JP3090520B2 - Piston ring and its manufacturing method - Google Patents
Piston ring and its manufacturing methodInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関や圧縮機等に
使用されるピストンリング及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring used for an internal combustion engine, a compressor, and the like, and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、内燃機関や圧縮機等のピストンリ
ングとしては、球状黒鉛鋳鉄母材に硬質クロムめっきを
外周面に施工したものが広く使用されてきたが、近年、
耐摩耗性の優れたピストンリングとして、ＳＵＳ４４０
Ｂ又はＤＩＮＸ９０材に代表されるマルテンサイト系ス
テンレス母材にガス窒化処理を行ったものが実用に供さ
れている。ガス窒化処理リングは、全周に窒素拡散層が
形成されるため、シリンダ壁と接する外周面のみなら
ず、ピストン溝と接する上下側面も耐摩耗性が向上する
ので、従来のものに比して格段に耐久性が向上するとい
う長所が有る。2. Description of the Related Art Conventionally, as a piston ring for an internal combustion engine, a compressor, or the like, a spheroidal graphite cast iron base material coated with hard chrome plating on an outer peripheral surface has been widely used.
SUS440 as a piston ring with excellent wear resistance
A material obtained by subjecting a martensitic stainless steel base material represented by B or DINX90 material to a gas nitriding treatment has been put to practical use. Since the nitrogen diffusion layer is formed on the entire circumference of the gas nitriding ring, not only the outer peripheral surface in contact with the cylinder wall, but also the upper and lower side surfaces in contact with the piston groove are improved in wear resistance. There is an advantage that durability is remarkably improved.
【０００３】最近、さらにピストンリングの寿命を延ば
すことを目的として外周面に物理蒸着（Physical Vaper
Deposition ：PVD ）処理、特にイオンプレーティング
法による窒化クロム (CrN)、窒化チタン(TiN) 等の硬質
セラミックコーティングを施す例が多くなってきた。こ
れら硬質セラミックコーティングは硬度がHmＶ1,５００
以上もあり、金属に比べ衝撃に弱く、靱性に劣ると云う
欠点がある。しかも、耐久性向上と云う点で、セラミッ
クコーティング層の被膜厚さについて２０μｍ以上とい
う要求があり、厚膜化することによる被膜の母材に対す
る密着性や疲労強度が問題となっている。特に、窒化ク
ロム被膜は厚膜化しやすく、近年ピストンリング用被膜
として注目され、２０μｍ以上の被膜を有するものも実
用化されている。Recently, in order to further extend the life of a piston ring, physical vapor deposition (Physical Vapor
Deposition (PVD) treatment, in particular, an example of applying a hard ceramic coating such as chromium nitride (CrN) and titanium nitride (TiN) by an ion plating method has been increasing. These hard ceramic coatings have a hardness of HmV1,500
As described above, there is a drawback that they are weaker in impact than metal and inferior in toughness. In addition, from the viewpoint of improving the durability, the thickness of the ceramic coating layer is required to be 20 μm or more, and the adhesion of the coating to the base material and the fatigue strength due to the increase in the thickness are problematic. In particular, the chromium nitride film is easily thickened, and has recently attracted attention as a film for a piston ring, and a film having a film of 20 μm or more has been put to practical use.
【０００４】イオンプレーティングは、真空容器中に回
転保持された被処理物をヒータにより約４００℃に加熱
し、その下方に設けたるつぼ内に蒸着物質となる金属ク
ロム又は金属チタンが収容され、容器の側壁に設けられ
たHCD 銃から放射されるアルゴンガスとプラズマビーム
により蒸発させられ、かつ壁面に設けられたガス導入管
より窒素ガスを導入し、容器内を例えば３×１０-2torr
にしてTiN 又はCrN から成る窒化層を形成して行なう。
イオンプレーティングによる窒化層の被膜は、イオンプ
レーティング処理の際の窒素ガス量を変えることによ
り、例えばクロムの場合、Cr、Cr2N、CrN の各相が混在
する組織となり、主として耐摩耗性の点でCr2N及びCrN
から成る構成物が実用化されている。In ion plating, an object to be processed, which is rotated and held in a vacuum vessel, is heated to about 400 ° C. by a heater, and metal chromium or metal titanium as a deposition material is accommodated in a crucible provided below the object, Argon gas radiated from an HCD gun provided on the side wall of the container and a plasma beam, and nitrogen gas is introduced from a gas introduction pipe provided on the wall surface, and the inside of the container is, for example, 3 × 10 -2 torr.
