【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ピストンリングに関
し、更に詳しくは、耐焼き付き特性と耐摩耗特性とが改
善された内燃機関用ピストンリング及びその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】往復動内燃機関に使用されるピストンリ
ングには高度な耐摩耗特性が要求される。それ故ピスト
ンリングに耐摩耗特性を付与することを目的として、摺
動面に硬質クロムめっき層を形成させたピストンリング
が内燃機関用ピストンリングとして従来から多用されて
いる。
【０００３】ところで、近年、内燃機関がますます高速
化、高出力化する趨勢にあり、したがって、ピストンリ
ングの使用条件もますます過酷なものとなってきてお
り、従来のクロムめっき層を有するピストンリングでは
耐摩耗特性が充分でない場合があり、更に優れた耐摩耗
耐焼き付き特性を有するピストンリングが望まれてい
る。
【０００４】それ故、ピストンリングの耐摩耗耐焼き付
き特性を更に改善するための努力が払われており、摺動
面にイオンプレーティング法により金属チタンの窒化物
あるいは炭化物の皮膜を形成させたピストンリングも提
案されている（特開昭５７−５７８６８号及び特開昭５
７−６５８３７号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属チ
タンの窒化物や炭化物の皮膜は硬質クロムめっき層に比
べて優れた耐摩耗耐焼き付き特性を示すものであるが、
窒化物や炭化物は硬度が高く柔軟性に欠け、また、熱膨
張係数が金属のそれに比べて著しく小さいために、金属
母材との密着性が悪く、特に応力の作用状態の下で使用
されるピストンリングの摺動面層としてこれらの窒化物
や炭化物層を形成する場合には機関の運転中にリング母
材から剥離を生じ易いという問題があり、実用に供され
るには到っていない。
【０００６】また、イオンプレーティング法による上記
皮膜の形成は皮膜生成速度が遅く、充分な厚さの被覆膜
を形成するには長時間を要するので生産上難があり実用
に供し得るものではない。
【０００７】この発明は、上記に鑑み、従来の問題点を
解消し、過酷な使用条件下においても充分な耐摩耗耐焼
き付き特性を示し、皮膜剥離が起こり難いピストンリン
グ及び皮膜形成速度が速いピストンリング皮膜形成方法
を提供することを目的としてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも一
つの摺動面に、ＣｒＮ型窒化クロムを主成分とした組織
でなり、かつ前記ＣｒＮの（２００）面のＸ線回折ピー
ク強度が（１１１）面ピーク強度に対して約２倍以上で
ある配向構造を有する被覆層を形成したことを特徴とす
るピストンリングに関する。すなわち、本発明のピスト
ンリング（１）の具体例は図１に示すように、ピストン
リング母材（２），例えば鋳鉄もしくはばね鋼にＣｒＮ
型窒化クロムを主成分とする被服層（３）を形成し、そ
のＣｒＮ結晶は図５に示すように、Ｘ線回折図で約５０
°の結晶面が主として配向している。また、被覆層
（３）の厚みは具体的には３０〜５４μｍである。
【０００９】
【作用】本発明のピストンリングの被覆層は、ＰＶＤ
法、 好ましくは減圧された窒素ガス雰囲気中で金属クロ
ムを蒸着させる反応性イオンプレーティング法を利用
し、金属クロムの蒸着過程で該金属をＣｒＮ型窒化クロ
ムに転換させることにより形成することができる。
【００１０】本発明において、被覆層を構成する成分を
クロムの窒化物であるＣｒＮとした理由は、ＣｒＮ型窒
化クロムの熱膨張係数が母材金属のそれに近く、したが
って、ピストンリングの使用中に被覆層が該金属母材か
ら剥離することが防止できるためである。またその硬度
は硬質クロムめっき皮膜より硬く、硬質クロムめっきよ
り良好な耐摩耗耐焼き付き特性を示すので、ピストンリ
ングの耐摩耗性、耐焼き付き性を向上させる。
【００１１】また、本発明では被覆層構成成分として特
にクロムを採用する他の理由は、イオンプレーティング
法による金属クロムの蒸着速度が他の金属よりも大であ
り、生産性の観点からきわめて有効であるためである。
例えば、１×１０-5torrの真空中でクロムまたはチタン
を蒸発材料として、これに２ＫＷの電子ビームを照射
し、該蒸発材料から２４０ｍｍ離れて位置する炭素鋼
（Ｓ４５Ｃ）板の表面にクロムまたチタンを蒸着させた
ところ、チタンの蒸着速度は０．３４μｍ／ｍｉｎであ
るのに対してクロムのそれは４．０μｍ／ｍｉｎであ
り、クロムの蒸着速度は極めて速いものである。
【００１２】
【実施例】１００×１００×１０ｍｍの鋳鉄製平板の片
面をラッピングして１μｍ以下の表面粗さに仕上げ、試
料素材とした。これを反応性イオンプレーティング装置
の容器内にセットし、該容器中に排気して５×１０-4to
rrの真空とした後、試料を加熱した。試料が所定温度に
達してから容器内に窒素ガスを導入して１×１０-2torr
としボンバードによる試料表面のクリーニングをおこな
い、次いで容器内に窒素ガスを導入し所定の窒素ガス分
圧にし、金属クロムを蒸発材としてＨＣＤ型電子銃によ
り蒸発させ蒸着処理をおこなった。得られた試料表面被
覆層の構成組織はＸ線回折によって行い、その結果を図
５に示す。操作条件及び調査結果を表１に示す。
【００１３】
【表１】 操作条件 皮膜特性
試料 N2 ガス分圧 試料温度 構成組織 被覆層 硬さHmV
Ｎｏ ×10 -3 torr ℃ 厚さμｍ １ ３．０ ４００ ＣｒＮ ３０ １８９０
【００１４】（耐焼き付き試験）前記試料Ｎｏ．１から
一方の正方形端部が被覆層となるように５×５×１０ｍ
ｍ試験片を採取し、耐焼き付き試験と耐摩耗試験をおこ
なった。また、比較のために従来の硬質クロムめっきを
施した試料（Ｃｒめっき）及びイオンプレーティング法
により窒化チタンの被覆層を形成した試料（ＴｉＮ）に
ついても同様な試験を実施した。
【００１５】試験装置は図２及び図３にその概要を図解
