JPH0723650Y2 - シリンダとピストンリングの組合せ - Google Patents

シリンダとピストンリングの組合せ

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JPH0723650Y2
JPH0723650Y2 JP4999890U JP4999890U JPH0723650Y2 JP H0723650 Y2 JPH0723650 Y2 JP H0723650Y2 JP 4999890 U JP4999890 U JP 4999890U JP 4999890 U JP4999890 U JP 4999890U JP H0723650 Y2 JPH0723650 Y2 JP H0723650Y2
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初夫 高瀬
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ヤンマーディーゼル株式会社
帝国ピストリング株式会社
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Description

【考案の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本考案は、内燃機関に用いられるシリンダとピストンリ
ングの組合せに関する。
「従来の技術」 従来の鋳鉄もしくは鋼製シリンダライナは、その組織中
にグラファイトが微細に分散して油溜りを形成するの
で、油膜が途切れることなく適切な摺動表面となり、シ
リンダ材として多様されてきた。しかし、近年の高速、
高荷重エンジンに使用すると、耐摩耗性に劣るので、摺
動表面に硬質のポーラスクロムめっきを施しためっきシ
リンダが使用されるようになってきた。
一方、ポーラスクロムめっきシリンダの相手材として、
ピストンリングは燐酸塩被覆や酸化鉄被覆を施してなじ
み性を与えたり、耐摩耗性を付与するためにフェロクロ
ム溶射や窒化処理が施されている。また、シリンダにポ
ーラスクロムめっきを施さない場合には、ピストンリン
グにソリッドもしくはポーラスクロムめっきを施す等の
組合せが用いられてきた。
また、シリンダライナ摺動面の耐摩耗性を更に向上させ
る方法として、例えば特開昭52−138797号には、摺動面
にSiC粒子を埋め込む方法が開示されている。更に、特
開昭61−144469号には、摺動内周面にSiC,Al2O3などの
硬質粒子を埋め込んだシリンダと、摺動外周面に高クロ
ム鋳鉄粉末とFe−C−Cr合金粉末とMo粉末とを混合した
粉末をプラズマ溶射したピストンリングとの組合せから
なる摺動面対構造が開示されている。
更に、ピストンリングの耐摩耗性及び耐焼付性を向上さ
せる技術として、摺動外周面に硬質クロムめっきを施
し、その上にイオンプレーティングによりTiN被膜を形
成したもの(特公平1−33658号)、摺動外周面に窒化
処理層を設け、その上にイオンプレーティングによりTi
N被膜を形成したもの(特願昭59−131878号)、摺動外
周面にイオンプレーティングによるTi(Cx,Ny)被膜を
形成したもの(特公平1−52575号)などが既に提案さ
れている。
「考案が解決しようとする課題」 しかしながら、近年、内燃機関は、益々高性能化され、
高速、高荷重のものが開発されており、これらに対応で
きる耐久性を有し、しかも潤滑油消費量並びに燃料消費
量の少ない摺動部材が要求されている。このようなニー
ズに対応するため、シリンダやピストンリング等の摺動
面は過酷な条件にさらされ、耐熱性、耐食性、耐摩耗性
は勿論のこと、軽量化や、ピストンリング中でもオイル
リングの追従性、耐焼付性をも満足しなければならなく
なってきた。
このような状況において、摺動内周面にSiC,Al2O3など
の硬質粒子を埋め込んだシリンダは、シリンダ自身の耐
摩耗性において抜群の性能を示し、鋼製薄肉シリンダな
どに適用して軽量化を図れるなどの利点を有しているた
