JPH06221437A - ピストンリング及びその形成法 - Google Patents

ピストンリング及びその形成法

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JPH06221437A
JPH06221437A JP35244493A JP35244493A JPH06221437A JP H06221437 A JPH06221437 A JP H06221437A JP 35244493 A JP35244493 A JP 35244493A JP 35244493 A JP35244493 A JP 35244493A JP H06221437 A JPH06221437 A JP H06221437A
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JP
Japan
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gas nitriding
nitriding layer
piston ring
gas
nitride
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Application number
JP35244493A
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English (en)
Inventor
Russell E Hite
ラスル、イー、ハイト
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.)
Dana Inc
Original Assignee
Dana Inc
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い耐すりきず性を持ち、しかも耐チッピン
グ性にすぐれ、かつ十分な被覆厚さを持ち、かつ摩擦係
数の低い面被覆を持つピストンリングを提供することに
ある。 【構成】 ピストンリング20の基体26の外周面24
にガス窒化層28を形成する。次いでこのガス窒化層2
8に窒化クロム面被覆30を形成する。ガス窒化層は、
窒化クロム面被覆のチッピングを防止する極めて硬い基
板として作用する。窒化クロム面被覆の損傷は又、前記
の2層間の接着強さが増大するので最少になる。窒化ク
ロム面被覆は、高い密度、低い摩擦係数、高い硬さ及び
対応する高い耐すりきず性を持つ。ガス窒化層の表面の
凹凸を除くように、ガス窒化層をラップ仕上げしかつつ
や出しする。

