(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダと該シリンダの内周面を摺動するピストンリングとの組み合わせであって、前記シリンダをアルミニウム合金製シリンダとし、前記ピストンリングを、母材がオーステナイト系ステンレス鋼となし、かつ少なくとも外周摺動面に３層以上の硬質クロムめっき層からなる硬質クロム積層めっき皮膜を形成したピストンリングとし、該硬質クロム積層めっき皮膜が、前記３層以上の硬質クロムめっき層のそれぞれには、外面側に開口する微細亀裂が分布し、該微細亀裂は深さ方向に関し自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層内に留まる部分と、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分を含む、めっき皮膜であり、前記微細亀裂が、前記硬質クロム積層めっき皮膜の断面における面積率で、2.0 〜40.0％の範囲内で存在し、そのうち前記自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層に留まる微細亀裂が1.5 〜35.0％、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている微細亀裂が0.5 〜25.0％で、前記３層以上の硬質クロムめっき層のうち、母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さを他の硬質クロムめっき層の厚さより厚くかつ80.0μｍ以下とし、最表面側の硬質クロムめっき層の厚さを母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さの次に厚くしかつ50.0μｍ以下とし、他の硬質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0μｍとし、前記微細亀裂の開口部幅が0.2 μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
【請求項２】
前記オーステナイト系ステンレス鋼が、質量％で、Ni：3.5 〜17.0％、Cr：15.0〜20.0％を含む組成のオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
【請求項３】
前記アルミニウム合金製シリンダが、ＪＩＳ  ＡＤＣ１２、ＪＩＳ  ＡＤＣ１０、ＪＩＳ  ＡＤＣ１４のうちのいずれかに規定される組成を有するダイカスト鋳造によるアルミニウム合金製シリンダー、またはＪＩＳ  ＡＣ８Ａ、ＪＩＳ  ＡＣ８Ｂ、ＪＩＳ  ＡＣ８Ｃのうちのいずれかに規定される組成を有する静置鋳造によるアルミニウム合金製シリンダであることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に係り、特にアルミニウム合金製内燃機関におけるシリンダとピストンリングとの組み合わせに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の保全という観点から、内燃機関には、軽量化、燃費の向上等が要求されている。このような動向にしたがい、内燃機関用ピストンリングでは、形状面でできるだけ薄厚化し、材質面で鋳鉄製からステンレス鋼製へと種々の改良がなされてきた。最近のピストンリングは、軽量化や、耐摩耗性、耐スカッフ性向上のため、ピストンリング母材として高硬度のマルテンサイト系ステンレス鋼が一般的に使用され、さらに表面には窒化処理や硬質クロムめっき等の表面硬化処理が施されて使用されている。
【０００３】
一方、ピストンリングの摺動の相手材であるシリンダは、要求される機械的特性から従来は鋳鉄等の鉄系材料で製造されていた。しかし、鉄系材料で製造されたシリンダは重量が重いため、近年の内燃機関への軽量化要求を満足させることができず、最近では、アルミニウム合金製のエンジンが一般化しつつある。しかし、アルミニウム合金製シリンダは軟質であるため、高硬度化されたピストンリングと、軟質であるアルミニウム合金製シリンダの内面とを直接摺動させることを避けて、通常は、シリンダライナを装着してアルミニウム合金製シリンダ内周面の耐摩耗性を確保している。
【０００４】
このようなシリンダライナとしては、従来では鋳鉄製シリンダライナが一般的であった。しかし、最近では軽量化の目的でアルミニウム合金を使用し、 摺動特性向上に配慮したシリンダライナが提案されている。例えば、特開平９-19757号公報には、硬い粒子である珪素一次結晶および金属間化合物が摺動面に露出した過共晶アルミニウムー珪素合金製シリンダライナが開示されている。
【０００５】
また、特開平６-322459 号公報には、摺動面部をアルミナ短繊維と非球状ムライト粒子との混合物である強化材により複合強化し、耐摩耗性および耐スカッフ性を改善したアルミニウム合金製シリンダ摺動部材が提案されている。
また、特開平５-86964号公報には、アルミニウム合金製シリンダの内周面にNi基複合めっき処理等の表面処理を施す摺動性向上策が提案されている。
【０００６】
一方、エンジンの高回転・高出力化の要請に伴い熱負荷の増大するエンジンでは、ブローバイ対策としてガスシール性を向上させるために、従来から、ピストンリングの張力を高く設定していた。特開平９-19757号公報、特開平６-322459 号公報に記載された技術はいずれも、このような高ピストンリング張力に対応したシリンダ側からの摺動性向上策である。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
