JPH02134468A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐摩耗性、耐焼付性に優れ、且つ相手ｔオ攻撃
性の低い皮膜を形成した内燃機関用ピストンリングに関
する。

〔従来の技術〕

従来、ピストンリングの摺動外周面の表面処理としては
、硬質クロムめっきが主に使用されている。硬質クロム
めっきを被覆したピストンリングは、自身の耐摩耗性に
優れ、相手シリンダの摩耗も少ないことから、長い間ピ
ストンリングの表面処理の主流をなしてきた。

しかしながら、近年エンジンの高出力化、高回転化に伴
い、ピストンリングが晒される環境は益々苛酷になって
おり、このような環境下では従来の硬質クロムめっきで
は対処できなくなりつつあり、−層強力な耐摩耗性能及
び耐焼付性能を持つピストンリングが要求されるように
なってきた。

かかる状況に対処するため、Ｆｅ−Ｃｒ系プラズマ溶射
ピストンリング、ステンレス製窒化処理ピストンリング
、セラミック系粉末複合めっきピストンリング等が開発
され、一部のエンジンで採用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの技術によれば、耐摩耗性及び耐焼付性の点で、
従来技術による硬質クロムめっきに比し、はるかに改善
されたが、次のような不具合が見出されている。

Ｆｅ−Ｃｒ系プラズマ溶射ピストンリングは、優れた耐
摩耗性及び耐焼付性を持つが、反面相手シリンダ材の摩
耗が多いという欠点があり、また腐食雰囲気下に晒され
ると、溶射層が母材より刊諦しやすいという弱点をもつ
。

セラミック系粉末複合めっきピストンリングは、優れた
耐焼付性を持つものの、マトリックスの強度に問題があ
り、エンジン運転中においてめっきの割れ、剥離が発生
しやすいという欠点をもつ。

ステンレス製窒化処理ピストンリングは、優れた耐摩耗
性能を持ち、且つ相手材の摩耗も少ないという優れた摩
耗特性を持つものの、耐焼付性がｉ＜、＝負荷の高いエ
ンジンでは使用できないという欠点をもつ、ステンレス
製窒化処理ピストンリングでは、かかる状況に対処する
ため、外周摺動面に更にイオンプレーティングにより所
定厚さを有するＴ　ｉ　Ｎ皮膜を被覆する技術が開示さ
れている。しかし、ＴｉＮ皮膜は相手材へのなじみ性が
悪く、且つ表面粗さが０．６μｍより大きくなると、相
手材攻撃性が急激に高くなることが判明している。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、充分な
耐摩耗性、耐焼付性を有し、相手材攻撃性の低いピスト
ンリングを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のピストンリングは、少なくとも摺動外周面に窒
化モリブデン（ＭｏｘＮｖ）皮膜を形成したことを特徴
とする。そして、少なくとも摺動外周面に窒化層を形成
し、且つこの窒化層の表面酸化層及び白層を除去した層
上に窒化モリブデン皮膜を形成するのが好ましい。また
、少なくとも摺動外周面にクロムめっきを施し、このク
ロムめっき上に窒化モリブデン皮膜を形成するのも好ま
しい。

そして、窒化モリブデン皮膜の被覆はイオンプレーティ
ング法によるのが好ましい。

そしてピストンリング表面に、本発明の皮膜を被覆する
場合は６００℃以下、好ましくは３５０℃以下で処理す
るのが好ましい、第１図に、窒化処理層及びクロムめっ
き層の加熱（各温度に１時間保持）による硬さの変化を
示す特性曲線図を示す１図中、窒化処理層はマルテンサ
イト系１７ｃ「ステンレス製ピストンリング母材に窒化
処理を施し、表面の酸化層及び白層を除去したものであ
り、クロムめっき層は５ＷＯ３Ｃ−Ｖのピストンリング
母材の外周にクロムめっきを施したものである。

第１図より、窒化処理層は、５００℃以下の加熱では硬
さの低下はほとんどみられない、また、クロムめっき層
は３５０℃以下の加熱では硬さの低下はほとんどみられ
ない。

〔作用〕

窒化モリブデン皮膜は、ＴｉＣ皮膜及びＴｉＮ皮膜と同
等の耐摩耗性を存し、且つＴｉＣ皮膜及びＴｉＮ皮膜よ
りも優れた耐焼付性を持つ。また、自身の表面粗さが大
きくても、相手材攻撃性が低いという特徴がある。

窒化モリブデンの被覆をイオンプレーティングで行うの
は、ピストンリング母材の軟化を防ぎ、母材の耐摩耗性
能を損なうことがないような温度で処理する必要がある
こと、また変形を防止する上からも処理温度は低い方が
望ましいためである。

