JPH05148612A - ピストンリングの製造方法 - Google Patents

ピストンリングの製造方法

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JPH05148612A
JPH05148612A JP3309114A JP30911491A JPH05148612A JP H05148612 A JPH05148612 A JP H05148612A JP 3309114 A JP3309114 A JP 3309114A JP 30911491 A JP30911491 A JP 30911491A JP H05148612 A JPH05148612 A JP H05148612A
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nitriding
layer
temp
piston ring
temperature nitriding
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JP3309114A
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Takeshi Tsuchiya
武司 土屋
Shuji Samejima
修二 鮫島
Yoshio Onodera
義男 小野寺
Satoshi Kawashima
聡 川嶋
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Nippon Piston Ring Co Ltd
Original Assignee
Nippon Piston Ring Co Ltd
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化層の耐割れ性を向上させることができ、
良好な耐摩耗性及び耐折損性を有するピストンリングの
製造方法を提供する。 【構成】 鋼製母材１１の表面に高温度窒化を施した
後、低温度窒化を施し、次いで少なくとも摺動面１３の
ポーラス層を除去して拡散層を露出させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関に使用されるピ
ストンリングの製造方法に係り、特に鋼製コンプレッシ
ョンリング等の鋼製ピストンリングの製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、社会的ニーズにより、過給機装置
仕様も含む高回転・高出力型仕様、又は高圧縮比仕様等
の出力アップを狙った内燃機関が開発されており、上記
内燃機関に使用するコンプレッションリング等のピスト
ンリングもこれに見合ってグレードアップさせていかな
ければならない状況にある。
【０００３】また、公害問題により燃料の無鉛化が進ん
でいるが、有鉛燃料も諸外国を中心に未だ広く使用され
ており、この有鉛燃料を使用する内燃機関のシリンダ内
においては、ＨＣｌやＨ2 ＳＯ4 等の腐蝕雰囲気が強
く、そのため従来から一般に使用されているクロムメッ
キされたピストンリングは、その摺動面のクロムメッキ
が著しく摩耗する。それ故に、上記ピストンリングに
は、厚クロムメッキが対策仕様として実施されている
が、製造コスト及び生産性において充分に満足できるも
のではなかった。
【０００４】これに対して、ピストンリングの上記摺動
面に窒化処理を施して摩耗を抑制するものが開発されて
おり、以前にも増して耐摩耗性及び耐腐蝕性アップの要
求が強くなってきており、今後もこの仕様が増えていく
と予測される。
【０００５】図７は、ピストンリングとしての従来のコ
ンプレッションリング１の一部を示しており、鋼製母材
２の表面に、窒化処理により窒化層３が形成されてい
る。この窒化処理に伴って表層部には白層と称する非常
に脆硬なポーラス層が生じるが、摺動面４又は摺動面４
を含む上下面は、後加工によって脆硬なポーラス層を除
去することにより製品化している。
【０００６】上記鋼製母材２の組成としては、例えば重
量比率（％）にて、 Ｃ：０．８０〜０．９５、 Ｓｉ：０．３５〜０．５０ Ｍｎ：０．２５〜０．４０、 Ｃｒ：１７．００〜１８．００、 Ｍｏ：１．００〜１．２５、 Ｖ：０．０８〜０．１５ 残部Ｆｅと不可避の不純物とからなる組成のもの、又
