、該炭素ｉ維
と該炭素マトリックスとの間の界面で剥離している界面
の割合か全界面に対して１０％以下であり、かつ密度が
１．６５以上である炭素繊維強化炭素焼結体で構成され
ていることを特徴とする。

本発明に係るピストンリングの基部は、剛性材料で形成
され、従来のものと同様に構成することができる。例え
ば、高強度、高剛性型の炭素繊維と炭素質粉末との複合
体を焼成することにより得られる焼結体で構成できる。

炭素繊維は、一般に高強度、高剛性型のものと汎用型の
ものとかあるが、汎用型のものではピストンリングとし
て必要な張力および錆性が得られないため、高強度、高
剛性型のものが良い。なお、焼結体の形成は、常法によ
って行うことかできる。

そして、本発明を特徴づける表面層は、基部の少なくと
もシリンダボアと摺動する面に形成される。この表面層
は、以下に詳述する特殊な炭素繊維強化炭素焼結体で構
成され、厚さにして０．３ｍｍ以上とするのが好ましい
。

表面層を構成する炭素繊維強化炭素焼結体は、炭素マト
リックス中に炭素繊維あるいは炭素繊維と金属およびセ
ラミックスからなる無機微小体が一体的に埋設された組
織を有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見て光学
的異方性の微粒子が均一に密集したモザイク構造をもち
、該炭素１［と該炭素マトリックスとの間の界面の全界
面面、積に対する剥離している界面の剥離面積は１０％
以下、密度は１．６５以上のものである。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維は、焼
結体の強度を確保するもので、偏光顕微鏡で見て、異方
性を示すものでも等方性を示すものでもよい。炭素繊維
は、切断された短繊維でも、長繊維でもよい。また、炭
素繊維はマトリックス中に一定方向に配向しているもの
でも逆にランダムに配向しているものでもよい。炭素繊
維強化炭素焼結体中の炭素繊維の配合割り合いは１０〜
４０重量％程度が好ましい。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成部分となりうる無機微小
体としては、微小な金属、セラミックスで構成できる。

これら無機微小体の形状は、粉末状、ウィスカ等の繊維
状、箔片等でもよい。炭素繊維強化炭素焼結体中の無機
微小体の配合割り合いは５〜１０重量％程度が好ましい
。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成成分である炭素マトリッ
クスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一に
密集したモザイク構造をもつ。偏光顕微鏡で見て光学的
異方性をもつとは、炭素が一定方向に規則的に配列した
組織をもつものと考えられる。即ち、この炭素マトリッ
クスは、光学的異方性をもつ炭素粒子が密集した状態で
押し固められた状態にある。均一に密集したとは、炭素
粒子が流動していない、流れ線等の模様が無いことを意
味する。偏光顕微鏡下でモザイク状に観察される炭素粒
子の大きさは２０μｍ以下が好ましい。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維と
炭素マトリックスとの間の全界面面積に対する剥離して
いる界面の剥離面積は、１０％以下である必要がある。

炭素マトリックスと炭素繊維とが剥離していると炭素繊
維の補強効果が充分でない。このため界面の剥離面積は
全界面の１０％以下、より好ましくは３％以下がよい。

この炭素１／ａＭと炭素マトリックスとの剥離は走査型
電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する。〉で観察測定でき
る。

また、この炭素繊維強化炭素焼結体の気孔率は１０％以
下であるのが好ましい。この焼結体の気孔は偏光顕微鏡
で観察すると黒い点として観察される。従って観察して
いる面積に占める黒い点の面積より気孔率が計算できる
。

本発明にかかる炭素繊維強化炭素焼結体の密度が１．６
５以上とは、炭素マトリックスの緻密性、気孔が少なく
かつ炭素繊維と炭素マトリックスとの界面が剥離してい
ない等が総合された特性である。従って、これらマトリ
ックスの緻密性が欠けたり、気孔率が高すぎたり、繊維
とマトリックスとの間の剥離が多いと、比重は１．６５
以下となる。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維の配合
割り合い、無機微小体の材質および配合割り合い、炭素
繊維と炭素マトリックスとの間の剥離面積の割り合い、
気孔率は直接にこの炭素繊維強化炭素焼結体の機械的強
度に影響する。この炭素繊維強化炭素焼結体、の機械的
特性を曲げ強度で規定すると、この焼結体の曲げ強度は
６００ｋＣｌ／Ｃｍ２以上であるのが好ましい。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体としては、未炭化炭素
質繊維あるいは未炭化炭素質繊維と金属およびセラミッ
クスからなる無機微小体とを埋設した自己焼結性を有す
る炭素質粉末からなる複合体を焼結して得られる焼結体
を採用できる。

ここで、未炭化炭素質繊維とは、通常の炭化処理の施さ
れていない状態の炭素質ＩＩｉ雑をいう。換言すれば、
さらに熱処理をすることにより、さらに炭化する余地を
有する炭素質粉末をいう。具体的には、原料ピッチを使
用した場合には、紡糸したままの繊維または紡糸した繊
維を５５０″Ｃを越えない温度で不融化した繊維をいう
。ＰＡＮ　（ポリアクリロニトリル）系レーヨン系など
の高分子系の繊維では分解工程を終え、黒鉛化処理前の
繊維をいう。この種の炭素質繊維としては、例えば、石
炭系または石油系の原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊
維またはこれを不融化して得た不融化繊維なとがある。

この原料ピッチの紡糸および不融化は富力に従って行え
ばよく、条件などは特に限定されない。

通常、ピッチ繊維は、原料ピッチを紡糸器に供給し、３
００〜４００℃程度に加熱した状態で不活性ガスによる
加圧下にノズルから押出して得ることができる。また、
このようなピッチ繊維をざらに酸化性雰囲気中１５０〜
５００℃程度で０．５〜５時間程度保持して不融化繊維
とすることができる。なお、この原料ピッチは、光学的
等方性のものでも、光学的異方性のものでもよい。

未炭化炭素質繊維の繊維長査は、短繊維、長繊維に限ら
ない。しかし、短繊維の場合には０．０１〜５９ｍｍの
ものを使用することができる。特に、０．０３〜１Ｑｍ
ｍのものが混合のしやすさ、アスペクト比の関係から好
ましい。長すぎては繊維同士が絡みあい分散性が低下し
、ひいては製品特性の等方性に劣り、また０、０１ｍｍ
より短くては製品の強度が急激に低下して好ましくない
。

また、繊維径としては、５〜２５μｍ程度のものが好ま
しい。ざらに、これらの繊維からなる不織布またはコー
ティング布として使用することもできる。

未炭化炭素質１１ｉ維は、ざらにタール、ピッチ、有機
高分子などの粘結成分を含有する材料で表面処理し、結
合材とのなじみ性を向上させることが好ましい。この表
面処理は、炭素質繊維１００重量部に１００〜１０００
重量部程度の粘結成分含有材料を加えて撹拌し、有機溶
媒により洗浄後、乾燥して行うことができる。

この表面処理に使用するタール、ピッチは、石炭系およ
び石油系のいずれであってもよい。ピッチを使用する場
合には、撹拌時に１４０〜１７０℃程度の加熱が必要と
なるので、処理材としては、タールの方がより好ましく
、また後続の炭化および黒鉛化工程での炭化歩留りの点
からは、石炭系のものがより好ましい。

この表面処理に使用する有機高分子として、フェノール
樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどを挙
げることができる。

この表面処理の洗浄において使用する有機溶媒は、トル
エン、キシレンなどの芳香族系溶媒を使用することがで
きる。未炭化炭素質繊維と粘結成分含有材料との混合物
１００重量部に対して１００〜１０００重量部程度を加
え、撹拌洗浄する。

この洗浄により、揮発成分が多く含まれる軽質油分が除
去される。洗浄を終えた未炭化炭素質繊維ｉ維は、たと
えば、窒素、アルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、加熱
および／または減圧などの条件下に乾燥処理される。乾
燥処理は、洗浄に使用した有機溶媒が除去される限り、
これらの方法に限定されるものではない。

さらに、乾燥を終え表面処理された未炭化炭素質繊維は
、必要に応じて分散処理される。すなわち、乾燥させた
繊維が、塊状化または凝集していることかあるので、こ
のような場合には、通常の粉体ミル、アトマイザ−、パ
ルバライザーなどの任意の手段により分散を行う。

無機微小体は未炭化炭素質繊維とともに、本発明の炭素
繊維強化炭素焼結体の原料となる。この無機微小体は、
目的とするピストンリングの用途に応じて、表面層の摩
擦係数μを低く安定したものとしたり、比較的高い値の
摩擦係数μであっても高耐摩耗性、高耐焼付き特性を付
与したりするために、添加するものである。この無機微
小体は、融点１０００℃以上で炭素と反応しないもの、
より好ましくはざらにＨＶ１０００以上のものがよい。

