JPH05280643A - ピストンリングおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化層の割れ等が生じることがなく、耐摩耗
性および疲労強度を向上させることができるピストンリ
ング及びその製造方法を得ることを目的とする。 【構成】 鋼製母材の表面を低温度窒化および高温度窒
化の２段階で窒化処理するとともに、シリンダの内面を
活動する摺動面の白層を除去し、摺動面に隣接する上面
と下面とコーナー部の白層を５μｍ以下の厚みまで除去
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関用ピストンリ
ング、特に鋼製コンプレッションリングおよびその製造
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 等の腐食雰囲気が強
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食性アップの要
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、また、高回転高出力型仕様の内燃機関であ
るがゆえに、ピストンリングが折損してしまう例もあ
り、耐折損性の向上も図らなければならない。

【０００５】図１６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。この窒化処理に伴なって表層部には白層と称する非
常に脆硬（高硬度で且つ脆い）でポーラスな層が生じる
が、摺動面４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：０．６０〜０．７０、 Ｓｉ：０．３５以下、 Ｍｎ：０．２０〜０．５０、 Ｃｒ：１３．００〜１４．００、 Ｍｏ：０．２０〜０．４０、 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：０．８０（０．８５）〜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があ
る。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及び側面６に割れ５，７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８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。また、コンプレッシ
ョンリングは、半径方向への拡縮動作及び軸方向への上
下の挙動によりピストン溝と衝突を繰り返すため、運転
中コーナー部Ｃ，Ｃ付近に脆硬なポーラス状の白層が残
存しているとその部分にクラック等が発生し、この部分
が起点となってクラックが進行し、やがて折損に至るケ
ースが多かった。

【０００８】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、窒化層の割れ等が生じることがなく、耐摩
耗性および疲労強度を向上させることができるピストン
リング及びその製造方法を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るピストンリ
ングは、シリンダの内周面に対向する摺動面と、この摺
動面に各コーナー部を介して続く第１、第２の面とを有
する鋼製母材の表面を窒化法により処理して窒化層を形
成したピストンリングにおいて、前記窒化層を低温度窒
化による低温度窒化層と、高温度窒化による高温度窒化
層とで形成し、上記摺動面の白層を除去し、上記第１、
第２の面と上記コーナー部との白層を５μｍ以下の厚み
にまで除去するように構成した。

【００１０】また、本発明に係るピストンリングの製造
方法は、シリンダの内周面に対向する摺動面と、この摺
動面に各コーナー部を介して続く第１、第２の面とを有
する鋼製母材の表面を窒化法により処理して窒化層を形
成するようにしたピストンリングの製造方法において、
鋼製母材表面に低温度窒化を施した後、高温度窒化を施
し、あるい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、次いで摺動面の白層を除去して拡散層
を露出するとともに、上記第１、第２の面と上記コーナ
ー部との白層は５μｍ以下の厚みにまで除去するように
構成した。

【００１１】

【作用】鋼製母材のコーナー部と第１、第２の面に当初
残存する窒化層の白層は、例えば厚みが２０μｍと厚い
ので、この白層に衝撃等が加えられるとクラックが入っ
て破壊され易いが、本発明の如く上記白層の厚みを５μ
ｍ以下にまですれば、薄くなった白層自体の靭性が向上
して耐折損性が良好となる。また、クラックが入っても
クラックの深さが浅くきずが小さいので、切欠効果が小
さく疲労強度が向上する。更に、窒化処理を、低温度窒
化と高温度窒化とに分けてこの順に、あるいは高温度窒
化と低温度窒化とに分けてこの順に、連続して行なうた
め、窒化層が低温度窒化層および高温度窒化層の二層構
造になり、窒化層の割れ等が生じることがなく、耐摩耗
性および疲労強度が向上する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１はピストンリングとしての鋼製コンプレッ
ションリング１０の断面図で、窒化処理前の状態を示し
ている。例えばＳＵＳ４２０Ｊ₂ 等のステンレス鋼で形
成された鋼製母材１１は、外周側に位置してシリンダと
摺接する摺動面１２と、この摺動面１２にコーナー部１
３を介して続く第１の面としての上面１４と、摺動面１
２にコーナー部１５を介して続く第２の面としての下面
１６と、内周側に位置する内周面１７とを有している。
この図１に示す鋼製母材１１の表面を後述する窒化法に
よって処理すると、図２に示すように、２層の拡散層１
９ａ，１９ｂ等からなる窒化層１９が鋼製母材１１の全
表面に形成される。この窒化層１９の表層部には光学的
顕微鏡下で白く見えるいわゆる白層２０（化合物層）が
生じ、この白層２０は非常に脆硬なポーラス状の層とな
っている。また、窒化層１９においてはこの白層２０に
続いて拡散層２１が母材１１側に形成されている。白層
と拡散層には鉄、Ｃｒ等が窒素と化合した化合物が存在
するが、表面から窒素が内部に次第に拡散しているので
窒素の濃度は内部にいくに従って順次薄くなっている。
図３に示すように、本実施例では、摺動面１２に形成さ
れた窒化層１９における白層２０を、次工程の機械加工
によって除去して所定硬度以上の拡散層を露出させ、さ
らに上下面１４，１６及びコーナー部１３，１５の白層
２０の厚みを機械加工により５μｍ以下（零μｍを含
む）にまで除去している。従来、この図３に示す状態の
コンプレッションリング１０は白層２０の厚みが２０μ
ｍ程度であるので、半径方向への拡縮動作及び軸方向へ
の上下動によりピストン溝と衝突を繰り返すと、その衝
撃により上記残存白層２０にクラックが発生する恐れが
あり、また白層２０が脱落して摩耗粉となると相手材を
含めて異常摩耗を誘発し易いが、白層２０の厚みが５μ
ｍ以下であればかかる恐れはなくなる。また、図４に示
すように、図３に示すコンプレッションリング１０の各
コーナー部１３，１５及び上下面１４，１６に残存して
いる窒化層の白層２０を完全に除去してもよい。この白
層の除去手段としては、Ｈ₂ ＳＯ₄ 又はＨＣｌ等の低濃
度の酸性水溶液を用いてもよいが、砥石を備えた研削機
による機械加工を用いてもよい。

