JP3129817B2 - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JP3129817B2
JP3129817B2 JP04030932A JP3093292A JP3129817B2 JP 3129817 B2 JP3129817 B2 JP 3129817B2 JP 04030932 A JP04030932 A JP 04030932A JP 3093292 A JP3093292 A JP 3093292A JP 3129817 B2 JP3129817 B2 JP 3129817B2
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piston ring
resistance
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piston
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秀一 加納
清広 下川
啓一郎 新
元伸 小野田
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Hino Motors Ltd
Nippon Piston Ring Co Ltd
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Hino Motors Ltd
Nippon Piston Ring Co Ltd
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関用ピストンに装
着されるピストンリングに関し、さらに詳しくは耐摩耗
性に優れているとともに特に耐スカッフィング性(耐焼
付き性)が向上していて苛酷な使用条件においても優れ
た摺動特性を示すピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、内燃機関の軽量化、高出力化に伴
い、ピストンリングに要求される性能は高くなる一方で
あり、優れた耐摩耗性、耐スカッフィング性(耐焼付き
性)、耐疲労性等が要求される。
【0003】そこで、ピストンリングに要求される主に
耐摩耗性を付与することを目的として例えば鋼材を用い
てなるピストンリング母材には、硬質クロムめっき処
理、溶射処理、窒化処理等の表面処理が施されている。
これら各種の表面処理のなかでも、窒化処理層は優れた
耐摩耗特性を示すことから特に窒化処理は苛酷な使用条
件の下で使用されるピストンリングの表面処理として注
目され、広く実用に供されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化処
理層は耐摩耗特性に優れている反面、耐スカッフィング
特性(耐焼付き特性)に関しては硬質クロムめっき層や
溶射層に比べて必ずしも充分であるとはいえず、苛酷な
運転条件での使用に際して異常摩耗が発生することがあ
った。したがって、耐摩耗性に優れているとともに特に
耐スカッフィング特性(耐焼付き特性)の改善が図られ
ていて総合性能が向上しているピストンリングが望まれ
ていた。
【0005】本発明は前記の事情に基づいてなされたも
のであり、本発明の目的は、特に耐スカッフィング性
(耐焼付き性)が向上しているとともに、耐摩耗性、耐
熱性、耐疲労性、耐食性等の諸特性が優れていて苛酷な
使用条件下でも高い総合性能を発揮するピストンリング
を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めの本発明の構成は、内燃機関用ピストンに装着される
ピストンリングにおいて、全周面に窒化層が形成され、
少なくとも外周摺動面の該窒化層にクロム(Cr)イオ
ンが注入されてなる皮膜が設けられていることを特徴と
するピストンリングであり、内燃機関用ピストンに装着
されるピストンリングにおいて、全周面に窒化層が形成
されているとともに該窒化層の全面にクロムイオンが注
入されてなる皮膜が設けられていることを特徴とするピ
ストンリングである。
【0007】
【作用】本発明のピストンリングは、全周面に窒化層が
形成され、少なくとも外周摺動面の該窒化層にクロムイ
オンが注入されてなる皮膜が設けられているものであ
り、また、全周面に窒化層が形成され、この窒化層の全
面にクロムイオンが注入されてなる皮膜が設けられてい
るものである。ここで、窒化層はそれ自体が耐摩耗性に
優れており、この窒化層にクロムイオンが注入されて耐
スカッフィング性(耐焼付き性)の向上が図られてい
る。したがって、このピストンリングにおいては、耐摩
耗性に優れているとともに、特に耐スカッフィング性
(耐焼付き性)の向上が図られており、耐久寿命が向上
しているとともに初期運転時における異常摩耗が有効に
防止される。
【0008】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図1は本発明の一実施例であるピストンリン
グの部分断面図である。
【0009】図1に示すように、このピストンリングは
少なくとも外周摺動面において、母材1上に設けた窒化
層2上にクロム(Cr)イオンが注入されてなる皮膜3
を有している。
【0010】母材1は、たとえば鋼材を好適に用いて形
