JPH0960726A

JPH0960726A - ピストンリングの組合せ

Info

Publication number: JPH0960726A
Application number: JP23766895A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Naruse; 芳夫成瀬; Tooru Hadano; 徹硲野
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1997-03-04

Abstract

(57)【要約】【課題】第１圧力リングと第２圧力リングの摩耗速度
を同等にすることによって、機関の長期使用後の潤滑油
消費性能の劣化を抑えるとともに、第１圧力リングの耐
スカッフ性、耐クラック性を良好なものとする。【解決手段】第１圧力リング６は重量比で、Ｃ０．４
〜１．２％、Ｃｒ１５〜２３％を含むマルテンサイト系
ステンレス鋼からなり、全表面に窒化層９を形成する。
外周面における窒化層９の表面硬度はＨＶ１０５０以下
である。第２圧力リング７は重量比で、Ｃ０．４〜１．
２％、Ｃｒ５〜１１％を含むマルテンサイト系ステンレ
ス鋼からなり、全表面に窒化層１０を形成する。外周面
における窒化層１０の表面硬度はＨＶ１０４０以上であ
る。そして第１圧力リング６と第２圧力リング７の外周
面における窒化層９，１０の表面硬度差はＨＶ３００以
下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用ピスト
ンリングの組合せに関し、特に耐久性を必要とするディ
ーゼルエンジンに適した第１圧力リングと第２圧力リン
グの組合せに関する。

【０００２】

【従来の技術】耐久性を必要とするディーゼルエンジン
の第１圧力リングと第２圧力リングの組合せとして、従
来は、１．第１圧力リング：１１〜２３％のＣｒを含有する
マルテンサイト系ステンレス鋼からなり、窒化処理を施
したもの。第２圧力リング：鋳鉄あるいは鋳鋼からなり、Ｃｒめっ
きを施したもの。２．第１圧力リング、第２圧力リング共にＣｒめっき
を施したもの。が使用され、さらに最近、３．第１圧力リング：高Ｃｒマルテンサイト系ステン
レス鋼製の高硬度の窒化リング。第２圧力リング：低Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼
製の低硬度の窒化リング。が提案されている（特開平５
−２４８５４０号参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記１および２におけ
るピストンリングの組合せの場合、第１圧力リングの摩
耗に比べて、第２圧力リングの摩耗が少ない傾向があ
る。このため、上記１では、機関寿命の後期において潤
滑油消費性能の劣化が起きる。また、上記２では、機関
寿命の中・後期において潤滑油消費性能の劣化およびブ
ローバイガス排出量の増加が起きる。これらを抑制する
ために、古くは第２圧力リングの外周面に耐摩耗性表面
処理を施さないものを使用したり、第２圧力リングの合
口隙間を第１圧力リングの合口隙間より大きくすること
が行われていた。しかし、前者は耐久性が充分でなく、
後者はブローバイが大きい欠点があった。

【０００４】さらに上記３のピストンリングの組合せの
場合、第２圧力リングのＣｒ量が少なく、かつ窒化層の
硬度が低いので、第２圧力リングの摩耗量が第１圧力リ
ングの摩耗量に比べて大きくなる。これにより、第２圧
力リングの合口隙間が増大する機関寿命の後期におい
て、急激に潤滑油消費性能の劣化、ブローバイガス排出
量の増加が起きる。

【０００５】本発明の課題は、次の通りである。・第１圧力リングと第２圧力リングのバランスのとれた
耐摩耗性の実現を図り、これにより機関の長期使用後の
潤滑油消費性能の劣化を抑える。・第１圧力リングの耐スカッフ性、耐クラック性を良好
なものにする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１圧力リン
グと第２圧力リングの成分比率および硬さを選定するこ
とによって、両リングの摩耗速度が同等になるように
し、かつ第１圧力リングの耐スカッフ性、耐クラック性
を良好なものとする。

【０００７】すなわち、本発明の第１圧力リングおよび
第２圧力リングはマルテンサイト鋼から形成されてお
り、その主な成分比率（重量比）は次の通りである。第１圧力リング：Ｃ０．４０〜１．２％Ｃｒ１５．０〜２３．０％第２圧力リング：Ｃ０．４０〜１．２％Ｃｒ５．０〜１１．０％

【０００８】そして本発明の第１圧力リングおよび第２
圧力リングは外周面に窒化層が形成されており、その表
面硬度は次の通りである。第１圧力リング：ＨＶ１０５０以下（ＨＶはビッカース
硬さ。以下同じ。）第２圧力リング：ＨＶ１０４０以上両リングの表面硬度差：ＨＶ３００以下

