(57)【要約】  熱環境下においても張力を維持可能な、良好な熱伝導性を有するコンプレッションリングを提供することを課題とする。  内燃機関用ピストンに装着されて用いられるコンプレッションリングであって、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる、コンプレッションリングにより課題を解決する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用ピストンに装着されて用いられるコンプレッションリングであって、
熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる、コンプレッションリング。
【請求項２】
前記コンプレッションリングは、ヤング率が１８０ＧＰａ以下である、請求項１に記載のコンプレッションリング。
【請求項３】
前記コンプレッションリングは、線膨張係数が１５×１０−６／Ｋ以上である、請求項１または２に記載のコンプレッションリング。
【請求項４】
内燃機関用ピストンのセカンドリングとして装着されて用いられる、請求項１から３のいずれか１項に記載のコンプレッションリング。
【請求項５】
前記銅合金はＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコンプレッションリング。
【請求項６】
前記Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金は、Ｎｉ量が２０重量％以上２２重量％以下であり、Ｓｎ量が４．５重量％以上５．７重量％以下であり、任意添加成分を含み、残量がＣｕ及び不可避的不純物である、請求項５に記載のコンプレッションリング。
【請求項７】
ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに
該ピストンのリング溝に装着されたトップリング、セカンドリング及びオイルリング、からなる、内燃機関用ピストンであって、
前記セカンドリングは、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる、内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに備えられるコンプレッションリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のピストンには、その外壁に、コンプレッションリング及びオイルリングを配置するためのリング溝が設けられ、該溝にそれぞれ燃焼室側から順にコンプレッションリング、及びオイルリングが配置される。
コンプレッションリングは、優れた摺動特性が求められるとともに、シリンダボアを押圧するばね特性を維持するための耐熱性、ピストン冷却のための良好な熱伝導性、耐摩耗性など様々な性能が求められる。【０００３】
これらコンプレッションリングに要求される性能のうち熱伝導性に関しては、従来広く使用されているシリコン・クロム鋼より良好な熱伝導性を有するピストンリング材として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒを必須合金元素、Ｍｏ、Ｖ、Ｂを選択合金元素として含む鋼材よりなり、表面に窒化層を形成したピストンリングが提案されている（特許文献１参照）。【０００４】
また、内燃機関用圧縮ピストンリングの母材として、耐スカッフィング性が良好な銅合金を使用し得ることが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１３７７３４号公報
【特許文献２】実開昭４８−６２４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ピストン温度の低減のため、上記記載されたような良好な熱伝導性を有するピストンリング材が提案されているところ、特許文献１に記載の技術は、鋼材を用いていることから熱伝導性の観点からは更に改良の余地があった。そのため本発明者らは、更に熱伝導性の高い材料である銅をコンプレッションリングに用いることを検討した。
しかしながら、コンプレッションリングはシリンダボアを押圧し、ブローバイ防止機能を備える部材であることから、熱環境下において安定した張力の維持が要求されるところ、銅で製造されたコンプレッションリングは張力の熱減退が大きく、ピストンリングとして使用する際に要求される特性（バネ性）を満たさなかった。
本発明はこのような課題を解決するものであり、コンプレッションリングとして熱環境下においても張力を維持可能な、良好な熱伝導性を有するコンプレッションリングを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討し、特定の物性を充足する銅合金を用いたコンプレッションリングが、上記課題を解決できることを見出し、発明を完成させた。【０００８】
本発明は、内燃機関用ピストンに装着されて用いられるコンプレッションリングであって、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる、コンプレッションリングである。【０００９】
前記コンプレッションリングは、ヤング率が１８０ＧＰａ以下であることが好ましく、線膨張係数が１５×１０−６／Ｋ以上であることが好ましく、内燃機関用ピストンのセカンドリングとして装着されて用いられることが好ましい。また、前記銅合金はＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金であることが好ましく、更にＮｉ量が２０重量％以上２２重量％以下であり、Ｓｎ量が４．５重量％以上５．７重量％以下であり、任意添加成分を含み、残量がＣｕ及び不可避的不純物であることが好ましい。【００１０】
