(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性樹脂をベース材とするピストンリング用被覆材であって、前記被覆材はアルミニウム合金製ピストンの往復動方向と直交するばね用鋼からなるピストンリングの表裏面のうち少なくとも一方の面に形成されており、その５０重量％以上がベース材としての耐熱性樹脂からなり、かつ、少なくとも強化粒子として粒径１〜５μｍの酸化アンチモンを５重量％以上含有することを特徴とするピストンリング用被覆材。
【請求項２】
ベース材としての耐熱性樹脂が、ポリアミドイミドおよびポリイミドのうちから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング用被覆材。
【請求項３】
潤滑性向上成分として固体潤滑剤を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のピストンリング用被覆材。
【請求項４】
固体潤滑剤が、グラファイト、ＰＴＦＥ、ＭｏＳ２、ＷＳ２のうちから選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項３に記載のピストンリング用被覆材。
【請求項５】
下地処理として基材に表面粗さＲｍａｘ１〜１０μｍのリン酸塩処理が施されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれに記載のピストンリング用被覆材。
【請求項６】
リン酸塩処理が、リン酸マンガン処理であることを特徴とする請求項５に記載のピストンリング用被覆材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンリング用被覆材に係り、特に、内燃機関用のばね用鋼からなるピストンリングに被覆して下地金属、即ちアルミニウム合金製であるピストンとの直接接触による凝着，摩耗の発生を防止するのに好適なピストンリング用被覆材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の高性能化に伴って、その運転環境は年々苛酷になってきている。
【０００３】
一般に、これら内燃機関のピストンには、燃焼室の気密性の確保およびシリンダー内の適切な潤滑油コントロールのため、ピストンリングが装着されているが、特に、高温，高負荷の状態においては、ピストン材として用いられているアルミニウム合金がピストンリングの表面に凝着し、ピストン材が摩耗するという現象が起こる場合があり、これが原因となって燃焼室の気密性の低下、オイル消費量の増大といった問題を生じることがある。
【０００４】
これを防止するため、一部のエンジンにおいては、ピストンリング基材とピストンとの直接接触の防止と共に潤滑状態の改善を狙って、ピストンリングの上下面に耐熱性樹脂をバインダーとした固体潤滑被膜を形成させている。
【０００５】
従来のこうした固体潤滑被膜としては、例えば、エポキシ樹脂やポリアミドイミド樹脂等をバインダーとし、二硫化モリブデンやグラファイト，ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）等の固体潤滑剤を適宜含有させたものが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の固体潤滑被膜は、摺動面の摩擦低減には効果がある半面、特に、高出力エンジンのピストンリングなど、高温，高負荷となるような厳しい条件下で使用した場合には、被膜自身の摩耗の進行が激しくなり、十分な耐久性を得ることができず、その結果、早期にピストンリング基材とピストンとの間の凝着，摩耗が発生してしまうことがあるという問題があった。
【０００７】
一方では、被膜の耐摩耗性改善のため、一般的な樹脂複合材と同様に炭素繊維やガラス繊維等を配合すると、相手材への攻撃性が大きくなり、これをピストンリングの被覆材として使用した場合には、相手材であるピストンを摩耗させてしまうことがあるという問題があった。
【０００８】
このため、アルミニウム合金製ピストンの場合、こうした厳しい条件下では、ピストンのピストンリングとの摺動面に陽極酸化処理を施す等、より高コストの対策を採用せざるを得ないというのが実情であった。
【０００９】
【発明の目的】
本発明はこのような従来の課題にかんがみてなされたもので、相手材への攻撃性が小さく、さらに、高温，高負荷となるような厳しい摺動条件下においても、自身の耐摩耗性を確保し、基材と相手材との間の直接接触による凝着発生およびそれに伴う基材および／または相手材の著しい摩耗を長期間阻止できるピストンリング用被覆材を提供することにより、これまでにない耐凝着，摩耗性能を複雑な機構を用いず低コストで実現することを目的としている。
【００１０】
