JP4772725B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関し、特に、ピストンリングへのアルミニウム凝着（溶着）現象を効果的に防止しうるピストンリングに関する。

一般に往復動のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。

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益々高まってきている。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摺動面に窒化処理やイオンプレーティング処理あるいは硬質クロムめっき処理等の耐摩耗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性を示すことから苛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利用に供されている。

しかしながら、窒化処理層を形成したピストンリングは耐摩耗性には優れているものの、アルミ合金製ピストンに装着した場合、ピストンのリング溝摩耗が増大する傾向があった。また、ピストンのリング溝摩耗に起因して、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ピストンリング１の下面３にアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１のアルミニウムが凝着するアルミ凝着が生ずる（図１（ｃ））。

図２（ａ）〜（ｃ）にピストンのリング溝の上面２および下面３の表面状態の変化の様子を現わす触針式表面粗さ試験機によるチャートを示す。図２に示すように、ピストンのリング溝の上面２および下面３の表面状態は、正常状態（図２（ａ））から、ピストン溝荒れ状態（図２（ｂ））、アルミ凝着状態（図２（ｃ））へと変化する。

なお、図２（ａ）〜（ｃ）いずれにおいても、横軸はピストンの位置を示しており、縦軸はピストン溝のうねりを示している。図中の（Ｆ）はフロント方向、（ＡＴ）はアンチスラスト方向、（Ｒ）はリア方向、（Ｔ）はスラスト方向を示している。

また、図３（ａ）〜（ｃ）は、アルミ凝着メカニズムを示し、ピストンリング１の下面３とアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１とが、双方の表面にそれぞれ形成された酸化膜８（０．２μｍ以下）を介して接触し（図３（ａ））、次いで、接触部分の酸化膜８の応力が局部的に高くなり酸化膜８が破壊されて、ピストンリング１の下面３のＦｅとアルミ合金製ピストン１０の溝下面１１のＡｌとが接合され（図３（ｂ））、アルミニウム合金２０がピストンリング１の下面３に溶着する（図３（ｃ））。なお、アルミ凝着部分の拡大図を図４に示す。図４において、２０は凝着したアルミニウムを示し、２１はＡｌとＦｅとの接合部を示す。

上述したように、ピストンリングの上下運動に伴い、ピストンの溝の一定部分にこの溶着現象に起因する局部的摩耗（ピストン溝荒れともいう。）が発生すると、内燃機関はブローバイガスの吹き抜けによりシール性が低下し、出力が低下する。この現象はピストンのリング溝の下側に短時間で発生し、内燃機関の耐久性に大きな影響を与えるため、従来から多くのピストン溝摩耗対策が提案されている。

例えば、ピストン溝摩耗対策として、ピストンとピストンリングとの直接接触を防止するため、ピストンへの対策としては陽極酸化皮膜処理、メッキ処理あるいはマトリックス強化処理（ピストン中）を施し、またピストンリングへの対策としては、リン酸塩皮膜処理、メッキ処理を施したり、あるいは図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ピストン１０とピストンリング１の表面に樹脂コーティング処理８（例えば、デフリック（（株）川邑研究所製コーティング処理）を施したりしている。

また、前記問題を解消するために、ピストンリングの上面および下面、または下面のみに、窒化層またはクロムメッキ層等の耐摩耗性処理層を形成し、かつ該耐摩耗性処理層の表面に固体潤滑材を含有するポリベンゾイミダゾール樹脂皮膜を形成したピストンリングを開発している（特許文献１参照）。

さらに、本願出願人以外にあっても、固体潤滑材を含有する耐熱樹脂によりその表面が被覆されたピストンリングが開発されている（例えば、特許文献２、３参照）
特開平０７−０６３２６６号公報 特開平１０−２４６１４９号公報 特開平１１−２４６８２３号公報

しかしながら、上述した従来のピストン溝摩耗対策は、ピストン使用時の初期段階におけるアルミニウム凝着防止の効果はあるものの、中、長期的な寿命が不充分であり、さらなる耐久性の向上が望まれている。

より具体的には、例えば、前記特許文献１には、ポリベンゾイミダゾール樹脂と固体潤滑材（ＣやＭｏＳ_２）とからなる表面皮膜が開示されているが、ポリベンゾイミダゾール樹脂は皮膜形成の際、液状樹脂が酸化しやすく、経時変化による劣化があり使用に注意を要する。また、長期間にわたって品質を安定させることが困難な場合がある。

