JP4761375B2 - Piston ring for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関のピストンに設けられたリング溝に装着して使用される内燃機関用ピストンリングに関し、特に耐折損性が高く、優れた耐摩耗性を有する内燃機関用ピストンリングに関する。 The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine that is used by being mounted in a ring groove provided in a piston of the internal combustion engine, and particularly relates to a piston ring for an internal combustion engine that has high breakage resistance and excellent wear resistance.
内燃機関に用いられるピストンリングは、エンジンのシリンダライナ内に往復自在に配置されたピストンのリング溝に、その外周面とシリンダライナ内周面とが摺接関係となるように組み込まれる。上記ピストンリングは、エンジン作動中は主に燃焼室の気密化、シリンダ表面に形成される潤滑油膜の厚さ制御、および燃焼熱をピストンからシリンダライナへ伝達することによるピストンの冷却等の働きをする。従って、ピストンリングには耐摩耗性、耐焼付性、耐熱性、保油性などの特性が高い次元で要求される。 A piston ring used in an internal combustion engine is incorporated into a piston ring groove disposed in a reciprocating manner in a cylinder liner of the engine so that the outer peripheral surface thereof and the inner peripheral surface of the cylinder liner are in a sliding contact relationship. The piston ring mainly functions to seal the combustion chamber during engine operation, control the thickness of the lubricant film formed on the cylinder surface, and cool the piston by transferring combustion heat from the piston to the cylinder liner. To do. Therefore, the piston ring is required to have high characteristics such as wear resistance, seizure resistance, heat resistance, and oil retention.
従来より、内燃機関用のピストンリングの外周摺動面には、その耐久性を改善するため、硬質クロムめっき処理や窒化処理などの耐摩耗性の向上を目的とした表面処理が施されている。しかしながら、近年、内燃機関はますます軽量化および高出力化の方向へ向かっており、ピストンリングの摺動環境は非常に苛酷になり、上述したような表面処理では耐摩耗性等の機能を十分に満足させることができなくなってきている。最近では、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、外周摺動面にイオンプレーティング法による硬質皮膜(窒化クロム、窒化チタン等)が形成されたピストンリングが用いられている。また、ピストンリングの耐折損性向上のために、外周摺動面のみにイオンプレーティング皮膜を形成し、上下面および内周面のみに窒化層を形成することでイオンプレーティング皮膜の下地に窒化処理を施さず、亀裂の伝播を抑制するタイプのピストンリングが用いられている。 Conventionally, the outer peripheral sliding surface of a piston ring for an internal combustion engine has been subjected to surface treatment for the purpose of improving wear resistance such as hard chrome plating treatment or nitriding treatment in order to improve its durability. . However, in recent years, internal combustion engines have become increasingly lighter and more powerful, and the sliding environment of the piston ring has become extremely harsh. Surface treatment such as that described above has sufficient wear resistance and other functions. Can no longer be satisfied. Recently, for the purpose of further extending the life of the piston ring, a piston ring having a hard coating (chromium nitride, titanium nitride, etc.) formed by an ion plating method on the outer peripheral sliding surface is used. In addition, in order to improve the breakage resistance of the piston ring, an ion plating film is formed only on the outer peripheral sliding surface, and a nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, thereby nitriding the base of the ion plating film. A piston ring of a type that suppresses the propagation of cracks without any treatment is used.
上述したようなピストンリングは、外周摺動面上にイオンプレーティング法により硬質皮膜を形成した後に、上下面および内周面に窒化処理を施すために、窒化処理の際に上記硬質皮膜の空孔から母材の外周面にまで窒素が侵入し、母材が窒化されることにより母材と硬質皮膜との間に硬度の高い窒化層が入り込み、当該部分の耐折損性が低下してしまう場合がある。特に、外周摺動面の両端部においては、外周摺動面の中央部に比べて上記硬質皮膜の厚さが薄くなるため、窒素が侵入しやすく、耐折損性が低下する。 Since the piston ring as described above forms a hard film on the outer peripheral sliding surface by ion plating, and then performs nitriding treatment on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, the hard film is emptied during nitriding. Nitrogen penetrates from the hole to the outer peripheral surface of the base material, and the base material is nitrided, so that a hard nitrided layer enters between the base material and the hard coating, and the breakage resistance of the part decreases. There is a case. In particular, at both end portions of the outer peripheral sliding surface, the thickness of the hard coating is thinner than that of the central portion of the outer peripheral sliding surface, so that nitrogen easily enters and the breakage resistance is reduced.
そこで、特許文献1においては、外周摺動面に窒化防止層を形成した後にピストンリングの窒化処理を行い、窒化処理後に上記窒化防止層を除去し、外周摺動面にイオンプレーティング法により硬質皮膜を形成することにより、外周摺動面の窒化を防止している。しかしながら上記方法では、窒化防止層の形成および除去が必要であるため製造工程の増加や生産コストの増大につながり、実用的な方法であるとは言えない。また、疲労強度向上については、クラックの伝播を防止するために窒化層を形成しない旨の記載はあるが、コーナー部(面取り部)の軸方向長さと、窒化層の厚さとの割合等に関する記載は一切ない。
Therefore, in
特許文献2においては、外周摺動面にイオンプレーティング法による硬質皮膜を形成後、上下面および内周面に窒化処理を施し、ピストンリングの上下面を研磨加工することにより、硬質皮膜とビッカース硬度(HV)700以上の窒化層を互いに離間させ、疲労強度を向上させたことを特徴としたピストンリングの開示がある。この形成方法では、複数個のピストンリングがその軸方向に積み重ねられた状態で外周摺動面に硬質皮膜が形成される際、上記外周摺動面の端部(上下面と、外周摺動面との連結部分)は曲面的な形状を有するため、ピストンリング同士が隣接する箇所には凹んだ空間ができる。このような状態のピストンリングの外周摺動面に対して硬質皮膜を形成すると、当該凹み部分にも硬質皮膜が形成され、図3に示すように、ピストンリング1の上下面に硬質皮膜6のかぶり部70が生じる。形成された上記かぶり部70はピストンリング1毎にばらつきがあるため、このようなかぶり部70を有する母材2に窒化処理を施すと、形成される窒化層もピストンリング1毎にばらつきがあるものとなり、その後にピストンリング1上下面の研磨加工を行っても上記硬質皮膜6とビッカース硬度(HV)700以上の窒化層10との離間距離もばらつきがあるものとなり製造上好ましくない。
In
上記特許文献2では、硬質皮膜とビッカース硬度(HV)700以上の窒化層とを互いに離間させることにより疲労強度を向上することができるとの記載があるが、この形成方法においては、上記離間の距離のばらつきが大きく、疲労強度を安定化させることは困難である。また、特許文献2の図1および図3においては、コーナー部(面取り部)の全面にわたりビッカース硬度(HV)700以上の窒化層が形成されており、特許文献2において疲労強度の向上はあくまでも硬質皮膜とビッカース硬度(HV)700以上の窒化層とを互いに離間させることによるものであり、コーナー部(面取り部)の軸方向長さと、窒化層の厚さとの割合等に関する記載は一切ない。
In
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、クラックの伝播が生じにくく、優れた耐折損性および耐摩耗性を有する内燃機関用ピストンリングを提供することを主目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has as its main object to provide a piston ring for an internal combustion engine that is less prone to crack propagation and has excellent breakage resistance and wear resistance. is there.
