JPH1030726A

JPH1030726A - ピストンリングおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH1030726A
Application number: JP18927196A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inoue; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1998-02-03

Abstract

(57)【要約】【課題】従来材に増して耐摩耗性および耐焼付性に優
れたピストンリングを提供する。【解決手段】少なくともリングの摺動面部が窒化物を
主体とする化合物層からなり、かつ全窒化層の深さ：Ａ
およびリングの厚み：Ｂに対してリング上下面からそれ
ぞれＡ以上１／３Ｂ未満の部位：Ｄが、主として窒素拡
散層であるピストンリングであり、前記リングの摺動面
部は、酸化物、硫化物の１種または２種、および窒化物
を主体とする複合化合物層とすることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に用いら
れるピストンリングに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジン用スチール製ピストンリ
ングのうち、特に苛酷な使用条件が要求されるものに対
しては、耐焼付性および耐摩耗性を向上させるため、シ
リンダーと摺動するリング外周部に硬質Ｃｒメッキや、
硬質粒子を含む複合メッキを施したものが用いられてき
た。しかし、これらのメッキを施したものは、メッキ処
理時に発生する廃液に関する諸問題（例えば自然環境へ
の影響、廃液処理コスト等）、また使用時にメッキ部が
何等かの原因によって剥離した際にリング材がむき出し
となり、即座にシリンダーと容易に焼付を起こしてしま
う欠点があった。そこで近年では、比較的処理コストが
安価で環境への影響度も小さく、また拡散を利用とした
処理であるため処理層の剥離の恐れの無い窒化処理が、
処理の行いやすい高Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼
との併用で、ピストンリングとして広く用いられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記窒化処
理を施したピストンリングは、処理時に形成される窒化
物を主体とする化合物層が非常に脆いことから、使用中
にシリンダ内壁と摺動するリング外周面のコーナーエッ
ジ部において、化合物層の欠けや剥離が生じ易く、この
脱落物がシリンダーとリングの摺動面に噛み込むことに
よって、早期に焼付や掻き傷が発生する問題があった。
そのため、現在では、リングを窒化処理した後に化合物
層を除去する目的で、摺動面を１０〜３０μｍ程度研磨
仕上げ等を行っているのが現状である。その結果リング
摺動面は、窒素拡散層と呼ばれるマルテンサイト系ステ
ンレス鋼基地中に、窒化処理で形成された微細な炭窒化
物の他、本来マルテンサイト系ステンレス鋼基地中に存
在しているＣｒ系の炭化物を主体とする炭化物などが存
在する硬さ７００ＨＶ以上の硬化層によって構成されて
いる。

【０００４】この状態で使用されるピストンリングは、
摺動面全体が硬質Ｃｒで覆われているＣｒメッキを施し
たリングと比較すると、耐摩耗性については、硬い窒素
拡散層と炭化物等の存在によって非常に良好であるもの
の、耐焼付性については同等ないし、使用条件によって
は、やや劣るという問題があった。このような背景か
ら、安価に製造できる窒化処理を施したピストンリング
に関しては耐焼付性の向上が重要な解決課題の一つであ
る。本発明の目的は、これら上記の問題を解消する新規
な考え方に基づき、従来材に増して耐摩耗性および耐焼
付性に優れたピストンリングを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従来より用いられてきた
Ｃｒメッキ法や、特公平１−５２７４１号に代表され
る、ＰＶＤによってリング摺動面をシリンダー材と濡れ
性の悪い硬質被膜で被覆する技術は、耐焼付性を向上さ
せることが知られている。このメカニズムは、シリンダ
ーとピストンリングの界面を、金属との濡れ性の悪い硬
質被膜で遮断することによって、微小な凝着現象を抑制
し、結果的に両部材間の摩擦係数を低下させているため
と考えられている。本発明は、摺動面に窒化処理によっ
て形成される窒化物を主体とする表面部の化合物層が耐
焼付性に対して、極めて有効であることに着目し、これ
を積極的に利用しようとするところに特徴がある。前述
したように、従来の窒化処理ではピストンリングの摺動
部に形成される表面部の窒化物を主体とする化合物層
は、非常に脆いという理由から窒化処理を施した後に摺
動面を１０〜３０μｍ程度研磨仕上げを行なって除去さ
れていたものである。