上記目的の達成のため、本発明のピストンリング用被覆材は、請求項１に記載しているように、耐熱性樹脂をベース材とするピストンリング用被覆材であって、前記被覆材はアルミニウム合金製ピストンの往復動方向と直交するばね用鋼からなるピストンリングの表裏面のうち少なくとも一方の面に形成されており、その５０重量％以上がベース材としての耐熱性樹脂からなり、かつ、少なくとも強化粒子として粒径１〜５μｍの酸化アンチモンを５重量％以上含有するものとしたことを特徴としている。
【００１１】
そして、本発明に係るピストンリング用被覆材は、請求項２に記載しているように、ベース材としての耐熱性樹脂が、ポリアミドイミドおよびポリイミドのうちから選ばれる少なくとも１種であるものとすることができる。
【００１２】
さらに、本発明に係るピストンリング用被覆材は、請求項３に記載しているように、潤滑性向上成分として固体潤滑剤を含有するものとすることができ、その場合に、請求項４に記載しているように、固体潤滑剤が、グラファイト，ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン），ＭｏＳ２，ＷＳ２のうちから選ばれる少なくとも１種を含むものとすることができる。
【００１３】
さらにまた、本発明に係るピストンリング用被覆材は、請求項５に記載しているように、下地処理として基材に表面粗さＲｍａｘ１〜１０μｍのリン酸塩処理が施されているものとすることができ、その場合に、請求項６に記載しているように、リン酸塩処理が、リン酸マンガン処理であるものとすることができる。
【００１５】
【発明の作用】
本発明のピストンリング用被覆材は、請求項１に記載しているように、耐熱性樹脂をベース材とするピストンリング用被覆材であって、前記被覆材はアルミニウム合金製ピストンの往復動方向と直交するばね用鋼からなるピストンリングの表裏面のうち少なくとも一方の面に形成されており、その５０重量％以上がベース材としての耐熱性樹脂からなり、かつ、少なくとも強化粒子として粒径１〜５μｍの酸化アンチモンを５重量％以上含有する構成を有するものであるが、本発明によるピストンリング用被覆材では耐熱性樹脂をベース材として用いることで、高温の摺動部にも使用できるものとなり、これに酸化アンチモンを添加することにより、被膜を強化し、優れた耐摩耗性を付与するものとなる。
【００１６】
さらに、酸化アンチモンは一般的な樹脂複合材に使用されている炭素繊維やガラス繊維などと比較して硬度が高すぎず、粒子形状も球形に近く、エッジを持たないため相手材への攻撃性が小さく、相手摺動部材としてアルミニウム等の比較的軟質な金属を組み合わせた場合でも、その摩耗を促進してしまうようなことがない。
【００１７】
しかし、酸化アンチモンの添加量が５重量％未満では、十分な耐摩耗性向上の作用を得ることができず、また、ベース材として被膜を形成させている耐熱性樹脂の量が５０重量％未満では、被膜の結合性が不足し、かえって自身の摩耗量が増大してしまうおそれがでてくる。
【００１８】
さらに、添加する酸化アンチモン粒子の粒径が１μｍ未満では、耐摩耗性向上の作用が少なく、逆に５μｍを超えると、被膜中に均一に分散させることが難しくなり、安定した被覆材の形成が困難となる場合がある。
【００１９】
本発明のピストンリング用被覆材は、請求項２に記載しているように、ベース材となる耐熱性樹脂が、ポリアミドイミドおよびポリイミドのうちから選ばれる少なくとも１種であるものとすることができるが、これらの樹脂は耐熱性に特に優れ、かつまた、摺動特性にも優れたものであるので、これらをベース材として用いることで、より高温の摺動部にも好適に使用できるものとなる。
【００２０】
また、本発明のピストンリング用被覆材は、請求項３に記載しているように、潤滑性向上成分として固体潤滑剤を含有するものとすることができ、この場合に、請求項４に記載しているように、固体潤滑剤が、グラファイト，ＰＴＦＥ，ＭｏＳ２，ＷＳ２のうちから選ばれる少なくとも１種を含むものとすることができる。
【００２１】
特に、潤滑状態の厳しい環境で使用するような場合には、被覆材に固体潤滑剤を適宜含有させることで潤滑性を付与し、摺動時の摩擦損失を低減させることができる。また、これに伴う摩擦発熱の低減によって、被覆材自身の耐久性をより一層向上させることが可能となる。そして、固体潤滑剤としては、摺動条件に応じて、耐熱性に特に優れるグラファイト，比較的低荷重での摩擦係数低減に効果の高いＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂，広い温度域でバランスの良い潤滑性を示すＭｏＳ２，ＷＳ２のうちから選ばれる少なくとも１種を含むものとすることで、こうした潤滑性の付与作用はより一段と優れたものとなる。
【００２２】
さらに、本発明のピストンリング用被覆材は、請求項５に記載しているように、下地処理として基材に表面粗さＲｍａｘ１〜１０μｍのリン酸塩処理が施されているものとすることができ、この場合に、請求項６に記載しているように、リン酸塩処理が、リン酸マンガン処理であるものとすることができる。
【００２３】
