JPH05302674A - ピストンリングとシリンダの組合せ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性、耐焼付け性に優れ、相手材の攻撃
性が少ないめっき層を摺動面に有する内燃機関用ピスト
ンリングと、耐摩耗性に優れためっき層を有するシリン
ダとの組合せを提供する。 【構成】 クロム含有率が12.0〜23.0重量％の高クロム
鋼からなるピストンリング母材５の少なくとも外周摺動
面に、窒化層６と、燐が 0.2〜10重量％、ニッケルが10
〜43重量％、コバルトが55〜88重量％であるコバルト−
ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径 0.5〜10μｍの
窒化珪素粒子が容積比で５〜30％の範囲で分散している
複合めっき層７とを順に形成してなるピストンリング４
と、硬質クロムめっき層３を摺動面に有するシリンダ１
とを組合せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性に優れた複合
めっき初期なじみ層を摺動面に有する内燃機関用ピスト
ンリングと、耐摩耗性に優れた硬質クロムめっき層を有
するアルミニウム合金製シリンダとの組合せ技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】内燃機
関で用いられるシリンダとしては、鋳鉄製のものが広く
採用されているが、近年内燃機関の軽量化などに伴い、
アルミニウム合金製シリンダへの移行が一部で行われて
いる。

【０００３】アルミニウム合金製シリンダは、鋳鉄製シ
リンダに比べて摩耗しやすいために、摺動面となるシリ
ンダボアに鋳鉄製のシリンダライナを装着して用いてい
た。しかし、そのような構造では、重量が大きくなると
ともに製造コストが高くなって経済的に好ましくない。

【０００４】このため、アルミニウム合金製シリンダの
内周面に、硬質クロムめっき層を形成させたシリンダが
提案されている。このような硬質クロムめっき層を有す
るシリンダは、耐摩耗性が改善されている。

【０００５】しかし、クロムめっきを施したアルミニウ
ム合金製シリンダと、一般的に多く使用されている硬質
クロムめっきを外周摺動面に有するピストンリングとを
組み合わせた場合、摺動面が短時間のうちにカジリを起
こす。またピストンリングに、ニッケルに炭化珪素粒子
を分散させた複合分散めっき被膜を形成することも考え
られるが、この場合、耐摩耗性は良好であるものの、運
転初期や高速高負荷の過酷な条件では、容易に焼付けを
起こすという問題がある。

【０００６】一方、ピストンリングは通常鋳鉄製又はス
チール製であるが、鋳鉄製ピストンリングの場合、耐焼
付け性はあるものの、耐摩耗性が十分でないという問題
がある。また、スチール製の場合、例えば高クロム鋼の
母材に窒化処理を施し、窒化層を形成させたものが使用
されているが、これには、耐摩耗性に優れているもの
の、初期スカッフが発生し、初期なじみの点で問題があ
る。

【０００７】したがって、本発明の目的は、耐摩耗性及
び耐焼付け性に優れ、相手材の攻撃性が少ない初期なじ
みめっき層を摺動面に有する内燃機関用ピストンリング
と、耐摩耗性に優れためっき層を有するシリンダとの組
合せを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、高クロム鋼製ピストンリング母材
の少なくとも外周摺動面に、窒化層と、コバルト−ニッ
ケル−燐合金の基地中に窒化珪素粒子が分散している複
合めっき層とを有するピストンリングと、硬質クロムめ
っき層を摺動面に有するシリンダとを組み合わせれば、
シリンダ及びピストンリングの摩耗が少なく、焼付けや
スカッフィング等を大幅に減少させることができること
を見出し、本発明に想到した。

【０００９】すなわち、本発明のピストンリングとシリ
ンダの組合せは、クロム含有率が12.0〜23.0重量％の高
クロム鋼からなるピストンリング母材の少なくとも外周
摺動面に、窒化層と、燐が 0.2〜10重量％、コバルトが
55〜88重量％、残りが実質的にニッケルからなるコバル
ト−ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径 0.5〜10μ
ｍの窒化珪素粒子が容積比で５〜30％の範囲で分散して
いる複合めっき層とを順に形成してなるピストンリング
と、硬質クロムめっき層を摺動面に有するアルミニウム
合金シリンダとからなることを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明においては、耐摩耗性及び耐焼付け性に
優れているとともに、相手材への攻撃性の少ない窒化珪
素粒子分散コバルト−ニッケル−燐複合めっき層を、窒
化処理を施した高クロム鋼製ピストンリング母材の外周
摺動面上に形成し、このピストンリングを、耐摩耗性に
優れているが、耐焼付性に劣る硬質クロムめっき層を有
するアルミニウム合金製シリンダと組み合わせることに
より、双方の耐摩耗性が向上するとともに、シリンダと
ピストンリングとの耐焼付け性及び耐スカッフィング性
が大幅に改善される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を詳細に説明する。図１は、本
発明の一実施例によるピストンリングとシリンダとの摺
動部を示す部分断面図である。シリンダ１のアルミニウ
ム合金製シリンダ母材２の上には硬質クロムめっき層３
が形成されている。一方ピストンリング４の母材５は、
クロム含有率が12.0〜23.0重量％の高クロム鋼からな
り、そのピストンリング母材５は全面に窒化処理により
窒化層６が形成されており、さらにその摺動面上に窒化
珪素粒子分散コバルト−ニッケル−燐複合めっき層７が
形成されている。

