JP4233015B2

JP4233015B2 - ピストンリング

Info

Publication number: JP4233015B2
Application number: JP2002246215A
Authority: JP
Inventors: 悦夫為貝; 士郎柴田; 邦浩井口; 恭子高村
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004084781A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れたステンレス鋼製ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の耐摩耗性を有するステンレス鋼製ピストンリングは、ステンレス鋼製母材の上下面、及び内外周面に窒化処理を施して窒化層を形成し、これらの窒化層から化合物層を除去して拡散層を露出させ、外周面の拡散層上に硬質セラミックを真空蒸着してイオンプレーティング被膜を形成し、この被膜により耐摩耗性の向上を図るものであった。
【０００３】
しかしながら、特許第３０９０５２０号や特開２０００−２９１８００号に開示されているように、このピストンリングは、イオンプレーティング被膜にクラックが発生すると、クラックが被膜下の硬い窒化層にまで伝搬して耐疲労強度が低下するという問題があったため、窒化層を母材の上下面及び内周面のみに形成し、外周面にはまったく形成しないことが提案された。
【０００４】
この一方、ピストンリングについては、シリンダライナとの摺動性向上等の観点から、外周面の上下コーナ部に面取り加工が施されるものがある。この面取り部に硬い窒化処理を施した場合、イオンプレーティング被膜の密着性が悪くなるため、面取り部だけは窒化層を形成せずに、母材上に直接イオンプレーティング被膜を形成したピストンリングが、特開２００２−６１７４６号により開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の、窒化層を外周面にまったく形成しないピストンリングについては、イオンプレーティング被膜が摩滅すると直接母材表面が現れてしまい、耐摩耗性に劣るという問題がある。
【０００６】
一方、本願発明者は、上述したイオンプレーティング被膜から窒化層へのクラック伝播性、及び被膜と下地との密着性については、単に窒化層の有無のみにより論じられるべきものではなく、窒化層のどの部分をイオンプレーティング被膜の下地として使用するか、つまり窒化拡散層の硬度により、被膜から窒化層へのクラック伝播性、及び被膜と下地との密着性が大きく左右されることに着目してきた。この結果、外周面及び面取り部に窒化層がまったく無い場合には、耐クラック伝播性つまり疲労強度は充分であるが、被膜の密着性において劣り、また、硬い窒化層が形成されている場合には、疲労強度が劣るということが判明した。特に、面取り部については、被膜のクラックが最も発生しやすく、被膜から窒化層へのクラックの伝播を防止し、ピストンリングの耐疲労性を向上させることが急務となっている。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、耐摩耗性、耐疲労性、イオンプレーティング被膜の密着性に優れ、特に面取り部における耐疲労性と被膜の密着性とを一段と向上させたピストンリング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】
上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、ステンレス鋼製母材の上下面及び内外周面に化合物層が除去された窒化拡散層を有し、外周面の上下コーナ部が面取り加工されて面取り部が形成されると共に、外周面及び面取り部に硬質セラミックのイオンプレーティング被膜が形成されたピストンリングにおいて、面取り部の拡散層の硬度をＨｖ４００以上７００未満としたことにある。ここで、面取り部の拡散層の硬度がＨｖ４００未満の場合には、被膜の密着性が悪くなる一方、硬度がＨｖ７００以上の場合には、拡散層への耐クラック伝播性が悪くなり、疲労強度が低下する。
【０００９】
本手段により、面取り部について、硬度がＨｖ４００以上７００未満の窒化の程度が低い拡散層を形成したから、従来の面取り部にまったく窒化処理が施されていないピストンリングに比べて、面取り部における被膜の密着性が向上する。また、上述したように、イオンプレーティング被膜のクラックはこの面取り部において最も発生しやすいが、面取り部に硬度がＨｖ７００未満の窒化の程度が低い拡散層を形成したことで、従来の面取り部に硬度がＨｖ７００以上の硬い拡散層を有するピストンリングに比べて、拡散層への耐クラック伝播性が改善され、ピストンリングの疲労強度が向上する。さらに、外周面に窒化拡散層を有するから、被膜が摩滅しても直接母材表面が現れることもない。
【００１０】
好ましくは、面取り部の拡散層の厚さを５μｍ以上４０μｍ以下とする。拡散層の厚さが５μｍ未満の場合には、被膜の密着性が悪くなる。また、拡散層の厚さが４０μｍを超える場合には、耐クラック伝播性が悪くなり、疲労強度が低下するおそれがある。拡散層の硬度のみならず、拡散層の厚さを制限することにより、面取り部における被膜の密着性及び拡散層への耐クラック伝播性が、より一層向上する。なお、この面取り部の拡散層の厚さは、１０μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。
【００１１】
好ましくは、外周面の窒化拡散層の硬度をＨｖ４００以上９００以下とする。面取り部の場合と同様の理由により、外周面における被膜の密着性が向上する。なお、外周面の窒化拡散層の硬度は、Ｈｖ６００以上９００以下であることが望ましい。この場合、外周面における被膜の密着性がさらに向上する。
【００１２】