【０００６】そこで発明者は、上記の窒化処理を施した
ピストンリングの表面部の化合物層の欠けや剥離の原因
について詳細に検討した。その結果、窒化処理後の平面
部の表面には、図３に示すように窒化物を主体とする化
合物層である白層（白色層とも呼ばれる）が、また窒素
拡散層中には扁平状の窒化物を主体とする化合物（「か
もめマーク」とも呼ばれる）が形成されていることが観
察された。一方、リングのコーナー部では、図２に示す
ように表面には白層が、また窒素拡散層中には、扁平状
の窒化物が複雑に絡み合った網目状の粒界脆化物として
異常な状態で形成されているのが観察された。通常、窒
化処理後の平面部に形成される窒化物を主体とする扁平
状の化合物は、図３に示すように処理面に対して平行に
現われるもので、ピストンリングとし使用しても直接化
合物層の欠けや剥離には関与しない正常な状態であるこ
とがわかった。

【０００７】この扁平状の化合物は、窒素の浸入により
処理表面が、比較的自由度の高い処理面に対して垂直な
方向に膨張するためと考えられている。そのため、コー
ナー部においては、両処理面から窒化が進行することか
ら、平面部と比較して過度の窒素が浸入し、また、窒素
の浸入による処理面の膨張が、二方向に生じた結果、図
２に示すように粒界脆化物が網目状に異常形成したもの
と考えられる。さらに詳細な調査をした結果、このコー
ナー部に観察される網目状の異常な粒界脆化物は、処理
層の欠けや剥離の起点となる頻度が極めて高いことを知
見した。したがって、このコーナー部に形成される網目
状の異常な粒界脆化物をなくし、しかも摺動面のリング
厚み方向の一部に窒素拡散層を設けることで、ピストン
リング周面に形成された白層を積極的に利用することが
可能であり、耐焼付性が大幅に改善することができるこ
とを新たに見出したものである。

【０００８】すなわち、本発明のうち第１発明は、シリ
ンダ内壁と摺動するピストンリングであって、少なくと
もリングの摺動面が窒化物を主体とする化合物層からな
り、全窒化層の深さ：Ａおよびかつリングの厚み：Ｂに
対してリング上下面からそれぞれＡ以上１／３Ｂ未満の
部位：Ｄが、主として窒素拡散層であることを特徴とす
るピストンリングであり、第２発明は、シリンダ内壁と
摺動するピストンリングであって、少なくともリングの
摺動面部が酸化物、硫化物の１種または２種、および窒
化物を主体とする複合化合物層からなり、かつ全窒化層
の深さ：Ａおよびリングの厚み：Ｂに対してリング上下
面からそれぞれＡ以上１／３Ｂ未満の部位：Ｄが、主と
して窒素拡散層であることを特徴とするピストンリング
である。

