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JP5864016B2 - Compression ring for internal combustion engine - Google Patents

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JP5864016B2
JP5864016B2 JP2015116963A JP2015116963A JP5864016B2 JP 5864016 B2 JP5864016 B2 JP 5864016B2 JP 2015116963 A JP2015116963 A JP 2015116963A JP 2015116963 A JP2015116963 A JP 2015116963A JP 5864016 B2 JP5864016 B2 JP 5864016B2
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Description

本発明は、内燃機関用コンプレッションリングに関する。   The present invention relates to a compression ring for an internal combustion engine.

従来、エンジン等の内燃機関においては、長時間の運転に伴ってエンジンオイルが加熱され、ブローバイガスに曝されることにより、エンジンオイル中に炭化水素の未燃焼生成物やオイル添加剤の変性物が混在する状態となる。また、ディーゼルエンジンでは、エンジンオイル中にカーボンの微粒子も混在する状態となる。一般に、このような未燃焼生成物、オイル添加剤変性物及びカーボン微粒子を総じて「オイルスラッジ」という。   2. Description of the Related Art Conventionally, in internal combustion engines such as engines, engine oil is heated with long-time operation and exposed to blow-by gas, so that unburned products of hydrocarbons and modified products of oil additives in engine oil. Will be mixed. In a diesel engine, carbon fine particles are also mixed in the engine oil. In general, such unburned products, modified oil additives and fine carbon particles are generally referred to as “oil sludge”.

このオイルスラッジがピストンリングの一部であるコンプレッションリング、特にそのピストン対向面である内周側に堆積および固着すると(図1参照)、コンプレッションリングの運動性が損なわれ、ブローバイガスが増加することで、燃費や出力量が低下する等のエンジン機能の低下を招くことがある。   If this oil sludge accumulates and adheres to the compression ring that is a part of the piston ring, especially the inner peripheral side that is the piston facing surface (see FIG. 1), the movement of the compression ring is impaired and blow-by gas increases. As a result, the engine function may be degraded, such as a reduction in fuel consumption or output.

特に、ディーゼル機関や筒内圧が高い内燃機関においては、オイルスラッジによってコンプレッションリングの運動性が損なわれないように、コンプレッションリングの断面形状を、矩形形状からキーストン形状(図2参照)にすることが行われている。   In particular, in a diesel engine or an internal combustion engine with a high in-cylinder pressure, the compression ring cross-sectional shape may be changed from a rectangular shape to a keystone shape (see FIG. 2) so that the mobility of the compression ring is not impaired by oil sludge. Has been done.

また、特許文献1には、コンプレッションリングへのオイルの固着を抑制しつつも、ガスシール性能及びオイル消費性能を改善するべく、矩形の断面形状を有するコンプレッションリングの上面の傾斜角を該リング周方向で変動させる技術が開示されている。   In addition, Patent Document 1 discloses the inclination angle of the upper surface of a compression ring having a rectangular cross-sectional shape in order to improve gas sealing performance and oil consumption performance while suppressing oil sticking to the compression ring. A technique for varying the direction is disclosed.

特開2004−197857号公報JP 2004-197857 A

コンプレッションリングにおいては、その断面をキーストン形状にしたり、さらには、特許文献1に記載されるような形状変更を行うことによってオイルスラッジの付着を抑制する一定の効果が認められている。しかしながら、近年、エンジンは苛酷な使用状況下、例えば高温域にて高回転で使用されており、かような環境においても、コンプレッションリングに対するオイルスラッジの付着を確実に抑制し得る手段を提供することが希求されている。   In the compression ring, a certain effect of suppressing the adhesion of oil sludge is recognized by making its cross section into a keystone shape, or by changing the shape as described in Patent Document 1. However, in recent years, engines have been used at high speeds, for example, in high temperature ranges under severe usage conditions, and even in such an environment, it is possible to provide a means that can reliably prevent oil sludge from adhering to the compression ring. Is sought after.

そこで、本発明では、コンプレッションリングに対するオイルスラッジの付着を従来に比しより確実に抑制し得る、内燃機関用コンプレッションリングを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a compression ring for an internal combustion engine that can more reliably suppress the adhesion of oil sludge to the compression ring as compared with the conventional case.

発明者は、前記課題を解決する手段について鋭意究明したところ、固体及び液体の表面自由エネルギーについて水素結合成分以外の構成成分についても検討した結果、分散成分、極性成分及び水素結合成分の構成成分ごとの凝集エネルギー密度をもって、固体(コンプレッションリング)及び液体(エンジンオイル)間の付着し難さを評価できることを知見した。   The inventor diligently investigated the means for solving the above problems, and as a result of examining the constituent components other than the hydrogen bonding component with respect to the surface free energy of the solid and the liquid, the constituent components of the dispersed component, the polar component, and the hydrogen bonding component were determined. It was found that the difficulty of adhesion between a solid (compression ring) and a liquid (engine oil) can be evaluated with a cohesive energy density of.

