JPH0526066B2 - - Google Patents
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- JPH0526066B2 JPH0526066B2 JP23281685A JP23281685A JPH0526066B2 JP H0526066 B2 JPH0526066 B2 JP H0526066B2 JP 23281685 A JP23281685 A JP 23281685A JP 23281685 A JP23281685 A JP 23281685A JP H0526066 B2 JPH0526066 B2 JP H0526066B2
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- coating film
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Landscapes
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
（産業上の利用分野）
本発明は硬度の高い（Hv600以上）スチールリ
ング（ピストンリング本体）に耐スカツフ性およ
び耐摩耗性を有するコーテイング被膜を形成した
内燃機関用ピストンリングに関するものである。 （従来の技術） 従来、ピストンリングは球状黒鉛鋳鉄（FCD）
等の鋳鉄製のものと、バネ鋼（SWOSC−Ｖ）、
工具鋼（SK−６）を焼入れ焼戻したり、13Crお
よび17Crステンレス鋼にガス窒化処理を施した
鋼材製のスチールリングが使用されている。 一方、シリンダボアは鋼鉄（FC23）又はAl系
材料が用いられているが、近年軽量化等の問題か
らA390合金およびFRM（アルミニウム合金鋳物）
のAl系材料が主流となつている。しかしながら
Al系材料では仕上げホーニング加工によりAlマ
トリツクスが塑性流動するため良好な表面状態を
得ることは困難となつている。 したがつて、シリンダボアの壁面を摺動するピ
ストンリングの表面にCrめつき、チヤンネルポ
ーラスCrめつき、ガス窒化処理等を行なつてい
る。しかし、これらの処理のみではピストンリン
グに微動摩耗の一種であるスカツフイングが使用
初期の段階で発生する。 このため、通常はシリンダボアを仕上げホーニ
ングし、表面あらさをRz0.5〜1.0μ程度に仕上げ
て表面を平滑にした後、ECM（電解研摩）処理に
よりAlマトリツクスを溶出させ、深さ1μ強の凹
部を形成させ、凹部の油だまり効果によつて初期
スカツフを防止している。 また、従来のCrめつきやMo溶射等の欠点を除
くため、ピストンリングの摺動面にPVD法によ
りTiN，TiC，CrN等の超硬物質からなる被膜を
形成したものがある（特開昭57−57868号公報参
照）。 さらに、ピストンリングの少なくとも摺動外周
面にイオンプレーテイングによる窒化チタン
（TiN）被膜を被覆し、該被膜の硬度をHv1300以
上、厚さ３〜20μかつ摺動外周面あらさを2μ以下
として、ピストンリングがある（特開昭57−
65837号公報参照）。 これらのピストンリングは摺動面の耐摩耗性が
優れて、相手、シリンダボアの摩耗が少なく、熱
負荷がかかつても硬さの著しい低下、クラツクの
増大、被膜の変質等が起らず、耐焼付け性におい
ても優れているという長所がある。 （発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記ピストンリングにおいて表
面処理（イオンプレーテイング等）されるピスト
ンリング本体の素材は、鋳鉄、バネ鋼、工具鋼、
13Crおよび17Crステンレス鋼であるため、素材
自体の機械的性質やイオンプレーテイング処理
（熱処理温度500℃前後）による硬度の低下をきた
し、ピストンリング本体はビツカース硬度で
Hv400以下になり、ピストンリングの性能の１つ
である上下面の耐摩耗性が不足するという問題点
があつた。また、13Crおよび17Crステンレス鋼
は不働態被膜を生じやすく、イオンプレーテイン
グやCrめつき処理前の清浄工程に注意しないと、
ピストンリング本体に形成する被膜が密着不良に
なるという問題点があつた。 また、上記ステンレス鋼にガス窒化処理したも
のでは、機械的研摩あるいは化学的研摩により表
面に形成された化合物層を除去しないと十分な密
着が得られない、およびPVD処理によりピスト
ンリング本体の疲労強度が低下する等の問題点が
ある。 このような問題点を解消するため、本発明はイ
オンプレーテイング等の表面処理前の工程を容易
にし、かつピストンリング本体の硬度を上げると
ともに、表面処理によるコーテイング被膜と相伴
