(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周摺動面に耐摩耗層を形成し、その上に複合めっきを被覆したピストンリングにおいて、
前記複合めっきが、ポリテトラフルオロエチレン微粒子が分散しているＦｅ−Ｐ複合めっきであり、前記複合めっきのマトリックスとなるＦｅ−Ｐ合金のＰ含有量が０．１〜１０重量％、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の最大粒径が５．０μｍ以下、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の分散量が５〜４０体積％の範囲にあり、前記複合めっきの硬度がＨＶ３５０〜７００、厚さが２〜１５μｍの範囲にあることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記耐摩耗層が窒化層であることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】
前記耐摩耗層がＨＶ８００以上の硬度を有するＣｒめっきであることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、初期なじみ性に優れた内燃機関用ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンの高出力化、高回転化、長寿命化および排ガス規制の対応に伴って、ピストンリングの使用環境がますます苛酷になっているため、ピストンリングの外周摺動面には、非常に硬い窒化層や硬質Ｃｒめっき、あるいはＰＶＤ皮膜等が形成される例が多くなっている。これにより、ピストンリングの摩耗特性は格段に向上し、特にエンジンの長寿命化を実現している。
【０００３】
しかしながら、窒化層や硬質Ｃｒめっき、あるいはＰＶＤ皮膜は、運転初期の状態では、初期なじみ性が悪く、初期状態でのシリンダボアのかじりによる焼き付き、初期の潤滑油消費量の悪化をもたらす。
【０００４】
これに対して、上記耐摩耗層の上に、Ｎｉ−Ｃｏ−ＰマトリックスにＳｉ3 Ｎ4 粒子を分散させた複合めっきを被覆することが提案されている（特開平２−１５０５７４号、特公平８−１１９４３号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、硬質粒子を含む皮膜では、自身の摩耗速度が遅く、自身のなじみ性が劣り、また、硬質粒子により相手材を傷付け、スカッフの発生原因となる。
【０００６】
本発明の目的は、初期なじみ性、耐スカッフ性に優れたピストンリングを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外周摺動面に耐摩耗層を形成し、その上に複合めっきを被覆したピストンリングにおいて、
前記複合めっきが、ポリテトラフルオロエチレン微粒子が分散しているＦｅ−Ｐ複合めっきであり、前記複合めっきのマトリックスとなるＦｅ−Ｐ合金のＰ含有量が０．１〜１０重量％、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の最大粒径が５．０μｍ以下、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の分散量が５〜４０体積％の範囲にあり、前記複合めっきの硬度がＨＶ３５０〜７００、厚さが２〜１５μｍの範囲にあることを特徴とする。
【０００９】
Ｐ含有量が０．１重量％未満であると、皮膜の必要な硬度が得られず摩滅が早すぎてボアとの必要な初期なじみ効果が得られない。１０重量％を越えると、皮膜硬度が上がりすぎ必要な摩耗速度が得られない。ポリテトラフルオロエチレン微粒子の最大粒径が５．０μｍを越えると、皮膜中ポリテトラフルオロエチレンが不均一となり粒子の無い部分で摺動特性が劣り、スカッフの原因となる。ポリテトラフルオロエチレン微粒子の分散量が５体積％未満であると、耐スカッフ性が劣り、４０体積％を越えると皮膜硬度が軟化して異常摩耗となる。
【００１０】
複合めっきの硬度はＨＶ３５０〜７００がよい。複合めっきの硬度がＨＶ７００を越えると初期なじみ性が低下し、ＨＶ３５０未満では摩滅が早すぎてボアとの必要な初期なじみ効果が得られない。
【００１１】
上記複合めっきの厚さは、なじみ代として下限が２μｍ、上限は摩滅した際に合い口が必要以上に拡大するとブローバイの増加の原因となることから１５μｍ以下とする。より好ましい範囲は５〜１０μｍである。
【００１２】
前記耐摩耗層としてはＨＶ９００以上の硬度を有する窒化層やＨＶ８００以上の硬度を有するＣｒめっきが使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１（ａ）に基づいて説明する。
【００１４】
ピストンリング１の全表面にＨＶ９００以上の硬度を有するガス窒化層２が形成されており、外周摺動面のガス窒化層２上に複合めっき３が被覆されている。
【００１５】
複合めっき３は、ポリテトラフルオロエチレン微粒子が分散しているＦｅ−Ｐ複合めっきである。複合めっき３のマトリックスとなるＦｅ−Ｐ合金のＰ含有量は０．１〜１０重量％、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の最大粒径は５．０μｍ以下、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の分散量は５〜４０体積％の範囲にある。複合めっき３の硬度はＨＶ３５０〜７００、厚さは２〜１５μｍの範囲にある。
【００１６】
複合めっき３のめっき浴組成とめっき条件を下記に示す。
▲１▼めっき浴組成
硫酸第一鉄        ３００ｇ／ｌ
次亜燐酸ソーダ        ３ｇ／ｌ
