WO2007099968A1 - ピストンリング - Google Patents

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WO2007099968A1
WO2007099968A1 PCT/JP2007/053677 JP2007053677W WO2007099968A1 WO 2007099968 A1 WO2007099968 A1 WO 2007099968A1 JP 2007053677 W JP2007053677 W JP 2007053677W WO 2007099968 A1 WO2007099968 A1 WO 2007099968A1
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WO
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piston ring
copper
piston
based powder
heat
Prior art date
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PCT/JP2007/053677
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tomotaka Kariya
Hideshi Hitosugi
Makoto Tsuruta
Original Assignee
Nippon Piston Ring Co., Ltd.
Stt Inc.
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Publication date
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Priority to US12/280,904 priority patent/US8240676B2/en
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Priority to CN2007800053562A priority patent/CN101384841B/zh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring used in an internal combustion engine, and more particularly to a piston ring that can effectively prevent an aluminum adhesion (welding) phenomenon to the piston ring.
  • a reciprocating piston is provided with a pressure ring and an oil ring as a piston ring.
  • This pressure ring has a function to prevent the phenomenon (blow-by) that high-pressure combustion gas flows out to the combustion chamber side force crank chamber side.
  • the oil ring mainly has a function of suppressing a phenomenon (oil up) in which excess lubricating oil on the inner wall of the cylinder enters the combustion chamber side from the crank chamber side and is consumed.
  • a conventional standard piston ring combination there are known a combination of three piston rings, that is, two pressure rings and one oil ring that also have a top ring and a second ring force.
  • piston rings for internal combustion engines have been subjected to wear-resistant surface treatment such as nitriding treatment, ion plating treatment or hard chrome plating treatment as a means of improving the durability.
  • nitriding treatment in particular, exhibits excellent wear resistance, and thus has attracted attention as a surface treatment for piston rings used under severe operating conditions and is widely used.
  • the piston ring formed with the nitriding layer is excellent in wear resistance, but when mounted on an aluminum alloy piston, the ring groove wear of the piston tends to increase.
  • the aluminum of the groove lower surface 11 of the aluminum alloy piston 10 adheres to the lower surface 3 of the piston ring 1. Wearing occurs (Fig. L (c)).
  • Figs. 2 (a) to (c) are charts obtained by a stylus type surface roughness tester showing changes in the surface condition of the upper surface 2 and the lower surface 3 of the ring groove of the piston.
  • the piston The surface condition of the upper surface 2 and the lower surface 3 of the ring groove changes from the normal state (Fig. 2 (a)) to the rough piston groove state (Fig. 2 (b)) and the aluminum adhesion state (Fig. 2 (c)). Change.
  • the horizontal axis indicates the position of the piston, and the vertical axis indicates the undulation of the piston groove.
  • (F) indicates the front direction
  • (AT) indicates the anti-thrust direction
  • (R) indicates the rear direction
  • (T) indicates the thrust direction.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (c) show the aluminum adhesion mechanism, in which the lower surface 3 of the piston ring 1 and the groove lower surface 11 of the aluminum alloy piston 10 are formed on both surfaces, respectively. Then, contact is made via the oxide film 8 (0.2 / zm or less) (Fig. 3 (a)), and then the stress of the oxide film 8 at the contact portion is locally increased and the oxide film 8 is broken. As a result, Fe on the lower surface 3 of the piston ring 1 and A1 on the lower surface 11 of the groove 10 of the aluminum alloy piston 10 are joined (Fig. 3 (b)), and the aluminum alloy 20 is welded to the lower surface 3 of the piston ring 1 ( Figure 3 (c)).
  • Fig. 4 shows an enlarged view of the aluminum adhesion part. In Fig. 4, 20 indicates the deposited aluminum, and 21 indicates the joint between A1 and Fe.
  • the piston is treated with an anodized coating treatment, a plating treatment, or a matrix reinforcement treatment (in the piston).
  • anodized coating treatment for example, phosphate coating treatment and plating treatment are applied, or as shown in FIGS. 5 (a) and (b), the surfaces of the piston 10 and the piston ring 1 are lubricated.
  • Coating treatment 8 for example, Deflick (coating treatment manufactured by Kawamata Laboratories) is applied.
  • an abrasion-resistant treatment layer such as a nitride layer or a chromium plating layer is formed on the upper and lower surfaces or the lower surface of the piston ring, and the surface of the abrasion-resistant treatment layer is formed.
  • a piston ring with a polybenzimidazole resin film containing a solid lubricant see Patent Document 1.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-063266
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 10-246149
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 11-246823
  • Patent Document 1 discloses a surface coating made of polybenzoimidazole resin and a solid lubricant (C or MoS). Imidazole
  • the liquid resin When using a resin, the liquid resin may oxidize or deteriorate with time, so use with care. In addition, it may be difficult to stabilize the quality over a long period of time.
  • Patent Document 2 discloses a surface coating composed of polyamide imide resin, polyimide resin, and solid lubricant (Dalaphite, MoS WS, polytetrafluoroethylene).
  • Patent Document 3 discloses a surface coating consisting of polyamide imide resin, polyimide resin, MoS and acid antimony as solid lubricants.
  • Such a coating does not sufficiently prevent aluminum adhesion, and antimony oxide is harmful to the environment and is not preferred for use.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and a main object is to provide a piston ring capable of effectively preventing an aluminum adhesion phenomenon to the piston ring. Means for solving the problem
  • the present invention for solving the above problems includes a piston ring body, and a surface film formed on either the upper surface or the lower surface of the piston ring body, or on both the upper surface and the lower surface of the piston ring.
