JP3484076B2 - Piston ring for internal combustion engine - Google Patents

Piston ring for internal combustion engine

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JP3484076B2
JP3484076B2 JP19121998A JP19121998A JP3484076B2 JP 3484076 B2 JP3484076 B2 JP 3484076B2 JP 19121998 A JP19121998 A JP 19121998A JP 19121998 A JP19121998 A JP 19121998A JP 3484076 B2 JP3484076 B2 JP 3484076B2
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ion plating
steel
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combustion engine
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用ピストン
リングに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、内燃機関用ピストンリングは、鋳
鉄、Si−Cr鋼、マルテンサイト系の高クロムステレ
ンス鋼等の鋼材で作られており、これらの母材もしくは
本体の耐摩耗性、耐焼付性、耐凝着性、摩擦係数等の摺
動特性を改善するために、外周面に電気メッキによる硬
質クロムめっきを施し用いられてきた。しかしながら、
内燃機関の高出力化に伴い、より摺動性に優れたピスト
ンリングが望まれるようになり、今日では、高クロム含
有のステンレス鋼に窒化処理を施したピストンリングが
用いられるようになった。
2. Description of the Related Art Conventionally, piston rings for internal combustion engines are made of steel materials such as cast iron, Si-Cr steel, and martensite-based high chrome stainless steel. In order to improve sliding characteristics such as seizure resistance, adhesion resistance, and friction coefficient, hard chrome plating by electroplating on the outer peripheral surface has been used. However,
Along with the increase in the output of internal combustion engines, there has been a demand for piston rings having more excellent slidability, and nowadays, piston rings made of nitriding stainless steel containing high chromium have come to be used.

【0003】更に、外周面にはイオンプレーティングに
よる窒化クロム皮膜を施したピストンリングも用いられ
るようになった。イオンプレーティングによる窒化クロ
ム皮膜を本体に施したピストンリングには下記の特許公
告もしくは公開公報で提案されたものがある。 (1)特公平6−10454号公報:金属CrとCr2
Nが1000オングストローム以下の超微細に混合した
組織を有する皮膜。 (2)特開平7−286260号公報:Cr2 N型窒化
クロムを主成分とする皮膜。 (3)特開平7−286261号公報:CrNとCr2
N型窒化クロムを主成分とする皮膜。
Further, a piston ring having a chromium nitride film formed by ion plating on its outer peripheral surface has also been used. Some piston rings whose main body is coated with a chromium nitride film by ion plating are proposed in the following patent publications or publications. (1) Japanese Patent Publication No. 6-10454: Metal Cr and Cr 2
A film having an ultrafine mixed structure in which N is 1000 angstroms or less. (2) Japanese Patent Laid-Open No. 7-286260: Cr 2 N-type chromium nitride-based coating film. (3) JP-A-7-286261: CrN and Cr 2
A film whose main component is N-type chromium nitride.

