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

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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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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。

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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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Cr73 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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
【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。
【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。
【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
【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。
【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。
【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。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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

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