  • the surface film is composed of a heat-resistant resin and a copper-based powder contained in the heat-resistant resin, and covers the entire surface film.
  • the copper-based powder content is 20 to 80% by mass.
  • the copper-based powder may be pure copper, copper oxide, or copper alloy! /.
  • the shape of the copper-based powder may be a scale shape, and the average particle size thereof may be 8 to 12 ⁇ m.
  • the copper powder may have a specific surface area of 0.6 to 0.9 mm / g.
  • the area ratio force occupied by the copper-based powder on the surface of the surface film may be 6 to 74%.
  • the heat-resistant resin is a polyamide-imide resin.
  • the surface of the piston ring body on which the surface film is formed may be subjected to chemical conversion treatment.
  • the heat-resistant resin contains a solid lubricant having a kind of force selected from disulfurium molybdenum, disulfurium tungsten, and graphite.
  • the content of the lubricant relative to the entire coating may be 1 to 10% by mass.
  • the surface coating made of the heat-resistant resin and the copper-based powder is formed on one or both of the upper surface and the lower surface of the piston ring, so that one of the ring grooves of the aluminum alloy piston is formed. It can prevent that a part peels and adheres to a piston ring.
  • solid lubricant is used for the purpose of imparting lubricity to the surface of the piston ring body.
  • the present invention is characterized by forming a surface coating containing copper-based powder instead of a solid lubricant! / Speak.
  • the inventor of the present application pays attention to this problem, and in order to solve the problem, the lubricity is ensured by the heat-resistant resin constituting the surface coating, and the lubricity by the heat-resistant resin is improved for a longer time.
  • a copper-based powder was dispersed and blended in the surface film, and the copper-based powder provided wear resistance to the surface film.
  • the present invention has a different concept from the conventional one, and the copper-based powder in the present invention has a main role of imparting heat resistance and wear resistance in order to protect the surface film.
  • the surface of the piston ring can be provided with lubricity by the heat-resistant grease constituting the surface coating, and the surface of the piston ring can be formed by the copper-based powder. Since abrasion resistance can be imparted to the coating, the lubricity due to the heat-resistant resin can be allowed to function for a long time.
  • FIG. 1 is an explanatory view of an aluminum adhesion phenomenon
  • (a) is a perspective view of a piston
  • (b) is an enlarged perspective view of a ring groove and a piston ring of the piston
  • (c) is a view of the piston ring. It is an expansion perspective view which shows aluminum adhesion.
  • FIG. 2] (a) to (c) are views showing changes in the surface condition of the ring groove-like surface and the lower surface of the piston.
  • FIG. 3] (a) to (c) are cross-sectional views showing an aluminum adhesion mechanism.
  • FIG. 4 An enlarged view of an aluminum adhesion part.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional resin coating process.
  • FIG. 6 is a sectional view of the piston ring of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the upper surface of the piston ring shown in FIG. 6, and (b) is an enlarged front view of the upper surface of the piston ring shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional enlarged photograph of the piston ring of Example 24.
  • FIG. 9 is an enlarged photograph of the surface of the piston ring of Example 6.
  • FIG. 10 is a view showing a high-temperature valve seat wear tester.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the piston ring of the present invention.
  • FIG. 7A is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the upper surface of the piston ring shown in FIG. 6, and FIG. 7B is an enlarged front view of the upper surface of the piston ring shown in FIG.
  • the piston ring 60 of the present invention includes a piston ring body 61 and a surface coating 62 formed on one or both of the upper surface and the lower surface (both in FIG. 6). And is composed.
  • the material of the piston ring main body 61 of the present invention is not particularly limited, and any material can be used.
  • any material can be used.
  • the piston ring can be used not only for a top ring that functions as a so-called pressure ring, but also for a second ring that is the same pressure ring, and the present invention can also be applied to an oil ring.
  • the surface of the piston ring body 61 of the present invention has a surface comprising a heat-resistant resin 63 and a copper-based powder 64 contained in the heat-resistant resin 63. A film is formed It is.
  • the heat-resistant resin 63 is mainly intended to impart lubricity to the surface of the piston ring, while the copper-based powder 64 imparts wear resistance to the surface coating 62 contained therein. Therefore, it is intended to maintain the lubricity by the heat-resistant grease for a long time.
  • the heat-resistant resin 63 constituting the surface coating 62 of the present invention can withstand the environment (temperature) in which the piston ring is used, has lubricity, and will be described later. There is no particular limitation as long as it is capable of holding and fixing the powder. Specific examples include polyamideimide (PAI) resin and polyimide (PI) resin.
  • the copper-based powder 64 constituting the surface coating 62 of the present invention in addition to pure copper powder, various copper alloys such as copper oxide powder and various copper alloys (for example, brass alloys) can be used. System powder can be used.
  • the copper-based powder has a role of preventing the above-mentioned heat-resistant grease from being worn, but it must avoid attacking the piston ring groove which is the counterpart material, and has too much hardness. Don't be too expensive. From this viewpoint, pure copper or copper oxide is preferable as the material of the copper-based powder.
