JPH112323A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関の耐用年数に十分耐え、優れた耐摩耗
特性及び耐焼付き特性を有し、かつ安価なピストンリン
グを得る。 【解決手段】ピストンリングはＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金
によりピストンリング本体が構成され、ピストンリング
本体の外周面に窒化層が形成され、窒化層が形成された
外周面に窒化クロム被膜が５〜２５μｍ形成される。Ｆ
ｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金はＣｏが３〜１０重量％、Ｃｒが
１３〜２０重量％残部がＦｅからなることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンリングに
関する。更に詳しくは耐焼付き特性と耐摩耗特性とが改
善された内燃機関用のピストンリングに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】往復動内燃機関に使用されるピストンリ
ングには高度な耐摩耗特性が要求される。そのためピス
トンリングに耐摩耗特性を付与することを目的として、
摺動面に硬質クロムメッキ層を形成させたピストンリン
グが内燃機関用ピストンリングとして従来から多用され
ている。しかし、近年の内燃機関の高速回転化、高出力
化の傾向にあり、ピストンリングの使用条件もますます
過酷なものとなってきており、従来のクロムメッキ層を
有するピストンリングでは耐摩耗特性が十分でない場合
があり、更に優れた耐摩耗特性を有するピストンリング
が望まれるようになっている。この点を解消するため
に、従来ピストンリングの摺動面における耐摩耗特性を
改善する目的でピストンリング本体の表面に窒化層を形
成することや、イオンプレーティングにより金属の窒化
物を被覆させる技術が提案されている。窒化層や金属の
窒化物による被覆は、硬質クロムメッキ層に比較して優
れた耐摩耗特性を有し、従来のクロムメッキ層を有する
ピストンリングに比較して優れた耐摩耗特性を有するこ
とが期待される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、窒化層はその
硬度から図１の二点鎖線で示すクロムメッキ層に比較し
て一点鎖線で示すように耐摩耗特性に優れるが、耐焼付
き特性がクロムメッキ層に比較して劣る不具合があり、
また内燃機関の使用期間満了前にその窒化層が摩滅して
しまう問題点が残存している。一方、窒化物による被覆
は一点鎖線で示す窒化層に比較して更に高度が高く破線
で示すように耐摩耗特性に優れるが、ピストンリングと
の密着性及び柔軟性に欠けるために、金属母材から剥離
し易い不具合がある。この点を解消するために、ピスト
ンリング本体に予め窒化層を形成した後、窒化物で被覆
することも考えられる（特公平６−１０４５４）。しか
し、窒化層は耐焼付き特性に劣るために窒化物が摩滅し
て窒化層が露出しないように内燃機関の耐用年数に十分
耐えうる厚さ例えば５０μｍ程度以上に窒化物による被
覆膜を形成する必要がある。しかし、上述したイオンプ
レーティングにより金属の窒化物により被覆膜の形成
は、その被覆膜の生成速度が遅く、十分な厚さの被覆膜
を形成するためには長時間必要とし、生産工程の長期化
から、ピストンリングの単価が著しく押上げられる不具
合があった。本発明の目的は、内燃機関の耐用年数に十
分耐え、優れた耐摩耗特性及び耐焼付き特性を有し、か
つ安価なピストンリグを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金によりピストンリング本体が構
成され、ピストンリング本体の外周面に窒化層が形成さ
れ、窒化層が形成された外周面に窒化クロム被膜が５〜
２５μｍ形成されたピストンリングである。請求項２に
係る発明は、請求項１に係る発明であって、Ｆｅ−Ｃｒ
−Ｃｏ系合金はＣｏが３〜１０重量％、Ｃｒが１３〜２
０重量％残部がＦｅからなるピストンリングである。

【０００５】コバルトが添加された合金からなるピスト
ンリング本体に窒化層を形成することにより、ピストン
リング本体の表面を硬化させてピストンリング本体自体
の耐焼付き特性を向上させる。ピストンリング本体の外
周面に窒化クロム被膜を形成することによりピストンリ
ングの耐摩耗特性を向上させ、窒化クロム被膜を比較的
薄い５〜２５μｍに形成することによりピストンリング
の単価が押上げられることを防止する。窒化クロム被膜
が５μｍ未満であると十分な耐摩耗特性を得ることがで
きず、窒化クロム被膜が２５μｍを越えるとピストンリ
ング自体の単価が押上げられる。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて詳しく説明する。本発明のピストンリングは内
燃機関用エンジンのピストンに使用されるトップリング
であって、ピストンリング本体はＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合
金により構成される。具体的にＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金
はＣｏが３〜１０重量％、Ｃｒが１３〜２０重量％残部
がＦｅからなる合金であって、いわゆるステンレス鋼に
コバルトが添加されたものである。このコバルトが添加
された合金からなるピストンリング本体の外周面に窒化
層を形成する。窒化層の形成はガス窒化法により行わ
れ、ピストンリング本体を層に挿入した状態で５７０℃
前後に加熱した状態で窒化処理を行う。この窒化処理に
よりピストンリング本体の表面に窒化層が形成され、ピ
ストンリング本体の表面の表面強度が高められととも
に、ピストンリング本体を構成する合金にコバルトを添
加することによりピストンリング本体自体の耐焼付き特
性を向上させる。

