JPH05141534A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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Publication number
JPH05141534A
JPH05141534A JP32659991A JP32659991A JPH05141534A JP H05141534 A JPH05141534 A JP H05141534A JP 32659991 A JP32659991 A JP 32659991A JP 32659991 A JP32659991 A JP 32659991A JP H05141534 A JPH05141534 A JP H05141534A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piston ring
ion plating
layer
uniform
coating
Prior art date
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Pending
Application number
JP32659991A
Other languages
English (en)
Inventor
Motonobu Onoda
元伸 小野田
Takeshi Tsuchiya
武司 土屋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Piston Ring Co Ltd
Original Assignee
Nippon Piston Ring Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Piston Ring Co Ltd filed Critical Nippon Piston Ring Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 従来品より耐摩耗性及び耐焼付性に優れたピ
ストンリングの提供。 【構成】 少なくとも外周摺動面にイオンプレーティン
グ法によりTiAlN皮膜2が形成されているピストン
リング。 【効果】 従来の硬質クロムめっき及びイオンプレーテ
ィングによるTiN皮膜より耐摩耗性及び耐焼付性に優
れたピストンリングが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はピストンリングに関する
ものであり、詳しくは、耐摩耗性及び耐焼付性に優れた
被膜が形成されたピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】ピストンリングの外周摺動面には高度の
耐摩耗性及び耐焼付性が求められているため、該外周摺
動面には従来より種々の加工が施されてきた。従来より
用いられてきた表面処理として硬質クロムめっきがあ
る。硬質クロムめっきが施されたピストンリングはそれ
自身の耐摩耗性に優れるばかりでなく、相手材であるシ
リンダ内周面を摩耗させることも少ないため、この硬質
クロムめっきはピストンリングの表面処理の主流をなし
てきた。
【0003】しかしながら、近年の内燃機関の高出力
化、高性能化に伴ってピストンリングに課される使用条
件もますます過酷なものとなってきた。このため従来の
クロムめっきを施したピストンリングでは耐摩耗性が十
分でない場合が生じてきた。このため硬質クロムめっき
が施されたピストンリングより更に優れた耐摩耗性、耐
焼付性を有するピストンリングが求められていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のような要請から
イオンプレーティング法によりTiN皮膜を被覆したピ
ストンリングが提案されている。しかしながらこのイオ
ンプレーティングされたTiN皮膜は従来のクロムめっ
き皮膜よりは耐摩耗性及び耐焼付性に優れるものである
が、最近の高出力化、高性能化されたエンジンに使用さ
れるピストンリングに求められる性能を十分に満足する
ものではなかった。このため、イオンプレーティング法
によるTiN皮膜が施されたピストンリングより耐摩耗
性及び耐焼付性に優れたピストンリングが求められてい
た。
【0005】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あって、高出力、高性能化されたエンジン内等の過酷な
使用条件下においても十分な耐摩耗性及び耐焼付性を発
揮し得るピストンリングを提供することを目的としてい
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明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均一なTiAlN皮膜が形成
されている内燃機関用ピストンリングト提供するもので
ある。
【0007】更に本発明はピストンリングの少なくとも
外周摺動面に表面酸化層及び白色層が排除された窒化層
が窒化又は軟窒化処理によって形成され、該窒化層上に
イオンプレーティングにより均一なTiAlN皮膜が形
成されている内燃機関用ピストンリングを提供するもの
である。
【0008】
【作用】上記のような本発明のピストンリングよればT
iAlN皮膜が摺動面に形成されているため高度の耐摩
耗性及び耐焼付性を発揮する。更に、本発明によればT
iAlN皮膜の下地処理として、窒化若しくは軟窒化処
理が施されている。このため、たとえTiAlN皮膜が
ピストンリングの使用中に一部摩耗してしまうようなこ
とがあっても、下地層である窒化層が耐摩耗性及び耐焼
付性を発揮して、ピストンリング全体としての十分な耐
摩耗性及び耐焼付性を維持し得るものである。
【0009】
【実施例】以下、実施例に従って本発明を詳細に説明す
る。図1は本発明の第1実施例によるピストンリング1