  • the shape of the copper-based powder 64 may be a regular shape such as a spherical shape or a polygonal shape, and may be an indefinite shape. However, as mentioned in the description of the material of the copper-based powder, it is necessary to avoid attacking the piston ring groove, which is the counterpart material, with the copper-based powder 64. From this viewpoint,
  • the polygonal shape is preferably a scaly shape as shown in FIG. By making the shape of the copper-based powder 64 scaly and arranging it so as to overlap in the thickness direction of the surface coating as shown in FIG. 7, it is possible to prevent the piston ring groove from being damaged.
  • the size thereof is not particularly limited.
  • the force average particle diameter is preferably 8 to 12 ⁇ m. This is because if the average particle size is less than 8 ⁇ m, the cost required to refine the copper-based powder increases, while if it exceeds 12 m, there is a risk of attacking the piston ring groove as the counterpart material.
  • the particle size of the scaly copper-based powder is the length of the symbol r shown in FIG. 7 (b) and means the length of the major axis of the scale.
  • the specific surface area of the copper-based powder 64 is preferably 0.6 to 0.9 mm 2 Zg.
  • the non-surface area is less than 0.6 mm 2 Zg, Adhesion between heat-resistant resin 63 and copper-based powder 64 may be poor (that is, copper-based powder may not be fixed by heat-resistant resin).
  • the specific surface area in the present invention means a surface area per lg of copper-based powder, and is a value measured by an air permeation method.
  • the heat-resistant resin 63 exhibits sufficient lubricating performance, and the copper
  • the content of the copper system powder 64 with respect to the entire surface coating 62 should be 20 to 80% by mass. It is particularly preferable that the content be 50% by mass. If the content of the copper-based powder is less than 20% by mass, reduction or disappearance due to friction of the surface film cannot be effectively prevented, and aluminum adhesion cannot be sufficiently prevented.
  • the content of the copper-based powder exceeds 80% by mass, the flexibility of the entire surface coating is reduced, and it becomes difficult to fix the copper-based powder by heat-resistant grease, and the copper-based powder is detached. There is a risk of it.
  • the heat-resistant resin 63 contains a solid lubricant of a kind selected from molybdenum disulfide, tungsten disulfide, and graphite.
  • a solid lubricant of a kind selected from molybdenum disulfide, tungsten disulfide, and graphite.
  • the content of the solid lubricant with respect to the entire surface coating 62 is preferably 1 to 10% by mass (in this case, if the content of the copper-based powder 64 is 20 to 80% by mass, (The remainder becomes heat-resistant grease.) O
  • a surface coating containing solid lubricant in addition to copper-based powder on the upper and lower surfaces of the piston ring, it is possible to achieve an initial The conformability and wear resistance can be improved, and as a result, the occurrence of aluminum adhesion can be prevented, and a piston ring having excellent durability can be provided.
  • the solid lubricant is uniformly distributed in the heat-resistant resin 63.
  • the area ratio (see Fig. 7 (b)) of the copper-based powder 64 on the surface of the surface coating 62 constituting the piston ring of the present invention is preferably 6 to 74%.
  • the area ratio is By limiting to the range, the balance between the heat-resistant resin 63 and the copper-based powder 64 is improved, and the respective effects can be sufficiently exhibited.
  • the method for forming the surface coating 62 in the present invention is not particularly limited.
  • the above-described copper-based powder 64 is contained in a polyamide-imide resin as a heat-resistant resin, and this is applied by spray coating or immersion coating. Alternatively, it may be applied to the surface of the piston ring body 61 by electrostatic coating or the like. Further, the surface coating 62 may be subjected to post-treatment such as heating and baking as necessary.
  • the thickness of the surface film in the present invention formed by such a method is preferably about 3 to 20 ⁇ m, for example.
  • the surface of the piston ring body 61 on which the surface coating 62 is formed may be subjected to a chemical conversion treatment as a pretreatment.
  • the chemical conversion treatment include a phosphate treatment, more specifically, a manganese phosphate treatment.
  • a member corresponding to the piston ring body was prepared using the following two types of materials. • 10Cr3 ⁇ 4 "-" C: 0.5% by mass, Si: 0.2% by mass, Mn: 0.3% by mass, P: 0.02% by mass, S: 0.01% by mass, Cr: 10.2 % By mass, balance is Fe and inevitable impurities (Examples 1 to 23, Comparative Examples 1 to 38)
  • Polyamideimide resin is used as the heat-resistant resin on both the upper surface and the lower surface of the two types of material force, and a powder made of scaly copper powder (purity 99.5%) is used as the copper-based powder.
  • a surface film having a thickness of 10 / zm was formed by spraying.
  • the average particle size of the scaly copper powder used was 9 m, and the amount of copper powder added to the entire surface coating was different. These are shown in Tables 1 and 2.
  • molybdenum disulfide, tantalite disulfide, and graphite are added as solid lubricants, and the addition amounts thereof are as shown in Tables 1 and 2, respectively.
  • a surface film containing a polyamidoimide resin containing graphite was formed to a thickness of 5 ⁇ m.
  • the average particle size of the added solid lubricant is 1 to 7 / ⁇ ⁇ .
  • the composite resin layer is the surface coating 62 shown in FIGS.
  • ⁇ indicates the heat-resistant resin layer 63 made of polyamideimide resin
  • Cu indicates the copper-based powder 64.
  • the sliding tapping test refers to a piston ring test piece in which the piston material 103 is fixed to the testing machine 101 so as not to move in the axial direction, the piston ring test piece 102 is mounted on the piston material 103 concentrically.
