JPH0148388B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） この発明は耐摩耗性摺動部材とその製造方法に
関し、更に詳しくは内燃機関のピストンリングと
その製造方法に関する。

（従来技術と問題点） 従来、内燃機関用ピストンリングの耐摩耗特性
を改善する手段として、その摺動面に硬質クロム
めつき処理や窒化処理が施されている。

ここで、窒化処理は低コストで耐摩耗性表面が
形成できる手段として多用されている。

しかしながら、窒化処理は550℃以上の高温域
で施されるのが一般であり、特にピストンリング
に窒化処理を施す場合にはリング母材の硬度低下
を防止する必要からその処理時間は短時間（一般
には２時間が限度）とする必要がり、処理時間が
短いと、形成される窒化層の厚さが薄く２時間の
処理でも窒化深さは60〜80μｍ程度である。この
ように窒化層の厚さが薄い場合には短時間の使用
で窒化層が消失してしまい部材の耐久性が充分に
確保されないという難点があり改善が望まれてい
た。また、苛酷な使用条件で使用されるピストン
リングでは従来の方法により形成される窒化層で
はなお耐摩耗特性が充分ではない。

（発明の目的） この発明は、上記に鑑み、耐摩耗特性と耐スカ
ツフ特性に優れた、改善された表面処理層を有す
る内燃機関用ピストンリングとその製造方法を提
供することを目的としてなされたものである。

（発明の構成および効果） 本発明は、摺動面に窒化層が形成され、該窒化
層の少なくともその表面には四三酸化鉄でなる酸
化物層が形成されている内燃機関用ピストンリン
グに係る。

上記本発明の内燃機関用ピストンリングは、鋼
製ピストンリングを、通常のガス窒化処理用雰囲
気に１〜5vol％の酸素又は４〜30vol％の空気を
含む550〜580℃の処理雰囲気中で0.5〜４時間処
理すること（以下、酸窒化処理という。）により
容易に得ることができる。

また、前記酸窒化処理の後に、520〜550℃で
0.5〜１時間の水蒸気処理を施す場合には表面の
酸化物層をより緻密に形成させることができピス
トンリングの耐スカツフ特性の改善に特に有効で
ある。。

本発明では鋼製ピストンリングは、１〜5vol％
の酸素又は４〜30vol％の空気を含有するガス窒
化処理雰囲気中で酸窒化処理される。この処理に
よれば窒化が促進され、100μｍ以上の窒化深さ
も短時間にして容易に得ることができ、また、窒
化層表面には四三酸化鉄よりなる酸化物が形成さ
れていて耐摩耗性および耐スカツフ性に優れ且つ
耐久性の良好な内燃機関用ピストンリングを得る
ことができる。

さらに、前記酸窒化処理の後、通常の水蒸気処
理を施すことにより窒化処理層の表面の酸化鉄層
がより緻密に形成されるためにピストンリング摺
動面の耐スカツフ特性が改善される。本発明方法
による場合には、鋼製ピストンリングの摺動面に
深さが深く且つ表面に四三酸化鉄層を有する窒化
層を短時間で形成することができる。したがつ
て、本処理方法は、母材の軟化をできるだけ抑え
ることを必要とするピストンリングの摺動面形成
方法として特に好適である。

従来、マルテンサイト系ステンレス鋼がピスト
ンリング用材として多用されており、この種のピ
ストンリングの摺動面に窒化処理が施されが、母
材が軟化してしまう関係で長時間の処理が出来
ず、せいぜい２時間程度が限度である。この場
合、得られる窒化深さは60〜80μｍ程度と浅く、
したがつて、耐久性が充分ではなかつた。これに
対して本発明方法により得られるピストンリング
は窒化深さが深く且つ窒化層表面には四三酸化鉄
でなる酸化鉄層を有するものであるために耐摩耗
耐スカツフ性に優れており、また、処理が短時間
で行えるので母材の軟化も少なく抑えることもで
きる。

なお、本発明方法では、ガス窒化処理雰気中の
酸素含有量あるいは空気含有量が過度に不足であ
ると四三酸化鉄の形成が不足し、また、これらの
含有量が過度に多くなると窒化物の形成量が不足
するので、本発明方法では酸素あるいは空気の含
有量を前記所定の範囲とすることが望ましい。

（実施例） 硬度Hv400に調質したDIN90材（Ｃ：0.8、
Si：0.4、Mn：0.3、Cr：17.5、Ｖ：0.1、Mo：
1.1、Fe：残）を、NH₃ガスでなる通常のガス窒
化処理雰囲気に酸素を2.5vol％混合した処理雰囲
気中で、処理温度570℃、処理時間90分で処理し、
表面に四三酸化鉄でなる酸化鉄層を有する窒化層
を母材表面に形成し試料１（本発明品）とした。

