JPH0544841A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPH0544841A
JPH0544841A JP21918091A JP21918091A JPH0544841A JP H0544841 A JPH0544841 A JP H0544841A JP 21918091 A JP21918091 A JP 21918091A JP 21918091 A JP21918091 A JP 21918091A JP H0544841 A JPH0544841 A JP H0544841A
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JP
Japan
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piston ring
plating layer
layer
solid lubricant
cobalt
Prior art date
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JP21918091A
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English (en)
Inventor
Manabu Shinada
学 品田
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Riken Corp
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Riken Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 初期なじみ性が良く、また耐スカッフ性に優
れ、さらに耐摩耗性に優れた内燃料機関用ピストンリン
グを提供する。 【構成】 外周摺動面に、硬質クロムめっき層2と、硬
質クロムめっき層の上に形成された固体潤滑剤粒子分散
コバルト−ニッケル合金複合めっき層3とからなる二重
構造の層を有する内燃料機関用ピストンリング。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、硬質クロムめっき層と
複合分散めっき層との二重構造を摺動面に有する内燃機
関用ピストンリングに関し、特にシリンダとの初期なじ
み性が良く、かつ耐摩耗性に優れたピストンリングに関
する。
【0002】
【従来の技術】近年、エンジンの小型軽量化、高出力化
などの高性能化に伴い、ピストンリングに要求される条
件はますます過酷なものとなり、耐摩耗性はもちろんの
こと、耐焼付性、耐折損性など様々な観点から改良が加
えられている。
【0003】ところで、一般に組み立て直後のエンジン
においては、部品製作の精度上の制約からピストンリン
グとシリンダの接触状態が不確実になることは避けられ
ず、両者間に隙間が生じる。この隙間が存在したままの
状態でエンジンを運転すると、燃焼室の気密が不十分な
状態となり、クランク室へのガスの吹き抜け(圧縮洩
れ)が起こる。そしてこのガスの吹き抜けはシリンダ内
面を一様に覆っている潤滑油膜を破るために、ピストン
リングとシリンダ間に異常摩耗を引き起こし、スカッフ
ィングを発生させたりする。また同時に、この隙間を通
して潤滑オイルが燃焼室に入り込み、オイル消費量も多
くなる。
【0004】従って、なじみ運転と呼ばれるエンジン組
み立て直後の初期運転では、ピストンリングとシリンダ
の共摺りを行うことにより短期間のうちに両者の隙間を
無くし、早く両者を馴じませる必要がある。
【0005】一般に耐摩耗性に優れたピストンリングは
高い硬度の摺動面を有することになるので、このなじみ
運転の期間が長くなる傾向がある。このため、短期間に
ピストンリングとシリンダを馴じませる工夫としてピス
トンリングの外周摺動面上に錫めっきなどの軟質皮膜層
を設ける方法や、リングの断面をテーパ状に加工したり
する方法が採られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この錫
めっきを施す方法は、高温、高負荷の条件では錫めっき
層が軟らかすぎるために始動初期の段階で簡単に摩滅し
てしまい、なじみの効果がほとんどなくなる。またリン
グの外周摺動面にテーパをつける方法は、テーパの角度
が燃焼室の気密性、及びシリンダ内周面の保油性に影響
を与えるという問題がある。
【0007】従って、本発明の目的は、高温、高負荷の
条件でも初期なじみ性が良く、スカッフィングも発生せ
ず、また、ほとんどなじみ運転を必要とせず、しかも耐
摩耗性の優れたピストンリングを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく鋭意検討を重ねた結果、耐摩耗性に優れた硬
質クロムめっき層上に適度の硬度を有する複合分散めっ
き層を形成することにより、良好な初期なじみ性を有
し、かつ耐摩耗性にも優れたピストンリングを提供でき
ることを発見し、本発明を完成した。
【0009】すなわち、本発明の内燃機関用ピストンリ
ングは、少なくともその外周摺動面に、第1層として硬
質クロムめっき層が、第2層として固体潤滑剤粒子分散
コバルト−ニッケル合金複合めっき層が順に形成されて
なる二重構造の層を有することを特徴とする。
【0010】
【作用】本発明のピストンリングの二重構造の皮膜にお
いては、上層(第2層)の固体潤滑剤粒子分散複合めっ
