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JPH07116985B2 - Internal combustion engine - Google Patents

Internal combustion engine

Info

Publication number
JPH07116985B2
JPH07116985B2 JP63191946A JP19194688A JPH07116985B2 JP H07116985 B2 JPH07116985 B2 JP H07116985B2 JP 63191946 A JP63191946 A JP 63191946A JP 19194688 A JP19194688 A JP 19194688A JP H07116985 B2 JPH07116985 B2 JP H07116985B2
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JP
Japan
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piston ring
cylinder bore
internal combustion
oil
film
Prior art date
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Application number
JP63191946A
Other languages
Japanese (ja)
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JPH0240059A (en
Inventor
慎治 加藤
良雄 不破
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP63191946A priority Critical patent/JPH07116985B2/en
Publication of JPH0240059A publication Critical patent/JPH0240059A/en
Publication of JPH07116985B2 publication Critical patent/JPH07116985B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087Ceramic materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/04Heavy metals
    • F05C2201/0433Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0466Nickel

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はシリンダボアとピストンリングとの摺動部の構
造に特色がある内燃機関に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an internal combustion engine having a characteristic structure of a sliding portion between a cylinder bore and a piston ring.

[従来の技術] シリンダブロックの軽量化のために、アルミニウム合金
(A390、AC4C等)を採用すると、シリンダボアのトップ
リング上死点における段付き摩耗およびピストンリン
グ、ピストンスカートとのスカッフィングの発生が問題
となる。そこで、乾式で薄肉の片状黒鉛鋳鉄(F23C等)
シリンダライナをシリンダブロックに圧入する方法が一
般に行なわれている。この場合、シリンダブロックとシ
リンダライナとのはめあいを適度なしまりばめにすると
こが必要で、不適切な場合には、フレッティング摩耗お
よびヒートスポット発生によるスカッフ発生等の問題が
生じる。
[Prior Art] If aluminum alloy (A390, AC4C, etc.) is used to reduce the weight of the cylinder block, stepped wear at the top dead center of the cylinder bore and scuffing with the piston ring and piston skirt are problems. Becomes So, dry type and thin flake graphite cast iron (F23C etc.)
A method of press-fitting a cylinder liner into a cylinder block is generally used. In this case, it is necessary that the fit between the cylinder block and the cylinder liner be a proper interference fit, and if inappropriate, problems such as fretting wear and scuffing due to heat spots occur.

この問題を解決するために提案されたのが特開昭62−29
749号公報の発明であって、この発明は、シリンダライ
ナの表面に形成されためっき皮膜層に皮膜層を強化する
微粒子を分散させると共にNiP化合物を析出させたNi複
合めっきであり、このシリンダライナと表面にクロムめ
っきを施したピストンリングとを組み合わせた内燃機関
の摺動部の構造である。
JP-A-62-29 has been proposed to solve this problem.
The invention of Japanese Patent No. 749, wherein the present invention is a Ni composite plating in which fine particles for strengthening a coating layer are dispersed in a plating coating layer formed on the surface of a cylinder liner and a NiP compound is deposited, the cylinder liner It is a structure of a sliding portion of an internal combustion engine in which a piston ring whose surface is plated with chrome is combined.

内燃機関用ピストンリングは、燃焼室の機密性を保持す
るための圧力リングと、ピストンリングおよびシリンダ
ーライナー間の潤滑油膜を調整するための油かきリング
により構成されている。第1図に内燃機関のシリンダボ
アの部分断面図を示す。第1図において1はシリンダラ
イナ、2はシリンダブロック、3a、3b、3cは圧力リン
グ、3dは油かきリング、4はピストンである。このピス
トンリングのうち、圧力リングはピストンヘッドの直下
に遊嵌され燃焼ガスの影響を大きく受けるものであり、
耐摩耗性、耐スカッフィング性および耐熱性等が要求さ
れる。
The piston ring for an internal combustion engine is composed of a pressure ring for maintaining the airtightness of the combustion chamber and an oil scraping ring for adjusting the lubricating oil film between the piston ring and the cylinder liner. FIG. 1 shows a partial sectional view of a cylinder bore of an internal combustion engine. In FIG. 1, 1 is a cylinder liner, 2 is a cylinder block, 3a, 3b and 3c are pressure rings, 3d is an oil scraping ring, and 4 is a piston. Of these piston rings, the pressure ring is loosely fitted directly below the piston head and is greatly affected by combustion gas.
Wear resistance, scuffing resistance and heat resistance are required.

