JP4267588B2 - piston ring - Google Patents

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Description

本発明は、ピストンリングに関し、更に詳しくは、摩耗性及び疲労強度に優れたピストンリングに関する。   The present invention relates to a piston ring, and more particularly to a piston ring having excellent wear and fatigue strength.

内燃機関に対しては、高出力化と低燃費化等が常に求められており、その部品にかかる負荷は増大し続けている。ピストンリングも例外ではなく、内燃機関の高出力化と低燃費化等に伴う負荷の増大に耐え得るように、その耐摩耗性や耐久性等の向上が求められている。   For internal combustion engines, high output and low fuel consumption are constantly demanded, and the load on the components continues to increase. Piston rings are no exception, and there is a demand for improvements in wear resistance and durability so that they can withstand the increased load accompanying higher output and lower fuel consumption of internal combustion engines.

例えば、ピストンリングとして用いられる圧力ピストンリング(以下、単に「ピストンリング」という。)では、その母材に窒化処理を施して表面に窒化層を形成することにより耐摩耗性や耐久性に優れたピストンリングを得ることができるが、さらなる耐摩耗性や耐久性等は、母材に上記の窒化層を形成するだけでは満たし得ない程に高まってきている。   For example, a pressure piston ring used as a piston ring (hereinafter simply referred to as “piston ring”) has excellent wear resistance and durability by nitriding the base material to form a nitrided layer on the surface. Although a piston ring can be obtained, further wear resistance, durability, and the like have been increased to the extent that they cannot be satisfied only by forming the nitride layer on the base material.

このため、表面を窒化処理した母材の所望箇所に硬質クロムめっき皮膜を形成してピストンリングの耐摩耗性や耐久性等を更に向上させる試みがなされてきている。例えば特許文献1には、母材の外周面を除く全表面に窒化処理を施した後、さらにその外周面に硬質クロムめっき皮膜等を施すことによって、スカッフィング性に優れたピストンリングを得る方法が記載されている。また、特許文献2には、母材に窒化層を形成したものではないが、母材の外周摺動面に積層構造の硬質クロムめっき皮膜を設けて、耐摩耗性、耐焼き付き性及び疲労強度を向上させたピストンリングが記載されている。
特公平6−1064号公報 特開2002−106716号公報
For this reason, attempts have been made to further improve the wear resistance, durability, etc. of the piston ring by forming a hard chromium plating film at a desired location of the base material whose surface has been nitrided. For example, Patent Document 1 discloses a method of obtaining a piston ring having excellent scuffing properties by performing nitriding treatment on the entire surface except the outer peripheral surface of a base material, and further applying a hard chromium plating film or the like to the outer peripheral surface. Are listed. Patent Document 2 does not have a nitride layer formed on the base material, but a hard chromium plating film having a laminated structure is provided on the outer peripheral sliding surface of the base material to provide wear resistance, seizure resistance and fatigue strength. A piston ring with improved performance is described.
Japanese Examined Patent Publication No. 6-1064 JP 2002-106716 A

特許文献1に記載の方法で得られるピストンリング及び特許文献2に記載のピストンリングのいずれにおいても、母材の外周面上に直接硬質クロムめっき皮膜が形成されているので、これらのピストンリングの外周摺動面の耐摩耗性については未だ改良の余地がある。例えば、母材の外周面に窒化層を形成し、この窒化層上に硬質クロムめっき皮膜を形成することにより、外周摺動面の耐摩耗性をさらに向上させることが可能である。   In both of the piston ring obtained by the method described in Patent Document 1 and the piston ring described in Patent Document 2, a hard chromium plating film is formed directly on the outer peripheral surface of the base material. There is still room for improvement in the wear resistance of the outer peripheral sliding surface. For example, it is possible to further improve the wear resistance of the outer peripheral sliding surface by forming a nitride layer on the outer peripheral surface of the base material and forming a hard chromium plating film on the nitride layer.

窒化層を形成したピストンリングでは、窒化層の脆さによりコーナー部に欠けが生じることがあるため、欠け防止のために外周面のうちで厚さ方向の上下面に連なるコーナー部を曲面又は面取り面とすることがしばしばある。しかしながら、このような曲面又は面取り面を有するピストンリングでは、窒化層上に硬質クロムめっき皮膜を形成しても疲労強度の向上が図り難く、その曲面又は面取り面から生じる折損を抑制し難いという問題がある。   Piston rings with a nitrided layer may be chipped in the corner due to the brittleness of the nitrided layer, so the corners that are connected to the upper and lower surfaces in the thickness direction of the outer peripheral surface are curved or chamfered to prevent chipping. Often it is a surface. However, in a piston ring having such a curved surface or chamfered surface, it is difficult to improve fatigue strength even if a hard chromium plating film is formed on the nitride layer, and it is difficult to suppress breakage caused by the curved surface or chamfered surface. There is.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、コンプレッションリングとして好ましく用いられる耐摩耗性及び疲労強度に優れたピストンリングを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a piston ring excellent in wear resistance and fatigue strength, which is preferably used as a compression ring.

上記課題を解決するための本発明のピストンリングは、外周面の一部をなす外周摺動面、内周面、及び厚さ方向の上下面それぞれに窒化層が形成されているスチール製母材と、該スチール製母材の前記外周面を覆う硬質クロムめっき皮膜とを有するピストンリングであって、前記外周面のうち、前記外周摺動面から前記上下面に連なるコーナー部には曲面又は面取り面が形成されていると共に、前記外周摺動面に形成されている窒化層と前記上下面に形成されている窒化層とが前記曲面又は面取り面のみを隔てて分離され、前記外周摺動面に形成されている窒化層のビッカース硬さが400〜900HV0.05の範囲内にあり、前記窒化層が形成されていない前記コーナー部の幅が50〜400μmであり、当該幅からなるコーナー部のスチール製母材上に前記硬質クロムめっき皮膜が直接形成されていることを特徴とする。 The piston ring of the present invention for solving the above problems is a steel base material in which a nitride layer is formed on each of an outer peripheral sliding surface, an inner peripheral surface, and an upper and lower surface in the thickness direction, which form part of the outer peripheral surface. When, the a said piston ring having a hard chromium plating film covering the outer peripheral surface of the steel base material, wherein of the outer peripheral surface, a curved surface in the corner portion continuous with said top and bottom surfaces from the outer peripheral sliding surface or chamfered with the surface is formed, with the outer circumferential sliding surface nitride layer formed on said upper and lower surfaces formed by being nitrided layer is separated apart only the curved or chamfered surface, the outer peripheral sliding There Vickers hardness of nitrided layer formed on a surface within the range of 400~900HV0.05, the width L of the corner portion in which the nitride layer is not formed is 50 to 400 [mu] m, consisting of the width L steel corners Wherein the hard chromium plating film on Le made base material is formed directly.