そこで、表面自由エネルギーの構成成分ごとの凝集エネルギー密度について言及している、Hansenにより定義されたHSP値を応用することに想到した。このHansenのHSP値では、物質同士の接着性や相溶性を評価するにあたり、液体同士又は液体/樹脂間での分散成分、極性成分、水素結合成分の差を用いることは成功しているが、今回は、金属を含む固体・液体間、とりわけ金属製の母材からなることの多いコンプレッションリングと複雑な成分組成になるエンジンオイルとの関係を新たに構築することによって、本発明を導くに到った。   Then, it came to the idea to apply the HSP value defined by Hansen that refers to the cohesive energy density for each component of the surface free energy. In this Hansen's HSP value, in evaluating the adhesion and compatibility between substances, it has been successful to use the difference in dispersion component, polar component, and hydrogen bonding component between liquids or between liquid / resin, This time, the present invention will be led by building a new relationship between a solid-liquid containing metal, especially a compression ring, which is often made of a metal base material, and an engine oil with a complex composition. It was.

本発明の要旨は、以下のとおりである。
(1)本発明の内燃機関用コンプレッションリングは、該コンプレッションリング(PTFEを除く)の外表面を構成する基材表面の少なくとも一部における、80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd1,δp1,δh1とし、エンジンオイルの80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd2,δp2,δh2(δd2=38.9,δp2=13.6,δh2=0.0)としたとき、下記式Aにて定義されるεが8以上であることを特徴とする。
[式A]
The gist of the present invention is as follows.
(1) The compression ring for an internal combustion engine of the present invention has a surface free energy (unit area (mJ / m) at 80 ° C. in at least a part of the substrate surface constituting the outer surface of the compression ring (excluding PTFE). 2 ) Dispersion component, polar component, and hydrogen bond component constituting δ) are δ d1 , δ p1 , and δ h1 respectively, and the surface free energy (per unit area (mJ / m 2 )) of engine oil at 80 ° C. When the dispersive component, the polar component, and the hydrogen bond component are δ d2 , δ p2 , δ h2d2 = 38.9, δ p2 = 13.6, δ h2 = 0.0), respectively, the following formula A Ε defined by the above is 8 or more.
[Formula A]

かかる構成の内燃機関用コンプレッションリングによれば、オイルスラッジの付着を従来に比しより確実に抑制し得るコンプレッションリングを提供することができる。   According to the compression ring for an internal combustion engine having such a configuration, it is possible to provide a compression ring that can more reliably suppress the adhesion of oil sludge as compared with the conventional one.

なお、本発明における「表面自由エネルギー」とは、拡張Fowkes式に従う分子間力からなる極性成分、分散成分及び水素結合成分の総和である。   The “surface free energy” in the present invention is the total sum of a polar component, a dispersive component and a hydrogen bond component consisting of intermolecular forces according to the extended Fowkes equation.

(2)本発明の内燃機関用コンプレッションリングでは、前記基材表面に表面処理を施してなることが好ましい。 (2) In the compression ring for internal combustion engines of this invention, it is preferable to surface-treat the said base material surface.

(3)本発明の内燃機関用コンプレッションリングにおいて、前記基材表面の表面粗さは、中心線平均粗さで0.0050μm以上0.40μm以下であることが好ましい。
なお、本発明における表面粗さは、JIS B 0601:2001に準拠する。
(3) In the compression ring for an internal combustion engine of the present invention, the surface roughness of the substrate surface is preferably 0.0050 μm or more and 0.40 μm or less in terms of centerline average roughness.
In addition, the surface roughness in this invention is based on JISB0601: 2001.

本発明により、コンプレッションリングに対するオイルスラッジの付着を、従来に比しより確実に抑制し得る内燃機関用コンプレッションリングを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a compression ring for an internal combustion engine that can more reliably suppress oil sludge from adhering to the compression ring as compared with the conventional case.

コンプレッションリングを組み付けたピストンにおいて、オイルスラッジが堆積および固着した状態を示す概略的な断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state where oil sludge is accumulated and fixed in a piston with a compression ring assembled thereto. キーストン形状のコンプレッションリングの断面図である。It is sectional drawing of a compression ring of a keystone shape. 各種被覆材とオイルスラッジ付着量との相関関係を示す図である。It is a figure which shows the correlation with various coating | covering materials and oil sludge adhesion amount. 各種エンジンオイルの表面自由エネルギーの成分を示す図である。It is a figure which shows the component of the surface free energy of various engine oil. 本発明の実施例で用いた固着試験機の断面図である。It is sectional drawing of the adhesion tester used in the Example of this invention. オイルスラッジの付着量を示す図である。It is a figure which shows the adhesion amount of oil sludge.

以下、本発明の内燃機関用コンプレッションリングを詳細に説明する。
本発明に係る内燃機関用コンプレッションリング(PTFEを除く)では、上記したように、該コンプレッションリングの外表面を構成する基材表面の少なくとも一部における、80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd1,δp1,δh1とし、エンジンオイルの80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd2,δp2,δh2(δd2=38.9,δp2=13.6,δh2=0.0)としたとき、次式Aにて定義されるεが8以上であることが肝要である。
[式A]
Hereinafter, the compression ring for internal combustion engines of the present invention will be described in detail.
In the compression ring for internal combustion engines (excluding PTFE) according to the present invention, as described above, the surface free energy (unit area (unit area)) of at least a part of the substrate surface constituting the outer surface of the compression ring. per mJ / m 2 )), and the surface free energy (unit area (mJ / m 2 )) of the engine oil at 80 ° C. is defined as δ d1 , δ p1 , and δ h1 , respectively. ) D2 , δ p2 , δ h2d2 = 38.9, δ p2 = 13.6, δ h2 = 0.0) It is important that ε defined by the following formula A is 8 or more.
[Formula A]