本発明は、上記目的を達成するために、ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダボアと摺動する内燃機関用ピストンリングであって、上記ピストンリングは外周摺動面、上下面、内周面を有し、上記上下面のみ、あるいは上記上下面および上記内周面のみに窒化層が形成され、上記外周摺動面にイオンプレーティング法により硬質皮膜が形成されており、上記上面および下面に形成された上記窒化層におけるビッカース硬度(HV)700以上の窒化層と、上記硬質皮膜とが接触している領域であるビッカース硬度(HV)700以上の窒化層接触領域のピストンリング軸方向の長さが、上記外周摺動面の上端および下端に位置する面取り部のピストンリング軸方向の長さの3〜40%の範囲内であることを特徴とする内燃機関用ピストンリングを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a piston ring for an internal combustion engine that is mounted in a ring groove of a piston and slides with a cylinder liner or a cylinder bore, wherein the piston ring includes an outer peripheral sliding surface, upper and lower surfaces, A nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces, or only on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, and a hard film is formed on the outer peripheral sliding surface by an ion plating method. Piston ring axial direction of a nitride layer contact region having a Vickers hardness (HV) of 700 or more, which is a region where a nitride layer having a Vickers hardness (HV) of 700 or more in the nitride layer formed on the lower surface is in contact with the hard coating Is within the range of 3 to 40% of the length of the chamfered portion located at the upper end and the lower end of the outer peripheral sliding surface in the piston ring axial direction. To provide an internal combustion engine for a piston ring that.
本発明の内燃機関用ピストンリング(以下、ピストンリングと称する場合がある)においては、上記ビッカース硬度(以下、HVとする場合がある)700以上の窒化層接触領域の長さと、上記外周摺動面の面取り部の長さとの比率が上記範囲内であり、面取り部におけるHV700以上の窒化層の占める割合が小さいため、上記面取り部の耐折損性を向上させることができる。 In the piston ring for an internal combustion engine of the present invention (hereinafter sometimes referred to as a piston ring), the length of the nitride layer contact region of 700 or more of the Vickers hardness (hereinafter sometimes referred to as HV) and the outer periphery sliding. Since the ratio of the length of the chamfered portion to the chamfered portion is within the above range and the ratio of the nitride layer of HV700 or higher in the chamfered portion is small, the breakage resistance of the chamfered portion can be improved.
上記発明においては、上記HV700以上の窒化層の膜厚が15〜80μmの範囲内であることが好ましい。HV700以上の窒化層の膜厚を上記範囲にすることにより、上記HV700以上の窒化層接触領域の長さの比率が上記範囲であるピストンリングを容易に形成することができるからである。 In the said invention, it is preferable that the film thickness of the said HV700 or more nitride layer exists in the range of 15-80 micrometers. This is because by setting the film thickness of the nitride layer of HV700 or more in the above range, a piston ring in which the ratio of the length of the nitride layer contact region of HV700 or more is in the above range can be easily formed.
本発明は、耐折損性が高く、優れた耐摩耗性を有する内燃機関用ピストンリングを得ることができるといった効果を奏するものである。 The present invention provides an effect that a piston ring for an internal combustion engine having high breakage resistance and excellent wear resistance can be obtained.
本発明のピストンリングは、ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダボアと摺動する内燃機関用ピストンリングであって、上記ピストンリングは外周摺動面、上下面、内周面を有し、上記上下面のみ、あるいは上記上下面および上記内周面のみに窒化層が形成され、上記外周摺動面にイオンプレーティング法により硬質皮膜が形成されており、上記上面および下面に形成された上記窒化層におけるビッカース硬度(HV)700以上の窒化層と、上記硬質皮膜とが接触している領域であるHV700以上の窒化層接触領域のピストンリング軸方向の長さが、上記外周摺動面の上端および下端に位置する面取り部のピストンリング軸方向の長さの3〜40%の範囲内であることを特徴とするものである。 A piston ring according to the present invention is a piston ring for an internal combustion engine that is mounted in a ring groove of a piston and slides with a cylinder liner or a cylinder bore. The piston ring has an outer peripheral sliding surface, an upper and lower surface, and an inner peripheral surface. A nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces, or only on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, and a hard film is formed on the outer peripheral sliding surface by an ion plating method, and is formed on the upper and lower surfaces. The length in the piston ring axial direction of the nitride layer contact region of HV700 or higher, which is a region where the nitride layer of the nitride layer having a Vickers hardness (HV) of 700 or higher and the hard coating is in contact, is the outer peripheral sliding surface. It is characterized in that it is within a range of 3 to 40% of the length in the piston ring axial direction of the chamfered portions located at the upper end and the lower end.