【０００９】また第３発明は、断面が矩形状の平線を縁
面が内外周面とするごとくリング成形するピストンリン
グの製造方法であって、リング外周面にリングの厚み：
Ｂ方向へ凹部を設けたリングを少なくとも窒化物を主体
とする化合物層を形成させる表面処理を施し、その後、
リング外周面の凸部を除去することを特徴とするピスト
ンリングの製造方法であり、第４発明は、断面が矩形状
の平線を縁面が内外周面とするごとくリング成形するピ
ストンリングの製造方法であって、リング外周面にリン
グの厚み：Ｂ方向へ凹部を設けたリングを少なくとも窒
化物を主体とする化合物層を形成させる表面処理を施
し、その後、リング外周面の凸部を除去し、さらに外周
面の縁部を面取り、またはＲ加工することを特徴とする
ピストンリングの製造方法である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明のピストンリングお
よびその製造方法について詳細に説明する。図１は、本
発明のピストンリング断面の一例を示したものである。
１はシリンダとの摺動面となるピストンリングの外周面
上に形成される窒化物を主体とする化合物層、または窒
化物を主体とする化合物層と、さらに酸化物、硫化物の
１種または２種を主体とする複合化合物層、２は窒素拡
散層である。また図中のＤは、主として窒素拡散層から
なる領域である。通常の使用条件下においては、１の領
域は窒化物を主体とする化合物層の存在だけで十分であ
るが、より苛酷な使用条件下では前記窒化物主体の化合
物層に、さらに初期のなじみ性や潤滑性の高い酸化物、
硫化物を主体とする化合物層を組み合わせた複合化合物
層を形成させることが望ましい。

【００１１】このようにピストンリングの外周部の厚み
の中央部に設ける窒化物を主体とする化合物層の長さ
は、リングの厚み：Ｂに対して１／３以上であれば、耐
焼付性の問題は解消され、耐摩耗性の問題もない。ま
た、摺動面コーナー部近傍には、前述した粒界脆化物が
網目状に異常形成した部分を存在させないことが重要で
ある。さらに本発明のピストンリングの外周面には、脆
い化合物層を使用中の衝撃から保護する目的で、リング
上下面からそれぞれ全窒化層の深さ：Ａ以上、かつリン
グの厚み：Ｂの１／３未満の範囲が主として窒素拡散層
とすることが必要である。そのためには、例えば図４な
いし図６に示すように、リング外周面にリングの厚み：
Ｂ方向へ凹部を設けたリングを窒化処理すれば、図７に
示すようにリング全面に窒化物を主体とする化合物層
（白層）および窒素拡散層が得られる。次いで粒界脆化
物が網目状に異常形成された凸部を研磨等の手段により
除去すれば、ピストンリング外周面は図１に示すような
構造にすることができる。

【００１２】ところで、図１において形成されるピスト
ンリング上下面部の全窒化層には、粒界脆化物が網目状
に形成された部分が除去されているので、使用中にコー
ナー部の窒化物を主体とする化合物層や窒素拡散層が欠
けたり剥離することはない。このようにしてえられたピ
ストンリングの外周面は、リングの厚み：Ｂの中央部に
１／３Ｂ以上の長さの窒化物を主体とする化合物層を存
在させることによって、使用時の耐焼付性を付与させる
と共に、リングの上下面からそれぞれ全窒化層の深さ：
Ａ以上、リングの厚み：Ｂの１／３未満の領域には、主
として正常な窒素拡散層を存在させることにより、粒界
脆化物が網目状に異常形成された部分がなく、しかも耐
摩耗性を維持することができる。

【００１３】ピストンリング外周面に存在させる主とし
て窒素拡散層の領域は、リングの上下面からそれぞれ全
窒化層の深さ：Ａ未満の場合には脆い窒化物を主体とす
る化合物層を使用中の衝撃から保護できなくなるため、
またリングの厚み：Ｂの１／３以上の場合には、窒化物
を主体とする化合物層の長さが不足して耐焼付性が維持
できなくなるため、リング上下面からそれぞれＡ以上１
／３Ｂ未満とする。なお、ピストンリングを上下のよう
に窒化処理を施した後に、ピストンリングの上下面部の
窒化物を主体とする化合物層を研磨等により除去しても
よく、また図８に示すように外周部の縁部を面取り、ま
たはＲ加工してもよい。このように、従来から実施され
ているリング摺動面全体の研磨加工が不要となることか
ら、リング摺動面とシリンダー内壁との初期のなじみ性
を向上させる目的で実施される酸化物、硫化物等の表面
処理を併用する複合層の利用が可能となり、ピストンリ
ングの特性をより大幅に改善することも可能となった。