ここで、図3に、後述する実施例1で得られた実験結果、すなわち、各種基材及び被覆材に対するオイルスラッジの付着し難さを評価した結果を、縦軸にオイルスラッジの付着量(mg/cm2)、横軸に上記A式で表わされるεをとって示すように、上記εが8以上であれば、コンプレッションリングにおけるオイルスラッジの付着量が8mg/cm2未満に抑制されることが分かった。すなわち、上記εが8以上となる表面自由エネルギーを有する基材を用いること、又は同表面自由エネルギーを有する被覆材で、コンプレッションリングの少なくとも一部を被覆することにより、オイルスラッジに対して優れた耐付着性が得られる。 Here, in FIG. 3, the experimental results obtained in Example 1 to be described later, that is, the results of evaluating the difficulty of oil sludge adhering to various substrates and coating materials, the amount of oil sludge adhering on the vertical axis ( mg / cm 2 ), as shown by taking ε represented by the above formula A on the horizontal axis, if ε is 8 or more, the amount of oil sludge adhering to the compression ring is suppressed to less than 8 mg / cm 2. I understood that. That is, it is excellent against oil sludge by using a base material having a surface free energy where ε is 8 or more, or by covering at least a part of the compression ring with a coating material having the same surface free energy. Adhesion resistance is obtained.

なお、オイルスラッジに対する耐付着性をより高次に実現するにあっては、上記式Aで表わされるεが13以上であることが好ましく、15以上であることがさらに好ましい。   In order to achieve higher adhesion resistance to oil sludge, ε represented by the above formula A is preferably 13 or more, and more preferably 15 or more.

なお、コンプレッションリングの基材又は被覆材の表面自由エネルギーの3成分、すなわち、分散成分、極性成分および水素結合成分は、表面自由エネルギー既知の液体を用い、自動接触角計にて基材又は被覆材による被膜表面の接触角を測定し、拡張Fowkes式によって算出することができる。   The three components of the surface free energy of the compression ring substrate or coating material, that is, the dispersion component, the polar component, and the hydrogen bonding component, use a liquid whose surface free energy is known, and the substrate or coating with an automatic contact angle meter The contact angle of the coating surface with the material can be measured and calculated by the extended Fowkes equation.

また、エンジンオイルの表面自由エネルギーの同3成分は、拡張Fowkes式によって算出した表面自由エネルギー既知の固体材料と、エンジンオイルとの接触角を測定し、拡張Fowkes式及びSellとNewmannの実験式から算出することができる。   In addition, the three components of engine oil surface free energy are measured by measuring the contact angle between a solid material with a known surface free energy calculated by the extended Fowkes equation and the engine oil. From the expanded Fowkes equation and the experimental equations of Sell and Newmann Can be calculated.

さらにまた、本発明に係る内燃機関用コンプレッションリングでは、前記被覆材が金属又は樹脂であることが好ましい。具体的な例としては、Ni、Mo、Co、PTFE、PFA及びFEP並びにそれらを含む合金、又は化合物等が挙げられるが、本発明において重要なのは、上記式Aで表わされるεが8以上の材料にてコンプレッションリングの所定部位が被覆材もしくは基材により形成されていることである。   Furthermore, in the compression ring for an internal combustion engine according to the present invention, it is preferable that the covering material is a metal or a resin. Specific examples include Ni, Mo, Co, PTFE, PFA and FEP, and alloys or compounds containing them. What is important in the present invention is a material in which ε represented by the above formula A is 8 or more. The predetermined part of the compression ring is formed of a covering material or a base material.

材料の被覆方法としては、一般に、金属であれば湿式電解法、湿式無電解法、真空蒸着法、化成処理法、PVD(Physical Vapor Deposition)、CVD(Chemical Vapor Deposition)、またはAD(Aerosol Deposition)等が挙げられ、樹脂であればディッピング法、スプレー法、スピンコート法等が挙げられるが、本発明では任意の被覆方法を採用することができる。   As a method for coating a material, generally, if it is a metal, a wet electrolysis method, a wet electroless method, a vacuum deposition method, a chemical conversion treatment method, PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), or AD (Aerosol Deposition) In the case of a resin, a dipping method, a spray method, a spin coating method, and the like can be used. In the present invention, any coating method can be employed.

また、本発明に係るコンプレッションリングでは、被覆材による被膜の厚みは0.1μm以上8.0μm以下であることが好ましい。
被膜の厚みを0.1μm以上とすれば、膜欠陥の発生を回避して、上記εが8以上となる被膜を安定して得られるため、オイルスラッジの付着をさらに確実に抑制することができる。一方、被膜の厚みが8.0μmを越えると、オイルスラッジの付着の抑制に優れた効果を得られる一方で、被覆に要するコスト増加が懸念される。従って、上限値は8.0μmとするのが好ましい。
Moreover, in the compression ring which concerns on this invention, it is preferable that the thickness of the film by a coating material is 0.1 micrometer or more and 8.0 micrometers or less.
If the thickness of the coating is 0.1 μm or more, the occurrence of film defects can be avoided and the coating with ε of 8 or more can be stably obtained, so that oil sludge adhesion can be more reliably suppressed. . On the other hand, when the thickness of the coating exceeds 8.0 μm, it is possible to obtain an excellent effect in suppressing the adhesion of oil sludge, but there is a concern about an increase in cost required for coating. Therefore, the upper limit value is preferably set to 8.0 μm.

