Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6896040B2 - Combination of piston and piston ring for internal combustion engine - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6896040B2 - Combination of piston and piston ring for internal combustion engine - Google Patents

Combination of piston and piston ring for internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
JP6896040B2
JP6896040B2 JP2019186870A JP2019186870A JP6896040B2 JP 6896040 B2 JP6896040 B2 JP 6896040B2 JP 2019186870 A JP2019186870 A JP 2019186870A JP 2019186870 A JP2019186870 A JP 2019186870A JP 6896040 B2 JP6896040 B2 JP 6896040B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piston
piston ring
ring
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019186870A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021063443A (en
Inventor
加奈江 小野寺
加奈江 小野寺
誉二 岩下
誉二 岩下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TPR Co Ltd
Original Assignee
TPR Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TPR Co Ltd filed Critical TPR Co Ltd
Priority to JP2019186870A priority Critical patent/JP6896040B2/en
Publication of JP2021063443A publication Critical patent/JP2021063443A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6896040B2 publication Critical patent/JP6896040B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

本発明は、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせに関する。 The present invention relates to a combination of a piston for an internal combustion engine and a piston ring.

近年、エンジンの高出力化・高回転化に伴い、ピストンへも高い圧力がかかることから、高い強度を有するピストン材を選択する必要が出てきている。高い強度を有するピストン材としては、アルミニウム合金があげられる。 In recent years, as the output and rotation speed of an engine have increased, a high pressure is also applied to the piston, so that it has become necessary to select a piston material having high strength. Examples of the piston material having high strength include aluminum alloys.

アルミニウム合金をピストン材として使用する場合、ピストンに設けられたピストンリング溝が、ピストンに装着されたピストンリングの上下面によって叩かれることで、ピストンリングの上下面にアルミニウム凝着が生じるという問題があった。なお、本明細書においてピストンリングの上面とは、ピストンリング溝にピストンリングを装着した際に燃焼室側に位置する面をいい、ピストンリングの下面とは、ピストンリング溝にピストンリングを装着した際にクランク室側に位置する面をいう。また、単にピストンリングの側面と表記した場合には、シリンダボアと摺動するピストンリングの外周面を意味する。 When an aluminum alloy is used as a piston material, there is a problem that aluminum adhesion occurs on the upper and lower surfaces of the piston ring because the piston ring groove provided in the piston is hit by the upper and lower surfaces of the piston ring mounted on the piston. there were. In the present specification, the upper surface of the piston ring means the surface located on the combustion chamber side when the piston ring is mounted in the piston ring groove, and the lower surface of the piston ring means that the piston ring is mounted in the piston ring groove. The surface located on the crank chamber side. Further, when simply referred to as the side surface of the piston ring, it means the outer peripheral surface of the piston ring that slides on the cylinder bore.

このようなアルミニウム凝着を抑止する技術として、ピストンリングの上下面に、特定の元素を含むDLC(ダイアモンドライクカーボン)からなる被膜を有するピストンリングが開示されている(特許文献1参照)。 As a technique for suppressing such aluminum adhesion, a piston ring having a coating film made of DLC (diamond-like carbon) containing a specific element on the upper and lower surfaces of the piston ring is disclosed (see Patent Document 1).

特許第3355306号Patent No. 3355306

ピストン材としてアルミニウム合金を使用した場合に生じ得るピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題に対しては、特許文献1の上下面DLC被膜を有するピストンリングにより解決を図ることができる。
一方で、ピストンリングをピストンに装着してエンジンを動かす際には、ピストンリング自体も回転することから、上記ピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題のみならず、ピストンリング上下面とピストンリング溝とが摺動することによる、ピストンリング溝の摩耗の問題も生じるという知見を得た。
本発明は、ピストン材としてアルミニウム合金を使用した場合に生じ得るピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題と、ピストンリング溝の摩耗の問題とを合わせて解決する技術を提供する。
The problem of aluminum adhesion on the upper and lower surfaces of the piston ring that may occur when an aluminum alloy is used as the piston material can be solved by the piston ring having the upper and lower DLC coatings of Patent Document 1.
On the other hand, when the piston ring is attached to the piston to move the engine, the piston ring itself also rotates, so that not only the problem of aluminum adhesion on the upper and lower surfaces of the piston ring but also the upper and lower surfaces of the piston ring and the piston ring groove It was found that the problem of wear of the piston ring groove also occurs due to the sliding of the piston ring.
The present invention provides a technique for solving both the problem of aluminum adhesion on the upper and lower surfaces of the piston ring and the problem of wear of the piston ring groove, which may occur when an aluminum alloy is used as the piston material.

