JP2013044382A - Marine piston ring and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、船舶用ピストンリング及びその製造方法に係り、特に、摺動面にＣｒＮ（窒化クロム）を被覆した船舶用ピストンリング及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a marine piston ring and a manufacturing method thereof, and more particularly to a marine piston ring whose sliding surface is coated with CrN (chromium nitride) and a manufacturing method thereof.
船舶用ディーゼルエンジン等のピストン上部側面には、エンジン燃焼室内の気密を保ちガス漏れを防止するためにピストンリングが使用されている。図７は、ピストン５０とピストンリング５２との関係を示す断面図である。ピストンリング５２は、ピストン５０の上部側面に形成されるピストンリング溝内に嵌め込まれており、シリンダライナ５４と摺接する。そのため、ピストンリング５２の摺動面５６には、一般的に、炭化物や窒化物等の耐摩耗性や耐焼き付き性を有する被覆層が設けられている。 A piston ring is used on an upper side surface of a piston of a marine diesel engine or the like in order to keep gas tight in the engine combustion chamber and prevent gas leakage. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the relationship between the piston 50 and the piston ring 52. The piston ring 52 is fitted in a piston ring groove formed on the upper side surface of the piston 50 and is in sliding contact with the cylinder liner 54. Therefore, the sliding surface 56 of the piston ring 52 is generally provided with a coating layer having wear resistance and seizure resistance such as carbide and nitride.
特許文献１には、ピストンリングの摺動面にＣ、Ｃｒ３Ｃ２、またはＣｒ３Ｃ２とＭｏ粉末を塗布した後にレーザ熱処理することにより、摺動面の表面硬度を８００から９００Ｈｖ程度まで向上させることが記載されている。 In Patent Document 1, the surface hardness of the sliding surface is set to about 800 to 900 Hv by applying laser treatment after applying C, Cr 3 C 2 , or Cr 3 C 2 and Mo powder to the sliding surface of the piston ring. It is described to improve.
特許文献２には、ピストンリングの表面にＣｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ３Ｃ２等の被覆材料を溶射して被覆層を形成することが記載されている。 Patent Document 2 describes that a coating layer is formed by spraying a coating material such as Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , or Cr 3 C 2 on the surface of a piston ring.
特許文献３には、従来形ピストンリングとして、鋳鉄リング、摺動面にクロムメッキを施したクロムメッキング、摺動面にタングステンカーバイト（ＷＣ）を溶射したＷＣ溶射リング等が使用されていることが記載されている。 In Patent Document 3, a cast iron ring, a chrome plating with chrome plating on the sliding surface, a WC thermal spraying ring with tungsten carbide (WC) sprayed on the sliding surface, and the like are used as conventional piston rings. It is described.
特許文献４には、ピストンリング本体の摺動面上に、イオンプレーティングやスパッタリング等のＰＶＤ法によりＴｉＮ，ＴｉＣ，ＣｒＮ等の被膜を５μｍの膜厚で形成することが記載されている。 Patent Document 4 describes that a film of TiN, TiC, CrN, or the like is formed on a sliding surface of a piston ring main body with a film thickness of 5 μm by a PVD method such as ion plating or sputtering.
ところで、ピストンリングの摺動面の被覆には、耐摩耗性や耐焼き付き性が良好なことからＣｒＮ被膜が多く使用されている。また、船舶用ピストンリングは、舶用大型ディーゼルエンジン等の過酷な環境で長期間の無開放運転で使用される（例えば、特許文献３には、舶用大型ディーゼルエンジン機関においては機関の無開放運転が少なくとも４年間継続することが記載されている）。船舶用ピストンリングでは、長期間の使用における耐磨耗性を確保するために、その摺動面にＣｒＮ被膜を厚膜で形成する必要がある。 By the way, a CrN coating is often used for covering the sliding surface of the piston ring because of its good wear resistance and seizure resistance. Further, a marine piston ring is used in a long-term non-open operation in a harsh environment such as a large marine diesel engine (for example, Patent Document 3 discloses that a marine large diesel engine engine has no open engine operation. It is stated that it will last for at least 4 years). In a marine piston ring, it is necessary to form a CrN film on the sliding surface with a thick film in order to ensure wear resistance in long-term use.
上述した特許文献１に記載の粉末塗布後の熱処理で形成される被膜や、特許文献２、３に記載の溶射法により形成される被膜は、被膜形成時に空気等のガスを巻き込むために被膜内部に空孔が多く形成される。このように、溶射法等による被膜形成では摺動面に緻密な被膜を形成できないので、船舶用ピストンリングにおける摺動面の耐摩耗性を向上させることは難しい。 The film formed by the heat treatment after the powder application described in Patent Document 1 described above and the film formed by the thermal spraying method described in Patent Documents 2 and 3 are formed inside the film in order to entrap gas such as air when forming the film. Many vacancies are formed. As described above, since the dense coating cannot be formed on the sliding surface by the coating formation by the thermal spraying method or the like, it is difficult to improve the wear resistance of the sliding surface in the marine piston ring.
イオンプレーティングやスパッタリング等のＰＶＤ法による成膜法によれば、溶射法等の成膜方法よりも緻密な被膜を形成することができる。しかし、ＰＶＤ法による成膜法では、厚膜を形成しようとすると被膜の内部応力が大きくなることから、厚膜の形成が難しく、厚膜を形成しようとしても被膜が剥離しやすいので、例えば、特許文献４に記載されたＣｒＮ被膜のように膜厚５μｍの薄膜しか形成することができない。このように、従来のＰＶＤ法ではＣｒＮ被膜を厚膜で形成することが難しいために、船舶用ピストンリングにおける摺動面の耐摩耗性を向上させることは難しい。 According to the film forming method by the PVD method such as ion plating or sputtering, a denser film can be formed than the film forming method such as a thermal spraying method. However, in the film formation method by the PVD method, since the internal stress of the film increases when attempting to form a thick film, the formation of the thick film is difficult, and the film is easily peeled off even if the thick film is formed. Only a thin film having a film thickness of 5 μm can be formed like the CrN film described in Patent Document 4. Thus, since it is difficult to form a thick CrN film by the conventional PVD method, it is difficult to improve the wear resistance of the sliding surface in the marine piston ring.
そこで、本発明の目的は、摺動面の耐摩耗性をより向上させた船舶用ピストンリング及びその製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a marine piston ring with improved wear resistance of a sliding surface and a method for manufacturing the same.
本発明に係る船舶用ピストンリングは、金属材料で形成されるピストンリング本体と、前記ピストンリング本体の摺動面にイオンプレーティングで被覆され、ＣｒＮで形成されるＣｒＮ被覆層と、を備え、前記ＣｒＮ被覆層は、７０μｍ以上の膜厚で形成されており、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きいことを特徴とする。 A marine piston ring according to the present invention includes a piston ring main body formed of a metal material, and a CrN coating layer formed of CrN, the sliding surface of the piston ring main body being covered with ion plating, The CrN coating layer is formed with a film thickness of 70 μm or more, and the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is larger than the peak intensity of the CrN (111) plane.