的に示すものであって、ステータ（４）に取り外し可能
に取り付けられた直径８０ｍｍの円板（摺動相手材）
（５）の中央には裏側から注油孔（６）を通して潤滑油
が注油される。また、ステータ（４）は図示省略した油
圧装置によって右方向に向けて所定圧力で押され押圧力
Ｐが作用するようにしてある。円板（５）に相対向して
ロータ（７）が配され、該ロータは図示省略した駆動装
置によって所定速度で回転する。
【００１６】ロータ（７）の円板（５）に対向する端面
には試料保持具（７ａ）が設けられていて、試料保持具
（７ａ）には同心円上に等間隔をなして正方形の摺動面
を有する４個の試験片（８）が取り付けられ該摺動面が
円板（５）に対接摺動する。このような装置において、
摺動面に所定給油速度で給油しながらロータ（７）を回
転させる。一定時間毎にステータ（４）に作用する圧力
を段階的に増加させ、円板（５）と試料片との摺動によ
り発生する摩擦力をトルクＴとしてスピンドル（９）を
介してロードセル（１０）に作用させ、その変化を動歪
計（１１）で読み、記録計（１２）に記録させる。焼き
付き現象が発生するとトルクＴが急激に上昇する。した
がって、トルクＴが急激に上昇するときに摺動接触面に
作用している接触面圧を焼き付き発生面圧とし、この焼
き付き発生面圧の大小で耐焼き付き特性の良否を判定す
る。
【００１７】試験条件は次の通りである。
摺動速度：８ｍ／秒
潤滑油：ＳＡＥ＃２０ モータオイル
潤滑油の供給条件：３００ｍｌ／分
油温：９０℃
接触圧力：２０ｋｇ／ｃｍ2 から３分間経過毎に１０ｋ
ｇ／ｃｍ2 づつ上昇させる。
摺動相手材（円板５）：鋳鉄材 ＦＣ３０
【００１８】試験結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】試料 焼き付き発生面圧（ｋｇ／ｃｍ 2 ）
本発明 １２０
比較材（ＴｉＮ） １３０
比較材（Ｃｒめっき） １１０
【００２０】表２より明らかな如く、本発明に係る表面
被覆層は硬質クロムめっき材を上回るに耐焼き付き特性
を示している。
【００２１】（耐摩耗試験）
前記の耐焼き付き試験で用いた試験装置を使用し、接触
圧力を１００ｋｇ／ｃｍ2 とし、摩擦速度を３ｍ／ｍｉ
ｎ，５ｍ／ｍｉｎ，８ｍ／ｍｉｎとし、摩擦距離を４０
０ｋｍ、給油量を５００ｍｌ／ｍｉｎとして試験片と相
手円板とを摺動させた後、試験片及び相手方円板を試験
装置から取り外し、両者の摩耗量を測定した。なお、試
験片および相手円板の材料は前記の耐焼き付き試験に於
けると同一とした。試験片の摩耗量は試験片の摩耗の高
さ（μｍ）で、また、相手円板の摩耗量は摩耗によって
生じた環状摩耗痕の半径方向断面積（×１０-5ｃｍ2 ）
で測定した。試験の結果を図４に示す。
【００２２】ＣｒＮ型窒化クロムを主成分とした組織で
なる被覆層を有する試験片は、耐摩耗特性が優れている
として従来実用に供されている硬質クロムめっき皮膜に
較べ、自身の摩耗量および相手円板の摩耗量共に少な
く、またこれら特性はＴｉＮと同等であると言う良好な
耐摩耗特性を示している。
【００２３】次に、図１に示すように、ばね鋼（ＳＵＰ
−１）製ピストンリング（２）を製作し、その外周摺動
面に前記方法により、ＣｒＮ型窒化クロムを主成分とし
た組織でなる表面被覆層（３）を形成した。その形成条
件およびその特性は次の通りである。
【００２４】
【００２５】
Ｃｏ管球を使用したＸ線回折において、ＡＳＴＭデータ
と比較を行ないＣｒＮの存在を確認した。さらにＡＳＴ
Ｍデータでは回折角度（２θ）≒４３°及び≒５２°に
それぞれピークが表れる（１１１）面及び（２００）面
の強度（Ｉ）比：Ｉ(111) ／Ｉ(200) ≒０．８； Ｉ
(200) ／Ｉ(111) ≒１．２５であるのに対し、本件実施
例の皮膜では（２００）面の回折ピーク強度が（１０
０）面の回折ピーク強度より非常に高く約２．６倍であ
り、（２００）面配向構造をもつことが確認された。
【００２６】上記のピストンリングを排気量１５００Ｃ
Ｃ、水冷４気筒の４サイクルガソリンエンジンの第１圧
力リングに組み込み、加鉛ガソリンを燃料として回転数
５５００ｒｐｍ、油温１１０℃、冷却水温度９０℃、全
負荷の条件で２００時間のベンチテストを行った後、ピ
ストンリング外周面の摩耗量を測定した。なお、比較の
ために外周面に硬質クロムめっきを施したピストンリン
グを用いて同様の試験を実施した。試験の結果、硬質ク
ロムめっきを施した従来のピストンの外周の摩耗は量は
７９μｍであったのに対し、本発明のピストンリングの
それは２３μｍであった。また、本発明のピストンリン
グには被覆層の剥離等も発生していなかった。
【００２７】
【発明の効果】以上の通り、本発明のピストンリング
は、過酷な運転条件下で使用される内燃機関に使用する
場合に剥離がなく特にその効果が顕著である。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring, and more particularly, to a piston ring for an internal combustion engine having improved seizure resistance and wear resistance, and a method of manufacturing the same. About. 