本発明者らは上記課題を解決すべく検討し、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有DLC被膜を有するピストンリングを用いることで、ピストンリングの上下面のアルミニウム凝着の問題に加え、ピストンリング溝の摩耗の問題も解決できることを見出し、発明を完成させた。 The present inventors have studied to solve the above problems, and by using a piston ring having a hydrogen-containing DLC coating on at least one of the upper and lower surfaces, in addition to the problem of aluminum adhesion on the upper and lower surfaces of the piston ring, the piston He found that the problem of ring groove wear could be solved, and completed the invention.

本発明の一実施形態は、ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン、及び
該ピストンのピストンリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有DLC被膜を有するピストンリング、を含む、内燃機関用ピストンとピストンリングの
組み合わせである。
One embodiment of the present invention has a piston ring groove in which a piston ring is mounted, is mounted in a piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy, and a piston ring groove of the piston, and hydrogen is mounted on at least one of the upper and lower surfaces. A combination of a piston for an internal combustion engine and a piston ring, including a piston ring having a DLC coating.

前記アルミニウム合金は、Al−Cu系合金であることが好ましく、Si含有量が2%以下であるアルミニウム合金であることが好ましい。Si含有量が少ないアルミニウム合金は摺動特性が劣る傾向にあり、このようなピストンに対し好適である。
また、前記ピストンリングは、更に側面に水素含有DLC被膜を有してもよい。
The aluminum alloy is preferably an Al—Cu based alloy, and preferably an aluminum alloy having a Si content of 2% or less. Aluminum alloys with a low Si content tend to have inferior sliding characteristics and are suitable for such pistons.
Further, the piston ring may further have a hydrogen-containing DLC coating on the side surface.

本発明により、ピストン材としてアルミニウム合金を使用した場合に生じ得るピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題と、ピストンのピストンリング溝摩耗の問題とを合わせて解決する技術を提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a technique for solving both the problem of aluminum adhesion on the upper and lower surfaces of the piston ring and the problem of wear of the piston ring groove of the piston, which may occur when an aluminum alloy is used as the piston material.

ピストンリングが装着されたピストンの一実施形態を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the piston which attached the piston ring. 本実施形態のピストンリングの一部分の断面図である。It is sectional drawing of a part of the piston ring of this embodiment. 実施例で行った叩き摩擦試験に用いた試験機の模式図である。It is a schematic diagram of the testing machine used for the tapping friction test performed in an Example. 実施例で行った摺動摩擦試験に用いた試験機の模式図である。It is a schematic diagram of the testing machine used for the sliding friction test performed in the Example.

本発明の一実施形態は、ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン、及び該ピストンのリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有DLC被膜を有するピストンリング、を含む、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせである。本実施形態について、図1を用いて説明する。 One embodiment of the present invention has a piston ring groove in which a piston ring is mounted, is mounted in a piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy, and a ring groove of the piston, and contains hydrogen in at least one of the upper and lower surfaces. A combination of a piston for an internal combustion engine and a piston ring, including a piston ring having a DLC coating. This embodiment will be described with reference to FIG.

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にはピストンリング溝が形成され、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。
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。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a piston equipped with a piston ring.
A piston ring groove is formed in the piston 2, and a first groove 3, a second groove 4, and a third groove 5 are formed from the combustion chamber side. A top ring 13 which is a compression ring is attached to the first groove 3, a second ring 14 which is a compression ring is attached to the second groove 4, and a combination oil ring 15 is attached to the third groove 5. Is installed.
The right end portion of the top ring 13, the second ring 14, and the combined oil ring 15 in the drawing is a sliding surface that slides in contact with the inner wall of the cylinder 1, and may be covered with a coating film.

本実施形態においてピストン2はアルミニウム合金からなる。アルミニウム合金は、例えばJISで規定するA2000番台のアルミニウム合金(Al−Cu系合金)、JISで規定するA4000番台のアルミニウム合金(Al−Si系合金)、JISで規定するA6000番台のアルミニウム合金(Al−Mg−Si系合金)などがあげられる。これらのうちJISで規定するA2000番台のアルミニウム合金(Al−Cu系合金)であることが、ピストン強度の観点から好ましい。 In this embodiment, the piston 2 is made of an aluminum alloy. The aluminum alloys are, for example, A2000 series aluminum alloys (Al-Cu based alloys) specified by JIS, A4000 series aluminum alloys (Al-Si based alloys) specified by JIS, and A6000 series aluminum alloys (Al) specified by JIS. -Mg-Si based alloy) and the like. Of these, an A2000 series aluminum alloy (Al—Cu based alloy) specified by JIS is preferable from the viewpoint of piston strength.