【０００７】また、窒化層が形成されたピストンリング
本体の外周面には更に窒化クロム被膜が５〜２５μｍの
厚さで形成される。窒化クロム被覆の形成はイオンプレ
ーティング法により行われる。このイオンプレーティン
グ法はＰＶＤ法（物理蒸着法）の一種であり特にクロム
の蒸気を窒素と反応させて窒化クロムとしてピストンリ
ング本体の外周面に形成させることができる反応性イオ
ンプレーティング法を採用することが好ましい。クロム
蒸気は電子ビーム等の高エネルギビームをクロムターゲ
ットに照射してクロムを蒸発させることで得られ、クロ
ムは窒化物を形成しやすい元素であり、クロムの蒸気に
窒素ガスを混合した気相中でプラズマを発生させると、
クロムはイオン化し、それぞれ窒素イオンと結合し窒化
クロムを形成する。ここで窒化クロムは窒素ガス供給量
の多少により、多い場合にはＣｒＮとして、また、窒素
ガス供給量が少ない場合にはＣｒ₂Ｎとして形成され
る。

【０００８】このように構成されたピストンリングでは
ピストンリング本体の表面に形成された窒化クロム被膜
が摺動面の役割を果し、車両の走行距離に比例して当初
この窒化クロム被膜が摩耗する。しかし、窒化クロム被
膜は耐摩耗特性に優れているがその厚さが５〜２５μｍ
であるので図１の実線で示すように、使用限度満了前に
摩滅する。窒化クロム被膜が摩滅すると次に窒化クロム
被膜の下に形成された窒化層が次に摺動面としての役割
を果す。

【０００９】即ち、ピストンリングの摩耗量におけるピ
ストンリングの使用限度を図１に破線で示して考察した
場合、従来のクロムメッキ層を形成したピストンリング
及び窒化層を形成したピストンリングでは走行距離Ｂ点
及びＣ点においてピストンリングの摩耗量における使用
限度に達してしまう。しかし、本発明のピストンリング
ではＡ点まではピストンリング本体の表面に形成された
窒化クロム被膜が摺動面の役割を果し、車両の走行距離
に比例してこの窒化クロム被膜が摩耗し、更に、窒化ク
ロム被膜が摩滅した図のＡ点からは次に窒化層がピスト
ンリングの摺動面としての役割を果たし、車両の走行距
離に比例してこの窒化層が次に摩耗するので、結果とし
て使用限度における走行距離をＤ点まで更に延ばすこと
ができる。

【００１０】窒化層は窒化クロム被膜に比較して耐摩耗
特性に劣るけれども、窒化クロム被膜が摩滅した図のＡ
点からＤ点までの間、ピストンリングの機能を発揮させ
るには十分な層厚さを有しており、当初から窒化層のみ
がピストンリング本体に形成されたものに比較して十分
な耐摩耗特性を有する。ここでピストンリング本体を構
成する合金にコバルトが添加されているので耐焼付き特
性にも優れ、使用限度までの期間の残存期間の間十分に
その機能を発揮する。

【００１１】なお、窒化クロム被覆を十分な厚さ、例え
ば５０μｍ程度に形成すれば、図の破線で示すように、
ピストンリングの使用限度に至るまでの走行距離は更に
延びることになるけれども、その被覆が摩滅する以前に
内燃機関自体の寿命が招来することになる。また、窒化
クロム被覆を十分な厚さに形成することは、被覆膜の生
成速度が遅いことに起因して、生産工程の長期化からピ
ストンリングの単価が著しく押上げられることになる。

【００１２】従って、本発明によれば、窒化クロム被膜
及び窒化クロム被膜の下側に形成された窒化層により耐
摩耗特性及び耐焼付き特性を確保するので、内燃機関の
使用限度に至る総運転時間に相応して窒化クロム被膜を
比較的薄い５〜２５μｍに形成することにより、内燃機
関の耐用年数に十分耐え、優れた耐摩耗特性及び耐焼付
き特性を有する安価なピストンリングを得ることができ
る。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに説明す
る。 ＜実施例１＞直接噴射方式のターボインタークラディー
ゼルエンジン用の本発明に係るピストンリングを作成し
た。即ち、Ｃｏが３〜１０重量％、Ｃｒが１３〜２０重
量％残部がＦｅかなるＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金からなる
ピストンリング本体の外周面に窒化層を５０〜１００μ
ｍ形成し、窒化層が形成されたピストンリング本体の外
周面に更に窒化クロム被膜を形成した。窒化クロム被膜
の形成はイオンプレーティング法によりＣｒＮとして形
成しその窒化クロム被膜を２５μｍ形成したピストンリ
ングを実施例１とした。 ＜実施例２＞実施例１のピストンリングと同材質であっ
て同形同大のピストンリング本体の外周面に窒化層を５
０〜１００μｍ形成し、窒化層が形成されたピストンリ
ング本体の外周面に更に窒化クロム被膜を形成した。窒
化クロム被膜の形成はイオンプレーティング法によりＣ
ｒＮとして形成しその窒化クロム被膜を５μｍ形成した
ピストンリングを実施例２とした。

