JP2534566Y2 - ピストンリング - Google Patents
ピストンリングInfo
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- JP2534566Y2 JP2534566Y2 JP6219191U JP6219191U JP2534566Y2 JP 2534566 Y2 JP2534566 Y2 JP 2534566Y2 JP 6219191 U JP6219191 U JP 6219191U JP 6219191 U JP6219191 U JP 6219191U JP 2534566 Y2 JP2534566 Y2 JP 2534566Y2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この考案は、耐摩耗性に優れた硬
質皮膜を形成した内燃機関用ピストンリングに関するも
のである。
質皮膜を形成した内燃機関用ピストンリングに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】ピストンリングは、エンジンのシリンダ
ライナ内に配置されたピストンのリング溝に組み込ま
れ、主に燃焼室の気密化、シリンダー表面に形成される
潤滑油膜の膜厚制御、および燃焼熱をピストンからシリ
ンダライナへ伝達することによるピストンの冷却等の働
きをする。従って、ピストンリングは特性として耐摩耗
性、耐焼付性、耐熱性、保油性およびシリンダ側の摩耗
抑制などが高い次元で要求される。
ライナ内に配置されたピストンのリング溝に組み込ま
れ、主に燃焼室の気密化、シリンダー表面に形成される
潤滑油膜の膜厚制御、および燃焼熱をピストンからシリ
ンダライナへ伝達することによるピストンの冷却等の働
きをする。従って、ピストンリングは特性として耐摩耗
性、耐焼付性、耐熱性、保油性およびシリンダ側の摩耗
抑制などが高い次元で要求される。
【０００３】これらの要求性能に応えるため、現在ピス
トンリングは靭性が高く耐摩耗性・耐熱性に優れる鋼な
どの鉄系材料に摺動特性を改良するための表面処理を施
して使用されている。従来より行われているピストンリ
ングの表面処理として、窒化、クロムめっき、モリブデ
ン溶射などが挙げられる。
トンリングは靭性が高く耐摩耗性・耐熱性に優れる鋼な
どの鉄系材料に摺動特性を改良するための表面処理を施
して使用されている。従来より行われているピストンリ
ングの表面処理として、窒化、クロムめっき、モリブデ
ン溶射などが挙げられる。
【０００４】しかし、近年エンジンの高出力化や高性能
化に伴い、ピストンリングに要求される条件はますます
過酷なものとなっているので、従来の表面処理では対応
できない場合があり、更に優れた耐摩耗性及び耐焼付性
を有するピストンリングが望まれていた。
化に伴い、ピストンリングに要求される条件はますます
過酷なものとなっているので、従来の表面処理では対応
できない場合があり、更に優れた耐摩耗性及び耐焼付性
を有するピストンリングが望まれていた。
【０００５】これに対し、最近ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、摺動
面に金属窒化物や金属炭化物等の皮膜をコーティングし
たピストンリングが提案されている（特公平１−５２４
７１号及び特開昭６２−１２０４７１号参照）。金属窒
化物や金属炭化物の皮膜は優れた耐摩耗性及び耐焼付性
を示しており、特に窒化チタンや窒化クロムなどが注目
され、ピストンリングへの適用が提案されている
ｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、摺動
面に金属窒化物や金属炭化物等の皮膜をコーティングし
たピストンリングが提案されている（特公平１−５２４
７１号及び特開昭６２−１２０４７１号参照）。金属窒
化物や金属炭化物の皮膜は優れた耐摩耗性及び耐焼付性
を示しており、特に窒化チタンや窒化クロムなどが注目
され、ピストンリングへの適用が提案されている
【０００６】
【考案が解決しようとする課題】しかし、これらセラミ
ックス皮膜は高い硬度を有し、耐摩耗性及び耐焼付性に
