JPH10213003A - ピストンリングとシリンダライナの組合せ構造 - Google Patents

ピストンリングとシリンダライナの組合せ構造

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JPH10213003A
JPH10213003A JP1402597A JP1402597A JPH10213003A JP H10213003 A JPH10213003 A JP H10213003A JP 1402597 A JP1402597 A JP 1402597A JP 1402597 A JP1402597 A JP 1402597A JP H10213003 A JPH10213003 A JP H10213003A
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JP
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cylinder liner
piston ring
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nitrided
weight
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JP1402597A
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English (en)
Inventor
Nobuyuki Yamashita
信行 山下
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Teikoku Piston Ring Co Ltd
Original Assignee
Teikoku Piston Ring Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 船舶、自動車等およびその他の内燃機関に使
用される耐摩耗性、耐焼付き性に優れたシリンダライナ
とピストンリングの組合せ構造を提供する。 【解決手段】 内燃機関に用いるピストンリングとシリ
ンダライナにおいて、外周面に硬質セラミックス被覆ま
たは複合クロムメッキの少なくとも1種を施した被覆層
を有するピストンリングと、重量%で、C:0.25〜
2.2%、およびCr,Mo,W,Vの少なくとも1種
以上を合計で0.6〜18重量%含有し、残部Feおよ
び不可避的不純物からなる鋼からなるシリンダライナ
と、かつ前記シリンダライナ内周表面に窒化処理により
表面から深さ30μm以上の層が硬度(Hv):400以
上の窒化層と、前記窒化処理後のホーニング加工により
前記窒化層の最表面のポーラス層を5μm以下としたシ
リンダライナとで構成されるピストンリングとシリンダ
ライナの組合せ構造。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、船舶、自動車等お
よびその他の内燃機関に使用されるピストンリングとシ
リンダライナの組合せ構造に関するもので、特にシリン
ダライナの薄肉軽量化が可能であり、耐摩耗性、耐焼付
き性に優れたピストンリングとシリンダライナの組合せ
構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年の内燃機関エンジンの高出力化に伴
いシリンダライナの強度向上および軽量化を目的として
従来のねずみ鋳鉄製シリンダライナに代わり鋼製シリン
ダライナが開発されているが、この鋼製シリンダライナ
は前述の鋳鉄製シリンダライナに比較して摺動特性が悪
いために鋳鉄製シリンダライナほど需要がないのが現状
である。この要求を満たすべく様々な提案がなされてい
る。実公昭54−29365号公報には、鋼製シリンダ
ライナの内周面に窒化処理を施して摺動特性を改善した
ものも提案されているが、最近の著しいエンジンの高出
力化には対応できるほど摺動特性が改善されていない。
また、特開平7−180608号公報および特開平7−
197850号公報においては、鋼製シリンダライナと
表面にPVD皮膜を形成したピストンリングとの組合せ
構造も提案されているが、依然として耐焼付き性に問題
があった。一方、ピストンリングの表面硬化処理法とし
てPVDまたはCVDによるCrN,TiNあるいはC
2 Nのような窒化物皮膜を形成する技術もあるが、自
己摩耗の低減には硬化的であるものの鋳鉄製のシリンダ
ライナを過剰に摩耗させてしまう等の問題点があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決するものでエンジンの高出力化に伴う過酷な使用
環境においても十分耐えられ、薄肉軽量化可能のシリン
ダライナを実現する優れたピストンリングとシリンダラ
イナの組合せ構造を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上記要求を満足
するものとしてシリンダライナの材質を改善するととも
にシリンダライナ内周表面に窒化層を形成し、更にピス
トンリング外周面に気相法(好ましくは、PVD,CV
D法)により硬質層または複合クロムメッキ層を形成す
るものであり、その要旨は以下のとおりである。 (1)内燃機関に用いるピストンリングとシリンダライ
ナにおいて、外周面に硬質セラミックス被覆または複合
クロムメッキの少なくとも1種を施した被覆層を有する
ピストンリングと、重量%で、C:0.25〜2.2
%、およびCr,Mo,W,Vの少なくとも1種以上を
合計で0.6〜18重量%含有し、残部Feおよび不可
避的不純物からなる鋼からなるシリンダライナと、かつ
前記シリンダライナ内周表面に窒化処理により表面から
深さ30μm以上の層が硬度(Hv):400以上の窒化
層であり、かつ前記窒化処理後のホーニング加工により
前記窒化層の最表面のポーラス層を5μm以下としたシ
リンダライナとで構成されるピストンリングとシリンダ
ライナの組合せ構造。 (2)前記ピストンリングの外周に3〜20wt%の酸素
が固溶したCrN皮膜で被覆した前記(1)記載のピス
トンリングとシリンダライナの組合せ構造。
【0005】
【発明の実施の形態】先ず、本発明の特徴の一つは外周
