JP2809984B2 - ピストンリング及びその製造方法 - Google Patents

ピストンリング及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性、耐焼き
付き性に優れ、且つ密着性に優れた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】内燃機関におけるピストンリングのよう
な摺動部材の摺動表面は高い摺動性能が要求されること
から、優れた耐摩耗性を有する硬質クロムメッキが従来
から用いられてきた。しかし、近年内燃機関の高出力化
や排気ガス対策、軽量化などから、これら部材表面の受
ける負荷は増大してきており、従来の硬質クロムめっき
皮膜では耐摩耗性が不足するようになり、より過酷な条
件下でも使用できる皮膜の開発が望まれている。このよ
うな要望に応える発明として、実願昭58−21604
号及び特願昭62−316965号が提案されている。
実願昭58−21604号は、CrN型の窒化クロムか
らなる皮膜を設けたピストンリングに関するものであ
り、特願昭62−316965号は、Cr2N型の窒化
クロムとCrN型の窒化クロムの複合組織の膜を有する
ことを特徴としたピストンリングに関するものである。
そして、これらピストンリングは、該窒化クロム膜の優
れた摺動性能により、硬質クロムめっきを施したピスト
ンリング以上の性能を得ている。
【0003】しかしながら、該窒化クロム皮膜は所謂セ
ラミック皮膜であり非常に硬質で脆く、ピストンリング
の耐摩耗性皮膜として用いた場合に、その使用中に欠け
や剥離を生じ易く、時には相手材を異常に摩耗させると
いう問題を生じる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、窒化クロム
皮膜が有する前記のような問題点を解消し、ピストンリ
ングの摺動に於いても、良好な耐摩耗性を有し、且つ剥
離や欠けを生じない皮膜とその製造方法を提供すること
を課題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明はピストンリングの摺動面に、イオンプレー
ティング法により耐摩耗性皮膜を形成させるにあたり、
その皮膜が金属クロム及びCrN型窒化クロムの混合物
よりなり、かつ金属クロムが皮膜各部に分散されている
複合組織からなるものを提供し、さらにそれらの皮膜を
形成するため、金属クロム蒸発源を複数個備えたイオン
プレーティング法を使用し、反応ガス分圧及び各金属ク
ロム蒸発源と被処理物表面との距離を異なる様調整する
ことにより、蒸発クロムと反応ガスとの反応速度を制御
し、目的とする耐摩耗性皮膜を形成させる皮膜製造方法
を提供するものである。反応ガス分圧及び金属クロム蒸
発源と被処理物表面との距離を調整することにより皮膜
各部に分散している金属クロム及びCrNの量を適宜調
整することが可能である。
【0006】本発明の各皮膜は軟質の金属クロムが含ま
れているので、窒化クロムのみからなる皮膜に較べ靭性
にすぐれ、密着性及び欠け易さが改善されているので使
用時に於いても、欠けや剥離が発生しにくく、相手材を
異常摩耗させることがない。また、本発明の皮膜中の金
属クロム量は低く押さえられるので、腐食にも強く、従
ってディーゼルエンジンのピストンリング等の腐食環境
下での摩耗にも強く用いることができる。
【0007】また、本発明の該皮膜は、複数個有する各
蒸発源と被処理物の被処理表面との間の距離を異にさ
せ、イオンプレーティングを行なうことによって容易に
得られ、且つ再現性に優れるものである。従来のイオン
プレーティング法に於いては、イオンプレーティング時
の条件である窒素濃度を変化させることによって、金属
とその窒化物からなる複合組織の皮膜を得ている(例え
ば、特願昭59−207986号)ので、金属クロムと
Cr2N型の窒化クロムからなる複合皮膜やCr2N型の
窒化クロムとCrN型の窒化クロムとからなる複合皮膜
のみしか得られなかった。本方法では、金属の複数の蒸
発源と被処理物表面との距離を変化させることにより、
同じ窒素ガス圧の条件のもとで、蒸発金属粒子の窒素分
子との反応確率を異ならせることによって、金属のまま
析出する蒸発粒子と高度に窒化した窒化物の複合組織を
得ることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下に実施例を示して具体的に本
発明を説明する。図1に本発明に用いられるイオンプレ
ーティング装置の一例を示す。この装置は反応ガス(窒
素ガス、アンモニアガス等)入口12、排気口13を有
する真空容器14を備え、真空容器14内に、アーク電
源15の陽極に接続された第一ターゲット16とアーク
電源17の陽極に接続された第二ターゲット18が配置
されている。第一、及び第二ターゲットには金属クロム
がセットされている。尚、第一ターゲットと第二ターゲ
ットは被処理物体表面よりの距離が異なって設置されて
いる。さらに、真空容器14内にはバイアス電源19に
接続された回転テーブル20が配置され、回転テーブル
20上には、被処理物本体21が設置されている。
【0009】次に、このイオンプレーティング装置を用
いて、被処理物21に本発明皮膜を形成する方法につい
て説明する。上述のように、第一ターゲット、第二ター
ゲット及び被処理物本体21を配置したあと、排気口1
3より排気して、真空容器14内を3.0×103torr
以下の真空状態にする。そしてターゲット16、18に
アーク放電を発生させ、金属クロムを蒸発させると共
に、被処理物本体21にバイアス電圧を約−800V印
加して、クロムイオンによるボンバードクリーニング及
び加熱を行なう。其の後反応ガスである窒素ガスを12
より導入して、皮膜の形成を行なう。尚この時、被処理
物21のバイアス電圧を−200Vへと変化させる。