おいてクロムめっきなど従来の表面処理を凌いでいる
が、窒化チタンは、基板との密着力が弱く、３μｍ以上
の厚い皮膜をコーティングすることは容易でなく、また
一方また窒化クロムは耐摩耗性及び耐食性について窒化
チタンよりも劣っているので、本考案は、上記問題点を
解決し、耐摩耗性、耐焼付性、耐食性及び密着性に優れ
たピストンリングを提供することを目的とする。
ックス皮膜は高い硬度を有し、耐摩耗性及び耐焼付性に
おいてクロムめっきなど従来の表面処理を凌いでいる
が、窒化チタンは、基板との密着力が弱く、３μｍ以上
の厚い皮膜をコーティングすることは容易でなく、また
一方また窒化クロムは耐摩耗性及び耐食性について窒化
チタンよりも劣っているので、本考案は、上記問題点を
解決し、耐摩耗性、耐焼付性、耐食性及び密着性に優れ
たピストンリングを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本考案は、ピストンリン
グの少なくとも外周摺動面に、イオンプレーティングに
より窒化クロムとニッケルからなる皮膜が１〜３０μｍ
の厚みで形成されていることを特徴とする。
グの少なくとも外周摺動面に、イオンプレーティングに
より窒化クロムとニッケルからなる皮膜が１〜３０μｍ
の厚みで形成されていることを特徴とする。
【０００８】イオンプレーティング皮膜を被覆する基板
すなわちピストンリング本体は従来公知のいかなる形式
でもよく、その材料は、１３Ｃｒおよび１７Ｃｒステン
レス鋼、バネ鋼、工具鋼、鋳鉄などの鉄系材料およびそ
れらの材料に窒化処理、Ｃｒめっきを施したものを使用
する。
すなわちピストンリング本体は従来公知のいかなる形式
でもよく、その材料は、１３Ｃｒおよび１７Ｃｒステン
レス鋼、バネ鋼、工具鋼、鋳鉄などの鉄系材料およびそ
れらの材料に窒化処理、Ｃｒめっきを施したものを使用
する。
【０００９】複合皮膜を形成する面は、ピストンリング
の外周摺動面を必須とするが、他の内周、上下面などに
形成されてもさしつかえない。複合皮膜の膜厚は、初期
なじみにおける摩耗で表面層が消失する可能性を考慮
し、１μｍ以上とし、なじみ以降にも皮膜を残すことが
必要である。また、膜厚が３０μｍを超えると皮膜に欠
けや亀裂が生じ密着力が低下するので３０μｍ以下とす
る必要がある。
の外周摺動面を必須とするが、他の内周、上下面などに
形成されてもさしつかえない。複合皮膜の膜厚は、初期
なじみにおける摩耗で表面層が消失する可能性を考慮
し、１μｍ以上とし、なじみ以降にも皮膜を残すことが
必要である。また、膜厚が３０μｍを超えると皮膜に欠
けや亀裂が生じ密着力が低下するので３０μｍ以下とす
る必要がある。
【００１０】イオンプレーティング法はＰＶＤ法の一種
である。ＰＶＤ法は、皮膜を形成する技術であり、基本
的には蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングの
３法に分類できる。このうちでも特に、本考案では、ク
ロム、ニッケルの蒸発物質を窒素と反応させ、窒化クロ
ムとニッケルからなりセラミックスと金属を複合した皮
膜をピストンリング上に堆積させることができるイオン
プレーティングによる皮膜に特定した。
である。ＰＶＤ法は、皮膜を形成する技術であり、基本
的には蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングの
３法に分類できる。このうちでも特に、本考案では、ク
ロム、ニッケルの蒸発物質を窒素と反応させ、窒化クロ
ムとニッケルからなりセラミックスと金属を複合した皮
膜をピストンリング上に堆積させることができるイオン
プレーティングによる皮膜に特定した。
【００１１】複合皮膜の構成元素のうち、ニッケルは窒
化物を形成し難い元素であり、一方クロムは窒化物を形
成しやすい元素である。そこでクロムとニッケルの蒸気
に窒素を混合した気相中でプラズマを発生させると、ク
ロムはイオン化し、窒素イオンと化合し窒化クロムを形
成する。その結果、基板であるピストンリング本体の表
面に窒化クロム＋ニッケルの複合皮膜が形成される。
化物を形成し難い元素であり、一方クロムは窒化物を形
