JP3090520B2 - ピストンリングとその製造方法 - Google Patents
ピストンリングとその製造方法Info
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Description
【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。
使用されるピストンリング及びその製造方法に関する。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
明する説明図である。
【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。
子を示すグラフである。
【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。
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。
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
───────────────────────────────────────────────────── 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
Claims (3)
- 【請求項１】 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。 - 【請求項２】 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。 - 【請求項３】 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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03356517A JP3090520B2 (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | ピストンリングとその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03356517A JP3090520B2 (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | ピストンリングとその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05172248A JPH05172248A (ja) | 1993-07-09 |
| JP3090520B2 true JP3090520B2 (ja) | 2000-09-25 |
Family
ID=18449421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03356517A Expired - Fee Related JP3090520B2 (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | ピストンリングとその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3090520B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6698763B2 (en) | 2001-02-27 | 2004-03-02 | Nippon Piston Ring Co., Ltd. | Piston ring |
| WO2013023270A1 (pt) | 2011-08-17 | 2013-02-21 | Mahle Metal Leve S/A | Anel de pistão |
| WO2016177626A1 (en) | 2015-05-05 | 2016-11-10 | Mahle Metal Leve S/A | Piston ring |
| WO2018215269A1 (en) * | 2017-05-26 | 2018-11-29 | Mahle International Gmbh | Coated steel piston ring |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3295388B2 (ja) | 1999-04-07 | 2002-06-24 | 帝国ピストンリング株式会社 | ピストンリング |
| JP5276361B2 (ja) * | 2008-05-30 | 2013-08-28 | 日本ピストンリング株式会社 | ピストンリング |
| BRPI0903320A2 (pt) | 2009-09-24 | 2011-05-24 | Mahle Metal Leve Sa | anel de pistão e processo de fabricação de um anel de pistão |
| BRPI0905228B1 (pt) * | 2009-12-29 | 2017-01-24 | Mahle Metal Leve Sa | anel de pistão nitretado resistente à propagação de trincas |
| CN105683630B (zh) | 2013-10-18 | 2017-11-21 | 株式会社理研 | 内燃机用活塞环 |
| JP6387228B2 (ja) * | 2013-11-26 | 2018-09-05 | 株式会社リケン | 内燃機関用ピストンリング |
| BR102015020400A2 (pt) | 2015-08-24 | 2017-03-01 | Mahle Int Gmbh | anel de pistão |
| KR101872249B1 (ko) * | 2017-03-08 | 2018-06-28 | 주식회사 코우 | 자동차용 유니버설 조인트의 파이프조인트 제조방법 |
-
1991
- 1991-12-25 JP JP03356517A patent/JP3090520B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6698763B2 (en) | 2001-02-27 | 2004-03-02 | Nippon Piston Ring Co., Ltd. | Piston ring |
| WO2013023270A1 (pt) | 2011-08-17 | 2013-02-21 | Mahle Metal Leve S/A | Anel de pistão |
| US9702461B2 (en) | 2011-08-17 | 2017-07-11 | Mahle Metal Leve S.A. | Piston ring |
| WO2016177626A1 (en) | 2015-05-05 | 2016-11-10 | Mahle Metal Leve S/A | Piston ring |
| US10704690B2 (en) | 2015-05-05 | 2020-07-07 | Mahle Metal Leve S/A | Piston ring |
| WO2018215269A1 (en) * | 2017-05-26 | 2018-11-29 | Mahle International Gmbh | Coated steel piston ring |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05172248A (ja) | 1993-07-09 |
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