【0004】従来の鋳鉄、Si−Cr鋼、マルテンサイ
ト系高クロムステレンス鋼等の鋼材の表面に硬質クロム
めっきを施したピストンリングや高クロム含有のステン
レス鋼に窒化処理を施したピストンリングには下記のよ
うな問題がある。 1)ピストンリングはアルミニウム合金製ピストンのピ
ストンリング溝に装着されて使用されるが、高クロム含
有ステンレス鋼に窒化処理をしたピストンリングは、そ
の窒化層が相対するピストンリング溝を摩耗させること
が多い。 2)外周面にイオンプレーティング皮膜を形成したSi
−Cr鋼や工具鋼を本体とするピストンリングは、イオ
ンプレーティング時の温度上昇により、ピストンリング
に熱ヘタリが生じ、所定の張力が得られない。尚、イオ
ンプレーティング時の母材上昇温度を蒸着速度を落とす
ことや母材予備加熱温度を下げることで押さえることも
出来るが、イオンプレーティング膜の密着性や生産性が
落ちるので得策ではない。 3)窒化処理せずにイオンプレーティング皮膜を形成し
た高クロム含有ステンレス鋼を本体とするピストンリン
グは、上記Si−Cr鋼や工具鋼程の熱ヘタリは生じな
いが、初めから表面硬度が低いので、ピストンリング上
下面の摩耗が多くなる傾向がある。
For conventional piston rings such as cast iron, Si-Cr steel, and martensitic high-chromium stainless steel, the surface of which is plated with hard chrome, and stainless steel containing high chromium, which is subjected to nitriding treatment, are used. There are the following problems. 1) The piston ring is used by being mounted in the piston ring groove of an aluminum alloy piston. However, in a piston ring obtained by nitriding high chromium content stainless steel, the nitrided layer may wear the piston ring groove facing it. Many. 2) Si with an ion plating film formed on the outer peripheral surface
In a piston ring whose main body is -Cr steel or tool steel, a predetermined set tension cannot be obtained due to thermal settling of the piston ring due to temperature rise during ion plating. The base material temperature rise during ion plating can be suppressed by lowering the vapor deposition rate or lowering the base material preheating temperature, but this is not a good idea because it reduces the adhesion and productivity of the ion plating film. 3) The piston ring mainly composed of high chromium content stainless steel on which an ion plating film is formed without nitriding does not have the same heat set as Si-Cr steel and tool steel, but has a low surface hardness from the beginning. Therefore, the upper and lower surfaces of the piston ring tend to wear more.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
点に鑑みなされたものであって、外周摺動面及びピスト
ンリング上下面が耐摩耗性に優れ、かつアルミニウム合
金製ピストンのピストンリング溝と摩耗させることの少
ないピストンリングを提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the outer peripheral sliding surface and the upper and lower surfaces of the piston ring are excellent in wear resistance and the piston ring of the aluminum alloy piston is provided. The object is to provide a piston ring that is less likely to wear with the groove.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明のピストンリング
は、少なくも外周摺動面に[0003]で述べたような
皮膜を形成するイオンプレーティング時の温度上昇に於
いても、ピストンリングとしての機能を損なわない耐熱
性が高いピストンリング材となる様な成分とするため、
母材もしくは本体について下記(1)及び(2)の鋼材
組成を提供する。 (1)重量%でC:0.35〜0.45%、Si:1.
80〜2.50%、Mn:0.60%以下、Cr:1
0.0〜12.0%、Ni:0.60%以下、Mo:
0.70〜1.30%を含み、残部Fe及び不可避的不
純物からなるクロム鋼。 (2)重量%で、C:0.45〜0.55%、Si:
1.00〜2.00%、Mn:0.60%以下、Cr:
7.50〜9.50%,Ni:0.6%以下を含み、残
部Fe及び不可避的不純物からなるクロム鋼。 ピストンリング本体は鋼材のままか或いは母材の窒化処
理とする。かかるピストンリングの組み合わせは以下の
とおりである:(イ)鋼材の外周摺動面にイオンプレー
ティング皮膜(以下、この項において「皮膜」という)
を形成し、上下面は鋼材のままとする;(ロ)鋼材の外
周摺動面及び上下面の少なくとも一方に皮膜を形成す
る;(ハ)鋼材の外周摺動面に窒化処理層と皮膜を形成
する;(ニ)鋼材の外周摺動面に皮膜を形成し、上下面
の少なくとも一方に窒化処理層を形成する;(ホ)摺動
面全面に窒化処理層と皮膜を形成する。
The piston ring of the present invention can be used as a piston ring even when the temperature rises at the time of ion plating for forming a film as described in [0003] on at least the outer peripheral sliding surface. In order to make the piston ring material with high heat resistance that does not impair the function of
The steel composition of the following (1) and (2) is provided for the base material or the main body. (1) C: 0.35 to 0.45% by weight, Si: 1.
80 to 2.50%, Mn: 0.60% or less, Cr: 1
0.0-12.0%, Ni: 0.60% or less, Mo:
Chrome steel containing 0.70 to 1.30% and the balance Fe and unavoidable impurities. (2) C: 0.45 to 0.55% by weight, Si:
1.00 to 2.00%, Mn: 0.60% or less, Cr:
Chrome steel containing 7.50 to 9.50%, Ni: 0.6% or less, and the balance Fe and unavoidable impurities. The piston ring body is made of steel or the base material is nitrided. The combination of such piston rings is as follows: (a) Ion plating film on the outer peripheral sliding surface of the steel material (hereinafter referred to as "film" in this section)
And (b) form a film on at least one of the outer peripheral sliding surface and the upper and lower surfaces of the steel material; (c) form a nitriding layer and a film on the outer peripheral sliding surface of the steel material. (D) A film is formed on the outer peripheral sliding surface of the steel material, and a nitriding layer is formed on at least one of the upper and lower surfaces; (e) A nitriding layer and a film are formed on the entire sliding surface.