しかし、最近では、地球環境保全の観点から、内燃機関の低燃費化がさらに強く要求されている。このような内燃機関への動向に対応して、内燃機関の摺動部材であるピストンリングには低摩擦力を得るために低い張力とすることが求められている。しかしながら、特開平９-19757号公報、特開平６-322459 号公報に記載された技術で製造されたシリンダはピストンリングと組み合わせて摺動する場合にピストンリングの張力を高い張力とすることを想定している。したがって、低張力用のピストンリングをこれらシリンダと組み合わせて使用する場合には、最適なシリンダとピストンリングの組み合わせにならないという問題がある。
【０００８】
さらに、特開平９-19757号公報、特開平６-322459 号公報に記載された技術では、シリンダの加工工程が複雑であり、製造コストの高騰を招くという問題もあった。
このようなことから、摺動時の摩擦力が低く、かつ安価なシリンダとピストンリングとの組み合わせが強く要望されていた。
【０００９】
一方、ピストンリングは、耐摩耗性や耐スカッフ性向上、耐食性向上等の観点から、最近では、とくに第１圧力リングとしてマルテンサイト系ステンレス鋼を母材としたピストンリングが一般的に使用されている。
しかし、このマルテンサイト系ステンレス鋼製ピストンリングを、アルミニウム合金製シリンダを相手材として摺動する、とくに第１圧力リングとして使用すると、ブローバイガスの発生が多くなるという問題がある。これは、第１圧力リングとして使用したマルテンサイト系ステンレス鋼製ピストンリングが、アルミニウム合金製シリンダの熱膨張に追従できずガスシール性が低下し、 ガス吹き抜けを起こしたためであると考えられている。
【００１０】
このような問題に対し、例えば特開2000-145963 号公報には、アルミニウム合金製シリンダ用として、15×10-6／℃以上の熱膨張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストンリングが提案されている。しかしながら、特開2000-145963 号公報に記載されたピストンリングは、高い張力が負荷されることを想定したピストンリングであり、摺動時に低摩擦力を得るための低張力用ピストンリングとしては耐摩耗性、耐スカッフ性の点で不十分であるという問題を残していた。また、特開2000-145963 号公報に記載された技術では、窒化処理により窒化層を形成するが、表面に形成された脆弱な化合物層が剥離しやすいという問題が発生していた。
【００１１】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、摺動時の摩擦力が低く、かつシリンダーおよびピストンリング双方の摩耗量が少なく、しかも耐スカッフ性に優れ、さらに、ブローバイガスの発生が少ない、シリンダーとピストンリングとの組み合わせを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、摺動時の摩擦力を低減できるピストンリングについて鋭意検討した。その結果、ピストンリングの母材表面に硬質クロム積層めっき皮膜を形成することにより、保油性が向上し、 摺動時の摩擦抵抗を格段に低下させることができることを見いだした。また、硬質クロム積層めっき皮膜は、硬さが高々Hv900 程度であり相手攻撃性が低く、表面にこのような硬質クロム積層めっき皮膜を形成したピストンリングは、特別なシリンダライナを装着することなく直接、軟質なアルミニウム合金製シリンダ内周面と組み合わせて使用することができ、しかも、従来の高硬度ピストンリングと高硬度の粒子を含むシリンダライナとの組み合わせと同等またはそれ以上の耐摩耗性、 耐スカッフ性を示すことを見いだした。そして、このような硬質クロム積層めっき皮膜を表面に形成するピストンリングの母材を、シリンダ材であるアルミニウム合金（例えば、ADC12 、過共晶Al-Si 系合金等）の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼とすることにより、稼動時の摩擦力を低くでき、同時に稼動時のシール性の低下もなくブローバイガスの発生を防止できることに想到した。
【００１３】
本発明は、 上記した知見に基づいて、完成されたものである。本発明の要旨は下記のとおりである。
（１）内燃機関のシリンダと該シリンダの内周面を摺動するピストンリングとの組み合わせであって、前記シリンダをアルミニウム合金製シリンダとし、前記ピストンリングを、母材がオーステナイト系ステンレス鋼となし、かつ少なくとも外周摺動面に３層以上の硬質クロムめっき層からなる硬質クロム積層めっき皮膜を形成したピストンリングとし、該硬質クロム積層めっき皮膜が、前記３層以上の硬質クロムめっき層のそれぞれには、外面側に開口する微細亀裂が分布し、該微細亀裂は深さ方向に関し自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層内に留まる部分と、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分を含む、めっき皮膜であり、前記微細亀裂が、前記硬質クロム積層めっき皮膜の断面における面積率で、2.0 〜40.0％の範囲内で存在し、そのうち前記自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層に留まる微細亀裂が1.5 〜35.0％、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている微細亀裂が0.5 〜25.0％で、前記３層以上の硬質クロムめっき層のうち、母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さを他の硬質クロムめっき層の厚さより厚くかつ80.0μｍ以下とし、最表面側の硬質クロムめっき層の厚さを母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さの次に厚くしかつ50.0μｍ以下とし、他の硬質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0μｍとし、前記微細亀裂の開口部幅が0.2 μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
