(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合率が０体積％以上、１．５体積％未満の複合率小のめっき層と、複合率が１．５体積％以上、１２体積％以下の複合率大のめっき層とが複数、交互に積層した複合めっきが外周摺動面に形成されており、かつ、前記複合めっきの複合率小のめっき層と複合率大のめっき層とが摺動表面に露出しており、前記摺動表面に露出している複合率大のめっき層が、摺動表面に沿った軸方向ピッチ０．０５〜０．２ｍｍで配列していることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記複合めっきが複合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。
【請求項３】
ピストンリングの外周摺動面に、複合粒子を含んだめっき浴を用いて正電めっきと逆電処理とを繰り返し行うことにより、複合率が０体積％以上、１．５体積％未満の複合率小のめっき層と、複合率が１．５体積％以上、１２体積％以下の複合率大のめっき層とが複数、交互に積層した複合めっきを外周摺動面に形成する工程と、前記複合めっきの表面を加工することにより、複合率小のめっき層と複合率大のめっき層とを摺動表面に露出させる工程とを備えていることを特徴とするピストンリングの製造方法。
【請求項４】
前記外周摺動面のめっき前の形状が軸方向に平行な平坦面であり、前記複合めっきの表面の加工がめっき表面をバレル形状とする加工であることを特徴とする請求項３記載のピストンリングの製造方法。
【請求項５】
前記外周摺動面のめっき前の形状がバレル形状であり、前記複合めっきの表面の加工がめっき表面を前記めっき前のバレル形状と異なる曲率のバレル形状とする加工であることを特徴とする請求項３記載のピストンリングの製造方法。
【請求項６】
前記外周摺動面のめっき前の形状がバレル形状であり、前記複合めっきの表面の加工がめっき表面を軸方向に平行な平坦面とする加工であることを特徴とする請求項３記載のピストンリングの製造方法。
【請求項７】
前記外周摺動面のめっき前の形状がテーパ面であり、前記複合めっきの表面の加工がめっき表面を軸方向に平行な平坦面とする加工であることを特徴とする請求項３記載のピストンリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の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、低燃費化および排気ガス規制の対応からピストンリングの使用環境は、非常に過酷になっており、従来使用されているＣｒめっきや窒化処理では性能を維持できなくなってきている。
【０００３】
これに対し、特開昭６２−５６６００号に記載されているように、Ｃｒめっき中に硬質粒子を分散させてＣｒめっきの耐摩耗性、耐焼き付き性を改善しようとする試みがある。この方法は、初めに、正電めっきして網目状のクラックを有するＣｒめっきを析出させ、次に、逆電処理を行ってクラックを拡大発展させ、そのクラックに硬質粒子を含有させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この複合Ｃｒめっきは、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れているが、初期なじみ性に劣る。
【０００５】
本発明の課題は、初期なじみ性を改善した複合めっきが施されたピストンリングを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のピストンリングは、複合率が０体積％以上、１．５体積％未満の複合率小のめっき層と、複合率が１．５体積％以上、１２体積％以下の複合率大のめっき層とが複数、交互に積層した複合めっきが外周摺動面に形成されており、かつ、前記複合めっきの複合率小のめっき層と複合率大のめっき層とが摺動表面に露出しており、前記摺動表面に露出している複合率大のめっき層が、摺動表面に沿った軸方向ピッチ０．０５〜０．２ｍｍで配列していることを特徴とする。
【０００７】
上記において、複合率大のめっき層によって良好な耐摩耗性、耐焼き付き性が得られ、複合率小のめっき層によって初期なじみ性が確保される。その結果、本発明のピストンリングは、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れるとともに、初期なじみ性にも優れたものとなる。
【０００９】
上記複合めっきとしては、例えば複合Ｃｒめっきが使用される。
【００１０】
上記本発明のピストンリングの製造方法の特徴は次の通りである。
【００１１】
（１）ピストンリングの外周摺動面に、複合粒子を含んだめっき浴を用いて正電めっきと逆電処理とを繰り返し行うことにより、複合率が０体積％以上、１．５体積％未満の複合率小のめっき層と、複合率が１．５体積％以上、１２体積％以下の複合率大のめっき層とが複数、交互に積層した複合めっきを外周摺動面に形成する。