【0008】次に本発明のピストンリングの特徴を述べ
る。本発明のピストンリングの少なくとも外周摺動面に
はイオンプレーティングによつてクロムと窒素を主成分
とする皮膜を有する。皮膜組織は窒化クロム或いは金属
クロムと窒化クロムの混合組織とする。窒化クロム皮膜
或いは金属クロムと窒化クロムの混合組織皮膜は耐摩耗
性、耐焼付性に優れるばかりでなく、金属クロムの蒸気
圧がチタン等に比べ高いことからイオンプレーティング
では高速に皮膜形成が出来、生産性に優れるものであ
る。反面、窒素とクロムが本体上で凝固するときに潜熱
のために母材の温度が大きく上昇し、ピストンリングの
張力の大きな減退を招く熱ヘタリの原因となる。
Next, the features of the piston ring of the present invention will be described. At least the outer peripheral sliding surface of the piston ring of the present invention has a film containing chromium and nitrogen as main components by ion plating. The film structure is chromium nitride or a mixed structure of chromium metal and chromium nitride. The chromium nitride coating or the mixed texture coating of metal chromium and chromium nitride is not only excellent in wear resistance and seizure resistance, but also because the vapor pressure of metal chromium is higher than that of titanium etc., it is possible to form a coating at high speed by ion plating. , Is excellent in productivity. On the other hand, when nitrogen and chrome solidify on the body, the temperature of the base material rises significantly due to latent heat, which causes thermal fatigue which causes a large decrease in the tension of the piston ring.

【0009】そこで、本発明では、上記皮膜のイオンプ
レーティング時に起こるピストンリングの熱ヘタリを防
止するために、本体を、上記組成(1)または(2)の
鋼材とし、母材の耐熱性を高めた。ピストンリングをこ
のような鋼材とすることによって、イオンプレーティン
グ後の熱ヘタリが防止でき、通常の張力が得られるよう
になる。また、窒化クロム膜の高い蒸着速度や密着性も
損なわれることがない。次にピストンリング母材(1)
の各成分の限定理由を述べる。
Therefore, in the present invention, in order to prevent heat settling of the piston ring that occurs during ion plating of the coating, the body is made of a steel material having the above composition (1) or (2), and the heat resistance of the base material is increased. Raised. By using such a steel material for the piston ring, thermal settling after ion plating can be prevented, and normal tension can be obtained. Further, the high deposition rate and adhesion of the chromium nitride film are not impaired. Next, the piston ring base material (1)
The reasons for limiting each of the components will be described.

【0010】CはFe中に固溶し、強度向上に寄与する
元素であり、また炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する
重要な元素であるため、少なくとも0.35%は必要で
ある。しかしCはNと同様Fe中において侵入型固溶元
素であるため、多量の添加はピストンリング素材もしく
はピストンリング自体の加工時に必要とする伸び・絞り
の低下を招くのみならず、耐熱性向上のため添加する元
素であるCr,Moとの間で形成される炭化物の量が多
くなる結果として、これらの元素添加の効果を弱める。
また、窒化処理によって粗大な炭窒化物を形成し、相手
材のアルミニウム合金を摩耗させることになるので、上
限を0.45%とした。
C is an element that forms a solid solution in Fe and contributes to the improvement of strength, and forms an carbide, which is an important element that contributes to wear resistance, so at least 0.35% is necessary. However, C, like N, is an interstitial solid solution element in Fe, so addition of a large amount not only leads to a reduction in elongation and drawing required when processing the piston ring material or the piston ring itself, but also improves heat resistance. Therefore, as a result of increasing the amount of carbides formed between Cr and Mo which are the elements to be added, the effect of adding these elements is weakened.
Further, since the coarse carbonitride is formed by the nitriding treatment and the aluminum alloy of the mating material is abraded, the upper limit is set to 0.45%.

【0011】SiはFe中に固溶して耐熱性を向上させ
る元素である。この効果を得るため、少なくとも1.8
0%のSiが必要である。しかし多量の添加は冷間加工
性を低下させるだけでなく、熱伝導率を低下させること
により、摺動による接触面の昇温を助長し、耐焼付性を
害するため、上限を2.50%とした。
Si is an element that forms a solid solution in Fe to improve heat resistance. To obtain this effect, at least 1.8
0% Si is required. However, addition of a large amount not only lowers the cold workability, but also lowers the thermal conductivity, which accelerates the temperature rise of the contact surface due to sliding and impairs the seizure resistance, so the upper limit is 2.50%. And

【0012】Mnは鋳塊製造時に脱酸剤として添加さ
れ、Siの固溶を妨げるその酸化を防止するに伴ってS
iの固溶に好ましい条件を整える元素であるが、多量の
添加は熱間加工性を低下させるため、0.60%を上限
とした。
Mn is added as a deoxidizing agent during the production of ingots, and Mn is added to prevent the solid solution of Si and its oxidation.
Although it is an element that adjusts the preferable conditions for solid solution of i, addition of a large amount reduces hot workability, so the upper limit was made 0.60%.