（２）（１）において、前記オーステナイト系ステンレス鋼が、質量％で、Ni：3.5 〜17.0％、Cr：15.0〜20.0％を含む組成のオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とするアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
（３） (１) または (２) において、前記アルミニウム合金製シリンダが、ＪＩＳ  ＡＤＣ１２、ＪＩＳ  ＡＤＣ１０、ＪＩＳ  ＡＤＣ１４のうちのいずれかに規定される組成を有するダイカスト鋳造によるアルミニウム合金製シリンダー、またはＪＩＳ  ＡＣ８Ａ、ＪＩＳ  ＡＣ８Ｂ、ＪＩＳ  ＡＣ８Ｃのうちのいずれかに規定される組成を有する静置鋳造によるアルミニウム合金製シリンダであることを特徴とするアルミニウム合金製シリンダとピストンリングとの組み合わせ。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のシリンダとピストンリングとの組み合わせは、シリンダをアルミニウム合金製シリンダとし、特別なシリンダライナをボアに装着することなくあるいはシリンダ内周面を複合強化することなく、直接、シリンダ内周面をピストンリングの摺動面とする組み合わせである。本発明の組み合わせでは、ピストンリング母材をオーステナイト系ステンレス鋼とすること、および母材表面の少なくとも外周摺動面に３層以上の硬質クロムめっき層からなる硬質クロム積層めっき皮膜を形成すること、に特徴がある。
【００１５】
本発明で用いるピストンリングは、オーステナイト系ステンレス鋼材を母材として構成される。オーステナイト系ステンレス鋼材は、Ni：3.5 〜17.0％、Cr：15.0〜20.0％を含み、好ましくは、Ｃ：0.08％以下、Si：1.00％以下、Mn：2.00％以下を含み、あるいはさらにMo：６％以下、Cu：４％以下、Nb：１％以下、Ti：0.6 ％以下、Ｎ：0.3 ％以下の１種または２種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成とすることが好ましい。なお、延性の観点から、不可避的不純物としてのＰ、Ｓは、Ｐ：0.045 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下とすることが好ましい。
【００１６】
つぎに、オーステナイト系ステンレス鋼材の組成限定理由について、 説明する。
Ni：3.5 〜17.0％
Niは、オーステナイト相を安定化し、熱膨張係数を増加させる作用を有する。ピストンリングの熱膨張係数を、シリンダを構成するアルミニウム合金の熱膨張係数に近い値とするために、Niは3.5 ％以上の含有を必要とする。また、17.0％を超えて含有すると、熱膨張係数が低下してくるため、本発明ではNiは3.5 〜17.0％の範囲に限定することが好ましい。
【００１７】
Cr：15.0〜20.0％
Crは、耐食性を増加するとともに、 強度を増加し耐摩耗性を向上させる元素であり、さらにオーステナイト組織を形成するための元素として、本発明では15％以上の含有を必要とする。一方、20.0％を超えて含有すると、オーステナイト組織を形成するために必要なNiの含有量をさらに増加する必要があり、コスト高となるため好ましくない。このため、本発明ではCrは15.0〜20.0％に限定することが好ましい。
【００１８】
Ni、Cr以外の成分の限定理由は下記のとおりである。
Ｃ：0.08％以下、
Ｃは、強度を増加し、オーステナイト相を安定化する元素であるが、多量に含有すると、強度が高くなりすぎ加工性が低下するとともに、熱膨張係数が低下する。このため、Ｃは0.08％以下に限定するのが好ましい。
【００１９】
Si：1.00％以下
Siは、製鋼過程で脱酸剤として必要な元素であるが、フェライト生成元素であり、多量の含有は機械的特性を劣化させるため、できるだけ低減するのが望ましいが、本発明では1.00％までは許容できる。
Mn：2.00％以下
Mnは、鋼中に固溶し強度を向上させ、オーステナイト相を安定化する作用を有するが、2.00％を超えると強度が高くなりすぎ、切削性が低下する。このため、Mnは2.00％以下に限定するのが好ましい。
【００２０】
Mo：６％以下、Cu：４％以下、Nb：１％以下、Ti：0.6 ％以下、Ｎ：0.3 ％以下の１種または２種以上
Mo、Cu、Nb、Ti、Ｎは、耐食性、強度や加工性を改善させる元素であり、必要に応じ選択して上記した範囲で含有することができる。
上記した組成範囲のオーステナイト系ステンレス鋼材としては、SUS 304,SUS  303,SUS 316が例示され、いずれも本発明で使用されるピストンリング母材として好適に適用できる。なお、本発明では、Ｃ量が0.03％以下の、低炭素系ステンレス鋼としても何ら問題は無いが、過剰な品質となり、コスト高となる。
