JP2003148242A - ピストンリングおよびピストンリングとリング溝との組合せ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】アルミニウム合金製ピストンのリング溝からの
Al凝着を有効に防止できる、内燃機関用ピストンリング
を提供する。 【解決手段】内燃機関用ピストンリングの少なくとも下
面表面に、潤滑剤粒子を噴射して潤滑剤被膜を形成す
る。潤滑剤粒子としては、二硫化モリブデン粒子、二硫
化タングステン粒子、金属錫粒子等が好ましい。なお、
このピストンリングを用いて、第一圧力リングとするこ
とが好ましい。また、ピストンリング溝の下面に潤滑剤
粒子を噴射して形成した潤滑剤被膜を形成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用ピスト
ンリングとして好適なピストンリングに係り、特にアル
ミニウム合金製ピストンに装着されるピストンリングの
耐アルミ凝着性の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境の保全という観点から、
自動車車体の軽量化が要望されている。このような軽量
化の要望から、最近の自動車では、エンジンをアルミニ
ウム合金製とすることが主流となっており、ピストンも
アルミニウム合金製となっている。一方では、エンジン
の高出力化の要請に伴い、エンジンはより高温の燃焼環
境に曝されるため、ピストンリングにも厳しい品質要求
がなされている。

【０００３】アルミニウム合金製ピストンのピストンリ
ング溝にピストンリングを装着すると、エンジンの高
速、高出力化に伴い、高温に曝されるとともに、ピスト
ンリング溝の上下面がピストンリングにより叩かれるこ
とにより、ピストン材であるAlがピストンリングの下面
に付着するアルミ凝着（以下、Al凝着ともいう）およ
び、ピストン材であるAlがピストンリングに付着するこ
とによる、ピストンリング溝下面の荒れ（以下、溝荒れ
ともいう）が生じる。このようなアルミ凝着及び溝荒れ
が発生すると、ピストンリングの上、下面シール性が低
下して燃焼ガスがリング溝上、下面の隙間を通って吹き
抜ける、いわゆるブローバイの増加をもたらし、エンジ
ンの出力低下を惹き起こす。

【０００４】このようなピストンリングへのAl凝着及び
溝荒れを防止するため、従来から、ピストンへの対策と
して、ピストンに陽極酸化による硬質アルマイト処理を
施すことが行われていた。しかし、硬質アルマイト処理
は、処理コストが高く、製造コストが高騰するという問
題があった。一方、ピストンリングへの対策として、例
えば、実開昭60-82552号公報には、ピストンリングの少
なくとも下面上に、下地皮膜としての燐酸塩皮膜又は四
三酸化鉄皮膜を施し、その上に固体潤滑剤を含有する耐
熱、耐摩耗性樹脂皮膜を形成したピストンリングが提案
されている。しかし、下地皮膜の形成処理を施すと、ピ
ストンリングの耐疲労性が低下するという問題に加え、
耐熱、耐摩耗性樹脂皮膜に含まれる固体潤滑剤が摩滅し
たり、 脱落したりして、Al凝着が発生するという問題も
あった。

【０００５】このような問題を解決するため、特開平１
-307568 号公報には、ピストンリング上、下面の少なく
とも下面に窒化層が形成されかつ該窒化層の下面上にさ
らに固体潤滑剤を含有する耐熱耐摩耗性の樹脂皮膜が形
成されたピストンリングが提案されている。しかし、特
開平１-307568 号公報に記載された技術により製造され
たピストンリングでも、耐熱、耐摩耗性樹脂皮膜に保持
されていた固体潤滑剤が摩滅したり、脱落したする場合
があり、Al凝着が発生するという問題もあった。また、
耐熱、耐摩耗性樹脂皮膜の形成のために、塗布、 焼成処
理を必要とするため、窒化層の硬さが低下し、 耐疲労性
が低下するという問題もあった。

【０００６】また、特開平９-184079 号公報には、燐酸
塩化成処理による第１の皮膜層と、固体潤滑剤粒子を含
有する耐熱耐摩耗性樹脂より構成される第２の被覆層と
の積層構造を有し、燐酸塩化成処理膜の最表面部の結晶
粒子の間に隙間が形成され、この隙間が固体潤滑剤の粒
子を埋収する幅および深さを有する、耐摩耗部材が提案
されている。特開平９-184079 号公報に記載された耐摩
耗部材では、固体潤滑剤粒子の脱落が少なく、潤滑機能
が長時間維持され、凝着摩耗の発生が妨げられるとして
いる。