なつて耐スカツフ性および耐摩耗性を向上させた
ピストンリングを提供することを目的としてい
る。 （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明のピストンリ
ングはJIS規格で定められた化学成分がＣ：0.8〜
1.4％、Ｗ：5.3〜6.7％、Ｖ：1.6〜4.5％、Mo：
4.5〜6.2％、Cr：3.8〜4.5Fe：残部の構成比率か
らなるSKH51〜54の鋼材を成形し、焼き入れお
よび焼き戻しにより硬度をHv600〜900に熱処理
したピストンリング本体の少なくとも摺動外周面
に表面処理による対スカツフ性および耐摩耗性の
コーテイング被膜を形成したことを特徴としてい
る。 （作 用） 上述のような構成としたことにより、イオンプ
レーテイング等の表面処理による500℃前後の処
理温度に対してピストンリング本体の変形や著し
い硬度低下を生じることなく、ピストンリングは
表面の被膜の硬度に対し、内部母材は所定範囲の
硬度を維持するので、ピストンリング自体の靭性
を確保してピストンリングをピストンのリング溝
に折損することなく装着でき、しかもピストンリ
ング本体との密着性が良好で耐スカツフ性および
耐摩耗性を有するコーテイング被膜によりピスト
ンリングの寿命を向上させることができる。 （実施例） 発明の実施例を図面に基づいて説明する。 第１図は、シリンダボア１内にピストン２を組
付けた状態の一部詳細断面図を示している。ピス
トン２の外周部に形成した複数のリング溝３（図
ではその内の１つを示す）には、ピストンリング
４が嵌め込まれており、ピストンリング４の外周
面５がシリンダボア１の壁面６に所定の押圧力を
保持して当接している。 ピストンリング４の外周面５には、イオンプレ
ーテイング法によりTiNによるコーテイング被
膜５ａが形成されている。 本実施例のピストンリングの母材であるピスト
ンリング本体は、JIS規格で定められた化学成分
がＣ：0.8〜1.4％、Ｗ：5.3〜6.7％、Ｖ：1.6〜4.5
％、Mo：4.5〜6.2％、Cr：3.8〜4.5Fe：残部の構
成比率からなるSKH51〜54を採用している。こ
れらの材質を有する鋼線材を成形して所定形状の
ピストンリング本体７を作り出す。このピストン
リング本体７は硬度をHv600〜900の範囲となる
ように焼き入れ焼き戻しにより熱処理される。 第２図に示す断面形状の鋼線材の熱処理条件と
しては、例えば温度1200℃で10分油冷却の焼入れ
と、温度550℃で90分の空冷却の２回焼戻しを行
ない、硬度Hv850を得るようにしている。 なお、硬度を低くするには焼戻し温度を630℃
にして60分空冷却すれば、硬度Hv650のピストン
リング本体７とすることができる。 ここで、上記ピストンリング４の材質および硬
度を限定した理由は、イオンプレーテイング等の
表面処理による500℃前後の処理温度によつてピ
ストンリング４の変形および著しい硬さ低度を生
じさせないことにある。また硬度が高すぎて、ピ
ストンリング４との間に摺動面を形成するシリン
ダボア１やピストンリング２のリング溝３を傷つ
ける原因を生じさせ、かつピストンリング４の靭
性が低下してピストンリング４が折損する等の問
題を生じさせないことにある。 さらに、イオンプレーテイング等のコーテイン
グ被膜５ａが摩耗しても内部の母材の硬度により
耐摩耗性が著しくそこなうことがないことであ
る。 上記熱処理後、イオンプレーテイング法により
ピストンリング本体７の摺動外周面８にTiNの
コーテイング被膜５ａを膜厚Ｔが１〜15μとなる
ように形成する。 また、被膜の表面あらさRzは処理前の下地表
面あらさに支配されるので、シリンダボア１の壁
面６に対するTiNのコーテイング被膜５ａの相
手攻撃性を考えて、表面あらさRzは1μ以下であ
ることが望ましい。 したがつて、イオンプレーテイング処理前にピ
ストンリング本体７の摺動外周面８をバフ仕上げ
等によりRz0.5〜0.8μに仕上げた後、TiNのコー
テイング被膜を処理温度500℃前後において形成
する。 本実施例のTiNコーテイング被膜を施したピ
ストンリングを2000c.c.４サイクル水冷６気筒のガ
ソリンエンジンに組込んで高鉛ガソリン（Pb3.2
ｇ／USガロン）を使用した場合の全負荷300時間
における耐久試験を実施した。 表１は上記試験の測定結果で、ピストンリング
をトツプリングに使用した時の摩耗量および初期
スカツフ発生の有無を示している。
ング（ピストンリング本体）に耐スカツフ性およ
び耐摩耗性を有するコーテイング被膜を形成した
内燃機関用ピストンリングに関するものである。 （従来の技術） 従来、ピストンリングは球状黒鉛鋳鉄（FCD）
