JPH07243020A - TiAl系金属間化合物製構造部材の表面処理方法 - Google Patents

TiAl系金属間化合物製構造部材の表面処理方法

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JPH07243020A
JPH07243020A JP3508294A JP3508294A JPH07243020A JP H07243020 A JPH07243020 A JP H07243020A JP 3508294 A JP3508294 A JP 3508294A JP 3508294 A JP3508294 A JP 3508294A JP H07243020 A JPH07243020 A JP H07243020A
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JP
Japan
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structural member
intermetallic compound
thin film
vapor deposition
heat treatment
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Pending
Application number
JP3508294A
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English (en)
Inventor
Izuru Shikaya
出 鹿屋
Yoshinari Fujiwara
良也 藤原
Toshio Tokune
敏生 徳根
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 物理蒸着後におけるTiAl系金属間化合物
製ピストンリングの変形を極力減少させる。 【構成】 TiAl系金属間化合物よりなるピストンリ
ング7表面に物理蒸着法の適用下で薄膜Fを形成するに
当り、その物理蒸着法による薄膜Fの形成に先立って、
ピストンリング7に熱処理を施すことにより、そのピス
トンリング7の残留歪を除去する。これにより、その残
留歪に起因した物理蒸着後におけるピストンリング7の
変形を極力減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、TiAl系金属間化合
物製構造部材の表面処理方法、特に構造部材表面に物理
蒸着法の適用下で薄膜を形成する方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、内燃機関用鋼製ピストンリング表
面に物理蒸着法の一種であるイオンプレーティングを施
して窒化チタンよりなる薄膜を形成する表面処理方法が
知られている(例えば、特開昭57−57868号公報
参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記鋼製
構造部材に対する物理蒸着法による表面処理技術を、T
iAl系金属間化合物よりなる構造部材に直接適用する
と、その構造部材には鋳造、機械加工等に起因して残留
歪が生じていることが多いため、その残留歪に起因して
物理蒸着後における構造部材の変形が著しくなる、とい
う問題がある。
【0004】本発明は前記問題を解決することのできる
前記表面処理方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、TiAl系金
属間化合物よりなる構造部材表面に物理蒸着法の適用下
で薄膜を形成するに当り、前記物理蒸着法による薄膜の
形成に先立って、前記構造部材に熱処理を施すことによ
り、その構造部材の残留歪を除去することを特徴とす
る。
【0006】
【作用】前記のように構造部材に、その残留歪を除去し
た後物理蒸着法によって薄膜を形成すると、その残留歪
に起因した物理蒸着後における構造部材の変形を極力減
少させることができる。
【0007】
【実施例】
〔実施例1〕TiAl452 Nb2 1.4 (数値は原子
%)といったTiAl系金属間化合物組成の溶湯を、真
空チャンバ内で水冷Cuるつぼを用いた高周波誘導溶解
により調製し、次いで遠心鋳造法を適用して、外径90
mm、一端部側の内径70mm、他端部側の内径78mm、長
さ150mmの、テーパ孔を有する円筒状インゴットを製
造した。
【0008】インゴットに、1300℃、3時間、20
00気圧の条件でHIP処理(熱間静水圧プレス処理)
を施し、次いで1200℃、3時間の条件で溶体化処理
を施し、その後900℃、8時間の時効処理を施した。