また、アルミニウム合金は、Si含有量が2wt%以下であることが好ましく、1wt%以下であることがより好ましく、0.5wt%以下であることが更に好ましい。Si含有量が少ないことで、強度は高くなるが、ピストン材の摺動特性が悪くなる傾向にあるため、ピストンリングとの摺動によってピストンリング溝の摩耗量が大きくなる傾向にある。ピストンリング溝の摩耗を抑制できる本実施形態は、Si含有量が少ないアルミニウム合金からなるピストンに好適である。 Further, the aluminum alloy preferably has a Si content of 2 wt% or less, more preferably 1 wt% or less, and further preferably 0.5 wt% or less. When the Si content is low, the strength is high, but the sliding characteristics of the piston material tend to be poor, so that the amount of wear of the piston ring groove tends to be large due to sliding with the piston ring. This embodiment, which can suppress wear of the piston ring groove, is suitable for a piston made of an aluminum alloy having a low Si content.

ピストンのピストンリング溝の摩耗量を少なくする手段として、ピストンにアルマイト処理を施す方法あるいは耐摩環を組み合わせる方法があるが、アルマイト処理はピストン
リング溝の粗さ増大を招き、ブローバイに悪影響を与え、また、ピストンの製造コストを増大させる。耐摩環を組み合わせる方法は、ピストンの重量増加により振動の発生、振動に起因する騒音増大、また、ピストンの製造コストを増大させる。本実施形態のピストンリングと組み合わせることによって、ピストンにアルマイト処理を施す方法あるいは耐摩環を組み合わせる方法を用いなくても、ピストンのピストンリング溝の摩耗量を小さくすることができる。
As a means of reducing the amount of wear of the piston ring groove of the piston, there is a method of applying alumite treatment to the piston or a method of combining an abrasion resistant ring, but the alumite treatment causes an increase in the roughness of the piston ring groove and adversely affects blow-by. It also increases the manufacturing cost of the piston. The method of combining the wear-resistant rings generates vibration due to the increase in the weight of the piston, increases the noise caused by the vibration, and increases the manufacturing cost of the piston. By combining with the piston ring of the present embodiment, the amount of wear of the piston ring groove of the piston can be reduced without using the method of applying anodizing treatment to the piston or the method of combining the anti-wear ring.

ピストンのピストンリング溝は、少なくとも上下面のいずれかの面の粗さRzが6.3μm以下であってよく、3.2μm以下であってよく、1.6μm以下であってもよい。なお、ピストンリング溝の上面とは、例えば、図1のピストンリング溝3における上面(燃焼室側の面)であり、ピストンリング溝の下面とは、例えば、図1のピストンリング溝3における下面(クランク室側)である。RzはJIS B 0601で規定される最大高さである。 The roughness Rz of at least one of the upper and lower surfaces of the piston ring groove of the piston may be 6.3 μm or less, 3.2 μm or less, or 1.6 μm or less. The upper surface of the piston ring groove is, for example, the upper surface (the surface on the combustion chamber side) of the piston ring groove 3 of FIG. 1, and the lower surface of the piston ring groove is, for example, the lower surface of the piston ring groove 3 of FIG. (Crank chamber side). Rz is the maximum height defined by JIS B 0601.

図2は、本実施形態のピストンリングの一部分の断面図である。ピストンリング20の上下面、及び側面(シリンダボアとの摺動面、外周面ともいう)は、DLC被膜22を有する。本実施形態では、ピストンリング20の上下面のうち少なくともいずれかにDLC被膜22を有するものであるが、外周面にもDLC被膜を有してもよい。外周面のDLC被膜の厚みは、上下面のDLC被膜の厚みよりも薄くてもよく、上下面のDLC被膜の厚みの1/2以下であってもよい。また外周面のDLC被膜の厚みは、上下面より厚くてもよい。更に、内周面にも被膜を有してもよい。 FIG. 2 is a cross-sectional view of a part of the piston ring of the present embodiment. The upper and lower surfaces of the piston ring 20 and the side surfaces (also referred to as a sliding surface with the cylinder bore and an outer peripheral surface) have a DLC coating 22. In the present embodiment, at least one of the upper and lower surfaces of the piston ring 20 has a DLC coating 22, but the outer peripheral surface may also have a DLC coating. The thickness of the DLC coating on the outer peripheral surface may be thinner than the thickness of the DLC coating on the upper and lower surfaces, and may be 1/2 or less of the thickness of the DLC coating on the upper and lower surfaces. Further, the thickness of the DLC coating on the outer peripheral surface may be thicker than that on the upper and lower surfaces. Further, the inner peripheral surface may also have a coating film.

