JP5276361B2

JP5276361B2 - piston ring

Info

Publication number: JP5276361B2
Application number: JP2008142750A
Authority: JP
Inventors: 巖平石; 和浩藤村; 篤千葉
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: JP2009287730A

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piston ring capable of simultaneously satisfying wear resistance, gas sealing properties, and oil scraping properties, and preventing peeling off of hard coating itself formed on a sliding surface thereof. <P>SOLUTION: In the piston ring comprising a base material having a hollow part formed on an outer circumference surface and the hard coating provided on the hollow part, the hollow part is composed of a first surface extending from one to another of an upper and a lower surface of the base material in parallel with the piston ring outer circumference surface and a second surface toward the piston outer circumference from one end of the first surface in a cross section perpendicular to a radial direction of the piston ring, a section where the hard coating is formed and a section where the base material is exposed exist on the piston ring outer circumference surface by providing the hard coating on the hollow part, and the second surface forming the hollow part and the piston ring outer circumference surface touch with 10-30° angles kept therebetween. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関する。 The present invention relates to a piston ring used in an internal combustion engine.

一般に内燃機関用のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと、１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。 Generally, a piston for an internal combustion engine is equipped with a pressure ring and an oil ring as piston rings. This pressure ring has a function of preventing a phenomenon (blow-by) that high-pressure combustion gas flows out from the combustion chamber side to the crank chamber side. On the other hand, the oil ring mainly has a function of suppressing a phenomenon (oil up) in which excess lubricating oil on the inner wall of the cylinder enters the combustion chamber side from the crank chamber side and is consumed. As a combination of conventional standard piston rings, a combination of three piston rings, that is, two pressure rings including a top ring and a second ring and one oil ring is known.

近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が益々高まってきている。 In recent years, the quality required for piston rings has been increasing more and more with the reduction in weight and output of internal combustion engines.

ここで、内燃機関用ピストンリングに要求される性能の一つに耐摩耗性がある。当該耐摩耗性を向上する手段としては、現在、ピストンリング摺動面に窒化処理にて窒化層を形成したり、ＰＶＤ法などを用い硬質皮膜を形成することが行われている。 Here, one of the performances required for a piston ring for an internal combustion engine is wear resistance. As means for improving the wear resistance, at present, a nitride layer is formed on the sliding surface of the piston ring by nitriding treatment, or a hard coating is formed using a PVD method or the like.

一方で、内燃機関用ピストンリングは、前記オイルアップを抑制するための油かき性も要求されている。当該油かき性を向上する手段としては、ピストンリングの主に下面側のエッジ部をシャープに形成する必要がある。 On the other hand, the piston ring for an internal combustion engine is also required to have oil scuffing property for suppressing the oil-up. As a means for improving the oil scuffing property, it is necessary to sharply form the edge portion mainly on the lower surface side of the piston ring.

しかしながら、上記２つの要求を同時に満たそうとした場合、ピストンリング摺動面に硬質皮膜を形成しつつ、当該硬質皮膜のエッジ部分をシャープに形成することとなるが、そうすると、摺動面に形成された硬質皮膜は、「硬質」であるが故に欠け易い性質を有しているがため、このエッジ部分が特に欠け易くなってしまう。 However, when trying to satisfy the above two requirements at the same time, while forming a hard coating on the sliding surface of the piston ring, the edge portion of the hard coating will be sharply formed. Since the hard film thus formed is “hard”, it has a property of being easily chipped, so that the edge portion is particularly easily chipped.

このような問題を解決するために、特許文献１においては、ピストンリング摺動面の全体を硬質皮膜で覆うのではなく、硬質皮膜を部分的に形成し、油かき性を満たすためのエッジ部分においては、シャープな形状のピストンリング母材を露出させる技術が開示されている。
特表２００７−５２０６６６号公報 In order to solve such a problem, in Patent Document 1, the entire piston ring sliding surface is not covered with a hard film, but the hard film is partially formed and an edge portion for satisfying the oil scuffing property. Discloses a technique for exposing a piston ring base material having a sharp shape.
Special table 2007-520666 gazette

上記特許文献１のピストンリングによれば、確かにピストンリングに要求されている上記２つの性能（耐摩耗性と油かき性）を同時に満たすことは可能である。 According to the piston ring of Patent Document 1, it is possible to satisfy both of the two performances (wear resistance and oil scuffing performance) required for the piston ring at the same time.

しかしながら、特許文献１のピストンリングにあっては、耐摩耗性を満たすための硬質皮膜自体がピストンリングの母材から剥離してしまうという問題について何らの検討もされておらず、本願発明者らの実験によれば、実際に硬質皮膜の剥離が生じ得ることが分かった。 However, in the piston ring of Patent Document 1, no study has been made on the problem that the hard coating itself for satisfying the wear resistance is peeled off from the base material of the piston ring. According to the experiment, it was found that the hard film could actually peel off.

本願発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、耐摩耗性、ガスシール性、さらには油かき性を同時に満たすことが可能であり、かつその摺動面に形成された硬質皮膜自体が剥離することのないピストンリングを提供することを主たる課題とする。 The present invention has been made in view of such problems, and can simultaneously satisfy wear resistance, gas sealing properties, and oil scuffing properties, and the hard coating itself formed on the sliding surface thereof. The main object is to provide a piston ring that does not peel off.