【0010】この皮膜形成時において、第一ターゲット
から蒸発した金属イオン粒子は、被処理物表面との距離
が短いので、反応ガスの窒素分子と衝突する確率は低
く、従って、ガス圧と距離の選択によっては、金属のま
ま被処理物上に析出させることが可能である。また、第
二ターゲットより蒸発した金属イオン粒子は該第一ター
ゲットより被処理物表面との距離が離れているので、反
応ガスの窒素分子と衝突する確率は高く、ガス圧と距離
との選択によって、Cr2N型の窒化クロム、Cr2N型
の窒化クロムとCrN型の窒化クロムの混合物あるいは
CrN型の窒化クロムと各種の窒化クロムを析出させる
ことができる。すなわち、ガス圧を選択し、第二ターゲ
ットの距離を、前記各種窒化クロムのできる距離に固定
し、また第一ターゲットを金属クロムが析出する距離に
固定した状態で、イオンプレーティングを行なうことに
より、金属クロムと各種の窒化クロムからなる複合組織
の皮膜を作成することができる。
【0011】また、各ターゲットに流すアーク電流の比
を適宜選択することにより金属クロムと窒化クロムの複
合比を変えた複合組織の皮膜を得ることもできる。さら
に、同様に各ターゲットに流すアーク電流比を時間と共
に連続的に変化させれば、被処理物表面より皮膜表面に
連続的に金属クロムと窒化クロムの割合が変化した皮膜
所謂傾斜組成の皮膜をも得ることができる。
【0012】
【実施例】以下に具体的な実施例によりその作用、効果
を説明する。前述した方法により、母材が17%Crか
らなるSUS材の窒化処理済みのベーン本体の摺動面
(10Rの円弧状表面)及びピストンリング外周摺動面
(バレル状表面)に、各種の組成比の金属クロムと窒化
クロムからなる皮膜を作成した。第一ターゲットの被処
理物表面からの距離は約50mmであり、これは予備実験
の結果、この窒素ガス圧では金属クロムのみが析出する
ことを確認してある。また第二ターゲットの被処理物表
面からの距離は約100mm、約130mm、約160mmの
3点とした。この距離はやはり予備実験で夫々、Cr2
N型窒化クロムのみの皮膜、Cr2N型窒化クロムとC
rN型窒化クロムの混合した皮膜、CrN型窒化クロム
のみからなる皮膜が析出することを確認した距離であ
る。皮膜の組織はX線解析により、窒素濃度はEPMA
で、また硬度はマイクロビッカース硬度計より測定し
た。作成条件と測定結果とを表1及び表2に示した。
【0013】
【表1】
【0014】
【表2】
【0015】尚、比較例として、従来より公知である窒
化クロムのみからなる皮膜を作成し、その性質を上記と
同様に測定した。作成条件と測定結果とを表3に示し
た。
【0016】
【表3】
【0017】(1)摩耗実験 耐摩耗性について、科研式摩擦摩耗試験機を用い行なっ
た。前記実施例及び比較例のベーン材より試料を切り出
し、これをピンとし、相手ドラムをFC25材とし、荷
重2kg、摩擦速度0.2m/sec、潤滑液としてpH2.
5の硫酸水溶液を用いて行なった。試験結果を図2に示
す。同図より本皮膜は比較例1、2、3とも遜色無く、
耐摩耗性に優れていることが理解されよう。
【0018】(2)密着性試験 皮膜の柔軟性、密着性及び欠け易さの評価をピストンリ
ングを用いて行なった。試料は実施例に記載のピストン
リングである。その外周摺動面には実施例1から6まで
の皮膜及び比較例1から3の皮膜がコーティングされて
いる。皮膜の評価は、図3に記載の様に、ピストンリン
グ合い口部を夫々90度の方角へ移動させ、ピストンリ
ング合い口反対側に捩じりを発生させ、皮膜に欠け、剥
離又は亀裂が発生した時の、合い口部夫々の移動量を角
度で行なう。従って、数値が大きいほど、皮膜の密着
性、柔軟性、靭性が高いということができる。その結果
を表4に示す。本発明の皮膜は、金属クロムの含有され
ない比較例の窒化クロムのみからなる皮膜に較べ、密着
性、靭性に優れることが理解できよう。
【0019】
【表4】
【0020】
【発明の効果】金属クロム及び窒化クロムの混合物から
なる複合組織である本願発明の耐摩耗性皮膜は、従来の
窒化クロムのみからなる耐摩耗性皮膜と比較し、同等の
耐摩耗性を示すとともに皮膜の密着性、柔軟性、靭性が
高く、皮膜の剥離、亀裂が発生し難いという利点を有し
ている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明に使用したイオンプレーティング装置
の一例を示した概略図である。
【図2】本願発明の実施例及び比較例による皮膜の摩耗
試験結果を示したグラフ図である。
【図3】密着性試験に使用した評価法を示した図であ
る。
【符号の説明】
12 反応ガス入口 13 排気口 14 真空容器 15、17 アーク電源 16 第一ターゲット 18 第二ターゲット 19 バイアス電源 20 回転テーブル 21 被処理物本体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−290785(JP,A) JOURNAL VACUUM SC IENCE & TECHNOLOG Y,A,1986,VOL.4,NO.6, P.2717−2725 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 摺動面にイオンプレーティングによる皮
    膜を有するピストンリングにおいて、該皮膜が金属クロ
    ム及びCrN型の窒化クロムの混合物からなり且つ金属
    クロムが皮膜各部に分散されている複合組織であること
    を特徴とするピストンリング。
  2. 【請求項2】 複数個の蒸発源を用い、被処理物と各蒸
    発源との間の距離を異にすることを特徴とするイオンプ
    レーティング法を用いる請求項1に記載のピストンリン
    の製造方法。
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