ピストンリング20のピストンリング基材21は、従来からピストンリング基材として使用されている材質であれば、材質は特に限定されない。例えば、ステンレス鋼材、鋼材などが好適に用いられ、具体的には、マルテンサイト系ステンレス鋼、シリコンクロム鋼などが好適に用いられる。 The material of the piston ring base material 21 of the piston ring 20 is not particularly limited as long as it is a material conventionally used as a piston ring base material. For example, stainless steel, steel, and the like are preferably used, and specifically, martensitic stainless steel, silicon chrome steel, and the like are preferably used.

本実施形態においてDLC被膜は、水素を含有するDLC被膜であり、いわゆる水素フリーDLCではない。一例では水素含有量が5.0at%以上であり、10.0at%以上であってよく、15.0at%以上であってよく、20.0at%以上であってよく、
25.0at%以上であってよく、上限値は特に限定されないが、30.0at%以下であってよい。DLC被膜が水素を含有するDLCであることで、アルミニウム合金からなるピストンとのなじみ性が向上し、ピストンリング溝との間の摩耗を抑制できるとともに、アルミニウム凝着も抑制できる。
In the present embodiment, the DLC coating is a hydrogen-containing DLC coating, not a so-called hydrogen-free DLC. In one example, the hydrogen content may be 5.0 at% or more, 10.0 at% or more, 15.0 at% or more, 20.0 at% or more, and so on.
It may be 25.0 at% or more, and the upper limit value is not particularly limited, but may be 30.0 at% or less. Since the DLC film is a DLC containing hydrogen, the compatibility with the piston made of an aluminum alloy is improved, wear between the piston ring groove and the piston ring groove can be suppressed, and aluminum adhesion can also be suppressed.

またDLC被膜はその他の元素を含んでもよく、その他の元素としてW(タングステン)を含有することが、摺動特性を向上させ、また被膜の内部応力を低下させ厚膜化を容易にすることから好ましい。Wを含有する場合、その含有量は1at%以上であってよく、3at%以上であってよく、5at%以上であってよく、また40at%以下であってよく、30at%以下であってよい。 Further, the DLC coating may contain other elements, and containing W (tungsten) as the other element improves the sliding characteristics, reduces the internal stress of the coating, and facilitates the thickening of the film. preferable. When W is contained, the content may be 1 at% or more, 3 at% or more, 5 at% or more, 40 at% or less, and 30 at% or less. ..

DLC被膜の厚さは特段限定されず、通常0.5μm以上であり、1μm以上であってよく、また通常10μm以下であり、5μm以下であってよい。
DLC被膜の硬さは特段限定されないが、HV500以上であってよく、HV700以上であってよく、HV1800以下であってよく、HV1500以下であってよい。
DLC被膜とピストンリング基材との間には、Crめっき被膜、窒化クロム被膜、窒化チタン被膜などを更に有してもよく、DLC被膜との境界にCr、Ti、Si、WCのいずれかの被膜または2種の混合被膜でもよく、ピストンリング基材に直接DLC被膜を形成してもよい。
The thickness of the DLC coating is not particularly limited and may be usually 0.5 μm or more and 1 μm or more, and usually 10 μm or less and 5 μm or less.
The hardness of the DLC coating is not particularly limited, but may be HV500 or higher, HV700 or higher, HV1800 or lower, and HV1500 or lower.
A Cr plating film, a chromium nitride film, a titanium nitride film, or the like may be further provided between the DLC film and the piston ring base material, and any one of Cr, Ti, Si, and WC may be provided at the boundary with the DLC film. A coating film or a mixed coating film of two types may be used, or a DLC coating film may be formed directly on the piston ring substrate.

DLC被膜を有するピストンリング上下面は、少なくとも一方の粗さRzが、4.0μm以下であってよく、3.2μm以下であってよく、2.0μm以下であってもよい。 At least one of the upper and lower surfaces of the piston ring having the DLC coating may have a roughness Rz of 4.0 μm or less, 3.2 μm or less, or 2.0 μm or less.