【００１３】なお、上下面１４，１６及びコーナー部１
３，１５の白層は厚みが零になるまで完全に除去しても
よいが、これでは加工コストがかかりすぎ過剰品質とな
る。即ち、加工を簡略化してコスト低減を図りながら疲
労強度の向上をも実現するには、上述のように上記白層
の厚みは５μｍ以下であれば十分であり、最小限の品質
で最大限の効果を挙げることができる。

【００１４】窒化処理は、鋼製コンプレッションリング
母材１１の表面に低温度窒化を施した後、高温度窒化を
施すことにより行ない、次いで少なくとも摺動面１２の
白層２０を除去して拡散層を露出している。

【００１５】また、この窒化処理は、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
温度窒化を施すことによっても行なうことが可能であ
り、次いで少なくとも摺動面１２の白層２０を除去して
拡散層を露出してもよい。

【００１６】これにより、窒化層１９が、低温度窒化に
よる低温度窒化層と、高温度窒化による高温度窒化層と
により構成されることとなり、その結果、図２〜図３に
示すように、外方に第１拡散層１９ａが形成され、この
第１拡散層１９ａの内方には第２拡散層１９ｂが形成さ
れる。

【００１７】上記低温度窒化の温度範囲としては、５０
０℃±５℃乃至５５０℃±５℃が好ましい。５００℃±
５℃より低い温度でも窒化処理自体は可能であるが、所
定の窒化深さを得るのに時間がかかり、生産性及びコス
トの点で不利である。一方、５５０±５℃を超える場合
には、高温度窒化の温度範囲をさらに温度差を設けて設
定しなければならなくなり、高温度窒化を施しても所定
の窒化硬さが得られなくなることがある。さらに、低温
度窒化において、窒化温度が５５０℃±５℃を超える場
合には充分な窒化硬さが得られない場合もあり、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。

【００１８】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。なお、低温
度窒化と１℃以上の温度差を設ける必要性から、高温度
窒化における上記低温側温度としては、上記５６０℃±
５℃の代わりに５５６℃乃至５６５℃がより好ましい。
ところで、これより高い温度になると所定の窒化硬さが
得られなくなり、耐摩耗性の点で向上が望めない。した
がって、上記温度範囲が好ましい。

【００１９】なお、低温度窒化及び高温度窒化の温度の
公差（±５℃）は、窒化炉内の温度分布のばらつきであ
る。（実験例） 以下、発明者の行なった実験について説明する。

【００２０】実験Ａ （Ａ−１）実験Ａ乃至Ｅでは、白層を上記厚み（５μｍ
以下（零μｍを含む））にまで除去するのに低濃度の酸
性薬品を用いている。即ち、図２に示すコンプレッショ
ンリング１０を上記酸性薬品に浸漬させて上記白層の除
去を行なった。上記白層の除去条件としては、薬品の濃
度、処理温度及び処理時間の三つの要因があるが、作業
性、安全性及びコストを考慮して白層の残存厚みが５μ
ｍ以下になるように決めればよい。

【００２１】実験Ａでは下記の試験方法により疲労試験
を行ない、従来の方法で製作した供試材と、本発明によ
る方法で製作した供試材との疲労強度の比較を行なっ
た。 試験装置：ピストンリング疲労試験機 試験条件：応力→０kg／mm² から５０kg／mm² までの
繰り返し。