等の鋳鉄製のものと、バネ鋼（SWOSC−Ｖ）、
工具鋼（SK−６）を焼入れ焼戻したり、13Crお
よび17Crステンレス鋼にガス窒化処理を施した
鋼材製のスチールリングが使用されている。 一方、シリンダボアは鋼鉄（FC23）又はAl系
材料が用いられているが、近年軽量化等の問題か
らA390合金およびFRM（アルミニウム合金鋳物）
のAl系材料が主流となつている。しかしながら
Al系材料では仕上げホーニング加工によりAlマ
トリツクスが塑性流動するため良好な表面状態を
得ることは困難となつている。 したがつて、シリンダボアの壁面を摺動するピ
ストンリングの表面にCrめつき、チヤンネルポ
ーラスCrめつき、ガス窒化処理等を行なつてい
る。しかし、これらの処理のみではピストンリン
グに微動摩耗の一種であるスカツフイングが使用
初期の段階で発生する。 このため、通常はシリンダボアを仕上げホーニ
ングし、表面あらさをRz0.5〜1.0μ程度に仕上げ
て表面を平滑にした後、ECM（電解研摩）処理に
よりAlマトリツクスを溶出させ、深さ1μ強の凹
部を形成させ、凹部の油だまり効果によつて初期
スカツフを防止している。 また、従来のCrめつきやMo溶射等の欠点を除
くため、ピストンリングの摺動面にPVD法によ
りTiN，TiC，CrN等の超硬物質からなる被膜を
形成したものがある（特開昭57−57868号公報参
照）。 さらに、ピストンリングの少なくとも摺動外周
面にイオンプレーテイングによる窒化チタン
（TiN）被膜を被覆し、該被膜の硬度をHv1300以
上、厚さ３〜20μかつ摺動外周面あらさを2μ以下
として、ピストンリングがある（特開昭57−
65837号公報参照）。 これらのピストンリングは摺動面の耐摩耗性が
優れて、相手、シリンダボアの摩耗が少なく、熱
負荷がかかつても硬さの著しい低下、クラツクの
増大、被膜の変質等が起らず、耐焼付け性におい
ても優れているという長所がある。 （発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記ピストンリングにおいて表
面処理（イオンプレーテイング等）されるピスト
ンリング本体の素材は、鋳鉄、バネ鋼、工具鋼、
13Crおよび17Crステンレス鋼であるため、素材
自体の機械的性質やイオンプレーテイング処理
（熱処理温度500℃前後）による硬度の低下をきた
し、ピストンリング本体はビツカース硬度で
Hv400以下になり、ピストンリングの性能の１つ
である上下面の耐摩耗性が不足するという問題点
があつた。また、13Crおよび17Crステンレス鋼
は不働態被膜を生じやすく、イオンプレーテイン
グやCrめつき処理前の清浄工程に注意しないと、
ピストンリング本体に形成する被膜が密着不良に
なるという問題点があつた。 また、上記ステンレス鋼にガス窒化処理したも
のでは、機械的研摩あるいは化学的研摩により表
面に形成された化合物層を除去しないと十分な密
着が得られない、およびPVD処理によりピスト
ンリング本体の疲労強度が低下する等の問題点が
ある。 このような問題点を解消するため、本発明はイ
オンプレーテイング等の表面処理前の工程を容易
にし、かつピストンリング本体の硬度を上げると
ともに、表面処理によるコーテイング被膜と相伴
なつて耐スカツフ性および耐摩耗性を向上させた
ピストンリングを提供することを目的としてい
る。 （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明のピストンリ
ングはJIS規格で定められた化学成分がＣ：0.8〜
1.4％、Ｗ：5.3〜6.7％、Ｖ：1.6〜4.5％、Mo：
4.5〜6.2％、Cr：3.8〜4.5Fe：残部の構成比率か
らなるSKH51〜54の鋼材を成形し、焼き入れお
よび焼き戻しにより硬度をHv600〜900に熱処理
したピストンリング本体の少なくとも摺動外周面
に表面処理による対スカツフ性および耐摩耗性の
コーテイング被膜を形成したことを特徴としてい
る。 （作 用） 上述のような構成としたことにより、イオンプ
レーテイング等の表面処理による500℃前後の処
理温度に対してピストンリング本体の変形や著し
い硬度低下を生じることなく、ピストンリングは
表面の被膜の硬度に対し、内部母材は所定範囲の
硬度を維持するので、ピストンリング自体の靭性
を確保してピストンリングをピストンのリング溝
に折損することなく装着でき、しかもピストンリ
ング本体との密着性が良好で耐スカツフ性および
耐摩耗性を有するコーテイング被膜によりピスト
ンリングの寿命を向上させることができる。 （実施例） 発明の実施例を図面に基づいて説明する。 第１図は、シリンダボア１内にピストン２を組