【００１４】＜比較例１＞直接噴射方式のターボインタ
ークラディーゼルエンジン用のピストンリングを作成し
た。Ｃｒが１３〜２０重量％残部がＦｅからなるＦｅ−
Ｃｒ−系合金であるステンレス合金からピストンリング
本体を製作し、そのピストンリング本体の外周面に窒化
層を形成することなく窒化クロム被膜を形成した。窒化
クロム被膜の形成はイオンプレーティング法によりＣｒ
Ｎとして形成しその窒化クロム被膜を５０μｍ形成した
ピストンリングを比較例１とした。 ＜比較例２＞比較例１のピストンリングと同材質であっ
て同形同大のピストンリング本体の外周面に窒化層を形
成することなく窒化クロム被膜を形成した。窒化クロム
被膜の形成はイオンプレーティング法によりＣｒＮとし
て形成しその窒化クロム被膜を２５μｍ形成したピスト
ンリングを比較例２とした。

【００１５】＜比較例３＞実施例１のピストンリングと
同材質であって同形同大のピストンリング本体の外周面
に窒化層を形成した。即ち、Ｃｏが３〜１０重量％、Ｃ
ｒが１３〜２０重量％残部がＦｅからなるＦｅ−Ｃｒ−
Ｃｏ系合金からなるピストンリング本体の外周面に窒化
層を５０〜１００μｍ形成し窒化クロム被膜は形成しな
いピストンリングを比較例３とした。 ＜比較例４＞比較例１のピストンリングと同材質であっ
て同形同大のピストンリング本体の外周面にクロムメッ
キ層を２００〜３００μｍ形成したピストンリングを比
較例４とした。

【００１６】＜比較試験＞直接噴射方式のターボインタ
ークラディーゼルエンジンにそれぞれ上述の実施例１、
実施例２及び比較例１〜４のピストンリングを装着し、
定格回転数で８０００時間運転を行った。運転終了後そ
れぞれのピストンリングを取出し、ピストンリング外周
面の摩耗量をプロフィル計により測定し、外周面の焼き
付きの有無及びその状況を目視により調査した。その結
果を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】＜評価＞表１から明らかなように、比較例
１では焼き付きは発生していないけれども、窒化クロム
被膜を比較的厚く形成するためにピストンリング自体の
単価が押上げられる不具合がある。また、比較例２では
窒化クロム被膜が摩滅して焼付きが発生したことから、
窒化クロム被膜が２５μｍでは十分な耐摩耗特性を発揮
しないことが判る。更に、比較例３では焼き付きがない
ことから、比較例２の結果との比較によりステンレス鋼
にコバルトを添加した合金によりピストンリング本体を
構成すると、ピストンリング本体自体の耐焼付き特性が
向上することが判る。なお従来品であるクロムメッキ被
膜を有する比較例４では摩耗量が他のピストンリングに
比較して著しく多いことが判る。

【００１９】これに対しコバルトを添加したステンレス
鋼に窒化層を形成し、更に窒化クロム被膜を薄く形成し
た実施例１及び２では窒化クロム被膜が摩滅しても焼付
きが発生していないことから、十分な耐摩耗特性及び耐
焼付き特性を有することが判る。なお、実施例２の摩耗
量が実施例１の摩耗量より多いのは実施例２の窒化クロ
ム被膜が実施例１の窒化クロム被膜よりも早期に摩滅し
たことによるものと考えられる。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、Ｆ
ｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金又はＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｏ系合
金によりピストンリング本体を構成し、このピストンリ
ング本体の外周面に窒化層を形成したので、ピストンリ
ング本体自体の耐焼付き特性を向上させることができ
る。また、窒化層が形成された外周面に更に窒化クロム
被膜を５〜２５μｍ形成したので、ピストンリング自体
の単価を押上げることなくピストンリングの耐摩耗特性
を更に向上させることができる。この結果、本発明によ
れば、窒化クロム層及び窒化クロム層の下側に形成され
た窒化層により耐摩耗特性及び耐焼付き特性を確保し
て、内燃機関の耐用年数に十分耐え、優れた耐摩耗特性
及び耐焼付き特性を有する安価なピストンリングを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】走行距離とピストンリングの摩耗量との関係を
示す図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金によりピストン
   リング本体が構成され、前記ピストンリング本体の外周
   面に窒化層が形成され、前記窒化層が形成された前記外
   周面に窒化クロム被膜が５〜２５μｍ形成されたことを
   特徴とするピストンリング。
2. 【請求項２】 Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金はＣｏが３〜１
   ０重量％、Ｃｒが１３〜２０重量％残部がＦｅからなる
   請求項１記載のピストンリング。