この発明によれば、スチール製母材の外周面にはビッカース硬さが400〜900HV0.05の範囲内にある窒化層が形成され、この窒化層上に硬質クロムめっき皮膜が形成されているので、外周摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。また、スチール製母材の外周面に形成されている窒化層と、厚さ方向の上下面に形成されている窒化層とが曲面又は面取り面を隔てて分離しているので、その曲面又は面取り面では、スチール製母材に脆い窒化層が形成されておらず、硬質クロムめっき皮膜が直接形成されている。その結果、その曲面又は面取り面においては、比較的高い靱性を容易に確保することができるので、曲面又は面取り面で生じ易い折損を抑制することができ、耐摩耗性及び疲労強度に優れたピストンリングが提供される。   According to the present invention, a nitride layer having a Vickers hardness in the range of 400 to 900 HV0.05 is formed on the outer peripheral surface of the steel base material, and a hard chromium plating film is formed on the nitride layer. In addition, the wear resistance of the outer peripheral sliding surface can be improved. In addition, since the nitride layer formed on the outer peripheral surface of the steel base material and the nitride layer formed on the upper and lower surfaces in the thickness direction are separated by a curved surface or chamfered surface, the curved surface or chamfered surface is separated. On the surface, a brittle nitride layer is not formed on the steel base material, and a hard chromium plating film is directly formed. As a result, relatively high toughness can be easily secured on the curved surface or chamfered surface, so that breakage that easily occurs on the curved surface or chamfered surface can be suppressed, and the piston has excellent wear resistance and fatigue strength. A ring is provided.

上記本発明のピストンリングにおいては、前記スチール製母材の内周面及び厚さ方向の上下面に形成されている窒化層が、ビッカース硬さ700HV0.05未満の第1窒化層と、該第1窒化層を覆う第2窒化層とを有し、前記第2窒化層のビッカース硬さが前記第1窒化層のビッカース硬さよりも大きいことが好ましい。   In the piston ring of the present invention, the nitride layer formed on the inner peripheral surface of the steel base material and the upper and lower surfaces in the thickness direction includes a first nitride layer having a Vickers hardness of less than 700 HV0.05, Preferably, the second nitride layer covers the first nitride layer, and the second nitride layer has a Vickers hardness greater than the Vickers hardness of the first nitride layer.

この発明によれば、スチール製母材の内周面及び厚さ方向の上下面に、上記第1窒化層と第2窒化層を有する窒化層が形成されているので、外周摺動面の耐摩耗性のみならず、内周面での耐摩耗性及び厚さ方向での耐摩耗性も優れたものとすることができると共に、疲労強度も優れたものとすることができる。   According to the present invention, the nitride layer having the first nitride layer and the second nitride layer is formed on the inner peripheral surface of the steel base material and the upper and lower surfaces in the thickness direction. Not only the wear resistance but also the wear resistance on the inner peripheral surface and the wear resistance in the thickness direction can be excellent, and the fatigue strength can also be excellent.

上記本発明のピストンリングにおいては、前記硬質クロムめっき皮膜が積層構造を有し、該硬質クロムめっき皮膜のビッカース硬さが900〜1200HV0.05の範囲内であることが好ましい。   In the piston ring of the present invention, the hard chrome plating film preferably has a laminated structure, and the Vickers hardness of the hard chrome plating film is preferably in the range of 900 to 1200 HV0.05.

この発明によれば、硬質クロムめっき皮膜が積層構造を有し、その硬質クロムめっき皮膜のビッカース硬さが上記範囲内であるので、耐摩耗性及び疲労強度を更に向上させることができる。   According to this invention, since the hard chromium plating film has a laminated structure and the Vickers hardness of the hard chromium plating film is within the above range, the wear resistance and fatigue strength can be further improved.

本発明のピストンリングによれば、外周摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。また、外周摺動面から上下面に連なる曲面又は面取り面で比較的高い靱性を容易に確保することができるので、曲面又は面取り面で生じ易い折損を抑制することができる。その結果、本発明によれば、耐摩耗性及び疲労強度を向上させ易いピストンリングが提供されるので、内燃機関の高出力化と低燃費化等を図ることが容易になる。   According to the piston ring of the present invention, the wear resistance of the outer peripheral sliding surface can be improved. In addition, since relatively high toughness can be easily ensured by a curved surface or chamfered surface extending from the outer peripheral sliding surface to the upper and lower surfaces, it is possible to suppress breakage that easily occurs on the curved surface or chamfered surface. As a result, according to the present invention, a piston ring that easily improves wear resistance and fatigue strength is provided, so that it becomes easy to achieve high output and low fuel consumption of the internal combustion engine.

以下、本発明のピストンリングについて、図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明のピストンリングの一例を示す模式図である。図1中、(a)は模式平面図であり、(b)は図1(a)のI−I’断面図である。なお、本発明のピストンリングは、以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the piston ring of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a piston ring of the present invention. 1A is a schematic plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ of FIG. The piston ring of the present invention is not limited to the following embodiment.

本発明のピストンリング10は、図1(a)(b)に示すように、1つの合い口部1を有する環状の部材であって、外周面aの一部をなす外周摺動面e、内周面d、及び厚さ方向の上面bと下面c(以下、単に「上下面b,c」という。)にそれぞれ窒化層(12,13)が形成されているスチール製母材11と、このスチール製母材11の外周面aを覆う硬質クロムめっき皮膜14とを有している。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the piston ring 10 of the present invention is an annular member having one abutment portion 1, and an outer peripheral sliding surface e that forms a part of the outer peripheral surface a. A steel base material 11 in which nitride layers (12, 13) are respectively formed on an inner peripheral surface d, and an upper surface b and a lower surface c (hereinafter simply referred to as “upper and lower surfaces b, c”) in the thickness direction; And a hard chromium plating film 14 covering the outer peripheral surface a of the steel base material 11.