また、本発明に係るコンプレッションリングは、該リングの外表面の少なくとも一部に表面処理を施してなることができ、ここでいう表面処理とは、例えば、洗浄・防錆処理、熱処理(例えば、大気熱処理、不活性ガス雰囲気熱処理、浸炭処理、窒化処理、浸硫処理等を含む)もしくは研磨等である。また、防錆処理剤を用いる以外の方法には、ArF2ガスによってコンプレッションリング表面にフッ化処理を行う方法がある。   In addition, the compression ring according to the present invention can be formed by subjecting at least a part of the outer surface of the ring to surface treatment. Examples of the surface treatment herein include cleaning / rust prevention treatment, heat treatment (for example, Including atmospheric heat treatment, inert gas atmosphere heat treatment, carburizing treatment, nitriding treatment, sulfurating treatment, etc.) or polishing. As a method other than using a rust preventive agent, there is a method of performing a fluorination treatment on the compression ring surface with ArF2 gas.

さらに、本発明に係るコンプレッションリングでは、コンプレッションリングの表面粗さは、中心線平均粗さで0.0050μm以上0.50μm以下であることが好ましい。コンプレッションリングの表面粗さをこの範囲内とすることにより、コンプレッションリングへのオイルスラッジの付着を抑制する効果が高まる。下限値を0.0050μmとするのは、表面粗さが小さいほどオイルスラッジの付着の抑制効果は高まるが、0.0050μm未満では、その効果の向上幅が、加工に要するコストに見合わなくなるからである。また、被膜の表面粗さを0.50μm以下とすることで、上記効果を十分に高めることができる。   Furthermore, in the compression ring according to the present invention, the surface roughness of the compression ring is preferably 0.0050 μm or more and 0.50 μm or less in terms of center line average roughness. By making the surface roughness of the compression ring within this range, the effect of suppressing the adhesion of oil sludge to the compression ring is enhanced. The lower limit is set to 0.0050 μm, but the effect of suppressing the adhesion of oil sludge increases as the surface roughness is small. However, if the surface roughness is less than 0.0050 μm, the improvement in the effect cannot be matched to the cost required for processing. It is. Moreover, the said effect can fully be heightened by making the surface roughness of a film into 0.50 micrometer or less.

図1に示すように、オイルスラッジ(図中の黒塗り部分)は、コンプレッションリング1の内周側とピストン2との間のバッククリアランスに蓄積しやすい。そのため、コンプレッションリング1のピストン2に対抗する面F1、すなわちコンプレッションリング1の内周面を、上記式Aで表わされるεが8以上の基材又は被覆材により形成することにより、オイルスラッジの付着を抑制することができる。 As shown in FIG. 1, oil sludge (the black portion in the figure) tends to accumulate in the back clearance between the inner peripheral side of the compression ring 1 and the piston 2. Therefore, the surface F 1 that opposes the piston 2 of the compression ring 1 , that is, the inner peripheral surface of the compression ring 1 , is formed of a base material or a coating material having an ε of 8 or more represented by the above formula A, thereby Adhesion can be suppressed.

また、コンプレッションリングの全表面にεが8以上の材料が基材又は被覆材により形成されていることにより、コンプレッションリングへのオイルスラッジの付着をより効果的に抑制することができる。   In addition, since the material having ε of 8 or more is formed on the entire surface of the compression ring by the base material or the covering material, it is possible to more effectively suppress the adhesion of oil sludge to the compression ring.

以下、実施例に基づき、本発明をさらに具体的に説明する。
まず、エンジンオイルの表面自由エネルギーを測定するにあたって必要となる、3種の固体材料の表面自由エネルギーの各構成成分を求めた。固体材料としては、Cu、Al、Niを選定した。各構成成分は液体と固体との接触角を求めることで算出できる。接触角は協和界面化学(株)のDM-501で行い、表面自由エネルギーの各構成成分はアドインソフトのFAMASにて拡張Fowkes式を用いて算出した。固体材料の表面粗さは、中心線平均粗さで0.10μm以上0.20μm以下となるようエメリー研磨紙で研磨した。プローブ液滴は約1μLとした。表1に、プローブ液体と表面自由エネルギーの構成成分(25℃における理論値)を示し、表2に固体材料と算出したその構成成分を示す。なお、本実施形態における表面自由エネルギーの測定はすべて80℃で行った。
Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated further more concretely.
First, each component of the surface free energy of three types of solid materials required for measuring the surface free energy of engine oil was determined. Cu, Al, and Ni were selected as solid materials. Each component can be calculated by determining the contact angle between the liquid and the solid. The contact angle was measured with DM-501 of Kyowa Interface Chemical Co., Ltd., and each component of the surface free energy was calculated using the extended Fowkes equation with FAMAS of add-in software. The surface roughness of the solid material was polished with emery polishing paper so that the center line average roughness was 0.10 μm or more and 0.20 μm or less. The probe droplet was about 1 μL. Table 1 shows the constituents of the probe liquid and surface free energy (theoretical values at 25 ° C.), and Table 2 shows the constituents calculated as solid materials. In addition, all the measurement of the surface free energy in this embodiment was performed at 80 degreeC.