また、本発明の別の側面は、ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに該ピストンのリング溝に装着されたトップリング、セカンドリング及びオイルリング、からなる内燃機関用ピストンであって、
前記セカンドリングは、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる、内燃機関用ピストン、である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、コンプレッションリングとして張力を維持可能な、良好な熱伝導性を有するコンプレッションリングを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態であるピストンリングを、セカンドリングとして装着したピストンの断面図である。
【図２】実施例で行った熱減退試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態は、内燃機関用ピストンに装着されて用いられるコンプレッションリングであって、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる。
内燃機関では、ピストンの頂面（燃焼室側）の温度が高くなりすぎるとノッキングが生じることから、燃費向上のためにはピストンの熱を逃がすことが要求される。そのため、ピストンの熱をシリンダボアへと効率的に逃がすために、ピストンリングには良好な熱伝導性が求められる。本実施形態においては、ピストンリングを構成する銅合金の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましく、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが更に好ましい。上限は特段限定されないが、通常３００Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であってよい。
【００１４】
銅合金の熱伝導率を高くするためには、合金中の銅の割合を大きくする等の方法がある。しかしながら、コンプレッションリングは、燃焼室で発生した燃焼ガスがクランク室へ流失しないようシールする機能が要求される（ブローバイ防止機能）。そのためコンプレッションリングには、高温環境下であってもシリンダボアを押圧し続けるための張力の維持が要求されるところ、純銅からなるコンプレッションリングでは、高温環境下では十分なバネ性を維持することが困難であり、実装した際に燃焼環境下において十分なシール性を有さなかった。
【００１５】
そのため本実施形態では銅を合金化し、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金を用いることで、高温環境下においてもコンプレッションリングとして必要な張力を維持可能な、良好な熱伝導性を有するコンプレッションリングを提供できることに想到した。
【００１６】
本実施形態で用いる銅合金は、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下であり、４０％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましく、２５％以下であることが更に好ましい。
また、３００℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下であることが好ましく、４５％以下であることがより好ましく、４０％以下であることが更に好ましく、３０％以下であることが特に好ましい。
【００１７】
上記熱伝導率及び張力減退率を充足し得る銅合金としては、例えば、ベリリウム銅、チタン銅、コルソン銅、ニッケル銅、スズ銅、ニッケルスズ銅、クロム銅、ジルコニウム銅、銅・鉄合金、青銅、りん青銅、真鍮などがあげられるが、これらに限定されない。
銅合金中の銅の含有量は、上記熱伝導率及び張力減退率を充足し得る限りにおいて特段限定されず、一般的に言えば、銅の含有量が多い場合には熱伝導率が高く、張力減退率が大きくなる傾向にある。銅の含有量は通常１０重量％以上であり、２５重量％以上であってよく、５０重量％以上であってよく、７０重量％以上が好ましく、７５重量％以上であってよい。また上限は、９９重量％以下であってよく、９５重量％以下であってよく、９０重量％以下であってよく、８０重量％以下であってよく、７５重量％以下が好ましい。
【００１８】
本実施形態のコンプレッションリングを形成する銅合金は、ヤング率が１８０ＧＰａ以下であることが好ましく、１７０ＧＰａ以下であることがより好ましく、１５０ＧＰａ以下であることが更に好ましい。下限は特段限定されないが、通常５０ＧＰａ以上であってよく、８０ＧＰａ以上であってよい。
銅合金のヤング率が上記範囲内であることで、コンプレッションリングとして十分なバネ性を有する。
【００１９】
本実施形態のコンプレッションリングを形成する銅合金は、線膨張係数が通常１５×１０−６／Ｋ以上であり、１６×１０−６／Ｋ以上であることが好ましく、１７×１０−６／Ｋ以上であることがより好ましい。上限は特段限定されないが、通常３０×１０−６／Ｋ以下であり、２０×１０−６／Ｋ以下であってよい。
【００２０】
