シリンダライナとピストンリングの組み合わせ
【課題】シリンダライナとピストンリングの組み合わせで軽量化、低フリクション化、摩耗低減する。
【解決手段】シリンダライナ１の組成を、珪素：２３．０〜２８．０質量％（以下同じ）、マグネシウム：０．８０〜２．０、銅：３．０〜４．５、鉄：０．２５以下、ニッケル：０．０１以下、残部：不可避不純物及びアルミニウムとし、その内周面の表面粗さをＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、Ｒｋ＝０．２〜０．４μｍ、Ｒｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、Ｒｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、とし、一方、ピストンリングの組成を、炭素：０．６〜０．７、クロム：１２〜１４、モリブデン：０．２〜０．４、珪素：１．０以下、マンガン：１．０以下、残部：不可避的不純物及び鉄とし、直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有せしめ、その外周摺動面の表面粗さをＲｚ＝０．８μｍ以下、Ｒｐｋ＝０．１５μｍ以下とする。
【解決手段】シリンダライナ１の組成を、珪素：２３．０〜２８．０質量％（以下同じ）、マグネシウム：０．８０〜２．０、銅：３．０〜４．５、鉄：０．２５以下、ニッケル：０．０１以下、残部：不可避不純物及びアルミニウムとし、その内周面の表面粗さをＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、Ｒｋ＝０．２〜０．４μｍ、Ｒｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、Ｒｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、とし、一方、ピストンリングの組成を、炭素：０．６〜０．７、クロム：１２〜１４、モリブデン：０．２〜０．４、珪素：１．０以下、マンガン：１．０以下、残部：不可避的不純物及び鉄とし、直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有せしめ、その外周摺動面の表面粗さをＲｚ＝０．８μｍ以下、Ｒｐｋ＝０．１５μｍ以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリンダライナとピストンリングの組み合わせに関する。さらに具体的には、自動車、芝刈り機、発電機等に用いる内燃機関において用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面と摺動するピストンリングとの組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃費の向上および運動性能の向上を図るため自動車全体の軽量化が促進されており、当該自動車全体の軽量化に伴い、そのエンジンも当然に軽量化の対象となっている。
【０００３】
エンジンの軽量化を図るため、シリンダライナおよびこれを鋳包むシリンダブロックともにマグネシウム合金やアルミニウム合金などに代表される軽合金を用いることが開発されている。このようなシリンダライナやシリンダブロックの具体例としては、例えば、特許文献１〜５を挙げることができる。
【０００４】
特許文献１〜３には、繊維強化材を用いたアルミニウム合金により形成されたシリンダライナと、これを鋳包むアルミニウム合金製のシリンダブロックが開示されている。また、特許文献４には、過共晶アルミニウム−珪素合金からなるシリンダライナと、これを鋳包むアルミニウム合金製のシリンダブロックが開示されている。
【０００５】
一方で、シリンダライナの内周面に接しつつ摺動するピストンリングにあっても、前記エンジンの軽量化の目的を達成すべく、さらには、前述したような様々なシリンダライナに合わせて開発が行われている。
【０００６】
例えば、特許文献５には、前記特許文献４に開示されているシリンダライナと組み合わせるためのピストンリングが開示されている。
【特許文献１】特開昭６３−０３８５６７号公報
【特許文献２】特開平０３−２６７５４９号公報
【特許文献３】特開平０４−０７６２５１号公報
【特許文献４】特開平０９−０１９７５７号公報
【特許文献５】特開平１１−２８７３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献５に開示されているシリンダライナとピストンリングの組み合わせでは十分な性能が得られなく、さらなる改良の余地がある。
【０００８】
具体的は、例えば、近年は燃費向上を目的として、シリンダライナとピストンリングとの摩擦力を低減する動きがあり、ピストンリングの合計張力をボア径で割ることに得られる張力比（Ｎ／ｍ）を小さくするように考慮されているところ、特許文献５に開示されているシリンダライナとピストンリングの組み合わせにあっては、この考慮はされておらず、十分な性能が得られているとは言い難い。
【０００９】
また、特許文献４に開示されているシリンダライナにあっても、十分な性能が得られているとは言えず、例えば、当該シリンダライナにあっては化学研磨（エッチング）により、珪素一次結晶およびＡｌ２ＣｕやＭｇ２Ｓｉ等の金属間化合物と基地であるＡｌ合金との段差や、これら化合物の摺動面基地側へ伸びるコーナーエッジがピストンリングと摺動する際、ピストンリングとの摩擦力が大きくなってしまう問題があった。また、オイルリングのように、比較的ピストンリングの張力が大きい場合（圧力リングに対し約１０倍程度）には、リングの耐摩耗性やシリンダライナへの相手攻撃性が問題となる場合もあった。
【００１０】
さらに、前記特許文献１〜５に限らず、従来からシリンダライナとピストンリングとは別個に開発される場合が多く、エンジン全体の軽量化はもとより、シリンダライナとピストンリングとの低フリクション化、さらには互いの摩耗量の低減等を、シリンダライナとピストンリングの総合力で解決することまで考慮がされていなかった。
【００１１】
本発明は、このような状況においてなされたものであり、現在のエンジンの軽量化の要請に応えることができ、かつ、シリンダライナとピストンリングの低フリクション化、互いの摩耗量の低減、および耐スカッフ性の向上を図ることが可能な、これらの最適な組み合わせを提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本願発明者は鋭意研究をした結果、シリンダライナとピストンリングとの面圧を考慮しつつ、それぞれの組成、表面粗さ等、種々のパラメータを決定すべきことを見いだし、本発明を開発した。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決するための本願第一の発明は、内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．０３〜０．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、前記シリンダライナは、その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、一方、前記ピストンリングは、その組成が、炭素：０．６〜０．７質量％、クロム：１３〜１４質量％、モリブデン：０．２〜０．４質量％、珪素：０．２５〜０．５０質量％、マンガン：０．２〜０．５質量％、残部：不可避不純物及び鉄、であり、直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、であることを特徴とする。
【００１４】
また、上記課題を解決するための本願第二の発明は、内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．２〜１．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、前記シリンダライナは、その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、一方、前記ピストンリングは、その組成が、炭素：０．２６〜０．４質量％、クロム：１２〜１４質量％、ニッケル：０．６質量％以下、珪素：１．０質量％以下、マンガン：１．０質量％以下、残部：不可避不純物及び鉄、であり、直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、であることを特徴とする。
【００１５】
また、上記本願第一および第二の発明にあっては、前記ピストンリングの外周摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜が形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のシリンダライナとピストンリングとの組み合わせによれば、シリンダライナの内周面と摺動するピストンリングとの面圧に応じてピストンリングの組成が決定されており、さらに、シリンダライナとピストンリングの双方において、その表面粗さについて種々のパラメータを用いて限定されているため、低フリクション化を実現することができるとともに、シリンダライナおよびピストンリング双方の摩耗量を低減することや、初期なじみ性、耐スカッフ性を向上することもできる。
【００１７】
さらに、本発明にあっては、ピストンリングの表面にＤＬＣ被膜を形成することによって、前記効果をより発揮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のシリンダライナとピストンリングの組み合わせ（以下、単に「組み合わせ」とする場合がある。）について具体的に説明する。
【００１９】
図１は、ピストンリングを装着したピストンとシリンダライナを示す概略図である。
【００２０】
図１に示すように、シリンダ１内を往復移動するピストンリング２には、環状のリング溝２ａ、２ｂ、２ｃが形成され、燃焼室ＣＭ側から順に第１圧力リング３、第２圧力リング４、３ピースオイルリング５がそれぞれリング溝溝２ａ〜２ｃに装着され、シリンダ壁面１に摺接している。３ピースオイルリング５は、サイドレール６とスペーサエキスパンダ８により構成される。
【００２１】
さらにピストン２には、オイルリング１を装着したリング溝２ｃと連通してオイルを図示せぬクランクケースに環流させるためのドレーンホール２ｄが形成されている。
【００２２】
これらのピストンリングはシリンダライナ１に摺接する第１圧力リング摺動面３ａ、第２圧力リング摺動面４ａ、オイルリング摺動面５ａが形成されている。
【００２３】
本願発明は、このようなシリンダライナ１とピストンリング３、４、５の組み合わせに関するものである。
【００２４】
＜シリンダライナ＞
先ずは、本発明の組み合わせを構成するシリンダライナについて説明する。なお、本発明におけるシリンダライナは、後述するピストンリングとの面圧に左右されることなく、以下に説明するシリンダライナである（本発明におけるピストンリングにあっては、面圧に応じてその組成が異なっている。）。
【００２５】
（シリンダライナの組成）
本発明の組み合わせにおけるシリンダライナは、以下の二種類（組成Ａ、組成Ｂ）の組成の何れかからなる過共晶アルミニウム−珪素合金である。
【００２６】
（組成Ａ）
珪素：２３．０〜２８．０質量％
マグネシウム：０．８０〜２．０質量％
銅：３．０〜４．５質量％
鉄：０．２５質量％以下
ニッケル：０．０１質量％以下
残部：不可避不純物及びアルミニウム
（組成Ｂ）
珪素：２３．０〜２８．０質量％
マグネシウム：０．８０〜２．０質量％
銅：３．０〜４．５質量％
鉄：１．０〜１．４質量％
ニッケル：１．０〜５．０質量％
残部：不可避不純物及びアルミニウム
ここで、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、珪素（Ｓｉ）を質量％で２３〜２８％の過共晶にすることにより、一次結晶のＳｉを積極的に晶出させることができる。珪素を２３％未満にすると、スプレーフォーミングによる製造方法の際に、一次結晶の珪素の晶出が不十分となることと、マグネシウム（Ｍｇ）と反応するＳｉが不足しＭｇ２Ｓｉが十分に形成できなくなる。一方で、珪素を２８％より多くすると、スプレーフォーミングによる製造方法の際に、成形体の加工性が悪くなるため好ましくない。
【００２７】
また、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、マグネシウムを質量％で０．８〜２．０％の範囲することにより、アルミニウムと銅と珪素による金属間化合物を形成し、合金強度を向上させることができる。Ｍｇを０．８％未満にすると、金属間化合物を形成する形成量が不十分であり、一方で、２．０％より多くなると、靭性や疲労強度を低下させる。
【００２８】
また、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、銅を質量％で３．０〜４．５％の範囲することにより、アルミニウムと銅によるＡｌ２Ｃｕを析出することができ、その他の銅はアルミニウム基地に固溶する。銅を３．０％未満にすると、十分な疲労強度効果が得られず、４．５％より多くなると、アルミニウム母相中に未固溶のアルミニウム−銅金属化合物が多くなり、靭性や疲強度を低下させる。
【００２９】