成される。この鋼材は良好な耐摩耗特性を示す窒化層2
を得るのに適するものを使用することが望ましい。この
ような鋼材としては、たとえば炭素0.16〜1.30
重量%、およびクロム12〜19重量%を含有する鋼材
あるいはこれにモリブデンおよび/またはバナジウムを
含有させた鋼材などが挙げられる。
【0011】この母材1における少なくとも外周摺動面
には窒化層2が設けられている。窒化層2は母材1の表
面を窒化処理して形成された層であり、窒化処理の方法
としては、たとえばガス窒化法、2段窒化法、イオン窒
化法等の種々の方法が挙げられる。そして、これら各種
の窒化法のなかでもガス窒化法は特に好適に採用するこ
とができる。このガス窒化法を採用して母材1の表面の
窒化処理を行うには、アンモニア(NH3 )ガス中で母
材1を加熱すればよい。このときの加熱温度は、500
〜600℃程度であり、加熱時間は10〜20時間程度
である。
【0012】たとえば上記のようにして形成される窒化
層2の厚さは、通常、30〜180μm程度であり、好
ましくは70〜110μm程度である。窒化層2の厚さ
が30μm未満であると、耐摩耗性が充分ではないこと
がある。一方、180μmより厚くすると、疲労強度の
低下を招くことがあり、さらに製造コストの上昇を招
く。
【0013】窒化層2にはクロム(Cr)イオンが注入
されてなる皮膜3が設けられている。クロム(Cr)イ
オンの注入量は、通常、1×1016ion/cm2
上、好ましくは3×1017ion/cm2 以上である。
この注入量が1×1016ion/cm2 よりも少ない
と、耐スカッフィング(耐焼付き性)性の向上が充分で
はないことがある。
【0014】ここで、クロム(Cr)イオンの注入に
は、イオン注入装置を使用することができる。窒化層2
にクロム(Cr)イオンが注入されてなる皮膜3の厚
さ、すなわちクロム(Cr)イオンの注入深さは、通
常、200Å以上、好ましくは400Å以上である。こ
の厚さが200Å未満であると、耐摩耗性および耐スカ
ッフィング性(耐焼付き性)の向上が充分ではないこと
がある。
【0015】なお、皮膜3は少なくとも外周摺動面に形
成されていればよいが、図2に示すように、母材1の全
周面に形成された窒化層2の全面にクロム(Cr)イオ
ンが注入されて皮膜3が形成されていてもよいし、ある
いは図3に示すように、ピストンリングにおける燃焼室
側周面、クランクケース側周面およびピストン装着面の
三面に形成された窒化層2にクロム(Cr)イオンが注
入されて皮膜3が形成されていてもよい。図2または図
3に示した構成のピストンリングでは、特に上下面の耐
摩耗性が著しく向上したものとなる。
【0016】次に実験例を示し、本発明についてさらに
具体的に説明する。実験例 合金鋼SUS440B相当材(C;0.80〜0.95
%、Si;0.35〜0.50%、Mn;0.25〜
0.40%、P;0.04%以下、S;0.04%以
下、Cr;17.0〜18.5%、Mo;1.0〜1.
25%、V;0.08〜0.15%)からなり、表面粗
さを0.5μmに仕上げたピストンリング母材1の全周
面にガス窒化法により形成された厚さ100μmの窒化
層2を有し、この窒化層2の全面にクロム(Cr)イオ
ンが注入量3×1017ion/cm2の割合で注入され
てなる皮膜3を有する実施品、合金鋼SUS440B相
当材(C;0.80〜0.95%、Si;0.35〜
0.50%、Mn;0.25〜0.40%、P;0.0
4%以下、S;0.04%以下、Cr17.0〜18.
5%、Mo;1.0〜1.25%、V;0.08〜0.
15%)からなり、表面粗さを0.5μmに仕上げたピ
ストンリング母材1の全周面にガス窒化法により形成さ
れた厚さ100μmの窒化層2を有する比較品のそれぞ
れの試料を作製した。
【0017】ここで、イオン注入は図4に示すイオン注
入装置を使用して次のようにして行った。先ず、イオン
注入室11に外部の真空排気系12を圧力調節弁13を
介して接続し、この真空排気系12によりイオン注入室
11内の真空度を1.2×10-6Torrにした。次
に、試料14を水冷方式試料ホルダー15に保持した。
イオンビーム源16でクロム(Cr)イオンを発生さ
せ、該イオンを加速器で加速電圧70kevの高エネル
ギーに加速し、加速されたイオンビームを図4に示した
矢印17の方向で試料14に注入し、窒化試料中にCr
イオンを注入した。注入時間は2時間で、そのときのC
rイオン注入量は3×1017ion/cm2であった。
なお、イオン注入は水冷方式の試料ホルダー15を使用
して基板温度(試料温度)を80℃にして行った。
【0018】このようにして得られた実施品と比較品と
のそれぞれについて耐摩耗性、耐スカッフィング性の評
価を行った。 〔摩耗試験〕実施品よび比較品の耐摩耗性を次のように
して評価した。すなわち、試験はアムスラー型摩耗試験
機を使用し、回転片のほぼ半分を油に浸漬し、固定片と
接触させて荷重をかける方法によって行なった。なお、
試験片(8mm×7mm×5mm)を固定片とし、相手
材(回転片)にはドーナッツ状(外径40mm,内径1
6mm,厚さ10mm)のものを用いた。また、形成さ
れたイオン注入皮膜がドーナッツ状試験片に接触するよ
うにセットした。
【0019】試験条件は次の通りである。 相手材:FC25(HRB98) 潤滑油:SAE#30+白灯油 油温:75℃ 周速:1m/sec (478rpm) 荷重:80kg 時間:7時間 摩耗量測定:粗さ計による段差プロフィールにて摩耗量
(μm)を測定した。
【0020】試験結果を図5に示す。図5から明らかな
ように、実施品は比較品に比べて約2倍の耐摩耗性を具
備し、また相手材の摩耗が少ないことが確認された。 〔耐スカッフィング性〕実施品と比較品とのそれぞれに
ついて、下記のようにして耐スカッフィング性(耐焼付
き性)を評価した。
【0021】すなわち、試験はアムスラー型摩耗試験機
を使用し、試験片にスピンドル油を付着させて2分間自
重(約10kg)にて運転した。このとき、潤滑油は供
給しなかった。面圧の初期値を30kg/cm2 に設定
し、2分間ずつ保持しながら面圧を10kg/cm2
つ増加させてスカッフが発生したときの面圧をスカッフ
発生限界面圧とした。試験条件は次の通りである。
【0022】相手材:FC25(HRB98) 周速:1m/sec (478rpm) 試験結果は図6に示す通りである。
【0023】図6から明らかなように、実施品の耐スカ
ッフィング性(耐焼付き性)は比較品の耐スカッフィン
グ性(耐焼付き性)よりも大巾に向上していることが確
認された。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、窒化層にクロム(C
r)イオンが注入されてなる皮膜が少なくとも外周摺動
面に設けられているので、耐摩耗性に優れているのみな
らず耐スカッフィング性(耐焼付き性)が大巾に向上し
ており、しかも耐熱性、耐疲労性、耐食性等の諸特性に
も優れていて例えば高温高負荷のエンジンのように苛酷
な使用条件下でも高い総合性能を発揮するピストンリン
グを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のピストンリングの一例を示す断面説明
図である。
【図2】本発明のピストンリングの他の一例を示す断面
説明図である。
【図3】本発明のピストンリングのさらに他の一例を示
す断面説明図である。
【図4】本発明のピストンリングを製造するに際して好
適に使用することのできるイオン注入装置の構成の概略
を示す説明図である。
【図5】本発明のピストンリング(実施品)および従来
品(比較品)のそれぞれについての耐摩耗性試験の試験
結果を示すグラフである。
【図6】本発明のピストンリング(実施品)および従来
品(比較品)のそれぞれについての耐スカッフィング性
(耐焼付き性)試験の試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1…母材 2…窒化層 3…皮膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C23C 30/00 C23C 30/00 A F02F 5/00 F02F 5/00 F (72)発明者 新 啓一郎 埼玉県与野市本町西5丁目2番6号 日 本ピストンリング株式会社与野工場内 (72)発明者 小野田 元伸 埼玉県与野市本町西5丁目2番6号 日 本ピストンリング株式会社与野工場内 (56)参考文献 特開 昭63−85073(JP,A) 実開 昭59−126159(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16J 9/26 C23C 8/26 C23C 14/06 C23C 14/48 C23C 28/04 C23C 30/00 F02F 5/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関用ピストンに装着されるピスト
    ンリングにおいて、全周面に窒化層が形成され、少なく
    とも外周摺動面の該窒化層にクロム(Cr)イオンが注
    入されてなる皮膜が設けられていることを特徴とするピ
    ストンリング。
  2. 【請求項2】 内燃機関用ピストンに装着されるピスト
    ンリングにおいて、全周面に窒化層が形成されていると
    ともに該窒化層の全面にクロム(Cr)イオンが注入さ
    れてなる皮膜が設けられていることを特徴とするピスト
    ンリング。
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KR100467112B1 (ko) * 1999-10-29 2005-01-24 닛폰 피스톤 린구 가부시키가이샤 내연기관의 실린더 라이너와 피스톤 링의 조합
KR100512452B1 (ko) * 2002-10-31 2005-09-05 김영희 고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법
BR102014015800A2 (pt) * 2014-06-26 2016-05-31 Mahle Int Gmbh processo fabricação de um componente de um motor a combustão interna e componente de um motor a combustão interna

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