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、こと
にすぐれた耐摩耗性及び耐すりきず性(scuff r
esistance)と共に低減した摩擦係数を持ち窒
化クロム被覆を設けたガス窒化リング(gas nit
rided ring)に関する。
【0002】
【背景技術】ニッケル・ほう素面被覆に対する基部(b
ase)としてピストンリングにガス窒化層(gas
nitrided layer)を形成することはよく
知られている。又窒化チタン面被覆に対する基部として
ピストンリングにガス窒化層を形成することもよく知ら
れている。ニッケル・ほう素及び窒化チタンの面被覆
は、ガス窒化層が持たない耐すりきず性のような特性を
生ずることによつて、硬いガス窒化層を補助する。
【0003】このような面被覆を持つピストンリングに
は複数の問題がある。すりきずに対し高い抵抗性すなわ
ち高い耐すりきず性を持ち望ましいものであるが、この
ような面被覆はとくにチッピング(chipping)
を生じやすい。さらに十分な被覆厚さを得るには問題が
ある。又面被覆と組合う機械要素たとえばシリンダ壁と
の間の摩擦が増すことが多い。
【0004】又ピストンリングに窒化クロム被覆を使う
こともよく知られている。窒化クロム層及びガス窒化層
は典型的に同等物として認められ組合わせては使われな
い。
【0005】
【発明の概要】前記したピストンリングの基体(bas
e body)は、少なくとも外表面の外周面にガス窒
化層を形成し、次いでこのガス窒化層に窒化クロム面被
覆を形成してある。ガス窒化層及び窒化クロム面被覆
は、別別の耐摩耗材料として従来から認められている。
これ等は共に相互に無関係に極めて硬いものとして知ら
れている。すなわちガス窒化層及び窒化チタン又はニッ
ケルほう素の従来の組合わせから知られている補助的特
性は、窒化クロム被覆を持つガス窒化層には適合しな
い。これ等両者の組合わせにより窒化クロム被覆の寿命
が増大する予期しない利点が得られる。ガス窒化層によ
り極めて硬い基板が得られ面被覆が削られにくくなる。
【0006】本発明による方法では、ガス窒化層はアン
モニア−窒素ふん囲気炉内に基体を入れることにより形
成するのがよい。次いで基体から表面の凹凸を除く。最
終的に、なるべくは低電圧高アンペアの真空アークめっ
き法を使い金属窒化物をガス窒化層にめっきする。
【0007】以下本発明の実施例を添付図面について詳
細に説明する。
【0008】
【実施例】図1には外周面24を備えた外表面22を持
つピストンリング20を示してある。使用時には外周面
24はシリンダの内壁に接触する。
【0009】図2に示すようにピストンリング20は、
10ないし20重量%のクロムと0.20ないし0.9
0重量%の炭素とを含むマルテンサイト級ステンレス鋼
から形成した基体(base body)26を備えて
いる。ガス窒化層28は、外周面24に沿い外表面22
に形成してある。好適とする実施例ではガス窒化層28
のケース深度(case depth)は少なくとも
0.002インチ(50μm)である。次いで金属窒化
物面被覆30をガス窒化層28に形成する。金属窒化物
面被覆30は外周面だけに形成するのがよい。金属窒化
物面被覆30は少なくとも0.001インチ(25μ
m)の厚さなるべくは0.002インチ(50μm)の
厚さを持たなければならない。
【0010】金属窒化物面被覆はピストンリングに使う
のが望ましい。しかしこのような被覆は削りとられやす
い。窒化クロム面被覆30の基部(base)としてガ
ス窒化層28を使うと予期しない利点が得られる。ガス
窒化層28は極めて硬い基板(substrate)と
して作用し金属窒化物面被覆30の削られるのを防ぐ。
【0011】好適とする金属窒化物被覆は、後述の被覆
形成法から得られるガス窒化層28に対し高い接着強さ
を持つ窒化クロムである。窒化クロム被覆30は、空げ
きを持たなくて摩擦係数が低く、高い硬さ及び強い耐き
りきず性(scuff resistance)を持つ
のがよい。すなわちガス窒化層に窒化クロム面被覆を組
合わせると、とくに最も必要とされる外周面に沿って予
期されないほど向上した耐摩耗性が得られる。窒化クロ
ム面被覆は内部応力が低く、これはチッピング(chi
pping)に耐えるのに役立ち被覆厚さを一層厚くす
ることができる。さらに窒化クロムは鋳鉄に対し良好な
適合性を持ち、このことは内燃機関内のピストンリング
にはとくに重要なことである。従って摩耗が減る。
【0012】図3に示すようにピストンリング20は、
基体26で出発して形成する。次いでガス窒化層28を
図4に示すように少なくとも外周面24に形成する。し
かし実際上ガス窒化層は、基体26を930ないし10
50゜F(499ないし566℃)で作動するアンモニ
ア−窒素ふん囲気内に入れることにより外表面22の全
体のまわりに形成する。
【0013】ガス窒化層28を形成し終ると、表面の凹
凸をラップ仕上げ(lapping)及びつや出し(p
olishing)により除去する。ラップ仕上げは、
関連表面上を走る金属ラップの使用を含む処理である。
ガス窒化層28により最適の基質を形成するには表面が
極めて平滑でなければならない。実際上大きくても2な
いし4μmの山から谷までの粗さ平均(Ra)が好適で
ある。さらにガス窒化層は、金属窒化物被覆を施すとき
にこの層のもとの厚さに保持するのがよい。
【0014】図5に示すように窒化クロムを好適とする
金属窒化物は、ガス窒化層28にめっきして面被覆30
を形成する。一般にクロムのような金属源は気化させて
金属源及びガス窒化層28の間の区域に金属蒸気を生成
する。次いでこの区域に窒素含有ガスを導入する。この
ガスは金属蒸気と反応し金属窒化物を生成し、この場合
層28に付着するや金学的に緊密な接着剤により金属窒
化物面被覆30を生成する。金属窒化物は空げきを持た
なくて、間げき空間はプラズマにより施した面被覆によ
り存在しない。
【0015】なお具体的には面被覆30は「アーク物理
的蒸着」(Arc Physical Vapor D
eposition)と呼ばれる電気めっき法を使用し
て施す。ガス窒化層用の基体26は真空炉内に入れる。
クロムのようなめっき金属と基体26との間で極性を定
める。基体26は、負に帯電した陰極として作用し又め
っき金属は正に帯電した陽極として作用する。気化めっ
き金属は反応性ガス含有窒素と相互作用し、この場合層
28に付着する金属窒化物を生成する。クロムは、その
使用により所望の厚さを持つ金属窒化物被覆が得られる
からとくに良好なめっき金属であることが分った。実際
上1時間に約10μmの面被覆30を生成できる。この
研究を使う蒸着法では約20Vの差動電圧を使い約10
0Aを必要とする。
【0016】以上本発明の好適とする実施例を述べた。
本発明はなおその精神を逸脱しないで種々の変化変型を
行うことができるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明ピストンリングの1実施例の斜視図であ
る。
【図2】図1のピストンリングの拡大横断面図である。
【図3】本発明によるピストンリングの製法の第1の工
程におけるピストンリング基体の横断面図である。
【図4】本発明ピストンリングをその製法の中間段階で
示す横断面図である。
【図5】本発明製法により作り終ったピストンリングの
横断面図である。
【符号の説明】
20 ピストンリング 22 外表面 24 外周面 26 基体 28 ガス窒化層 30 窒化クロム面被覆