ピストンリングについては、近年、内燃機関の軽量化、
高出力化および高回転化に伴い、圧力リングの薄幅化が
積極的に進められてきた。このピストンリングの薄幅化
は、ピストンリングを軽量化し、ピストンリング溝内で
のピストンリングの挙動の安定化、油膜厚さが薄くでき
ることによる潤滑油消費量の改善が図られる。
Regarding piston rings, in recent years, the weight reduction of internal combustion engines,
With the increase in output and rotation, the width of the pressure ring has been actively reduced. The reduction in width of the piston ring reduces the weight of the piston ring, stabilizes the behavior of the piston ring in the piston ring groove, and improves the consumption of lubricating oil by reducing the oil film thickness.

しかし、このようにピストンリングの薄幅化が進められ
ると、油膜厚さが薄くなり摩耗が増大し寿命が短くなる
ので、従来一般的であった鋳鉄製のリングや、炭素鋼、
シリクローム鋼、あるいはオイルテンパー線製のリング
では使用に耐えなくなってきた。すなわち、鋳鉄製のリ
ングでは軸方向に薄いものが製造しがたく、かつ耐折損
強度の点で不十分であり、シリクローム鋼リングは高温
での強度が小さいため比較的断面積の大きいものとな
り、慣性が大きくフラッタリング現象を起こしやすい。
そこで、最近ではピストンリングの材料として工具鋼、
ばね鋼およびステンレス鋼が用いられるようになってお
り、特にステンレス鋼としては13Crマルテンサイト系ス
テンレス鋼(0.65C−13.5Cr−0.3Mo−0.1V)が圧力リン
グとして用いられ好結果が得られている。
However, when the piston ring is made thinner in this way, the oil film thickness becomes thinner and wear increases and the service life becomes shorter.
Rings made of sili- chrome steel or oil tempered wires have become unusable. That is, it is difficult to manufacture a cast iron ring that is thin in the axial direction, and it is insufficient in terms of breakage strength.Silicone steel rings have a relatively large cross-sectional area because of their low strength at high temperatures. , Inertia is large and fluttering phenomenon is likely to occur.
Therefore, recently, tool steel as a material for piston rings,
Spring steel and stainless steel have been used. Especially, as the stainless steel, 13Cr martensitic stainless steel (0.65C-13.5Cr-0.3Mo-0.1V) is used as a pressure ring and good results have been obtained. There is.

しかし、これらマルテンサイト系ステンレス鋼製のピス
トンリングも、摩擦摩耗の激しいエンジンに用いた場
合、未だ耐摩耗性および耐スカッフィング性の点におい
て不十分である。また、マルテンサイト系ステンレス鋼
を用いガス窒化処理した圧力リングでは、ピストンへの
組付強度が十分でなく、必要以上に合い口を広げると折
損するという問題がある。さらに、この圧力リングは耐
スカッフ性に対する要求が厳しい内燃機関に関しては、
不十分な性能で、スカッフするという問題がある。
However, these piston rings made of martensitic stainless steel are still insufficient in terms of wear resistance and scuffing resistance when used in an engine with severe friction and wear. Further, the pressure ring gas-nitrided using martensitic stainless steel has a problem that the strength of assembling to the piston is not sufficient, and breakage occurs if the mating opening is unnecessarily widened. In addition, this pressure ring is suitable for internal combustion engines with high requirements for scuff resistance.
There is a problem of scuffing due to insufficient performance.