【０００７】

【発明の解決しようとする課題】しかしながら、特開平
９-184079 号公報に記載された技術においても、固体潤
滑剤粒子を含む耐熱耐摩耗性樹脂被覆層を形成するため
に、加熱する必要がある。この加熱により、Crめっき被
膜の硬さが低下し、耐疲労性が低下するという問題が残
されていた。

【０００８】本発明は、上記した従来技術の問題を有利
に解決し、ピストンリングの諸特性を劣化させることな
く、アルミニウム合金製ピストンのリング溝からのAl凝
着を有効に防止できる、耐アルミ凝着性に優れた内燃機
関用ピストンリングおよびピストンリングとピストンリ
ング溝との組合せを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、耐熱耐摩
耗性樹脂被覆層を形成することなく、ピストンリングの
耐アルミ凝着性を改善する方策について、鋭意検討し
た。その結果、ピストンリング表面に潤滑剤粒子を高速
で噴射することにより、耐疲労性等のピストンリング諸
特性を劣化させることなく、ピストンリング溝からのAl
凝着を有効に防止できる潤滑剤被膜が形成でき、しかも
この被膜は耐久性があることを知見した。

【００１０】本発明は、上記した知見に基づき、 さらに
検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明
は、下記のとおりである。 （１）内燃機関用のピストンリングであって、該ピスト
ンリングの少なくとも下面表面に、潤滑剤粒子を噴射し
て形成した潤滑剤被膜を有することを特徴とする耐アル
ミ凝着性に優れた内燃機関用ピストンリング。 （２）（１）において、前記潤滑剤粒子が、二硫化モリ
ブデン粒子、二硫化タングステン粒子、金属錫粒子のう
ちから選ばれた１種であることを特徴とする内燃機関用
ピストンリング。 （３）（１）または（２）において、前記潤滑剤被膜
が、硬質被膜の上層として形成されたものであることを
特徴とする内燃機関用ピストンリング。 （４）（３）において、前記硬質被膜が窒化被膜である
ことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 （５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記ピ
ストンリングの外周表面に硬質被膜を有することを特徴
とする内燃機関用ピストンリング。 （６）（５）において、前記硬質被膜が、窒化被膜、Cr
めっき被膜、またはイオンプレーテイング被膜であるこ
とを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 （７）（１）ないし（６）のいずれかに記載の内燃機関
用ピストンリングを圧力ピストンリングとすることを特
徴とする内燃機関用圧力ピストンリング。 （８）内燃機関のアルミニウム合金製ピストンのピスト
ン溝と、該ピストン溝に装着されるピストンリングとの
組合せであって、前記ピストン溝の少なくとも下面また
は前記ピストンリングの少なくとも下面表面に、潤滑剤
粒子を噴射して形成した潤滑剤被膜を有することを特徴
とする耐アルミ凝着性に優れたピストンリングとピスト
ン溝との組合せ。 （９）（８）において、前記潤滑剤粒子が、二硫化モリ
ブデン粒子、二硫化タングステン粒子、金属錫粒子のう
ちから選ばれた１種であることを特徴とするピストンリ
ングとピストン溝との組合せ。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の内燃機関用ピストンリン
グは、少なくとも下面表面に、潤滑剤粒子を噴射して形
成した潤滑剤被膜を有する。本発明では、ピストンリン
グの材質は、特に限定する必要はなく、従来公知の材料
がいずれも好適に使用できるが、鋼製とすることが好ま
しい。

【００１２】内燃機関用ピストンリングは、通常、２本
の圧力リングと１本のオイルリングとから構成されるこ
とが多い。面圧が高く厳しい使用環境下で使用される第
一圧力リングには、鋳鉄製リングもあるが、Siを高めた
Si-Cr 鋼や、Crを10％以上に高めた鋼等を用いた鋼製ピ
ストンリングとすることが耐久性の観点から好ましい。
また、第一圧力リング用としては、耐久性向上のために
摺動面にガス窒化処理、硬質クロムめっき処理、複合め
っきや、イオンプレーテイング（ＰＶＤ処理）等の硬質
表面処理を施すことが好ましい。