付けた状態の一部詳細断面図を示している。ピス
トン２の外周部に形成した複数のリング溝３（図
ではその内の１つを示す）には、ピストンリング
４が嵌め込まれており、ピストンリング４の外周
面５がシリンダボア１の壁面６に所定の押圧力を
保持して当接している。 ピストンリング４の外周面５には、イオンプレ
ーテイング法によりTiNによるコーテイング被
膜５ａが形成されている。 本実施例のピストンリングの母材であるピスト
ンリング本体は、JIS規格で定められた化学成分
がＣ：0.8〜1.4％、Ｗ：5.3〜6.7％、Ｖ：1.6〜4.5
％、Mo：4.5〜6.2％、Cr：3.8〜4.5Fe：残部の構
成比率からなるSKH51〜54を採用している。こ
れらの材質を有する鋼線材を成形して所定形状の
ピストンリング本体７を作り出す。このピストン
リング本体７は硬度をHv600〜900の範囲となる
ように焼き入れ焼き戻しにより熱処理される。 第２図に示す断面形状の鋼線材の熱処理条件と
しては、例えば温度1200℃で10分油冷却の焼入れ
と、温度550℃で90分の空冷却の２回焼戻しを行
ない、硬度Hv850を得るようにしている。 なお、硬度を低くするには焼戻し温度を630℃
にして60分空冷却すれば、硬度Hv650のピストン
リング本体７とすることができる。 ここで、上記ピストンリング４の材質および硬
度を限定した理由は、イオンプレーテイング等の
表面処理による500℃前後の処理温度によつてピ
ストンリング４の変形および著しい硬さ低度を生
じさせないことにある。また硬度が高すぎて、ピ
ストンリング４との間に摺動面を形成するシリン
ダボア１やピストンリング２のリング溝３を傷つ
ける原因を生じさせ、かつピストンリング４の靭
性が低下してピストンリング４が折損する等の問
題を生じさせないことにある。 さらに、イオンプレーテイング等のコーテイン
グ被膜５ａが摩耗しても内部の母材の硬度により
耐摩耗性が著しくそこなうことがないことであ
る。 上記熱処理後、イオンプレーテイング法により
ピストンリング本体７の摺動外周面８にTiNの
コーテイング被膜５ａを膜厚Ｔが１〜15μとなる
ように形成する。 また、被膜の表面あらさRzは処理前の下地表
面あらさに支配されるので、シリンダボア１の壁
面６に対するTiNのコーテイング被膜５ａの相
手攻撃性を考えて、表面あらさRzは1μ以下であ
ることが望ましい。 したがつて、イオンプレーテイング処理前にピ
ストンリング本体７の摺動外周面８をバフ仕上げ
等によりRz0.5〜0.8μに仕上げた後、TiNのコー
テイング被膜を処理温度500℃前後において形成
する。 本実施例のTiNコーテイング被膜を施したピ
ストンリングを2000c.c.４サイクル水冷６気筒のガ
ソリンエンジンに組込んで高鉛ガソリン（Pb3.2
ｇ／USガロン）を使用した場合の全負荷300時間
における耐久試験を実施した。 表１は上記試験の測定結果で、ピストンリング
をトツプリングに使用した時の摩耗量および初期
スカツフ発生の有無を示している。
【表】
これによれば、本実施例の試料Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
は従来例の試料１，２，３，４に比べて耐スカツ
フ性に優れ、かつ２〜５倍の耐摩耗性を有してい
る。なお、オイルリングサイドレールとしての摩
耗量を上記表−１では示していないが、リング外
周面摩耗量はトツプリングの10％程度増加した値
となることが実施されている。 本実施例においては、イオンプレーテイング法
による表面処理について述べたが、他の表面処理
法たとえばNiベースおよびFeベースの硬質粒子
を分散させた複合めつきによるコーテイング被膜
を形成し、膜厚Ｔを100μ程度としたもの、ある
いはシリンダボアが鋳鉄に限定されるが、高炭素
および低炭素の鉄・クロム合金溶射によるコーテ
イング被膜を形成し、膜厚Ｔを100μ程度にした
ものについても同様の効果を発揮する。 （発明の効果） 以上、説明したことから明らかなように、本発
明はピストンリングの母材の鋼種もしくは化学成
分を限定し、かつ硬度をHv600〜900の範囲とし
たことにより、イオンプレーテイング等の表面処
理の前後においてピストンリング本体の硬度を著
しく低下させることもなく、従来鋼種にイオンプ
レーテイングしたもの等に比較して、母材の機械
的性質を高め、コーテイング被膜形成前の処理工
程の管理を容易なものとしたので、母材とのコー
テイング被膜の密着性を向上させるとともに耐ス
カツフ性および耐摩耗性を有して寿命を増大させ
ることができる。
は従来例の試料１，２，３，４に比べて耐スカツ
フ性に優れ、かつ２〜５倍の耐摩耗性を有してい
