JPH09196175A

JPH09196175A - 粉末金属ピストンリング及びその形成法

Info

Publication number: JPH09196175A
Application number: JP8353304A
Authority: JP
Inventors: William B Young; ウイリアム、ビー、ヤング
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 1997-07-29
Also published as: AR022984A1; FR2742686A1; DE19653598A1; US5773734A; BR9606037A

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的少ない処理工程数で比較的安価に硬い
表面層に別個の面コーティングを必要としない粉末金属
ピストンリングを提供することにある。【解決手段】窒素に対し高い親和力を持つ元素を含む
金属質粒子３８を分散させた主としてパーライトから成
る組織３６を備えた粉末金属ピストンリング２８を、窒
化して、その外周辺４０に硬い表面層４２を形成する。
表面層４２は、第１の窒化鉄領域４２ａと金属質粒子３
８及び窒素の間の反応によって一層高い硬さを持つ隣接
領域４２ｂとから成っている。好適とする金属質粒子
は、ピストンリング２８のもとの粉末金属の一部を形成
する高クロム鋼合金から成っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒素に対し高い親和力
を持つ元素を含む金属粉末を使用し仕上がりのピストン
リングを窒化して金属窒化物外面層を生成するようにし
た粉末金属ピストンリングに関する。

【０００２】

【発明の背景】ピストンリングはよく知られたものであ
る。ピストンリングは通学ピストンの外周辺のまわりに
配置した環状みぞ内に受入れる。ピストンは、シリンダ
内で往復動して、シリンダ内のガスのような流体を圧縮
する。内燃機関ではこれ等の流体はピストンを着火点か
ら遠ざかる向きに駆動する。ピストンリングの外面又は
支持面は、高温及び腐食作用とシリンダの壁に対する摩
擦による相互作用とを受ける。

【０００３】耐久性、耐摩耗性等を向上させるには、他
の方法と共に窒化作業を行うことが知られている。たと
えばニッケルほう素面コーティングの基本として鋼線ピ
ストンリングにガス窒化層を形成することはよく知られ
ている。又窒化チタン面コーティングの基体としてこの
ようなピストンリングにガス窒化層を形成することもよ
く知られている。

【０００４】従来は２段階の窒化処理の使用を例示して
いる。この場合ピストンリングを形成するのに使う鋼線
は種種の等級のクロムを含んでいる。めっき層、吹付け
層又は鉄めっき層は第１の窒化層及び第２の窒化層の間
に挿入する。従来技術においてはプラズマ窒化作業が例
示されている。この作業は、エンジン部品にクロムのベ
ース層のコーティング処理を行い、次いでこのクロム層
に窒素を含むガスプラズマを施しこのクロムのベース層
に窒化クロム表面層を形成するようにする。

【０００５】すなわち窒化処理及び面コーティング作業
の組合わせは、従来の鋼線ピストンリングに適正な耐摩
消耗性を与える所要の手段として従来知られている。多
くの同様な処理が又、灰色鋳鉄ピストンリングに使われ
ている。

【０００６】粉末金属で作られるピストンリングが知ら
れている。このようなピストンリングは典型的には、少
ない１００分率のマンガン、クロム又はけい素を含み焼
結のピストンリング本体に付加的な強度を与える。しか
しこのようなピストンリングは、これ等のピストンリン
グに極めて高い熱的及び機械的応力が加わるので必ずし
も承認できる性能が得られない。さらに粉末金属ピスト
ンリングは、灰色鋳鉄（ｇｒｅｙｃａｓｔｉｒｏ
ｎ）及び鋼ワイヤ製のリングに比べると典型的には製造
が経済的でない。コーティング作業が、従来のピストン
リングの価格にさらに付加される。

【０００７】最後に従来、窒化鉄（Ｆｅ４Ｎ）を生成す
るのに粉末の１種類に前以って窒化作業を行い粉末金属
部品を形成する方法が知られている。窒化処理を受けた
鉄粉末部分から逃げる窒素含有ガスは処理が十分な鉄粒
子に明かに吸収される。

【０００８】

【発明の開示】本発明による粉末金属ピストンリング
は、窒素に対し高い親和力を持つ金属粒子の分散したパ
ーライトに富んだ組織を持つ。ピストンリングの外周辺
には硬い窒化表面層を形成してある。この窒化表面層
は、第１の窒化鉄領域（ｉｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅｄｒ
ｅｇｉｏｎ）と金属質粒子及び窒素の間の反応によって
一層高い硬さを持つ隣接領域とを備える。