また、前記（組成Ａ）の場合においては、鉄の含有量は、ひけ割れ防止のため、０．２５％以下とすることが好ましく、ニッケルにあっては、熱収縮を防止する作用があるため、０．０１％以下とすることが好ましい。
【００３０】
一方で、前記（組成Ｂ）の場合においては、鉄は、金型等への吹き付けの際に焼きつきを防止する効果があるため、質量％で１．０〜１．４％の割合で添加する。１．０％未満では効果が足りなく、１．４％より多くなると、ＦｅＡｌ３等が晶出し強度を低下させるため好ましくない。
【００３１】
また、前記組成（組成Ｂ）の場合においては、ニッケルは、収縮量を小さくし、さらに強度も向上させる効果があるため、質量％で１．０〜５．０％の割合で添加する。１．０％未満では効果は少なく、５．０％より多くなると、耐熱衝撃性を著しく低下させるため好ましくない。
【００３２】
なお、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、不可避不純物としてＭｎ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｒ等や溶湯処理により合金中に必然的に混入するＴｉ、Ｂ、Ｂｅ等の元素が含まれる。
【００３３】
（シリンダライナの内周面の表面粗さ）
また、本発明の組み合わせを構成するシリンダライナにあっては、前記組成Ａもしくは組成Ｂからなる過共晶アルミニウム−珪素合金により構成されており、さらに、その内周面（つまり、後述するピストンリングと摺動する面）の表面粗さが、以下のパラメータを有している。
十点平均粗さ（Ｒｚ）＝０．５〜１．０μｍ
有効負荷粗さ（Ｒｋ）＝０．２〜０．４μｍ
初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）＝０．０５〜０．１μｍ
油溜まり深さ（Ｒｖｋ）＝０．０８〜０．２μｍ
なお、前記十点平均粗さ（Ｒｚ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に従って求めた値であり、有効負荷粗さ、初期摩耗高さ、および油溜まり深さのそれぞれは、ＤＩＮ（ドイツ規格）４７７６に従って求めた値である。
【００３４】
ここで、十点平均粗さ（Ｒｚ）の値を、０．５〜１．０μｍにすることにより、摩耗を低減することができる。０．５μｍ未満であると、耐スカッフ性が劣り、一方で１．０μｍを超えると相手攻撃性が大きくなってしまう。
【００３５】
また、有効負荷粗さ（Ｒｋ）の値を、０．２〜０．４μｍにすることにより、摺動抵抗を低減することができる。
【００３６】
また、初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）の値を、０．０５〜０．１μｍにすることにより、耐スカッフ性を向上させることができる。０．０５μｍ未満であると、初期なじみ性が劣り、一方で０．１μｍを超えると初期なじみ性および相手攻撃性に悪影響を及ぼしてしまう。
【００３７】
また、油溜まり深さ（Ｒｖｋ）の値を、０．０８〜０．２μｍにすることにより、耐スカッフ性を向上させることができる。０．０８μｍ未満であると、耐スカッフ性が劣り、一方で０．２μｍを超えるとオイル消費量を増大させるため好ましくない。
【００３８】
このようなパラメータを有するシリンダライナの製造方法については、特に限定されることはなく、任意に選択可能であるが、例えば、上述した（組成Ａ）または（組成Ｂ）からなる粉末材料を準備し、これを溶融後にいわゆる噴霧圧縮処理し、引き抜き加工およびハンマリングを行い、アルミダイキャストで鋳包まれた後（つまりシリンダブロックに鋳包まれた後）、ホーニング加工を施すことにより内周面の表面粗さを調整することにより製造することができる。
【００３９】
より具体的には、以下の通りである。
【００４０】
上述の（組成Ａ）のシリンダライナ材を溶湯よりプリフォームの形成及び、円筒状物体となるようにするために、まず微粒構成の珪素一次結晶及び金属間化合物を持つプリフォーム成形体をスプレーフォーミングにより形成する。プリフォーム成形体を押出し機により管状の半製品に変形し、更に、機械加工等を施し、この半製品からシリンダライナを製造する。
【００４１】
スプレーフォーミングにより形成されるプリフォーム成形体は、珪素一次結晶及び金属間化合物が、μｍで示す次の寸法を持つ粒度で生じるように形成する。
【００４２】
珪素一次結晶は、２〜１５μｍ（狙い：４．０〜１０．０μｍ）、アルミニウムと銅との金属間化合物（Ａｌ２Ｃｕ）は、０．１〜５．０μｍ（狙い０．８〜１．８μｍ）、マグネシウムと珪素との金属間化合物（Ｍｇ２Ｓｉ）は、２．０〜１０．０μｍ（狙い：２．５〜４．５μｍ）とする。
【００４３】
このシリンダライナをアルミダイキャストにより、クランクケースへ鋳込む。そのシリンダライナ内周面は、以下の機械ホーニングにより、荒加工及び仕上げ加工を行い所望の粗さのシリンダライナを作成する。
【００４４】
荒加工は粗さＲｚで１．０〜２．０μｍの範囲となるようにホーニング加工を行う。砥石の種類は特に限定されないが、砥石の粒度は８００〜２０００程度の砥石を用い、砥石はホーニングヘッドに固定し、加工する。
【００４５】
仕上げ加工は、粒度６００〜１２００程度のセラミック系の砥粒を、結合材としてレジンボンド等を用いた砥石を使用して内周面の仕上げ研磨加工を行う。その研磨加工により、内周面の皮膜表面を、十点平均粗さＲｚ：０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．０５〜０．１μｍ、有効負荷粗さＲｋ：０．２〜０．４μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．０８〜０．２μｍの形状に仕上げる。
【００４６】
シリンダライナ表面の珪素一次結晶２〜１５μｍ、アルミニウムと銅との金属間化合物０．１〜５．０μｍ、マグネシウムと珪素との金属間化合物２．０〜１０．０μｍに対し、精密に調整された表面粗さをホーニング加工により、凸部の部位を荒加工により削ることとで段差を無くことと、さらに、これらの珪素一次結晶及び、金属間化合物のエッジを落としながら、削りこむことが好ましい。
【００４７】
更に、仕上げ加工にて小さな凸部位を仕上げ加工にて更に削り込む。
【００４８】
表面の粗さを細かくするには、荒加工にて、母材の深い凹部迄削り、仕上げ加工をすることが好ましい。十点平均粗さＲｚを０．８〜０．９μｍの粗さ上限とする際には、荒加工を少なくし、仕上げ加工に入ることで所望の表面粗さが得られる。初期摩耗高さＲｐｋと有効負荷粗さＲｋの調整としては、仕上げ砥石の種類と加工時間により調整する。油溜まり深さＲｖｋは初期の荒加工の量と加工時間により調整することができる。
【００４９】
なお、本発明の組み合わせにおけるシリンダライナにあっては、前記パラメータのうち、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚを見ればわかるように、珪素一次結晶や金属間化合物等に起因する表面の段差を小さくしていることに特徴を有している。珪素一次結晶や金属間化合物等に起因する表面の段差を小さくすることにより、後述するピストンリングとの摩擦力を小さくすることができ、低フリクション化を実現することができる。
【００５０】
ここで、当該段差を小さくし、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚを０．５〜１．０μｍとする方法については、本発明は特に限定することはないが、例えば、前記ホーニング加工を施す際にＮａＯＨを含む水溶液を用いた化学研磨（エッチング）を敢えてしないでおく方法を挙げることができる。化学研磨を行うと、シリンダライナのアルミニウム系母材表面が削られて珪素一次結晶や金属間化合物の段差や、これら粒子のコーナーエッジがシャープな状態となり、その分だけ表面の段差が大きくなり悪影響を及ぼす可能性があるからである。
【００５１】
＜ピストンリング＞
次に、上記シリンダライナと組み合わされるピストンリングについて説明する。
【００５２】
本発明にあっては、以下に示すように、上記シリンダライナとピストンリングとの面圧に応じて、ピストンリングの組成を変化させている。
【００５３】
（面圧：０．０３〜０．２ＭＰａの時の組成）
炭素：０．６〜０．７質量％
クロム：１３〜１４質量％
モリブデン：０．２〜０．４質量％
珪素：０．２５〜０．５０質量％
マンガン：０．２〜０．５質量％
残部：不可避不純物及び鉄
ここで、炭素（Ｃ）の含有量を０．６質量％以上とすることで、クロム（Ｃｒ）と反応した１〜５μｍ程度の炭化物を析出させることができる。一方で、０．７質量％を超えると、一次炭化物が粗大化し，板状の炭化物が析出するため、相手材であるアルミシリンダ内周面に対する攻撃性が強まり、摩耗を増大させることとなってしまう。
【００５４】
また、クロム（Ｃｒ）の含有量が１３質量％未満では、炭素量とのバランスから、耐スカッフ性、耐摩耗性を十分満足させることができない。一方で、１４質量％を超えると、炭化物の析出が多くなり、相手材であるアルミシリンダ内周面に対する攻撃性が強まり、摩耗を増大させることとなる。更に、成形時の加工性も悪くなってしまう。
【００５５】
また、モリブデン（Ｍｏ）は、それ自体で炭素と結びつき硬質の炭化物を形成するだけでなく、一部はクロム炭化物中へ固溶するため、０．２質量％未満では、炭化物の形成が十分でなく、耐摩耗性を満足させることができない。クロムを０．２質量％以上含有せしめることにより、クロム炭化物自身が強化されて耐摩耗性を向上させることができ、また熱へたりを向上させることができる。しかしながら、その含有量が０．４質量％を超えると炭化物の増加を招き、アルミシリンダ内周面の摩耗量を増加させ、加工性、靭性も低下させることとなる。
【００５６】
珪素（Ｓｉ）は、脱酸剤として添加されるものであり、熱へたり性を向上させることができるが、その含有量が０．５０質量％を超えると加工性が悪化してしまう。
【００５７】
マンガン（Ｍｎ）は、前記珪素と同様に、脱酸剤として添加されるものであり、０．２質量％以上が必要となるが、その含有量が０．５質量％を超えると冷間加工性を低下させることとなる。
【００５８】
また、不可避不純物としては、特にリン（Ｐ）や硫黄（Ｓ）が許容される。
【００５９】
（面圧：０．２〜１．２ＭＰａの時の組成）
炭素：０．２６〜０．４質量％
クロム：１２〜１４質量％
ニッケル：０．６質量％以下
珪素：１．０質量％以下
マンガン：１．０質量％以下
残部：不可避不純物及び鉄
ここで、炭素（Ｃ）の含有量が０．２６質量％未満では、炭化物の形成が十分でなく、耐摩耗性を満足させることができない。一方で、その上限を０．４質量％とすることで、炭化物の大きさを０．０５〜２．０μｍ程度とすることができ、シリンダライナへの攻撃性を小さくすることができる。
【００６０】
また、クロム（Ｃｒ）の含有量については、１２質量％未満では、炭素量とのバランスから、耐スカッフ性、耐摩耗性を十分満足させることができない。一方で、１４質量％を超えると、炭化物の析出が多くなり、相手材であるアルミシリンダライナ内周面に対する攻撃性が強まり、摩耗を増大させることとなる。さらに、成形時の加工性もわるくなってしまう。
【００６１】
また、ニッケル（Ｎｉ）は、靭性の向上を目的として添加される元素であるが、その含有量が０．６質量％を超えると加工性が低下することとなる。
【００６２】
珪素（Ｓｉ）は、脱酸剤として添加されるものであり、熱へたり性を向上させることができるが、その含有量が１．０質量％を超えると加工性が悪化してしまう。
【００６３】
また、マンガン（Ｍｎ）も脱酸剤として添加されるものであり、０．２質量％以上が必要となるが、１．０質量％を超えると冷間加工性を低下させてしまう。
【００６４】
なお、不可避不純物としても、前記「面圧が０．０３〜０．２ＭＰａの時の組成」と同様と同様に、特にリン（Ｐ）や硫黄（Ｓ）が許容される。
【００６５】
上記のピストンリングが組み合わされる本発明の過共晶アルミニウム−珪素合金からなるシリンダライナにあっては、前記ようにフリクションや摩耗を考慮して粗さを細かくするが、例えばオイルリングのような面圧が高い場合、局部的に強い力で摺動するため、ピストンリングの炭化物あるいは窒化により変化した窒化物によりシリンダライナの表面が攻撃されていく。この際に、炭化物を少なくし、攻撃性の低い小さな粒状の炭化物とすることが好ましく、シリンダライナとピストンリングとの面圧に応じたピストンリングの組成を組み合わせることにより効果を発揮する。
【００６６】
（ピストンリング中の炭化物）
前記各成分組成の説明からも明らかなように、前記面圧に応じた各組成の何れにあっても、当該ピストンリング内には炭化物が形成されており、その直径は５．０μｍ以下であり、またその面積率は４〜１０％である。
【００６７】
鉄を主成分とし、炭素（Ｃ）やクロム（Ｃｒ）を添加しているため、当該合金中には炭化物が存在することとなるが、当該炭化物の直径が５．０μｍを超えると、シリンダライナへの攻撃性が大きくなってしまう。このような理由から、当該直径は、０．０５〜２．０μｍが好ましく、０．１〜１．０μｍがより好ましい。
【００６８】
また、当該炭化物の面積率、つまり当該炭化物がピストンリング表面に占める割合については、４％未満では炭化物の量が少なく、ピストンリングの摩耗量が増大してしまい、一方で１０％を超えると炭化物の量が多くなり、シリンダライナへの攻撃性が大きくなってしまう。このような理由から、当該面積率は、６〜８％が特に好ましい。