スチール製母材11は、例えば、マルテンサイトステンレス鋼(SUS440材、SUS410材、又は、SUS440材にCoを添加した材料等)や、クロムを10重量%含むスチール材で形成されたものであることが望ましい。   The steel base material 11 is made of, for example, martensitic stainless steel (SUS440 material, SUS410 material, or a material obtained by adding Co to SUS440 material) or a steel material containing 10% by weight of chromium. Is desirable.

スチール製母材11の外周面aの一部をなす外周摺動面eに形成されている窒化層12は、ビッカース硬さが400〜900HV0.05の範囲内にある。窒化層12のビッカース硬さが400HV0.05未満では、ピストンリング10の外周摺動面eの耐摩耗性が低くなる。一方、窒化層12のビッカース硬さが900HV0.05を超えても、ピストンリングの摺動特性には変化がなく、過剰な品質となってしまう。なお、窒化層12のビッカース硬さは、400〜700HV0.05の範囲内であることがより好ましい。   The nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e forming part of the outer peripheral surface a of the steel base material 11 has a Vickers hardness in the range of 400 to 900 HV0.05. When the Vickers hardness of the nitride layer 12 is less than 400 HV0.05, the wear resistance of the outer peripheral sliding surface e of the piston ring 10 is lowered. On the other hand, even if the Vickers hardness of the nitrided layer 12 exceeds 900 HV0.05, the sliding characteristics of the piston ring are not changed, resulting in excessive quality. The Vickers hardness of the nitride layer 12 is more preferably in the range of 400 to 700 HV0.05.

一方、スチール製母材11の内周面d及び上下面b,cに形成されている窒化層13は、ビッカース硬さが700HV0.05未満の第1窒化層13aと、この第1窒化層13aを覆う第2窒化層13bとを有している。第2窒化層13bのビッカース硬さは、第1窒化層13aのビッカース硬さよりも大きい。そして、ピストンリング10の内周面d及び上下面b,cそれぞれの耐摩耗性を高めるという観点から、第2窒化層13bのビッカース硬さは700〜1200HV0.05の範囲内であることが好ましく、750〜1100HV0.05の範囲内であることが更に好ましい。第2窒化層13bのビッカース硬さが1200HV0.05を超えると、ピストン材であるアルミニウム合金への攻撃性が高くなるので好ましくない。   On the other hand, the nitride layer 13 formed on the inner peripheral surface d and the upper and lower surfaces b, c of the steel base material 11 includes a first nitride layer 13a having a Vickers hardness of less than 700 HV0.05, and the first nitride layer 13a. And a second nitride layer 13b covering the substrate. The Vickers hardness of the second nitride layer 13b is larger than the Vickers hardness of the first nitride layer 13a. From the viewpoint of improving the wear resistance of the inner peripheral surface d and the upper and lower surfaces b and c of the piston ring 10, the Vickers hardness of the second nitride layer 13b is preferably in the range of 700 to 1200 HV0.05. More preferably, it is in the range of 750-1100HV0.05. If the Vickers hardness of the second nitride layer 13b exceeds 1200 HV0.05, it is not preferable because the aggressiveness to the aluminum alloy as the piston material is increased.

スチール製母材11の外周面aのうち、外周摺動面eから上下面b,cに連なる領域には、図1(b)に示すように、面取り面15cが形成されている。そして、外周摺動面eに形成されている窒化層12と、上下面b,cに形成されている窒化層13とが、この面取り面15cを隔てて分離されている。したがって、窒化層12,13が形成されていない領域15sは、スチール製母材11の素地がピストンリングの円周方向に、幅Lで形成されている。各領域15sは、スチール製母材11の円周方向に間欠的に形成することも可能であるが、スチール製母材11の円周方向の全長に亘って形成されていることが好ましい。また、その領域15sの幅Lは、通常、50〜400μmの範囲内で形成されていることが好ましく、150〜300μmの範囲内で形成されていることがより好ましい。このように、外周摺動面eから上下面b,cに連なる領域に、脆さを有する窒化層が形成されていないので、そのコーナー部は靱性を有し、折損の発生が起こり難くなっている。なお、図1では、外周摺動面eから上下面b,cに連なる領域を面取り面15cで示しているが、その領域は外側にゆるやかな凸の曲面形状であっても構わない。   A chamfered surface 15c is formed in the outer peripheral surface a of the steel base material 11 in a region extending from the outer peripheral sliding surface e to the upper and lower surfaces b and c, as shown in FIG. The nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e and the nitride layer 13 formed on the upper and lower surfaces b and c are separated with the chamfered surface 15c therebetween. Therefore, in the region 15s where the nitride layers 12 and 13 are not formed, the base material of the steel base material 11 is formed with a width L in the circumferential direction of the piston ring. Each region 15 s can be formed intermittently in the circumferential direction of the steel base material 11, but is preferably formed over the entire length of the steel base material 11 in the circumferential direction. In addition, the width L of the region 15s is usually preferably in the range of 50 to 400 μm, and more preferably in the range of 150 to 300 μm. As described above, since the brittle nitride layer is not formed in the region extending from the outer peripheral sliding surface e to the upper and lower surfaces b and c, the corner portion has toughness and breakage hardly occurs. Yes. In FIG. 1, a region continuous from the outer peripheral sliding surface e to the upper and lower surfaces b and c is indicated by a chamfered surface 15 c, but the region may have a gently convex curved shape on the outside.

