JP2006125530A - Piston ring and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば自動車用エンジンに使用する耐摩耗性に優れたピストンリングおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a piston ring excellent in wear resistance used for, for example, an automobile engine and a method for manufacturing the same.
自動車用エンジン等のピストンリングの耐摩耗性の向上を図るために、ピストンリングの外周面に、クロムめっき皮膜、ニッケル基複合分散めっき皮膜、溶射皮膜(モリブデン)、窒化皮膜、PVD皮膜(TiC、TiN等)等の硬質皮膜を形成させたることが従来から行われている。また、エンジンの高出力化、低燃費化に伴い、ピストンリングには、外周摺動面の耐摩耗性および耐スカッフィング性の向上とともに低フリクション化の要求があり、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成するだけではその要求に応えることができないということから、ピストンリング母材の外周面に予めショットピーニングを施して微小なディンプルを形成し、その後で外周面に硬質皮膜を形成することにより、ピストンリング母材に形成されたディンプルと同様の微小なディンプルが硬質皮膜の表面に現れて、それが油だまりとして作用し、摩擦を低減できるようにすることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)
従来のピストンリングは、耐摩耗性を向上させるために少なくとも外周摺動面にクロムめっき皮膜、ニッケル基複合散めっき皮膜、溶射皮膜(モリブデン)、窒化皮膜、PVD皮膜(TiC、TiN等)等の硬質皮膜を形成する必要があった。ピストンリング母材の外周面に油だまりとなるディンプルを形成するようショットピーニングを施す場合も同様で、その油だまりの潤滑作用だけでは耐磨耗性を十分に確保することはできず、従来は更にその表面にクロムめっき皮膜、ニッケル基複合散めっき皮膜、溶射皮膜(モリブデン)、窒化皮膜、PVD皮膜(TiC、TiN等)等の硬質皮膜を形成する必要があった。 In order to improve wear resistance, the conventional piston ring has at least an outer peripheral sliding surface such as a chromium plating film, a nickel-based composite spray plating film, a thermal spray coating (molybdenum), a nitride coating, a PVD coating (TiC, TiN, etc.), etc. It was necessary to form a hard film. The same applies when shot peening is performed so as to form dimples that become oil pools on the outer peripheral surface of the piston ring base material, and the wear resistance cannot be sufficiently ensured only by the lubricating action of the oil pools. Furthermore, it was necessary to form a hard film such as a chromium plating film, a nickel-based composite sprayed film, a sprayed film (molybdenum), a nitride film, and a PVD film (TiC, TiN, etc.) on the surface.
このように従来のピストンリングは、耐摩耗性を向上させるために少なくとも外周摺動部に硬質皮膜を形成する必要があり、その処理に長い時間を要し、また加熱による形状が変化する場合があるという問題があった。 As described above, the conventional piston ring needs to form a hard film on at least the outer peripheral sliding portion in order to improve the wear resistance, and it takes a long time for the treatment, and the shape by heating may change. There was a problem that there was.
この発明は上記問題に鑑みてなされたもので、外周摺動部に硬質皮膜を形成しなくても必要な耐磨耗性を確保することができるピストンリングおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a piston ring that can ensure the necessary wear resistance without forming a hard film on the outer peripheral sliding portion, and a method for manufacturing the same. And
この発明は、ショットピーニング等により金属材料の表面部に生成させることのできる結晶粒径がナノメートルサイズの多結晶体すなわちナノ結晶の機械的特性、特に、その高い硬度および高い強度に着目し、ピストンリングの少なくとも外周摺動部の表面部に該表面部の硬さが800〜1000HVとなるようナノ結晶層を形成することで、表面に硬質皮膜を形成しなくてもピストンリングとして必要な耐磨耗性を確保するようにできることを見出したことによるものである。 The present invention pays attention to the mechanical properties of a polycrystalline body having a crystal grain size of nanometer size that can be generated on the surface portion of the metal material by shot peening or the like, that is, the nanocrystal, particularly its high hardness and high strength, By forming a nanocrystal layer on at least the surface of the outer periphery sliding portion of the piston ring so that the hardness of the surface portion is 800 to 1000 HV, the resistance required for the piston ring is eliminated even if a hard coating is not formed on the surface. This is because it has been found that wearability can be ensured.