ピストンに備えられるピストンリングのうち、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、上記説明した水素含有DLC被膜を上下面のうち少なくともいずれかに有してもよく、トップリング13及びセカンドリング14の両方が、上記説明した水素含有DLC被膜を上下面のうち少なくともいずれかに有してもよい。
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。
Of the piston rings provided in the piston, at least one of the top ring 13 and the second ring 14 may have the hydrogen-containing DLC coating described above on at least one of the upper and lower surfaces, and the top ring 13 and the second ring may be provided. Both 14 may have the hydrogen-containing DLC coating described above on at least one of the upper and lower surfaces.
The combination oil ring 15 includes a pair of upper and lower segments 151 and 152 whose outer peripheral surface slides on the inner wall of the cylinder, and an expander spacer 153 arranged between the segments. The combination oil ring 15 is an oil ring having a three-piece structure, but is not limited to this, and may be an oil ring having a two-piece structure.

水素含有DLC被膜をピストンリングに形成する方法は、既知の方法を用いることができ、イオンプレーティング法やスパッタリング法などがあげられる。例えば、真空チャンバ内でワークを回転させつつ、不活性ガスを導入し、アルゴンイオンによるイオンボンバードメントによりワーク表面を清浄化した後に、炭素系ガス(メタン、アセチレン等)をチャンバ内に導入し、ワーク近傍をプラズマ状態に保つと同時にWを蒸発させるスパッタリング法でピストンリング外周面へ成膜することができる。
具体的には、ヒーティングを1h行い、次に中間層としてCr層をスパッタリング出力3000W、バイアス電圧300V、アルゴンガス導入100sccmで処理の後、アセチレンガス200sccm導入を行いながら、バイアス電圧300V、出力3000Wとし、スパッタリングを、W元素を含むターゲットを使用することにより成膜することができる。
As a method for forming the hydrogen-containing DLC film on the piston ring, a known method can be used, and examples thereof include an ion plating method and a sputtering method. For example, while rotating the work in the vacuum chamber, an inert gas is introduced, the surface of the work is cleaned by ion bombardment with argon ions, and then a carbon-based gas (methane, acetylene, etc.) is introduced into the chamber. A film can be formed on the outer peripheral surface of the piston ring by a sputtering method that evaporates W at the same time as keeping the vicinity of the work in a plasma state.
Specifically, heating is performed for 1 hour, and then the Cr layer is treated as an intermediate layer with a sputtering output of 3000 W, a bias voltage of 300 V, and an argon gas introduction of 100 sccm, and then while introducing an acetylene gas of 200 sccm, a bias voltage of 300 V and an output of 3000 W. Then, sputtering can be formed by using a target containing W element.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
<参考試験1:叩き摩擦試験(アルミニウム凝着試験)>
ピストンリングの上下面とピストンリング溝との間を想定した叩き摩擦試験を行った。図3に概要を示す叩き摩擦試験機30を用いて、ピストン材をAl−Cu合金(A2618:Si含有量0.1〜0.25wt%)の場合と、Al−Si(A4032:Si含有量11〜13.5wt%)の場合とで、窒化ピストンリングに対し叩き摩擦試験を行った。試験条件は、以下のとおりとした。結果、アルミニウム凝着までの時間は、Al−Si合金では30分であったのに対し、Al−Cu合金では15分であった。Al−Cu合金がよりアルミニウム凝着が生じやすいことが理解できる。
・叩き荷重 100N
・叩き速度 700回/分
・温度 250℃/170℃(ピストン/ピストンリング)
・潤滑油 10W テスト開始前0.1mL塗布
・ピストン材表面仕上げ 2.0μmRz
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
<Reference test 1: Hitting friction test (aluminum adhesion test)>
A tapping friction test was performed assuming the space between the upper and lower surfaces of the piston ring and the piston ring groove. Using the tapping friction tester 30 outlined in FIG. 3, the piston material is an Al—Cu alloy (A2618: Si content 0.1 to 0.25 wt%) and an Al—Si (A4032: Si content). In the case of 11 to 13.5 wt%), a tapping friction test was performed on the nitrided piston ring. The test conditions were as follows. As a result, the time required for aluminum adhesion was 30 minutes for the Al—Si alloy and 15 minutes for the Al—Cu alloy. It can be understood that the Al—Cu alloy is more likely to cause aluminum adhesion.
・ Striking load 100N
・ Striking speed 700 times / minute ・ Temperature 250 ℃ / 170 ℃ (piston / piston ring)
・ Lubricating oil 10W 0.1mL applied before the start of test ・ Piston material surface finish 2.0μmRz