【００１３】また、ディーゼルエンジンにおいては、燃
焼に曝される環境が厳しいため、第一圧力リング溝に
は、主にニレジスト鋳鉄製のピストントレーガーにより
ピストンリング溝を形成している。そのために、第一圧
力リング溝にはAl凝着は発生しない。従って、ディーゼ
ルエンジンでは、ピストントレーガーの無い第二圧力リ
ングに耐アルミ凝着性が求められるため、ディーゼルエ
ンジンの第二圧力リングには潤滑剤被膜を形成した本発
明のピストンリングを使用することが好ましい。

【００１４】本発明では、図１に示すように、少なくと
も、叩かれ面であるピストンリング１の下面表面、好ま
しくは鋼製ピストンリング１の下面、あるいはさらに上
面表面に、潤滑剤粒子を高速で噴射し、潤滑剤被膜２を
形成する。潤滑剤粒子を高速で噴射することにより、緻
密で密着性に優れた潤滑剤被膜を結合材を使用すること
なく形成することができる。

【００１５】図１（ａ）は、ピストンリング１の下面に
潤滑剤被膜２を形成した例を示す。図１（ｂ）は、ピス
トンリング１の上、下面に潤滑剤被膜２を形成した例で
ある。図１（ｃ）は、硬質被膜３の上層として、ピスト
ンリング１の上、下面に潤滑剤被膜２を形成した例であ
る。図１（ｄ）は、硬質被膜３をピストンリング１の外
周摺動面に形成し、硬質被膜３の上層として、ピストン
リング１の上、下面および外周面に潤滑剤被膜２を形成
した例である。なお、図示はしないが、硬質被膜３をピ
ストンリングの外周摺動面表面、さらに硬質被膜３を少
なくともピストンリングの下面に形成し、ピストンリン
グ下面にのみ硬質被膜３の上層として潤滑被膜２を形成
してもよい。

【００１６】潤滑剤被膜２を、少なくともピストンリン
グの下面に形成することにより、アルミニウム合金製ピ
ストンのリング溝からのAl凝着を顕著に防止できる。な
お、必要に応じピストンリング外周摺動面に形成され
る、硬質被膜は、窒化被膜、Crめっき被膜、またはイオ
ンプレーテイング被膜とすることが好ましい。窒化被膜
は、公知の窒化被膜形成方法で形成された被膜がいずれ
も適用できる。また、Crめっき被膜は積層Crめっき被膜
であっても何ら問題はない。イオンプレーテイング被膜
はCr−Ｎ系被膜、Cr−Ｂ−Ｎ系被膜あるいはTi−Ｎ系被
膜であっても何ら問題はない。なお、さらにピストンリ
ング外周摺動面にも、潤滑剤被膜２を形成しても何ら問
題はない。

【００１７】潤滑剤粒子の噴射方法としては、通常公知
のショットブラスト装置を利用した噴射方法がいずれも
好適である。なかでも、直圧式噴射装置、重力式噴射装
置等を使用して行うことが好ましいが、本発明ではこれ
に限定されるものではない。ピストンリング表面に形成
する潤滑剤被膜は、１〜20μm の厚さとすることが好ま
しい。被膜厚さが１μm 未満では膜厚が薄すぎて、潤滑
効果が少なくピストンリング溝からのAl凝着防止効果が
少なく、また耐久性が低下する。一方、20μｍを超える
と、膜厚が厚すぎて密着性が低下し、短期に膜剥離が生
じる等のトラブルがある。また、本発明における潤滑剤
膜は、ピストンリング表面に強固に付着形成されている
が、ピストンリング母材への潤滑剤（Mo，Ｓ）の拡散浸
透はなく、耐疲労性等のピストンリング特性の変化はな
いという特徴を有する。ピストンリング母材への潤滑剤
の拡散浸透がないことは、図２から理解できる。図２
は、表面に潤滑剤被膜が形成されたピストンリングの断
面について、表面から境界面を含みピストンリング母材
に向かって深さ方向にFe、Mo、Ｓの濃度を分析した濃度
曲線を模式的に示した説明図である。図２（ａ）はFe、
（ｂ）はMo、（ｃ）はＳの濃度曲線を示している。いず
れの元素も、潤滑材被膜と母材との境界面で著しい変化
を示している。従って、潤滑剤（Mo，Ｓ）のピストンリ
ング母材への拡散浸透はないといえる。

