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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Abstract
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
リングに関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ング本体の組成及び芯部の硬度を表2に示す。
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。
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。
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
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。
(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。
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
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。
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。
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 |
---|---|---|---|
JP2813898 | 1998-02-10 | ||
JP10-28138 | 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 |
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP3484076B2 (ja) | 2004-01-06 |
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