| 【発明の名称】 |
ピストンリング |
| 【発明者】 |
【氏名】田中 昭二
【氏名】福留 弘人
【氏名】今井 慎一
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| 【要約】 |
【課題】ピストンリングの疲労強度を向上する。
【解決手段】ピストンリング１はマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。ピストンリング１の外周面を除く上下面と内周面に、ビッカース硬さでＨＶ７００以上の窒化層２を形成し、その下にビッカース硬さでＨＶ７００未満の窒化層３を形成する。そしてピストンリング１の外周面にのみイオンプレーティングによる硬質皮膜４を被覆する。ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜４は、上下面と外周面とで形成されるコーナ部の少なくとも片方のコーナ部付近で、接しておらず、互いに離間して設け、その離間間隔は、０．００１〜０．３ｍｍの範囲にある。窒化層２，３はピストンリング１の上下面にのみ形成することもできる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 上下面のみあるいは上下面と内周面のみに窒化層が形成され、外周面にイオンプレーティングによる硬質皮膜が被覆されているピストンリングにおいて、前記上下面のうちの少なくとも片面におけるビッカース硬さＨＶ７００以上の窒化層と、前記外周面のイオンプレーティングによる硬質皮膜とが接しておらず、互いに離間して設けられていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】 前記ＨＶ７００以上の窒化層とイオンプレーティングによる硬質皮膜の離間間隔が、０．００１〜０．３ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】 前記ピストンリングがマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１又は２記載のピストンリング。
【請求項４】 前記イオンプレーティングによる硬質皮膜が、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、ＣｒＮとＣｒ２Ｎの混合、あるいはこれらとＣｒとの混合、もしくはＴｉＮからなっていることを特徴とする請求項１，２，又は３記載のピストンリング。
【請求項５】 前記イオンプレーティングによる硬質皮膜の結晶中に、酸素及び炭素のうちの少なくとも１種が固溶されていることを特徴とする請求項４記載のピストンリング。
【請求項６】 前記イオンプレーティングによる硬質皮膜の厚さが、１〜８０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のピストンリング。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、エンジンの高出力化や排気ガス規制の対応に伴って、ピストンリングの使用環境は益々過酷になっている。特に、耐久性を増すために全面窒化したマルテンサイト系ステンレス鋼の母材にイオンプレーティングによる硬質皮膜を被覆したピストンリングにおいては、疲労強度が低下することが問題となっている。そこで、特開平５−１７２２４８号や特公平６−２５５９７号（特開昭６２−１２０４７１号）において、鋼製ピストンリングの上下面と内周面のみに窒化層を形成し、外周面にイオンプレーティングによる硬質皮膜を被覆したピストンリングが提案されている。なお、これらの公報には、ピストンリングの上下面と外周面とで形成されるコーナ部付近で、イオンプレーティングによる硬質皮膜と窒化層とが接していないという記載はない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記ピストンリングは、過酷なエンジン条件下においては、疲労強度不足が指摘されている。
【０００４】本発明の目的は、ピストンリングの疲労強度を向上することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上下面のみあるいは上下面と内周面のみに窒化層が形成され、外周面にイオンプレーティングによる硬質皮膜が被覆されているピストンリングにおいて、前記上下面のうちの少なくとも片面におけるビッカース硬さＨＶ７００以上の窒化層と、前記外周面のイオンプレーティングによる硬質皮膜とが接しておらず、互いに離間して設けられていることを特徴とする。
【０００６】厳しい運転条件のエンジンは、ピストンリングには特に曲げ応力がかかる。曲げ応力はピストンリングの外周側のコーナ部に特にかかる。燃焼圧が高いエンジンにおいてはピストンリングの下面側のコーナ部に負荷がかかり、回転数の高いエンジンにおいてはピストンリングにフラッタリングが起こることにより上面側のコーナ部に負荷がかかる。そこで、ピストンリングの外周側のコーナ部においてＨＶ７００以上の窒化層とイオンプレーティングによる硬質皮膜とが上下面のうちの少なくとも片面側で接していないようにすることにより負荷を緩和でき、ピストンリングの疲労強度を向上することができる。ピストンリングの外周側のコーナ部において上下面のうちのどちらの側をＨＶ７００以上の窒化層とイオンプレーティングによる硬質皮膜とが接しないようにするかは、エンジンの種類により異なるが、上下面のどちらの側においても接していないようにするのがより好ましい。
