JP2006316912A - Piston ring having ion plating film - Google Patents

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Takayuki Ichikawa
貴之 市川
Akira Muramatsu
暁 村松
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piston ring using steel, an aluminum alloy, or a Ti alloy as a matrix material with superior adhesiveness to a hard ion plating film, and capable of easily reducing roughness of a film surface, and a pretreatment method suiting the piston ring. <P>SOLUTION: A substrate surface for the ion plating film is processed to a ten point mean roughness (hereafter displayed in Rz) of 0.5-2.0Rz by sandblasting using hard ceramics particles such as alundum, carborundum, or the like with a mean particle diameter of 3-20μm. Then the hard ion plating film formed by at least one type selected from Ti or/and Cr, C, N, and O is formed on the substrate surface. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、硬質イオンプレーティング皮膜を摺動面に有する鋼、アルミ合金又はTi合金製ピストンリング及びその製造方法に関するものであり、特にTi及び/又はCrとC,N,Oからなる硬質イオンプレーティング皮膜を有するピストンリング及びその前処理加工方法に関する。   The present invention relates to a steel, aluminum alloy or Ti alloy piston ring having a hard ion plating film on a sliding surface and a method for producing the same, and in particular, hard ions comprising Ti and / or Cr and C, N, O. The present invention relates to a piston ring having a plating film and a pretreatment method thereof.

従来から摺動部材の摺動面には、耐摩耗性皮膜として硬質Crめっき皮膜が用いられてきた。しかしながら、六価Crイオンの環境問題から、硬質Crめっき皮膜に変えて硬質イオンプレーティング皮膜や窒化処理皮膜を使うようになってきている。特に、内燃機関のピストンリングでは、耐摩耗性に優れた窒化層を得るには、高Cr含有のステンレス鋼材を母材として使用しなければならないこと、ガス窒化ではアンモニヤガス、塩浴窒化ではやシアン化合物等の有害な薬品を使用することから、無公害処理であるイオンプレーティングによるTiNやCrNと言った硬質皮膜が硬質Crめっき皮膜の代替として使われるようになってきている。しかしながら、ピストンリングの摺動面に使われる耐摩耗性皮膜には高い密着性が必要であり種々の工夫が成されてきている。   Conventionally, a hard Cr plating film has been used as a wear-resistant film on the sliding surface of the sliding member. However, due to environmental problems with hexavalent Cr ions, hard ion plating films and nitriding films have been used instead of hard Cr plating films. In particular, in piston rings of internal combustion engines, in order to obtain a nitride layer with excellent wear resistance, a stainless steel material with high Cr content must be used as a base material. Since harmful chemicals such as cyanide are used, hard coatings such as TiN and CrN by ion plating, which is a pollution-free treatment, have come to be used as an alternative to hard Cr plating coatings. However, the wear-resistant film used for the sliding surface of the piston ring requires high adhesion, and various devices have been made.

特開昭61−87950号(特許文献1)はイオンプレーティングによる金属クロムと窒化クロムとの微細混合皮膜を摺動面に有するピストンリングに関するものである。イオンプレーティング皮膜をピストンリング外周面に適用するにあたり、皮膜の密着性を確保するために皮膜の柔軟性や熱膨張率を考慮し上記混合組織としたことが記載されている。また、本特許には皮膜の密着性を確保するために、イオンプレーティング直前にはArガスのイオンボンバードを行うことも開示している。しかしながら、本方法では硬質イオンプレーティング皮膜が限定されること、本発明で用いるArガスイオンによるボンバードでは鋼、アルミ合金及びTi合金の表面酸化物等を取り除く効果が低く密着性の向上があまり期待できないと云った問題がある。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-87950 (Patent Document 1) relates to a piston ring having a sliding surface with a fine mixed film of metal chromium and chromium nitride by ion plating. In applying the ion plating film to the outer peripheral surface of the piston ring, it is described that the mixed structure is formed in consideration of the flexibility and thermal expansion coefficient of the film in order to ensure the adhesion of the film. Further, this patent also discloses that ion bombardment of Ar gas is performed immediately before ion plating in order to ensure adhesion of the film. However, in this method, the hard ion plating film is limited, and the bombardment by Ar gas ions used in the present invention has a low effect of removing surface oxides of steel, aluminum alloy and Ti alloy, and is expected not to improve adhesion. There is a problem that you can't.