【００２１】
上記した組成範囲のオーステナイト系ステンレス鋼材を母材として使用することにより、ピストンリングの熱膨張係数は、シリンダ材であるアルミニウム合金の熱膨張係数に近い、15×10-6／℃以上となる。これにより、シリンダ材とピストンリングとの熱膨張差が小さく、ピストンリングのシール性の低下は防止でき、ブローバイガスの発生を抑えることができる。
【００２２】
本発明で使用するピストンリングは、上記した組成範囲のオーステナイト系ステンレス鋼材を母材とし、この母材表面の少なくとも外周摺動面に３層以上の硬質クロムめっき層からなる硬質クロム積層めっき皮膜を形成する。
本発明でいう「硬質クロム積層めっき皮膜」とは、硬質クロムめっき層を３層以上積層しためっき皮膜であり、各硬質クロムめっき層のそれぞれには、摺動面側（めっき皮膜外面側）に開口する微細亀裂が分布し、この微細亀裂は深さ方向で自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層に留まる部分 (微細亀裂）と、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分（微細亀裂）とを含む、めっき皮膜をいうものとする。「硬質クロム積層めっき皮膜」の一例を模式的に図１に示す。
【００２３】
図１は、母材１の外周側表面に、４層の硬質クロムめっき層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄからなる硬質クロム積層めっき皮膜２が形成されたピストンリングの断面を示している。各硬質クロムめっき層には、めっき皮膜外面側に開口した微細亀裂３が分布している。
各硬質クロムめっき層には、断面が略Ｖ字状の微細亀裂が網目状に形成されており、少なくとも表面の開口部においては連続している。各硬質クロムめっき層表面では単一の微細亀裂であっても、 亀裂底部の到達深度は場所により異なっている。
【００２４】
これら微細亀裂は、母材表面に最も近い硬質クロムめっき層２ａを除けば、深さ方向に関して、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層内で留まる部分３ａと、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層より下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分３ｂ，３ｃとを含んでいる。微細亀裂３ｂは、亀裂が硬質クロムめっき層２層にわたる例であり、３ｃは３層にわたる例である。なお、微細亀裂は下層にまで延びている部分が下層に開口する微細亀裂と一部合体していてもよい。
【００２５】
本発明で使用するピストンリングに形成される硬質クロム積層めっき皮膜では、微細亀裂を有する硬質クロムめっき層を３層以上積層するため、各硬質クロムめっき層の外面側 (摺動面側）に開口する微細亀裂は、 上層の硬質クロムめっき層によって封孔される。このため、本発明で使用するピストンリングに形成される硬質クロム積層めっき皮膜では、摺動時に亀裂底部における応力集中が最表層の硬質クロムめっき層では発生するが、下層の硬質クロムめっき層では該めっき層に開口する微細亀裂は上層の硬質クロムめっき層により被覆、 封孔されているため、上層のめっき層が消失し微細亀裂が開口するまでは亀裂底部における応力集中の発生は防止され亀裂の進展は生じ難く、硬質クロム積層めっき皮膜の劣化が抑制される。
【００２６】
各硬質クロムめっき層に存在する微細亀裂は断面略Ｖ字状であることから、シリンダー内周面との摺動によりめっき皮膜が摩耗するにしたがい、微細亀裂の開口部面積および開口された空洞の容積はしだいに減少してゆく。しかし、本発明で使用する硬質クロム積層めっき皮膜では、上層の硬質クロムめっき層が摩耗により完全に消失すると、新たに下層に開口する微細亀裂が多数出現し、微細亀裂の開口部面積および開口された空洞の容積は再び増加する。さらに、本発明で使用する硬質クロム積層めっき皮膜では、各硬質クロムめっき層の微細亀裂が深さ方向に関し、自己の亀裂開口部が存在する層よりも下層の硬質クロムめっき層まで亀裂底部が延びている部分を含んでいるため、上層の硬質クロムめっき層が消失する寸前でも、十分な量の微細亀裂が存在する。このため、本発明の組み合わせで使用するピストンリングは、保油性に優れ、しかも硬質クロム積層めっき皮膜の摩耗が進行しても保油性の周期的な低減をまったく生じないか、 あるいは生じてもその変動幅は少ない。 したがって、本発明のシリンダーとピストンリングとの組み合わせでは、保油性の周期的低下が全くないかあってもわずかであり、一定して摩擦力を低く維持することができることになる。
【００２７】
本発明の組み合わせで使用するピストンリングの母材表面に形成される硬質クロム積層めっき皮膜には、硬質クロム積層めっき皮膜の断面における面積率で、2.0 〜40.0％の範囲内で微細亀裂が存在するように調節する。微細亀裂の全体量が2.0 ％未満では、潤滑油を保持する空洞が不足し保油性が劣化する。一方、微細亀裂の量が40.0％を超えると、皮膜の強度が不足する。
【００２８】
また、断面における面積率で、微細亀裂のうち自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層に留まる部分が面積率で1.5 〜35.0％、自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分が0.5 〜25.0％となるように調節することが、めっき皮膜の保油性の変動を少なくし、摺動時の摩擦力を低く一定に維持するうえで好ましい。