硬質クロムめっき皮膜14としては、ビッカース硬さが900〜1200HV0.05の範囲内のものが好ましく、その構造は単層構造であってもよいし、2層以上の積層構造であってもよい。いずれにしても、硬質クロムめっき皮膜14は保油性の高い被膜であることが望ましいので、ポーラスなめっき皮膜であることが好ましい。硬質クロムめっき皮膜14の厚さは、100〜200μm程度の範囲内であることが好ましく、120〜180μm程度の範囲内であることが更に好ましい。硬質クロムめっき皮膜14の厚さが100μm未満では、ピストンリング10の外周摺動面eの耐摩耗性が低くなり易い。一方、その厚さが200μmを超えると、品質に変化が無く、むしろ過剰品質となってコストアップになる。   The hard chromium plating film 14 preferably has a Vickers hardness in the range of 900 to 1200 HV0.05, and the structure may be a single layer structure or a laminated structure of two or more layers. In any case, the hard chromium plating film 14 is preferably a porous plating film because it is desirable that the hard chromium plating film 14 be a film with high oil retention. The thickness of the hard chrome plating film 14 is preferably in the range of about 100 to 200 μm, and more preferably in the range of about 120 to 180 μm. When the thickness of the hard chrome plating film 14 is less than 100 μm, the wear resistance of the outer peripheral sliding surface e of the piston ring 10 tends to be low. On the other hand, when the thickness exceeds 200 μm, there is no change in the quality, but rather the quality becomes excessive and the cost increases.

硬質クロムめっき皮膜14は、前述のようにスチール製母材11の外周面aを覆っている。したがって、窒化層12,13が互いに分離されている各領域15sにおいては、スチール製母材11の素地上に硬質クロムめっき皮膜14が直接形成されている。   The hard chrome plating film 14 covers the outer peripheral surface a of the steel base material 11 as described above. Therefore, in each region 15 s where the nitride layers 12 and 13 are separated from each other, the hard chromium plating film 14 is directly formed on the base material of the steel base material 11.

上述の構造を有するピストンリング10は、スチール製母材11の外周面aに窒化層12が形成され、この窒化層12を覆うようにして硬質クロムめっき皮膜14が形成されているので、硬質クロムめっき皮膜14が摩滅した後においては、窒化層12が外周摺動面eとなる。したがって、本発明のピストンリング10は、硬質クロムめっき皮膜14が摩滅した後であっても、耐摩耗性を維持することができる。また、本発明のピストンリング10は、スチール製母材11の内周面d及び上下面b,cにそれぞれ窒化層13が形成され、かつ、上記の各面取り面15cを有しているので、シリンダ本体との摺動による摩耗も抑制される。   In the piston ring 10 having the above-described structure, the nitride layer 12 is formed on the outer peripheral surface a of the steel base material 11, and the hard chromium plating film 14 is formed so as to cover the nitride layer 12, so that the hard chromium After the plating film 14 is worn away, the nitride layer 12 becomes the outer peripheral sliding surface e. Therefore, the piston ring 10 of the present invention can maintain the wear resistance even after the hard chromium plating film 14 is worn away. Further, the piston ring 10 of the present invention has the nitrided layer 13 formed on the inner peripheral surface d and the upper and lower surfaces b, c of the steel base material 11 and has the chamfered surfaces 15c described above. Wear due to sliding with the cylinder body is also suppressed.

更に、硬質クロムめっき皮膜14は、脆い窒化層が形成されていない領域15sでスチール製母材11上に直接形成されているので、その領域15sでは、比較的高い靱性を容易に確保することができる。その結果として、ピストンリング10の疲労強度を向上させることができ、面取り面15cとなっている領域からの折損を抑制することができる。   Furthermore, since the hard chromium plating film 14 is directly formed on the steel base material 11 in the region 15s where the brittle nitride layer is not formed, it is possible to easily ensure relatively high toughness in the region 15s. it can. As a result, the fatigue strength of the piston ring 10 can be improved, and breakage from the region that is the chamfered surface 15c can be suppressed.

本発明のピストンリング10は、例えば次のようにして製造することができる。   The piston ring 10 of the present invention can be manufactured, for example, as follows.

先ず、マルテンサイトステンレス鋼等からなるスチール製母材11を用意し、公知の機械加工を施してピストンリング形状に形成する。機械加工後のスチール製母材11の断面形状を略矩形状としたピストンリング素材に、窒化層13を全体に形成する。この窒化処理は、例えばガス窒化法、塩浴窒化法等により行うことができる。   First, a steel base material 11 made of martensite stainless steel or the like is prepared, and is formed into a piston ring shape by performing known machining. A nitride layer 13 is formed on the entire piston ring material in which the cross-sectional shape of the steel base material 11 after machining is substantially rectangular. This nitriding treatment can be performed by, for example, a gas nitriding method, a salt bath nitriding method, or the like.

窒化処理条件は、適用する窒化処理方法に応じて異なるが、第1窒化層13aの厚さが30〜100μmの範囲内となり、第2窒化層13bの厚さが50〜150μmの範囲内となり、第1窒化層13aと第2窒化層13bとの合計厚さが80〜250μmの範囲内となる条件(処理時間や温度等)が任意に設定される。なお、窒化層13の合計厚さが80μm未満であると、最終的に得られるピストンリングの内周面dの耐摩耗性及び厚さ方向の上下面b,cの耐摩耗性が低くなり易い。また、窒化層13の合計厚さが250μmを超えても、品質的にメリットはなく、むしろコスト高となる。窒化層13の合計厚さは、120〜200μmの範囲内であることが更に好ましい。   Although the nitriding conditions vary depending on the nitriding method to be applied, the thickness of the first nitride layer 13a is in the range of 30 to 100 μm, the thickness of the second nitride layer 13b is in the range of 50 to 150 μm, Conditions (treatment time, temperature, etc.) are set arbitrarily so that the total thickness of the first nitride layer 13a and the second nitride layer 13b is in the range of 80 to 250 μm. If the total thickness of the nitride layer 13 is less than 80 μm, the wear resistance of the inner peripheral surface d of the piston ring finally obtained and the wear resistance of the upper and lower surfaces b, c in the thickness direction are likely to be lowered. . Further, even if the total thickness of the nitride layer 13 exceeds 250 μm, there is no merit in terms of quality, but rather the cost is increased. The total thickness of the nitride layer 13 is more preferably in the range of 120 to 200 μm.

ガス窒化法や塩浴窒化法で窒化処理を施した場合には、スチール製母材11の表面に脆い化合物層が生成されるが、この化合物層は、例えば化学研磨等によって除去することができる。   When nitriding is performed by a gas nitriding method or a salt bath nitriding method, a brittle compound layer is generated on the surface of the steel base material 11, and this compound layer can be removed by chemical polishing or the like, for example. .