特開昭63−42362号(特許文献2)は鋼母材に窒化層、炭化層、炭窒化層を形成した後、イオンプレーティング法により4a族5a族の窒化物、炭化物、炭窒化物を被覆する際に、金属ボンバード処理を行うことを特徴とする特許である。前記特許のArイオンボンバードに変えて金属イオンのボンバード処理を用いたものであり、Arイオンに比べ金属イオンがより高いエネルギーを持つので、下地のスパッタクリーニングに有効であり、且つ金属イオンが下地層に打ち込まれるので、その上に形成される4a族5a族の窒化物、炭化物、炭窒化物の密着性を高くできるとしている。しかしながら、金属イオンボンバードはアークイオンプレーティング装置に限定されること、高エネルギーの金属イオンボンバードでは、鋼、アルミ合金及びTi合金の表面酸化物等の異物を除去するには長いボンバード時間を要するので、母材温度を著しく上昇させる。そのため、母材材料の軟化や変形があり、ピストンリングに於いては母材材料に耐熱材料を用いる必要があるなどの問題がある。尚、低エネルギーの金属ボンバードでは低エネルギーの金属イオンがそのまま皮膜を形成する可能性があり、却って、皮膜の密着性を阻害する。   Japanese Patent Laid-Open No. 63-42362 (Patent Document 2) discloses that a nitride layer, a carbonized layer, and a carbonitride layer are formed on a steel base material, and then nitrides, carbides, and carbonitrides of Group 4a and Group 5a are formed by ion plating. It is a patent characterized in that metal bombarding is performed when coating. Instead of the Ar ion bombardment of the above patent, metal ion bombardment is used. Since metal ions have higher energy than Ar ions, it is effective for the sputter cleaning of the base, and the metal ions are the base layer. Therefore, the adhesion of nitrides, carbides, and carbonitrides of the 4a group and 5a group formed thereon can be increased. However, metal ion bombardment is limited to arc ion plating equipment, and high energy metal ion bombardment requires a long bombard time to remove foreign matters such as surface oxides of steel, aluminum alloy and Ti alloy. , Remarkably raise the base material temperature. Therefore, there is a problem that the base material is softened or deformed, and the piston ring needs to use a heat-resistant material as the base material. In the low energy metal bombardment, low energy metal ions may form a film as it is, and on the contrary, the adhesion of the film is hindered.

特開平7−292458号(特許文献3)は鋳鉄又は鋼からなる摺動部材の摺動面にCrと窒素からなる皮膜を形成した摺動部材であり、Crと窒素からなるイオンプレーティング皮膜の下地表面はサンドサンドブラスト加工により平均表面粗さ2〜8μmに調整されている。表面粗さはサンドサンドブラスト加工で粒度#180のアルミナやカーボランダム等の硬質サンドサンドブラスト材の吹きつけ圧力や回数を変化させて得ており、これによって、密着性に優れたイオンプレーティング膜が得られるとしている。確かに、本方法を用いることで鋼、アルミ合金及びTi合金の表面酸化物等の異物を除去することは可能であるが、ブラストされる母材下地の表面粗さが極端に粗くなるためその上に形成された硬質イオンプレーティング皮膜の粗さも粗くなる。その結果、硬質イオンプレーティング皮膜では相手材の摩耗を防ぐために硬質イオンプレーティング皮膜表面の研磨加工を必要とし、且つ、皮膜が硬質なために研磨に時間を要する。更に、研磨加工代分イオンプレーティング皮膜を厚く形成しなければならず、イオンプレーティング時間も長くしなければならない。又、低硬度の鋼、アルミ合金又はTi合金である場合は、硬質のサンドサンドブラスト材が下地母材に突き刺さり(写真1)、却って、イオンプレーティング皮膜の密着性を阻害することや、皮膜が摩滅した場合には突き刺さった硬質のサンドブラスト材が露出して、相手材を摩耗させたり、スカッフが発生する可能性もある。更に、下地粗さが粗いために、イオンプレーティング皮膜を柱状結晶組織とした場合には、結晶組織境界には空孔ができやすく、皮膜強度が低くなるので摩耗に対して対し弱い皮膜となり易いという問題もある。   Japanese Patent Laid-Open No. 7-292458 (Patent Document 3) is a sliding member in which a coating made of Cr and nitrogen is formed on the sliding surface of a sliding member made of cast iron or steel, and an ion plating coating made of Cr and nitrogen. The base surface is adjusted to an average surface roughness of 2 to 8 μm by sand sand blasting. The surface roughness is obtained by changing the spraying pressure and frequency of hard sand sandblasting materials such as alumina and carborundum with a particle size of # 180 by sand sandblasting, thereby obtaining an ion plating film with excellent adhesion. It is supposed to be done. Certainly, it is possible to remove foreign substances such as surface oxides of steel, aluminum alloy and Ti alloy by using this method, but the surface roughness of the base material to be blasted becomes extremely rough, so that The roughness of the hard ion plating film formed on the top also becomes rough. As a result, the hard ion plating film requires a polishing process on the surface of the hard ion plating film in order to prevent wear of the counterpart material, and the polishing process takes time because the film is hard. Further, the ion plating film must be formed thick enough for the polishing process, and the ion plating time must be increased. In the case of low-hardness steel, aluminum alloy or Ti alloy, the hard sand-sand blasting material pierces the base material (Photo 1). When worn, the hard sandblast material that has been pierced may be exposed, and the mating material may be worn out or scuffing may occur. Furthermore, when the ion plating film has a columnar crystal structure due to the rough surface roughness, pores are easily formed at the boundary of the crystal structure, and the film strength is low, so the film is likely to be weak against abrasion. There is also a problem.