以下、本発明のピストンリングについて、図を用いて説明する。図1は、本発明のピストンリングの一例を示す概略断面図である。図1に例示するように、本発明のピストンリング1の母材2の外周面には、緻密層4と、上記緻密層4上に形成された多孔質層5とから構成される硬質皮膜6が形成されている。また、ピストンリングの母材2の、上記外周摺動面3部分以外の上面7、下面8および内周面9にはHV700以上の窒化層10が形成されている。なお、本発明においては、図1中のh1をピストンリングの軸方向高さとし、a1をピストンリングの径方向幅とする。
Hereinafter, the piston ring of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a piston ring of the present invention. As illustrated in FIG. 1, a
上述したような本発明のピストンリングの外周摺動面の上端および下端には、それぞれ面取り部が形成されている。図2に、このような、外周摺動面の上端に位置する面取り部の一例の概略断面図を示す。図2(a)に例示するように、外周摺動面3の上面7側には面取り部11が形成されている。また、上面7に形成されたHV700以上の窒化層10と、外周摺動面3に形成された硬質皮膜6とが接触している領域がHV700以上の窒化層接触領域12である。本発明においては、上記面取り部11のピストンリング軸方向長さをy、上記HV700以上の窒化層接触領域12のピストンリング軸方向長さをx、上記HV700以上の窒化層のピストンリング軸方向長さ(HV700以上の窒化層の膜厚)をzとする。
A chamfered portion is formed at each of the upper end and the lower end of the outer peripheral sliding surface of the piston ring of the present invention as described above. FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an example of such a chamfered portion located at the upper end of the outer peripheral sliding surface. As illustrated in FIG. 2A, a chamfered
外周摺動面はシリンダの内壁面と摺動する面であるため、その一部である上記面取り部には高い耐折損性が要求されるが、従来のピストンリングにおいては耐摩耗性を向上させるためにその上下面に硬度の高い窒化層が形成され、その窒化層の端部が上記面取り部にも達するため、当該部分が面取り部の耐折損性の低下の原因となっていた。しかしながら、本発明のピストンリングにおいては、上記面取り部長さyに対する上記HV700以上の窒化層接触領域長さxの比率が上記範囲内であり、面取り部におけるHV700以上の窒化層の占める割合が小さい。そのため、上記面取り部の極一部に形成されたHV700以上の窒化層が耐折損性に与える影響は小さく、結果として面取り部の耐折損性を向上させることができる。また、上記面取り部が上下面と隣接する部分においては上記HV700以上の窒化層が形成されているため、ピストンリング上下面の耐摩耗性も維持することができる。
以下、このような本発明のピストンリングの各構成および製造方法についてそれぞれ詳細に説明する。
Since the outer peripheral sliding surface is a surface that slides with the inner wall surface of the cylinder, the chamfered portion, which is a part of the outer peripheral sliding surface, is required to have high breakage resistance, but conventional piston rings improve wear resistance. For this reason, a nitride layer having high hardness is formed on the upper and lower surfaces, and the end portion of the nitride layer reaches the chamfered portion, so that the portion causes a decrease in breakage resistance of the chamfered portion. However, in the piston ring of the present invention, the ratio of the nitride layer contact region length x of HV700 or more to the chamfered portion length y is within the above range, and the ratio of the nitride layer of HV700 or more in the chamfered portion is small. Therefore, the influence of the nitride layer of HV700 or more formed on a very small part of the chamfered portion on the breakage resistance is small, and as a result, the breakage resistance of the chamfered portion can be improved. Further, since the nitrided layer of HV700 or higher is formed in the portion where the chamfered portion is adjacent to the upper and lower surfaces, the wear resistance of the upper and lower surfaces of the piston ring can be maintained.
Hereafter, each structure and manufacturing method of such a piston ring of this invention are each demonstrated in detail.
1.窒化層
本発明のピストンリングにおいては、上記母材の上下面のみ、または上下面および内周面に窒化層が形成される。窒化層を形成することにより、ピストンリング上下面の、ピストンリング溝の上下面との叩かれに対する耐摩耗性を向上することができるからである。このような窒化層は、一般的な方法でピストンリングの表面から母材内に窒素を侵入および拡散させた場合、窒素濃度は母材の表面で高く、母材の表面から母材内部に入るにつれて窒素濃度が低くなるため、母材の表面近くには硬度の高い窒化層が形成され、その内側にはより硬度の低い窒化層が形成される。本発明においては、「HV700以上の窒化層と、外周摺動面に形成された硬質皮膜とが接触している領域」とは、上述したような窒化層のうち、母材の表面に形成されたビッカース硬度(HV)700以上の硬度を有する領域と、上記硬質皮膜とが接触している領域をいうものとする。なお、本発明においてビッカース硬度(HV)700以上とは、ビッカース硬度試験機の試験荷重を0.9807N(100gf)としたときに得られる値が700以上であるものを意味するものとする。
1. Nitride Layer In the piston ring of the present invention, a nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces of the base material or on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface. This is because, by forming the nitride layer, it is possible to improve the wear resistance against the tapping of the upper and lower surfaces of the piston ring with the upper and lower surfaces of the piston ring groove. Such a nitrided layer has a high nitrogen concentration on the surface of the base material when nitrogen penetrates and diffuses from the surface of the piston ring into the base material by a general method, and enters the base material from the surface of the base material. As the nitrogen concentration decreases, a nitride layer with high hardness is formed near the surface of the base material, and a nitride layer with lower hardness is formed inside thereof. In the present invention, the “region where the nitride layer of HV700 or higher and the hard coating formed on the outer peripheral sliding surface are in contact” is formed on the surface of the base material of the nitride layer as described above. In addition, a region having a Vickers hardness (HV) of 700 or more and a region where the hard coating is in contact with each other. In the present invention, the Vickers hardness (HV) of 700 or more means that the value obtained when the test load of the Vickers hardness tester is 0.9807 N (100 gf) is 700 or more.
本発明のピストンリングの上下面に形成されるHV700以上の窒化層は、上述したように上記面取り部のピストンリング軸方向長さをy、上記HV700以上の窒化層接触領域のピストンリング軸方向長さをxとした場合(図2参照)に、HV700以上の窒化層接触領域長さxが面取り部長さyの3〜40%の範囲内、好ましくは5〜20%の範囲内、になるように形成される。HV700以上の窒化層接触領域長さxと面取り部長さyとの比率が上記範囲に満たないとHV700以上の窒化層接触領域が小さすぎ、均一に形成できない場合がある。一方、上記比率が上記範囲を超えると、面取り部の耐折損性向上効果が充分に得られない場合がある。この際のHV700以上の窒化層接触領域長さxの実測値は、用いられるピストンリングや形成される面取り部の寸法により大きく異なるものではあるが、通常は5〜80μmの範囲内、好ましくは7〜30μmの範囲内で形成される。 As described above, the nitride layer of HV700 or higher formed on the upper and lower surfaces of the piston ring of the present invention has the piston ring axial length of the chamfered portion y, and the piston ring axial length of the nitride layer contact region of HV700 or higher. When the thickness is x (see FIG. 2), the nitride layer contact region length x of HV700 or more is in the range of 3-40% of the chamfered portion length y, preferably in the range of 5-20%. Formed. If the ratio between the nitride layer contact region length x of HV700 or more and the chamfered portion length y is less than the above range, the nitride layer contact region of HV700 or more may be too small to be formed uniformly. On the other hand, if the ratio exceeds the above range, the effect of improving the breakage resistance of the chamfered portion may not be sufficiently obtained. The actual measured value of the nitride layer contact region length x of HV700 or more at this time varies greatly depending on the dimensions of the piston ring used and the chamfered portion to be formed, but is usually in the range of 5 to 80 μm, preferably 7 It is formed within a range of ˜30 μm.
本発明において、上記HV700以上の窒化層は任意の形態に形成することができ、例えば図2(a)に例示するようにHV700以上の窒化層10の膜厚(深さ)方向の全域において、HV700以上の窒化層10と硬質皮膜6とが接触しておらず、母材2の上面7の最外周においてのみ接触していてもよい。また、図2(b)に例示するように、HV700以上の窒化層10と上記硬質皮膜6とは、HV700以上の窒化層10の膜厚方向の全域において接触していてもよい。この場合は、上記HV700以上の窒化層接触領域12長さxとHV700以上の窒化層10の膜厚(深さ)zは同じ長さになる。なお、外周摺動面の下端に位置する下面側の面取り部についても同様である。
In the present invention, the nitride layer of HV700 or more can be formed in an arbitrary form. For example, as illustrated in FIG. 2A, the
このようなHV700以上の窒化層の膜厚は特に限定されるものではないが、15〜80μmの範囲内、中でも20〜70μmの範囲内であることが好ましい。膜厚を上記範囲内にすることにより、上述したようなHV700以上の窒化層接触領域長さxの比率を有するHV700以上の窒化層を容易に形成することができるからである。 The film thickness of such a nitride layer of HV700 or higher is not particularly limited, but is preferably in the range of 15 to 80 μm, and more preferably in the range of 20 to 70 μm. This is because by setting the film thickness within the above range, a nitride layer of HV700 or more having a ratio of the nitride layer contact region length x of HV700 or more as described above can be easily formed.