め、有望なものと考えられている。しかし、このシリン
ダの場合には、相手ピストンリングを甚だしく摩耗させ
てしまうという欠点を有しており、これと相性のよいピ
ストンリングの組合せは未だ見出されていないのが現状
である。
したがって、本考案の目的は、高速、高荷重の内燃機関
に適用しても優れた耐久性が得られ、しかも潤滑油消費
量なども低減できるシリンダとピストンリングの組合せ
を提供することにある。
「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本考案のシリンダとピストン
リングの組合せは、摺動内周面に硬質粒子が分散して埋
設されたシリンダと、摺動外周面に窒化処理層が形成さ
れ、更にその上にプラズマCVD処理による窒化珪素(SixN
y)からなる硬質被膜層が形成されたピストンリングとか
ら構成されることを特徴とする。
以下、本考案について具体例を挙げて更に詳細に説明す
る。
本考案において、シリンダ(シリンダライナを含む)の
摺動内周面に分散して埋設させる硬質粒子としては、Si
C,Al2O3,Cr2O3,Si3N4,BNなどから選ばれた少なくとも
1種が好ましく採用される。
これらの硬質粒子をシリンダの摺動内周面に分散して埋
設させると、硬い粒子が摺動面の最表面に存在して一次
摺動面となり、シリンダ表面の二次摺動面との間に微小
な間隙が形成され、これが油膜形成域となるので、常に
最良の潤滑作用を与えることができる。しかも、硬質粒
子は、上記のようなセラミックス粒子からなるので、極
めて高い耐摩耗性が付与される。
硬質粒子の平均粒径は5〜20μmが好ましく、5μm未
満では一次摺動面と二次摺動面との間隙が小さすぎて油
膜の形成に支障を来し、20μmを超えると一次摺動面と
二次摺動面との間隙が大きくなりすぎる上に、相手材と
の摺動時に粒子の脱落が生じるおそれがあるので望まし
くない。
硬質粒子をシリンダの摺動内周面に分散して埋設させる
方法としては、例えばシリンダ内周面をラッピング加工
により仕上げる際に、硬質粒子を含んだスラリー状の液
体を吹き付けながら研削することによって埋設する方法
が採用できる。この方法については、前述した特開昭61
−144469号等に詳しく記載されている。
一方、ピストンリングは、上記のシリンダと組合せる場
合、通常最も多く用いられているクロムめっきリングで
は、耐摩耗性が不足する。このため、本考案では、ピス
トンリングの少なくとも摺動外周面に窒化処理を施し、
更にその上にプラズマCVD処理による窒化珪素(SixNy)か
らなる硬質被膜層を形成する。
窒化処理としては、ガス窒化法、塩浴軟窒化法、ガス軟
窒化法、イオン窒化法など、公知のいずれの方法も採用
できる。窒化処理を施すことにより、表面の硬度は、手
法にもよるがHv600〜1300程度となり、優れた耐摩耗性
を示す。
しかし、硬質粒子を埋設したシリンダとの相性からは、
上記窒化処理でだけは不十分であり、更にその上に窒化
珪素(SixNy)からなる硬質被膜層を形成することが必要
である。本考案において、この硬質被膜層は、プラズマ
CVD処理によって形成される。
プラズマCVDは、非平衡プラズマ中で気体分子を反応さ
せ、処理品(基板)上に固体の被膜を析出させる方法で
あり、処理温度が低くてよいため、ピストンリングの変
形や軟化が起こりにくいという利点を有している。プラ
ズマCVDとしては、例えば直流グロー放電CVD法、高周波
放電CVD法、マイクロ波放電CVD法など各種の方法が知ら
れているが、いずれの方法を採用してもよい。
窒化珪素(SixNy)被膜をプラズマCVDにより形成するに
は、公知のCVD槽内に処理すべきピストンリングを静置
し、槽内を高真空にした後、H2キャリヤーガスを導入
し、更に反応ガスであるSiH4及びN2ガスを導入し、例え
ば高周波などを印加し、プラズマを形成して放電を行な
えばよい。この場合、処理温度は、600℃以下が好まし
く、350℃以下が更に好ましい。こうして形成された窒
化珪素被膜は、厚さが1〜30μmであり、硬さがHv1500
〜2500である。
なお、硬質粒子を埋設したシリンダの摺動内周面の最大
表面粗さは2〜10μm程度が好ましく、窒化処理層及び
窒化珪素(SixNy)被膜を形成したピストンリングの摺動
外周面の最大表面粗さは3μm以下が好ましい。
「作用」 前述したように、硬質粒子をシリンダの摺動内周面に分
散して埋設させると、硬い粒子が摺動面の最表面に存在
して一次摺動面となり、シリンダ表面の二次摺動面との
間に微小な間隙が形成されるので、これが油膜形成域と
なり、常に最良の潤滑作用を与えることができる。ま
た、硬質粒子によってシリンダの摺動内周面の耐摩耗性
が飛躍的に向上する。
一方、ピストンリングの摺動外周面に、窒化処理層及び
窒化珪素(SixNy)被膜を形成することによって、硬質粒
子を埋設したシリンダの相手材として、十分に耐え得る
耐摩耗性及び耐焼付性を付与することができる。
特に、窒化珪素被膜は、イオンプレーティング法による
TiC被膜及びTiN被膜と同等の耐摩耗性を有し、かつ、Ti
C被膜及びTiN被膜よりも優れた耐焼付性をもっている。
また、自身の表面粗さが大きくても、相手攻撃性が低い
という特徴がある。
本考案は、このようなシリンダとピストンリングの組合
せによって、高荷重の内燃機関にも適用できる耐久性を
付与し、潤滑油消費量や燃料消費量を低減することも可
能としたのである。
「実施例」 第1図には、本考案によるシリンダとピストンリングの
組合せの一実施例が示されている。
図において、シリンダライナ11は、図示を省略したシリ
ンダの内壁に嵌着されている。このシリンダライナ11の
内周には、ピストン12が上下動可能に挿入されている。
ピストン12は、外周に3つの環状の溝13を有し、これら
の溝13に、トップリング14、セカンドリング15、オイル
リング16からなるピストンリングが嵌着されている。オ
イルリング16は、上下レール18a、18bと、上下レール18
a、18bを連結し多数のオイル孔を備えた薄肉の柱部とか
らなる断面略I型の鋼製オイルリングと、その内側に配
置されたコイルエキスパンダ17とから構成されている。
本考案においては、シリンダライナ11の摺動内周面に硬
質粒子が埋設された層19が形成されている。また、各ピ
ストンリング14、15、16の摺動外周面(オイルリング16
の場合は上下レール18a、18bの摺動面)には、窒化処理
層20が形成され、その上にSixNyからなる硬質被膜層21
が形成されている。
したがって、内燃機関が作動してピストン12が往復動作
すると、シリンダライナ11の硬質粒子が埋設された層19
と、ピストンリング14、15、16の硬質被膜層21とが摺接
する。シリンダライナ11は、硬質粒子によって摺動外周
面の耐摩耗性が向上すると共に、適切な油膜が形成され
て潤滑作用がもたらされる。また、ピストンリング14、
15、16は、窒化処理層20及び硬質被膜層21によって摺動
外周面の耐摩耗性及び耐焼付性が向上する。
実施例 規定寸法に加工し、かつ、脱脂洗浄した、内径100φmm
×長さ180mmの鋳鉄製シリンダライナ(FC30相当)の内
周面を、平均粒径15μmのSiC粒子を含むスラリーを用
いて、ラッピングシュー圧力;0.8kg/cm2、回転数×スト
ローク×時間;60rpm/min×30回/min×2分の条件で、ラ
ッピング加工を行なうと同時にSiC粒子をシリンダライ
ナ内周面に埋め込み分散させた。
別に、鋼製トップリング(SUS420J2材、外周断面バレル
形状、表面粗さ0.5μm)及び鋼製オイルリング(SKD61
材、I型、表面粗さ0.5μm)をパークロルエチレン蒸
気で洗浄し、SUS304鋼製電気炉内にセットして、炉内の
空気を窒素により置換後、NH3ガスを導入し、炉内の温
度を570℃まで昇温し、3時間保持して窒化処理を行な
った。窒化層の厚みは85μmであったが、脆性の高い酸
化物層及び白層を除去したので、実際の厚みは70μmと
なった。
その後、CVD槽内に静置し、槽内を高真空にした後、H2
キャリヤーガスを導入し、次に反応ガスであるSiH4及び
N2ガスを導入した。この状態で、ヒーター加熱により22
0℃まで温度を上げ、500WのRF電源を印加してプラズマ
を生成させ、厚み30μmの窒化珪素(Si3N4)被膜を形成
した。
比較例 鋼製トップリング(SUS420J2材、外周断面バレル形状、
表面粗さ0.5μm)及び鋼製オイルリング(SKD61材、I
型、表面粗さ0.5μm)に硬質クロムめっきを施した。
硬質クロムめっきの厚さは、トップリング103μm、オ
イルリング101μmである。これらのリングを上記実施
例のシリンダライナと組合せて使用した。
試験例 実施例及び比較例のシリンダライナ及びピストンリング
を用い、4サイクル、水冷4気筒、排気量3600cc、出力
110馬力のディーゼルエンジンに組み込み、軽油を使用
し、全負荷400時間の耐久テストを実施した。
テスト後のトップリングとオイルリングの摩耗量及び相
手シリンダライナの上死点位置の摩耗量を測定した結果
を第2図に示す。また、潤滑油消費量を測定した結果を
第3図に示す。
この結果から、本考案のシリンダとピストンリングの組
合せによれば、高出力のエンジンに使用してもピストン
リングの摩耗が少なく、従来のクロムめっきリングに比
べて、はるかに高い耐久性が得られ、また潤滑油消費量
も大幅に低減できることがわかる。
「考案の効果」 以上説明したように、本考案によれば、硬質粒子を埋設
した摺動内周面を有するシリンダと、窒化処理層及び窒
化珪素(SixNy)からなる硬質被膜層を形成した摺動内周
面を有するピストンリングとを組合せることにより、双
方共に耐摩耗性及び耐焼付性が向上して、相性のよい摺
動面対構造が得られる。したがって、高速、高荷重エン
ジンに適用しても優れた耐久性が得られ、燃料消費量及
び潤滑油消費量も低減できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本考案によるシリンダとピストンリングの組合
せの一実施例を示す部分断面図、第2図はトップリング
とオイルリングの摩耗量及び相手シリンダライナの上死
点位置の摩耗量を測定した結果を示す図表、第3図は潤
滑油消費量を測定した結果を示す図表である。 図中、11はシリンダライナ、12はピストン、13は溝、14
はトップリング、15はセカンドリング、16はオイルリン
グ、18はサイドレール、19は硬質粒子が埋設された層、
20は窒化処理層、21はSixNyからなる硬質被膜層であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 家崎 誠 東京都中央区八重洲1丁目9番9号 帝国 ピストリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−144469(JP,A) 特開 昭59−50223(JP,A) 特開 昭63−176456(JP,A)

Claims (4)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】摺動内周面に硬質粒子が分散して埋設され
    たシリンダと、摺動外周面に窒化処理層が形成され、更
    にその上にプラズマCVD処理による窒化珪素(SixNy)から
    なる硬質被膜層が形成されたピストンリングとから構成
    されることを特徴とするシリンダとピストンリングの組
    合せ。
  2. 【請求項2】前記硬質粒子が、SiC,Al2O3,Cr2O3,Si3N
    4,BNから選ばれた少なくとも1種である請求項1記載の
    シリンダとピストンリングの組合せ。
  3. 【請求項3】前記硬質粒子の平均粒径が5〜20μmであ
    る請求項1又は2記載のシリンダとピストンリングの組
    合せ。
  4. 【請求項4】前記窒化珪素(SixNy)被膜の厚さが1〜30
    μmであり、硬さがHv1500〜2500である請求項1〜3の
    いずれか1つに記載のシリンダとピストンリングの組合
    せ。
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