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上であることが好ましい。 In the marine piston ring according to the present invention, the CrN coating layer preferably has a peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction of 2.9 times or more of the peak intensity of the CrN (111) plane. .
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であることが好ましい。 In the marine piston ring according to the present invention, the CrN coating layer has a peak intensity of the CrN (200) plane by the X-ray diffraction of 2.9 times or more and 4.1 times the peak intensity of the CrN (111) plane. The following is preferable.
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であることが好ましい。 In the marine piston ring according to the present invention, the CrN coating layer has a peak intensity of the CrN (200) plane by the X-ray diffraction of 2.9 times or more and 3.7 times the peak intensity of the CrN (111) plane. The following is preferable.
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であり、ビッカース硬度で１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることが好ましい。 In the marine piston ring according to the present invention, the CrN coating layer has a peak intensity of the CrN (200) plane by the X-ray diffraction of 2.9 times or more and 4.1 times the peak intensity of the CrN (111) plane. The Vickers hardness is preferably 1216 Hv or more and 1681 Hv or less.
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であり、ビッカース硬度で１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることが好ましい。 In the marine piston ring according to the present invention, the CrN coating layer has a peak intensity of the CrN (200) plane by the X-ray diffraction of 2.9 times or more and 3.7 times the peak intensity of the CrN (111) plane. The Vickers hardness is preferably 1370 Hv or more and 1681 Hv or less.
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法は、金属材料でピストンリング本体を形成するピストンリング本体形成工程と、前記ピストンリング本体の摺動面にＣｒＮで被覆して、ＣｒＮ被覆層を形成するＣｒＮ被覆層形成工程と、を備え、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、イオンプレーティングにより金属ＣｒとＮ２ガスとを反応させて、前記ピストンリング本体に印加されるバイアス電圧を−２５Ｖ以上で０Ｖより小さくし、全ガス圧を３Ｐａ以上とし、前記ＣｒＮ被覆層を膜厚７０μｍ以上で形成することを特徴とする。 The manufacturing method of a marine piston ring according to the present invention includes a piston ring body forming step of forming a piston ring body with a metal material, and a sliding surface of the piston ring body is coated with CrN to form a CrN coating layer. A CrN coating layer forming step, wherein the CrN coating layer forming step reacts metal Cr with N 2 gas by ion plating, and a bias voltage applied to the piston ring body is -25V or more and 0V. It is characterized in that it is made smaller, the total gas pressure is 3 Pa or more, and the CrN coating layer is formed with a film thickness of 70 μm or more.
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａ以上であることが好ましい。 In the marine piston ring manufacturing method according to the present invention, the total gas pressure is preferably 5 Pa or more in the CrN coating layer forming step.
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記バイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、前記全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下であることが好ましい。 In the marine piston ring manufacturing method according to the present invention, it is preferable that in the CrN coating layer forming step, the bias voltage is −25 V to −15 V and the total gas pressure is 5 Pa to 6 Pa.
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａであることが好ましい。 In the marine piston ring manufacturing method according to the present invention, the total gas pressure is preferably 5 Pa in the CrN coating layer forming step.
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記ピストンリング本体における摺動面の温度が４５０℃以上５５０℃以下であることが好ましい。 In the marine piston ring manufacturing method according to the present invention, in the CrN coating layer forming step, the temperature of the sliding surface of the piston ring body is preferably 450 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
上記構成によれば、摺動面にイオンプレーティングでＣｒＮ被覆層を形成する際に、ＣｒＮ被膜の結晶方位をミラー指数で示すＣｒＮ（２００）面に優先配向させることによりＣｒＮ被覆層の内部応力が低減されて、摺動面に７０μｍ以上の厚膜で緻密なＣｒＮ被覆層を形成できるので、船舶用ピストンリングにおける摺動面の耐磨耗性をより向上させることが可能となる。 According to the above configuration, when the CrN coating layer is formed on the sliding surface by ion plating, the internal stress of the CrN coating layer is obtained by preferentially orienting the crystal orientation of the CrN coating to the CrN (200) plane indicated by the Miller index. Since a dense CrN coating layer with a thick film of 70 μm or more can be formed on the sliding surface, it becomes possible to further improve the wear resistance of the sliding surface in the marine piston ring.
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、船舶用ピストンリング１０の構成を示す断面図である。船舶用ピストンリング１０は、ピストンリング本体１２と、ピストンリング本体１２の摺動面１３に被覆されるＣｒＮ被覆層１４とを備えている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a marine piston ring 10. The marine piston ring 10 includes a piston ring body 12 and a CrN coating layer 14 that covers the sliding surface 13 of the piston ring body 12.
ピストンリング本体１２は、金属材料でリング状に形成されている。金属材料には、例えば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の鉄系材料が用いられる。 The piston ring body 12 is formed in a ring shape from a metal material. As the metal material, for example, an iron-based material such as carbon steel, alloy steel, or cast iron is used.
ＣｒＮ被覆層１４は、イオンプレーティングによりＣｒＮ（窒化クロム）で形成されている。ピストンリング本体１２の摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４を設けることにより、摺動面１３の耐焼き付き性や耐摩耗性を向上させることができる。また、ＣｒＮ被覆層１４をイオンプレーティングで形成することにより、溶射法等で成膜するよりも緻密なＣｒＮ被膜を形成することができる。 The CrN coating layer 14 is made of CrN (chromium nitride) by ion plating. By providing the CrN coating layer 14 on the sliding surface 13 of the piston ring body 12, the seizure resistance and the wear resistance of the sliding surface 13 can be improved. Further, by forming the CrN coating layer 14 by ion plating, a dense CrN film can be formed as compared with the case where the film is formed by a thermal spraying method or the like.
ＣｒＮ被覆層１４は、７０μｍ以上の膜厚で形成されている。ＣｒＮ被覆層１４を摺動面１３に７０μｍ以上の膜厚で形成することにより、舶用大型ディーゼルエンジン等の過酷な長期間の使用環境でも船舶用ピストンリング１０における摺動面１３の耐摩耗性をより向上させることができる。ＣｒＮ被覆層１４の膜厚は、７０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。 The CrN coating layer 14 is formed with a film thickness of 70 μm or more. By forming the CrN coating layer 14 on the sliding surface 13 with a film thickness of 70 μm or more, the wear resistance of the sliding surface 13 in the marine piston ring 10 can be increased even in a severe long-term use environment such as a large marine diesel engine. It can be improved further. The film thickness of the CrN coating layer 14 is preferably 70 μm or more and 400 μm or less.
