JP2000002333A - ピストンリング - Google Patents
ピストンリングInfo
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- JP2000002333A JP2000002333A JP18818298A JP18818298A JP2000002333A JP 2000002333 A JP2000002333 A JP 2000002333A JP 18818298 A JP18818298 A JP 18818298A JP 18818298 A JP18818298 A JP 18818298A JP 2000002333 A JP2000002333 A JP 2000002333A
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- piston ring
- zrn
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- coating
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ピストンリングの耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】 ピストンリング１の全表面にガス窒化層
２を形成し、外周面のガス窒化層２上にＺｒＮからなる
硬質皮膜３を１〜８０μｍの厚さで被覆する。硬質皮膜
３はピストンリング１の軸方向破断面の結晶が母材側か
ら皮膜表面側に向かって成長している柱状組織を呈し、
ＺｒＮの結晶は被覆面に平行に（２００）面の優先方位
を持ち、硬度はビッカース硬度でＨＶ１２００〜２００
０の範囲にある。
２を形成し、外周面のガス窒化層２上にＺｒＮからなる
硬質皮膜３を１〜８０μｍの厚さで被覆する。硬質皮膜
３はピストンリング１の軸方向破断面の結晶が母材側か
ら皮膜表面側に向かって成長している柱状組織を呈し、
ＺｒＮの結晶は被覆面に平行に（２００）面の優先方位
を持ち、硬度はビッカース硬度でＨＶ１２００〜２００
０の範囲にある。
Description
【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。
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
制対応に伴って、ピストンリングの使用環境が益々過酷
になっており、特に耐摩耗性の向上が課題となってい
る。その対策として、窒化クロム（ＣｒＮ）皮膜（特開
平７−２８６２６２号）や、窒化モリブデンと窒化クロ
ムの混合皮膜（特開平８−１７８０６９号）などの硬質
皮膜をピストンリングの外周面に被覆することが提案さ
れている。また、ジルコニウム系については、母材側か
ら表面に向かって窒素を増大させ、硬度勾配を与える窒
化ジルコニウム被覆が提案されている（特公昭５３−１
９３２５号）。また、準化学量論的窒化ジルコニウム被
覆が提案されている（特許第２６４６３１３号）。この
提案では、被覆中の窒素の原子百分率が約４１〜４８原
子％で、被覆硬度が２２００〜２６００ｋｇ力／ｍｍ2
と規定されており、配向は（３１１）あるいは（１１
１）が好ましいと記載されている。
制対応に伴って、ピストンリングの使用環境が益々過酷
になっており、特に耐摩耗性の向上が課題となってい
る。その対策として、窒化クロム（ＣｒＮ）皮膜（特開
平７−２８６２６２号）や、窒化モリブデンと窒化クロ
ムの混合皮膜（特開平８−１７８０６９号）などの硬質
皮膜をピストンリングの外周面に被覆することが提案さ
れている。また、ジルコニウム系については、母材側か
ら表面に向かって窒素を増大させ、硬度勾配を与える窒
化ジルコニウム被覆が提案されている（特公昭５３−１
９３２５号）。また、準化学量論的窒化ジルコニウム被
覆が提案されている（特許第２６４６３１３号）。この
提案では、被覆中の窒素の原子百分率が約４１〜４８原
子％で、被覆硬度が２２００〜２６００ｋｇ力／ｍｍ2
と規定されており、配向は（３１１）あるいは（１１
１）が好ましいと記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記皮
膜では、過酷なエンジン条件においては、耐摩耗性が未
だ不充分である。
膜では、過酷なエンジン条件においては、耐摩耗性が未
だ不充分である。
【０００４】本発明は、ピストンリングの耐摩耗性を向
上させることを目的とする。
上させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の構成は、ＺｒＮ
からなる硬質皮膜が外周摺動面に被覆されているピスト
ンリングであって、前記ＺｒＮの結晶が被覆面に平行に