【０００９】第１圧力リングおよび第２圧力リングのＣ
含有量が０．４％未満では、Ｃｒ炭化物の生成量が少な
いので耐摩耗性が充分でなく、また耐スカッフ性が低下
する。また、Ｃ含有量が１．２％を越えると、鋼線材の
製造が困難になる。なお、両リングのＣ含有量は下限が
０．６％、上限は１．０％がより好ましい。

【００１０】第１圧力リングを、Ｃｒ含有量が１５％未
満のマルテンサイト鋼とすると、窒化処理によって目的
とする耐摩耗性が得られない。また、Ｃｒ含有量が２３
％を越えるマルテンサイト鋼とすると、リング素材とす
る線材の製造が困難になる。なお、Ｃｒ含有量は下限が
１７％、上限は２１％がより好ましい。

【００１１】第２圧力リングを、Ｃｒ含有量が５％未満
のマルテンサイト鋼とすると、窒化処理によって第１圧
力リングと同等の耐摩耗性が得られない。また、Ｃｒ含
有量が１１％を越えるマルテンサイト鋼とすると、耐摩
耗性は良いものの、硬さ調整によって摩耗速度を第１圧
力リングと同等にすることが困難となり、第１圧力リン
グと同等の耐摩耗性が得られない。なお、Ｃｒ含有量は
下限が７％、上限は９％がより好ましい。

【００１２】第１圧力リングの外周面の窒化層の表面硬
度がＨＶ１０５０を越えると、窒化層の耐スカッフ性お
よび耐クラック性が低下する。

【００１３】第２圧力リングの外周面の窒化層の表面硬
度がＨＶ１０４０未満であると、第１圧力リングの摩耗
に比べて、第２圧力リングの摩耗が大きくなる。この場
合、第２圧力リングの合口隙間が潤滑油通路となって、
潤滑油消費性能が低下する。

【００１４】また、第１圧力リングと第２圧力リングの
外周面の窒化層の表面硬度差がＨＶ３００を越えると、
第２圧力リングの摩耗が第１圧力リングの摩耗に比べて
少なくなるので、機関寿命の中・後期において潤滑油消
費量の増加が起きる。これは、セカンドランド圧力の上
昇により、第１圧力リングの持ち上がり傾向が生じ、第
１圧力リングの下面とリング溝下面間のシール力が低下
したためと考えられる。

【００１５】窒化層はガス窒化、塩浴窒化、ガス軟窒
化、あるいはイオン窒化等の窒化処理によって形成する
ことができる。窒化層の厚さは５０〜１４０μｍの範囲
にするのが好ましい。なお、窒化層は白層等を除去し
て、窒素が拡散した拡散層が表面に露出するようにする
のがよい。

【００１６】前記した手段によれば、第１圧力リングと
第２圧力リングは長時間運転の中・後期における摩耗量
に大きな差を生じない。そのため、第１圧力リングと第
２圧力リングの各合口隙間を長時間の運転中、略等しく
保つことができる。その結果、機関寿命の中・後期にお
いて、潤滑油消費量の増加を抑えることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の一形態であ
るピストンリングの組合せを示し、シリンダのボア内に
ピストンが装着されている状態の縦断面図である。シリ
ンダ１のボア内にピストン２が挿入されており、ピスト
ン２の外周面に形成されているピストンリング溝３、
４、５に第１圧力リング６、第２圧力リング７、および
組合せオイルリング８がそれぞれ装着されている。

【００１８】第１圧力リング６は片面キーストン形のリ
ングであり、重量比で、Ｃ０．４〜１．２％、Ｃｒ１５
〜２３％を含むマルテンサイト系ステンレス鋼から形成
されている。そしてガス窒化処理が施されて第１圧力リ
ング６の全表面には窒化層９が７０〜１１０μｍの厚さ
で形成されている。窒化層９は窒素が拡散した拡散層が
表面に露出しており、外周面における表面硬度はＨＶ１
０５０以下である。

【００１９】第２圧力リング７はテーパフェース形のリ
ングであり、重量比で、Ｃ０．４〜１．２％、Ｃｒ５〜
１１％を含むマルテンサイト系ステンレス鋼から形成さ
れている。そしてガス窒化処理が施されて第２圧力リン
グ７の全表面には窒化層１０が５０〜９０μｍの厚さで
形成されている。窒化層１０は窒素が拡散した拡散層が
表面に露出しており、外周面における表面硬度はＨＶ１
０４０以上である。

【００２０】そして本発明においては、第１圧力リング
６と第２圧力リング７の外周面における窒化層９，１０
の表面硬度差はＨＶ３００以下とされている。

【００２１】組合せオイルリング８はコイルエキスパン
ダ１１付きのオイルリングである。断面略Ｉ字形のオイ
ルリング１２の材質はマルテンサイト系ステンレス鋼で
ある。そしてオイルリング１２はガス窒化処理が施され
て、全表面に窒化層１３が形成されている。窒化層１３
は窒素が拡散した拡散層が表面に露出している。

