JP4392485B2 - ピストンリング - Google Patents
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- F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
- F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れたステンレス鋼製ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の耐摩耗性に優れたステンレス鋼製ピストンリングは、ステンレス鋼製母材の上下面、外周、内周に窒化処理を施して窒化層を形成し、外周の窒化層から化合物層を除去して拡散層を露出させ、その拡散層上に硬質セラミックを真空蒸着してイオンプレーティング皮膜を形成したものである。
【０００３】
このピストンリングは、イオンプレーティング皮膜にクラックが発生すると、そのクラックが窒化層に伝播して耐疲労強度が低下するという欠点があった。
【０００４】
この欠点を克服するため、ピストンリングのステンレス鋼製母材の外周上に直接イオンプレーティング皮膜のみを形成し、窒化層は母材の上下面と内周のみに形成したものが、特許第３０９０５２０号公報に提案されている。
【０００５】
しかし、ステンレス鋼製母材上に直接形成したイオンプレーティング皮膜は、窒化層から化合物層を除去した拡散層上に形成したものに比べると、密着性が劣るという問題がある。更に、ステンレス鋼製母材外周面上に直接イオンプレーティング皮膜を形成した場合、皮膜が摩滅すると直接鋼製母材が摺動することとなり、スカッフィングを引き起こす。その対策として、皮膜を厚くすると耐折損性が悪くなると共にコストアップも招くという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、その課題は、ステンレス鋼製母材の上下面と内外周に窒化層が形成され、外周の窒化層の上に硬質セラミックのイオンプレーティング皮膜が形成されたピストンリングであって、イオンプレーティング皮膜にクラックが発生してもピストンリングの耐疲労強度が低下しないものを提供することにある。
【０００７】
本願の発明者は、ピストンリング外周のイオンプレーティング皮膜は、靭性が不足するため、クラックの発生を防止することはできないが、クラックは主として上下のコーナで発生するから、上下のコーナで発生したイオンプレーティングのクラックの伝播を規制すれば、クラックに起因するピストンリングの耐疲労強度の低下を防止することができると思料して、上記課題を達成する本発明を想致した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するため、本発明が採用する手段は、ステンレス鋼製母材の上下面及び内外周に所定厚さの窒化層を形成し、ついで、外周の窒化層から化合物層を除去して拡散層を露出させ、その拡散層上に硬質セラミックを真空蒸着してイオンプレーティング皮膜を形成してなるピストンリングにおいて、ピストンリングの外周上下コーナに面取り加工を施して外周上下コーナの拡散層の厚さを前記所定厚さの３０％以下としたことにある。
【０００９】
この手段により、靭性が不足するイオンプレーティング皮膜のクラックはピストンリング外周上下コーナ部分に発生するが、この部分のイオンプレーティング皮膜の下には、クラックの伝播を受け付けないステンレス鋼母材の非窒化部分又は窒化程度が小さい拡散層最深部が存在するから、イオンプレーティング皮膜にクラックが発生しても、そのクラックが下へ伝播されることはない。
【００１０】
ピストンリング外周上下コーナの面取り加工を大きくすると、外周上下コーナ部分のイオンプレーテイング皮膜の下は、クラックの伝播を受け付けない非窒化のステンレス鋼母材であるから、イオンプレーティング皮膜のクラックが伝播するおそれは全くない。しかし、ピストンリングの上下厚さが小さい場合、面取りが大きいと、ピストンリングのシール性の低下を招くから、面取り加工は、外周上下コーナに窒化層の所定厚さの３０％程度の拡散層が残る程度にすることが好ましい。イオンプレーティング皮膜は、耐クラック性を向上させるため、結晶を［２００］に配向させて柱状晶とすることが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のピストンリングを図面に示す実施例に基づいて説明する。