また、前記特許文献２には、ポリアミドイミド樹脂やポリイミド樹脂と固体潤滑材（グラファイト、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ポリテトラフルオロエチレン）とからなる表面皮膜が開示されているが、このような表面皮膜では、アルミ凝着を十分に防止することはできず、またコスト高が問題となる。

さらに、前記特許文献３には、ポリアミドイミド樹脂やポリイミド樹脂と固体潤滑材としてのＭｏＳ_２と酸化アンチモンとからなる表面皮膜が開示されているが、やはりこのような皮膜ではアルミ凝着を十分に防止することができず、また、酸化アンチモンは環境に有害であり、使用することは好ましくない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ピストンリングへのアルミニウム凝着現象を効果的に防止しうるピストンリングを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリング本体の上面と下面の両方に形成される表面皮膜とからなるピストンリングであって、前記表面皮膜は、耐熱樹脂と、該耐熱樹脂中に含有されるニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末と、から構成され、かつ、前記表面皮膜全体に対する前記粉末の含有率が１０〜８０質量％であることを特徴とする。

また、前記ピストンリングにおいては、前記ニッケル系粉末が、純ニッケル、酸化ニッケル、またはニッケル合金の何れかの粉末であり、前記鉛系粉末が、純鉛、酸化鉛、または鉛合金の何れかの粉末であり、前記亜鉛系粉末が、純亜鉛、酸化亜鉛、または亜鉛合金の何れかの粉末であり、前記スズ系粉末が、純スズ、酸化スズ、またはスズ合金の何れかの粉末であり、前記ケイ素系粉末が、純ケイ素またはケイ素化合物の何れかの粉末であってもよい。

また、前記ピストンリングにおいては、前記耐熱樹脂がポリアミドイミド樹脂であってもよい。

また、前記ピストンリングにおいては、前記ピストンリング本体における前記表面皮膜が形成される面には、下地処理として化成処理が施されていてもよい。

また、前記ピストンリングにおいては、前記耐熱樹脂中には、さらに固体潤滑材が含有されており、前記表面皮膜全体に対する当該固体潤滑材の含有率が１〜１０質量％であってもよい。

また、前記ピストンリングにおいては、前記固体潤滑材が、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイトよりなる群から選択される一又は二以上であってもよい。

本発明によれば、ピストンリングの上面または下面の一方、または双方に耐熱樹脂と所定の粉末（ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末）からなる表面皮膜が形成されているので、アルミニウム合金製ピストンのリング溝の一部が剥離してピストンリングに付着することを防止することができる。

前述したピストンリング溝摩耗対策、言い換えればアルミ凝着防止策（従来技術の欄参照）にあっては、ピストンリング本体の表面に潤滑性を付与する目的で固体潤滑材を含有する表面皮膜を形成しているのに対し、本発明は、固体潤滑材ではなく所定の材料からなる粉末、具体的にはニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末を含有する表面皮膜を形成している点に特徴を有している。

従来は、ピストンリング溝の摩耗をできるだけ少なくするための方策として、ピストンリングの表面の潤滑性を向上せしめることに着目している。このことは、ピストンリングの表面の潤滑性を向上すれば、その分だけピストンリングのピストンリング溝に対する攻撃性を低減することができ、その結果ピストンリング溝の摩耗を防止することができるだろうとの考えからである。

しかしながら、この方策では、潤滑性に寄与する表面皮膜が十分に存在している初期段階では問題は生じないが、長時間が経過した後にあっては、表面皮膜自体が摩耗し剥離する可能性が高く、摩耗や剥離した後には、もはや潤滑性がなくなり、露出したピストンリング本体によりピストンリング溝の摩耗が発生してしまうこととなる。

本願発明者はこの問題に着目し、当該問題を解決するために、表面皮膜を構成する耐熱樹脂により潤滑性を確保するとともに、当該耐熱樹脂による潤滑性をより長時間保持するために、表面皮膜中に所定の材料（ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末材料）からなる粉末を分散配合せしめ、当該粉末により表面皮膜に耐摩耗性を付与することを想到した。つまり、本発明は従来とは着想を異にしており、本発明における前記所定の材料からなる粉末は、表面皮膜を保護するため、耐熱耐摩耗性を付与することを主たる役割としているのである。