そこで、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼製のピス
トンリングの耐摩耗性をさらに改善すべくなされたの
が、特願昭62−146006号の発明であって、この発明では
CrおよびCの含有量を増加することによりCrの炭化物を
従来鋼より多量に形成せしめ、耐摩耗性に改善が行なわ
れている。また、特願昭62−230446号の発明では、前記
マルテンサイト系ステンレス鋼にさらにAlを添加するこ
とにより、熱間加工性および冷間加工性を殆ど低下させ
ずに耐摩耗性を改善したものである。なお、前記発明に
おいては、窒化処理等の表面処理を施すことによって、
さらに耐摩耗性を向上することができる。
Therefore, the invention of Japanese Patent Application No. 62-146006 was made to further improve the wear resistance of the conventional martensitic stainless steel piston ring.
By increasing the contents of Cr and C, the carbide of Cr is formed in a larger amount than that of the conventional steel, and the wear resistance is improved. In the invention of Japanese Patent Application No. 62-230446, by further adding Al to the martensitic stainless steel, the wear resistance is improved without substantially reducing the hot workability and the cold workability. Is. In the above invention, by performing a surface treatment such as nitriding treatment,
Further, the wear resistance can be improved.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、レーシングエンジンのごとく、エンジン
油として低粘度油を用い、高油温、高水温、高回転で運
転されるエンジンでは、燃料希釈も多くより低粘度化さ
れ、潤滑も十分に行うことができないため、ピストンリ
ングとの摺動部においてスカッフを発生することがあ
る。
[Problems to be Solved by the Invention] However, an engine that uses a low-viscosity oil as an engine oil, such as a racing engine, and is operated at a high oil temperature, a high water temperature, and a high rotation speed, has a large amount of fuel dilution and has a lower viscosity. Since lubrication cannot be performed sufficiently, scuffing may occur at the sliding portion with the piston ring.

また、Niベース複合めっき被膜をもつシリンダボアの場
合も、硬質クロムめっきおよび特殊合金鋳鉄製ピストン
リングとの組み合わせでは、FC23製シリンダライナをも
つシリンダボアの場合と同程度の耐スカッフ性であり、
必要な耐スカッフ性が得られていなかった。さらに、Ni
ベース複合めっき被膜シリンダボアの場合は、硬質粒子
が被膜の耐摩耗性を確保しているが、この硬質粒子が摺
動面において凸部を形成するために、相手ピストンリン
グを摩耗させ、硬質クロムめっきおよび鋳鉄製のピスト
ンリングでは、FC23製シリンダライナをもつシリンダボ
アの場合よりも著しくピストンリングの摩耗が増大し、
オイル消費性能の悪化や、ブローバイガス量の増大によ
りエンジン性能を低下させていた。
Also, in the case of a cylinder bore with a Ni-based composite plating film, when combined with a hard chrome plating and a piston ring made of special alloy cast iron, it has the same scuff resistance as that of a cylinder bore with a FC23 cylinder liner.
The required scuff resistance was not obtained. In addition, Ni
In the case of base composite plated cylinder bores, hard particles ensure the wear resistance of the coating, but since these hard particles form protrusions on the sliding surface, they cause wear on the mating piston ring and hard chrome plating. And cast iron piston rings have significantly increased piston ring wear compared to cylinder bores with FC23 cylinder liners,
Engine performance was reduced due to deterioration of oil consumption performance and increase of blow-by gas.

本発明は内燃機関のシリンダボアの摺動部における前記
のごとき問題点に鑑みてなされたもので、耐摩耗性、耐
スカッフ性および耐食性を兼ね備えた内燃機関を提供す
ることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems in the sliding portion of the cylinder bore of an internal combustion engine, and an object thereof is to provide an internal combustion engine having both wear resistance, scuff resistance, and corrosion resistance.