2.硬質皮膜
本発明において、外周摺動面に形成される硬質皮膜は特に限定されるものではなく、所望の耐折損性が得られる公知のものを用いることができる。中でも、本発明において、上記硬質皮膜は、ピストンリング母材の外周面上に形成された、金属および/またはセラミックスから成る緻密層と、上記緻密層上に形成された多孔質層とから構成されていることが好ましい。上記緻密層を設けることにより、その後に母材の窒化処理を行った場合でも、母材の外周面の窒化を防止することができる。また、上記緻密層との密着性がよく、耐折損性の高い多孔質層を上記緻密層上に形成することにより、外周摺動面の耐折損性を向上させることができる。
以下、このような緻密層と、多孔質層とについて詳細に説明する。
2. Hard Film In the present invention, the hard film formed on the outer peripheral sliding surface is not particularly limited, and a known film that can obtain desired breakage resistance can be used. Among them, in the present invention, the hard coating is composed of a dense layer made of metal and / or ceramics formed on the outer peripheral surface of the piston ring base material, and a porous layer formed on the dense layer. It is preferable. By providing the dense layer, nitriding of the outer peripheral surface of the base material can be prevented even when the base material is subsequently nitrided. Further, by forming a porous layer having good adhesion to the dense layer and high breakage resistance on the dense layer, the breakage resistance of the outer peripheral sliding surface can be improved.
Hereinafter, such a dense layer and a porous layer will be described in detail.
(a)緻密層
本発明において、ピストンリングの母材の外周面の表面には、イオンプレーティング法により、金属および/またはセラミックスから成る緻密な層である緻密層が1〜5μmの範囲内、中でも2〜4μmの範囲内の膜厚で形成されることが好ましい。緻密層の膜厚が上記範囲に満たないと、窒素の侵入防止機能が不十分であり、上記緻密層の下に窒化層が形成されてしまう場合がある。一方、緻密層の膜厚が上記範囲を超える、不必要に厚い緻密層は形成に時間を要するため製造効率上望ましくなく、材料コストの観点からも望ましくない。
(A) Dense layer In the present invention, on the surface of the outer peripheral surface of the base material of the piston ring, a dense layer that is a dense layer made of metal and / or ceramics is within a range of 1 to 5 μm by ion plating. Especially, it is preferable to form with the film thickness in the range of 2-4 micrometers. If the film thickness of the dense layer is less than the above range, the nitrogen intrusion prevention function is insufficient, and a nitride layer may be formed under the dense layer. On the other hand, an unnecessarily thick dense layer whose film thickness exceeds the above range is not desirable in terms of production efficiency because it takes time to form, and is not desirable from the viewpoint of material cost.
上記緻密層の形成に用いられる金属は、窒素の侵入を防止することができる緻密な層を形成することができるものであれば特に限定されるものではなく、通常は単金属、または複数の金属を含有する合金が用いられる。本発明においては、ピストンリングの母材との密着性、熱膨張率、柔軟性等の観点からCr、Cr系合金、Ti、Ti系合金等、中でもCr、Cr系合金(Cr−B合金、Cr−V−B合金、Cr−B−Si合金等)が好適に用いられる。このような、上記母材と、多孔質層との中間の特性を有する金属を用いて緻密層を形成することにより、両者の密着性を向上させることができ、母材と、多孔質層との間の熱膨張率の違い等による剥離を防止することができる。 The metal used for forming the dense layer is not particularly limited as long as it can form a dense layer capable of preventing intrusion of nitrogen, and is usually a single metal or a plurality of metals. An alloy containing is used. In the present invention, from the viewpoint of adhesion with the base material of the piston ring, thermal expansion coefficient, flexibility, etc., Cr, Cr-based alloy, Ti, Ti-based alloy, etc., among others, Cr, Cr-based alloy (Cr-B alloy, Cr-V-B alloy, Cr-B-Si alloy, etc.) are preferably used. By forming a dense layer using such a metal having intermediate properties between the base material and the porous layer, the adhesion between them can be improved, and the base material, the porous layer, It is possible to prevent peeling due to a difference in thermal expansion coefficient between the two.
また、上記緻密層がセラミックスからなる場合も上記金属からなる場合と同様の膜厚において形成することができる。このようなセラミックスからなる緻密層は、例えばイオンプレーティング装置の炉内に窒素を導入することにより、緻密なCr2N層をイオンプレーティング皮膜として形成することができる。 Further, when the dense layer is made of ceramics, it can be formed with the same film thickness as that of the metal. Such a dense layer made of ceramics can form a dense Cr 2 N layer as an ion plating film, for example, by introducing nitrogen into a furnace of an ion plating apparatus.
上記緻密層は金属のみから成る層でも、セラミックスのみから成る層でも、金属およびセラミックスから成る層でもよい。また、上記緻密層は、例えば金属のみから成る層の上にセラミックスのみからなる層が形成された、多層構造を有するものでもよい。 The dense layer may be a layer made only of metal, a layer made only of ceramics, or a layer made of metal and ceramics. The dense layer may have a multilayer structure in which a layer made of only ceramics is formed on a layer made of only metal, for example.
上記緻密層の緻密の程度は、窒化処理の際に当該緻密層の下層の母材への窒素の侵入を阻害し、上記母材の窒化を防止することができる程度のものであれば特に限定されるものではない。本発明においては窒素の侵入を効果的に阻害するため、上記緻密層の空孔率が0〜0.4%の範囲内であることが好ましい。 The degree of denseness of the dense layer is not particularly limited as long as it can inhibit the penetration of nitrogen into the base material under the dense layer and prevent nitridation of the base material during nitriding. Is not to be done. In the present invention, the porosity of the dense layer is preferably in the range of 0 to 0.4% in order to effectively inhibit nitrogen intrusion.
(b)多孔質層
本発明においては上述した緻密層上に、イオンプレーティング法により多孔質層が形成されることが好ましい。上記多孔質層は、応力を吸収する空孔を有する層であるため、ピストンリングの外周摺動面にこのような多孔質層を形成することにより、外周摺動面の耐折損性を向上させることができる。
(B) Porous layer In the present invention, a porous layer is preferably formed on the dense layer described above by an ion plating method. Since the porous layer is a layer having pores that absorb stress, by forming such a porous layer on the outer peripheral sliding surface of the piston ring, the fracture resistance of the outer peripheral sliding surface is improved. be able to.