かかる無機物として、無機酸化物、無機炭化物、無機窒
化物、無機ホウ化物などを挙げることができる。無機酸
化物として、たとえばＡ、１）２０３、ＴｉＯ２、Ｚｒ
Ｏ２、ＭｇＯなどを挙げることができる。無機炭化物と
して、たとえば８４Ｃ，Ｔｉ　Ｃ，ＴａＣ，ＺｒＣなど
を挙げることができる。

無機窒化物として、たとえばＢＮ、ＴｉＮ、Ｃｒ２　Ｎ
、ＴａＮ、ｌ）Ｎ、ＺｒＮなどを挙げることができる。

無機ホウ化物として、たとえばＴｉＢ２　、ＺｒＢ２　
、Ｂ４　Ｃ，Ｎ　ｉ　Ｂ５Ｃ０Ｂ、ＢＮ、ＴａＢ２など
を挙げることができる。ざらに、Ｆｅ、　Ｍｎ、ＭＯｌ
Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗなどの無機物も使用す
ることができる。なお、これらの無機物は、金属の状態
で添加することも可能である。また、無機微小体として
は、微粒子状のもののほかウィスカ、セラミックス繊維
が含まれる。

前記したような無機微小体のうちから、適切なものを選
択することによって、ピストンリングの用途に応じて、
その表面層の摩擦係数μ、耐摩耗特性、耐焼付き特性な
どを好適な特性に管理することができる。特に、摺動特
性を好適なものとするため、すなわち、ピストンリング
の表面層を高強度で耐摩耗性に優れ、かつ焼付き荷重が
２００ｋｇｆ以上であって、摩擦係数が０．１５以下を
示すものとするためには、無機微小体として、ホウ素化
合物を使用することができる。

かかるホウ素化合物として、焼結温度以下で分解または
融解しないものが好ましいが、ＭｇＢｚ、ＣＯＢのよう
に焼結温度で分解するが、分解したホウ素が炭素と反応
して炭化ホウ素を形成するものである場合には、焼結温
度で分解するものも使用できる。このようなホウ素化合
物として、炭化ホウ素、窒化ホウ素の他、Ｃｒ、Ｔｉ、
Ｔａ、Ｚｒ、Ａ、ｌ！　、Ｎ　ｉ　、Ｍ（Ｊ、Ｎｂ、Ｍ
ｎ、　Ｆｅ、Ｖ、Ｗなどのホウ化物を挙げることができ
る。なお、これらの添加物は、金属の状態で添加するこ
も可能である。

無機微小体として無機粉末を使用した場合は、マトリッ
クス材とのなじみ性、分散性およびでき上った焼結体の
強度と耐摩耗性を考慮して、粒径０．３〜１０μｍのも
のが好ましく、より好ましくは０．５〜５μｍである。

また、無機微小体として無機繊維を使用した場合は、マ
トリックス材とのなじみ性、分散性、出来上った焼結体
の強度と耐摩耗性および繊維の離脱を考慮して、直径０
．７〜４０μｍ、長ざＯ９０１〜８ｍｍのものが好まし
く、より好ましくは直径１〜１５μｍ、長さＯ，，０５
〜３ｍｍＴａ５る。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の粒径は０．１〜１０μｍが好ましく、より好ましく
は０．３〜５μｍである。

粒径が０．１μｍより小さいと、均一混合が難しく、粒
径が１０ｔｉｍより大きいと、異常（アブレッシブ）摩
耗を起こす可能性が増す。

炭素質粉末は、本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の結合
材を構成するものである。この炭素質粉末は自己焼結性
を有し、未炭化、または完全に炭化されていないもので
ある。この自己焼結性炭素質粉末としては、石油系およ
び石炭系のいずれであってもよく、具体的には、メソカ
ーボンマイクロビーズ、バルクメソフェーズ粉砕品、低
温か焼コークス粉砕品などを挙げることができる。これ
らの中では、粒径および組成の均一性、安定性などの観
点から、石油系および石炭系のメソカーボンマイクロビ
ーズが好ましく、炭化歩留りの観点から石炭系のものが
より好ましい。また、炭素繊維との界面強度を高める観
点からは、メソフェズ粉またはメソフェーズピッチ粉が
好ましい。自己焼結性炭素質粉末としては、粒径３０μ
ｍ以下、β−レジン量３〜５０％程度のものが好ましい
。

