JPS60172773A - 高耐久性ピストンリング及びその製造方法 - Google Patents

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】 本発明は高耐久性ピストンリング及びその製造方法に関
するものである。

内燃機関用ピストンリングの表面硬化処理としては一般
的に硬質Ｃｒめっきによる硬化処理が使用されているが
、この硬化処理のみでは、最近の高出力化及びより高度
な排ガス規制の強化につれて、ディーゼルエンジン等の
エンジンでリング摩耗に起因してエンジンライフを短か
くするというトラブルが多発している。

これらの対策として種々の硬化処理が検討され、高鉛ガ
ソリン用としてＭｏ系、Ｐｅ−Ｃｒ　−Ｃ系材等を溶射
することにより表面を硬化したビスＩ−クランクが一部
に使用されているが、自身の摩耗には問題ないが、溶射
特性から生ずる相手材への攻撃性及び相手材が鋳鉄材で
耐摩耗に乏しいことから相性に問題があり、相手材であ
るシリンダの摩耗が大きく、エンジンライフの面で不充
分で、相対摩耗の調和したピストンリングの硬化処理が
必要である。

本発明はシリンダ摩耗を現行水準としピストンリングの
寿命を延長することによりエンジンライフを延長するも
のである。

一般にピストンリングの寿命を延長する方法として、■
リングの材質を改善する方法　■より硬化耐摩耗性を向
上する方法　■現行の硬化層の厚さを増加する方法等が
ある。しかし、■■の方法はシリンダ材が鋳鉄等に限定
されるため、相性調整が困難であり、耐久性向上のため
には■の方法による硬化層自体を増厚する手段がとられ
る。現在実用化されている硬化処理には硬質Ｃｒめっき
又は窒化処理等の処決がある。

これらの処理リングは、通常のエンジンでは性能、耐久
性共に満足できるが、高度な排ガス対策を施したディー
ゼルエンジン又は高鉛ガソリン使用のエンジン等では、
耐久性で満足できず、必然的に硬化層厚さの増加を要求
されている。

然しなから、これらの各々の処理は、単に耐久性のみか
らの要求で厚さを勝手に設定できない問題がある。

例えば、靭性の小さい硬質Ｃｒめっきは母材変形に追従
できず、ＣｒＦｉ中には縦方向のクラックを発生する。

このクランクは母材まで貫通するため切欠きとして作用
し、母材の疲労限を低下させる。このクラックはめっき
厚さの増加につれて大きくなるため、応力集中が大きく
なり、ピストンリングの折損事故の大きな要因となって
おり、ピストンリングの如（くり返し応力を生ずる場合
重大な機械特性の劣化となり、厚めつき仕様の重要な問
題点である。

又、下記の電気めっきの特性も厚めつき仕様の重要な問
題点である。

■　表面形状の変化が大きくなり、ピストンリングとし
ての成形加工に問題を生ずる。

■　めっき厚の不同が増大し完成加工が困難になる。

■　表面あらさが急増し加工代が増加する。

以上の点より、上限めっき厚さは、母材強度及び使用条
件にも関係するが、０．２５ｍｍ以下が安全サイドであ
る。

一方窒化処理は窒化厚さにつれて窒化速度が低下し、又
、ピストンリングのような薄肉材への窒化処理は靭性劣
化が大きく、ピストンへの組付拡げ応力で折損するため
、窒化厚さには限界があり、母材肉厚さの２０％以下が
実用的で、例えば厚さ０．６　ｖａのサイトレールでは
１２０μ以下とするのが望ましい。

以上の如く、単一層では、各々の上限厚さが規制され、
厚さのみの増加で耐久性を向上させその希望を達成する
ことは不可能である。

前述した如く硬質Ｃｒめっきは疲労限を低下させる特性
がある。一方窒化処理はＮの拡散により残留応力を生じ
、疲労強度を向上することが広く知られている。なお、
Ｎの拡散による残留応力による効果であることから、本
発明（後述）での最表面のＮ濃度の高い化合物層の除去
は全く問題ない。窒化処理は疲労限を向上する特性があ
ることから、窒化処理後めっきすることにより、疲労限
の高い硬質Ｃｒめっきリングが製造可能となる。

従って、この両者の利点を併用させることによって、硬
質Ｃｒめっき摩滅後、窒化処理層が耐摩耗効果をもたら
し耐久性向上に寄与するので、窒化処理面上への硬質Ｃ
ｒめっきは機械的特性の向上及び耐摩耗性の向上が望め
理想的な高寿命ピストンリングとなる。

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、高耐久性
のピストンリング及びその製造方法を提供することを目
的とする。