本発明に用いられる多孔質層の空孔率は、0.5〜20.0%の範囲内、中でも1.0〜10.0%の範囲内において形成されることが好ましい。多孔質層の空孔率が上記範囲に満たない場合は、応力を吸収する空孔の量が十分でなく、好ましい耐折損性が得られない場合がある。一方、空孔率が上記範囲を越えると、空孔が多すぎて多孔質層の強度が低下してしまう可能性がある。 The porosity of the porous layer used in the present invention is preferably formed in the range of 0.5 to 20.0%, particularly in the range of 1.0 to 10.0%. When the porosity of the porous layer is less than the above range, the amount of pores that absorb stress is not sufficient, and preferable breakage resistance may not be obtained. On the other hand, when the porosity exceeds the above range, there is a possibility that the strength of the porous layer is lowered due to too many pores.
上記多孔質層を形成する材料は、上述したような空孔率を有する層を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、一般的には金属窒化物等の無機材料が用いられる。中でも、上記緻密層を形成する金属の窒化物、例えば、Cr−N系、Cr−B−N系、Cr−B−Si−N系、またはTi−N系等の材料が好適に用いられ、特にCrN、Cr2N、CrNとCr2Nとの混合物、CrとCrNとの混合物、CrとCr2Nとの混合物、CrとCrNとCr2Nとの混合物、またはTiN等が好適に用いられる。このような材料を用いて多孔質層を形成することにより上記緻密層に近い特性を有する多孔質層を形成することができるため、緻密層との密着性を向上させることができ、緻密層との熱膨張率の違い等による剥離を防止することができる。 The material for forming the porous layer is not particularly limited as long as it can form a layer having a porosity as described above. In general, an inorganic material such as a metal nitride is used. Among them, a metal nitride forming the dense layer, for example, a Cr-N-based material, a Cr-B-N-based material, a Cr-B-Si-N-based material, or a Ti-N-based material is preferably used. In particular, CrN, Cr 2 N, a mixture of CrN and Cr 2 N, a mixture of Cr and CrN, a mixture of Cr and Cr 2 N, a mixture of Cr, CrN and Cr 2 N, or TiN are preferably used. It is done. By forming a porous layer using such a material, a porous layer having characteristics close to that of the dense layer can be formed, so that adhesion to the dense layer can be improved, and the dense layer and It is possible to prevent the peeling due to the difference in the thermal expansion coefficient.
上記多孔質層の膜厚は、所望の耐折損性を得られるものであれば特に限定されるものではなく、通常は5〜80μmの範囲内、好ましくは10〜50μmの範囲内の膜厚で形成される。 The film thickness of the porous layer is not particularly limited as long as desired fracture resistance can be obtained, and is usually in the range of 5 to 80 μm, preferably in the range of 10 to 50 μm. It is formed.
3.母材
本発明において用いられるピストンリングの母材の外周面には、面取り部が形成されている。このような面取り部を設けることにより外周摺動面の耐折損性を向上することができる。上記面取り部の大きさ等は特に限定されるものではないが、耐折損性向上の観点からピストンリング軸方向の長さ(図2におけるy)が、ピストンリングの軸方向高さ(図1におけるh1)の5〜30%の範囲内、中でも5〜20%の範囲内で形成されることが好ましい。
3. Base Material A chamfered portion is formed on the outer peripheral surface of the base material of the piston ring used in the present invention. By providing such a chamfered portion, the breakage resistance of the outer peripheral sliding surface can be improved. The size of the chamfered portion is not particularly limited, but the length in the axial direction of the piston ring (y in FIG. 2) is the height in the axial direction of the piston ring (in FIG. 1) from the viewpoint of improving breakage resistance. It is preferably formed within a range of 5 to 30% of h1), particularly within a range of 5 to 20%.
また、本発明のピストンリングに用いる母材は、外周面における最大高さ粗さRzが1.0〜4.0μmの範囲内、中でも1.5〜2.5μmの範囲内のものが用いられることが好ましい。母材の外周面の最大高さ粗さRzが上記範囲に満たないと、母材の表面積が小さ過ぎ、その上に形成される緻密層との密着性が悪くなってしまう場合がある。一方、上記最大高さ粗さRzが上記範囲を超えると、イオンプレーティング法により緻密層を形成する場合に緻密層を均一な膜厚で形成することが困難になり、局所的に緻密層の膜厚が薄い、または形成されない可能性がある。このような場合は、窒化処理の際に緻密層の膜厚が薄い、または形成されていない箇所から窒素が侵入し、緻密層の下の母材に窒化層が形成され、上記緻密層を形成した効果が十分に得られないため好ましくない。 The base material used for the piston ring of the present invention has a maximum height roughness Rz on the outer peripheral surface in the range of 1.0 to 4.0 [mu] m, particularly in the range of 1.5 to 2.5 [mu] m. It is preferable. If the maximum height roughness Rz of the outer peripheral surface of the base material is less than the above range, the surface area of the base material may be too small, and the adhesion with the dense layer formed thereon may deteriorate. On the other hand, if the maximum height roughness Rz exceeds the above range, it is difficult to form the dense layer with a uniform thickness when forming the dense layer by the ion plating method. The film thickness may be thin or not formed. In such a case, during the nitriding process, the dense layer has a thin film thickness, or nitrogen enters from a portion where the dense layer is not formed, and a nitride layer is formed on the base material under the dense layer, thereby forming the dense layer. This is not preferable because the obtained effect cannot be obtained sufficiently.
ここで最大高さ粗さRzとは、JIS B 0601:2001に基づく基準長さにおける輪郭曲線(粗さ曲線)の山高さZpの最大値と、谷深さZvの最大値との和であり、この値をマイクロメートル(μm)で表したものをいうものとする。 Here, the maximum height roughness Rz is the sum of the maximum value of the peak height Zp and the maximum value of the valley depth Zv of the contour curve (roughness curve) at the reference length based on JIS B 0601: 2001. This value is expressed in micrometers (μm).
上記母材の材質は、上述したような最大高さ粗さRzを有するものであれば特に限定されるものではなく、ピストンリングに一般的に用いられる材料を用いることができる。例えば、SUS440BやDINX90に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼や、SUS410材、SUS440材、10Cr鋼(質量%でCr:9〜11%)、およびオーステナイト系ステンレス鋼等を用いることができる。 The material of the base material is not particularly limited as long as it has the maximum height roughness Rz as described above, and a material generally used for piston rings can be used. For example, martensitic stainless steel represented by SUS440B or DINX90, SUS410 material, SUS440 material, 10Cr steel (Cr: 9 to 11% by mass), austenitic stainless steel, or the like can be used.
なお、上記以外の母材の形状や寸法等も特に限定されるものではなく、ピストンリングの用途に合わせて適宜調整することができる。 In addition, the shape, dimensions, and the like of the base material other than the above are not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the use of the piston ring.
