JPH11294584A - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents
内燃機関用ピストンリングInfo
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- JPH11294584A JPH11294584A JP19121998A JP19121998A JPH11294584A JP H11294584 A JPH11294584 A JP H11294584A JP 19121998 A JP19121998 A JP 19121998A JP 19121998 A JP19121998 A JP 19121998A JP H11294584 A JPH11294584 A JP H11294584A
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- piston ring
- steel
- internal combustion
- combustion engine
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ピストンリング本体の外周摺動面に、Ｃｒと
Ｎを主成分とした窒化クロム組織でなる皮膜をイオンプ
レーティングで形成する際にピストンリング本体が熱ヘ
タリを起こさないようにする。 【解決手段】 Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：１．
８０〜２．５０％、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｃｒ：１
０．０〜１２．０％，Ｎｉ：０．６％以下、Ｍｏ：０．
７０〜１．３０％を含むか、あるいはＣ：０．４５〜
０．５５％、Ｓｉ：１．８０〜２．５０％、Ｍｎ：０．
６０％以下、Ｃｒ：７．５〜９．５０％，Ｎｉ：０．６
％以下を含むＣｒ系ステンレス鋼をピストンリングの本
体とする。
Ｎを主成分とした窒化クロム組織でなる皮膜をイオンプ
レーティングで形成する際にピストンリング本体が熱ヘ
タリを起こさないようにする。 【解決手段】 Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：１．
８０〜２．５０％、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｃｒ：１
０．０〜１２．０％，Ｎｉ：０．６％以下、Ｍｏ：０．
７０〜１．３０％を含むか、あるいはＣ：０．４５〜
０．５５％、Ｓｉ：１．８０〜２．５０％、Ｍｎ：０．
６０％以下、Ｃｒ：７．５〜９．５０％，Ｎｉ：０．６
％以下を含むＣｒ系ステンレス鋼をピストンリングの本
体とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用ピストン
リングに関する。
リングに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、内燃機関用ピストンリングは、鋳
鉄、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、マルテンサイト系の高クロムステレ
ンス鋼等の鋼材で作られており、これらの母材もしくは
本体の耐摩耗性、耐焼付性、耐凝着性、摩擦係数等の摺
動特性を改善するために、外周面に電気メッキによる硬
質クロムめっきを施し用いられてきた。しかしながら、
内燃機関の高出力化に伴い、より摺動性に優れたピスト
ンリングが望まれるようになり、今日では、高クロム含
有のステンレス鋼に窒化処理を施したピストンリングが
用いられるようになった。
鉄、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、マルテンサイト系の高クロムステレ
ンス鋼等の鋼材で作られており、これらの母材もしくは
本体の耐摩耗性、耐焼付性、耐凝着性、摩擦係数等の摺
動特性を改善するために、外周面に電気メッキによる硬
質クロムめっきを施し用いられてきた。しかしながら、
内燃機関の高出力化に伴い、より摺動性に優れたピスト
ンリングが望まれるようになり、今日では、高クロム含
有のステンレス鋼に窒化処理を施したピストンリングが
用いられるようになった。
【０００３】更に、外周面にはイオンプレーティングに
よる窒化クロム皮膜を施したピストンリングも用いられ
るようになった。イオンプレーティングによる窒化クロ
ム皮膜を本体に施したピストンリングには下記の特許公
告もしくは公開公報で提案されたものがある。 （１）特公平６−１０４５４号公報：金属ＣｒとＣｒ2
Ｎが１０００オングストローム以下の超微細に混合した
組織を有する皮膜。 （２）特開平７−２８６２６０号公報：Ｃｒ2 Ｎ型窒化
クロムを主成分とする皮膜。 （３）特開平７−２８６２６１号公報：ＣｒＮとＣｒ2
Ｎ型窒化クロムを主成分とする皮膜。
よる窒化クロム皮膜を施したピストンリングも用いられ
るようになった。イオンプレーティングによる窒化クロ
ム皮膜を本体に施したピストンリングには下記の特許公
告もしくは公開公報で提案されたものがある。 （１）特公平６−１０４５４号公報：金属ＣｒとＣｒ2
Ｎが１０００オングストローム以下の超微細に混合した