すなわち、請求項1に係る発明のピストンリングは、少なくとも外周摺動部の表面近傍にナノ結晶層を有し、該表面の硬さが800〜1000HVであることを特徴とする。
That is, the piston ring of the invention according to
このピストンリングは、外周摺動部の表面近傍にナノ結晶層を有し、その表面の硬さが800〜1000HVで、それ自体硬度が高いことにより、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性を確保することが可能となる。 This piston ring has a nanocrystal layer in the vicinity of the surface of the outer peripheral sliding portion, and the surface has a hardness of 800 to 1000 HV, and the hardness itself is high, so that a process for forming a hard film on the surface is not performed. However, it is possible to ensure the required wear resistance as a piston ring.
また、請求項2に係る発明のピストンリングは、少なくとも外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルを有するとともに該ディンプルの直下にナノ結晶層を有し、上記表面の硬さが800〜1000HVであることを特徴とする。
The piston ring of the invention according to
このピストンリングは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下にナノ結晶層を有し、表面の硬さが800〜1000HVで、それ自体硬度が高いことにより、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性を確保することが可能となる。 This piston ring has a nanocrystal layer directly below the dimples formed by shot peening on the surface of the outer peripheral sliding portion, and the surface hardness is 800 to 1000 HV, and the hardness itself is high. It is possible to ensure the required wear resistance as a piston ring without performing a process for forming a hard coating.
そして、請求項3に係る発明のピストンリングは、少なくとも外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルを有するとともに該ディンプルの直下にナノ結晶層を有し、上記ショットピーニング加工の全加工面積に対する上記ディンプルのディンプル総表面積の割合が10000〜50000%(カバレッジ10000〜50000%)であることを特徴とする。
The piston ring of the invention according to
このピストンリングは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下にナノ結晶層を有し、そのショットピーニングの加工の程度がカバレッジ10000〜50000%相当であって、ショットピーニング加工の全加工面積に対するディンプルの総表面積の割合が10000〜50000%であることにより、表面の硬さが800〜1000HVで、それ自体硬度が高いものとなり、そのため、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性を確保することが可能となる。 This piston ring has a nanocrystal layer directly below the dimples formed by shot peening on the surface of the outer peripheral sliding portion, and the degree of shot peening is equivalent to a coverage of 10,000 to 50,000%. Since the ratio of the total surface area of the dimples to the total processing area of processing is 10,000 to 50,000%, the hardness of the surface is 800 to 1000 HV, and the hardness itself is high, and therefore a process for forming a hard film on the surface Even if it does not perform, it becomes possible to ensure required abrasion resistance as a piston ring.
ショットピーニング加工の程度は、被加工材の材質、ショット材の材質、形状、粒径、投射速度および投射時間によって調整できる。そして、一般にはショットピーニング加工の全加工面積(A)に対するディンプルの総表面積(B)の割合(%)を示すカバレッジ(C)で表わすことができる。すなわち、C=B/Aでショットピーニング加工の程度を表すことができる。そして、このCの値が10000%〜50000%である場合に、必要な硬さ(800〜1000HV)を得ることができる。C<10000%の場合は必要な硬さ(800〜1000HV)を得ることができず、C>50000%の場合は、ピストンリングの表面にクラックが発生することがある。また、より望ましくは、20000%<C<40000%である。 The degree of shot peening can be adjusted by the material of the workpiece, the material of the shot material, the shape, the particle size, the projection speed and the projection time. In general, it can be represented by coverage (C) indicating the ratio (%) of the total surface area (B) of the dimples to the total processing area (A) of shot peening. That is, the degree of shot peening can be expressed by C = B / A. And when this C value is 10000% to 50000%, the required hardness (800 to 1000 HV) can be obtained. When C <10000%, the required hardness (800 to 1000 HV) cannot be obtained, and when C> 50000%, cracks may occur on the surface of the piston ring. More desirably, 20000% <C <40000%.
