JP4761374B2 - Piston ring for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関のピストンに設けられたリング溝に装着して使用されるピストンリングに関し、特に耐折損性が高く、優れた耐摩耗性を有するピストンリングに関する。 The present invention relates to a piston ring that is used by being attached to a ring groove provided in a piston of an internal combustion engine, and particularly relates to a piston ring that has high breakage resistance and excellent wear resistance.
内燃機関に用いられるピストンリングは、エンジンのシリンダライナ内に往復自在に配置されたピストンのリング溝に、その外周面とシリンダライナ内周面とが摺接関係となるように組み込まれる。上記ピストンリングはエンジン作動中は主に燃焼室の気密化、シリンダ表面に形成される潤滑油膜の厚さ制御、および燃焼熱をピストンからシリンダライナへ伝達することによるピストンの冷却等の働きをする。従って、ピストンリングには耐摩耗性、耐焼付性、耐熱性、保油性などの特性が高い次元で要求される。 A piston ring used in an internal combustion engine is incorporated into a piston ring groove disposed in a reciprocating manner in a cylinder liner of the engine so that the outer peripheral surface thereof and the inner peripheral surface of the cylinder liner are in a sliding contact relationship. The piston ring mainly serves to seal the combustion chamber, control the thickness of the lubricating oil film formed on the cylinder surface, and cool the piston by transferring the combustion heat from the piston to the cylinder liner during engine operation. . Therefore, the piston ring is required to have high characteristics such as wear resistance, seizure resistance, heat resistance, and oil retention.
従来より、内燃機関用のピストンリングの外周摺動面には、その耐久性を改善するため、硬質クロムめっき処理や窒化処理などの耐摩耗性の向上を目的とした表面処理が施されている。しかしながら、近年、内燃機関はますます軽量化および高出力化の方向へ向かっており、ピストンリングの摺動環境は非常に苛酷になり、上述したような表面処理では耐摩耗性等の機能を十分に満足させることができなくなってきている。最近では、さらにピストンリングの寿命を延ばすことを目的として、外周摺動面にイオンプレーティング法による硬質皮膜(窒化クロム、窒化チタン等)が形成されたピストンリングが用いられている。また、ピストンリングの耐折損性向上のために、外周摺動面のみにイオンプレーティング皮膜を形成し、上下面および内周面のみに窒化層を形成することでイオンプレーティング皮膜の下地に窒化処理を施さず、亀裂の伝播を抑制するタイプのピストンリングが用いられている。 Conventionally, the outer peripheral sliding surface of a piston ring for an internal combustion engine has been subjected to surface treatment for the purpose of improving wear resistance such as hard chrome plating treatment or nitriding treatment in order to improve its durability. . However, in recent years, internal combustion engines have become increasingly lighter and more powerful, and the sliding environment of the piston ring has become extremely harsh. Surface treatment such as that described above has sufficient wear resistance and other functions. Can no longer be satisfied. Recently, for the purpose of further extending the life of the piston ring, a piston ring having a hard coating (chromium nitride, titanium nitride, etc.) formed by an ion plating method on the outer peripheral sliding surface is used. In addition, in order to improve the breakage resistance of the piston ring, an ion plating film is formed only on the outer peripheral sliding surface, and a nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, thereby nitriding the base of the ion plating film. A piston ring of a type that suppresses the propagation of cracks without any treatment is used.
上述したようなピストンリングは、外周摺動面上にイオンプレーティング法により硬質皮膜を形成した後に、上下面および内周面に窒化処理を施すために、窒化処理の際に上記硬質皮膜の空孔から母材の外周面にまで窒素が侵入し、母材が窒化されることにより母材と硬質皮膜との間に硬度の高い窒化層が入り込み、当該部分の耐折損性が低下してしまう場合がある。特に、外周摺動面の両端部においては、外周摺動面の中央部に比べて上記硬質皮膜の厚さが薄くなるため、窒素が侵入しやすく、耐折損性が低下する。 Since the piston ring as described above forms a hard film on the outer peripheral sliding surface by ion plating, and then performs nitriding treatment on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, the hard film is emptied during nitriding. Nitrogen penetrates from the hole to the outer peripheral surface of the base material, and the base material is nitrided, so that a hard nitrided layer enters between the base material and the hard coating, and the breakage resistance of the part decreases. There is a case. In particular, at both end portions of the outer peripheral sliding surface, the thickness of the hard coating is thinner than that of the central portion of the outer peripheral sliding surface, so that nitrogen easily enters and the breakage resistance is reduced.
そこで、特許文献1においては、外周摺動面に窒化防止層を形成した後にピストンリングの窒化処理を行い、窒化処理後に上記窒化防止層を除去し、外周摺動面にイオンプレーティング法により硬質皮膜を形成することにより、外周摺動面の窒化を防止している。しかしながら上記方法では、窒化防止層の形成および除去が必要であるため製造工程の増加や生産コストの増大につながり、実用的な方法であるとは言えない。
Therefore, in
特許文献2においては、外周摺動面にイオンプレーティング法による硬質皮膜を形成後、上下面および内周面に窒化処理を施し、ピストンリングの上下面を研磨加工することにより、硬質皮膜とビッカース硬度(Hv)700以上の窒化層を互いに離間させ、疲労強度を向上させたことを特徴としたピストンリングの開示がある。この形成方法では、複数個のピストンリングがその軸方向に積み重ねられた状態で外周摺動面に硬質皮膜が形成される際、上記外周摺動面の端部(上下面と、外周摺動面との連結部分)は曲面的な形状を有するため、ピストンリング同士が隣接する箇所には凹んだ空間ができる。このような状態のピストンリングの外周摺動面に対して硬質皮膜を形成すると、当該凹み部分にも硬質皮膜が形成され、図7に示すように、ピストンリング1の上下面に硬質皮膜6のかぶり部70が生じる。形成された上記かぶり部70はピストンリング1毎にばらつきがあるため、このようなかぶり部70を有する母材2に窒化処理を施すと、形成される窒化層7もピストンリング1毎にばらつきがあるものとなり、その後にピストンリング1上下面の研磨加工を行っても上記硬質皮膜6とHv700以上の窒化層7との離間距離もばらつきがあるものとなり製造上好ましくない。
In
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、耐折損性が高く、優れた耐摩耗性を有するピストンリングを提供することを主目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a piston ring having high breakage resistance and excellent wear resistance.