組織を有する皮膜。 （２）特開平７−２８６２６０号公報：Ｃｒ2 Ｎ型窒化
クロムを主成分とする皮膜。 （３）特開平７−２８６２６１号公報：ＣｒＮとＣｒ2
Ｎ型窒化クロムを主成分とする皮膜。
【０００４】従来の鋳鉄、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、マルテンサイ
ト系高クロムステレンス鋼等の鋼材の表面に硬質クロム
めっきを施したピストンリングや高クロム含有のステン
レス鋼に窒化処理を施したピストンリングには下記のよ
うな問題がある。 １）ピストンリングはアルミニウム合金製ピストンのピ
ストンリング溝に装着されて使用されるが、高クロム含
有ステンレス鋼に窒化処理をしたピストンリングは、そ
の窒化層が相対するピストンリング溝を摩耗させること
が多い。 ２）外周面にイオンプレーティング皮膜を形成したＳｉ
−Ｃｒ鋼や工具鋼を本体とするピストンリングは、イオ
ンプレーティング時の温度上昇により、ピストンリング
に熱ヘタリが生じ、所定の張力が得られない。尚、イオ
ンプレーティング時の母材上昇温度を蒸着速度を落とす
ことや母材予備加熱温度を下げることで押さえることも
出来るが、イオンプレーティング膜の密着性や生産性が
落ちるので得策ではない。 ３）窒化処理せずにイオンプレーティング皮膜を形成し
た高クロム含有ステンレス鋼を本体とするピストンリン
グは、上記Ｓｉ−Ｃｒ鋼や工具鋼程の熱ヘタリは生じな
いが、初めから表面硬度が低いので、ピストンリング上
下面の摩耗が多くなる傾向がある。
ト系高クロムステレンス鋼等の鋼材の表面に硬質クロム
めっきを施したピストンリングや高クロム含有のステン
レス鋼に窒化処理を施したピストンリングには下記のよ
うな問題がある。 １）ピストンリングはアルミニウム合金製ピストンのピ
ストンリング溝に装着されて使用されるが、高クロム含
有ステンレス鋼に窒化処理をしたピストンリングは、そ
の窒化層が相対するピストンリング溝を摩耗させること
が多い。 ２）外周面にイオンプレーティング皮膜を形成したＳｉ
−Ｃｒ鋼や工具鋼を本体とするピストンリングは、イオ
ンプレーティング時の温度上昇により、ピストンリング
に熱ヘタリが生じ、所定の張力が得られない。尚、イオ
ンプレーティング時の母材上昇温度を蒸着速度を落とす
ことや母材予備加熱温度を下げることで押さえることも
出来るが、イオンプレーティング膜の密着性や生産性が
落ちるので得策ではない。 ３）窒化処理せずにイオンプレーティング皮膜を形成し
た高クロム含有ステンレス鋼を本体とするピストンリン
グは、上記Ｓｉ−Ｃｒ鋼や工具鋼程の熱ヘタリは生じな
いが、初めから表面硬度が低いので、ピストンリング上
下面の摩耗が多くなる傾向がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
点に鑑みなされたものであって、外周摺動面及びピスト
ンリング上下面が耐摩耗性に優れ、かつアルミニウム合
金製ピストンのピストンリング溝と摩耗させることの少
ないピストンリングを提供することを目的としている。
点に鑑みなされたものであって、外周摺動面及びピスト
ンリング上下面が耐摩耗性に優れ、かつアルミニウム合
金製ピストンのピストンリング溝と摩耗させることの少
ないピストンリングを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のピストンリング
は、少なくも外周摺動面に［０００３］で述べたような
皮膜を形成するイオンプレーティング時の温度上昇に於
いても、ピストンリングとしての機能を損なわない耐熱
性が高いピストンリング材となる様な成分とするため、
母材もしくは本体について下記（１）及び（２）の鋼材
組成を提供する。 （１）重量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：１．
８０〜２．５０％、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｃｒ：１
０．０〜１２．０％、Ｎｉ：０．６０％以下、Ｍｏ：
０．７０〜１．３０％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不
純物からなるクロム鋼。 （２）重量％で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓｉ：
１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｃｒ：
７．５０〜９．５０％，Ｎｉ：０．６％以下を含み、残
部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるクロム鋼。 ピストンリング本体は鋼材のままか或いは母材の窒化処
理とする。かかるピストンリングの組み合わせは以下の
とおりである：（イ）鋼材の外周摺動面にイオンプレー
ティング皮膜（以下、この項において「皮膜」という）
を形成し、上下面は鋼材のままとする；（ロ）鋼材の外
周摺動面及び上下面の少なくとも一方に皮膜を形成す
る；（ハ）鋼材の外周摺動面に窒化処理層と皮膜を形成
する；（ニ）鋼材の外周摺動面に皮膜を形成し、上下面
の少なくとも一方に窒化処理層を形成する；（ホ）摺動
面全面に窒化処理層と皮膜を形成する。
は、少なくも外周摺動面に［０００３］で述べたような