[課題を解決するための手段] 本発明者等は前記目的を達成するため、シリンダボアと
ピストンリングの摺動の機構について鋭意研究を重ね
た。その結果、シリンダボアの摺動面を形成するNiベー
ス複合めつき皮膜は、マトリックス中に硬さの高い硬質
物質が分散されているので、摩擦面に硬質物質からなる
凸部とマトリックスからなる凹部が形成され、この凹部
が油だまりとなって、油切れが起こりにくくなることを
見出だした。そこで、相手材であるピストンリングにも
Cr炭窒化物からなる硬質物質をマトリックス中に晶出せ
しめて、シリンダボアと同様の機構により、摩擦面を形
成せしめることを着想し本発明を完成した。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the inventors of the present invention have conducted extensive studies on the mechanism of sliding between the cylinder bore and the piston ring. As a result, since the Ni-based composite plating film forming the sliding surface of the cylinder bore has a hard material with high hardness dispersed in the matrix, the friction surface has a convex portion made of the hard material and a concave portion made of the matrix. It was found that, when formed, these recesses became oil pools, and oil shortage was less likely to occur. Therefore, for the mating material piston ring
The present invention has been completed on the idea that a hard material made of Cr carbonitride is crystallized in a matrix and a friction surface is formed by a mechanism similar to that of a cylinder bore.

本発明の内燃機関は、皮膜強化微粒子を分散したNiもし
くはNiのP化合物からなるNi複合めっき層を表面に施し
たシリンダボアと、粒径2μm以上の炭窒化物が面積率
で3%以上晶出し少なくとも前記シリンダボアとの摺動
面にガス窒化処理を施したピストンリングとからなるこ
とを要旨とする。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The internal combustion engine of the present invention has a cylinder bore having a surface on which a Ni composite plating layer composed of Ni or a P compound of Ni in which film-reinforced particles are dispersed, and a carbonitride having a particle size of 2 μm or more are crystallized in an area ratio of 3% or more. The gist of the present invention is that it comprises at least a piston ring that is gas-nitrided on the sliding surface with respect to the cylinder bore.

本発明で用いられるNiベース複合めっきは、慣用されて
いる周知のめっき液に、皮膜層内に分散させて皮膜の硬
度を上げる皮膜強化微粒子を懸濁させ、さらにNiのP化
合物を析出させてめっき皮膜層のマトリックスを強化す
るために、適当量のP化合物を添加する。
The Ni-based composite plating used in the present invention is prepared by suspending film-reinforcing fine particles, which are dispersed in the film layer to increase the hardness of the film, in a commonly used well-known plating solution, and further depositing a P compound of Ni. An appropriate amount of P compound is added to strengthen the matrix of the plating layer.

本発明においてシリンダボアのめっき層に分散させる皮
膜強化微粒子としては、例えばSiC、Si3N4、BN、AlN等
を用いることができる。皮膜強化粒子の平均粒径は0.5
〜4μmであることが好ましい。皮膜強化微粒子の平均
粒径が0.5μm未満であると、摩擦面の油だまりを形成
する凹部の深さが浅くなり、耐摩耗性が劣化するからで
ある。逆に微粒子の平均粒径が4μmを越えると相手材
に対する攻撃性が増加して好ましくないからである。
In the present invention, for example, SiC, Si 3 N 4 , BN, AlN or the like can be used as the film-strengthening fine particles dispersed in the plating layer of the cylinder bore. The average particle size of the film-reinforced particles is 0.5
It is preferably ˜4 μm. This is because if the average particle size of the film-reinforced fine particles is less than 0.5 μm, the depth of the recesses forming the oil pool on the friction surface becomes shallow and the wear resistance deteriorates. On the contrary, if the average particle size of the fine particles exceeds 4 μm, the aggression against the partner material increases, which is not preferable.

また分散させる皮膜強化微粒子の量は5〜30容量%であ
ることが好ましい。分散させる皮膜強化微粒子の量が5
%未満では十分な耐摩耗性および耐スカッフ性が得られ
ず、30%を越えるとめっき皮膜層の強度が不十分となり
めっき皮膜層が剥離するおそれがあるからである。
The amount of the film-reinforced fine particles to be dispersed is preferably 5 to 30% by volume. The amount of film-reinforced particles dispersed is 5
If it is less than%, sufficient abrasion resistance and scuff resistance cannot be obtained, and if it exceeds 30%, the strength of the plating film layer becomes insufficient and the plating film layer may peel off.