【００１８】潤滑剤被膜形成に際し使用する潤滑剤粒子
は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、金属錫の
うちから選ばれた１種とすることが好ましい。使用する
潤滑剤粒子は、平均粒径：0.4 〜50μｍの粉末とするこ
とが好ましい。噴射する潤滑剤粒子の平均粒径が0.4 μ
ｍ未満では、狙いの衝突エネルギーが得られず、潤滑剤
被膜の形成において脱落という問題があり、一方、平均
粒径が50μm を超えると、緻密で密着性に富む潤滑剤被
膜が形成されない。

【００１９】なお、本発明で用いる平均粒径は、JIS R
6001の規定に準拠して測定した値を用いるものとする。
上記したような潤滑剤粒子をピストンリング表面に噴射
する際の噴射速度あるいは噴射圧力は、所望の潤滑剤被
膜特性に応じ適宜決定することが好ましい。例えば、直
圧式噴射装置を用いる場合であれば、噴射速度は、100
ｍ／ｓ以上、好ましくは250 ｍ／ｓ以下の高速とするこ
とが好ましい。噴射速度が100 ｍ／ｓ未満では、形成さ
れる被膜の密着性が劣化し、さらに表面粗さが粗くな
り、被膜の耐久性が低下する。一方、250 ｍ／ｓを超え
て噴射速度を増加することは、エアー圧力が高くなりす
ぎるという問題もあるが、装置が大型化し経済的でな
い。

【００２０】100 ｍ／ｓ以上の高速でピストンリング表
面に噴射された潤滑剤粒子は、ピストンリング表面に衝
突し、減速されるとともに表面に強固に付着する。噴射
速度が低速となると、付着強度が低下し、被膜の剥離等
により被膜の耐久性が不足する。なお、噴射速度に代え
て、噴射圧力で制御してもよい。噴射圧力は 0.3 MPa以
上、好ましくは1.5 MPa 以下とすることが好ましい。

【００２１】潤滑剤被膜は、脱脂以外は、特別な下地処
理を行うことなくピストンリング母材表面にそのまま形
成してもよく、また窒化被膜等の硬質表面処理を施した
のち、形成してもよい。また、硬質表面処理を行わない
で潤滑剤被膜を形成するほうが、耐アルミ凝着性の向上
には有効である。このようなことから、本発明の潤滑剤
被膜を形成したピストンリングは、第一圧力リング用と
することがより好ましい。

【００２２】また、ピストンリングの少なくとも下面に
潤滑剤被膜を形成することにより、ピストンリング溝か
らのAl凝着は十分に防止できるが、ピストンリングの少
なくとも下面、あるいはピストンリング溝の少なくとも
下面に、ともに潤滑剤粒子を噴射して形成した潤滑剤被
膜を有する、ピストンリングとピストンリング溝との組
合せとすることにより、ピストンリングへのAl凝着の防
止がさらに確実となり、ピストンリングの耐アルミ凝着
性が顕著に向上する。なお、ピストンリング溝に形成す
る潤滑剤被膜は、被膜厚さ、形成方法等、ピストンリン
グに形成するものと同様でよい。

【００２３】

【実施例】表１に示す組成の鋼材（線材）を、所定の形
状に加工したのち、所望の強度となるように熱処理等で
調整して、鋼製ピストンリング（製品）とした。なお、
一部のピストンリングには、硬質表面処理を施し硬質被
膜を形成した。硬質被膜は、窒化被膜（硬さ：Hv 1050
）としガス窒化処理により形成した。また、一部のピ
ストンリングの外周摺動面表面には、Crめっき被膜、ま
たはイオンプレーテイング被膜を形成した。Crめっき被
膜は公知のフッ化浴を用いるCrめっき処理により形成し
た。また、イオンプレーテイング被膜はCr−Ｎ系被膜と
し公知の方法により形成した。

【００２４】これら鋼製ピストンリングに、表２に示す
条件で潤滑剤被膜を形成した。表２に示す潤滑剤粒子を
使用し、表２に示す条件で潤滑剤粒子をピストンリング
表面に噴射し、潤滑剤被膜を形成した。なお、従来例と
して、二硫化モリブデン粒子をポリアミド樹脂に混合
し、溶剤で溶かした塗布液を、ピストンリング表面に塗
布し、焼成して潤滑剤を含む樹脂被膜を形成した。