は、重量比率（％）にて、 Ｃ：０．８７〜０．９３、 Ｓｉ：０．２０〜０．４０、 Ｍｎ：０．２０〜０．４０、 Ｃｒ：２１．００〜２２．００、 Ｍｏ：０．２０〜０．４０、 Ｎｉ：０．９０〜１．１０ 残部Ｆｅと不可避の不純物とからなる組成のものがあ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このコンプレッション
リング１を、上述した一部の内燃機関のピストン溝内に
取付けて使用すると、コンプレッションリング１は、半
径方向への拡縮動作及び上記ピストン溝の壁との繰り返
し衝突動作等により、運転中に窒化層３にクラックが入
って摺動面４に割れ５が生じることがあり、これが成長
して脱落又は欠け等の現象が起こり、これにより、摺動
面４に剥離部６が生じることがあった。この現象によ
り、コンプレッションリング１にスカッフィング、異常
摩耗が起こり、さらにはコンプレッションリング１が折
損に至ることもあった。
【０００８】本発明の目的は、上記課題に鑑み、窒化層
の耐割れ性を向上させることができ、良好な耐摩耗性及
び耐折損性を有するピストンリングの製造方法を提供す
ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係るピストンリ
ングの製造方法は、鋼製母材表面に高温度窒化を施した
後、低温度窒化を施し、次いで少なくとも摺動面のポー
ラス層を除去して拡散層を露出させることにより構成し
たものである。
【００１０】また、鋼製母材表面に高温度窒化を施した
後、低温度窒化を施し、次いで少なくとも摺動面のポー
ラス層を除去して拡散層を露出させ、その後この拡散層
表面にメッキ層、溶射層及びイオンプレーティング層の
いずれかの層を形成するように構成しても良い。
【００１１】さらに、上記高温度窒化は５６０℃±５℃
乃至６００℃±５℃の温度範囲で、上記低温度窒化は５
００℃±５℃乃至５５０℃±５℃の温度範囲で施し、且
つ両窒化温度の温度差を１℃以上にすることが好まし
い。
【００１２】
【作用】上記構成によれば、鋼製母材表面に高温度窒化
を施した後、低温度窒化を施している。これは、高温度
窒化を施して窒素量が不足した表面層へ窒素を補充する
ため、引き続き低温度窒化処理を施すものである。
【００１３】また、少なくとも摺動面のポーラス層を除
去して拡散層を露出させるのは、該ポーラス層が脆硬な
層だからである。さらに、この拡散層表面にメッキ層、
溶射層及びイオンプレーティング層のいずれかの層を形
成するのは、ピストンリングの耐腐蝕性及び耐摩耗性が
向上するからである。
【００１４】そして、上記高温度窒化の温度範囲を５６
０℃±５℃乃至６００℃±５℃としている。このように
高温度窒化処理を施すのは、高温度のため窒素の侵入力
が強力なので、拡散硬化層が深く形成され易く、処理時
間も比較的短くて済むからである。処理温度を５６０℃
±５℃乃至６００℃±５℃にするのは、５６０℃±５℃
未満では深い拡散硬化層を形成するのに長時間を要し、
６００℃±５℃を超えると所定の硬さが得られず、耐摩
耗性の点で満足しないことになる。
【００１５】また、上記低温度窒化の温度範囲を５００
℃±５℃乃至５５０℃±５℃としている。これは、５０
０℃±５℃より低い温度でも窒化処理自体は可能である
が、所定の窒化深さを高温度窒化より引き続いて得るに
は時間が掛り、生産性及びコストの点で不利である。上
記低温度窒化における高温側温度としては、高温度窒化
に引き続いて低温度窒化を施すため高温度窒化と１℃以
上の温度差を設ける必要から、上記５５０℃±５℃の代
わりに、５４５℃乃至５５４℃がより好ましい。
【００１６】
【実施例】以下、本発明に係るピストンリングの製造方
法の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】図１及び図２は本発明の一実施例を示す図
で、本実施例はピストンリングとしてコンプレッション
リングの場合を示している。図１は、鋼製母材として鋼
製コンプレッションリング母材１１の断面を示してお
り、この鋼製コンプレッションリング母材１１の全表面