また、請求項4に係る発明のピストンリングは、上記請求項1、2または3記載のピストンリングにおいて、ナノ結晶層の厚みが2〜20μmであることを特徴とする。 A piston ring according to a fourth aspect of the present invention is the piston ring according to the first, second, or third aspect, wherein the nanocrystal layer has a thickness of 2 to 20 μm.
このピストンリングは、外周摺動部の表面近傍に厚みが2〜20μmのナノ結晶層を有し、表面の硬さが800〜1000HVで、それ自体硬度が高いことにより、あるいは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下に厚みが2〜20μmのナノ結晶層を有し、表面の硬さが800〜1000HVで、それ自体硬度が高いことにより、あるいは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下に厚みが2〜20μmのナノ結晶層を有し、そのショットピーニング加工の程度がカバレッジ10000〜50000%相当であることにより、表面の硬さが800〜1000HVで、それ自体硬度が高いものとなり、そのため、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性が確保される。ナノ結晶層の厚みが2μm未満では、十分な耐摩耗性を得ることが難しく、ナノ結晶層の厚みが20μmを越えると、内部と表面硬さが大きく違うことにより境界にクラックが発生する恐れがある。 This piston ring has a nanocrystal layer with a thickness of 2 to 20 μm in the vicinity of the surface of the outer periphery sliding portion, and has a surface hardness of 800 to 1000 HV and its own hardness, or the outer periphery sliding portion. A nanocrystal layer with a thickness of 2 to 20 μm directly under the dimples formed by shot peening on the surface of the metal, and the surface hardness is 800 to 1000 HV, and the hardness itself is high, or the outer periphery slides Surface has a nanocrystal layer with a thickness of 2 to 20 μm immediately below the dimples formed by shot peening, and the degree of shot peening is equivalent to a coverage of 10,000 to 50,000%. Is 800 to 1000 HV, and the hardness itself is high. For this reason, even if a treatment for forming a hard film on the surface is not performed, Required wear resistance can be ensured as tons ring. If the thickness of the nanocrystal layer is less than 2 μm, it is difficult to obtain sufficient wear resistance. If the thickness of the nanocrystal layer exceeds 20 μm, cracks may occur at the boundary due to the difference between the inside and the surface hardness. is there.
また、請求項5に係る発明のピストンリングの製造方法は、ピストンリングの少なくとも外周摺動部に表面加工を施してその表面近傍にナノ結晶粒を生成させ、該表面の硬さを800〜1000HVまで増加させることを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the piston ring of the invention which concerns on Claim 5 gives surface processing to the at least outer periphery sliding part of a piston ring, produces | generates a nanocrystal grain in the surface vicinity, and the hardness of this surface is 800-1000HV. It is characterized by increasing to.
この方法でピストンリングを製造することにより、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくても所要の耐摩耗性を確保することができる。そのため、硬質皮膜を形成する処理が不要で、廉価に製造することができ、また、加熱による形状変化を生じないようにすることができる。 By manufacturing the piston ring by this method, the required wear resistance can be ensured without performing a process of forming a hard film on the surface. Therefore, a process for forming a hard coating is not required, and it can be manufactured at a low cost, and a shape change due to heating can be prevented from occurring.
そして、請求項6に係る発明のピストンリングの製造方法は、上記請求項5記載のピストンリングの製造方法において、上記表面加工がエア式ショットピーニング加工、超音波式ショットピーニング加工またはフラップホイール加工であることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a piston ring manufacturing method according to the fifth aspect, wherein the surface processing is performed by air shot peening processing, ultrasonic shot peening processing or flap wheel processing. It is characterized by being.