【００６９】
なお、本発明における炭化物の面積率は、画像解析装置によって測定した値である。
【００７０】
（ピストンリングの外周摺動面の表面粗さ）
本発明の組み合わせを構成するピストンリングの外周摺動面の表面粗さは、シリンダライナとの面圧等に関係なく、以下のパラメータを有している。
十点平均粗さ（Ｒｚ）＝０．８μｍ以下
初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）＝０．１５μｍ以下
なお、前記十点平均粗さ（Ｒｚ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に従って求めた値であり、初期摩耗高さは、ＤＩＮ（ドイツ規格）４７７６に従って求めた値である。
【００７１】
ここで、十点平均粗さ（Ｒｚ）を０．８μｍ以下とすることにより、相手攻撃性を低下させ耐スカッフ性を向上させることができる。０．８μｍを超えると、相手攻撃性が大きくなってしまう。このような理由から、当該十点平均粗さ（Ｒｚ）は、０．８μｍ以下が好ましく、０．２〜０．６μｍの範囲が特に好ましい。
【００７２】
一方で、初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）を０．１５μｍ以下とすることにより、シリンダライナへの攻撃性（相手攻撃性）を小さくすることができる。
【００７３】
このような外周摺動面の表面粗さを有するピストンリングの製造方法については特に限定することはないが、例えば、ラップを数回程度行い、仕上げに使用するラップは、細かい研磨砥粒を使用して行う方法を挙げることができる。また、必要に応じてバフ研磨を施してもよい。
【００７４】
（ピストンリングの表面被膜処理）
上述してきた本発明の組み合わせを構成するピストンリングにあっては、その表面、より具体的には、ピストンリングにおける前記シリンダライナと接する外周摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜が形成されていてもよい。
【００７５】
前述したように、ピストンリングとシリンダライナとの面圧は、一般的には０．０３〜１．２ＭＰａ程度であるが、耐摩耗性等を考慮してピストンリングやシリンダライナに微細な凹凸が設けられた場合（本発明の組み合わせにあっても、炭化物等によって微細な凹凸を設けている。）、局所的にみると、前記面圧の１００〜１０００倍程度の圧力がかかっている場合がある。このような状況下にあっては、容易に境界潤滑領域に入り、オイルの膜は存在しないことになり、ピストンリングとシリンダライナが、いわゆるメタル−メタル接触の状態となり、珪素粒子を欠落させて、双方の表面が傷つくことが想定される。ここで、ピストンリングの表面にＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成しておくことにより、特に摺動初期段階において、ピストンリングとシリンダライナとのなじみ性を向上させることができる。
【００７６】
このようなＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の組成としては、特に限定することはないが、例えば、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ）と水素（Ｈ）とタングステン（Ｗ）とニッケル（Ｎｉ）からなる被膜や、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ）と水素（Ｈ）と珪素（Ｓｉ）からなる被膜、などを挙げることができる。
【００７７】
また、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の硬度についても、特に限定することはないが、例えば、１０００Ｈｖ０．１〜２５００Ｈｖ０．１程度が好ましい。
【００７８】
１０００Ｈｖ０．１未満の場合は耐摩耗性が劣り、一方で、２５００Ｈｖ０．１を超えると被膜の応力が高くなり剥離等が発生するからである。
【００７９】
さらに、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の厚さについても、特に限定することはないが、前述したように、本発明の組み合わせを構成するピストンリングにあっては、その表面粗さのパラメータ（ＲｚとＲｐｋ）が特徴であるため、当該パラメータ各数値を維持できる程度（ピストンリングの表面粗さを維持できる程度）の厚さであることが必要である。具体的には、０．５〜１０．０μｍ程度が好ましく、０．５〜５．０μｍ程度が特に好ましい。
【００８０】
なお、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜は、前述の如く、ピストンリングの表面粗さを維持できる程度に、薄く形成されるため、ピストンリングとシリンダライナとが摺動し続けた場合、摩耗により消滅することが考えられるが、当該ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜は、摺動初期段階において、ピストンリングとシリンダライナとのなじみ性を向上することを目的としているため、消耗しても問題はない。
【００８１】
このようなＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の形成方法については、特に限定されることはなく、従来公知の方法を適宜選択することが可能である。具体的には、例えば、各成分元素をターゲットとして用いる反応性スパッタリング法などを挙げることができる。
【実施例】
【００８２】
本発明のシリンダライナとピストンリングとの組み合わせについて、実施例を用いてさらに具体的に説明する。
【００８３】
＜面圧０．２〜１．２Ｍｐａにおける実施例＞
（実施例１〜１５）
まず、本発明の組み合わせを構成するシリンダライナの試験片として、Ｓｉ：２５質量％、Ｍｇ：１．２質量％、Ｃｕ：３．９質量％、Ｆｅ：０．１２質量％、Ｎｉ：０．００８質量％、Ｍｎ：０．００７質量％、Ｚｎ：０．００８質量％、残部：不可避不純物およびＡｌ、たる組成の試料片を製造した。また、当該シリンダライナの試料片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋ）を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ本発明の実施例１〜１５のシリンダライナの試験片とした。
【００８４】
一方で、本発明の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、Ｃ：０．３３質量％、Ｓｉ：０．０５質量％、Ｍｎ：０．０５質量％、Ｎｉ：０．２０質量％、Ｃｒ：１３．０質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：不可避不純物およびＦｅ、たる組成の試験片を製造した。また、当該ピストンリングの試験片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ）、および炭化物（直径０．１〜１．５μｍ）の面積率を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ本発明の実施例１〜１５のピストンリングの試験片とした。なお、当該各ピストンリングの試験片においては、その外周摺動面にガス窒化にて５５０℃にて１〜１．５時間保持し、５５μｍの窒化層を形成し、化合物層を除去し拡散層を露出させて、その後、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成するものとしないものとに分け、表１に示すように、ＤＬＣ被膜を形成しないものと、成分組成の異なる２種類のＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成したものの、合計３種類を作成した。
【００８５】
なお、表１に示すａ−Ｃ：Ｈ：Ｗ：Ｎｉたる組成のＤＬＣ被膜は、以下の方法により成膜した。
【００８６】
ピストンリングの試験片を反応性スパッタリング装置のチャンバー内の取付治具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントによってピストンリングの試験片の表面を清浄化する。その後、先ず、Ｃｒターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の蒸発したＣｒ原子をピストンリングの試験片上に１μｍ程度析出させ、次いで、炭素源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導入し、Ｗが含まれている金属ターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の炭素原子と蒸発した金属原子とが結合してピストンリング試験片上に少なくともＷを含有する皮膜として析出させ、初期なじみ性に優れたＤＬＣ皮膜を形成した。Ｗの含有比率は、それらの元素の蒸発速度および反応性ガスの圧力等を調整することによって制御した。金属ターゲットをイオン化したアルゴン等でのスパッタリングは、約５時間にわたって行い、当該ＤＬＣ被膜の膜厚は５μｍとした。なお、このＤＬＣ被膜の硬度は、１５００Ｈｖ０．１であった。
【００８７】
一方で、表１に示すａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉたる組成のＤＬＣ被膜は、以下の方法により成膜した。
【００８８】
ピストンリングの試験片をスパッタリング装置のチャンバー内の取付治具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントによってピストンリングの試験片の表面を清浄化する。その後、先ず、Ｃｒターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の蒸発したＣｒ原子をピストンリング母材１上に１μｍ以下程度析出させる。
その後、プラズマＣＶＤ処理を行う。真空蒸着室に非対称パルス電圧が印加される試験片を設置し、この基材をアルゴンガスと水素ガスの混合プラズマによって放電洗浄を行う工程、テトラメチルシランガスを導入して上記基材上に非晶質炭化珪素膜層を形成する工程とをプラズマＣＶＤ法によって順次おこなっていくことで形成した。
【００８９】
プラズマＣＶＤ処理は、約２時間にわたって行い、当該ＤＬＣ被膜の膜厚は５μｍとした。なお、このＤＬＣ被膜の硬度は、２５００Ｈｖ０．１であった。
【００９０】
（比較例１〜９）
本発明の比較例としてのシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。
【００９１】
具体的には、比較例の組み合わせを構成するシリンダライナの試験片として、前記実施例と同様の組成の試料片を製造した。また、当該シリンダライナの試料片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋ）を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ比較例１〜９のシリンダライナの試験片とした。
【００９２】
一方で、比較例の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、前記実施例と同様の組成の試験片を製造した。また、当該ピストンリングの試験片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ）、および炭化物（直径０．１〜１．５μｍ）の面積率を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ比較例１〜９のピストンリングの試験片とした。なお、当該ピストンリングの試験片においても、その外周摺動面にガス窒化にて５５０℃にて１〜１．５時間保持し、５５μｍの窒化層を形成し、化合物層を除去し拡散層を露出させて、その後、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成するものとしないものとに分け、表１に示すように、ＤＬＣ被膜を形成しないものと、成分組成の異なる２種類のＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成したものの、合計３種類を作成した。その成膜方法は上記実施例と同じである。
【００９３】
（従来例１〜３）
従来例としてのシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。
【００９４】
具体的には、従来例の組み合わせを構成するシリンダライナの試験片として、前記実施例と同様の組成の試料片を製造した。また、当該シリンダライナの試料片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋ）を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ従来例１〜３のシリンダライナの試験片とした。
【００９５】