このような本発明によれば、表面皮膜を構成する耐熱樹脂によりピストンリングの表面に潤滑性を付与することができるとともに、所定の材料（ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末材料）からなる粉末によりピストンリング表面に形成された表面皮膜に耐摩耗性を付与することができるので、前記耐熱樹脂による潤滑性を長時間にわたって機能せしめることができる。

以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。

図６は、本発明のピストンリングの断面図である。

図７（ａ）は、図６に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、（ｂ）はピストンリングの上表面近傍の拡大図であり、図７（ａ）に示す粉末６４の他の形状の例を示すものである。

図６に示すように、本発明のピストンリング６０は、ピストンリング本体６１と、その上面または下面の一方、またはその両方（図６にあっては両方）に形成された表面皮膜６２とから構成されている。

本発明のピストンリング本体６１の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ−Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。また、ピストンリングの種類としては、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。

図６および図７に示すように、このような本発明のピストンリング本体６１の表面には、耐熱樹脂６３と該耐熱樹脂６３に含有された所定の材料からなる粉末、具体的にはニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末６４とからなる表面皮膜が形成されている。

耐熱樹脂６３は、主にピストンリング表面に潤滑性を付与することを目的としており、一方で前記所定の材料からなる粉末６４は、これが含有せしめられる表面皮膜６２に耐摩耗性を付与し、これにより前記耐熱樹脂による潤滑性を長時間保持することを目的としている。

本発明の表面皮膜６２を構成する耐熱樹脂６３としては、当該ピストンリングが用いられる環境（温度）に耐え得ることができ、かつ潤滑性を有しており、後述する所定の材料からなる粉末を保持固定することができる樹脂であれば特に限定されることはない。具体的には、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂やポリイミド（ＰＩ）樹脂などを挙げることができる。

次に、本発明の表面皮膜６２を構成する所定の材料からなる粉末、具体的にはニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末６４について説明する。

本発明におけるニッケル系粉末としては、純粋なニッケルの粉末の他、酸化ニッケルの粉末や各種ニッケル合金（例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ合金）などを挙げることができる。

また、同様に本発明の鉛系粉末としては、純粋な鉛の粉末の他、酸化鉛の粉末や各種鉛合金（例えば、Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ合金）などを挙げることができる。

また、同様に本発明の亜鉛系粉末としては、純粋な亜鉛の粉末の他、酸化亜鉛の粉末や各種亜鉛合金（例えば、Ｔｉ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金）などを挙げることができる。

また、同様に本発明のスズ系粉末としては、純粋なスズの粉末の他、酸化スズの粉末や各種スズ合金（例えば、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｎｉ−Ｓｎ合金）などを挙げることができる。

さらにまた、本発明のケイ素系粉末としては、純粋なケイ素の粉末の他、酸化ケイ素の粉末やその他各種ケイ素化合物（例えば、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２）などを挙げることができる。

しかしながら、本発明において、これら所定の材料からなる粉末は、前述の耐熱樹脂が摩耗するのを防止する役目がある一方で、相手材であるピストンリング溝を攻撃することは避けなければならず、あまり硬度が高すぎてはならない。このような観点からすると、これらの粉末の硬度としては、ビッカース硬度で５０Ｈｖ０．１以上３００Ｈｖ０．１以下が好ましい。

このような所定の材料からなる粉末６４の形状については、本発明は特に限定することはなく、図７（ａ）に示すような球形状あるいは多角形状のような定形状であっても不定形状であってもよく、さらには図７（ｂ）に示すような鱗片形状であってもよい。前記粉末の材質の説明においても言及したように、当該粉末６４によって相手材であるピストンリング溝を攻撃することは避けなければならず、このような観点からすると、多角形状であることはあまり好ましくなく、図７（ａ）に示すような球形状もしくはこれにちかい形状であることが好ましい。粉末６４の形状を球形状とすることにより、ピストンリング溝が傷つくことを防止することができる。

また、図７（ｂ）に示すような鱗片形状とすれば、ピストンリング溝がきずつくことを防止することができるとともに耐熱樹脂６３と粉末６４との密着性にも優れる。

所定の材料からなる粉末６４を球形状とした場合において、その大きさは特に限定することはないが、平均粒径を８〜１２μｍとすることが好ましい。平均粒径を８μｍ未満とすると、粉末の微細化に必要なコストが高くなり、一方１２μｍより大きくすると、相手材となるピストンリング溝を攻撃するおそれがあり、また厚膜化となり、コストの増大となるからである。

