JPH0650429A - Piston ring of titanium alloy and its manufacture - Google Patents

Piston ring of titanium alloy and its manufacture

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JPH0650429A
JPH0650429A JP19966392A JP19966392A JPH0650429A JP H0650429 A JPH0650429 A JP H0650429A JP 19966392 A JP19966392 A JP 19966392A JP 19966392 A JP19966392 A JP 19966392A JP H0650429 A JPH0650429 A JP H0650429A
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JP
Japan
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piston ring
titanium alloy
oxygen
layer
ring
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JP19966392A
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Japanese (ja)
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Minoru Takuwa
実 多久和
Kenji Tokuda
健次 徳田
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Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a piston ring which is more lightweight than the conventional piston ring made of steel, excellent in the antiseize property, and has the strength to withstand the higher output and higher speed, and its manufacturing method. CONSTITUTION:In a piston ring made of titanium alloy, the piston ring body is made of titanium alloy, has the fiber structure in the circumferential direction of the piston ring, and a surface-hardened layer composed of the non-molten oxygen-rich layer at least on a sliding surface with the cylinder wall. After the wires of titanium alloy are bent in the ring shape, the oxygen-rich layer can be formed by heating the wires in the atmosphere where at least oxygen is present at the temperature of 550-1050 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関に用いられる
ピストンリングに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring used in an internal combustion engine.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来内燃機関用ピストンリングには鋳鉄
製リングの表面に硬質Crメッキ処理をしたものが用い
られていたが、ピストンリングの軸方向に薄いものが製
造しにくく、比較的断面積の大きな重量のあるものにな
り、このため慣性が大きくなってフラッタリング現象を
発生し易くなる問題があった。近年になって内燃機関は
高出力、高速化ならびに排ガス対策をも兼備する要求に
呼応して、溶製後、熱間加工と冷間加工によって線材と
し、次いで調質後にリング状に曲げ加工を施したスチー
ル製のピストンリングが主流になりつつある。これらの
スチール製のリング材としては、Si−Cr鋼の他、1
3Cr系や17Cr系のステンレス鋼などがあり、これ
らのリング表面には硬質Crメッキ処理や窒化処理等の
表面処理をほどこしたものが用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a piston ring for an internal combustion engine is a cast iron ring whose surface is hard-Cr-plated, but it is difficult to manufacture a piston ring with a thin axial direction, and the piston ring has a relatively large cross-sectional area. Therefore, there is a problem that the inertia becomes large and the fluttering phenomenon is likely to occur. In recent years, internal combustion engines have been made into wire rods by hot working and cold working after melting, and then bent into a ring shape after tempering, in response to the demand for high output, high speed, and measures against exhaust gas. The applied steel piston ring is becoming the mainstream. As ring materials made of these steels, in addition to Si-Cr steel, 1
There are 3Cr type and 17Cr type stainless steels and the like, and those subjected to surface treatment such as hard Cr plating treatment or nitriding treatment are used on the surface of these rings.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記のようにスチール
製のピストンリングはピストンリングの軸方向の幅を薄
くすることが可能となり、シリンダ壁との接触面積が小
さくなり、摩擦損失を軽減し、またリング自体の重量を
低減できるなど従来の鋳鉄製のピストンリングでは得ら
れない利点があった。ところが最近になって、さらに高
出力化の要求が高まり、より高速回転に対応できるピス
トンリングの材質が求められるようになってきた。そし
て高速回転に追従するためには、ピストンリングをさら
に軽量化する必要があり、これまでのスチール製ピスト
ンリングでは、これ以上に薄くすると強度が不足して内
燃機関の重要な機能が損なわれてしまう問題があった。
上記の問題を解決するために比重の小さいチタンまたは
チタン合金を用いたピストンリング(特開平2−129
467号)や自動車用エンジン部品の構成部材(特開平
1−119682号)が提案されている。
As described above, the steel piston ring makes it possible to reduce the axial width of the piston ring, the contact area with the cylinder wall is reduced, and the friction loss is reduced. Further, there is an advantage that the weight of the ring itself can be reduced, which cannot be obtained by the conventional cast iron piston ring. Recently, however, the demand for higher output has increased, and a material for the piston ring capable of coping with higher speed rotation has been demanded. In order to follow high-speed rotation, it is necessary to further reduce the weight of the piston ring.With conventional steel piston rings, if it is made thinner than this, the strength will be insufficient and important functions of the internal combustion engine will be impaired. There was a problem.
In order to solve the above problems, a piston ring using titanium or titanium alloy having a small specific gravity (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-129)
No. 467) and constituent members of automobile engine parts (Japanese Patent Laid-Open No. 1-1119682).