本発明で用いられるピストンリングの材料として、前記
特願昭62−146006号および特願昭62−230446号に開示さ
れたマルテンサイト系ステンレス鋼が好ましい。ちなみ
に、その化学成分を列記すると、C;0.7〜1.1%、Cr;12
〜25%、Si;2%以下、Mn;2%以下を含有し、さらに必要
に応じてAl;0.05〜1.10%、Ni;0.2〜2.0%、Mo;0.2〜2.
0%、V;0.05〜0.5%、Nb;0.05〜0.5%、Cu;0.2〜1.0%
のうち1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不
純物元素からなる。前記組成のマルテンサイト系ステン
レス鋼をピストンリング材として用いれば、粒径2μm
以上の炭窒化物が面積率で3%以上晶出したピストンリ
ングが得られる。
As a material for the piston ring used in the present invention, martensitic stainless steels disclosed in Japanese Patent Application Nos. 62-146006 and 62-230446 are preferable. By the way, when listing the chemical components, C; 0.7-1.1%, Cr; 12
~ 25%, Si; 2% or less, Mn; 2% or less, and further contains Al; 0.05-1.10%, Ni; 0.2-2.0%, Mo; 0.2-2.
0%, V; 0.05 to 0.5%, Nb; 0.05 to 0.5%, Cu; 0.2 to 1.0%
One or more of them are contained, and the balance consists of Fe and impurity elements. If martensitic stainless steel having the above composition is used as the piston ring material, the particle size is 2 μm.
A piston ring in which the above carbonitride crystallizes in an area ratio of 3% or more is obtained.

ピストンリング材に晶出した炭窒化物は、粒径2μ以上
のものの占める面積率が3%以上であることが必要であ
る。粒径が2μm以上の炭窒化物の面積率が3%未満で
あると、炭窒化物による凸部の形成が低く、摩擦面の油
だまりを形成する凹部の深さが浅くなって、耐摩耗性が
劣化するからである。
The carbonitride crystallized in the piston ring material needs to have an area ratio of 3% or more occupied by particles having a particle size of 2 μm or more. If the area ratio of carbonitrides having a particle size of 2 μm or more is less than 3%, the formation of protrusions by carbonitride is low, and the depth of the recesses forming the oil pool on the friction surface is shallow, resulting in wear resistance. This is because the property deteriorates.

[作用] 本発明のシリンダボアとピストンリングの組み合わせに
よる内燃機関の摺動部の構造では、それぞれの材料の単
独では得られない、従来材をはるかに凌ぐ優れた耐摩耗
性が得られる。このように優れた耐摩耗性が得られる理
由は、第4図に示すごとく、シリンダボア材5およびピ
ストンリング材6がともに、マトリックス中に硬さの高
い硬質物質、すなわちシリンダボア材5中の皮膜強化微
粒子7、およびピストンリング材6中に晶出したCr炭窒
化物8が存在する材料なので、摩耗により摩擦面はマト
リックスに対し硬質物質が凸部9および10を形成するよ
うになる。この結果、摩擦面間に油だまりの役目をする
凹部11および12が形成され、油切れがおこりにくくなる
とともに、凸部9および10を形成する物質であるCr炭窒
化物8と皮膜強化微粒子7という凝着しにくい高融点同
志の摩擦が大部分となるため、優れた耐摩耗性および耐
スカッフ性が得られると考えられる。
[Operation] With the structure of the sliding portion of the internal combustion engine by the combination of the cylinder bore and the piston ring of the present invention, excellent wear resistance far superior to conventional materials, which cannot be obtained by each material alone, is obtained. The reason why such excellent wear resistance is obtained is that, as shown in FIG. 4, both the cylinder bore material 5 and the piston ring material 6 are hard substances having a high hardness in the matrix, that is, film strengthening in the cylinder bore material 5. Since the fine particles 7 and the Cr carbonitride 8 crystallized in the piston ring material 6 exist, the friction surface causes the hard substance to form the convex portions 9 and 10 with respect to the matrix due to abrasion. As a result, the recesses 11 and 12 that function as oil pools are formed between the friction surfaces, which prevents the oil from running out, and the Cr carbonitride 8 and the film-reinforced fine particles 7 that are the substances that form the projections 9 and 10. It is considered that excellent wear resistance and scuffing resistance can be obtained because the friction between the high melting points that do not easily adhere to each other becomes mostly.