2. Description of the Related Art A piston ring used in a reciprocating internal combustion engine is required to have high wear resistance. Therefore, a piston ring having a hard chromium plating layer formed on a sliding surface has been widely used as a piston ring for an internal combustion engine for the purpose of imparting wear resistance to the piston ring. By the way, in recent years, internal combustion engines are becoming faster and higher in power, and therefore the usage conditions of piston rings are becoming more and more severe, and pistons having a conventional chromium plating layer are being used. A ring may not have sufficient wear resistance, and a piston ring having excellent wear resistance and seizure resistance is desired. Therefore, efforts have been made to further improve the wear resistance and seizure resistance of the piston ring, and a piston in which a titanium or nitride coating of titanium metal is formed on a sliding surface by an ion plating method. Rings have also been proposed (JP-A-57-57868 and JP-A-5-57868).
No. 7-65837). [0005] However, although the nitride or carbide coating of titanium metal has excellent wear resistance and seizure resistance as compared with the hard chromium plating layer,
Since nitrides and carbides have high hardness and lack flexibility, and have a coefficient of thermal expansion that is significantly smaller than that of metals, they have poor adhesion to metal base materials, and are used especially under the action of stress. When these nitrides or carbide layers are formed as the sliding surface layer of the piston ring, there is a problem that the ring is easily separated from the ring base material during operation of the engine, and it has not been put to practical use. . Further, the formation of the above-mentioned film by the ion plating method has a low film formation rate, and it takes a long time to form a coating film having a sufficient thickness. Absent. In view of the above, the present invention solves the problems of the prior art, exhibits sufficient wear and seizure resistance even under harsh operating conditions, and is a piston ring with which film peeling does not easily occur and a piston with a high film formation rate. It is made for the purpose of providing a method for forming a ring film. According to the present invention, the X-ray diffraction peak of the (200) plane of CrN has a structure in which at least one sliding surface contains CrN-type chromium nitride as a main component. The present invention relates to a piston ring, which is characterized in that a coating layer having an oriented structure whose strength is about twice or more the peak strength of (111) plane is formed. That is, a concrete example of the piston ring (1) of the present invention is, as shown in FIG. 1, a piston ring base material (2) such as cast iron or spring steel and CrN.