0の断面を示すものである。SUS系金属等の母材1よ
りなるピストンリング10の外周摺動面に厚さ約8μm
の均一なTiAlN皮膜(チタン・アルミニウム・窒素
の合金皮膜)がイオンプレーティング法により形成され
ている。
【0010】図2は本発明の第2実施例によるピストン
リング20の断面を示すものである。第2実施例では母
材21の全外周面に窒化処理若しくは軟窒化処理による
窒化層23が形成されている。更に、第1実施例と同様
に外周摺動面上に、厚さ約8μmの均一なTiAlN皮
膜がイオンプレーティング法により形成されている。こ
の場合、まず、窒化処理若しくは軟窒化処理によってピ
ストンリングの全外周面に窒化層23を形成する。次
に、この窒化層23から表面酸化層及び白色層を排除し
たうえで、該窒化層23上にイオンプレーティングによ
るTiAlN皮膜を形成している。
【0011】本発明のピストンリングに形成されるTi
AlN皮膜層はPVD法等で形成される。例えば、N2
雰囲気中でアーク放電を利用し陰極に取り付けられたT
iAlのターゲット合金を蒸気化・イオン化し、基板で
あるピストンリングの表面にTiAlN皮膜として析出
させて形成される。
【0012】次に上記のTiAlN皮膜を形成するため
のイオンプレーティング装置30(図3参照)及びイオ
ンプレーティング法の概略について説明する。このイオ
ンプレーティング装置30はガス導入口32及びガス吸
引口33を有する真空室31と、該真空室31内に配置
されたターゲット材34と、イオンプレーティングを施
す対象物である基板(ピストンリング)35を載置する
ための回転テーブル36等からなる。ターゲット材34
は直径約100mmのチタンアルミニウム合金であり、
アークサプライ37の陰極側に接続されている。尚、こ
のチタンアルミニウムのTi:Al組成比は50:50
(atomic%)である。
【0013】一方、回転テーブル36はバイアスサプラ
イ38の陽極側に接続され、上記ターゲット材34の表
面から約190mm離間した位置に配置されている。こ
の回転テーブルに載置される基板(ピストンリング)3
5にはSUS系金属の母材で形成され、洗浄されたピス
トンリングが使用される。上述したように回転テーブル
36はバイアスサプライ38の陽極に接続されているの
で、これに載置された基板35は該回転テーブル36を
介してバイアスサプライ38に接続されることとなる。
又、上記第2実施例のように窒化層の上に重ねてイオン
プレーティング法でTiAlN皮膜を形成する場合に
は、SUS系金属の母材で形成されたピストンリングに
アンモニア窒化にて約100μmの窒化層を施し、該ピ
ストンリングの外周摺動面をラッピングする。このラッ
ピングにより窒化層の表面酸化層及び白色層を除去し、
且つ、1μm以下の表面粗さに仕上げた後、これを洗浄
し基板として使用する。
【0014】イオンプレーティング法によるめっき作業
の概略を説明する。反応ガスとしてはN2ガスを使用す
る。このN2ガスを1.3Paの圧力でガス導入口32
から導入しつつ、アーク電流100A、基板バイアス電
圧−50Vという条件でイオンプレーティングを行い、
厚さ約8μmのTiAlN皮膜を得る。イオンプレーテ
ィング中は回転テーブル36を回転させ皮膜の均一化を
図る。
【0015】次に上記のようなイオンプレーティング法
で得られたTiAlN皮膜の耐摩耗性試験の結果を示
す。耐摩耗性試験には図4に示されるようなアムスラー
型摩耗試験機を使用した。このアムスラー型摩耗試験機
40は試料である固定片41と、潤滑油43に片側半分
が浸された円板状試験片(外径:40mm、内径:16
mm、厚さ:10mm、材質:FC25、硬さ:HRB
98)42等からなる。この円板状試験片42が回転片
とされる。耐摩耗性試験はこの円板状試験片42に固定
片41が一定圧力P(荷重)で接触するようにセット
し、潤滑油43を供給しつつ該円板状試験片42を回転
させることによって行ない、所定時間経過後に試料であ
る固定片41の摩耗量を測定し、耐摩耗性の評価を行な
った。
【0016】尚、具体的な試験条件は以下の通りであ
る。 潤滑油 :SAE#30+白灯油(1:1) 油 温:75℃ 摺動速度:1m/sec(500r.p.m.) 荷重 (P):80Kg 時 間:30時間
【0017】上述したようなイオンプレーティング法に
て厚さ約8μmのTiAlN皮膜を施した試料A(本発
明品)の他、比較試料としてイオンプレーティング法に
て厚さ約8μmのTiN皮膜が形成されている試料B、
従来の厚さ約100μmの硬質クロムめっきを施した試
料Cを用意し、上記の条件の下で耐摩耗性試験を行っ
た。尚、本発明品である試料AのTiAlN被膜の皮膜
組成Al/(Ti+Al)(%)は46%であり、皮膜
の硬度はHv=2340である。
【0018】この耐摩耗性試験の試験結果を図5に示
す。図5から明らかなように、イオンプレーティングに
てTiAlN皮膜を形成した試料A(本発明品)は従来
の硬質クロムめっき(厚さ約100μm)に比し8倍程
度の耐摩耗性を有している。更に、イオンプレーティン
グ法によりTiN皮膜を形成した試料Bと比較した場合
であっても約2倍の耐摩耗性を有していることがわか
る。
【0019】更に、耐摩耗性試験に用いた試料と同じ試
料A(本発明品)、試料B(TiN)、試料(Crめっ
き)のそれぞれについて、下記の条件で耐スカッフィン
グ限界荷重を求め耐焼付き性の評価をした。
【0020】即ち、試験はアムスラー型耐摩耗試験機を
使用し、試験片にスピンドル油(動粘度7cst(40
℃))を付着させて、2分間自重(約10Kg)にて運
転した。このとき、潤滑油は供給しなかった。荷重の初
期値を30kgに設定し、これを2分間づつ保持しなが
ら荷重を10kgづつ増加させスカッフが発生した時の
荷重をスカッフ発生限界荷重とした。他の試験条件は以
下の通りである。 相手材:FC25(HRB98) 周速 :1m/sec(500 r.p.m.)