エア式ショットピーニング加工、超音波式ショットピーニング加工およびフラップホイール加工は、ピストンリングを例えば筒状に多数重ねて一度に処理するのに好適で、それにより、ピストンリングの少なくとも外周摺動部の表面部にナノ結晶粒を生成させ、該表面の硬さを800〜1000HVまで増加させるための表面加工を効率よく行うことができる。特に、量産性の面からエア式ショットピーニング加工が望ましい。 Pneumatic shot peening, ultrasonic shot peening and flap wheel machining are suitable for processing a plurality of piston rings at once, for example, in a cylindrical shape, so that at least the surface of the outer periphery sliding portion of the piston ring can be processed. Surface processing for increasing the hardness of the surface to 800 to 1000 HV can be efficiently performed by generating nanocrystal grains in the part. In particular, air shot peening is desirable in terms of mass productivity.
以上のとおり、この発明によれば、表面にクロムめっき皮膜、ニッケル基複合散めっき皮膜、溶射皮膜(モリブデン)、窒化皮膜、PVD皮膜(TiC、TiN等)等の硬質皮膜を形成する処理を行わなくても所要の耐摩耗性を有するピストンリングとすることができ、また、そのピストンリングを廉価に製造することができ、また、加熱による形状変化を生じないようにすることができる。 As described above, according to the present invention, a treatment for forming a hard coating such as a chromium plating coating, a nickel-based composite spray coating, a spray coating (molybdenum), a nitride coating, a PVD coating (TiC, TiN, etc.) on the surface is performed. Even if it is not, it can be set as the piston ring which has required abrasion resistance, the piston ring can be manufactured at low cost, and the shape change by heating can be prevented from occurring.
図1はこの発明の実施の形態の一例に係るピストンリングの断面構造を示している。このピストンリング1は、断面略矩形で、その少なくとも外周摺動部には、多数の微小なディンプル2が形成され、ディンプル2の直下にナノ結晶層3が生成され、そのナノ結晶層3の厚みが2〜20μmで、表面の硬さが800〜1000HVとなるよう、カバレッジ10000〜50000%相当のエアショットピーニングによる表面加工が施されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a piston ring according to an example of an embodiment of the present invention. The
カバレッジは、ショットピーニング加工の全加工面積(A)に対するディンプルの総表面積(B)の割合(%)を示す値(C)で、C=B/Aがショットピーニングの加工の程度を表す。このCの値が10000%〜50000%である場合に、リング表面の硬さが800〜1000HVで、ピストンリングの摺動面として必要な硬さが得られる。C<10000%の場合は必要な硬さ(800〜1000HV)を得ることができない。また、C>50000%の場合は、リング表面にクラックが発生することがある。そして、特に、20000%<C<40000%の場合に、リング表面の硬さが900以上で、大きな硬さが得られるとともにクラックの発生を確実に防止できる。 The coverage is a value (C) indicating the ratio (%) of the total surface area (B) of the dimple to the total processing area (A) of the shot peening process, and C = B / A represents the degree of the shot peening process. When the value of C is 10000% to 50000%, the hardness of the ring surface is 800 to 1000 HV, and the hardness necessary for the sliding surface of the piston ring can be obtained. When C <10000%, the required hardness (800 to 1000 HV) cannot be obtained. When C> 50000%, cracks may occur on the ring surface. And especially when 20000% <C <40000%, the hardness of the ring surface is 900 or more, a large hardness is obtained, and the occurrence of cracks can be reliably prevented.