[実施例] 次に、本発明の実施例を詳細に説明し、本発明の効果を
明らかにする。
[Examples] Next, examples of the present invention will be described in detail to clarify the effects of the present invention.

(実施例1) 第2図に示すように、焼付試験片として内径20mm、外径
25.7mm、高さ17mmのシリンダボア材20をFC23そのままの
ものと、摺動面にNi−3PベースにSiC平均粒径4μmを2
0容量%分散させたNi複合めっきを施したもの2種類を
作製した。
(Example 1) As shown in FIG. 2, a seizure test piece has an inner diameter of 20 mm and an outer diameter.
25.7mm, 17mm height cylinder bore material 20 FC23 as it is, Ni-3P base on the sliding surface and SiC average particle size 4μm 2
Two types were prepared by applying Ni composite plating in which 0% by volume was dispersed.

0.9C−21Crステンレス鋼、17Crステンレス鋼および13Cr
ステンレス鋼を用い、第2図に示すような長さ30mm、幅
30mm、高さ5mmのピストンリング材22を作製した。これ
らステンレス鋼からなるピストンリング材22はアンモニ
アガス気流中で530〜590℃に加熱し5時間以上のガス窒
化処理を施した。得られたピストンリング材22の2μm
以上の炭窒化物の面積率および表面から20μmの窒化層
の硬さを測定した。なお、比較のためにCrめっきを施し
たもの、および特殊鋳鉄からなるものについても同様に
ピストンリング材22を作製した。
0.9C-21Cr stainless steel, 17Cr stainless steel and 13Cr
Using stainless steel, length 30mm, width as shown in Fig. 2
A piston ring material 22 of 30 mm and a height of 5 mm was produced. The piston ring material 22 made of these stainless steels was heated to 530 to 590 ° C. in an ammonia gas stream and subjected to gas nitriding treatment for 5 hours or more. 2 μm of the obtained piston ring material 22
The area ratio of the above carbonitrides and the hardness of the nitride layer of 20 μm from the surface were measured. For comparison, a piston ring material 22 was similarly prepared for a material plated with Cr and a material made of special cast iron.

以上にごとくして得られたシリンダボア材20およびピス
トンリング材22を用い、レース用エンジンのごとく、高
回転、高油温、低粘度油(燃料希釈有り)、潤滑量小と
厳しい潤滑条件下で使用する場合を想定した焼付試験を
行った。
Using the cylinder bore material 20 and piston ring material 22 obtained as described above, under a severe lubrication condition such as a racing engine, high rotation speed, high oil temperature, low viscosity oil (with fuel dilution), small amount of lubrication A seizure test was conducted assuming the case of use.

焼付試験は機械試験所型摩擦摩耗試験機を用い、第2図
に示すように、シリンダボア材20とピストンリング材22
を荷重下で接触させ、ピストンリング材22を回転させて
シリンダボア材20と摺動させた。試験条件は摺動速度1.
2m/sec、低粘度エンジンオイル滴下潤滑、荷重は2分毎
に25kg増大する。焼付の判定は摩擦係数が0.2以上急上
昇した荷重を焼付荷重とした。得られた結果は第1表に
示す。なお、第2表にはピストンリング材22に用いたス
テンレス鋼の化学成分と炭窒化物量および窒化層の硬さ
を示した。
For the seizure test, a mechanical testing laboratory type friction and wear tester was used. As shown in FIG. 2, the cylinder bore material 20 and the piston ring material 22
Were brought into contact with each other under a load, and the piston ring member 22 was rotated to slide on the cylinder bore member 20. The test condition is sliding speed 1.
2m / sec, low viscosity engine oil drop lubrication, load increases by 25kg every 2 minutes. For the determination of seizure, the load at which the friction coefficient sharply increased by 0.2 or more was taken as the seizure load. The results obtained are shown in Table 1. Table 2 shows the chemical composition of the stainless steel used for the piston ring material 22, the amount of carbonitride, and the hardness of the nitrided layer.