【００１４】

【実施例】次に本発明の効果を実施例により説明する。（実施例１）０．６５Ｃ−０．４Ｓｉ−０．４Ｍｎ−１
３Ｃｒ−０．３Ｍｏ−０．０５Ｖ−Ｆｅからなるマルテ
ンサイト系ステンレス鋼（以下、０．６５Ｃ−１３Ｃｒ
鋼という）を溶製して造塊し、熱間圧延した後、冷間加
工と焼なましを繰り返して断面の厚さが５ｍｍの矩形状
の平線に仕上げた。続いて、焼入れ焼戻しにより硬さを
４３ＨＲＣに調整した。次いでこの平線を矩形断面の一
方の縁面が厚み方向へ凹部となるように砥石で研削加工
した。この研削加工時に凹部の谷底幅、すなわち平面上
下側の凸部の厚みを表１に示すように変化させた。続い
て、各供試材を表１に示す表面処理を施した。

【００１５】このうち、Ｎｏ．１，７，１０，１３，１
４，２３，２４，２６は５５０℃、１０時間のガス窒化
処理を、Ｎｏ．３，４，９，１６，２１は５６０℃、１
０時間の酸窒化処理を、Ｎｏ．２，６，８，１２，１
７，２５，２７は５５０℃、１０時間のガス浸硫酸窒化
を、またＮｏ．５，１１，１５，２２は５６０℃、１５
時間のガス浸硫酸窒化をそれぞれ実施した。その後、各
供試材は、機械研磨によって凸部を除去した。この時の
各供試材の全窒化深さ：Ａは、いずれも約０．２０ｍｍ
であった。ただし、比較品のリングＮｏ．２６について
は、窒化処理前の摺動部には凸部を設けなかった。

【００１６】

【表１】

【００１７】表２に従来品の詳細を示す。従来品は、同
素材の０．６５Ｃ−１３Ｃｒを含有するマルテンサイト
系ステンレス鋼を、平坦な摺動面を有す所定の形状に加
工した後、本発明品と同様の焼入れ焼戻しを行い硬さ４
３ＨＲＣに調整した。その後、５５０℃、１０時間のガ
ス窒化処理した後、通常のピストンリングと同様に最表
面を１５μｍ研磨したもの（リングＮｏ．３１）と、リ
ング素材にＪＩＳＳＷＯＳＣ−Ｖに相当するＳｉ−Ｃ
ｒ鋼に、Ｃｒメッキ処理を施したもの（リングＮｏ．３
２）、同Ｓｉ−Ｃｒ鋼にＭｏ溶射を施したもの（リング
Ｎｏ．３３）を用意した。

【００１８】

【表２】

【００１９】上記の各供試材について、焼付き試験なら
びに摩耗試験を行い評価した。焼付き試験については以
下に示す条件にて、超高圧摩擦摩耗試験機を用いて試験
を行い、摩擦力が異常に増大した時を、ロードセルによ
って検出し焼付き荷重として評価した。なお、試験片部
の略図を図９、図１０に示す。摩擦速度・・・・８m/s 摩擦面圧力・・・初期圧２０kg/cm2，３分毎に１０kg/c
m2づつ上昇潤滑油・・・・・モーターオイル＃３０，温度８０℃，
ステーターホルダー中心より４００ml/min注油焼付き検出・・・ロードセルおよび動歪計にて検出相手材・・・・・ＪＩＳねずみ鋳鉄４種（ＦＣ２５）

【００２０】また、摩耗試験については、焼付試験と同
試験機にて下記の条件で試験を行い、試験片の摩耗量を
測定した。摩擦速度・・・・３m/s 摩擦面圧力・・・８０kg/cm2 潤滑油・・・・・モーターオイル＃３０，温度８０℃，
ステーターホルダー中心より４００ml/min注油摩擦距離・・・・５０km 相手材・・・・・ＪＩＳねずみ鋳鉄４種（ＦＣ２５）