に、図２に示すように窒化層１２を形成しているが、本
実施例では、鋼製コンプレッションリング母材１１の表
面に高温度窒化を施した後、低温度窒化を施し、次いで
少なくとも摺動面１３のポーラス層を除去して拡散層を
露出させている。
【００１８】上記ポーラス層は、従来の一定温度窒化の
場合と同様に表層部に生じる白層と称する非常に脆硬な
層であり、本実施例では摺動面１３を含む全表面のポー
ラス層を除去して製品としている。
【００１９】上記高温度窒化の温度範囲としては、５６
０℃±５℃乃至６００℃±５℃が好ましい。このように
高温度窒化処理を施すのは、高温度のため窒素の侵入力
が強力なので、拡散硬化層が深く形成され易く、処理時
間も比較的短くて済むからである。処理温度を５６０℃
±５℃乃至６００℃±５℃にするのは、５６０℃±５℃
未満では深い拡散硬化層を形成するのに長時間を要し、
６００℃±５℃を超えると所定の硬さが得られず、耐摩
耗性の点で満足しないことになる。これらの理由から上
記温度範囲が好ましい。
【００２０】また、上記低温度窒化の温度範囲として
は、５００℃±５℃乃至５５０℃±５℃が好ましい。５
００℃±５℃より低い温度でも窒化処理自体は可能であ
るが、所定の窒化深さを高温度窒化より引き続いて得る
には時間が掛り、生産性及びコストの点で不利である。
上記低温度窒化における高温側温度としては、高温度窒
化に引き続いて低温度窒化を施すため高温度窒化と１℃
以上の温度差を設ける必要から、上記５５０℃±５℃の
代わりに、５４５℃乃至５５４℃がより好ましい。これ
らの理由から上記温度範囲が好ましい。
【００２１】尚、上記高温度窒化および低温度窒化の温
度の公差（±５℃）は、窒化炉内の温度分布のばらつき
である。次に、高温度窒化を施した後、引き続き低温度
窒化を施す理由を述べる。まず、高温度による高温度窒
化処理について説明すると、窒化処理温度を高めて処理
すると、窒素原子の鋼製母材内部への拡散は進行し、こ
れと並行して鋼製母材の表面の窒化鉄等の窒化物層が厚
くなっていく。その結果、図３の曲線Ｍに示されている
ように、窒化物層により窒素の侵入が妨げられ窒素の侵
入量が減少していって、ある時点において窒素の侵入量
が内部への拡散量よりも少なくなり、これにより表面層
の窒素量が不足して表面層の硬さが若干低下してしま
う。このように窒素量が不足した表面層へ窒素を補充す
るため、引き続き低温度による低温度窒化処理を施すの
である。窒化処理温度を低くして処理すると、窒素の鋼
製母材内部への拡散力が高温度窒化処理の時の拡散力よ
りも弱くなり、侵入窒素の大部分は表面層に留まって窒
化物を形成し表面層の硬さが向上する（曲線Ｎ）。従っ
て、低温度による低温度窒化処理で、その高温側処理温
度として、５５０℃より高くなると、鋼製母材内部への
拡散が促進されて、表面層に窒素を留めることができな
いことの理由によるものである。よって耐摩耗性は従来
品と同等若しくはそれ以上に向上する。
【００２２】以下に示す種々の実験例は、本実施例の作
用効果を確認すべく行ったものである。 （実験Ａ）ピストンリングの実製品にて摩耗試験を行
い、耐割れ性（耐クラック性）の評価を行った。 試験機：実体型摩耗試験機 周速：３．３ｍ／ｓｅｃ（８００ｒｐｍ） 潤滑油：７．５Ｗ−３０ 油量：１ｃｃ／ｍｉｎ 相手材：ＦＣ２５相当材 供試材（ピストンリング） ○従来品：重量比率（％）として、Ｃ：０．８３、Ｓ
ｉ：０．４２、Ｍｎ：０．３０、Ｃｒ：１７．５０、Ｍ
ｏ：１．０３、Ｖ：０．０９及び残部がＦｅと不可避の
不純物からなる組成の鋼製母材に、低温度窒化（５００
℃×１２Ｈｒ）を施し、さらに引き続き高温度窒化（５
８０℃×７Ｈｒ）を施したもの。
【００２３】○本発明品：鋼製母材（上記従来品と同一
の組成）に高温度窒化を施し、さらに引き続き低温度窒
化を施したもの。尚、供試材の表面の脆硬なポーラス層
は、除去してある。 結果：結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】 表１に示されているように、本発明品は従来品よりも、
クラック発生荷重が高かった。すなわち、本発明によれ
ば、耐割れ性を向上させることができた。 （実験Ｂ）ピストンリングの実製品にて摩耗試験を行
い、耐割れ性の評価を行った。尚、供試材の組成を変更
