JPH07286262A - ピストンリング及びその製造方法 - Google Patents

ピストンリング及びその製造方法

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JPH07286262A
JPH07286262A JP1045295A JP1045295A JPH07286262A JP H07286262 A JPH07286262 A JP H07286262A JP 1045295 A JP1045295 A JP 1045295A JP 1045295 A JP1045295 A JP 1045295A JP H07286262 A JPH07286262 A JP H07286262A
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piston ring
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chromium
chromium nitride
resistance
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勝美 滝口
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピストンリングが使用される過酷な条件にお
いても十分な耐摩耗焼き付き性を有しかつ剥離を起こさ
ず、また皮膜形成速度が速い皮膜をピストンリング母材
に施す。 【構成】 ピストンリング(1)の少なくとも一つの摺
動面に、CrN型窒化クロムを主成分とした組織でなる
被覆層(3)を施す。を特徴とするピストンリング。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ピストンリングに関
し、更に詳しくは、耐焼き付き特性と耐摩耗特性とが改
善された内燃機関用ピストンリング及びその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】往復動内燃機関に使用されるピストンリ
ングには高度な耐摩耗特性が要求される。それ故ピスト
ンリングに耐摩耗特性を付与することを目的として、摺
動面に硬質クロムめっき層を形成させたピストンリング
が内燃機関用ピストンリングとして従来から多用されて
いる。
【0003】ところで、近年、内燃機関がますます高速
化、高出力化する趨勢にあり、したがって、ピストンリ
ングの使用条件もますます過酷なものとなってきてお
り、従来のクロムめっき層を有するピストンリングでは
耐摩耗特性が充分でない場合があり、更に優れた耐摩耗
耐焼き付き特性を有するピストンリングが望まれてい
る。
【0004】それ故、ピストンリングの耐摩耗耐焼き付
き特性を更に改善するための努力が払われており、摺動
面にイオンプレーティング法により金属チタンの窒化物
あるいは炭化物の皮膜を形成させたピストンリングも提
案されている(特開昭57−57868号及び特開昭5
7−65837号)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属チ
タンの窒化物や炭化物の皮膜は硬質クロムめっき層に比
べて優れた耐摩耗耐焼き付き特性を示すものであるが、
窒化物や炭化物は硬度が高く柔軟性に欠け、また、熱膨
張係数が金属のそれに比べて著しく小さいために、金属
母材との密着性が悪く、特に応力の作用状態の下で使用
されるピストンリングの摺動面層としてこれらの窒化物
や炭化物層を形成する場合には機関の運転中にリング母
材から剥離を生じ易いという問題があり、実用に供され
るには到っていない。
【0006】また、イオンプレーティング法による上記
皮膜の形成は皮膜生成速度が遅く、充分な厚さの被覆膜
を形成するには長時間を要するので生産上難があり実用
に供し得るものではない。
【0007】この発明は、上記に鑑み、従来の問題点を
解消し、過酷な使用条件下においても充分な耐摩耗耐焼
き付き特性を示し、皮膜剥離が起こり難いピストンリン
グ及び皮膜形成速度が速いピストンリング皮膜形成方法
を提供することを目的としてなされたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の第一は、少なく
とも一つの摺動面に、CrN型窒化クロムを主成分とし
た組織でなる被覆層を形成したことを特徴とするピスト
ンリングであり、その第二は、イオンプレーティング法
により、少なくとも一つの摺動面に、CrN型窒化クロ
ムを主成分とした組織でなる被覆層を形成することを特
徴とするピストンリングの製造方法である。すなわち、