【００１２】
図２に示されているように、正電めっきで析出するめっきには網目状のクラックが形成されており、このクラックが逆電処理で拡大され、この拡大されたクラック３内に複合粒子４が固定される。さらに、正電めっき→逆電処理が繰り返して行われると、最初の１サイクルの工程で形成された複合めっき３０の上に更に複合めっき４０が積層される。したがって、最初の複合めっき３０のクラック３内の複合粒子４は層内に閉じ込められる。そして二層目の複合めっき４０は、表面に網目状に延びているクラック３を有しており、このクラック３に複合粒子４が固定されている。以下、正電めっき→逆電処理が所定回数、繰り返して行われると、ピストンリングの外周摺動面に所定厚さで複合めっきが形成される。
【００１３】
上記において、クラック３は断面が略Ｖ字状をなしているため、表面側ほど、クラック３内に含有される複合粒子４の量は多くなる。その結果、１サイクルの正電めっき→逆電処理で形成される複合めっきは、複合粒子４が表面に沿ってほぼ均一に分散し、表面に沿って複合率が一律で一定の摺動特性を有するが、厚さ方向では複合粒子４が均一に分散しているとは言えず、複合率が厚さ方向では異なったものとなる。また、図２に示されているように、クラック３を厚さ方向に貫通させないようにすれば、下層部にクラック３が入らない部分ができ、複合率を０とすることもできる。
【００１４】
複合粒子の複合率は、めっき浴組成における複合粒子の比率、正電めっきおよび逆電処理条件に支配される。すなわち、めっき浴組成における複合粒子の比率でクラックに入る複合粒子の量が左右され、正電めっき条件はクラック密度を決定し、逆電処理条件は拡大されるクラック幅を決定する。
【００１５】
したがって、正電めっき→逆電処理が繰り返し行われると、上述したように、ピストンリングの外周摺動面に所定厚さで複合めっきが形成され、この複合めっきは複合率が０体積％以上、１．５体積％未満の複合率小のめっき層と、複合率が１．５体積％以上、１２体積％以下の複合率大のめっき層とが交互に積層されたものにできる。
【００１６】
（２）前記複合めっきの表面を加工することにより、複合率小のめっき層と複合率大のめっき層とを摺動表面に露出させる。
【００１７】
複合めっきの表面の加工例を以下に示す。
▲１▼外周摺動面のめっき前の形状を軸方向に平行な平坦面とし、めっき表面をバ
レル形状に加工する。
▲２▼外周摺動面のめっき前の形状をバレル形状とし、めっき表面をめっき前のバ
レル形状と異なる曲率でバレル形状に加工する。
▲３▼外周摺動面のめっき前の形状をバレル形状とし、めっき表面を軸方向に平行
に平坦面に加工する。
▲４▼外周摺動面のめっき前の形状をテーパ面とし、めっき表面を軸方向に平行に
平坦面に加工する。
【００１８】
上記の加工によって、複合率小のめっき層と複合率大のめっき層とを摺動表面に軸方向に交互に出現させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示し、ピストンリングの一部分を示す縦断面図である。ピストンリング１の外周摺動面に複合Ｃｒめっき２が形成されている。複合Ｃｒめっき２は、めっき面に垂直な方向から見て、その表面および内部に網目状のクラック３を有しており、アルミナあるいは窒化珪素等の複合粒子４がクラック３に含有されて固定されている
【００２０】
複合Ｃｒめっき２は、複合率が０体積％以上、１．５体積％未満の複合率小のＣｒめっき層２Ａと、複合率が１．５体積％以上、１２体積％以下の複合率大のＣｒめっき層２Ｂとが複数、交互に積層して形成されており、かつ、前記複合率小のＣｒめっき層２Ａと複合率大のＣｒめっき層２Ｂとが摺動表面に軸方向に交互に露出し、複合率大のＣｒめっき層２Ｂが、摺動表面に沿った軸方向ピッチ０．０５〜０．２ｍｍで配列している。
【００２１】
以下、上記ピストンリング１の製造方法を説明する。
【００２２】
まず、複合Ｃｒめっき２のめっき処理について説明する。
複合Ｃｒめっきは、ピストンリングの外周摺動面に、正電めっき→逆電処理を繰り返して行うことによって形成される。
【００２３】
複合Ｃｒめっきのめっき浴組成、および正電めっきと逆電処理の各条件の一例を下記に示す。
▲１▼めっき浴組成
ＣｒＯ3                                 ２５０ｇ／ｌ
Ｈ2 ＳＯ4                               １．０ｇ／ｌ
Ｈ2 ＳｉＦ6                                 ５ｇ／ｌ
複合粒子（アルミナまたは窒化珪素）        ２０ｇ／ｌ
▲２▼正電めっき
電流密度                                ６０Ａ／ｄｍ2 
めっき浴温                              ５５℃
めっき時間                              １０分
▲３▼逆電処理
電流密度                                ５０Ａ／ｄｍ2 
