(57)【要約】【課題】  外周摺動部に硬質皮膜を形成しなくても必要な耐磨耗性を確保することができるピストンリングおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  ピストンリング１の少なくとも外周摺動部に多数の微小なディンプル２が形成され、ディンプル２の直下にナノ結晶層３が生成され、そのナノ結晶層３の厚みが２〜２０μｍで、表面の硬さが８００〜１０００ＨＶとなるよう、カバレッジ１００００〜５００００％相当のエアショットピーニングを施す。特に、２００００％＜Ｃ＜４００００％の場合に、リング表面の硬さが９００以上で、大きな硬さが得られるとともにクラックの発生を確実に防止できる。表面加工は、エア式ショットピーニング加工以外に、超音波式ショットピーニング加工、フラップホイール加工等であってもよい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも外周摺動部の表面近傍にナノ結晶層を有し、該表面の硬さが７００〜１０００ＨＶであることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
少なくとも外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルを有するとともに該ディンプルの直下にナノ結晶層を有し、上記表面の硬さが８００〜１０００ＨＶであることを特徴とするピストンリング。
【請求項３】
少なくとも外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルを有するとともに該ディンプルの直下にナノ結晶層を有し、上記ショットピーニング加工の全加工面積に対する上記ディンプルのディンプル総表面積の割合が１００００〜５００００％（カバレッジ１００００〜５００００％）であることを特徴とするピストンリング。
【請求項４】
ナノ結晶層の厚みが２〜２０μｍであることを特徴とする請求項１、２または３記載のピストンリング。
【請求項５】
ピストンリングの少なくとも外周摺動部に表面加工を施してその表面近傍にナノ結晶粒を生成させ、該表面の硬さを８００〜１０００ＨＶまで増加させることを特徴とするピストンリングの製造方法。
【請求項６】
上記表面加工がエア式ショットピーニング加工、超音波式ショットピーニング加工またはフラップホイール加工であることを特徴とする請求項５記載のピストンリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば自動車用エンジンに使用する耐摩耗性に優れたピストンリングおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジン等のピストンリングの耐摩耗性の向上を図るために、ピストンリングの外周面に、クロムめっき皮膜、ニッケル基複合分散めっき皮膜、溶射皮膜（モリブデン）、窒化皮膜、ＰＶＤ皮膜（ＴｉＣ、ＴｉＮ等）等の硬質皮膜を形成させたることが従来から行われている。また、エンジンの高出力化、低燃費化に伴い、ピストンリングには、外周摺動面の耐摩耗性および耐スカッフィング性の向上とともに低フリクション化の要求があり、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成するだけではその要求に応えることができないということから、ピストンリング母材の外周面に予めショットピーニングを施して微小なディンプルを形成し、その後で外周面に硬質皮膜を形成することにより、ピストンリング母材に形成されたディンプルと同様の微小なディンプルが硬質皮膜の表面に現れて、それが油だまりとして作用し、摩擦を低減できるようにすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００４−６０８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のピストンリングは、耐摩耗性を向上させるために少なくとも外周摺動面にクロムめっき皮膜、ニッケル基複合散めっき皮膜、溶射皮膜（モリブデン）、窒化皮膜、ＰＶＤ皮膜（ＴｉＣ、ＴｉＮ等）等の硬質皮膜を形成する必要があった。ピストンリング母材の外周面に油だまりとなるディンプルを形成するようショットピーニングを施す場合も同様で、その油だまりの潤滑作用だけでは耐磨耗性を十分に確保することはできず、従来は更にその表面にクロムめっき皮膜、ニッケル基複合散めっき皮膜、溶射皮膜（モリブデン）、窒化皮膜、ＰＶＤ皮膜（ＴｉＣ、ＴｉＮ等）等の硬質皮膜を形成する必要があった。
【０００４】
このように従来のピストンリングは、耐摩耗性を向上させるために少なくとも外周摺動部に硬質皮膜を形成する必要があり、その処理に長い時間を要し、また加熱による形状が変化する場合があるという問題があった。
【０００５】
この発明は上記問題に鑑みてなされたもので、外周摺動部に硬質皮膜を形成しなくても必要な耐磨耗性を確保することができるピストンリングおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、ショットピーニング等により金属材料の表面部に生成させることのできる結晶粒径がナノメートルサイズの多結晶体すなわちナノ結晶の機械的特性、特に、その高い硬度および高い強度に着目し、ピストンリングの少なくとも外周摺動部の表面部に該表面部の硬さが８００〜１０００ＨＶとなるようナノ結晶層を形成することで、表面に硬質皮膜を形成しなくてもピストンリングとして必要な耐磨耗性を確保するようにできることを見出したことによるものである。