使用が想定される新油の市販エンジンオイル及び一定の負荷の下でエンジン内を循環させたエンジンオイルについて、表2に示す固体材料との接触角を協和界面化学(株)のDM-501で測定し、拡張Fowkes式及びSellとNewmannの実験式からエンジンオイルの表面自由エネルギーの各構成成分を算出した(表3参照)。エンジンオイルは各社から販売されているものを選定し、プローブ液滴は約1μLとした。   DM-501 of Kyowa Interface Chemical Co., Ltd. has contact angles with the solid materials shown in Table 2 for new engine oil that is expected to be used and engine oil circulated in the engine under a certain load. Each component of the surface free energy of the engine oil was calculated from the extended Fowkes equation and the Sell and Newmann empirical equations (see Table 3). The engine oil sold by each company was selected, and the probe droplet was about 1 μL.

[計算例]
各構成成分を求めるために、オイルIの表面自由エネルギーγLを求める。
既存のDupre式より、
SellとNewmannの実験式から、
式(1)より、
が成立する。
また、Young-Dupre式より、
式(3)、(4)より、
式(5)に、測定して求めているγSおよび接触角θを代入して、γLを求める。
例)Cuの表面自由エネルギー:γSとオイルIの接触角θからγL Cuを求める。
γS=48.7 θ=31.5
式(5)に代入して、
これを解いて、γL Cu=56.3, 201.6
他知見(パラフィン類のγL)と比較し、201.6は取り得ない。
従って、Cuより算出されたオイルIのγL Cuは56.3である。
同様に、Al,NiからγLを算出すると、それぞれ37.2,34.8となる。
[Calculation example]
In order to obtain each constituent component, the surface free energy γ L of the oil I is obtained.
From the existing Dupre formula,
From Sell and Newmann's empirical formula,
From equation (1)
Is established.
From the Young-Dupre formula,
From equations (3) and (4),
Γ L is obtained by substituting γ S and the contact angle θ obtained by measurement into equation (5).
Example) Cu free surface energy: γ L Cu is determined from the contact angle θ between γ S and oil I.
γ S = 48.7 θ = 31.5
Substituting into equation (5),
Solving this, γ L Cu = 56.3, 201.6
Compared with other findings (γ L of paraffins), 201.6 is not possible.
Therefore, γ L Cu of oil I calculated from Cu is 56.3.
Similarly, when γ L is calculated from Al and Ni, they are 37.2 and 34.8, respectively.

Cu,Al,Niの接触角θ,γL(それぞれの固体表面より算出した値を用いる)から、オイルIの表面自由エネルギーを求める。
Cu:θ=23.7 γL Cu=56.3 γS d=32.7 γS p=16.0 γS h=0
Al:θ=19.3 γL Al=37.2 γS d=35.3 γS p=1.2 γS h=1.1
Ni:θ=20.9 γL Ni=34.8 γS d=35.4 γS p=0 γS h=0
なお、Cu,Al,Ni,d,p,hは、各成分を表すために表示している。
ここで、拡張Fowkes式を(6)に示す。
各数値を代入して、
(7)〜(9)式からなる三元一次方程式を解き、
γL d=32.0 γL p=29.2 γL h=0(虚数解となるため0とした)より、γL=61.2
The surface free energy of the oil I is obtained from the contact angles θ, γ L of Cu, Al, and Ni (using values calculated from the respective solid surfaces).
Cu: θ = 23.7 γ L Cu = 56.3 γ S d = 32.7 γ S p = 16.0 γ S h = 0
Al: θ = 19.3 γ L Al = 37.2 γ S d = 35.3 γ S p = 1.2 γ S h = 1.1
Ni: θ = 20.9 γ L Ni = 34.8 γ S d = 35.4 γ S p = 0 γ S h = 0
Cu, Al, Ni, d, p, and h are displayed to represent each component.
Here, the extended Fowkes formula is shown in (6).
Substituting each numerical value,
Solve the ternary linear equation consisting of Eqs. (7) to (9),
From γ L d = 32.0 γ L p = 29.2 γ L h = 0 (0 because it is an imaginary solution), γ L = 61.2

図4及び表3に、各種エンジンオイルの表面自由エネルギーの各構成成分を算出した結果を示す。このように、エンジンオイルの表面自由エネルギーの各構成成分については、オイルメーカーやオイルの粘度によるばらつきが殆ど認められなかった。そこで、コンプレッションリングを被覆する金属又は樹脂材料の表面自由エネルギーの算出には、エンジンオイルの表面自由エネルギーの各構成成分として、各種エンジンオイルの平均値を用いた。すなわち、分散成分γL d=38.9mJ/m2、極性成分γL p=13.6mJ/m2、水素結合成分γL h=0mJ/m2を用いた。 FIG. 4 and Table 3 show the results of calculating the constituent components of the surface free energy of various engine oils. As described above, almost no variation due to the viscosity of the oil manufacturer or the oil was recognized for each component of the surface free energy of the engine oil. Therefore, in calculating the surface free energy of the metal or resin material covering the compression ring, the average value of various engine oils was used as each component of the surface free energy of the engine oil. That is, the dispersion component γ L d = 38.9 mJ / m 2 , the polar component γ L p = 13.6 mJ / m 2 , and the hydrogen bonding component γ L h = 0 mJ / m 2 were used.