【０００９】好適とする実施例では、金属質粒子は約１
３ないし１８％のクロムを含む高クロム鋼（ｈｉｇｈ
ｃｈｒｏｍｉｎｕｍｓｔｅｅｌ）から成る。本発明ピ
ストンリングの好適とする全組織は、約１ないし５０重
量％の金属質粒子、なおなるべくは１５重量％のこのよ
うな粒子と、約０ないし１．５重量％の炭素と、約０．
００ないし２．０重量％の銅又はニッケルと、０ないし
５．０重量％の無機ろうたとえばステアリン酸塩（ｓｔ
ｅａｒａｔｅ）／ろうＬＶ６と、残分の主として鉄とか
ら成っている。

【００１０】粉末金属ピストンリングを形成する本発明
方法では、所望の金属質粒子を含む粉末を成分の１種類
として混合する。次いでこの配合した粉末をピストンリ
ングの大体の形状に加圧する。この粉末は次に焼結して
金属質粒子を分散させた組織を形成する。このリング
は、最終形状に機械加工し次いで窒化してこのリングの
外周辺のまわりに表面層を形成する。

【００１１】窒素に対し高い親和力を持つ高いクロム鋼
のような金属質粒子を含んだ粉末金属リングの使用には
若干の利点がある。第１にこのようにして得られる表面
は、窒素に対する親和力を持つこのような金属質粉末を
含まない従来の粉末金属部品に比べると、摩耗、かき傷
に対する抵抗性が実質的に向上し、摩擦係数が低下して
いる。前記したように粉末金属ピストンリングは、これ
等に極めて高い熱的及び機械的の応力が加わるので必ず
しも許容可能に実施されていない。このピストンリング
は又多くのコーティング作業を受けた従来の鋼線製及び
灰色鋳鉄製のリングに勝った費用的に著しい利点がつね
にある。粉末金属部品の固有の多孔性は、従来のピスト
ンリングに比べて窒化作業中に一層良好な浸透性が得ら
れる。従って比較的少ない処理段階で比較的硬い部品が
経済的に作られる。

【００１２】以下本発明を添付図面について詳細に説明
する。

【００１３】

【実施例】図１に示すようにアセンブリ２０はシリンダ
内部で往復動できる環状のピストン２４を持つシリンダ
２２を備えている。ピストン２４は、外周面のまわりに
配置した環状のみぞ２６を備えている。各環状のみぞ２
６内には一体品の環状蜜封部材すなわちピストンリング
２８を取付け、ピストン２４と、シリンダ壁３２の内周
面３０との間に密封作用を伴って接触するようにしてあ
る。図示の組立て構成では、ピストンリング２８の各円
周方向端部３４は相互に隣接する。

【００１４】図２及び３に詳細に説明するようにピスト
ンリング２８は、粉末金属で形成してある。この粉末
は、リング２８の基本的物理的性質が得られるように当
業界には知られた成分を含む。しかしピストンリング２
８は又、窒素に対し高い親和力を持つ少なくとも１種類
の元素を含む金属質粉末を備える。このような金属質粉
末は、アルミニウム、バナジウム、タングステン、モリ
ブデン又はクロムを含む粉末である。従ってピストンリ
ング２８は付加的な費用をほどんど必要としないで窒化
されることが可能であるから、灰色鋳鉄又は鋼線から形
成され、次いで窒化され、付加的な面コーティングが施
される従来のピストンリングに典型的に認められる利点
を提供する。

【００１５】好適な実施例では、ピストンリング２８は
高クロムステンレス鋼粉末（ｈｉｇｈｃｈｒｏｍｉｎ
ｕｍｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｐｏｗｄｅ
ｒ）を含む。ピストンリング２８の典型的なや金学的構
成は、０．８重量％の炭素と、２．０重量％の銅又はニ
ッケルと、２．０重量％のステアリン酸塩／ろうＬＶ６
と、１５．０重量％の高クロム鋼と、残余の主として鉄
とからなっている。ステアリン酸塩／ろうＬＶ６は、各
粒子を一層自由に移動させるのに使われる無機ろうの１
例である。このろうは又工具セッティングに少なくとも
限定された潤滑作用を生ずる。炭素含量は０．００ない
し１．５重量％の範囲であり、銅又はニッケルの含量は
約０．００ないし０．５重量％であり、ステアレート／
ろうＬＶ６含量は０．００ないし５．０重量％であり、
又高クロム鋼粉末は約１ないし５０重量％である。高ク
ロム鋼粉末の１００分率が低すぎる場合には、後述の窒
化処理は不適当になる。高クロム鋼粉末の１００分率が
高すぎる場合には費用が１つの要因になるが、１００分
率が高くなると窒化を妨げるのでなくて助長する。

