(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に複数層の硬質Ｃｒめっき層が積層された積層硬質Ｃｒめっき層を有し、各硬質Ｃｒめっき層表面には微小亀裂が形成され、さらに最外層の硬質Ｃｒめっき層を除く他の硬質Ｃｒめっき層の微小亀裂は成膜方向に独立した微小な空洞を形成するピストンリングにおいて、前記硬質Ｃｒめっき層の表面における微小亀裂の表面面積比率が０．５〜５．０％であり、かつ前記微小亀裂の数が５０〜１２００本／１０ｍｍであり、各硬質Ｃｒめっき層の肉厚が５〜１５μｍであることを特徴とするピストンリング。
【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に関し、特にその外周面のめっき層に特徴を有するピストンリングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴いピストンリングに要求される品質が高度になってきている。従来、内燃機関用ピストンリングにはその耐久性を改善する手段として、外周面、すなわち摺動面に硬質クロムめっき処理や窒化処理などの耐摩耗性表面処理が施されている。これらの表面処理のうちで特に窒化処理は優れた耐摩耗特性を示すことから過酷な運転条件の下で使用されるピストンリングの表面処理として注目され広く実用に供されている。
【０００３】
しかしながら、窒化処理は耐摩耗特性に優れている反面、耐焼き付き性（耐スカッフィング性）に関しては必ずしも充分であると言えず、過酷な運転条件での使用に際しての異常摩耗を発生することがあり、改善が望まれていた。また従来の硬質クロムめっき層では、窒化処理に対しては多少耐焼き付き性（耐スカッフィング性）は良いものの、耐摩耗性において充分であるとは言えず、過酷な運転条件での使用に際しての改善が望まれていた。
【０００４】
そこで、従来の硬質クロムめっき層に潤滑油溜まりとして機能する微細な凹部を表面に形成したポーラスクロムめっきが、耐焼き付き性を改善するために、一部実用化されている。しかし、従来のポーラスクロムめっきは表面にのみ凹部が存在し、摺動特性改善に効果的な凹部はめっき層内部には存在しない。したがって、摺動面が摩耗すると凹部が無くなり、耐焼き付き性が劣化する不具合がある。
【０００５】
また、従来のポーラスクロムめっき層は、例えば特公昭５９−４８８７７号に記載されているように、表面における亀裂、凹部等の溝の表面面積比率（ポーラス度）が１０％〜５０％程度とされていた。しかしながら、このように表面における溝の面積比率が大きいと、それだけ接触面積が小さくなることからも明らかなように、充分な耐摩耗性を得ることができない。また、溝の面積比率がこのように大きいと、耐剥離性（耐靭性）も充分であるとはいえない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みて成し遂げられたものであり、摺動面の摩耗が進行しても表面の凹部が消滅せず、耐焼き付き性を良好に保つことが可能であり、かつ従来のポーラスクロムめっき層が形成されたピストンリングよりも耐摩耗性、耐剥離性が良好なピストンリングを提供することを主目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載するように、外周面に複数層の硬質Ｃｒめっき層が積層された積層硬質Ｃｒめっき層を有し、各硬質Ｃｒめっき層表面には微小亀裂が形成され、さらに最外層の硬質Ｃｒめっき層を除く他の硬質Ｃｒめっき層の微小亀裂は成膜方向に独立した微小な空洞を形成するピストンリングにおいて、前記硬質Ｃｒめっき層の表面における微小亀裂の表面面積比率が０．５〜５．０％であり、かつ前記微小亀裂の数が５０〜１２００本／１０ｍｍであることを特徴とするピストンリングを提供する。
【０００８】