〔実施例−１〕 第２図は、試験に使用した往復動摩擦試験機の概要を示
す。

第２図において、ピストンリングに相当する上試験片ｌ
は、上試験片固定ブロック２により保持され、上方から
油圧シリンダ３により下向きの荷重が加えられる。一方
、シリンダに相当する相手部材たる下試験片４は可動ブ
ロック５により保持され、図示の如きクランク機構６に
より矢印方向に往復動せしめられる。また、７はロード
セルである。第２図に示す摩擦試験機は公知であり、ま
たその構成自体は本発明とは直接関係ないので、詳しい
説明は省略する。

上試験片１の摩耗盪は第３図（Ａ）に示す如く、上試験
片１の試験前形状８と試験後形状９を測定し、その差を
測定することにより算出する。下試験片４の摩耗量は第
３図（Ｂ）に示す如＜、離間する３ケ所ａ、ｂ、ｃの凹
み量を測定し、その平均値で示す。

試験条件は以下の通りである。

１、供試試料 Ａ、下試験片４ニジリンダブロック用鋳鉄製（ＦＣ２５
相当材）平板（寸法：長さ７０ｍｍ、幅１７ｍｍ、ｒｇ
−さ１４ｍｍ）の試験面をパフ研磨し、面粗さを０．１
μｍ以下にしたもの。なお、硬さはＨＩＢ９０である。

Ｂ、上試験片ｌ：ピストンリング用棒（寸法：直径８ｍ
ｍ、長さ２３ｍｍ）の端面を１８ｍｍＲの球面仕上げし
たもの、た・だし、この鋼棒はマルテンサイト系１７Ｃ
ｒステンレス材であり、この鋼棒を母材として以下の表
面処理を施した試料を調整した。

試料１．　（従来技術）−硬質クロムめっきを上試験片
１端面に厚さ８０μｍ付けたも の。なお、めっき硬さはＨｖ９００で 、１８ｍｍＲの球面加工後パフ研磨仕 上げしたものである。

試０２．　　（従来技術）−上試験片１端面を１８ｍｍ
Ｒの球面加工後ガス窒化処理し、 再度１３ｍｍＨの球面加工により表面 の酸化層及び白層を取り除き、パフ研 磨仕上げしたものである。なお、窒化 層の厚さは９０μｍで、硬さはＨＶＩ ２００である。

試料３．（従来技術）−上試験片ｌ端面に高クロム高炭
素鉄系粉末をプラズマ溶射し 、１８ｍｍＲの球面加工後パフ研磨仕 上げしたものである。なお溶射層の厚 さは約７０μｍで、硬さはＨｖ＋＋ｔｓ＋６００である
。

試料４．（従来技術）−上試験片１端面を１８ｍｍＲの
球面加工後ガス窒化処理し、 再度１８ｒｎｍＲの球面加工により表面の酸化層及び白
層を取り除き、パフ研 磨後イオンプレーティングにより、Ｔ ｉＮを被覆したもの、なお、窒化層の 厚さは９０μｍ１硬さはＨｖ１２００ で、ＴｉＮ皮膜の硬さはＨｖ２２００ ・厚さは２μｍである。

試料５．　（従来技術）−上試験片ｌ端面を１８ｍ　ｍ
　Ｈの球面加工後ガス窒化処理し、再度１３ｍｍＨの球
面加工により表面 の酸化層及び白層を取り除き、パフ研 磨後イオンプレーティングにより、Ｔ ｉＣを被覆したもの、なお、窒化層の 厚さは９０ｕｍ、硬さはＨｖ１２００ で、Ｔｉｃ皮膜の硬さはＨｖ２８００ 、厚さは２μｍである。

試料６．　（本発明）−上試験片１端面を１８ｍｍＲの
球面加工後ガス窒化処理し、再 度１８ｍｍＨの球面加工により表面の 酸化層及び白層を取り除き、パフ研■ 後イオンプレーティングにより、窒化 モリブデン（Ｍｏ、Ｎ、）皮膜を被覆 したもの、なお、窒化層の厚さは９０ μｍ１硬さはＨｖｌ　２００で、窒化モリブデン皮膜の
硬さはＨＶＩ　７５０で、厚さは３μｍである。

２、窒化モリブデン−イオンプレーティング皮膜の１！
！遣方法。

使用装置；イオンプレーティングｖ装置処理条件：■真
空力き−−Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ■ヒータ加熱 ■イオンボンバービー−Ａｒガス 中で１５分 ■真空力き−Ｉ　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ■ＭＯ溶解 ■Ｎ、ガス導入−−蒸着一一炉内 圧３〜５　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ ■冷却 ■真空槽を大気状態にする。