好ましくは、外周面の拡散層の厚さを１０μｍ以上４０μｍ以下とする。面取り部の場合と同様の理由により、外周面における被膜の密着性及び拡散層への耐クラック伝播性が、より一層向上する。なお、この外周面の拡散層の厚さは、１５μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。
【００１３】
例えば、被膜は、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｎ−Ｏ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ−Ｏ系、Ｔｉ−Ｎ系のいずれか１種からなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係るピストンリングの発明の実施の形態を、図１を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）ないし（ｄ）は、本ピストンリング１のイオンプレーティング被膜の形成工程を示す。図１（ａ）に示すように、ピストシリング１の母材２は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼製であり、ガス窒化処理又は塩浴窒化処理により、母材２の上下面、及び内外周の全面に窒化層３が形成される。窒化層３の厚さは、例えば６０〜１２０μｍとする。
【００１６】
窒化層３の表面近くは、窒素濃度の高い化合物層４である。化合物層４の下には拡散層５が形成され、この拡散層５は内部に向かい窒素濃度が徐々に低下し、上部には窒素濃度が比較的高く硬度が硬い拡散層が形成され、下部には窒素濃度が比較的低く硬度が柔らかい拡散層が形成される。なお、ピストンリング１の母材２は、必ずしもマルテンサイト系のステンレス鋼製に限定されるものではなく、他の種類のステンレス鋼製であってもよい。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、ピストンリング１の上下面６，７及び内外周面８，９について、公知の方法により図１（ａ）に示す窒化層３から化合物層４をすべて除去し、拡散層５を露出させる。ここで、上下面６，７及び内周面８の拡散層５の表面硬度をＨｖ７００以上とする。
【００１８】
図１（ｃ）に示すように、ピストンリング１の外周面９の図１（ｂ）に示す上下コーナ部１０を面取り加工して面取り部１１を形成し、表面硬度がＨｖ４００以上Ｈｖ７００未満の拡散層５を露出させる。なお、この硬度はＨｖ４００以上Ｈｖ６００以下であることが望ましい。このとき、面取り部１１の拡散層５の厚さは、窒化層３の当初厚さの約３０％以下の５μｍ以上４０μｍ以下とし、さらには１０μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。
【００１９】
と同時に、外周面９を研磨して、表面硬度がＨｖ４００以上Ｈｖ９００以下、望ましくはＨｖ６００以上Ｈｖ９００以下の拡散層５を露出させる。このとき、外周面９の拡散層５の厚さは、窒化層３の当初厚さの約３０％以下の１０μｍ以上４０μｍ以下とし、さらには１５μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。面取り部１１と外周面９の加工は、同時加工、別加工のいずれでもよいが、面取り部１１の加工を先にすることが望ましい。また、外周面９の拡散層硬度をＨｖ４００以上Ｈｖ９００以下とする場合とＨｖ６００以上Ｈｖ９００以下とする場合とでは、加工の道具及び工程を適宜調整する必要がある。
【００２０】
図１（ｄ）に示すように、ピストンリング１の面取り部１１及び外周面９の拡散層５上に、真空蒸着処理（物理的気相成膜法）により、例えばＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｎ−Ｏ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ−Ｏ系、Ｔｉ−Ｎ系のいずれか１種からなる硬質セラミックのイオンプレーティング被膜１２を形成する。なお、被膜１２の種類は、これらに限定されるものではない。
【００２１】
このように、本ピストンリング１は、ステンレス鋼製母材２の面取り部１１及び外周面９に、硬度がＨｖ４００以上の窒化拡散層５を形成したから、従来の面取り部及び外周面にまったく窒化処理が施されていないピストンリングに比べて、面取り部１１及び外周面９におけるイオンプレーティング被膜１２の密着性が向上する。また、面取り部１１の窒化層の硬度をＨｖ７００未満としたから、従来の面取り部に硬度がＨｖ７００以上の窒化層を有するピストンリングに比べて、窒化層への耐クラック伝播性が改善され、ピストンリング１の耐疲労性が向上する。さらに、本ピストンリング１においては、外周面９のイオンプレーティング被膜１２が摩滅しても、下地として硬度がＨｖ９００以下の拡散層５が形成されるから、直ちに母材２の表面が現れることはなく、耐摩耗性にも優れている。
【００２２】
ここで、外周面９の拡散層５の硬度がＨｖ９００以下であるのに対し、面取り部１１の拡散層５の硬度をそれよりも柔らかいＨｖ７００未満としたのは、被膜１２のクラックは面取り部１１において最も発生しやすく、面取り部１１における被膜１２から窒化層へのクラック伝播を、一段高いレベルで充分に考慮する必要があるからである。なお、面取り部１１を除く、上下面６，７及び内外周面８，９の硬度は、必ずしも上述した硬度に限定されるものではない。また、面取り部１１及び外周面９の拡散層５の厚さも、必ずしも上述した厚さに限定されるものではない。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明のピストンリングを、表１及び表２に示す比較例と実施例とについて実施した、密着性（耐剥離性）試験及び耐疲労性試験によって説明する。
【００２４】
イオンプレーティング被膜としてＣｒ−Ｎ系の被膜を有するピストンリングについて、次表１に示す４種の比較例と４種の実施例を形成した。
【００２５】