【0004】このうち、特開平2−129467号は、
鋼よりなるピストンリング本体と、外周面側に接着され
たチタンまたはチタン合金層と、少なくとも外周面側に
形成された窒化チタン層とからなるピストンリングであ
る。しかし、前記ピストンリングの本体には、ばね特性
を確保するため工具鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼
が用いられているため、軽量化の効果は少なく、むしろ
クラッドしたチタンまたはチタン合金層の外周面側に比
較的厚い50μ以上の窒化チタン層を形成させようとする
ものである。これに対して、特開平1−119682号
の部材は純チタンまたはチタン合金の表層を溶融温度以
上に加熱し、この溶融部に酸素を吸収固溶し、溶融酸素
富化層である表面硬化層を形成させたものである。
Of these, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-129467
A piston ring body comprising a piston ring body made of steel, a titanium or titanium alloy layer adhered to the outer peripheral surface side, and a titanium nitride layer formed at least on the outer peripheral surface side. However, since the body of the piston ring uses tool steel or martensitic stainless steel to secure spring characteristics, the effect of weight reduction is small, rather the outer peripheral surface side of the clad titanium or titanium alloy layer. It is intended to form a relatively thick titanium nitride layer having a thickness of 50 μm or more. On the other hand, in the member disclosed in JP-A-1-119682, the surface layer of pure titanium or titanium alloy is heated to a melting temperature or higher, and oxygen is absorbed and solid-solved in the melted portion to form a surface-hardened layer which is a molten oxygen-enriched layer. Is formed.

【0005】ところが、ピストンリングのように薄いリ
ング状の外周部の表層を約1700℃の高い溶融温度以上に
加熱すると、熱影響や凝固時の収縮などによりピストン
リングが変形する問題や再凝固組織の生成により靭性が
低下する欠点があった。本発明の目的は、これまでのス
チール製ピストンリングより軽量で、しかも高出力や高
速化に耐える強度を有する新規なピストンリングおよび
その製造方法を提供することである。
However, when the surface layer of a thin ring-shaped outer peripheral portion such as a piston ring is heated above a high melting temperature of about 1700 ° C., the piston ring is deformed due to thermal influence or contraction at the time of solidification, and a resolidification structure. However, there is a drawback that the toughness is lowered by the formation of. An object of the present invention is to provide a novel piston ring which is lighter in weight than conventional steel piston rings and has strength enough to withstand high output and high speed, and a manufacturing method thereof.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】発明者は、これまでのス
チール製のピストンリングを軽量化するには限界があ
り、比重がスチールの約6割であるチタンまたはチタン
合金に着目し、ピストンリング本体として使用すること
を検討した。ところでチタンまたはチタン合金製ピスト
ンリングの実用化を阻害する要因としてピストンリング
自身に要求される特性上の問題と、ピストンリングに加
工するうえで障害となる製造上の問題があった。ピスト
ンリングに要求される特性に対してチタンまたはチタン
合金が不足する点は、 (1)強度水準が低く、耐熱へたり性や耐摩耗性が不十
分。 (2)摺動する相手金属との焼付きが起り易い。 また、ピストンリングに加工する方法として、(a)棒
材からの削り出し、(b)パイプの輪切り切断、(c)
板材の打抜やワイヤカット、などがある。しかし、
(a)(c)の方法は歩留を著しく損ない、そのうえ
(a)(b)の方法はファイバー組織がリング軸方向
に、(c)の方法はリング面に対して一定方向のファイ
バー組織になり、その結果チタン合金の強度や靱性をさ
らに減少させることがわかった。
SUMMARY OF THE INVENTION The inventor has focused on titanium or titanium alloys having a specific gravity of about 60% that of steel, because there is a limit to reducing the weight of conventional steel piston rings. I considered using it as a main body. By the way, there are problems in characteristics required of the piston ring itself as factors that hinder the practical use of the piston ring made of titanium or titanium alloy, and manufacturing problems that hinder the processing of the piston ring. The shortage of titanium or titanium alloy with respect to the properties required for piston rings is as follows: (1) The strength level is low, and the heat resistance and wear resistance are insufficient. (2) The seizure with the sliding mating metal easily occurs. Further, as a method of processing into a piston ring, (a) cutting out from a bar material, (b) cutting a pipe into slices, (c)
There are punching of plate material and wire cutting. But,
The methods (a) and (c) significantly impair the yield, and in the methods (a) and (b), the fiber structure is in the axial direction of the ring, and in the method (c), the fiber structure is in a fixed direction with respect to the ring surface. As a result, it was found that the strength and toughness of the titanium alloy are further reduced.