皮膜を形成するイオンプレーティング時の温度上昇に於
いても、ピストンリングとしての機能を損なわない耐熱
性が高いピストンリング材となる様な成分とするため、
母材もしくは本体について下記（１）及び（２）の鋼材
組成を提供する。 （１）重量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：１．
８０〜２．５０％、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｃｒ：１
０．０〜１２．０％、Ｎｉ：０．６０％以下、Ｍｏ：
０．７０〜１．３０％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不
純物からなるクロム鋼。 （２）重量％で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓｉ：
１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｃｒ：
７．５０〜９．５０％，Ｎｉ：０．６％以下を含み、残
部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるクロム鋼。 ピストンリング本体は鋼材のままか或いは母材の窒化処
理とする。かかるピストンリングの組み合わせは以下の
とおりである：（イ）鋼材の外周摺動面にイオンプレー
ティング皮膜（以下、この項において「皮膜」という）
を形成し、上下面は鋼材のままとする；（ロ）鋼材の外
周摺動面及び上下面の少なくとも一方に皮膜を形成す
る；（ハ）鋼材の外周摺動面に窒化処理層と皮膜を形成
する；（ニ）鋼材の外周摺動面に皮膜を形成し、上下面
の少なくとも一方に窒化処理層を形成する；（ホ）摺動
面全面に窒化処理層と皮膜を形成する。
【０００８】次に本発明のピストンリングの特徴を述べ
る。本発明のピストンリングの少なくとも外周摺動面に
はイオンプレーティングによつてクロムと窒素を主成分
とする皮膜を有する。皮膜組織は窒化クロム或いは金属
クロムと窒化クロムの混合組織とする。窒化クロム皮膜
或いは金属クロムと窒化クロムの混合組織皮膜は耐摩耗
性、耐焼付性に優れるばかりでなく、金属クロムの蒸気
圧がチタン等に比べ高いことからイオンプレーティング
では高速に皮膜形成が出来、生産性に優れるものであ
る。反面、窒素とクロムが本体上で凝固するときに潜熱
のために母材の温度が大きく上昇し、ピストンリングの
張力の大きな減退を招く熱ヘタリの原因となる。
る。本発明のピストンリングの少なくとも外周摺動面に
はイオンプレーティングによつてクロムと窒素を主成分
とする皮膜を有する。皮膜組織は窒化クロム或いは金属
クロムと窒化クロムの混合組織とする。窒化クロム皮膜
或いは金属クロムと窒化クロムの混合組織皮膜は耐摩耗
性、耐焼付性に優れるばかりでなく、金属クロムの蒸気
圧がチタン等に比べ高いことからイオンプレーティング
では高速に皮膜形成が出来、生産性に優れるものであ
る。反面、窒素とクロムが本体上で凝固するときに潜熱
のために母材の温度が大きく上昇し、ピストンリングの
張力の大きな減退を招く熱ヘタリの原因となる。
【０００９】そこで、本発明では、上記皮膜のイオンプ
レーティング時に起こるピストンリングの熱ヘタリを防
止するために、本体を、上記組成（１）または（２）の
鋼材とし、母材の耐熱性を高めた。ピストンリングをこ
のような鋼材とすることによって、イオンプレーティン
グ後の熱ヘタリが防止でき、通常の張力が得られるよう
になる。また、窒化クロム膜の高い蒸着速度や密着性も
損なわれることがない。次にピストンリング母材（１）
の各成分の限定理由を述べる。
レーティング時に起こるピストンリングの熱ヘタリを防
止するために、本体を、上記組成（１）または（２）の
鋼材とし、母材の耐熱性を高めた。ピストンリングをこ
のような鋼材とすることによって、イオンプレーティン
グ後の熱ヘタリが防止でき、通常の張力が得られるよう
になる。また、窒化クロム膜の高い蒸着速度や密着性も
損なわれることがない。次にピストンリング母材（１）
の各成分の限定理由を述べる。
【００１０】ＣはＦｅ中に固溶し、強度向上に寄与する
元素であり、また炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する
重要な元素であるため、少なくとも０．３５％は必要で
ある。しかしＣはＮと同様Ｆｅ中において侵入型固溶元
素であるため、多量の添加はピストンリング素材もしく
はピストンリング自体の加工時に必要とする伸び・絞り
の低下を招くのみならず、耐熱性向上のため添加する元
素であるＣｒ，Ｍｏとの間で形成される炭化物の量が多
くなる結果として、これらの元素添加の効果を弱める。
また、窒化処理によって粗大な炭窒化物を形成し、相手
材のアルミニウム合金を摩耗させることになるので、上
限を０．４５％とした。
元素であり、また炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する
重要な元素であるため、少なくとも０．３５％は必要で
ある。しかしＣはＮと同様Ｆｅ中において侵入型固溶元
素であるため、多量の添加はピストンリング素材もしく
はピストンリング自体の加工時に必要とする伸び・絞り
の低下を招くのみならず、耐熱性向上のため添加する元