本実施形態のコンプレッションリングを形成する銅合金は、０．２％耐力が通常５００ＭＰａ以上であり、８００ＭＰａ以上であることが好ましく、９００ＭＰａ以上であることがより好ましい。０．２％耐力は、例えばＪＩＳ  Ｚ２２４１  金属材料引張試験方法により測定することができる。
【００２１】
銅合金中の金属成分を適宜調整することで、銅合金の物性を調整することができる。例えば銅合金中のニッケルの添加により耐食性、耐熱性を向上させることができ、スズの添加により強度、展延性、耐摩耗性を向上させることができ、クロムの添加により、導電性、耐熱性を向上させることができ、亜鉛の添加により展延性を高めることができ、ベリリウムの添加により機械的強度を高めることができ、チタン成分及び／又はジルコニウム成分の添加により、耐熱性、耐摩耗性を向上させることができる。
【００２２】
銅合金としては、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金が好適例として挙げられる。特に、Ｎｉ量が５重量％以上２５重量％以下であり、Ｓｎ量が２重量％以上１０重量％以下であり、残量がＣｕ及び不可避的不純物からなる合金が好ましい。このとき、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金は任意添加成分として、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｌ、Ｓ、及びＢから選択される１種以上を含み得る。なお、任意成分を含む場合、その含有量は本発明の効果を阻害しない範囲であれば特に限定されないが、一例では、ＭｎとＦｅはそれぞれ０．６質量％以下であってよく、ＭｎとＦｅ以外の任意成分は合計１質量％以下であってよい。
Ｎｉ量が５重量％以上２５重量％以下であり、Ｓｎ量が２重量％以上１０重量％以下であり、残量がＣｕである合金であって、且つ０．２％耐力が８００ＭＰａ以上の銅合金を用いたピストンリングは、２５０℃３時間保持後の張力減退率が低く、且つ好ましい熱伝導率を有することから、実機評価においてピストン頂面温度を１０℃〜１５℃下げることができ、好ましい。
更に、Ｎｉ量が２０重量％以上２２重量％以下であり、Ｓｎ量が４．５重量％以上５．７重量％以下であり、任意添加成分を含み、残量がＣｕ及び不可避的不純物である合金は、経時的な応力緩和率が小さく、より好ましい。具体的には、規格：ＵＮＳ  Ｎｏ．Ｃ７２９５０を満たすＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金があげられる。
【００２３】
本実施形態のコンプレッションリングが装着されたピストンについて、図を用いて説明する。
図１は、ピストンリングが装着されたピストンの断面図である。
ピストン２には、燃焼室側から第１の溝３、第２の溝４、及び第３の溝５が形成されている。第１の溝３には、コンプレッションリングであるトップリング１３が装着され、第２の溝４には、コンプレッションリングであるセカンドリング１４が装着され、第３の溝５には、組合せオイルリング１５が装着される。
【００２４】
トップリング１３、セカンドリング１４、組合せオイルリング１５の図中右端部は、シリンダ１の内壁と接触して摺動する摺動面であり、被膜により被覆されていてもよい。一実施形態では、トップリング１３の、シリンダ１の内壁との摺動面、即ちトップリング１３の外周面は、ＤＬＣ被膜を有し、オイルリング１５の、シリンダ１の内壁との摺動面、即ちオイルリング１５の外周面は、ＰＶＤ被膜を有する。
【００２５】
トップリング１３及びセカンドリング１４のうち少なくとも一方が、上記説明した銅合金からなるコンプレッションリングであってよい。一般的に、トップリング１３がより過酷な環境下に晒されることから、セカンドリング１４が銅合金からなるコンプレッションリングである形態が好ましいが、これに限られない。セカンドリング１４が銅合金からなるコンプレッションリングである場合、セカンドリング１４の外周面は、クロムめっき被膜、ＰＶＤ被膜、ＤＬＣ被膜などを有してもよい。
本実施形態においては、トップリングやセカンドリングに用いるピストンリングは、２５０℃で３時間保持した後の張力が２Ｎ以上であることが好ましく、２．５Ｎ以上であることがより好ましく、３Ｎ以上であることが更に好ましい。また３００℃で３時間保持した後の張力が１．５Ｎ以上であることが好ましく、２Ｎ以上であることがより好ましく、２．５Ｎ以上であることが更に好ましい。
なお、ピストンリングの張力は、ＪＩＳ  Ｂ  ８０３２−２（ＩＳＯ６６２１−２）に準じた方法で測定できる。
【００２６】
組合せオイルリング１５は、その外周面がシリンダ内壁を摺動する上下一対のセグメント１５１及び１５２と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサ１５３を備える。組合せオイルリング１５は３ピース構成のオイルリングであるが、これに限られず、２ピース構成のオイルリングであってよい。
【００２７】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
＜実施例１〜４、比較例１〜２＞
実施例１〜４及び比較例１〜２として、以下の表１に示す材料で形成したピストンリングを準備し、物性を測定した。熱減退率の測定は、まず常温での張力を測定し、次いで２５０℃又は３００℃で３時間保持した後の張力を測定し、それぞれの結果から、熱による張力の減退率を算出した。熱減退率のデータを図２に示す。なお、張力の測定は、ＪＩＳ  Ｂ  ８０３２−２（ＩＳＯ６６２１−２）に準じた方法で行った。具体的には、ピストンリング（φ６３ｍｍ、幅１．０ｍｍ、厚さ２．３ｍｍ）を準備し、ＪＩＳ  Ｂ  ８０３２−２（ＩＳＯ６６２１−２）に準じた方法で張力測定を行った。また、０．２％耐力の測定は、ＪＩＳ  Ｚ２２４１  金属材料引張試験方法に準じた方法で行った。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