本発明の高耐久性ピストンリングは、マルテンサイト系
鋼材よりなるピストンリングの全表面に窒化層を有し、
かつ摺動面は少なくとも最表面のＮ濃度の高い化合物層
を除去した窒化層上に硬質Ｃｒめっき層を有することを
特徴とする。

又、本発明の高耐久性ピストンリングの製造方法は、マ
ルテンサイト系鋼材よりなるピストンリングをＮ　Ｈ３
ガスとＮ２ガスの混合ガス又はＮ　Ｈ３ガス雰囲気中で
５００〜６００℃に保持して全表面をガス窒化したのち
、少な（とも外周面の窒化層の中の少なくとも最表面の
Ｎ濃度の高い化合物層を除去し、該化合物層を除去した
外周面上に弗化浴により硬質Ｃｒめっきを施すことを特
徴とする。

窒化処理面に電気めっきする上で問題になるのは密着性
であり′、特にピストンリングのような高度な密着性を
要求される場合、窒化法、めっき前処理、めっき条件が
ピストンリング製造”上大きな要件となる。

窒化法として、Ｎ、ＣあるいはＮ、Ｃ，Ｏを拡散する軟
窒化法及びＮのみを拡散する窒化法等があるが、その表
面に電気めっきを処理する上で過度にＮＳＣあるいはＮ
、Ｃ，Ｏと化合して非金属層化した表面は強固な密着力
は得られない。通常使用されている塩浴法は有害な表面
酸化Ｎ（焦眉）及び多孔質層が他の方法より厚く、かつ
層厚さは処理時間と比例関係にあるので、ピストンリン
グ製造上では不都合な点が多い。

この場合Ｎのみ拡散する本発明のＮ　Ｈｓガス窒化法の
方がめつき下地面として好ましい。

Ｎ　Ｈ３ガス窒化法においても、２　Ｎ　Ｈｓ→２Ｎ＋
３Ｈ２で生じたＮが表面から拡散浸入するため、最表面
のＮ濃度は非常に高く、塩浴法と比較すれば非常に薄い
がＮ　Ｈ３ガス法においても化合物層を形成するため、
その面に硬質Ｃｒめっきを処理する場合必ずめっき前に
最表面のＮ濃度の高い化合物層を除去しな（てはならな
い。

窒化層の主な状態は最表面よりζ−Ｆｅｚ　Ｎ、ｔ−Ｆ
ｅ２−３　Ｎ％　７’　−Ｆｅ４　Ｎ％　α−Ｆｅ中Ｎ
固熔層を形成分布するが、めっきの密着性を阻害するの
は最表面のＮ濃度の高い化合物層であり、この層を除去
した面上へ硬質Ｃｒめっき処理することによって、硬質
Ｃｒめっきの密着性の良好なピストンリングが得られる
。勿論窒化処理を実施する上でどの化合物層の発生が出
来る限り少ない材質を選定するのが良（、ピストンリン
グとしての機能も留意して一般的にはピストンリング用
材料としての材質はマルテンサイト系！ＩＩ　（ＳＵＳ
４４０Ｂ　、　Ｓ［ｌ５４２０Ｊ２等、及びその相当材
）を使用すること矛よい。マルテンサイト系鋼材は耐熱
、耐摩耗性に優れ、又電気伝導度も高い（Ｃｒめっき電
流は５０Ａ／ｄ＋＋＋２程度と他のめっきの２０倍以上
の高電流を必要とする）。又被Ｃｒめっき面は密着性の
ため電気化学的に活性であることが必要であり、ＳＯ３
材は高度な不働態化被膜除去技術を必要とし、オーステ
ナイト系よりマルテンサイト系の方が有利である。又オ
ーステナイト系においては、含有−Ｎｉが厚窒化を阻害
する。

次に化合物層を出来る限り薄くする窒化法及び処理条件
を選定することである。塩浴法は窒化雰囲気中の窒素ポ
テンシャルの制御が困難であることに起因し、処理時間
が長くなるほど最表層部に生成する化合物層も厚くなり
、ピストンリング製造には不適当である。

本発明の窒化法であるＮ　Ｈ３ガス窒化法は処理温度及
び流量によりＮ　Ｈｓガスの分解率を調整し、化合物層
生成を最小とし、かつＮ　Ｈｓの分解率は鉄を触媒とし
ているため窒化が進行するにつれて分解率が自動的に低
下し、窒素ポテンシャルは自動的に低下するため化合物
層の厚さは処理時間の多少の差によって増加しない利点
がある。処理温度は、高温側は母材の内部硬度の低下を
防止するため６００℃以下としく５ＵＳ４２０Ｊ２　、
Ｓ［ＪＳ４４０Ｂ等で処理後の内部硬さＨｖ３５０以上
）、低温側は高硬度窒化層（温度が低くなるほど窒化速
度は低下するが硬さは増す）が剥離の可能性があるため
５００℃以上とするが、５６０〜５８０℃が最適である
。