めっき浴温                              ５５℃
めっき時間                              １分
【００２４】
上記の条件で、正電めっき→逆電処理が所定回数、繰り返して行われると、図３（ａ）に示されているように、ピストンリング１の軸方向に平行な平坦な外周摺動面に、複合率小のＣｒめっき層２Ａと複合率大のＣｒめっき層２Ｂとが複数、交互に積層された複合Ｃｒめっき２が形成される。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示されているように、複合Ｃｒめっき２の表面をバレル形状に加工することによって、ピストンリング１の摺動表面に、複合率小のＣｒめっき層２Ａと複合率大のＣｒめっき層２Ｂとを、軸方向に交互に露出させる。
【００２６】
正電めっき→逆電処理は複合Ｃｒめっきの厚さに応じたサイクル数繰り返して行われる。上記条件で、正電めっき→逆電処理の１サイクルを行うと、１０μｍ程度のめっき厚さを得ることができるので、例えば１２サイクル繰り返される。
【００２７】
以下、往復動摩擦試験機を使用して摩耗試験を行った結果を説明する。
【００２８】
図４に、試験に使用した往復動摩擦試験機の概要を示す。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。一方、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。
【００２９】
試験条件は以下の通りである。
荷重        ：９８Ｎ
速度        ：６００ｃｐｍ
ストローク  ：５０ｍｍ
時間        ：１時間
潤滑油      ：軽油相当粘度の軸受油
【００３０】
（１）摩耗試験
▲１▼試験片
上試験片：ピストンリング用鋼製の上試験片の表面に複合Ｃｒめっきおよび複合Ｃｒめっきの表面形状加工を施した。
下試験片：シリンダライナ用鋳鉄材
【００３１】
▲２▼複合Ｃｒめっきおよび複合Ｃｒめっきの表面形状加工
前記本発明の一実施形態で説明したピストンリング１の場合と同じ。ただし、逆電処理条件を変えて、複合率の異なる５種類の試験片を作成した（表１参照）。
【００３２】
0003761640.tif 000002
【００３３】
▲３▼試験方法
上記往復動摩擦試験機を使用し、摩耗試験を行った。
【００３４】
▲４▼結果
上試験片の摩耗量の結果を図５に示す。なお、試験は上試験片に通常の硬質Ｃｒめっきを形成した場合についても行っており、図５の摩耗比は、上試験片に硬質Ｃｒめっきを形成したときの摩耗量を１としている。図５に示されているように、本発明の複合Ｃｒめっきを有する試験片は、通常の硬質Ｃｒめっきを有する試験片よりも耐摩耗性が優れていることが確認された。
【００３５】
次に、高面圧焼き付き試験機を使用して焼き付き試験を行った結果を説明する。
【００３６】
図６は、試験に使用した高面圧焼き付き試験機の概要を示す。試験片２０はロータ２１により保持され、ロータ２１の回転により回転させられる。一方、相手試験片２２はステータ２３により保持され、油圧装置により所定荷重Ｐでロータ２１側に押し付けられる。
【００３７】
このような装置において、ステータ２３に形成されている注油孔２４から摺動面に所定量の給油をしながら、試験片２０を回転させる。一定時間毎に試験片２０に作用させる荷重を段階的に増加させ、試験片２０と相手試験片２２との摺動により発生するトルクをトルクメータで測定し、記録計に記録させる。焼き付き現象が発生するとトルクが急激に上昇する。したがって、トルクが急激に上昇するときの試験片２０に作用する荷重を焼き付き荷重とし、この焼き付き荷重の大小で焼き付き特性の良否を判定する。
【００３８】
試験条件は次の通りである。
回転速度              ８ｍ／ｓ一定
荷重                  ２０ｋｇｆより開始
１０ｋｇｆ／ｍｉｎの割合で段階的に増加
潤滑油                軽油
油温                  ８０℃
【００３９】
（１）焼き付き試験
▲１▼試験片
試験片：ピストンリング用鋼製の試験片の表面に複合Ｃｒめっきおよび複合Ｃｒめっきの表面形状加工を施した。
相手試験片：シリンダライナ用鋳鉄材
【００４０】
▲２▼複合Ｃｒめっきおよび複合Ｃｒめっきの表面形状加工
前記摩耗試験の場合と同じ。
【００４１】
▲３▼試験方法
上記高面圧焼き付き試験機を使用し、焼き付き試験を行った。
【００４２】
▲４▼結果
焼き付き試験で得られた各試験片の焼き付き荷重の結果を図７に示す。なお、試験は試験片に通常の硬質Ｃｒめっきを形成した場合についても行っており、図の焼き付き荷重比は試験片に硬質Ｃｒめっきを形成したときの焼き付き荷重を１としている。図７に示されているように、本発明の複合Ｃｒめっきを有する試験片は通常の硬質Ｃｒめっきを有する試験片よりも耐焼き付き性が優れていることが確認された。
【００４３】