【0013】Crは炭化物形成元素であり、耐摩耗性付
与のため重要である。またFe中に固溶し、耐熱性・耐
酸化性を向上させる元素でもある。これらの効果を十分
に得るためには、少なくとも10.0%以上の添加が必
要である。しかし、多量の添加は多くの炭化物を形成
し、靭性を低下させ、さらにFeに多量に固溶して加工
性も低下させるため、12.0%を上限とした。
Cr is a carbide forming element and is important for imparting wear resistance. It is also an element that forms a solid solution in Fe and improves heat resistance and oxidation resistance. In order to obtain these effects sufficiently, it is necessary to add at least 10.0% or more. However, addition of a large amount forms a large amount of carbide, reduces toughness, and further forms a large amount of solid solution with Fe to reduce workability, so 12.0% was made the upper limit.

【0014】NiはFeに固溶して延性を増加させ加工
性を向上させる元素であるが、本材料の場合は他の合金
元素が多量に添加されるため効果が顕著ではなく、効果
な元素であるためコストアップにつながり、0.60%
を上限とした。
Ni is an element that forms a solid solution with Fe to increase ductility and improve workability. However, in the case of this material, the effect is not remarkable because other alloying elements are added in large amounts, and it is an effective element. Therefore, it leads to cost increase, 0.60%
Was set as the upper limit.

【0015】Moは耐熱性・耐焼付性を付与する目的で
添加されるが、0.70%以下では効果が不十分であ
り、1.30%を超えるとかえって熱間加工性が悪くな
り、靭性も損なうため0.70〜1.30%の範囲とし
た。
Mo is added for the purpose of imparting heat resistance and seizure resistance, but if it is 0.70% or less, the effect is insufficient, and if it exceeds 1.30%, the hot workability is rather deteriorated. Since the toughness is also impaired, the range is 0.70 to 1.30%.

【0016】本発明のピストンリング母材(2)に含有
されるC,Si,Mn,Cr及びNiの作用は母材
(1)で述べたところと基本的には同じであるが、以下
の点で修正が加えられている。母材(2)においてはC
量を0.45%以上とし、Cr量を9.50%以下とし
ているために、(1)はCr73 等の特殊炭化物が比
較的多く、(2)はCrを固溶したFe3 Cなどが比較
的多くなっている。この結果として母材(2)でも耐熱
ヘタリ性は母材(1)と同等の性能が得られる。また、
Cが0.55%を超え、Crが9.5%を超えると上記
した弊害が表れる。Siはα−Fe領域を拡大すること
によって、マトリックス中のC固溶量を増大する傾向が
あるので、多量に添加すると炭化物の形成量が少なくす
る。母材(2)ではCr量が少ないためにCr含有炭化
物が少なくなる傾向があるので、これを相殺するために
Si量は母材(1)より少なく1.00〜2.00%の
範囲とすることによりα−Fe領域の過度の拡大を抑え
ている。また、Moの添加目的である耐熱性、耐焼付性
の付与が母材(2)の組成では顕著でないので、母材
(2)では特に限定しない。即ち、Moは不純物として
少量含有させることが許容される。
The functions of C, Si, Mn, Cr and Ni contained in the piston ring base material (2) of the present invention are basically the same as those described in the base material (1), but Corrections have been made in points. C in the base material (2)
Since the content is 0.45% or more and the content of Cr is 9.50% or less, (1) has a relatively large amount of special carbides such as Cr 7 C 3 , and (2) has Fe 3 with solid solution of Cr 3. C and the like are relatively large. As a result, the base material (2) has the same heat sink resistance as the base material (1). Also,
If C exceeds 0.55% and Cr exceeds 9.5%, the above-mentioned adverse effects appear. Since Si tends to increase the amount of C solid solution in the matrix by expanding the α-Fe region, adding a large amount reduces the amount of carbide formation. Since the base material (2) has a small amount of Cr and thus tends to have a small amount of Cr-containing carbide, the Si content is smaller than that of the base material (1) in order to offset this, and the range is 1.00 to 2.00%. By doing so, excessive expansion of the α-Fe region is suppressed. The addition of Mo, which is the purpose of adding heat resistance and seizure resistance, is not remarkable in the composition of the base material (2), so the base material (2) is not particularly limited. That is, Mo is allowed to be contained in a small amount as an impurity.

