【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
〔産業上の利用分野〕
本発明は耐摩耗性及び耐焼付性に優れた皮膜を
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。
〔従来の技術〕
従来、ピストンリングの摺動外周面の表面処理
としては硬質クロムめつきが主に使用されてい
る。硬質クロムめつきを被覆したピストンリング
は自身の耐摩耗性に優れ、相手シリンダの摩耗も
少ないことから長い間ピストンリングの表面処理
の主流をなしてした。しかしながら、近年エンジ
ンの高出力化、高性能化に伴い、ピストンリング
が晒される条件は益々苛酷になつており、一層強
力な耐摩耗性及び耐焼付性がピストンリングに要
求されるようになつてきた。このような要求にも
はや従来の硬質クロムめつきのみでは対処しきれ
なくなりつつある。かかる状況に対処するため、
本出願人は先に特開昭57−65837において、ピス
トンリングの摺動外周面にイオンプレーテイング
により所定硬さ、所定厚さのTiN皮膜を被覆し、
更に摺動外周面あらさを所定値以下にする技術を
開示し、また特願昭58−145096及び特願昭59−
131878において、ピストンリングの摺動外周面に
所定硬さ、所定厚さの下地層を設け、（特願昭58
−145096では硬質クロムめつき、特願昭59−
131878では窒化処理層）、その上にイオンプレー
テイングにより所定厚さを有するTiN皮膜を被
覆し、更に摺動外周面あらさを所定値以下にする
技術を開示した。
〔発明が解決しようとする問題点〕
これらの技術によれば、耐摩耗性及び耐焼付性
の点で従来技術に係る硬質クロムめつきに比しは
るかに改善されたが、次のような不都合がその後
見出された。
即ち、前者（特開昭57−65837）はイオンプレ
ーテイングされたTiNはそれ自身耐摩耗性及び
耐焼付性に優れているが、皮膜厚さに限度がある
ため（本発明者によれば10μmを超えた皮膜では
ピストンリング組付時にTiN皮膜にクラツクが
発生する）、TiN皮膜が相手材との摩擦により摩
滅し、ピストンリング母材が局部的に露出した場
合、TiNの摩耗が急速に進み、また皮膜の耐焼
付性も劣化する等耐摩耗性及び耐焼付性の面で必
ずしも満足のいくものではない。一方、後者（特
願昭58−145096及び特願昭59−131878）は、前者
の点を解消するため下地として硬質クロムめつき
又は窒化層を設け、その上にイオンプレーテイン
グによるTiN皮膜を被覆し、たとえTiNが一部
摩滅しても、その下地層が硬質であるため充分な
耐摩耗性及び耐焼付性を維持できることを特徴と
したが、最終的には耐摩耗性及び耐焼付性を下地
層の持つ耐摩耗性及び耐焼付性に依存しなければ
ならず、皮膜全体として充分満足のいく耐摩耗性
及び耐焼付性を得ることができない。
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであ
り、充分な耐摩耗性と耐焼付性を有するピストン
リングを提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するための本発明のピストンリ
ングは、少なくとも摺動外周面にイオンプレーテ
イングによるTi（Cx，Ny）皮膜を形成したこと
を特徴とする。
Ti（Cx，Ny）の皮膜厚さについては、TiN単
独皮膜に比べ飛躍的に耐摩耗性及び耐焼付性が向
上するため、20μmを超える必要はなく、相手シ
リンダ材により決められる。
また、イオンプレーテイングを施す被処理面あ
らさはTiN単独皮膜と同様1.5μm以下にすること
が好ましく、なおより好ましくは1.0μm以下であ
る。
〔作用〕
一般にイオンプレーテイングでは、特に耐摩耗
性に優れたものとしてTiC，TiNが知られてい
る。ピストンリングのように応力負荷状態での使
用に耐えるためにTiNは耐摩耗性及び耐焼付性
の必要条件である高硬度、高融点の要件を満たす
セラミツク質材料の中で特に靭性に富むため適当
な材料である。一方、TiCも高硬度、高融点の要
件を満たし、特に耐摩耗性に関してはその高硬度
故にTiNを上回る最も優れた材料の一つである。
しかしながら、ピストンリングに用いる場合には
TiNに比し靭性の不足による剥離が起こり易い
こと、及び相手シリンダ材の摩耗を増大させると
いう欠点がある。
ピストンリングの耐摩耗性及び耐焼付性を下地
層に依存することなく、イオンプレーテイングに
より得られる皮膜自身の耐摩耗性及び耐焼付性を
向上させる目的に対し、本発明者等はTiNの特
性即ち靭性が比較的高くピストンリング母材との
密着性に優れ、かつ相手材へのなじみ性がよく相
手材攻撃性の低いこと、及びTiCにおける優れた
耐摩耗性に着目し、Ti（Cx，Ny）皮膜をピスト
ンリングの少なくとも摺動外周面に形成すること
により、耐摩耗性及び耐焼付性に優れたピストン
リングを得た。
イオンプレーテイングにより得られたTi（Cx，