硼酸                ３０ｇ／ｌ
ポリテトラフルオロエチレン微粒子（１μｍ以下）懸濁液  １２ｍｌ（荏原ユージライト（株）製）
▲２▼めっき条件
電流密度            ６Ａ／ｄｍ2 
浴温                ５０℃
ＰＨ                ２．５
【００１７】
図１（ｂ）は本発明の別の実施形態を示す。
【００１８】
本実施形態はピストンリング１の外周摺動面にＨＶ８００以上の硬質Ｃｒめっき４が形成されており、その硬質Ｃｒめっき４上に複合めっき３が被覆されている。複合めっき３は上記実施形態で記載したものと同じである。
【００１９】
以下、本発明の効果を確認する試験結果を説明する。
【００２０】
往復動摩擦試験機を使用して摩耗試験とスカッフ試験を行った。
【００２１】
１．摩耗試験
（１）往復動摩擦試験機
図２に往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験片１０は固定ブロック１１により保持され、上方から油圧シリンダ１２により下向きの荷重が加えられて、下試験片１３に押接される。矩形の平盤形状の下試験片１３は可動ブロック１４により保持され、クランク機構１５により往復動させられる。１６はロードセルである。
【００２２】
（２）試験片
上試験片１０：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼からなる直径８ｍｍ×長さ２５ｍｍの丸棒の一端にＲ１８ｍｍの球面加工を施し、その球面上にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形
成し、そのガス窒化層上に表１に示すめっきを施した。
下試験片１３：長さ７０ｍｍ×幅１７ｍｍ×高さ１４ｍｍの平板で材質は
鋳鉄材（ＦＣ２５０）
【００２３】
0003816203.tif 000002
【００２４】
（３）試験条件
５ｋｇ×３００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ
潤滑油：１０Ｗ
【００２５】
（４）試験結果
図３（ａ）に示す。図３（ａ）における摩耗比は、上試験片１０に施すめっきが硬質Ｃｒめっき（硬度ＨＶ９５０）のときの摩耗量を１としたときの比である。図３（ａ）の試験結果から、比較例１，２（Ｓｉ3 Ｎ4 粒子を含む複合めっき）は、耐摩耗性が高すぎて初期なじみ性が劣ることがわかる。一方、比較例３（硬質粒子を含んでいないＦｅ−Ｐめっき）と実施例（ポリテトラフルオロエチレン微粒子を含むＦｅ−Ｐ複合めっき）は、適当な摩耗速度を有しており、初期なじみ性の点で良好な結果を示している。
【００２６】
２．スカッフ試験
（１）往復動摩擦試験機
上記摩耗試験で説明したものと同じである。
【００２７】
（２）試験片
上記摩耗試験で説明したものと同じである。
【００２８】
（３）試験条件
速度：１００ｃｐｍ
荷重：初期２ｋｇから２ｋｇ／ｍｉｎずつステップアップ
潤滑油：軽油相当粘度軸受油一塗り
【００２９】
（４）試験結果
図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の試験結果から、比較例２（Ｓｉ3 Ｎ4 粒子を含むＦｅ−Ｐ複合めっき）と比較例３（硬質粒子を含んでいないＦｅ−Ｐめっき）は耐スカッフ性が低いことがわかる。一方、比較例１（Ｓｉ3 Ｎ4 粒子を含むＮｉ−Ｐ複合めっき）と実施例（ポリテトラフルオロエチレン微粒子を含むＦｅ−Ｐ複合めっき）は、耐スカッフ性が良好であり、特に実施例は比較例１と比べてもかなり高い耐スカッフ性を備えていることがわかる。
【００３０】
次に、実機試験を行った結果を説明する。
【００３１】
（１）供試ピストンリング
比較例４：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成し、外周摺動面のガス窒化層上に硬質Ｃｒめっき（硬度ＨＶ９５０）を被覆した。
比較例５：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成した。
実施例１：表面にガス窒化層（硬度ＨＶ１１００）を形成し、外周摺動面のガス窒化層上に表１の実施例１に示す複合めっきを被覆した。
【００３２】
（２）試験条件
φ８１ｍｍ直列４気筒ガソリンエンジンを使用し、６０００ｒｐｍ×全負荷の条件で、初期の潤滑油消費量試験を行った。
【００３３】
（３）試験結果
図４に示す。図４の試験結果から、実施例の複合めっきは窒化層や硬質Ｃｒめっきよりも初期の潤滑油消費量が少なく、初期なじみ性が優れていることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のピストンリングによれば、耐摩耗性に優れ、かつ、初期なじみ性と耐スカッフ性が優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態を示す縦断面図、（ｂ）は本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は摩耗試験結果を示すグラフ、（ｂ）はスカッフ試験結果を示すグラフである。
【図４】実機試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  ピストンリング
２  ガス窒化層
３  複合めっき
４  硬質Ｃｒめっき
１０  上試験片
１１  固定ブロック
１２  油圧シリンダ
１３  下試験片
１４  可動ブロック
１５  クランク機構
１６  ロードセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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