第1表から明らかなように、ピストンリング材がCrめっ
きあるいは特殊鋳鉄、またはシリンダボア材がFC23であ
る従来例のピストンリングとシリンダボアの組み合わせ
は、いずれも焼付荷重が167.5kg以下であるのに対し、
本発明のシリンダボア材とピストンリング材の組み合わ
せは、焼付荷重が450kg以上であって、本発明は従来材
の組み合わせに対して優れた耐焼付性が得られた。
As is clear from Table 1, in the conventional piston ring and cylinder bore combinations in which the piston ring material is Cr-plated or special cast iron, or the cylinder bore material is FC23, the seizure load is 167.5 kg or less. ,
The combination of the cylinder bore material and the piston ring material of the present invention has a seizure load of 450 kg or more, and the present invention provides excellent seizure resistance as compared with the combination of conventional materials.

(実施例2) 第3図に示すように、摩耗試験片として、外径35mm、幅
9mmのシリンダボア材20をF23Cそのままのものと、摺動
面にNi−3PベースにSiC平均粒径4μmを20容量%分散
させたNi複合めっきを施したもの2種類を作製した。
(Example 2) As shown in FIG. 3, as a wear test piece, an outer diameter of 35 mm, a width
Two types of 9 mm cylinder bore material 20 were prepared, one with F23C as it was and one with Ni composite plating on the sliding surface of Ni-3P base with 20% by volume of SiC average particle diameter 4 μm dispersed.

実施例1で用いたと同様の0.9C−21Crステンレス鋼、17
Crステンレス鋼および13Crステンレス鋼を用い、第3図
に示すような長さ15.75mm、幅6.35mm、高さ10.15mmのピ
ストンリング材22を作製した。これらステンレス鋼から
なるピストンリング材22はアンモニアガス気流中で530
〜590℃に加熱し5時間以上のガス窒化処理を施した。
なお、比較のためにCrめっきを施したもの、および特殊
鋳鉄からなるものについても同様にピストンリング材22
を作製した。
0.9C-21Cr stainless steel similar to that used in Example 1, 17
Using Cr stainless steel and 13Cr stainless steel, a piston ring material 22 having a length of 15.75 mm, a width of 6.35 mm and a height of 10.15 mm as shown in FIG. 3 was produced. The piston ring material 22 made of these stainless steels is 530 in an ammonia gas flow.
It was heated to ˜590 ° C. and subjected to gas nitriding treatment for 5 hours or longer.
In addition, for comparison, the piston ring material 22 is also used for those plated with Cr and those made of special cast iron.
Was produced.

次に得られたシリンダボア材20とピストンリング材22を
組み合わせた場合の摩耗試験を行った。摩耗試験はLWF
−1摩耗試験機を用い、第3図に示すように、シリンダ
ボア材20とピストンリング材22を荷重下で接触させ、シ
リンダボア材20を回転させてピストンリング材22と摺動
させた。試験条件は摺動速度1.2m/sec、低粘度エンジン
オイル滴下潤滑、荷重は60kg、時間120分間摺動し、ピ
ストンリング材22の摩耗量を測定した。得られた結果は
第3表に示した。
Next, a wear test was performed in the case where the obtained cylinder bore material 20 and piston ring material 22 were combined. Wear test is LWF
As shown in FIG. 3, the cylinder bore member 20 and the piston ring member 22 were brought into contact with each other under a load using a -1 abrasion tester, and the cylinder bore member 20 was rotated and slid on the piston ring member 22. The test conditions were a sliding speed of 1.2 m / sec, low-viscosity engine oil dripping, a load of 60 kg, and sliding for 120 minutes, and the amount of wear of the piston ring material 22 was measured. The results obtained are shown in Table 3.