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向して形成されている。ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面に優先配向させることによりＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくすることができるので、イオンプレーティングによる成膜中にＣｒＮ被膜の剥離等を生じさせずに、ピストンリング本体１２の摺動面１３に７０μｍ以上の膜厚でＣｒＮ被覆層１４を形成することができる。 The CrN coating layer 14 is formed such that the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is greater than the peak intensity of the CrN (111) plane, and the crystal orientation of CrN is preferentially oriented in the CrN (200) plane. By preferentially orienting the crystal orientation of CrN to the CrN (200) plane, the internal stress of the CrN coating layer 14 can be further reduced, so that the CrN coating does not peel off during film formation by ion plating. The CrN coating layer 14 can be formed on the sliding surface 13 of the piston ring body 12 with a film thickness of 70 μm or more.
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上であることが好ましい。Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上とすることにより、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力を更に小さくすることができるので、イオンプレーティングにより摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４をより厚膜で形成することができる。また、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍より小さい場合には、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１６８１Ｈｖより大きくなり、ＣｒＮ被覆層１４中の気孔率が低くなる（ＣｒＮ被覆層１４が緻密になりすぎる）ので、船舶用ピストンリング１０とシリンダライナとが焼き付きやすくなるからである。 The CrN coating layer 14 preferably has a peak intensity on the CrN (200) plane by X-ray diffraction of 2.9 times or more than the peak intensity on the CrN (111) plane. Since the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is 2.9 times or more than the peak intensity of the CrN (111) plane, the internal stress of the CrN coating layer 14 can be further reduced. A thicker CrN coating layer 14 can be formed on the sliding surface 13 by ion plating. When the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is less than 2.9 times the peak intensity of the CrN (111) plane, the Vickers hardness of the CrN coating layer 14 is greater than 1681 Hv, and CrN This is because the porosity in the coating layer 14 becomes low (the CrN coating layer 14 becomes too dense), so that the marine piston ring 10 and the cylinder liner are easily seized.
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であることがより好ましい。Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して４．１倍より大きい場合には、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１２１６Ｈｖより小さくなるので、シリンダライナとの摺動時にＣｒＮ被覆層１４の摩耗量がより大きくなるからである。 In the CrN coating layer 14, the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is more preferably 2.9 to 4.1 times the peak intensity of the CrN (111) plane. When the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is larger than 4.1 times the peak intensity of the CrN (111) plane, the Vickers hardness of the CrN coating layer 14 is smaller than 1216 Hv. This is because the wear amount of the CrN coating layer 14 becomes larger during sliding.
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であることが更に好ましい。Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下とすることにより、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下となるので、シリンダライナとの摺動時のＣｒＮ被覆層１４の欠けや割れを抑えると共に、シリンダライナとの焼き付きを抑制し、ＣｒＮ被覆層１４の磨耗量をより低減させることができるからである。 In the CrN coating layer 14, the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is more preferably 2.9 to 3.7 times the peak intensity of the CrN (111) plane. When the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is 2.9 times or more and 3.7 times or less than the peak intensity of the CrN (111) plane, the Vickers hardness of the CrN coating layer 14 is 1370 Hv or more and 1681 Hv. Since it becomes the following, it is possible to suppress chipping and cracking of the CrN coating layer 14 when sliding with the cylinder liner, and to suppress seizure with the cylinder liner, thereby further reducing the wear amount of the CrN coating layer 14. is there.
次に、船舶用ピストンリング１０の製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method of the marine piston ring 10 will be described.
図２は、船舶用ピストンリング１０の製造方法を示すフローチャートである。船舶用ピストンリング１０の製造方法は、ピストンリング本体１２を形成するピストンリング本体形成工程（Ｓ１０）と、ピストンリング本体１２の摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４を形成するＣｒＮ被覆層形成工程（Ｓ１２）と、を備えている。 FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the marine piston ring 10. The manufacturing method of the marine piston ring 10 includes a piston ring body forming step (S10) for forming the piston ring body 12, and a CrN coating layer forming step for forming the CrN coating layer 14 on the sliding surface 13 of the piston ring body 12 ( S12).
ピストンリング本体形成工程（Ｓ１０）は、金属材料でピストンリング本体１２を形成する工程である。ピストンリング本体１２は、例えば、上述した鉄系材料を、塑性加工、鋳造、粉末冶金等でリング状に成形して形成される。 The piston ring body forming step (S10) is a step of forming the piston ring body 12 with a metal material. The piston ring body 12 is formed, for example, by forming the above-described iron-based material into a ring shape by plastic working, casting, powder metallurgy, or the like.
ＣｒＮ被覆層形成工程（Ｓ１２）は、ピストンリング本体１２の摺動面１３にイオンプレーティングでＣｒＮ被覆層１４を形成する工程である。イオンプレーティングによれば、金属クロムを蒸発させてイオン化させた後、Ｎ２ガスと反応させてＣｒＮを成膜することにより、溶射法等でＣｒＮを成膜するよりも緻密な皮膜を形成することができる。 The CrN coating layer forming step (S12) is a step of forming the CrN coating layer 14 on the sliding surface 13 of the piston ring body 12 by ion plating. According to ion plating, after chromium chromium is evaporated and ionized, it is reacted with N 2 gas to form a CrN film, thereby forming a denser film than a CrN film formed by thermal spraying or the like. be able to.
イオンプレーティングには、アークイオンプレーティング法を用いることが好ましい。アークイオンプレーティング法は、蒸発源（ターゲット）を陰極として真空中のアーク放電によって蒸発させる方式であり、被処理物に負のバイアス電圧をかけてイオン化した蒸発材料を加速させて成膜する方式である。真空アーク放電により蒸発材料のイオン化率が高くなり、緻密で密着性の高い被膜を被処理物に形成することができる。 It is preferable to use an arc ion plating method for ion plating. In the arc ion plating method, evaporation is performed by arc discharge in a vacuum using an evaporation source (target) as a cathode, and a film is formed by accelerating an ionized evaporation material by applying a negative bias voltage to a workpiece. It is. The ionization rate of the evaporation material is increased by the vacuum arc discharge, and a dense and highly adhesive film can be formed on the object to be processed.
図３は、アークイオンプレーティング装置２０の構成を示す概略図である。アークイオンプレーティング装置２０は、真空容器２２と、被処理物２４を配置するための回転可能なテーブル２６と、蒸発源（ターゲット）２８と、を備えている。図３に示すアークイオンプレーティング装置２０では、蒸発源２８が１箇所に設けられているが、真空容器２２内の複数箇所に蒸発源２８を設けるようにしてもよい。 FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the arc ion plating apparatus 20. The arc ion plating apparatus 20 includes a vacuum vessel 22, a rotatable table 26 on which an object to be processed 24 is disposed, and an evaporation source (target) 28. In the arc ion plating apparatus 20 shown in FIG. 3, the evaporation source 28 is provided at one location, but the evaporation source 28 may be provided at a plurality of locations in the vacuum vessel 22.