き層は、下層(第1層)の硬質クロムめっき層より幾分
軟らかい材質であるので、エンジンの始動初期における
シリンダとのなじみが良好であると同時に、急速に摩耗
することがない。また下層(第1層)の硬質クロムめっ
き層は高い硬度を有しているので、長期間(上層の摩耗
後でも)良好な耐摩耗性を維持することができる。
【0011】
【実施例】本発明を以下の実施例により添付図面を参照
にして詳細に説明する。図1は、本発明の一実施例によ
る内燃機関用ピストンリングの部分断面図である。本実
施例においては、ピストンリング1の外周摺動面に、硬
質クロムめっき層2と固体潤滑剤粒子分散コバルト−ニ
ッケル合金複合めっき層3とが二重構造となるように形
成されている。
【0012】第1層の硬質クロムめっき層は、クロム酸
を主体としためっき浴を用いて電気めっきによって得る
ことができる。このようなめっき浴にはサージェント浴
やフッ化物浴の一種であるケイフッ化浴等を使用するこ
とができる。硬質クロムめっき層は硬度が高く、耐摩耗
性に富む。従って、硬質クロムめっき層の厚さは80〜20
0μmであればよい。
【0013】硬質クロムめっき層は硬度が高く初期なじ
み性に劣るので、この欠点を補うために、第2層として
固体潤滑剤粒子分散コバルト−ニッケル合金複合めっき
皮膜を第1層上に形成する。
【0014】この固体潤滑剤粒子分散コバルト−ニッケ
ル合金複合皮膜中に含まれるニッケルは、皮膜の靱性や
耐食性を高める。また、ニッケルを含ませることによ
り、良好な初期馴じみ性を得るのに適した硬度(HMMV
250 〜450)とすることができる。
【0015】コバルトはめっき合金基地の耐熱性や耐食
性を改善するとともに皮膜の圧壊疲労強度も向上させ
る。ディーゼル機関のようなピストンリング温度が300
℃を超えるような使用条件では、表面のコバルトが酸化
されて四酸化三コバルトが生成される。これによって摺
動摩擦に好ましい低摩擦係数の酸化物層が形成される。
この複合皮膜の合金基地中のコバルトの量が40重量%未
満では上記の効果が顕著に得られず、また80重量%を超
えてもその効果に著しい変化はないので、40〜80重量%
とするのが好ましい。より好ましいコバルトの含有量は
50〜80重量%である。
【0016】固体潤滑剤粒子は、好ましくは二硫化モリ
ブデン、ボロンナイトライド又は二硫化タングステンか
らなる。このような固体潤滑剤粒子はコバルトとともに
皮膜の耐摩耗性の向上に優れた効果を示す。固体潤滑剤
粒子は金属との濡れ性が低く、合金をつくらず、また摩
擦係数が小さいので、耐焼付性、耐スカッフ性の改善に
も寄与する。固体潤滑剤粒子の量は5〜30容量%とする
のがよく、その平均粒径は0.5 〜10μmが好ましい。容
量が5%未満あるいは粒径が0.5 μm未満では基地表面
に占める固体潤滑剤粒子の面積が少なく、耐摩耗性、耐
スカッフ性の向上効果が少ない。また容量が30%を超え
るか粒径が10μmを超えると複合皮膜の強度も低下する
ことになり、固体潤滑剤粒子が容易に脱落する。より好
ましくは、固体潤滑剤粒子の平均粒径は1.0 〜5.0 μm
で、含有量は15〜25容量%である。
【0017】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、コバルト化合物を溶解
させためっき浴中に固体潤滑剤粒子を分散させたものを
使用する。ニッケル化合物及びコバルト化合物としては
硫酸塩、スルファミン酸塩等を用いる。
【0018】第2層の複合めっき皮膜の厚さは、これが
過度に薄いと充分な初期なじみ状態が達成される前に複
合めっき皮膜が消失してしまい、期待する効果が充分に
得られなくなる。一方、複合めっき皮膜の厚さを必要以
上に厚くすることは、処理コストを上昇させることはも
とより、剥離が発生し易くなり或いはクロムめっき皮膜
の良好な耐摩耗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、ピストンリングの気密性の劣化現象が早期に発生す
る。従って、硬質めっき皮膜の厚さは3〜30μmとする
のが好ましい。
【0019】得られた複合めっき皮膜は水洗、乾燥後、
必要に応じて熱処理を行う。熱処理温度は 100〜 200℃
程度で、時間は30〜60分である。熱処理により、複合皮
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皮膜が得られる。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。
【0020】実施例1 ピストンリングの外周摺動面に第1層として硬質クロム
めっき層を形成する第1の工程と、第2層として第1層
上に複合分散めっき層を形成する第2の工程と、得られ
た二重構造の層に熱処理を施こす第3の工程により、皮
膜を形成した。まず第1の工程では、呼び径×幅×厚さ
が95mm×2.0 mm×3.1 mmのSKD-61材のピストンリングを
複数本まとめて母材として、表1に示す浴組成のめっき
浴を用いて表2に示す条件で硬質クロムめっきを行っ
た。
【0021】表1 無水クロム酸 250 g/ リットル 硫 酸 2.5g/ リットル
【0022】表2 浴温 55℃ 陰極電流密度 55A/dm2 電解時間 5時間
【0023】この第1の工程により得られた硬質クロム
めっき層の厚さは100 μmであった。
【0024】第2の工程として、上記第1の工程によっ
て得られた硬質クロムめっき層を表面に有するピストン
リングを表3に示す組成を有するめっき浴中に浸漬し、
めっき浴温度60℃、pH4 、電流密度10A/dm2 で5分間電
流を流して、電気めっきを行った。
【0025】表3浴組成 硫酸コバルト 200g/リットル 硫酸ニッケル 30g/リットル 塩化ニッケル 30g/リットル ボロンナイトライド粒子(1) 30g/リットル 注(1):平均粒径2.0 μm、最大粒径5μm
【0026】この第2工程により得られた第2層の複合
めっき皮膜の厚さは8μmであり、その組成はコバルト
が70重量%で、ボロンナイトライド粒子は20容積%であ
った。
【0027】次に第3工程として、得られた二重構造の
皮膜に200 ℃で1時間の熱処理を施し、皮膜を硬化させ
た。このときの硬度は、第1層である硬質クロムめっき
層はマイクロビッカース硬度(HMMV)が970 であり、第
2層の複合めっき皮膜層はマイクロビッカース(HMMV
が400 であった。
【0028】実機試験 4サイクル水冷4気筒2600ccエンジン用の鋳鉄(FC-25)
製エンジンシリンダに、上記ピストンリングを組み込
み、6500rpm 全負荷で100 時間のベンチテストを行い、
オイル消費量を測定した。
【0029】比較例1 また比較のため、ピストンリングの外周摺動面に硬質ク
ロムめっき層のみを形成したピストンリングを用いて実
施例1と同様に実機試験を行い、オイル消費量を測定し
た。
【0030】比較例2 さらに比較のために、実施例1と同様の方法で、ピスト
ンリングの外周摺動面に硬質クロムめっき層を形成し、
さらに実施例1と同様にボロンナイトライド粒子(平均
粒径2.0 μm、最大粒径8μm)を20容量%分散させた
コバルトが30重量%、燐が6.5 重量%のニッケル−コバ
ルト−燐複合分散めっき皮膜を8μm形成させた。
【0031】次に、得られた二重構造の皮膜を250 ℃で
1時間の熱処理を施し、皮膜を硬化させた。この時の硬
度は、第1層である硬質クロムめっき層はマイクロビッ
カース硬度(HMMV)が 980であり、第2層の複合めっき
皮膜層はマイクロビッカース硬度(HMMV)が 750であっ
た。
【0032】このように形成したピストンリングを用い
て実施例1と同様に実機試験を行い、オイル消費量を測
定した。
【0033】試験結果を図2に示す。図2から明らかな
ように本発明のピストンリングは、硬質クロムめっき層
のみを摺動面に有するピストンリング、ニッケル−コバ
ルト−燐複合分散めっき皮膜を有するピストンリングに
比べて、初期の時点からオイルの消費量が少なくなって
いることがわかる。これはピストンリングとシリンダと
の隙間が短時間で消失していくため、すなわち初期なじ
み性が良いためである。また実施例では、スカッフィン
グも全く認められなかった。
【0034】
【発明の効果】以上詳述した通り、硬質クロムめっき層
と固体潤滑剤粒子分散ニッケル−コバルト合金複合めっ
き層とを外周摺動面に有する本発明のピストンリング
は、その複合分散めっき皮膜により初期なじみ性、耐ス
カッフ性に優れ、また硬質クロムめっき層により長期耐
摩耗性に優れている。
【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の断面
図である。
【図2】実施例1、比較例1及び2のピストンリングを
用いた実機試験において、試験時間とオイル消費量との
関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1・・・ピストンリング母材 2・・・硬質クロムめっき層 3・・・固体潤滑剤粒子分散コバルト─ニッケル合金複
合めっき皮膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくともその外周摺動面に、硬質クロ
    ムめっき層と、前記硬質クロムめっき層の上に形成され
    た固体潤滑剤粒子分散コバルト−ニッケル合金複合めっ
    き層とからなる二重構造の層を有することを特徴とする
    内燃機関用ピストンリング。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の内燃機関用ピストンリ
    ングにおいて、前記固体潤滑剤粒子が二硫化モリブデ
    ン、ボロンナイトライド又は二硫化タングステンからな
    ることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
JP21918091A 1991-08-05 1991-08-05 ピストンリング Pending JPH0544841A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015502478A (ja) * 2011-11-09 2015-01-22 フェデラル−モーグル コーポレイション 耐摩耗性コバルトコーティングが施されたピストンリング

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015502478A (ja) * 2011-11-09 2015-01-22 フェデラル−モーグル コーポレイション 耐摩耗性コバルトコーティングが施されたピストンリング
JP2017145831A (ja) * 2011-11-09 2017-08-24 フェデラル−モーグル・リミテッド・ライアビリティ・カンパニーFederal−Mogul Llc 耐摩耗性コバルトコーティングが施されたピストンリング及びその作成方法

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