【００２２】雰囲気→ｐＨ３．５、Ｈ₂ ＳＯ₄ 水溶液中
でピストンリングが折損するまでの繰返し数で評価。 供試材 ・従来品：重量比率（％）として、Ｃ：０．８７、Ｓ
ｉ：０．４２、Ｍｎ：０．３０、Ｃｒ：１７．５０、Ｍ
ｏ：１．０３、Ｖ：０．１０及び残部Ｆｅと不可避の不
純物とからなる組成の鋼製母材に一定温度窒化処理（５
５０℃×１５時間）を施したもの。従来の方法であるか
ら、コーナー部に白層が２０μｍ程度形成されている。

【００２３】・本発明品：鋼製母材（上記従来品と同一
の組成）に低温度窒化を施し、さらに引き続き高温度窒
化を施したもの。低温度窒化を５００℃×１２時間、高
温度窒化を５８０℃×７時間の条件で行なう２段窒化処
理（実験Ｇと同じ）を施し、低濃度の酸性水溶液に浸漬
し、表面の非常に脆硬な白層を除去した。なお、この白
層の除去条件及びその時の白層残存量は以下の通りであ
る。

【００２４】・白層除去条件：（イ）処理液：硫酸（Ｈ
₂ ＳＯ₄ ）水溶液 （ロ）処理濃度：１．２％ （ハ）処理温度：３５℃ （ニ）処理時間：１３分 （ホ）白層の残存量（完成品にて） 摺動面 ０μｍ 上面 ０μｍ 下面 ０μｍ 内周面 ２μｍ コーナー部 ２μｍ 結果：試験結果を表１に示す。この表１に示すよう
に、従来品に比較し、本発明品は、おおよそ１０倍以上
の疲労強度をもっていることが分かる。

【００２５】

【表１】

【００２６】（Ａ−２）上記Ａ−１において、白層除去
条件における（ホ）白層の残存量（完成品にて）を下記
の通りとしたほかは、上記Ａ−１と同様にして疲労試験
を行なった。

【００２７】（ホ）白層の残存量（完成品にて） 摺動面 ０μｍ 上面 ０μｍ 下面 ０μｍ 内周面 ０μｍ コーナー部 ０μｍ 結果：試験結果を表２に示す。この表２に示すように、
従来品に比較し、本発明品は、おおよそ１０倍以上の疲
労強度をもっていることが分かる。

【００２８】

【表２】

【００２９】実験Ｂ 上記実験Ａとは異なる材質の鋼製母材の供試材を用い
て、従来品と本発明品との疲労強度の比較を行なった。

【００３０】試験装置：実験Ａと同じ 試験条件：実験Ａと同じ 供試材 ・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Ｆｅと不可避の
不純物とからなる組成の鋼製母材に窒化処理を施したも
の。従来の方法であるから表面の脆硬な白層は摺動面の
み除去されている。コーナー部に白層が２０μｍ程度形
成されている。

【００３１】・本発明品：鋼製母材（上記従来品と同一
の組成）に２段窒化処理（実験Ａと同じ）を施し、低濃
度の酸性水溶液に浸漬し、表面の非常に脆硬な白層を除
去した。なお、この白層の除去条件及びその時の白層残
存量は以下の通りである。

【００３２】・白層除去条件：処理液、処理条件につい
ては実験Ａ−１と同じ。 ・白層の残存量（完成品として） 摺動面 ０μｍ 上面 ０μｍ 下面 ０μｍ 内周面 ３μｍ コーナー部 ３μｍ 結果：試験結果を表３に示す。この表３から分かるよ
うに、従来品に比較し、本発明品の疲労強度は非常に高
いレベルである。

【００３３】

【表３】

【００３４】実験Ｃ 実験Ｂと同一の組成の供試材を使用し、試験条件を変更
して、従来品と本発明品との疲労強度の比較を行なっ
た。

【００３５】試験装置：実験Ａと同じ 試験条件：エアー中にて、Ｓ−Ｎ曲線から疲労強度を
求める。 供試材 ・従来品：実験Ｂと同じ ・本発明品：実験Ｂと同じ 結果：試験結果を表４に示す。この表４に示すよう
に、従来品に比較し、本発明品の疲労強度は高いレベル
にある。