  • This test is performed by reciprocating a pig iron circular rod 105 provided on the inner surface side of 102 in the axial direction, and is a test method in which an operation mode is given in which the piston member 103 is struck while rotating the piston ring test piece 102.
  • the test machine 101 has a heater 104 for heating the test material, which can reproduce the high temperature state during combustion in the engine without actually burning the fuel, and simulates the change in the state of the piston material. Can do.
  • Example 1 46 shown in Table 12 As is apparent from a comparison between Example 1 46 shown in Table 12 and Comparative Example 77 86 of the prior art, no aluminum adhesion is observed in the piston ring test piece of the Example of the present invention. Further, as is apparent from a comparison between Example 110 and Comparative Example 14, aluminum adhesion occurs when the addition amount of the copper-based powder is 15%. In addition, when the amount of copper-based powder added is 90%, aluminum adhesion does not occur. It is difficult to say that it is the same as Comparative Example 5 as a technique. Also from this result, it can be seen that the loading amount of the copper-based powder is preferably 20 to 80%.

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Abstract

　ピストンリングへのアルミニウム凝着現象を効果的に防止しうるピストンリングを提供すること。 　ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリングの上面と下面の両方に形成される表面皮膜とからなるピストンリングにおいて、前記表面皮膜を耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された銅粉体とから構成する。

Description

明 細 書
ピストンリング 技術分野
[0001] 本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関し、特に、ピストンリングへのアル ミニゥム凝着 (溶着)現象を効果的に防止しうるピストンリングに関する。
背景技術
[0002] 一般に往復動のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着 される。この圧力リングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側力 クランク室側へ流出する 現象 (ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁 の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象 (オイルアツ プ)の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとして は、トップリングおよびセカンドリング力もなる 2本の圧力リングと 1本のオイルリングと の計 3本のピストンリングの組合せが知られて 、る。
[0003] 近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が益 々高まってきている。従来、内燃機関用ピストンリングにはその耐久性を改善する手 段として摺動面に窒化処理やイオンプレーティング処理あるいは硬質クロムめつき処 理等の耐摩耗表面処理が施されて ヽる。
[0004] これらの表面処理のうちで特に窒化処理は優れた耐摩耗性を示すことから苛酷な 運転条件の下で使用されるピストンリングの表面処理として注目され広く利用に供さ れている。
[0005] し力しながら、窒化処理層を形成したピストンリングは耐摩耗性には優れているもの の、アルミ合金製ピストンに装着した場合、ピストンのリング溝摩耗が増大する傾向が あった。また、ピストンのリング溝摩耗に起因して、図 l (a)〜（c)に示すように、ピスト ンリング 1の下面 3にアルミ合金製ピストン 10の溝下面 11のアルミニウムが凝着する アルミ凝着が生ずる（図 l (c) )。
[0006] 図 2 (a)〜（c)にピストンのリング溝の上面 2および下面 3の表面状態の変化の様子 を現わす触針式表面荒さ試験機によるチャートを示す。図 2に示すように、ピストンの リング溝の上面 2および下面 3の表面状態は、正常状態（図 2 (a) )から、ピストン溝荒 れ状態 (図 2 (b) )、アルミ凝着状態 (図 2 (c) )へと変化する。