Then, a nitride layer made of TiN or CrN is formed.
By changing the amount of nitrogen gas during the ion plating process, for example, in the case of chromium, the nitride layer film formed by ion plating has a structure in which each phase of Cr, Cr 2 N, and CrN is mixed, and mainly has wear resistance. Cr 2 N and CrN in terms of
Has been put to practical use.
【０００５】ところで、ピストンリングでは、機能の点
で側面摩耗防止が必要であり、外周面にイオンプレーテ
ィングを施工する場合は、従来、高クロムステンレス鋼
のピストンリング母材に窒化処理を行ない、その後にイ
オンプレーティングを施すのが一般的である。By the way, in the case of a piston ring, it is necessary to prevent side wear in terms of function. When ion plating is performed on the outer peripheral surface, conventionally, a piston ring base material of high chromium stainless steel is subjected to nitriding treatment. Thereafter, ion plating is generally performed.
【０００６】しかしながら、このような方法では厚膜化
されたCr2NとCrN の相から成る層のじん性が不足するた
め、イオンプレーティング層にクラックが入り、速やか
に窒化層にクラックが伝播するため耐疲労強度を著しく
低下させるという欠点があった。[0006] However, in such a method, the toughness of the thick layer composed of the phase of Cr 2 N and CrN is insufficient, so that cracks are formed in the ion plating layer and cracks are quickly propagated to the nitrided layer. Therefore, there is a disadvantage that the fatigue resistance is significantly reduced.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、両側面に窒
化層を有し、外周面にイオンプレーティングによる硬化
セラミックコーティング層を有するピストンリングの従
来の製造方法の上記の欠点を除去した。耐疲労強度が充
分にあるピストンリング及びその製造方法を提供するこ
とを課題とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has eliminated the above-mentioned disadvantages of the conventional method for manufacturing a piston ring having a nitrided layer on both sides and a hardened ceramic coating layer formed by ion plating on the outer peripheral surface. An object of the present invention is to provide a piston ring having sufficient fatigue resistance and a method for manufacturing the same.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明によるピストンリ
ングは、上記の課題を解決するため、マルテンサイト系
ステンレス製ピストンリングの両側面及び内周面にのみ
窒化層を有し、外周面にイオンプレーティングによる硬
化セラミックコーティング層を有することを特徴とす
る。In order to solve the above-mentioned problems, a piston ring according to the present invention has a nitrided layer only on both side surfaces and an inner peripheral surface of a martensitic stainless steel piston ring, and has an ion It is characterized by having a hardened ceramic coating layer by plating.
【０００９】その製造方法の１つは、マルテンサイト系
ステンレス製ピストンリング母材の外周面のみにイオン
プレーティングにより硬化セラミックコーティング層を
形成し、次いでガス窒化(GN)処理を行って両側面及び内
周面に窒化層を形成することを特徴とする。One of the manufacturing methods is to form a hardened ceramic coating layer by ion plating only on the outer peripheral surface of a piston ring base material made of martensitic stainless steel, and then perform gas nitriding (GN) treatment on both side surfaces. A nitride layer is formed on the inner peripheral surface.
【００１０】その製造方法の他の１つは、マルテンサイ
ト系ステンレス製ピストンリング母材の外周面にニッケ
ル、水ガラスなどの窒化防止層を形成し、次いで窒素ガ
ス中に放置して表面に窒化層を形成するガス窒化処理を
行ない、その後外周面の窒化防止層を除去し、外周面に
イオンプレーティングにより硬質セラミックコーティン
グ層を形成することを特徴とする。[0010] Another one of the manufacturing methods is to form an anti-nitridation layer such as nickel or water glass on the outer peripheral surface of a martensitic stainless steel piston ring base material, and then leave it in a nitrogen gas to form a nitrided surface. It is characterized in that a gas nitriding treatment for forming a layer is performed, then the nitridation preventing layer on the outer peripheral surface is removed, and a hard ceramic coating layer is formed on the outer peripheral surface by ion plating.