なお、このβ−レジン邑は、より好ましくは６〜３０％
、さらに好ましくは８〜２５％である。

本発明の焼結体は、たとえば第１図に示すような乾式混
合、乾式成形および焼成という簡単な工程で製造できる
。

未炭化炭素質繊維と、無機粉末または無機繊維と、自己
焼結性炭素質粉末とは、混合、成形されて複合体を構成
する。このときの混合手段は特に限定されないが、強度
および耐摩耗性を等方向にするためには、前記した原料
を均一に混合することが好ましい。また、自己焼結性炭
素質粉末と未炭化炭素質繊維との配合割合は、前者１０
０重量部に対して、後者２〜７０重量部程度であり、よ
り好ましくは前者１００重量部に対して後者１０〜５０
重量部程度である。また、無機微小体の添加量は、全体
を１００重量％とじたとき３〜３０重量％が好ましく、
より好ましくは５〜１０重量％である。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の添加量は、全体を１００重量％としたとき１〜５０
重量％が好ましく、より好ましくは３〜３５重量％であ
る。ホウ素化合物粉末の添加量が５０重量％を超えると
焼結体の切削加工性が不良となり、かつ強度が若干低下
する。

本発明にかかる焼結体の成形は、常法によって行うこと
ができ、通常１〜１０　ｔ　ｏ　ｎ／ｃｍ’程度の加圧
下に所定の形状に成形すればよい。または、ＣＩＰ法、
ＨＩＰ法、ホットプレス法などによって成形を行っても
よい。成形は、常温でまたは不活性雰囲気下５００℃程
度までの加熱下に行うことができる。

複合体は、焼結されて本発明にかかる焼結体となる。な
お、ここで焼結とは、常圧で７００〜１５００℃程度に
焼成して未炭化炭素質繊維および自己焼結性炭素質粉末
を炭化固結させることをいう。なお、必要に応じてこの
炭化された複合体を黒鉛化炉で焼結温度以上に加熱して
黒鉛化させてもよい。炭化の条件は、特に限定されない
が、通常非酸化性雰囲気中０．１〜３００’Ｃ／時間程
度の速喰で常温から１５００℃程度の温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待して行えばよい。

なお、焼結時においてもより高温で焼結することにより
複合体の一部は炭化の後、黒鉛化する。

また、黒鉛化の条件も、特に限定されず、非酸化性雰囲
気中で焼結時の温度から０．１〜ｂの温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待すればよい。黒鉛化を行った
場合には、黒鉛結晶が十分に成長するとともに秩序正し
く配向し、これにより製品の密度、強度および耐摩耗性
などがさらに向上する。

この特殊な炭素繊維強化炭素焼結体は、焼結前の複合体
を未炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維と、
未炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維を埋設
した自己焼結性を有する未炭化炭素質粉末とで構成した
ものである。したがって、複合体を焼結する場合、強化
材としての炭素質繊維が未炭化、または完全に炭化され
ていないものであるため、この未炭化炭素質繊維と自己
焼結性を有する未炭化炭素質粉末とは、炭化される際に
同程度の物理的性質（強度、収縮率など）をもつ。この
ため、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性が
向上し、したがって、高強度および優れた耐摩耗性を得
ることができる。要するに、複合体を焼結する場合、未
炭化同士の炭素質繊維と炭素質粉末とが同程度に収縮し
て結合するので、これらの界面密着性が高まり、焼結体
の強度および耐摩耗性が向上する。

また、無機粉末または無機繊維を添加した炭素繊維強化
炭素焼結体で作られた表面層は、相手材との間に機械的
な抵抗力が働き、これにより摩擦係数μが高く、安定し
たものとなる。すなわち、添加された無機粉末または無
機繊維が、相手材に対して機械的な抵抗力を及ぼすので
、表面層の摩擦係数μが高く、安定したものとなる。

たとえば、無機粉末を添加した場合には、粉末状である
ため荷重の増加に伴い炭素マトリックス部から離脱しや
すくなり、この無機粉末の離脱と炭素マトリックス部の
凝着とがつり合うことにより、荷重の変動に対して摩擦
係数μが安定したものとなる。また、無機繊維を添加し
た場合には、荷重が増加しても繊維状であるため炭素マ
トリックス部から離脱しにくく、このため摩擦係数μが
高い値となる。