（２００）面の優先方位を持ち、前記皮膜の硬度がビッ
カース硬さでＨＶ１２００〜２０００の範囲にあること
を特徴とする。
からなる硬質皮膜が外周摺動面に被覆されているピスト
ンリングであって、前記ＺｒＮの結晶が被覆面に平行に
（２００）面の優先方位を持ち、前記皮膜の硬度がビッ
カース硬さでＨＶ１２００〜２０００の範囲にあること
を特徴とする。
【０００６】なお、本発明のＺｒＮ皮膜は、本発明の効
果を損なわない範囲であれば、ＰＶＤ過程で不可避的に
形成されるマイクロパーティクルによるＺｒ相が混入し
た皮膜も含むものとする。
果を損なわない範囲であれば、ＰＶＤ過程で不可避的に
形成されるマイクロパーティクルによるＺｒ相が混入し
た皮膜も含むものとする。
【０００７】ＺｒＮの結晶は被覆面に平行に（２００）
面の優先方位を持つのが耐摩耗性の点から好ましい。
面の優先方位を持つのが耐摩耗性の点から好ましい。
【０００８】硬質皮膜の硬度はビッカース硬度でＨＶ１
２００以上、ＨＶ２０００以下が耐摩耗性の点から好ま
しい。
２００以上、ＨＶ２０００以下が耐摩耗性の点から好ま
しい。
【０００９】硬質皮膜は、ピストンリングの軸方向破断
面の結晶が母材側から皮膜表面側に向かって柱状に成長
している柱状組織を呈しているのが好ましい。柱状組織
は、皮膜をピストンリングの軸方向に折った破断面の結
晶が母材側から皮膜表面側に向かって柱状に成長してお
り、結晶粒は比較的大きい。アークイオンプレーティン
グ法によると、バイアス電圧が低く、炉内圧が高いほど
柱状組織になりやすい。これに対して、粒状組織は皮膜
のピストンリング軸方向破断面に凹凸がほとんどなく平
坦になっており、結晶粒はかなり微細化されている。
面の結晶が母材側から皮膜表面側に向かって柱状に成長
している柱状組織を呈しているのが好ましい。柱状組織
は、皮膜をピストンリングの軸方向に折った破断面の結
晶が母材側から皮膜表面側に向かって柱状に成長してお
り、結晶粒は比較的大きい。アークイオンプレーティン
グ法によると、バイアス電圧が低く、炉内圧が高いほど
柱状組織になりやすい。これに対して、粒状組織は皮膜
のピストンリング軸方向破断面に凹凸がほとんどなく平
坦になっており、結晶粒はかなり微細化されている。
【００１０】硬質皮膜のＺｒＮ結晶中に酸素および炭素
のうちの少なくとも１種を固溶させるのも、靱性向上の
点から好ましい。
のうちの少なくとも１種を固溶させるのも、靱性向上の
点から好ましい。
【００１１】硬質皮膜の厚さは１μｍ以上、８０μｍ以
下が好ましい。皮膜の厚さが１μｍ未満であると、耐久
性が不足し、８０μｍを越えると、耐摩耗性は充分であ
るが、密着性が低下する。
下が好ましい。皮膜の厚さが１μｍ未満であると、耐久
性が不足し、８０μｍを越えると、耐摩耗性は充分であ
るが、密着性が低下する。
【００１２】本発明の硬質皮膜は、金属Ｚｒを蒸発源と
し、窒素ガスをプロセスガスとするＰＶＤ法例えばイオ
ンプレーティング法によって被覆することができる。酸
素および炭素のうちの少なくとも１種を固溶させるに
は、酸素源に酸素ガス、炭素源にＣＨ4 ガス、Ｃ2 Ｈ4
ガス、Ｃ2 Ｈ2 ガスのうちの少なくとも１種を使用し、
酸素のみを固溶させる場合は酸素源のみ、炭素のみを固
溶させる場合は炭素源のみ、酸素および炭素を固溶させ
る場合は酸素源と炭素源の両方を使用すればよい。Ｚｒ
Ｎの結晶の優先方位は、一般的に、バイアス電圧、プロ
セスガス等の要因によって複雑に変化すると言われてい
る。本発明者がアークイオンプレーティング装置を使用
して試験したところ、優先方位は、バイアス電圧によっ
てコントロールするのが容易であった。また、皮膜硬度
は、炉内圧を高くすると低下し、バイアス電圧を低くす
ると低下する。皮膜破断面の結晶組織は炉内圧とバイア
ス電圧のコントロールにより調整する。炉内圧を高くす
ると柱状組織になり、低くすると粒状組織になる。ま
た、バイアス電圧を低くすると柱状組織になり、高くす
ると粒状組織になる。
し、窒素ガスをプロセスガスとするＰＶＤ法例えばイオ
ンプレーティング法によって被覆することができる。酸
素および炭素のうちの少なくとも１種を固溶させるに
は、酸素源に酸素ガス、炭素源にＣＨ4 ガス、Ｃ2 Ｈ4
ガス、Ｃ2 Ｈ2 ガスのうちの少なくとも１種を使用し、
酸素のみを固溶させる場合は酸素源のみ、炭素のみを固
溶させる場合は炭素源のみ、酸素および炭素を固溶させ
る場合は酸素源と炭素源の両方を使用すればよい。Ｚｒ
Ｎの結晶の優先方位は、一般的に、バイアス電圧、プロ
セスガス等の要因によって複雑に変化すると言われてい
る。本発明者がアークイオンプレーティング装置を使用
して試験したところ、優先方位は、バイアス電圧によっ
てコントロールするのが容易であった。また、皮膜硬度
は、炉内圧を高くすると低下し、バイアス電圧を低くす