A coating layer (3) containing chromium nitride as a main component is formed, and its CrN crystal has an X-ray diffraction pattern of about 50 as shown in FIG.
The crystal plane at ° is mainly oriented. The thickness of the coating layer (3) is specifically 30 to 54 μm. The coating layer of the piston ring of the present invention is formed by PVD.
Method, preferably a reactive ion plating method of depositing metal chromium in a reduced pressure nitrogen gas atmosphere, and converting the metal to CrN-type chromium nitride in the process of depositing metal chromium. . In the present invention, the reason why the component constituting the coating layer is CrN, which is a nitride of chromium, is that the coefficient of thermal expansion of CrN-type chromium nitride is close to that of the base metal, and therefore during use of the piston ring. This is because the coating layer can be prevented from peeling from the metal base material. In addition, the hardness is higher than the hard chromium plating film and shows better wear resistance and seizure resistance than the hard chrome plating, so that the abrasion resistance and seizure resistance of the piston ring are improved. Another reason for employing chromium as a component of the coating layer in the present invention is that the deposition rate of chromium metal by the ion plating method is higher than that of other metals, which is extremely effective from the viewpoint of productivity. This is because
For example, chromium or titanium is used as an evaporation material in a vacuum of 1 × 10 −5 torr, and this is irradiated with an electron beam of 2 KW, and chromium or titanium is evaporated on the surface of a carbon steel (S45C) plate located 240 mm away from the evaporation material. When titanium is vapor-deposited, the vapor deposition rate of titanium is 0.34 μm / min, whereas that of chromium is 4.0 μm / min, and the vapor deposition rate of chromium is extremely high. EXAMPLE One side of a cast iron flat plate of 100 × 100 × 10 mm was wrapped to a surface roughness of 1 μm or less to prepare a sample material. This was set in a container of a reactive ion plating apparatus, and the container was evacuated and evacuated to 5 × 10 -4 to
After applying rr vacuum, the sample was heated. After the sample reaches a predetermined temperature, nitrogen gas is introduced into the container and 1 × 10 -2 torr
The surface of the sample was cleaned by bombarding, and then nitrogen gas was introduced into the vessel to a predetermined partial pressure of nitrogen gas, and evaporation was performed by evaporating the metal chromium using an HCD type electron gun as an evaporating material. The structure of the obtained sample surface coating layer was analyzed by X-ray diffraction, and the results are shown in FIG. Table 1 shows the operating conditions and the survey results. [Table 1] Operating conditions Coating properties Sample N 2 gas partial pressure Sample temperature Constituent structure Coating layer Hardness HmV No × 10 -3 torr ℃ Thickness μm 1 3.0 400 CrN 30 1890 (Seizure resistance test) Sample No. 5 × 5 × 10 m so that one square end from 1 becomes a coating layer
m test pieces were sampled and a seizure resistance test and an abrasion resistance test were conducted. For comparison, a similar test was performed on a sample (Cr plating) on which conventional hard chromium plating was performed and a sample (TiN) on which a titanium nitride coating layer was formed by an ion plating method. The test apparatus is schematically shown in FIGS. 2 and 3, and is a disc having a diameter of 80 mm (sliding partner) detachably attached to the stator (4).
Lubricating oil is injected into the center of (5) from the back through an oil hole (6). The stator (4) is pushed rightward by a predetermined pressure by a hydraulic device (not shown) so that the pushing force P acts. A rotor (7) is arranged opposite to the disk (5), and the rotor is rotated at a predetermined speed by a driving device (not shown). A sample holder (7a) is provided on the end face of the rotor (7) facing the disk (5), and the sample holder (7a) is a concentrically spaced square slide. Four test pieces (8) having a moving surface are attached, and the sliding surface slides against the disk (5). In such a device,
The rotor (7) is rotated while lubricating the sliding surface at a predetermined lubrication rate. The pressure acting on the stator (4) is increased stepwise at regular intervals, and the frictional force generated by the sliding between the disk (5) and the specimen is set as the torque T via the spindle (9) as the load cell (10). ), And read the change with a dynamic strain meter (11) and record it on a recorder (12). When the burn-in phenomenon occurs, the torque T sharply increases. Therefore, the contact surface pressure acting on the sliding contact surface when the torque T sharply increases is defined as the seizure occurrence surface pressure, and the quality of the seizure resistance is determined based on the magnitude of the seizure occurrence surface pressure. The test conditions are as follows. Sliding speed: 8 m / s Lubricating oil: SAE # 20 Motor oil lubricating oil supply condition: 300 ml / min Oil temperature: 90 ° C. Contact pressure: 20 kg / cm 2 10 k every 3 minutes
g / cm 2 . Sliding partner (disc 5): cast iron material FC30 The test results are shown in Table 2. [Table 2] Surface pressure of sample seizure (kg / cm 2 ) Present invention 120 Comparative material (TiN) 130 Comparative material (Cr plating) 110 [0020] As is clear from Table 2, the surface coating according to the present invention. The layer exhibits seizure resistance over hard chrome plating. (Abrasion resistance test) Using the test apparatus used in the seizure resistance test, the contact pressure was 100 kg / cm 2 , and the friction speed was 3 m / mi.
