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JP5681252B1 - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents

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Abstract

【課題】高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を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】ピストンリング用母材11に耐アルミニウム凝着皮膜12が被覆された、内燃機関用のピストンリング1であって、耐アルミニウム凝着皮膜12は、ピストンリング用母材11の上下側面11aおよび11bの少なくとも一方に被覆されたセラミックスからなることを特徴とする。【選択図】図1

Description

本発明は内燃機関用ピストンリングに関し、特に、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止できる内燃機関用ピストンリングに関するものである。
内燃機関において使用されるトップリング、セカンドリング、オイルリングの3つのピストンリングは、ピストンの表面に設けられたピストンリング溝にそれぞれ係合するように配置され、燃焼室から燃焼ガスが外部に漏洩するのを防止するガスシール機能、ピストンの熱を冷却されたシリンダ壁に伝達してピストンを冷却する熱伝導機能、および潤滑油としてのエンジンオイルをシリンダ壁に適量与えて余分なオイルを掻き出す機能を有している。
これら3つのピストンリングは、内燃機関の動作時、燃焼室における燃料の爆発によりピストンが往復運動する際に、ピストンのピストンリング溝内において、溝内面との間で衝突を繰り返している。また、ピストンリングは、ピストンリング溝内において、その周方向に摺動自在であるため、ピストンリング溝内を摺動する。ところで、ピストンリング溝の表面には、溝形成のための旋盤加工により、1μm程度の高さを有する突起が形成されており、上記したピストンリングとの衝突と摺動により突起が摩耗して、ピストンリング溝の表面にアルミニウム面が露出するようになる。
この露出したアルミニウム面は、衝突によりピストンリング側面と接触し、さらに摺動を繰り返すと、アルミニウム合金がピストンリング側面に凝着する現象である、アルミニウム凝着が発生する。これは特に、燃焼室に最も近くに位置し、高温条件下に置かれるトップリングにおいて顕著である。
このアルミニウム凝着がさらに進行すると、ピストン溝の摩耗が急速に進行し、ピストンリングがリング溝に固着し、ピストンリングのガスシール機能が低下して、高圧の燃焼ガスが燃焼室からクランク室へ流出する、いわゆるブローバイと呼ばれる現象が生じ、エンジン出力の低下を招く問題がある。
こうした状況を受けて、これまで、ピストンリングのアルミニウム凝着を防止する様々な技術が提案されてきた。例えば、特許文献1には、ピストンリング溝と衝突および摺動するピストンリングの側面に、カーボンブラック粒子を含有する樹脂系皮膜を設けることにより、なじみ性を向上させてアルミニウム凝着を防止する技術について記載されている。
また、特許文献2には、ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一または二以上の粉末を表面皮膜全体に対して10〜80質量%含有する耐熱樹脂を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、ピストンリングへのアルミニウム凝着を効果的に防止する技術について記載されている。
しかし、特許文献1および2に記載された皮膜の場合、エンジン内の温度が上昇すると、耐アルミニウム凝着性が低下する問題があった。そこで、特許文献3には、硬質粒子を含有する、固体潤滑機能を有するポリイミド皮膜を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、230℃を超える高温条件下においても、長期に亘って高い耐アルミニウム凝着性を維持する技術について記載されている。
さらに、特許文献4には、樹脂系皮膜に代えて、少なくともシリコンを含有する第1ダイヤモンド・ライク・カーボン(Diamond Like Carbon、DLC)皮膜と、該第1DLC皮膜の下に形成された少なくともWまたはW、Niを含有する第2DLC皮膜を、ピストンリングの上下側面に設けることにより、耐アルミニウム凝着性、耐スカッフ性および耐摩耗性に優れたピストンリングを提供する技術について記載されている。
特開2007−278495号公報 特開2008−248986号公報 国際公開第2011/071049号パンフレット 特開2003−014122号公報
ところで、近年、車のダウンサイジングが進んでおり、燃費を向上させるために排気量が小さくなり、その結果、エンジン内の温度および圧力が益々上昇している。しかしながら、特許文献3のような、樹脂系皮膜では、260℃を超える高温条件下、エンジン内の圧力が10MPaを超えるような高負荷条件下では、長期に亘って耐アルミニウム凝着性を維持するのは困難である。
また、特許文献4に記載されたDLC皮膜は、260℃を超える高温条件下ではダイヤモンドがグラファイト化してしまい、DLC皮膜本来の特性を発揮して耐アルミニウム凝着性を維持することは困難である。
このように、260℃を超える高温およびエンジン内の圧力が10MPaを超える高負荷条件下においても長期に亘って耐アルミニウム凝着性を維持するピストンリングが希求されていた。
そこで、本発明の目的は、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止できる内燃機関用ピストンリングを提供することにある。
発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、260℃を超える高温条件下においても高い耐久性を有するセラミックスからなる耐アルミニウム凝着皮膜をピストンリング部材の表面に被覆することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)ピストンリング用母材に耐アルミニウム凝着皮膜が被覆された、内燃機関用のピストンリングであって、前記耐アルミニウム凝着皮膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆されたセラミックスからなり、前記耐アルミニウム凝着皮膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミニウム凝着皮膜の表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。

