JPH09152035A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPH09152035A
JPH09152035A JP31226695A JP31226695A JPH09152035A JP H09152035 A JPH09152035 A JP H09152035A JP 31226695 A JP31226695 A JP 31226695A JP 31226695 A JP31226695 A JP 31226695A JP H09152035 A JPH09152035 A JP H09152035A
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JP
Japan
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less
piston ring
alloy
chromium carbide
coating
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Pending
Application number
JP31226695A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroto Fukutome
弘人 福留
Tooru Hadano
徹 硲野
Nobuyuki Yamashita
信行 山下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TPR Co Ltd
Original Assignee
Teikoku Piston Ring Co Ltd
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Publication date
Application filed by Teikoku Piston Ring Co Ltd filed Critical Teikoku Piston Ring Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価でかつ耐摩耗性、耐焼付性の優れたピス
トンリングを提供する。 【解決手段】 外周摺動面に溶射皮膜が形成されたピス
トンリングにおいて、この溶射皮膜の組成が重量%で、
Cr:55〜65%、N:6%以下、C:0.1%以下
を含み、不可避的不純物:3%以下、残部Feからなる
Fe−Cr−N合金20〜50%と炭化クロム50〜8
0%から構成され、かつ前記溶射皮膜中のポア率が5容
積%以下を示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関や圧縮機等
に用いられるピストンリングに関し、特にその外周面に
溶射皮膜を形成したピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関や圧縮機等に用いられるピスト
ンリングはその外周面に、耐摩耗性を高めるために硬質
Crめっきを施したものが一般に用いられており、更
に、かゝるピストンリングの性能上の問題点である、摺
動する相手材との耐焼付性を改善するために、MoやN
i−Cr合金等を有する皮膜をプラズマ溶射によって形
成したピストンリングが特開昭54−1244号公報な
どによって開示されている。
【0003】更にまた、上記溶射皮膜の欠点とされる相
手材に対する攻撃性と剥離性を改良するために、Ni−
Cr合金とCr3 2 の炭化クロムからなるプラズマ溶
射皮膜を有するピストンリングと、これらの粉末を混合
し、この混合粉末を19,950Pa以下の不活性ガス雰
囲気中で、ピストンリング母材に対して減圧プラズマ溶
射を行い、5容積%以下の空孔を有する溶射皮膜を形成
するピストンリング製造方法が特開平3−172681
号公報に開示されている。
【0004】しかしながらかゝる溶射皮膜を有するピス
トンリングではNi−Cr合金の摺動特性が低いため、
摩耗の進行とともに金属マトリックスであるNi−Cr
合金とCr3 2 の硬質粒子との間に摩耗段差が生じ、
その結果、相手材への攻撃性が高くなり、更に耐焼付性
も不十分となる。したがって、上記ピストンリングでは
エンジンの高出力化及び排ガス規制対策のためますます
過酷になっているピストンリングの使用環境への適応が
困難となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来のプラズ
マ溶射における皮膜の問題点を解決し、耐摩耗性、耐焼
付性が高く、かつ相手材への攻撃性の低い、エンジンの
高出力化に対応できるピストンリングを提供することを