【0007】上記の特性上の問題と製造上の問題につい
て、さらに検討を重ねた結果、順チタンは強度や耐熱へ
たり性の点で不十分なため、ピストンリング本体をチタ
ン合金に限定するとともに、ピストンリングは線材加工
した後、曲げ加工によりリング状とすることでファイバ
ー組織を円周方向に一致させれば、一定の強度と均一な
ばね特性が得られることがわかった。また、リング状に
曲げ加工した後に、酸素が存在する雰囲気中で550〜105
0℃の温度に加熱保持するだけで表面部に非溶融酸素富
化層が形成され、摺動部の耐摩耗性や耐焼付性を著しく
高めるだけでなく、摺動部以外の表面部に形成させた酸
素富化層はピストンリング本体の強化にも効果があるこ
とを見出した。
As a result of further studies on the above-mentioned characteristic problems and manufacturing problems, forward titanium is inadequate in terms of strength and heat resistance, so that the piston ring body is limited to titanium alloy. It was found that if the piston ring is formed into a ring shape by bending after being processed into a wire material, and the fiber structure is made to coincide with the circumferential direction, constant strength and uniform spring characteristics can be obtained. In addition, after bending into a ring shape, it is heated to 550 to 105 in an atmosphere containing oxygen.
A non-melting oxygen-enriched layer is formed on the surface only by heating and holding at a temperature of 0 ° C, which not only significantly increases the wear resistance and seizure resistance of the sliding part, but also forms on the surface other than the sliding part. It was found that the oxygen-enriched layer thus formed was also effective in strengthening the piston ring body.

【0008】ここで、本発明の非溶融酸素富化層とは、
前述の特開平1−119682号の表面硬化層が表層を
溶融温度以上に加熱し、この溶融部に酸素を吸収固溶さ
せるのに対し、酸素が存在する雰囲気中で溶融温度より
はるかに低い温度に加熱保持させるだけで得られる酸素
富化層(αケースとも呼ばれる)をいう。本発明は上記
のピストンリング自身に要求される特性上の問題点と製
造上の課題を同時に解決したものである。
Here, the non-molten oxygen-enriched layer of the present invention is
In the above-mentioned JP-A-1-119682, the surface-hardened layer heats the surface layer to a melting temperature or higher and absorbs oxygen in the melted portion to form a solid solution, whereas in the atmosphere where oxygen is present, the temperature is much lower than the melting temperature. An oxygen-enriched layer (also referred to as α case) obtained only by heating and holding it in the above. The present invention simultaneously solves the characteristic problem and the manufacturing problem required for the piston ring itself.

【0009】すなわち、本発明の第1発明は、ピストン
リング本体がチタン合金からなり、前記ピストンリング
の円周方向にファイバー組織を有し、少なくともシリン
ダ壁との摺動面に非溶融酸素富化層からなる表面硬化層
を有することを特徴とするチタン合金製ピストンリング
であり、第2発明はピストンリング本体がチタン合金か
らなり、前記ピストンリングの円周方向にファイバー組
織を有し、少なくともシリンダ壁との摺動面に非溶融酸
素富化層を含む複合表面硬化層を有することを特徴とす
るチタン合金製ピストンリングであり、第3発明はチタ
ン合金線素材をリング状に曲げ加工した後、少なくとも
酸素が存在する雰囲気中で550〜1050℃の温度に加熱し
て表面部に酸素富化層を形成させることを特徴とするチ
タン合金製ピストンリングの製造方法であり、第4発明
はチタン合金線素材をリング状に曲げ加工した後、溶体
化処理・時効を施してピストンリング本体を硬化させる
と共に、表面部に酸素富化層を同時に形成させることを
特徴とするチタン合金製ピストンリングの製造方法であ
る。
That is, in the first aspect of the present invention, the piston ring body is made of a titanium alloy, has a fiber structure in the circumferential direction of the piston ring, and at least the sliding surface with the cylinder wall is enriched with non-melting oxygen. A piston ring made of a titanium alloy, which has a surface-hardened layer made of a layer, wherein the piston ring body is made of a titanium alloy and has a fiber structure in the circumferential direction of the piston ring, and at least a cylinder. A titanium alloy piston ring having a composite surface hardening layer including a non-melting oxygen-enriched layer on a sliding surface with a wall, the third invention is that after bending a titanium alloy wire material into a ring shape. , A titanium alloy piston, characterized by forming an oxygen-enriched layer on the surface by heating at a temperature of 550 to 1050 ° C. in an atmosphere containing at least oxygen. The fourth invention is a method of manufacturing a ring, in which the titanium alloy wire material is bent into a ring shape, and then subjected to solution treatment and aging to harden the piston ring body, and at the same time, an oxygen-enriched layer is formed on the surface portion. This is a method for manufacturing a titanium alloy piston ring.