また、前記したように結合材としての自己焼結性炭素質
粉末は、液状炭素質材料からなる従来の結合材の使用を
不要とする。したがって、液状結合材の使用により発生
する気孔を充填するために、含浸、焼成を繰返す必要が
なく、本発明にかかる特殊炭素繊維強化炭素焼結体は、
前記したように第１図に示す乾式混合、乾式成形、焼成
という簡単な工程などで、安価に製造することができる
。

なお、適切な無機粉末または無機繊維を選択することに
よって、炭素Ｉｎ強化炭素焼結体で作られた表面層の摩
擦係数μを、その用途に応じた好適な値に管理すること
ができる。特に、無機粉末としてホウ素化合物を添加し
た場合、このホウ素化合物粉末が、高荷重すなわち高温
にさらされると熱分解し、その液相が生じる。この液相
によって、表面層の耐焼付き性が向上し、かつその摩擦
係数μを低く押えることができるものと考えられる。た
とえば、無機粉末を無機ホウ化物とした場合、表面層の
摩擦係数μを０．０５〜０．２の範囲に管理することが
でき、無機粉末を無機炭化物とした場合、表面層の摩擦
係数μを０．１５〜０゜３５の範囲に管理することがで
き、無機粉末を無機窒化物とした場合、表面層の摩擦係
数μを０゜１〜０．３５の範囲に管理することができ、
そして無機粉末を無機酸化物とした場合、表面層の摩擦
係数μを０．２５〜０．５の範囲に管理することができ
る。

なお、添加する無機粉末または無機繊維によって摩擦係
数の摩擦係数μが大きく変化するのは、摺動に伴う発熱
により、無機粉末または無機繊維の状態が変化するため
と考えられている。たとえば、酸化物は耐熱性が高いた
め、摺動時にもその粒子とか繊維の形状を残し、このた
め、高い摩擦係数μを示すものと考えられている。また
、ホウ化物は、酸化物とは逆に摺動時の熱により、分解
し液相を形成し、摩擦係数μを低下させていると考えら
れている。

ざらに、未炭化炭素質繊維をタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料により表面処理した場
合には、炭素質繊維の界面の濡れ性が高まり、これによ
り結合材としての炭素質粉末とのなじみ性が高まるので
、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性がさら
に向上する。

なお、本発明のピストンリングにおける基部と表面層と
の一体化は、基部を構成する複合体と表面層を構成する
複合体とを一体的に同時に焼成することにより、あるい
は、基部及び表面層の焼結体を別々に形成し両者をキュ
ア接着などで接合することにより一体化してもよい。

［実施例］ 以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の実施例に係るピストンリングの平面図を第２図
に、２図のＡ−Ａ線矢視断面図を第３図に示す。

本実施例のピストンリング１は、リング状に形成された
基部２と、基部２の外周面に一体的に形成された表面層
３とからなる。基部２は、高強度、高剛性型炭素繊維の
炭素化処理前の不融化繊維（ｃ）Ｂ＝２００ｋｑ／ｍｍ
２．Ｅ＝４０ｔ／ｍｍ２）８０重量％と、ピッチ類２０
重量％とからなる複合体を焼成して得られた焼結体で構
成されている。そして、表面層３は、未炭化炭素質繊維
としての汎用型炭素質繊維の炭素化処理前の不融化繊維
（ｃｙＢ＝８０ｋｑ／ｍｍ２．Ｅ＝４０ｔ／ｍｍ２）３
０重量％と、自己焼結性を有するメソフェーズ粉５重量
％と、ホウ化チタン１０重量％と、ピッチ類５５重量％
とからなる複合体を焼成して得られた焼結体で構成され
ている。

このピストンリング１は、第４図に示すような製造装置
を用いて次のようにして製造した。

基部２の構成材料としての高強度、高剛性型炭素繊維の
炭素化処理前の不融化繊維と、表面層３の構成材料とし
ての汎用型炭素質４ｆｉ雑の炭素化処理前の不融化繊維
とを、それぞれ巻回した繊維供給ポビン５１．５２を製
造装置の一端側に取付けて準備した。そして、製造装置
の他端側には、外周径７３ｍｍの巻取りドラム５３を取
付けて準備した。各繊維の搬送路上には、ピッチ類を投
入した含浸槽５５と、自己焼結性を有するメソフェーズ
粉およびホウ化チタンを分散させたピッチ類を投入した
含浸槽５６とをそれぞれ準備した。なお、製造装置の各
含浸槽５５．５６と巻取りドラム５３との間には、約４
５０’Ｃの保温炉５７が設けられている。

この製造装置において、まず高強度、高剛性型炭素繊維
の炭素化処理前の不融化繊維を順次送出し、１００〜５
５０℃に加熱したピッチ類を含浸させた後、保温炉５７
で保温しつつ巻取りドラム５３に巻取った。高強度、高
剛性型炭素繊維の巻取りは巻取りドラム５３の外周径が
７８ｍｍとなるまで行った。続いて、この巻取りドラム
５３の上に、汎用型炭素質繊維の炭素化処理前の不融化
繊維を順次送出し、１００〜５５０℃に加熱したメソフ
ェーズ粉とホウ化チタンとを分散したピッチを含浸させ
た後、保温炉５７で保温しつつ巻取った。この汎用型炭
素質繊維の巻取りは巻取りドラム５３の外周径が３Ｑｍ
ｍとなるまで行った。

次に、一体的に巻取られた巻取り体を巻取りドラム５３
から抜取り、非酸化性雰囲気中、５００℃／時間の速度
で２０００℃まで上昇させ、同温度で０．５時間保持し
て焼成して、未炭化炭素質繊維及び自己焼結性炭素質粉
末を炭化固結させた。

このようにして得られた円筒状の焼結体を所定の厚さに
切断し、所定形状に機械加工することにより、基部２と
表面層３とからピストンリング１を製造した。

なお、表面層３を構成する炭素繊維強化炭素焼結体の一
部を用いて、実施例と同様に、偏光顕微鏡による表面観
察、走査型電子顕微鏡によるマトリックスと強化繊維の
界面状態の観察、密度および曲げ強度を測定した。偏光
顕微鏡による観察では、マトリックスが焼結した炭素粒
子が互いに密着し個々の粒子が異なる色模様に輝くモザ
イク状に観察され、繊維はこのマトリックス中に点在し
た一様の色をもつ島状に観察され、また、ホウ化チタン
粒子は白い点状に観察された。また、気孔を示す黒い点
が所々に観察された。これら黒い点の面積は、全体の面
積を１００面積％としたとき約３面積％であった。走査
型電子顕微鏡で観察したマトリックスと強化繊維の界面
状態は両者が一体的に結合された状態が観察され、マト
リックスと強化繊維とが剥離している状態は観察されな
かった。また、この炭素繊維強化炭素焼結体の密度は１
．７６ｇ／ｃｍ）　、曲げ強度は８．５ｋＱ／ｍｍ２で
あった。

以上にように構成された本実施例のピストンリング１は
、耐熱性および耐摩耗性に優れ、かつ低摩擦係数のもの
でめった。摩擦係数が低いのは、表面層３とシリンダボ
アとが摺動する際に、金属ホウ化物が溶解するためと考
えられる。また、表面層３を構成する炭素繊維強化炭素
焼結体は硬度が高いため、摩耗量も少なく耐摩耗性が良
好となる。ざらには、基部２を構成する部分が調性のあ
る焼結体で形成されているため、ピストンリング全体の
調性が保持され、気密性を保持すべき充分な張力を具備
する。

（試験） 上記実施例及び従来のピストンリングについて、ＬＦＷ
摩擦摩耗試験機により耐摩耗性を調べる試験を行った。

この試験は、相手材として外径３５ｍｍ、内径３１　ｍ
ｍ、軸方向の長さ８．７ｍｍのリング状の５ＵＪ２を使
用し、潤滑油としてＳＡＥ規格の５Ｗ−３０基油を使用
し、回転速度１６０回転／分で、相手材の内周面に試験
用の両ピストンリングの外周面を荷重１５ｋｇｆで加圧
して６０分間摺動させ、その時の摩擦係数μおよび摩耗
量を測定した。ここで比較例として用いた従来のビスミ
ルシリングは、実施例のピストンリングにおける基部を
構成する焼結体のみで全体が形成されたものである。な
お、比較例のピストンリングは、実施例のような特殊な
炭素ｔｉ＆Ｍ強化炭素焼結体からなる表面層をもたない
点のみが異なり、製造方法、全体形状、大きさ等は実施
例のものと同じである。

その結果、比較例のピストンリングの摩耗量は８０μｍ
でおった。これに対して、実施例のピストンリングの摩
耗量は１２μｍでめった。また、乾式下の摩擦係数は比
較例のそれが０．１５〜０゜２２であるのに対し、実施
例の摩擦係数は０．０５〜０．１．０と低く、オイル不
廻り時またはオイル潤滑不良の場合に卓越した効果があ
る。なお、オイルが潤沢の場合はオイル潤滑となり、摩
擦係数に差はないが、耐摩耗性において比較例の６倍と
優れる。この結果からも明らかなように、実施例のピス
トンリングは、摩擦係数μが低く、耐摩耗性が大幅に向
上することを確認した。

なお、ピストンリングの表面層を構成する材質の摺動特
性を定量化する目的で、本発明に係る特殊炭素繊維強化
炭素焼結体と従来より使用されている合金とを摩擦摩耗
試験機にかけて試験した。

試験は、機械試験新式摩擦摩耗試験機により無潤滑下の
摩擦係数および焼付荷重、そしてＬＦＷ摩擦摩耗試験機
による油潤滑下の１５分および６０分間の摩耗量を測定
した。これらの値を表に示す。

なお、機械試験新式摩擦摩耗試験機による試験は、試験
片として３０ｍｍ〜３０ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング形状
とし、この試験片の上面に外径２５゜６ｍｍ、内径２０
ｍｍ、高さ１７ｍｍの５ＵＪ２製の円筒状加圧体の下面
を押圧し、１０ｋＣ１ｆの押圧をかけて試験片を無潤滑
下で１６０回転／分で２分回転し、焼付の有無を測定す
るものである。

そして焼付が生じない場合は次ぎ次ぎに１０ｋＣｌｆを
加え、同じ条件で試験し、焼付の生じた荷重を測定した
るものである。また、ＬＦＷ摩擦摩耗試験機による試験
は、相手材として外径３５ｍｍ、内径３１　ｍｍ、軸方
向の長さ８．７ｍｍのリングを使用し、潤滑油としてＳ
ＡＥ規格の５Ｗ−３０基油を使用し、回転速度１６０回
転／分で、相手材の外局面に縦１５．７ｍｍ、横６．３
ｍｍ、高さ’ｌＱｍｍの試験片を荷重１５ｋにＩｆで加
圧し１５分および６０分摺動させ、その時の摩擦係数お
よび摩耗量を測定した。なお、相手材としては表に示す
クロムモリブデン合金鋼、アルミニウム合金（Ｊ　１３
６０６１　）　、次ぎの方法で作った２種類の炭素繊維
強化炭素焼結体（それぞれ炭素焼結体１、炭素焼結体２
として示す。）を使用した。

炭素焼結体１を製造するに当り、まず、石炭系の光学的
等方性ピッチから常法により紡糸して得られた、糸径１
５μｍ、糸長さが３ｍｍの不融化繊維からなる未炭化炭
素質繊維を準備した。この未炭化炭素質繊維を強化材と
してこの未炭化炭素質繊維１００重量部に、中心粒径７
μｍのコールタール系メソカーボンマイクロビーズから
なる自己焼結性炭素質粉末９００重量部を加えた後、均
一に混合し、得られた混合物を２　ｔ　Ｏｎ／Ｃｍ２の
成形圧力で成形して直径１２ｃｍ高さ３０ｍの柱状の複
合体とした。

次に、この複合体を非酸化性雰囲気中、１５０’Ｃ／時
間の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で１時間保持
して焼成して、未炭化炭素質繊維及び自己焼結性炭素質
粉末を炭化固結させた。そして、さらに非酸化性雰囲気
中、５００℃／時間の速度で２８００℃まで加熱し、２
０分保持して黒鉛化した。このようにして炭素焼結体１
を得た。

なお、この炭素繊維強化炭素焼結体の一部を用いて、偏
光顕微鏡による表面観察、走査型電子顕微鏡によるマト
リックスと強化繊維の界面状態の観察、密度および曲げ
強度を測定した。偏光顕微鏡による観察では、マトリッ
クスが焼結した炭素粒子が互いに密着し個々の粒子が異
なる色模様に輝くモザイク状に観察され、繊維はこのマ
トリックス中に点在した一様の色をもつ島状に観察され
た。また、気孔を示す黒い点が所々に観察された。これ
ら黒い点の面積は、全体の面積を１００面積％としたと
き約３面積％であった。走査型電子顕微鏡で観察したマ
トリックスと強化繊維の界面状態は両者が一体的に結合
された状態が観察され、マトリックスと強化ｍｉとが剥
離している状態は観察されなかった。また、この炭素繊
維強化炭素焼結体の密度は１．７６Ｑ／ｃｍ）　、曲げ
強度は９．’３ｋＱ／ｍｍ２Ｔｉ！ｊＦ＞つた。