【0009】インゴットにフライス加工等の機械加工を
施して、図1に示す複数の薄板状テストピースTp1を
作製し、次いで各テストピースTp1の一方の平面1に
研削仕上げ加工を施して、その平面1の10点平均粗さ
RzをRz=0.8μmに調整した。各テストピースT
p1の寸法は長さa1 =50mm、幅a2 =10mm、厚さ
3 =3mmである。
【0010】各テストピースTp1に、残留歪の除去を
目的とした熱処理を真空下で施した。この場合、熱処理
温度Tは300℃≦T≦1000℃に、また熱処理時間
は8時間にそれぞれ設定された。
【0011】各テストピースTp1における一方の平面
1の面粗さRmax をRmax =0.6Sに調整し、次い
で、ボンバード処理を10分間行い、その後、図2に示
すように前記平面1に、物理蒸着法であるイオンプレー
ティングを施して厚さ10μmの窒化チタン(TiN)
よりなる硬質薄膜Fを形成した。イオンプレーティング
条件は、雰囲気ガス 窒素ガス、蒸発源 Ti、アーク
電流 150A、バイアス電圧 120V、処理時間
60分間である。
【0012】各テストピースTp1のイオンプレーティ
ング後における歪を次のような方法で測定した。即ち、
図3に示すように、イオンプレーティング後のテストピ
ースTp1の薄膜F側を上方(または下方)に向け、且
つ一端面2を鉛直面3に当接させて固定する。そしてテ
ストピースTp1の固定端を厚さ方向に2等分する基準
水平線L1 と、テストピースTp1の自由端を厚さ方向
に2等分する水平線L 2 との間隙を歪Sとする。
【0013】表1は、テストピースTp1の例(1)〜
(8)における熱処理温度Tとイオンプレーティング後
の歪Sとの関係を示す。表1において、例(1)は機械
加工後、残留歪除去のための熱処理を施されていない。
【0014】
【表1】
【0015】表1から明らかなように熱処理温度Tを5
00℃≦T≦800℃に設定すると、例(4)〜(7)
のようにイオンプレーティング後の歪SをS≦0.2mm
と小さくすることができる。特に、熱処理温度TをT=
600℃に設定すると前記歪Sは最小となる。
【0016】次に、イオンプレーティング後の歪Sと摺
動特性との関係を調べるため、前記時効処理(900
℃、8時間)後のインゴットに機械加工を施して、図4
に示す複数の小片状テストピースTp2を作製した。各
テストピースTp2は一方の平面4の面積が他方の平面
5の面積よりも小になるように一方の平面4側における
一側縁に斜面6が形成されている。一方の平面4に研削
仕上げ加工を施して、その平面4の10点平均粗さRz
をRz=0.8μmに調整した。各テストピースTp2
の一方の平面4において、縦b1 =10mm、横b2 =1
0mmであり、また他方の平面5において、横b3 =1
1.5mm、縦b4 =10mmである。さらに斜面6の角度
θ=45°、厚さb5 =5mmである。
【0017】各テストピースTp2に、残留歪の除去を
目的とした熱処理を真空下で施した。この場合、前記同
様に熱処理温度Tは300℃≦T≦1000℃に、また
熱処理時間は8時間にそれぞれ設定された。
【0018】各テストピースTp2における一方の平面
4の面粗さRmax をRmax =0.6Sに調整し、次い
で、ボンバード処理を10分間行い、その後、前記平面
4に、イオンプレーティングを施して厚さ10μmの窒
化チタンよりなる薄膜Fを形成した。イオンプレーティ
ング条件は、前記同様に、雰囲気ガス 窒素ガス、蒸発
源 Ti、アーク電流 150A、バイアス電圧 12
0V、処理時間 60分間である。
【0019】各テストピースTp2を用い、潤滑下でチ
ップオンディスク方式による摺動テストを行い、各テス
トピースTp2における熱処理温度Tと焼付き発生荷重
との関係を求めたところ、表2の結果を得た。
【0020】摺動テストは、各テストピースTp2を、
その斜面6が鋳鉄製ディスクの回転方向に対向するよう
に配置して窒化チタンよりなる薄膜Fをディスクに押圧
し、ディスク回転速度 5m/sec 、オイル供給量 2
cc/min 、オイルの温度 80℃の条件で行われた。前
記のように斜面6を配置する理由は、薄膜Fとディスク
間にオイルを導入し易くするためである。ディスクは、
Si、Mn、VおよびPを含む。表2において、例
(9)は残留歪除去のための熱処理を施されていない。
【0021】
【表2】
【0022】表2から明らかなように、熱処理温度Tを
500℃≦T≦800℃に設定すると、表1の例(4)
〜(7)のように例(12)〜(15)におけるイオン
プレーティング後の歪Sが小さくなるので、薄膜Fの全
面がディスクに均一に摺擦し、その結果、焼付き発生荷
重が大幅に向上する。特に、熱処理温度TをT=600