【0010】[0010]

【作用】本発明が対象とするピストンリング本体に用い
るチタン合金は、強度が低い純チタンを除くチタンを基
とする合金であればα型合金、α+β型合金またはβ型
合金のいずれも使用することができる。また、これらの
うちα+β型合金およびβ型合金は溶体化処理と時効処
理を組合せて強化させることができるが、線材加工のま
ま、あるいは焼鈍状態で使用してもよい。本発明のチタ
ン合金製ピストンリングは円周方向にメタルフロー、す
なわち、ファイバー組織を有すること、つまり線材加工
を経て曲げ加工されたピストンリングに限定する。その
理由は前述したように、棒材、パイプまたは板材から採
取されたリングのファイバー組織では強度や靱性が不十
分なためである。本発明のチタン合金製ピストンリング
は、そのファイバー組織自体がリング状になってリング
の形状に添っているため、外部からの曲げ応力に対して
十分な強度と靭性が確保されるのである。
The titanium alloy used for the piston ring body of the present invention may be an α-type alloy, an α + β-type alloy or a β-type alloy as long as it is a titanium-based alloy other than pure titanium having low strength. be able to. Further, among these, α + β type alloys and β type alloys can be strengthened by combining solution treatment and aging treatment, but they may be used as they are in wire processing or in an annealed state. The titanium alloy piston ring of the present invention is limited to a piston ring that has a metal flow in the circumferential direction, that is, has a fiber structure, that is, is bent after being processed into a wire rod. The reason is that, as described above, the strength and toughness are insufficient in the fiber structure of the ring taken from the rod, pipe or plate. In the titanium alloy piston ring of the present invention, the fiber structure itself has a ring shape and follows the shape of the ring, so that sufficient strength and toughness are ensured against bending stress from the outside.

【0011】また、本発明のチタン合金製ピストンリン
グは摺動する相手金属との焼付きが起り易いため、少な
くともシリンダーとの摺動面に非溶融酸素富化層からな
る表面硬化層を形成させることを必須とする。この表面
硬化層は、ピストンリング自体の耐摩耗性を高めるとと
もに、シリンダー側の相手金属との焼付き性を著しく抑
制することができるが、さらに必要に応じて硬質Crメ
ッキ、ポーラスCrメッキ、複合メッキ、Cr溶射、M
o溶射や窒化処理など各種表面処理を適宜併用した複合
表面硬化層とすればより効果が高められる。また前記表
面処理はシリンダー壁との摺動面だけに限定することな
く、ピストンリングの母材であるチタン合金の強度不足
を補なう効果もあるため必要に応じて他の表面部にも前
記表面硬化層を形成させてもよいものとする。
Further, since the titanium alloy piston ring of the present invention is apt to seize with the sliding metal to be mated, a surface hardened layer consisting of a non-melted oxygen enriched layer is formed on at least the sliding surface with the cylinder. It is mandatory. This surface hardened layer not only enhances the wear resistance of the piston ring itself, but can also significantly suppress seizure with the mating metal on the cylinder side, but if necessary, hard Cr plating, porous Cr plating, composite Plating, Cr spraying, M
The effect is further enhanced by using a composite surface-hardened layer in which various surface treatments such as thermal spraying and nitriding treatment are appropriately used in combination. Further, the surface treatment is not limited to only the sliding surface with the cylinder wall, and since it also has the effect of compensating for the lack of strength of the titanium alloy that is the base material of the piston ring, other surface portions may also have the above-mentioned properties. A surface hardened layer may be formed.

【0012】ピストンリング本体を構成するチタン合金
は、熱間加工した後に冷間加工または温間加工と冷間加
工を行なって異形断面の線素材とし、これを曲げ加工し
てリング状に成形する。成形したリングは、酸素が存在
する雰囲気中で550〜1050℃の温度に加熱保持して、チ
タン合金の表面部に酸素富化層を形成させる。酸素が存
在する雰囲気は、大気中は言うまでもなく、酸素と窒素
などの混合ガス中、あるいは極くわずかな酸素が存在す
る減圧ないし10マイナス3乗Torr程度の真空中でもよ
い。加熱温度が550℃未満では、チタン合金の基地中に
酸素を固溶、拡散させることができず、逆に1050℃を越
えるとチタン合金本体の結晶粒が粗大化して靭性を損う
だけでなく、過度に固溶した酸素富化層が脆くなり、ピ
ストンリングとして使用する際に欠け、割れが発生し易
くなる。そのため、酸素が存在する雰囲気中で加熱する
温度範囲を550〜1050℃に限定する。
The titanium alloy constituting the piston ring body is hot-worked and then cold-worked or warm-worked and cold-worked to form a wire material having an irregular cross section, which is bent and formed into a ring shape. . The formed ring is heated and held at a temperature of 550 to 1050 ° C. in an atmosphere containing oxygen to form an oxygen-enriched layer on the surface of the titanium alloy. The atmosphere in which oxygen is present may be not only atmospheric air, but also a mixed gas of oxygen and nitrogen, or may be decompressed or in a vacuum of about 10 −3 Torr with very little oxygen. If the heating temperature is lower than 550 ° C, oxygen cannot be solid-dissolved and diffused in the base of the titanium alloy. Conversely, if it exceeds 1050 ° C, not only the crystal grains of the titanium alloy body become coarser but the toughness is impaired. The excessively solid-solved oxygen-enriched layer becomes brittle, and when it is used as a piston ring, chipping and cracking easily occur. Therefore, the temperature range for heating in an atmosphere containing oxygen is limited to 550 to 1050 ° C.

