JPH07167300A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPH07167300A
JPH07167300A JP18904594A JP18904594A JPH07167300A JP H07167300 A JPH07167300 A JP H07167300A JP 18904594 A JP18904594 A JP 18904594A JP 18904594 A JP18904594 A JP 18904594A JP H07167300 A JPH07167300 A JP H07167300A
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chromium
piston ring
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Katsumi Takiguchi
勝美 滝口
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【構成】 ピストンリングの外周摺動面に金属クロムよ
りなる下地層を形成し、その上にクロム及び窒化クロム
よりなる複合皮膜を形成させ、使用する最終窒素ガス分
圧を適当に選択し、操作窒素ガス分圧を0から最終窒素
ガス分圧に上昇させることにより、複合皮膜中の窒化ク
ロム比率を、金属クロム下地層表面から複合皮膜表面に
向って連続的に増加させ、複合皮膜表面の組成がCrとCr
2Nの混合物、Cr2N、又はCr2NとCrN の混合物である複合
皮膜を有するピストンリング。 【効果】 皮膜が母材から剥離することがなく、耐摩耗
性、耐焼付性にすぐれたピストンリング。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、耐摩耗性、耐焼付性
に優れた皮膜を有するピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】耐摩耗性に優れ、且つ相手シリンダ材の
摩耗の少ない硬質クロムめっきが、ピストンリングの表
面処理方法として従来から多く使われている。しかし、
近年エンジンの高出力化や高性能化に伴い、ピストンリ
ングに要求される条件はますます過酷なものとなり、従
来の硬質クロムめっきでは対応できない場合があり、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
望まれていた。
【0003】このような要求に対して、イオンプレーテ
ィング法により、摺動面に金属窒化物や金属炭化物など
の皮膜を形成したピストンリングが提案されている。な
かでも、窒化クロムは皮膜の生成速度が早く、厚い皮膜
が短時間で得られるため最近、特に注目されはじめてい
る。しかし、窒化クロムの皮膜は、それ自体が硬質であ
るため柔軟性に欠け、運転中に剥離を生ずる恐れがある
などの問題点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐摩耗性、
耐焼付性にすぐれ、かつ剥離が生じることのない窒化ク
ロム皮膜をピストンリング外周摺動面に成形させたピス
トンリング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及び作用】上記課題を解決
するため、本発明は、ピストンリングの外周摺動面に、
金属クロムよりなる下記層を形成させ、その下地層の上
に金属クロムと窒化クロムからなる複合皮膜を形成さ
せ、複合皮膜中の窒化クロムの比率を、下地層表面から
複合皮膜表面へ向って連続的に増大している皮膜を有す
るピストンリングを提供している。
【0006】本発明の窒化クロム層は、窒素ガスの存在
する減圧雰囲気中で、クロムを蒸発材として、反応性イ
オンプレーティング法によって得ることができる。窒素
ガス雰囲気中でこのようなイオンプレーティングを行う
と、クロムのガスは窒素と反応して、窒化クロムとな
る。
【0007】真空容器内に窒素ガスを導入する前に、イ
オンプレーティングを行うと、ピストンリング母材に金
属クロムの下地層が形成される。この下地層は、熱膨張
率がピストンリング母材に近く、熱応力の影響を受けに
くいため、密着性は良く、しかも柔軟性にも富む。
【0008】下地層が所定の厚さになったところで徐々
に窒素ガスを導入してイオンプレーティングを続ける
と、蒸発したクロムの一部は窒化クロムに転換する。表
1に、母材温度を400℃とし、種々の窒素ガス分圧で
イオンプレーティングを行ったとき、形成される皮膜の
組織と硬度の関係を示した。
【0009】
【表1】
【0010】窒素ガスの分圧が低いときは転換の割合は
少なく、窒素ガス分圧が次第に高くなるにつれて、金属
クロムが消失し、単体の窒化クロムとなり、硬度も大き
くなることがわかる。
【0011】本発明の複合皮膜の組成は使用される窒素
ガス分圧、窒素ガス導入速度に依存して変化する。例え
ば、0.1×10-3torr以下の窒素ガス分圧を使用すると
きはクロムと窒素とは反応せず従って、Cr2Nを含む複合
皮膜は形成されない。1.0×10-3torrになる様窒素ガ
ス分圧を調整し、一定量の窒素ガスを導入すると得られ
る複合皮膜の組成はCrとCr2Nの混合物となり、その比率
は窒素ガス導入の速度、即ち窒素ガス分圧の上昇速度に
より決定されるが、複合皮膜中のCr2Nの比率は金属クロ
ム下地表面から複合皮膜表面へ向って連続的に増大し、
その複合皮膜表面の組成はCr及びCr2Nの混合物となる。
同様に1.5×10-3torr付近に窒素ガス分圧を調整し、
連続的に一定量の窒素ガスを導入して窒素ガス分圧を1.