一方で、従来例の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、前記実施例と同様の組成の試験片を製造した。また、当該ピストンリングの試験片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ）、および炭化物（直径０．１〜１．５μｍ）の面積率を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ従来例１〜３のピストンリングの試験片とした。なお、当該ピストンリングの試験片においても、その外周摺動面にガス窒化にて５５０℃にて１〜１．５時間保持し、５５μｍの窒化層を形成し、化合物層を除去し拡散層を露出させて、その後、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成するものとしないものとに分け、表１に示すように、ＤＬＣ被膜を形成しないものと、成分組成の異なる２種類のＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成したものの、合計３種類を作成した。その成膜方法は上記実施例と同じである。
【００９６】
（評価）
上記実施例１〜１５、比較例１〜９、および従来例１〜３のそれぞれのシリンダライナとピストンリングの組み合わせについて、シリンダライナとピストンリングそれぞれの耐摩耗性、および耐スカッフ性を評価した。その結果を表１に示す。
【００９７】
ここで、耐摩耗性試験は、図２に示すアムスラ−型摩耗試験機９を使用した。この摩耗試験機９において、本発明の実施例１〜１５、比較例１〜９、および従来例１〜３の各ピストンリングの試験片１０（８ｍｍ×７ｍｍ×５ｍｍ）を固定片とし、同様に各シリンダライナの試験片１１(回転片)にはドーナツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用い、これらの試験片１０および１１を接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。摩耗係数試験条件は、潤滑油：軸受け油、油温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：８０ｋｇｆ、試験時間：７時間の条件下で行った。なお、摩耗量の測定は、粗さ計による段差プロフィールで摩耗量（μｍ）を測定することにより行った。
【００９８】
表１に示す摩耗指数は、実施例１〜１５および比較例１〜９の各試験片の摩耗量を、従来例１〜３の試験片の摩耗量に対しての相対比として算出した値である。従って、各供試材の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少なく耐摩耗性に優れていることを表す。
【００９９】
また、スカッフ試験も、図２に示すアムスラー型摩耗試験機を使用した。スカッフ試験においては、前記の各試験片に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで荷重を負荷させて行った。試験条件は、潤滑油クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）の条件下で行った。
【０１００】
耐スカッフ性は、従来例１〜３の試験片のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１〜１５および比較例１〜９の試験片のスカッフ発生荷重を、従来例１〜３の試験片の結果に対しての相対比として比較し、スカッフ指数とした。従って、各試験片のスカッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、従来例の試験片よりも耐スカッフ性に優れることとなる。
【０１０１】
【表１】
＜面圧０．０３〜０．２Ｍｐａにおける実施例＞
（実施例１６〜２７）
本発明の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、Ｃ：０．６５質量％、Ｓｉ：０．４０質量％、Ｍｎ：０．３５質量％、Ｃｒ：１３．５質量％、Ｍｏ：０．３０質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：不可避不純物およびＦｅ、たる組成の試料片を製造した以外は、全て前記実施例１〜１５と同様の要領で、表２に示すような実施例１６〜２７のシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。なお、実施例１６〜２７のピストンリングの試験片は炭化物の直径を０．１〜２．０μｍとした。
【０１０２】
（比較例１０〜１８）
前記比較例１〜９と同様の要領で、表２に示すような比較例１０〜１８のシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。なお、比較例１０〜１８のピストンリングの試験片は炭化物の直径を０．１〜２．０μｍとした。
【０１０３】
（従来例４〜６）
さらに前記従来例１〜３と同様の要領で、表２に示すような従来例４〜６のシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。なお、従来例４〜６のピストンリングの試験片は炭化物の直径を０．１〜２．０μｍとした。
【０１０４】
（評価）
これら実施例１６〜２７、比較例１０〜１８、および従来例４〜６のそれぞれについて、前記と同様にアムスラー型摩耗試験機を使用し、荷重のみ１００ｋｇｆとし、その他は同条件として耐摩耗性、および耐スカッフ性を評価した。その結果を表２に示す。
【０１０５】
表２に示す摩耗指数は、実施例１６〜２７および比較例１０〜１８の各試験片の摩耗量を、従来例４〜６の試験片の摩耗量に対しての相対比として算出した値である。従って、各供試材の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少なく耐摩耗性に優れていることを表す。
【０１０６】
また、耐スカッフ性は、従来例４〜６の試験片のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１６〜２７および比較例１０〜１８の試験片のスカッフ発生荷重を、従来例４〜６の試験片の結果に対しての相対比として比較し、スカッフ指数とした。従って、各試験片のスカッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、従来例の試験片よりも耐スカッフ性に優れることとなる。
【０１０７】
【表２】
表１、２からも明らかなように、従来例に対し、シリンダライナ内周面の表面粗さを本発明の範囲にし、かつピストンリングも本発明の範囲内にしたものは、シリンダライナおよびピストンリングの摩耗量を低減することができることが分かる。また、ピストンリング外周摺動面にＤＬＣ被膜を形成したものにあっては、さらにお互いの摩耗量を低減させることができ、耐スカッフ性も向上することができることが分かる。
【０１０８】
＜実機試験＞
前記図１に示したピストンリングとシリンダライナとの組み合わせについて、排気量３．０リットルＶ型６気筒の自動車用ガソリンエンジンによる耐久試験を行った。
【０１０９】
第２圧力リング及びオイルリングのスペーサエキスパンダについては、全ての気筒において同一材とし、第１圧力リングとオイルリングのサイドレールのみ、材質と外周摺動面の表面粗さを変化させ、第１圧力リングとオイルリングのサイドレールの摩耗量及び外観を確認した。
【０１１０】
なお、第１圧力リングにかかる面圧は０．１４ＭＰａ、オイルリングのサイドレールにかかる面圧は０．７ＭＰａとした。
【０１１１】
シリンダライナとしては、第１気筒は、従来例３仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として従来例４仕様とオイルリングのサイドレールに従来例１の仕様の組み合わせとした。第２気筒は、実施例１６仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として実施例１６仕様とオイルリングのサイドレールに実施例１の仕様の組み合わせとした。第３気筒は、実施例２０仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として実施例２０仕様とオイルリングのサイドレールに実施例６の仕様の組み合わせとした。第４気筒は、実施例１７仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材及びオイルリングのサイドレールに実施例１７仕様の組み合わせとした。第５気筒は、実施例２４仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として実施例２４仕様とオイルリングのサイドレールに実施例１１仕様の組み合わせとした。第６気筒は、実施例５仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材及びオイルリングのサイドレールを実施例５仕様の組み合わせとした。
【０１１２】
従来例の第１気筒での第１圧力リング、サイドレール、シリンダライナそれぞれの摩耗量を１００とした際に、第２気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９２、サイドレールが９３、シリンダライナが９３、第３気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９０、サイドレールが９１、シリンダライナが９２、第４気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９５、サイドレールが９６、シリンダライナが１１０、第５気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９１、サイドレールが９１、シリンダライナが９２、第６気筒での摩耗量は、第１圧力リングが１１０、サイドレールが９３、シリンダライナが９４であった。
【０１１３】
以上のことから本発明品を装着した第２、第３気筒は摩耗量比で５％以上の効果を示し、ＤＬＣ被膜を形成した第３、第５気筒は、ピストンリング及びシリンダライナがそれぞれ８％以上の効果を示してことがわかる。また、第１圧力リング及びサイドレールを実施例１７仕様とした第４気筒には、シリンダライナ内周面に円周状の傷が見られ、第１圧力リングおよびサイドレールを実施例５仕様とした第６気筒は、シリンダライナ内周面に傷は見られなかったが、第１圧力リングの摩耗が増大した。このことから、使用される面圧によって、ピストンリングの材質を変える必要があることがわかる。
【０１１４】
したがって、本願の範囲にシリンダライナ内周面及びピストンリング外周摺動面を設定することで、耐摩耗性が改善でき、更にＤＬＣ被膜をピストンリングにコーティングすることにより優れた効果を示す。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】ピストンリングを装着したピストンとシリンダライナを示す概略図である。
【図２】アムスラ−型摩耗試験機を用いた評価実験を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１ シリンダライナ
２ ピストン
３ 第１圧力リング
３ａ 第１圧力リングの外周摺動面
４ 第２圧力リング
４ａ 第２圧力リングの外周摺動面
５ ３ピースオイルリング
５ａ ３ピースオイルリングの外周摺動面
６ サイドレール
７ シリンダライナ内周面
８ スペーサエキスパンダ
９ アムスラ−型摩耗試験機
１０、１１ 試験片
１２ 潤滑油
Ｐ 荷重
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリンダライナとピストンリングの組み合わせに関する。さらに具体的には、自動車、芝刈り機、発電機等に用いる内燃機関において用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面と摺動するピストンリングとの組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃費の向上および運動性能の向上を図るため自動車全体の軽量化が促進されており、当該自動車全体の軽量化に伴い、そのエンジンも当然に軽量化の対象となっている。
【０００３】
エンジンの軽量化を図るため、シリンダライナおよびこれを鋳包むシリンダブロックともにマグネシウム合金やアルミニウム合金などに代表される軽合金を用いることが開発されている。このようなシリンダライナやシリンダブロックの具体例としては、例えば、特許文献１〜５を挙げることができる。
【０００４】
特許文献１〜３には、繊維強化材を用いたアルミニウム合金により形成されたシリンダライナと、これを鋳包むアルミニウム合金製のシリンダブロックが開示されている。また、特許文献４には、過共晶アルミニウム−珪素合金からなるシリンダライナと、これを鋳包むアルミニウム合金製のシリンダブロックが開示されている。
【０００５】
一方で、シリンダライナの内周面に接しつつ摺動するピストンリングにあっても、前記エンジンの軽量化の目的を達成すべく、さらには、前述したような様々なシリンダライナに合わせて開発が行われている。
【０００６】
例えば、特許文献５には、前記特許文献４に開示されているシリンダライナと組み合わせるためのピストンリングが開示されている。
【特許文献１】特開昭６３−０３８５６７号公報