ワーク取り出し。

３、摩耗試験条件 試験２置：往復動摩擦試験機（第２図参照）試験条件：
ならし２にｇｆ　Ｘ　１００ｃｐｍ　ｘ　５ｍ１ｎ 本試験１０Ｘｇｆ　Ｘ６００ｃｐｍ　ｘ５ｒ （いずれもストロークは５０ｍｍ） 潤滑油ＪＩＳ２号軽油（ミスト状 吹き付け３ｃｃ／ｍ１ｎ） 試験結果：第４図に示すように、本発明皮膜はＴｉＮ、
ＴｉＣ皮膜と同等の耐 摩耗性を示し、相手材の摩耗は従 来技術の表面処理皮膜に比べて最 も少ない結果を示した。

〔実施例−２〕 １、供試試料 Ａ、下試験片４：ピストンリング用母材であるマルテン
サイト系１７Ｃｒステンレス製平板で、寸法は実施例−
１のものと同じである。

この平板を母材として以下の表面処理を施した試料を調
整した。なお、ＰＶＤ処理試料の母材については処理前
に所定の表面粗さに調整し、処理した。他のものについ
ては、表面処理を施したのち所定の表面粗さに調整した
。

試料１．　（従来技術）−硬質クロムめっきを下試験片
４表面に５０μｍ付けたもの。

めっき硬さはＨＶ９００である。

試料２．　（従来技術）−下試験片４をガス窒化処理し
たのち、表面の酸化層及び白層 を取り除き、エメリーペーパーで所定 の表面粗さに調整したもの。窒化層の 厚さは７（Ｊｕｍ、硬さはＨｖｌ　２２０である。

試料３．（従来技術）−下試験片４をガス窒化処理した
のち、表面の酸化層及び白層 を取り除き、エメリーペーパーで所定 の表面粗さに調整し、イオンブレーテ ィングによりＴｉＮを被覆したもの。

ＴｉＮ皮膜の厚さは３μｍで、硬さは Ｈｖ２４８０である。

試料４．　（従来技術）−下試験片４をガス窒化処理し
たのち、表面の酸化層及び白層 を取り除き、エメリーペーパーで所定 の表面粗さに調整し、イオンブレーテ ィングによりＴｉＣを被覆したもの。

ＴｉＣ皮膜の厚さは３μｍで、硬さは Ｈ，２９５０である。

試料５．　（本発明）−下試験片４をガス窒化処理した
のち、表面の酸化層及び白層を 取り除き、エメリーペーパーで所定の 表面粗さに調整し、イオンブレーティ ングにより窒化モリブデン皮膜を被覆 したもの、窒化モリブデン皮膜の厚さ は３μｍで、硬さはＨｖｌ　７５０である。

Ｂ、上試験片１：シリンダライチ用母材である鋳鉄材Ｆ
Ｃ２５で直径８ｍｍ、長さ２３ｍｍの丸棒をつくり、端
面を１８ｍｍＲの球面仕上げをし、パフ研磨仕上げした
もの。

２、窒化モリブデン−イオンプレーティング皮膜の製造
方法。

実施例−１と同じ。

３、摩耗試験条件 試験装ｒｔ：往復動摩擦試験機（第２図参照）試験条件
：　（無潤滑条件下） 本試験１０Ｋｇｆ　ＸＸ１００ｃｐ　Ｘ２ｍ１ｎｓ （潤滑条件下） ならし２にｇｆ　Ｘ　１００ｃｐｓ　ｘ　５ｍｉ本試験
ｌＯにｇｆ　Ｘ６００ｃｐｍ　ｘ５０ｍｉｎ　＊ 潤滑油ＳＡＥ＃ｌＯ、ミスト状吹 き付け３ｃｃ／ｍｉｎ。

試験結果：第５図、第６図に示すように、ＴｉＮ及び′
「ｉ　Ｃ皮膜は表面粗さの 増大と共に急激に摩耗が増大する 。これに比べて本発明皮膜は表面 粗さが増大しても、摩耗の増加は ゆるやかであり、良好な摩耗特性 を示している。

〔実施例−３〕 第７〜８図は、耐焼付試験に使用したビン・ディスク型
高面圧摩擦試験機の概要を示す。

ステータ２０に取り外し可能に取り付けられた直径８０
ｍｍの円板２１（摺動相手部材）の中央には、裏側から
注油孔２２を通して潤滑油が注油される。また、ステー
タ２０は油圧装置により所定圧力でロータ２３側に押し
付けられ、圧力Ｐが作用するようになっている。ステー
タ２０に相対向してロータ２３が配され、該ロータ２３
は駆動ｖｔ置によって所定速度で回転する。

ロータ２３の円板２１に対向する端面には試料保持具２
４が設けられていて、該試料保持具２４には同心円上に
等間隔をなして正方形の摺動面を有する４個の試験片２
５が取り付けられ、該摺動面が円板（ステータ）に対接
摺動する。

このような装置において、摺動面に所定量の給油をしな
がら、ロータ２３を回転させる。一定時間毎にステータ
２０に作用する圧力を段階的に増加させ、円板２１と試
験片２５との摺動により発生する＋１ｔｌ１％を力をト
ルクＴとしてワイヤーを介してロードセル２６に作用さ
せ、その変化を動歪計２７で読み、記録計２８に記録さ
せる。焼き付き現象が発生するとトルクＴが急激に上昇
する。したがって、トルクＴが急激に上昇するときに摺
Ｏｊ接触面に作用している接触面圧を焼き付き発生面圧
とし、この焼き付き発生面圧の大小で焼き付き特性の良
否を判定する。

試験条件は次の通りである。

摺動速度：８ｍｍ／ｓｅｅ 潤滑油：　ＳＡＥ＃３０モ一タオイル 潤滑油供給条件：３００ｃｃ／ｍｉｎ 潤滑油温度二８０℃ 接触圧力；２０Ｋｇ／ｃｍ”から３分間経過毎に１０Ｋ
ｇ／Ｃｍ”ず つ上昇させる。

相手摺動部材（ステータ）　：鋳鉄材ＦＣ２５供試試料
： 試料１．　　（従来技術）−硬質クロムめっきを試験片
２５表面に５０μｍ付けたもの。

めっき硬さはＨｖ９００である。

試料２．　（従来技術）−試験片２５をガス窒化処理し
たのち、表面の酸化層及び白層 を取り除き、エメリーペーパーで所定 の表面粗さに調整したもの、窒化層の 厚さは７０　ｕ　ｍ％硬さはＨｖｌ　２２０である。

試＄４３．　　（従来技術）−試験片２５をガス窒化処
理したのち、表面の酸化層及び白層 を取り除き、エメリーペーパーで所定 の表面粗さに調整し、イオンブレーテ ィングによりＴ　ｉ　Ｎを被覆したもの。

ＴｉＮ皮膜の厚さは３μｍで、硬さは Ｈｖ２４８０である。

試料４．　（本発明）−試験片２５をガス窒化処理した
のち、表面の酸化層及び白層を 取り除き、エメリーペーパーで所定の 表面粗さに調整し、イオンブレーティ ングにより窒化モリブデン皮膜を被覆 したもの。窒化モリブデン皮膜の厚さ は３μｍで、硬さはＨｖｌ　７５０である。

窒化モリブデン−イオンプレーティング皮膜の製造方法
は実施例！と同じである。

試験結果を第９図に示す。

第９図に示す如く、本発明皮膜は従来技術の表面処理皮
膜に比べ、良好な耐焼き付き性を示した。

〔実施例−４〕 第１圧力リングの外周摺動面に下記に示す表面処理を施
し、エンジンテストに供した。シリンダブロックの材質
はＦＣ２５相当材である。

試料１．　　（従来技術）−ばね＠　（ＳＷＯ３Ｃ−Ｖ
）　’ｌピストンリング母材の外周摺動面にクロ めっきしたもの、なお、クロムめっき の厚さは１５０ＩＩｍであり、硬さはＨｖ８９０である
。

試料２．　（従来技術）−マルテンサイト系１７Ｃ「ス
テンレス製ピストンリング母材 にガス窒化処理したのち、表面の酸化 層及び白層を取り除いたもの。なお、 外周摺動面の窒化層の厚さは９０μｍ であり、硬さはＨｖ１２００である。

試料３．　（従来技術）−マルテンサイト系１７Ｃｒス
テンレス製ピストンリング母材 にガス窒化処理したのち、表面の酸化 層及び白層を取り除き、パフ研磨後イ オンブレーティングにより、ＴｉＮを 被覆したもの、なお、外周摺動面の窒 化層の厚さは９０μｍであり、硬さは Ｈｖ１２００である。この窒化層の表 面に被覆したＴｉＮ皮膜の厚さは３μ ｍであり、硬さは）Ｉｖ２２００である試料４．　（本
発明）−マルテンサイト系１７ｃｒステンレス製ピスト
ンリング母材に ガス窒化処理したのち、表面の酸化層 及び白層を取り除き、パフ研磨後イオ ンブレーティングにより、窒化モリブ デン皮膜を被覆したもの、なお、外周 摺動面の窒化層の厚さは９０μｍであ り、硬さはＨＶＩ　２００である。この窒化層の表面に
被覆した窒化モリブデ ン皮膜の厚さは３μｍであり、硬さは Ｈｖ１７００である。