本発明においては、このように表面に微小亀裂が形成された硬質Ｃｒめっき層が複数層形成され、かつ層内の微小亀裂は成膜方向に独立した微小な空洞を形成しているので、摩耗が進行して微小亀裂が消失しても、すぐに表面に他の微小亀裂が現れる。したがって、長期間使用しても耐焼き付き性に問題が生じることがない。また、各硬質Ｃｒめっき層の微小亀裂の表面面積比率が０．５〜５．０％であり、かつ前記微小亀裂の数が５０〜１２００本／１０ｍｍであることから、本発明における硬質Ｃｒめっき層上の亀裂は、微小な亀裂が多数形成されていることがわかる。このように多数の微小亀裂を硬質Ｃｒめっき層上に形成してあるので、表面における微小亀裂の面積比率が０．５〜５．０％と従来より低い割合であるにもかかわらず、耐焼き付き性に問題が生じない。また、表面における微小亀裂の面積比率がこのように低い割合であり、かつ亀裂が微小であることから、耐摩耗性や耐剥離性等の硬質Ｃｒめっき層の強度に関する特性が飛躍的に向上するのである。
【０００９】
本発明においては、請求項２に記載するように、請求項１に記載されたピストンリングにおいて、一層の膜厚が、０．１〜５０μｍであることがこのましい。０．１μｍより薄い場合は、必要な肉厚の積層硬質Ｃｒめっき層を得るために、多数積層する必要があり、コスト的に問題が生じる可能性があるからであり、５０μｍより厚い肉厚の場合は、微小亀裂が摩耗により消失した後、次の層の微小亀裂が現れるまでの厚みが厚くなりすぎるため、その間に耐焼き付き性の問題が生じる可能性があるからである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のピストンリングについて、詳しく説明する。本発明のピストンリングにおける第１の特徴は、外周面に複数層の硬質Ｃｒめっき層が積層された積層硬質Ｃｒめっき層を有し、各硬質Ｃｒめっき層表面には微小亀裂が形成され、さらに最外層の硬質Ｃｒめっき層を除く他の硬質Ｃｒめっき層の微小亀裂は成膜方向に独立した微小な空洞を有する点にある。
【００１１】
本発明のピストンリングは、後述するように従来の亀裂よりも微小な亀裂を多数硬質Ｃｒめっき層上に有するものである。したがって、必然的に亀裂の深さも比較的浅いものとなる。このような硬質Ｃｒめっき層を一層のみピストンリングの摺動面に有していたのであれば、摩耗により短期間で微小亀裂が消失してしまい、耐焼き付き性が低下してしまうといった問題がある。本発明においては、このような微小亀裂をその表面に有する硬質Ｃｒめっき層を複数層積層することにより、表面の微小亀裂の部分が摩耗しても、次の層の表面における微小亀裂が現れるようにして、硬質Ｃｒめっき層表面の亀裂が微小なものであっても長期間にわたり良好な耐焼き付き性を維持することができるようにしたものである。
【００１２】
本発明においては、この各硬質Ｃｒめっき層の肉厚は、０．１〜５０μｍの範囲内、好ましくは５〜１５μｍの範囲内である。
【００１３】
各硬質Ｃｒめっき層の肉厚が上記範囲より薄い場合は、所定の厚みの積層硬質Ｃｒめっき層を形成するにあたって、多数の層を積層する必要があることから、コスト面で問題となる可能性があると共に、各層が薄い場合は各層の強度面での問題が生じる可能性があるからである。一方、上記範囲より肉厚が厚い場合は、微小亀裂が摩耗の進行により消失してから、次の層表面の微小亀裂が現れるまでに、時間がかかるため、この間に耐焼き付き性の問題が生じる可能性があるからである。
【００１４】
なお、本発明においては母材の表面部分が平面であることが好ましいが、母材表面にある程度の微小な凹凸があり、その上に所定の数の硬質Ｃｒめっき層が積層された後、ラッピング等により平滑化されたものであってもよい。このように母材表面に微小な凹凸があれば、各層の硬質Ｃｒめっき層にも凹凸が生じ、摩耗が進行した際に微小亀裂が一気に消失する可能性が少なくなり、耐焼き付き性を向上させる場合があるからである。母材表面の好ましい凹凸の程度としては、０．３〜３．０μｍの範囲内である。