次に、入手が比較的容易な板材料及び鋼材に表面処理を施した板材料の計16種類について、80℃における表面自由エネルギーの各構成成分を求めた。上記したように、各構成成分は液体と固体との接触角を求めることで算出できる。接触角は協和界面化学(株)のDM-501で測定し、表面自由エネルギーの各構成成分はアドインソフトのFAMASにて拡張Fowkes式を用いて算出した。   Next, each component of the surface free energy at 80 ° C. was determined for a total of 16 types of plate materials and plate materials obtained by subjecting steel materials to surface treatment that were relatively easy to obtain. As described above, each component can be calculated by determining the contact angle between the liquid and the solid. The contact angle was measured with DM-501 of Kyowa Interface Chemical Co., Ltd., and each component of the surface free energy was calculated using the extended Fowkes equation with FAMAS of add-in software.

板材料には、炭素鋼(C:0.8〜0.9mass%)、Si−Cr鋼(Si:1.2〜1.6mass%、Cr:0.5〜0.8mass%)、SUS304、SUS440B、Cr鋼(Cr:12〜14mass%)、Ti、Co、Mo及びPTFEを選定した。なお、Si−Cr鋼(表面処理あり)、SUS440B(表面処理あり)、Cr鋼(表面処理あり)においては、洗浄として、エチルアルコールで超音波洗浄を5分行ったあと、有機系成分としてアルキルアルコキシシラン類を含む防錆処理剤を用いて1分処理し、引き上げ、120℃で30分乾燥を行ったものとした。   For the plate material, carbon steel (C: 0.8 to 0.9 mass%), Si—Cr steel (Si: 1.2 to 1.6 mass%, Cr: 0.5 to 0.8 mass%), SUS304, SUS440B, Cr steel (Cr: 12-14 mass%), Ti, Co, Mo, and PTFE were selected. For Si-Cr steel (with surface treatment), SUS440B (with surface treatment), Cr steel (with surface treatment), ultrasonic cleaning with ethyl alcohol was performed for 5 minutes as a cleaning, and then alkyl as an organic component. It was treated for 1 minute using a rust preventive agent containing alkoxysilanes, pulled up and dried at 120 ° C. for 30 minutes.

板材料のめっきには、Cu、Pを10%含むNi−P合金めっき、金属Niめっき(純度が99mass%)及びPTFEを分散させたNiめっきを選定した。固体材料の表面粗さは、中心線平均粗さで0.10μm以上0.50μm以下となるようエメリー研磨紙で研磨した。プローブ液滴は約1μLとした。表4にプローブ液体と表面自由エネルギーの構成成分を、表5に各構成成分を算出した結果を示す。   For plating of the plate material, Ni-P alloy plating containing 10% of Cu and P, metal Ni plating (purity 99 mass%), and Ni plating in which PTFE was dispersed were selected. The surface roughness of the solid material was polished with emery polishing paper so that the center line average roughness was 0.10 μm or more and 0.50 μm or less. The probe droplet was about 1 μL. Table 4 shows the components of the probe liquid and surface free energy, and Table 5 shows the results of calculating the components.

ここで、オイルスラッジの付着のしやすさを確認するため、簡易固着試験を行った。各種板材料を約30×15×1tに加工して、φ3の孔を空けたテストピースを作製し、試験前の重量を測定した。それから、図5に示す固着試験機に懸垂したテストピースに対して、オイルスラッジ入りのエンジンオイル(表3に示す、D社<1>約20万km走行相当品)で満たしたオイルバスへの1分間の浸漬と、ヒーターを用いた間接加熱による15分間のオイル固着と、を50サイクル繰り返し、テストピースにオイルスラッジを固着させた。50サイクルの所要時間は、約14時間であった。テストピース温度は熱電対で測定し、その温度域が190〜200℃となるようにヒーター温度を設定した。試験後、アセトンで超音波洗浄を行い、オイルスラッジ付着重量を測定した。   Here, in order to confirm the ease of adhesion of oil sludge, a simple adhesion test was performed. Various plate materials were processed to about 30 × 15 × 1 t to prepare test pieces with φ3 holes, and the weight before the test was measured. Then, with respect to the test piece suspended from the adhesion tester shown in FIG. 5, the oil bath filled with engine oil containing oil sludge (shown in Table 3, equivalent to a company D <1> running of approximately 200,000 km) is used. The oil sludge was fixed to the test piece by repeating 50 cycles of immersion for 1 minute and oil fixation for 15 minutes by indirect heating using a heater. The time required for 50 cycles was about 14 hours. The test piece temperature was measured with a thermocouple, and the heater temperature was set so that the temperature range was 190 to 200 ° C. After the test, ultrasonic cleaning was performed with acetone, and the oil sludge adhesion weight was measured.