特開2000−12869号(特許文献4)はAL合金を相手材として高温・高負荷で使用される摺動部材とその製造方法に関するもので、摺動面に0.5〜5μmの大きさの瘤状に析出した表面組織を有するダイヤモンドアイクカーボン膜が有ることが特徴である。そして、摺動面をラッピング加工又はサンドブラスト加工により表面粗さ0.05〜1μmRaに仕上げた後ダイアモンドコーティングをするとことによって、0.5〜5μmの大きさの瘤状に析出した表面組織を有するダイヤモンドライクカーボン膜が得られることを開示する。しかし、サンドブラスト加工方法に関しての説明やダイヤモンドライクカーボン膜以外の皮膜についての説明等は一切開示されていない。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-12869 (Patent Document 4) relates to a sliding member used at a high temperature and a high load with an AL alloy as a counterpart material and a method for manufacturing the same, and has a sliding surface with a size of 0.5 to 5 μm. It is characterized by a diamond-like carbon film having a surface structure deposited in a lumped shape. Then, diamond having a surface structure deposited in a ridge shape of 0.5 to 5 μm by finishing the sliding surface to a surface roughness of 0.05 to 1 μmRa by lapping or sandblasting and then diamond coating. Disclosed is a like carbon film. However, there is no disclosure regarding the sandblasting method or any description of coatings other than the diamond-like carbon film.

特開昭61−87950号公報JP-A-61-87950 特開昭63−42362号公報JP-A-63-42362 特開平7−292458号公報JP-A-7-292458 特開2000−12869号公報JP 2000-12869 A

以上のように、従来技術にあっては、鋼、アルミ合金又はTi合金製摺動部材の摺動面に硬質イオンプレーティング皮膜を有するピストンリングにおいては、イオンプレーティング皮膜を密着性良く形成する高効率な前処理方法は見いだされていなかった。特に、常温で硬度の低い或いは昇温により強度や変形を生じ易い鋼、アルミ合金又はTi合金を母材としたピストンリングの場合には皆無であった。本発明は、上記事情に鑑み、鋼、アルミ合金又はTi合金製ピストンリングの摺動面に密着性に優れた硬質イオンプレーティング皮膜を形成するための前処理方法として、生産性、コスト、熱変形などの問題点が少ないサンドブラスト加工法を用いて、密着性に優れた硬質イオンプレーティング皮膜を摺動部表面に有する鋼、アルミ合金又はTi合金製ピストンリング及びその製造方法を提供することを目的とする。   As described above, in the conventional technology, in the piston ring having the hard ion plating film on the sliding surface of the steel, aluminum alloy or Ti alloy sliding member, the ion plating film is formed with good adhesion. A highly efficient pretreatment method has not been found. In particular, there was nothing in the case of a piston ring having a base material of steel, aluminum alloy or Ti alloy that has low hardness at room temperature or is likely to cause strength and deformation due to temperature rise. In view of the above circumstances, the present invention provides productivity, cost, heat as a pretreatment method for forming a hard ion plating film having excellent adhesion on a sliding surface of a steel, aluminum alloy or Ti alloy piston ring. To provide a piston ring made of steel, aluminum alloy or Ti alloy having a hard ion plating film having excellent adhesion on the surface of the sliding part using a sandblasting method with few problems such as deformation, and a method for producing the same. Objective.

本願第一の発明のピストンリングは、少なくとも摺動面に1〜30μmの硬質イオンプレーティング皮膜を有する鋼、アルミ合金又はTi合金製ピストンリングであって、該イオンプレーティング皮膜の下地表面が硬質粒子のサンドブラスト加工により、10点平均粗さ(今後Rzで表示)が0.5〜2.0Rzに加工されていることを特徴とし、該下地表面は平均粒径3〜20μmのアランダム又はカーボランダ等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって加工されており、これによって硬質イオンプレーティング皮膜の高い密着性が得られる。また、硬質イオンプレーティング皮膜は、Ti又は/及びCrとC、N、Oから選ばれた少なくとも一種以上で形成されており、摺動面は十分な耐摩耗性を発揮する。   The piston ring of the first invention of this application is a piston ring made of steel, aluminum alloy or Ti alloy having a hard ion plating film of 1 to 30 μm on at least a sliding surface, and the base surface of the ion plating film is hard 10 point average roughness (hereinafter expressed as Rz) is processed to 0.5 to 2.0 Rz by sandblasting of the particles, and the surface of the base is an alundum or carbander having an average particle diameter of 3 to 20 μm Are processed by sand blasting using hard ceramic particles such as the above, whereby high adhesion of the hard ion plating film can be obtained. The hard ion plating film is formed of at least one selected from Ti and / or Cr and C, N, and O, and the sliding surface exhibits sufficient wear resistance.

本願第二発明は軟鋼、アルミ合金又はTi合金製ピストンリングの製造法であり、摺動部材の摺動面を平均粒径3〜9μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドサンドブラストによって0.5〜2.0Rzに加工する第一工程、前記摺動部品をエアーブロー又は/及び有機溶剤超音波洗浄を行う第二工程、イオンプレーティング装置の真空槽中でイオンボンバードを行うか又はしないで、少なくともサンドサンドブラストされた摺動面にTi又は/及びCrとC、N、Oから選ばれた少なくとも一種以上をからなる皮膜をイオンプレーティング法により被覆することを特徴とするピストンリングの製造方法である。   The second invention of the present application is a manufacturing method of a piston ring made of mild steel, aluminum alloy or Ti alloy, and the sliding surface of the sliding member is a sand using hard ceramic particles such as alundum or carborundum having an average particle diameter of 3 to 9 μm. The first step of processing to 0.5 to 2.0 Rz by sandblasting, the second step of air blowing or / and organic solvent ultrasonic cleaning of the sliding parts, and ion bombardment in the vacuum chamber of the ion plating apparatus Or at least a sand-sandblasted sliding surface is coated with a film comprising at least one selected from Ti and / or Cr and C, N, and O by an ion plating method. It is a manufacturing method of a ring.

本発明の前処理方法を用いることによって、硬質イオンプレーティング皮膜の密着性が優れ、サンドブラスト粒子の突き刺さりもなく、且つ、表面の粗さ低減が容易な鋼、アルミ合金又はTi合金で作られているピストンリングを得ることが出来る。   By using the pretreatment method of the present invention, it is made of steel, aluminum alloy or Ti alloy which has excellent adhesion of hard ion plating film, no piercing of sandblast particles, and easy surface roughness reduction. You can get a piston ring.

1.ピストンリング
本発明のピストンリングは鋼、アルミ合金又はTi合金で作られている。摺動面が浸炭、窒化等の熱処理によって硬化されていても、又、湿式めっき等によって硬質めっき皮膜が形成されていてもよい。
1. Piston ring The piston ring of the present invention is made of steel, aluminum alloy or Ti alloy. The sliding surface may be hardened by a heat treatment such as carburizing or nitriding, or a hard plating film may be formed by wet plating or the like.

硬質イオンプレーティング皮膜が形成される下地表面は平均粒径3〜20μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって0.5〜2.0Rzに加工されている。下地表面は前工程での加工変質層、酸化物層、汚れ等多く付着するがサンドブラストを掛けることで十分に除去される。同時に、平均粒径3〜20μmの硬質ブラスト材を用いることで母材へのサンドブラスト材の突き刺さりもすくない。   The base surface on which the hard ion plating film is formed is processed to 0.5 to 2.0 Rz by sand blasting using hard ceramic particles such as alundum or carborundum having an average particle diameter of 3 to 20 μm. The surface of the base adheres much to the process-affected layer, oxide layer, dirt, etc. in the previous step, but is sufficiently removed by sandblasting. At the same time, by using a hard blast material having an average particle diameter of 3 to 20 μm, it is not necessary to pierce the sand blast material into the base material.

外周摺動面にはTi又は/及びCrとC、N、Oから選ばれた少なくとも一種以上で形成された硬質イオンプレーティング膜が形成されている。これら皮膜は皮膜の内部応力が他の皮膜に比べ低く、鋼、アルミ合金又はTi合金の0.5〜2.0Rzに加工した表面上にも良く密着する。これら硬質イオンプレーティング皮膜の表面は必要に応じて、ラッピング等の表面研磨加工を加えても良いが、下地粗さが細かいので成膜後のイオンプレーティング皮膜表面粗さも細かく、このままで使用できる範囲が広い。 A hard ion plating film made of at least one selected from Ti and / or Cr and C, N, and O is formed on the outer sliding surface. These films have lower internal stresses than other films, and adhere well to the surface of steel, aluminum alloy or Ti alloy processed to 0.5 to 2.0 Rz. If necessary, the surface of these hard ion plating films may be subjected to surface polishing such as lapping, but since the surface roughness is fine, the surface roughness of the ion plating film after film formation is fine and can be used as it is. Wide range.

2.ピストンリングの製造方法
本願発明のピストンリングの製造方法は、第一に、治工具等を用いてサンドブラスト加工しやすいようにセットし、鋼、アルミ合金又はTi合金製ピストンリングの摺動面を平均粒径3〜20μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラスト加工によって表面粗さ0.5〜2.0Rzに加工する。
2. Piston Ring Manufacturing Method The piston ring manufacturing method of the present invention is first set so as to be easily sandblasted using a tool or the like, and the sliding surface of a steel, aluminum alloy or Ti alloy piston ring is averaged. The surface roughness is processed to 0.5 to 2.0 Rz by sandblasting using hard ceramic particles such as alundum or carborundum having a particle size of 3 to 20 μm.

サンドブラスト加工法は個々の粒子エネルギーは小さいが多くの粒子で加工するため、摺動面全体を均一な粗さの加工表面に加工することができる。本発明においては、サンドブラスト加工には平均粒径3〜20μmの細かい粒径のサンド粒子を用いているので、下地表面へのサンド粒子の衝突エネルギーは小さく、鋼、アルミ合金又はTi合金等の母材表面であっても下地表面粗さは0.5〜2.0Rzと細かくすることが可能であり、且つ、表面へのサンド粒子の突き刺さりはない。又、有ったとしても、突き刺さりの程度が軽い(深さがは浅い)ので、その後のエアーブローや超音波洗浄で簡単に取ることができ、皮膜境界部に取り込まれることはない。サンドブラスト材として硬質セラミクス粒子を用いると研削で表面の加工変質層(塑性流動層)や酸化物層、汚れを容易に除去できる。硬球ショット材は加工変質層がとれずに母材の変形を生むので望ましくない。その他ガラスビーズ等も同様である。サンドブラスト材の平均粒径が3μm以下では表面研削能力に欠けサンドブラスト加工時間が長くなり生産性が悪い。平均粒径が20μm以上では母材下地粗さが大きくなりすぎ、その上に形成したイオンプレーティング皮膜の表面粗さも粗くなるので、研磨加工に時間を要すること、研磨加工取り代分イオンプレーティング時間長くする必要があることから得策ではない。また、サンドブラスト粒子の突き刺さり多くなる不具合も発生する。   Since the sand blast processing method uses a large number of particles although each particle energy is small, the entire sliding surface can be processed into a uniformly rough processed surface. In the present invention, sand particles having a fine particle diameter of 3 to 20 μm in average particle diameter are used for sand blasting, so that the collision energy of the sand particles to the base surface is small, and the mother material such as steel, aluminum alloy or Ti alloy is used. Even on the surface of the material, the surface roughness of the base can be made as fine as 0.5 to 2.0 Rz, and there is no piercing of sand particles on the surface. Even if it exists, the degree of piercing is light (the depth is shallow), so it can be easily taken by subsequent air blow or ultrasonic cleaning, and is not taken into the boundary of the film. When hard ceramic particles are used as the sand blasting material, the work-affected layer (plastic fluidized layer), oxide layer and dirt on the surface can be easily removed by grinding. The hard ball shot material is not desirable because it causes deformation of the base material without taking a work-affected layer. The same applies to other glass beads. When the average particle size of the sandblasting material is 3 μm or less, the surface grinding ability is lacking and the sandblasting time becomes long and the productivity is poor. When the average particle size is 20 μm or more, the base material base roughness becomes too large, and the surface roughness of the ion plating film formed thereon becomes too rough. It's not a good idea because it requires a longer time. In addition, there is a problem that sandblast particles are pierced more.

サンドブラスト加工の後、前記ピストンリングをエアーブロー又は/及び有機溶剤超音波洗浄を行い表面に付着したサンド粒子を除去する。サンド粒子の母材への突き刺さりは少なく、多くは静電気による付着とおもわれ、エアーブローで容易に除去できる。尚、サンドブラスト時に使用する空気やサンド粒子に汚れが多い場合には有機溶剤脱脂を続けて行うことで一層硬質イオンプレーティング皮膜の密着性を上げることができるが、環境問題等から望ましくはない。   After sandblasting, the piston ring is air blown and / or ultrasonically cleaned with an organic solvent to remove sand particles adhering to the surface. Sand particles are less likely to pierce the base material, and many are thought to be attached by static electricity and can be easily removed by air blow. If the air and sand particles used during sandblasting are heavily contaminated, the organic solvent degreasing can be continued to further improve the adhesion of the hard ion plating film, but this is not desirable due to environmental problems.

その後、イオンプレーティング装置の真空槽中に治工具と共にセットしてイオンボンバードを行うか又はしないで、少なくともサンドサンドブラスト加工された摺動面にTi又は/及びCrとC、N、Oから選ばれた少なくとも一種以上からなる皮膜をイオンプレーティング法により被覆する。イオンボンバードは一般的にはArイオンボンバードが被処理物の昇温が少ないので望ましいがアークイオンプレーティングでは短時間のボンバードであるならば金属イオンボンバードを行ってもかまわない。長時間の金属イオンボンバードは母材を過度に昇温させるので望ましくはない。   After that, it is selected from Ti or / and Cr and C, N, and O at least on the sand-sandblasted sliding surface with or without ion bombardment set in the vacuum chamber of the ion plating apparatus together with the jig. A film comprising at least one kind is coated by an ion plating method. In general, ion bombardment is preferable because Ar ion bombardment has a low temperature rise of the object to be processed. However, in the case of arc ion plating, metal ion bombardment may be performed if bombardment is performed for a short time. Long metal ion bombardment is undesirable because it raises the base material excessively.

イオンプレーティング法としてはアークイオンプレーティング、HCDイオンプレーティング等いずれのものを用いることもできるが、皮膜中のドロップレットが困る場合にはHCD法、より高い密着性がほしい場合やTiとCrの複合化合物皮膜が必要なときはアークイオンプレーティング方法が適している。   As an ion plating method, any one of arc ion plating, HCD ion plating, etc. can be used. However, when droplets in the film are not satisfactory, the HCD method is used when higher adhesion is required or Ti and Cr are used. The arc ion plating method is suitable when the composite compound film is required.

形成された硬質イオンプレーティング皮膜は膜厚さにもよるが、表面粗さは平均0.5〜2.0Rzとなり、特開平7−292458号公報の粗いサンドサンドブラスト粒子を用いた従来の場合に比べ遙かに細かくなる。従って、硬質イオンプレーティング皮膜表面をラッピング研磨やバフ研磨等でさらに細かくする必要がある場合でも、研磨代は少なくて済み短時間で加工できるようになる。また、表面加工による取り代も少なくなるので、イオンプレーティング施工膜厚さを薄くでき、イオンプレーティング工程のみならずピストンリングそのものの生産性が良好となる。以下具体的な実施例で説明する。   Although the formed hard ion plating film depends on the film thickness, the average surface roughness is 0.5 to 2.0 Rz. In the conventional case using coarse sand sand blast particles disclosed in JP-A-7-292458. It will be much finer than that. Therefore, even when it is necessary to make the surface of the hard ion plating film finer by lapping polishing, buffing or the like, the polishing allowance is small and processing can be performed in a short time. In addition, since the machining allowance due to surface processing is reduced, the ion plating thickness can be reduced, and the productivity of not only the ion plating process but also the piston ring itself is improved. Specific examples will be described below.

シリコンクロム鋼の線材(SWOSC−V)より成形したスチール製ピストンリング(呼称外径φ73mm×厚さ1.0mm×幅2.5mm)約100本を合い口及び外周面を揃えて、ボルト締めにより両端から拘束して円筒状の被処理物とした。この被処理物をサンドブラスト装置に取り付け、自転させ、ピストンリング外周面をサンドブラスト処理した。母材外周面粗さはブラスト材種、平均粒径及び投射圧力を変えることで表面粗さを変化させた。サンドブラスチング後にエアーブローにより表面に付着している溶射粉及び研削粉を除去した。その後、表面粗さを粗さ計で計測した。   Approximately 100 steel piston rings (nominal outer diameter φ73mm x thickness 1.0mm x width 2.5mm) formed from silicon chrome steel wire (SWOSC-V) are aligned and tightened with bolts. A cylindrical workpiece was constrained from both ends. This object to be treated was attached to a sandblasting device and rotated, and the outer peripheral surface of the piston ring was sandblasted. The outer peripheral surface roughness of the base material was changed by changing the blast material type, the average particle diameter, and the projection pressure. After sandblasting, the sprayed powder and grinding powder adhering to the surface were removed by air blowing. Thereafter, the surface roughness was measured with a roughness meter.

サンドとしてはGCとWAの2種類、粒子の大きさは平均粒径1μm、3μm、6μm、20μmを使用した。比較例として先行技術特許に記載されている平均粒径が30μm、50μmのものも同様に使用した。サンドブラスト条件とサンドブラスト後にピストンリング表面を粗さ計で測定した結果を表1に記載する。   Two types of sand, GC and WA, were used as the sand, and the average particle size was 1 μm, 3 μm, 6 μm, and 20 μm. As comparative examples, those having an average particle size of 30 μm and 50 μm described in the prior art patents were also used. Table 1 shows the results of measuring the surface of the piston ring with a roughness meter after sandblasting and sandblasting.

Figure 2006316912
Figure 2006316912

表面粗さを測定後、アークイオンプレーティング装置に投入し、所定の予熱、ボンバードを行った後CrN皮膜を22〜25μm形成した。冷却後、アークイオンプレーティング装置から取り出した。イオンプレーティング条件は次の通りである。   After measuring the surface roughness, it was put into an arc ion plating apparatus, subjected to predetermined preheating and bombardment, and then a CrN film of 22 to 25 μm was formed. After cooling, it was taken out from the arc ion plating apparatus. The ion plating conditions are as follows.

1.予熱 温度:400℃ 時間:60分
2.ボンバード イオンボンバード
バイアス電圧:800V
時間 :10分
アーク電流:160A
3.CrNコーティング 窒素ガス圧:10mtorr
アーク電流:160A
時間 :4時間
1. Preheating Temperature: 400 ° C Time: 60 minutes Bombard Ion Bombard
Bias voltage: 800V
Time: 10 minutes
Arc current: 160A
3. CrN coating Nitrogen gas pressure: 10 mtorr
Arc current: 160A
Time: 4 hours

イオンプレーティングの終わった筒状のピストンリングを解体した後、鋳鉄スリーブを用いピストンリング外周表面(CrN膜表面)を平均粒径3μmのSiC砥粒スラリーにて30秒又は60秒のラッピング研磨加工を行った。汚れを除去後ピストンリング外周表面の表面粗さを再度測定した。   After disassembling the cylindrical piston ring after ion plating, the cast ring is used to wrap the outer peripheral surface of the piston ring (CrN film surface) with SiC abrasive slurry having an average particle diameter of 3 μm for 30 seconds or 60 seconds. Went. After removing the dirt, the surface roughness of the outer peripheral surface of the piston ring was measured again.

ラッピング加工後の表面粗さの結果を表2記載する。アークイオンプレーティング装置は13軸の自公転式の装置であり、表1記載のブラスト条件で処理したピストンリングを同時に成膜することが出来たので成膜による皮膜のバラツキは無いものといえる。   Table 2 shows the results of surface roughness after lapping. The arc ion plating apparatus is a 13-axis self-revolving type apparatus, and since the piston ring processed under the blasting conditions shown in Table 1 can be simultaneously formed, it can be said that there is no coating variation due to film formation.

Figure 2006316912
表2より下記のことが言える。
Figure 2006316912
From Table 2, the following can be said.

1.平均粒径1μmから20μmのブラスト材を用いた場合には、30秒のラッピング加工によりRz0.8μm(ピストンリングではRz0.8μm以下が相手材摩耗を考えた場合必要である)以下とすくことが出来き、従来技術(比較例5〜6)に比べラッピング加工での生産性が良好になる。   1. When a blasting material with an average particle size of 1 to 20 μm is used, it can be reduced to Rz 0.8 μm (with piston ring Rz 0.8 μm or less is necessary when considering mating material wear) by lapping for 30 seconds. As a result, productivity in the lapping process is improved as compared with the conventional techniques (Comparative Examples 5 to 6).

60秒のラッピングでは実施例、比較例1〜4では表面粗さはほぼ同程度に仕上がる。   In the case of lapping for 60 seconds, the surface roughness is almost the same in Examples and Comparative Examples 1 to 4.

皮膜の密着性は、従来技術及び本願実施例1〜4とブラスト粒子が平均粒径6μm以上では問題ないが、3μm以下では剥離や微細欠けが発生し問題がある。   The adhesion of the film is not a problem when the average particle size is 6 μm or more with the prior art and Examples 1 to 4 and the blast particles of the present application, but there is a problem that peeling or fine chipping occurs when the particle size is 3 μm or less.

以上より、サンドブラスト材として平均粒径6〜20μmの範囲のGCやWAを用い、ピストンリング外周表面をサンドブラスト加工することで、CrNイオンプレーティング皮膜の密着性が良好で、且つ、短時間のラッピング加工で表面粗さをRz0.4μm以下とすることができる。   As mentioned above, GCN and WA with an average particle diameter of 6-20 μm are used as sandblasting material, and the outer peripheral surface of the piston ring is sandblasted, so that the adhesion of the CrN ion plating film is good and the wrapping is performed in a short time. By processing, the surface roughness can be reduced to Rz 0.4 μm or less.

Claims (4)

少なくとも摺動面に1〜30μmの硬質イオンプレーティング皮膜を有する鋼、アルミ合金又はTi合金製摺動部品であって、該イオンプレーティング皮膜の下地表面が、10点平均粗さ(以後Rzで表示)で0.5〜2.0Rzに加工されていることを特徴とするピストンリング。   A sliding part made of steel, aluminum alloy or Ti alloy having a hard ion plating film of 1 to 30 μm on at least the sliding surface, and the surface of the ion plating film has an average roughness of 10 points (hereinafter Rz The piston ring is processed to 0.5 to 2.0 Rz. 該イオンプレーティング皮膜の下地表面が平均粒径3〜20μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって加工され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。   2. The piston ring according to claim 1, wherein the base surface of the ion plating film is processed by sand blasting using hard ceramic particles such as alundum or carborundum having an average particle diameter of 3 to 20 [mu] m. 前記硬質イオンプレーティング皮膜がTi又は/及びCrとC、N、Oから選ばれた少なくとも一種以上からなる皮膜であることを特徴とする請求項1記載のピストンリング。   The piston ring according to claim 1, wherein the hard ion plating film is a film made of at least one selected from Ti and / or Cr and C, N, and O. 鋼、アルミ合金又はTi合金製摺動部材の製造法であり、摺動面を平均粒径3〜20μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって10点平均粗さが0.5〜2.0Rzに加工する第一工程、前記摺動部品をエアーブロー又は/及び有機溶剤超音波洗浄を行う第二工程、イオンプレーティング装置の真空槽中でイオンボンバードを行うか又はしないで、少なくともサンドブラストされた摺動面にTi又は/及びCrとC、N、Oから選ばれた少なくとも一種以上を主成分とする皮膜をアークイオンプレーティング方法により被覆することを特徴とする鋼、アルミ合金又はTi合金製ピストンリングの製造方法。   This is a method of manufacturing a sliding member made of steel, aluminum alloy or Ti alloy, and the sliding surface is 10 points average roughness by sandblasting using hard ceramic particles such as alundum or carborundum having an average particle diameter of 3 to 20 μm. .First step for processing to 5 to 2.0 Rz, second step for air blowing or / and ultrasonic cleaning of organic solvent for the sliding component, or whether or not ion bombardment is performed in the vacuum chamber of the ion plating apparatus A steel characterized in that at least a sliding surface subjected to sandblasting is coated with a film mainly composed of at least one selected from Ti and / or Cr and C, N, O by an arc ion plating method, A method for producing an aluminum alloy or Ti alloy piston ring.
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