【００１５】
本発明のピストンリングにおける積層硬質Ｃｒめっき層の積層数は、必要な硬質Ｃｒめっき層の肉厚を、各層の厚みで割った数であり、ピストンリングの使用状況等によって適宜選定されるものである。一般的な積層数としては、５層から３０層程度であり、好ましくは８〜２０層程度である。積層数が多い場合は、硬質Ｃｒめっきを行うのに時間と手間がかかるため、コスト的に問題が生じる可能性があり、また積層数が少ない場合は、一般的には各層の肉厚が厚くなることが予想されるため、上述したように耐焼き付き性が低下するという可能性がある。
【００１６】
本発明のピストンリングにおける第２の特徴は、各硬質Ｃｒめっき層の表面における微小亀裂の面積比率が０．５〜５．０％であり、かつ前記微小亀裂の数が５０〜１２００本／１０ｍｍであることである。
【００１７】
通常、摺動面に用いられるポーラスクロムめっき層において、その耐焼き付き性の面を無視した場合、耐摩耗性、耐剥離性等のポーラスクロムめっき層自体の強度に関係する特性面から、表面に存在する亀裂等の凹部は少なければ少ないほどよい。しかしながら、耐焼き付き性が極めて重要な特性であるため、ある程度摩耗性等のめっき層自体における強度面の低下を許容しても、硬質Ｃｒめっき層表面に、例えば逆電処理等によりクラックを形成し、所定の表面面積比率となるような凹部を設けているのである。本発明においては、このような表面の凹部を微小亀裂とすることにより、通常より少ない凹部の表面面積比率であっても、耐焼き付き性に問題が生じないという新たな知見を見いだしたものであり、耐焼き付き性を低下させずに、耐摩耗性や耐剥離性等のめっき層自体の強度を向上させるようにしたところに大きな特徴を有するものである。
【００１８】
このような微小亀裂としては、上述したように各硬質Ｃｒめっき層の表面における微小亀裂の面積比率が０．５〜５．０％である場合に、微小亀裂の数が５０〜１２００本／１０ｍｍとなる亀裂であり、さらに好ましい範囲としては、微小亀裂の面積比率が２．０〜４．０％である場合に、微小亀裂の数が１５０〜８００本／１０ｍｍの範囲内である。
【００１９】
本発明のピストンリングは、母材上にフッ素イオンを含むＣｒめっき浴を用いて、硬質Ｃｒめっき工程と逆電処理等のエッチング工程とを所定の回数繰り返し行い、硬質Ｃｒめっき層を積層することにより製造される。このように、フッ素イオンを含む硬質Ｃｒめっき層上に更に硬質Ｃｒめっき層を形成すると、めっき層間に優れた密着性を得ることができる。本発明に用いられる上述したような微小亀裂は、このめっき工程の条件および逆電処理等のエッチング工程の条件を調整することにより得られる。
【００２０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例および比較例を示して、本発明を具体的に説明する。
【００２２】
（実施例１）
クロムめっき浴としては、６０℃の一定温度に保持されたケイフッ化浴（ＣｒＯ3＝２５０ｇ／Ｌ、Ｈ2ＳＯ4＝１．５ｇ／Ｌ、ＮａＳｉＦ6＝５ｇ／Ｌ）を用いた。まず、最初に母材表面の活性化処理として、電流密度６０Ａ／ｄｍ2にて、逆電流処理を３０秒間行い（逆電処理１）、次いで電流密度６０Ａ／ｄｍ2で正電流処理を１７分間行う（正電処理１）。次に電流密度６０Ａ／ｄｍ2にて、逆電流処理を６０秒間行う（逆電処理２）。予め設定された必要なめっき厚さになるように、正電処理１と逆電処理２とを１７回繰り返し行い、本発明のピストンリングに用いる積層された硬質Ｃｒめっき層を形成した。得られた積層硬質Ｃｒめっき層は、一層当たり約１０μｍ、積層硬質Ｃｒめっき層としての厚みは約１７０μｍであった。表面の微小亀裂は約３．０面積％、約６００本／１０ｍｍであった。