【００２９】
微細亀裂のうち自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層に留まる部分の比率が1.5 ％未満では、微細亀裂の空洞が少なく保油性が低下する。一方、35.0％を超えると、２層以上にわたる微細亀裂の量が相対的に少なくなり、保油性の変動が大きくなる。
微細亀裂のうち自己の開口が存在する各硬質クロムめっき層よりも下層の硬質クロムめっき層内まで延びている部分が0.5 ％未満では、保油性の変動幅が大きくなる。一方、25.0％を超えると、摺動時の亀裂底部における応力集中の影響が下層のめっき層にまで波及するようになるため、亀裂の進展が生じやすくなり、めっき皮膜が劣化しやすくなる。
【００３０】
硬質クロム積層めっき皮膜を構成する各硬質クロムめっき層では、微細亀裂の開口部幅を0.2 μｍ以下とすることが、ピストンリングに要求される諸特性を満足し、かつ上記した範囲のめっき皮膜断面内の微細亀裂量および分布を確保する観点から好ましい。なお、微細亀裂の開口部幅が0.2 μｍ以下であることは、すべての微細亀裂の幅が0.2 μｍ以下であるか、開口部幅が0.2 μｍを超える亀裂が存在しても性能に影響を及ぼさない程度の量であることを意味する。
【００３１】
なお、硬質クロム積層めっき皮膜の、中間層を構成する各硬質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0μｍとしたうえで、最表面側の硬質クロムめっき層の厚さを、他の硬質クロムめっき層の厚さより厚く、かつ50.0μｍ以下、好ましくは5.0 μｍ以上とすることがより好ましい。最表面側の硬質クロムめっき層を中間層より厚くすることにより、最表面の剛性を高くでき、ピストンリングの耐折損性が向上する。最表面側の硬質クロムめっき層の厚さが50.0μｍを超えると、摺動時の変形が最表面層に限定され皮膜全体での変形吸収能が低下する。
【００３２】
本発明の組み合わせで使用するピストンリングの母材表面に形成される硬質クロム積層めっき皮膜は３層以上の硬質クロムめっき層からなり、母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さを他の硬質クロムめっき層の厚さより厚くかつ80.0μｍ以下とし、最表面側の硬質クロムめっき層の厚さを母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さの次に厚くしかつ50.0μｍ以下とし、他の硬質クロムめっき層の厚さを5.0 〜30.0μｍとする。
【００３３】
母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さを他の硬質クロムめっき層に比べ厚く形成することにより、この硬質クロムめっき層内の微細亀裂を少なくしかつ細くすることができ、硬質クロム積層めっき皮膜全体の剛性を大きくすることができる。母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さが他の硬質クロムめっき層より薄いと、 ピストンリング母材との境界近傍の変位量を抑制する効果が少ない。また、母材表面に最も近い硬質クロムめっき層の厚さが80.0μｍを超えると、めっき皮膜全体に占める最下層の割合が大きくなって、 中間層のめっき層数が少なくなり、積層めっき皮膜の有利な特性を有効に発揮できなくなる。
【００３４】
本発明の組み合わせで使用するピストンリングの好ましい製造方法について説明する。
本発明では、好ましくは上記した組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼材を母材として、 ピストンリングの所定形状に成形したのち、必要に応じ脱脂、洗浄、ホーニング等の前処理を施したのち、硬質クロム積層めっき処理を施す。
【００３５】
硬質クロム積層めっき処理は、母材をクロムめっき浴槽に浸漬し、めっき工程と逆電工程とを施し微細亀裂を有する硬質クロムめっき層を表面に形成する硬質クロムめっき層形成工程を、必要な積層数だけ繰り返すことからなる。
使用するクロムめっき浴は、特に限定されないが、 従来から公知である酸性のクロム酸液、フッ化浴等とすることが好ましい。母材を、このようなクロムめっき浴槽に浸漬し、電解研磨を行い母材表面を清浄化することがめっき密着性の観点から好ましい。
【００３６】
電解研磨後、めっき工程を施し、まず、母材表面に所定厚さの最下層の硬質クロムめっき層を形成する。めっき工程では、母材を陰極とし、電流密度20〜100 Ａ／ｄｍ2 としてめっきすることが好ましい。めっき厚さの調整は電流印加時間を所望めっき厚さに応じ設定することにより行うことが好ましい。ついで、比較的速い切り替え時間で極性を反転して、逆電工程を施す。最下層の硬質クロムめっき層を形成する場合には、最下層の厚さを80μｍ以下でめっき皮膜中最も厚くすることが好ましく、また微細亀裂の深さを当該最下層のクロムめっき層内で留める必要があるため、極性の切り替え時間は100 μsec 以下とすることが好ましい。逆電工程では、母材を陽極とし、電流密度20〜100 Ａ／ｄｍ2 として、 予め設定した厚さが残るように硬質クロムめっき層を溶出させる。
【００３７】