【特許文献２】特開平０３−２６７５４９号公報
【特許文献３】特開平０４−０７６２５１号公報
【特許文献４】特開平０９−０１９７５７号公報
【特許文献５】特開平１１−２８７３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献５に開示されているシリンダライナとピストンリングの組み合わせでは十分な性能が得られなく、さらなる改良の余地がある。
【０００８】
具体的は、例えば、近年は燃費向上を目的として、シリンダライナとピストンリングとの摩擦力を低減する動きがあり、ピストンリングの合計張力をボア径で割ることに得られる張力比（Ｎ／ｍ）を小さくするように考慮されているところ、特許文献５に開示されているシリンダライナとピストンリングの組み合わせにあっては、この考慮はされておらず、十分な性能が得られているとは言い難い。
【０００９】
また、特許文献４に開示されているシリンダライナにあっても、十分な性能が得られているとは言えず、例えば、当該シリンダライナにあっては化学研磨（エッチング）により、珪素一次結晶およびＡｌ２ＣｕやＭｇ２Ｓｉ等の金属間化合物と基地であるＡｌ合金との段差や、これら化合物の摺動面基地側へ伸びるコーナーエッジがピストンリングと摺動する際、ピストンリングとの摩擦力が大きくなってしまう問題があった。また、オイルリングのように、比較的ピストンリングの張力が大きい場合（圧力リングに対し約１０倍程度）には、リングの耐摩耗性やシリンダライナへの相手攻撃性が問題となる場合もあった。
【００１０】
さらに、前記特許文献１〜５に限らず、従来からシリンダライナとピストンリングとは別個に開発される場合が多く、エンジン全体の軽量化はもとより、シリンダライナとピストンリングとの低フリクション化、さらには互いの摩耗量の低減等を、シリンダライナとピストンリングの総合力で解決することまで考慮がされていなかった。
【００１１】
本発明は、このような状況においてなされたものであり、現在のエンジンの軽量化の要請に応えることができ、かつ、シリンダライナとピストンリングの低フリクション化、互いの摩耗量の低減、および耐スカッフ性の向上を図ることが可能な、これらの最適な組み合わせを提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本願発明者は鋭意研究をした結果、シリンダライナとピストンリングとの面圧を考慮しつつ、それぞれの組成、表面粗さ等、種々のパラメータを決定すべきことを見いだし、本発明を開発した。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決するための本願第一の発明は、内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．０３〜０．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、前記シリンダライナは、その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、一方、前記ピストンリングは、その組成が、炭素：０．６〜０．７質量％、クロム：１３〜１４質量％、モリブデン：０．２〜０．４質量％、珪素：０．２５〜０．５０質量％、マンガン：０．２〜０．５質量％、残部：不可避不純物及び鉄、であり、直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、であることを特徴とする。
【００１４】
また、上記課題を解決するための本願第二の発明は、内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．２〜１．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、前記シリンダライナは、その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、一方、前記ピストンリングは、その組成が、炭素：０．２６〜０．４質量％、クロム：１２〜１４質量％、ニッケル：０．６質量％以下、珪素：１．０質量％以下、マンガン：１．０質量％以下、残部：不可避不純物及び鉄、であり、直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、であることを特徴とする。
【００１５】
また、上記本願第一および第二の発明にあっては、前記ピストンリングの外周摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜が形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のシリンダライナとピストンリングとの組み合わせによれば、シリンダライナの内周面と摺動するピストンリングとの面圧に応じてピストンリングの組成が決定されており、さらに、シリンダライナとピストンリングの双方において、その表面粗さについて種々のパラメータを用いて限定されているため、低フリクション化を実現することができるとともに、シリンダライナおよびピストンリング双方の摩耗量を低減することや、初期なじみ性、耐スカッフ性を向上することもできる。
【００１７】
さらに、本発明にあっては、ピストンリングの表面にＤＬＣ被膜を形成することによって、前記効果をより発揮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のシリンダライナとピストンリングの組み合わせ（以下、単に「組み合わせ」とする場合がある。）について具体的に説明する。
【００１９】
図１は、ピストンリングを装着したピストンとシリンダライナを示す概略図である。
【００２０】
図１に示すように、シリンダ１内を往復移動するピストンリング２には、環状のリング溝２ａ、２ｂ、２ｃが形成され、燃焼室ＣＭ側から順に第１圧力リング３、第２圧力リング４、３ピースオイルリング５がそれぞれリング溝溝２ａ〜２ｃに装着され、シリンダ壁面１に摺接している。３ピースオイルリング５は、サイドレール６とスペーサエキスパンダ８により構成される。
【００２１】
さらにピストン２には、オイルリング１を装着したリング溝２ｃと連通してオイルを図示せぬクランクケースに環流させるためのドレーンホール２ｄが形成されている。
【００２２】
これらのピストンリングはシリンダライナ１に摺接する第１圧力リング摺動面３ａ、第２圧力リング摺動面４ａ、オイルリング摺動面５ａが形成されている。
【００２３】
本願発明は、このようなシリンダライナ１とピストンリング３、４、５の組み合わせに関するものである。
【００２４】
＜シリンダライナ＞
先ずは、本発明の組み合わせを構成するシリンダライナについて説明する。なお、本発明におけるシリンダライナは、後述するピストンリングとの面圧に左右されることなく、以下に説明するシリンダライナである（本発明におけるピストンリングにあっては、面圧に応じてその組成が異なっている。）。
【００２５】
（シリンダライナの組成）
本発明の組み合わせにおけるシリンダライナは、以下の二種類（組成Ａ、組成Ｂ）の組成の何れかからなる過共晶アルミニウム−珪素合金である。
【００２６】
（組成Ａ）
珪素：２３．０〜２８．０質量％
マグネシウム：０．８０〜２．０質量％
銅：３．０〜４．５質量％
鉄：０．２５質量％以下
ニッケル：０．０１質量％以下
残部：不可避不純物及びアルミニウム
（組成Ｂ）
珪素：２３．０〜２８．０質量％
マグネシウム：０．８０〜２．０質量％
銅：３．０〜４．５質量％
鉄：１．０〜１．４質量％
ニッケル：１．０〜５．０質量％
残部：不可避不純物及びアルミニウム
ここで、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、珪素（Ｓｉ）を質量％で２３〜２８％の過共晶にすることにより、一次結晶のＳｉを積極的に晶出させることができる。珪素を２３％未満にすると、スプレーフォーミングによる製造方法の際に、一次結晶の珪素の晶出が不十分となることと、マグネシウム（Ｍｇ）と反応するＳｉが不足しＭｇ２Ｓｉが十分に形成できなくなる。一方で、珪素を２８％より多くすると、スプレーフォーミングによる製造方法の際に、成形体の加工性が悪くなるため好ましくない。
【００２７】
また、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、マグネシウムを質量％で０．８〜２．０％の範囲することにより、アルミニウムと銅と珪素による金属間化合物を形成し、合金強度を向上させることができる。Ｍｇを０．８％未満にすると、金属間化合物を形成する形成量が不十分であり、一方で、２．０％より多くなると、靭性や疲労強度を低下させる。
【００２８】
また、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、銅を質量％で３．０〜４．５％の範囲することにより、アルミニウムと銅によるＡｌ２Ｃｕを析出することができ、その他の銅はアルミニウム基地に固溶する。銅を３．０％未満にすると、十分な疲労強度効果が得られず、４．５％より多くなると、アルミニウム母相中に未固溶のアルミニウム−銅金属化合物が多くなり、靭性や疲強度を低下させる。
【００２９】
また、前記（組成Ａ）の場合においては、鉄の含有量は、ひけ割れ防止のため、０．２５％以下とすることが好ましく、ニッケルにあっては、熱収縮を防止する作用があるため、０．０１％以下とすることが好ましい。
【００３０】
一方で、前記（組成Ｂ）の場合においては、鉄は、金型等への吹き付けの際に焼きつきを防止する効果があるため、質量％で１．０〜１．４％の割合で添加する。１．０％未満では効果が足りなく、１．４％より多くなると、ＦｅＡｌ３等が晶出し強度を低下させるため好ましくない。
【００３１】
また、前記組成（組成Ｂ）の場合においては、ニッケルは、収縮量を小さくし、さらに強度も向上させる効果があるため、質量％で１．０〜５．０％の割合で添加する。１．０％未満では効果は少なく、５．０％より多くなると、耐熱衝撃性を著しく低下させるため好ましくない。
【００３２】
なお、前記（組成Ａ）および（組成Ｂ）何れの場合であっても、不可避不純物としてＭｎ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｒ等や溶湯処理により合金中に必然的に混入するＴｉ、Ｂ、Ｂｅ等の元素が含まれる。
【００３３】
（シリンダライナの内周面の表面粗さ）
また、本発明の組み合わせを構成するシリンダライナにあっては、前記組成Ａもしくは組成Ｂからなる過共晶アルミニウム−珪素合金により構成されており、さらに、その内周面（つまり、後述するピストンリングと摺動する面）の表面粗さが、以下のパラメータを有している。
十点平均粗さ（Ｒｚ）＝０．５〜１．０μｍ
有効負荷粗さ（Ｒｋ）＝０．２〜０．４μｍ
初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）＝０．０５〜０．１μｍ
油溜まり深さ（Ｒｖｋ）＝０．０８〜０．２μｍ
なお、前記十点平均粗さ（Ｒｚ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に従って求めた値であり、有効負荷粗さ、初期摩耗高さ、および油溜まり深さのそれぞれは、ＤＩＮ（ドイツ規格）４７７６に従って求めた値である。
【００３４】
ここで、十点平均粗さ（Ｒｚ）の値を、０．５〜１．０μｍにすることにより、摩耗を低減することができる。０．５μｍ未満であると、耐スカッフ性が劣り、一方で１．０μｍを超えると相手攻撃性が大きくなってしまう。
【００３５】
また、有効負荷粗さ（Ｒｋ）の値を、０．２〜０．４μｍにすることにより、摺動抵抗を低減することができる。
【００３６】
また、初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）の値を、０．０５〜０．１μｍにすることにより、耐スカッフ性を向上させることができる。０．０５μｍ未満であると、初期なじみ性が劣り、一方で０．１μｍを超えると初期なじみ性および相手攻撃性に悪影響を及ぼしてしまう。
【００３７】
また、油溜まり深さ（Ｒｖｋ）の値を、０．０８〜０．２μｍにすることにより、耐スカッフ性を向上させることができる。０．０８μｍ未満であると、耐スカッフ性が劣り、一方で０．２μｍを超えるとオイル消費量を増大させるため好ましくない。
【００３８】
このようなパラメータを有するシリンダライナの製造方法については、特に限定されることはなく、任意に選択可能であるが、例えば、上述した（組成Ａ）または（組成Ｂ）からなる粉末材料を準備し、これを溶融後にいわゆる噴霧圧縮処理し、引き抜き加工およびハンマリングを行い、アルミダイキャストで鋳包まれた後（つまりシリンダブロックに鋳包まれた後）、ホーニング加工を施すことにより内周面の表面粗さを調整することにより製造することができる。
【００３９】
より具体的には、以下の通りである。
【００４０】
上述の（組成Ａ）のシリンダライナ材を溶湯よりプリフォームの形成及び、円筒状物体となるようにするために、まず微粒構成の珪素一次結晶及び金属間化合物を持つプリフォーム成形体をスプレーフォーミングにより形成する。プリフォーム成形体を押出し機により管状の半製品に変形し、更に、機械加工等を施し、この半製品からシリンダライナを製造する。
【００４１】