【００３６】

【表４】

【００３７】実験Ｄ 実験Ｂと同一の組成の供試材を使用し、実験Ａと同一の
試験条件で、本発明品において、白層残存の上限を越え
るものを製作し、実験した。

【００３８】試験装置：実験Ａと同じ 試験条件：実験Ａと同じ 供試材：実験Ｂと同一組成のものについて、 ・白層残存量が５μｍを越えるもの （実測値）摺動面 ０μｍ 上面 ６μｍ 下面 ６μｍ 内周 ８μｍ コーナー部 １０μｍ ・白層残存量が５μｍ以下のもの （実測値）摺動面 ０μｍ 上面 ０μｍ 下面 ０μｍ 内周 ３μｍ コーナー部 ５μｍ 結果：結果を表５に示す。白層残存量が５μｍを越え
ると、疲労強度は低下してしまうことが判った。

【００３９】

【表５】

【００４０】実験Ｅ （Ｅ−１）下記供試機関により実機耐久試験を行ない、
折損の有無を確認した。

【００４１】供試機関：排気量２８００ｃｃ、水冷直
列４気筒ディーゼル機関 試験条件：アイドル（約４２０Ｈｒ）←→４７５０rp
m （アップダウン）、２０万サイクル 供試材：第１気筒：実験Ａの本発明品 第２気筒：実験Ａの従来品 第３気筒：実験Ａの本発明品 第４気筒：実験Ａの従来品 結果：試験結果を表６に示す。この表６に示すよう
に、今回の試験では第２及び第４気筒のピストンリング
が折損してしまった。第１及び第３気筒のピストンリン
グについては何等異常がなかった。

【００４２】

【表６】

【００４３】（Ｅ−２）上記Ｅ−１において、供試材を
下記の通りとしたほかは、上記Ｅ−１と同様にして実機
耐久試験を行ない、折損の有無を確認した。

【００４４】供試材：第１気筒：実験Ｂの本発明品 第２気筒：実験Ｂの従来品 第３気筒：実験Ｂの本発明品 第４気筒：実験Ｂの従来品 結果：試験結果を表７に示す。この表７に示すように、
今回の試験では第２及び第４気筒のピストンリングが折
損してしまった。第１及び第３気筒のピストンリングに
ついては何等異常がなかった。

【００４５】

【表７】

【００４６】以上、実験Ａ乃至Ｅの結果から明らかなよ
うに、本発明による低温度窒化層および高温度窒化層の
二層構造窒化層の形成と白層の除去とにより、疲労強度
の大幅な向上が得られ、また、運転中の折損も無かっ
た。従って、本発明によるコンプレッションリングを使
用すれば、特に高回転高出力型の内燃機関において非常
に有効である。

【００４７】実験Ｆ 実験Ｆでは、コンプレッションリング１０の各コーナー
部１３，１５及び上下面１４，１６に残存している白層
を５μｍ以下の厚みにまで除去する手段として、研削に
より行なっている。この研削には砥石又はバイト等が用
いられ、白層の残存厚みが５μｍ以下になるまで研削し
ている。

【００４８】実験Ｆでは下記試験方法により疲労試験を
行ない、従来の方法で製作したものと、本発明による方
法で製作したものとの疲労強度の比較を行なった。 試験装置：実験Ａと同じ 試験条件：実験Ａと同じ 供試材 ・従来品：実験Ｂの従来品と同じ ・本発明品：鋼製母材（実験Ｂと同じ）に窒化処理（実
験Ａと同じ）を施し、コーナー部及び上下面の白層を、
砥石を用いて研削除去した。研削方法については湿式加
工とした。なお、その時の白層の残存量は以下の通りで
あった。

【００４９】・白層の残存量（完成品として） 摺動面 ０μｍ 上面 ０μｍ 下面 ０μｍ 内周面 １５μｍ コーナー部 ０μｍ 結果：試験結果を表８に示す。この表８に示すよう
に、従来品に比較し、本発明品は疲労強度が大幅に向上
している。（約２倍以上）

【００５０】

【表８】

【００５１】以上実験Ｆの結果から明らかなように、本
発明により疲労強度の向上が得られた。この場合、内周
面の研削は行なわないので、内周面には白層が残存して
いるが、これはコンプレッションリングの疲労強度には
全く影響を与えない。また、生産性等を考慮すると、白
層の厚みは５μｍ以下であれば十分であり、本発明の実
施例のように効果を上げることが出来る。

【００５２】実験Ｇ 下記供試機関により実機耐久試験を行ない、コンプレッ
ションリングの摩耗量の比較及び割れ発生の有無を確認
した。

【００５３】供試機関：排気量２４００ｃｃ 水冷直列４気筒ディーゼル機関 試験条件：全負荷４２００ｒｐｍ×１０００Ｈｒ耐久 供試材（コンプレッションリング） ・従来品：鋼製母材（実験Ａと同一の組成）に窒化処理
（実験Ａと同じ）を施したもの。従来の方法であるから
表面の脆硬な白層については摺動面のみ除去されてい
る。コーナー部に白層が２０μｍ程度形成されている。