本発明の第一に係るピストンリング(1)の具体例は図
1に示すように、ピストリング母材(2)、例えば鋳鉄
もしくはばね鋼にCrN型窒化クロムを主成分とする被
覆層(3)を30〜54μmの厚みに形成したものであ
る。
【0009】
【作用】本発明のピストンリングの被覆層は、PVD
法、 好ましくは減圧された窒素ガス雰囲気中で金属クロ
ムを蒸着させる反応性イオンプレーティング法を利用
し、金属クロムの蒸着過程で該金属をCrN型窒化クロ
ムに転換させることにより形成することができる。
【0010】本発明において、被覆層を構成する成分を
クロムの窒化物であるCrNとした理由は、CrN型窒
化クロムの熱膨張係数が母材金属のそれに近く、したが
って、ピストンリングの使用中に被覆層が該金属母材か
ら剥離することが防止できるためである。またその硬度
は硬質クロムめっき皮膜より硬く、硬質クロムめっきよ
り良好な耐摩耗耐焼き付き特性を示すので、ピストンリ
ングの耐摩耗性、耐焼き付き性を向上させる。
【0011】また、本発明では被覆層構成成分として特
にクロムを採用する他の理由は、イオンプレーティング
法による金属クロムの蒸着速度が他の金属よりも大であ
り、生産性の観点からきわめて有効であるためである。
例えば、1×10-5torrの真空中でクロムまたはチタン
を蒸発材料として、これに2KWの電子ビームを照射
し、該蒸発材料から240mm離れて位置する炭素鋼
(S45C)板の表面にクロムまたチタンを蒸着させた
ところ、チタンの蒸着速度は0.34μm/minであ
るのに対してクロムのそれは4.0μm/minであ
り、クロムの蒸着速度は極めて速いものである。
【0012】
【実施例】100×100×10mmの鋳鉄製平板の片
面をラッピングして1μm以下の表面粗さに仕上げ、試
料素材とした。これを反応性イオンプレーティング装置
の容器内にセットし、該容器中に排気して5×10-4to
rrの真空とした後、試料を加熱した。試料が所定温度に
達してから容器内に窒素ガスを導入して1×10-2torr
としボンバードによる試料表面のクリーニングをおこな
い、次いで容器内に窒素ガスを導入し所定の窒素ガス分
圧にし、金属クロムを蒸発材としてHCD型電子銃によ
り蒸発させ蒸着処理をおこなった。得られた試料表面被
覆層の構成組織はX線解析によって行い、その結果を図
4に示す。操作条件及び調査結果を表1に示す。
【0013】
【表1】 操作条件 皮膜特性 試料 N2 ガス分圧 試料温度 構成組織 被覆層 硬さHmV No ×10-3torr 厚さμm 1 3.0 400 CrN 30 1890
【0014】(耐焼き付き試験)前記試料No.1から
一方の正方形端部が被覆層となるように5×5×10m
m試験片を採取し、耐焼き付き試験と耐摩耗試験をおこ
なった。また、比較のために従来の硬質クロムめっきを
施した試料(Crめっき)及びイオンプレーティング法
により窒化チタンの被覆層を形成した試料(TiN)に
ついても同様な試験を実施した。
【0015】試験装置は図2及び図3にその概要を図解
的に示すものであって、ステータ(4)に取り外し可能
に取り付けられた直径80mmの円板(摺動相手材)
(5)の中央には裏側から注油孔(6)を通して潤滑油
が注油される。また、ステータ(4)は図示省略した油
圧装置によって右方向に向けて所定圧力で押され押圧力
Pが作用するようにしてある。円板(5)に相対向して
ロータ(7)が配され、該ロータは図示省略した駆動装
置によって所定速度で回転する。
【0016】ロータ(7)の円板(5)に対向する端面
には試料保持具(7a)が設けられていて、試料保持具
(7a)には同心円上に等間隔をなして正方形の摺動面
を有する4個の試験片(8)が取り付けられ該摺動面が
円板(5)に対接摺動する。このような装置において、
摺動面に所定給油速度で給油しながらロータ(7)を回
転させる。一定時間毎にステータ(4)に作用する圧力
を段階的に増加させ、円板(5)と試料片との摺動によ
り発生する摩擦力をトルクTとしてスピンドル(9)を
介してロードセル(10)に作用させ、その変化を動歪
計(11)で読み、記録計(12)に記録させる。焼き
付き現象が発生するとトルクTが急激に上昇する。した
がって、トルクTが急激に上昇するときに摺動接触面に
作用している接触面圧を焼き付き発生面圧とし、この焼
き付き発生面圧の大小で耐焼き付き特性の良否を判定す
る。
【0017】試験条件は次の通りである。 摺動速度:8m/秒 潤滑油:SAE#20 モータオイル 潤滑油の供給条件:300ml/分 油温:90℃ 接触圧力:20kg/cm2 から3分間経過毎に10k
g/cm2 づつ上昇させる。 摺動相手材(円板5):鋳鉄材 FC30