次に、初期なじみ性を試験するために、実機試験を行った結果を説明する。
【００４４】
（１）実機試験
▲１▼供試ピストンリング
前記本発明の一実施形態で説明したピストンリング１で、φ９５ｍｍ、軸方向幅３ｍｍ、半径方向厚さ３．８ｍｍのもの。
なお、複合Ｃｒめっきの表面形状加工におけるバレル形状の曲率を変えて、複合率大のＣｒめっき層の摺動表面に沿った軸方向ピッチが異なる５種類の試験片を作成した（表２参照）。
【００４５】
0003761640.tif 000003
【００４６】
▲２▼試験方法
エンジン：φ９５ｍｍ×直列４気筒ディーゼルエンジン
運転条件：全負荷耐久３００時間
試験方法：上記の条件で運転開始後１時間でオイル消費量を測定。
【００４７】
３．結果
実機試験で得られた各供試ピストンリングの初期オイル消費量の結果を図８に示す。なお、試験はピストンリングに従来の複合Ｃｒめっきを形成した場合についても行っており、図８のオイル消費量比は、ピストンリングに従来の複合Ｃｒめっきを形成したときのオイル消費量を１としている。図８に示されているように、供試ピストンリング１〜５は、従来の複合Ｃｒめっきを有するピストンリングに比べて初期のオイル消費量が低減しており、特に本発明の供試ピストンリング２〜４は、初期のオイル消費量が低減し、初期なじみ性が向上していることがわかる。
【００４８】
上記実施形態では、複合率小のＣｒめっき層と複合率大のＣｒめっき層とを摺動表面に露出させるために、ピストンリングの外周摺動面のめっき前の形状を軸方向に平行な平坦面とし、複合Ｃｒめっきの表面をバレル形状とする加工例を示したが、本発明はこれに限るものではない。以下に、他の例を示す。
【００４９】
なお、以下の図９〜図１１は、説明上、正電めっき→逆電処理を２サイクル行った例を示しているが、実際は複合Ｃｒめっきの厚さに応じたサイクルを行う。
【００５０】
図９は、ピストンリングの外周摺動面のめっき前の形状をバレル形状とし、複合Ｃｒめっきの表面をめっき前のバレル形状と異なる曲率のバレル形状とする加工例である。
【００５１】
図１０は、ピストンリングの外周摺動面のめっき前の形状をバレル形状とし、複合Ｃｒめっきの表面を軸方向に平行に平坦面とする加工例である。
【００５２】
図１１はピストンリングの外周摺動面のめっき前の形状をテーパ面とし、複合Ｃｒめっきの表面を軸方向に平行に平坦面とする加工例である。
【００５３】
【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は、耐摩耗性、耐焼き付き性は勿論、初期なじみ性にも優れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示しており、（ａ）はピストンリングの一部分を示す縦断面図、（ｂ）は上記ピストンリングの複合Ｃｒめっき部分の拡大図である。
【図２】複合Ｃｒめっきの製造工程を説明する斜視図であり、（ａ）は正電めっき→逆電処理の１サイクル後を示し、（ｂ）は同工程の２サイクル後を示す。
【図３】複合Ｃｒめっきの表面の加工工程を説明する縦断面図であり、（ａ）は複合Ｃｒめっき後を示し、（ｂ）は複合Ｃｒめっきの表面の加工後を示す。
【図４】往復動摩擦試験機の概要を示す正面図である。
【図５】摩耗試験の結果を示すグラフである。
【図６】高面圧焼き付き試験機の概要を示す縦断面図である。
【図７】焼き付き試験の結果を示すグラフである。
【図８】実機試験の結果を示すグラフである。
【図９】複合Ｃｒめっきの表面の別の加工例を示す縦断面図であり、（ａ）は複合Ｃｒめっき後を示し、（ｂ）は複合Ｃｒめっきの表面の加工後を示す。
【図１０】複合Ｃｒめっきの表面のさらに別の加工例を示す縦断面図であり、（ａ）は複合Ｃｒめっき後を示し、（ｂ）は複合Ｃｒめっきの表面の加工後を示す。
【図１１】複合Ｃｒめっきの表面のさらに別の加工例を示す縦断面図であり、（ａ）は複合Ｃｒめっき後を示し、（ｂ）は複合Ｃｒめっきの表面の加工後を示す。
【符号の説明】
１  ピストンリング
２  複合Ｃｒめっき
２Ａ  複合率小のめっき層
２Ｂ  複合率大のめっき層
３  クラック
４  複合粒子
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
２０  試験片
２１  ロータ
２２  相手試験片
２３  ステータ
２４  注油孔
【図１】
0003761640.tif 000004
【図２】
0003761640.tif 000005
【図３】
0003761640.tif 000006
【図４】
0003761640.tif 000007
【図５】
0003761640.tif 000008
【図６】
0003761640.tif 000009
【図７】
0003761640.tif 000010
【図８】
0003761640.tif 000011
【図９】
0003761640.tif 000012
【図１０】
0003761640.tif 000013
【図１１】
0003761640.tif 000014