【００１２】シリンダ母材上に形成される硬質クロムめ
っき層３は、30〜200 μｍ、特に100 〜150 μｍの厚さ
を有し、800 〜1000程度のマイクロビッカース硬度（Ｈ
_MV)を有するのが好ましい。このような硬質クロムめっ
き層３は、公知の方法で形成することができる。

【００１３】ピストンリング母材５に使用する高クロム
鋼は、クロムの含有率が12.0重量％未満では、後述する
窒化処理による十分な高硬度化が達成されず、また23.0
重量％を超えても、それ以上の効果が得られず経済的で
ないため、その含有率を12.0〜23.0重量％とする。

【００１４】また高クロム鋼のピストンリング母材５に
窒化処理を施すことにより形成される窒化層６の深さは
30〜120 μｍで、900 〜1400程度のマイクロビッカース
硬度（Ｈ_MV) を有するのが好ましい。このような窒化層
６は、ガス窒化処理法等の公知の方法で形成することが
できる。なお、本実施例においては、窒化層６は、ピス
トンリング母材５の全面に形成されているが、必要に応
じて摺動面上にのみ形成してもよい。

【００１５】ところで、シリンダ内周面に形成する硬質
クロムめっき層３自身には以下に述べるような欠点があ
る。すなわち、硬質クロムめっき層は、硬度が高く、耐
摩耗性に優れているものの、保油性が悪く油膜が切れや
すいので、耐焼付け性に劣る。特に運転始動時又は運転
初期や、高温時や、過給機を使用する場合等において
は、相手材との金属接触が起こりやすく、焼付きが発生
する。特に耐摩耗性や耐焼付け性には、硬質クロムめっ
き層３の表面に極めて薄く形成されたＣｒの酸化物の層
が寄与しているが、このＣｒ酸化物層は、燃料が軽油や
有鉛ガソリンの場合には消失する。また、還元性雰囲気
によって硬質クロムめっき層の表面の不働態酸化皮膜も
存在しなくなる。このため、金属面同士のコンタクトが
起きる。

【００１６】また、ピストンリング母材５として使用す
る高クロム鋼の窒化層６は、耐摩耗性には優れているも
のの、硬度（特に母材の表面近傍の硬度）が高く、さら
に窒化層中に含有されるクロム炭窒化物のマイクロビッ
カース硬度（Ｈ_MV) は1500〜2000と極めて高いうえに、
その平均粒径は3.5 μｍ程度、最大粒径は10μｍ以上と
大きいので、初期馴み性が悪く、馴みが完了する前に相
手材である硬質クロムめっき層を傷めたり、異常摩耗を
起こすことがある。

【００１７】このような理由により、シリンダ内周面の
硬質クロムめっき層３の相手材となる高クロム鋼製ピス
トンリングの摺動面には、特に耐焼付け性に優れた層を
設ける必要がある。

【００１８】以上のような条件を満たすため、硬質クロ
ムめっき層３を有するアルミニウム合金製シリンダに対
して、窒化層６が形成された高クロム鋼からなるピスト
ンリング母材５の少なくとも摺動面に、窒化珪素粒子分
散コバルト−ニッケル−燐複合めっき層７を有するもの
を組み合わせる。これにより、両者間に焼付きが発生せ
ず、ピストンリングの耐摩耗性が長期間保持されるとと
もにシリンダの硬質クロムめっき層３も攻撃されない。
さらに、もしこの窒化珪素粒子分散コバルト−ニッケル
−燐複合めっき層７が摩耗して、ピストンリング母材が
露出したとしても、両者の摺動面はすでに馴んだ状態に
なっているため、カジリや異常摩耗が発生せず、窒化層
６の優れた耐摩耗性が維持される。