【0013】例えば、代表的なチタン合金であるTi-6
Al-4V合金線材をリング状に曲げ加工した後、大気中
で1時間加熱した場合、酸素富化層の深さは800℃で20
μ以上、900℃で40μm以上が得られ、最表層部に生成し
た酸化皮膜を除去した後にピストンリングとして使用す
ることができる。また、α+β型やβ型のチタン合金
は、溶体化処理・時効によってピストンリング本体を強
化するとともに、表面部に酸素富化層を形成させて使用
すればより効果が大きい。この場合、リング状に曲げ加
工した後、溶体化処理を酸素が存在する雰囲気中で加熱
・急冷することにより、酸素富化層を形成させると、そ
の後の酸素富化層を形成させる処理を省略することがで
きる。
For example, Ti-6 which is a typical titanium alloy
When an Al-4V alloy wire is bent into a ring shape and then heated in the atmosphere for 1 hour, the depth of the oxygen-enriched layer is 800 ° C and 20
It can be used as a piston ring after removing the oxide film formed on the outermost surface layer. Further, the α + β type and β type titanium alloys are more effective if they are used by strengthening the piston ring body by solution treatment and aging and forming an oxygen enriched layer on the surface portion. In this case, after bending into a ring shape, the solution heat treatment is heated and rapidly cooled in an atmosphere in which oxygen is present to form the oxygen-enriched layer, and the subsequent treatment for forming the oxygen-enriched layer is omitted. can do.

【0014】[0014]

【実施例】以下本発明を適用した実施例について詳述す
る。 (実施例1)α型のチタン合金であるTi-5Al-2.5Sn
合金を断面が2.0mm×3.5mmの矩形線材とし、次いでこの
線材を3点ロールを用いて縁面を内外径とし、外径が50
mmとなるように連続成形した後、切断して60本のリング
を得た。このうち、20本は大気中で780℃×1時間、他の
40本は大気中で840℃×1時間の加熱を行なった。また、
前記40本のうち20本は、円周部の酸化皮膜を薄く研削除
去した後、580℃のアンモニア分解ガス雰囲気中で6時間
のガス軟窒化処理を施した。
EXAMPLES Examples to which the present invention is applied will be described in detail below. (Example 1) Ti-5Al-2.5Sn which is an α type titanium alloy
The alloy was made into a rectangular wire rod with a cross section of 2.0 mm x 3.5 mm, and then the wire rod was made into an inner and outer diameter with a three-point roll, and the outer diameter was 50.
After being continuously molded to have a size of mm, the ring was cut to obtain 60 rings. Of these, 20 are 780 ℃ × 1 hour in the atmosphere, other
Forty of them were heated in the atmosphere at 840 ℃ for 1 hour. Also,
Twenty of the 40 pieces were subjected to gas soft nitriding treatment for 6 hours in an ammonia decomposition gas atmosphere at 580 ° C. after thinly grinding and removing the oxide film on the circumferential portion.

【0015】上記の表面硬化処理を施した後、断面硬さ
を測定した。その結果、各処理材の母材の硬さがHV318
〜330に対して、780℃加熱材の表面硬さは、平均HV52
7、HV450以上の表面硬化層の深さは約25μmであった。
また、840℃加熱材の表面硬さは平均HV519で、HV450以
上の表面硬化層の深さは約30μm以上であった。さら
に、酸素富化処理を施した後、軟窒化処理を行なった材
料の表面硬さの平均はHV1250であった。
After carrying out the above-mentioned surface hardening treatment, the cross-section hardness was measured. As a result, the hardness of the base metal of each treated material is HV318.
The surface hardness of 780 ℃ heating material is ~ HV52 on average for ~ 330.
7. The depth of the surface hardened layer of HV450 or higher was about 25 μm.
The surface hardness of the 840 ° C. heating material was HV519 on average, and the depth of the surface hardened layer of HV450 or higher was about 30 μm or more. Further, the average surface hardness of the material subjected to the soft nitriding treatment after the oxygen enrichment treatment was HV1250.

【0016】(実施例2)α+β型のチタン合金である
Ti-6Al-4V合金を断面が2.0mm×3.5mmの矩形線材と
し、この線材を耐熱鋼製の円柱に縁面を内外径とするご
とく螺線状に密着巻きし、外径が50mmになるよう連続成
形した。次いで、耐熱鋼の円柱に密着巻きした拘束状態
のまま、920℃の真空熱処理炉に装入し、保持時間を1時
間とした後、リークし、直ちに水冷却する溶体化処理を
施した。なお、真空熱処理内の加熱保持中の真空度は10
マイナス2乗Torrに調整した。
(Embodiment 2) Ti-6Al-4V alloy, which is an α + β type titanium alloy, is used as a rectangular wire rod having a cross section of 2.0 mm × 3.5 mm, and the wire rod is a cylinder made of heat-resistant steel and the edges are the inner and outer diameters. Spirally wound closely and continuously molded to an outer diameter of 50 mm. Next, the solution was placed in a vacuum heat treatment furnace at 920 ° C. in a restrained state in which it was tightly wound around a cylinder of heat-resistant steel, the holding time was set to 1 hour, leaking, and immediately subjected to solution treatment by water cooling. The degree of vacuum during heating and holding in the vacuum heat treatment is 10
Adjusted to minus squared Torr.

【0017】溶体化処理後、螺線状に巻き付けた線材を
軸方向に切断し、個々のリングとした。続いて個々のリ
ングを鋼製の平板上に並べ、さらにその上から同様の鋼
製平板を載置した状態で538℃の加熱炉中に装入して4時
間の時効処理を施した。溶体化処理、時効処理を施した
後に断面を水100ccに対して弗化水素酸 0.5ccの水溶液
で腐食した試験片を光学顕微鏡で検鏡したところ、表面
部に酸素が富化した白色の層が認められ、その深さは65
μであった。さらに、硬さを測定したところ、母材の硬
さはHV397で、表面硬さは平均HV532であった。
After the solution treatment, the spirally wound wire rod was axially cut into individual rings. Next, the individual rings were arranged on a steel flat plate, and the same steel flat plate was placed on the ring and placed in a heating furnace at 538 ° C. for aging treatment for 4 hours. After the solution treatment and aging treatment, the cross section was corroded with an aqueous solution of hydrofluoric acid 0.5 cc against 100 cc of water, and a white layer enriched with oxygen was observed under an optical microscope. Is recognized and its depth is 65
It was μ. Furthermore, when the hardness was measured, the hardness of the base material was HV397 and the surface hardness was HV532 on average.

【0018】(実施例3)本発明の特徴の一つであるチ
タン合金の表面部に非溶融酸素富化層を形成させること
により、摺動する相手金属との焼付き性の効果を確認す
るため、以下に示すファビリー試験を行なった。このフ
ァビリー試験は直径が6.5mm、長さが40mmの試験片
を300rpmで回転させ、これに相手材で作成した2
個のVブロックにより挟圧し、挟圧荷重を徐々に加えな
がら、試験片上部に設けたピンのトルク変動で焼付を感
知し、この時の荷重を測定するものである。本試験では
相手材としてエンジンのシリンダー材であるFC25を
用い、また試験中は潤滑油を滴下する湿式法を採用し
た。また、荷重は8kgf/secの速さで負荷した。なお、こ
の試験方法は、今までの経験から、ピストンリングの実
機試験での焼付き程度を忠実にシミュレートできる試験
方法であることが確認されている。
(Embodiment 3) By forming a non-melting oxygen-enriched layer on the surface of titanium alloy, which is one of the features of the present invention, the effect of seizure with the sliding mating metal is confirmed. Therefore, the following fabby test was performed. In this Fabry test, a test piece having a diameter of 6.5 mm and a length of 40 mm was rotated at 300 rpm, and a mating material was prepared on the test piece 2
The V-block is clamped and the clamping load is gradually applied, while the seizure is detected by the torque fluctuation of the pin provided on the upper part of the test piece, and the load at this time is measured. In this test, FC25, which is a cylinder material of the engine, was used as a counterpart material, and a wet method in which lubricating oil was dropped was used during the test. The load was 8 kgf / sec. It has been confirmed from experience so far that this test method is a test method that can faithfully simulate the degree of seizure in the actual test of the piston ring.

【0019】β型チタン合金であるTi-13V-11Cr-3A
l合金を熱間加工して直径が8mmの素材とし、第1のグル
ープは素材のまま、第2のグループは所定の形状に荒加
工した後、大気中で溶体化処理と時効を施した。次い
で、第1のグループは前記の熱処理中に形成した表面部
の酸素富化層が完全に除去されるよう直径が6.5mmに切
削加工して比較材とした。また第2のグループは、前記
の熱処理中に生成した最表面の酸化皮膜だけを研削より
除去して本発明材とした。
Ti-13V-11Cr-3A, which is a β-type titanium alloy
The alloy was hot worked into a material having a diameter of 8 mm, the first group was left as it was, and the second group was roughly worked into a predetermined shape, followed by solution treatment and aging in the atmosphere. Then, the first group was cut to a diameter of 6.5 mm so as to completely remove the oxygen-enriched layer formed on the surface during the heat treatment, and used as a comparative material. In the second group, only the outermost oxide film formed during the heat treatment was removed by grinding to obtain the material of the present invention.

【0020】さらに、従来材として、現在窒化処理を行
なって使用されるスチールリングとしては最も耐焼付き
性、耐摩耗性に優れた材質である0.87%C−0.47%Si−
0.43%Mn−17.12%Cr−1.20%Mo−0.30%V−Fe鋼(17C
r鋼)を所定の形状に荒加工した後、焼入れ焼もどしによ
りHRC40に調質し、仕上加工を行なった。続いて、540
℃、20時間のガス窒化処理を行なった。また、ガス窒化
処理により窒素拡散層の最表面に、脆い窒化物が生成す
るため、研削によりこれを除去した。上記の要領でファ
ビリー試験を行ない、それぞれの測定結果は従来材に窒
化処理を施した試料が焼付いた時の荷重を100とした場
合の指数でまとめ、焼付き性として評価して表1に示
す。
Furthermore, as a conventional material, 0.87% C-0.47% Si-, which is the most excellent seizure resistance and wear resistance among steel rings currently used for nitriding treatment.
0.43% Mn-17.12% Cr-1.20% Mo-0.30% V-Fe steel (17C
(r steel) was rough-processed into a prescribed shape, then tempered and tempered to HRC40 for finish processing. Then, 540
Gas nitriding treatment was performed at 20 ° C. for 20 hours. Further, a brittle nitride was formed on the outermost surface of the nitrogen diffusion layer by the gas nitriding treatment, and thus this was removed by grinding. The Fabry test was conducted according to the above procedure, and the respective measurement results are summarized by an index when the load when the sample subjected to the nitriding treatment on the conventional material is 100 is seized, and evaluated as seizure property and shown in Table 1. .

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】表1から本発明試料であるチタン合金に酸
素富化層を付与させた試料No.1は、従来試料である17
Cr鋼に窒化処理を施した試料No.3とほぼ同等の耐焼付
き性を有することがわかる。これに対して、比較試料で
ある表面硬化処理を施さない試料No.2は極めて容易に
焼付きが発生するのがわかる。
From Table 1, sample No. 1 obtained by adding an oxygen-enriched layer to the titanium alloy of the present invention is a conventional sample.
It can be seen that seizure resistance is almost equal to that of sample No. 3 obtained by subjecting Cr steel to nitriding treatment. On the other hand, it can be seen that seizure occurs extremely easily in the sample No. 2 which is not subjected to the surface hardening treatment as the comparative sample.

【0023】(実施例4)焼なましを施した6Al−4V
−Ti合金の65mm丸棒材から半径方向に縮少引張試験片
を採取した。一方、実施例2の温間引抜途中から採取し
た4.8mm丸の線材を用い、これに704℃、2時間の焼なま
し処理を行なった後、上記と同寸法の縮少引張試験片を
作製した。前者の引張試験片は棒材からの削り出しのピ
ストンリングを、また後者の引張試験片は本発明である
円周方向にファイバー組織を有するピストンリングをそ
れぞれ代表させて機械的性質を評価する。常温で引張試
験を行ない、その結果を表2に示す。
Example 4 Annealed 6Al-4V
A reduced tensile test piece was taken in the radial direction from a 65 mm round bar of Ti alloy. On the other hand, using a 4.8 mm round wire sample taken from the middle of warm drawing in Example 2, this was annealed at 704 ° C. for 2 hours, and then a reduced tensile test piece having the same size as the above was prepared. did. The former tensile test piece represents a piston ring machined from a bar material, and the latter tensile test piece represents a piston ring having a fiber structure in the circumferential direction, which is the present invention, to evaluate the mechanical properties. A tensile test was conducted at room temperature, and the results are shown in Table 2.

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】表2に示すように、丸棒材の半径方向の特
性は、線材の特性に比較して引張強さ、伸び、絞りとも
に低いことがわかる。このように同じチタン合金で比較
しても、本発明であるピストンリングの円周方向にファ
イバー組織を有するピストンリングの方が優れているこ
とがわかる。
As shown in Table 2, the radial characteristics of the round bar are lower in tensile strength, elongation and drawing than the characteristics of the wire. As described above, even when the same titanium alloy is compared, it can be seen that the piston ring having the fiber structure in the circumferential direction of the present invention is superior.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明によるチタン合金製ピストンリン
グは、ピストンリングの円周方向にファイバー組織を有
するので、リングの横断方向に加わる外部からの曲げ応
力に対して十分な強度と靭性がある。本発明によるチタ
ン合金製のピストンリングは、少なくともシリンダ壁と
の摺動面に表面部を溶融させることなく、低温で酸素富
化層を付与させた表面硬化層を有するので、従来材であ
る17Cr系のステンレス鋼製のピストンリングに窒化処
理を施したものに比較して、ほぼ同等の耐焼付性があ
る。さらに本発明の製造方法によれば、リング状に曲げ
加工した後に、必要に応じて実施する溶体化処理時に生
成する酸素富化層をそのまま利用することができ、製造
効率を高めることができる。また、上記チタン合金製の
ピストンリングは従来材の17Cr系ステンレス鋼製のピ
ストンリングの約6割の重量であることから、内燃機関
の高出力、高速化に対応できる。
Since the titanium alloy piston ring according to the present invention has a fiber structure in the circumferential direction of the piston ring, it has sufficient strength and toughness against external bending stress applied in the transverse direction of the ring. The titanium alloy piston ring according to the present invention has a surface-hardened layer provided with an oxygen-enriched layer at a low temperature without melting the surface portion at least on the sliding surface with respect to the cylinder wall. It has almost the same seizure resistance as a stainless steel piston ring of the same series that has undergone nitriding. Further, according to the production method of the present invention, after the bending process into a ring shape, the oxygen-enriched layer generated during the solution treatment which is performed as necessary can be used as it is, and the production efficiency can be improved. Further, since the titanium alloy piston ring is about 60% of the weight of the conventional 17Cr stainless steel piston ring, it can cope with high output and high speed of the internal combustion engine.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ピストンリング本体がチタン合金からな
り、前記ピストンリングの円周方向にファイバー組織を
有し、少なくともシリンダ壁との摺動面に非溶融酸素富
化層からなる表面硬化層を有することを特徴とするチタ
ン合金製ピストンリング。
1. A piston ring body is made of a titanium alloy, has a fiber structure in the circumferential direction of the piston ring, and has a surface hardening layer made of a non-melting oxygen enriched layer on at least a sliding surface with a cylinder wall. Titanium alloy piston ring characterized by
【請求項2】 ピストンリング本体がチタン合金からな
り、前記ピストンリングの円周方向にファイバー組織を
有し、少なくともシリンダ壁との摺動面に非溶融酸素富
化層を含む複合表面硬化層を有することを特徴とするチ
タン合金製ピストンリング。
2. A composite surface hardening layer having a piston ring main body made of a titanium alloy, having a fiber structure in the circumferential direction of the piston ring, and including a non-melting oxygen-enriched layer on at least a sliding surface with a cylinder wall. A titanium alloy piston ring characterized by having.
【請求項3】 チタン合金線素材をリング状に曲げ加工
した後、少なくとも酸素が存在する雰囲気中で550〜105
0℃の温度に加熱して表面部に酸素富化層を形成させる
ことを特徴とするチタン合金製ピストンリングの製造方
法。
3. After bending a titanium alloy wire material into a ring shape, it is heated to 550 to 105 in an atmosphere containing at least oxygen.
A method for producing a piston ring made of titanium alloy, which comprises heating to a temperature of 0 ° C. to form an oxygen-enriched layer on the surface.
【請求項4】 チタン合金線素材をリング状に曲げ加工
した後、溶体化処理・時効を施してピストンリング本体
を硬化させると共に、表面部に酸素富化層を同時に形成
させることを特徴とするチタン合金製ピストンリングの
製造方法。
4. A titanium alloy wire material is bent into a ring shape, and then subjected to solution heat treatment / aging to harden the piston ring body and simultaneously form an oxygen-enriched layer on the surface portion. Manufacturing method of titanium alloy piston ring.
JP19966392A 1991-09-17 1992-07-27 Piston ring of titanium alloy and its manufacture Pending JPH0650429A (en)

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DE1992606546 DE69206546T2 (en) 1991-09-17 1992-09-16 Titanium alloy piston ring and manufacturing method.
EP19920115828 EP0533128B1 (en) 1991-09-17 1992-09-16 Piston ring made of a titanium alloy and process for production thereof

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016079480A (en) * 2014-10-20 2016-05-16 新日鐵住金株式会社 Member for processing low melting point molten metal excellent in erosion resistance

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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