5×10-3torrにすると、複合皮膜の組成はCr、Cr2N及
びCrN となり、複合皮膜中の窒化クロムの比率は金属ク
ロム下地層表面から複合皮膜表面へ向って連続的に増大
し、その複合皮膜表面の組成はCr2NとCrN の混合物とな
る。又窒素ガス分圧を3.0×10-3torrになる様調整
し、一定量の窒素ガスを連続的に導入して窒素ガス分圧
を3.0×10-3torrにすると、えられる複合皮膜の組成
はCr、Cr2N及びCrN となり、複合皮膜中の窒化クロムの
比率は、前記と同様に複合皮膜表面に向って連続的に増
大し、その複合皮膜表面の組成はCrN となる。
【0012】このように表1は、使用する窒素ガス分圧
の相違により、えられる複合皮膜の組成及び複合皮膜表
面の組成が変化すること、複合皮膜中の窒化クロム比率
が複合皮膜表面に向って増加していることを示すととも
に、適切に窒素ガス分圧を選択することにより、複合皮
膜表面の組成を適宜選択できることを示している。
【0013】(例1)本発明に使用したHCD型イオン
プレーティング装置の概要を図2に示す。母材1を母材
保持具2で保持し、ヒーター3で母材1を所定の温度に
加熱する。母材1は図示しないモーターにより回転す
る。母材1の下方には、蒸発源の金属5を収容する水冷
銅ルツボ6が設置してある。真空容器4の側壁には、窒
素ガス供給口10とHCD型電子銃8が取り付けてあ
り、電子銃8には、プラズマ用アルゴンガスの導入管9
が設けてある。水冷銅ツルボ6と電子銃8の間には、集
束コイル7があって、電子銃8から射出された電子ビー
ムを集束して蒸発源の金属5に照射する。真空容器4内
は、図示しない真空ポンプにより減圧されるようになっ
ている。真空容器4内にアルゴンガスを導入し1×10
-2torr程度に減圧してボンバードにより、母材1の表面
のクリーニングを行う。つぎに、1.0×10-3torr程度
に減圧した後、HCD型電子銃8により蒸発源の金属5
を加熱し、蒸発させる。この下地層が所定の厚さになっ
たところで、真空容器4内に窒素ガスを徐々に導入す
る。蒸発した金属5は容器内の窒素と反応して、母材1
に金属窒化物の皮膜を形成する。呼び径×幅×厚さが、
φ86mm×2×3のSKD−61材のピストンリングを
複数本重ねて母材1として、以下の条件で反応性イオン
プレーティングを実施した。 母材温度:400℃ ビーム出力:30V−300A 収束電流:150A 窒素ガス分圧:0〜1.0×10-3torr 蒸発源:金属クロム 処理時間:60分 この処理により金属クロム下地層の上に金属クロムとCr
2Nからなる複合皮膜で、複合皮膜表面の組成が金属クロ
ムとCr2Nの混合物からなる厚さが40μm の複合皮膜が
えられた。
【0014】(例2)例1と同じ装置を用いて以下の実
験を行った。真空容器4内にアルゴンガスを導入し1×
10-2torr程度に減圧してボンバードにより、母材1の
表面のクリーニングを行う。つぎに、1.5×10-3torr
程度に減圧した後、HCD型電子銃8により蒸発源の金
属5を加熱し、蒸発させる。この下地層が所定の厚さに
なったところで、真空容器4内に窒素ガスを徐々に導入
する。蒸発した金属5は容器内の窒素と反応して、母材
1に金属窒化物の皮膜を形成する。呼び径×幅×厚さ
が、φ86mm×2×3のSKD−61材のピストンリン
グを複数本重ねて母材1として、以下の条件で反応性イ
オンプレーティングを実施した。 母材温度:400℃ ビーム出力:30V−300A 収束電流:150A 窒素ガス分圧:0〜1.5×10-3torr 蒸発源:金属クロム 処理時間:60分 この処理により、金属クロム下地層の上に金属クロム、
Cr2N及びCrN からなる複合皮膜で、複合皮膜表面の組成
がCr2NとCrN の混合物からなる厚さが40μmの複合皮
膜がえられた。
【0015】(例3)例1と同じ装置を用いて以下の実
験を行った。真空容器4内にアルゴンガスを導入し1×
10-2torr程度に減圧してボンバードにより、母材1の
表面のクリーニングを行う。つぎに、1.2×10-3torr
程度に減圧した後、HCD型電子銃8により蒸発源の金
属5を加熱し、蒸発させる。この下地層が所定の厚さに
なったところで、真空容器4内に窒素ガスを徐々に導入
する。蒸発した金属5は容器内の窒素と反応して、母材
1に金属窒化物の皮膜を形成する。呼び径×幅×厚さ
が、φ86mm×2×3のSKD−61材のピストンリン
グを複数本重ねて母材1として、以下の条件で反応性イ
オンプレーティングを実施した。 母材温度:400℃ ビーム出力:30V−300A 収束電流:150A 窒素ガス分圧:0〜1.2×10-3torr 蒸発源:金属クロム 処理時間:60分 この処理により、金属クロム下地層の上に金属クロム及
びCr2Nからなる複合皮膜で、複合皮膜表面の組成がCr2N
である厚さが40μm の複合皮膜がえられた。
【0016】
【発明の効果】本発明によるピストンリングは、ピスト
ンリングの母材に近い部分に金属クロムを多くして、母
材との密着性を高め、摺動面部分には、硬度の高い窒化
クロムを多くして耐摩耗性、耐焼付性を向上させてい
る。このように、硬質の窒化クロム層が、密着性、柔軟
性に富む下地層から連続的に形成されているため、金属
クロムと窒化クロムの境界部分で剥離することもない。
本発明のピストンリングは、耐摩耗性、耐焼付性にすぐ
れたピストンリングとして、エンジンの耐久性を向上さ
せるうえで顕著な効果を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるピストンリングを示す断面図であ
る。
【図2】本発明の実施例のHCD型イオンプレーティン
グ装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
1 ピストンリング母材 2 皮膜層 3 ヒーター 4 真空容器 5 蒸発源の金属 6 水冷銅ルツボ 7 収束コイル 8 電子銃 9 アルゴンガス導入口 10 窒素ガス導入口

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピストンリング母材の少なくとも外周摺
    動面に、金属クロムよりなる下地層を形成させ、その下
    地層の上にクロム及び窒化クロムよりなる複合皮膜を形
    成させ、該複合皮膜の窒化クロム比率が、該下地層から
    該複合皮膜の表面へ向かって連続的に増加した複合皮膜
    であることを特徴とするピストンリング。
  2. 【請求項2】 ピストンリング母材の少なくとも外周面
    に形成した複合皮膜を有し、該複合皮膜かクロム及び窒
    化クロムを少なくとも有し、ピストンリング母材の外周
    面側から複合皮膜の外周面に向かって窒化クロム比率を
    連続的に増大し、複合皮膜外周面がCrとCr2 Nとの
    混合物よりなることを特徴とするピストンリング。
  3. 【請求項3】 ピストンリング母材の少なくとも外周面
    に形成した複合皮膜を有し、該複合皮膜かクロム及び窒
    化クロムを少なくとも有し、ピストンリング母材の外周
    面側から複合皮膜の外周面に向かって窒化クロム比率を
    連続的に増大し、複合皮膜外周面がCr2 Nよりなるこ
    とを特徴とするピストンリング。
  4. 【請求項4】 ピストンリング母材の少なくとも外周面
    に形成した複合皮膜を有し、該複合皮膜かクロム及び窒
    化クロムを少なくとも有し、ピストンリング母材の外周
    面側から複合皮膜の外周面に向かって窒化クロム比率を
    連続的に増大し、複合皮膜外周面がCr2 NとCrNと
    の混合物よりなることを特徴とするピストンリング。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5672386A (en) * 1994-10-27 1997-09-30 Kabushiki Kaisha Riken Process for forming a coating of chromium and nitrogen having good wear resistance properties
WO2006005288A1 (de) * 2004-07-03 2006-01-19 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Verfahren zur erzeugung einer beschichtung auf einem kolbenring sowie kolbenring
JP2010168603A (ja) * 2009-01-20 2010-08-05 Ntn Corp 耐摩耗性CrN膜

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6187950A (ja) * 1984-10-05 1986-05-06 Riken Corp ピストンリング
JPS62188856A (ja) * 1986-02-13 1987-08-18 Riken Corp ピストンリング

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