℃に設定すると、前記のように歪Sが最小となることか
ら焼付き発生荷重は最大となる。例(9)〜(11),
(16)においては、前記歪Sが大きいため、局部的に
高面圧となり、その結果、焼付き発生荷重が極端に低下
する。
【0023】他の例として、イオンプレーティング処理
により窒化クロム(Cr−N)よりなる薄膜を形成され
たテストピースの例(17)および窒化チタンアルミニ
ウム(TiAlN)よりなる薄膜を形成されたテストピ
ースの例(18)を作製した。両テストピースの例(1
7),(18)の材質は前記と同じである。窒化クロム
薄膜の場合、蒸発源としてCrが用いられ、また窒化チ
タンアルミニウム薄膜の場合、蒸発源としてTi50Al
50(数値は原子%)が用いられた。
【0024】表3は、例(17),(18)に関する熱
処理温度T、イオンプレーティング後の歪Sおよび焼付
発生荷重を示す。その歪Sの測定条件および摺動テスト
条件は前記と同じである。
【0025】
【表3】
【0026】表1,2と表3とを比較すると明らかなよ
うに、薄膜の材質を変更すると、前記歪Sが変化するこ
とがあり、また焼付き発生荷重は薄膜の材質に応じて変
化する。
【0027】〔実施例2〕実施例1における前記時効処
理(900℃、8時間)後のインゴットに機械加工を施
して、図5に示す構造部材としてのガソリンエンジン用
ピストンリング7を作製した。ピストンリング7の寸法
は、呼び径D=81mm、幅B=1mm、厚さT=3.1m
m、合い口すきまC=0.2〜0.35mm(自由合い口
すきま 11.5mm)である。
【0028】ピストンリング7に、残留歪の除去を目的
として、熱処理温度T=600℃、熱処理時間8時間の
条件で熱処理を施した。
【0029】ピストンリング7の面粗さRmax をRmax
=0.6Sに調整し、次いで、ボンバード処理を10分
間行い、その後、ピストンリング7に、イオンプレーテ
ィングを施してその表面に窒化チタンよりなる薄膜Fを
形成した。薄膜Fの厚さはピストンリング7の外周面に
おいて10μmであり、また合い口の両対向面、両環状
端面および内周面において3μmであった。イオンプレ
ーティング条件は、前記同様に、雰囲気ガス 窒素ガ
ス、蒸発源 Ti、アーク電流 150A、バイアス電
圧 120V、処理時間 60分間である。
【0030】このようにして得られたピストンリング7
をトップリングとして、1600cc、4気筒ガソリンエ
ンジンに組込んだ。この場合、シリンダスリーブは、前
記ディスクと同材質の鋳鉄(Fe−C−Si−Mn−V
−P)より構成され、またピストンはAl合金(JIS
AC8H)より構成されている。
【0031】そして、前記ガソリンエンジンを運転して
400時間の耐久テストを行ったところ、ピストンリン
グ7、シリンダスリーブおよびピストンに異常摩耗は認
められず、またピストンリング7の張力減退はゼロであ
った。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、TiAl系金属間化合
物よりなる構造部材に、その残留歪の除去を目的とする
熱処理を施した後物理蒸着法を行う、という手段を採用
することによって、残留歪に起因した物理蒸着後におけ
る構造部材の変形を極力減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】テストピースの一例を示す斜視図である。
【図2】薄膜を有するテストピースの断面図である。
【図3】テストピースの歪測定法を示す説明図である。
【図4】テストピースの他例を示す斜視図である。
【図5】ピストンリングの斜視図である。
【符号の説明】
7 ピストンリング(構造部材) F 薄膜
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成7年4月10日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0019
【補正方法】変更
【補正内容】
【0019】各テストピースTp2を用い、潤滑下でチ
ップオンディスク方式による摺動テストを行い、各テス
トピースTp2における熱処理温度Tと焼付き発生面圧
との関係を求めたところ、表2の結果を得た。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0021
【補正方法】変更
【補正内容】
【0021】
【表2】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0022
【補正方法】変更
【補正内容】
【0022】表2から明らかなように、熱処理温度Tを
500℃≦T≦800℃に設定すると、表1の例(4)
〜(7)のように例(12)〜(15)におけるイオン