成しやすい元素である。そこでクロムとニッケルの蒸気
に窒素を混合した気相中でプラズマを発生させると、ク
ロムはイオン化し、窒素イオンと化合し窒化クロムを形
成する。その結果、基板であるピストンリング本体の表
面に窒化クロム＋ニッケルの複合皮膜が形成される。
【００１２】窒化チタンのような窒化物単一相セラミッ
クス皮膜を基板表面に形成したピストンリングでは界面
にて急激な物性変化が生じ、その間の化学組成、結晶構
造および線膨張係数が大きく異なるなどの理由により、
セラミックス皮膜は密着力が乏しく、剥離しやすい傾向
にある。これに対して窒化クロム＋ニッケル複合皮膜は
セラミックスと金属が混合している、いわゆるサーメッ
トを形成しているため、窒化物単一相と比較し、基板と
皮膜の界面において化学組成、結晶構造や線膨張係数な
どの変化が小さく、基板に対する密着性が強い。また、
金属相がニッケルであることから窒化クロム単相の場合
よりも耐食性も改善される。
クス皮膜を基板表面に形成したピストンリングでは界面
にて急激な物性変化が生じ、その間の化学組成、結晶構
造および線膨張係数が大きく異なるなどの理由により、
セラミックス皮膜は密着力が乏しく、剥離しやすい傾向
にある。これに対して窒化クロム＋ニッケル複合皮膜は
セラミックスと金属が混合している、いわゆるサーメッ
トを形成しているため、窒化物単一相と比較し、基板と
皮膜の界面において化学組成、結晶構造や線膨張係数な
どの変化が小さく、基板に対する密着性が強い。また、
金属相がニッケルであることから窒化クロム単相の場合
よりも耐食性も改善される。
【００１３】複合皮膜の構成元素は、クロム量を１とし
た場合、原子比でクロム：ニッケル：窒素＝１：０．５
〜１：０．１〜１の範囲が望ましい。クロムに対するニ
ッケルが原子比０．０５以下では密着性や耐食性に対す
るニッケルの効果が顕著でなく、またニッケル原子比が
１を上回ると硬度が低下し皮膜の耐摩耗性が低下する。
窒素はクロムに対する原子比が０．１以下では窒化クロ
ムの生成が少なく硬さが低く、従って耐摩耗性に劣る。
た場合、原子比でクロム：ニッケル：窒素＝１：０．５
〜１：０．１〜１の範囲が望ましい。クロムに対するニ
ッケルが原子比０．０５以下では密着性や耐食性に対す
るニッケルの効果が顕著でなく、またニッケル原子比が
１を上回ると硬度が低下し皮膜の耐摩耗性が低下する。
窒素はクロムに対する原子比が０．１以下では窒化クロ
ムの生成が少なく硬さが低く、従って耐摩耗性に劣る。
【００１４】
【作用】上述した複合皮膜を被覆したピストンリング
は、外周表面硬さが高く、皮膜と基板の密着力が良好で
あることから耐摩耗性に優れる。また耐食性が良好であ
るので腐食が起こる環境下での耐摩耗性においても優れ
ている。以下、実施例により本考案を詳しく説明する。
は、外周表面硬さが高く、皮膜と基板の密着力が良好で
あることから耐摩耗性に優れる。また耐食性が良好であ
るので腐食が起こる環境下での耐摩耗性においても優れ
ている。以下、実施例により本考案を詳しく説明する。
【００１５】
【実施例】実施例１ 本実施例では、呼び径×幅×厚さがφ８６×２mm×３m
m、材質がＳＫＤ６１材のピストンリングを使用し、そ
の外周摺動面に窒化クロム＋ニッケル皮膜を１０μｍ形
成させた。
m、材質がＳＫＤ６１材のピストンリングを使用し、そ
の外周摺動面に窒化クロム＋ニッケル皮膜を１０μｍ形
成させた。
【００１６】ＰＶＤ処理は、陰極アークプラズマ式イオ
ンプレーティング装置を用いた。ピストンリングをフロ
ン洗浄し、表面に付着した汚れを取り充分清浄化して、
イオンプレーティング装置の真空チャンバー内に挿入し
た。
ンプレーティング装置を用いた。ピストンリングをフロ
ン洗浄し、表面に付着した汚れを取り充分清浄化して、
イオンプレーティング装置の真空チャンバー内に挿入し
た。
【００１７】チャンバー内圧力が１．３×１０-3Ｐａに
なるまで真空引きを行ってから、イオンプレーティング
装置に内蔵されているヒーターにより３００〜５００℃
で加熱してピストンリングの内在ガスを放出させ、その
後２００℃まで冷却する。チャンバ内圧力が４×１０-3
Ｐａ以下になった時点でクロム−ニッケルからなるター
ゲットを陰極として、その表面でアーク放電を発生させ
クロムイオンとニッケルイオンを飛出させた。この際ピ
ストンリングにはバイアス電圧を−７００〜−９００Ｖ
印加しておき、陰極より飛出したボンバードクリーニン
グによりピストンリング表面の酸化物除去と活性化処理
を行った。
なるまで真空引きを行ってから、イオンプレーティング
装置に内蔵されているヒーターにより３００〜５００℃
で加熱してピストンリングの内在ガスを放出させ、その
後２００℃まで冷却する。チャンバ内圧力が４×１０-3
Ｐａ以下になった時点でクロム−ニッケルからなるター
ゲットを陰極として、その表面でアーク放電を発生させ
クロムイオンとニッケルイオンを飛出させた。この際ピ
ストンリングにはバイアス電圧を−７００〜−９００Ｖ
印加しておき、陰極より飛出したボンバードクリーニン
グによりピストンリング表面の酸化物除去と活性化処理
を行った。
【００１８】その後バイアス電圧を低下させ金属イオン
をピストンリング外周面に堆積させながら、窒素ガスを
チャンバー内に導入し、プラズマ内を通過することによ
り窒素をイオン化して、１．３×１０-1〜１．６Ｐａ程
度の圧力として、バイアス電圧を−１０〜−１００Ｖ印
加してピストンリング表面にイオンプレーティング皮膜
を形成させた。所定の膜厚形成後、真空チャンバ内で２
００℃以下になるまで冷却してから、ピストンリングを
チャンバから取り出した。
をピストンリング外周面に堆積させながら、窒素ガスを
チャンバー内に導入し、プラズマ内を通過することによ
り窒素をイオン化して、１．３×１０-1〜１．６Ｐａ程
度の圧力として、バイアス電圧を−１０〜−１００Ｖ印
加してピストンリング表面にイオンプレーティング皮膜
を形成させた。所定の膜厚形成後、真空チャンバ内で２
００℃以下になるまで冷却してから、ピストンリングを
チャンバから取り出した。
【００１９】上記方法で、ピストンリング外周表面に原
子比がクロム：ニッケル：窒素＝１：０．２：０．７で
構成される窒化クロム＋ニッケルの複合皮膜を１０μｍ
被覆した。
子比がクロム：ニッケル：窒素＝１：０．２：０．７で
構成される窒化クロム＋ニッケルの複合皮膜を１０μｍ
被覆した。
【００２０】このようにして得られたピストンリングの
皮膜密着性を測定した。密着性の測定は、ツイスト試験
と呼ばれるもので、ピストンリング合い口部の一方を固
定し、他の一方をねじって、皮膜の剥離が生ずるまでの
ねじり角を測定するものである。比較材として同材質、
同寸法のピストンリング本体に窒化チタンの単一相を５
μｍ皮膜したリングについても同時にツイスト試験を実
施した。密着性試験結果を比較品のねじり角を１とした
角度比で表１に示した。
皮膜密着性を測定した。密着性の測定は、ツイスト試験
と呼ばれるもので、ピストンリング合い口部の一方を固
定し、他の一方をねじって、皮膜の剥離が生ずるまでの
ねじり角を測定するものである。比較材として同材質、
同寸法のピストンリング本体に窒化チタンの単一相を５
μｍ皮膜したリングについても同時にツイスト試験を実
施した。密着性試験結果を比較品のねじり角を１とした
角度比で表１に示した。
【００２１】
【表１】 一般に皮膜の膜厚が厚いほど密着性が劣るが、本考案皮
膜は、窒化チタンに比べ皮膜が厚いにもかかわらず、剥
離が生ずるまでのねじり角が大きく、密着性が優れてい
る。
膜は、窒化チタンに比べ皮膜が厚いにもかかわらず、剥
離が生ずるまでのねじり角が大きく、密着性が優れてい
る。
【００２２】実施例２ 実施例１の方法で窒化クロム＋ニッケル皮膜を１０μｍ
被覆したピストンリングを４気筒４サイクルのディーゼ
ルエンジンのトップリングに組込み、台上実機試験を実
施した。
被覆したピストンリングを４気筒４サイクルのディーゼ
ルエンジンのトップリングに組込み、台上実機試験を実
施した。
【００２３】 で行った。ディーゼルエンジンにおいては、燃料の燃焼
によって、燃料中の硫黄分がエンジンオイル中に入り込
み、オイルの酸化を増加させ、ピストンリングは単なる
摩擦摩耗のみではなく、腐食摩耗が促進される雰囲気と
なる。エンジンテストにおける外周摩耗量測定結果を表
２に示す。