最下層の硬質クロムめっき層の上層の中間層として、さらに硬質クロムめっき層を積層するため、第２回目以降のめっき工程、逆電工程を施す。最下層の硬質クロムめっき層の逆電工程が終了したのち、再び極性を反転させ、母材を陰極とし、電流密度30〜120 Ａ／ｄｍ2 として、 めっきし、電流印加時間を調整し、所定厚さの硬質クロムめっき層を形成することが好ましい。ついで、緩慢な切り替え時間で極性を反転して、逆電工程を施す。逆電工程では、母材を陽極とし、電流密度20〜100 Ａ／ｄｍ2 として、 予め設定した厚さが残るように硬質クロムめっき層を溶出させる。中間層の硬質クロムめっき層の厚さは、5.0 〜30.0μｍの厚さとすることが好ましく、この厚さの場合にはめっき工程から逆電工程への極性の切り替え時間は100 〜2000μsec とすることが好ましい。これにより、開口部幅を0.2 μｍ以下とし、微細亀裂が単一層内に止まる部分と、２層以上に延びる部分とが混在する微細亀裂を形成することができる。
【００３８】
このようなめっき工程と逆電工程を必要な積層数だけ繰り返すことにより、所望の積層数を有する中間層（硬質クロムめっき層）を形成することができる。
必要数の中間層を形成したのち、最表面の硬質クロムめっき層を形成する。中間層の逆電工程が終了したのち、再び極性を反転させ、母材を陰極とし、電流密度30〜120 Ａ／ｄｍ2 として、 めっきし、所定厚さとなるように電流印加時間を設定し、硬質クロムめっき層を形成することが好ましい。ついで、緩慢な切り替え時間で極性を反転して、逆電工程を施す。逆電工程では、母材を陽極とし、電流密度20〜100 Ａ／ｄｍ2 として、 予め設定した厚さが残るように電流印加時間を設定し、硬質クロムめっき層を溶出させる。最表面層の硬質クロムめっき層の厚さは、5.0 〜50.0μｍの厚さとすることが好ましく、この厚さの場合にはめっき工程から逆電工程への極性の切り替え時間は100 〜2000μsec とすることが好ましい。これにより、開口部幅を0.2 μｍ以下とし、微細亀裂が単一層内に止まる部分と、２層以上に延びる部分とが混在する微細亀裂を形成することができる。
【００３９】
上記した工程により、母材表面の少なくとも外周側（摺動面）に硬質クロム積層めっき皮膜を形成したピストンリングとすることができる。硬質クロム積層めっき皮膜はピストンリング母材との密着性に優れ、ピストンリングの耐久性が向上するという効果を示す。
このようなピストンリングを、ピストンに組み込み、軟質なアルミニウム合金製シリンダーボアと直接組み合わせて摺動 (使用）しても、保油性に優れているため、耐摩耗性、耐スカッフ性を従来の組み合わせ並あるいはそれ以上とすることができる。本発明の組み合わせによれば、特別なシリンダーライナを装備することなく、また、シリンダに特殊な複合強化を施すことなく、軟質なアルミニウム合金製シリンダと直接組み合わせて使用することができ、シリンダ (シリンダブロック）製造工程の単純化、製造コストの低減が可能となるという顕著な効果を示す。
【００４０】
また、本発明では、ピストンリング母材としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いるため、稼動時にピストンリングとアルミニウム合金製シリンダとの熱膨張差が少なく、ピストンリングのガスシール性の低下が認められず、したがって、ブローバイガスの発生を防止できるという効果を示す。
また、上記したように母材表面の少なくとも外周側（摺動面側）に硬質クロム積層めっきを形成したピストンリングに組み合わせて使用できるアルミニウム合金製シリンダは、ダイカスト鋳造法により製造された鋳造品、すなわちJIS H 5302に規定される、アルミニウム合金ダイカストがいずれも好適に利用できる。なかでも、ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１４のうちのいずれかに規定される組成を有するアルミニウム合金ダイカストが好ましい。なお、ダイカスト法で形成されたアルミニウム合金鋳造品は冷却速度が速いため、 組織が微細化し、硬さも高くなり、 引張強さを向上させることができる。
【００４１】
また、アルミニウム合金製シリンダは、静置鋳造法で製造された鋳造品としても何ら問題はない。静置鋳造法で製造された鋳造品の場合は、JIS H 5202  に規定される、アルミニウム合金鋳物がいずれも好適に利用できる。なかでも、ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃのうちのいずれかに規定される組成を有するアルミニウム合金鋳物が好ましい。静置鋳造法はシリンダブロックのような大きな形状の鋳造品の製造には適していないため、静置鋳造法を利用する場合には、スリーブのような薄形状として、鋳込むことも可能である。
【００４２】
本発明の組み合わせで使用するシリンダの製造方法は、特に限定されるものではなく、通常公知の方法がいずれも適用できる。たとえば、所定の組成を有するアルミニウム合金溶湯を溶製し、所定の寸法形状に組み立てられた鋳型に高圧鋳造法、あるいは静置鋳造にて鋳込み、あるいはさらに溶湯鍛造を施した後、さらに内周面を所定の表面形状とする加工（ホーニング加工）を施すことが好ましい。
【００４３】
【実施例】
オーステナイト系ステンレス鋼(SUS 304：Ｃ：0.06質量％、Si：0.90質量％、Mn：1.5 質量％、Ｐ：0.02質量％、Ｓ：0.02質量％、Cr：18質量％、Ni：8 質量％、残部Fe）、マルテンサイト系ステンレス鋼(SUS 440：Ｃ：0.85質量％、Si：0.40質量％、Mn：0.30質量％、Cr：17.0質量％、Ｐ：0.03質量％、Ｓ：0.02質量％、Mo：1.0 質量％、Ｖ：0.1 質量％、残部Fe）を素材として、 所定の寸法形状のピストンリング母材を作製した。これらピストンリング母材に、 前処理として脱脂、洗浄、液体ホーニングを施したのち、めっき浴槽に浸漬した。なお、めっき浴は、従来公知のフッ化浴とした。
【００４４】
まず、めっき浴槽内で、電流密度：60Ａ／dm2 、印加時間：20ｓの条件で電解研磨を行った。ついで、極性を反転して、母材を陰極とし、電流密度：60Ａ／dm2 、印加時間：30min の条件でめっきするめっき工程と、引き続き、750 μs の極性切り替え時間で極性を反転し、母材を陽極とし、電流密度：60Ａ／dm2 、印加時間：90ｓの条件で逆電工程を施し、最下層の硬質クロムめっき層を形成した。
【００４５】
ついで、再び、極性を反転し、母材を陰極とし、電流密度：60Ａ／dm2 、印加時間：15min の条件でめっきするめっき工程と、引き続き、750 μs の極性切り替え時間で極性を反転し、母材を陽極とし、電流密度：60Ａ／dm2 、印加時間：90ｓの条件で逆電工程を施し、表１に示す厚さの硬質クロムめっき層（中間層）を形成した。このような中間層のめっき工程と逆電工程を、さらに10回繰り返し、合計10層の中間層を形成した。
【００４６】
ついで、再び極性を反転し、母材を陰極とし、電流密度：60Ａ／dm2 、印加時間：20min の条件でめっきするめっき工程により最表面層を形成した。なお、最表面層では逆電工程は省略した。ただし、めっき後の加工により、最表面のめっき層は研削されるため、摺動面は微細亀裂を有する面となる。また、ピストンリングの上下コーナー付近の削られない部位は、下層のめっき層を保護する。
【００４７】
また、めっき工程と逆電工程の条件を変化し、微細亀裂量が少ない場合、微細亀裂量が多い場合、単一層内に留まる亀裂量が多い場合、２層間に延びる亀裂量が多い場合の硬質クロム積層めっき皮膜を形成し、比較例とした。
このような層厚、微細亀裂量分布の異なる硬質クロム積層めっき皮膜を形成したピストンリングを、アルミニウム合金製シリンダーボアと表１に示すように組み合わせて、ブローバイガス発生量の測定、摩耗試験およびスカッフ試験を実施した。
【００４８】
なお、ピストンリングに組み合わせる相手材としてのシリンダーは、ＪＩＳ  ＡＤＣ１２またはＡＤＣ１０組成のアルミニウム合金ダイカストとし、表面は研磨加工を施し、表面粗さをRz：２μｍとした。一部のシリンダーはＪＩＳ  ＡＣ８Ａ組成の静置鋳造法によるアルミニウム合金製とした。
ピストンリング表面に形成されためっき層の厚さ、積層数、皮膜中の微細亀裂量、微細亀裂の割合、およびピストンリングとシリンダーとの組み合わせ条件を表１に示す。
【００４９】
なお、同じめっき浴槽を用いて同様なめっき工程および逆電工程を１回施し、単層の硬質クロムめっき皮膜を形成したピストンリングを作製し、従来例とした。また、母材表面にガス窒化層（窒化層厚：70μｍ、窒化層硬さ：Hv1100）を形成したピストンリングを比較例の１つとした。
【００５０】
【表１】
0003681696.tif 000002
【００５１】
ブローバイガス発生量の測定方法は、下記のとおりとした。
（１）ブローバイガス発生量の測定
外周摺動面に、表１に示す硬質クロム積層めっき皮膜を形成したピストンリング（No. １、No. 10）を試験材として、 第１圧力リングに使用した。第２圧力リングおよびオイルリングは、従来型のピストンリング（材質：FC250 ）を使用した。なお、第１圧力リングの合口の隙間幅は0.3 mm、第２圧力リングの合口の隙間幅は0.5 mm、オイルリングの合口の隙間幅は0.2 mmに設定した。
【００５２】
これら圧力リング、オイルリングを用いて、アルミニウム合金（ACD12 ）製シリンダのエンジンでブローバイガス発生量を測定した。測定は、各回転数でエンジンを回転させブローバイガス量（l/min ）を測定した。これらの結果から、6000rpm-WOT （ワイドオープンスロットル）でのＰmax を65kg/cm2としてブローバイガス量を算出した。
【００５３】
得られた結果を図２に示す。なお、ブローバイ比は、比較例であるマルテンサイト系ステンレス鋼を母材とするピストンリング（組み合わせNo.10)  のブローバイガス量の最大値を100 として、それに対する相対比で表示している。
摩耗試験およびスカッフ試験の試験条件はつぎのとおりとした。
（２）摩耗試験
アムスラー型摩耗試験機を使用して、得られたピストンリングより固定片を削り出し、相手材である回転片（シリンダー内周面相当）の半分を油に浸漬し荷重をかけながら固定片に接触させて下記に示す条件で摩耗試験を行った。
【００５４】
潤滑油：タービン油（＃100 ）
油温：80℃
周回転速度：478 ｒｐｍ
荷重：80kgf
時間：７ｈ
試験後、固定片（ピストンリング相当）および相手材（シリンダー内周面）の摩耗量を粗さ計による段差プロフィールで測定した。従来例を基準（＝１）として、基準値に対する相対値（摩耗量比）で評価した。
【００５５】
摩耗量比は、１より小さい場合が従来例より、摩耗量が少ないことを示しており、数値が１より小さい方が望ましい。
（３）スカッフ試験
アムスラー型摩耗試験機を使用して、得られたピストンリングより固定片を削り出し、相手材である回転片（シリンダー内周面相当）に油を付着させ、荷重をかけながら固定片に接触させて、下記に示す条件で、荷重を10kgf/min の割合で線形連続的に増加させ続け、スカッフが発生して負荷信号が発生した時点の荷重をスカッフ限界荷重とした。
【００５６】
潤滑油：２号スピンドル油
油温：成りゆき
周回転速度：478 ｒｐｍ
なお、従来例を基準（＝１）として、基準値に対する相対値（スカッフ限界荷重比）で評価した。スカッフ限界荷重比は、１より大の場合が、従来例よりスカッフ荷重が高いことを示しており、数値が大きい方が望ましい。