【００１６】高クロム鋼粉末として使われる合金鋼には
若干のものがある。最も好適な合金群は、４２０、４４
０Ａ，Ｂ及びＣのような４００系列のステンレス鋼を含
むマルテンサイトステンレス鋼である。この群のクロム
の１００分率は約１１ないし２０％の範囲である。第２
の好適な合金群は、約１８％のクロムを含む２００及び
３００シリーズ（ｓｅｒｉｅｓ）のステンレス鋼のよう
なオーステナイトステンレス鋼である。

【００１７】別の可能なクロム合金鋼の群は、ニトロ合
金のＧ（ｎｉｔｒｏ−ａｌｌｏｙ´ｓＧ），１３５Ｍ
（ＳＡＥ７１９０）、Ｎ及びＥＺである。この後者の群
は、アルミニウム及びクロムを共に含む窒化作業中に窒
素を引付ける合金である。しかし典型的には含有クロム
はわずかに１ないし２％である。４１００、４３００、
５１００、６１００、８６００、８７００、９３００及
び９８００シリーズの中程度の炭素クロム含有低合金鋼
を使うことができる。これ等の鋼のクロム含量はわずか
に０．５ないし１．５％である。５％のクロムを含む熱
間加工金型鋼たとえばＨ１１、Ｈ１２及びＨ１３も使う
ことができる。

【００１８】窒素に対し高い親和力を持つ少なくとも１
種類の元素を含む金属質粉末を加えた所望のピストンリ
ングの基本的な物理的性質を持つ許容できる粉末配合体
がひとたび作られるときは、このピストンリングは加圧
成形される。典型的にはこの配合粉末は、型内に送給さ
れ、約４０ｔ／ｉｎ²の圧力で加圧される。承認できる
範囲の押圧作業では約２０ないし６０ｔ／ｉｎ²の圧力
を使う。

【００１９】配合粉末は、加圧された後、１８００ない
し２２５０°Ｆ（９８２ないし１２３２℃）で約４時間
にわたり焼結される。配合した加圧粉末は、約２１００
°Ｆ（１１５０℃）で焼結するのがよい。このピストン
リングは焼結処理中にや金学的に変化する。ピストンリ
ング２８の全体的組織３６は、こん跡状の炭化物を含
み、若干の多孔率を持つ主としてパーライトから成る典
型的な粉末金属炭素マイクロ組織（ｐｏｗｄｅｒｅｄ
ｍｅｔａｌｃａｒｂｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）から
成っている。又金属粉末で形成した粒子３８を、全体的
組織３６内に分散させてある。若干の粒子３８はピスト
ンリング２８の外周辺４０に位置している。機械加工作
業によりピストンリング２８をその最終形状にする。

【００２０】最後にピストンリング２８は、ガス、イオ
ン又は塩による窒化処理法を使い窒化する。ガス窒化処
理は、これが比較的費用が安く、ピストンリング２８の
全表面に影響を及ぼすので一般に好適である。ガス窒化
処理を使うときは、窒素含有ガスがピストンリング２８
内に拡散し少なくとも外周辺４０に硬い表面層４２を生
成する。層４２は、約６００ビッカースダイヤモンド硬
さ（ＨＶ）の最高硬さを持つ窒化鉄領域４２ａと、粒子
３８で形成した窒化粒子から成る隣接領域４２ｂとによ
り構成してある。隣接領域４２ｂを構成する粒子は、窒
化ガスと窒素に対し強い親和力を持つ粒子３８内の元素
との間の反応によって比較的深い浸透性及び比較的高い
硬さを持つ。高クロム鋼を使うときは、たとえば隣接領
域４２ｂは、約１２００ＨＶの硬さを持つ窒化クロムを
生成する。コーティング厚さは、通常約０．００３イン
チ（０．０８ｍｍ）であるが、０．００１インチ（０．
０３ｍｍ）及び０．００５インチ（０．１３ｍｍ）の間
で変えてもよい。

【００２１】窒素に対し高い親和力を持つ少なくとも１
種類の元素たとえばクロムを含む金属質粒子から成る粉
末金属を使用すると若干の利点がある。このようにして
得られる表面は、このような金属質粒子を含まない従来
の粉末金属部分に比べたときに摩耗及びかき傷に対する
抵抗性が実質的に向上すると共に摩擦係数が低下してい
る。クロムはその窒素に対する固有の親和力と耐食性と
費用とによってとくに望ましい。