素であるＣｒ，Ｍｏとの間で形成される炭化物の量が多
くなる結果として、これらの元素添加の効果を弱める。
また、窒化処理によって粗大な炭窒化物を形成し、相手
材のアルミニウム合金を摩耗させることになるので、上
限を０．４５％とした。
【００１１】ＳｉはＦｅ中に固溶して耐熱性を向上させ
る元素である。この効果を得るため、少なくとも１．８
０％のＳｉが必要である。しかし多量の添加は冷間加工
性を低下させるだけでなく、熱伝導率を低下させること
により、摺動による接触面の昇温を助長し、耐焼付性を
害するため、上限を２．５０％とした。
る元素である。この効果を得るため、少なくとも１．８
０％のＳｉが必要である。しかし多量の添加は冷間加工
性を低下させるだけでなく、熱伝導率を低下させること
により、摺動による接触面の昇温を助長し、耐焼付性を
害するため、上限を２．５０％とした。
【００１２】Ｍｎは鋳塊製造時に脱酸剤として添加さ
れ、Ｓｉの固溶を妨げるその酸化を防止するに伴ってＳ
ｉの固溶に好ましい条件を整える元素であるが、多量の
添加は熱間加工性を低下させるため、０．６０％を上限
とした。
れ、Ｓｉの固溶を妨げるその酸化を防止するに伴ってＳ
ｉの固溶に好ましい条件を整える元素であるが、多量の
添加は熱間加工性を低下させるため、０．６０％を上限
とした。
【００１３】Ｃｒは炭化物形成元素であり、耐摩耗性付
与のため重要である。またＦｅ中に固溶し、耐熱性・耐
酸化性を向上させる元素でもある。これらの効果を十分
に得るためには、少なくとも１０．０％以上の添加が必
要である。しかし、多量の添加は多くの炭化物を形成
し、靭性を低下させ、さらにＦｅに多量に固溶して加工
性も低下させるため、１２．０％を上限とした。
与のため重要である。またＦｅ中に固溶し、耐熱性・耐
酸化性を向上させる元素でもある。これらの効果を十分
に得るためには、少なくとも１０．０％以上の添加が必
要である。しかし、多量の添加は多くの炭化物を形成
し、靭性を低下させ、さらにＦｅに多量に固溶して加工
性も低下させるため、１２．０％を上限とした。
【００１４】ＮｉはＦｅに固溶して延性を増加させ加工
性を向上させる元素であるが、本材料の場合は他の合金
元素が多量に添加されるため効果が顕著ではなく、効果
な元素であるためコストアップにつながり、０．６０％
を上限とした。
性を向上させる元素であるが、本材料の場合は他の合金
元素が多量に添加されるため効果が顕著ではなく、効果
な元素であるためコストアップにつながり、０．６０％
を上限とした。
【００１５】Ｍｏは耐熱性・耐焼付性を付与する目的で
添加されるが、０．７０％以下では効果が不十分であ
り、１．３０％を超えるとかえって熱間加工性が悪くな
り、靭性も損なうため０．７０〜１．３０％の範囲とし
た。
添加されるが、０．７０％以下では効果が不十分であ
り、１．３０％を超えるとかえって熱間加工性が悪くな
り、靭性も損なうため０．７０〜１．３０％の範囲とし
た。
【００１６】本発明のピストンリング母材（２）に含有
されるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ及びＮｉの作用は母材
（１）で述べたところと基本的には同じであるが、以下
の点で修正が加えられている。母材（２）においてはＣ
量を０．４５％以上とし、Ｃｒ量を９．５０％以下とし
ているために、（１）はＣｒ7 Ｃ3 等の特殊炭化物が比
較的多く、（２）はＣｒを固溶したＦｅ3 Ｃなどが比較
的多くなっている。この結果として母材（２）でも耐熱
ヘタリ性は母材（１）と同等の性能が得られる。また、
Ｃが０．５５％を超え、Ｃｒが９．５％を超えると上記
した弊害が表れる。Ｓｉはα−Ｆｅ領域を拡大すること
によって、マトリックス中のＣ固溶量を増大する傾向が
あるので、多量に添加すると炭化物の形成量が少なくす
る。母材（２）ではＣｒ量が少ないためにＣｒ含有炭化
物が少なくなる傾向があるので、これを相殺するために
Ｓｉ量は母材（１）より少なく１．００〜２．００％の
範囲とすることによりα−Ｆｅ領域の過度の拡大を抑え
ている。また、Ｍｏの添加目的である耐熱性、耐焼付性
の付与が母材（２）の組成では顕著でないので、母材
（２）では特に限定しない。即ち、Ｍｏは不純物として
少量含有させることが許容される。
されるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ及びＮｉの作用は母材
（１）で述べたところと基本的には同じであるが、以下
の点で修正が加えられている。母材（２）においてはＣ
量を０．４５％以上とし、Ｃｒ量を９．５０％以下とし
ているために、（１）はＣｒ7 Ｃ3 等の特殊炭化物が比
較的多く、（２）はＣｒを固溶したＦｅ3 Ｃなどが比較
的多くなっている。この結果として母材（２）でも耐熱
ヘタリ性は母材（１）と同等の性能が得られる。また、
Ｃが０．５５％を超え、Ｃｒが９．５％を超えると上記
した弊害が表れる。Ｓｉはα−Ｆｅ領域を拡大すること
によって、マトリックス中のＣ固溶量を増大する傾向が
あるので、多量に添加すると炭化物の形成量が少なくす
る。母材（２）ではＣｒ量が少ないためにＣｒ含有炭化
物が少なくなる傾向があるので、これを相殺するために
Ｓｉ量は母材（１）より少なく１．００〜２．００％の
範囲とすることによりα−Ｆｅ領域の過度の拡大を抑え