下地処理としてリン酸塩処理を施すことにより、基材との密着強度がより一層向上し、一段と安定性に優れた被覆材となる。また、このリン酸塩処理として、緻密で強度が高く、耐熱性にも優れた処理層が得られるリン酸マンガン処理を用いることで、より有効な下地処理層が得られ、被覆材の安定性がさらに高まる。
【００２４】
しかし、リン酸塩処理層の粗さがＲｍａｘ１μｍ未満では密着強度向上の作用が十分でなく、１０μｍを超えると被覆材の形成時に均一な被膜形成が難しくなり、摺動時の早期剥離，脱落の原因となる。
【００２５】
そして、上述のような優れた特性を有する本発明のピストンリング用被覆材を適用するに際し、内燃機関用ピストンリングの上下面（ピストンの往復動方向と直交する方向の表裏面）の少なくとも一方の面に形成して用いることによって、高温，高負荷となるような厳しい条件下においてもばね用鋼からなるピストンリング基材とアルミニウム合金製ピストンとの間の凝着，摩耗の発生が長期間にわたって防止されることとなる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係るピストンリング用被覆材は、請求項１に記載しているように、耐熱性樹脂をベース材とするピストンリング用被覆材であって、前記被覆材はアルミニウム合金製ピストンの往復動方向と直交するばね用鋼からなるピストンリングの表裏面のうち少なくとも一方の面に形成されており、その５０重量％以上がベース材としての耐熱性樹脂からなり、かつ、少なくとも強化粒子として粒径１〜５μｍの酸化アンチモンを５重量％以上含有する構成を有するものであるから、高温の摺動部に用いることができるだけでなく、相手材への攻撃性を大きくすることなく優れた耐摩耗性が付与され、長期にわたって基材金属と相手材との凝着，摩耗を防止することが可能になるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２７】
そして、本発明に係るピストンリング用被覆材は、請求項２に記載しているように、ベース材としての耐熱性樹脂が、ポリアミドイミドおよびポリイミドのうちから選ばれる少なくとも１種であるものとすることによって、その耐熱性をより一層高めることができ、より高温の摺動部にも好適に使用することが可能であるという顕著な効果がもたらされる。
【００２８】
また、本発明に係るピストンリング用被覆材は、請求項３に記載しているように、潤滑性向上成分として固体潤滑剤を含有するものとなすことによって、摺動時の摩擦損失の低減と共に被覆材自身の耐久性をより一層向上させることが可能となり、さらに、請求項４に記載しているように、固体潤滑剤が、グラファイト，ＰＴＦＥ，ＭｏＳ２，ＷＳ２のうちから選ばれる少なくとも１種を含むものとすることによって、上記の効果を一段と優れたものとすることができるという顕著な効果がもたらされる。
【００２９】
さらに、本発明に係るピストンリング用被覆材は、請求項５に記載しているように、下地処理として基材に表面粗さＲｍａｘ１〜１０μｍのリン酸塩処理が施されているものとすることによって、基材金属との密着性をより一層高めることができ、一段と安定性に優れた被覆材とすることが可能となり、請求項６に記載しているように、リン酸塩処理が、リン酸マンガン処理であるものとすることによって、より緻密で強度が高く、耐熱性にも優れた下地処理層を得ることができ、被覆材の安定性をさらに高めることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３０】
そして、このような優れた特性を有する本発明のピストンリング用被覆材を適用するに際し、内燃機関用のばね用鋼からなるピストンリングのアルミニウム合金製ピストンの往復動方向と直交する方向の表裏面の少なくとも一方の面に形成して用いることによって、高出力エンジン等の高温，高負荷となるような厳しい条件下においても、ばね用鋼からなるピストンリング基材とアルミニウム合金製ピストンとの間の凝着，摩耗の発生、およびその進行を従来にない水準で長期にわたって防止することが可能になるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３１】
【実施例】
次に、実施例について比較例と共に説明する。
【００３２】
実施例１〜５
ベース材となる耐熱性樹脂としてＰＡＩ（ポリアミドイミド）樹脂を選択し、これをｎ−メチル−２−ピロリドン，キシレンを溶剤として溶解したものに、強化粒子としての平均粒径３μｍの酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）と、グラファイト，ＰＴＦＥ，ＭｏＳ２，ＷＳ２のうちから選ばれる固体潤滑剤を表１の実施例１〜５に示す組成となるように配合した溶液を作成した。
【００３３】
次に、ばね用鋼で作製したピストンリング基材の上面に脱脂等の表面調整を施した後、表面粗さＲｍａｘ約５μｍのリン酸マンガン処理を施し、この上に、先に調整した溶液をスプレー塗布して乾燥した後、約１８０〜２２０℃で加熱焼成し、図１に示すように、ピストンリング基材１ａの上面に膜厚約１０μｍの被覆材１ｂを形成させたピストンリング１のテストピースを得た。