次に、窒化層が形成されたスチール製母材11について、その外周面aの上下面側のコーナー部を研磨等により面取り加工又は曲面加工して、窒化層の素地としてのスチール製母材11を局所的に露出させ、図1(b)に示した各領域15sを形成する。次いで、スチール製母材11の外周面aに形成されている窒化層をその厚さ方向に研磨加工して、ビッカース硬さが400〜900HV0.05の範囲内の窒化層12を残す。   Next, with respect to the steel base material 11 on which the nitrided layer is formed, the corners on the upper and lower surfaces of the outer peripheral surface a are chamfered or curved by grinding or the like, and the steel base material 11 as the base material of the nitrided layer is formed. Are locally exposed to form the respective regions 15s shown in FIG. Next, the nitride layer formed on the outer peripheral surface a of the steel base material 11 is polished in the thickness direction to leave the nitride layer 12 having a Vickers hardness in the range of 400 to 900 HV0.05.

その後、窒化層12が残ったスチール製母材の外周面a上に、図1(b)に示すように、硬質クロムめっき皮膜14を形成する。この硬質クロムめっき皮膜14は、例えば周知ないし公知の種々の方法により形成することができる。特許文献2に記載された製造方法によって硬質クロムめっき皮膜14を形成すれば、保油性が高く、かつ、耐摩耗性と耐焼付き性に優れた積層構造の硬質クロムめっき皮膜を得ることができる。以上のようにして、図1に示したピストンリング10が得られる。   Thereafter, a hard chromium plating film 14 is formed on the outer peripheral surface a of the steel base material on which the nitride layer 12 remains, as shown in FIG. The hard chromium plating film 14 can be formed by various known or known methods, for example. If the hard chromium plating film 14 is formed by the manufacturing method described in Patent Document 2, a hard chromium plating film having a laminated structure with high oil retention and excellent wear resistance and seizure resistance can be obtained. As described above, the piston ring 10 shown in FIG. 1 is obtained.

以上、本発明のピストンリングによれば、外周摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。また、外周摺動面から上下面に連なる曲面又は面取り面で比較的高い靱性を容易に確保することができるので、曲面又は面取り面で生じ易い折損を抑制することができる。その結果、本発明によれば、耐摩耗性及び疲労強度を向上させ易いピストンリングが提供されるので、内燃機関の高出力化と低燃費化等を図ることが容易になる。   As described above, according to the piston ring of the present invention, the wear resistance of the outer peripheral sliding surface can be improved. In addition, since relatively high toughness can be easily ensured by a curved surface or chamfered surface extending from the outer peripheral sliding surface to the upper and lower surfaces, it is possible to suppress breakage that easily occurs on the curved surface or chamfered surface. As a result, according to the present invention, a piston ring that easily improves wear resistance and fatigue strength is provided, so that it becomes easy to achieve high output and low fuel consumption of the internal combustion engine.

以下に実施例と比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.

(実施例1)
ピストンリングを形成するためのスチール製母材として、質量%で、Cr:10.05%、C:0.51%、Si:0.20%、Mn:0.31%、P:0.02%、S:0.02%の組成からなる材料(以下、A材という)を用い、ピストンリング形状となるように切削加工及び研削加工を行った。次いで、ピストンリング形状に加工されたスチール製母材11をガス窒化処理して窒化層13を形成した。このときの窒化処理は、アンモニア分解ガス雰囲気中に590℃×6時間保持して第1窒化層13aを形成し、さらに540℃×2時間保持して第2窒化層13bを形成する条件で行った。こうした窒化処理により、厚さ50μmの第1窒化層13aと、厚さ100μmの第2窒化層13bとからなる合計厚さ150μmの窒化層13をスチール製母材11上に形成した。
Example 1
As a steel base material for forming a piston ring, in mass%, Cr: 10.05%, C: 0.51%, Si: 0.20%, Mn: 0.31%, P: 0.02 %, S: Using a material having a composition of 0.02% (hereinafter referred to as A material), cutting and grinding were performed so as to obtain a piston ring shape. Next, the steel base material 11 processed into a piston ring shape was gas-nitrided to form a nitrided layer 13. The nitriding treatment at this time is performed under the condition that the first nitrided layer 13a is formed by holding at 590 ° C. for 6 hours in the ammonia decomposition gas atmosphere and the second nitrided layer 13b is formed by holding at 540 ° C. for 2 hours. It was. By such nitriding treatment, a nitride layer 13 having a total thickness of 150 μm composed of a first nitride layer 13 a having a thickness of 50 μm and a second nitride layer 13 b having a thickness of 100 μm was formed on the steel base material 11.

次に、窒化処理後のスチール製母材11に対して化学研磨を施し、窒化層13上に形成された化合物層を除去し、その後、外周摺動面eから上下面b,cに連なるコーナー部の窒化層13を研磨により取り除き、スチール製母材11が幅L約150μm露出するように面取り面15cを形成した。その際、外周摺動面eの窒化層12を厚さ35μmとなるまで併せて研磨した。次に、その外周摺動面eを含む外周面aを覆うように、積層構造の硬質クロムめっき皮膜14を形成した。積層構造の硬質クロムめっき皮膜14は、公知のフッ化クロム溶液を用い、1層当たり10μmのめっき厚となるように正電工程と逆電工程とを繰り返し行う電気めっき法により形成した。こうして15層の積層構造を有する硬質クロムめっき皮膜14を約150μmの厚さで形成した。さらに仕上げとして、ラッピング加工を行い、外周摺動面の性状を整えた。   Next, the steel base material 11 after the nitriding treatment is subjected to chemical polishing to remove the compound layer formed on the nitrided layer 13, and then corners connected from the outer peripheral sliding surface e to the upper and lower surfaces b and c. A portion of the nitrided layer 13 was removed by polishing, and a chamfered surface 15c was formed so that the steel base material 11 was exposed to a width L of about 150 μm. At that time, the nitride layer 12 on the outer peripheral sliding surface e was polished together until the thickness became 35 μm. Next, a hard chrome plating film 14 having a laminated structure was formed so as to cover the outer peripheral surface a including the outer peripheral sliding surface e. The hard chromium plating film 14 having a laminated structure was formed by an electroplating method using a known chromium fluoride solution and repeatedly performing a positive electric step and a reverse electric step so as to obtain a plating thickness of 10 μm per layer. Thus, a hard chromium plating film 14 having a laminated structure of 15 layers was formed with a thickness of about 150 μm. Furthermore, as a finish, lapping was performed to adjust the properties of the outer peripheral sliding surface.