ている。また、Ｍｏの添加目的である耐熱性、耐焼付性
の付与が母材（２）の組成では顕著でないので、母材
（２）では特に限定しない。即ち、Ｍｏは不純物として
少量含有させることが許容される。
【００１７】上記した組成の鋼材は、熱間及び冷間加工
によりピストンリングの粗形材である条鋼に加工され、
その後曲げ加工を行い次に切断と研磨仕上げが施され
る。公知の各種窒化処理を行う場合は、曲げ加工後に窒
化を行う。本発明の鋼材の上記成分の作用は、加工状態
でも発揮される。また、鋼材に焼鈍、焼入・焼戻しなど
の各種熱処理を行うことができるが、粗形材状態の鋼材
を、イオンプレーティング時にさらされる温度以上例え
ば４００〜５００℃に加熱することが好ましい。イオン
プレーティング皮膜の形成方法は前掲公報に記載する条
件で行うことができ、その厚みは好ましくは２０〜４０
μｍである。
によりピストンリングの粗形材である条鋼に加工され、
その後曲げ加工を行い次に切断と研磨仕上げが施され
る。公知の各種窒化処理を行う場合は、曲げ加工後に窒
化を行う。本発明の鋼材の上記成分の作用は、加工状態
でも発揮される。また、鋼材に焼鈍、焼入・焼戻しなど
の各種熱処理を行うことができるが、粗形材状態の鋼材
を、イオンプレーティング時にさらされる温度以上例え
ば４００〜５００℃に加熱することが好ましい。イオン
プレーティング皮膜の形成方法は前掲公報に記載する条
件で行うことができ、その厚みは好ましくは２０〜４０
μｍである。
【００１８】
【作用】イオンプレーティング皮膜形成の際に起こる各
種鋼材の熱へたりを次式で定義される硬度変化率： ｛（加熱前の硬度−加熱後の硬度）／加熱後の硬度｝ｘ
１００（％） により評価した結果を表１に示し、本発明の作用を説明
する。
種鋼材の熱へたりを次式で定義される硬度変化率： ｛（加熱前の硬度−加熱後の硬度）／加熱後の硬度｝ｘ
１００（％） により評価した結果を表１に示し、本発明の作用を説明
する。
【００１９】
【表１】
【００２０】ここで炭素鋼はＣｒなどの合金元素の耐熱
性に対する寄与がないため、硬度変化率が高い。次に、
ばね鋼は炭素鋼より低炭素であるために加熱前の硬度は
低くなるが、Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｎなどの効果により硬度変
化率は小さくなっている。しかしこれらの合金元素の寄
与はまだ少ない。続いてＳＵＳ４４０ＢはＣｒの効果が
認められるが、加熱によるマルテンサイトの分解に伴っ
てかなりの硬度変化が起こっている。さらにＳＵＳ４２
０Ｊ２はかかる組織変化に伴う硬度変化は少ないが、比
較的低Ｃｒ・低Ｃのためにやはりかなりの硬度変化があ
る。これらに対し、Ｃｒ系ステレンス鋼の組成を比較的
低ＣｒとしかつＳｉ量を高めた本発明鋼材は硬度変化が
最も少ない。これは、マルテンサイト、炭化物の量が
最適にバランスするＣｒ量範囲が比較的低Ｃｒ側にある
こと、及びＳｉによるＦｅ固溶体強化の効果が、の
如き低Ｃｒ範囲では、高いことによると考えられる。
性に対する寄与がないため、硬度変化率が高い。次に、
ばね鋼は炭素鋼より低炭素であるために加熱前の硬度は
低くなるが、Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｎなどの効果により硬度変
化率は小さくなっている。しかしこれらの合金元素の寄
与はまだ少ない。続いてＳＵＳ４４０ＢはＣｒの効果が
認められるが、加熱によるマルテンサイトの分解に伴っ
てかなりの硬度変化が起こっている。さらにＳＵＳ４２
０Ｊ２はかかる組織変化に伴う硬度変化は少ないが、比
較的低Ｃｒ・低Ｃのためにやはりかなりの硬度変化があ
る。これらに対し、Ｃｒ系ステレンス鋼の組成を比較的
低ＣｒとしかつＳｉ量を高めた本発明鋼材は硬度変化が
最も少ない。これは、マルテンサイト、炭化物の量が
最適にバランスするＣｒ量範囲が比較的低Ｃｒ側にある
こと、及びＳｉによるＦｅ固溶体強化の効果が、の
如き低Ｃｒ範囲では、高いことによると考えられる。
【００２１】
【実施例】実施例１ 次に本発明の実施例及び比較例として用いたピストンリ
ング本体の組成及び芯部の硬度を表２に示す。
ング本体の組成及び芯部の硬度を表２に示す。
【００２２】
【表２】
【００２３】表２において列挙した成分の残部は、Ｐ，
Ｓなどの通常の不純物少量とＦｅである。表中供試材Ｎ
ｏ．１は本発明鋼（母材（１）），Ｎｏ．２は本発明鋼
（母材（２））、Ｎｏ．３〜６は現在ピストンリングと
して使用されている鋼で、Ｎｏ．３は炭素鋼（ＳＷＲＳ
８２Ａ）、Ｎｏ．４はＳｉ−Ｃｒ鋼（ＳＷＯＳＣ−
Ｖ）、Ｎｏ．５は１７Ｃｒ鋼（ＳＵＳ４４ＯＢ）、Ｎ
ｏ．６は１３Ｃｒ鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）である。
Ｓなどの通常の不純物少量とＦｅである。表中供試材Ｎ
ｏ．１は本発明鋼（母材（１）），Ｎｏ．２は本発明鋼
（母材（２））、Ｎｏ．３〜６は現在ピストンリングと
して使用されている鋼で、Ｎｏ．３は炭素鋼（ＳＷＲＳ
８２Ａ）、Ｎｏ．４はＳｉ−Ｃｒ鋼（ＳＷＯＳＣ−
Ｖ）、Ｎｏ．５は１７Ｃｒ鋼（ＳＵＳ４４ＯＢ）、Ｎ
ｏ．６は１３Ｃｒ鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）である。
【００２４】実施例２ 本発明の鋼材（１）及び現用鋼材３〜６を用い、通常の