【００５７】
さらに、外周摺動面に、表１に示す硬質クロム積層めっき皮膜、硬質クロムめっき皮膜、をそれぞれ形成したピストンリングについて、疲労強度試験および皮膜衝撃強度試験を実施した。
疲労強度試験、皮膜衝撃強度試験の試験条件は下記のとおりである。
（４）疲労強度試験
リング実体型疲労試験機を使用し、ピストンリングに所定の荷重を負荷しながら、繰り返し速度を 2000cycle／min として107 回繰り返した。所定の荷重にて107 回をクリアしたら荷重の段階を上げて同様の速度で107 回繰り返した。107 回をクリアできた最も大きい荷重を、被試験材の疲労強度（MPa ）とした。
【００５８】
なお、従来例の疲労強度（MPa ）を基準（＝１）として基準値に対する相対値（疲労強度比）で疲労強度を評価した。疲労強度比は１より大の場合が従来例より、疲労強度が高いことを示しており、数値が大きい方が望ましい。
（５）皮膜衝撃強度試験
自社オリジナルの衝撃試験機を使用し、被試験材（ピストンリング）のリングコーナー45゜にストーク 1.5mmで打撃することによりめっき皮膜の剥離が発生するまで所定荷重の衝撃エネルギーを加え続け、剥離発生までの打撃回数を測定した。
【００５９】
なお、従来例の剥離発生までの打撃回数を基準（＝１）として、基準値に対する相対値（皮膜衝撃強度比）で皮膜衝撃強度を評価した。皮膜衝撃強度比は、１より大の場合が従来例より耐剥離性に優れていることを示しており、数値が大きい方が望ましい。
得られた結果を表２に併記する。
【００６０】
【表２】
0003681696.tif 000003
【００６１】
本発明例（No.1〜No.3）はいずれも、ピストンリング摩耗量比、シリンダー内周面摩耗量比が１より小さく、従来例より摩耗量が少なくなっており、耐摩耗性にすぐれた組み合わせとなっている。また、本発明例はいずれも、スカッフ限界荷重比が１より大きく従来例より高いスカッフ限界荷重を示しており、耐焼付き性に優れた組み合わせとなっている。更に本発明例は、いずれも疲労強度比及び皮膜衝撃強度比が、従来例及び比較例より高い値を示し、耐疲労性、耐皮膜衝撃性に優れたピストンリング皮膜となっている。
【００６２】
なお、比較例（No.4）はピストンリングめっき皮膜中の微細亀裂量が少ないため、ピストンリング摩耗量が多く、スカッフ限界荷重も低い。比較例（No.5）はピストンリングめっき皮膜中の微細亀裂量が多いため、ピストンリング摩耗量が少なく、またスカッフ限界荷重も高いが、ピストンリングめっき皮膜の疲労強度比及び皮膜衝撃強度比は低い。比較例（No.6）はピストンリングめっき皮膜中の単一層内に溜まる微細亀裂量が多いため、ピストンリング摩耗量が少なく、スカッフ限界荷重が高いが、疲労強度比及び皮膜衝撃強度比が低くなっている。比較例（No.7）はピストンリングめっき皮膜中の２層間に延びる微細亀裂量が多いため、ピストンリング摩耗量が少なく、スカッフ限界荷重が高いが、疲労強度比が低くなっている。比較例（No.8）はガス窒化膜を形成した例であり、皮膜が硬いため、ピストンリング摩耗量は少ないが、アルミニウム合金製シリンダに対しての相手攻撃性が高いため、シリンダ内周面摩耗量が多く、また保油性がないため、スカッフ限界荷重が低い。
【００６３】
また、比較例（No.10 〜No.12 ）は、ピストンリング母材をマルテンサイト系ステンレス鋼SUS 440 とした以外は、本発明例と同様の硬質クロム積層めっき皮膜を形成しており、耐摩耗性、耐焼付き性にすぐれた組み合わせとなっており、また、耐疲労性、耐皮膜衝撃性に優れたピストンリング皮膜となっている。
図２から、本発明例（No.1）のブローバイ比は、マルテンサイト系ステンレス鋼を母材とする比較例（No.10 ）に比べ低い。このことから本発明は、ガスシール性の低下が少なく、ブローバイガスの発生量を抑制することができることがわかる。
【００６４】
このように、本発明のピストンリングとシリンダとの組み合わせによれば、シリンダライナを必要とせず、直接アルミ合金製シリンダとピストンリングを組み合わせて摺動させることができ、しかもブローバイガスの発生を抑制することができるという顕著な効果を示す。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、摺動時の摩擦力が低く、かつシリンダおよびピストンリング双方の摩耗量が少なく、しかも耐スカッフ性に優れ、シリンダをアルミニウム合金製としてもブローバイガスの発生を抑制できるシリンダとピストンリングとの組み合わせを提供することができ、産業上格段の効果を奏する。また、シリンダライナを必要とせず、ピストンリングを軟質なシリンダー内周面と直接組み合わせることができ，エンジンの製造コストを顕著に低減できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に好適な硬質クロム積層めっき皮膜の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例と比較例のブローバイ化を示すグラフである。
【符号の説明】
１  ピストンリング母材
２  硬質クロム積層めっき皮膜
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ  硬質クロムめっき層
３ａ  単一層内に留まる微細亀裂
３ｂ  ２層に延びる微細亀裂
３ｃ  ３層に延びる微細亀裂
【図１】
0003681696.tif 000004
【図２】
0003681696.tif 000005