こうして作製されたピストンリング10において、外周摺動面eに形成されている窒化層12は外周面近傍のビッカース硬さが900HV0.05であり、スチール製母材上に形成されている第1窒化層13aは第2窒化層13bのビッカース硬さ700HV0.05の位置から10μm母材側のビッカース硬さが582HV0.05であり、その第1窒化層13aを覆うように形成されている第2窒化層13bはビッカース硬さは最も硬度の高い部分において1200HV0.05であった。また、外周摺動面eを覆うように外周面aに形成されている硬質クロムめっき皮膜14はビッカース硬さが1200HV0.05であった。なお、ビッカース硬さは、微小ビッカース硬度計を用い、図1(b)に示すような断面を形成し、その断面に現れる各窒化層12,13a,13bと硬質クロムめっき皮膜14に加重0.05kg(50g)のダイヤモンド圧子を押し当てて測定した。   In the piston ring 10 thus manufactured, the nitrided layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e has a Vickers hardness of 900 HV0.05 in the vicinity of the outer peripheral surface, and the first nitridation formed on the steel base material. The layer 13a has a Vickers hardness of 582HV0.05 on the base material side from the position of the second nitride layer 13b where the Vickers hardness is 700HV0.05, and is formed so as to cover the first nitride layer 13a. Layer 13b had a Vickers hardness of 1200 HV0.05 at the highest hardness. Moreover, the hard chromium plating film 14 formed on the outer peripheral surface a so as to cover the outer peripheral sliding surface e had a Vickers hardness of 1200 HV0.05. The Vickers hardness is measured by using a micro Vickers hardness meter to form a cross section as shown in FIG. 1 (b) and applying a weight of 0. 0 to each nitride layer 12, 13a, 13b and hard chrome plating film 14 appearing in the cross section. The measurement was performed by pressing a 05 kg (50 g) diamond indenter.

(実施例2)
外周摺動面eに形成されている窒化層12のビッカース硬さを800HV0.05とし、外周摺動面eを覆うように形成されている硬質クロムめっき皮膜14のビッカース硬さを900HV0.05とした以外は、実施例1と同様にして実施例2のピストンリングを作製した。なお、外周摺動面eに形成されているビッカース硬さ800HV0.05の窒化層12は、実施例1の窒化層を研磨することにより形成し、外周摺動面eを覆うように形成されているビッカース硬さ900HV0.05の硬質クロムめっき皮膜14は、電流密度とめっき浴温度で調整することにより形成した。
(Example 2)
The Vickers hardness of the nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e is 800 HV0.05, and the Vickers hardness of the hard chromium plating film 14 formed so as to cover the outer peripheral sliding surface e is 900 HV0.05. A piston ring of Example 2 was produced in the same manner as Example 1 except that. The nitride layer 12 having a Vickers hardness of 800 HV0.05 formed on the outer peripheral sliding surface e is formed by polishing the nitride layer of Example 1, and is formed so as to cover the outer peripheral sliding surface e. The hard chromium plating film 14 having a Vickers hardness of 900 HV0.05 was formed by adjusting the current density and the plating bath temperature.

(実施例3)
外周摺動面eに形成されている窒化層12のビッカース硬さを400HV0.05とし、外周摺動面eを覆うように形成されている硬質クロムめっき皮膜14のビッカース硬さを1000HV0.05とした以外は、実施例1と同様にして実施例3のピストンリングを作製した。なお、外周摺動面eに形成されているビッカース硬さ400HV0.05の窒化層12は、実施例1の窒化層を研磨することにより形成し、外周摺動面eを覆うように形成されているビッカース硬さ1000HV0.05の硬質クロムめっき皮膜14は、電流密度とめっき浴温度で調整することにより形成した。
(Example 3)
The Vickers hardness of the nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e is 400 HV0.05, and the Vickers hardness of the hard chromium plating film 14 formed so as to cover the outer peripheral sliding surface e is 1000 HV0.05. A piston ring of Example 3 was produced in the same manner as Example 1 except that. The nitride layer 12 having a Vickers hardness of 400 HV0.05 formed on the outer peripheral sliding surface e is formed by polishing the nitride layer of Example 1, and is formed so as to cover the outer peripheral sliding surface e. The hard chromium plating film 14 having a Vickers hardness of 1000 HV0.05 was formed by adjusting the current density and the plating bath temperature.

(実施例4)
ピストンリングを形成するためのスチール製母材として、質量%で、Cr:17.85%、Co:4%、Mo:1.16%、C:0.89%、Si:0.32%、Mn:0.35%、V:0.12%、P:0.02%、S:0.02%の組成からなる材料(以下、B材という)を用いた以外は、実施例1と同様にして実施例4のピストンリングを作製した。こうして作製されたピストンリング10において、外周摺動面eに形成されている窒化層12はビッカース硬さが900HV0.05であり、スチール製母材上に形成されている第1窒化層13aは第2窒化層13bのビッカース硬さ700HV0.05の位置から10μm母材側のビッカース硬さが586HV0.05であり、その第1窒化層13aを覆うように形成されている第2窒化層13bはビッカース硬さが700HV0.05であった。また、外周摺動面eを覆うように外周面aに形成されている硬質クロムめっき皮膜14はビッカース硬さが1200HV0.05であった。
(Example 4)
As a steel base material for forming the piston ring, in mass%, Cr: 17.85%, Co: 4%, Mo: 1.16%, C: 0.89%, Si: 0.32%, Except for using a material (hereinafter referred to as B material) having a composition of Mn: 0.35%, V: 0.12%, P: 0.02%, S: 0.02% Thus, the piston ring of Example 4 was produced. In the piston ring 10 thus manufactured, the nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e has a Vickers hardness of 900HV0.05, and the first nitride layer 13a formed on the steel base material is the first nitride layer 13a. The Vickers hardness on the 10 μm base material side is 586 HV0.05 from the position of the Vickers hardness 700 HV0.05 of the second nitride layer 13 b, and the second nitride layer 13 b formed so as to cover the first nitride layer 13 a is Vickers The hardness was 700HV0.05. Moreover, the hard chromium plating film 14 formed on the outer peripheral surface a so as to cover the outer peripheral sliding surface e had a Vickers hardness of 1200 HV0.05.

(実施例5)
ピストンリングを形成するためのスチール製母材としてB材を用い、外周摺動面eに形成されている窒化層12のビッカース硬さを800HV0.05とし、外周摺動面eを覆うように形成されている硬質クロムめっき皮膜14のビッカース硬さを900HV0.05とした以外は、実施例4と同様にして実施例5のピストンリングを作製した。なお、外周摺動面eに形成されているビッカース硬さ800HV0.05の窒化層12は、実施例4の窒化層を研磨することにより形成し、外周摺動面eを覆うように形成されているビッカース硬さ900HV0.05の硬質クロムめっき皮膜14は、電流密度とめっき浴温度で調整することにより形成した。
(Example 5)
B material is used as a steel base material for forming the piston ring, and the Vickers hardness of the nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e is set to 800 HV0.05 to cover the outer peripheral sliding surface e. A piston ring of Example 5 was produced in the same manner as in Example 4 except that the Vickers hardness of the hard chrome plating film 14 used was 900 HV0.05. The nitride layer 12 having a Vickers hardness of 800 HV0.05 formed on the outer peripheral sliding surface e is formed by polishing the nitride layer of Example 4, and is formed so as to cover the outer peripheral sliding surface e. The hard chromium plating film 14 having a Vickers hardness of 900 HV0.05 was formed by adjusting the current density and the plating bath temperature.

(実施例6)
ピストンリングを形成するためのスチール製母材としてB材を用い、外周摺動面eに形成されている窒化層12のビッカース硬さを400HV0.05とし、外周摺動面eを覆うように形成されている硬質クロムめっき皮膜14のビッカース硬さを1000HV0.05とした以外は、実施例4と同様にして実施例6のピストンリングを作製した。なお、外周摺動面eに形成されているビッカース硬さ400HV0.05の窒化層12は、実施例4の窒化層を研磨することにより形成し、外周摺動面eを覆うように形成されているビッカース硬さ1000HV0.05の硬質クロムめっき皮膜14は、電流密度とめっき浴温度で調整することにより形成した。
(Example 6)
B material is used as a steel base material for forming the piston ring, and the Vickers hardness of the nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e is set to 400 HV0.05 so as to cover the outer peripheral sliding surface e. A piston ring of Example 6 was produced in the same manner as in Example 4 except that the Vickers hardness of the hard chrome plating film 14 was changed to 1000 HV0.05. The nitride layer 12 having a Vickers hardness of 400 HV0.05 formed on the outer peripheral sliding surface e is formed by polishing the nitride layer of Example 4, and is formed so as to cover the outer peripheral sliding surface e. The hard chromium plating film 14 having a Vickers hardness of 1000 HV0.05 was formed by adjusting the current density and the plating bath temperature.

(比較例1)
実施例1とはピストンリング素材の外周コーナー部が形成されたことのみが異なる素材を用い、実施例1と同様な熱処理を施し、外周摺動面eのみを研磨して、窒化層13を厚さ150μm程度残すように面取り面15cを形成した。それ以外は実施例1と同様にして比較例1のピストンリングを作製した。なお、実施例1と同様、外周摺動面eに形成されている窒化層12はビッカース硬さが900HV0.05であり、スチール製母材上に形成されている第1窒化層13aは第2窒化層13bのビッカース硬さ700HV0.05の位置から10μm母材側のビッカース硬さが577HV0.05であり、その第1窒化層13aを覆うように形成されている第2窒化層13bはビッカース硬さは最も硬度の高い部分において1100HV0.05であった。また、外周摺動面eを覆うように形成されている硬質クロムめっき皮膜14はビッカース硬さが1200HV0.05であった。
(Comparative Example 1)
A material different from that of Example 1 only in that the outer peripheral corner portion of the piston ring material is formed, and heat treatment similar to that of Example 1 is performed, and only the outer peripheral sliding surface e is polished to thicken the nitride layer 13. A chamfered surface 15c was formed so as to leave a thickness of about 150 μm. Other than that was carried out similarly to Example 1, and produced the piston ring of the comparative example 1. FIG. As in Example 1, the nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e has a Vickers hardness of 900 HV0.05, and the first nitride layer 13a formed on the steel base material is the second. The Vickers hardness on the 10 μm base material side from the position of the Vickers hardness 700HV0.05 of the nitride layer 13b is 577HV0.05, and the second nitride layer 13b formed so as to cover the first nitride layer 13a is Vickers hardness. The hardness was 1100HV0.05 in the hardest part. The hard chromium plating film 14 formed so as to cover the outer peripheral sliding surface e had a Vickers hardness of 1200 HV0.05.

(比較例2)
ピストンリングを形成するためのスチール製母材としてA材を用い、外周摺動面eに形成されている窒化層12のビッカース硬さを360HV0.05とした以外は、実施例1と同様にして比較例2のピストンリングを作製した。なお、外周摺動面eに形成されているビッカース硬さ360HV0.05の窒化層12は、実施例1の窒化層を研磨することにより形成した。
(Comparative Example 2)
Except for using A material as the steel base material for forming the piston ring and setting the Vickers hardness of the nitride layer 12 formed on the outer peripheral sliding surface e to 360 HV0.05, the same as in Example 1. The piston ring of Comparative Example 2 was produced. The nitride layer 12 having a Vickers hardness of 360 HV0.05 formed on the outer peripheral sliding surface e was formed by polishing the nitride layer of Example 1.

(評価;疲労強度試験)
実施例1〜6及び比較例1,2の各ピストンリングの疲労強度を、図2に概略的に示すリング実体型疲労試験機20(以下、試験機20という。)を用いて測定した。先ず、ピストンリング10の合い口部1側の一端を試験機20の支持台21に固定し、他の一端を梃子アーム22に固定する。次に、偏心カム23を回転させて動力伝達棒24を図2中に矢印Aで示す方向に往復運動させる。動力伝達棒24の往復運動に伴って、この動力伝達棒24に連結されている梃子アーム22が図2中に矢印Bで示す方向に往復運動し、ピストンリング10の合い口部1の開閉量が変化する。実施例及び比較例はいずれも同一の試験条件下でピストンリング10が折損するまで試験を行い、このときのS−N曲線(応力−繰返し数曲線)から1×10 回の繰返し数に耐え得る応力を疲労強度(疲れ限度)として求めた。なお、図2中の符号25は、動力伝達棒24の往復運動の方向を規制するためのガイドである。
(Evaluation: Fatigue strength test)
The fatigue strength of each piston ring of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 was measured using a ring solid fatigue tester 20 (hereinafter referred to as tester 20) schematically shown in FIG. First, one end of the piston ring 10 on the side of the mating portion 1 is fixed to the support base 21 of the testing machine 20, and the other end is fixed to the lever arm 22. Next, the eccentric cam 23 is rotated to reciprocate the power transmission rod 24 in the direction indicated by the arrow A in FIG. As the power transmission rod 24 reciprocates, the lever arm 22 connected to the power transmission rod 24 reciprocates in the direction indicated by arrow B in FIG. Changes. Each of the examples and comparative examples was tested until the piston ring 10 was broken under the same test conditions, and withstands a number of repetitions of 1 × 10 7 times from the SN curve (stress-repetition number curve) at this time. The stress obtained was determined as fatigue strength (fatigue limit). In addition, the code | symbol 25 in FIG. 2 is a guide for controlling the direction of the reciprocating motion of the power transmission rod 24. FIG.

その結果を表1に示す。なお、表1の結果は、比較例1で得られた疲労強度を疲労強度指数100とし、実施例1〜6及び比較例2で得られた疲労強度を比較例1の結果と比較して表した。表1から明らかなように、本発明に係る実施例1〜6のピストンリングは、疲労強度指数が高く、優れた疲労強度を有していた。   The results are shown in Table 1. The results in Table 1 are obtained by comparing the fatigue strength obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Example 2 with the results of Comparative Example 1 with the fatigue strength obtained in Comparative Example 1 as the fatigue strength index 100. did. As is apparent from Table 1, the piston rings of Examples 1 to 6 according to the present invention had a high fatigue strength index and had excellent fatigue strength.

Figure 0004267588
Figure 0004267588

本発明のピストンリングの一例を示す模式図であり、(a)は模式平面図であり、(b)模式断面図である。It is a schematic diagram which shows an example of the piston ring of this invention, (a) is a schematic plan view, (b) It is a schematic cross section. 疲労強度の測定に用いたリング実体型疲労試験機を示す概略図である。It is the schematic which shows the ring substance type fatigue testing machine used for the measurement of fatigue strength.

符号の説明Explanation of symbols

10 ピストンリング
1 合い口部
11 スチール製母材
12,13 窒化層
13a 第1窒化層
13b 第2窒化層
14 硬質クロムめっき皮膜
15c 面取り面
15s 窒化層が形成されていない領域
L 幅
a 外周面
b 上面
c 下面
d 内周面
e 外周摺動面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piston ring 1 Joint part 11 Steel base material 12, 13 Nitride layer 13a 1st nitride layer 13b 2nd nitride layer 14 Hard chromium plating film 15c Chamfering surface 15s Area | region where the nitride layer is not formed L width a outer peripheral surface b Upper surface c Lower surface d Inner peripheral surface e Outer peripheral sliding surface

Claims (3)

外周面の一部をなす外周摺動面、内周面、及び厚さ方向の上下面それぞれに窒化層が形成されているスチール製母材と、該スチール製母材の前記外周面を覆う硬質クロムめっき皮膜とを有するピストンリングであって、
前記外周面のうち、前記外周摺動面から前記上下面に連なるコーナー部には曲面又は面取り面が形成されていると共に、前記外周摺動面に形成されている窒化層と前記上下面に形成されている窒化層とが前記曲面又は面取り面のみを隔てて分離され、
前記外周摺動面に形成されている窒化層のビッカース硬さが400〜900HV0.05の範囲内にあり、
前記窒化層が形成されていない前記コーナー部の幅が50〜400μmであり、当該幅からなるコーナー部のスチール製母材上に前記硬質クロムめっき皮膜が直接形成されていることを特徴とするピストンリング。
A steel base material in which a nitride layer is formed on each of the outer peripheral sliding surface, the inner peripheral surface, and the upper and lower surfaces in the thickness direction, which form part of the outer peripheral surface, and a hard material that covers the outer peripheral surface of the steel base material A piston ring having a chromium plating film,
Of the outer peripheral surface, a curved surface or a chamfered surface is formed at a corner portion extending from the outer peripheral sliding surface to the upper and lower surfaces, and a nitrided layer formed on the outer peripheral sliding surface and the upper and lower surfaces are formed. Separated from the nitride layer being separated only by the curved surface or chamfered surface ,
The Vickers hardness of the nitride layer formed on the outer peripheral sliding surface is in the range of 400 to 900 HV0.05,
A width L of the corner portion where the nitride layer is not formed is 50 to 400 μm, and the hard chromium plating film is directly formed on a steel base material of the corner portion having the width L. Piston ring to do.
前記スチール製母材の内周面及び厚さ方向の上下面に形成されている窒化層が、ビッカース硬さ700HV0.05未満の第1窒化層と、該第1窒化層を覆う第2窒化層とを有し、前記第2窒化層のビッカース硬さが前記第1窒化層のビッカース硬さよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のピストンリング。   The nitride layer formed on the inner peripheral surface of the steel base material and the upper and lower surfaces in the thickness direction includes a first nitride layer having a Vickers hardness of less than 700 HV0.05, and a second nitride layer covering the first nitride layer 2. The piston ring according to claim 1, wherein the second nitride layer has a Vickers hardness larger than that of the first nitride layer. 前記硬質クロムめっき皮膜が積層構造を有し、該硬質クロムめっき皮膜のビッカース硬さが900〜1200HV0.05の範囲内であることを特徴とする請求項1又は2に記載のピストンリング。
The piston ring according to claim 1 or 2, wherein the hard chrome plating film has a laminated structure, and the Vickers hardness of the hard chrome plating film is in a range of 900 to 1200 HV0.05.
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