プレーティング後の歪Sが小さくなるので、薄膜Fの全
面がディスクに均一に摺擦し、その結果、焼付き発生
が大幅に向上する。特に、熱処理温度TをT=600
℃に設定すると、前記のように歪Sが最小となることか
ら焼付き発生面圧は最大となる。例(9)〜(11),
(16)においては、前記歪Sが大きいため、局部的に
高面圧となり、その結果、焼付き発生面圧が極端に低下
する。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0024
【補正方法】変更
【補正内容】
【0024】表3は、例(17),(18)に関する熱
処理温度T、イオンプレーティング後の歪Sおよび焼付
発生面圧を示す。その歪Sの測定条件および摺動テスト
条件は前記と同じである。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0025
【補正方法】変更
【補正内容】
【0025】
【表3】
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0026
【補正方法】変更
【補正内容】
【0026】表1,2と表3とを比較すると明らかなよ
うに、薄膜の材質を変更すると、前記歪Sが変化するこ
とがあり、また焼付き発生面圧は薄膜の材質に応じて変
化する。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 TiAl系金属間化合物よりなる構造部
    材(7)表面に物理蒸着法の適用下で薄膜(F)を形成
    するに当り、前記物理蒸着法による薄膜(F)の形成に
    先立って、前記構造部材(7)に熱処理を施すことによ
    り、その構造部材(7)の残留歪を除去することを特徴
    とするTiAl系金属間化合物製構造部材の表面処理方
    法。
  2. 【請求項2】 前記熱処理における熱処理温度Tは50
    0℃≦T≦800℃に設定される、請求項1記載のTi
    Al系金属間化合物製構造部材の表面処理方法。
  3. 【請求項3】 前記物理蒸着法はイオンプレーティング
    である、請求項1または2記載のTiAl系金属間化合
    物製構造部材の表面処理方法。
  4. 【請求項4】 前記薄膜(F)は窒化チタン、窒化クロ
    ムおよび窒化チタンアルミニウムから選択される一種で
    ある、請求項1,2または3記載のTiAl系金属間化
    合物製構造部材の表面処理方法。
  5. 【請求項5】 前記構造部材は内燃機関用ピストンリン
    グ(7)である、請求項1,2,3または4記載のTi
    Al系金属間化合物製構造部材の表面処理方法。
JP3508294A 1993-09-17 1994-03-04 TiAl系金属間化合物製構造部材の表面処理方法 Pending JPH07243020A (ja)

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JP3508294A JPH07243020A (ja) 1994-03-04 1994-03-04 TiAl系金属間化合物製構造部材の表面処理方法
DE1994607525 DE69407525T2 (de) 1993-09-17 1994-09-19 Kolbenring aus TiAl basierender intermetallischer Verbindung und Verfahren zur Oberflächenbehandlung
EP19940114746 EP0645463B1 (en) 1993-09-17 1994-09-19 TiAl-based intermetallic compound piston ring and process for treating the surfaces thereof

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150064167A (ko) * 2012-10-11 2015-06-10 페더럴-모걸 코오포레이숀 1회의 코팅 주행으로 피스톤 링 주행면, 측면 및 내경면 상에 내마모성 코팅을 화학적 증착하는 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150064167A (ko) * 2012-10-11 2015-06-10 페더럴-모걸 코오포레이숀 1회의 코팅 주행으로 피스톤 링 주행면, 측면 및 내경면 상에 내마모성 코팅을 화학적 증착하는 방법

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