【００２５】これら潤滑剤被膜を表面に形成したピスト
ンリングから試験片を採取して、図３に示す試験機を用
いて、リング材12として叩き試験を実施した。ピストン
側材13としては、アルミニウム合金製ピストンの材料で
ある、ＡＣ８Ａ板を用いた。叩き試験は、ピストン側材
13を試験機11に対して、軸方向移動不能に固定し、試験
材であるリング材12をピストン側材13に同心に装着し、
リング材12の内周面側に備わっている円棒15を軸方向に
往復させることにより、リング材12に、回転しつつピス
トン側材13を叩く動作を付与する試験である。試験後、
リング材を取り出し、表面へのAl凝着の有無、およびリ
ング材の摩耗量、さらにピストン側材の摩耗量を調査し
た。なお、試験機11はヒータを有しており、被験材の温
度を高くすることができ、エンジン内の環境を再現する
ことができる。

【００２６】叩き試験の試験条件は下記のとおりであ
る。 ピストン側温度 ：240 ℃、260 ℃ 繰り返し数 ：500 回／min 回転数（リング材）：3.0 rpm 試験時間 ：２ｈ 得られた結果を表３に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】本発明例はいずれも、Alの凝着は認められ
ず、さらに摩耗量も少なく、ピストンリングの耐アルミ
凝着性が顕著に改善されている。一方、従来例は、ピス
トン側温度：240 ℃、260 ℃のいずれにおいても、Alの
凝着が認められ、さらに摩耗量が増加している。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、潤滑剤を含む樹脂被膜
の形成によらず、アルミニウム合金製ピストンのリング
溝からのAl凝着を有効に防止でき、内燃機関用ピストン
リングの耐久性が顕著に向上し、産業上格段の効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピストンリング表面の潤滑剤被膜形成
の一例を模式的に示す断面図である。

【図２】本発明のピストンリングの母材と潤滑剤被膜の
境界面近傍における元素の分析例を示す説明図である。

【図３】叩き試験を行う試験機の一部切欠き斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ ピストンリング ２ 潤滑剤被膜 ３ 硬質被膜 11 試験機 12 リング材（ピストンリング） 13 ピストン側材 14 ヒータ 15 円棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡崎 孝弘 埼玉県さいたま市本町西５丁目２番６号 日本ピストンリング株式会社与野工場内 Ｆターム(参考） 3J044 AA02 BA03 BA04 BB06 BB16 BB23 BB28 BB36 BB39 BC03 BC06 BC07 BC08 CA06 CB02 CB11 DA09 DA16

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関用のピストンリングであって、
   該ピストンリングの少なくとも下面表面に、潤滑剤粒子
   を噴射して形成した潤滑剤被膜を有することを特徴とす
   る耐アルミ凝着性に優れた内燃機関用ピストンリング。
2. 【請求項２】 前記潤滑剤粒子が、二硫化モリブデン粒
   子、二硫化タングステン粒子、金属錫粒子のうちから選
   ばれた１種であることを特徴とする請求項１に記載の内
   燃機関用ピストンリング。
3. 【請求項３】 前記潤滑剤被膜が、硬質被膜の上層とし
   て形成されたものであることを特徴とする請求項１また
   は２に記載の内燃機関用ピストンリング。
4. 【請求項４】 前記硬質被膜が窒化被膜であることを特
   徴とする請求項３に記載の内燃機関用ピストンリング。
5. 【請求項５】 前記ピストンリングの外周摺動面表面に
   硬質被膜を有することを特徴とする請求項１ないし４の
   いずれかに記載の内燃機関用ピストンリング。
6. 【請求項６】 前記硬質被膜が、窒化被膜、Crめっき被
   膜、またはイオンプレーテイング被膜であることを特徴
   とする請求項５に記載の内燃機関用ピストンリング。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の内
   燃機関用ピストンリングを、圧力ピストンリングとする
   ことを特徴とする内燃機関用圧力ピストンリング。
8. 【請求項８】 内燃機関のアルミニウム合金製ピストン
   のピストン溝と、該ピストン溝に装着されるピストンリ
   ングとの組合せであって、前記ピストン溝の少なくとも
   下面または前記ピストンリングの少なくとも下面表面
   に、潤滑剤粒子を噴射して形成した潤滑剤被膜を有する
   ことを特徴とする耐アルミ凝着性に優れたピストンリン
   グとピストン溝との組合せ。
9. 【請求項９】 前記潤滑剤粒子が、二硫化モリブデン粒
   子、二硫化タングステン粒子、金属錫粒子のうちから選
   ばれた１種であることを特徴とする請求項８に記載のピ
   ストンリングとピストン溝との組合せ。