JPH05248540A - ピストンリングの組合せ - Google Patents

ピストンリングの組合せ

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JPH05248540A
JPH05248540A JP4658392A JP4658392A JPH05248540A JP H05248540 A JPH05248540 A JP H05248540A JP 4658392 A JP4658392 A JP 4658392A JP 4658392 A JP4658392 A JP 4658392A JP H05248540 A JPH05248540 A JP H05248540A
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pressure ring
nitriding
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ring
piston rings
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Shuji Samejima
修二 鮫島
Yoshio Onodera
義男 小野寺
Satoshi Kawashima
聡 川島
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】EGRシステム採用のディーゼルエンジンに使
用する第1及び第2圧力リングのコストを低減すると共
に、耐摩耗性及び長期間使用後のシール性を改善する。 【構成】重量比で、C 0.16〜1.4%、Cr 1
1.0〜19.0%を含むマルテンサイト系ステンレス
鋼材から第1圧力リング1を形成し、その表面にHv1
050以上の窒化層11を設け、C 0.4〜0.8
%、Si 0.3〜1.0%、Mn 0.5〜1.0
%、Cr 2.0〜10.0%を含有し、基地組織中に
主にCr炭化Cr2.0〜10%を含むマルテンサイト
系ステンレス鋼材から第2圧力リングを形成し、その表
面にHv1050未満の窒化層22を設ける。

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するピス
トンリングに関するものであり、さらに詳しく述べる
と、大型ディーゼルエンジンに適した鋼材からなる第1
及び第2圧力リングの組合せに係るものである。
【0002】
【従来の技術】従来、大型ディーゼルエンジンの第1圧
力リングとしては、外周にクロームめっきを施した鋳鉄
製リングが使用されてきたが、排ガス規制によってEG
R(排気ガスリサイクル)方式を採用すると、クローム
めっきでは耐摩耗性が不足するため、第1圧力リングは
マルテンサイト系ステンレス鋼製とし、表面には窒化処
理を施して摩耗性を向上する必要がある。
【0003】第2圧力リングは、第1圧力リング程気筒
内の環境は厳しくないが、それでも鋳鉄製リングに外周
クロームめっきを施したものでは、EGR方式を採用す
ると、やはり耐摩耗性に問題が生ずる。又、燃費改善の
ため、第2圧力リングを薄幅化する場合、鋳鉄製リング
では強度が不足するから、第2圧力リングも鋼製リング
とすることが望ましい。鋼製の圧力リングは特公昭58
−25863号及び特公昭61−54103号によって
公知であるが、これらは第1及び第2圧力リングを共に
同一の鋼材から形成することを提案している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ディーゼルエンジンに
使用する圧力リング、特に第1圧力リングは高度の耐摩
耗性を要求されるため、比較的高価な高Cr鋼材から製
作されるが、同じ鋼材から第2圧力リングも製作する
と、圧力リングのコストが高価になるという問題があっ
た。又、第1及び第2圧力リングを同一鋼材から形成し
て同一硬さのクロムめっきを施すと、長期間使用の場
合、第1及び第2圧力リングの合い口すき間の差が異常
に大きくなり、圧力リングのシール性が低下してブロー
バイ量が増加するという問題もあった。
【0005】本発明はこれらの問題を解決するためにな
されたものであり、その目的とするところは、第1圧力
リングと第2圧力リングの使用条件の厳しさを勘案し
て、第2オイルリングの鋼材及び表面処理をグレードダ
ウンし、それによって、第1及び第2圧力リングの組合
せコストを低減すると共に、シール性を長期にわたって
保持することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明が採用する手段は、第1圧力リングを、重量
比でC 0.16〜1.4%、Cr 11.0〜19.
0%を含有し、基地組織中に主にCr炭化物を析出した
鋼材から形成し、これに硬化層の硬さがHv1050以
上となる表面処理を施し、第2圧力リングを、重量比で
C 0.4〜0.8%、Si 0.3〜1.0%、Mn
0.5〜1.0%、Cr 2.0〜10.0%を含有
し、基地組織中にCr炭化物の析出した鋼材から形成
し、これに硬化層の硬さがHv1050未満となる表面
硬化処理を施したことにある。
【0007】ここで表面硬化処理はガス窒化、ガス軟窒
化、酸窒化、塩浴窒化、イオン窒化などを含む窒化処理
とし、第1圧力リングの鋼材はMo、Ni、Vなどの耐
摩耗性元素を1種類以上含むことが好ましい。又、第1
及び第2圧力リングの硬化層の上にPVD又は複合めっ
きを施してもよい。
【0008】
【作用】第1及び第2圧力リングは共にマルテンサイト
系ステンレス鋼材に窒化処理を施して表面に硬化層を設
けたものであるが、その第1圧力リングを形成する鋼材
の成分限定理由は次のとおりである。Cは0.16%未
満になると、耐摩耗性に寄与する炭化物が少ないため、
優れた耐摩耗性が得られず、1.4%を越えると、炭化
物が粗大になり、リングに必要な強度が低下して脆化す
るため、Cは0.16〜1.4%の範囲に限定する。
【0009】Crは11.0%未満になると、C量とも
関連するが、高硬度の耐摩耗性に優れた炭化物が少な
く、耐食性等も低下し、逆に、19%を越えると、同じ
くC量とも関連するが、基地に固溶するCr炭化物量が
増大し、材料の強度、特に靱性を低下させるから、Cr
は11.0〜19.0%の範囲に限定する。なお、成分
として、Mo、Ni、V等を添加すると、耐摩耗性、耐
食性、耐熱性をさらに向上させることができる。
【0010】上記鋼材から形成した第1圧力リングには
窒化、軟窒化、イオン窒化等の表面処理を施して表面に
Hv1050以上の硬質窒化層を設ける。この窒化層に
よって、第1圧力リングはEGRシステムを採用したデ
ィーゼルエンジンの厳しい使用条件下においても優れた
耐摩耗性を発揮することができる。第1圧力リングを第
2圧力リングとして使用することは可能であるが、第2
圧力リングは摩耗及び熱的使用条件が第1圧力リングよ
りも厳しくないから、比較的高価なCrの含有量の少な
い鋼材から形成して全体のコストを低減させる。その鋼
材の成分限定理由は次のとおりである。
【0011】Cは圧力リング材に必要な硬さおよび強度
を与える重要な元素であるとともに微細な硬質Cr炭化
物を形成することにより耐摩耗性の向上に寄与する。こ
れらの効果を得るためには少なくとも0.4%以上必要
である。しかし0.8%を越えると靱性およびリングに
成形する際の加工性を害するためこれを上限とした。S
iは脱酸剤として添加されるものであるCrと同様高温
における耐熱ヘタリ性を付与する元素である。このため
には0.3%以上添加する必要がある。しかし1.0%
を越えると加工性を害するとともに靱性も低下してくる
ため上限を1.0%とした。
【0012】MnはSiと同様脱酸剤として添加され、
また強度を増す元素である。脱酸剤としては通常0.3
〜0.45%程度含有されるが強度向上を計る意味から
下限を0.5%とし、また1.0%より多くなると熱間
加工性やリング成形時の冷間加工性を害するため上限を
1.0%とした。Crは固溶して耐熱性や耐熱ヘタリ性
を付与するとともに耐食性も向上させる。また一部は炭
化物を形成し、耐焼付性、耐摩耗性を与える重要な元素
である。これらの効果を発揮させるためにはCとのバラ
ンスから少なくとも2.0%以上を必要とする。また、
10.0%を越えるとリング成形時の加工性が低下して
くるためこれを上限とし限定範囲を2.0〜10.0%
とした。
【0013】上記鋼材から形成した第2圧力リングにも
窒化、軟窒化、イオン窒化等の処理を施して表面にHv
1050未満の硬質窒化層を設ける。この窒化層は、第
1圧力リングのものより低硬度であるが、第2圧力リン
グの条件は第1圧力リング程厳しくないから、EGRシ
ステムを採用したディーゼルエンジンの使用条件におい
て第2圧力リングも優れた耐摩耗性を発揮することがで
きる。第2圧力リングは第1圧力リングと断面形状を同
一にする必要はなく、その機能を発揮させるため、テー
パー、テーパーアンダーカット、テーパーインナーカッ
ト等の形状にすることができる。第1及び第2圧力リン
グの窒化層の上にPVD又は複合めっきを施すと耐摩耗
性はさらに向上する。。
【0014】
【実施例】本発明の圧力リングを図面に示す実施例に基
づいて説明する。図1は本発明の圧力リングの組合せを
装着したディーゼルエンジンの要部断面図であり、第1
圧力リング1、第2圧力リング2、スペーサエキスパン
ダ4付きオイルリング3はピストン5のそれぞれのピス
トンリング溝6、7、8に装着され、それらの外周面は
シリンダライナー9の内周面に接する。第1圧力リング
1は、C 0.16〜1.4%、Cr 11.0〜1
9.0%のマルテンサイト系ステンレス鋼材から形成さ
れ、横断面バレル形ピストンリングである。図2に示す
ように、この第1圧力リング1は窒化処理が施され、そ
の表面は、Hv1050以上の硬質窒化層11によって
覆われる。図1の第2圧力リング2は、C 0.4〜
0.8%、Si 0.3〜1.0%、Mn 0.5〜
1.0%、Cr 2.0〜10.0%のマルテンサイト
系ステンレス鋼材から形成された横断面テーパ型のピス
トリングである。図3に示すように、第2圧力リング2
は窒化処理が施され、その表面はHv1050未満の硬
質窒化層22によって覆われる。
【0015】比較例1として、上記実施例を形成したそ
れぞれ鋼材から同一形状寸法の第1及び第2圧力リング
を形成し、それぞれにクロームめっきを施して表面に実
施例のものと同一硬度のクロムめっき層を設けた。実施
例と比較例1を同一ディーゼルエンジンによって、実機
テストを行ない、それぞれの摩耗性を測定した。その結
果は図4に示すとおりであった。
【0016】図4からわかるように、窒化処理した実施
例は従来のクロームめっきした比較例1に比べ、耐摩耗
性が著しく優れている。さらに、実施例の第1圧力リン
グと、比較例1の第2圧力リングの組合せを比較例2と
し、同一ディーゼルエンジンにおいて実施例、比較例
1、比較例2の長期間テストを行ない、ブローバイ量を
測定した。図5はその測定結果を推定走行距離に対して
図示したものである。図5からわかるように、走行距離
70万Km程度までは、実施例、比較例2のブローバイ
量に差異はなく、比較例1のみが他よりも少し増加す
る。しかし、走行距離が110万Kmを越えると、実施
例のブローバイ量はわずかに増加するだけであるが、比
較例1と比較例2のブローバイ量は大幅に増加し、70
万Kmまでは比較例1よりも少なかった比較例2のブロ
ーバイ量が比較例1よりも増加する。これは、第1及び
第2圧力リングにそれぞれに適した窒化処理を施した実
施例は長期間の使用後においても良好なシール性を保持
することを示すものである。
【0017】
【発明の効果】上記のとおり、本発明の第1及び第2圧
力リングはCrを含有するマルテンサイト系ステンレス
鋼材からなるが、従来の表面にクロームめっきを施して
いたものとは異なり、表面には硬質窒化層を設けている
から、EGRシステム採用のディーゼルエンジンにおい
ても良好な耐摩耗性を発揮する。又、本発明は、第1圧
力リングよりも使用条件が厳しくない第2圧力リングに
ついては、それに応じて鋼材のグレードをダウンすると
共に窒化層の硬度も小さくしているから、ピストンリン
グの組合せ全体のコストを低減するだけでなく、第1及
び第2圧力リングの摩耗をバランスさせて、合い口隙間
の変化量を常に同程度とするから、長期間の使用後も良
好なシール性を保持するという格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】は本発明の一実施例の圧力リングの組合せを備
えたディーゼルエンジンの要部断面図、
【図2】は図1の第1圧力リングの拡大横断面図、
【図3】は図1の第2圧力リングの拡大横断面図、
【図4】は耐摩耗性についての試験結果を示すグラフ、
【図5】はシール性についての試験結果を示すグラフ、
【符号の説明】
1:第1圧力リング、2:第2圧力リング、11,2
2:窒化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 8/50 7516−4K 14/06 7308−4K F02F 5/00 F 8503−3G