Ra<−8.7×10 -5 HV+0.39 (A)
(2)前記耐アルミニウム凝着皮膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミニウム凝着皮膜の厚みh(μm)とが以下の式(B)を満たす、前記(1)に記載の内燃機関用ピストンリング。

h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
(3)前記耐アルミニウム凝着皮膜のビッカース硬さHVは500以上2800以下である、前記(1)または(2)に記載の内燃機関用ピストンリング。
(4)前記耐アルミニウム凝着皮膜の表面の算術平均粗さは0.3μm以下である、前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。
(5)前記耐アルミニウム凝着皮膜の厚さは0.1μm以上20μm以下である、前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。
(6)前記耐アルミニウム凝着皮膜を構成するセラミックスは、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムからなる群から選ばれる少なくとも一種からなる、前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。
本発明によれば、セラミックスからなる耐アルミニウム凝着皮膜をピストンリング母材の上下側面の少なくとも一方に被覆したため、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止することができる。
ピストンリング溝に係合した状態の本発明に係る内燃機関用ピストンリングの模式断面図である。 実施例に使用したエンジン模擬試験装置の模式図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、ピストンリング溝に係合した状態の本発明に係る内燃機関用ピストンリングの模式断面図である。この図に示した内燃機関用ピストンリング1は、ピストンリング用母材11に耐アルミニウム凝着皮膜12が被覆された内燃機関用のピストンリングである。ここで、耐アルミニウム凝着皮膜12は、ピストンリング用母材11の上下側面11aおよび11bの少なくとも一方に被覆されたセラミックスからなることが肝要である。
図1に示すように、ピストンリング1は、ピストンリング溝21内に係合した状態で、シリンダ24の側壁とピストン20との間の隙間を塞ぎ、燃焼ガスおよびオイルをシールする。そして、ピストンリング1は、ピストン5の往復運動(図中の矢印方向の運動)にピストンリング1が追従し、ピストンリング溝21内で上下運動が起こり、ピストンリング1とピストンリング溝21の上面22および下面23との間で衝突を繰り返す。また、ピストンリング1がピストンリング溝21内において周方向に摺動自在であるため、ピストンリング1がピストンリング溝21の上面22および下面23と接触しながら摺動を繰り返す。
これらピストンリング1とピストンリング溝21の上面22および下面23との間の衝突および摺動の繰り返しにより、ピストンリング溝21の上面22および下面23上に形成されている突起(図示せず)が削られて、突起跡を中心としたアルミニウム面が生じる。ここで、本発明においては、耐アルミニウム凝着皮膜12を、高温条件下でも高い耐久性を有するセラミックスで構成するため、ピストンリング溝21の上面22および下面23との間で、アルミニウム面が削られて初晶シリコンが表面に突き出ているなじみ面を形成して、アルミニウム凝着を防止できるのである。以下、ピストンリング1の要件について説明する。
ピストンリング用母材11の材料は、ピストンリング溝21との衝突に耐える強度を有していれば、特に限定されない。鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等とすることが好ましい。また、耐摩耗性を向上させるため、側面に、ステンレス鋼では窒化処理、鋳鉄では硬質Crめっきや無電解ニッケルめっき処理が施された母材であってもよい。
耐アルミニウム凝着皮膜12を構成するセラミックスは、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムからなる群から選ばれる少なくとも一種とすることができる。このうち、ピストンリング溝21の表面に形成されたなじみ面表層の初晶シリコンのビッカース硬さHVが1000程度であること、およびピストン素材との相性の点から、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種とすることが好ましい。
また、耐アルミニウム凝着皮膜12のビッカース硬さHVは、500以上2800以下とすることが好ましい。ここで、ビッカース硬さを500以上とすることにより、耐アルミニウム凝着皮膜12の十分な硬度を確保して、ピストンリング溝21の表面に形成されたなじみ面表層の初晶シリコン(ビッカース硬さ1000程度)によって、耐アルミニウム凝着皮膜12が著しく摩耗することを抑制することができる。また、ビッカース硬さを2800以下とすることにより、なじみ面表層の初晶シリコンを破壊する割合を抑制して、ピストン材が著しく摩耗するのを防止することができる。
耐アルミニウム凝着皮膜12の表面粗さは0.3μm以下とすることが好ましい。このような表面粗さを有するセラミックスからなる耐アルミニウム凝着皮膜12は、ピストンリング溝と接触した場合にも面圧を抑制してピストン材の攻撃を低減し、ピストン材の摩耗量の増加を抑制することができる。なお、本発明において、セラミックスの表面粗さは、JISB0601(1994)に基づく算術平均粗さRaを意味しており、表面粗さ測定装置を用いて測定する。
ここで、耐アルミニウム凝着皮膜12のビッカース硬さHVと表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たすことが好ましい。
Ra<−8.7×10−5HV+0.39 (A)
発明者らは、様々な材料、ビッカース硬さ、表面粗さ、膜厚を有する耐アルミニウム凝着皮膜12をピストンリング母材11上に形成し、得られたピストンリング1の耐アルミニウム凝着性能およびピストン材の摩耗量を評価した。その結果、耐アルミニウム凝着皮膜12のビッカース硬さHVと表面の算術平均粗さRaが上記式(A)を満足する場合に、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、表面の算術平均粗さRaを耐アルミニウム凝着皮膜12の硬さに応じた適切な値とすることにより、ピストンリング1とピストンリング溝21の上面22と下面23とが接触する際に、それらの間の面圧を低減できるためと考えられる。
さらに、耐アルミニウム凝着皮膜12の厚さは、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。この範囲とすることにより、ここで、0.1μm以上とすることにより、セラミックスの表面粗さに対して皮膜の膜厚が十分となり、均質な皮膜となり、摩耗量を低減することができる。また、20μm以下とすることにより、ピストンリング溝21における十分なクリアランスを確保して、上記したピストンリングの機能を実行させることができる。
ここで、耐アルミニウム凝着皮膜12のビッカース硬さHVと膜厚h(μm)とが以下の式(B)を満たすことが好ましい。
h>−2.9×10−4HV+0.89 (B)
発明者らは、上記式(A)の場合と同様に、耐アルミニウム凝着皮膜12のビッカース硬さHVと膜厚が上記式(B)を満足する場合にも、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、膜厚hを耐アルミニウム凝着皮膜12の硬さに応じた適切な値とすることにより、耐アルミニウム凝着皮膜12が摩滅することなくピストン材の摩耗を抑制できるためと考えられる。
こうした耐アルミニウム凝着皮膜12は、既知の様々な方法により形成できる。具体的には、溶射、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition、CVD)、物理気相成長法(Physical Vapor Deposition、PVD)、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、ゾル・ゲル法等を用いて、適切な成膜条件下で成膜を行うことにより、本発明に係るピストンリングを作製することができる。
こうして、本発明に係るピストンリングは、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止できるものである。
<ピストンリングの作製>
以下、本発明の実施例について説明する。
低クロム鋼からなるピストンリング母材の上下側面に、表1〜3に示す材料、ビッカース硬さ、表面粗さ、および膜厚を有する皮膜を形成した。ここで、発明例4、7、11、13、21〜23、29〜34については、エアロゾルデポジション法により、発明例8、12、14〜17については、溶射法により、発明例1、6、9、10、18〜20、24〜28についてはCVD法により、発明例2、3、5についてはPVD法により皮膜を形成し、ピストンリングを作製した。
一方、比較例1および2については、後述する各組成に調整した塗料をスプレーコーティングにより皮膜を形成し、ピストンリングを作製した。
また、比較例3については、無電解めっき法により皮膜を形成し、ピストンリングを作製した。
さらに、比較例4については、PVD法により皮膜を形成し、ピストンリングを作製した。
なお、表1において、発明例14〜17は、耐アルミニウム凝着皮膜が2種類のセラミックスからなり、発明例14は、AlとSiOを3:2で混合したもの、発明例15は、MgOとSiOを2:1で混合したもの、発明例16は、Alに3質量%のTiOを添加したもの、発明例17は、Alに40質量%のTiOを添加したものである。
また、比較例1の樹脂皮膜Aは、MoS粉末(平均粒径2μm)を5質量%、グラファイト粉末(平均粒径2μm)を5質量%含有するポリイミド樹脂皮膜である。
さらに、比較例2の樹脂皮膜Cは、Al粉末(平均粒径0.5μm)を10質量%含有するポリイミド樹脂皮膜である。
Figure 0005681252
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発明例1〜34および比較例1〜4のピストンリングの耐アルミニウム凝着性能を評価した。そのために、図2に示したエンジン模擬試験装置を使用した。図2に示したエンジン模擬試験装置30は、ピストン32が上下に往復運動を行い、ピストンリング33が回転運動を行う機構を有しており、試験は、ヒーター31、温度コントローラー34および熱電対35により、ピストン32を加熱制御して行った。試験条件は、面圧11MPa、リング回転速度3mm/s、制御温度265℃、試験時間5時間とし、窒素ガスとともに、オイルを所定の間隔で一定量噴射しながら行った。試験後に、ピストンリングの皮膜残存量およびアルミニウム凝着の発生の有無を調べた。得られた結果を表1〜3に示す。なお、皮膜残存量の評価基準は以下のとおりである。
◎:0.8μm以上
○:0.4μm以上0.8μm未満
△:0μm超え0.4μm未満
×:皮膜なし
また、アルミニウム凝着性能の評価は、目視で確認した。得られた結果を表1〜3に示す。なお、アルミニウム凝着性能の評価基準は以下の通りである。
◎:アルミニウム凝着の発生なし
○:アルミニウム凝着が発生しているが極めて軽微
×:アルミニウム凝着が発生している
ピストン材の摩耗量は、試験後のピストン材表面を形状測定して基準面からの深さを算出した。得られた結果を表1〜3に示す。なお、摩耗量の評価基準は以下の通りである。
◎:1.0μm未満
○:1.0μm以上2.0μm未満
△:2.0μm以上3.0μm未満
×:3.0μm以上
ピストンリングの耐アルミニウム凝着性能およびピストン材の摩耗量の評価結果から、ピストンリングの性能を総合的に評価した。得られた結果を表1〜3に示す。なお、摩耗量の評価基準は以下の通りである。
◎:優良
○:良好
△:比較的良好
×:悪い
ここで、総合評価は、皮膜が残存、アルミニウム凝着がなし、ピストン材摩耗量が1.0μm未満の皮膜を◎、皮膜がなし、アルミニウム凝着がある、ピストン材摩耗量が3.0μm以上の皮膜を×、それ以外を○または△とした。全ての評価項目で×がない皮膜を○、全ての評価項目で×が1〜2の皮膜を△とした。
<耐アルミニウム凝着性能の評価>
表1〜3に示すように、発明例1〜34のピストンリングの全てについて、アルミニウム凝着が発生しなかった。発明例24および29については、皮膜の膜厚が薄く、試験後に被膜が消失してアルミニウム凝着が発生していたが、無視できる程度の極めて軽微なものであり、問題のない程度のものであった。
一方、比較例1および2については、試験後に皮膜が全く残っておらず、アルミニウム凝着が発生していた。また、比較例3については、比較例1および2と同様、試験後に皮膜が全く残っておらず、アルミニウム凝着が発生していたが、ごく軽微なものであった。
さらに、比較例4については、皮膜残存量が多く、アルミニウム凝着は発生しなかった。
<ピストン材摩耗量の評価>
表1〜3に示すように、発明例20および23、24および29を除く発明例については、ピストン摩耗量は1μm未満であった。皮膜の表面粗さが比較的大きい発明例20および23については、摩耗量が3μm以上と多かった。また、膜厚が比較的薄い発明例24および29についても、摩耗量が2μm以上3μm未満と,やや多かった。
一方、比較例1および2については、摩耗量が3μm以上と多かった。また、比較例3については、摩耗量はやや多かったものの、比較例4については、摩耗量は少なかった。
また、表2は、皮膜の表面粗さとピストン材の摩耗量との関係を示しており、皮膜のビッカース硬さと表面粗さが式(A)を満足する発明例18、19、21および22については、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。表1に示した発明例1〜17も式(A)を満足しており、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。
さらに、表3は、皮膜の膜厚とピストン材の摩耗量との関係を示しており、皮膜のビッカース硬さと膜厚が式(B)を満足する発明例25〜28、30〜34については、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。表1に示した発明例1〜17も式(B)を満足しており、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。
<総合評価>
実施例1〜34の全てに対して、優良または比較的良好以上の評価が与えられた。特に、耐アルミニウム凝着皮膜のビッカース硬さおよび表面粗さが式(A)を満足する場合、あるいはビッカース硬さおよび膜厚が式(B)を満足する場合の全てについて、優良の評価が与えられ、すなわち、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有するピストンリングが得られたことが分かる。
これに対して、樹脂皮膜が設けられた比較例1および2については、耐アルミニウム凝着性能およびピストン材摩耗量の双方について劣っていた。
また、ニッケル皮膜が設けられた比較例3およびDLC皮膜が設けられた比較例4については、耐アルミニウム凝着性能は良好あるいは優良であったが、ピストン材摩耗特性はやや劣っていた。
本発明によれば、セラミックスからなる耐アルミニウム凝着皮膜をピストンリング母材の上下側面の少なくとも一方に被覆することにより、高温下でも長期に亘ってアルミニウム凝着を防止することができるため、自動車部品製造業に有用である。
1,33 ピストンリング
11 ピストンリング用母材
11a ピストンリング用母材の上側側面
12b ピストンリング用母材の下側側面
12 耐アルミニウム凝着皮膜
20,32 ピストン
21 ピストンリング溝
22 ピストンリング溝の上面
23 ピストンリング溝の下面
24 シリンダ
30 エンジン模擬試験装置
31 ヒーター
34 温度コントローラー
35 熱電対

Claims (6)

  1. ピストンリング用母材に耐アルミニウム凝着皮膜が被覆された、内燃機関用のピストンリングであって、
    前記耐アルミニウム凝着皮膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆されたセラミックスからなり、
    前記耐アルミニウム凝着皮膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミニウム凝着皮膜の表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。

    Ra<−8.7×10 -5 HV+0.39 (A)
  2. 前記耐アルミニウム凝着皮膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミニウム凝着皮膜の厚みh(μm)とが以下の式(B)を満たす、請求項1に記載の内燃機関用ピストンリング。

    h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
  3. 前記耐アルミニウム凝着皮膜のビッカース硬さHVは500以上2800以下である、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. 前記耐アルミニウム凝着皮膜の表面の算術平均粗さは0.3μm以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。
  5. 前記耐アルミニウム凝着皮膜の厚さは0.1μm以上20μm以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。
  6. 前記耐アルミニウム凝着皮膜を構成するセラミックスは、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムからなる群から選ばれる少なくとも一種からなる、請求項1〜のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。
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