Ny）皮膜は、TiCとTiNの中間的特性を有して
おり、自身の耐摩耗性においてはTiNを上回り、
また相手攻撃性においてTiCを下回る。
更に、Ti（Cx，Ny）の有する最大の特徴は、
Ti（Cx，Ny）におけるｘとｙの比率を容易にコ
ントロールすることが可能であることである。こ
れは相手シリンダ材に対応した最適な皮膜の提供
が可能であることを意味する。即ち、相手シリン
ダ材が溶射等でありピストンリングへの攻撃性が
大きい場合には、Ti（Cx，Ny）でｘ＞ｙとすれ
ばよく、逆の場合にはｘ＜ｙとすることでピスト
ンリング、相手シリンダの耐摩耗性及び耐焼付性
を向上させることができる。
〔実施例〕
以下、本発明及び比較例について行つた耐久テ
スト及びその結果について説明する。
本発明：
鋼製トツプリング（SWOSC−Ｖ材、外周断面
バレル形状、表面あらさ0.5μm、硬さHv430）及
び鋼製組合せオイルリングのサイドレール（SK
−５材、外周断面円弧状、表面あらさ0.5μm）の
摺動外周面に、イオンプレーテイングにより
（）Ti（C0.75，N0.25）皮膜、（）Ti（C0.5，
N0.5）皮膜、（）Ti（C0.25，N0.75）皮膜を形成
した。即ち、蒸発源であるTiに電子ビームを照
射し、蒸発源近傍にイオン化電極を設けた高真空
型のイオンプレーテイング装置を用い、窒素ガス
及びアセチレンガス雰囲気の下で上記各皮膜を形
成した。上記各皮膜形成における窒素ガス及びア
セチレンガスの分圧、ピストンリング温度、並び
に各皮膜の硬さ及び厚さは第一表に示す通りであ
る。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a piston ring for internal combustion engines on which a coating having excellent wear resistance and seizure resistance is formed. [Prior Art] Conventionally, hard chrome plating has been mainly used as a surface treatment for the sliding outer peripheral surface of piston rings. Piston rings coated with hard chrome plating have long been the mainstream surface treatment for piston rings because they have excellent wear resistance and cause less wear on the mating cylinder. However, in recent years, as engines have increased in output and performance, the conditions to which piston rings are exposed have become increasingly severe, and piston rings are now required to have even stronger wear and seizure resistance. Ta. Conventional hard chrome plating alone is no longer able to meet these demands. To deal with such situations,
The present applicant previously disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-65837, a TiN film having a predetermined hardness and a predetermined thickness was coated on the sliding outer peripheral surface of a piston ring by ion plating.
Furthermore, a technique for reducing the roughness of the sliding outer peripheral surface to a predetermined value or less is disclosed, and patent applications No. 58-145096 and No. 59-
No. 131878, a base layer having a predetermined hardness and a predetermined thickness is provided on the sliding outer peripheral surface of a piston ring.