成形と加工で寸法がφ８６×１．２×３．１ｍｍのイオ
ンプレーティング用のピストンリング本体を成形した。
また、本発明鋼、現用鋼３、４については、更にガス窒
化処理を行い、ピストンリング全周に厚さが１００μｍ
の窒化層をガス窒化により形成したのち、外周の窒素化
合物層を除去して窒素拡散層を露出したものも作製し
た。続いて、これらのピストンリング各１０本を外周面
をそろえスタックし、通常の前処理を実施後、アーク式
イオンプレーティング装置にてイオンプレーティングを
行い、ピストンリング外周面に窒化クロムの皮膜を形成
した。なお、窒化処理したピストンリングは上下露出
（摺動）面を窒化処理層とした。その後、ピストンリン
グ各１本を切断し、断面からイオンプレーティング膜厚
さ、硬度及び母材硬度を測定した。また、皮膜組織につ
いてはリング外周面をＸ線回折により同定した。
成形と加工で寸法がφ８６×１．２×３．１ｍｍのイオ
ンプレーティング用のピストンリング本体を成形した。
また、本発明鋼、現用鋼３、４については、更にガス窒
化処理を行い、ピストンリング全周に厚さが１００μｍ
の窒化層をガス窒化により形成したのち、外周の窒素化
合物層を除去して窒素拡散層を露出したものも作製し
た。続いて、これらのピストンリング各１０本を外周面
をそろえスタックし、通常の前処理を実施後、アーク式
イオンプレーティング装置にてイオンプレーティングを
行い、ピストンリング外周面に窒化クロムの皮膜を形成
した。なお、窒化処理したピストンリングは上下露出
（摺動）面を窒化処理層とした。その後、ピストンリン
グ各１本を切断し、断面からイオンプレーティング膜厚
さ、硬度及び母材硬度を測定した。また、皮膜組織につ
いてはリング外周面をＸ線回折により同定した。
【００２５】なお、イオンプレーティング条件及び結果
は下記の通りである。 イオンプレーティング条件 １．アーク電力 − ２００Ａ ２．バイアス電圧 − −１０Ｖ ３．予熱温度 − ５００℃ ４．窒素ガス圧 − １０ｍTorr ５．時間 − ３時間
は下記の通りである。 イオンプレーティング条件 １．アーク電力 − ２００Ａ ２．バイアス電圧 − −１０Ｖ ３．予熱温度 − ５００℃ ４．窒素ガス圧 − １０ｍTorr ５．時間 − ３時間
【００２６】
【表３】
【００２７】上記の表３より、本願発明のピストンリン
グはイオンプレーティング時の温度上昇での硬度低下
は、現用鋼１、現用鋼２よりも少なく、熱ヘタリが少な
いことがわかる。
グはイオンプレーティング時の温度上昇での硬度低下
は、現用鋼１、現用鋼２よりも少なく、熱ヘタリが少な
いことがわかる。
【００２８】次に、上記発明鋼（Ｎｏ．１）、現用鋼３
（Ｎｏ．４）及び現用鋼４（Ｎｏ．５）のピストンリン
グを最終加工まで仕上げエンジンによる摩耗テストを実
施した。尚、現用鋼１（Ｎｏ．２）と現用鋼２（Ｎｏ．
３）を用いたものは、熱ヘタリにより以後の加工が出来
ないためテストに使用することは出来なかった。次にエ
ンジンテストの条件及び結果は次の通りである。
（Ｎｏ．４）及び現用鋼４（Ｎｏ．５）のピストンリン
グを最終加工まで仕上げエンジンによる摩耗テストを実
施した。尚、現用鋼１（Ｎｏ．２）と現用鋼２（Ｎｏ．
３）を用いたものは、熱ヘタリにより以後の加工が出来
ないためテストに使用することは出来なかった。次にエ
ンジンテストの条件及び結果は次の通りである。
【００２９】エンジンテスト条件 使用エンジン 水冷６気筒２，５００ｃｃエンジン （ピストンリング １ｓｔ φ８６×１．２×３．１） ６，０００ｒｐｍ×４／４×１００時間
【００３０】
【表４】
【００３１】１）本発明リング１：母材（１）に直接イ
オンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの ２）本発明リング２：母材（１）にガス窒化後にイオン
プレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの ３）比較リング１：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に直接にイオンプレーティング皮膜（Ｃｒ
Ｎ）を設けたもの ４）比較リング２：１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に直接にイオンプレーティング皮膜（Ｃｒ
Ｎ）を設けたもの ５）比較リング３：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に窒化処理層を設けた後に外周面にのみイオ
ンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの ６）比較リング４：１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に窒化処理層を設けた後に外周面にのみイオ
ンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの
オンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの ２）本発明リング２：母材（１）にガス窒化後にイオン
プレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの ３）比較リング１：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に直接にイオンプレーティング皮膜（Ｃｒ
Ｎ）を設けたもの ４）比較リング２：１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に直接にイオンプレーティング皮膜（Ｃｒ
Ｎ）を設けたもの ５）比較リング３：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に窒化処理層を設けた後に外周面にのみイオ
ンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの ６）比較リング４：１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼の母材に窒化処理層を設けた後に外周面にのみイオ
ンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を設けたもの
【００３２】エンジンでの試験結果から次のことが言え
る。 本発明ピストンリングは、イオンプレーティング皮膜
の効果でピストンリング外周面の摩耗が少ないばかりで
はなく、イオンプレーティング時の昇温によって上下面
の硬度は若干下がるが，上下面の摩耗も少ない。 １７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼を母材とした
ピストンリング（比較例１、３）はイオンプレーティン
グ時の昇温によっても熱ヘタリを起こさない耐熱性はあ
るが、当初から硬度が低いために、母材のままではピス
トンリング上下面自身の摩耗が多くなってしまう。 １３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼を母材とした
ピストンリング（比較例２、４）は１７Ｃｒマルテンサ
イト系ステンレス鋼を母材としたピストンリングと同様
な傾向である。
る。 本発明ピストンリングは、イオンプレーティング皮膜
の効果でピストンリング外周面の摩耗が少ないばかりで
はなく、イオンプレーティング時の昇温によって上下面
の硬度は若干下がるが，上下面の摩耗も少ない。 １７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼を母材とした
ピストンリング（比較例１、３）はイオンプレーティン
グ時の昇温によっても熱ヘタリを起こさない耐熱性はあ
るが、当初から硬度が低いために、母材のままではピス
トンリング上下面自身の摩耗が多くなってしまう。 １３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼を母材とした
ピストンリング（比較例２、４）は１７Ｃｒマルテンサ
イト系ステンレス鋼を母材としたピストンリングと同様
な傾向である。
【００３３】実施例３ 表２に記した本発明鋼Ｎｏ．２及びこれをガス窒化した
ものにつき実施例２と同一条件でイオンプレーティング
を行い、被膜組織がＣｒＮ，膜厚２８μｍ、高度Ｈｍｖ
１，７５２のイオンプレーティング被膜を形成した。こ
れらのピストンリングにつき実施例２と同一条件でエン
ジンテストを行ったところ、表５に示すように実施例２
とほぼ同じ結果が得られた。
ものにつき実施例２と同一条件でイオンプレーティング
を行い、被膜組織がＣｒＮ，膜厚２８μｍ、高度Ｈｍｖ
１，７５２のイオンプレーティング被膜を形成した。こ
れらのピストンリングにつき実施例２と同一条件でエン
ジンテストを行ったところ、表５に示すように実施例２
とほぼ同じ結果が得られた。
【００３４】
【表５】
【００３５】
【発明の効果】本願発明のピストンリングは，イオンプ
レーティング時の昇温でも熱ヘタリを起こさず、張力を
失わないし、また、母材硬度の低下も小さいので、ピス
トンリング上下面の摩耗が少ない。更に、窒化処理を行
っても、大きな結晶の炭窒化物を形成しないので相手材
のアルミニウム合金ピストンリング溝を摩耗させない。
レーティング時の昇温でも熱ヘタリを起こさず、張力を
失わないし、また、母材硬度の低下も小さいので、ピス
トンリング上下面の摩耗が少ない。更に、窒化処理を行
っても、大きな結晶の炭窒化物を形成しないので相手材
のアルミニウム合金ピストンリング溝を摩耗させない。
Claims (5)
- 【請求項１】 ＣｒとＮを主成分とした窒化クロム組織
でなる皮膜を有する内燃機関用ピストンリングにおい
て、 前記ピストンリングの本体が、重量％で、Ｃ：０．３５
〜０．４５％、Ｓｉ：１．８０〜２．５０％、Ｍｎ：
０．６０％以下、Ｃｒ：１０．０〜１２．０％，Ｎｉ：
０．６％以下、Ｍｏ：０．７０〜１．３０％を含み、残
部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする内
燃機関用ピストンリング。 - 【請求項２】 ＣｒとＮを主成分とし、金属クロムと窒
化クロム組織でなる皮膜を有する内燃機関用ピストンリ
ングにおいて、 前記ピストンリングの本体が、重量％で、Ｃ：０．３５
〜０．４５％、Ｓｉ：１．８０〜２．５０％、Ｍｎ：
０．６０％以下、Ｃｒ：１０．００〜１２．００％，Ｎ
ｉ：０．６％以下、Ｍｏ：０．７０〜１．３０％を含