【００１２】
図１は実施例のピストンリングの横断面図であり、（ａ）は面取り前の状態を、（ｂ）は面取り後の状態を、（ｃ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、ピストンリング１のステンレス鋼製母材２は、全面に窒化処理が施され、上下面及び内外周の全面に窒化層３が形成される。窒化層３は厚さが６０〜１２０μｍである。窒化層３の表面近くは窒素濃度の高い化合物層４であり、その下は窒素濃度が順次低下する拡散層５である。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、ピストンリング１の上下外周コーナ部分６に研磨による面取り加工を施してその部分の窒化層３を削除し、ステンレス鋼母材２の上下外周コーナ７を露出させる。この面取り加工の前後に、同じく研磨により、ピストンリング１の外周及び上下面の窒化層３から化合物層を除去して拡散層５を露出させる。
【００１５】
次に、図１（ｃ）に示すように、ピストンリング１の外周に真空蒸着処理を施して硬質セラミックのイオンプレーティング皮膜８を形成する。イオンプレーティング皮膜８の下に位置する拡散層５の厚さは、外周上下コーナ部分６を除くと略一定であるが、上下コーナ７に近づくに従い低減し、上下コーナ７においてはゼロになる。
【００１６】
このピストンリング１を使用したとき、靭性不足の硬質セラミック製イオンプレーティング皮膜８は、上下コーナ部分６においてクラックが発生し、そのクラックは上下コーナ７近くのステンレス鋼母材２又は拡散層５に作用する。しかし、ステンレス鋼母材２は拡散窒素の影響を受けておらず、又、上下コーナ７近くの拡散層は拡散窒素の濃度が小さい窒化層の最深部であり、拡散窒素の影響は比較的小さいから、クラックがステンレス鋼母材２又は拡散層５に伝播することはない。したがって、イオンプレーティング皮膜８に生じたクラックにより、ピストンリング１の耐疲労強度が低下するおそれはない。
【００１７】
イオンプレーティング皮膜８は、拡散層５の上に形成されているから、窒化処理の影響を受けないステンレス鋼母材上に直接形成したものに比べると、密着性に優れ、剥離のおそれは少ない。また、仮にイオンプレーティング皮膜が摩滅してもその下には窒化拡散層５があるためにスカッフィングを生じることがない。
【００１８】
この実施例のピストンリングは窒化処理後、上下面の化合物層を除去したが、上下面の化合物層は残しておいてもよい。
【００１９】
【実施例】
次に、図２に示す別の実施例について説明する。
【００２０】
図２は、上下厚さが半径方向厚さに比べて小さいピストンリングの横断面図であり、（ａ）は面取り後の状態を、（ｂ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、ピストンリング１ａのステンレス鋼母材２ａの全周に厚さ６０〜１２０μｍの窒化層３ａが形成される。前記実施例と同様に、外周は化合物層４ａが除去されて拡散層５ａが露出し、その拡散層の上にイオンプレーティング皮膜８ａが形成される。ピストンリング１ａの外周上下コーナ部分６ａは、その部分の拡散層５ａの最小厚さが、窒化層３ａの厚さの３０％以下、例えば拡散層５ａが１００μｍの場合は２０μｍとなるように面取り加工される。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、ピストンリング１ａの外周に形成されたイオンプレーティング皮膜８ａ下には拡散層５ａが存在し、その拡散層５ａの厚さは、外周上下コーナ部分６ａを除くと略一定であるが、上下コーナ７ａに近づくに従い、厚さは窒化層３ａの厚さの３０％以下まで低減する。
【００２３】
このピストンリング１ａを使用したとき、イオンプレーティング皮膜８ａのクラックは上下コーナ７ａの近くで発生し、ぞの下の拡散層５ａに影響するが、その部分の拡散層５ａは窒素濃度が比較的低いため、クラックが伝播するおそれは少ない。したがって、ピストンリング１ａの耐疲労強度がイオンプレーティング８ａのクラックにより低下するおそれは少ない。この実施例のピストンリングは、窒化処理後、上下面の化合物層を残しているが、前記実施例のように化合物層を除去することも可能である。
【００２４】
上記以外の構成及び効果は前記実施例のものと同様である。
【００２５】
【発明の効果】
上記のとおり、本発明のピストンリングは、ステンレス鋼製母材の上下面及び内外周に窒化層を形成し、外周の窒化層から化合物層を除去して露出させた拡散層の上にイオンプレーティング皮膜を形成したから、イオンプレーティング皮膜の密着性は良好であり、又、外周上下コーナを面取り加工してそこの拡散層の最小厚さを窒化層の厚さの３０％以下にすることにより、外周上下コーナ部分の拡散窒素の濃度を著しく低減したから、靭性不足のためイオンプレーティングの上下コーナ部分に生じるクラックがその下の拡散層又はステンレス鋼製母材に伝播してピストンリングの耐疲労強度を低下させるおそれは少ないという優れた効果を奏する。また、仮にイオンプレーティング皮膜が摩滅してもその下には窒化拡散層が存在するためスカッフィングを生じることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のピストンリングの横断面図であり、（ａ）は面取り前の状態を、（ｂ）は面取り後の状態を、（ｃ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【図２】別の実施例の図１に相当する図であり、（ａ）は面取り後の状態を、（ｂ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【符号の説明】
１、１ａ：ピストンリング
２、２ａ：ステンレス鋼製母材
３、３ａ：窒化層
４、４ａ：化合物層
５、５ａ：拡散層
６、６ａ：コーナ部分
７、７ａ：コーナ
８、８ａ：イオンプレーティング皮膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れたステンレス鋼製ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の耐摩耗性に優れたステンレス鋼製ピストンリングは、ステンレス鋼製母材の上下面、外周、内周に窒化処理を施して窒化層を形成し、外周の窒化層から化合物層を除去して拡散層を露出させ、その拡散層上に硬質セラミックを真空蒸着してイオンプレーティング皮膜を形成したものである。
【０００３】
このピストンリングは、イオンプレーティング皮膜にクラックが発生すると、そのクラックが窒化層に伝播して耐疲労強度が低下するという欠点があった。
【０００４】
この欠点を克服するため、ピストンリングのステンレス鋼製母材の外周上に直接イオンプレーティング皮膜のみを形成し、窒化層は母材の上下面と内周のみに形成したものが、特許第３０９０５２０号公報に提案されている。
【０００５】
しかし、ステンレス鋼製母材上に直接形成したイオンプレーティング皮膜は、窒化層から化合物層を除去した拡散層上に形成したものに比べると、密着性が劣るという問題がある。更に、ステンレス鋼製母材外周面上に直接イオンプレーティング皮膜を形成した場合、皮膜が摩滅すると直接鋼製母材が摺動することとなり、スカッフィングを引き起こす。その対策として、皮膜を厚くすると耐折損性が悪くなると共にコストアップも招くという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、その課題は、ステンレス鋼製母材の上下面と内外周に窒化層が形成され、外周の窒化層の上に硬質セラミックのイオンプレーティング皮膜が形成されたピストンリングであって、イオンプレーティング皮膜にクラックが発生してもピストンリングの耐疲労強度が低下しないものを提供することにある。
【０００７】
本願の発明者は、ピストンリング外周のイオンプレーティング皮膜は、靭性が不足するため、クラックの発生を防止することはできないが、クラックは主として上下のコーナで発生するから、上下のコーナで発生したイオンプレーティングのクラックの伝播を規制すれば、クラックに起因するピストンリングの耐疲労強度の低下を防止することができると思料して、上記課題を達成する本発明を想致した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するため、本発明が採用する手段は、ステンレス鋼製母材の上下面及び内外周に所定厚さの窒化層を形成し、ついで、外周の窒化層から化合物層を除去して拡散層を露出させ、その拡散層上に硬質セラミックを真空蒸着してイオンプレーティング皮膜を形成してなるピストンリングにおいて、ピストンリングの外周上下コーナに面取り加工を施して外周上下コーナの拡散層の厚さを前記所定厚さの３０％以下としたことにある。