4.製造方法
本発明のピストンリングの製造方法は上述した構成を有するピストンリングを得ることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えばピストンリングの母材の外周面にイオンプレーティング法により上記緻密層および多孔質層から構成される硬質皮膜を形成し、ピストンリングの上下面を研磨加工し、窒化処理を施してHV700以上の窒化層を形成することにより製造することができる。以下、このようなピストンリングの製造方法の各工程について説明する。
4). Manufacturing Method The manufacturing method of the piston ring of the present invention is not particularly limited as long as the piston ring having the above-described configuration can be obtained. For example, an ion plating method is applied to the outer peripheral surface of the base material of the piston ring. Can be produced by forming a hard film composed of the dense layer and the porous layer, polishing the upper and lower surfaces of the piston ring, and performing nitriding to form a nitride layer of HV700 or higher. Hereinafter, each process of the manufacturing method of such a piston ring is demonstrated.
(a)イオンプレーティング法による硬質皮膜の形成
本工程においては、以下の方法によりピストンリングの母材の外周面に上記緻密層と多孔質層とから構成される硬質皮膜を形成することができる。
ます、緻密層の形成に先立って、上記母材を8×10−5Torr以下の真空度に設定されたアークイオンプレーティング装置の炉内ヒーターで300〜660℃の範囲内で加熱することにより母材に吸着しているガスを放出させる。その後、上記母材に−1000〜−600Vの範囲内のバイアス電圧を印加し、陰極の金属ターゲットと陽極との間でアーク放電を発生させて上記ターゲットの金属を蒸気化、イオン化し、窒素ガスまたはアルゴンガスを導入してイオンボンバードをすることにより母材表面のクリーニングを行った。この際の上記陰極のターゲットとしては、緻密層を形成する金属のターゲットを用いる。
(A) Formation of hard film by ion plating method In this step, a hard film composed of the dense layer and the porous layer can be formed on the outer peripheral surface of the base material of the piston ring by the following method. .
First, prior to the formation of the dense layer, the base material is heated within a range of 300 to 660 ° C. with a furnace heater of an arc ion plating apparatus set to a vacuum degree of 8 × 10 −5 Torr or less. The gas adsorbed on the base material is released. Thereafter, a bias voltage in the range of −1000 to −600 V is applied to the base material, and arc discharge is generated between the cathode metal target and the anode to vaporize and ionize the metal of the target. Alternatively, the surface of the base material was cleaned by introducing argon gas and performing ion bombardment. In this case, a metal target forming a dense layer is used as the cathode target.
上記クリーニングを行った後の、アーク放電が発生している上記炉内へ、4×10−3〜4×10−2Torrの範囲内になるまでアルゴンガスを導入し、−10〜−50Vの範囲内のバイアス電圧を印加して母材の外周面上に緻密層を形成する。さらに、4×10−3〜4×10−2Torrの範囲内になるまで窒素ガスを導入し、−10〜−50Vの範囲内のバイアス電圧を印加することにより上記緻密層上に多孔質層を形成することができる。 Argon gas is introduced into the furnace in which arc discharge is generated after the cleaning is performed until it falls within the range of 4 × 10 −3 to 4 × 10 −2 Torr, and is set to −10 to −50V. A dense layer is formed on the outer peripheral surface of the base material by applying a bias voltage within the range. Further, a porous layer is formed on the dense layer by introducing a nitrogen gas until it falls within a range of 4 × 10 −3 to 4 × 10 −2 Torr and applying a bias voltage within a range of −10 to −50 V. Can be formed.
(b)研磨加工
上記方法により硬質皮膜を形成した場合、母材の上面や下面などの外周面以外の箇所にも上記硬質皮膜が形成される場合がある。母材の上下面に硬質皮膜が形成された場合、当該硬質皮膜が窒素の母材への侵入を阻害し、後の窒化処理の際に母材の上下面に均一にHV700以上の窒化層を形成することができなくなる可能性があるため、上記硬質皮膜の形成後に母材の上面と下面とをそれぞれ10〜20μmの範囲内、中でも10〜15μmの範囲内で研磨加工を行うことが好ましい。このような研磨加工を行って上下面に形成された硬質皮膜のかぶり部を除去することにより母材の上下面に均一かつ安定的にHV700以上の窒化層を形成することができる。
(B) Polishing process When the hard film is formed by the above method, the hard film may be formed in places other than the outer peripheral surface such as the upper surface and the lower surface of the base material. When a hard film is formed on the upper and lower surfaces of the base material, the hard film inhibits the penetration of nitrogen into the base material, and a nitride layer of HV700 or more is uniformly formed on the upper and lower surfaces of the base material during the subsequent nitriding treatment. Since it may become impossible to form, it is preferable to polish the upper surface and the lower surface of the base material within the range of 10 to 20 μm, particularly within the range of 10 to 15 μm after the hard coating is formed. By performing such a polishing process and removing the cover portions of the hard film formed on the upper and lower surfaces, a nitride layer of HV700 or more can be formed uniformly and stably on the upper and lower surfaces of the base material.
(c)窒化処理
本発明においては、母材の外周面に上記硬質皮膜が形成されたピストンリングを窒化処理することにより、上記ピストンリングの上下面、または、上下面および内周面にHV700以上の窒化層を形成することができる。上記窒化処理の方法は、上述したようなHV700以上の窒化層を形成することができるものであれば特に限定されるものではなく、ガス窒化法(550〜600℃において60〜300分)、塩浴窒化(タフトライド)法(570〜590℃において10〜300分)等公知の方法により行うことができる。形成されたビッカース硬度(HV)700以上の窒化層は、ピストンリングの切断面を研磨および仕上げ加工により鏡面に仕上げ、4%ナイタル液によりエッチングを行うことにより確認することができる。また、形成された窒化層の詳細な硬度分布は、断面硬度の測定をJIS G 0562:1993に基づく方法により確認することができる。
(C) Nitriding treatment In the present invention, the piston ring having the hard film formed on the outer peripheral surface of the base material is subjected to nitriding treatment so that the upper and lower surfaces, or the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface of the piston ring are HV700 or more. Nitride layers can be formed. The nitriding method is not particularly limited as long as it can form a nitride layer of HV700 or more as described above. Gas nitriding method (60 to 300 minutes at 550 to 600 ° C.), salt It can be performed by a known method such as a bath nitriding method (10 to 300 minutes at 570 to 590 ° C.). The formed nitrided layer having a Vickers hardness (HV) of 700 or more can be confirmed by polishing the cut surface of the piston ring to a mirror surface by polishing and finishing, and etching with 4% nital liquid. The detailed hardness distribution of the formed nitride layer can be confirmed by measuring the cross-sectional hardness by a method based on JIS G 0562: 1993.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例および比較例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.