真空容器２２には、反応ガスを導入する反応ガス導入口３０と、作動ガスを導入する作動ガス導入口３２と、真空容器内のガスを排気するガス排気口３４が設けられている。テーブル２６は、被処理物２４へバイアス電圧を供給するバイアス電圧供給源３６と電気的に接続されている。蒸発源２８は、アーク放電電源３８と電気的に接続されている。アークイオンプレーティング装置２０には、一般的なアークイオンプレーティング装置を用いることができる。 The vacuum vessel 22 is provided with a reaction gas introduction port 30 for introducing a reaction gas, a working gas introduction port 32 for introducing a working gas, and a gas exhaust port 34 for exhausting the gas in the vacuum vessel. The table 26 is electrically connected to a bias voltage supply source 36 that supplies a bias voltage to the workpiece 24. The evaporation source 28 is electrically connected to an arc discharge power supply 38. As the arc ion plating apparatus 20, a general arc ion plating apparatus can be used.
ピストンリング本体１２は、ＣｒＮ被覆層１４を形成する前に摺動面１３が有機溶剤等で脱脂洗浄されることが好ましい。脱脂洗浄されたピストンリング本体１２は、アークイオンプレーティング装置２０における真空容器２２内のテーブル２６にセットされる。 It is preferable that the sliding surface 13 of the piston ring body 12 is degreased and washed with an organic solvent or the like before the CrN coating layer 14 is formed. The piston ring body 12 that has been degreased and cleaned is set on a table 26 in a vacuum vessel 22 in the arc ion plating apparatus 20.
ＣｒＮ被覆層１４を形成するための蒸発源（ターゲット）２８には、例えば、金属クロム等が用いられる。反応ガスには、例えば、Ｎ２ガス等が用いられる。作動ガスには、例えば、Ａｒガス等の不活性ガスが用いられる。 For the evaporation source (target) 28 for forming the CrN coating layer 14, for example, metallic chromium or the like is used. For example, N 2 gas or the like is used as the reaction gas. For example, an inert gas such as Ar gas is used as the working gas.
ピストンリング本体１２を真空容器２２内のテーブル２６にセットした後、真空容器２２内のガスをガス排気口３４から排気する。次に、真空容器２２内に作動ガス導入口３２から不活性ガスを導入する。アーク放電電源３８を作動させて真空中のアーク放電により、蒸発源の金属クロムを蒸発させてイオン化させる。そして、バイアス電圧供給源３６を作動させてピストンリング本体１２にバイアス電圧を印加し、ピストンリング本体１２の摺動面１３をＣｒイオンでエッチング処理してクリーニングする。また、ＣｒＮ被膜の密着性を高めるために、ピストンリング本体１２の摺動面１３にＣｒ層を形成することが好ましい。 After the piston ring body 12 is set on the table 26 in the vacuum vessel 22, the gas in the vacuum vessel 22 is exhausted from the gas exhaust port 34. Next, an inert gas is introduced into the vacuum vessel 22 from the working gas inlet 32. The arc discharge power source 38 is operated to vaporize and ionize the metal chromium of the evaporation source by arc discharge in a vacuum. Then, the bias voltage supply source 36 is actuated to apply a bias voltage to the piston ring body 12, and the sliding surface 13 of the piston ring body 12 is etched by Cr ions and cleaned. In order to improve the adhesion of the CrN film, it is preferable to form a Cr layer on the sliding surface 13 of the piston ring body 12.
ピストンリング本体１２の摺動面１３をエッチング処理した後、摺動面１３にＣｒＮの成膜を開始する。アーク放電電源３８を作動させて真空中のアーク放電により、蒸発源の金属クロムを蒸発させてイオン化させる。また、バイアス電圧供給源３８を作動させて、ピストンリング本体１２にバイアス電圧を印加させる。反応ガスであるＮ２ガスを反応ガス導入口３０から真空容器２２内に導入し、ＣｒイオンとＮ２ガスを反応させてＣｒＮを生成し、摺動面１３にＣｒＮ被膜を成膜する。 After the sliding surface 13 of the piston ring body 12 is etched, film formation of CrN on the sliding surface 13 is started. The arc discharge power source 38 is operated to vaporize and ionize the metal chromium of the evaporation source by arc discharge in a vacuum. Further, the bias voltage supply source 38 is activated to apply a bias voltage to the piston ring body 12. N 2 gas, which is a reactive gas, is introduced into the vacuum vessel 22 from the reactive gas inlet 30, and Cr ions and N 2 gas are reacted to generate CrN, and a CrN film is formed on the sliding surface 13.
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器２２内の全ガス圧が３Ｐａ以上である。なお、ＣｒＮ被膜の成膜中は、不活性ガスを真空容器２２内に導入しないで成膜するため、全ガス圧はＮ２ガスの圧力である。ピストンリング本体１２における摺動面１３の温度は４５０℃以上５５０℃以下であることが好ましい。また、アーク電流は、８０Ａであることが好ましい。 The film forming conditions for the CrN film are that the bias voltage applied to the piston ring main body 12 is −25 V or more and less than 0 V, and the total gas pressure in the vacuum vessel 22 is 3 Pa or more. During the formation of the CrN film, since the film is formed without introducing an inert gas into the vacuum vessel 22, the total gas pressure is the pressure of N 2 gas. The temperature of the sliding surface 13 in the piston ring body 12 is preferably 450 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. The arc current is preferably 80A.
この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向されるので、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくしてＣｒＮ被覆層１４を７０μｍ以上の厚膜で形成することができる。 By depositing a CrN film under these deposition conditions, the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is greater than the peak intensity of the CrN (111) plane, and the crystal orientation of CrN takes precedence over the CrN (200) plane. Since it is oriented, the internal stress of the CrN coating layer 14 can be made smaller and the CrN coating layer 14 can be formed with a thick film of 70 μm or more.
また、ピストンリング本体１２に印加される負のバイアス電圧をより小さくし、真空容器２２内の全ガス圧をより大きくするほど、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して更に大きくなり、ＣｒＮの結晶方位の優先配向性が高くなるので、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくしてＣｒＮ被覆層１４をより厚膜で形成することができる。 Further, as the negative bias voltage applied to the piston ring body 12 is further reduced and the total gas pressure in the vacuum vessel 22 is further increased, the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction becomes CrN (111). Since it is further increased with respect to the peak intensity of the surface and the preferred orientation of the crystal orientation of CrN is increased, the internal stress of the CrN coating layer 14 can be made smaller and the CrN coating layer 14 can be formed with a thicker film. .
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器２２内の全ガス圧が５Ｐａ以上であることが好ましい。この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上となるので、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくして更に厚膜に形成できると共に、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度を１６８１Ｈｖ以下とすることができる。 The film forming conditions for the CrN coating are preferably such that the bias voltage applied to the piston ring body 12 is −25 V or higher and lower than 0 V, and the total gas pressure in the vacuum vessel 22 is 5 Pa or higher. By forming the CrN film under these film formation conditions, the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction becomes 2.9 times or more than the peak intensity of the CrN (111) plane. The internal stress of 14 can be further reduced to form a thicker film, and the Vickers hardness of the CrN coating layer 14 can be set to 1681 Hv or less.
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器２２内の全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下であることがより好ましい。この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下となるので、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度を１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下とすることができる。 As for the film forming conditions of the CrN coating, it is more preferable that the bias voltage applied to the piston ring main body 12 is −25 V or more and −15 V or less, and the total gas pressure in the vacuum vessel 22 is 5 Pa or more and 6 Pa or less. By depositing a CrN film under these deposition conditions, the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is 2.9 times or more and 4.1 times or less than the peak intensity of the CrN (111) plane. Therefore, the Vickers hardness of the CrN coating layer 14 can be set to 1216 Hv or more and 1681 Hv or less.
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器２２内の全ガス圧が５Ｐａであることが更に好ましい。この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下となるので、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度を１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下とすることができる。 More preferably, the conditions for forming the CrN film are that the bias voltage applied to the piston ring body 12 is -25 V or more and -15 V or less, and the total gas pressure in the vacuum vessel 22 is 5 Pa. By depositing a CrN film under these deposition conditions, the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction becomes 2.9 times or more and 3.7 times or less than the peak intensity of the CrN (111) plane. Therefore, the Vickers hardness of the CrN coating layer 14 can be set to 1370 Hv or more and 1681 Hv or less.
所定の膜厚（例えば、７０μｍ）のＣｒＮ被膜を成膜した後、真空容器２２を開放し、摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４が設けられたピストンリング本体１２を取り出す。以上により、船舶用ピストンリング１０の製造が完了する。 After forming a CrN film having a predetermined film thickness (for example, 70 μm), the vacuum vessel 22 is opened, and the piston ring body 12 having the sliding surface 13 provided with the CrN coating layer 14 is taken out. Thus, the manufacturing of the marine piston ring 10 is completed.
上記構成の船舶用ピストンリング１０によれば、金属材料で形成されるピストンリング本体と、ピストンリング本体の摺動面にイオンプレーティングで被覆され、ＣｒＮで形成されるＣｒＮ被覆層と、を備え、ＣｒＮ被覆層におけるＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度をＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きくして、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面に優先配向させることにより、ＣｒＮ被覆層の内部応力を低減させてＣｒＮ被覆層１４を７０μｍ以上の膜厚で形成することができる。 According to the marine piston ring 10 configured as described above, a piston ring main body formed of a metal material, and a CrN coating layer formed of CrN, which is coated on the sliding surface of the piston ring main body with ion plating, are provided. By making the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction in the CrN coating layer larger than the peak intensity of the CrN (111) plane and preferentially orienting the crystal orientation of CrN to the CrN (200) plane, the CrN coating The CrN coating layer 14 can be formed with a film thickness of 70 μm or more by reducing the internal stress of the layer.
上記構成における船舶用ピストンリングの製造方法によれば、金属材料でピストンリング本体を形成するピストンリング本体形成工程と、ピストンリング本体の摺動面にＣｒＮで被覆して、ＣｒＮ被覆層を形成するＣｒＮ被覆層形成工程と、を備え、ＣｒＮ被覆層形成工程は、イオンプレーティングによりピストンリング本体に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上０Ｖより小さく、全ガス圧が３Ｐａ以上とし、金属ＣｒとＮ２ガスとを反応させてＣｒＮ被覆層を形成する。それにより、ＣｒＮ被覆層におけるＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度をＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きくして、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面に優先配向させることにより、ＣｒＮ被膜の内部応力を低減させてＣｒＮ被覆層を７０μｍ以上の膜厚で形成することができる。 According to the method for manufacturing a marine piston ring in the above configuration, a piston ring body forming step of forming a piston ring body with a metal material, and a sliding surface of the piston ring body is covered with CrN to form a CrN coating layer. A CrN coating layer forming step, wherein the CrN coating layer forming step has a bias voltage applied to the piston ring body by ion plating of −25 V or more and less than 0 V, a total gas pressure of 3 Pa or more, and metal Cr and N Two gases are reacted to form a CrN coating layer. Thereby, by making the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction in the CrN coating layer larger than the peak intensity of the CrN (111) plane, the crystal orientation of CrN is preferentially oriented in the CrN (200) plane, The CrN coating layer can be formed with a film thickness of 70 μm or more by reducing the internal stress of the CrN film.
次に、ピストンリング本体１２を模擬した基板にＣｒＮ被膜を成膜してＣｒＮ被膜の特性について評価した。 Next, a CrN film was formed on a substrate simulating the piston ring body 12, and the characteristics of the CrN film were evaluated.
（ＣｒＮ成膜試験）
基板には、高速度工具鋼（ＨＳＳ）で形成した切り欠きを有するリング状の平板を使用した。基板のサイズを、リング径５００ｍｍ、厚み１５ｍｍとした。基板表面を有機溶剤で脱脂洗浄した後、アークイオンプレーティング装置でＣｒＮ被膜を成膜した。Ｃｒの供給源には、金属Ｃｒを用いた。作動ガスにはＡｒガスを使用し、反応ガスにはＮ２ガスを使用した。なお、ＣｒＮ被膜を基板に成膜する前に、基板にＣｒイオンでエッチング処理を行い、基板表面をクリーニングした。エッチング処理条件は、基板に印加させるバイアス電圧を−９００Ｖ、Ａｒガス圧を１．５Ｐａ、処理時間を１０分間とした。
(CrN film formation test)
As the substrate, a ring-shaped flat plate having a notch formed of high-speed tool steel (HSS) was used. The size of the substrate was a ring diameter of 500 mm and a thickness of 15 mm. After degreasing and cleaning the surface of the substrate with an organic solvent, a CrN coating was formed by an arc ion plating apparatus. Metal Cr was used as a Cr supply source. Ar gas was used as the working gas, and N 2 gas was used as the reaction gas. Before the CrN film was formed on the substrate, the substrate was etched with Cr ions to clean the substrate surface. The etching process conditions were a bias voltage applied to the substrate of −900 V, an Ar gas pressure of 1.5 Pa, and a processing time of 10 minutes.
ＣｒＮ被膜の成膜について、４種類（実施例１から３、比較例１）の成膜条件で行った。表１に、４種類のＣｒＮ被膜の成膜条件を示す。
基板に印加させるバイアス電圧を−１００Ｖから−１５Ｖとした（実施例１と２では−１５Ｖ、実施例３では−２５Ｖ、比較例１では−１００Ｖ）。真空容器内の全ガス圧を２Ｐａから６Ｐａとした（実施例１では５〜６Ｐａ、実施例２と３では５Ｐａ、比較例１では２Ｐａ）。ＣｒＮ被膜中では、Ａｒガスを導入せず、Ｎ２ガスのみ導入した。このため、全ガス圧は、Ｎ２ガスのガス圧である。なお、実施例１の全ガス圧を、実施例２、３の全ガス圧より少し高いより５〜６Ｐａに設定した。また、基板温度は、いずれの成膜条件の場合も同じ温度である５５０℃とした。アーク電流は、いずれの成膜条件の場合も同じ８０Ａとした。 The bias voltage applied to the substrate was changed from -100V to -15V (-15V in Examples 1 and 2, -25V in Example 3, and -100V in Comparative Example 1). The total gas pressure in the vacuum vessel was changed from 2 Pa to 6 Pa (5 Pa in Example 1, 5 Pa in Examples 2 and 3, 2 Pa in Comparative Example 1). In the CrN film, Ar gas was not introduced, but only N 2 gas was introduced. For this reason, the total gas pressure is the gas pressure of N 2 gas. In addition, the total gas pressure of Example 1 was set to 5-6 Pa from a little higher than the total gas pressure of Example 2, 3. The substrate temperature was set to 550 ° C., which is the same temperature for any film forming conditions. The arc current was set to 80 A for all film forming conditions.
実施例１から３の成膜条件では、いずれの成膜条件においてもＣｒＮ被膜を７０μｍの膜厚で基板に成膜することができた。図４は、代表的なＣｒＮ被膜の断面組織写真である。成膜後の外観観察結果では、ＣｒＮ被膜と基板との間に剥離や割れ等は認められなかった。これに対して比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ被膜を７０μｍまで成膜しようとしたところＣｒＮ被膜が基板から剥離した。そのため比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ被膜の厚みを５μｍとした。 Under the film forming conditions of Examples 1 to 3, the CrN film could be formed on the substrate with a film thickness of 70 μm under any film forming condition. FIG. 4 is a cross-sectional structure photograph of a typical CrN film. As a result of appearance observation after film formation, no peeling or cracking was observed between the CrN film and the substrate. On the other hand, under the film forming conditions of Comparative Example 1, the CrN film was peeled from the substrate when it was attempted to form a CrN film up to 70 μm. Therefore, under the film forming conditions of Comparative Example 1, the thickness of the CrN film was 5 μm.
この成膜試験結果より、基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器内の全ガス圧が３Ｐａ以上である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、ＣｒＮ被膜を７０μｍ以上の膜厚で成膜できることがわかった。これに対して比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ被膜中の内部応力が大きくなるので、厚膜形成できないことがわかった。 From this film formation test result, the CrN film was formed by forming a CrN film under the film formation conditions where the bias voltage applied to the substrate was −25 V or more and less than 0 V and the total gas pressure in the vacuum vessel was 3 Pa or more. It was found that a film with a thickness of 70 μm or more can be formed. In contrast, it was found that the thick film cannot be formed under the film forming conditions of Comparative Example 1 because the internal stress in the CrN film increases.
（Ｘ線回折分析）
各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜の結晶配向性についてＸ線回折で分析した。Ｘ線回折装置には、リガク製Ｓｍａｒｔ Ｌａｂ（スマートラボ）を使用した。なお、Ｘ線源にはＣｕＫα線を使用し、印加電圧４０ｋＶ、印加電流３０ｍＡ、スキャンステップ０．０４度、スキャン速度１．４秒/度、走査範囲３０度から９０度とした。図５は、各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のＸ線回折分析結果を示すグラフである。図５のグラフでは、横軸に回折角（２θ）を取り、グラフの縦軸にＸ線強度（任意目盛）を取り、グラフの上から順に実施例１、実施例２、実施例３、比較例１における成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のＸ線回折パターンを示している。なお、比較例１のＸ線強度のスケールは、実施例１から３のＸ線強度のスケールの１００分の１で表わしている。この理由は、比較例１の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜の厚みが、実施例１から３の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜の厚みよりも小さいことによるものである。
(X-ray diffraction analysis)
The crystal orientation of the CrN film formed under each film forming condition was analyzed by X-ray diffraction. As an X-ray diffractometer, Rigaku Smart Lab (Smart Lab) was used. Note that CuKα rays were used as the X-ray source, and the applied voltage was 40 kV, the applied current was 30 mA, the scan step was 0.04 degrees, the scan speed was 1.4 seconds / degree, and the scan range was 30 degrees to 90 degrees. FIG. 5 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of a CrN film formed under each film forming condition. In the graph of FIG. 5, the diffraction angle (2θ) is taken on the horizontal axis, the X-ray intensity (arbitrary scale) is taken on the vertical axis, and Example 1, Example 2, Example 3 are compared in order from the top of the graph. 2 shows an X-ray diffraction pattern of a CrN film formed under the film forming conditions in Example 1. FIG. In addition, the scale of the X-ray intensity of Comparative Example 1 is expressed by 1/100 of the scale of the X-ray intensity of Examples 1 to 3. This is because the thickness of the CrN film formed under the film forming conditions of Comparative Example 1 is smaller than the thickness of the CrN film formed under the film forming conditions of Examples 1 to 3.
図５のグラフから明らかなように、いずれの成膜条件においてもＣｒＮ（２００）面のピークと、ＣｒＮ（１１１）面のピークが検出された。実施例１から実施例３の成膜条件では、ＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度よりも大きく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向していることが認められた。これに対して比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度よりも小さく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（１１１）面に優先配向していることが認められた。 As is apparent from the graph of FIG. 5, the peak of the CrN (200) plane and the peak of the CrN (111) plane were detected under any film forming conditions. In the film forming conditions of Examples 1 to 3, the peak intensity of the CrN (200) plane is larger than the peak intensity of the CrN (111) plane, and the crystal orientation of CrN is preferentially oriented in the CrN (200) plane. It was recognized that On the other hand, in the film forming conditions of Comparative Example 1, the peak intensity of the CrN (200) plane is smaller than the peak intensity of the CrN (111) plane, and the crystal orientation of CrN is preferentially oriented in the CrN (111) plane. It was recognized that
次に、ＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対するＣｒＮ（２００）面のピーク強度の比を成膜条件ごとに求めた。各成膜条件のＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度を以下に示す。
実施例１： ４．１
実施例２： ３．７
実施例３： ２．９
比較例１： ０．８
Next, the ratio of the peak intensity of the CrN (200) plane to the peak intensity of the CrN (111) plane was determined for each film forming condition. The CrN (200) peak intensity / CrN (111) peak intensity for each film forming condition is shown below.