【０００７】上記ＨＶ７００以上の窒化層とイオンプレーティングによる硬質皮膜の離間間隔は、疲労強度向上の点から０．００１ｍｍ以上が望ましく、耐摩耗性の点から０．３ｍｍ以下が望ましい。
【０００８】上記ピストンリングの材質としては、マルテンサイト系ステンレス鋼が望ましい。
【０００９】上記窒化層は、ガス窒化や塩浴窒化等で形成される。
【００１０】上記イオンプレーティングによる硬質皮膜は、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、ＣｒＮとＣｒ２Ｎの混合、あるいはこれらとＣｒとの混合、もしくはＴｉＮ等からなり、皮膜結晶中に、酸素及び炭素のうちの少なくとも１種が固溶されているのが望ましい。
【００１１】上記イオンプレーティングによる硬質皮膜の厚さは、１〜８０μｍの範囲にあるのが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】図１は、本発明の一実施形態を示している。図１（ａ）において、ピストンリング１はマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。ピストンリング１の外周面を除く上下面と内周面には、ビッカース硬さでＨＶ７００以上の窒化層２が形成され、その下にビッカース硬さでＨＶ７００未満の窒化層３が形成されている。そしてピストンリング１の外周面にのみイオンプレーティングによる硬質皮膜４が被覆されている。イオンプレーティングによる硬質皮膜４は、例えばＣｒＮからなり、皮膜厚さは１〜８０μｍの範囲にある。ＨＶ７００以上の窒化層２の厚さは１〜１１０μｍの範囲にある。
【００１４】ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜４は、上下面と外周面とで形成されるコーナ部付近で、接しておらず、互いに離間して設けられている。図１（ｂ）は上面側の部分を代表して示しているが、下面側も同じように形成されている。ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜４の離間間隔は、０．００１〜０．３ｍｍの範囲にある。
【００１５】以下、上記ピストンリング１の製造方法を説明する。
【００１６】上記ピストンリング１は、イオンプレーティングし、その後窒化処理した後、上下面を研磨加工することにより製造される。
【００１７】■イオンプレーティングによる硬質皮膜の被覆方法ピストンリングをアセトン溶液中で超音波洗浄後、アークイオンプレーティング装置の炉内にセットし、真空引きを行う。炉内圧力が１×１０−３Ｐａ以下に排気された後、シースヒータによりピストンリングを４９３〜７２３°Ｋまで加熱する。加熱直後は、ピストンリングに吸着していたガスが放出されて炉内圧力が上昇するが、再び圧力が低下する。圧力が低下して５×１０−３Ｐａ以下になった後、ピストンリングにバイアス電圧を−８００〜−１０００Ｖ印加し、陰極のＣｒターゲットと陽極との間で真空アーク放電を発生させてＣｒを蒸気化、イオン化し、プロセスガスである窒素ガスを導入して、メタルボンバードを行った。１０分間メタルボンバードを行った後、窒素ガスを４×１０−１〜１．５Ｐａになるまで導入し、バイアス電圧を−２０〜−７０Ｖ印加して、所定時間被覆してＣｒＮ皮膜を形成する。
【００１８】なお、皮膜結晶中に酸素及び炭素のうちの少なくとも１種を固溶させるには、プロセスガスとして、酸素のみを固溶させるには窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを使用し、炭素のみを固溶させるには窒素ガスとＣＨ４、Ｃ２Ｈ４及びＣ２Ｈ２ガスの中の少なくとも１種とを含む混合ガスを使用し、酸素及び炭素を固溶させるには窒素ガスと酸素ガスとＣＨ４、Ｃ２Ｈ４及びＣ２Ｈ２ガスの中の少なくとも１種とを含む混合ガスを使用すればよい。
【００１９】■窒化処理窒化処理は、ガス窒化法あるいは塩浴窒化法等で行われる。窒化処理後のピストンリングの一部分の縦断面図を図２の（ａ）及び（ｂ）に示す。２はピストンリング１の上下面と内周面にのみ形成されたＨＶ７００以上の窒化層、３はＨＶ７００以上の窒化層２の下に形成されているＨＶ７００未満の窒化層、４はピストンリング１の外周面のみに被覆されたイオンプレーティングによる硬質皮膜（ＣｒＮ皮膜）である。図２（ａ）は、ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜（ＣｒＮ皮膜）４とが、上下面と外周面とで形成されるコーナ部付近で接している例を示しており、図２（ｂ）は、ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜（ＣｒＮ皮膜）４とが、上下面と外周面とで形成されるコーナ部付近で重なっている例を示している。
【００２０】■上下面の研磨加工窒化処理後、ピストンリング１の上面と下面をそれぞれ研磨加工して、図１に示されているように、ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜４とが、上下面と外周面とで形成されるコーナ部付近で、接せず、互いに離間して設けられているようにする。なお、図１は、上下面におけるＨＶ７００以上の窒化層２と外周面のイオンプレーティングによる硬質皮膜４とが、接しておらず、互いに離間して設けられている例を示したが、エンジンによっては、上下面のうちの片面におけるＨＶ７００以上の窒化層と外周面のイオンプレーティングによる硬質皮膜とが接していないように構成することもある。上下面のそれぞれの研磨加工量を調整することによって、窒化層２と硬質皮膜４とが、上下面のうちの少なくとも片面のコーナ部付近で、接せず、互いに離間しているように形成することができる。