塩浴窒化も鉄を触媒とし発生機のＮを発生するが、窒素
ポテンシャルが高いため、ＳＯ３材でもガス窒化のよう
な特殊な前処理を必要とせずかつ窒化速度が比較的早い
利点があるが、本目的の化合物層を薄くしようとする場
合逆効果となる。

又、この窒化法によって発生する不要化合物層をラッピ
ング加工等により研削除去する場合、Ｎ　Ｈ３ガス法で
発生する化合物層は１０μｍ以下であり、窒化処理によ
る歪量、及び窒化による膨張量、表面あらさの増分等の
修正加工代は最少の研削代で充分除去できるので問題は
ない。

しかし、めっき下地面は電気化学的に活性度が不充分な
ため、より強固な密着性を得るためには硬質Ｃｒめっき
条件の改善が必要である。標準的な硬質Ｃｒめっき層積
であるクロム酸−硫酸をベースどしたサージェント浴よ
り弗化層積の方が高い密着力を得ることができる。これ
はサージェント浴の触媒である５０４２−より弗化浴の
触媒であるＦ−の方が活性度を高めるためである。

弗化浴は広い電流密度でめっきができ、カバーリングパ
ワーが良い等の特性とＣｒ上にＣｒめっきを施すことが
容易であることが大きな利点として広く知られているが
、Ｃｒ上にＣｒめっきを施す上で問題になるのは、例え
ばめっきの中断時めっき面は瞬時に不働態化し、硫酸の
みを触媒とする標準浴（サージェント浴）では完全に不
・１ｆＪＪ態化膜を除去しかつ高度なめっき技術（再め
っき手法、エツチング−めっきに極性を変更し、２．５
■より１分毎に０．５Ｖずつ昇圧し規定電流にする）で
めっきしないと密着不良になることが広く知られている
。−万弗化浴ではめっきを中断しても特別な処理を必要
とせず継続し再めっきすることが可能であり、これは浴
中のＦ−イオンによる不働態化膜の除去効果による。本
ｒめっきに類例している。マルテンサイト系鋼材＋窒化
面への安定的なＣｒめっき浴として弗化浴が必要である
。

以上より本発明による製造方法としての硬質Ｃｒめっき
処理方法は弗化浴による条件を前提とするものである。

弗化浴としては下記のものが好適である。

Ｃｒ０３２００〜３００ｇ／ｌ！。

Ｃｒ”　０．５　〜５　ｇ／／２ Ｔ（２５０４１〜３　ｇ／ｊ２ 弗化物　１〜５　ｇ／ｊ！ 温度　４５〜６０℃ 弗化物は多種あり、３０種以上あるが、一般に使用され
ているのはＮ２ＳｉＦ６又はに２ＳｉＦ６である。

本発明はＦ−イオンの存在するめつき浴とする。

なお、下記の再めっき手法を用いればより好ましい。

１）エツチング（′ｆ！電）３〇八へｄｍ２Ｘ１分２）
めっき　（正電） １、９　Ｖ　Ｘ　５分　還元洗浄処理 めっき　２．５Ｖ（分解電圧）より１分銀ＩＶずつ昇圧
し規定電流（ ４５〜５〇八／ｄｍ２）にする。

なお、窒化厚さは寿命で設定すればよい問題で、トップ
リングの上下面では■シフ００以−Ｆの硬さで厚さ１０
μ以上あれば通常のディーゼルニシジンライフを満たす
ことが可能であるが、母材硬さ、使用条件の変動等を考
慮し３０μ以上が安全サイドである。上限は疲労強度と
は別に窒化厚さにつれて靭性が劣化しピストンへの組付
時に破断するため、リングの肉厚の２０％以下がよい。

硬質Ｃｒめっきの厚さは５０μ以上で、Ｃｒめっき後の
成形加工、疲労限等を考慮し２５０μ以下が好ましい。

第１図に本発明のピストンリングの一実施例を示す。

本実施例のピストンリング１は全表面に窒化層を有する
が、内周面以外の面の窒化層は最表面のＮ濃度の高い化
合物層を除去した。即ち、２はピストンリング母材、３
はピストンリング全表面に形成されたＨｖ７００以上の
窒化層、４は摺動面の窒化層３上に形成したＨｖ８５０
以上の硬質Ｃｒめっき層、５は内周面の窒化層３上に除
去されないまま残っているＮ！１度の高い化合物層であ
る。

なお、本実施例のものは摺動面及び上下面のＮ濃度の高
い化合物層を除去したので、かたくてもろい化合物層が
脱落して摩耗粉として作用し、□相手摩耗、自身の摩゛
耗を加速し異常摩耗の原因となったり、シリンダ内周面
あるいはリング面のきすの原因となったりすることがな
い。