本発明は、上記目的を達成するために、ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダボアと摺動する内燃機関用ピストンリングであり、上記ピストンリングは外周摺動面、上下面、内周面を有し、上記上下面のみ、あるいは上記上下面および上記内周面のみに窒化層が形成され、上記外周摺動面にイオンプレーティング法により硬質皮膜が形成されているピストンリングにおいて、上記硬質皮膜は、ピストンリング母材の外周面上に形成された、金属から成る緻密層と、上記緻密層上に形成された多孔質層から構成されており、上記ピストンリング母材の外周面の最大高さ粗さRzが1.0〜4.0μmの範囲内であり、上記緻密層の厚さは1〜5μmの範囲内であり、上記多孔質層の空孔率が0.5〜20.0%の範囲内であることを特徴とするピストンリングを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a piston ring for an internal combustion engine that is mounted in a ring groove of a piston and slides with a cylinder liner or a cylinder bore. The piston ring includes an outer peripheral sliding surface, an upper and lower surface, and an inner peripheral surface. In a piston ring having a surface, a nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces, or only on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, and a hard film is formed on the outer peripheral sliding surface by an ion plating method. The hard coating is composed of a dense layer made of metal formed on the outer peripheral surface of the piston ring base material and a porous layer formed on the dense layer. The maximum height roughness Rz is in the range of 1.0 to 4.0 μm, the thickness of the dense layer is in the range of 1 to 5 μm, and the porosity of the porous layer is 0.5 to 20 .0% range Provided is a piston ring characterized in that
本発明のピストンリングの外周摺動面上に設けられた、イオンプレーティングによる硬質皮膜(以下、単に硬質皮膜とする場合がある)は、母材の外周面への窒素の侵入を阻害する緻密層と、上記緻密層上に形成された耐折損性に優れた多孔質層とから構成されるものである。このような構成を有するピストンリングは、その母材の外周面の窒化が防止されているため耐折損性が高く、かつ、上記外周面以外の母材の表面は窒化されているため優れた耐摩耗性を有するものである。また、このようなピストンリングは母材の外周面上に上記硬質皮膜を形成した後にピストンリング全体を窒化処理することのみにより得られるため、ピストンリングを上記構成にすることにより優れた特性を有するピストンリングを効率的に製造することができる。 The hard coating by ion plating (hereinafter sometimes referred to simply as a hard coating) provided on the outer peripheral sliding surface of the piston ring of the present invention is a dense material that inhibits the penetration of nitrogen into the outer peripheral surface of the base material. And a porous layer having excellent breakage resistance formed on the dense layer. The piston ring having such a configuration has high breakage resistance because the outer peripheral surface of the base material is prevented from nitriding, and the surface of the base material other than the outer peripheral surface is nitrided, and thus has excellent resistance to resistance. It has wear properties. In addition, since such a piston ring can be obtained only by nitriding the entire piston ring after forming the hard coating on the outer peripheral surface of the base material, it has excellent characteristics by making the piston ring in the above configuration. A piston ring can be manufactured efficiently.
上記発明においては、上記緻密層は、Cr、Cr系合金、Ti、またはTi系合金から成ることがこのましい。これらの金属はピストンリングの母材と熱膨張率が近く、熱応力の影響を受けにくいため、母材との密着性が良好な緻密層を形成することができるからである。 In the above invention, the dense layer is preferably made of Cr, Cr-based alloy, Ti, or Ti-based alloy. This is because these metals have a thermal expansion coefficient close to that of the base material of the piston ring and are not easily affected by thermal stress, so that a dense layer having good adhesion to the base material can be formed.
また、上記発明においては、上記多孔質層は、Cr−N系、Cr−B−N系、Cr−B−Si−N系、またはTi−N系の材料から成ることが好ましい。上記窒化層を形成する材料の窒化物から多孔質層を形成することにより、上記緻密層との密着性がよく、上記緻密層と近い熱膨張率を有する多孔質層を形成することができるからである。 Moreover, in the said invention, it is preferable that the said porous layer consists of Cr-N type | system | group, a Cr-B-N type | system | group, a Cr-B-Si-N type | system | group, or a Ti-N type material. By forming the porous layer from the nitride of the material forming the nitride layer, it is possible to form a porous layer having good adhesion to the dense layer and having a thermal expansion coefficient close to that of the dense layer. It is.
本発明は、耐折損性が高く、優れた耐摩耗性を有するピストンリングを得ることができるといった効果を奏するものである。 The present invention has an effect that a piston ring having high breakage resistance and excellent wear resistance can be obtained.
本発明のピストンリングは、ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダボアと摺動する内燃機関用ピストンリングであり、上記ピストンリングは外周摺動面、上下面、内周面を有し、上記上下面のみ、あるいは上記上下面および上記内周面のみに窒化層が形成され、上記外周摺動面にイオンプレーティング法により硬質皮膜が形成されているピストンリングにおいて、上記硬質皮膜は、ピストンリング母材の外周面上に形成された、金属から成る緻密層と、上記緻密層上に形成された多孔質層から構成されており、上記ピストンリング母材の外周面の最大高さ粗さRzが1.0〜4.0μmの範囲内であり、上記緻密層の厚さは1〜5μmの範囲内であり、上記多孔質層の空孔率が0.5〜20.0%の範囲内であることを特徴とするものである。 The piston ring of the present invention is a piston ring for an internal combustion engine that is mounted in a ring groove of a piston and slides with a cylinder liner or a cylinder bore, and the piston ring has an outer peripheral sliding surface, an upper and lower surface, and an inner peripheral surface, In the piston ring in which a nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces, or only on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, and a hard coating is formed on the outer peripheral sliding surface by an ion plating method, the hard coating is a piston It is composed of a dense layer made of metal formed on the outer peripheral surface of the ring base material and a porous layer formed on the dense layer, and the maximum height roughness of the outer peripheral surface of the piston ring base material Rz is in the range of 1.0 to 4.0 μm, the thickness of the dense layer is in the range of 1 to 5 μm, and the porosity of the porous layer is in the range of 0.5 to 20.0%. This is inside It is characterized by.