次に、イオンプレーティング被膜としてＣｒ−Ｂ−Ｎ系の被膜を有するピストンリングについて、次表２に示す４種の比較例と４種の実施例を形成した。
【００２６】

このように形成した各試験片について、以下の密着性試験及び耐疲労性試験を実施した。
（密着性試験）
図２に示す衝撃試験機３１により、各試験片の耐剥離性を測定した。衝撃試験機３１において、矢印で示すように、当て金３２で支持したピストンリング３３の表面に、圧子３４を介して、１回当たり４３．１ｍＪ（４．４ｋｇｆ・ｍｍ）の衝撃エネルギを加え、剥離発生までの衝撃回数を測定した。試験条件は、次のとおりであった。
【００２７】
ピストンリング母材：
Ｃ：０．９０、Ｓｉ：０．４２、Ｍｎ：０．３２、Ｐ：０．０２、
Ｓ：０．０２、Ｃｒ：１７．５、Ｍｏ：１．１８、Ｖ：０．１０、
Ｃｏ：４．０、Ｆｅ：残り（質量％）
被膜の性質：
Ｃｒ−Ｎ系被膜（Ｃｒ：５．７、Ｃｒ₂Ｎ：７．９、ＣｒＮ：８６．４（積分強度比％））、Ｃｒ−Ｎ硬度：Ｈｖ１４００
Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系被膜（Ｃｒ：７８．５、Ｂ：１．２、Ｎ：２０．３（質量％））、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ硬度：Ｈｖ１８００
被膜厚さ：すべて３０μｍ
（耐疲労性試験）
図３に示すリング実体型疲労試験機４１を用いた浸漬疲労試験により、各試験片の耐疲労性を測定した。リング実体型疲労試験機４１においては、ピストンリング４２の一端を支持台４３に固定し、他端をてこアーム４４の一端に固定し、偏心カム４５より、てこアーム４４を介して、所定の振幅でピストンリング４１に繰り返し応力を与える。応力の変化は、合い口の開閉量を変化させることで行った。ピストンリング４１が折損するまでの繰り返し数を測定し、Ｓ−Ｎ曲線を求めた。そして、Ｓ−Ｎ曲線から１×１０⁷回だけ耐え得る応力を疲労限として求めた。
【００２８】
そして、イオンプレーティング被膜としてＣｒ−Ｎ系の被膜を有するピストンリングについて、上述した各試験の測定結果は、次表３に示すとおりであった。耐剥離性及び耐疲労性は、比較例１を１００とした剥離指数及び疲労強度指数でそれぞれ評価した。指数が大きい程、剥離しにくく、また折損しにくいことを示す。
【００２９】
（表３）
試験片剥離性指数疲労強度指数
比較例１１００１００
比較例２７５１５０
比較例３６７１１４
比較例４７９１５０
実施例１９６１３０
実施例２９６１３８
実施例３９２１４５
実施例４９９１３３
また、イオンプレーティング被膜としてＣｒ−Ｂ−Ｎ系の被膜を有するピストンリングについて、上述した各試験の測定結果は、次表４に示すとおりであった。耐剥離性及び耐疲労性は、上記比較例１を１００とした剥離指数及び疲労強度指数でそれぞれ評価した。指数が大きい程、剥離しにくく、また折損しにくいことを示す。
【００３０】
（表４）
試験片剥離性指数疲労強度指数
比較例５１００１００
比較例６７５１５０
比較例７６７１１３
比較例８８０１５０
実施例５９６１３１
実施例６９８１３８
実施例７９０１４４
実施例８９８１３１