ると低下する。皮膜破断面の結晶組織は炉内圧とバイア
ス電圧のコントロールにより調整する。炉内圧を高くす
ると柱状組織になり、低くすると粒状組織になる。ま
た、バイアス電圧を低くすると柱状組織になり、高くす
ると粒状組織になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
により説明する。
により説明する。
【００１４】ピストンリング１の全表面にガス窒化層２
が２０〜９０μｍの厚さで形成されており、外周面のガ
ス窒化層２上にＺｒＮからなる硬質皮膜３が１〜８０μ
ｍの範囲の厚さで被覆されている。硬質皮膜３は、ピス
トンリング１の軸方向に折った破断面の結晶が母材側か
ら皮膜表面側に向かって成長している柱状組織を呈して
おり、ＺｒＮの結晶は被覆面に平行に（２００）面の優
先方位を持ち、硬度はビッカース硬度でＨＶ１２００〜
２０００の範囲にある。
が２０〜９０μｍの厚さで形成されており、外周面のガ
ス窒化層２上にＺｒＮからなる硬質皮膜３が１〜８０μ
ｍの範囲の厚さで被覆されている。硬質皮膜３は、ピス
トンリング１の軸方向に折った破断面の結晶が母材側か
ら皮膜表面側に向かって成長している柱状組織を呈して
おり、ＺｒＮの結晶は被覆面に平行に（２００）面の優
先方位を持ち、硬度はビッカース硬度でＨＶ１２００〜
２０００の範囲にある。
【００１５】なお、使用条件がゆるいときは、ガス窒化
層等の下地層はなくてもよい。
層等の下地層はなくてもよい。
【００１６】以下、上記硬質皮膜３の耐摩耗性を評価す
るために、往復動摩擦試験機を使用して行った耐摩耗性
試験について説明する。
るために、往復動摩擦試験機を使用して行った耐摩耗性
試験について説明する。
【００１７】皮膜の結晶構造および結晶の優先方位はＸ
線ディフラクトメータによる回折図形で決定した。酸素
固溶量および炭素固溶量の分析はＸ線マイクロアナライ
ザで行った。皮膜破断面の結晶組織は走査型電子顕微鏡
により観察した。
線ディフラクトメータによる回折図形で決定した。酸素
固溶量および炭素固溶量の分析はＸ線マイクロアナライ
ザで行った。皮膜破断面の結晶組織は走査型電子顕微鏡
により観察した。
【００１８】測定した皮膜の結晶構造、ＺｒＮの結晶の
優先方位、酸素固溶量、炭素固溶量、ＺｒＮ皮膜中の窒
素の原子百分率、破断面の結晶組織、および皮膜硬度を
表１に示す。
優先方位、酸素固溶量、炭素固溶量、ＺｒＮ皮膜中の窒
素の原子百分率、破断面の結晶組織、および皮膜硬度を
表１に示す。
【００１９】図２（ａ）は、表１に示す実施例１の硬質
皮膜の破断面の走査型電子顕微鏡写真（９００倍）であ
り、母材側から皮膜表面に向かって柱状に結晶が成長し
ていることが認められる。図２（ｂ）は、表１に示す比
較例７の硬質皮膜の破断面の走査型電子顕微鏡写真（９
００倍）であり、粒状組織であることが認められる。
皮膜の破断面の走査型電子顕微鏡写真（９００倍）であ
り、母材側から皮膜表面に向かって柱状に結晶が成長し
ていることが認められる。図２（ｂ）は、表１に示す比
較例７の硬質皮膜の破断面の走査型電子顕微鏡写真（９
００倍）であり、粒状組織であることが認められる。
【００２０】 （注１）欄中の→記号は、ＺｒＮ皮膜中の窒素の原子百分率および皮膜硬度が母 材側から表面側に向かって変化していることを示している。 （注２）比較例および実施例の各皮膜の厚さは約３５μｍである。
【００２１】（１）往復動摩擦試験機 図３に往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験
片１０は固定ブロック１１により保持され、上方から油
圧シリンダ１２により下向きの荷重が加えられて、下試
験片１３に押接される。矩形の平盤形状の下試験片１３
は可動ブロック１４により保持され、クランク機構１５
により往復動させられる。１６はロードセルである。
片１０は固定ブロック１１により保持され、上方から油
圧シリンダ１２により下向きの荷重が加えられて、下試
験片１３に押接される。矩形の平盤形状の下試験片１３
は可動ブロック１４により保持され、クランク機構１５
により往復動させられる。１６はロードセルである。
【００２２】（２）試験片 上試験片１０：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼
からなる直径φ８ｍｍ×長さ２５ｍｍの丸棒の一端にＲ
１８ｍｍの球面加工を施し、その球面上に表１に示す硬
質皮膜を施したもの。 下試験片１３：長さ７０ｍｍ×幅１７ｍｍ×高さ１４ｍ
ｍの平板で材質は鋳鉄材（ＦＣ２５０）
からなる直径φ８ｍｍ×長さ２５ｍｍの丸棒の一端にＲ
１８ｍｍの球面加工を施し、その球面上に表１に示す硬
質皮膜を施したもの。 下試験片１３：長さ７０ｍｍ×幅１７ｍｍ×高さ１４ｍ
ｍの平板で材質は鋳鉄材（ＦＣ２５０）
【００２３】（３）試験条件 ならし：５０Ｎ×１００ｃｐｍ×５ｍｉｎ 本試験：３００Ｎ×６００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ 潤滑油：軽油相当粘度油
【００２４】（４）試験結果 試験結果を表２に示す。表２の試験結果における摩耗比
は、比較例１の摩耗量を１としたときの比である。表２
から明らかなように、ＺｒＮ以外の硬質皮膜（比較例１
〜３）は耐摩耗性および相手材攻撃性の点で劣る。特許
第２６４６３１３号の準化学量論的ＺｒＮ皮膜（比較例
４，５）は、比較例１〜３と比べて、耐摩耗性が若干良
好である。特公昭５３−１９３２５号のＺｒＮ皮膜（比
較例６）も同様である。優先方位が（１１１）面のＺｒ
Ｎ皮膜（比較例８）も同様である。皮膜硬度が本発明の
範囲外であるが、優先方位を（２００）面としたＺｒＮ
皮膜（比較例７，９）は、耐摩耗性および相手材攻撃性
が改善されている。これらに対して、実施例１〜４の硬
質皮膜は比較例の硬質皮膜よりも耐摩耗性および相手材
攻撃性が優れている。
は、比較例１の摩耗量を１としたときの比である。表２
から明らかなように、ＺｒＮ以外の硬質皮膜（比較例１
〜３）は耐摩耗性および相手材攻撃性の点で劣る。特許
第２６４６３１３号の準化学量論的ＺｒＮ皮膜（比較例
４，５）は、比較例１〜３と比べて、耐摩耗性が若干良
好である。特公昭５３−１９３２５号のＺｒＮ皮膜（比
較例６）も同様である。優先方位が（１１１）面のＺｒ
Ｎ皮膜（比較例８）も同様である。皮膜硬度が本発明の
範囲外であるが、優先方位を（２００）面としたＺｒＮ
皮膜（比較例７，９）は、耐摩耗性および相手材攻撃性
が改善されている。これらに対して、実施例１〜４の硬
質皮膜は比較例の硬質皮膜よりも耐摩耗性および相手材
攻撃性が優れている。
【００２５】
【００２６】次に、エンジン実験を行った結果を説明す
る。
る。
【００２７】前記試験で使用した比較例１，７の皮膜
と、実施例１〜４の皮膜を、トップリングの外周摺動面
に被覆した。このトップリングをボア径φ９１ｍｍの直
列４気筒４サイクルディーゼルエンジンに組み込み、全
負荷の条件で３００時間の耐久試験を行った。試験終了
後、トップリングの外周摺動面の摩耗量を測定した。
と、実施例１〜４の皮膜を、トップリングの外周摺動面
に被覆した。このトップリングをボア径φ９１ｍｍの直
列４気筒４サイクルディーゼルエンジンに組み込み、全
負荷の条件で３００時間の耐久試験を行った。試験終了
後、トップリングの外周摺動面の摩耗量を測定した。
【００２８】その結果を表３に示す。表３の試験結果に
おける摩耗比は、比較例１の摩耗量を１としたときの比
である。表３から明らかなように、実施例の硬質皮膜は
いずれも、比較例の硬質皮膜よりも耐摩耗性が優れてい
る。
おける摩耗比は、比較例１の摩耗量を１としたときの比
である。表３から明らかなように、実施例の硬質皮膜は
いずれも、比較例の硬質皮膜よりも耐摩耗性が優れてい
る。
【００２９】
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように本発明のＺｒＮから
なる硬質皮膜を被覆したピストンリングは、耐摩耗性に
優れるので、優れた耐久性を具備することができる。
なる硬質皮膜を被覆したピストンリングは、耐摩耗性に
優れるので、優れた耐久性を具備することができる。
【図１】本発明の一実施形態のピストンリングの一部分
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）は実施例１の皮膜の破断面の走査型電子
顕微鏡写真、（ｂ）は比較例７の皮膜の破断面の走査型
電子顕微鏡写真である。
顕微鏡写真、（ｂ）は比較例７の皮膜の破断面の走査型
電子顕微鏡写真である。
【図３】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
１ ピストンリング ２ ガス窒化層 ３ ＺｒＮからなる硬質皮膜 １０ 上試験片 １１ 固定ブロック １２ 油圧シリンダ １３ 下試験片 １４ 可動ブロック １５ クランク機構 １６ ロードセル
フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J044 AA02 BB14 BB20 BB36 BC07 DA16 4K029 BA58 BB08 BD04 CA04 EA01 FA01
Claims (5)
- 【請求項１】 ＺｒＮからなる硬質皮膜が外周摺動面に
被覆されているピストンリングであって、前記ＺｒＮの
結晶が被覆面に平行に（２００）面の優先方位を持ち、
前記皮膜の硬度がビッカース硬さでＨＶ１２００〜２０
００の範囲にあることを特徴とするピストンリング。 - 【請求項２】 前記硬質皮膜は、ピストンリングの軸方
向破断面の結晶が母材側から皮膜表面側に向かって柱状
に成長している柱状組織を呈してい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】 前記硬質皮膜中の窒素の原子百分率が５
０〜６０原子％であることを特徴とする請求項１または
２記載のピストンリング。 - 【請求項４】 前記ＺｒＮの結晶中に酸素および炭素の
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１または２記載のピストンリング。 - 【請求項５】 前記硬質皮膜の厚さが１〜８０μｍの範
囲にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載のピストンリング。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18818298A JP2000002333A (ja) | 1998-06-18 | 1998-06-18 | ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18818298A JP2000002333A (ja) | 1998-06-18 | 1998-06-18 | ピストンリング |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000002333A true JP2000002333A (ja) | 2000-01-07 |
Family
ID=16219209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18818298A Pending JP2000002333A (ja) | 1998-06-18 | 1998-06-18 | ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000002333A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002256968A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-09-11 | Teikoku Piston Ring Co Ltd | 摺動部材及びその製造方法 |
| KR20150059417A (ko) * | 2013-11-22 | 2015-06-01 | 한국생산기술연구원 | 온열간 단조금형의 코팅막 및 온열간 단조금형의 표면처리방법 |
| WO2017014139A1 (ja) * | 2015-07-17 | 2017-01-26 | 株式会社リケン | ピストンリング及びその製造方法 |
-
1998
- 1998-06-18 JP JP18818298A patent/JP2000002333A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002256968A (ja) * | 2001-02-26 | 2002-09-11 | Teikoku Piston Ring Co Ltd | 摺動部材及びその製造方法 |
| JP4656741B2 (ja) * | 2001-02-26 | 2011-03-23 | 帝国ピストンリング株式会社 | 摺動部材及びその製造方法 |
| KR20150059417A (ko) * | 2013-11-22 | 2015-06-01 | 한국생산기술연구원 | 온열간 단조금형의 코팅막 및 온열간 단조금형의 표면처리방법 |
| KR101647678B1 (ko) * | 2013-11-22 | 2016-08-11 | 한국생산기술연구원 | 온열간 단조금형의 코팅막 및 온열간 단조금형의 표면처리방법 |
| WO2017014139A1 (ja) * | 2015-07-17 | 2017-01-26 | 株式会社リケン | ピストンリング及びその製造方法 |
| CN107636367A (zh) * | 2015-07-17 | 2018-01-26 | 株式会社理研 | 活塞环及其制造方法 |
| US10502319B2 (en) | 2015-07-17 | 2019-12-10 | Kabushiki Kaisha Riken | Piston ring and its production method |
| CN107636367B (zh) * | 2015-07-17 | 2020-03-13 | 株式会社理研 | 活塞环及其制造方法 |
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