比較のために、上記と同じ母材を、シアン塩と
シアン酸塩でなる通常の窒化用塩浴中で、処理温
度を570℃とし、処理時間を90分および180分とし
て処理し母材表面に窒化処理層を形成し比較材を
得た（比較材１および比較材２）。

第１図は上記各試料の表面から内部への硬度分
布を示すグラフである。

第１図から明らかなごとく、従来方法で90分処
理した比較材１の場合、その窒化深さが70μｍ程
度であるのに対して、本発明品の場合、同一処理
温度及び時間であるにかかわらず、その処理層の
深さは100μｍと、180分処理の比較材２と同程度
に達している。

また、処理後の母材硬度は、180分間処理の比
較材２の場合Hv320であるに対し、本発明品（試
料１）ではHv350であり母材硬度の低下を少なく
抑えることができる。それ故、本発明は母材の硬
度低下を極力抑えることを必要とするピストンリ
ングに適用するに特に有効である。

次に、DIN x90鋼を母材として上記と同様に
して酸窒化処理を施した後、550℃で30分間の水
蒸気処理を施して試料Ａとし、耐焼き付き性（耐
スカツフ性）の試験を行つた。試験装置は第２図
および第３図に概要を示すものであつて、ステー
タ１に取はずし可能に取り付けられた直径80mmの
円板（相手材）２の中央には裏側から注油孔３を
通して潤滑油が注油される。ステータ１には図示
省略した油圧装置によつて図において右方に向け
て所定圧力で押圧力が作用するようにしてある。
円板２に相対向してロータ４があり、図示省略し
た駆動装置によつて所定速度で回転するようにし
てある。ロータ４の円板２に対向する端面に取付
けられた試料保持具４ａには５mm角で高さ10mmの
試験片５が同心円上に等間隔をなして４個着脱可
能に、且つ円板２に対接して正方形端面が摺動す
るように取付けてある。このような試験装置にお
いて、注油孔３から摺動面に所定給油速度で給油
しながら試験片５を円板２に対接摺動させ、ステ
ータ１に作用する圧力を一定時間毎に増加させて
ゆき、試験片５と円板２との間に発生する摩擦力
をトルクＴとしてスピンドル６を介してロードセ
ル７で測定し、トルクＴに急激な増加が発生する
ときの前記圧力の値をもつて耐スカツフ特性の善
し悪しを判定した。

試験条件：相手円板材……FC25材 摺動速度……８ｍ／秒 潤滑油及び……モータオイル＃30 供給条件 温度80度 350〜400ml／分 摺接面圧……40Kg／cm²から３分間毎に
10Kg／cm²づつ増加させる。

上記耐スカツフ性テストの結果を第４図に示
す。

なお、水蒸気処理を施さない本発明品（試料
Ｂ）および従来の塩浴窒化処理を施した試料（試
料Ｃ）についても同様にしてテストし結果を第４
図に並記した。

第４図より、本発明品（試料Ａ及びＢ）は比較
試料（試料Ｃ）に比べその耐スカツフ特性が改善
されており、酸窒化処理後に水蒸気処理を施した
試料Ａの耐スカツフ特性が特に改善されているこ
とが明らかである。

上述の通りで、本発明は耐摩耗性と耐スカツフ
性を特に必要とする内燃機関用ピストンリングと
して好適なピストンリングを提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は試料表面から内部への硬度分布を示す
グラフ図。第２図は耐スカツフ性テスト装置の要
部断面をしめす。第３図は第２図の−断面を
示す。第４図は耐スカツフ性テスト結果を示すグ
ラフ。 図中：１……ステータ、２……円板（摺動相
手）、３……注油孔、４……ロータ、５……試験
片、６……スピンドル、７……ロードセル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ピストンリングの摺動面に窒化処理層が形成
   され、且つ該窒化処理層の少なくともその外表面
   に四三酸化鉄でなる酸化物層が形成されているこ
   とを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 ２ ピストンリングを１〜5vol％の酸素又は４〜
   30vol％の空気を含む窒化処理雰囲気中において
   550〜580℃で0.5〜４時間処理することを特徴と
   する摺動面に窒化処理層が形成され、且つ該窒化
   処理層の少なくとも外表面に四三酸化鉄でなる酸
   化物層が形成されている内燃機関用ピストンリン
   グの製造方法。 ３ ピストンリングを１〜5vol％の酸素又は４〜
   30vol％の空気を含むの窒化処理雰囲気中におい
   て550〜580℃で0.5〜４時間処理した後に520〜
   550℃で0.1〜１時間の水蒸気処理を施すことを特
   徴とする、摺動面に窒化処理層が形成され且つ該
   窒化処理層の少なくとも外表面に四三酸化鉄でな
   る酸化物層が形成されている耐摩耗性摺動部材の
   製造方法。