【００３４】
比較例１，２
前記実施例で用いたと同じＰＡＩ樹脂をｎ−メチル−２−ピロリドン，キシレンを溶剤として溶解したものに、グラファイト等の固体潤滑剤を表１の比較例１，２に示す組成となるように配合した溶液を作成した。
【００３５】
次に、ばね用鋼で作製したピストンリング基材の上面に脱脂等の表面調整を施した後、表面粗さＲｍａｘ約５μｍのリン酸マンガン処理を施し、この上に、先に調整した溶液をスプレー塗布して乾燥した後、約１８０〜２２０℃で加熱焼成し、実施例と同様に、図１に示すごとくピストンリング基材１ａの上面に膜厚約１０μｍの被覆材１ｂを形成させたピストンリング１のテストピースを得た。
【００３６】
比較例３〜５
前記実施例で用いたと同じＰＡＩ樹脂をｎ−メチル−２−ピロリドン，キシレンを溶剤として溶解したものに、強化粒子としての平均粒径３μｍの酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）と、グラファイト等の固体潤滑剤を表１の比較例３〜５に示す組成となるように配合した溶液を作成した。
【００３７】
次に、ばね用鋼で作製したピストンリング基材の上面に脱脂等の表面調整を施した後、表面粗さＲｍａｘ約５μｍのリン酸マンガン処理を施し、この上に、先に調整した溶液をスプレー塗布して乾燥した後、約１８０〜２２０℃で加熱焼成し、実施例と同様に、図１に示すごとくピストンリング基材１ａの上面に膜厚約１０μｍの被覆材１ｂを形成させたピストンリング１のテストピースを得た。
【００３８】
比較例６
前記実施例で用いたと同じＰＡＩ樹脂をｎ−メチル−２−ピロリドン，キシレンを溶剤として溶解したものに、強化成分としての炭素繊維と、グラファイト等の固体潤滑剤を表１の比較例６に示す組成となるように配合した溶液を作成した。
【００３９】
次に、ばね用鋼で作製したピストンリング基材の上面に脱脂等の表面調整を施した後、表面粗さＲｍａｘ約５μｍのリン酸マンガン処理を施し、この上に、先に調整した溶液をスプレー塗布して乾燥した後、約１８０〜２２０℃で加熱焼成し、実施例と同様に、図１に示すごとくピストンリング基材１ａの上面に膜厚約１０μｍの被覆材１ｂを形成させたピストンリング１のテストピースを得た。
【００４０】
比較例７
前記実施例で用いたと同じＰＡＩ樹脂をｎ−メチル−２−ピロリドン，キシレンを溶剤として溶解したものに、強化成分としてのガラス繊維と、グラファイト等の固体潤滑剤を表１の比較例７に示す組成となるように配合した溶液を作成した。
【００４１】
次に、ばね用鋼で作製したピストンリング基材の上面に脱脂等の表面調整を施した後、表面粗さＲｍａｘ約５μｍのリン酸マンガン処理を施し、この上に、先に調整した溶液をスプレー塗布して乾燥した後、約１８０〜２２０℃で加熱焼成し、実施例と同様に、図１に示すごとくピストンリング基材１ａの上面に膜厚約１０μｍの被覆材１ｂを形成させたピストンリング１のテストピースを得た。
【００４２】
【表１】
0003613500.tif 000002
【００４３】
（凝着摩耗試験）
実施例１〜５，比較例１〜７で得た各ピストンリング１のテストピースを、図２に示すように、実際のアルミニウム合金製ピストンからの切り出し材２を相手材として、表２に示す条件（試験温度は加熱ヒーター３により設定）で単体凝着摩耗試験を行い、摺動面１ｓでの凝着発生までの時間と、試験開始から５時間経過時点での相手材摩耗量を比較した。その結果を表３に示す。
【００４４】
【表２】
0003613500.tif 000003
【００４５】
【表３】
0003613500.tif 000004
【００４６】
表３より明らかなように、本発明実施例１〜５に係るものは、強化粒子であるＳｂ２Ｏ３を添加していない比較例１および比較例２、Ｓｂ２Ｏ３の添加量が本発明の範囲から外れる比較例３、さらに、Ｓｂ２Ｏ３を含めた添加成分全体の添加量が多く、ベースとなる耐熱性樹脂の割合が本発明の範囲から外れる比較例４、および比較例５に比べ、凝着発生までの耐久時間が大きく向上していることがわかる。
【００４７】
また、比較例６および比較例７は、凝着発生までの耐久時間は本発明実施例と同等であるが、相手材の摩耗量が本発明実施例と比較して著しく増加しており、これらのことから、本発明のピストンリング用被覆材は、従来の被覆材では得られない優れた性能を有していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すピストンリングの一部拡大断面説明図である。
【図２】単体凝着摩耗試験の概要を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１  ピストンリング
１ａ  ピストンリング基材
１ｂ  被覆材
１ｓ  摺動面
２  ピストンからの切り出し材
３  加熱ヒーター
【図１】
0003613500.tif 000005
【図２】
0003613500.tif 000006