【0021】上記耐焼付性試験の試験結果を図6に示
す。図6から明らかなように、イオンプレーティング法
にてTiAlN皮膜を形成した試料A(本発明品)は従
来のクロムめっきを施した試料Cに比し約2倍の耐焼付
き性を有している。更に、イオンプレーティング法によ
りTiN皮膜を形成した試料Bと比較した場合であって
も約1.6倍の耐焼付き性を有していることがわかる。
【0022】イオンプレーティング法によるTiAlN
層の剥離防止のため、母材上に窒化処理等により母材の
硬化が図られた表面処理層や、硬質クロムめっき等の硬
化皮膜による表面処理層を形成してもよい。イオンプレ
ーティング法によるTiAlN皮膜の密着性向上や剥離
防止の観点から、上記の表面処理層の表面硬度はHv7
00以上が望ましい。又、イオンプレーティングによる
TiAlN層の厚膜化はイオンプレーティング層の剥離
を助長すると共にコスト高にもつながるものである。
【0023】尚、本発明は上記実施例のピストンリン
グ、イオンプレーティング法に何等限定されるものでは
なく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲に
従って種々の変更が可能なものである。
【0024】
【発明の効果】上述したように本発明のピストンリング
には従来の硬質クロムめっきやイオンプレーティング法
による代表的な皮膜であるTiN皮膜より数段優れた耐
摩耗性を有するTiAlN皮膜が外周摺動面に形成され
ている。このため、過酷な条件が課される高出力・高性
能エンジン等の内燃機関に使用した場合であっても、優
れた性能を発揮し得るものである。
【0025】更に、比較的低温下で処理の進行するイオ
ンプレーティング法にて皮膜形成がなされているため、
ピストンリングの母材の軟化、耐摩耗性の低下、母材の
変形を防止することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例のピストンリングの断面
図。
【図2】本発明の第2実施例のピストンリングの断面
図。
【図3】本発明のピストンリングにイオンプレーティン
グを施すためのイオンプレーティング装置の概略構成
図。
【図4】耐摩耗性試験に使用するアムスラー型摩耗機の
概略構成図。
【図5】耐摩耗性試験の結果を示すグラフ。
【図6】耐焼付き性試験の結果を示すグラフ。
【符号の説明】
1 母材 2 TiAlN皮膜 21 母材 22 TiAlN皮膜 23 窒化層 30 イオンプレーティング装置 40 アムスラー型摩耗試験機

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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均一なTiAlN皮膜が
    形成されていることを特徴とするピストンリング。
  2. 【請求項2】 ピストンリングの少なくとも外周摺動面
    に表面硬さHV700以上の表面処理層が形成され、該
    表面処理層上にイオンプレーティングにより均一なTi
    AlN皮膜が形成されていることを特徴とするピストン
    リング。
  3. 【請求項3】 上記表面処理層が窒化又は軟窒化によっ
    て形成され、更に、表面酸化層及び白色層が排除された
    窒化層であることを特徴とする請求項2記載のピストン
    リング。
  4. 【請求項4】 上記表面処理層が硬質クロムめっきによ
    って形成されてなることを特徴とする請求項2記載のピ
    ストンリング。
JP32659991A 1991-11-14 1991-11-14 ピストンリング Pending JPH05141534A (ja)

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JP32659991A JPH05141534A (ja) 1991-11-14 1991-11-14 ピストンリング

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JP (1) JPH05141534A (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6508473B1 (en) 1999-04-07 2003-01-21 Teikoku Piston Ring Co., Ltd. Piston ring
CN102634794A (zh) * 2012-05-09 2012-08-15 余姚凯登机电数控有限公司 活塞装置及其制造工艺
WO2015052761A1 (ja) * 2013-10-08 2015-04-16 Tpr株式会社 ピストンリングおよびターボチャージャー用シールリング
WO2015052762A1 (ja) * 2013-10-08 2015-04-16 Tpr株式会社 ピストンリングおよびターボチャージャー用シールリング

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