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1圧力リングは、重量比でC 0.16
    〜1.4%、Cr 11.0〜19.0%を含有し、基
    地組織中に主にCr炭化物を析出させた鋼材から形成
    し、これに表面硬化処理を施してHv1050以上の硬
    さを有する硬化層を設け、第2圧力リングは、重量比で
    C 0.4〜0.8%、Si 0.3〜1.0%、Mn
    0.5〜1.0%、Cr 2.0〜10.0%を含有
    し、基地組織中に主にCr炭化物を析出させた鋼材から
    形成し、これに表面硬化を施して硬さをHv1050未
    満の硬化層を設けたことを特徴とするピストンリングの
    組合せ。
  2. 【請求項2】表面硬化処理は窒化処理であることを特徴
    とする請求項1に記載のピストンリングの組合せ。
  3. 【請求項3】窒化処理はガス窒化、ガス軟窒化、酸窒
    化、塩溶窒化、イオン窒化を含むことを特徴とする請求
    項2に記載のピストンリングの組合せ。
  4. 【請求項4】表面硬化は窒化処理の上にさらにPVD又
    は複合めっきを施すことを特徴とする請求項1に記載の
    ピストンリングの組合せ。
  5. 【請求項5】第1圧力リングは1種類以上の耐摩耗性を
    向上させる元素を含有することを特徴とする請求項1に
    記載のピストンリングの組合せ。
  6. 【請求項6】耐摩耗性を向上させる元素はMo、V、C
    o、Wであることを特徴とする請求項5に記載のピスト
    ンリングの組合せ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2782748A1 (fr) * 1998-08-31 2000-03-03 Nippon Piston Ring Co Ltd Segment de piston et combinaison de segments de piston pour moteur diesel a injection directe
JP2000097339A (ja) * 1998-09-22 2000-04-04 Nippon Piston Ring Co Ltd ピストンリングの組合せ
EP1001043A1 (en) * 1998-11-09 2000-05-17 Daido Tokushuko Kabushiki Kaisha Martensitic stainless steel parts and method for producing the same

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EP1001043A1 (en) * 1998-11-09 2000-05-17 Daido Tokushuko Kabushiki Kaisha Martensitic stainless steel parts and method for producing the same

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