<実施例1〜2、及び比較例1:叩き摩擦試験(アルミニウム凝着試験)>
参考試験1と同様に図3に概要を示す叩き摩擦試験機30を用いて、以下の試験を行った。試験に用いたピストンリング被膜は以下のように製造した。
実施例の水素含有DLC:
スパッタリング装置を用いて、ヒーティングを1h行い、次に中間層としてCr層をスパッタリング出力3000W、バイアス電圧300V、アルゴンガス導入100sccmで処理の後、アセチレンガス200sccm導入を行いながら、バイアス電圧300V、出力3000Wとし、スパッタリングをWCターゲットを用いて成膜を行い、狙いの膜厚を処理した。なお、実施例1と2の水素含有DLC被膜は、成膜時の装置炉内圧力を変更することで、被膜中の水素濃度を変化させた。
<Examples 1 and 2 and Comparative Example 1: Striking friction test (aluminum adhesion test)>
The following test was performed using the tapping friction tester 30 shown in the outline in FIG. 3 in the same manner as in the reference test 1. The piston ring coating used in the test was manufactured as follows.
Hydrogen-containing DLC of Examples:
Heating was performed for 1 hour using a sputtering device, and then the Cr layer was treated as an intermediate layer with a sputtering output of 3000 W, a bias voltage of 300 V, and an argon gas introduction of 100 sccm, and then a bias voltage of 300 V and an output while introducing acetylene gas 200 sccm. The film thickness was set to 3000 W, and the target film thickness was processed by forming a film using a WC target for sputtering. In the hydrogen-containing DLC coatings of Examples 1 and 2, the hydrogen concentration in the coatings was changed by changing the pressure inside the apparatus furnace at the time of film formation.

比較例の水素フリーDLC:
アークイオンプレーティング装置を用いて、真空排気の後、ヒーティングを1h行い、次にバイアス電圧を(−500〜−1000)Vの範囲で印加した状態で、Crターゲットを用いて、アーク電流50〜100Aで放電し、Crイオンボンバードを行った。
次にアークイオンプレーティングにて、ピストンリング基材に対してバイアス電圧を(−10〜−100)Vの範囲で印加した状態で、Crターゲットを用いて、アーク電流50〜100Aで放電し、接着層としてCr被膜をピストンリング基材上に成膜した。次にCr被膜上にアモルファスカーボン層を成膜した。アモルファスカーボン層は基材に対してバイアス電圧を(0〜−100)Vの範囲内で印加した状態でカーボンターゲットを用いて、アーク電流50〜100Aで放電し、成膜することで、アモルファスカーボン層を得た。
試験に用いたピストン材、ピストンリング、及び結果を表1にまとめた。
Comparative example hydrogen-free DLC:
After vacuum exhaust using an arc ion plating device, heating is performed for 1 hour, and then a bias voltage is applied in the range of (-500 to -1000) V, and an arc current of 50 is used using a Cr target. The discharge was performed at ~ 100 A, and Cr ion bombarding was performed.
Next, in arc ion plating, with a bias voltage applied to the piston ring base material in the range of (-10 to -100) V, a Cr target was used to discharge the piston ring with an arc current of 50 to 100 A. A Cr coating was formed on the piston ring base material as an adhesive layer. Next, an amorphous carbon layer was formed on the Cr film. The amorphous carbon layer is formed by discharging and forming a film with an arc current of 50 to 100 A using a carbon target with a bias voltage applied to the base material in the range of (0 to -100) V. Got a layer.
The piston materials, piston rings, and results used in the test are summarized in Table 1.

Figure 0006896040
Figure 0006896040

<参考試験2:摺動摩擦試験>
これまで一般的に使用されているピストンリングの上下面用表面処理である窒化処理品とピストン材との間の摩擦試験を行った。ピストンにおけるリング溝の上下面は、ピストンの上下動に伴って、ピストンリング円周方向にピストンリングが回転するモーメントが発生して摩擦が生じることから、図4に概要を示す往復動摩擦試験機40を用いて摩擦試験を行った。試験条件は、以下のとおりとした。
・荷重 30N
・叩き速度 300回/分
・時間 30分
・温度 室温(23℃)
・潤滑油 軸受油2.0mL/h
参考例1、参考例2ともピン材(リング材)はSU−3窒化品を先端SR18にて鏡面仕上げとした。プレート(ピストン材)は1.3μmRzの表面仕上げとした。結果は、以下の表2のとおりであり、Al−Cu系合金がより摩耗しやすいことが理解できる。
<Reference test 2: Sliding friction test>
A friction test was conducted between a nitrided product and a piston material, which is a surface treatment for the upper and lower surfaces of a piston ring that has been generally used so far. The upper and lower surfaces of the ring groove in the piston generate friction due to a moment in which the piston ring rotates in the circumferential direction of the piston ring as the piston moves up and down. Therefore, the reciprocating friction tester 40 outlined in FIG. A friction test was performed using. The test conditions were as follows.
・ Load 30N
・ Striking speed 300 times / minute ・ Time 30 minutes ・ Temperature Room temperature (23 ℃)
・ Lubricating oil Bearing oil 2.0mL / h
In both Reference Example 1 and Reference Example 2, the pin material (ring material) was a SU-3 nitride product with a mirror finish at the tip SR18. The plate (piston material) had a surface finish of 1.3 μmRz. The results are shown in Table 2 below, and it can be understood that the Al—Cu based alloy is more easily worn.