課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、溶射皮膜の組成をFe−Cr−N合金と炭
化クロムで構成したものである。皮膜の金属マトリック
スとなるFe−Cr−N合金はFe−Cr合金、窒化ク
ロム及び窒化鉄から構成されており、窒化クロム及び窒
化鉄は比較的硬い(各窒化物は窒化処理で同時に生成さ
れ、これら混合窒化物は硬度Hv1000以上を有す
る)ため、Fe−Cr合金やNi−Cr合金を金属マト
リックスとした皮膜より耐摩耗性や耐焼付性が良好であ
り、したがって摺動特性が向上する。
【0007】また、炭化クロムを硬質粒子としてFe−
Cr−N合金の金属マトリックス中に多量に微細分散す
ることにより自身摩耗性及び耐焼付性を向上せしめると
ともに摩耗段差ができにくいという理由で、相手材への
攻撃性を低くする。また、上記皮膜はそのポア率を極め
て低くしているので皮膜の組織は緻密になり、したがっ
て、膜内剥離への抵抗性を高めるとともに相手材への攻
撃性を低くすることができる。
【0008】すなわち本発明のピストンリングは、外周
摺動面に溶射皮膜が形成されたもので、Fe−Cr−N
合金20〜50重量%(以下%は重量%)と炭化クロム
50〜80%とからなり、かつ皮膜中のポア率が5容積
%以下である溶射皮膜を有することを特徴とする。上記
Fe−Cr−N合金の組成はCr:55〜65%、N:
6%以下、C:0.1%以下、不可避的不純物としてS
i,P,S,Cu又はAlの1種又は2種以上の合計が
3%以下、残部Feからなり、炭化クロムはCr3 2
又はCr73 の1種又は2種の炭化物である。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明のピストンリングは次のよ
うに構成される。リング状に形成された鋳鉄材や鋼材等
からなる母材の外周摺動面に、50μm〜150mmの厚
さでポア率5容積%以下の皮膜が例えば高速フレーム溶
射ガンを用いて溶射被覆される。
【0010】前記皮膜は皮膜の金属マトリックスとなる
Fe−Cr−N合金を20〜50%含み、更にこの金属
マトリックス中に硬質粒子炭化クロムを50〜80%の
範囲で微細分散して構成されている。かゝる皮膜はFe
−Cr−N合金粉末と炭化クロム粉末を混合した混合粉
末を母材表面に溶射して形成されるが、皮膜ポア率を5
容積%以下にするために前記粉末の粒度分布を粒径5〜
40μm、好ましくは5〜36μmの範囲に微細化す
る。
【0011】Fe−Cr−N合金粉末が20%未満、す
なわち炭化クロムが80%超ではFe−Cr−N合金粉
末の上記効果は得られず相手摩耗大となる。一方、Fe
−Cr−N合金粉末が50%超、すなわち炭化クロムが
50%未満では炭化クロム粉末の上記効果は得られず、
自身摩耗大及び焼付性大となってしまう。
【0012】なお、これらの粉末のより好ましい混合割
合は、Fe−Cr−N合金粉末20〜30%、及び炭化
クロム粉末70〜80%であり、この範囲で上述の効果
が一層明確に発揮される。又、Fe−Cr−N合金はC
r:55〜65%、N:6%以下、C:0.1%以下、
不可避的不純物として、Si,P,S,Cu又はAlの
1種又は2種以上を3%以下、残部Feから構成され
る。Crが55%未満であると焼付性大となり、又65
%超であると靱性不足となる。Nは6%超では靱性不足
となり、又Cは0.1%超では同様に靱性不足となる。
又、不可避的不純物は硬度を維持するために3%以下に
制限する。
【0013】前述したように前記各粉末の粒度分布は粒
径5〜40μmの範囲に調整されて、ポア率が5容積%
以下の緻密性を溶射皮膜に与えるが、前記粉末の粒径が
40μm超では前記ポア率を得ることができず、また5
μm未満では粉末の飛散が多く、皮膜の歩留りが低下す
るのでこの値を下限とする。溶射作業は高速フレームガ
ン(DJガン)で行われるが、勿論他の溶射装置、例え
ばプラズマ溶射ガン又は減圧プラズマ溶射装置などを用
いることができる。
【0014】
【実施例】Fe−Cr−N合金として、Cr:60.3
%、N:5.6%、C:0.04%、不可避的不純物と
してSi:0.4%、P:0.5%、S:0.1%、C
u:0.8%、Al:1.0%を合計2.8%、残部F
eからなる合金を5〜36μmの範囲の粒径に粉砕し、
また炭化クロムとしてCr3 2 ,Cr7 3 又はCr
236 を5〜36μmの範囲の粒径に粉砕し、表1に示
す割合で混合した。
【0015】なお、比較例11は前記各粉末を10〜4
5μmの範囲の粒径に粉砕し、比較例10のNi−Cr
合金はNi:80%、Cr:20%を含有し、5〜36
μmの範囲の粒径に粉砕した。
【0016】
【表1】
【0017】前記混合粉末をメテコ社製DJガンで下記
条件によってJIS SK5材からなる母材表面に溶射
し、厚さ0.3mmの溶射皮膜を形成した。 ・ガス流量・圧力 プロパン:72×10-33 /min.,5.52×105 Pa(80psi ) 酸素:260×10-32 /min., 1.03×106 Pa(150psi ) エア:330×10-32 /min., 5.17×105 Pa(75psi ) ・粉末送り量:1.8kg/hr. なお、比較例9は通常の方法によって厚さ0.1mmのク
ロムメッキを上記母材表面に施した。
【0018】これらの試験片について溶射皮膜の硬度を
測定し、更に往復動摩擦試験機を用いて溶射皮膜表面の
焼付き試験および摩耗試験を行った。それぞれの試験条
件は下記のとおりであった。焼付き試験条件 ・荷重:2kgf (ならし後 2kgf /min.の荷重速度で
試験) ・回転数:100cpm ・ならし時間:5min. ・潤滑:軽油相当粘度油 ・相手材:ボロン鋳鉄(ライナ相当材)往復動摩擦試験 ・荷重:10kgf ・回転数:600cpm ・時間:60min. ・潤滑:軽油相当粘度油(滴下速度 1.8×10-6
3 /hr. ) ・相手材:ボロン鋳鉄(ライナ相当材) 上記の硬度測定および焼付き試験の結果を表1に、摩耗
試験の結果を図1に示す。
【0019】以上の結果から次のことが判明した。本発
明の実施例では、皮膜硬さがいずれもHv750以上であ
り、焼付き荷重も40kgf 以上が得られ、また溶射皮膜
摩耗量は1.2μm以下、相手材摩耗量は1.0μm以
下であって、本発明の皮膜が耐摩耗性、低相手攻撃性、
耐焼付け性の諸特性で優れていることがわかった。
【0020】一方、比較例6は炭化クロムが多く、ポア
率が5容積%超のため、硬く、相手材摩耗が本発明より
大きい値を示した。比較例7は前記各粉末の添加量が本
発明の範囲外のため(炭化クロム量が低い)皮膜硬さは
低く、ポア率が本発明内にありながら低い焼付き荷重し
か得られなかった。
【0021】比較例8は炭化クロム量を80%と多量に
添加したにもかかわらず、Cr23 6 を炭化クロム全量
に対し50%加えていたので、皮膜硬さおよびポア率が
良好でありながら焼付き荷重が低く摩耗量が多いという
悪い特性を示した。比較例10はFe−Cr−Nの代り
にNi−Crを使用した例であって、低い耐焼付き性、
耐摩耗性を示した。
【0022】比較例11は溶射粉末の粒度分布が本発明
のそれより高く、ポア率も高かったため、焼付き荷重が
低く、また相手攻撃性が高かった。
【0023】
【発明の効果】以上のように本発明はFe−Cr−N合
金の含有量が少いにもかかわらず、優れた表面硬さ、耐
摩耗性および耐焼付き性を示すので、ピストンリングと
して極めて工業的価値は高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】各試験片の摩耗試験の結果を示す図である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外周摺動面に溶射皮膜が形成されたピス
    トンリングにおいて、該溶射皮膜の組成が重量%で、C
    r:55〜65%、N:6%以下、C:0.1%以下を
    含み、不可避的不純物:3%以下、残部FeからなるF
    e−Cr−N合金20〜50%と炭化クロム50〜80
    %から構成され、かつ前記溶射皮膜中のポア率が5容積
    %以下であることを特徴とするピストンリング。
  2. 【請求項2】 前記溶射皮膜の組成を重量%で、炭化ク
    ロム70〜80%、Fe−Cr−N合金20〜30%と
    した請求項1記載のピストンリング。
  3. 【請求項3】 前記不可避的不純物がSi,P,S,C
    u又はAlの1種又は2種以上からなる請求項1記載の
    ピストンリング。
  4. 【請求項4】 前記溶射皮膜の硬度がHv750〜105
    0である請求項1記載のピストンリング。
  5. 【請求項5】 前記炭化クロムがCr3 2 又はCr7
    3 の1種又は2種からなる請求項1又は2記載のピス
    トンリング。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004018728A1 (en) * 2002-08-26 2004-03-04 Dana Corporation Process of thermally spraying coatings
US6780474B2 (en) 2002-08-26 2004-08-24 Dana Corporation Thermally sprayed chromium nitride coating

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