【００５４】・本発明：鋼製母材（実験Ａと同一の組
成）に２段階窒化処理（実験Ａと同じ）を施したもの。
白層の除去については実験Ａ−１と同じ。

【００５５】結果：試験結果を図５に示す。図示する
ように、従来品及び本発明品とも摩耗量はほぼ同一であ
るが、窒化割れは、従来品では「有」、本発明品では
「無」であった。

【００５６】実験Ｈ 供試機関を変更して窒化割れの有無を確認した。 供試機関：排気量１１０００ｃｃ、水冷Ｖ型８気筒デ
ィーゼル機関 試験条件：全負荷２３００ｒｐｍ×５０Ｈｒ 供試材：実験Ｇと同じ 結果：窒化割れは、従来品では「有」、本発明品では
「無」であった。

【００５７】実験Ｉ テストピースにより基礎摩耗試験を行なった。 試験機：アムスラー摩耗試験機 荷重：８０ｋｇｆ 周速：１ｍ／ｓ（回転速度４７８ｒｐｍ） 時間：７Ｈｒ（２５ｋｍ走行に相当） 潤滑油：Ｒ３０モータオイル（ＳＡＥ^＃３０） 油温：７５℃±２．５℃ 供試材：従来品及び本発明品とも実験Ａと同一方法で
コンプレッションリング用のテストピースを製作。な
お、相手材はＦＣ２５相当品を用いた。

【００５８】結果：試験結果を図６に示す。摩耗量
は、従来品及び本発明品ともほぼ同一であった。実験Ｊ テストピースによりスカッフィング性試験を行なった。

【００５９】試験機：実験Ｈと同一の基礎摩耗試験機
を用いてこれを一定時間走行させ、スカッフィングを発
生しない時は圧接面圧を漸次増大せしめ、スカッフィン
グの発生する限界面圧を求めた。

【００６０】周速：１ｍ／ｓ（回転速度４７８ｒｐ
ｍ） 潤滑油：Ｒ３０モータオイル（ＳＡＥ^＃３０）＋白灯
油 割合は１対１とした。

【００６１】油温：７５℃±２．５℃ 面圧：初め１０ｋｇｆ／cm² でスタートし、５分毎に
５ｋｇｆ／cm² ずつ増加させ、焼付きに至るまで。

【００６２】供試材：テストピース及び相手材は実験
Ｉと同じ。 結果：試験結果を図７に示す。従来品、本発明品とも
耐スカッフィング性はほぼ同一であった。

【００６３】実験Ｇ乃至Ｊの結果から明らかなように、
本発明品は、耐摩耗性、耐スカッフィング性には悪影響
を及ぼすことがなく、また運転中の窒化割れ、脱落、欠
け等は皆無であり、優れていることが確認された。ま
た、窒化割れの現象も全く見られなかった。したがっ
て、本発明に係るコンプレッションリングを使用すれ
ば、内燃機関の燃焼室からの圧縮ガス及び燃焼ガスの漏
れを最少限に抑えることができる。

【００６４】実験Ｋ （Ｋ−１）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）の評価を行なった。

【００６５】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相当品 供試材（ピストンリング） ・本発明品Ａ：鋼製母材（実験Ａと同一の組成）に、低
温度窒化（５００℃×１２時間）を施し、さらに引き続
き高温度窒化（５８０℃×７時間）を施したもの。白層
除去については、実験Ａ−１と同じ。

【００６６】・本発明品Ｂ：鋼製母材（上記本発明品Ａ
と同一の組成）に高温度窒化（５８０℃×７時間）、さ
らに引き続き低温度窒化［５１０℃×７時間（本発明品
Ｂ−１），５３０℃×５時間（本発明品Ｂ−２）および
５５０℃×４時間（本発明品Ｂ−３）の３種類のうちの
いずれか］を施したもの。白層除去については、実験Ａ
−１と同じ。

【００６７】結果：結果を表９に示す。表９に示され
ているように、本発明品Ｂは本発明品Ａに比較してクラ
ック発生荷重が高く、本発明品Ｂは耐割れ性（耐クラッ
ク性）がさらに向上していることが確認された。

【００６８】

【表９】

【００６９】（Ｋ−２）上記Ｋ−１において、上記の組
成の供試材に代えて下記の組成の供試材を用いたほか
は、上記Ｋ−１と同様にして耐割れ性（耐クラック性）
の評価を行なった。

【００７０】供試材（ピストンリング）組成； ・本発明品Ａ：鋼製母材（実験Ｂと同一の組成）に、低
温度窒化（５００℃×１５時間）を施し、さらに引き続
き高温度窒化（５８０℃×１０時間）を施したもの。白
層除去については実験Ａ−１と同じ。