−145096 has hard chrome plating, patent application 1987−
No. 131878 discloses a technology in which a TiN film having a predetermined thickness is coated on the nitrided layer by ion plating, and the roughness of the sliding outer peripheral surface is reduced to a predetermined value or less. [Problems to be Solved by the Invention] These techniques have far improved wear resistance and seizure resistance compared to the hard chrome plating of the prior art, but they have the following disadvantages: was subsequently discovered. In other words, the former (Japanese Patent Application Laid-open No. 57-65837) shows that although ion-plated TiN itself has excellent wear resistance and seizure resistance, there is a limit to the film thickness (according to the inventor, 10 μm). If the TiN film exceeds this range, cracks will occur in the TiN film when assembling the piston ring).If the TiN film wears away due to friction with the mating material and the piston ring base material is locally exposed, the wear of the TiN will progress rapidly. Furthermore, the anti-seizure properties of the film are also deteriorated, and the wear resistance and anti-seizure properties are not necessarily satisfactory. On the other hand, in the latter case (Japanese Patent Applications 145096/1982 and 131878/1986), in order to solve the former problem, a hard chromium plating or nitriding layer is provided as a base, and a TiN film is coated on top of it by ion plating. However, even if a portion of the TiN wears off, the underlying layer is hard, so sufficient wear resistance and seizure resistance can be maintained. It must depend on the abrasion resistance and seizure resistance of the underlying layer, and it is not possible to obtain sufficiently satisfactory abrasion resistance and seizure resistance for the entire film. The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a piston ring having sufficient wear resistance and seizure resistance. [Means for Solving the Problems] A piston ring of the present invention for achieving the above object is characterized in that a Ti (Cx, Ny) film is formed on at least the outer circumferential surface of the sliding surface by ion plating. The thickness of the Ti (Cx, Ny) film does not need to exceed 20 μm and is determined by the material of the mating cylinder, as the wear resistance and seizure resistance are dramatically improved compared to a TiN film alone. Further, the roughness of the surface to be treated to which ion plating is applied is preferably 1.5 μm or less, and even more preferably 1.0 μm or less, similar to the TiN single film. [Function] TiC and TiN are generally known for ion plating as having particularly excellent wear resistance. In order to withstand use under stress conditions such as piston rings, TiN is suitable because it is particularly tough among ceramic materials that meet the requirements of high hardness and high melting point, which are necessary conditions for wear resistance and seizure resistance. It is a good material. On the other hand, TiC also satisfies the requirements of high hardness and high melting point, and is one of the most excellent materials, especially in terms of wear resistance, which exceeds TiN because of its high hardness.
However, when used for piston rings,
Compared to TiN, it has the disadvantage that it is more likely to peel off due to lack of toughness, and that it increases wear on the mating cylinder material. In order to improve the wear resistance and seizure resistance of the piston ring coating itself, which is obtained by ion plating, without relying on the underlying layer, the present inventors have developed the properties of TiN. In other words, we focused on Ti(Cx, A piston ring with excellent wear resistance and seizure resistance was obtained by forming a Ny) film on at least the sliding outer peripheral surface of the piston ring. Ti(Cx,
Ny) film has properties intermediate between TiC and TiN, and its wear resistance exceeds that of TiN.
Also, it is lower than TiC in terms of opponent aggression. Furthermore, the biggest feature of Ti (Cx, Ny) is that
It is possible to easily control the ratio of x and y in Ti (Cx, Ny). This means that it is possible to provide the optimal coating that corresponds to the mating cylinder material. In other words, if the mating cylinder material is thermal sprayed or the like and is highly aggressive to the piston rings, it is sufficient to set x>y using Ti (Cx, Ny), and in the opposite case, by setting x<y, the piston The wear resistance and seizure resistance of the ring and mating cylinder can be improved. [Example] Hereinafter, durability tests conducted on the present invention and comparative examples and their results will be explained. The present invention: Steel top spring (SWOSC-V material, outer circumference cross section barrel shape, surface roughness 0.5 μm, hardness Hv 430) and steel combination oil ring side rail (SK
-5 material, arcuate outer circumference cross section, surface roughness 0.5 μm), a () Ti (C 0.75 , N 0.25 ) film is applied by ion plating to the sliding outer surface of the () Ti (C 0.5 ,
N 0.5 ) film and ( ) Ti (C 0.25 , N 0.75 ) film were formed. That is, Ti, which is an evaporation source, was irradiated with an electron beam, and each of the above films was formed in a nitrogen gas and acetylene gas atmosphere using a high vacuum type ion plating apparatus equipped with an ionization electrode near the evaporation source. The partial pressures of nitrogen gas and acetylene gas, piston ring temperature, and hardness and thickness of each film in the formation of each of the above films are as shown in Table 1.
〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕
本発明のピストンリングは非常に優れた耐摩耗
性及び耐焼付性を具備し、高負荷エンジン用のピ
ストンリングとして安定した性能を維持すること
ができ、その工業的価値は大である。
The piston ring of the present invention has extremely excellent wear resistance and seizure resistance, and can maintain stable performance as a piston ring for high-load engines, and has great industrial value.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図は本発明及び比較例の耐久テストの結果
を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the results of a durability test of the present invention and a comparative example.