【００２３】
（実施例２）
クロムめっき浴としては、６５℃の一定温度に保持されたケイフッ化浴（ＣｒＯ3＝２５０ｇ／Ｌ、Ｈ2ＳＯ4＝１．５ｇ／Ｌ、ＮａＳｉＦ6＝１ｇ／Ｌ）を用いた。まず、最初に母材表面の活性化処理として、電流密度６０Ａ／ｄｍ2にて、逆電流処理を３０秒間行い（逆電処理１）、次いで電流密度６０Ａ／ｄｍ2で正電流処理を１８分間行う（正電処理１）。次に電流密度６０Ａ／ｄｍ2にて、逆電流処理を６０秒間行う（逆電処理２）。予め設定された必要なめっき厚さになるように、正電処理１と逆電処理２とを１７回繰り返し行い、本発明のピストンリングに用いる積層された硬質Ｃｒめっき層を形成した。得られた積層硬質Ｃｒめっき層は、一層当たり約１０μｍ、積層硬質Ｃｒめっき層としての厚みは約１７０μｍであった。表面の微小亀裂は約０．５面積％、約５０本／１０ｍｍであった。
【００２４】
（実施例３）
クロムめっき浴としては、５０℃の一定温度に保持されたケイフッ化浴（ＣｒＯ3＝２５０ｇ／Ｌ、Ｈ2ＳＯ4＝１．５ｇ／Ｌ、ＮａＳｉＦ6＝８ｇ／Ｌ）を用いた。まず、最初に母材表面の活性化処理として、電流密度６０Ａ／ｄｍ2にて、逆電流処理を３０秒間行い（逆電処理１）、次いで電流密度６０Ａ／ｄｍ2で正電流処理を１６分間行う（正電処理１）。次に電流密度６０Ａ／ｄｍ2にて、逆電流処理を６０秒間行う（逆電処理２）。予め設定された必要なめっき厚さになるように、正電処理１と逆電処理２とを１７回繰り返し行い、本発明のピストンリングに用いる積層された硬質Ｃｒめっき層を形成した。得られた積層硬質Ｃｒめっき層は、一層当たり約１０μｍ、積層硬質Ｃｒめっき層としての厚みは約１７０μｍであった。表面の微小亀裂は約５．０面積％、約１２００本／１０ｍｍであった。
【００２５】
（比較例）
まず、６０℃の一定温度に保持された、ケイフッ化浴（ＣｒＯ3＝２５０ｇ／Ｌ、Ｈ2ＳＯ4＝１．５ｇ／Ｌ、ＮａＳｉＦ6＝５ｇ／Ｌ）にて、予め設定された必要なめっき厚さになるように、母材上に電解めっきを行った。
【００２６】
（評価）
１８ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍの鋼製平板の片面をラッピングし１μｍ以下の表面粗さに仕上げ、試料素材とした。試料はあらかじめ有機溶剤中で超音波洗浄を行った後、上述した実施例１〜３および比較例に記載した方法により、本発明のピストンリングに用いられる積層Ｃｒめっき層（実施例１〜３）およびその他のクロムめっき層（比較例）として上記試料素材上に形成し、ラッピングして１μｍ以下の表面粗さに仕上げ、評価試験用の試験片とした。
【００２７】
（摩耗試験）
上記方法により形成した評価試験用試験片を用いて、下記の表１に記載の摩耗試験条件にて耐摩耗性の評価を行った。耐摩耗試験は、アムスラー型摩耗試験機を使用し、上記実施例および比較例の各方法で作成した試験片（１８ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍ）を固定片とし、相手材（回転片）には、ドーナッツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用いた。形成された皮膜がドーナッツ状試験片に接触するようにセットした。耐摩耗性は、比較例の方法で形成した評価用試験片（比較例）の摩耗量を１００としたときの他の試験片（実施例１〜３）の摩耗量を、比較例の試験片に対する摩耗指数として評価した。試験結果を図１に示す。図１中、摩耗指数が１００より小さいものほど摩耗量が少ないことを示す。
【００２８】
図１から明らかなように、実施例１〜３の各試験片は比較例の試験片に比べて耐摩耗性に優れることが確認された。
【００２９】