【００１９】ピストンリングの摺動面に形成する窒化珪
素粒子分散コバルト−ニッケル−燐複合めっき層７にお
いて、コバルト基合金基地中に含まれる燐は、皮膜の硬
度を高くし、耐摩耗性、耐焼付け性に対して優れた効果
を示し、また基地の耐食性も向上する。コバルト＋ニッ
ケル＋燐の合計を100 重量％として、燐の量が 0.2重量
％未満では、熱硬化処理を行っても硬度が高くならず耐
摩耗性向上の効果は少ない。また10重量％を超えると、
硬度は増すがめっき皮膜はかえって脆くなり、衝撃強度
が低下し、ピストンリング母材との密着性も悪くなる。
したがって燐の量は 0.2〜10重量％とする。好ましい燐
の量は２〜８重量％である。

【００２０】ニッケルは、皮膜の耐熱性や耐食性を高
め、また皮膜の靭性を高めるのに有効である。ニッケル
の量はコバルト＋ニッケル＋燐の合計を100 重量％とし
て、10〜43重量％であり、好ましくは20〜40重量％であ
る。

【００２１】またマトリックスとなるコバルトは、合金
基地の耐熱性及び耐食性を改善するとともに、皮膜の圧
壊強度を向上させる。尚、300℃以上での使用条件下で
は、表面のコバルトが酸化され四酸化三コバルトが生成
される。この四酸化三コバルトからなる酸化物層は低摩
擦係数を有するため、好適な摺動係数がえられる。コバ
ルト＋ニッケル＋燐の合計を100 重量％として、合金基
地中のコバルトの量が55重量％未満では、上記の効果が
顕著に得られず、また88重量％を超えてもその効果に著
しい変化はない。したがってコバルトの量は 55 〜88重
量％とする。好ましいコバルトの量は60〜80重量％であ
る。

【００２２】合金基地中に分散する窒化珪素粒子は、燐
とともに皮膜の耐摩耗性改善に優れた効果を発揮する。
また、窒化珪素はセラミックスの中でも金属との濡れ性
が悪く、溶融状態になりにくいものであるため、耐焼付
け性の改善にも寄与する。窒化珪素の量は複合めっき層
全体を基準として５〜30容量％で、かつその平均粒径は
0.5 〜10μｍである。窒化珪素の容積占有率が５％未
満、あるいは平均粒径が0.5 μｍ未満では、基地表面に
占める窒化珪素の面積が少なく、耐摩耗性の向上効果が
十分でない。一方窒化珪素の容積占有率が30％を超える
か、あるいは平均粒径が10μｍを超えると、相手材の摩
耗を大きくすることになり、さらに膜強度も低下する。

【００２３】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窒化珪素粒子を分散さ
せたものを使用する。コバルト及びニッケル化合物とし
ては硫酸塩、スルファミン酸塩等を用い、燐化合物とし
ては次亜燐酸塩、亜燐酸塩等を用いる。

【００２４】窒化珪素粒子分散コバルト−ニッケル−燐
複合めっき層７の厚さは0.5 〜20μｍであるのが好まし
い。めっき層７の厚さが0.5 μｍ未満では、摩耗しやす
く、また20μｍを超えると、処理コストの上昇をきたす
ばかりか、めっき層の剥離を生じやすくなるため好まし
くない。特に好ましいめっき層７の厚さは0.5 〜10μｍ
である。また、上記めっき層７のマイクロビッカース硬
度（Ｈ_MV) は、800 〜950 程度である。

【００２５】得られた複合めっき皮膜は水洗、乾燥後、
必要に応じてベーキング処理を行う。ベーキング処理温
度は200 〜400 ℃程度で、時間は30〜60分程度である。
このベーキング処理により、複合めっき皮膜及び母材中
に吸蔵された水素が放出され、良好な初期なじみ性を得
るのに適した硬度の複合めっき皮膜が得られる。

【００２６】以上のような複合めっき皮膜を有するピス
トンリングとシリンダとを組合わせて用いることによ
り、両者間の耐摩耗性と耐スカッフィング性が改善され
る。

【００２７】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。実施例１ 呼び径×幅×厚さが78.0mm×1.2mm ×3.4mm の高クロム
鋼 (SUS440B 、クロム含有率17重量％) 製のピストンリ
ングの全面にガス窒化処理を施し、50μｍの窒化層を形
成した。

【００２８】このピストンリングを複数本まとめて、第
１表に示す浴成分の窒化珪素粒子を懸濁させためっき浴
を用い、リングの摺動面に、コバルト−ニッケル−燐合
金基地中に窒化珪素粒子が分散した厚さ８μｍの複合め
っき層を形成した。なお、めっき条件は液温55℃、pH2.
0 、電流密度５A/dm² とした。

【００２９】 第 １ 表 めっき浴成分 硫酸ニッケル 30ｇ／リットル 塩化ニッケル 30ｇ／リットル 硫酸コバルト 200ｇ／リットル ホウ酸 30ｇ／リットル 次亜燐酸ナトリウム ２ｇ／リットル 窒化珪素粒子（平均粒径1.2 μｍ、最大粒径５μｍ) 50ｇ／リットル