面を硬質セラミックス被覆または複合クロムメッキの少
なくとも1種を施した被覆層を有するピストンリングに
ある。前述の硬質セラミックス被覆は、例えばCrN,
Cr2 N,CrN−OあるいはTiN皮膜あるいはSi
3 4 粒子、複合Crメッキを施すことであり、これら
のセラミックス皮膜は気相法、好ましくは、PVD,C
VD法、最も好ましくはアークイオンプレーテイング法
により処理圧力:10mTorr 、バイアス:−30Vによ
って得られ、また、複合Crメッキは、浴温度:55℃
で正電、逆電の電流密度を周期的に付与することによっ
て得られる。硬質セラミックス被覆のなかでは、好まし
くは、酸素を3〜20wt%固溶したCrN皮膜であるこ
とが推奨される。この処理によってピストンリング表層
部においては、Hv硬度で1,200以上の高硬度を達成
することができる。
【0006】また、本発明においてはシリンダライナに
使用する材質とその表層部に特徴を有している。第一に
シリンダライナの材質であるが、化学成分として、重量
%で、C:0.25〜2.2%、およびCr,Mo,
W,Vの少なくとも1種以上を合計で0.6〜18重量
%含有する鋼製シリンダライナとすることにある。C:
0.25〜2.2%を含有する理由は、この範囲で塑性
加工と切削加工とを組合せて製造性が容易になる。0.
25%以下では必要とするシリンダライナの強度および
硬度が確保できず、また、2.2%以上では必要な強
度、硬度は確保できるが塑性加工性が低下し、割れが発
生するためにこの上限値とする。更に、必要な耐摩耗
性、耐焼付き性の付与および窒化処理後の窒化層が硬す
ぎて脆くなることがないという点からCr,Mo,W,
Vの少なくとも1種以上を0.6〜18wt%添加する。
更に、前記シリンダライナ内周表面に窒化処理により表
面から深さ30μm以上の層が硬度(Hv):400以上
の窒化層であり、かつ前記窒化処理後のホーニング加工
により前記窒化層の最表面のポーラス層を5μm以下と
したシリンダライナとする。
【0007】窒化処理は、ガス窒化、タフトライド等の
方法を適用することができる。材質に応じて処理速度又
は時間を調整し、窒化層の硬さと深さを調整する。ガス
窒化処理の場合、反応性ガスとしてNH2 +N2 を使用
し、表2のような温度と時間で窒化処理を行う。本発明
は、前述したピストンリングとシリンダライナとで構成
される組合せ構造とする。このような構成とすることに
より、シリンダライナ全体に窒化層を形成しても使用中
に割れが発生することがなく、また、このような鋼製シ
リンダライナとすることで鋳鉄製のシリンダライナに比
較し引張強度および圧縮強度等の強度特性に優れ、薄
肉、軽量化のシリンダライナとすることが可能となる。
また、前述のようにシリンダライナ表面に窒化処理によ
り表面から深さ30μm以上の層が硬度(Hv):400
以上の窒化層を形成し、更にホーニング加工し窒化層の
最表面のポーラス層を5μm以下とすることで潤滑性能
を格段に向上させることが可能となる。
【0008】上述したピストンリングとシリンダライナ
とで構成される組合せにより、摺動部の焼付き特性の優
れたピストンリングとシリンダライナ組合せ構造とする
ことができる。
【0009】
【実施例】
<実施例1>表1に示すように成分調整した鋼製シリン
ダライナと比較のための鋳鉄シリンダライナを準備し、
表2に示す窒化処理条件で前記鋼製シリンダライナ表層
部に窒化層を形成した。また、比較のための焼入れ焼戻
しを行ったシリンダライナも準備した。
【0010】
【表1】
【0011】
【表2】
【0012】上記のシリンダライナから、長さ:70m
m、幅:17mmの試験片を切り出して焼付き試験の下試
片とした。次いで、直径:8mmφ、高さ:25mmの丸棒
の一端に18Rの球面加工を施し、CrN,Cr2 N,
CrN−O,TiNおよびSi3 4 、複合Crメッキ
を厚さ:TiNは5μm、その他は約50μmの硬質セ
ラミックス層ならびにメッキ層を前記球面上に形成し、
研摩仕上げしたものを焼付き試験および摩耗試験の上試
片とした。焼付き試験機は、往復動摩耗試験機を用い、
初期荷重20N、往復速度:0.2m/sec で、1分お
きに20Nづつ荷重し、焼付き発生時の荷重を焼付き荷
重値とした。摩耗試験は、往復動摩耗試験機を用い、荷
重49N、摺動速度:1m/sec の条件で、軽油相当の
潤滑油を使用した。
【0013】焼付き試験および摩耗試験用上試片(ピス
トンリング相当)の表面処理条件としては、アークイオ
ンプレーテイング装置を使用し、処理圧力:10mTorr
、バイアス:−30VでCrN,Cr2 N,CrN−
O,TiN皮膜を形成した。その時の各皮膜硬度は、C
rN:Hv=1,600,Cr2 N:Hv=1,600,C
rN−O:Hv=1,800,TiN:Hv=2,000で
あった。また、Si3 4 複合Crメッキ皮膜付与条件
は、メッキ浴組成として、CrO3 :250g/l,H
2 SO4 :2.5g/l,H2 SiF6 :5g/l,S
3 4 :適量とし、浴温度:55℃、電流密度(正電
時、逆電時とも)50A/dm2 、メッキ1周期は、正
電:600sec 、逆電:60sec とした。試験結果を表
3に示す。
【0014】
【表3】
【0015】表3から分かるように、本発明のピストン
リング材とシリンダライナを組合せた場合では、実施例
1〜6は、比較材1〜10に比べて約1.5倍以上の焼
付き荷重値を示し、本発明においては耐焼付き性が優れ
ていることが容易に分かる。また、比較材1〜6は、従
来の鋼製シリンダライナとPVD皮膜を形成したピスト
ンリング材の組合せに相当しており本発明の優位性が理
解できる。さらに、耐摩耗性についても本発明は優れて
いることが分かる。
【0016】
【発明の効果】以上述べたように、本発明による鋼製シ
リンダライナとPVDあるいは複合Crメッキ処理した
ピストンリングとの組合せ構造は、優れた耐摩耗性およ
び耐焼付き性を有しているため、本発明においてはシリ
ンダライナを従来よりも薄肉・軽量化を図れ、シリンダ
ライナとピストンリングの組合せが十分可能になる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F16J 10/04 F16J 10/04