【００７１】・本発明品Ｂ：鋼製母材（上記本発明品Ａ
と同一の組成）に高温度窒化（５８０℃×８時間）を施
し、さらに引き続き低温度窒化［５１０℃×７時間（本
発明品Ｂ−１），５３０℃×５時間（本発明品Ｂ−２）
および５５０℃×４時間（本発明品Ｂ−３）の３種類の
うちのいずれか］を施したもの。白層除去については実
験Ａ−１と同じ。

【００７２】結果：結果を表１０に示す。表１０に示
されているように、本発明品Ｂは本発明品Ａに比較して
クラック発生荷重が高く、本発明品Ｂは耐割れ性（耐ク
ラック性）がさらに向上していることが確認された。

【００７３】

【表１０】

【００７４】実験Ｌ 前記実験Ｋ−１において、総窒化時間に対する高温度窒
化時間の割合を変更したほかは、前記実験Ｋ−１と同様
にして耐割れ性（耐クラック性）の評価を行なった。

【００７５】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相当品 供試材（ピストンリング） (a) 実験Ｋ−１と同一の組成、すなわち、重量比率
（％）として、Ｃ：０．８７、Ｓｉ：０．４２、Ｍｎ：
０．３０、Ｃｒ：１７．５０、Ｍｏ：１．０３、Ｖ：
０．１０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℃×４時間）を施
し、さらに引き続き低温度窒化（５５０℃×６時間）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。

【００７６】(b) 実験Ｋ−２と同一の組成、すなわち、
重量比率（％）として、Ｃ：０．９１、Ｓｉ：０．３
０、Ｍｎ：０．２９、Ｃｒ：２１．６３、Ｍｏ：０．３
０、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℃×５Ｈ
ｒ）を施し、さらに引き続き低温度窒化（５５０℃×６
Ｈｒ）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４５．５％である。

【００７７】尚、いずれも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１１及び表１２に示す。表１１及び表
１２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％［上記供試材（ａ）の場合］及
び４５．５％［上記供試材（ｂ）の場合］である場合、
耐割れ性は低温度窒化を施し、さらに引き続き高温度窒
化を施した前記実験Ｋ−１の本発明品Ａと同等になって
しまうことが確認された。この結果と前記実験Ｋの結果
とから総窒化時間に対する高温度窒化時間の割合が５０
％以上であれば、耐割れ性がさらに向上することが確認
された。

【００７８】

【表１１】

【００７９】

【表１２】

【００８０】実験Ｍ 下記供試機関により実機耐久評価を行ない、割れ発生の
有無を確認した。 供試機関：排気量２８００ｃｃ 水冷直列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Ｋ−１の本発明品Ａ 第２気筒：実験Ｋ−１の本発明品Ｂ、ただし、高温度窒
化（５８０℃×７時間）を施し、さらに引き続き低温度
窒化（５３０℃×５時間）を施したもの（前記Ｂ−
２）。

【００８１】第３気筒：実験Ｋ−１の本発明品Ａ 第４気筒：実験Ｋ−１の本発明品Ｂ、ただし、高温度窒
化（５８０℃×７時間）を施し、さらに引き続き低温度
窒化（５３０℃×５時間）を施したもの（前記Ｂ−
２）。

【００８２】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１３に示す。表１３に示されるよう
に、窒化割れは本発明品Ａおよび本発明品Ｂともに
「無」であった。

【００８３】

【表１３】

【００８４】実験Ｎ 前記実験Ｍにおいて、同実験Ｍにおける供試材を下記の
ものに代えたほかは、前記実験Ｍと同様にして実機耐久
評価を行ない、割れ発生の有無を確認した。

【００８５】供試材：第１気筒：実験Ｋ−２の本発明
品Ａ 第２気筒：実験Ｋ−２の本発明品Ｂ、ただし、高温度窒
化（５８０℃×７時間）を施し、さらに引き続き低温度
窒化（５３０℃×５時間）を施したもの（前記Ｂ−
２）。

【００８６】第３気筒：実験Ｋ−２の本発明品Ａ 第４気筒：実験Ｋ−２の本発明品Ｂ、ただし、高温度窒
化（５８０℃×８時間）を施し、さらに引き続き低温度
窒化（５３０℃×５時間）を施したもの（前記Ｂ−
２）。

【００８７】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１４に示す。表１４に示されるよう
に、窒化割れは本発明品Ａおよび本発明品Ｂともに
「無」であった。

【００８８】

【表１４】

【００８９】実験Ｏ ピストンリング実製品にて曲げ試験を行ない、耐じん性
の評価を行なった。 試験機：実体型曲げ試験機 試験方法：図８に示すように、押さえ治具３１，３２
の間にピストンリング１０の一部を突き出させて挟持
し、突出部１０ａ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。

【００９０】また、図９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Ａ
と本発明品Ｂとで比較する。

【００９１】供試材 ・本発明品Ａ：（Ｉ）実験Ｋ−１の本発明品Ａ （II）実験Ｋ−２の本発明品Ａ ・本発明品Ｂ：（Ｉ）実験Ｋ−１の本発明品Ｂ、ただ
し、高温度窒化（５８０℃×８時間）を施し、さらに引
き続き低温度窒化（５３０℃×５時間）を施したもの
（前記Ｂ−２）。

【００９２】（II）実験Ｋ−２の本発明品Ｂ、ただし、
高温度窒化（５８０℃×８時間）を施し、さらに引き続
き低温度窒化（５３０℃×５時間）を施したもの（前記
Ｂ−２）。

【００９３】結果：結果を図１０に示す。図１０に示
されているように、本発明品Ｂは本発明品Ａ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
品Ｂは、じん性がさらに向上していることが確認され
た。

【００９４】尚、より好ましくは、上記各実施例におい
て、露出した拡散層の表面にめっき層、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、耐ス
カッフ性及び耐摩耗性がさらに向上する。

【００９５】次に、金属組織の顕微鏡写真の状態図であ
る図１１乃至図１４により本発明及び従来例を説明す
る。なお、図１１，図１３の写真倍率は２００倍、図１
２，図１３の写真倍率は４００倍である。図１１，図１
２は本発明に係るコンプレッションリングの断面の金属
組織を示している。図１１，図１２の各写真の状態図に
おいて、最上部の黒色部は試験の研摩用の樹脂ａであ
り、順次下方に白層ｂ（ポーラス層で灰白色部）、第１
拡散層ｃ（灰色部）、第２拡散層ｄ（灰黒色部）、鋼製
母材ｅ（白色部）の順に多層構造をなしている。図１
３，図１４は従来の窒化方法（５５０℃×６時間）によ
り製造されたコンプレッションリングの断面の金属組織
を示しており、図１３，図１４において、最上部の黒色
部分は上述の樹脂ａで、順次下方に白層ｂ（灰白色
部）、拡散層ｆ（灰色部）、鋼製母材ｅ（白色部）の順
に多層構造であるが、上記拡散層は２層にはなっていな
い。

【００９６】図１５は、窒化処理後のＮ（窒素）濃度に
関して表面より内部へ元素分析を行ったＥＰＭＡライン
分析の結果のグラフで、横軸は金属表面からの深さ、縦
軸はＮ（窒素）濃度を表す特性Ｘ線強度である。Ａは従
来の窒化方法で窒化した場合のデータで、図１３，図１
４に示すコンプレッションリングの場合を示している。
図示するように、表面付近はＮ濃度が高く内部に少し向
うとＮ濃度が急激に低下し、その後内部に深くなるにつ
れて徐々にＮ濃度が低下して表面から約９０μｍの深さ
の所よりＮ濃度が急激に変化し、Ｎ濃度０となる。従来
の窒化方法の場合は、表面近傍が特にＮ濃度の高い脆硬
な窒化層により形成されている。これに対してＢは本発
明に係る窒化方法で窒化した場合のデータで、図１１，
図１２に示すコンプレッションリングの場合を示してい
る。この場合には表面付近は従来の窒化方法に比較して
Ｎ濃度が低く、更に内部に深く向うに従い徐々にＮ濃度
が低下し、約１４０μｍの深さの所よりＮ濃度が急激に
変化し、Ｎ濃度は０となる。本発明の場合は表面近傍は
Ｎ濃度が低く脆硬でない窒化層で形成されており、更に
Ｎ濃度が徐々にゆるやかに変化すると共に表面より深い
所まで窒化され、従来よりも窒化層（拡散層）が深く形
成されている。これにより、窒化層にクラックが入りに
くくなっている。

【００９７】

【発明の効果】本発明に係るピストンリングとその製造
方法は、窒化を低温度窒化および高温度窒化の２段階で
施し、更に摺動面の白層を除去するとともにコーナー部
及びコーナー部を介して続く第１、第２の面の白層を５
μｍ以下の厚みまで除去したので、ピストンリングの耐
摩耗性が向上し、窒化層に割れ等が生じないし、耐折損
性が向上する。

【００９８】また、拡散層表面にめっき層、溶射層およ
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、耐スカッフ性及び耐摩耗性がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化処理前のコンプレッションリングの断面図
である。

【図２】図１に示すコンプレッションリングの表面に窒
化処理を行って窒化層を形成した状態を示す断面図であ
る。

【図３】図２に示すコンプレッションリングの摺動面の
白層を機械加工により除去し、各コーナー部及び上下面
の白層を５μ以下の厚みにまで除去した状態を示す断面
図である。

【図４】図４に示すコンプレッションリングの各コーナ
ー部及び上下面に残存している窒化層の白層を完全に除
去した状態の断面図である。

【図５】実験Ｆの結果を示すグラフである。

【図６】実験Ｈの結果を示すグラフである。

【図７】実験Ｉの結果を示すグラフである。

【図８】本発明の一実施例において、実験Ｏの試験方法
を示す概略図である。

【図９】実験Ｏにおいて荷重と変位との関係を示すグラ
フである。

【図１０】実験Ｏの結果を示すグラフである。

【図１１】本発明の窒化方法に係るコンプレッションリ
ングの断面図の顕微鏡写真図である。

【図１２】図１１の要部拡大図である。

【図１３】従来の窒化方法に係るコンプレッションリン
グの断面図の顕微鏡写真図である。

【図１４】図９の要部拡大図である。

【図１５】ＥＰＭＡライン分析によるＮ濃度の結果を示
すグラフである。

【図１６】従来のコンプレッションリングの斜視図であ
る。

【符号の説明】

１０…コンプレッションリング １１…鋼製母材 １２…摺動面 １３，１５…コーナー部 １４…上面（第１の面） １６…下面（第２の面） １９…窒化層 １９ａ…第１拡散層 １９ｂ…第２拡散層 ２０…白層 ２１…拡散層

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年５月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】本発明の窒化方法に係るコンプレッションリ
ング断面の金属組織を示す図面代用写真である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】図１１に示すコンプレッションリング断面の
要部の金属組織を示す図面代用写真である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】従来の窒化方法に係るコンプレッションリン
グ断面の金属組織を示す図面代用写真である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１４】図１３に示すコンプレッションリング断面の
要部の金属組織を示す図面代用写真である。

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 (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダの内周面に対向する摺動面と、
   この摺動面に各コーナー部を介して続く第１、第２の面
   とを有する鋼製母材の表面を窒化法により処理して窒化
   層を形成したピストンリングにおいて、前記窒化層を低
   温度窒化による低温度窒化層と、高温度窒化による高温
   度窒化層とで形成し、 上記摺動面の白層を除去し、上記第１、第２の面と上記
   コーナー部との白層は５μｍ以下の厚みにまで除去した
   ことを特徴とするピストンリング。
2. 【請求項２】 上記窒化層の拡散層表面に、めっき層、
   溶射層およびイオンプレーティング層のいずれかを形成
   したことを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
3. 【請求項３】 上記低温度窒化は５００℃±５℃乃至５
   ５０℃±５℃の温度範囲で、上記高温度窒化は５６０℃
   ±５℃乃至６００℃±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または請求項２記載のピストンリング。
4. 【請求項４】 シリンダの内周面に対向する摺動面と、
   この摺動面に各コーナー部を介して続く第１、第２の面
   とを有する鋼製母材の表面を窒化法により処理して窒化
   層を形成するようにしたピストンリングの製造方法にお
   いて、鋼製母材表面に低温度窒化を施した後、高温度窒
   化を施し、次いで摺動面の白層を除去して拡散層を露出
   するとともに、上記第１、第２の面と上記コーナー部と
   の白層は５μｍ以下の厚みにまで除去したことを特徴と
   するピストンリングの製造方法。
5. 【請求項５】 シリンダの内周面に対向する摺動面と、
   この摺動面に各コーナー部を介して続く第１、第２の面
   とを有する鋼製母材の表面を窒化法により処理して窒化
   層を形成するようにしたピストンリングの製造方法にお
   いて、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、次いで摺動面の白層を除去して拡散層を露出
   するとともに、上記第１、第２の面と上記コーナー部と
   の白層は５μｍ以下の厚みにまで除去したことを特徴と
   するピストンリングの製造方法。
6. 【請求項６】 鋼製母材表面に低温度窒化を施した後、
   高温度窒化を施し、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するとともに、上記第１、
   第２の面と上記コーナー部との白層を５μｍ以下の厚み
   にまで除去した後、上記拡散層表面にめっき層、溶射層
   およびイオンプレーティング層のいずれかを形成するこ
   とを特徴とするピストンリングの製造方法。
7. 【請求項７】 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するとともに、上記第１、
   第２の面と上記コーナー部との白層を５μｍ以下の厚み
   にまで除去した後、上記拡散層表面にめっき層、溶射層
   およびイオンプレーティング層のいずれかを形成するこ
   とを特徴とするピストンリングの製造方法。
8. 【請求項８】 上記低温度窒化は５００℃±５℃乃至５
   ５０℃±５℃の温度範囲で、上記高温度窒化は５６０℃
   ±５℃乃至６００℃±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４乃至請求項７のいずれかに記載のピストンリングの
   製造方法。