なお、このとき、相手材である回転片の摩耗量を測定し、相手攻撃性を評価した。相手攻撃性も耐摩耗性と同様に、比較例の方法で作製した試験片（比較例）を使用したときの回転片の摩耗量を１００とし、他の試験片（実施例１〜３）を使用したときの回転片の摩耗量を、比較例の試験片を使用したときの摩耗量に対する指数として評価した。結果を図２に示す。図２中、相手攻撃性（指数）が１００より小さいほど、比較例のめっき層を用いた場合より相手材の摩耗を増加させないので、相手攻撃性に優れることになる。
【００３０】
図２から明らかなように、実施例１〜３の各試験片を使用した場合は、比較例の試験片を使用した場合より、相手攻撃性に優れることが確認された。
【００３１】
【表１】
0004080650.tif 000002
【００３２】
（耐焼き付き性試験）
実施例１〜３および比較例による試験片の耐焼き付き性を下記の表２に示す焼き付き性試験条件にて評価した。耐焼き付き性は、比較例の試験片の焼き付き発生荷重を１００としたときの他の試験片（実施例１〜３）の焼き付き発生荷重を比較例の試験片に対する焼き付き指数として比較した。結果を図３に示す。図３中、焼き付き指数が１００より大きいほど、焼き付き発生荷重が大きいことを示し、耐焼き付き性に優れることが示される。
【００３３】
図３から明らかなように、実施例１〜３の各試験片は、比較例の試験片よりも耐焼き付き性に優れることが確認された。
【００３４】
【表２】
0004080650.tif 000003
【００３５】
（耐靭性（耐剥離性）試験）
上述したような各実施例および比較例の評価用試験片を用い、耐靭性（耐剥離性）を下記の表３に示す衝撃試験条件で評価した。耐靭性（耐剥離性）は、比較例の評価用試験片を用いた場合の剥離発生回数を１００としたときの他の試験片（実施例１〜３）の剥離発生回数を、比較例の試験片に対する耐剥離性（指数）として比較した。結果を図４に示す。図４中、耐剥離性（指数）が１００よりも大きいものは、比較例の試験片よりも多い回数で剥離が発生したことになるので、耐剥離性に優れることになる。
【００３６】
図４から明らかなように、実施例１〜３の各試験片は、比較例の試験片よりも耐靭性（耐剥離性）に優れることが確認された、なお、図５にＮＰＲ式衝撃試験装置を示す。
【００３７】
【表３】
0004080650.tif 000004
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、本発明のピストンリングは外周面に積層硬質Ｃｒめっき層を有し、この積層硬質Ｃｒめっき層はその成膜方向に独立した微小亀裂（微細なチャンネルポーラス、微細な凹部）を有するものである。したがって、従来の硬質Ｃｒめっき層を有するピストンリングと比較して、耐摩耗性、耐焼き付き性、耐相手攻撃性、および耐靭性において、より優れた効果、機能を有する。よって、本発明のピストンリングは、今後開発が予想される高出力エンジン、高温高負荷のエンジンにも十分に使用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】耐摩耗性（摩耗指数）の評価結果を示すグラフである。
【図２】相手攻撃性（相手攻撃性指数）の評価結果を示すグラフである。
【図３】耐焼き付き性（耐焼き付き性指数）の評価結果を示すグラフである。
【図４】耐剥離性（耐剥離性指数）の評価結果を示すグラフである。
【図５】ＮＰＲ式衝撃試験装置（特開昭３６−１９０４６号公報記載のめっき密着度の定量的試験装置）の改良試験機を示す説明図である。
【図１】
0004080650.tif 000005
【図２】
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【図３】
0004080650.tif 000007
【図４】
0004080650.tif 000008
【図５】
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