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外周面を持つ外表面を備えた大体におい
    て環状の基体と、 この基体の少なくとも前記外周面に設けたガス窒化層
    と、 少なくとも前記外周面において前記ガス窒化層に設けた
    窒化クロム面被覆と、を包含するピストンリング。
  2. 【請求項2】 前記ガス窒化層が、前記基体の前記外周
    面の全部を覆った請求項1のピストンリング。
  3. 【請求項3】 前記窒化クロム面被覆を前記基体の前記
    外周面だけにおいて前記ガス窒化層に形成した請求項2
    のピストンリング。
  4. 【請求項4】 前記ガス窒化層が、0.002インチ
    (50μm)の最低ケース深度を持つ請求項1のピスト
    ンリング。
  5. 【請求項5】 前記窒化クロム面被覆が少なくとも0.
    001インチ(25μm)の厚さを持つ請求項4のピス
    トンリング。
  6. 【請求項6】 (A)外周面を持つ外表面を備えたピス
    トンリング基体を形成する段階と、(B)このピストン
    リング基体の前記外周面にガス窒化層を形成する段階
    と、(C)このガス窒化層を機械加工して表面の凹凸を
    減らす段階と、(D)前記ガス窒化層に金属窒化物をめ
    っきする段階と、を包含する被覆ピストンリングを形成
    する方法。
  7. 【請求項7】 前記段階(C)と前記段階(D)との間
    に前記ガス窒化層をその初期の硬さに維持する段階をさ
    らに包含する請求項6の方法。
  8. 【請求項8】 前記ガス窒化層が前記(C)の段階後に
    厚くても2ないし4μmの平均粗さを持つ請求項6の方
    法。
  9. 【請求項9】 前記金属窒化物を、前記ピストンリング
    基体の外周面だけで前記ガス窒化層にめっきする請求項
    6の方法。
  10. 【請求項10】 前記段階(C)が、ガス窒化層のラッ
    プ仕上げ及びつや出しの補助的段階を包含する請求項6
    の方法。
  11. 【請求項11】 前記金属窒化が窒化クロムである請求
    項6の方法。
  12. 【請求項12】 前記段階(D)が、(i)金属の源を
    蒸発させ、前記金属の源とガス窒化層との間の区域に金
    属蒸気を生成する補助的段階と、(ii)前記区域に窒
    素含有ガスを導入する補助的段階と、(iii)前記金
    属蒸気及び窒素含有ガスを反応させ前記金属窒化物を生
    成する補助的段階と、(iv)前記窒化物を前記ガス窒
    化層に付着させ面被覆を形成する補助的段階とを包含す
    る請求項6の方法。
  13. 【請求項13】 前記段階(D)が、真空アークめっき
    処理を利用する請求項6の方法。
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US99784292A 1992-12-29 1992-12-29
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BR (1) BR9305278A (ja)
MX (1) MX9400131A (ja)

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