【０００９】
この手段により、靭性が不足するイオンプレーティング皮膜のクラックはピストンリング外周上下コーナ部分に発生するが、この部分のイオンプレーティング皮膜の下には、クラックの伝播を受け付けないステンレス鋼母材の非窒化部分又は窒化程度が小さい拡散層最深部が存在するから、イオンプレーティング皮膜にクラックが発生しても、そのクラックが下へ伝播されることはない。
【００１０】
ピストンリング外周上下コーナの面取り加工を大きくすると、外周上下コーナ部分のイオンプレーテイング皮膜の下は、クラックの伝播を受け付けない非窒化のステンレス鋼母材であるから、イオンプレーティング皮膜のクラックが伝播するおそれは全くない。しかし、ピストンリングの上下厚さが小さい場合、面取りが大きいと、ピストンリングのシール性の低下を招くから、面取り加工は、外周上下コーナに窒化層の所定厚さの３０％程度の拡散層が残る程度にすることが好ましい。イオンプレーティング皮膜は、耐クラック性を向上させるため、結晶を［２００］に配向させて柱状晶とすることが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のピストンリングを図面に示す実施例に基づいて説明する。
【００１２】
図１は実施例のピストンリングの横断面図であり、（ａ）は面取り前の状態を、（ｂ）は面取り後の状態を、（ｃ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、ピストンリング１のステンレス鋼製母材２は、全面に窒化処理が施され、上下面及び内外周の全面に窒化層３が形成される。窒化層３は厚さが６０〜１２０μｍである。窒化層３の表面近くは窒素濃度の高い化合物層４であり、その下は窒素濃度が順次低下する拡散層５である。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、ピストンリング１の上下外周コーナ部分６に研磨による面取り加工を施してその部分の窒化層３を削除し、ステンレス鋼母材２の上下外周コーナ７を露出させる。この面取り加工の前後に、同じく研磨により、ピストンリング１の外周及び上下面の窒化層３から化合物層を除去して拡散層５を露出させる。
【００１５】
次に、図１（ｃ）に示すように、ピストンリング１の外周に真空蒸着処理を施して硬質セラミックのイオンプレーティング皮膜８を形成する。イオンプレーティング皮膜８の下に位置する拡散層５の厚さは、外周上下コーナ部分６を除くと略一定であるが、上下コーナ７に近づくに従い低減し、上下コーナ７においてはゼロになる。
【００１６】
このピストンリング１を使用したとき、靭性不足の硬質セラミック製イオンプレーティング皮膜８は、上下コーナ部分６においてクラックが発生し、そのクラックは上下コーナ７近くのステンレス鋼母材２又は拡散層５に作用する。しかし、ステンレス鋼母材２は拡散窒素の影響を受けておらず、又、上下コーナ７近くの拡散層は拡散窒素の濃度が小さい窒化層の最深部であり、拡散窒素の影響は比較的小さいから、クラックがステンレス鋼母材２又は拡散層５に伝播することはない。したがって、イオンプレーティング皮膜８に生じたクラックにより、ピストンリング１の耐疲労強度が低下するおそれはない。
【００１７】
イオンプレーティング皮膜８は、拡散層５の上に形成されているから、窒化処理の影響を受けないステンレス鋼母材上に直接形成したものに比べると、密着性に優れ、剥離のおそれは少ない。また、仮にイオンプレーティング皮膜が摩滅してもその下には窒化拡散層５があるためにスカッフィングを生じることがない。
【００１８】
この実施例のピストンリングは窒化処理後、上下面の化合物層を除去したが、上下面の化合物層は残しておいてもよい。
【００１９】
【実施例】
次に、図２に示す別の実施例について説明する。
【００２０】