以下、本発明のピストンリングについて、図を用いて説明する。図1は、本発明のピストンリングの一例を示す概略断面図である。図1に例示するように、本発明のピストンリング1の母材2の外周面には、緻密層4と、上記緻密層4上に形成された多孔質層5とから構成される硬質皮膜6が形成されている。また、ピストンリングの母材2の、上記外周摺動面3部分以外の上下面および内周面には窒化層7が形成されている。
Hereinafter, the piston ring of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a piston ring of the present invention. As illustrated in FIG. 1, a
本発明のピストンリングの外周摺動面には窒素の侵入を阻害する緻密層と、上記緻密層上に形成された耐折損性に優れた多孔質層とから構成される硬質皮膜が形成されている。そのため、上記硬質皮膜が母材の外周面に形成された後のピストンリング全体に窒化処理を施した場合でも、母材の外周面が窒化されることはなく、従来のピストンリングのような母材の窒化による耐折損性の低下を防止することができる。 The outer peripheral sliding surface of the piston ring of the present invention is formed with a hard film composed of a dense layer that inhibits intrusion of nitrogen and a porous layer that is formed on the dense layer and has excellent breakage resistance. Yes. Therefore, even when the entire piston ring after the hard coating is formed on the outer peripheral surface of the base material is subjected to nitriding, the outer peripheral surface of the base material is not nitrided, and a base material like a conventional piston ring is used. It is possible to prevent a decrease in breakage resistance due to nitriding of the material.
従来は、多くの時間とコストを費やして母材の外周面の窒化を防止していた。しかしながら本発明においては、上記多孔質層を形成する前に上記緻密層を形成することのみにより母材の外周面の窒化を防止することができ、上記緻密層は除去する必要がないため、効率的かつ経済的である。さらに上記緻密層は、その下層である母材と、その上層である多孔質層との中間の特性を有する層であるため、両者の密着性を向上させることができるという利点も有する。
以下、このような本発明のピストンリングの各構成および製造方法についてそれぞれ詳細に説明する。
Conventionally, much time and cost are spent to prevent nitriding of the outer peripheral surface of the base material. However, in the present invention, it is possible to prevent nitriding of the outer peripheral surface of the base material only by forming the dense layer before forming the porous layer, and it is not necessary to remove the dense layer. And economical. Furthermore, since the dense layer is a layer having intermediate properties between the base material which is the lower layer and the porous layer which is the upper layer, there is an advantage that the adhesion between the two can be improved.
Hereafter, each structure and manufacturing method of such a piston ring of this invention are each demonstrated in detail.
1.緻密層
本発明において、ピストンリングの母材の外周面の表面には、イオンプレーティング法により形成される、金属から成る緻密な層である緻密層が1〜5μmの範囲内、好ましくは2〜4μmの範囲内、の膜厚で形成される。緻密層の膜厚が上記範囲に満たないと、窒素の侵入防止機能が不十分であり、上記緻密層の下に窒化層が形成されてしまう場合がある。一方、緻密層の膜厚が上記範囲を超える、不必要に厚い緻密層は形成に時間を要するため製造効率上望ましくなく、材料コストの観点からも望ましくない。
1. Dense layer In the present invention, on the surface of the outer peripheral surface of the base material of the piston ring, a dense layer, which is a dense layer made of metal, formed by an ion plating method is within a range of 1 to 5 μm, preferably 2 to 2 μm. The film thickness is in the range of 4 μm. If the film thickness of the dense layer is less than the above range, the nitrogen intrusion prevention function is insufficient, and a nitride layer may be formed under the dense layer. On the other hand, an unnecessarily thick dense layer whose film thickness exceeds the above range is not desirable in terms of production efficiency because it takes time to form, and is not desirable from the viewpoint of material cost.
上記緻密層の形成に用いられる金属は、窒素の侵入を防止することができる緻密な層を形成することができるものであれば特に限定されるものではなく、通常は単金属、または複数の金属を含有する合金が用いられる。本発明においては、ピストンリングの母材との密着性、熱膨張率、柔軟性等の観点からCr、Cr系合金、Ti、Ti系合金等、中でもCr、Cr系合金(Cr−B合金、Cr−V−B合金、Cr−B−Si合金等)が好適に用いられる。このような、上記母材と、多孔質層との中間の特性を有する金属を用いて緻密層を形成することにより、両者の密着性を向上させることができ、母材と、多孔質層との間の熱膨張率の違い等による剥離を防止することができる。 The metal used for forming the dense layer is not particularly limited as long as it can form a dense layer capable of preventing intrusion of nitrogen, and is usually a single metal or a plurality of metals. An alloy containing is used. In the present invention, from the viewpoint of adhesion with the base material of the piston ring, thermal expansion coefficient, flexibility, etc., Cr, Cr-based alloy, Ti, Ti-based alloy, etc., among others, Cr, Cr-based alloy (Cr-B alloy, Cr-V-B alloy, Cr-B-Si alloy, etc.) are preferably used. By forming a dense layer using such a metal having intermediate properties between the base material and the porous layer, the adhesion between them can be improved, and the base material, the porous layer, It is possible to prevent peeling due to a difference in thermal expansion coefficient between the two.