本発明のピストンリングを構成する表面皮膜６２において、前記耐熱樹脂６３に対する前記粉末６４の含有率については、耐熱樹脂６３が潤滑性能を十分に発揮し、かつ前記所定の材料からなる粉末６４が耐摩擦性能を十分に発揮できる程度のバランスで適宜設定することができる。具体的には、表面皮膜６２全体に対する前記所定の材料からなる粉末６４の含有率を１０〜８０質量％とすることが好ましく、４０〜６０質量％とすることが特に好ましい。前記粉末６４の含有率が１０質量％未満では、表面皮膜の摩擦による減少・消滅を効果的に防止することができず、またアルミ凝着を十分に防止することができない。一方で前記粉末６４の含有率が８０質量％を超えると、表面皮膜全体としてのフレキシブル性が低下するとともに、耐熱樹脂により粉末を固定することが困難となり、当該粉末が脱離してしまうおそれがある。

なお、本発明のピストンリングにあっては、前記粉末を形成する材料として、上記で列挙したものの他、インジウム、金、アンチモンに代表される軟質金属の粉末を用いても同様の効果を得ることができる。

前記耐熱樹脂６３中には、固体潤滑材６５を含有させることが好ましく（図７（ａ）および（ｂ）参照）、これらは均一に分散されていることが好ましい。当該固体潤滑材としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイトから選択される一又は二以上であることが好ましい。このように、固体潤滑材を添加することで、アルミニウム凝着の初期なじみを向上させることができる。具体的な含有量としては、表面皮膜全体６２に対する固体潤滑材６５の含有量を１〜１０質量％とすることが好ましい（この場合、所定の材料からなる粉末６４の含有量が１０〜８０質量％とすると、その残部が耐熱樹脂６３となる。）。所定の材料からなる粉末に加え固体潤滑材が含有された表面皮膜をピストンリングの上下面に形成することにより、アルミニウム材からなるピストン材との初期なじみ性、耐摩耗性を向上することができ、その結果、アルミニウム凝着の発生を防止し、耐久性に優れたピストンリングを提供することができる。

なお、固体潤滑材としては、上記で列挙したものの他、セレン化タングステン、セレン化モリブデン、窒化ホウ素、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレンなど）を用いても同様の効果を得ることができる。

本発明における表面皮膜６２の形成方法については特に限定することはなく、例えば、前述の所定の材料からなる粉末６４を耐熱樹脂としてのポリアミドイミド樹脂に含有せしめ、これをスプレー塗装、浸漬塗装、静電塗装などによりピストンリング本体６１の表面に塗布してもよい。また、当該表面皮膜６２は必要に応じて加熱焼成等の後処理を行ってもよい。

このような方法で形成された本発明における表面皮膜の厚さについては、例えば３〜２０μｍ程度とすることが好ましい。

また、表面皮膜６２を形成する前の段階で、ピストンリング本体６１における表面皮膜６２が形成される表面に対し、下地処理としての化成処理を施してもよい。化成処理としては、例えば、リン酸塩処理、より具体的にはマンガン系リン酸塩皮膜処理等を挙げることができる。リン酸塩処理を行うことにより、ピストンリング本体６１の表面と表面皮膜６２との密着性を向上せしめることができる。

本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。

（実施例１〜１６、比較例１〜５３）
ＪＩＳ ＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材を用いてピストンリング本体に相当する部材を用意した。ピストンリングの寸法は、外径：７１ｍｍ、リング厚み（ａ_１寸法）：２．５５ｍｍ、リング幅（ｈ_１寸法）：１．２ｍｍとした。なお、ＪＩＳ ＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材の組成は、Ｃ：０．５５質量％、Ｓｉ：１．４質量％、Ｍｎ：０．６質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０２質量％、Ｃｒ：０．６５質量％、Ｃｕ：０．０８質量％、残部はＦｅおよび不可避不純物である。

前記材料からなる部材の上面と下面の両方に、耐熱樹脂としてポリアミドイミド樹脂を用い、所定の材料、具体的にはニッケル系粉末、ケイ素系粉末、亜鉛系粉末よりなる群から選択される粉末を用い（各実施例、比較例毎の粉末の種類は表１に示す通りである。）、スプレー法にて、厚さ１０μｍの表面皮膜を形成した。なお、用いた粉末の平均粒径は１０μｍ以下であり、表面皮膜全体に対する当該粉末の添加量は、それぞれ表１に示す通りである。