上記課題を解決するための本発明は、外周面に凹部が形成された母材と、前記凹部に設けられる硬質皮膜と、からなるピストンリングであって、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、前記凹部に硬質皮膜が設けられることで、ピストンリング外周面には、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とが存在し、前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接していることを特徴とするピストンリング。 The present invention for solving the above-described problems is a piston ring comprising a base material having a recess formed on the outer peripheral surface and a hard coating provided on the recess, and a cross section perpendicular to the radial direction of the piston ring. The concave portion has a first surface extending parallel to the piston ring outer peripheral surface from one of the upper and lower surfaces of the base material to the other, and one end of the first surface toward the piston ring outer peripheral surface. A second surface extending, and a hard coating is provided in the recess, whereby a portion where the hard coating is formed and a portion where the base material is exposed are formed on the outer peripheral surface of the piston ring. The piston ring which exists and the 2nd surface which forms the said recessed part, and the piston ring outer peripheral surface are in contact with the angle of 10-30 degrees.

また、前記ピストンリングにあっては、前記硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であってもよい。 In the piston ring, the hard coating may be a Cr-N-based or Cr-BN-based coating formed by a PVD method.

また、前記ピストンリングにあっては、前記母材の少なくとも下面および外周面において前記母材が露出している部分が、窒化処理されていてもよい。 Further, in the piston ring, a portion where the base material is exposed at least on the lower surface and the outer peripheral surface of the base material may be nitrided.

また、前記ピストンリングにあっては、前記ピストンリングが圧力リングであり、ピストンリング外周面における上面側には硬質皮膜が形成されており、下面側には硬質皮膜が形成されておらず母材が露出していてもよい。 Further, in the piston ring, the piston ring is a pressure ring, a hard film is formed on the upper surface side of the outer peripheral surface of the piston ring, and a hard film is not formed on the lower surface side. May be exposed.

また、前記ピストンリングにあっては、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有していてもよい。 Moreover, in the said piston ring, the shape of the outer peripheral surface may have a barrel face shape.

本発明によれば、外周面に凹部が形成された母材と前記凹部に設けられる硬質皮膜とからピストンリングを構成し、このピストンリングの外周面は、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とを存在させており、さらに、母材が露出されている部分は、外周面の上面または下面の一方の、いわゆるエッジ部分となっているため、硬質皮膜により耐摩耗性を発揮せしめることができるとともに、露出された母材によって形成されるエッジ部分によりガスシール性および油かき性を発揮せしめることができる。 According to the present invention, a piston ring is constituted by a base material having a recess formed on the outer peripheral surface and a hard coating provided on the recess, and the outer peripheral surface of the piston ring has a portion on which the hard coating is formed and a base In addition, the exposed part of the material is a so-called edge part of the upper surface or the lower surface of the outer peripheral surface. In addition, the gas sealing property and the oil scuffing property can be exhibited by the edge portion formed by the exposed base material.

加えて、本願発明は、母材の外周面であって硬質皮膜が形成される凹部の形状を特殊な形状としているため、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面（１０〜３０°）となっており、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜自体が母材から剥離することを防止することができる。 In addition, the present invention has a special shape in the shape of the concave portion on the outer peripheral surface of the base material in which the hard coating is formed, so that the boundary portion between the base material and the hard coating is an inclined surface ( As a result, it is possible to prevent stress from concentrating on one point of the hard coating and to prevent the hard coating itself from being peeled off from the base material.

また、本願発明において、硬質皮膜の材質をＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜とすることにより、ピストンリングに要求される耐摩耗性を充分に満たすことができるとともに、母材との密着性をも向上せしめ、剥離を防止することができる。 In the present invention, the hard coating is made of a Cr-N or Cr-BN coating formed by the PVD method, thereby sufficiently satisfying the wear resistance required for the piston ring. It is possible to improve adhesion to the base material and prevent peeling.

また、本願発明において、母材の上面、下面、内周面および外周面において露出している部分を窒化処理することにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができる。 Further, in the present invention, by nitriding the exposed portions of the upper surface, the lower surface, the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the base material, it is possible to further improve the wear resistance of the piston ring and to perform post-processing. It becomes unnecessary and the manufacturing process can be simplified.

さらに、本願発明にあっては、ピストンリングの中でも圧力リングとして用いられた場合に効果的であり、圧力リングとして用いた場合、その下面側のエッジ部分がガスシールを行うとともに油をかく部分となるため、当該部分に母材を露出させ、上面側に硬質皮膜を形成することがより効果的である。 Further, in the present invention, it is effective when used as a pressure ring among piston rings, and when used as a pressure ring, the edge part on the lower surface side performs gas sealing and oil-spilling part. Therefore, it is more effective to expose the base material in the portion and form a hard film on the upper surface side.

また、本願発明は、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有するピストンリングにも応用可能である。 The invention of the present application can also be applied to a piston ring whose outer peripheral surface has a barrel face shape.

以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。 The piston ring of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.

図１（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。なお、本発明のピストンリングには、図１には図示しない合い口部が形成されている。 FIG. 1 (a) is a perspective view showing a cross section perpendicular to the radial direction of a part of the piston ring of the present invention, (b) is an enlarged view of the cross section of (a), and (c) is ( It is a further enlarged view of b). The piston ring of the present invention is formed with an opening not shown in FIG.