第3表から明らかなように、シリンダボア材がNi−3Pベ
ース複合めっきの場合は、シリンダボア材がFC23の場合
と比較し、相手材のピストンリング材がNo.4の13Crステ
ンレス鋼・ガス窒化、Crめっき、特殊鋳鉄の時に、ピス
トンリング材の摩耗が約2倍に増大する。これに対して
本発明のシリンダボア材とピストンリング材の組み合わ
せでは、摩耗量が若干増大するだけであり、本発明のシ
リンダボア材とピストンリング材の組み合わせが優れた
耐摩耗性が確保できることが確認された。
As is clear from Table 3, in the case where the cylinder bore material is Ni-3P base composite plating, compared with the case where the cylinder bore material is FC23, the mating piston ring material is No. 4 13Cr stainless steel / gas nitriding, When Cr-plated or special cast iron, the wear of the piston ring material is about doubled. On the other hand, in the combination of the cylinder bore material and the piston ring material of the present invention, the amount of wear is only slightly increased, and it has been confirmed that the combination of the cylinder bore material and the piston ring material of the present invention can secure excellent wear resistance. It was

[発明の効果] 本発明の内燃機関のシリンダボアの構造は、めっき皮膜
強化微粒子をめっき皮膜内に分散されたNiもしくはNiの
P化合物とを含むNi複合めっきが表面に形成されたシリ
ンダボアと、少なくともシリンダボアとの摺動面にガス
窒化処理を施した粒径2μm以上の炭窒化物が面積率で
3%以上晶出したピストンリングとを組み合わせたこと
を特徴とするものであって、シリンダボアとピストンリ
ングの摩擦面において皮膜強化微粒子および炭窒化物等
の硬質物質が凸部を形成し、マトリックス部に形成され
た凹部が油だまりの役目を果たすので、油切れがおこり
にくくなるとともに、凸部を形成する硬質物質が凝着し
にくい高融点同志の摩擦が大部分となるため、従来材の
シリンダボアとピストンリングの組み合わせの摺動部に
比較して、著しく優れた耐摩耗性および耐スカッフ性が
得られるという優れた効果がある。
[Effects of the Invention] The structure of the cylinder bore of the internal combustion engine of the present invention comprises a cylinder bore having at least a Ni composite plating containing Ni or a P compound of Ni dispersed in the plating film with the plating film reinforcing fine particles formed on the surface thereof. A cylinder bore and a piston are characterized by combining a piston ring in which a carbonitride having a grain size of 2 μm or more crystallized in an area ratio of 3% or more crystallized on the sliding surface with respect to the cylinder bore. On the friction surface of the ring, the film-reinforced fine particles and hard substances such as carbonitrides form protrusions, and the recesses formed in the matrix function as oil reservoirs, making it difficult to run out of oil and Compared to the sliding part of the combination of the conventional cylinder bore and piston ring, the friction between the high melting points where the hard substance that forms is difficult to adhere to becomes the majority. Te, there is excellent effect that markedly excellent wear resistance and scuffing resistance can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はシリンダボアの部分断面図、第2図は焼付試験
を模式的に示す斜視図、第3図は摩耗試験を模式的に示
す斜視図、第4図はシリンダボアとピストンリングの摩
擦面を微視的に説明するための模式図である。 1……シリンダライナ、3……ピストンリング、20……
シリンダボア材、22……ピストンリング材。
FIG. 1 is a partial sectional view of a cylinder bore, FIG. 2 is a perspective view schematically showing a seizure test, FIG. 3 is a perspective view schematically showing a wear test, and FIG. 4 is a friction surface between a cylinder bore and a piston ring. It is a schematic diagram for microscopically explaining. 1 …… Cylinder liner, 3 …… Piston ring, 20 ……
Cylinder bore material, 22 ... Piston ring material.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】皮膜強化微粒子を分散したNiもしくはNiの
P化合物からなるNi複合めっき層を表面に施したシリン
ダボアと、粒径2μm以上の炭窒化物が面積率で3%以
上晶出し少なくとも前記シリンダボアとの摺動面にガス
窒化処理を施したピストンリングとからなることを特徴
とする内燃機関。
1. A cylinder bore having a Ni composite plating layer composed of Ni or a P compound of Ni in which film-reinforced fine particles are dispersed, and a carbonitride having a particle size of 2 μm or more crystallized in an area ratio of 3% or more. An internal combustion engine comprising a piston ring having a gas nitriding treatment on a sliding surface with respect to a cylinder bore.
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