上記緻密層の緻密の程度は、窒化処理の際に当該緻密層の下層の母材への窒素の侵入を阻害し、上記母材の窒化を防止することができる程度のものであれば特に限定されるものではない。本発明においては窒素の侵入を効果的に阻害するため、上記緻密層の空孔率が0〜0.4%の範囲内であることが好ましい。 The degree of denseness of the dense layer is not particularly limited as long as it can inhibit the penetration of nitrogen into the base material under the dense layer and prevent nitridation of the base material during nitriding. Is not to be done. In the present invention, the porosity of the dense layer is preferably in the range of 0 to 0.4% in order to effectively inhibit nitrogen intrusion.
2.多孔質層
本発明においては上述した緻密層上に、イオンプレーティング法により多孔質層が形成される。上記多孔質層は、応力を吸収する空孔を有する層であるため、ピストンリングの外周摺動面にこのような多孔質層を形成することにより、外周摺動面の耐折損性を向上させることができる。
2. Porous layer In the present invention, a porous layer is formed on the dense layer described above by an ion plating method. Since the porous layer is a layer having pores that absorb stress, by forming such a porous layer on the outer peripheral sliding surface of the piston ring, the fracture resistance of the outer peripheral sliding surface is improved. be able to.
本発明に用いられる多孔質層の空孔率は、0.5〜20.0%の範囲内、好ましくは1.0〜10.0%の範囲内において形成される。多孔質層の空孔率が上記範囲に満たない場合は、応力を吸収する空孔の量が十分でなく、好ましい耐折損性が得られない場合がある。一方、空孔率が上記範囲を越えると、空孔が多すぎて多孔質層の強度が低下してしまう可能性がある。 The porosity of the porous layer used in the present invention is formed in the range of 0.5 to 20.0%, preferably in the range of 1.0 to 10.0%. When the porosity of the porous layer is less than the above range, the amount of pores that absorb stress is not sufficient, and preferable breakage resistance may not be obtained. On the other hand, when the porosity exceeds the above range, there is a possibility that the strength of the porous layer is lowered due to too many pores.
上記多孔質層を形成する材料は、上述したような空孔率を有する層を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、一般的には金属窒化物等の無機材料が用いられる。中でも、上記緻密層を形成する金属の窒化物、例えば、Cr−N系、Cr−B−N系、Cr−B−Si−N系、またはTi−N系等の材料が好適に用いられ、特にCrN、Cr2N、CrNとCr2Nとの混合物、CrとCrNとの混合物、CrとCr2Nとの混合物、CrとCrNとCr2Nとの混合物、またはTiN等が好適に用いられる。このような材料を用いて多孔質層を形成することにより上記緻密層に近い特性を有する多孔質層を形成することができるため、緻密層との密着性を向上させることができ、緻密層との熱膨張率の違い等による剥離を防止することができる。 The material for forming the porous layer is not particularly limited as long as it can form a layer having a porosity as described above. In general, an inorganic material such as a metal nitride is used. Among them, a metal nitride forming the dense layer, for example, a Cr-N-based material, a Cr-B-N-based material, a Cr-B-Si-N-based material, or a Ti-N-based material is preferably used. In particular, CrN, Cr 2 N, a mixture of CrN and Cr 2 N, a mixture of Cr and CrN, a mixture of Cr and Cr 2 N, a mixture of Cr, CrN and Cr 2 N, or TiN are preferably used. It is done. By forming a porous layer using such a material, a porous layer having characteristics close to that of the dense layer can be formed, so that adhesion to the dense layer can be improved, and the dense layer and It is possible to prevent the peeling due to the difference in the thermal expansion coefficient.
上記多孔質層の膜厚は、所望の耐折損性を得られるものであれば特に限定されるものではなく、通常は5〜80μmの範囲内、好ましくは10〜50μmの範囲内の膜厚で形成される。 The film thickness of the porous layer is not particularly limited as long as desired fracture resistance can be obtained, and is usually in the range of 5 to 80 μm, preferably in the range of 10 to 50 μm. It is formed.
3.母材
本発明のピストンリングに用いる母材は、外周面における最大高さ粗さRzが1.0〜4.0μmの範囲内、好ましくは1.5〜2.5μmの範囲内のものが用いられる。母材の外周面の最大高さ粗さRzが上記範囲に満たないと、母材の表面積が小さ過ぎ、その上に形成される緻密層との密着性が悪くなってしまう場合がある。一方、上記最大高さ粗さRzが上記範囲を超えると、イオンプレーティング法により緻密層を形成する際に緻密層を均一な膜厚で形成することが困難になり、局所的に緻密層の膜厚が薄い、または形成されない可能性がある。このような場合は、窒化処理の際に緻密層の膜厚が薄い、または形成されていない箇所から窒素が侵入し、緻密層の下の母材に窒化層が形成され、上記緻密層を形成した効果が十分に得られないため好ましくない。
3. Base material The base material used for the piston ring of the present invention has a maximum height roughness Rz on the outer peripheral surface in the range of 1.0 to 4.0 μm, preferably in the range of 1.5 to 2.5 μm. It is done. If the maximum height roughness Rz of the outer peripheral surface of the base material is less than the above range, the surface area of the base material may be too small, and the adhesion with the dense layer formed thereon may deteriorate. On the other hand, if the maximum height roughness Rz exceeds the above range, it becomes difficult to form the dense layer with a uniform thickness when forming the dense layer by the ion plating method. The film thickness may be thin or not formed. In such a case, during the nitriding process, the dense layer has a thin film thickness, or nitrogen enters from a portion where the dense layer is not formed, and a nitride layer is formed on the base material under the dense layer, thereby forming the dense layer. This is not preferable because the obtained effect cannot be obtained sufficiently.