また、各実施例および比較例ともに、固体潤滑材として平均粒径３μｍ以下の二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）またはグラファイトを添加しており、これらの添加量はそれぞれ表１に示す通りである。

また、各実施例および比較例の一部においては、表面皮膜を形成する面に下地処理として、化成処理の一種であるマンガン系リン酸塩皮膜成処理を行った（表１参照。表１においては、「化成処理」と記載してある。）。

このようにして形成された各ピストンリング試験片を、実施例１〜１６および比較例１〜４８とする（表１参照）。

また、比較例４９〜５３として、部材としては前記ＪＩＳ ＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当材を用い、この上面と下面の両方に、従来から固体潤滑材として用いられているＭｏＳ_２、もしくはグラファイトを含有するポリアミドイミド樹脂を含む表面皮膜を１０μｍの厚さで形成した。

以上の実施例および比較例それぞれの試験片に対し、アルミ凝着評価試験、剥離評価試験、およびすべりたたき試験を行った。

＜アルミ凝着評価試験＞
この試験は、図８に示す溝摩耗・アルミ凝着単体評価装置８０を使用して行った。試験条件は、偏芯サイクル：５０Ｈｚ、ガス圧：０．５ＭＰａ、溝底温度：２００℃、偏芯量０．０３ｍｍ、オイル供給：１０分ごとに８秒間霧状オイルを供給、運転時間：２５時間（ブローバイが過大となった時点で終了）、とした。

なお、当該評価装置８０は、試験片（Ｔｅｓｔ−ｒｉｎｇ）８１，８２を装着する溝８７が設けられたピストン部材（Ａｌ材）８３と、前記ピストン部材８３と対向する位置に設けられたライナ部材８８とから概略構成されている。

そして、図８に示すように、試験片８１，８２を溝８７に装着し、評価試験を行う場合にあっては、前記ライナ部材８８に設けられているガス排出孔８５より所定量のガスがピストン部材８３側へ排出され、これにより溝８７に装着された上側の試験片８１は、溝８７の上面に押しつけられ、一方で下側の試験片８２は、溝８７の下面に押しつけられる状態となる。さらに、当該評価装置８０は、上記試験条件下で図示しないモータを駆動させ、前記の状態のままピストン部材８３が半径方向に偏芯しつつ回転可能に構成されており、試験中、当該ピストン部材８３が回転し続けることにより、溝８７が内燃機関におけるピストンリング溝として、試験片８１，８２がピストンリングとして、さらに壁面８４がシリンダライナ内周壁面として機能し、実際の内燃機関内の状態を再現することができる。

なお、当該評価装置８０における評価は、試験片８１が装着されている溝の上側に設けられているガスセンサ８６により、当該部分のガス流量を測定し、ガス流量が多くなった場合には、アルミ凝着や皮膜の破損が発生し試験片８１，８２と壁面８４との間の密着性が損なわれたことを意味し、当該ガス流量が多くなった時点でこれによりブローバイガスが発生したと評価することした。表１中の「無し」は運転時間中（２５時間）ガス流量が一定であった、つまりブローバイガスが発生しなかったことを示し、「有り」は、運転時間中にガス流量が多くなった、つまりブローバイガスが発生したことを示している。

＜剥離評価試験＞
この試験は、ＪＩＳ Ｋ ５４００に基づく碁盤目試験を行った。

具体的には、図９に示すように各試験片の任意の位置にカッターにて表面皮膜を貫通する深さの切り込みを約１ｍｍ間隔で入れ、市販の粘着テープを貼り付けた後、それを剥がしてテープを観察することを行った。表１において、テープへの表面皮膜の付着が全くない場合を「無し」とし、少しでも付着していた場合を「有り」とした。

＜すべりたたき試験＞
この試験は、図１０に示す高温弁座摩耗試験機１０１を使用して行った。試験条件は、ストローク：４ｍｍ、繰り返し速度：５００回／分、リング回転数：３ｒｐｍ、試験時間：７時間、ピストンの温度：約２５０℃、ピストンの材質：アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）、とした。