n, 5m / min, 8m / min, friction distance 40
After the test piece and the counterpart disk were slid at 0 km and the oil supply amount was 500 ml / min, the test piece and the counterpart disk were removed from the test apparatus, and the wear amount of both was measured. The materials for the test piece and the mating disk were the same as those used in the seizure resistance test. The wear amount of the test piece is the height of wear of the test piece (μm), and the wear amount of the mating disk is the radial cross-sectional area (× 10 −5 cm 2 ) of the annular wear mark caused by the wear.
Was measured. FIG. 4 shows the results of the test. The test piece having a coating layer composed of a structure containing CrN-type chromium nitride as a main component has a wear amount and a wear amount higher than that of a hard chromium plating film which has been conventionally put to practical use because of its excellent wear resistance. The amount of wear of the mating disk is small, and these properties show good wear resistance properties equivalent to TiN. Next, as shown in FIG. 1, spring steel (SUP
-1) A piston ring (2) made of was produced, and a surface coating layer (3) having a structure containing CrN-type chromium nitride as a main component was formed on the outer peripheral sliding surface by the above method. The forming conditions and the characteristics are as follows. [0024] [0025] In X-ray diffraction using a Co tube, the presence of CrN was confirmed by comparison with ASTM data. Further AST
In the M data, peaks appear at diffraction angles (2θ) ≈ 43 ° and ≈ 52 °, respectively. Intensity (I) ratio of (111) plane and (200) plane: I (111) / I (200) ≈ 0.8; I
While (200) / I (111) ≈1.25, the diffraction peak intensity of the (200) plane is (10
It was confirmed to have a (200) -plane oriented structure, which is much higher than the diffraction peak intensity of the (0) plane and about 2.6 times. With the piston ring described above, a displacement of 1500C
C, assembled in the first pressure ring of a water-cooled four-cylinder four-cycle gasoline engine, using a leaded gasoline as fuel for a 200-hour bench test at 5,500 rpm, oil temperature of 110 ° C, cooling water temperature of 90 ° C, and full load. After the test, the amount of wear on the outer peripheral surface of the piston ring was measured. For comparison, a similar test was performed using a piston ring whose outer peripheral surface was plated with hard chrome. As a result of the test, the wear of the outer circumference of the conventional piston plated with hard chromium was 79 μm, whereas that of the piston ring of the present invention was 23 μm. In addition, the coating of the piston ring of the present invention did not peel off. As described above, the piston ring of the present invention has no peeling when used in an internal combustion engine used under severe operating conditions, and its effect is particularly remarkable.
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のピストンリングの一例を示す断面図
である。
【図２】 耐焼き付き及び耐摩耗試験装置を示す一部断
面図である。
【図３】 耐焼き付き及び耐摩耗試験装置を示す部分側
面図である。
【図４】 耐摩耗試験結果を示すグラフである。
【図５】 本発明試料についてのＸ線回折チャートであ
る。
【符号の説明】
１ ピストンリング
２ ピストンリング母材
３ 被覆層
４ ステータ
５ 円板（摺動相手材）
６ 注油孔
７ ロータ
８ 試料BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view showing an example of a piston ring of the present invention. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a seizure resistance and wear resistance test apparatus. FIG. 3 is a partial side view showing a seizure resistance and wear resistance test apparatus. FIG. 4 is a graph showing the results of an abrasion resistance test. FIG. 5 is an X-ray diffraction chart for a sample of the present invention. [Description of Signs] 1 Piston ring 2 Piston ring base material 3 Coating layer 4 Stator 5 Disk (sliding partner material) 6 Lubrication hole 7 Rotor 8 Sample