【0018】試験結果を表2に示す。
【0019】
【表2】 試料 焼き付き発生面圧(kg/cm2 ) 本発明 120 比較材(TiN) 130 比較材(Crめっき) 110
【0020】表2より明らかな如く、本発明に係る表面
被覆層は硬質クロムめっき材を上回るに耐焼き付き特性
を示している。
【0021】(耐摩耗試験)前記の耐焼き付き試験で用
いた試験装置を使用し、接触圧力を100kg/cm2
とし、摩擦速度を3m/min,5m/min,8m/
minとし、摩擦距離を400km、給油量を500m
l/minとして試験片と相手円板とを摺動させた後、
試験片及び相手方円板を試験装置から取り外し、両者の
摩耗量を測定した。なお、試験片および相手円板の材料
は前記の耐焼き付き試験に於けると同一とした。試験片
の摩耗量は試験片の摩耗の高さ(μm)で、また、相手
円板の摩耗量は摩耗によって生じた環状摩耗痕の半径方
向断面積(×10-5cm2 )で測定した。試験の結果を
図4に示す。
【0022】CrN型窒化クロムを主成分とした組織で
なる被覆層を有する試験片は、耐摩耗特性が優れている
として従来実用に供されている硬質クロムめっき皮膜に
較べ、自身の摩耗量および相手円板の摩耗量共に少な
く、またこれら特性はTiNと同等であると言う良好な
耐摩耗特性を示している。
【0023】次に、図1に示すように、ばね鋼(SUP
−1)製ピストンリング(2)を製作し、その外周摺動
面に前記方法により、CrN型窒化クロムを主成分とし
た組織でなる表面被覆層(3)を形成した。その形成条
件およびその特性は次の通りである。
【0024】 形成条件:Arガス分圧... 1×10-3torr 窒素ガス分圧...3.0×10-3torr 電子ビーム出力..25V−300A 素材温度.....400℃ 処理時間.....60分
【0025】被覆層特性:被覆層厚さ...30μm 硬さ...HmV 1890 組織...X線解析によりCrN型窒化クロムの存在を
確認した。
【0026】上記のピストンリングを排気量1500C
C、水冷4気筒の4サイクルガソリンエンジンの第1圧
力リングに組み込み、加鉛ガソリンを燃料として回転数
5500rpm、油温110℃、冷却水温度90℃、全
負荷の条件で200時間のベンチテストを行った後、ピ
ストンリング外周面の摩耗量を測定した。なお、比較の
ために外周面に硬質クロムめっきを施したピストンリン
グを用いて同様の試験を実施した。試験の結果、硬質ク
ロムめっきを施した従来のピストンの外周の摩耗は量は
79μmであったのに対し、本発明のピストンリングの
それは23μmであった。また、本発明のピストンリン
グには被覆層の剥離等も発生していなかった。
【0027】
【発明の効果】以上の通り、本発明のピストンリング
は、過酷な運転条件下で使用される内燃機関に使用する
場合に剥離がなく特にその効果が顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のピストンリングの一例を示す断面図で
ある。
【図2】耐焼き付きおよび耐摩耗試験装置を示す一部断
面図である。
【図3】耐焼き付きおよび耐摩耗試験装置を示す一部側
面図である。
【図4】本発明試料についてのX線解析チャートであ
る。
【図5】耐摩耗試験結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1 ピストンリング 2 ピストンリング母材 3 被覆層 4 ステータ 5 円板(摺動相手材) 6 注油孔 7 ロータ 8 試料

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも一つの摺動面に、CrN型窒
    化クロムを主成分とした組織でなる被覆層を形成したこ
    とを特徴とするピストンリング。
  2. 【請求項2】 イオンプレーティング法により、少なく
    とも一つの摺動面に、CrN型窒化クロムを主成分とし
    た組織でなる被覆層を形成することを特徴とするピスト
    ンリングの製造方法。
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US5820131A (en) * 1996-01-29 1998-10-13 Teikoku Piston Ring Co., Ltd. Piston ring having wear coating consisting of Cr2 N or a mixture of Cr2 N and Cr
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