み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴と
する内燃機関用ピストンリング。 - 【請求項３】 ＣｒとＮを主成分とした窒化クロム組織
でなる皮膜を有する内燃機関用ピストンリングにおい
て、 前記ピストンリングの本体が、重量％で、Ｃ：０．４５
〜０．５５％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：
０．６０％以下、Ｃｒ：７．５０〜９．５０％，Ｎｉ：
０．６％以下を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から
なることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 - 【請求項４】 ＣｒとＮを主成分とし、金属クロムと窒
化クロム組織でなる皮膜を有する内燃機関用ピストンリ
ングにおいて、 前記ピストンリングの本体が、重量％で、Ｃ：０．４５
〜０．５５％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：
０．６０％以下、Ｃｒ：７．５０〜９．５０％，Ｎｉ：
０．６％以下を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から
なることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 - 【請求項５】 前記ピストンリング本体が窒化処理され
ている請求項１から４までの何れか１項記載の内燃機関
用ピストンリング。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19121998A JP3484076B2 (ja) | 1998-02-10 | 1998-07-07 | 内燃機関用ピストンリング |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10-28138 | 1998-02-10 | ||
| JP2813898 | 1998-02-10 | ||
| JP19121998A JP3484076B2 (ja) | 1998-02-10 | 1998-07-07 | 内燃機関用ピストンリング |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11294584A true JPH11294584A (ja) | 1999-10-29 |
| JP3484076B2 JP3484076B2 (ja) | 2004-01-06 |
Family
ID=26366190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19121998A Expired - Fee Related JP3484076B2 (ja) | 1998-02-10 | 1998-07-07 | 内燃機関用ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3484076B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002006546A1 (fr) * | 2000-07-17 | 2002-01-24 | Kabushiki Kaisha Riken | Segment de piston presentant une resistance elevee a l'erosion, a la fissuration et a la fatigue, procede permettant de produire ce segment et combinaison segment de piston et bloc-cylindres |
| CN107514316A (zh) * | 2015-05-18 | 2017-12-26 | 夏志清 | 一种柴油发动机气缸盖 |
-
1998
- 1998-07-07 JP JP19121998A patent/JP3484076B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002006546A1 (fr) * | 2000-07-17 | 2002-01-24 | Kabushiki Kaisha Riken | Segment de piston presentant une resistance elevee a l'erosion, a la fissuration et a la fatigue, procede permettant de produire ce segment et combinaison segment de piston et bloc-cylindres |
| CN107514316A (zh) * | 2015-05-18 | 2017-12-26 | 夏志清 | 一种柴油发动机气缸盖 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3484076B2 (ja) | 2004-01-06 |
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