【００１１】[0011]
【作用】第１の製造方法によれば、ピストンリング母材
の外周面のみにイオンプレーティングにより硬化セラミ
ックコーティング層を形成し、然る後にガス窒化処理を
行なうので、ピストンリング母材の外周面は既に硬化セ
ラミックコーティングが施されているので窒化処理時
に、窒素ガス雰囲気に触れることなく、窒化層は外周面
以外の両側面と内周面のみに形成される。According to the first manufacturing method, the hardened ceramic coating layer is formed only on the outer peripheral surface of the piston ring base material by ion plating, and then the gas nitriding treatment is performed. Since the hardened ceramic coating has already been applied, the nitrided layer is formed only on both side surfaces other than the outer peripheral surface and the inner peripheral surface without being exposed to the nitrogen gas atmosphere during the nitriding treatment.
【００１２】第２の製造方法によれば、ピストンリング
母材の外周面に窒化防止層を形成した後ガス窒化処理を
行なうので、リングの外周面には窒化層が形成されず、
両側面及び内周面にのみ窒化層が形成される。その後、
外周面の窒化防止層を除去し、イオンプレーティングに
より硬質セラミック層が外周面に形成されるので、外周
面には窒化層は形成されず硬質セラミック層のみが形成
され、硬質セラミック層にクラックが入った場合にも母
材に伝播しにくく、耐疲労強度が著しく向上する。According to the second manufacturing method, since the gas nitriding treatment is performed after forming the nitridation preventing layer on the outer peripheral surface of the piston ring base material, no nitride layer is formed on the outer peripheral surface of the ring.
A nitride layer is formed only on both side surfaces and the inner peripheral surface. afterwards,
Since the hard ceramic layer is formed on the outer peripheral surface by ion plating by removing the nitridation preventing layer on the outer peripheral surface, only the hard ceramic layer is formed without the nitride layer on the outer peripheral surface, and cracks are formed on the hard ceramic layer. Even if it enters, it does not easily propagate to the base material, and the fatigue resistance is significantly improved.
【００１３】[0013]
【実施例】SUS ４４０Ｂステンレスで直径８５mm×高さ
２mm×半径方向幅3.１mmの矩形断面で外周がBF形状のピ
ストンリング母材を作り、次の３種類の表面処理を施し
た供試体を作成した。 （１） 本発明にもとずき、イオンプレーティングによ
り試験片の外周面に４０μｍの厚さの窒化クロム被膜を
形成した後、５２０℃〜５７０℃の窒化処理温度でガス
窒化(GN)を行なった。ガス窒化層の深さは５０μｍであ
る。上記のガス窒化処理温度では窒化クロム被膜の組成
に変化はない。[Example] A piston ring base material having a rectangular cross section of SUS440B stainless steel with a diameter of 85 mm × height 2 mm × width in the radial direction 3.1 mm and an outer periphery of BF shape was prepared and subjected to the following three types of surface treatment. Created. (1) According to the present invention, after forming a chromium nitride film having a thickness of 40 μm on the outer peripheral surface of a test piece by ion plating, gas nitriding (GN) is performed at a nitriding temperature of 520 ° C. to 570 ° C. Done. The depth of the gas nitrided layer is 50 μm. At the above gas nitriding temperature, there is no change in the composition of the chromium nitride film.
【００１４】（２） 従来一般に行なわれている如く、
母材に先ずガス窒化を施し、５０μｍ深さの窒化層を両
側面、外周、内周に形成し、しかる後に外周にイオンプ
レーティングにより１５μｍの厚さの窒化クロム被膜を
形成した。 （３） （２）と同じ方法で４０μｍ厚さの窒化クロム
被膜を外周に形成した。(2) As is generally done in the past,
First, the base material was subjected to gas nitriding, and a nitride layer having a depth of 50 μm was formed on both sides, the outer periphery, and the inner periphery. Thereafter, a 15 μm-thick chromium nitride film was formed on the outer periphery by ion plating. (3) A chromium nitride film having a thickness of 40 μm was formed on the outer periphery in the same manner as in (2).