試料５．　（本発明）−ばね鋼（ＳＷＯ３Ｃ−ν）類ピ
ストンリング母材の外周摺動面にクロム めっきし、その表面にイオンブレーテ ィングにより、窒化モリブデン皮膜を 被覆したもの、なお、外周摺動面のク ロムめっきの厚さは１５０μｍであり 、硬さはＨＶ８９０である。このクロ ムめっきの表面に被覆した窒化モリプ ン皮膜の厚さは３μｍであり、硬さは ｏｖｉ７００である。

試料６．　（本発明）−マルテンサイト系１７ｃｆステ
ンレス製ピストンリング母材の 外周摺動面にイオンプレーティングに より、窒化モリブデン皮膜を被覆した もの、この窒化モリブデン皮膜の厚さ は３ｐｍであり、硬さはＨｖｌ　７００である。

窒化モリブデン−イオンプレーティング皮膜の製造方法
は実施例１と同じである。

各試料１〜６の外周摺動面の表面粗さは全て０゜８μＲ
ｚである。

上記のピストンリングを排気量２０００ｃｃ。

水冷６気筒の４サイクルガソリンエンジンに組み込み、
加鉛ガソリンを燃料として、回転数５２０Ｑｒｐｍ、水
温１１０℃、油温１３０℃以上、全負荷の条件で１０時
間のベンチテストを３回実施した。テスト後のピストン
リング外周摺動面のスカッフィングの状況及びシリンダ
内周面のスカッフィングの状況を第１表に示す。

（以下余白） 第１表 ■・・傷、スカッフィングが全く発生せず、良好な摺動
面状況のもの。

Ｏ・・スカッフィングの発生はないものの、鋭利な傷が
１〜２本認められるもの。

Δ・・スカッフィングの発生はないものの、鋭利な傷が
３零以上１０本以下認められるもの。

×・・スカッフィングが発生したもの、又は鋭利な傷が
１０本以上認められるもの。

第１表に見られる通り、ピストンリング外周摺動面及び
シリンダ内周面のスカッフィングの状況は、試ネ４２の
ステンレス製窒化処理ピストンリングに最もひどいスカ
ッフィングが発生し、次にひどいのが試料１のクロムめ
っきピストンリングであった。試料３のＴｉＮ皮膜表面
にはスカッフィングは発生しなかったものの、シリンダ
内周面には数多くの傷が発生していた。これら従来技術
品に比べ、試料４〜６の本発明品は、ピストンリング表
面はもちろんシリンダ内周面にもスカッフィングの発生
は全く認められず、また傷もほとんどなく、良好な摺動
特性を示した。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のピストンリングは耐摩耗
性、耐焼付性に優れ、且つ相手材攻撃性が低いという優
れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は窒化処理層とクロムめっき層の温度による硬さ
の変化を示す図、第２図は往復動摩擦試験機の説明図、
第３図（Ａ）は上試験片の摩耗量算出説明図、第３図（
Ｂ）は下試験片の摩耗ｉｔＸ出説明図、第４図は実施例
−１の試験結果を示す図、第５図及び第６図は実施例−
２の試験結果を示す図（第５図は無潤滑下、第６図は潤
滑下の結果である）、第７図及び第８図はピン・ディス
ク型高面圧摩擦試験機の説明図、第９図は実施例３の試
験結果を示す図である。 特許出願人　　　　　　　帝国ピストンリング株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも摺動外周面に窒化モリブデン皮膜を形
   成したことを特徴とするピストンリング。
2. （２）少なくとも摺動外周面に窒化層を形成し、且つこ
   の窒化層の表面酸化層及び白層を除去した層上に窒化モ
   リブデン皮膜を形成したことを特徴とするピストンリン
   グ。
3. （３）少なくとも摺動外周面にクロムめっきを施し、こ
   のクロムめっき上に窒化モリブデン皮膜を形成したこと
   を特徴とするピストンリング。
4. （４）窒化モリブデン皮膜の被覆をイオンプレーティン
   グ法によることを特徴とする請求項１、２、又は３記載
   のピストンリングの製造方法。