スプレーフォーミングにより形成されるプリフォーム成形体は、珪素一次結晶及び金属間化合物が、μｍで示す次の寸法を持つ粒度で生じるように形成する。
【００４２】
珪素一次結晶は、２〜１５μｍ（狙い：４．０〜１０．０μｍ）、アルミニウムと銅との金属間化合物（Ａｌ２Ｃｕ）は、０．１〜５．０μｍ（狙い０．８〜１．８μｍ）、マグネシウムと珪素との金属間化合物（Ｍｇ２Ｓｉ）は、２．０〜１０．０μｍ（狙い：２．５〜４．５μｍ）とする。
【００４３】
このシリンダライナをアルミダイキャストにより、クランクケースへ鋳込む。そのシリンダライナ内周面は、以下の機械ホーニングにより、荒加工及び仕上げ加工を行い所望の粗さのシリンダライナを作成する。
【００４４】
荒加工は粗さＲｚで１．０〜２．０μｍの範囲となるようにホーニング加工を行う。砥石の種類は特に限定されないが、砥石の粒度は８００〜２０００程度の砥石を用い、砥石はホーニングヘッドに固定し、加工する。
【００４５】
仕上げ加工は、粒度６００〜１２００程度のセラミック系の砥粒を、結合材としてレジンボンド等を用いた砥石を使用して内周面の仕上げ研磨加工を行う。その研磨加工により、内周面の皮膜表面を、十点平均粗さＲｚ：０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．０５〜０．１μｍ、有効負荷粗さＲｋ：０．２〜０．４μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．０８〜０．２μｍの形状に仕上げる。
【００４６】
シリンダライナ表面の珪素一次結晶２〜１５μｍ、アルミニウムと銅との金属間化合物０．１〜５．０μｍ、マグネシウムと珪素との金属間化合物２．０〜１０．０μｍに対し、精密に調整された表面粗さをホーニング加工により、凸部の部位を荒加工により削ることとで段差を無くことと、さらに、これらの珪素一次結晶及び、金属間化合物のエッジを落としながら、削りこむことが好ましい。
【００４７】
更に、仕上げ加工にて小さな凸部位を仕上げ加工にて更に削り込む。
【００４８】
表面の粗さを細かくするには、荒加工にて、母材の深い凹部迄削り、仕上げ加工をすることが好ましい。十点平均粗さＲｚを０．８〜０．９μｍの粗さ上限とする際には、荒加工を少なくし、仕上げ加工に入ることで所望の表面粗さが得られる。初期摩耗高さＲｐｋと有効負荷粗さＲｋの調整としては、仕上げ砥石の種類と加工時間により調整する。油溜まり深さＲｖｋは初期の荒加工の量と加工時間により調整することができる。
【００４９】
なお、本発明の組み合わせにおけるシリンダライナにあっては、前記パラメータのうち、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚを見ればわかるように、珪素一次結晶や金属間化合物等に起因する表面の段差を小さくしていることに特徴を有している。珪素一次結晶や金属間化合物等に起因する表面の段差を小さくすることにより、後述するピストンリングとの摩擦力を小さくすることができ、低フリクション化を実現することができる。
【００５０】
ここで、当該段差を小さくし、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚを０．５〜１．０μｍとする方法については、本発明は特に限定することはないが、例えば、前記ホーニング加工を施す際にＮａＯＨを含む水溶液を用いた化学研磨（エッチング）を敢えてしないでおく方法を挙げることができる。化学研磨を行うと、シリンダライナのアルミニウム系母材表面が削られて珪素一次結晶や金属間化合物の段差や、これら粒子のコーナーエッジがシャープな状態となり、その分だけ表面の段差が大きくなり悪影響を及ぼす可能性があるからである。
【００５１】
＜ピストンリング＞
次に、上記シリンダライナと組み合わされるピストンリングについて説明する。
【００５２】
本発明にあっては、以下に示すように、上記シリンダライナとピストンリングとの面圧に応じて、ピストンリングの組成を変化させている。
【００５３】
（面圧：０．０３〜０．２ＭＰａの時の組成）
炭素：０．６〜０．７質量％
クロム：１３〜１４質量％
モリブデン：０．２〜０．４質量％
珪素：０．２５〜０．５０質量％
マンガン：０．２〜０．５質量％
残部：不可避不純物及び鉄
ここで、炭素（Ｃ）の含有量を０．６質量％以上とすることで、クロム（Ｃｒ）と反応した１〜５μｍ程度の炭化物を析出させることができる。一方で、０．７質量％を超えると、一次炭化物が粗大化し，板状の炭化物が析出するため、相手材であるアルミシリンダ内周面に対する攻撃性が強まり、摩耗を増大させることとなってしまう。
【００５４】
また、クロム（Ｃｒ）の含有量が１３質量％未満では、炭素量とのバランスから、耐スカッフ性、耐摩耗性を十分満足させることができない。一方で、１４質量％を超えると、炭化物の析出が多くなり、相手材であるアルミシリンダ内周面に対する攻撃性が強まり、摩耗を増大させることとなる。更に、成形時の加工性も悪くなってしまう。
【００５５】
また、モリブデン（Ｍｏ）は、それ自体で炭素と結びつき硬質の炭化物を形成するだけでなく、一部はクロム炭化物中へ固溶するため、０．２質量％未満では、炭化物の形成が十分でなく、耐摩耗性を満足させることができない。クロムを０．２質量％以上含有せしめることにより、クロム炭化物自身が強化されて耐摩耗性を向上させることができ、また熱へたりを向上させることができる。しかしながら、その含有量が０．４質量％を超えると炭化物の増加を招き、アルミシリンダ内周面の摩耗量を増加させ、加工性、靭性も低下させることとなる。
【００５６】
珪素（Ｓｉ）は、脱酸剤として添加されるものであり、熱へたり性を向上させることができるが、その含有量が０．５０質量％を超えると加工性が悪化してしまう。
【００５７】
マンガン（Ｍｎ）は、前記珪素と同様に、脱酸剤として添加されるものであり、０．２質量％以上が必要となるが、その含有量が０．５質量％を超えると冷間加工性を低下させることとなる。
【００５８】
また、不可避不純物としては、特にリン（Ｐ）や硫黄（Ｓ）が許容される。
【００５９】
（面圧：０．２〜１．２ＭＰａの時の組成）
炭素：０．２６〜０．４質量％
クロム：１２〜１４質量％
ニッケル：０．６質量％以下
珪素：１．０質量％以下
マンガン：１．０質量％以下
残部：不可避不純物及び鉄
ここで、炭素（Ｃ）の含有量が０．２６質量％未満では、炭化物の形成が十分でなく、耐摩耗性を満足させることができない。一方で、その上限を０．４質量％とすることで、炭化物の大きさを０．０５〜２．０μｍ程度とすることができ、シリンダライナへの攻撃性を小さくすることができる。
【００６０】
また、クロム（Ｃｒ）の含有量については、１２質量％未満では、炭素量とのバランスから、耐スカッフ性、耐摩耗性を十分満足させることができない。一方で、１４質量％を超えると、炭化物の析出が多くなり、相手材であるアルミシリンダライナ内周面に対する攻撃性が強まり、摩耗を増大させることとなる。さらに、成形時の加工性もわるくなってしまう。
【００６１】
また、ニッケル（Ｎｉ）は、靭性の向上を目的として添加される元素であるが、その含有量が０．６質量％を超えると加工性が低下することとなる。
【００６２】
珪素（Ｓｉ）は、脱酸剤として添加されるものであり、熱へたり性を向上させることができるが、その含有量が１．０質量％を超えると加工性が悪化してしまう。
【００６３】
また、マンガン（Ｍｎ）も脱酸剤として添加されるものであり、０．２質量％以上が必要となるが、１．０質量％を超えると冷間加工性を低下させてしまう。
【００６４】
なお、不可避不純物としても、前記「面圧が０．０３〜０．２ＭＰａの時の組成」と同様と同様に、特にリン（Ｐ）や硫黄（Ｓ）が許容される。
【００６５】
上記のピストンリングが組み合わされる本発明の過共晶アルミニウム−珪素合金からなるシリンダライナにあっては、前記ようにフリクションや摩耗を考慮して粗さを細かくするが、例えばオイルリングのような面圧が高い場合、局部的に強い力で摺動するため、ピストンリングの炭化物あるいは窒化により変化した窒化物によりシリンダライナの表面が攻撃されていく。この際に、炭化物を少なくし、攻撃性の低い小さな粒状の炭化物とすることが好ましく、シリンダライナとピストンリングとの面圧に応じたピストンリングの組成を組み合わせることにより効果を発揮する。
【００６６】
（ピストンリング中の炭化物）
前記各成分組成の説明からも明らかなように、前記面圧に応じた各組成の何れにあっても、当該ピストンリング内には炭化物が形成されており、その直径は５．０μｍ以下であり、またその面積率は４〜１０％である。
【００６７】
鉄を主成分とし、炭素（Ｃ）やクロム（Ｃｒ）を添加しているため、当該合金中には炭化物が存在することとなるが、当該炭化物の直径が５．０μｍを超えると、シリンダライナへの攻撃性が大きくなってしまう。このような理由から、当該直径は、０．０５〜２．０μｍが好ましく、０．１〜１．０μｍがより好ましい。
【００６８】
また、当該炭化物の面積率、つまり当該炭化物がピストンリング表面に占める割合については、４％未満では炭化物の量が少なく、ピストンリングの摩耗量が増大してしまい、一方で１０％を超えると炭化物の量が多くなり、シリンダライナへの攻撃性が大きくなってしまう。このような理由から、当該面積率は、６〜８％が特に好ましい。
【００６９】
なお、本発明における炭化物の面積率は、画像解析装置によって測定した値である。
【００７０】
（ピストンリングの外周摺動面の表面粗さ）
本発明の組み合わせを構成するピストンリングの外周摺動面の表面粗さは、シリンダライナとの面圧等に関係なく、以下のパラメータを有している。
十点平均粗さ（Ｒｚ）＝０．８μｍ以下
初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）＝０．１５μｍ以下
なお、前記十点平均粗さ（Ｒｚ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に従って求めた値であり、初期摩耗高さは、ＤＩＮ（ドイツ規格）４７７６に従って求めた値である。
【００７１】
ここで、十点平均粗さ（Ｒｚ）を０．８μｍ以下とすることにより、相手攻撃性を低下させ耐スカッフ性を向上させることができる。０．８μｍを超えると、相手攻撃性が大きくなってしまう。このような理由から、当該十点平均粗さ（Ｒｚ）は、０．８μｍ以下が好ましく、０．２〜０．６μｍの範囲が特に好ましい。
【００７２】
一方で、初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）を０．１５μｍ以下とすることにより、シリンダライナへの攻撃性（相手攻撃性）を小さくすることができる。
【００７３】
このような外周摺動面の表面粗さを有するピストンリングの製造方法については特に限定することはないが、例えば、ラップを数回程度行い、仕上げに使用するラップは、細かい研磨砥粒を使用して行う方法を挙げることができる。また、必要に応じてバフ研磨を施してもよい。
【００７４】
（ピストンリングの表面被膜処理）
上述してきた本発明の組み合わせを構成するピストンリングにあっては、その表面、より具体的には、ピストンリングにおける前記シリンダライナと接する外周摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜が形成されていてもよい。
【００７５】
前述したように、ピストンリングとシリンダライナとの面圧は、一般的には０．０３〜１．２ＭＰａ程度であるが、耐摩耗性等を考慮してピストンリングやシリンダライナに微細な凹凸が設けられた場合（本発明の組み合わせにあっても、炭化物等によって微細な凹凸を設けている。）、局所的にみると、前記面圧の１００〜１０００倍程度の圧力がかかっている場合がある。このような状況下にあっては、容易に境界潤滑領域に入り、オイルの膜は存在しないことになり、ピストンリングとシリンダライナが、いわゆるメタル−メタル接触の状態となり、珪素粒子を欠落させて、双方の表面が傷つくことが想定される。ここで、ピストンリングの表面にＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成しておくことにより、特に摺動初期段階において、ピストンリングとシリンダライナとのなじみ性を向上させることができる。
【００７６】
このようなＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の組成としては、特に限定することはないが、例えば、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ）と水素（Ｈ）とタングステン（Ｗ）とニッケル（Ｎｉ）からなる被膜や、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ）と水素（Ｈ）と珪素（Ｓｉ）からなる被膜、などを挙げることができる。
【００７７】
また、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の硬度についても、特に限定することはないが、例えば、１０００Ｈｖ０．１〜２５００Ｈｖ０．１程度が好ましい。
【００７８】
１０００Ｈｖ０．１未満の場合は耐摩耗性が劣り、一方で、２５００Ｈｖ０．１を超えると被膜の応力が高くなり剥離等が発生するからである。
【００７９】