【0017】上記した組成の鋼材は、熱間及び冷間加工
によりピストンリングの粗形材である条鋼に加工され、
その後曲げ加工を行い次に切断と研磨仕上げが施され
る。公知の各種窒化処理を行う場合は、曲げ加工後に窒
化を行う。本発明の鋼材の上記成分の作用は、加工状態
でも発揮される。また、鋼材に焼鈍、焼入・焼戻しなど
の各種熱処理を行うことができるが、粗形材状態の鋼材
を、イオンプレーティング時にさらされる温度以上例え
ば400〜500℃に加熱することが好ましい。イオン
プレーティング皮膜の形成方法は前掲公報に記載する条
件で行うことができ、その厚みは好ましくは20〜40
μmである。
The steel material having the above-mentioned composition is processed into a bar steel which is a rough shape material of a piston ring by hot and cold working,
After that, it is bent and then cut and polished. When performing various known nitriding treatments, nitriding is performed after bending. The action of the above components of the steel material of the present invention is exerted even in the processed state. Further, although various heat treatments such as annealing, quenching and tempering can be performed on the steel material, it is preferable to heat the steel material in the rough-shaped material state to a temperature above the temperature exposed during ion plating, for example, 400 to 500 ° C. The ion plating film can be formed under the conditions described in the above publication, and the thickness thereof is preferably 20-40.
μm.

【0018】[0018]

【作用】イオンプレーティング皮膜形成の際に起こる各
種鋼材の熱へたりを次式で定義される硬度変化率: {(加熱前の硬度−加熱後の硬度)/加熱後の硬度}x
100(%) により評価した結果を表1に示し、本発明の作用を説明
する。
[Function] The rate of change in hardness of various steel materials caused by the formation of the ion plating film is defined by the following formula: {(hardness before heating-hardness after heating) / hardness after heating} x
The results of evaluation by 100 (%) are shown in Table 1 to explain the action of the present invention.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】ここで炭素鋼はCrなどの合金元素の耐熱
性に対する寄与がないため、硬度変化率が高い。次に、
ばね鋼は炭素鋼より低炭素であるために加熱前の硬度は
低くなるが、Si,Cr,Mnなどの効果により硬度変
化率は小さくなっている。しかしこれらの合金元素の寄
与はまだ少ない。続いてSUS440BはCrの効果が
認められるが、加熱によるマルテンサイトの分解に伴っ
てかなりの硬度変化が起こっている。さらにSUS42
0J2はかかる組織変化に伴う硬度変化は少ないが、比
較的低Cr・低Cのためにやはりかなりの硬度変化があ
る。これらに対し、Cr系ステレンス鋼の組成を比較的
低CrとしかつSi量を高めた本発明鋼材は硬度変化が
最も少ない。これは、マルテンサイト、炭化物の量が
最適にバランスするCr量範囲が比較的低Cr側にある
こと、及びSiによるFe固溶体強化の効果が、の
如き低Cr範囲では、高いことによると考えられる。
Since carbon steel does not contribute to the heat resistance of alloying elements such as Cr, the rate of change in hardness is high. next,
Since spring steel has a lower carbon content than carbon steel, the hardness before heating is low, but the rate of change in hardness is small due to the effects of Si, Cr, Mn and the like. However, the contribution of these alloying elements is still small. Subsequently, in SUS440B, the effect of Cr is recognized, but a considerable change in hardness occurs with the decomposition of martensite by heating. Furthermore SUS42
0J2 has little change in hardness due to such a microstructure change, but also has a considerable change in hardness due to relatively low Cr / low C. On the other hand, the steel of the present invention in which the composition of Cr-based stainless steel is relatively low Cr and the amount of Si is increased has the smallest hardness change. It is considered that this is because the Cr amount range in which the amounts of martensite and carbide are optimally balanced is on the relatively low Cr side, and the effect of strengthening the Fe solid solution by Si is high in such a low Cr range. .

【0021】[0021]

【実施例】実施例1 次に本発明の実施例及び比較例として用いたピストンリ
ング本体の組成及び芯部の硬度を表2に示す。
EXAMPLES Example 1 Next, Table 2 shows the composition of the piston ring body and the hardness of the core portion used as Examples and Comparative Examples of the present invention.

【0022】[0022]

【表2】 [Table 2]

【0023】表2において列挙した成分の残部は、P,
Sなどの通常の不純物少量とFeである。表中供試材N
o.1は本発明鋼(母材(1)),No.2は本発明鋼
(母材(2))、No.3〜6は現在ピストンリングと
して使用されている鋼で、No.3は炭素鋼(SWRS
82A)、No.4はSi−Cr鋼(SWOSC−
V)、No.5は17Cr鋼(SUS44OB)、N
o.6は13Cr鋼(SUS420J2)である。
The balance of the ingredients listed in Table 2 is P,
A small amount of usual impurities such as S and Fe. Sample material N in the table
o. No. 1 of the present invention (base metal (1)), No. 1 No. 2 of the present invention steel (base material (2)), No. Nos. 3 to 6 are steels currently used as piston rings. 3 is carbon steel (SWRS
82A), No. 4 is Si-Cr steel (SWOSC-
V), No. 5 is 17Cr steel (SUS44OB), N
o. 6 is 13Cr steel (SUS420J2).