【００２２】以下、エンジン実験による耐クラック試
験、摩耗試験、潤滑油消費量試験によって、本発明の効
果を確認する。

【００２３】（１）第１圧力リングの耐クラック試験（供試エンジン）水冷４サイクル４気筒ボア径８６ｍｍ総排気量２
２００ｃｃターボチャージャー付きディーゼルエンジン

【００２４】（試験条件）４０００ｒｐｍ×全負荷×１８０Ｈｒ水温：１１０℃ 油温：１３５℃ 使用エンジンオイ
ル：＃１０

【００２５】（供試ピストンリング）１．ピストンリングの寸法：第１圧力リング：幅２．０ｍｍ×厚さ３．２ｍｍ第２圧力リング：幅２．０ｍｍ×厚さ３．４ｍｍオイルリング：幅３．０ｍｍ×厚さ２．４ｍｍ（コイルエキスパンダ付き）

【００２６】２．ピストンリングの化学成分：第１圧力
リング、第２圧力リング、およびオイルリングの材質は
マルテンサイト系ステンレス鋼であり、主な成分比率
（重量比）を表１に示す。

【００２７】

【００２８】３．ピストンリングの窒化処理条件および
外周面の表面硬さ：表２に示す。表面硬さはビッカース
硬さ（ＨＶ１．９６Ｎ）である。第１圧力リングにおい
て、ＨＶ１０５０以下のものは６００℃で窒化処理後、
熱処理を施し、硬さを調整した。

【００２９】

【００３０】（耐クラック試験結果）ベンチテストに供
試した第１圧力リングにおける外周面の表面硬さと、１
８０Ｈｒ運転後の第１圧力リングにおける外周面のクラ
ックの有無を表３、表４、および表５に示す。各表にお
いて表面硬さはビッカース硬さ（ＨＶ１．９６Ｎ）であ
る。

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】表３〜表５に示されているように、第１圧
力リングの外周面の表面硬さがＨＶ１０５０以下の範囲
では、クラックの発生は見られない。

【００３５】（２）摩耗試験（供試エンジン）耐クラック試験と同じ。

【００３６】（試験条件）４０００ｒｐｍ×全負荷×３００Ｈｒ水温：１１０℃ 油温：１３５℃ 使用エンジンオイ
ル：＃１０

【００３７】（供試ピストンリング）１．ピストンリングの寸法耐クラック試験と同じ。２．ピストンリングの化学成分耐クラック試験と同じ。３．ピストンリングの窒化処理条件および外周面の表面
硬さ表６に示す。表面硬さはビッカース硬さ（ＨＶ１．９６
Ｎ）である。第１圧力リングにおいて、ＨＶ１０５０以
下のものは６００℃で窒化処理後、熱処理を施し、硬さ
を調整した。

【００３８】

【００３９】（摩耗試験結果）ベンチテストに供試した
ピストンリングの外周面の表面硬さと、３００Ｈｒ運転
後のピストンリングの外周面の摩耗量（μｍ）を表７、
表８、表９、表１０、表１１、表１２、表１３、および
表１４に示す。各表において表面硬さはビッカース硬さ
（ＨＶ１．９６Ｎ）である。

【００４０】

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【００４５】

【００４６】

【００４７】（注）表１３および表１４において、＃２と＃４の第２圧力リングは窒化処理ではなく、硬質Ｃｒめっきを施したものである。

【００４８】図２に上記ピストンリングの摩耗量をグラ
フ表示したものを示し、図３に第１圧力リングと第２圧
力リングの硬度差と摩耗比の関係をグラフ表示したもの
を示す。

【００４９】図３に示されているように、第１圧力リン
グの硬度がＨＶ１０５０以下、第２圧力リングの硬度が
ＨＶ１０４０以上であり、第１圧力リングと第２圧力リ
ングとの硬度差がＨＶ３００以下の範囲で、摩耗比が１
の±２０％以内にあり、第１圧力リングと第２圧力リン
グの摩耗量に大きな差が生じない。

【００５０】（３）潤滑油消費量試験１（供試エンジン）摩耗試験と同じである。

【００５１】（試験条件）４２００ｒｐｍ×全負荷×１０００Ｈｒ水温：１１０℃ 油温：１３５℃ 使用エンジンオイ
ル：＃１０

【００５２】（供試ピストンリング）１．ピストンリングの寸法および化学成分：摩耗試験と
同じである。２．第１圧力リングと第２圧力リングの外周面の表面硬
さと硬度差：表１５に示す。窒化処理条件は前記摩耗試
験の場合と同じである。表面硬さはビッカース硬さ（Ｈ
Ｖ１．９６Ｎ）である。