さらに、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の厚さについても、特に限定することはないが、前述したように、本発明の組み合わせを構成するピストンリングにあっては、その表面粗さのパラメータ（ＲｚとＲｐｋ）が特徴であるため、当該パラメータ各数値を維持できる程度（ピストンリングの表面粗さを維持できる程度）の厚さであることが必要である。具体的には、０．５〜１０．０μｍ程度が好ましく、０．５〜５．０μｍ程度が特に好ましい。
【００８０】
なお、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜は、前述の如く、ピストンリングの表面粗さを維持できる程度に、薄く形成されるため、ピストンリングとシリンダライナとが摺動し続けた場合、摩耗により消滅することが考えられるが、当該ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜は、摺動初期段階において、ピストンリングとシリンダライナとのなじみ性を向上することを目的としているため、消耗しても問題はない。
【００８１】
このようなＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜の形成方法については、特に限定されることはなく、従来公知の方法を適宜選択することが可能である。具体的には、例えば、各成分元素をターゲットとして用いる反応性スパッタリング法などを挙げることができる。
【実施例】
【００８２】
本発明のシリンダライナとピストンリングとの組み合わせについて、実施例を用いてさらに具体的に説明する。
【００８３】
＜面圧０．２〜１．２Ｍｐａにおける実施例＞
（実施例１〜１５）
まず、本発明の組み合わせを構成するシリンダライナの試験片として、Ｓｉ：２５質量％、Ｍｇ：１．２質量％、Ｃｕ：３．９質量％、Ｆｅ：０．１２質量％、Ｎｉ：０．００８質量％、Ｍｎ：０．００７質量％、Ｚｎ：０．００８質量％、残部：不可避不純物およびＡｌ、たる組成の試料片を製造した。また、当該シリンダライナの試料片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋ）を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ本発明の実施例１〜１５のシリンダライナの試験片とした。
【００８４】
一方で、本発明の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、Ｃ：０．３３質量％、Ｓｉ：０．０５質量％、Ｍｎ：０．０５質量％、Ｎｉ：０．２０質量％、Ｃｒ：１３．０質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：不可避不純物およびＦｅ、たる組成の試験片を製造した。また、当該ピストンリングの試験片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ）、および炭化物（直径０．１〜１．５μｍ）の面積率を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ本発明の実施例１〜１５のピストンリングの試験片とした。なお、当該各ピストンリングの試験片においては、その外周摺動面にガス窒化にて５５０℃にて１〜１．５時間保持し、５５μｍの窒化層を形成し、化合物層を除去し拡散層を露出させて、その後、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成するものとしないものとに分け、表１に示すように、ＤＬＣ被膜を形成しないものと、成分組成の異なる２種類のＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成したものの、合計３種類を作成した。
【００８５】
なお、表１に示すａ−Ｃ：Ｈ：Ｗ：Ｎｉたる組成のＤＬＣ被膜は、以下の方法により成膜した。
【００８６】
ピストンリングの試験片を反応性スパッタリング装置のチャンバー内の取付治具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントによってピストンリングの試験片の表面を清浄化する。その後、先ず、Ｃｒターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の蒸発したＣｒ原子をピストンリングの試験片上に１μｍ程度析出させ、次いで、炭素源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導入し、Ｗが含まれている金属ターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の炭素原子と蒸発した金属原子とが結合してピストンリング試験片上に少なくともＷを含有する皮膜として析出させ、初期なじみ性に優れたＤＬＣ皮膜を形成した。Ｗの含有比率は、それらの元素の蒸発速度および反応性ガスの圧力等を調整することによって制御した。金属ターゲットをイオン化したアルゴン等でのスパッタリングは、約５時間にわたって行い、当該ＤＬＣ被膜の膜厚は５μｍとした。なお、このＤＬＣ被膜の硬度は、１５００Ｈｖ０．１であった。
【００８７】
一方で、表１に示すａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉたる組成のＤＬＣ被膜は、以下の方法により成膜した。
【００８８】
ピストンリングの試験片をスパッタリング装置のチャンバー内の取付治具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントによってピストンリングの試験片の表面を清浄化する。その後、先ず、Ｃｒターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の蒸発したＣｒ原子をピストンリング母材１上に１μｍ以下程度析出させる。
その後、プラズマＣＶＤ処理を行う。真空蒸着室に非対称パルス電圧が印加される試験片を設置し、この基材をアルゴンガスと水素ガスの混合プラズマによって放電洗浄を行う工程、テトラメチルシランガスを導入して上記基材上に非晶質炭化珪素膜層を形成する工程とをプラズマＣＶＤ法によって順次おこなっていくことで形成した。
【００８９】
プラズマＣＶＤ処理は、約２時間にわたって行い、当該ＤＬＣ被膜の膜厚は５μｍとした。なお、このＤＬＣ被膜の硬度は、２５００Ｈｖ０．１であった。
【００９０】
（比較例１〜９）
本発明の比較例としてのシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。
【００９１】
具体的には、比較例の組み合わせを構成するシリンダライナの試験片として、前記実施例と同様の組成の試料片を製造した。また、当該シリンダライナの試料片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋ）を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ比較例１〜９のシリンダライナの試験片とした。
【００９２】
一方で、比較例の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、前記実施例と同様の組成の試験片を製造した。また、当該ピストンリングの試験片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ）、および炭化物（直径０．１〜１．５μｍ）の面積率を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ比較例１〜９のピストンリングの試験片とした。なお、当該ピストンリングの試験片においても、その外周摺動面にガス窒化にて５５０℃にて１〜１．５時間保持し、５５μｍの窒化層を形成し、化合物層を除去し拡散層を露出させて、その後、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成するものとしないものとに分け、表１に示すように、ＤＬＣ被膜を形成しないものと、成分組成の異なる２種類のＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成したものの、合計３種類を作成した。その成膜方法は上記実施例と同じである。
【００９３】
（従来例１〜３）
従来例としてのシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。
【００９４】
具体的には、従来例の組み合わせを構成するシリンダライナの試験片として、前記実施例と同様の組成の試料片を製造した。また、当該シリンダライナの試料片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋ）を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ従来例１〜３のシリンダライナの試験片とした。
【００９５】
一方で、従来例の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、前記実施例と同様の組成の試験片を製造した。また、当該ピストンリングの試験片の表面粗さ（Ｒｚ、Ｒｐｋ）、および炭化物（直径０．１〜１．５μｍ）の面積率を以下の表１に示すように変化させて、それぞれ従来例１〜３のピストンリングの試験片とした。なお、当該ピストンリングの試験片においても、その外周摺動面にガス窒化にて５５０℃にて１〜１．５時間保持し、５５μｍの窒化層を形成し、化合物層を除去し拡散層を露出させて、その後、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成するものとしないものとに分け、表１に示すように、ＤＬＣ被膜を形成しないものと、成分組成の異なる２種類のＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜を形成したものの、合計３種類を作成した。その成膜方法は上記実施例と同じである。
【００９６】
（評価）
上記実施例１〜１５、比較例１〜９、および従来例１〜３のそれぞれのシリンダライナとピストンリングの組み合わせについて、シリンダライナとピストンリングそれぞれの耐摩耗性、および耐スカッフ性を評価した。その結果を表１に示す。
【００９７】
ここで、耐摩耗性試験は、図２に示すアムスラ−型摩耗試験機９を使用した。この摩耗試験機９において、本発明の実施例１〜１５、比較例１〜９、および従来例１〜３の各ピストンリングの試験片１０（８ｍｍ×７ｍｍ×５ｍｍ）を固定片とし、同様に各シリンダライナの試験片１１(回転片)にはドーナツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用い、これらの試験片１０および１１を接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。摩耗係数試験条件は、潤滑油：軸受け油、油温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：８０ｋｇｆ、試験時間：７時間の条件下で行った。なお、摩耗量の測定は、粗さ計による段差プロフィールで摩耗量（μｍ）を測定することにより行った。
【００９８】
表１に示す摩耗指数は、実施例１〜１５および比較例１〜９の各試験片の摩耗量を、従来例１〜３の試験片の摩耗量に対しての相対比として算出した値である。従って、各供試材の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少なく耐摩耗性に優れていることを表す。
【００９９】
また、スカッフ試験も、図２に示すアムスラー型摩耗試験機を使用した。スカッフ試験においては、前記の各試験片に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで荷重を負荷させて行った。試験条件は、潤滑油クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）の条件下で行った。
【０１００】
耐スカッフ性は、従来例１〜３の試験片のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１〜１５および比較例１〜９の試験片のスカッフ発生荷重を、従来例１〜３の試験片の結果に対しての相対比として比較し、スカッフ指数とした。従って、各試験片のスカッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、従来例の試験片よりも耐スカッフ性に優れることとなる。
【０１０１】
【表１】
＜面圧０．０３〜０．２Ｍｐａにおける実施例＞
（実施例１６〜２７）
本発明の組み合わせを構成するピストンリングの試験片として、Ｃ：０．６５質量％、Ｓｉ：０．４０質量％、Ｍｎ：０．３５質量％、Ｃｒ：１３．５質量％、Ｍｏ：０．３０質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：不可避不純物およびＦｅ、たる組成の試料片を製造した以外は、全て前記実施例１〜１５と同様の要領で、表２に示すような実施例１６〜２７のシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。なお、実施例１６〜２７のピストンリングの試験片は炭化物の直径を０．１〜２．０μｍとした。