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関に用いるピストンリングとシリ
    ンダライナにおいて、外周面に硬質セラミックス被覆ま
    たは複合クロムメッキの少なくとも1種を施した被覆層
    を有するピストンリングと、重量%で、C:0.25〜
    2.2%、およびCr,Mo,W,Vの少なくとも1種
    以上を合計で0.6〜18重量%含有し、残部Feおよ
    び不可避的不純物からなる鋼からなるシリンダライナ
    と、かつ前記シリンダライナ内周表面に窒化処理により
    表面から深さ30μm以上の層が硬度(Hv):400以
    上の窒化層であり、かつ前記窒化処理後のホーニング加
    工により前記窒化層の最表面に5μm以下のポーラス層
    を有するシリンダライナとで構成されることを特徴とす
    るピストンリングとシリンダライナの組合せ構造。
  2. 【請求項2】 前記ピストンリングの外周に3〜20wt
    %の酸素が固溶したCrN皮膜で被覆したことを特徴と
    する請求項1記載のピストンリングとシリンダライナの
    組合せ構造。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19940022C2 (de) * 1998-08-31 2003-06-12 Nippon Piston Ring Co Ltd Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung
JP2012521488A (ja) * 2009-03-26 2012-09-13 フェデラル−モーグル ブルシェイド ゲーエムベーハー ピストンリングとシリンダーライナの製造用窒化可能な鋼組成物
US20160084379A1 (en) * 2013-05-09 2016-03-24 Mahle Metal Leve S/A Running set, piston bushing and engine block

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012521488A (ja) * 2009-03-26 2012-09-13 フェデラル−モーグル ブルシェイド ゲーエムベーハー ピストンリングとシリンダーライナの製造用窒化可能な鋼組成物
US20160084379A1 (en) * 2013-05-09 2016-03-24 Mahle Metal Leve S/A Running set, piston bushing and engine block
US10006545B2 (en) * 2013-05-09 2018-06-26 Mahle International Gmbh Running set, piston bushing and engine block

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