JPS60153456A - 鋼製ピストンリング - Google Patents

鋼製ピストンリング

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JPS60153456A
JPS60153456A JP858884A JP858884A JPS60153456A JP S60153456 A JPS60153456 A JP S60153456A JP 858884 A JP858884 A JP 858884A JP 858884 A JP858884 A JP 858884A JP S60153456 A JPS60153456 A JP S60153456A
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piston ring
ring
steel
piston
layer
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JP858884A
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Takeo Korogi
興梠　武夫
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/40—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rings; for bearing races
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の鋼製ピストンリングに関し、特に燃
焼室に近い位置に配して使用される第１圧力リングの改
良に関するものである。
この種のピストンリングは、燃焼室に近いピストンの１
−ツプランド直下に配されることによって燃焼ガスの彰
饗を大きく受けるものであり、特にピストンリング内周
面へ加わるガス圧力によってピストンリングはシリンダ
ライナ壁に強く押され、大きな摩擦力を発生で−る。こ
れは摩擦カの問題のみならずピストンリング自体を著し
く摩耗させる原因となり、潤滑油が供給され勤い圧力ピ
ストンリングではスカツフィングと称される巽常摩耗が
発生し易いものであった。
一方前記した如きピストンリングの摩擦力の低減が内燃
機関効率向上の見地から望まれており、そのためにはピ
ストンリングに加わるガス圧力の影管を極力小さくする
ためにピストンリングの軸方向高さを薄くされる傾向に
ある。
このようにピストンリングを薄クシようとした場合に、
従来用いられてきた鋳鉄製ピストンリングでは強度及び
材質安定性が得られないためにピストンリングに鋼を用
いることがなされている。
しかしながら鋼をピストンリングに用いようとすると鋼
自体が自己潤滑性要素（例えば鋳鉄における黒鉛）を有
せず摩耗し易いものであり、かつ内燃機関の運転温度条
件下ではピストンリングの繰り返し疲労によって自己張
力を失うなどの問題があった。
特に高鉛ガソリンを使用するガソリンエンジンにおいて
はピストンリングの摩耗という点で顕著である。これは
燃焼により生成する鉛化合物、たとえばハロゲン化鉛や
酸化鉛の粒子が研削性粒子として作用してピストンリン
グの摺動而の摩耗を促進するからである。また、ディー
ゼルエンジンにおいては、燃焼に伴い不可避的に生成す
るカーボンパーティキュレートも同様に研削性粒子とし
て働いて摺動而に著しい摩耗を生じさせる。
この問題に対処するため、本発明においては、鋼製ピス
トンリングの表面に窒化処理を施してその表面に高硬度
で耐摩耗性の窒化層を形成することを提案するものであ
る。
すなわら、内燃機関用の鋼製ピストンリングにおいて、
少なくともシリンダ内壁と摺接する外周而に窒化層を有
し、硬度１１ｖ９５０を超える窒化層の断面深さが少な
くとも５０μｍ以上（５０μｍは含まず）であることを
特徴とする。
以下に本発明に係わる鋼製ピストンリングについて述べ
る。第１図は本発明の鋼製ピストンリングを第１圧力リ
ングどしてピストンのリング溝に装着した状態を示す部
分的断面図で、１はシリンダ、２はピストン４のリング
満に装着された圧力リングを示す。この鋼製圧力リング
の少なくともシリンダ内壁と１習接する外周面には窒化
層３が設けられている。第１図に於では窒化層が外周面
のみに設ｉ−１られた例をもとに説明しているが、使用
条件にＪ；って、外周面のみならず上下面にも設りられ
たものや全面に設けてもよいものである。圧力リングと
しては気密性、耐摩耗性、耐スカツフィング性、耐折損
性がＪぐれている必要があるが、内燃機関の高出力、高
速化のためにはより一層の対策が必要である。
かかる本発明の鋼製ピストンリングの材質としてはマル
テンサイト系ステンレス鋼でありかつ少なくともＣを０
．２５　〜１．２０ｗｔ％、Ｏｒを１１．０〜１９．０
Ｗｔ％含有するものである。この場合Ｃ悄がこの範囲か
らはずれると炭化物量の増加に伴う脆化、ピストンリン
グ形状にすることが不可能、耐衝撃性にも劣り折損の原
因となるため−１二連の範囲で選択される。又Ｃｒは耐
熱性と基地強度の向上及び炭化物生成元素として添加さ
れるものであり、基地及び材料全体の陥化、ピストンリ
ングの加工性、折損を考慮して上述の範囲で選択される
ものである。
かかる鋼材を用いるピストンリングはそのままで用いて
もある程度の効果はあるものの、高負荷内燃機関では使
用に耐えず、本発明においては窒化処理することが不可
欠であり著しく効果を向上させるものである。
即ち最も厳しい摩耗条件下にある摺動面を含む表面に窒