下記に本発明の製造方法の一実施例を示す。

１）粗仕上加工（線材からリング形状加工まで）２）窒
化処理　（ＮＨ３ガス窒化） ３）Ｎ濃度の高い化合物層除去研削加工（めっき下地作
り） ４）脱　脂　（有機溶剤による蒸気洗浄）５）表面活性
処理（２８０〜３５０メツシユのアルミナ砥粒を１０〜
３０％（体 積比）含んだ水溶液を使用 し空気圧５　ｋｇ／ｃＩａでブラス ト加工） ６）硬質Ｃｒめっき（弗化層系でめっきする）７）完成
加工　（外周ランプ、 上下面研摩（圧縮リング）、 合い口調整） 以下、硬質Ｃｒめっきの密着テストを説明する。

（１）密着テスト方法 第２図の如く、密着テストのために、幅Ｂ＝２ｍのスリ
ット６をピストンリング１の内周側から外周側に向かっ
て外周面からＡ＝３ｍｍの所まで形成する。そして、第
３図のようにピストンリング１の片方を固定７し、他方
を破断するまで内側より外側方向に定速で拡げ、硬質Ｃ
ｒめっき層４の破断状態を観察し密着性の評価をする。

評価は第４図に示す如く硬質Ｃｒめっき４が完全に残留
していた場合を良、第５図の如く硬質Ｃｒめっき４が部
分的に残留していた場合をやや良、第６図の如く硬質Ｃ
ｒめっき４が残留していない場合を不良とする。

（２）テスト材 ピストンリング材質　５ＵＳ４２０Ｊ　２ピストンリン
グ寸法 ８３φｍｍＸ　２．　Ｏｔｍ　（Ｂ）　Ｘ　３．５■（
Ｔ）表面硬化処理は第１表による。なお、 テスト階１と６は窒化処理なしの例であ窒化処理条件と
硬質Ｃｒめっき条件は 夫々第２゛表と第３表に示す。

製造工程は粗油ニー窒化処理−Ｎ濃度 の高い化合物層除去研削加ニー説脂−表面活性処理→硬
質Ｃｒめっき一完成加工による。脱脂は弗素系の有機溶
剤による蒸気洗浄、表面活性処理は２８０メツシユのア
ルミナ砥粒を体積比で３０％含む水溶液を使用し空気圧
５ｋｇ／−でプラスト加工するものである。

（３）結果 上記第１表のテストｌｌ＆Ｌ１〜６について各々１０個
密着テストを実施した結果は、第１表に示すとおり、本
発明法であるテストＮ１１５が最も安定した密着性が得
られることがわかる。

本発明のピストンリングは以上説明したように、疲労強
度に優れると共に、耐久性があり、かつ硬質Ｃｒめっき
の密着性が良く、又相手材であるシリンダの摩耗も少な
い。又本発明の製造方法によれば、硬質Ｃｒめっきの密
着性が良好な上記ピストンリングを安定して得られるも
のである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明のピストンリングの一実施例を示す断面
部分図、第２図は密着テストのためにスリットを設けた
ピストンリングの平面部分図、第３図は密着テストの説
明図、第４〜６図はピストンリングの密着テスト後の密
着評価良、やや良、不良状態を夫々示す図である。 １・・・ピストンリング　２・・・母材３・・・窒化Ｎ
　４・・・硬質Ｃｒめっき層５・・・Ｎ濃度の高い化合
物層 代理人　弁理士　岡　部　健　− 第１図 第２図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１）　マルテンサイト系鋼材よりなるピストンリング
   の全表面に窒化層を有し、かつ摺動面は少なくとも最表
   面のＮ濃度の高い化合物層を除去した窒化層上に硬質Ｃ
   ｒめっき層を有することを特徴とする高耐久性ピストン
   リング。 （２）上下面の窒化層が少なくとも最表面のＮ濃度の高
   い化合物層を除去した層よりなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の高耐久性ピストンリング。 （３）窒化層がＮ　ＨｓガスとＮ２ガスの混合ガス又は
   Ｎ　Ｈｓガス雰囲気中で５００〜６００℃に保持して形
   成されたガス窒化層であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項又は第２項記載の高耐久性ピストンリング。 （４）　マルテンサイト系鋼材よりなるピストンリング
   をＮ　Ｈ３ガスとＮ２ガスの混合ガス又はＮＨ３ガス雰
   囲気中で５００〜６ｏｏ℃に保持して全表面をガス窒化
   したのち、少なくとも外周面の窒化層の中の少なくとも
   最表面のＮ濃度の高い化合物層を除去し、該化合物層を
   除去した外周面上に弗化浴により硬質Ｃｒめっきを施す
   ことを特徴とする高耐久性ピストンリングの製造方法。