以上より、イオンプレーティング被膜がＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系のいずれの場合にも、ピストンリングの被膜の密着性は、面取り部及び外周面の拡散層硬度がＨｖ４００以上の場合には、面取り部の拡散層硬度がＨｖ７００以上の場合、あるいは外周面の拡散層硬度がＨｖ９００を超える場合に比べて、同等ないしわずかに低下するが、拡散層硬度がそれぞれＨｖ４００未満の場合、及び面取り部又は外周面のいずれか一方に拡散層がまったく形成されていない場合に比べて、いずれも優れていることが判明した。また、ピストンリングの耐疲労性は、面取り部の拡散層硬度がＨｖ４００以上７００未満の場合、及び外周面硬度がＨｖ４００以上９００以下の場合に優れていることが判明した。
【００３１】
よって、本発明の実施例１ないし８は、耐剥離性及び疲労強度についていずれも優れた効果を得ることができるものであった。さらに、外周摺動面の下地として拡散層を残すことで、硬質被膜が摩耗した際に母材を保護することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のピストンリングは、ステンレス鋼製母材の上下面及び内外周面に化合物層が除去された窒化拡散層を有し、外周面の上下コーナ部が面取り加工されて面取り部が形成されると共に、外周面及び面取り部に硬質セラミックのイオンプレーティング被膜が形成され、この面取り部の拡散層の硬度をＨｖ４００以上７００未満とした。したがって、本発明のピストンリングは、耐摩耗性と、特に面取り部における耐疲労性及びイオンプレーティング被膜の密着性とを一段と向上させることができるという優れた効果を奏する。
【００３３】
好ましくは、外周面の窒化拡散層の硬度をＨｖ４００以上９００以下としたから、外周面における耐疲労性及びイオンプレーティング被膜の密着性を一段と向上させることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピストンリングを示す縦断面図であり、（ａ）は窒化処理後、（ｂ）は化合物層の除去後、（ｃ）は面取り部と外周面の加工後、（ｄ）は被膜形成後のそれぞれの状態を示す。
【図２】衝撃試験機３１を示す略図である。
【図３】リング実体型疲労試験機４１を示す略図である。
【符号の説明】
１ピストンリング
２母材
３窒化層
４化合物層
５拡散層
６上面
７下面
８内周面
９外周面
１０コーナ部
１１面取り部
１２イオンプレーティング被膜
３１衝撃試験機
３２当て金
３３ピストンリング
３４圧子
４１リング実体型疲労試験機
４２ピストンリング
４３支持台
４４てこアーム
４５偏心カム

Claims

ステンレス鋼製母材（２）の上下面（６、７）及び内外周面（８、９）に化合物層（４）が除去された窒化拡散層（５）を有し前記外周面の上下コーナー部（１０）が面取り加工されて面取り部（１１）が形成されると共に前記外周面及び前記面取り部に硬質セラミックのイオンプレーティング被膜（１２）が形成されたピストンリング（１）において、前記外周面（９）の前記拡散層の硬度をＨｖ４００以上９００以下とし、前記面取り部の前記拡散層の硬度を、前記外周面（９）の前記拡散層の硬度よりも柔らかいＨｖ４００以上７００未満とし、前記被膜はＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系のいずれか１種からなることを特徴とするピストンリング。
前記面取り部（１１）の前記拡散層（５）の厚さを５μｍ以上４０μｍ以下としたことを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
前記外周面（９）の前記拡散層（５）の厚さを１０μｍ以上４０μｍ以下としたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のピストンリング。