【０００７】
すなわち、請求項１に係る発明のピストンリングは、少なくとも外周摺動部の表面近傍にナノ結晶層を有し、該表面の硬さが８００〜１０００ＨＶであることを特徴とする。
【０００８】
このピストンリングは、外周摺動部の表面近傍にナノ結晶層を有し、その表面の硬さが８００〜１０００ＨＶで、それ自体硬度が高いことにより、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性を確保することが可能となる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明のピストンリングは、少なくとも外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルを有するとともに該ディンプルの直下にナノ結晶層を有し、上記表面の硬さが８００〜１０００ＨＶであることを特徴とする。
【００１０】
このピストンリングは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下にナノ結晶層を有し、表面の硬さが８００〜１０００ＨＶで、それ自体硬度が高いことにより、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性を確保することが可能となる。
【００１１】
そして、請求項３に係る発明のピストンリングは、少なくとも外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルを有するとともに該ディンプルの直下にナノ結晶層を有し、上記ショットピーニング加工の全加工面積に対する上記ディンプルのディンプル総表面積の割合が１００００〜５００００％（カバレッジ１００００〜５００００％）であることを特徴とする。
【００１２】
このピストンリングは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下にナノ結晶層を有し、そのショットピーニングの加工の程度がカバレッジ１００００〜５００００％相当であって、ショットピーニング加工の全加工面積に対するディンプルの総表面積の割合が１００００〜５００００％であることにより、表面の硬さが８００〜１０００ＨＶで、それ自体硬度が高いものとなり、そのため、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性を確保することが可能となる。
【００１３】
ショットピーニング加工の程度は、被加工材の材質、ショット材の材質、形状、粒径、投射速度および投射時間によって調整できる。そして、一般にはショットピーニング加工の全加工面積（Ａ）に対するディンプルの総表面積（Ｂ）の割合（％）を示すカバレッジ（Ｃ）で表わすことができる。すなわち、Ｃ＝Ｂ／Ａでショットピーニング加工の程度を表すことができる。そして、このＣの値が１００００％〜５００００％である場合に、必要な硬さ（８００〜１０００ＨＶ）を得ることができる。Ｃ＜１００００％の場合は必要な硬さ（８００〜１０００ＨＶ）を得ることができず、Ｃ＞５００００％の場合は、ピストンリングの表面にクラックが発生することがある。また、より望ましくは、２００００％＜Ｃ＜４００００％である。
【００１４】
また、請求項４に係る発明のピストンリングは、上記請求項１、２または３記載のピストンリングにおいて、ナノ結晶層の厚みが２〜２０μｍであることを特徴とする。
【００１５】
このピストンリングは、外周摺動部の表面近傍に厚みが２〜２０μｍのナノ結晶層を有し、表面の硬さが８００〜１０００ＨＶで、それ自体硬度が高いことにより、あるいは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下に厚みが２〜２０μｍのナノ結晶層を有し、表面の硬さが８００〜１０００ＨＶで、それ自体硬度が高いことにより、あるいは、外周摺動部の表面にショットピーニング加工により形成されたディンプルの直下に厚みが２〜２０μｍのナノ結晶層を有し、そのショットピーニング加工の程度がカバレッジ１００００〜５００００％相当であることにより、表面の硬さが８００〜１０００ＨＶで、それ自体硬度が高いものとなり、そのため、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくてもピストンリングとして所要の耐摩耗性が確保される。ナノ結晶層の厚みが２μｍ未満では、十分な耐摩耗性を得ることが難しく、ナノ結晶層の厚みが２０μｍを越えると、内部と表面硬さが大きく違うことにより境界にクラックが発生する恐れがある。
【００１６】
また、請求項５に係る発明のピストンリングの製造方法は、ピストンリングの少なくとも外周摺動部に表面加工を施してその表面近傍にナノ結晶粒を生成させ、該表面の硬さを８００〜１０００ＨＶまで増加させることを特徴とする。
【００１７】
この方法でピストンリングを製造することにより、表面に硬質皮膜を形成する処理を行わなくても所要の耐摩耗性を確保することができる。そのため、硬質皮膜を形成する処理が不要で、廉価に製造することができ、また、加熱による形状変化を生じないようにすることができる。
【００１８】
そして、請求項６に係る発明のピストンリングの製造方法は、上記請求項５記載のピストンリングの製造方法において、上記表面加工がエア式ショットピーニング加工、超音波式ショットピーニング加工またはフラップホイール加工であることを特徴とする。
【００１９】