Example 1: 4.1
Example 2: 3.7
Example 3: 2.9
Comparative Example 1: 0.8
このＸ線回折分析結果より、基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器内の全ガス圧が３Ｐａ以上である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きくなり、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向することがわかった。 From this X-ray diffraction analysis result, by forming a CrN film under film forming conditions in which the bias voltage applied to the substrate is −25 V or higher and lower than 0 V and the total gas pressure in the vacuum vessel is 3 Pa or higher, X It was found that the peak intensity of the CrN (200) plane by the line diffraction becomes larger than the peak intensity of the CrN (111) plane, and the crystal orientation of CrN is preferentially oriented in the CrN (200) plane.
基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器内の全ガス圧が５Ｐａ以上である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上となることがわかった。 A CrN (200) surface by X-ray diffraction is formed by depositing a CrN film under deposition conditions where the bias voltage applied to the substrate is -25 V or less and less than 0 V and the total gas pressure in the vacuum vessel is 5 Pa or more. It has been found that the peak intensity of 2.9 is 2.9 times or more the peak intensity of the CrN (111) plane.
基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器内の全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下となることがわかった。 By depositing a CrN film under deposition conditions in which the bias voltage applied to the substrate is −25 V to −15 V and the total gas pressure in the vacuum vessel is 5 Pa to 6 Pa, CrN (by X-ray diffraction) It was found that the peak intensity of the (200) plane was 2.9 to 4.1 times the peak intensity of the CrN (111) plane.
基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器内の全ガス圧が５Ｐａである成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下となることがわかった。 A CrN (200) surface by X-ray diffraction is formed by depositing a CrN film under deposition conditions where the bias voltage applied to the substrate is -25 V or more and -15 V or less and the total gas pressure in the vacuum vessel is 5 Pa. It was found that the peak intensity of 2.9 to 3.7 times the peak intensity of the CrN (111) plane.
（ビッカース硬さ試験）
次に、各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜についてビッカース硬度を測定した。ビッカース硬度の測定には、フィッシャー（Ｆｉｓｃｈｅｒ）製硬度計ＨＭ１００型を使用した。また、ビッカース硬さ試験の試験荷重を１００ｍＮとした。各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のビッカース硬度を以下に示す。
実施例１：１２１６Ｈｖ
実施例２：１３７０Ｈｖ
実施例３：１６８１Ｈｖ
比較例１：２５８３Ｈｖ
(Vickers hardness test)
Next, Vickers hardness was measured for the CrN film formed under each film forming condition. For the measurement of Vickers hardness, a hardness meter HM100 manufactured by Fischer was used. Moreover, the test load of the Vickers hardness test was 100 mN. The Vickers hardness of the CrN film formed under each film forming condition is shown below.
Example 1: 1216 Hv
Example 2: 1370 Hv
Example 3: 1681 Hv
Comparative Example 1: 2583 Hv
（ＣｒＮ被膜の結晶配向性とビッカース硬度との関係）
図６は、ＣｒＮ被膜の結晶配向性とビッカース硬度との関係との関係を示すグラフである。図６のグラフでは、横軸にＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対するＣｒＮ（２００）面のピーク強度の比であるＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度を取り、縦軸にビッカース硬度（Ｈｖ）を取り、各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のデータを黒四角形でプロットして表している。
(Relationship between crystal orientation of CrN film and Vickers hardness)
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the crystal orientation of the CrN film and the relationship between Vickers hardness. In the graph of FIG. 6, the horizontal axis represents CrN (200) peak intensity / CrN (111) peak intensity, which is the ratio of the peak intensity of the CrN (200) plane to the peak intensity of the CrN (111) plane, and the vertical axis represents Vickers. The data of the CrN film formed under each film forming condition with the hardness (Hv) taken are plotted with black squares.
ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が大きくなるのに伴って、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が小さくなっている。この結果から、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面により優先配向させることにより、ＣｒＮ被膜中の気孔率がより大きくなり、ＣｒＮ被膜の内部応力をより小さくできることがわかった。また、ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が小さくなるのに伴って、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が大きくなることから、ＣｒＮ（２００）面への優先配向の度合いが小さくなるほどＣｒＮ被膜中の気孔率がより小さくなり（ＣｒＮ被膜がより緻密になる）、ＣｒＮ被膜の内部応力がより大きくなることがわかった。 As the value of CrN (200) peak intensity / CrN (111) peak intensity increases, the Vickers hardness of the CrN film decreases. From this result, it has been found that by preferentially orienting the crystal orientation of CrN with the CrN (200) plane, the porosity in the CrN coating is increased and the internal stress of the CrN coating can be further reduced. Also, as the value of CrN (200) peak intensity / CrN (111) peak intensity decreases, the Vickers hardness of the CrN film increases, so the degree of preferential orientation on the CrN (200) plane decreases. It has been found that the porosity in the CrN film becomes smaller (the CrN film becomes denser) and the internal stress of the CrN film becomes larger.
全ガス圧５ＰａでＣｒＮ被膜を成膜した実施例２と実施例３とを比較すると、実施例２の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のほうが、実施例３の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜よりも、ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が大きく、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が小さくなっている。この結果から、基板に印加する負のバイアス電圧をより小さくすることにより、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面により優先配向させて、ＣｒＮ被膜の内部応力をより小さくできることがわかった。 Comparing Example 2 and Example 3 in which a CrN film was formed at a total gas pressure of 5 Pa, the CrN film formed under the film formation conditions in Example 2 was formed under the film formation conditions in Example 3. The CrN (200) peak intensity / CrN (111) peak intensity value is larger than that of the CrN film, and the Vickers hardness of the CrN film is small. From this result, it was found that by reducing the negative bias voltage applied to the substrate, the crystal orientation of CrN is preferentially oriented in the CrN (200) plane, and the internal stress of the CrN film can be further reduced.
基板に印加するバイアス電圧−１５ＶでＣｒＮ被膜を成膜した実施例１と実施例２とを比較すると、実施例１の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のほうが、実施例２の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜よりも、ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が大きく、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が小さくなっている。この結果から、真空容器内の全ガス圧をより大きくすることにより、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面により優先配向させて、ＣｒＮ被膜の内部応力をより小さくできることがわかった。 Comparing Example 1 and Example 2 in which a CrN film was formed at a bias voltage of −15 V applied to the substrate, the CrN film formed under the film forming conditions in Example 1 was more film forming conditions in Example 2. The CrN (200) peak intensity / CrN (111) peak intensity value is larger than that of the CrN film formed in step 1, and the Vickers hardness of the CrN film is small. From this result, it was found that by increasing the total gas pressure in the vacuum vessel, the crystal orientation of CrN can be preferentially oriented to the CrN (200) plane, and the internal stress of the CrN coating can be further reduced.
ＣｒＮ被膜のＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上となるとき、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１６８１Ｈｖ以下になることがわかった。 When the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction of the CrN coating is 2.9 times or more than the peak intensity of the CrN (111) plane, the Vickers hardness of the CrN coating layer 14 may be 1681 Hv or less. all right.
ＣｒＮ被膜のＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下となるとき、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下となることがわかった。 When the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction of the CrN film is 2.9 times or more and 4.1 times or less than the peak intensity of the CrN (111) plane, the Vickers hardness of the CrN film is 1216 Hv or more and 1681 Hv. I found out that
ＣｒＮ被膜のＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下となるとき、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下となることがわかった。 When the peak intensity of the CrN (200) surface by X-ray diffraction of the CrN film is 2.9 times or more and 3.7 times or less than the peak intensity of the CrN (111) surface, the Vickers hardness of the CrN film is 1370 Hv or more and 1681 Hv. I found out that
１０ 船舶用ピストンリング、１２ ピストンリング本体、１３、５６ 摺動面、１４ ＣｒＮ被覆層、２０ アークイオンプレーティング装置、２２ 真空容器、２４ 被処理物、２６ テーブル、２８ 蒸発源、３０ 反応ガス導入口、３２ 不活性ガス導入口、３４ ガス排気口、３６ バイアス電圧供給源、３８ アーク放電電源、５０ ピストン、５２ ピストンリング、５４ シリンダライナ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piston ring for ships, 12 Piston ring main body, 13, 56 Sliding surface, 14 CrN coating layer, 20 Arc ion plating apparatus, 22 Vacuum container, 24 To-be-processed object, 26 Table, 28 Evaporation source, 30 Reaction gas introduction Port, 32 inert gas inlet, 34 gas exhaust port, 36 bias voltage supply source, 38 arc discharge power source, 50 piston, 52 piston ring, 54 cylinder liner.
Claims (11)
金属材料で形成されるピストンリング本体と、
前記ピストンリング本体の摺動面にイオンプレーティングで被覆され、ＣｒＮで形成されるＣｒＮ被覆層と、
を備え、
前記ＣｒＮ被覆層は、７０μｍ以上の膜厚で形成されており、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きいことを特徴とする船舶用ピストンリング。 A marine piston ring,
A piston ring body formed of a metal material;
A sliding surface of the piston ring body is coated with ion plating, and a CrN coating layer formed of CrN;
With
The marine piston ring, wherein the CrN coating layer is formed with a film thickness of 70 μm or more, and the peak intensity of the CrN (200) plane by X-ray diffraction is larger than the peak intensity of the CrN (111) plane.
前記ＣｒＮ被覆層は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上であることを特徴とする船舶用ピストンリング。 The marine piston ring according to claim 1,
The marine piston ring, wherein the CrN coating layer has a peak intensity on the CrN (200) plane as measured by X-ray diffraction of 2.9 times or more of the peak intensity on the CrN (111) plane.
前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。 The marine piston ring according to claim 2,
The CrN coating layer has a peak intensity on the CrN (200) plane by the X-ray diffraction of 2.9 times or more and 4.1 times or less than the peak intensity of the CrN (111) plane. piston ring.
前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。 The marine piston ring according to claim 3,
The CrN coating layer is characterized in that the peak intensity of the CrN (200) plane by the X-ray diffraction is 2.9 to 3.7 times the peak intensity of the CrN (111) plane. piston ring.
前記ＣｒＮ被覆層は、ビッカース硬度で１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。 The marine piston ring according to claim 3,
The marine piston ring, wherein the CrN coating layer has a Vickers hardness of 1216Hv or more and 1681Hv or less.
前記ＣｒＮ被覆層は、ビッカース硬度で１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。 The marine piston ring according to claim 4,
The marine piston ring, wherein the CrN coating layer has a Vickers hardness of 1370 Hv or more and 1681 Hv or less.
金属材料でピストンリング本体を形成するピストンリング本体形成工程と、
前記ピストンリング本体の摺動面にＣｒＮで被覆して、ＣｒＮ被覆層を形成するＣｒＮ被覆層形成工程と、
を備え、
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、イオンプレーティングにより金属ＣｒとＮ２ガスとを反応させて、前記ピストンリング本体に印加されるバイアス電圧を−２５Ｖ以上で０Ｖより小さくし、全ガス圧を３Ｐａ以上とし、前記ＣｒＮ被覆層を膜厚７０μｍ以上で形成することを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。 A method for manufacturing a marine piston ring,
A piston ring body forming step of forming the piston ring body from a metal material;
A CrN coating layer forming step of coating the sliding surface of the piston ring body with CrN to form a CrN coating layer;
With
In the CrN coating layer forming step, metal Cr and N 2 gas are reacted by ion plating so that the bias voltage applied to the piston ring body is -25 V or more and less than 0 V, and the total gas pressure is 3 Pa or more. And forming the CrN coating layer with a film thickness of 70 μm or more.
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａ以上であることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。 It is a manufacturing method of the piston ring for ships according to claim 7,
In the CrN coating layer forming step, the total gas pressure is 5 Pa or more.
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記バイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、前記全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下であることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。 A method for manufacturing a marine piston ring according to claim 8,
In the CrN coating layer forming step, the bias voltage is -25 V or more and -15 V or less, and the total gas pressure is 5 Pa or more and 6 Pa or less.
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａであることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。 A method for manufacturing a marine piston ring according to claim 9,
In the CrN coating layer forming step, the total gas pressure is 5 Pa.
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記ピストンリング本体における摺動面の温度が４５０℃以上５５０℃以下であることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。 A method for manufacturing a marine piston ring according to any one of claims 7 to 10,
In the CrN coating layer forming step, the temperature of the sliding surface in the piston ring body is 450 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2011182305A JP2013044382A (en) | 2011-08-24 | 2011-08-24 | Marine piston ring and manufacturing method thereof |
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| JP (1) | JP2013044382A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5826958B1 (en) * | 2014-07-29 | 2015-12-02 | 株式会社リケン | Piston ring for internal combustion engine |
| JP2016156495A (en) * | 2015-02-24 | 2016-09-01 | 株式会社リケン | Piston ring for internal combustion engine |
| CN114508443A (en) * | 2020-11-17 | 2022-05-17 | 日本发动机股份有限公司 | Piston and internal combustion engine for ship |
-
2011
- 2011-08-24 JP JP2011182305A patent/JP2013044382A/en not_active Withdrawn
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