した以外は実験Ａと同一条件である。 試験機：実体型摩耗試験機 周速：３．３ｍ／ｓｅｃ（８００ｒｐｍ） 潤滑油：７．５Ｗ−３０ 油量：１ｃｃ／ｍｉｎ 相手材：ＦＣ２５相当材 供試材（ピストンリング） ○従来品：重量比率（％）として、Ｃ：０．９１、Ｓ
ｉ：０．３０、Ｍｎ：０．２９、Ｃｒ：２１．６３、Ｍ
ｏ：０．３０、Ｎｉ：０．９９及び残部がＦｅと不可避
の不純物からなる組成の鋼製母材に、実験Ａと同様に、
低温度窒化（５００℃×１２Ｈｒ）を施し、さらに引き
続き高温度窒化（５８０℃×７Ｈｒ）を施したもの。
【００２５】○本発明品：鋼製母材（上記従来品と同一
の組成）に高温度窒化を施し、さらに引き続き低温度窒
化を施したもの。尚、供試材の表面の脆硬なポーラス層
は、除去してある。 結果：結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】 表２に示されているように、本発明品は従来品よりも、
クラック発生荷重が高かった。すなわち、本発明によれ
ば、耐割れ性を向上させることができた。 （実験Ｃ）実験Ａと同一条件で総窒化時間に対する高温
度窒化時間の割合を変更して、耐割れ性の評価を行っ
た。 試験機：実体型摩耗試験機 周速：３．３ｍ／ｓｅｃ（８００ｒｐｍ） 潤滑油：７．５Ｗ−３０ 油量：１ｃｃ／ｍｉｎ 相手材：ＦＣ２５相当材 供試材（ピストンリング） （ａ）実験Ａと同一の組成、すなわち、重量比率（％）
として、Ｃ：０．８３、Ｓｉ：０．４２、Ｍｎ：０．３
０、Ｃｒ：１７．５０、Ｍｏ：１．０３、Ｖ：０．０９
及び残部がＦｅと不可避の不純物からなる組成の鋼製母
材に、高温度窒化（５８０℃×４Ｈｒ）を施し、さらに
引き続き低温度窒化（５５０℃×６Ｈｒ）を施したも
の。尚、総窒化時間に対する高温度窒化時間の割合は、
４０％である。
【００２７】（ｂ）実験Ｂと同一の組成、すなわち、重
量比率（％）として、Ｃ：０．９１、Ｓｉ：０．３０、
Ｍｎ：０．２９、Ｃｒ：２１．６３、Ｍｏ：０．３０、
Ｎｉ：０．９９及び残部がＦｅと不可避の不純物からな
る組成の鋼製母材に、高温度窒化（５８０℃×５Ｈｒ）
を施し、さらに引き続き低温度窒化（５５０℃×６Ｈ
ｒ）を施したもの。尚、総窒化時間に対する高温度窒化
時間の割合は、４５％である。
【００２８】尚、供試材の表面の脆硬なポーラス層は、
除去してある。 結果：結果を表３及び表４に示す。
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】 表３及び表４に示されているように、総窒化時間に対す
る高温度窒化時間の割合が４０％（上記（ａ）の場合）
及び４５％（上記（ｂ）の場合）である場合、耐割れ性
は従来品と同等になってしまう。上記実験Ａの結果から
５０％以上であれば耐割れ性が向上している結果である
ので「５０％以上」と限定した。 （実験Ｄ）下記供試機関により実機耐久評価を行い、割
れ発生の有無を確認した。 供試機関：水冷２．８リットル 直４気筒ディーゼル機関 試験条件：全負荷４２００ｒｐｍ×３００Ｈｒ耐久 供試材： 第１気筒：実験Ａの従来品 第２気筒：実験Ａの本発明品、ただし、高温度窒化（５
８０℃×７Ｈｒ）を施し、さらに引き続き低温度窒化
（５３０℃×５Ｈｒ）を施したもの。
【００３１】第３気筒：実験Ａの従来品 第４気筒：実験Ａの本発明品、ただし、高温度窒化（５
８０℃×７Ｈｒ）を施し、さらに引き続き低温度窒化
（５３０℃×５Ｈｒ）を施したもの。
【００３２】尚、供試材の表面の脆硬なポーラス層は、
除去してある。 結果：結果を表５に示す。
【００３３】
【表５】 表５に示されているように、窒化割れは従来品では
「有」、本発明品では「無」であった。 （実験Ｅ）実験Ｄと同一の供試機関、同一の試験条件に
て供試材を変更して実機耐久評価を行い、割れ発生の有
無を確認した。 供試機関：水冷２．８リットル 直４気筒ディーゼル機関 試験条件：全負荷４２００ｒｐｍ×３００Ｈｒ耐久 供試材： 第１気筒：実験Ｂの従来品 第２気筒：実験Ｂの本発明品、ただし、高温度窒化（５
８０℃×８Ｈｒ）を施し、さらに引き続き低温度窒化
（５３０℃×５Ｈｒ）を施したもの。
【００３４】第３気筒：実験Ｂの従来品 第４気筒：実験Ｂの本発明品、ただし、高温度窒化（５