【００５３】

【００５４】（潤滑油消費量試験結果）ベンチテストに
供試したピストンリングの１０００Ｈｒ運転後の外周面
の摩耗量（μｍ）を表１６に、摩耗量をグラフ表示した
ものを図４に示す。

【００５５】

【００５６】ベンチテストに供試したピストンリングの
最初の合口隙間（ｍｍ）を表１７に、１０００Ｈｒ運転
後の合口隙間（ｍｍ）を表１８にそれぞれ示す。

【００５７】

【００５８】

【００５９】ベンチテストに供試したピストンリングの
潤滑油消費量（ｇ／Ｈｒ）を表１９および表２０に示
す。

【００６０】

【００６１】

【００６２】上記表１９および表２０の結果をグラフ表
示したものを図５に示す。図５に示されているように、
第１圧力リングと第２圧力リングの硬度差がビッカース
硬さで約０（試料１）、約２００（試料２）、および約
３００（試料３）の場合は１０００Ｈｒ時点での潤滑油
消費量が低く維持されている。

【００６３】これに対して、硬度差がビッカース硬さで
約−１００（比較例１）および約４００（比較例２）の
場合は潤滑油消費量が約４５０Ｈｒあたりから次第に増
加している。

【００６４】（４）潤滑油消費量試験２（供試エンジン）潤滑油消費量試験１と同じ。

【００６５】（試験条件）４２００ｒｐｍ×４／４負荷水温：１１０℃ 油温：１３５℃ 使用エンジンオイ
ル：＃１０

【００６６】潤滑油消費量試験１を終えた比較例２のピ
ストンリングについて、第２圧力リングを合口隙間０．
６６ｍｍ（潤滑油消費量試験１を終えた第１圧力リング
の合口隙間と同じ寸法）のものに交換し、上記条件で潤
滑油消費量を試験した。

【００６７】その結果は、潤滑油消費量が４０ｇ／Ｈｒ
（初期の潤滑油消費量と略同じレベルである。）に低下
した。なお、第２圧力リング交換前の潤滑油消費量は表
２０に示されているとおり９７ｇ／Ｈｒであった。

【００６８】上記より、潤滑油消費量試験１における比
較例２の潤滑油消費量の増加は、第１圧力リングと第２
圧力リングの摩耗速度の相違によって、第１圧力リング
と第２圧力リングの合口隙間の大小関係が狂い、第１圧
力リングの合口隙間が第２圧力リングの合口隙間よりも
大きくなることにより、セカンドランド圧力が上昇する
ため、第１圧力リングの持ち上がり傾向が生じ、第１圧
力リングの下面とリング溝下面間のシール力が低下した
ためと考えられる。

【００６９】また、潤滑油消費量試験１における比較例
１の潤滑油消費量の増加は、第２圧力リングの合口隙間
が大きくなってオイル通路となり、オイルアップしたも
のと考えられる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように本発明のピストンリ
ングの組合せによれば、第１圧力リングの耐クラック
性、耐スカッフ性が優れるとともに、第１圧力リングと
第２圧力リングの摩耗速度を制御して内燃機関の寿命の
中・後期における潤滑油消費量の増加を抑えることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態であるピストンリングの
組合せを示し、シリンダのボア内にピストンが装着され
ている状態の縦断面図である。

【図２】摩耗試験における第１圧力リングと第２圧力リ
ングの外周面の摩耗量を示すグラフである。

【図３】摩耗試験における第１圧力リングと第２圧力リ
ングの外周面の硬度差と摩耗比の関係を示すグラフであ
る。

【図４】潤滑油消費量試験１における第１圧力リングと
第２圧力リングの外周面の摩耗量を示すグラフである。

【図５】潤滑油消費量試験１における運転時間と潤滑油
消費量の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１シリンダ２ピストン３，４，５ピストンリング溝６第１圧力リング７第２圧力リング８組合せオイルリング９，１０窒化層１１コイルエキスパンダ１２オイルリング１３窒化層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１圧力リングが重量比で、Ｃ：０．４０〜１．２％Ｃｒ：１５．０〜２３．０％を含むマルテンサイト鋼からなるとともに、外周面に表
面硬度がＨＶ１０５０以下の窒化層が形成され、第２圧
力リングが重量比で、Ｃ：０．４０〜１．２％Ｃｒ：５．０〜１１．０％を含むマルテンサイト鋼からなるとともに、外周面に表
面硬度がＨＶ１０４０以上の窒化層が形成され、前記両
リングの外周面における窒化層の表面硬度差がＨＶ３０
０以下であることを特徴とするピストンリングの組合
せ。
【請求項２】第１圧力リングおよび第２圧力リングが
マルテンサイト系ステンレス鋼から形成されていること
を特徴とする請求項１記載のピストンリングの組合せ。