なお、図5に示す固着試験機では、テストピースをオイルバスに浸漬後、当該テストピースをモータで引き上げ、円筒ヒーター内に留置する。温度モニタリングはヒーター表面及び試料表面のそれぞれで実施した。   In the adhesion tester shown in FIG. 5, after immersing the test piece in an oil bath, the test piece is pulled up by a motor and placed in a cylindrical heater. Temperature monitoring was performed on each of the heater surface and the sample surface.

上記の表5から、HSP値で定義された凝集エネルギー密度の差を比較する方法を用いて、その大小を算出した。固体材料の80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd1,δp1,δh1とし、エンジンオイルの80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd2,δp2,δh2として式Aに代入した。
[式A]
From Table 5 above, the magnitude was calculated using a method of comparing the difference in cohesive energy density defined by the HSP value. The dispersion component, polar component, and hydrogen bonding component constituting the surface free energy (per unit area (mJ / m 2 )) at 80 ° C. of the solid material are assumed to be δ d1 , δ p1 , and δ h1 , respectively. The dispersive component, the polar component, and the hydrogen bond component constituting the surface free energy (per unit area (mJ / m 2 )) are substituted into the equation A as δ d2 , δ p2 , and δ h2 respectively.
[Formula A]

表6に、εの値及び単位面積当たりのオイルスラッジ付着重量を示す。また、図3には、εと単位面積当たりのオイルスラッジ付着重量との相関関係を示す。ここに示されるように、εが8以上となる基材及び被覆材では、他の基材及び被覆材に比べてオイルスラッジの付着量が有意に減少している。なお、本発明では、単位面積当たりのオイルスラッジ付着量が8.0mg/cm未満の場合を、オイルスラッジの付着量が十分に少ないものとして評価した。さらに、εが13以上となる金属又は樹脂材料では、オイルスラッジの付着量が2.0mg/cm未満にまで減少していて、特に、εが15以上となる金属又は樹脂材料では、オイルスラッジの付着量が1.0mg/cm未満にまでさらに減少していることが分かる。すなわち、コンプレッションリングの外表面の少なくとも一部を、上記式Aにおいて、εが8以上、好ましくは13以上、さらに好ましくは15以上とすることにより、オイルスラッジに対して優れた耐付着性が得られる。 Table 6 shows the value of ε and the oil sludge adhesion weight per unit area. FIG. 3 shows the correlation between ε and the oil sludge adhesion weight per unit area. As shown here, in the base material and the coating material in which ε is 8 or more, the adhesion amount of oil sludge is significantly reduced as compared with other base materials and the coating material. In the present invention, the case where the oil sludge adhesion amount per unit area was less than 8.0 mg / cm 2 was evaluated as the oil sludge adhesion amount being sufficiently small. Furthermore, in the metal or resin material in which ε is 13 or more, the amount of oil sludge attached is reduced to less than 2.0 mg / cm 2 , and in particular, in the metal or resin material in which ε is 15 or more, oil sludge It can be seen that the adhering amount of is further reduced to less than 1.0 mg / cm 2 . That is, when at least a part of the outer surface of the compression ring is set to ε of 8 or more, preferably 13 or more, more preferably 15 or more in the above formula A, excellent adhesion resistance to oil sludge is obtained. It is done.

本発明では、素材自体が本発明にて規定するεを満足するものを選択して使用するか、又は、表面自由エネルギーを構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分の夫々の数値が、エンジンオイルの表面自由エネルギーのそれとの比較において大幅に低いか又は大幅に高い材料を、たとえばコンプレッションリングを被覆するめっき中に分散させることにより、εを8以上、好ましくは13以上、より好ましくは15以上とすることができる。   In the present invention, the material itself selects and uses the material satisfying ε defined in the present invention, or the numerical values of the dispersive component, the polar component and the hydrogen bond component constituting the surface free energy are By dispersing a material that is significantly lower or significantly higher than that of the surface free energy of the oil, for example in the plating covering the compression ring, ε is 8 or more, preferably 13 or more, more preferably 15 or more. It can be.