【００１５】図１の（ａ）に上記（１）の方法、すなわ
ち本発明の方法により製作したピストンリング供試体の
断面を示し、図１の（ｂ）に上記（２）及び（３）の方
法により作製された供試体の断面を示す。（ｂ）の断面
では、母材１の両側面、内外周すべてに窒化層２が形成
され、外周には窒化層の上に窒化クロム被膜３が形成さ
れている。一方、（ａ）の断面では窒化層２は母材１の
両側面及び内周のみに形成され、外周では窒化クロム被
膜３の下には窒化層２は形成されていない。FIG. 1A shows a cross section of a piston ring specimen manufactured by the method (1), that is, the method of the present invention, and FIG. 1B shows the cross section of the above (2) and (3). 1 shows a cross section of a test piece manufactured by the method. In the cross-section (b), a nitride layer 2 is formed on both sides and all of the inner and outer peripheries of the base material 1, and a chromium nitride film 3 is formed on the nitride layer on the outer periphery. On the other hand, in the cross section of (a), the nitride layer 2 is formed only on both side surfaces and the inner periphery of the base material 1, and the nitride layer 2 is not formed under the chromium nitride film 3 on the outer periphery.
【００１６】上記３種のピストンリング試験片に対して
疲労試験を行った。試験方法は、図２に示す如く、ピス
トンリングの合口の一方の端を固定し、他端を閉じ方向
に振動させ、図３に示す如くリングの外周に繰返し引張
り応力を生じさせる。この場合、合口より１８０°の位
置に最大応力が発生する。したがって振幅は応力によっ
て変化する。ピストンリングを呼称径に閉じた時の応力
f2はこの場合約３３kg／mm2 である。f2からさらにある
応力を加えて１０7 回の繰返し数をクリアした場合、f2
＋ある応力が疲労限応力となる。A fatigue test was performed on the above three types of piston ring test pieces. In the test method, as shown in FIG. 2, one end of the abutment of the piston ring is fixed, and the other end is vibrated in the closing direction to repeatedly generate a tensile stress on the outer periphery of the ring as shown in FIG. In this case, the maximum stress occurs at a position 180 ° from the joint. Therefore, the amplitude changes with stress. Stress when closing piston ring to nominal diameter
f 2 in this case is about 33 kg / mm 2 . If you have further added some stress from f 2 to clear 10 7 times the number of repeated, f 2
+ A certain stress becomes a fatigue limit stress.
【００１７】上記３種のピストンリング供試体について
疲労試験を行なった結果を図４に示す。図中に△で示す
点を結んだ曲線（１）は供試体（１）に対する疲労曲線
で疲労限応力はf2＋３５kg／mm2 である。図中に□で示
す点を結んだ曲線（２）及び○で示す点を結んだ曲線
（３）は夫々供試体（２）、（３）に対するもので、そ
れらの疲労限応力はf2＋２５kg／mm2 及びf2＋１９kg／
mm2 となり、これらは（１）の疲労限応力f2＋３５kg／
mm2 に比して著しく低い。（１）の供試体、すなわちＰ
ＶＤ処理後ガス窒化処理を施すことによって、外周面に
は窒化層を形成せず、窒化クロムの被膜のみを形成し、
他の面にのみ窒化層を形成した供試体は、外周面に窒化
層がないため４０μｍの被膜厚さでも疲労限応力がf2＋
３５kg／mm2 あり、充分なレベルである。FIG. 4 shows the results of a fatigue test performed on the above three types of piston ring specimens. The curve (1) connecting the points indicated by 中 in the figure is a fatigue curve for the specimen (1), and the fatigue limit stress is f 2 +35 kg / mm 2 . In the figure, a curve (2) connecting the points indicated by □ and a curve (3) connecting the points indicated by ○ correspond to the specimens (2) and (3), respectively, and their fatigue limit stress is f 2 +25 kg. / Mm 2 and f 2 +19 kg /
mm 2, and the they fatigue limit stress f 2 of (1) + 35kg /
Significantly lower than mm 2 . The specimen of (1), that is, P
By performing a gas nitriding treatment after the VD treatment, a nitrided layer is not formed on the outer peripheral surface, and only a chromium nitride coating is formed.
The specimen having a nitrided layer formed only on the other surface has a fatigue limit stress of f 2 + even at a coating thickness of 40 μm because there is no nitrided layer on the outer peripheral surface.
35 kg / mm 2, which is a sufficient level.