【０１０２】
（比較例１０〜１８）
前記比較例１〜９と同様の要領で、表２に示すような比較例１０〜１８のシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。なお、比較例１０〜１８のピストンリングの試験片は炭化物の直径を０．１〜２．０μｍとした。
【０１０３】
（従来例４〜６）
さらに前記従来例１〜３と同様の要領で、表２に示すような従来例４〜６のシリンダライナとピストンリングの組み合わせを製造した。なお、従来例４〜６のピストンリングの試験片は炭化物の直径を０．１〜２．０μｍとした。
【０１０４】
（評価）
これら実施例１６〜２７、比較例１０〜１８、および従来例４〜６のそれぞれについて、前記と同様にアムスラー型摩耗試験機を使用し、荷重のみ１００ｋｇｆとし、その他は同条件として耐摩耗性、および耐スカッフ性を評価した。その結果を表２に示す。
【０１０５】
表２に示す摩耗指数は、実施例１６〜２７および比較例１０〜１８の各試験片の摩耗量を、従来例４〜６の試験片の摩耗量に対しての相対比として算出した値である。従って、各供試材の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少なく耐摩耗性に優れていることを表す。
【０１０６】
また、耐スカッフ性は、従来例４〜６の試験片のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１６〜２７および比較例１０〜１８の試験片のスカッフ発生荷重を、従来例４〜６の試験片の結果に対しての相対比として比較し、スカッフ指数とした。従って、各試験片のスカッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、従来例の試験片よりも耐スカッフ性に優れることとなる。
【０１０７】
【表２】
表１、２からも明らかなように、従来例に対し、シリンダライナ内周面の表面粗さを本発明の範囲にし、かつピストンリングも本発明の範囲内にしたものは、シリンダライナおよびピストンリングの摩耗量を低減することができることが分かる。また、ピストンリング外周摺動面にＤＬＣ被膜を形成したものにあっては、さらにお互いの摩耗量を低減させることができ、耐スカッフ性も向上することができることが分かる。
【０１０８】
＜実機試験＞
前記図１に示したピストンリングとシリンダライナとの組み合わせについて、排気量３．０リットルＶ型６気筒の自動車用ガソリンエンジンによる耐久試験を行った。
【０１０９】
第２圧力リング及びオイルリングのスペーサエキスパンダについては、全ての気筒において同一材とし、第１圧力リングとオイルリングのサイドレールのみ、材質と外周摺動面の表面粗さを変化させ、第１圧力リングとオイルリングのサイドレールの摩耗量及び外観を確認した。
【０１１０】
なお、第１圧力リングにかかる面圧は０．１４ＭＰａ、オイルリングのサイドレールにかかる面圧は０．７ＭＰａとした。
【０１１１】
シリンダライナとしては、第１気筒は、従来例３仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として従来例４仕様とオイルリングのサイドレールに従来例１の仕様の組み合わせとした。第２気筒は、実施例１６仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として実施例１６仕様とオイルリングのサイドレールに実施例１の仕様の組み合わせとした。第３気筒は、実施例２０仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として実施例２０仕様とオイルリングのサイドレールに実施例６の仕様の組み合わせとした。第４気筒は、実施例１７仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材及びオイルリングのサイドレールに実施例１７仕様の組み合わせとした。第５気筒は、実施例２４仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材として実施例２４仕様とオイルリングのサイドレールに実施例１１仕様の組み合わせとした。第６気筒は、実施例５仕様のシリンダライナとし、ピストンリングは第１圧力リング材及びオイルリングのサイドレールを実施例５仕様の組み合わせとした。
【０１１２】
従来例の第１気筒での第１圧力リング、サイドレール、シリンダライナそれぞれの摩耗量を１００とした際に、第２気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９２、サイドレールが９３、シリンダライナが９３、第３気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９０、サイドレールが９１、シリンダライナが９２、第４気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９５、サイドレールが９６、シリンダライナが１１０、第５気筒での摩耗量は、第１圧力リングが９１、サイドレールが９１、シリンダライナが９２、第６気筒での摩耗量は、第１圧力リングが１１０、サイドレールが９３、シリンダライナが９４であった。
【０１１３】
以上のことから本発明品を装着した第２、第３気筒は摩耗量比で５％以上の効果を示し、ＤＬＣ被膜を形成した第３、第５気筒は、ピストンリング及びシリンダライナがそれぞれ８％以上の効果を示してことがわかる。また、第１圧力リング及びサイドレールを実施例１７仕様とした第４気筒には、シリンダライナ内周面に円周状の傷が見られ、第１圧力リングおよびサイドレールを実施例５仕様とした第６気筒は、シリンダライナ内周面に傷は見られなかったが、第１圧力リングの摩耗が増大した。このことから、使用される面圧によって、ピストンリングの材質を変える必要があることがわかる。
【０１１４】
したがって、本願の範囲にシリンダライナ内周面及びピストンリング外周摺動面を設定することで、耐摩耗性が改善でき、更にＤＬＣ被膜をピストンリングにコーティングすることにより優れた効果を示す。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】ピストンリングを装着したピストンとシリンダライナを示す概略図である。
【図２】アムスラ−型摩耗試験機を用いた評価実験を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１ シリンダライナ
２ ピストン
３ 第１圧力リング
３ａ 第１圧力リングの外周摺動面
４ 第２圧力リング
４ａ 第２圧力リングの外周摺動面
５ ３ピースオイルリング
５ａ ３ピースオイルリングの外周摺動面
６ サイドレール
７ シリンダライナ内周面
８ スペーサエキスパンダ
９ アムスラ−型摩耗試験機
１０、１１ 試験片
１２ 潤滑油
Ｐ 荷重
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．０３〜０．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、
前記シリンダライナは、
その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、
その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、
一方、前記ピストンリングは、
その組成が、炭素：０．６〜０．７質量％、クロム：１３〜１４質量％、モリブデン：０．２〜０．４質量％、珪素：０．２５〜０．５０質量％、マンガン：０．２〜０．５質量％、残部：不可避不純物及び鉄、であり、
直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、
かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、である
ことを特徴とするシリンダライナとピストンリングの組み合わせ。
【請求項２】
内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．２〜１．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、
前記シリンダライナは、
その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、
その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、
一方、前記ピストンリングは、
その組成が、炭素：０．２６〜０．４質量％、クロム：１２〜１４質量％、ニッケル：０．６質量％以下、珪素：１．０質量％以下、マンガン：１．０質量％以下、残部：不可避不純物及び鉄、であり、
直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、
かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、である
ことを特徴とするシリンダライナとピストンリングの組み合わせ。
【請求項３】
前記ピストンリングの外周摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリンダライナとピストンリングの組み合わせ。
【請求項１】
内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．０３〜０．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、
前記シリンダライナは、
その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、
その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、
一方、前記ピストンリングは、
その組成が、炭素：０．６〜０．７質量％、クロム：１３〜１４質量％、モリブデン：０．２〜０．４質量％、珪素：０．２５〜０．５０質量％、マンガン：０．２〜０．５質量％、残部：不可避不純物及び鉄、であり、
直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、
かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、である
ことを特徴とするシリンダライナとピストンリングの組み合わせ。
【請求項２】
内燃機関に用いられるシリンダライナと、当該シリンダライナの内周面に、面圧０．２〜１．２ＭＰａで摺動するピストンリングとの組み合わせであって、
前記シリンダライナは、
その組成が、（組成Ａ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：０．２５質量％以下、ニッケル：０．０１質量％以下、残部：不可避不純物及びアルミニウム、もしくは、（組成Ｂ）珪素：２３．０〜２８．０質量％、マグネシウム：０．８０〜２．０質量％、銅：３．０〜４．５質量％、鉄：１．０〜１．４質量％、ニッケル：１．０〜５．０質量％、残部：不可避不純物及びアルミニウム、の何れかであり、
その内周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．５〜１．０μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく有効負荷粗さＲｋ＝０．２〜０．４μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．０５〜０．１μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく油溜まり深さＲｖｋ＝０．０８〜０．２μｍ、であって、
一方、前記ピストンリングは、
その組成が、炭素：０．２６〜０．４質量％、クロム：１２〜１４質量％、ニッケル：０．６質量％以下、珪素：１．０質量％以下、マンガン：１．０質量％以下、残部：不可避不純物及び鉄、であり、
直径５．０μｍ以下の炭化物を、面積率が４〜１０％の割合で含有し、
かつ、外周摺動面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に基づく十点平均粗さＲｚ＝０．８μｍ以下、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ＝０．１５μｍ以下、である
ことを特徴とするシリンダライナとピストンリングの組み合わせ。
【請求項３】
前記ピストンリングの外周摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリンダライナとピストンリングの組み合わせ。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−５７４７８（Ｐ２００８−５７４７８Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３６９７４（Ｐ２００６−２３６９７４）
【出願日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
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