[0007] なお、図 2 (a)〜（c)いずれにおいても、横軸はピストンの位置を示しており、縦軸は ピストン溝のうねりを示している。図中の（F)はフロント方向、（AT)はアンチスラスト方 向、（R)はリア方向、（T)はスラスト方向を示している。
[0008] また、図 3 (a)〜（c)は、アルミ凝着メカニズムを示し、ピストンリング 1の下面 3とアル ミ合金製ピストン 10の溝下面 11とが、双方の表面にそれぞれ形成された酸ィ匕膜 8 (0 . 2 /z m以下)を介して接触し（図 3 (a) )、次いで、接触部分の酸化膜 8の応力が局部 的に高くなり酸ィ匕膜 8が破壊されて、ピストンリング 1の下面 3の Feとアルミ合金製ビス トン 10の溝下面 11の A1とが接合され（図 3 (b) )、アルミニウム合金 20がピストンリング 1の下面 3に溶着する（図 3 (c) )。なお、アルミ凝着部分の拡大図を図 4に示す。図 4 において、 20は凝着したアルミニウムを示し、 21は A1と Feとの接合部を示す。
[0009] 上述したように、ピストンリングの上下運動に伴い、ピストンの溝の一定部分にこの 溶着現象に起因する局部的摩耗 (ピストン溝荒れともいう。）が発生すると、内燃機関 はブローバイガスの吹き抜けによりシール性が低下し、出力が低下する。この現象は ピストンのリング溝の下側に短時間で発生し、内燃機関の耐久性に大きな影響を与 えるため、従来力 多くのピストン溝摩耗対策が提案されている。
[0010] 例えば、ピストン溝摩耗対策として、ピストンとピストンリングとの直接接触を防止す るため、ピストンへの対策としては陽極酸ィ匕被膜処理、メツキ処理あるいはマトリックス 強化処理 (ピストン中）を施し、またピストンリングへの対策としては、リン酸塩被膜処 理、メツキ処理を施したり、あるいは図 5 (a)および (b)に示すように、ピストン 10とビス トンリング 1の表面に榭脂コーティング処理 8 (例えば、デフリック（(株)川邑研究所製 コーティング処理)を施したりしている。
[0011] また、前記問題を解消するために、ピストンリングの上面および下面、または下面に 、窒化層またはクロムメツキ層等の耐摩耗性処理層を形成し、かつ該耐摩耗性処理 層の表面に固体潤滑材を含有するポリべンゾイミダゾール榭脂被膜を形成したピスト ンリングを開発して ヽる (特許文献 1参照)。
[0012] さらに、本願出願人以外にあっても、固体潤滑材を含有する耐熱樹脂によりその表 面が被覆されたピストンリングが開発されている（例えば、特許文献 2、 3参照） 特許文献 1 :特開平 07— 063266号公報
特許文献 2：特開平 10— 246149号公報
特許文献 3：特開平 11― 246823号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] し力しながら、上述した従来のピストン溝摩耗対策は、ピストン使用時の初期段階に おけるアルミニウム凝着防止の効果はあるものの、中、長期的な寿命が不充分であり
、さらなる耐久性の向上が望まれている。
[0014] より具体的には、例えば、前記特許文献 1には、ポリべンゾイミダゾール榭脂と固体 潤滑材 (Cや MoS )とからなる表面被膜が開示されているが、ポリべンゾイミダゾール
2
榭脂は皮膜形成の際、液状樹脂が酸化しやすぐ経時変化による劣化があり使用に 注意を要する。また、長期間にわたって品質を安定させることが困難な場合がある。
[0015] また、前記特許文献 2には、ポリアミドイミド榭脂やポリイミド榭脂と固体潤滑材 (ダラ ファイト、 MoS WS、ポリテトラフルォロエチレン）とからなる表面被膜が開示されて
2、 2
いるが、このような表面被膜では、アルミ凝着を十分に防止することはできず、またコ スト高が問題となる。
[0016] さらに、前記特許文献 3には、ポリアミドイミド榭脂やポリイミド榭脂と固体潤滑材とし ての MoSと酸ィ匕アンチモンと力 なる表面被膜が開示されている力 やはりこのよう
2
な被膜ではアルミ凝着を十分に防止することができず、また、酸ィ匕アンチモンは環境 に有害であり、使用することは好ましくない。
[0017] 本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ピストンリングへのアルミ-ゥ ム凝着現象を効果的に防止しうるピストンリングを提供することを主たる課題とする。 課題を解決するための手段
[0018] 上記課題を解決するための本発明は、ピストンリング本体と、該ピストンリング本体 の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリングの上面と下面の両方に形 成される表面皮膜とからなるピストンリングであって、前記表面皮膜は、耐熱樹脂と該 耐熱榭脂中に含有された銅系粉末とから構成され、かつ、前記表面被膜全体に対 する銅系粉末の含有率が 20〜80質量％であることを特徴とする。
[0019] また、前記ピストンリングにおいては、前記銅系粉末が、純銅、酸化銅、または銅合 金の何れかであってもよ！/、。
[0020] また、前記ピストンリングにお 、ては、前記銅系粉末の形状が、鱗片形状であり、そ の平均粒径が 8〜 12 μ mであってもよい。
[0021] また、前記ピストンリングにおいては、前記銅系粉末の比表面積が、 0. 6〜0. 9m m / gでめってもよい。
[0022] また、前記ピストンリングにおいては、前記表面皮膜の表面における銅系粉末が占 める面積比率力 6〜74%であってもよい。
[0023] また、前記ピストンリングにお ヽては、前記耐熱榭脂がポリアミドイミド榭脂であって ちょい。
[0024] また、前記ピストンリングにお 、ては、前記ピストンリング本体における前記表面被 膜が形成される面には、化成処理が施されて ヽてもよ ヽ。
[0025] また、前記ピストンリングにおいては、耐熱榭脂中には、二硫ィ匕モリブデン、二硫ィ匕 タングステン、グラフアイトから選択された一種力もなる固体潤滑材が含有されており 、前記表面被膜全体に対する当該潤滑材の含有率が 1〜10質量％であってもよい。 発明の効果
[0026] 本発明によれば、ピストンリングの上面または下面の一方、または双方に耐熱榭脂 と銅系粉末からなる表面被膜が形成されて 、るので、アルミニウム合金製ピストンのリ ング溝の一部が剥離してピストンリングに付着することを防止することができる。
[0027] 前述したピストンリング溝摩耗対策、言!、換えればアルミ凝着防止策 (従来技術の 欄参照）にあっては、ピストンリング本体の表面に潤滑性を付与する目的で固体潤滑 材を含有する表面被膜を形成しているのに対し、本発明は、固体潤滑材ではなく銅 系粉末を含有する表面被膜を形成して!/ヽる点に特徴を有して！/ヽる。
[0028] 従来は、ピストンリング溝の摩耗をできるだけ少なくするための方策として、ピストンリ ングの表面の潤滑性を向上せしめることに着目している。このことは、ピストンリングの 表面の潤滑性を向上すれば、その分だけピストンリングのピストンリング溝に対する攻 撃性を低減することができ、その結果ピストンリング溝の摩耗を防止することができる だろう。
[0029] し力しながら、この方策では、潤滑性に寄与する表面被膜が十分に存在して 、る初 期段階では問題は生じないが、長時間が経過した後にあっては、表面被膜自体が摩 耗し剥離する可能性が高ぐ摩耗や剥離した後には、もはや潤滑性がなくなり、露出 したピストンリング本体によりピストンリング溝の摩耗が発生してしまうこととなる。
[0030] 本願発明者はこの問題に着目し、当該問題を解決するために、表面被膜を構成す る耐熱榭脂により潤滑性を確保するとともに、当該耐熱榭脂による潤滑性をより長時 間保持するために、表面皮膜中に銅系粉末を分散配合せしめ、当該銅系粉末により 表面皮膜に耐摩耗性を付与することを想到した。つまり、本発明は従来とは着想を異 にしており、本発明における銅系粉末は、表面皮膜を保護するため、耐熱耐摩耗性 を付与することを主たる役割として 、るのである。
[0031] このような本発明によれば、表面皮膜を構成する耐熱榭脂によりピストンリングの表 面に潤滑性を付与することができるとともに、銅系粉末によりピストンリング表面に形 成された表面皮膜に耐摩耗性を付与することができるので、前記耐熱榭脂による潤 滑性を長時間にわたって機能せしめることができる。
図面の簡単な説明
[0032] [図 1]アルミ凝着現象の説明図であり、（a)はピストンの斜視図、（b)はピストンのリング 溝およびピストンリングの拡大斜視図、（c)はピストンリングへのアルミ凝着を示す拡 大斜視図である。
[図 2] (a)〜（c)は、ピストンのリング溝の状面および下面の表面状態の変化の様子を 示す図である。
[図 3] (a)〜（c)は、アルミ凝着メカニズムを示す断面図である。
[図 4]アルミ凝着部分の拡大図である。
[図 5]従来の榭脂コーティング処理を示す断面図である。
[図 6]本発明のピストンリングの断面図である。
[図 7] (a)は、図 6に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、（b)は図 6 に示すピストンリングの上表面の拡大正面図である。
[図 8]実施例 24のピストンリングの断面拡大写真である。 [図 9]実施例 6のピストンリングの表面拡大写真である。
[図 10]高温弁座摩耗試験機を示す図である。
符号の説明
[0033] 1、 60· ··ピストンリング
2…ピストン溝上面
3…ピストン溝下面
10· "ピストン
61…ピストンリング本体
62…表面被膜
63…耐熱榭脂
64…銅系粉末
発明を実施するための最良の形態
[0034] 以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。
[0035] 図 6は、本発明のピストンリングの断面図である。
[0036] 図 7 (a)は、図 6に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、 (b)は図 6 に示すピストンリングの上表面の拡大正面図である。
[0037] 図 6に示すように、本発明のピストンリング 60は、ピストンリング本体 61と、その上面 または下面の一方、またはその両方（図 6にあっては両方）に形成された表面皮膜 62 とカゝら構成されている。
[0038] 本発明のピストンリング本体 61の材質については、特に限定されることはなくいかな る材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール (鋼材)を用い ること力 Sでき、またステンレスま岡としては、 SUS440, SUS410, SUS304等、ある!/ヽ は 8Cr鋼、 lOCr鋼、 SWOSC— V、 SWRH材などを用いることができる。また、ピスト ンリングの種類としては、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同 じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発 明は適用可能である。
[0039] 図 6および図 7に示すように、このような本発明のピストンリング本体 61の表面には、 耐熱榭脂 63と該耐熱榭脂 63に含有された銅系粉末 64とからなる表面被膜が形成さ れている。
[0040] 耐熱榭脂 63は、主にピストンリング表面に潤滑性を付与することを目的としており、 一方で銅系粉末 64は、これが含有せしめられる表面被膜 62に耐摩耗性を付与し、 これにより前記耐熱榭脂による潤滑性を長時間保持することを目的としている。
[0041] 本発明の表面被膜 62を構成する耐熱榭脂 63としては、当該ピストンリングが用いら れる環境 (温度）に耐え得ることができ、かつ潤滑性を有しており、後述する銅系粉末 を保持固定することができる榭脂であれば特に限定されることはない。具体的には、 ポリアミドイミド (PAI)榭脂ゃポリイミド (PI)榭脂などを挙げることができる。