【００１８】ピストンリングの外周面に窒化層を形成せ
ずにＰＶＤ処理により窒化クロム等の硬質セラミックコ
ーティング被膜を形成する方法としては、上述の、外周
面にＰＶＤ処理を施した後、ガス窒化処理を行なう方法
の他、リング外周にニッケルのストライクめっきを３〜
５μｍ施し、外周に窒化防止層を形成してガス窒化処理
を行ない、両側面と内周面に窒化層を形成し、次いで前
記の窒化防止層をラッピングにて除去し、イオンプレー
ティング等のＰＶＤ処理により硬質セラミックコーティ
ング被膜を形成する方法も採用可能である。窒化防止層
としてはニッケルのストライクめっきの他水ガラスの層
を形成してもよい。As a method of forming a hard ceramic coating film such as chromium nitride by PVD processing without forming a nitride layer on the outer peripheral surface of the piston ring, the above-described PVD processing is performed on the outer peripheral surface, and then the gas nitriding treatment is performed. In addition to the method of performing
5 μm, a nitriding layer is formed on the outer periphery, gas nitriding is performed, and a nitriding layer is formed on both side surfaces and an inner circumferential surface. Then, the above-described nitriding layer is removed by lapping, and PVD such as ion plating is performed. A method of forming a hard ceramic coating film by processing can also be adopted. As the nitridation preventing layer, a water glass layer may be formed in addition to nickel strike plating.
【００１９】[0019]
【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、外周に窒
化層が形成されずにイオンプレーティング層が形成され
るので、充分な疲労強度を有するピストンリングを得る
ことができる。As described above, according to the present invention, since the ion plating layer is formed without forming a nitride layer on the outer periphery, a piston ring having sufficient fatigue strength can be obtained.
【図１】（ａ）は本発明によるピストンリング供試体の
断面を示し、（ｂ）は従来の方法による外周に窒化層と
イオンプレーティング被膜とが形成されたピストンリン
グ供試体の断面を示す断面図である。FIG. 1 (a) shows a cross section of a piston ring specimen according to the present invention, and FIG. 1 (b) shows a cross section of a piston ring specimen in which a nitride layer and an ion plating film are formed on the outer periphery by a conventional method. It is sectional drawing.
【図２】上記ピストンリング供試体の疲労試験方法を説
明する説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a fatigue test method of the piston ring specimen.
【図３】上記疲労試験時の時間に対する応力の変動の様
子を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing how stress changes with time during the fatigue test.
【図４】本発明によるピストンリング供試体と従来の方
法で窒化及びイオンプレーティング処理を行って得られ
た供試体との疲労試験結果を比較して示す曲線図であ
る。FIG. 4 is a curve diagram showing a comparison between fatigue test results of a piston ring specimen according to the present invention and a specimen obtained by performing nitriding and ion plating by a conventional method.
１ ピストンリング母材 ２ 窒化層 ３ イオンプレーティング層被膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston ring base material 2 Nitride layer 3 Ion plating layer coating
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16J 9/26 C23C 14/06 F02F 5/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) F16J 9/26 C23C 14/06 F02F 5/00
Claims (3)
リングの両側面及び内周面にのみ窒化層を有し、外周面
にイオンプレーティングによる硬質セラミックコーティ
ング層を有することを特徴とするピストンリング。1. A piston ring having a nitrided layer only on both side surfaces and an inner peripheral surface of a martensitic stainless steel piston ring, and a hard ceramic coating layer formed by ion plating on an outer peripheral surface.
リング母材の外周面のみにイオンプレーティングにより
硬質セラミックコーティング層を形成し、次いでガス窒
化処理を行って両側面及び内周面に窒化層を形成するこ
とを特徴とする請求項１に記載のピストンリングの製造
方法。2. A hard ceramic coating layer is formed only on an outer peripheral surface of a martensitic stainless steel piston ring base material by ion plating, and then a gas nitriding treatment is performed to form nitrided layers on both side surfaces and an inner peripheral surface. The method for manufacturing a piston ring according to claim 1, wherein:
リング母材の外周面にニッケル、水ガラスなどの窒化防
止層を形成し、次いでガス窒化処理を行ない、その後外
周面の窒化防止層を除去し、外周面にイオンプレーティ
ングにより硬質セラミックコーティング層を形成するこ
とを特徴とする請求項１に記載のピストンリングの製造
方法。3. A nitriding layer such as nickel or water glass is formed on the outer peripheral surface of the martensitic stainless steel piston ring base material, and then a gas nitriding treatment is performed. The method according to claim 1, wherein a hard ceramic coating layer is formed on the surface by ion plating.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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