【0024】実施例2 本発明の鋼材(1)及び現用鋼材3〜6を用い、通常の
成形と加工で寸法がφ86×1.2×3.1mmのイオ
ンプレーティング用のピストンリング本体を成形した。
また、本発明鋼、現用鋼3、4については、更にガス窒
化処理を行い、ピストンリング全周に厚さが100μm
の窒化層をガス窒化により形成したのち、外周の窒素化
合物層を除去して窒素拡散層を露出したものも作製し
た。続いて、これらのピストンリング各10本を外周面
をそろえスタックし、通常の前処理を実施後、アーク式
イオンプレーティング装置にてイオンプレーティングを
行い、ピストンリング外周面に窒化クロムの皮膜を形成
した。なお、窒化処理したピストンリングは上下露出
(摺動)面を窒化処理層とした。その後、ピストンリン
グ各1本を切断し、断面からイオンプレーティング膜厚
さ、硬度及び母材硬度を測定した。また、皮膜組織につ
いてはリング外周面をX線回折により同定した。
Example 2 Using the steel material (1) of the present invention and the current steel materials 3 to 6, a piston ring main body for ion plating having a size of φ86 × 1.2 × 3.1 mm was formed by ordinary forming and processing. did.
The steels of the present invention and the current steels 3 and 4 were further gas-nitrided to have a thickness of 100 μm on the entire circumference of the piston ring.
After the nitriding layer was formed by gas nitriding, the peripheral nitrogen compound layer was removed to expose the nitrogen diffusion layer. Then, each of these 10 piston rings is stacked with their outer peripheral surfaces aligned, and after performing normal pretreatment, ion plating is performed with an arc type ion plating device to form a chromium nitride film on the outer peripheral surface of the piston ring. Formed. The upper and lower exposed (sliding) surfaces of the piston ring subjected to the nitriding treatment were used as the nitriding treatment layer. Then, each piston ring was cut, and the ion plating film thickness, hardness and base metal hardness were measured from the cross section. Regarding the coating structure, the outer peripheral surface of the ring was identified by X-ray diffraction.

【0025】なお、イオンプレーティング条件及び結果
は下記の通りである。 イオンプレーティング条件 1.アーク電力 − 200A 2.バイアス電圧 − −10V 3.予熱温度 − 500℃ 4.窒素ガス圧 − 10mTorr 5.時間 − 3時間
The ion plating conditions and results are as follows. Ion plating conditions 1. Arc power-200A 2. Bias voltage −10V 3. Preheating temperature −500 ° C. 4. Nitrogen gas pressure-10 mTorr 5. Time-3 hours

【0026】[0026]

【表3】 [Table 3]

【0027】上記の表3より、本願発明のピストンリン
グはイオンプレーティング時の温度上昇での硬度低下
は、現用鋼1、現用鋼2よりも少なく、熱ヘタリが少な
いことがわかる。
From Table 3 above, it can be seen that the piston ring of the present invention has less hardness decrease due to temperature increase during ion plating than the current steels 1 and 2, and has less thermal fatigue.

【0028】次に、上記発明鋼(No.1)、現用鋼3
(No.4)及び現用鋼4(No.5)のピストンリン
グを最終加工まで仕上げエンジンによる摩耗テストを実
施した。尚、現用鋼1(No.2)と現用鋼2(No.
3)を用いたものは、熱ヘタリにより以後の加工が出来
ないためテストに使用することは出来なかった。次にエ
ンジンテストの条件及び結果は次の通りである。
Next, the invention steel (No. 1) and the current steel 3
Abrasion test by a finishing engine was carried out on the piston rings of (No. 4) and the steel 4 (No. 5) currently in use until final processing. Working steel 1 (No. 2) and working steel 2 (No.
The one using 3) could not be used for the test because the subsequent processing could not be performed due to the heat set. Next, the conditions and results of the engine test are as follows.