【００２１】なお、ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜４とが、上下面と外周面とで形成されるコーナ部付近で、接しておらず、互いに離間して設けられているのは、次の方法によって分かる。
【００２２】ピストンリング１の切断面をナイタールエッチングすると、ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜４がナイタールにより腐食して、互いに異なる色に変色するので、両者の境界が明瞭になる。したがって、ピストンリング１の上下面と外周面とで形成されるコーナ部付近を顕微鏡でみれば、ＨＶ７００以上の窒化層２とイオンプレーティングによる硬質皮膜４が互いに離間していることが分かり、かつ、両者の離間間隔を測定することができる。なお、ナイタールは、硝酸５体積％とエチルアルコール又はメチルアルコール９５体積％とから構成されている。
【００２３】図３は、本発明の別の実施形態を示している。本実施形態が上記実施形態と相違する点は、窒化層２，３が形成されている部位のみであり、その他の点は上記実施形態で説明したピストンリングと同一である。すなわち、ピストンリング１の外周面及び内周面を除く上下面には、ビッカース硬さでＨＶ７００以上の窒化層２が形成され、その下にビッカース硬さでＨＶ７００未満の窒化層３が形成されている。そしてピストンリング１の外周面にのみイオンプレーティングによる硬質皮膜４が被覆されている。
【００２４】以下、本発明のピストンリングについて疲労試験を行った結果を説明する。
【００２５】図４に示すねじり疲労試験機を使用して、表１に示すピストンリングの疲労試験を行った。
【００２６】
【表１】
【００２７】表１において、■イオンプレーティングによる硬質皮膜と窒化層との離間間隔の欄における＋の数値は、イオンプレーティングによる硬質皮膜と窒化層とが離間しており、その離間間隔の長さｌ（図１（ｂ）参照）を示し、０の数値は、イオンプレーティングによる硬質皮膜と窒化層とが接していることを示し、−の数値は、イオンプレーティングによる硬質皮膜と窒化層とが重なっており、その重なった部分の長さｌ（図２（ｂ）参照）を示している。
■イオンプレーティングによる硬質皮膜の膜厚は、全て３０μｍであり、同一の皮膜特性である。
■ピストンリングの母材は、全て１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼である。
■ピストンリングは全てイオンプレーティング後に窒化を行った。
■ピストンリングはφ８８×軸方向幅１．５×半径方向長さ２．５（ｍｍ）である。
【００２８】図４は、ねじり疲労試験機の要部を示している。ねじり疲労試験機は、評価するピストンリング１０の呼称径を内径に持つシリンダ１１を有し、シリンダ１１の上面に押さえプレート１２が固定されている。押さえプレート１２は、評価するピストンリング１０の呼称径よりも小さい内径を有しており、シリンダ１１内に配置されたピストンリング１０の外周側の上面を押さえる役目をする。シリンダ１１内に配置されたピストンリング１０の内周側の上下面は、ホルダ１３，１４，１５で構成される環状溝１６に挿入されて保持される。ホルダ１３，１４，１５は、シャフト１７に固定されたホルダ固定部材１８に固定されている。シャフト１７は図示外の油圧シリンダによって上下動するように構成されている。したがって、シャフト１７が上下動すると、ピストンリング１０の外周側は押さえプレート１２で押さえられたまま、ピストンリング１０の内周側が上下動するため、ピストンリング１０のコーナＲ部にねじり応力が与えられる。
【００２９】試験条件：ピストンリング１０の合い口を閉じた状態で、ピストンリング１０のコーナＲ部にねじり応力を与え、ピストンリング１０が折損したときの繰り返し数を測定した。ピストンリング１０の内周側の変位量を変化させることにより、ピストンリング１０のコーナＲ部にかかるねじり応力を変化させた。
回転数：３５００ｒｐｍ変位量：０．１〜０．６ｍｍ【００３０】図５の試験結果に示されているように、比較例１〜５は折損強度が低く、実施例１〜３は折損強度が高い。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明のピストンリングは疲労強度が向上する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２１５７８５
【氏名又は名称】帝国ピストンリング株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月７日（１９９９．４．７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８５８２２
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 健一
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２９１８００（Ｐ２０００−２９１８００Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月２０日（２０００．１０．２０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１０００４０ |
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