[0042] 一方、本発明の表面被膜 62を構成する銅系粉末 64にあっては、純粋な銅の粉末 の他、酸化銅の粉末や各種銅合金 (例えば、黄銅合金)など、種々の銅系粉末を用 いることができる。しかしながら、本発明において、銅系粉末は、前述の耐熱榭脂が 摩耗するのを防止する役目がある一方で、相手材であるピストンリング溝を攻撃する ことは避けなければならず、あまり硬度が高すぎてはならない。このような観点力もす ると、銅系粉末の材質としては純銅や酸化銅が好ましい。
[0043] このような銅系粉末 64の形状については、本発明は特に限定することはなぐ球形 状や多角形状のような定形状であっても、不定形状であってもよい。しかしながら、前 記銅系粉末の材質の説明にお 、ても言及したように、銅系粉末 64によって相手材で あるピストンリング溝を攻撃することは避けなければならず、このような観点からすると 、多角形状であることは好ましくなぐ図 7に示すような鱗片状であることが好ましい。 銅系粉末 64の形状を鱗片状とし、図 7に示すように、表面被膜の厚さ方向に重ねる ように配置することにより、ピストンリング溝が傷つくことを防止することができる。
[0044] 銅系粉末 64を鱗片状とした場合において、その大きさは特に限定することはない 力 平均粒径を 8〜12 μ mとすることが好ましい。平均粒径を 8 μ m未満とすると、銅 系粉末の微細化に必要なコストが高くなり、一方 12 mより大きくすると、相手材とな るピストンリング溝を攻撃するおそれがあるからである。なお、鱗片状の銅系粉末の粒 径とは、図 7 (b)に示す符号 rの長さであり、鱗片の長軸の長さを意味する。
[0045] また、銅系粉末 64を鱗片状とした場合において、当該銅系粉末 64の比表面積は、 0. 6〜0. 9mm2Zgであることが好ましい。非表面積が 0. 6mm2Zg未満であると、 耐熱榭脂 63と銅系粉末 64との密着性が不良となる場合があり（つまり、銅系粉末が 耐熱榭脂により固定されない場合が生じる）、一方 0. 9mm2Zgより大きいと銅系粉 末 64が大きすぎ、相手材であるピストンリング溝を攻撃する可能性が生じる。なお、 本発明における比表面積とは、銅系粉末 lg当たりの表面積を意味し、空気透過法に より測定した値である。
[0046] 本発明のピストンリングを構成する表面被膜 62において、前記耐熱榭脂 63に対す る前記銅系粉末 64の含有率については、耐熱榭脂 63が潤滑性能を十分に発揮し、 かつ銅系粉末 64が耐摩擦性能を十分に発揮できる程度のバランスで適宜設定する ことができるが、具体的には、表面被膜 62全体に対する銅系粉末 64の含有率を 20 〜80質量％とすることが好ましぐ 50質量％とすることが特に好ましい。銅系粉末の 含有率が 20質量％未満では、表面被膜の摩擦による減少'消滅を効果的に防止す ることができず、またアルミ凝着を十分に防止することができない。一方で銅系粉末の 含有率が 80質量％を超えると、表面被膜全体としてのフレキシブル性が低下すると ともに、耐熱榭脂により銅系粉末を固定することが困難となり、銅系粉末が脱離してし まうおそれがある。
[0047] 前記耐熱榭脂 63中には、二硫ィ匕モリブデン、二硫化タングステン、グラフアイトから 選択された一種力 なる固体潤滑材を含有させることが好ましい。このように、微量の 固体潤滑材等を添加することで、アルミニウム凝着の初期なじみを向上させることが できる。具体的な含有量としては、表面被膜全体 62に対する固体潤滑材の含有量を 1〜10質量％とすることが好ましい（この場合、銅系粉末 64の含有量が 20〜80質量 %とすると、その残部が耐熱榭脂となる。 ) o銅系粉末に加え固体潤滑材が含有され た表面被膜をピストンリングの上下面に形成することにより、アルミニウム材カもなるピ ストン材とのとの初期なじみ性、耐摩耗性を向上することができ、その結果、アルミ- ゥム凝着の発生を防止し、耐久性に優れたピストンリングを提供することができる。図 7には示して ヽな ヽが、固体潤滑材は耐熱榭脂 63中に均一に分布されることが好ま しい。
[0048] 本発明のピストンリングを構成する表面皮膜 62の表面における銅系粉末 64がしめ る面積比率（図 7 (b)参照）は、 6〜74%であることが好ましい。当該面積比率をこの 範囲内に限定することによって、耐熱榭脂 63と銅系粉末 64とのバランスが良好となり 、それぞれの効果を十分に発揮することができる。
[0049] 本発明における表面被膜 62の形成方法については特に限定することはなぐ例え ば、前述の銅系粉末 64を耐熱榭脂としてのポリアミドイミド榭脂に含有せしめ、これを スプレー塗装、浸漬塗装、静電塗装などによりピストンリング本体 61の表面に塗布し てもよい。また、当該表面被膜 62は必要に応じて加熱焼成等の後処理を行ってもよ い。
[0050] このような方法で形成された本発明における表面被膜の厚さにっ 、ては、例えば 3 〜20 μ m程度とすることが好ましい。
[0051] また、表面被膜 62を形成する前の段階で、ピストンリング本体 61における表面被膜 62が形成される表面に対し、前処理としての化成処理を施してもよい。化成処理とし ては、例えば、リン酸塩処理、より具体的にはリン酸マンガン処理等を挙げることがで きる。リン酸塩処理を行うことにより、ピストンリング本体 61の表面と表面被膜 62との密 着性を向上せしめることができる。
実施例
[0052] 本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。
[0053] (実施例 1〜46、比較例 1〜86)
以下に示す 2種類の材料を用いてピストンリング本体に相当する部材を用意した。 •10Cr¾"- "C : 0. 5質量％、 Si: 0. 2質量％、 Mn: 0. 3質量％、 P : 0. 02質量％、 S : 0. 01質量％、Cr: 10. 2質量％、残部は Feおよび不可避不純物（実施例 1〜23 、比較例 1〜38)
•JIS SWOSC—V材相当材 " *じ：0. 55質量％、 Si: l. 4質量％、 Mn: 0. 6質量 %、 P : 0. 02質量％、 S : 0. 02質量％、 Cr: 0. 65質量％、 Cu: 0. 08質量％、残部 は Feおよび不可避不純物（実施例 24〜46、比較例 39〜86)
前記 2種類の材料力もなる部材の上面と下面の両方に、耐熱榭脂としてポリアミドィ ミド榭脂を用い、銅系粉末として鱗片状の銅粉 (純度 99. 5%)からなる粉末を用い、 スプレー法にて、厚さ 10 /z mの表面皮膜を形成した。なお、用いた鱗片状の銅系粉 末の平均粒径は 9 mであり、表面被膜全体に対する銅系粉末の添加量は、それぞ れ表 1、 2に示す通りである。また、固体潤滑材として、二硫化モリブデン、二硫化タン ダステン、グラフアイトを添加した実施例もあり、これらの添加量は、それぞれ表 1、 2 に示す通りである。また、部材として JIS SWOSC— V材相当材を用いた場合にあつ ては、表面被膜を形成する面にリン酸マンガン系化成処理を行った (表 2参照)。この ようにして形成された各ピストンリング試験片を、実施例 1〜46および比較例 1〜76と する（表 1、 2参照）。また、比較例 77〜86として、部材として JIS SWOSC— V材相 当材を用い、この上面と下面の両方に、従来力 用いられている MoS、 WS、もしく
2 2 はグラフアイトを含有するポリアミドイミド榭脂を含む表面被膜を 5 μ mの厚さで形成し た。なお、添カ卩した固体潤滑材の平均粒径は 1〜7 /ζ πιである。
[0054] 実施例 24のピストンリング試験片の断面拡大写真、および表面拡大写真を撮影し た。その結果を図 8および図 9に示す。
[0055] 図 8中、複合榭脂層は図 6、 7に示す表面被膜 62である。図 8中、 ΡΑΙがポリアミドィ ミド榭脂からなる耐熱榭脂層 63を示し、図 8中、 Cuは銅系粉末 64を示す。
[0056] また、実施例 1〜46および比較例 1〜86それぞれの試験片に対し、すべりたたき 試験を行った。
[0057] この試験は、図 10に示す高温弁座摩耗試験機 101を使用して行った。試験条件 は、ストローク: 4mm、繰り返し速度： 500回 Z分、リング回転数： 3rpm、試験時間： 7 時間、ピストンの温度：約 250°C、ピストンの材質：アルミニウム合金 (AC8A)、とした
[0058] なお、すべりたたき試験とは、ピストン材 103を試験機 101に対して軸方向移動不 能に固定し、ピストンリング試験片 102をピストン材 103に同心円上に装着し、ピスト ンリング試験片 102の内局面側に備わっている铸鉄製円棒 105を軸方向に往復させ て行う試験であり、ピストンリング試験片 102を回転しつつピストン材 103をたたく動作 モードを付与した試験方法である。試験機 101は、被験材加熱用のヒータ 104を有し ており、実際に燃料を燃焼させずともエンジン内の燃焼時の高温状態を再現すること ができ、ピストン材の状態変化を模すことができる。
[0059] 当該試験によりピストン側の摩耗量とピストンリング側の摩耗量を評価した。なお、 摩耗量は表面粗さ計にて段差を測定し、比較例 5の摩耗量を 100とした場合におけ るそれぞれの摩耗量を算出した。
[0060] 評価結果を以下の表 1 2に示す。
[0061] [表 1]
Figure imgf000013_0001
[0062] [表 2]
Figure imgf000014_0001
表 1 2に示す実施例 1 46と従来技術である比較例 77 86を比較すれば明らか なように、本願発明の実施例のピストンリング試験片にはアルミ凝着がみられない。ま た、実施例 1 10と比較例 1 4とを比較すれば明らかなように、銅系粉末の添加量 が 15%ではアルミ凝着が発生している。また、銅系粉末の添カ卩量が 90%ではアルミ 凝着は発生しないが、銅系粉末の影響が大きくなるため、ピストンの摩耗量が従来技 術としての比較例 5と変わりなく好ましいとは言い難い。この結果からも、銅系粉末の 添力卩量は 20〜80%であることが好ましいことが分かる。

Claims

請求の範囲
[1] ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、また は該ピストンリングの上面と下面の両方に形成される表面皮膜とからなるピストンリン グであって、前記表面皮膜は、耐熱樹脂と該耐熱樹脂中に含有された銅系粉末とか ら構成され、かつ、前記表面被膜全体に対する銅系粉末の含有率が 20〜80質量％ であることを特徴とするピストンリング。
[2] 前記銅系粉末が、純銅、酸化銅、または銅合金の何れかであることを特徴とする請 求項 1に記載のピストンリング。
[3] 前記銅系粉末の形状が、鱗片形状であり、その平均粒径が 8〜12 mであることを 特徴とする請求項 1または 2に記載のピストンリング。
[4] 前記銅系粉末の比表面積が、 0. 6〜0. 9mm2Zgであることを特徴とする請求項 3 に記載のピストンリング。
[5] 前記表面皮膜の表面における銅系粉末が占める面積比率が、 6〜74%であること を特徴とする請求項 1〜4の何れか一の請求項に記載のピストンリング。
[6] 前記耐熱樹脂がポリアミドイミド榭脂であることを特徴とする請求項 1〜5の何れか 一の請求項に記載のピストンリング。
[7] 前記ピストンリング本体における前記表面被膜が形成される面には、化成処理が施 されていることを特徴とする請求項 1〜6の何れか一の請求項に記載のピストンリング
[8] 前記耐熱榭脂中には、二硫ィ匕モリブデン、二硫化タングステン、グラフアイトから選 択された一種カゝらなる固体潤滑材が含有されており、前記表面被膜全体に対する当 該潤滑材の含有率が 2〜10質量％であることを特徴とする請求項 1〜7の何れか一 の請求項に記載のピストンリング。
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