エア式ショットピーニング加工、超音波式ショットピーニング加工およびフラップホイール加工は、ピストンリングを例えば筒状に多数重ねて一度に処理するのに好適で、それにより、ピストンリングの少なくとも外周摺動部の表面部にナノ結晶粒を生成させ、該表面の硬さを８００〜１０００ＨＶまで増加させるための表面加工を効率よく行うことができる。特に、量産性の面からエア式ショットピーニング加工が望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上のとおり、この発明によれば、表面にクロムめっき皮膜、ニッケル基複合散めっき皮膜、溶射皮膜（モリブデン）、窒化皮膜、ＰＶＤ皮膜（ＴｉＣ、ＴｉＮ等）等の硬質皮膜を形成する処理を行わなくても所要の耐摩耗性を有するピストンリングとすることができ、また、そのピストンリングを廉価に製造することができ、また、加熱による形状変化を生じないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１はこの発明の実施の形態の一例に係るピストンリングの断面構造を示している。このピストンリング１は、断面略矩形で、その少なくとも外周摺動部には、多数の微小なディンプル２が形成され、ディンプル２の直下にナノ結晶層３が生成され、そのナノ結晶層３の厚みが２〜２０μｍで、表面の硬さが８００〜１０００ＨＶとなるよう、カバレッジ１００００〜５００００％相当のエアショットピーニングによる表面加工が施されている。
【００２２】
カバレッジは、ショットピーニング加工の全加工面積（Ａ）に対するディンプルの総表面積（Ｂ）の割合（％）を示す値（Ｃ）で、Ｃ＝Ｂ／Ａがショットピーニングの加工の程度を表す。このＣの値が１００００％〜５００００％である場合に、リング表面の硬さが８００〜１０００ＨＶで、ピストンリングの摺動面として必要な硬さが得られる。Ｃ＜１００００％の場合は必要な硬さ（８００〜１０００ＨＶ）を得ることができない。また、Ｃ＞５００００％の場合は、リング表面にクラックが発生することがある。そして、特に、２００００％＜Ｃ＜４００００％の場合に、リング表面の硬さが９００以上で、大きな硬さが得られるとともにクラックの発生を確実に防止できる。
【００２３】
エアショットピーニングは、一般的なエア式ショットピーニング装置を使用するもので、ショット材を高圧空気により高速でピストンリング１の外周摺動面に投射する。
【００２４】
ショットピーニングの加工の程度は、被加工材であるピストンリング１の材質、ショット材の材質、形状、粒径、投射速度および投射時間によって調整可能である。
【００２５】
ピストンリング１の材質は、例えばマルテンナイト系ステンレス鋼である。その他、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、Ｓｉ−Ｃｒ、鋳鉄など、ディンプルを形成できる材料であればよい。
【００２６】
ショット材の材質は、例えば、セラミック、ガラス、金属等で、特に限定されるものではないが、ピストンリング１の素材に比べて硬さが高いことが必要である。また、ショット材の形状は、ディンプルが形成されやすい略球形が望ましく、粒径は１０〜１００μｍであることが望ましい。そして、ショット材の投射速度は、１００〜３００ｍ／ｓが好適であり、特に、２００ｍ／ｓ程度であれば一層効果的である。また、投射時間は、５〜１０ｍｉｎが好適である。
【００２７】
なお、表面加工は、エア式ショットピーニング加工以外に、超音波式ショットピーニング加工、フラップホイール加工等であってもよい。
【実施例】
【００２８】
組成が重量％で、Ｃ：０．７％、Ｓｉ：０．５２％、Ｍｎ：０．４９％、Ｐ：０．０３２％、Ｃｒ：１２．２％、残部が鉄および不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレスのオイルテンパー線を材料として、断面略矩形のピストンリングの形状に成形し、その外周摺動部の表面にエアショットピーニングを施し、ショット材の投射時間を変えることにより、カバリッジを変化させて、表面にナノ結晶粒を生成させ、表面の硬さを調べた。ショット材の材質は、Ｃ：１．０％、Ｓｉ：１．３％、Ｍｎ：１．０％、残部が鉄および不可避不純物からなる高炭素鋼、形状は略球形、粒径は約５０μｍ、投射速度は２００ｍ／ｓである。その結果を図２に示す。
【００２９】
図２は、カバリッジ（coverage）と表面の硬さ（Vickers Hardness）との関係を示すグラフである。８００ＨＶ以上の硬さを得るためには、カバリッジ１００００％以上とする必要があり、また、カバリッジ２００００％以上で９００ＨＶを越える硬さが得られることがわかる。
【００３０】
図３は、ピストンリングの外周摺動部の表面に生成したナノ結晶が生成している状態を示す顕微鏡写真である。ナノ結晶層の厚みは２〜２０μｍである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態の一例に係るピストンリングの断面図（ａ）およびそのＡ部拡大図（ｂ）である。
【図２】実施例のピストンリングのカバリッジ（coverage）と表面の硬さ（Vickers Hardness）との関係を示すグラフである。
【図３】実施例のピストンリングの外周摺動部断面の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ピストンリング
２  ディンプル
３  ナノ結晶層
【図１】
2006125530.tif 000003
【図２】
2006125530.tif 000004
【図３】
2006125530.tif 000005