Figure 0006896040
Figure 0006896040

<実施例3、及び比較例2:摺動摩擦試験(DLC)>
参考試験2と同様に図4に概要を示す往復動摩擦試験機40を用いて、以下の試験を行った。実施例3、比較例2とも、プレート(ピストン材)はAl−Cu合金を用いた。
<Example 3 and Comparative Example 2: Sliding friction test (DLC)>
The following tests were performed using the reciprocating dynamic friction tester 40 shown in the outline in FIG. 4 in the same manner as in the reference test 2. In both Example 3 and Comparative Example 2, an Al—Cu alloy was used as the plate (piston material).

Figure 0006896040
Figure 0006896040

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
20 ピストンリング
21 ピストンリング基材
22 DLC被膜
30 叩き摩擦試験機
31 ピストンリング
32 ピストン材
34 オイル
35 ヒーター
36 スプリング
40 摺動摩擦試験機
41 ピン(リング材)
42 プレート(シリンダボア材)
1 Cylinder inner wall 2 Piston 3 First groove 4 Second groove 5 Third groove 13 Top ring 14 Second ring 15 Combination oil ring 151 Upper segment 152 Lower segment 153 Expander spacer 20 Piston ring 21 Piston ring base material 22 DLC coating 30 tapping friction tester
31 Piston ring 32 Piston material 34 Oil 35 Heater 36 Spring 40 Sliding friction tester 41 Pin (ring material)
42 plate (cylinder bore material)

Claims (4)

ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン、及び
該ピストンのピストンリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有DLC被膜を有するピストンリング、を含む、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせであって、
前記アルミニウム合金は、Si含有量が2wt%以下である、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ(但し、Si元素を1at%以上10at%以下含有する水素含有DLC被膜を除き、且つ、Si:0.4〜0.7質量%、Fe:1.4〜2.0質量%、Cu:3.5〜5.5質量%、Ni:0.3〜0.8質量%及びMg:1.5〜2.0質量%を少なくとも含有するアルミニウム合金からなる内燃機関用ピストンを除く)。
A piston for an internal combustion engine having a piston ring groove to which a piston ring is mounted and made of an aluminum alloy, and a piston ring mounted in the piston ring groove of the piston and having a hydrogen-containing DLC coating on at least one of the upper and lower surfaces. A combination of a piston and a piston ring for an internal combustion engine, including
The aluminum alloy, Si content is less 2 wt%, a combination of a piston and a piston ring for an internal combustion engine (where Except hydrogen-containing DLC film containing Si element less 1 at.% Or more 10at%, and, Si: 0.4 to 0.7% by mass, Fe: 1.4 to 2.0% by mass, Cu: 3.5 to 5.5% by mass, Ni: 0.3 to 0.8% by mass and Mg: 1. excluding a piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy containing at least from 5 to 2.0 wt%).
ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン、及び
該ピストンのピストンリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有DLC被膜を有するピストンリング、を含む、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせであって、
前記アルミニウム合金は、Al−Cu系合金であり、且つSi含有量が0.5wt%以下である、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ(但し、Si:0.4〜0.7質量%、Fe:1.4〜2.0質量%、Cu:3.5〜5.5質量%、Ni:0.3〜0.8質量%及びMg:1.5〜2.0質量%を少なくとも含有するアルミニウム合金からなる内燃機関用ピストンを除く)
A piston for an internal combustion engine having a piston ring groove to which a piston ring is mounted and made of an aluminum alloy, and a piston ring mounted in the piston ring groove of the piston and having a hydrogen-containing DLC coating on at least one of the upper and lower surfaces. A combination of a piston and a piston ring for an internal combustion engine, including
The aluminum alloy is an Al—Cu based alloy and has a Si content of 0.5 wt% or less, which is a combination of a piston for an internal combustion engine and a piston ring (provided that Si: 0.4 to 0.7 mass%, Fe: 1.4 to 2.0% by mass, Cu: 3.5 to 5.5% by mass, Ni: 0.3 to 0.8% by mass and Mg: 1.5 to 2.0% by mass at least Except for pistons for internal combustion engines made of aluminum alloy) .
前記内燃機関用ピストンは、トップリング、セカンドリング及びオイルリングを備え、
該トップリング及びセカンドリングの少なくとも一方が、水素含有DLC被膜を上下面のうち少なくともいずれかに有する、請求項1又は2に記載の内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ。
The internal combustion engine piston includes a top ring, a second ring and an oil ring.
The combination of a piston for an internal combustion engine and a piston ring according to claim 1 or 2, wherein at least one of the top ring and the second ring has a hydrogen-containing DLC coating on at least one of the upper and lower surfaces.
前記ピストンリングは、側面に水素含有DLC被膜を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ。
The combination of a piston for an internal combustion engine and a piston ring according to any one of claims 1 to 3, wherein the piston ring has a hydrogen-containing DLC coating on the side surface.
JP2019186870A 2019-10-10 2019-10-10 Combination of piston and piston ring for internal combustion engine Active JP6896040B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019186870A JP6896040B2 (en) 2019-10-10 2019-10-10 Combination of piston and piston ring for internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019186870A JP6896040B2 (en) 2019-10-10 2019-10-10 Combination of piston and piston ring for internal combustion engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021063443A JP2021063443A (en) 2021-04-22
JP6896040B2 true JP6896040B2 (en) 2021-06-30