【0029】エンジンテスト条件 使用エンジン 水冷6気筒2,500ccエンジン (ピストンリング 1st φ86×1.2×3.1) 6,000rpm×4/4×100時間 Engine test conditions Engine used Water-cooled 6-cylinder 2,500 cc engine (piston ring 1st φ86 × 1.2 × 3.1) 6,000 rpm × 4/4 × 100 hours

【0030】[0030]

【表4】 [Table 4]

【0031】1)本発明リング1:母材(1)に直接イ
オンプレーティング皮膜(CrN)を設けたもの 2)本発明リング2:母材(1)にガス窒化後にイオン
プレーティング皮膜(CrN)を設けたもの 3)比較リング1:17Crマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に直接にイオンプレーティング皮膜(Cr
N)を設けたもの 4)比較リング2:13Crマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に直接にイオンプレーティング皮膜(Cr
N)を設けたもの 5)比較リング3:17Crマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に窒化処理層を設けた後に外周面にのみイオ
ンプレーティング皮膜(CrN)を設けたもの 6)比較リング4:13Crマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に窒化処理層を設けた後に外周面にのみイオ
ンプレーティング皮膜(CrN)を設けたもの
1) Ring of the present invention 1: Ion plating film (CrN) directly provided on the base material (1) 2) Ring of the present invention 2: Ion plating film (CrN) after gas nitriding on the base material (1) 3) Comparative ring 1: 17Cr Ion plating film (Cr) directly on the base material of 17Cr martensitic stainless steel.
N) provided 4) Comparative ring 2: 13Cr Ion plating film (Cr) directly on the base material of martensitic stainless steel.
N) is provided 5) Comparison ring 3: 17Cr Cr is obtained by forming a nitriding layer on the base material of martensitic stainless steel and then providing an ion plating film (CrN) only on the outer peripheral surface 6) Comparison ring 4: 13Cr martensitic stainless steel base material provided with a nitriding layer, and then an ion plating film (CrN) provided only on the outer peripheral surface

【0032】エンジンでの試験結果から次のことが言え
る。 本発明ピストンリングは、イオンプレーティング皮膜
の効果でピストンリング外周面の摩耗が少ないばかりで
はなく、イオンプレーティング時の昇温によって上下面
の硬度は若干下がるが,上下面の摩耗も少ない。 17Crマルテンサイト系ステンレス鋼を母材とした
ピストンリング(比較例1、3)はイオンプレーティン
グ時の昇温によっても熱ヘタリを起こさない耐熱性はあ
るが、当初から硬度が低いために、母材のままではピス
トンリング上下面自身の摩耗が多くなってしまう。 13Crマルテンサイト系ステンレス鋼を母材とした
ピストンリング(比較例2、4)は17Crマルテンサ
イト系ステンレス鋼を母材としたピストンリングと同様
な傾向である。
The following can be said from the test results in the engine. In the piston ring of the present invention, not only is the wear of the outer peripheral surface of the piston ring reduced due to the effect of the ion plating film, but the hardness of the upper and lower surfaces slightly decreases due to the temperature rise during ion plating, but the wear of the upper and lower surfaces is also low. The piston rings made of 17Cr martensitic stainless steel as a base material (Comparative Examples 1 and 3) have heat resistance that does not cause thermal settling due to a temperature rise during ion plating, but since the hardness is low from the beginning, If the material is left as it is, the upper and lower surfaces of the piston ring itself will wear out much. The piston rings using 13Cr martensitic stainless steel as the base material (Comparative Examples 2 and 4) have the same tendency as the piston rings using 17Cr martensitic stainless steel as the base material.

【0033】実施例3 表2に記した本発明鋼No.2及びこれをガス窒化した
ものにつき実施例2と同一条件でイオンプレーティング
を行い、被膜組織がCrN,膜厚28μm、高度Hmv
1,752のイオンプレーティング被膜を形成した。こ
れらのピストンリングにつき実施例2と同一条件でエン
ジンテストを行ったところ、表5に示すように実施例2
とほぼ同じ結果が得られた。
Example 3 Steel Nos. Of the present invention shown in Table 2 were used. 2 and gas nitriding the same were subjected to ion plating under the same conditions as in Example 2, and the coating structure was CrN, the film thickness was 28 μm, and the altitude was Hmv.
An ion plating film of 1,752 was formed. When an engine test was conducted on these piston rings under the same conditions as in Example 2, as shown in Table 5, Example 2
The almost same result was obtained.