【００２１】各供試材のうち、本発明品については、い
ずれも従来品と比較して、焼付発生面圧ならびに耐摩耗
量が極めて高いことがわかる。また、本発明品におい
て、最表面の化合物が、窒化物、酸化物および硫化物の
いずれかと複合層を形成し、リング摺動面に化合物層が
存在していない部位：Ｄが比較的狭いもの（供試材Ｎ
ｏ．３，５，１２，１６，１７）は、他の発明品と比
べ、焼付発生面圧が若干高い値を示している。これは、
酸化物ならびに硫化物層による耐焼付性向上効果である
と考えられる。

【００２２】比較品は本発明の限定範囲を外れるもので
あるが、リングＮｏ．２１，２２，２３，２５のよう
に、窒化処理前のリング摺動面に設けた凸部の厚みが小
さいと、焼付発生面圧は極端に低下する。これは前述し
たように、窒化処理によって生じる異常な粒界脆化物の
析出の影響が、その後の研磨によっても除去されないこ
とから、焼付試験中に化合物層の脱落が生じ、相手材と
試験片の摺動面にかみ込まれたためと考えられる。リン
グＮｏ．２６のように、窒化処理前、試験片摺動面に凸
部を設けなかったものについても同様に、試験片コーナ
ー部において化合物層の脱落が生じたために、焼付発生
面圧が極端に低下したものと考えられる。また、比較品
であるリングＮｏ．２４，２７のように、化合物層の存
在しない摺動面：Ｄが、本発明の請求範囲であるリング
摺動面の厚み：Ｂに対して１／３Ｂを越えると、焼付発
生面圧については大幅な低下は認められないが、耐摩耗
性が大幅に低下する。

【００２３】

【表３】

【００２４】（実施例２）次に０．６５Ｃ−８Ｃｒを含
有するマルテンサイト系ステンレス鋼、０．８５Ｃ−１
７Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼、ＳＫ
Ｄ６１，ＳＷＯＳＣ−Ｖ（０．５５Ｃ−１．４Ｓｉ−
０．５５Ｍｎ−０．７５Ｃｒ−Ｆｅ）で断面の厚さが５
の矩形状平線を作成し、熱処理によって、それぞれ通常
ピストンリング材として用いられる硬さである、０．６
５Ｃ−８Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス
鋼、０．８５Ｃ−１７Ｃｒを含有するマルテンサイト系
ステンレス鋼、ＳＫＤ６１については４３ＨＲＣ、ＳＷ
ＯＳＣ−Ｖについては５０ＨＲＣに調整した。次いで、
これら平線を矩形断面の一方の縁面が厚み方向へ凹部と
なるように砥石で研削加工した。この時に、凹部の谷底
幅、すなわち平面上下側の凸部の厚みを表４に示すよう
にした。

【００２５】この後、供試材Ｎｏ．３，５，９，１３，
１４，２２，２４，２６，２７，３１については、５５
０℃のガス窒化処理、供試材Ｎｏ．１，８，１１，１
２，１６，２１，２８については５６０℃の酸窒化処
理、供試材Ｎｏ．２，４，１０，１７，２５，２９，３
２については５５０℃のガス浸硫窒化処理、供試材Ｎ
ｏ．６，７，１５，２３，３０については５６０℃のガ
ス浸硫窒化処理を施した。この時、各処理の処理時間
は、いずれのリングも全窒化深さが０．２ｍｍになるよ
うに、各素材毎で任意に設定し処理を行なった。各窒化
処理後は、上記凸部を研削加工により除去し供試材とし
た。ただし、比較品のリングＮｏ．２３，２５，２８に
ついては、窒化処理前の断面形状に凸部を設けなかっ
た。