８０℃×８Ｈｒ）を施し、さらに引き続き低温度窒化
（５３０℃×５Ｈｒ）を施したもの。
【００３５】尚、供試材の表面の脆硬なポーラス層は、
除去してある。 結果：結果を表６に示す。
【００３６】
【表６】 表６に示されているように、窒化割れは従来品では
「有」、本発明品では「無」であった。 （実験Ｆ）ピストンリング実製品にて曲げ試験を行い、
耐じん性の評価を行った。 試験機：実体型曲げ試験機 試験方法：図４に示すように、押さえ治具１４，１５
の間にピストンリング１６の一部を突き出させて挾持
し、突出部１６ａの上方から荷重Ｐを負荷する。ここ
で、荷重Ｐの降下速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎである。
【００３７】また、図５は、本試験方法による荷重Ｐと
変位との関係を示すものである。図示されているよう
に、ピストンリングにクラックが生じると、若干、荷重
は下がる（図中Ｘ部）。このときの荷重Ｐ1 を本発明品
と従来品とで比較する。 供試材 ○従来品：（Ｉ）実験Ａの従来品 （II）実験Ｂの従来品 ○本発明品：（Ｉ）実験Ａの本発明品 （II）実験Ｂの本発明品 結果：結果を図６に示す。
【００３８】図６に示されているように、本発明品は従
来品よりも、クラック発生荷重が高いところになる。す
なわち、本発明によれば、じん性を極めて向上させるこ
とができた。
【００３９】尚、より好ましくは、上記実施例におい
て、露出した拡散層の表面にメッキ層、溶射層及びイオ
ンプレーティング層のいずれかの層を形成すれば、耐腐
蝕性及び耐摩耗性がさらに向上する。
【００４０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明に係るピスト
ンリングの製造方法により製造されたピストンリング
は、窒化層の耐割れ性を向上させることができ、良好な
耐摩耗性及び耐折損性を有するのみならず、じん性を極
めて向上させることができる、という優れた効果を発揮
する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピストンリングの製造方法の一実
施例に使用する鋼製コンプレッションリング母材を示す
断面図である。
【図２】図１に示す鋼製コンプレッションリング母材に
窒化を施した状態を示す断面図である。
【図３】本発明に係るピストンリングの製造方法の一実
施例において、表面深さと硬さとの関係を示すグラフで
ある。
【図４】本発明に係るピストンリングの製造方法の一実
施例において、実験Ｆの試験方法を示す概略図である。
【図５】実験Ｆにおいて荷重と変位との関係を示すグラ
フである。
【図６】実験Ｆの結果を示すグラフである。
【図７】従来の製造方法によるコンプレッションリング
の一部断面斜視図である。
【符号の説明】
１１…鋼製母材 １２…窒化層 １３…摺動面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川嶋 聡 埼玉県与野市本町西５丁目２番６号 日本 ピストンリング株式会社与野工場内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 鋼製母材表面に高温度窒化を施した後、
    低温度窒化を施し、次いで少なくとも摺動面のポーラス
    層を除去して拡散層を露出させることを特徴とするピス
    トンリングの製造方法。
  2. 【請求項２】 鋼製母材表面に高温度窒化を施した後、
    低温度窒化を施し、次いで少なくとも摺動面のポーラス
    層を除去して拡散層を露出させ、その後この拡散層表面
    にメッキ層、溶射層及びイオンプレーティング層のいず
    れかの層を形成することを特徴とするピストンリングの
    製造方法。
  3. 【請求項３】 上記高温度窒化は５６０℃±５℃乃至６
    ００℃±５℃の温度範囲で、上記低温度窒化は５００℃
    ±５℃乃至５５０℃±５℃の温度範囲で施し、且つ両窒
    化温度の温度差を１℃以上にすることを特徴とする請求
    項１又は請求項２に記載のピストンリングの製造方法。
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