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本発明のピストンリング１は、母材２と硬質皮膜３とから構成されている。そして、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、ピストンリングの径方向に垂直な断面をみた場合、母材２には、母材の上面から下面に向かって（逆でもよい）、ピストンリング外周面Ｚに平行に延びる第１の面Ｘと、前記第１の面Ｘの一端Ｘ₁からピストンリング外周面Ｚに向かって延びる第２の面Ｙとから構成される凹部２１が形成されている。この前記凹部２１には、最終的にピストンリング１の外周面Ｚの一部となる硬質皮膜３が設けられている。そして、前記凹部２１を形成する第２の面Ｙとピストンリングの外周面Ｚ（凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面）とが、１０〜３０°の角度をもって接している（図１（ｃ）の符号α参照）。その結果、図１（ａ）に示すように、本発明のピストンリング１の外周面Ｚの外観は、その大半は硬質皮膜３により覆われており、下面近傍のいわゆるエッジ部分には母材２が露出した状態となっている。 As shown in FIGS. 1A to 1C, the piston ring 1 of the present invention includes a base material 2 and a hard coating 3. Then, as shown in FIGS. 1B and 1C, when the cross section perpendicular to the radial direction of the piston ring is viewed, the base material 2 is directed from the upper surface to the lower surface of the base material (or vice versa). A recess 21 is formed which includes a first surface X extending parallel to the piston ring outer peripheral surface Z and a second surface Y extending from one end X ₁ of the first surface X toward the piston ring outer peripheral surface Z. Has been. The concave portion 21 is provided with a hard coating 3 that finally becomes a part of the outer peripheral surface Z of the piston ring 1. And the 2nd surface Y which forms the said recessed part 21, and the outer peripheral surface Z (surface of the hard membrane | film | coat 3 formed in the recessed part 21) are contacting with the angle of 10-30 degrees (FIG. 1 ( c). As a result, as shown in FIG. 1A, the outer appearance of the outer peripheral surface Z of the piston ring 1 of the present invention is mostly covered by the hard coating 3, and the so-called edge portion in the vicinity of the lower surface is provided with the base material 2 Is exposed.

このような本発明のピストンリング１によれば、外周面Ｚに設けられた硬質皮膜３により耐摩耗性を発揮せしめることができるとともに、露出された母材２によって形成されるエッジ部分によりガスシール性および油かき性を発揮せしめることができる。 According to the piston ring 1 of the present invention as described above, the hard coating 3 provided on the outer peripheral surface Z can exhibit wear resistance, and the gas seal is formed by the edge portion formed by the exposed base material 2. And oiling ability can be exhibited.

また、ピストンリングの外周面Ｚと凹部２１を構成する第２の面Ｙとのなす角α（図１（ｃ）参照）を１０〜３０°とすることにより、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面となる一方、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜３自体が母材２から剥離することを防止することができる。 Further, by setting the angle α (see FIG. 1C) between the outer peripheral surface Z of the piston ring and the second surface Y constituting the recess 21 to 10 to 30 °, the boundary between the base material and the hard coating As a result, the portion becomes an inclined surface, and as a result, it is possible to prevent stress from concentrating on one point of the hard coating and to prevent the hard coating 3 itself from peeling off from the base material 2. .

このような本発明のピストンリング１を構成する母材２について以下に説明する。 The base material 2 constituting the piston ring 1 of the present invention will be described below.

母材２の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ−Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。 The material of the base material 2 is not particularly limited, and any material can be used. For example, steel (steel material) can be mainly used as the material, and as stainless steel, SUS440, SUS410, SUS304, etc. represented by JIS standard, or 8Cr steel, 10Cr steel, SWOSC-V, SWRH. A material etc. can be used.

母材２の外周面Ｚには、前述したように所定の形状を呈し、最終的に硬質皮膜３によって埋められる凹部２１が形成されている。 On the outer peripheral surface Z of the base material 2, a concave portion 21 having a predetermined shape and finally filled with the hard coating 3 is formed as described above.

当該凹部２１を構成する第２の面Ｙとピストンリング外周面Ｚとのなす角αが１０°より小さいと、凹部２１に設けられる硬質皮膜３の厚さを確保することができず、剥離するおそれがある。一方でなす角αを３０°より大きくすると、硬質皮膜の剥離が生じてしまう。 If the angle α formed between the second surface Y constituting the concave portion 21 and the piston ring outer peripheral surface Z is smaller than 10 °, the thickness of the hard coating 3 provided in the concave portion 21 cannot be ensured and peels off. There is a fear. On the other hand, when the angle α formed is larger than 30 °, the hard coating is peeled off.

ここで、当該凹部を構成する第１の面Ｘと第２の面Ｙとのなす角θは、１５０〜１７０°の範囲とすることが好ましい。第１の面Ｘとピストンリングの外周面Ｚが平行であることから、なす角θをこの範囲とすることにより、前記なす角αを所定の範囲内にするｋとができる。また、第１の面Ｘと第２の面Ｙとは曲面状（緩やかなカーブ）につなげることが好ましい。これにより、硬質皮膜３の剥離をより防止することができる。 Here, the angle θ formed by the first surface X and the second surface Y constituting the concave portion is preferably in the range of 150 to 170 °. Since the first surface X and the outer peripheral surface Z of the piston ring are parallel, by making the angle θ formed in this range, the formed angle α can be set to a predetermined range k. Further, it is preferable that the first surface X and the second surface Y are connected in a curved surface shape (gradual curve). Thereby, exfoliation of hard coat 3 can be prevented more.

また、図１（ｃ）に示す凹部２１の深さｈについては、本願発明は特に限定することはないが、凹部２１に設けられる硬質皮膜３の性能や製造コストなどを考慮すると、１〜７０μｍ程度が好ましく、１０〜６０μｍが特に好ましい。１μｍ未満であると、摩耗により皮膜が消滅し耐久性が劣るという問題があり、一方で７０μｍを超えると、製造上時間がかかりコスト的に好ましくない。なお、図１（ｃ）からも分かるように、凹部２１の深さｈは、最終的に当該部分に形成される硬質皮膜３の厚さとなる。 Further, the depth h of the recess 21 shown in FIG. 1C is not particularly limited, but considering the performance and manufacturing cost of the hard coating 3 provided in the recess 21, 1 to 70 μm. The degree is preferable, and 10 to 60 μm is particularly preferable. If it is less than 1 μm, there is a problem that the film disappears due to wear and the durability is inferior. On the other hand, if it exceeds 70 μm, it takes time in production and is not preferable in terms of cost. As can be seen from FIG. 1C, the depth h of the recess 21 is finally the thickness of the hard coating 3 formed on the portion.

さらに、図１（ｂ）に示す凹部２１の長さｍについても、本願発明は特に限定することはない。しかしながら、ピストンリング１に耐摩耗性を付与するためには、その外周面Ｚに硬質皮膜３を充分に形成する必要があり、一方で、外周面Ｚに露出させる母材２の役割は、エッジをシャープにしてガスシール性および油かき性を向上せしめることであることから、凹部２１の長さｍは、ピストンリングの断面の全長の７０〜９０％程度とすることが好ましい。従って、外周面Ｚに露出される母材の長さｎは、全長の１０〜３０％となる。外周面Ｚに露出される母材の長さｎが１０％未満であると、欠けや剥離が生じやすいという問題があり、一方で３０％を超えると、硬質皮膜の無い部分が多く、耐摩耗性が劣るという問題がある。 Further, the present invention is not particularly limited with respect to the length m of the recess 21 shown in FIG. However, in order to give abrasion resistance to the piston ring 1, it is necessary to sufficiently form the hard coating 3 on the outer peripheral surface Z. On the other hand, the role of the base material 2 exposed on the outer peripheral surface Z is the edge. Therefore, the length m of the recess 21 is preferably about 70 to 90% of the entire length of the piston ring cross section. Therefore, the length n of the base material exposed on the outer peripheral surface Z is 10 to 30% of the entire length. If the length n of the base material exposed on the outer peripheral surface Z is less than 10%, there is a problem that chipping or peeling is likely to occur. On the other hand, if it exceeds 30%, there are many portions without a hard film and wear resistance. There is a problem of inferiority.

ここで、母材２は、少なくとも下面２４および外周面において露出している部分２５が窒化処理されていることが好ましく、その上面２２、内周面２３、下面２４および外周面において露出している部分２５の全てが窒化処理されていてもよい。これにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができるからである。 Here, in the base material 2, it is preferable that at least the lower surface 24 and the portion 25 exposed on the outer peripheral surface are nitrided, and the upper surface 22, the inner peripheral surface 23, the lower surface 24 and the outer peripheral surface thereof are exposed. All of the portion 25 may be nitrided. This is because the wear resistance of the piston ring can be further improved, and post-processing is not required, and the manufacturing process can be simplified.

当該窒化処理としては、特に限定されることはないが、塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理、イオン窒化処理などを具体例としてあげることができる。窒化処理にてビッカース硬さ（ＨＶ）が７００以上の窒化層を窒化拡散層としこの窒化拡散層の厚さを１〜４０μｍで形成することが好ましく、厚さについては、１０〜２０μｍが特に好ましい。 The nitriding treatment is not particularly limited, and specific examples include salt bath soft nitriding treatment, gas nitriding treatment, gas soft nitriding treatment, and ion nitriding treatment. A nitride layer having a Vickers hardness (HV) of 700 or more in nitriding treatment is used as a nitride diffusion layer, and the thickness of this nitride diffusion layer is preferably 1 to 40 μm, and the thickness is particularly preferably 10 to 20 μm. .

次に、凹部２１に形成される硬質皮膜３について説明する。 Next, the hard film 3 formed in the recess 21 will be described.

硬質皮膜３の材質については特に限定することはなく、当該硬質皮膜３の効果、つまりピストンリングの耐摩耗性を向上せしめることが可能な皮膜であれば、従来から用いられている各種硬質皮膜を適宜選択して用いることができる。 The material of the hard film 3 is not particularly limited, and various hard films that have been conventionally used can be used as long as the effect of the hard film 3, that is, a film that can improve the wear resistance of the piston ring. It can be appropriately selected and used.

本発明にあっては、各種硬質皮膜の中でも、ＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であることが好ましい。 In the present invention, among various hard coatings, a Cr-N-based or Cr-B-N-based coating formed by a PVD method (physical vapor deposition method) is preferable.

Ｃｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３の形成するためのＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等を挙げることができる。 Examples of the PVD method for forming the Cr—N-based or Cr—B—N-based hard coating 3 include an ion plating method, a vacuum deposition method, and a sputtering method.

Ｃｒ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎよりなる皮膜であり、Ｃｒが０．５〜１５．５質量％、ＣｒＮが４５．０〜９８．０質量％、Ｃｒ₂Ｎが残部であることが好ましい。 The Cr—N type hard coating 3 is a coating made of Cr, CrN, and Cr ₂ N, Cr is 0.5 to 15.5 mass%, CrN is 45.0 to 98.0 mass%, and Cr ₂ N. Is preferably the balance.

一方で、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｂ含有量が０．０５〜２０質量％であることが好ましい。ＢがＣｒ−Ｎ合金中に含まれることによって形成される当該硬質皮膜は、耐摩耗性および耐スカッフィング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。Ｂ含有量が０．０５質量％未満では、耐スカッフィング性および相手攻撃性で期待する効果が得られない。Ｂ含有量が２０質量％を超えると、硬質皮膜３の内部応力が高く、靱性が低下し、皮膜にクラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングとしての機能を果たさなくなる。Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＢ含有量の特に好ましい範囲としては、１〜３質量％であり、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＮ含有量は、４．０〜３４．０重量％の範囲であり、残部がＣｒであることが好ましい。 On the other hand, the Cr-B-N type hard coating 3 preferably has a B content of 0.05 to 20% by mass. The hard film formed by including B in the Cr—N alloy is excellent in wear resistance and scuffing resistance, and in particular, excellent in attacking the opponent. When the B content is less than 0.05% by mass, the expected effects of scuffing resistance and opponent attack cannot be obtained. When the B content exceeds 20% by mass, the internal stress of the hard coating 3 is high, the toughness is reduced, cracks and delamination occur in the coating, and the function as a piston ring is not achieved. The particularly preferable range of the B content constituting the Cr—B—N type hard coating 3 is 1 to 3% by mass, and the N content constituting the Cr—B—N type hard coating 3 is 4%. The range is from 0.03 to 34.0% by weight, and the balance is preferably Cr.

次に本発明のピストンリングの製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the piston ring of this invention is demonstrated.

製造方法に関しては特に限定されることはなく、最終製品としてのピストンリング１が上記で説明した特定の形状を有する凹部２１を有する母材２と、当該凹部に設けられる硬質皮膜３とからなれば、いかなる製造方法を用いてもよい。 The manufacturing method is not particularly limited as long as the piston ring 1 as a final product includes the base material 2 having the concave portion 21 having the specific shape described above and the hard coating 3 provided in the concave portion. Any manufacturing method may be used.

図２は、製造方法の一例を示す工程図である。 FIG. 2 is a process diagram showing an example of the manufacturing method.

図２（ａ）に示すように、第１の面Ｘと第２の面Ｙとから構成される凹部２１が設けられた母材２を用意する。ここで、第２の面Ｙと最外周面Ｗとのなす角αは１０〜３０°とする。一方で凹部２１の深さＨは、最終製品たるピストンリング１における凹部２１の深さ（図１（ｃ）の符号ｈ）よりも深くしておく。言い換えれば、最終的に凹部２１に形成されるべき硬質皮膜３の膜厚よりも深くしておく。なお、この凹部２１の形成方法は切削、研削、研磨などの公知の技術を適宜選択して採用すればよい。 As shown in FIG. 2A, a base material 2 provided with a recess 21 composed of a first surface X and a second surface Y is prepared. Here, the angle α formed by the second surface Y and the outermost peripheral surface W is 10 to 30 °. On the other hand, the depth H of the recess 21 is set to be deeper than the depth of the recess 21 in the piston ring 1 which is the final product (the symbol h in FIG. 1C). In other words, it is deeper than the film thickness of the hard coating 3 to be finally formed in the recess 21. In addition, the formation method of this recessed part 21 should just employ | adopt suitably selecting well-known techniques, such as cutting, grinding, grinding | polishing.

次に、図２（ｂ）に示すように、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成する。形成する硬質皮膜３の膜厚は、最終製品たるピストンリング１において必要な膜厚とする。なお、硬質皮膜３の形成方法には、前述したように、各種ＰＶＤ法を用いればよい。 Next, as shown in FIG. 2B, a hard coating 3 is formed on the entire outer peripheral surface of the base material 2. The film thickness of the hard coating 3 to be formed is set to a film thickness necessary for the piston ring 1 as a final product. As described above, various PVD methods may be used for forming the hard coating 3.

次に、図２（ｃ）に示すように、母材２の下面側に形成された凸部分（図中の斜線の部分）を、母材２の凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面に沿って除去する。なお、除去方法は特に限定されない。 Next, as shown in FIG. 2 (c), the convex portion (hatched portion in the figure) formed on the lower surface side of the base material 2 is replaced with the surface of the hard coating 3 formed on the concave portion 21 of the base material 2. Remove along. The removal method is not particularly limited.

前記除去により、最終的に図２（ｄ）に示すように、本発明のピストンリング１を形成することができる。 By the removal, the piston ring 1 of the present invention can be finally formed as shown in FIG.

また、窒化処理を行うと、図２（ｅ）に示すように、リング母材部分に窒化拡散層が形成される。 When nitriding is performed, a nitriding diffusion layer is formed in the ring base material as shown in FIG.

図２に示す方法によれば、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成した後、不要な部分を除去することで、最終的に所定部分（下面側のエッジ部分）に母材２を露出させることができるため、硬質皮膜３をＰＶＤ法で形成する場合であっても、マスクなどを用いる必要がなく、比較的簡便かつ安価に本発明のピストンリングを製造することができる。 According to the method shown in FIG. 2, after forming the hard coating 3 on the entire outer peripheral surface of the base material 2, an unnecessary portion is removed, so that the base material 2 is finally formed on a predetermined portion (the edge portion on the lower surface side). Therefore, even when the hard coating 3 is formed by the PVD method, it is not necessary to use a mask or the like, and the piston ring of the present invention can be manufactured relatively easily and inexpensively.

図３（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。 FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views showing another example of the piston ring of the present invention.

図３（ａ）に示すように、本願発明のピストンリングにおいては、その外周面Ｚの形状をバレルフェース形状とすることも可能であり、図３（ｂ）に示すように、その外周面Ｚの形状を偏心バレルフェース形状にすることも可能である。バレル形状とすることにより、油膜潤滑を行いながら外周面（摺動面）からのガス漏れを防止することができる。 As shown in FIG. 3 (a), in the piston ring of the present invention, the shape of the outer peripheral surface Z can be a barrel face shape. As shown in FIG. 3 (b), the outer peripheral surface Z It is also possible to make the shape of this barrel an eccentric barrel face. By adopting the barrel shape, gas leakage from the outer peripheral surface (sliding surface) can be prevented while performing oil film lubrication.

本発明のピストンリングは、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。 The piston ring of the present invention can be used not only for a top ring that functions as a so-called pressure ring but also for a second ring that is the same pressure ring, and further, the present invention can be applied to an oil ring.

図１や図２は、いわゆる圧力リングの例であり、この場合には、図示するように、ピストンリングの上面側に硬質皮膜３を形成し、下面側のエッジ部分に母材２を露出させることが好ましい。圧力リングにおいては下面側のエッジ部分に母材２を露出させることによって欠けや剥離を防止できるからである。 FIG. 1 and FIG. 2 are examples of so-called pressure rings. In this case, as shown in the figure, a hard film 3 is formed on the upper surface side of the piston ring, and the base material 2 is exposed at the edge portion on the lower surface side. It is preferable. This is because in the pressure ring, chipping and peeling can be prevented by exposing the base material 2 to the edge portion on the lower surface side.

図４（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。 4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views when the piston ring of the present invention is applied to an oil ring.

コイルエキスパンダ（図示せず）とオイルリング本体１とからなる２ピースオイルリングにあっては、図４（ａ）に示すように、上下２つの摺動面ともに上面側に硬質皮膜３を形成し下面側に母材２を露出させることができる。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の下方向となる。 In a two-piece oil ring consisting of a coil expander (not shown) and an oil ring body 1, a hard coating 3 is formed on the upper surface of both the upper and lower sliding surfaces as shown in FIG. 4 (a). The base material 2 can be exposed on the lower surface side. In this case, the direction of pumping out the oil is the downward direction of the oil ring body 1.

一方で、図４（ｂ）に示すように、上側の摺動面にあっては、上面側に硬質皮膜３を形成し下面側に母材２を露出させ、下側の摺動面にあっては、下面側に硬質皮膜３を形成し上面側に母材２を露出させてもよい。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の中央部となる。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, on the upper sliding surface, the hard coating 3 is formed on the upper surface side, the base material 2 is exposed on the lower surface side, and the lower sliding surface is present. Alternatively, the hard coating 3 may be formed on the lower surface side and the base material 2 may be exposed on the upper surface side. In this case, the direction of scooping out oil is the central portion of the oil ring main body 1.

このように、２ピースオイルリングの本体にあっては圧力リングに比べてリング形状が複雑となる場合が多く、従来のオイルリング本体にあってはそのエッジ部分をシャープに形成することが困難な場合があったが、本発明によれば、母材２そのものを露出させることでエッジ部分を形成することができるため、比較的容易にシャープなエッジ部分とすることができる。 As described above, in the main body of the two-piece oil ring, the ring shape is often complicated compared to the pressure ring, and in the conventional oil ring main body, it is difficult to form the edge portion sharply. However, according to the present invention, since the edge portion can be formed by exposing the base material 2 itself, a sharp edge portion can be formed relatively easily.

本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。 The piston ring of the present invention will be described more specifically with reference to examples.

（実施例１〜６）
前記図２を用いて説明した方法を用いて、図１に示すピストンリング（オイルリング）を製造した。 (Examples 1-6)
The piston ring (oil ring) shown in FIG. 1 was manufactured using the method described with reference to FIG.

ここで、母材（２）としては、ＪＩＳ規格で表されるＳＵＳ４４０Ｂを用いた。 Here, as the base material (2), SUS440B represented by JIS standard was used.

また、硬質皮膜（３）としては、イオンプレーティング法により形成したＣｒ−Ｂ−Ｎとした。 The hard coating (3) was Cr-BN formed by an ion plating method.

製造したピストンリングの寸法は、直径：１１５ｍｍ、軸方向幅：３．０ｍｍ、径方向幅３．９５ｍｍである。なお、ピストンリング外周摺動面の下部（エッジ部分）において露出している母材の長さ（ｍ）は０．５ｍｍであった。 The dimensions of the manufactured piston ring are: diameter: 115 mm, axial width: 3.0 mm, radial width: 3.95 mm. The length (m) of the base material exposed at the lower portion (edge portion) of the outer peripheral sliding surface of the piston ring was 0.5 mm.

このような実施例１〜６において、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値は、以下の表１に示す通りである。なお、この第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）は、ピストンリング軸方向断面が観察できるように切断し、断面を研磨して鏡面化し、１００倍の視野に拡大して確認した。また、これらの実施例にあっては、以下の表１に示すように、母材において硬質皮膜（３）が形成されていない部分を窒化処理したものとしていないものとがある。 In such Examples 1 to 6, the value of the angle (α) formed by the second surface (Y) constituting the recess (21) formed in the base material (2) and the piston ring outer peripheral surface (Z). Is as shown in Table 1 below. The angle (α) formed by the second surface (Y) and the outer peripheral surface (Z) of the piston ring is cut so that the cross section in the piston ring axial direction can be observed, and the cross section is polished and mirror-finished. It was confirmed by enlarging the field of view. Further, in these examples, as shown in Table 1 below, there is a case where a portion of the base material where the hard coating (3) is not formed is not nitrided.

窒化処理については、ガス窒化法を用い１０〜２０μｍの厚さの窒化拡散層を形成した。 For the nitriding treatment, a nitriding diffusion layer having a thickness of 10 to 20 μm was formed using a gas nitriding method.

（比較例１〜２）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値が本発明の範囲外の比較例を製造した。具体的には表１の通りである。 (Comparative Examples 1-2)
The value of the angle (α) formed by the second surface (Y) constituting the recess (21) formed in the base material (2) and the outer peripheral surface (Z) of the piston ring is the same as in the above embodiment. Comparative examples outside the scope of the invention were produced. Specifically, it is as shown in Table 1.

（従来例１〜２）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）の外周面全体に硬質皮膜（３）が形成されている従来例を製造した。具体的には表１の通りである。 (Conventional examples 1 and 2)
A conventional example in which the hard coating (3) is formed on the entire outer peripheral surface of the base material (2) was manufactured in the same manner as in the above-described example. Specifically, it is as shown in Table 1.

＜剥離試験＞
図５に示す捻り剥離試験機４０を用いてツイスト試験を行った。 <Peel test>
A twist test was performed using a twist peel tester 40 shown in FIG.

ツイスト試験においては、ピストンリング１の合口５の相対向する合口端部を掴持具４１ａ、４１ｂで掴持し、掴持具４１ａを固定しておいて掴持具４１ｂをピストンリング１の直径方向で合口の反対側６を軸として一点鎖線で示されるように回転させてピストンリング１を所定のねじり角度にてねじる。ねじり角度は９０°とした。ねじり後に、このピストンリング１の合口反対側６を切断し、切断面（破面）における皮膜層のリング母材からの剥離の有無を目視で観察した。観察した結果、亀裂又は剥離が全く無かった場合を○とし、亀裂又は剥離が軽微でも確認できた場合を×とした。剥離試験を行ったのは、実施例１、４、５、比較例１、２、従来例１である。 In the twist test, the opposite ends of the joint 5 of the piston ring 1 are gripped by the grippers 41 a and 41 b, the gripper 41 a is fixed, and the gripper 41 b is fixed to the diameter of the piston ring 1. The piston ring 1 is twisted at a predetermined torsion angle by rotating as indicated by the alternate long and short dash line about the opposite side 6 of the joint in the direction. The twist angle was 90 °. After twisting, the opposite side 6 of the piston ring 1 was cut, and the presence or absence of peeling of the coating layer from the ring base material on the cut surface (fracture surface) was visually observed. As a result of the observation, the case where there was no crack or peeling was rated as ◯, and the case where the crack or peeling was slight was confirmed as x. The peel test was performed in Examples 1, 4, and 5, Comparative Examples 1 and 2, and Conventional Example 1.

その結果を以下の表１に示す。 The results are shown in Table 1 below.

＜実機試験＞
排気量：８０００ｃｃ、ボア径：φ１１５ｍｍの直列６気筒ディーゼルエンジンにてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。また、第１圧力リングの下面の摩耗を実機運転前後のプロフィールより摩耗量を測定した。

<Real machine test>
The oil consumption and blow-by gas amount were measured with an in-line 6-cylinder diesel engine having a displacement of 8000 cc and a bore diameter of φ115 mm. Further, the wear amount of the lower surface of the first pressure ring was measured from the profiles before and after the actual machine operation.