によって、燃料中の硫黄分がエンジンオイル中に入り込
み、オイルの酸化を増加させ、ピストンリングは単なる
摩擦摩耗のみではなく、腐食摩耗が促進される雰囲気と
なる。エンジンテストにおける外周摩耗量測定結果を表
２に示す。
【００２４】
【表２】
【００２５】比較品であるクロムめっきしたピストンリ
ングに比べ、本考案品は摩耗量が１／３と大幅に減少
し、窒化クロムをイオンプレーティングで被覆したピス
トンリングの摩耗量に対しても４／５と減少し、かなり
の改善が見られる。したがって、本考案のピストンリン
グは従来品に対し耐摩耗性が向上している。
ングに比べ、本考案品は摩耗量が１／３と大幅に減少
し、窒化クロムをイオンプレーティングで被覆したピス
トンリングの摩耗量に対しても４／５と減少し、かなり
の改善が見られる。したがって、本考案のピストンリン
グは従来品に対し耐摩耗性が向上している。
【００２６】
【考案の効果】以上、説明したことから明らかなよう
に、本考案はピストンリングの外周摺動面に窒化クロム
とニッケルの複合皮膜を被覆することによって、従来か
ら使用されているピストンリングに比較して、皮膜の密
着性、耐摩耗性に優れており、ピストンリングの寿命を
増大することができる。
に、本考案はピストンリングの外周摺動面に窒化クロム
とニッケルの複合皮膜を被覆することによって、従来か
ら使用されているピストンリングに比較して、皮膜の密
着性、耐摩耗性に優れており、ピストンリングの寿命を
増大することができる。
【図１】本考案に係わるピストンリングをシリンダライ
ナ内に装着した状態を示す断面図である。
ナ内に装着した状態を示す断面図である。
【図２】図１のピストンリングの複合皮膜を示す拡大図
である。
である。
１ シリンダライナ ２ ピストン ３ ピストンリング ４ ピストンリング本体 ５ 外周面 ５Ａ 複合皮膜
Claims (1)
- 【請求項１】 ピストンリング（３）のすくなくとも外
周摺動面（５）に、窒化クロムとニッケルからなるイオ
ンプレーティング皮膜（５Ａ）が１〜３０μｍ形成され
ていることを特徴とするピストンリング。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6219191U JP2534566Y2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6219191U JP2534566Y2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | ピストンリング |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0510460U JPH0510460U (ja) | 1993-02-09 |
| JP2534566Y2 true JP2534566Y2 (ja) | 1997-04-30 |
Family
ID=13193010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6219191U Expired - Fee Related JP2534566Y2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2534566Y2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9169800B2 (en) * | 2011-11-28 | 2015-10-27 | Federal-Mogul Corporation | Piston with anti-carbon deposit coating and method of construction thereof |
-
1991
- 1991-07-12 JP JP6219191U patent/JP2534566Y2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0510460U (ja) | 1993-02-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |