JPH06100283B2

JPH06100283B2 - ピストンリング

Info

Publication number: JPH06100283B2
Application number: JP60297970A
Authority: JP
Inventors: 学品田
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1985-12-28
Filing date: 1985-12-28
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPS62159864A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は分散めっき層を有するピストンリングに関す
る。

（従来の技術）ピストンリングは、その耐摩耗性、耐焼付性、耐腐食性
の向上のため種々の改善がなされている。

従来から金属製ピストンリングの摺動面にクロムめっき
を施したものや、ニッケルめっきを施したものなどが提
案されているが、いずれも耐摩耗性は満足すべきもので
はなかった。これを改善するためニッケルなどの金属基
地中に耐摩耗粒子を分散させた複合めっきが注目されは
じめている。

（発明が解決しようとする問題点）めっき基地中に耐摩耗性粒子を分散すると皮膜の耐摩耗
性は向上するが、分散量をあまり多くするとかえって皮
膜を弱くする原因となる。一方複合めっき層基地に燐を
添加し加熱処理を施すと皮膜の硬度を高め耐磨耗性、耐
蝕性の改善に優れた効果を示すが、燐の含有量をあまり
多くすると基地を脆化させ、皮膜の衝撃強度を低下させ
る。このように皮膜の強度が低下すると、運転中に皮膜
が剥離するなどの問題が生ずる。

本発明は従来の複合めっきの問題点である皮膜の脆性を
改善し、さらに耐摩耗性、耐焼付性、耐蝕性に優れた皮
膜層を摺動面に有するピストンリングを提供するもので
ある。

（問題点を解決するための手段）本発明を第１図により説明すると、第１の発明はピストンリング１の摺動面に燐２〜15重量
％、ニッケル85〜98重量％を成分組成とする合金基地３
中に、粒径10μｍ以下の耐摩耗性粒子４を５〜30容量％
および線径0.05〜１μｍ、長さ10〜200μｍの金属窒化
物、金属炭化物、金属酸化物などの短繊維５を５〜30容
量％分散させた複合めっき層を有するピストンリングで
ある。

第２の発明はピストンリング１の摺動面にコバルト10〜
40重量％、燐２〜15重量％、ニッケル50〜88重量％を成
分組成とする合金基地３中に、粒径10μｍ以下の耐摩耗
性粒子４を５〜30容量％、および線径0.05〜１μｍ、長
さ10〜200μｍの金属窒化物、金属炭化物、金属酸化物
などの短繊維５を５〜30容量％分散させた複合めっき層
を有するピストンリングである。

（作用）合金基地中に含まれる燐は前述のように加熱処理をする
ことによって皮膜の硬度を上げる。燐の含有量が少ない
と皮膜の硬度は上がらず耐摩耗性改善の効果は少ない。
また15重量％を越すと基地を脆化させ、皮膜の衝撃強
度、皮膜の密着性を悪くさせる。このようなことから燐
の含有量は２〜15重量％が望ましい。

複合めっき皮膜中に分散される耐摩耗性粒子としては、
アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア、炭化チタ
ンなどの金属窒化物、金属炭化物、金属酸化物などを用
いる。このような耐摩耗性粒子を分散させることにより
ピストンリングの耐摩耗性、耐焼付性の改善がなされ
る。基地中の分散量が５容量％未満では耐摩耗性改善の
効果は少なく、分散量が30容量％を越えると、皮膜の強
度が低下するようになる。また分散される耐摩耗性粒子
の粒径が過度に大きいと耐摩耗性改善の効果は少ない。
従って耐摩耗粒子の平均粒径は10μｍ以下、分散量は５
〜30容量％が良く、望ましくは平均粒径0.5〜５μｍ、
分散量は15〜25容量％が良い。

複合めっき皮膜中に分散される短繊維としては、上記耐
摩耗性粒子と同じくアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、ジ
ルコニアなどを用いる。このような短繊維を分散させる
ことによって皮膜の脆性を改善することができる。基地
中に分散される短繊維の線経は0.05μｍ〜1.0μｍ、L/D
（長さ／線径比）は50〜200程度のものがよく、L/Dが10
以下では繊維というより粒子に近く、皮膜の脆性を改善
する効果は少ない。

第２図は短繊維の分散量を変えたときのめっき皮膜の引
っ張り強度を測定したものである。この図から分散量が
５％未満では皮膜の強度が十分でなく、20％を越えても
その効果に著しい変化はないことがわかる。分散量を多
くするとかえって基地中に空孔を生じたり、皮膜の表面
が荒れる原因となる。

本発明では第２の発明として、合金基地に上記のニッケ
ル、燐のほかに、コバルトを添加している。

コバルトの添加は合金基地の耐焼付性、耐蝕性、を改善
させると共に皮膜の圧壊疲労強度も向上させる。合金基
地中に含まれるコバルトの量は10重量％より少ないと上
記の効果が顕著に得られず、また40重量％を越えてもそ
の効果に著しい変化は無い。従ってコバルトの量は10〜
40重量％が良い。

本発明では、潤滑性粒子は分散させていないが、耐摩耗
性粒子などと一緒に分散させることによって、相手材の
摩耗をさらに低下させることができる。潤滑粒子として
は、例えばへき開性のある低摩擦係数の固体潤滑性を用
いる。代表的な例として二硫化モルブデン、フッ化黒
鉛、窒化硼素、グラファイト、雲母、テフロンなどの粒
子が上げられる。基地中に分散される潤滑粒子の粒径は
使用する潤滑材にもよるが0.5μｍ以下、分散量が５容
量％未満では潤滑剤としての効果は少ない。また粒径が
20μｍ、分散量が35容量％を越えると、基地の強度は低
下する。

（実施例）先端端面が5mm×5mmのピストンリング用鋼材（SKD−6
1）の試験片に、第１表の条件により、第１の発明とし
て窒化珪素粒子、および窒化珪素繊維を分散させた厚さ
120μｍのニッケル一燐複合めっき層を形成させた。

第２の発明として前記発明と同じ材質の試験片に窒化珪
素粒子、および窒化珪素繊維を分散させた厚さ120μｍ
のニッケル−コバルト−燐複合めっき層を形成させた。

次に、前記各方法で得た各試験片を370℃で１時間加熱
し熱硬化処理をした。得られた試験片について、その試
験片のめっき層の組成とマイクロビッカース硬度計で測
定した結果を第２表にしめす。

次に本発明に係る摺動面の耐摩耗試験および焼付試験に
ついて説明する。試験は第３図および第４図に示すライ
ダー方式摩耗試験によって行った。その概要はステータ
ホルダ１にシリンダー材などとして使用されるFC25製で
摺動面２がホーニング仕上げされた円板３が取外し可能
に取付けられており、その中央には裏側から注油孔４を
通して潤滑油が注油されるようにしてあり、図示しない
油圧装置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にしてある。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
取付孔にそれぞれ試験片７が取付けられ、それぞれ所定
の表面処理が施された試験片の５×5mmの角の先端端面
が円板３の摺動面２に接触し、図示しない駆動装置によ
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。

摩耗試験は一定の押圧力の下でロータ５を回転させ、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とステータ円板３の摩耗量によって耐摩耗性を
評価する。

またロータ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１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
付けが生じたとして、そのときの押圧力をもって耐焼付
き性を評価する。

試験片７には、前記実施例で得られた試験片の他に比較
のため一般に耐摩耗性表面処理に用いられる硬質クロム
めっき、および短繊維を含まない窒化珪素分散ニッケル
−燐複合めっき、それと窒化珪素分散ニッケル−コバル
ト−燐複合めっきについても同様の試験を行った。な
お、複合めっきの量試験片とも窒化珪素粒子を10％分散
させてある。

ａ）摩耗試験潤滑油として、加鉛ガソリンを燃料として実機テストに
使用後のエンジンオイルSAE No30に、ダスト（JIS2種）
を0.2g/1添加した温度80℃の油を用いて、注油孔４から
供給しステータホルダ１にはロータ側に向けて油圧100K
g/cm²の押圧力を加えながら、試験片７の摩擦速度を３
〜5m/secとし、摺動距離が100Kmとなるまでロータ５を
回転させた。

試験結果を次の表３に示す。

ｂ）焼付試験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40Kg/cm²の押圧
力を加え摩擦速度8m/secでロータ５を３分間回転させ、
次に押圧力を50Kg/cm²として３分間回転させ、このよう
にして順次押圧力を10Kg/cm²づ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、急激にトルクの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。

試験結果を次の表４に示す。

ｃ）複合めっき層の強度試験次に本発明に係る複合めっき層の強度試験について説明
する。試験は第５図に示す試験機でおこなった。試験片
２には外周面に所定の表面処理を施したピストンリング
を用い、合口部を横向きにして上端を固定ヘッド１に、
下端を可動ヘッド５のロードセル４の上端に取り付け
る。可動ヘッド５を上昇させると試験片２の合口部の反
対側表面にクラックが発生する。試験片２の合口部反対
側の外周表面には歪ゲージ３が取り付けられており、歪
みの変化を歪計で読む。クラックが発生すると歪が急激
に変化する。このときの押圧力の変化をロードセル４を
介して歪計で読み複合めっき層の強度を評価する。

試験片には、鋳鉄製ピストンリングの外周面に、第１の
発明である窒化珪素粒子を20容量％、窒化珪素短繊維を
10容量％および燐を5.5重量％分散させたニッケル−燐
複合めっき層を形成させたものと、第２の発明である窒
化珪素粒子を20容量％、窒化珪素短繊維を10容量％、コ
バルトを32重量％および燐を5.5重量％分散させたニッ
ケル−コバルト−燐複合めっき層を形成させたものと、
さらに比較のため、窒化珪素短繊維を含まず窒化珪素粒
子を20容量％、コバルトを30重量％および燐を5.5重量
％分散させたニッケル−コバルト−燐複合めっき層を形
成したものを用いた。試験結果は第６図に示す通りであ
る。

（効果）表３、表４から、短繊維を分散させた本発明のニッケル
−燐複合めっき層、および短繊維を分散させた本発明の
ニッケル−コバルト−燐複合めっき層は従来のめっき層
に較べて、耐摩耗性、耐焼付性に優れていることがわか
り、第６図から本発明複合めっき層は皮膜の強度も高く
ピストンリングなどの表面処理層として好適であること
が理解される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例を示す試験片のめっき層断面
図、図中 2:ニッケルストライクめっき層 4:耐摩耗性粒子 5:短繊維第２図は、短繊維の分散量を変化させたときの引っ張り
強度を示す図で、上から順に、燐の含有量が３重量％、５重量％、８重量
％のときの変化を示す。第３図、第４図は、ライダー摩耗試験機の図、図中 1:ステータホルダ、2:摺動面 3:円板、4:注油孔 5:ロータ、6:試験片保持具 7:試験片、8:ピスンドル 9:ロードセル、10:動歪計第５図は、複合めっき層の強度試験に使用した引っ張り
試験機を示す図、図中 1:固定ヘッド、2:試験片 3:歪ゲージ、4:ロードセル 5:可動ヘッド第６図は、複合めっき層の強度試験の結果を示した図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】摺動面に複合めっき層を形成したピストン
リングであって、該複合めっき層が燐２〜15重量％、ニ
ッケル85〜98重量％、の合金基地中に、平均粒径が0.5
〜５μｍの窒化珪素を15〜25容量％含有し、且つ、線径
0.05〜１μｍ、長さ10〜200μｍのアルミナ短繊維、窒
化珪素短繊維、炭化珪素短繊維、ジルコニア短繊維の一
種以上を５〜20容量％含有したことを特徴とするピスト
ンリング。
【請求項２】摺動面に複合めっき層を形成したピストン
リングであって、該複合めっき層がコバルト10〜40重量
％、燐２〜15重量％、ニッケル50〜88重量％の合金基地
中に、平均粒径が0.5〜５μｍの窒化珪素を15〜25容量
％含有し、且つ、線径0.05〜１μｍ、長さ10〜200μｍ
のアルミナ短繊維、窒化珪素短繊維、炭化珪素短繊維、
ジルコニア短繊維の一種以上を５〜20容量％含有したこ
とを特徴とするピストンリング。