エアショットピーニングは、一般的なエア式ショットピーニング装置を使用するもので、ショット材を高圧空気により高速でピストンリング1の外周摺動面に投射する。
The air shot peening uses a general air shot peening apparatus, and projects the shot material onto the outer peripheral sliding surface of the
ショットピーニングの加工の程度は、被加工材であるピストンリング1の材質、ショット材の材質、形状、粒径、投射速度および投射時間によって調整可能である。
The degree of shot peening processing can be adjusted by the material of the
ピストンリング1の材質は、例えばマルテンナイト系ステンレス鋼である。その他、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、Si−Cr、鋳鉄など、ディンプルを形成できる材料であればよい。
The material of the
ショット材の材質は、例えば、セラミック、ガラス、金属等で、特に限定されるものではないが、ピストンリング1の素材に比べて硬さが高いことが必要である。また、ショット材の形状は、ディンプルが形成されやすい略球形が望ましく、粒径は10〜100μmであることが望ましい。そして、ショット材の投射速度は、100〜300m/sが好適であり、特に、200m/s程度であれば一層効果的である。また、投射時間は、5〜10minが好適である。
The material of the shot material is, for example, ceramic, glass, metal, and the like, and is not particularly limited. However, the shot material needs to have higher hardness than the material of the
なお、表面加工は、エア式ショットピーニング加工以外に、超音波式ショットピーニング加工、フラップホイール加工等であってもよい。 The surface processing may be ultrasonic shot peening processing, flap wheel processing, or the like in addition to air shot peening processing.
組成が重量%で、C:0.7%、Si:0.52%、Mn:0.49%、P:0.032%、Cr:12.2%、残部が鉄および不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレスのオイルテンパー線を材料として、断面略矩形のピストンリングの形状に成形し、その外周摺動部の表面にエアショットピーニングを施し、ショット材の投射時間を変えることにより、カバリッジを変化させて、表面にナノ結晶粒を生成させ、表面の硬さを調べた。ショット材の材質は、C:1.0%、Si:1.3%、Mn:1.0%、残部が鉄および不可避不純物からなる高炭素鋼、形状は略球形、粒径は約50μm、投射速度は200m/sである。その結果を図2に示す。 Martens with a composition of% by weight, C: 0.7%, Si: 0.52%, Mn: 0.49%, P: 0.032%, Cr: 12.2%, the balance being iron and inevitable impurities Using a site-based stainless steel oil tempered wire as a material, it is formed into a piston ring shape with a substantially rectangular cross-section, and air shot peening is applied to the surface of the outer periphery sliding part, changing the shot material projection time to change the coverage. Then, nanocrystal grains were generated on the surface, and the hardness of the surface was examined. The material of the shot material is C: 1.0%, Si: 1.3%, Mn: 1.0%, the balance is high carbon steel made of iron and inevitable impurities, the shape is substantially spherical, the particle size is about 50 μm, The projection speed is 200 m / s. The result is shown in FIG.
図2は、カバリッジ(coverage)と表面の硬さ(Vickers Hardness)との関係を示すグラフである。800HV以上の硬さを得るためには、カバリッジ10000%以上とする必要があり、また、カバリッジ20000%以上で900HVを越える硬さが得られることがわかる。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between coverage and surface hardness (Vickers Hardness). In order to obtain a hardness of 800 HV or more, it is necessary to set the coverage to 10,000% or more, and it is understood that a hardness exceeding 900 HV can be obtained at a coverage of 20000% or more.
図3は、ピストンリングの外周摺動部の表面に生成したナノ結晶が生成している状態を示す顕微鏡写真である。ナノ結晶層の厚みは2〜20μmである。 FIG. 3 is a photomicrograph showing a state where nanocrystals generated on the surface of the outer peripheral sliding portion of the piston ring are generated. The thickness of the nanocrystal layer is 2 to 20 μm.
1 ピストンリング
2 ディンプル
3 ナノ結晶層
1
Claims (6)
6. The method of manufacturing a piston ring according to claim 5, wherein the surface processing is air shot peening processing, ultrasonic shot peening processing or flap wheel processing.
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