【００３０】形成された複合めっき層の基地における燐
の量は4.0 重量％、コバルトの量は65重量％、残部がニ
ッケルであり、また窒化珪素粒子の量は容積比で21％で
あった。

【００３１】さらに、ピストンリングを 300℃で１時間
加熱して熱硬化処理を行ない、基地を硬化させた。この
処理によってマイクロビッカース硬度 (Ｈ_mv) は 700と
なった。

【００３２】実機試験 実施例１で得れたピストンリングを、４サイクルの水冷
６気筒エンジンに取り付けて実機試験を行った。

【００３３】シリンダは、ボア径85mmのアルミニウム合
金製で、その内周面に硬質クロムめっきを150 μｍの厚
さに形成し、200 ℃で１時間熱処理を施したものを用い
た。この硬質クロムめっき層の表面のプラト面粗さは約
2.5 μｍ、プラト面率は2.8μｍ落差で65〜78％であ
り、マイクロビッカース硬度 (Ｈ_mv) は 900であった。

【００３４】高鉛ガソリンを燃料として、回転数8300rp
m 、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内周面の摩耗量の測定を
行った。結果を図２に示す。またピストンリングの外周
摺動面及びシリンダ内周面の表面状態を以下の基準によ
り評価した。

【００３５】○：スカッフィングの発生が認められな
い。 △：軽いスカッフィングが２〜５か所認められる。 ×：スカッフィングが６〜11か所認められる。 結果を第２表に示す。

【００３６】比較例１〜３ 比較のために、実施例１と同じ高クロム鋼製のピストン
リングにガス窒化処理により窒化層を50μｍ形成しただ
けのもの (比較例１）、実施例１と同一形状で材質が鋼
製（SKD-61) のピストンリングに硬質クロムめっきを10
0 μｍに形成し、200 ℃で１時間のベーキング処理を施
したもの (比較例２：熱処理後のマイクロビッカース硬
度 (Ｈ_mv) 970)、実施例１と同一形状で材質が鋼製（SK
D-61) のピストンリングに、ニッケル皮膜中に平均粒径
1.2μｍの炭化珪素硬質粒子を20容量％分散させた複合
めっき層を80μｍに形成したもの (比較例３：熱処理後
のマイクロビッカース硬度 (Ｈ_mv) 450 ）を用意した。

【００３７】上記の各ピストンリングと、実施例１で使
用したシリンダとの組合せについて、同様にピストンリ
ングの外周摺動面及びシリンダ内周面の摩耗量の測定を
行った。結果を図２に示す。またピストンリングの外周
摺動面及びシリンダ内周面の表面状態を同様にして評価
した。結果を第２表に示す。

【００３８】なお、図２は、比較例１におけるピストン
リングとシリンダの摩耗量をそれぞれ 100として、その
他の組合せのピストンリングとシリンダの摩耗量を相対
値で表示したものである。

【００３９】

【００４０】図２及び第２表より明らかなように、実施
例１のピストンリングとシリンダとの組合せは、双方の
摩耗量、表面状態ともに、比較例１乃至３の組合せより
著しく良好であった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明においては、
内周面に硬質クロムめっきを施したアルミニウム合金製
シリンダと、クロム含有率が12.0〜23.0重量％の高クロ
ム鋼からなる母材の少なくとも外周摺動面に、窒化層
と、窒化珪素粒子分散コバルト−ニッケル−燐複合めっ
き層とを有するピストンリングとを組み合わせているの
で、シリンダとピストンリングとの相性がよく、双方の
摩耗が低減し、焼付き、スカッフィング等も生じにく
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるピストンリングとシリ
ンダの摺動部分を示す部分断面図である。

【図２】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グラフである。

【符号の説明】

１・・・シリンダ ２・・・シリンダ母材 ３・・・硬質クロムめっき層 ４・・・ピストンリング ５・・・ピストンリング母材 ６・・・窒化層 ７・・・窒化珪素粒子分散コバルト−ニッケル−燐複合
めっき層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ１６Ｊ 10/00 Ａ 7366−3Ｊ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クロム含有率が12.0〜23.0重量％の高ク
   ロム鋼からなるピストンリング母材の少なくとも外周摺
   動面に、窒化層と、燐が 0.2〜10重量％、コバルトが55
   〜88重量％、残部実質的にニッケルからなるコバルト−
   ニッケル−燐合金の基地中に、平均粒径 0.5〜10μｍの
   窒化珪素粒子が容積比で５〜30％の範囲で分散している
   複合めっき層とを順に形成してなるピストンリングと、
   硬質クロムめっき層を摺動面に有するアルミニウム合金
   製シリンダとの組合せ。