図２は、上下厚さが半径方向厚さに比べて小さいピストンリングの横断面図であり、（ａ）は面取り後の状態を、（ｂ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、ピストンリング１ａのステンレス鋼母材２ａの全周に厚さ６０〜１２０μｍの窒化層３ａが形成される。前記実施例と同様に、外周は化合物層４ａが除去されて拡散層５ａが露出し、その拡散層の上にイオンプレーティング皮膜８ａが形成される。ピストンリング１ａの外周上下コーナ部分６ａは、その部分の拡散層５ａの最小厚さが、窒化層３ａの厚さの３０％以下、例えば拡散層５ａが１００μｍの場合は２０μｍとなるように面取り加工される。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、ピストンリング１ａの外周に形成されたイオンプレーティング皮膜８ａ下には拡散層５ａが存在し、その拡散層５ａの厚さは、外周上下コーナ部分６ａを除くと略一定であるが、上下コーナ７ａに近づくに従い、厚さは窒化層３ａの厚さの３０％以下まで低減する。
【００２３】
このピストンリング１ａを使用したとき、イオンプレーティング皮膜８ａのクラックは上下コーナ７ａの近くで発生し、ぞの下の拡散層５ａに影響するが、その部分の拡散層５ａは窒素濃度が比較的低いため、クラックが伝播するおそれは少ない。したがって、ピストンリング１ａの耐疲労強度がイオンプレーティング８ａのクラックにより低下するおそれは少ない。この実施例のピストンリングは、窒化処理後、上下面の化合物層を残しているが、前記実施例のように化合物層を除去することも可能である。
【００２４】
上記以外の構成及び効果は前記実施例のものと同様である。
【００２５】
【発明の効果】
上記のとおり、本発明のピストンリングは、ステンレス鋼製母材の上下面及び内外周に窒化層を形成し、外周の窒化層から化合物層を除去して露出させた拡散層の上にイオンプレーティング皮膜を形成したから、イオンプレーティング皮膜の密着性は良好であり、又、外周上下コーナを面取り加工してそこの拡散層の最小厚さを窒化層の厚さの３０％以下にすることにより、外周上下コーナ部分の拡散窒素の濃度を著しく低減したから、靭性不足のためイオンプレーティングの上下コーナ部分に生じるクラックがその下の拡散層又はステンレス鋼製母材に伝播してピストンリングの耐疲労強度を低下させるおそれは少ないという優れた効果を奏する。また、仮にイオンプレーティング皮膜が摩滅してもその下には窒化拡散層が存在するためスカッフィングを生じることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のピストンリングの横断面図であり、（ａ）は面取り前の状態を、（ｂ）は面取り後の状態を、（ｃ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【図２】別の実施例の図１に相当する図であり、（ａ）は面取り後の状態を、（ｂ）はイオンプレーティング皮膜形成後の状態を、それぞれ示す。
【符号の説明】
１、１ａ：ピストンリング
２、２ａ：ステンレス鋼製母材
３、３ａ：窒化層
４、４ａ：化合物層
５、５ａ：拡散層
６、６ａ：コーナ部分
７、７ａ：コーナ
８、８ａ：イオンプレーティング皮膜
Claims (2)
- ステンレス鋼製母材（２）の上下面及び内外周に窒化層（３）を有し、外周の前記窒化層から化合物層（４）を除去して露出させた拡散層（５）上に硬質セラミックのイオンプレーティング皮膜（８）を有するピストンリング（１）において、外周上下コーナ部分（６）を面取り加工して、外周上下コーナ（７）における前記拡散層を削除し、前記イオンプレーティング皮膜の下に位置する前記拡散層の厚さは、前記外周上下コーナに近づくに従い低減し、前記外周上下コーナにおいてはゼロになることを特徴としてなるピストンリング。
- ステンレス鋼製母材（２ａ）の上下面及び内外周に窒化層（３ａ）を有し、外周の前記窒化層から化合物層（４ａ）を除去して露出させた拡散層（５ａ）上に硬質セラミックのイオンプレーティング皮膜（８ａ）を有するピストンリング（１ａ）において、外周上下コーナ部分（６ａ）を面取り加工して、外周上下コーナ（７ａ）における前記拡散層を削減し、前記イオンプレーティング皮膜の下に位置する前記拡散層の厚さは、前記外周上下コーナに近づくに従い、前記窒化層の厚さの３０％以下まで低減することを特徴としてなるピストンリング。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2001051581A JP4392485B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | ピストンリング |
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