Family

ID=75487816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019186870A Active JP6896040B2 (en) 2019-10-10 2019-10-10 Combination of piston and piston ring for internal combustion engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6896040B2 (en)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07207380A (en) * 1994-01-13 1995-08-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Aluminum matrix composite material
JP3355306B2 (en) * 1997-09-30 2002-12-09 帝国ピストンリング株式会社 piston ring
JP4076169B2 (en) * 2004-07-06 2008-04-16 株式会社豊田中央研究所 Piston ring, piston, cylinder, piston pin with amorphous hard carbon film
JP5013445B2 (en) * 2005-03-09 2012-08-29 株式会社豊田中央研究所 Piston ring, piston with the same, and method of using them
WO2015045745A1 (en) * 2013-09-30 2015-04-02 株式会社リケン Piston ring
WO2016027808A1 (en) * 2014-08-18 2016-02-25 アート金属工業株式会社 Internal combustion engine piston and method for manufacturing same
JP6875795B2 (en) * 2016-05-31 2021-05-26 アート金属工業株式会社 Internal combustion engine piston and its manufacturing method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021063443A (en) 2021-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5452734B2 (en) Process for manufacturing slide elements with a coating, in particular piston rings, and slide elements
US12123500B2 (en) Piston ring and method of manufacture
JP5564099B2 (en) Combination of cylinder and piston ring
JP2000120870A (en) Piston ring
JP2013501897A (en) Sliding element with coating, in particular piston ring
US5605741A (en) Hybrid face coating for piston ring
US11156291B2 (en) Piston ring and method of manufacture
JP2008286354A (en) Sliding member
JP2003113941A (en) Piston ring and combination structure of piston ring and ring groove of piston
JP2005525515A (en) Piston ring with PVD coating layer
US10385971B2 (en) Piston ring
JP2022109260A (en) Piston ring and its manufacturing method
JP6896040B2 (en) Combination of piston and piston ring for internal combustion engine
JP2001280497A (en) Combination of cylinder made of aluminum alloy and piston ring
JP4374154B2 (en) piston ring
JPH08184375A (en) Piston ring and manufacture thereof
JP4374153B2 (en) piston ring
JP2003042294A (en) Piston ring
JP5473890B2 (en) piston ring
JP4374160B2 (en) piston ring
JP2007170467A (en) piston ring
JP2023051683A (en) sliding member
JP2006265646A (en) Sliding member
JP3388047B2 (en) Piston ring and method of manufacturing the same
JP4462077B2 (en) Combination sliding member

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191011

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20191011

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20191108

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200107

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200210

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20200331

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200511

C60 Trial request (containing other claim documents, opposition documents)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60

Effective date: 20200511

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20200603

C21 Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21

Effective date: 20200609

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20200717

C211 Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C211

Effective date: 20200728

C22 Notice of designation (change) of administrative judge

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22

Effective date: 20201110

C13 Notice of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C13

Effective date: 20201222

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210205

C23 Notice of termination of proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C23

Effective date: 20210427

C03 Trial/appeal decision taken

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C03

Effective date: 20210525

C30A Notification sent

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C3012

Effective date: 20210525

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210608

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6896040

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250