次に、炭素焼結体２を製造するに当り、まず、石炭系の
光学的等方性ピッチを紡糸器に供給し、３４０℃に加熱
した状態で不活性ガスによる加圧下にノズルから押出し
て得られたピンチ繊維を、ざらに酸化性雰囲気中３５０
°Ｃで２時間保持して不融化し、繊維径１５μｍ、繊維
長さか０．５ｍｍの不融生来炭化炭素質繊維を準備した
。この強化材として不融生米炭化炭素質繊維３０重量％
と、自己焼結性炭素質粉末としての中心粒径７μｍのコ
ールタール系メソカーボンマイクロビーズ７０重量％と
を混合したちの９５重量％に対し、粒径１．９μｍ（共
立窯業銖製）、５．Ｑμｍ（電気化学■製）、０．５μ
ｍ（電気化学■製）の炭化ホウ素粉末をそれぞれ５重量
％加えて均一に混合し、得られた混合物を２ｔｏｎ／ｃ
ｍ２の成形圧力で成形して複合体を得た。

次に、この複合体を常圧で非酸化性雰囲気中、１５０℃
／時間の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で１時間
保持して焼成して、未炭化炭素質繊維および自己焼結性
炭素質粉末を焼結固結させた。そして、さらに非酸化性
雰囲気中、５００℃／時間の速度で２０００℃まで加熱
し、２０分保持してさらに焼結した。これにより本発明
に係る炭素ＨＡＩ１１強化炭素焼結体（炭素焼結体２）
を得た。

炭素焼結体３は、ホウ素化合物粉末として、粒径１．４
μｍ（日本新金属製）、粒径５．０μｍ（井守窯業ｖ／
７Ｊ製）のホウ化チタンを使用したこと以外は、炭素焼
結体２と同様の方法により作った。

表より、従来の材料の組合せでは、鉛青銅と合金鋼が比
較的低い摩擦係数をもつ。

本発明にかかるものではいずれも低い摩擦係数をもつが
、特に炭素焼結体２と合金鋼の組合せが優れている。ま
た、本発明に係る特殊炭素繊維強化炭素焼結体は摩擦係
数が低くかつ摩耗が少ないばかりでなく、比重が小さく
かつ腐蝕に強いという合金にはない特徴をもつ。

［発明の効果］ 本発明のピストンリングは、剛性材料で形成された基部
と、この基部の少なくともシリンダボアと摺動する面に
形成された表面層とからなり、表面層が特殊な炭素繊維
強化炭素焼結体で構成されている。この炭素繊維強化炭
素焼結体は、耐熱性及び耐摩耗性に優れ、かつ摩擦係数
が低い。したがって、本発明のピストンリングは、シリ
ンダボアとの摺動特性が従来より一層優れたものとなり
、低燃費化への対応が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るピストンリングの表面層を構成す
る特殊炭素繊維強化炭素焼結体の製造工程を示すブロッ
ク図、第２図はピストンリングの平面図、第３図は第２
図のＡ−Ａ線矢視断面図、第４図は実施例のピストンリ
ングの製造に用いた装置の概略を示す模式図である。 １・・・ピストンリング ２・・・基部 ３・・・表面層 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）剛性材料でリング状に形成された基部と、該基部
   の少なくともシリンダボアと摺動する面に形成された表
   面層とからなり、 該表面層は、炭素マトリックス中に炭素繊維があるいは
   炭素繊維と無機微小体とが一体的に埋設された組織を有
   し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見て光学異方性
   の微粒子が均一に密集したモザイク構造をもち、該炭素
   繊維と該炭素マトリックスとの間の界面で剥離している
   界面の割合が全界面に対して１０％以下であり、かつ密
   度が１．６５以上である炭素繊維強化炭素焼結体で構成
   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）剛性材料でリング状に形成された基部と、該基部
   の少なくともシリンダボアと摺動する面に形成された表
   面層とからなり、 該表面層は、未炭化炭素質繊維をあるいは未炭化炭素質
   繊維と金属およびセラミックスからなる無機微小体とを
   埋設した自己焼結性を有する炭素質粉末からなる複合体
   を焼結して得られる炭素繊維強化炭素焼結体で構成され
   ていることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。