ここで最大高さ粗さRzとは、JIS B 0601:2001に基づく基準長さにおける輪郭曲線(粗さ曲線)の山高さZpの最大値と、谷深さZvの最大値との和であり、この値をマイクロメートル(μm)で表したものをいうものとする。 Here, the maximum height roughness Rz is the sum of the maximum value of the peak height Zp and the maximum value of the valley depth Zv of the contour curve (roughness curve) at the reference length based on JIS B 0601: 2001. This value is expressed in micrometers (μm).
上記母材の材質は、上述したような最大高さ粗さRzを有するものであれば特に限定されるものではなく、ピストンリングに一般的に用いられる材料を用いることができる。例えば、SUS440BやDINX90に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼や、SUS410材、SUS440材、10Cr鋼(質量%でCr:9〜11%)、およびオーステナイト系ステンレス鋼等を用いることができる。 The material of the base material is not particularly limited as long as it has the maximum height roughness Rz as described above, and a material generally used for piston rings can be used. For example, martensitic stainless steel represented by SUS440B or DINX90, SUS410 material, SUS440 material, 10Cr steel (Cr: 9 to 11% by mass), austenitic stainless steel, or the like can be used.
なお、母材の形状や寸法は特に限定されるものではなく、ピストンリングの用途に合わせて適宜調整することができる。 The shape and dimensions of the base material are not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the use of the piston ring.
4.窒化層
本発明のピストンリングにおいては、上記母材の上下面のみ、または上下面および内周面に窒化層が形成される。窒化層を形成することにより、ピストンリング上下面の、ピストンリング溝の上下面との叩かれに対する耐摩耗性を向上することができるからである。このような窒化層は所望の耐摩耗性を得られるものであれば特に限定されるものではなく、一般的な方法で母材に窒素を侵入、拡散させることにより形成されたものを用いることができる。
4). Nitride Layer In the piston ring of the present invention, a nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces of the base material or on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface. This is because, by forming the nitride layer, it is possible to improve the wear resistance against the tapping of the upper and lower surfaces of the piston ring with the upper and lower surfaces of the piston ring groove. Such a nitride layer is not particularly limited as long as the desired wear resistance can be obtained, and a nitride layer formed by invading and diffusing nitrogen into a base material by a general method can be used. it can.
上記窒化層の母材へ拡散する形態は特に限定されるものではなく、任意の形態に形成することができる。例えば図1に例示するように、窒化層と上記緻密層とは、窒化層の膜厚方向の全域において接触していてもよい。また、図2に例示するように、窒化層の膜厚方向の全域で窒化層と緻密層とが接触しておらず、母材の上下面の最外周においてのみ接触していてもよい。このような窒化層の膜厚等は特に限定されるものではなく、通常は10〜100μmの範囲内、好ましくは10〜70μmの範囲内の膜厚で形成される。 The form of diffusion into the base material of the nitride layer is not particularly limited, and can be formed in any form. For example, as illustrated in FIG. 1, the nitride layer and the dense layer may be in contact with each other in the entire thickness direction of the nitride layer. Further, as illustrated in FIG. 2, the nitride layer and the dense layer may not be in contact with each other in the entire thickness direction of the nitride layer, and may be in contact only with the outermost periphery of the upper and lower surfaces of the base material. The film thickness of such a nitride layer is not particularly limited, and is usually formed with a film thickness in the range of 10 to 100 μm, preferably in the range of 10 to 70 μm.
5.製造方法
本発明のピストンリングの製造方法は上述した構成を有するピストンリングを得ることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えばピストンリングの母材の外周面にイオンプレーティング法により上記緻密層および多孔質層から構成される硬質皮膜を形成し、ピストンリングの上下面を研磨加工し、窒化処理を施すことにより形成することができる。以下、このようなピストンリングの製造方法の各工程について説明する。
5. Manufacturing Method The manufacturing method of the piston ring of the present invention is not particularly limited as long as the piston ring having the above-described configuration can be obtained. For example, an ion plating method is applied to the outer peripheral surface of the base material of the piston ring. Thus, a hard film composed of the dense layer and the porous layer is formed, and the upper and lower surfaces of the piston ring are polished and subjected to nitriding treatment. Hereinafter, each process of the manufacturing method of such a piston ring is demonstrated.
a)イオンプレーティング法による硬質皮膜の形成
本工程においては、以下の方法によりピストンリングの母材の外周面に上記緻密層と多孔質層とから構成される硬質皮膜を形成することができる。
ます、緻密層の形成に先立って、上記母材を8×10−5Torr以下の真空度に設定されたアークイオンプレーティング装置の炉内ヒーターで300〜660℃の範囲内で加熱することにより母材に吸着しているガスを放出させる。その後、上記母材に−1000〜−600Vの範囲内のバイアス電圧を印加し、陰極の金属ターゲットと陽極との間でアーク放電を発生させて上記ターゲットの金属を蒸気化、イオン化し、窒素ガスまたはアルゴンガスを導入してイオンボンバードをすることにより母材表面のクリーニングを行った。この際の上記陰極のターゲットとしては、緻密層を形成する金属のターゲットを用いる。
a) Formation of Hard Film by Ion Plating Method In this step, a hard film composed of the dense layer and the porous layer can be formed on the outer peripheral surface of the base material of the piston ring by the following method.
First, prior to the formation of the dense layer, the base material is heated within a range of 300 to 660 ° C. with a furnace heater of an arc ion plating apparatus set to a vacuum degree of 8 × 10 −5 Torr or less. The gas adsorbed on the base material is released. Thereafter, a bias voltage in the range of −1000 to −600 V is applied to the base material, and arc discharge is generated between the cathode metal target and the anode to vaporize and ionize the metal of the target. Alternatively, the surface of the base material was cleaned by introducing argon gas and performing ion bombardment. In this case, a metal target forming a dense layer is used as the cathode target.