【００２６】

【表４】

【００２７】以上の供試材について、実施例１と同条件
で、焼付き試験ならびに摩耗試験を行ない評価した。供
試材のうち、本発明品については、いずれも比較品と比
べ、焼付発生面圧ならびに耐摩耗性が高く、リングの素
材にかかわらず、ピストンリングとして極めて高い特性
を示す。また、実施例１と同様に本発明品の中でも最表
面の化合物が、窒化物、酸化物もしくは硫化物と複合層
を形成し、リング摺動面に化合物層が存在していない部
位：Ｄが比較的狭いもの（供試材Ｎｏ．１，４，１５，
１６，１７）は、他の発明品と比べ、焼付き発生面圧が
若干高くなることがわかる。このことから、本発明はリ
ングの素材にかかわらず、焼付き発生面圧ならびに耐摩
耗性を向上させ、ピストンリングとして極めて高い特性
を得ることができる。

【００２８】

【表５】

【００２９】

【発明の効果】本発明剤は、従来材と比較して、耐焼付
性および耐摩耗性が一段と高く、ピストンリングとして
極めて好適な特性を示す。また、Ｃｒメッキのように、
廃液処理等の問題が無いことから、圧縮リングのトータ
ルコストを十分に低減できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピストンリング断面の一例を示した模
式図である。

【図２】窒化処理後のリングコーナー部の窒素拡散層中
に観察される網目状の異常な粒界脆化物を示す模式図で
ある。

【図３】窒化処理後のリング摺動面平坦部の窒素拡散層
中に観察される正常な粒界脆化物を示す模式図である。

【図４】窒化処理前のリング断面形状の一例を示した模
式図である。

【図５】窒化処理前のリング断面形状の一例を示した模
式図である。

【図６】窒化処理前のリング断面形状の一例を示した模
式図である。

【図７】窒化処理前を施した後のリング断面の一例を示
した模式図である。

【図８】本発明のピストンリング断面の一例を示した模
式図である。

【図９】超高圧摩擦摩耗試験機の試験部の断面図であ
る。

【図１０】図９のＣ−Ｃ矢視断面図である。

【符号の説明】

１：窒化物を主体とする化合物層（白層），２：窒素拡
散層，３：窒化処理後機械研磨等によって除去される凸
部，４：凸部の厚み，６：試験片（5mm×10L），７：円
板（相手材・・・ＦＣ２５），８：ステータホルダー，
９：ロータ，１０：試験片保持具，１１：潤滑油注入
口，１２：ロードセル，１３：動歪計，Ａ：全窒化層の
深さ，Ｂ：リングの厚み，Ｄ：主として窒素拡散層から
なる領域，Ｐ：摩擦力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内壁と摺動するピストンリング
であって、少なくともリングの摺動面が窒化物を主体と
する化合物層からなり、かつ全窒化層の深さ：Ａおよび
リングの厚み：Ｂに対してリング上下面からそれぞれＡ
以上１／３Ｂ未満の部位：Ｄが、主として窒素拡散層で
あることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】シリンダ内壁と摺動するピストンリング
であって、少なくともリングの摺動面部が酸化物、硫化
物の１種または２種、および窒化物を主体とする複合化
合物層からなり、かつ全窒化層の深さ：Ａおよびリング
の厚み：Ｂに対してリング上下面からそれぞれＡ以上１
／３Ｂ未満の部位：Ｄが、主として窒素拡散層であるこ
とを特徴とするピストンリング。
【請求項３】断面が矩形状の平線を縁面が内外周面と
するごとくリング成形するピストンリングの製造方法で
あって、リング外周面にリングの厚み：Ｂ方向へ凹部を
設けたリングを少なくとも窒化物を主体とする化合物層
を形成させる表面処理を施し、その後、リング外周面の
凸部を除去することを特徴とするピストンリングの製造
方法。
【請求項４】断面が矩形状の平線を縁面が内外周面と
するごとくリング成形するピストンリングの製造方法で
あって、リング外周面にリングの厚み：Ｂ方向へ凹部を
設けたリングを少なくとも窒化物を主体とする化合物層
を形成させる表面処理を施し、その後、リング外周面の
凸部を除去し、さらに外周面の縁部を面取り、またはＲ
加工することを特徴とするピストンリングの製造方法。