化層を設けることによりピストンリングの表面硬度を上
げるばかりでなく、窒化表面の摩耗係数自体も低いもの
であり、さらには窒化層が最も疲労を受け易いピストン
リング外表面に設けることにより疲労強度も向上される
。
この窒化層を形成する方法としては、塩浴中で処理する
タフトライド法や窒化雰囲気中で処理するガス窒化法、
放電によるイオン窒化法等が使用される。
本発明においては、この窒化層の硬さが１１ｖ９５０以
下でその断面深さが５０μｍ以下では所望の耐摩耗性、
耐スカッフィング性が得られず、近年の内燃機関の苛酷
な運転条件下ではビス１ヘンリングとしての機能が充分
果せるものではない。従って硬さＨＶ９５０を超える窒
化層の断面深さが少なくとも５０μｍ以上（　５　０　
ｔｔ　ｍは含まない）が必要となる。
さらに、本発明において著しく効果が向上された点は窒
化層の硬さの向上にあり、これは前述のマルテンザイト
系ステンレス鋼材に窒化層を設けたことにより達成され
る。
即ち通常の低合金鋼では窒化層が深く入りすぎ、高合金
鋼では浅くしか入らないものであり、本発明にあっては
主としてｃ，ｃｒを含むステンレス鋼を用いて窒化層を
得、さらに鋼材がマルテンサイト基地であるため鋼自体
の硬度が高く、窒化層の硬さの上限はｌ」Ｖ１３００程
度で充分である。
又該窒化層の断面深さの上限は２００μｍ程痕まであれ
ば良く、これはピストンリングとしての機能を考慮した
ものである。
第２図は、少なくともＣが０．６５Ｗｔ％、Ｃｒが１２
．Ｏｗｔ％含右１゛る焼戻しマルテンサイト組織のステ
ンレス鋼よりなる圧力リングに窒化処理を施し、種々の
断面深さにおりる硬さを測定した結果を示づ。このグラ
フは圧力リングの断面深さと平均硬さ（半径方向硬さと
上下方向硬さの平均値）の関係を示すもので、それぞれ
、曲線Ａは塩浴による窒化処即を３時間、Ｂは塩浴によ
る窒化処理を５時間、Ｃはガス窒化処理を５時間、Ｄは
イオン窒化処即を８時間、Ｅはガス窒化処理を１０時間
して得た圧力リングに対応している。
前記の如く圧力リングでは潤滑油が供給され難く、スカ
ツフィングと称される異常摩耗が発生し易いものである
ため、上記の曲線のうちＢとＣについて耐スカツフィン
グ性の試験をしたが、その結果を第４図に示す。
試験条件としては以下のとおりである。
○回転故：　３　０　０　ｒ．ｐ．ｍ ＯＨ　ｉ１ｉ：３０ｋ（Ｊか６スタート５分毎に１０ｋ
Ｇ増加させスカッフィング発生まで ○潤　滑：試験前に回転片に塗布し運転中は給油なし ○相手材：　ＦＣ２５ （回転片） ○供試材：第２図にＪ３ける曲ａＢ，Ｃに相当するもの 以上の条件で、耐スカツフィング性試験について、而圧
を上饗させスカツフィングが発生しｋ面圧をスカツフイ
ング限界面圧とした。
第２、３図よりわかることは、窒化層は表面より深くな
るにしたがい硬さが低下するが、これは種々ある窒化処
理の相違によるものではない。耐スカツフィング性につ
いては硬さと断面深さが非常に重要であることが゛判明
した。第３図に示される如くＢについては圧力リングと
して耐スカツフィング性に劣り、使用することができな
い。本発明の構成要件を満足するＣについては耐スカツ
フィング性に優れ、充分圧力リングとしての機能を有し
、スカツフによるシリンダ内壁の初期異常摩耗を大幅に
低減させることができる。
第４図は下記の条件で行ったベンヂテストの結果を示す
。
（１）は第２図における曲線Ｂに相当する窒化処埋を施
した鋼製ピストンリング、 （２）は第２図におりる曲線Ｃに相当する窒化処理を施
した鋼製ピストンリング（本発明）、（３）は摺動面に
従来公知の硬質クロムめっきを設けた鋼製ピストンリン
グ（めっき厚さ０．２ｍｍ）、であり、それぞれ第１圧
力リングとして使用し運転後各々のビストシリング外周
面における摩耗最の測定結果を示す。
運転条件は次のとおりである。
○エンジン型式：４サイクルガソリンエンジンＯ内径×
行程：　８　３ｎ＋ｍＸ　８　５ｗ＋ｍＯ回転数：５６
００ｒ．ｐ．ｍ　（全負荷）Ｏ■滑油：ＳＡＥ＃３０ ０燃１′４：高鉛ガソリン シリンダとしては鋳鉄材（ＦＣ２０相当）を使用した。
この結果から見られるとおり、本発明の窒化ピストンリ
ング（２１は従来のクロムめっきピストンリング（３）
の約１７３以下又窒化ピストンリング｛１｝の約１／２
の摩耗量であり、耐摩耗性においても優れているといえ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の鋼製圧力リングをピストンのリング溝
に装着した部分的断面図、第２図は窒化処即した鋼製圧
力リングの硬さと深さの関係を示すグラフ、第３図は耐
スカツフィング性試験の結果を示すグラフ、第４図はベ
ンチテストの結果を示すグラフである。 １・・・シリンダ ２・・・ｌ４製圧力リング ３・・・窒化層 ４・・・ピストン 特許出願人 日本ピストンリング株式会社 Ｎ１図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 内燃機関用の鋼製ピストンリングにおいて、少なくとも
    シリンダ内壁と摺接４る外周而に窒化層を有し、硬さＨ
    ｖ９５０を超える窒化層の断面深さが少な《とも５０μ
    ｍ以上（５０μＭは含まず）であることを特徴とする鋼
    製ピストンリング。
JP858884A 1984-01-23 1984-01-23 鋼製ピストンリング Pending JPS60153456A (ja)

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