上記クリーニングを行った後の、アーク放電が発生している上記炉内へ、4×10−3〜4×10−2Torrの範囲内になるまでアルゴンガスを導入し、−10〜50Vの範囲内のバイアス電圧を印加して母材の外周面上に緻密層を形成する。さらに、4×10−3〜4×10−2Torrの範囲内になるまで窒素ガスを導入し、−10〜−50Vの範囲内のバイアス電圧を印加することにより上記緻密層上に多孔質層を形成することができる。 Argon gas is introduced into the furnace in which arc discharge is generated after the cleaning is performed until it falls within the range of 4 × 10 −3 to 4 × 10 −2 Torr, and the range of −10 to 50V A dense layer is formed on the outer peripheral surface of the base material by applying the internal bias voltage. Further, a porous layer is formed on the dense layer by introducing a nitrogen gas until it falls within a range of 4 × 10 −3 to 4 × 10 −2 Torr and applying a bias voltage within a range of −10 to −50 V. Can be formed.
b)研磨加工
本発明において、上記硬質皮膜はピストンリングの母材の外周面上に形成されるが、硬質皮膜の形成の際に母材の上面や下面などの外周面以外の箇所にも上記硬質皮膜が形成される場合がある。母材の上下面に硬質皮膜が形成された場合、当該硬質皮膜が窒素の母材への侵入を阻害し、後の窒化処理の際に母材の上下面に均一に窒化層を形成することができなくなる可能性があるため、上記硬質皮膜の形成後に母材の上面と下面とをそれぞれ10〜20μmの範囲内、中でも10〜15μmの範囲内で研磨加工を行うことが好ましい。このような研磨加工を行って上下面に形成された硬質皮膜のかぶり部を除去することにより母材の上下面に均一かつ安定的に窒化層を形成することができる。
b) Polishing In the present invention, the hard coating is formed on the outer peripheral surface of the base material of the piston ring. However, when the hard coating is formed, the hard coating is also applied to locations other than the outer peripheral surface such as the upper surface and the lower surface of the base material. A hard film may be formed. When a hard coating is formed on the upper and lower surfaces of the base material, the hard coating prevents nitrogen from entering the base material, and a nitride layer is uniformly formed on the upper and lower surfaces of the base material during the subsequent nitriding treatment. Therefore, it is preferable to polish the upper surface and the lower surface of the base material within the range of 10 to 20 μm, particularly within the range of 10 to 15 μm after the hard coating is formed. By performing such a polishing process and removing the cover portions of the hard film formed on the upper and lower surfaces, a nitride layer can be uniformly and stably formed on the upper and lower surfaces of the base material.
c)窒化処理
本発明においては、母材の外周面に上記硬質皮膜が形成されたピストンリングを窒化処理することにより、上記ピストンリングの上下面、または、上下面および内周面に窒化層を形成する。上記窒化処理の方法は特に限定されるものではなく、ガス窒化法(550〜600℃において60〜180分)、塩浴窒化(タフトライド)法(570〜590℃において10〜300分)等公知の方法により行うことができる。
c) Nitriding treatment In the present invention, by nitriding the piston ring having the hard film formed on the outer peripheral surface of the base material, a nitride layer is formed on the upper and lower surfaces, or the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface of the piston ring. Form. The method of the nitriding treatment is not particularly limited, and known methods such as a gas nitriding method (60 to 180 minutes at 550 to 600 ° C.) and a salt bath nitriding (tuftride) method (10 to 300 minutes at 570 to 590 ° C.). It can be done by a method.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例および比較例を示して本発明をさら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1〜6]
下記表1に示す最大高さ粗さRzを有する、直径Φが90mm、径方向幅(図1に示すa1)が2.7mm、軸方向高さ(図1に示すh1)が1.0mmのピストンリング母材(SUS410材相当、C:0.65質量%、Si:0.40質量%、Mn:0.35質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Cr:13.5質量%、Mo:0.3質量%、残部:Fe)を用い、上記「5.製造方法」に記載された方法により硬質皮膜の形成、研磨加工、窒化処理を行うことにより、母材の外周面に緻密層および多孔質層が形成され、上下面および内周面に窒化層が形成されたピストンリングを製造した。その際、アークイオンプレーティング装置の陰極としてはCrターゲットを用いた。形成された緻密層はCrから成り、膜厚は下記表1に示す厚さであり、空孔率は0〜0.2%であった。また、形成された多孔質層はCrとCrNとCr2Nとの混合物から成り、膜厚は20μm、空孔率は1〜7%であった。また、上記多孔質層形成後には上記ピストンリングの上下面をそれぞれ15μm研磨加工し、ガス窒化法により窒化処理を行った(窒化時間:60分、温度550℃)。
[Examples 1 to 6]
The maximum height roughness Rz shown in Table 1 below, the diameter Φ is 90 mm, the radial width (a1 shown in FIG. 1) is 2.7 mm, and the axial height (h1 shown in FIG. 1) is 1.0 mm. Piston ring base material (equivalent to SUS410 material, C: 0.65 mass%, Si: 0.40 mass%, Mn: 0.35 mass%, P: 0.03 mass% or less, S: 0.03 mass% or less , Cr: 13.5% by mass, Mo: 0.3% by mass, balance: Fe), and performing hard film formation, polishing, and nitriding by the method described in “5. Production method” above. Thus, a piston ring having a dense layer and a porous layer formed on the outer peripheral surface of the base material and a nitride layer formed on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface was manufactured. At that time, a Cr target was used as the cathode of the arc ion plating apparatus. The formed dense layer was made of Cr, the film thickness was as shown in Table 1 below, and the porosity was 0 to 0.2%. The formed porous layer was composed of a mixture of Cr, CrN, and Cr 2 N, and had a film thickness of 20 μm and a porosity of 1 to 7%. Further, after the formation of the porous layer, the upper and lower surfaces of the piston ring were each polished by 15 μm and subjected to nitriding treatment by gas nitriding (nitriding time: 60 minutes, temperature 550 ° C.).