【0034】[0034]

【表5】 [Table 5]

【0035】[0035]

【発明の効果】本願発明のピストンリングは,イオンプ
レーティング時の昇温でも熱ヘタリを起こさず、張力を
失わないし、また、母材硬度の低下も小さいので、ピス
トンリング上下面の摩耗が少ない。更に、窒化処理を行
っても、大きな結晶の炭窒化物を形成しないので相手材
のアルミニウム合金ピストンリング溝を摩耗させない。
EFFECTS OF THE INVENTION The piston ring of the present invention does not cause thermal settling even at a temperature rise during ion plating, does not lose tension, and has a small decrease in base metal hardness, so that the upper and lower surfaces of the piston ring are less worn. . Further, even if the nitriding treatment is carried out, a large crystal carbonitride is not formed, so that the aluminum alloy piston ring groove of the mating material is not worn.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−180608(JP,A) 特開 平8−226541(JP,A) 特開 平5−25591(JP,A) 特許2552509(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16J 9/26 F02F 5/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-7-180608 (JP, A) JP-A-8-226541 (JP, A) JP-A-5-25591 (JP, A) JP-2552509 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) F16J 9/26 F02F 5/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 CrとNを主成分とした窒化クロム組織で
なるイオンプレーティング皮膜を有する内燃機関用ピス
トンリングにおいて、 前記ピストンリングの本体が、重量%で、C:0.35〜0.45
%、Si:1.80〜2.50%、Mn:0.60%以下、Cr:10.0〜12.0
%、Ni:0.6%以下、Mo:0.70〜1.30%を含み、残部Fe及
び不可避的不純物からなることを特徴とする内燃機関用
ピストンリング。
1. A piston ring for an internal combustion engine having an ion plating film composed of a chromium nitride structure containing Cr and N as main components, wherein the body of the piston ring is C: 0.35 to 0.45 in weight%.
%, Si: 1.80 to 2.50%, Mn: 0.60% or less, Cr: 10.0 to 12.0
%, Ni: 0.6% or less, Mo: 0.70 to 1.30%, and the balance Fe and unavoidable impurities, characterized by being a piston ring for an internal combustion engine.
【請求項2】 CrとNを主成分とし、金属クロムと窒化
クロム組織でなるイオンプレーティング皮膜を有する内
燃機関用ピストンリングにおいて、 前記ピストンリングの本体が、重量%で、C:0.35〜0.45
%、Si:1.80〜2.50%、Mn:0.60%以下、Cr:10.0〜12.0
%、Ni:0.6%以下、Mo:0.70〜1.30%を含み、残部Fe及
び不可避的不純物からなることを特徴とする内燃機関用
ピストンリング。
2. A piston ring for an internal combustion engine, comprising Cr and N as main components, and an ion plating film made of a metal chromium and a chromium nitride structure, wherein the body of the piston ring is C: 0.35 to 0.45 in weight%.
%, Si: 1.80 to 2.50%, Mn: 0.60% or less, Cr: 10.0 to 12.0
%, Ni: 0.6% or less, Mo: 0.70 to 1.30%, and the balance Fe and unavoidable impurities, characterized by being a piston ring for an internal combustion engine.
【請求項3】 CrとNを主成分とした窒化クロム組織で
なるイオンプレーティング皮膜を有する内燃機関用ピス
トンリングにおいて、 前記ピストンリングの本体が、重量%で、C:0.45〜0.55
%、Si:1.00〜2.00%、Mn:0.60%以下、Cr:7.50〜9.50
%、Ni:0.6%以下を含み、残部Fe及び不可避的不純物か
らなることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
3. A piston ring for an internal combustion engine having an ion plating film composed of a chromium nitride structure containing Cr and N as main components, wherein the body of the piston ring is C: 0.45 to 0.55 in weight%.
%, Si: 1.00 to 2.00%, Mn: 0.60% or less, Cr: 7.50 to 9.50
%, Ni: 0.6% or less, and the balance being Fe and inevitable impurities, which is a piston ring for an internal combustion engine.
【請求項4】 CrとNを主成分とし、金属クロムと窒化
クロム組織でなるイオンプレーティング皮膜を有する内
燃機関用ピストンリングにおいて、 前記ピストンリングの本体が、重量%で、C:0.45〜0.55
%、Si:1.00〜2.00%、Mn:0.60%以下、Cr:7.50〜9.50
%、Ni:0.6%以下を含み、残部Fe及び不可避的不純物か
らなることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
4. A piston ring for an internal combustion engine, comprising Cr and N as main components, and an ion plating film composed of metallic chromium and a chromium nitride structure, wherein the body of the piston ring is C: 0.45 to 0.55 by weight%.
%, Si: 1.00 to 2.00%, Mn: 0.60% or less, Cr: 7.50 to 9.50
%, Ni: 0.6% or less, and the balance being Fe and inevitable impurities, which is a piston ring for an internal combustion engine.
【請求項5】 前記ピストンリング本体が窒化処理され
ている請求項1〜4までの何れか1項記載の内燃機関用ピ
ストンリング。
5. The piston ring for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the piston ring body is nitrided.
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