なお、すべりたたき試験とは、ピストン材１０３を試験機１０１に対して軸方向移動不能に固定し、ピストンリング試験片１０２をピストン材１０３に同心円上に装着し、ピストンリング試験片１０２の内局面側に備わっている鋳鉄製円棒１０５を軸方向に往復させて行う試験であり、ピストンリング試験片１０２を回転しつつピストン材１０３をたたく動作モードを付与した試験方法である。試験機１０１は、被験材加熱用のヒータ１０４を有しており、実際に燃料を燃焼させずともエンジン内の燃焼時の高温状態を再現することができ、ピストン材の状態変化を模すことができる。

当該試験によりピストン側の摩耗量とピストンリング側の摩耗量を評価した。なお、摩耗量は表面粗さ計にて段差を測定し、比較例４９の摩耗量を１００とした場合におけるそれぞれの摩耗量を算出した。

評価結果を以下の表１に示す。

なお、表１に示すように、アルミ凝着の有無、剥離の有無、およびピストン材・ピストンリング材の摩耗量比によって総合評価を付けた。

当該総合評価は、アルミ凝着、剥離のどちらも「無し」であって、ピストン材とピストンリング材のどちらも摩耗量比が比較例４９に対して１割以上減少しているものを「○」とした。アルミ凝着、剥離のどちらも「無し」であって、ピストン材とピストンリング材の摩耗量比が比較例４９と同等または比較例４９に対して減少が１割未満である場合は「△」とした。アルミ凝着、剥離どちらか一方でも「有り」だった場合は、ピストン材とピストンリング材の摩耗量比に関わらず「×」とした。

表１に示す実施例１〜１６と従来技術である比較例４９〜５３を比較すれば明らかなように、本願発明の実施例のピストンリング試験片にはアルミ凝着および剥離がみられず、耐摩耗性も良好である。また、実施例１〜１６と比較例１〜４８とを比較すれば明らかなように、本発明において用いられる所定の材料からなる粉末の添加量（１０〜８０質量％）の効果、さらに固体潤滑材の添加量（１〜１０質量％）の効果が確認できる。

アルミ凝着現象の説明図であり、（ａ）はピストンの斜視図、（ｂ）はピストンのリング溝およびピストンリングの拡大斜視図、（ｃ）はピストンリングへのアルミ凝着を示す拡大斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ピストンのリング溝の状面および下面の表面状態の変化の様子を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、アルミ凝着メカニズムを示す断面図である。 アルミ凝着部分の拡大図である。 従来の樹脂コーティング処理を示す断面図である。 本発明のピストンリングの断面図である。 （ａ）は、図６に示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図であり、（ｂ）は粉末の他の形状を示すピストンリングの上表面近傍の拡大断面図である。 アルミ凝着単体評価装置の概略説明図である。 剥離評価試験の説明図である。 高温弁座摩耗試験機を示す図である。

符号の説明

１、６０…ピストンリング
２…ピストン溝上面
３…ピストン溝下面
１０…ピストン
６１…ピストンリング本体
６２…表面皮膜
６３…耐熱樹脂
６４…所定の材料からなる粉末
６５…固体潤滑材

Claims (6)

1. ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の上面または下面のどちらか一方、または該ピストンリング本体の上面と下面の両方に形成される表面皮膜とからなるピストンリングであって、
   前記表面皮膜は、耐熱樹脂と、該耐熱樹脂中に含有されたニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末よりなる群から選択される一又は二以上の粉末と、から構成され、
   かつ、前記表面皮膜全体に対する前記粉末の含有率が１０〜８０質量％であることを特徴とするピストンリング。
2. 前記ニッケル系粉末が、純ニッケル、酸化ニッケル、またはニッケル合金の何れかの粉末であり、
   前記鉛系粉末が、純鉛、酸化鉛、または鉛合金の何れかの粉末であり、
   前記亜鉛系粉末が、純亜鉛、酸化亜鉛、または亜鉛合金の何れかの粉末であり、
   前記スズ系粉末が、純スズ、酸化スズ、またはスズ合金の何れかの粉末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。
3. 前記耐熱樹脂がポリアミドイミド樹脂であ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。
4. 前記ピストンリング本体における前記表面皮膜が形成される面には、下地処理として化成処理が施されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一の請求項に記載のピストンリング。
5. 前記耐熱樹脂中には、さらに固体潤滑材が含有されており、
   前記表面皮膜全体に対する当該固体潤滑材の含有率が１〜１０質量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一の請求項に記載のピストンリング。
6. 前記固体潤滑材が、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイトよりなる群から選択される一又は二以上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。

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