実施例1にて優れた耐付着性が得られた電解Niめっき材料およびマルテンサイト系ステンレスについて、実際のエンジンにてスラッジ堆積重量を評価した。コンプレッションリングを以下のように作製した。なお、いずれのコンプレッションリングも、段落0041で述べた表面処理は実施していない。
今回はトップリングで評価を行った。トップリングは、幅2.3mm 、厚さ1.0mmのマルテンサイト系ステンレスを円環状に成形・切断後、外周にCr系のイオンプレーティング処理を施し、外周ラップ、バフ仕上げ工程を経て作製した。
なお比較例として、#4には、幅2.3mm 、厚さ1.0mmのSi−Cr鋼を円環状に成形・切断後、外周にCr系のイオンプレーティング処理を施し、外周ラップ、バフ仕上げ工程を経て作製した。
また、#1には、外周面をめっき用マスキング剤を用いてマスキング処理を実施後、電解Niめっき法により、3〜5μmのNiを被覆した。
さらに#2には、外周面をめっき用マスキング剤にてマスキング後、一般的なニッケルストライク浴(ウッド浴)を建浴し、電流密度20A/dm、処理時間1分で下地処理を行い、JCU(株)製 テフジットで分散ニッケルめっき浴を建浴して、3〜5μmのNi−PTFE分散めっきを被覆した。
With respect to the electrolytic Ni plating material and martensitic stainless steel for which excellent adhesion resistance was obtained in Example 1, the sludge deposition weight was evaluated with an actual engine. A compression ring was produced as follows. None of the compression rings is subjected to the surface treatment described in paragraph 0041.
This time, the top ring was evaluated. The top ring was fabricated by forming a martensitic stainless steel with a width of 2.3 mm and a thickness of 1.0 mm into an annular shape, cutting the outer periphery with a Cr-based ion plating process, and performing an outer peripheral lapping and buffing process. .
As a comparative example, for # 4, Si-Cr steel having a width of 2.3 mm and a thickness of 1.0 mm was formed and cut into an annular shape, and Cr-based ion plating treatment was applied to the outer periphery to obtain an outer peripheral wrap and buff. It was produced through a finishing process.
In # 1, the outer peripheral surface was masked with a plating masking agent, and then coated with 3 to 5 μm of Ni by electrolytic Ni plating.
Furthermore, in # 2, after masking the outer peripheral surface with a masking agent for plating, a general nickel strike bath (wood bath) is constructed, and a ground treatment is performed with a current density of 20 A / dm 2 and a treatment time of 1 minute. A dispersion nickel plating bath was constructed with Tefjit manufactured by JCU Co., Ltd. to coat 3-5 μm Ni-PTFE dispersion plating.

これらのコンプレッションリングをシリンダ内径72.5mmのガソリン直接噴射型の1,300cc、直列4気筒水冷のエンジンに実装して、加速,減速を組み合わせた耐久運転を実施した。あわせて、トップリングおよびピストン溝でのオイルスラッジ付着状態ならびに重量を確認した。トップリングおよびピストン溝に堆積したオイルスラッジ付着重量の結果を表7及び図6に示す。   These compression rings were mounted on a gasoline direct injection type 1,300 cc, in-line 4-cylinder water-cooled engine with a cylinder inner diameter of 72.5 mm, and durability operation combining acceleration and deceleration was carried out. In addition, the oil sludge adhesion state and weight in the top ring and piston groove were confirmed. Table 7 and FIG. 6 show the results of the oil sludge adhesion weight accumulated in the top ring and the piston groove.

被覆材による被覆あるいは表面改質された内燃機関用コンプレッションリングであって、該コンプレッションリングの少なくとも一部、特にはピストン対向面における、80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd1,δp1,δh1とし、エンジンオイルの80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd2,δp2,δh2としたとき、上記の式Aにて定義されるεが8以上であることで、オイルスラッジが付着し難いコンプレッションリングが得られた。 A compression ring for an internal combustion engine that is coated or surface-modified with a coating material, wherein the surface free energy (unit area (mJ / m 2 ) at 80 ° C. of at least a part of the compression ring, particularly the piston facing surface The dispersive component, polar component, and hydrogen bond component constituting the permissible component are defined as δ d1 , δ p1 , and δ h1 , respectively, and the surface free energy (per unit area (mJ / m 2 )) of the engine oil at 80 ° C. When the dispersion component, the polar component, and the hydrogen bonding component are δ d2 , δ p2 , and δ h2 , respectively, ε defined by the above equation A is 8 or more. Obtained.

Claims (2)

内燃機関用コンプレッションリングにおいて、該コンプレッションリング(PTFEを除く)の外表面を構成する基材表面の、外周面以外の少なくとも一部に表面処理を施してなり、該外周面以外の少なくとも一部における、80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m2)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd1,δp1,δh1とし、エンジンオイルの80℃での表面自由エネルギー(単位面積(mJ/m2)あたり)を構成する分散成分、極性成分及び水素結合成分をそれぞれδd2,δp2,δh2(δd2=38.9,δp2=13.6,δh2=0.0)としたとき、下記式にて定義されるεが8以上であることを特徴とする内燃機関用コンプレッションリング。
[式A]
In a compression ring for an internal combustion engine , at least a part other than the outer peripheral surface of the base material surface constituting the outer surface of the compression ring (excluding PTFE) is subjected to a surface treatment . The dispersion component, polar component, and hydrogen bond component constituting the surface free energy (per unit area (mJ / m 2 ) at 80 ° C. are defined as δ d1 , δ p1 , and δ h1 , respectively. Dispersion component, polar component, and hydrogen bond component constituting surface free energy (per unit area (mJ / m 2 )) are δ d2 , δ p2 , δ h2d2 = 38.9, δ p2 = 13.6, respectively). , Δ h2 = 0.0), a compression ring for an internal combustion engine, wherein ε defined by the following formula is 8 or more.
[Formula A]
前記基材表面の表面粗さが、中心線平均粗さで0.0050μm以上0.40μm以下である、請求項に記載の内燃機関用コンプレッションリング。



2. The compression ring for an internal combustion engine according to claim 1 , wherein the surface roughness of the substrate surface is 0.0050 μm or more and 0.40 μm or less in terms of center line average roughness.



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