【００２２】本発明は、従来の鋼線リング又は鋳鉄リン
グの使用に勝った経済的利点を持つ。さらにしかし窒素
に対し強い親和力を持つ金属質粒子の存在と組合わせた
粉末金属部分の固有の多孔率により窒化作業中に一層良
好な浸透と増大した硬さとが得られる。従って比較的安
価に比較的少ない処理工程数で比較的硬い部分が作られ
る。窒化層に施される別個の面コーティング（ｆａｃｅ
ｃｏａｔｉｎｇ）は必要がない。

【００２３】以上本発明の好適な実施例を述べた。本発
明はその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行うこと
ができるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ピストンリングの１実施例を協働させた
ピストンを持つ内燃機関のシリンダボアの横断面図であ
る。

【図２】図１のピストンリングの拡大斜視図である。

【図３】図２のピストンリングの３−３線に沿う拡大断
面図である。

【符号の説明】

２８ピストンリング３６全体組織３８金属質粒子４０外周辺４２表面層４２ａ窒化鉄領域４２ｂ隣接領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粉末金属ピストンリングにおいて、窒素に対し高い親和力を持つ少なくとも１種類の元素を
含む金属質粒子を分散させた主としてパ−ライトから成
る組織と、第１の窒化鉄領域と前記金属質粒子と前記窒素との間の
反応により形成され、一層高い硬さを持つ隣接領域とを
備え、前記粉末金属ピストンリング外周辺に形成した窒
化した硬い表面層と、を包含する粉末金属ピストンリン
グ。
【請求項２】前記元素が、クロムから成る請求項１の
粉末金属ピストンリング。
【請求項３】前記金属質粒子が、高クロム鋼から成る
請求項２の粉末金属ピストンリング。
【請求項４】１ないし５０％の前記高クロム鋼を含ん
だ請求項３の粉末金属ピストンリング。
【請求項５】前記高クロム鋼が、１１ないし２０％の
クロムを含む請求項４の粉末金属ピストンリング。
【請求項６】約１５％の高クロム鋼を含む請求項４の
粉末金属ピストンリング。
【請求項７】約０．８％の炭素と、約２．０％の銅及
びニッケルの一方と、約２％の無機ろうと、残余の主と
して鉄とを含む請求項６の粉末金属ピストンリング。
【請求項８】粉末金属ピストンリングを形成する形成
法において、約０ないし１．５％の炭素と、約０ないし２．０％の銅
及びニッケルの一方と、約０ないし５．０％のステアリ
ン酸塩／ろうＬＶ６と、残余の主として鉄とを含む請求
項４の粉末金属ピストンリング。
【請求項９】約０ないし１．５％の炭素と、約０ない
し０．５％の銅及びニッケルの一方と、窒素に対し高い
親和力を持つ１ないし５０％の金属質粉末と残余の主と
して鉄とから成る粉末を配合する段階と、この配合した粉末をほぼ前記ピストンリングの形状に加
圧する段階と、前記加圧段階後に前記配合した粉末を焼結して、前記金
属質粉末から成る金属質粒子を分散させた組織を形成す
る段階と、前記ピストンリングを最終形状に機械加工する段階と、前記ピストンリング外周辺を窒化して、窒化鉄から成る
第１の領域と、前記金属質粒子及び窒素との間の反応に
よって一層高い硬さの隣接領域とを持つ硬い表面層を生
成する段階と、を包含する、粉末金属ピストンリングを
形成する形成法。
【請求項１０】前記金属質粉末が、クロム鋼から成る
請求項９の形成法。
【請求項１１】前記クロム鋼が、前記ピストンリング
の約１５％を占める請求項１０の形成法。
【請求項１２】前記クロム鋼が約１１ないし２０％の
クロムを含む請求項１１の形成法。
【請求項１３】前記粉末が、約０ないし５．０％のス
テアリン酸塩／ろうＬＶ６を含む請求項９形成法。
【請求項１４】前記加圧段階が、圧力を約４０ｔ／ｉ
ｎ²にする請求項９形成法。
【請求項１５】前記焼結段階が、温度を約４時間にわ
たり約２１００°Ｆにする請求項１４の形成法。
【請求項１６】機械加工作業により前記ピストンリン
グをその最終形状にトリミング加工する請求項１５の形
成法。
【請求項１７】前記窒化する段階が、ガス、イオン及
び塩による窒化工程のうちの１種類の窒化工程を使う請
求項１６の形成法。
【請求項１８】前記硬い表面層が約０．００３インチ
の深さを持つ請求項１７の形成法。