この際のピストンリングの組合せは、第１圧力リングは、Ｃ：０．９（質量）％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：１７．５％、Ｍｏ：１．１％、Ｖ：０．１％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．０１％（ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０Ｂ材相当）からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：３．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：３．９５ｍｍのもので、実施例３、実施例４、従来例１の仕様とし、第２圧力リングは、１０Ｃｒ鋼材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：２．５ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：４．３ｍｍのものである。オイルリングはＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４１０ＪＩ材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：４．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：オイルリング単体で２．３５ｍｍ、コイルエキスパンダとの組み合わせで４．３５ｍｍのものである。 In this case, the combination of the piston rings is that the first pressure ring is C: 0.9 (mass)%, Si: 0.4%, Mn: 0.3%, Cr: 17.5%, Mo: 1. 1%, V: 0.1%, P: 0.01%, S: 0.01% (equivalent to SUS440B material expressed in JIS standard), ring axial width (h1): 3.0 mm, ring Radial width (a1): 3.95 mm, the specifications of Example 3, Example 4, and Conventional Example 1, and the second pressure ring is made of 10Cr steel material equivalent. Ring axial width (h1): 2 0.5 mm, ring radial width (a1): 4.3 mm. The oil ring is made of SUS410JIS material equivalent to the JIS standard, ring axial width (h1): 4.0 mm, ring radial width (a1): 2.35 mm for oil ring alone, in combination with coil expander 4.35 mm.

実機試験は、第２圧力リング及びオイルリングの仕様は一定とし、第１圧力リングのみを変化させて行った。第１圧力リングは外周摺動面をバレルフェース形状とし、第２圧力リングは外周摺動面をテーパー形状とした。 In the actual machine test, the specifications of the second pressure ring and the oil ring were constant, and only the first pressure ring was changed. The first pressure ring has a barrel face shape on the outer peripheral sliding surface, and the second pressure ring has a tapered shape on the outer peripheral sliding surface.

具体的な試験方法としては、ＷＯＴ（全負荷）によりエンジン回転数２２００ｒｐｍにて、従来例１の圧力リングを用いたブローバイガス量、オイル消費量の数値を１とし、従来例２、実施例２、３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。また、摩耗量については、従来例１の圧力リングを用いたリング下面の摩耗量の数値を１とし、実施例３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。さらその結果を図５に示す。 As a specific test method, WOT (full load) at an engine speed of 2200 rpm, the blowby gas amount using the pressure ring of Conventional Example 1 and the value of oil consumption are set to 1, and Conventional Example 2 and Example 2 are used. The test results using 3, 5, and 6 pressure rings were determined as indices. As for the amount of wear, the numerical value of the amount of wear on the lower surface of the ring using the pressure ring of Conventional Example 1 was 1, and the test results using the pressure rings of Examples 3, 5, and 6 were obtained as indices. The results are shown in FIG.

表１や図６からも分かるように、本発明のピストンリングによれば、従来よりも耐剥離性、耐摩耗性、ガスシール性、およびオイルかき性をともに向上せしめることができる。 As can be seen from Table 1 and FIG. 6, according to the piston ring of the present invention, it is possible to improve both the peel resistance, the wear resistance, the gas sealability, and the oil scuffing property as compared with the prior art.

（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。(A) is the perspective view which showed the cross section perpendicular | vertical to the partial radial direction of the piston ring of this invention, (b) is an enlarged view of the cross section of (a), (c) is (b) FIG. 製造方法の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of a manufacturing method. （ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows another example of the piston ring of this invention. （ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。(A) And (b) is sectional drawing at the time of applying the piston ring of this invention to an oil ring. 剥離試験（ツイスト試験）の説明図である。It is explanatory drawing of a peeling test (twist test). ブローバイガス量、オイル消費量および摩耗量を示す図である。It is a figure which shows blow-by gas amount, oil consumption, and wear amount.

Explanation of symbols

１…ピストンリング
２…母材
３…硬質皮膜
４…窒化拡散層
５…合口
Ｘ…第１の面
Ｙ…第２の面
Ｚ…ピストンリングの外周面
α…第２の面とピストンリング外周面とのなす角
θ…第１の面と第２の面のなす角
２１…凹部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piston ring 2 ... Base material 3 ... Hard film 4 ... Nitride diffused layer 5 ... Joint X ... 1st surface Y ... 2nd surface Z ... Outer surface of piston ring alpha ... Second surface and outer surface of piston ring The angle between the first surface and the second surface 21 the concave portion

Claims

A piston ring comprising a base material having a recess formed on an outer peripheral surface, and a hard coating provided on the recess,
In a cross section perpendicular to the radial direction of the piston ring,
The concave portion has a first surface extending parallel to the piston ring outer peripheral surface from one of the upper and lower surfaces of the base material toward the other, and a first surface extending from one end of the first surface toward the piston ring outer peripheral surface. It consists of two faces,
By providing a hard film in the recess, the piston ring outer peripheral surface has a portion where the hard film is formed and a portion where the base material is exposed,
The second surface forming the recess and the outer peripheral surface of the piston ring are in contact with each other at an angle of 10 to 30 °,
The portion where the base material is exposed at least on the lower surface and the outer peripheral surface of the base material is nitrided ,
And,
The hard film is a Cr-BN system film formed by a PVD method, and the content of B in the hard film is 0.05 to 20% by mass,
The depth of the concave portion is 10 to 60 μm, the length of the concave portion is 70 to 90% with respect to the total length of the outer peripheral surface of the piston ring, and the length of the portion where the base material is exposed is a piston. A piston ring characterized by being 10 to 30% of the total length of the outer peripheral surface of the ring.

The piston ring is a pressure ring, a hard film is formed on the upper surface side of the outer peripheral surface of the piston ring, and a hard film is not formed on the lower surface side, and the base material is exposed. The piston ring according to claim 1.

The piston ring according to claim 1 or 2, wherein the outer peripheral surface of the piston ring has a barrel face shape .