[実施例1〜14]
直径φが90mm、径方向幅(図1に示すa1)が2.7mm、軸方向高さ(図1に示すh1)が1.0mmのピストンリング母材(SUS410材相当、C:0.65質量%、Si:0.40質量%、Mn:0.35質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Cr:13.5質量%、Mo:0.3質量%、残部:Fe)を用い、各ピストンリングの面取り部長さ(図2に示すy)は下記表1に示す長さとした。これらのピストンリングに対し、上記「4.製造方法」に記載された方法により硬質皮膜の形成、研磨加工、窒化処理を行うことにより、母材の外周面に緻密層および多孔質層が形成され、上下面および内周面に窒化層が形成されたピストンリングを製造した。その際の、アークイオンプレーティング装置の陰極としてはCrターゲットを用いた。形成された緻密層はCrから成り、膜厚は5μmであり、空孔率は0〜0.2%であった。また、上記緻密層上に形成された多孔質層はCrとCrNとCr2Nとの混合物から成り、膜厚は20μm、空孔率は1〜7%であった。さらに、上記多孔質層形成後には上記ピストンリングの上下面をそれぞれ15μm研磨加工し、その後窒化処理を行った。
[Examples 1 to 14]
Piston ring base material (equivalent to SUS410 material, C: 0.65) having a diameter φ of 90 mm, a radial width (a1 shown in FIG. 1) of 2.7 mm, and an axial height (h1 shown in FIG. 1) of 1.0 mm. % By mass, Si: 0.40% by mass, Mn: 0.35% by mass, P: 0.03% by mass or less, S: 0.03% by mass or less, Cr: 13.5% by mass, Mo: 0.3 The chamfered portion length (y shown in FIG. 2) of each piston ring was set to the length shown in Table 1 below. A dense layer and a porous layer are formed on the outer peripheral surface of the base material by subjecting these piston rings to hard coating formation, polishing, and nitriding by the method described in “4. Manufacturing Method” above. A piston ring having nitride layers formed on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface was manufactured. At that time, a Cr target was used as the cathode of the arc ion plating apparatus. The formed dense layer was made of Cr, the film thickness was 5 μm, and the porosity was 0 to 0.2%. The porous layer formed on the dense layer was made of a mixture of Cr, CrN, and Cr 2 N, and had a film thickness of 20 μm and a porosity of 1 to 7%. Further, after the formation of the porous layer, the upper and lower surfaces of the piston ring were each polished by 15 μm, and then nitriding was performed.
上記窒化処理は、塩浴軟窒化法またはガス窒化法により、HV700以上の窒化層の膜厚が20μm、40μmまたは70μmを目標として行った。上記塩浴軟窒化法については、公知の塩浴を用い580℃において、HV700以上の窒化層の膜厚が20μmのもの(実施例1〜3)については0.33時間、HV700以上の窒化層の膜厚が70μmのもの(実施例8〜10)については3時間窒化処理を行った。また、上記ガス窒化法については、550℃において、HV700以上の窒化層の膜厚が40μmのもの(実施例4〜7)については60分、HV700以上の窒化層の膜厚が70μmのもの(実施例11〜14)については3時間窒化処理を行った。下記表1にそれぞれの実施例における窒化処理の方法、形成されたHV700以上の窒化層膜厚の実測値、面取り部の長さy、および面取り部長さyに対するHV700以上の窒化層接触領域長さxの比率(%)を示す。
なお、形成された窒化層については、上記「4.製造方法の(c)窒化処理」に記載された方法により確認および断面硬度の測定を行い、HV700以上の窒化層接触領域長さxを求めた。
The nitriding treatment was performed by a salt bath soft nitriding method or a gas nitriding method with a target nitriding layer thickness of HV700 or more being 20 μm, 40 μm or 70 μm. For the salt bath soft nitriding method, a known salt bath is used at 580 ° C., and a nitride layer having a thickness of HV700 or more of 20 μm (Examples 1 to 3) is 0.33 hours, and a nitride layer of HV700 or more. For those having a thickness of 70 μm (Examples 8 to 10), nitriding treatment was performed for 3 hours. For the above gas nitriding method, at 550 ° C., the nitride layer of HV700 or more having a thickness of 40 μm (Examples 4 to 7) has a thickness of 60 minutes, and the nitride layer of HV700 or more has a thickness of 70 μm ( In Examples 11 to 14, the nitriding treatment was performed for 3 hours. Table 1 below shows the method of nitriding treatment in each example, the actual measured value of the formed nitride layer thickness of HV700 or more, the chamfered portion length y, and the nitrided layer contact area length of HV700 or more relative to the chamfered portion length y. The ratio (%) of x is shown.
The formed nitrided layer was confirmed and measured for cross-sectional hardness by the method described in “4. Manufacturing method (c) Nitriding treatment” to obtain a nitrided layer contact region length x of HV700 or more. It was.
[比較例1]
上記実施例と同様の方法で硬質皮膜の形成、研磨加工、窒化処理を行うことにより、母材の外周面に緻密層および多孔質層が形成され、上下面および内周面に窒化層が形成されたピストンリングを製造した。窒化層の形成の際は、ガス窒化法により550℃において5時間窒化処理を行った。下記表1に形成されたHV700以上の窒化層膜厚の実測値、面取り部の長さy、および面取り部長さyに対するHV700以上の窒化層接触領域長さxの比率(%)を示す。
[Comparative Example 1]
By forming a hard film, polishing, and nitriding in the same manner as in the above example, a dense layer and a porous layer are formed on the outer peripheral surface of the base material, and a nitride layer is formed on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface. Manufactured piston rings. When forming the nitride layer, nitriding treatment was performed at 550 ° C. for 5 hours by a gas nitriding method. Table 1 shows measured values of nitride layer thickness of HV700 or more formed, chamfered portion length y, and ratio (%) of nitride layer contact region length x of HV700 or more to chamfered portion length y.
[比較例2]
上記実施例と同様の方法で硬質皮膜の形成、研磨加工、窒化処理を行うことにより、母材の外周面に緻密層および多孔質層が形成され、上下面および内周面に窒化層が形成されたピストンリングを製造した。窒化層の形成の際は、塩浴軟窒化法により580℃において0.25時間窒化処理を行った。下記表1に形成されたHV700以上の窒化層膜厚の実測値、面取り部の長さy、および面取り部長さyに対するHV700以上の窒化層接触領域長さxの比率(%)を示す。
[Comparative Example 2]
By forming a hard film, polishing, and nitriding in the same manner as in the above example, a dense layer and a porous layer are formed on the outer peripheral surface of the base material, and a nitride layer is formed on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface. Manufactured piston rings. When forming the nitride layer, nitriding treatment was performed at 580 ° C. for 0.25 hours by a salt bath soft nitriding method. Table 1 shows measured values of nitride layer thickness of HV700 or more formed, chamfered portion length y, and ratio (%) of nitride layer contact region length x of HV700 or more to chamfered portion length y.