[比較例1〜15]
下記表1に示す母材の外周面の最大高さ粗さRzおよび緻密層の膜厚を有するピストンリングを、上記実施例と同様の方法により製造した。
[Comparative Examples 1-15]
A piston ring having the maximum height roughness Rz of the outer peripheral surface of the base material shown in Table 1 below and the thickness of the dense layer was produced by the same method as in the above example.
[比較例16〜17]
下記表1に示す母材の外周面の最大高さ粗さRzを有すること、上記緻密層を形成しなかったこと、および上記多孔質層の形成後にピストンリング上下面の研磨加工を行わずに上記窒化層を形成したこと以外は、上記実施例と同様の方法によりピストンリングを製造した。
[Comparative Examples 16-17]
Having the maximum height roughness Rz of the outer peripheral surface of the base material shown in Table 1 below, not forming the dense layer, and without polishing the upper and lower surfaces of the piston ring after forming the porous layer A piston ring was manufactured by the same method as in the above example except that the nitride layer was formed.
[比較例18〜19]
下記表1に示す外周面の最大高さ粗さRzを有する母材に窒化処理を行うことにより上記母材の全面(外周面、内周面および上下面)に窒化層を形成した後に上記多孔質層を形成したこと、および上記緻密層を形成しなかったこと以外は、上記実施例と同様の方法によりピストンリングを製造した。
[Comparative Examples 18-19]
After forming a nitride layer on the entire surface (outer peripheral surface, inner peripheral surface and upper and lower surfaces) of the base material by performing nitriding treatment on the base material having the maximum height roughness Rz of the outer peripheral surface shown in Table 1 below, the porosity A piston ring was produced by the same method as in the above example, except that the quality layer was formed and the dense layer was not formed.
[耐折損性試験]
上記実施例および比較例において製造されたピストンリングの耐折損性試験を行った。耐折損性試験には、ピストンリングに当接し押圧変形させる押し治具を有する、特開2001−208650公報の図1に開示されている第1の実施の形態によるピストンリングの性能評価装置を用いた。この際、上記性能評価装置の押圧部は先細り状のテーパ面(テーパ角度:7.5°)をなすものを用い、ピストンリングが折損するまで上記押し治具を往復運動することにより耐折損性を測定した。上記性能評価装置の押し治具による荷重負荷の変位が正弦波で30Hzとなるように上記押し治具を往復移動させ、試験を行った。ピストンリングの折損の検出は、ピストンリングによってシールされた部分に9.8MPaのエアーを流し、シールされた部分のエアー圧変化をレコーダーに記録させ、圧力変化が生じたところで試験機を停止させた。
[Fracture resistance test]
A breakage resistance test was performed on the piston rings manufactured in the above examples and comparative examples. For the breakage resistance test, the piston ring performance evaluation apparatus according to the first embodiment disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-208650, which has a pressing jig that contacts and deforms the piston ring, is used. It was. At this time, the pressing portion of the performance evaluation device uses a taper-shaped taper surface (taper angle: 7.5 °), and the reciprocating motion of the pressing jig until the piston ring breaks. Was measured. The test was performed by reciprocating the push jig so that the displacement of the load applied by the push jig of the performance evaluation device was a sine wave of 30 Hz. The piston ring breakage was detected by flowing 9.8 MPa of air through the part sealed by the piston ring, recording the air pressure change in the sealed part on the recorder, and stopping the test machine when the pressure change occurred. .
下記表1に耐折損性試験の結果を示す。なお、下記表1中の耐折損性指数は、比較例16の(緻密層を有さず、硬質皮膜形成後に窒化処理を行った)ピストンリングの疲労強度を100としたときの、それぞれのピストンリングの疲労強度を指数化し、耐折損性を示す値とした。 Table 1 below shows the results of the breakage resistance test. In addition, the fracture resistance index in the following Table 1 indicates the respective pistons when the fatigue strength of the piston ring of Comparative Example 16 (which does not have a dense layer and was subjected to nitriding after formation of a hard coating) is 100. The fatigue strength of the ring was indexed to give a value indicating breakage resistance.
[ツイスト試験]
上記実施例および比較例において製造されたピストンリングに対し、図3(a)および(b)に示す試験装置を用いてツイスト試験を行った。上記ツイスト試験は、図3(a)に例示するようにピストンリング1の合口の、相対向する合口端部31a、31bを掴持具32a、32bにそれぞれ固定し、掴持具32aが固定された状態で掴持具32bを、図3(a)における合口端部31bが図3(b)における合口端部31bの位置に来るように、直線Yを回転軸として回転させ、ピストンリング1に所定の角度のひねりを加えることにより行った。ひねり後のピストンリング1を、上記合口端部31aと合口端部31bとの中心位置である中心点33において切断し、当該切断面(破面)における硬質皮膜のピストンリング母材からの剥離の有無を目視で観察した。
[Twist test]
A twist test was performed on the piston rings manufactured in the above examples and comparative examples using the test apparatus shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). In the twist test, as shown in FIG. 3A, the opposite ends 31a and 31b of the joint of the
[衝撃試験]
上記ツイスト試験において剥離が確認されなかったピストンリングに対し、さらに図4(a)および(b)に示す試験装置を用いて衝撃試験を行った。上記衝撃試験は、図4(a)に例示するように試料41を当金42上に配置し、スプリング43で付勢した圧子44を図4(b)の矢印で示す方向に動かし、上記圧子44を上記試料41の皮膜表面(外周摺動面)45に衝突させることにより行った。衝突1回当り43.1mJ(4.4Kgfmm)の衝撃エネルギーを加え、皮膜表面45に剥離が発生するまでの回数を測定した。剥離の有無の判定は皮膜表面45をルーペにて15倍に拡大して観察することにより行った。
[Shock test]
An impact test was further performed on the piston ring in which peeling was not confirmed in the twist test using the test apparatus shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). In the impact test, as shown in FIG. 4A, the
[評価]
上記実施例および比較例において製造されたピストンリングの母材の外周面の最大高さ粗さRz、緻密層の膜厚、耐折損性指数、密着性、生産性、および仕様を下記表1に示す。密着性については、上記ツイスト試験において剥離が確認されたものを×、上記ツイスト試験においては剥離が確認されず、その後の30回の衝撃試験において剥離が確認されたものを△、上記30回目の衝撃試験後にも剥離が確認されなかったものを○とした。さらに、生産性については、生産性の良好なものを○、製造に長時間を要する等生産性が良くないものを×とした。ここで生産性とは、皮膜形成に要する時間をいう。
[Evaluation]
Table 1 below shows the maximum height roughness Rz, dense layer thickness, fracture resistance index, adhesion, productivity, and specifications of the piston ring base material manufactured in the above examples and comparative examples. Show. As for adhesion, x indicates that peeling was confirmed in the twist test, Δ indicates that peeling was not confirmed in the twist test, and peeling was confirmed in subsequent 30 impact tests, and the 30th time. The case where peeling was not confirmed even after the impact test was rated as ◯. Further, regarding productivity, “Good” indicates that the productivity is good, and “Poor” indicates that the productivity is not good, such as a long time for manufacturing. Here, productivity refers to the time required for film formation.