リング放熱性試験
実施例１〜４及び比較例１〜２のピストンリングについて、以下の条件にて実機評価を行った。
エンジン：直噴３気筒、排気量６６０ｃｃ、ポート噴射  
トップリング：ＰＶＤ被膜スチール材
オイルリング：スリーピース型、上下セグメントはスチール材、エキスパンダ・スペーサはＳＵＳ材
セカンドリング：実施例１〜４及び比較例１〜２のピストンリング
エンジンのトルクを３５Ｎ・ｍ〜４５Ｎ・ｍとしてピストン頂面温度を測定した。結果、銅合金を用いた実施例１〜４のピストンリングをセカンドリングとして用いることで、比較例１のピストンリングをセカンドリングとして用いた場合よりも、１０〜１５℃ピストン頂面温度が低下した。
一方、銅を用いた比較例２のピストンリングは、ピストンリング成形はできたものの、バネ性が不十分でありピストンリングとして機能せず、評価できなかった。
【００３０】
＜実施例５〜９＞
実施例５〜９として、以下の表２に示す銅合金に対して応力緩和試験を行った。
応力緩和試験は、実施例５〜９の銅合金に対して、２００℃で２５０時間までの応力緩和率をＪＣＢＡ  Ｔ３０９−２００４に準じた方法で測定することで行った。結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
実施例５〜９より、Ｎｉ量が最も多い実施例５の銅合金は、２５０時間経過時の応力緩和率が３％と低く維持されたことが理解できる。また、次にＮｉ量の多い実施例６及び７においては、２５０時間経過後の応力緩和率がそれぞれ７％及び６％、Ｎｉ量の比較的少ない実施例９においては、２５０時間後の応力緩和率が１６％であった。
なお、応力緩和率の測定は、板条形状の材料において耐熱性を測定するための基礎試験方法であり、ピストンリングの耐熱性を示すより実用的な試験が、上記張力減退率測定試験である。
【００３３】
なお、本発明については、具体的な実施例を参照して詳細に説明されるが、本発明の趣旨及び範囲から離れることなく、種々の変更、改変を施すことができることは当業者には明らかである。また、本出願は、２０１９年１０月１７日の日本国特許出願（特願２０１９−１９０１０１）に基づく出願であり、当該内容はすべてここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【００３４】
１  シリンダ内壁
２  ピストン
３  第１の溝
４  第２の溝
５  第３の溝
１３  トップリング
１４  セカンドリング
１５  組合せオイルリング
１５１  上セグメント
１５２  下セグメント
１５３  エキスパンダ・スペーサ
【図１】
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【図２】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年9月15日(2021.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用ピストンに装着されて用いられるコンプレッションリングであって、
熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、線膨張係数が１５×１０−６／Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる、コンプレッションリング。
【請求項２】
前記コンプレッションリングは、ヤング率が１８０ＧＰａ以下である、請求項１に記載のコンプレッションリング。
【請求項３】
内燃機関用ピストンのセカンドリングとして装着されて用いられる、請求項１または２に記載のコンプレッションリング。
【請求項４】
前記銅合金はＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンプレッションリング。
【請求項５】
前記Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金は、Ｎｉ量が２０重量％以上２２重量％以下であり、Ｓｎ量が４．５重量％以上５．７重量％以下であり、任意添加成分を含み、残量がＣｕ及び不可避的不純物である、請求項４に記載のコンプレッションリング。
【請求項６】
ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに
該ピストンのリング溝に装着されたトップリング、セカンドリング及びオイルリング、からなる、内燃機関用ピストンであって、
前記セカンドリングは、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、線膨張係数が１５×１０−６／Ｋ以上であり、且つ、２５０℃で３時間保持した後の張力減退率が５０％以下である銅合金からなる、内燃機関用ピストン。
【国際調査報告】
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2021075326.tif 000008
2021075326.tif 000009
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