[比較例3〜6]
上記実施例と同一の寸法および材質であるピストンリング母材の全面(外周面、内周面、上面および下面)の窒化処理を行った。上記窒化処理は、塩浴軟窒化法またはガス窒化法により、HV700以上の窒化層の膜厚が40μmまたは70μmを目標として上記実施例と同様に行った。上記窒化処理により母材の最表面に形成された化合物層(白層)を薬品により除去した後に外周摺動面に上記実施例における多孔質層と同様にCrとCrNとCr2Nとの混合物から成る膜厚20μmの層を硬質皮膜として形成した。下記表1にそれぞれの比較例における窒化処理の方法、形成されたHV700以上の窒化層膜厚の実測値、および面取り部の長さyを示す。なお、比較例3〜6については、外周摺動面の上記硬質皮膜の下層にもHV700以上の窒化層が形成されているため、HV700以上の窒化層接触領域長さxを特定することができない。
[Comparative Examples 3 to 6]
Nitriding treatment was performed on the entire surface (outer peripheral surface, inner peripheral surface, upper surface and lower surface) of the piston ring base material having the same dimensions and materials as in the above example. The nitriding treatment was performed in the same manner as in the above-described example by a salt bath soft nitriding method or a gas nitriding method with a target thickness of a nitride layer of HV700 or more being 40 μm or 70 μm. After the compound layer (white layer) formed on the outermost surface of the base material by the nitriding treatment is removed by chemicals, a mixture of Cr, CrN, and Cr 2 N is formed on the outer peripheral sliding surface in the same manner as the porous layer in the above embodiment. A layer having a thickness of 20 μm was formed as a hard coating. Table 1 below shows the method of nitriding treatment in each comparative example, the actually measured value of the thickness of the formed nitride layer of HV700 or more, and the length y of the chamfered portion. In Comparative Examples 3 to 6, the nitride layer contact area length x of HV700 or more cannot be specified because the nitride layer of HV700 or more is formed in the lower layer of the hard coating on the outer peripheral sliding surface. .
[耐折損性試験]
上記実施例および比較例において製造されたピストンリングの耐折損性試験を行った。耐折損性試験には、ピストンリングに当接し押圧変形させる押し治具を有する、特開2001−208650公報の図1に開示されている第1の実施の形態によるピストンリングの性能評価装置を用いた。この際、上記性能評価装置の押圧部は先細り状のテーパ面(テーパ角度:7.5°)をなすものを用い、ピストンリングが折損するまで上記押し治具を往復運動することにより耐折損性を測定した。上記性能評価装置の押し治具による荷重負荷の変位が正弦波で30Hzとなるように上記押し治具を往復移動させ、試験を行った。ピストンリングの折損の検出は、ピストンリングによってシールされた部分に9.8MPaのエアーを流し、シールされた部分のエアー圧変化をレコーダーに記録させ、圧力変化が生じたところで試験機を停止させた。
[Fracture resistance test]
A breakage resistance test was performed on the piston rings manufactured in the above examples and comparative examples. For the breakage resistance test, the piston ring performance evaluation apparatus according to the first embodiment disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-208650, which has a pressing jig that contacts and deforms the piston ring, is used. It was. At this time, the pressing portion of the performance evaluation device uses a taper-shaped taper surface (taper angle: 7.5 °), and the reciprocating motion of the pressing jig until the piston ring breaks. Was measured. The test was performed by reciprocating the push jig so that the displacement of the load applied by the push jig of the performance evaluation device was a sine wave of 30 Hz. The piston ring breakage was detected by flowing 9.8 MPa of air through the part sealed by the piston ring, recording the air pressure change in the sealed part on the recorder, and stopping the test machine when the pressure change occurred. .
下記表1に耐折損性試験の結果を示す。なお、下記表1中の耐折損性指数は、比較例1のピストンリングの疲労強度を100としたときの、それぞれのピストンリングの疲労強度を指数化し、耐折損性を示す値とした。 Table 1 below shows the results of the breakage resistance test. In addition, the fracture resistance index in the following Table 1 is a value indicating the fracture resistance by indexing the fatigue strength of each piston ring when the fatigue strength of the piston ring of Comparative Example 1 is 100.
上記表1から、実施例1〜14のピストンリングは、耐折損性に優れていることが分かる。比較例1、および3〜6のピストンリングは、耐折損性の点において上記実施例に劣るものであった。また、比較例2のピストンリングについては、良好な耐折損性は得られたが、HV700以上の窒化層接触領域が均一に形成されていなかった。 From the said Table 1, it turns out that the piston rings of Examples 1-14 are excellent in breakage resistance. The piston rings of Comparative Examples 1 and 3 to 6 were inferior to the above examples in terms of breakage resistance. Moreover, about the piston ring of the comparative example 2, although favorable fracture resistance was obtained, the nitride layer contact area | region more than HV700 was not formed uniformly.
1 … 内燃機関用ピストンリング
2 … 母材
3 … 外周摺動面
4 … 緻密層
5 … 多孔質層
6 … 硬質皮膜
7 … 上面
8 … 下面
9 … 内周面
10 … HV700以上の窒化層
11 … 面取り部
12 … HV700以上の窒化層接触領域
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ピストンリングは外周摺動面、上下面、内周面を有し、前記上下面のみ、あるいは前記上下面および前記内周面のみに窒化層が形成され、前記外周摺動面にイオンプレーティング法により硬質皮膜が形成されており、
前記上面および下面に形成された前記窒化層におけるビッカース硬度(HV)700以上の窒化層と、前記硬質皮膜とが接触している領域であるビッカース硬度(HV)700以上の窒化層接触領域のピストンリング軸方向の長さ(x)が、前記外周摺動面の上端および下端に位置する面取り部のピストンリング軸方向の長さ(y)の3〜40%の範囲内であり、
前記窒化層接触領域のピストンリング軸方向の長さ(x)が、前記HV700以上の窒化層の膜厚(z)の16.4〜44.4%の範囲内であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 A piston ring for an internal combustion engine that is mounted in a ring groove of a piston and slides with a cylinder liner or a cylinder bore,
The piston ring has an outer peripheral sliding surface, an upper and lower surface, and an inner peripheral surface, and a nitride layer is formed only on the upper and lower surfaces or only on the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface, and ion plating is performed on the outer peripheral sliding surface. A hard film is formed by the method,
Pistons in a nitride layer contact region having a Vickers hardness (HV) of 700 or more, in which a nitride layer having a Vickers hardness (HV) of 700 or more in the nitride layer formed on the upper surface and the lower surface is in contact with the hard coating The length (x) in the ring axial direction is in the range of 3 to 40% of the length (y) in the piston ring axial direction of the chamfered portions located at the upper and lower ends of the outer peripheral sliding surface ,
The internal length of the nitride layer contact region in the piston ring axial direction (x) is in the range of 16.4 to 44.4% of the thickness (z) of the nitride layer of HV700 or more. Piston ring for engine.
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