上記表1から、実施例1〜6のピストンリングは、耐折損性が高く、密着性および生産性に優れていることが分かる。母材の外周面の最大高さ粗さRzおよび/または緻密層膜厚が上記数値範囲外である比較例1〜15のピストンリングは、耐折損性、密着性、または生産性の点で上記実施例に劣るものであった。また、緻密層を形成していない比較例16〜19のピストンリングは、耐折損性指数も低く、密着性も劣るものであった。 From Table 1 above, it can be seen that the piston rings of Examples 1 to 6 have high breakage resistance and excellent adhesion and productivity. The piston rings of Comparative Examples 1 to 15 in which the maximum height roughness Rz and / or the dense layer thickness of the outer peripheral surface of the base material are outside the above numerical range are the above in terms of breakage resistance, adhesion, or productivity. It was inferior to the Example. Moreover, the piston rings of Comparative Examples 16 to 19 in which a dense layer was not formed had a low breakage resistance index and poor adhesion.
また、図5および図6にピストンリングの外周摺動面の断面の光学顕微鏡写真を示す。図5は上記実施例6の、図6は上記比較例16のピストンリングの外周摺動面の写真(ナイタル腐食4%)であり、写真のスケールの1目盛は10μmである。上記写真の上部がピストンリングの外周摺動面であり、左右の側面がピストンリングの上下面である。また、ピストンリングの上下面の黒色の層および灰色の層はいずれも窒化層であり、黒色の層はビッカース硬度が700Hv0.1以上の層であり、灰色の層は700Hv0.1未満の層である。図5においては、母材の外周面上には緻密層および多孔質層が形成されており、上記外周面上では母材への窒化層の侵入はないことが確認できる。一方、図6においては、母材の外周面に部分的に窒化層が侵入していることが確認できる(黒色の層および灰色の層を確認できる)。 5 and 6 show optical micrographs of the cross section of the outer peripheral sliding surface of the piston ring. FIG. 5 is a photograph of the outer peripheral sliding surface of the piston ring of the above-described Example 6 and FIG. 6 is a photograph of the outer peripheral sliding surface of the piston ring (4% of nighttal corrosion). The upper part of the photograph is the outer peripheral sliding surface of the piston ring, and the left and right side surfaces are the upper and lower surfaces of the piston ring. The black layer and the gray layer on the upper and lower surfaces of the piston ring are both nitride layers, the black layer is a layer having a Vickers hardness of 700 Hv0.1 or more, and the gray layer is a layer having a Vickers hardness of less than 700 Hv0.1. is there. In FIG. 5, a dense layer and a porous layer are formed on the outer peripheral surface of the base material, and it can be confirmed that the nitride layer does not enter the base material on the outer peripheral surface. On the other hand, in FIG. 6, it can be confirmed that the nitride layer partially penetrates the outer peripheral surface of the base material (a black layer and a gray layer can be confirmed).
以上より、上記範囲内の膜厚を有する緻密層を母材の外周面に形成し、その上に多孔質層を形成することにより、上記母材の外周面の窒化が防止され、耐折損性、密着性、および生産性に優れたピストンリングを得られることが分かる。 As described above, by forming a dense layer having a film thickness within the above range on the outer peripheral surface of the base material and forming a porous layer thereon, nitridation of the outer peripheral surface of the base material is prevented, and fracture resistance It can be seen that a piston ring excellent in adhesion and productivity can be obtained.
1 … ピストンリング
2 … 母材
3 … 外周摺動面
4 … 緻密層
5 … 多孔質層
6 … 硬質皮膜
7 … 窒化層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ピストンリングの母材の外周摺動面上に、金属から成り、窒素の浸入を阻害する緻密層と、前記緻密層上に形成された多孔質層から構成される硬質皮膜を、イオンプレーティング法により形成する工程と、
前記硬質皮膜の形成後に、前記ピストンリングの上下面を研磨加工する工程と、
前記母材の外周摺動面に前記硬質皮膜が形成されたピストンリングを窒化処理する工程と、を有することを特徴とするピストンリングの製造方法。 In a manufacturing method of a piston ring for an internal combustion engine having an outer peripheral sliding surface, an upper and lower surface, an inner peripheral surface , mounted in a ring groove of a piston, and sliding with a cylinder liner or a cylinder bore,
On the outer peripheral sliding surface of the base material of the piston ring, Ri consists of metal, and a dense layer that inhibits penetration of nitrogen, the hard film is composed of a porous layer formed on the dense layer, ion plating A step of forming by a ting method;
Polishing the upper and lower surfaces of the piston ring after the hard coating is formed;
Method of manufacturing a piston ring, characterized in that and a step of nitriding the piston ring the hard film on the outer circumferential sliding surface is formed of the base material.
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