る。なお、オイルリングサイドレールとしての摩
耗量を上記表−１では示していないが、リング外
周面摩耗量はトツプリングの10％程度増加した値
となることが実施されている。 本実施例においては、イオンプレーテイング法
による表面処理について述べたが、他の表面処理
法たとえばNiベースおよびFeベースの硬質粒子
を分散させた複合めつきによるコーテイング被膜
を形成し、膜厚Ｔを100μ程度としたもの、ある
いはシリンダボアが鋳鉄に限定されるが、高炭素
および低炭素の鉄・クロム合金溶射によるコーテ
イング被膜を形成し、膜厚Ｔを100μ程度にした
ものについても同様の効果を発揮する。 （発明の効果） 以上、説明したことから明らかなように、本発
明はピストンリングの母材の鋼種もしくは化学成
分を限定し、かつ硬度をHv600〜900の範囲とし
たことにより、イオンプレーテイング等の表面処
理の前後においてピストンリング本体の硬度を著
しく低下させることもなく、従来鋼種にイオンプ
レーテイングしたもの等に比較して、母材の機械
的性質を高め、コーテイング被膜形成前の処理工
程の管理を容易なものとしたので、母材とのコー
テイング被膜の密着性を向上させるとともに耐ス
カツフ性および耐摩耗性を有して寿命を増大させ
ることができる。
第１図は本発明に係るピストンリングをシリン
ダボア内のピストンに装着した状態を示す一部詳
細断面図、第２図は第１図のピストンリングのコ
ーテイング被膜を示す拡大断面図である。 ４…ピストンリング、５…外周面、５ａ…コー
テイング被膜、７…ピストンリング本体、８…摺
動外周面。
ダボア内のピストンに装着した状態を示す一部詳
細断面図、第２図は第１図のピストンリングのコ
ーテイング被膜を示す拡大断面図である。 ４…ピストンリング、５…外周面、５ａ…コー
テイング被膜、７…ピストンリング本体、８…摺
動外周面。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ JIS規格で定められた化学成分がＣ：0.8〜
1.4％、Ｗ：5.3〜6.7％、Ｖ：1.6〜4.5％、Mo：
4.5〜6.2％、Cr：3.8〜4.5Fe：残部の構成比率か
らなるSKH51〜54の鋼材を成形し、焼き入れお
よび焼き戻しにより硬度をHv600〜900に熱処理
したピストンリング本体の少なくとも摺動外周面
に表面処理による対スカツフ性および耐摩耗性の
コーテイング被膜を形成したことを特徴とするピ
ストンリング。 ２ 前記コーテイング被膜がイオンプレーテイン
グによる窒化チタンの被膜でなり、膜厚を１〜
15μとした特許請求の範囲第１項記載のピストン
リング。 ３ 前記コーテイング被膜がNiおよびFeベース
の硬質粒子を分散させた複合めつきでなり、膜厚
を100μ程度とした特許請求の範囲第１項記載の
ピストンリング。 ４ 前記コーテイング被膜が高炭素および低炭素
の鉄クロム合金溶射でなり、膜厚を100μ程度と
した特許請求の範囲第１項記載のピストンリン
グ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23281685A JPS6293571A (ja) | 1985-10-18 | 1985-10-18 | ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23281685A JPS6293571A (ja) | 1985-10-18 | 1985-10-18 | ピストンリング |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6293571A JPS6293571A (ja) | 1987-04-30 |
| JPH0526066B2 true JPH0526066B2 (ja) | 1993-04-14 |
Family
ID=16945222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23281685A Granted JPS6293571A (ja) | 1985-10-18 | 1985-10-18 | ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6293571A (ja) |
-
1985
- 1985-10-18 JP JP23281685A patent/JPS6293571A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6293571A (ja) | 1987-04-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |