JPH0821302A - ピストンリング - Google Patents
ピストンリングInfo
- Publication number
- JPH0821302A JPH0821302A JP31889093A JP31889093A JPH0821302A JP H0821302 A JPH0821302 A JP H0821302A JP 31889093 A JP31889093 A JP 31889093A JP 31889093 A JP31889093 A JP 31889093A JP H0821302 A JPH0821302 A JP H0821302A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston ring
- base material
- chromium
- crn
- chromium nitride
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 クロムめっきを施したピストンリングより
も耐摩耗性が優れたピストンリングを提供する。 【構成】 ピストンリング（１）の上下摺動面に、金
属クロムとＣｒ2 Ｎからなる母材側からＣｒＮからなる
最外層まで組成が変化する皮膜層（２）を形成する。
も耐摩耗性が優れたピストンリングを提供する。 【構成】 ピストンリング（１）の上下摺動面に、金
属クロムとＣｒ2 Ｎからなる母材側からＣｒＮからなる
最外層まで組成が変化する皮膜層（２）を形成する。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）この発明は、耐摩耗性に優れた皮
膜を有する内燃機関用ピストンリングに関する。 （従来技術と問題点）内燃機関のピストンリングは、ピ
ストンの上昇下降の過程において、リング溝内での軸方
向、半径方向及び円周方向の運動を行う。ピストンリン
グの上下面は、リング溝の上下面との間で絶えず摺動を
繰り返し、摩耗する。近年、エンジンの高出力化などの
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っている、有鉛ガソリンを使用す
るエンジンでは、燃焼により硬質の鉛化合物が生成さ
れ、ディーゼルエンジンでは、カーボンなどの残渣が生
成される。これらの生成物がリング溝内に堆積し、この
堆積物がリング上下面の摩耗を促進する。従来、リング
上下面の摩耗を防止するために、硬質クロムめっきを施
したものが提案されているが、クロムめっきはリング上
下面に均一な厚さでかつ平坦なめっき層を形成すること
は難しく、めっき後に仕上げ加工を施す必要がある。ま
た、クロムめっき層の高度はＨｍｖ８００〜１０００程
度であり、耐摩耗性が十分でない場合があり、さらに優
れた耐摩耗性を有するピストンリングが望まれている。 （問題を解決するための手段）この発明は、第１図に示
すように、ピストンリングの少なくとも上下摺動面に、
金属クロムとＣｒ２Ｎ窒化クロムからなるピストンリン
グ母材表面側からＣｒＮ窒化クロムからなる最外層ある
いＣｒ２Ｎ窒化クロムとＣｒＮ窒化クロムからなる最外
層まで、窒素の比率が母材表面側から被膜層の表面に向
かって連続的又は断続的に変化している皮膜層が形成さ
れているピストンリングを提供することで問題点を解決
する。 （作用）本発明のピストンリングの皮膜層は、窒化ガス
の存在する減圧雰囲気の中でクロムをターゲット材とし
てスパッタリングを行うことによって得ることができ
る。スパッタリング法は、イオンプレーティング法に比
べて膜厚の制御がやり易く、しかも均一な膜厚が得られ
るなどの利点がある。窒素ガス雰囲気中で、金属クロム
をターゲット材にしてスパッタリングを行うと、ターゲ
ット材のクロムは原子状になり、クロム原子の一部は窒
素と反応して窒化クロムとなる。本発明のような、金属
クロムと窒化クロムからなるピストンリング母材側層は
真空容器内の窒素ガスの分圧を適当に選んで形成するこ
とができる。窒化クロムは、硬質で耐摩耗性に優れてい
るので、最外層の構成物質とする。但し窒化クロムは柔
軟性に欠け、また、熱膨張率もピストンリング母材と異
なるため、運転中に剥離を生ずるおそれがある。金属ク
ロムは、硬度は低いが熱膨張率がピストン母材に近く、
熱応力の影響を受けにくいため、密着性は良く、しかも
柔軟性にも富むため、窒化クロムと適当に混合して母材
側構成物質として剥離防止を図る。また、真空容器内に
窒素ガスを導入する前にスパッタリングを行うと、ピス
トンリング母材に純金属クロム膜が形成される。下地層
が所定の厚さになった所で徐々に窒素ガスを導入してス
パッタリングを続けると、クロムの一部は窒化クロムに
転換する。このようにすると、ピストンリングの母材に
近い方は、密着性の良い金属クロムが形成され皮膜層の
剥離が防止される。摺動面に近い方は耐摩耗性に優れて
いる窒化クロムが多くなる。また、複合皮膜層内の窒化
クロムの量は連続的に増加し、そして遂には全体が窒化
クロムとなる。さらに窒化クロム層の中でも母材から最
も離れた側ではＣｒ２ＮとＣｒＮあるいはＣｒＮからな
る層が生成する。第１表に、母材温度を４００℃とし、
種々の窒素ガス分圧でスパッタリングを行ったとき、形
成される皮膜の組織と硬度の関係を示した。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、金属クロムの代わ
りに単体の窒化クロムが増加し、硬度も大きくなり、さ
らに皮膜層の最表面はＣｒ２ＮとＣｒＮあるいはＣｒＮ
からなる層が生成するることがわかる。 （実施例） 実施例１ 本発明に使用したマグネトロン型ハイレートスパッタリ
ング装置の概要を第２図に示す。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の上方には、ターゲット源の金属５が設置し
てある。真空容器４の側壁には窒素ガス供給口９とプラ
ズマ用アルゴンガスの導入管８が設けてある。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１×１
０−２ｔｏｒｒ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。次にアルゴンガスを導
入し、１×１０−３ｔｏｒｒ程度に減圧して、スパッタ
リングを開始する。次に窒素ガス供給口９より窒素ガス
を徐々に導入し、スパッタリングを続ける。スパッタリ
ングされたターゲット源の金属５は、容器内の窒素と一
部反応して、母材１に金属窒化物の複合皮膜を形成す
る。呼び径×幅×厚さが、φ７７ｍｍ×１．５×３．１
のＳＫＤ−６１材のピストンリングを適当な間隔で並べ
て母材１として、初めは、窒素ガスを導入せずにスパッ
タリングを行って金属クロムの下地層を形成した。２分
経過後から徐々に窒素ガスを導入して以下の条件で反応
性スパッタリングを実施した。 母材温度： ４００℃ スパッタ電力：１ＫＷ 窒素ガス分圧：０から３．０×１０−３ｔｏｒｒまで変
化させる アルゴンガス分圧：１×１０−３ｔｏｒｒ ターゲット材：金属クロム 処理時間：１０分 母材バイアス：−１００Ｖ 上記の処理をピストンリングの上下摺動面に行い、厚さ
がそれぞれ６μｍであり、最外層がＣｒＮからなる皮膜
層を形成した。 実施例２ 窒素ガス分圧を１．５×１０−３ｔｏｒｒまで変化させ
た他は実施例１と同じ方法を行い最外層がＣｒ２ＮとＣ
ｒＮからなる皮膜層を形成した。本実施例１、２により
得られたピストンリングと、比較のため、従来の硬質ク
ロムめっきを施したピストンリングを水冷４サイクル４
気筒、１３００ｃｃのエンジンに組み込み７５００回
転、全負荷で５時間の実機試験を行い、ピストンリング
上下面の摩耗量を測定した。 （発明の効果）測定の結果、本発明によるピストンリン
グは、従来の硬質クロムめっきを施したものに比べて、
摩耗量は約１／５であった。また、スパッタリングによ
り得られた複合皮膜層の表面は平坦で、仕上げ加工は不
要であった。このように、ピストンリング母材表面側が
金属クロムからなり、最外層が窒化クロムからなる皮膜
層を有する本発明のピストンリングは、密着性、耐摩耗
性に優れたピストンリングとして、エンジンの耐久性を
向上させる上で顕著な効果を示すことが理解できる。
膜を有する内燃機関用ピストンリングに関する。 （従来技術と問題点）内燃機関のピストンリングは、ピ
ストンの上昇下降の過程において、リング溝内での軸方
向、半径方向及び円周方向の運動を行う。ピストンリン
グの上下面は、リング溝の上下面との間で絶えず摺動を
繰り返し、摩耗する。近年、エンジンの高出力化などの
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っている、有鉛ガソリンを使用す
るエンジンでは、燃焼により硬質の鉛化合物が生成さ
れ、ディーゼルエンジンでは、カーボンなどの残渣が生
成される。これらの生成物がリング溝内に堆積し、この
堆積物がリング上下面の摩耗を促進する。従来、リング
上下面の摩耗を防止するために、硬質クロムめっきを施
したものが提案されているが、クロムめっきはリング上
下面に均一な厚さでかつ平坦なめっき層を形成すること
は難しく、めっき後に仕上げ加工を施す必要がある。ま
た、クロムめっき層の高度はＨｍｖ８００〜１０００程
度であり、耐摩耗性が十分でない場合があり、さらに優
れた耐摩耗性を有するピストンリングが望まれている。 （問題を解決するための手段）この発明は、第１図に示
すように、ピストンリングの少なくとも上下摺動面に、
金属クロムとＣｒ２Ｎ窒化クロムからなるピストンリン
グ母材表面側からＣｒＮ窒化クロムからなる最外層ある
いＣｒ２Ｎ窒化クロムとＣｒＮ窒化クロムからなる最外
層まで、窒素の比率が母材表面側から被膜層の表面に向
かって連続的又は断続的に変化している皮膜層が形成さ
れているピストンリングを提供することで問題点を解決
する。 （作用）本発明のピストンリングの皮膜層は、窒化ガス
の存在する減圧雰囲気の中でクロムをターゲット材とし
てスパッタリングを行うことによって得ることができ
る。スパッタリング法は、イオンプレーティング法に比
べて膜厚の制御がやり易く、しかも均一な膜厚が得られ
るなどの利点がある。窒素ガス雰囲気中で、金属クロム
をターゲット材にしてスパッタリングを行うと、ターゲ
ット材のクロムは原子状になり、クロム原子の一部は窒
素と反応して窒化クロムとなる。本発明のような、金属
クロムと窒化クロムからなるピストンリング母材側層は
真空容器内の窒素ガスの分圧を適当に選んで形成するこ
とができる。窒化クロムは、硬質で耐摩耗性に優れてい
るので、最外層の構成物質とする。但し窒化クロムは柔
軟性に欠け、また、熱膨張率もピストンリング母材と異
なるため、運転中に剥離を生ずるおそれがある。金属ク
ロムは、硬度は低いが熱膨張率がピストン母材に近く、
熱応力の影響を受けにくいため、密着性は良く、しかも
柔軟性にも富むため、窒化クロムと適当に混合して母材
側構成物質として剥離防止を図る。また、真空容器内に
窒素ガスを導入する前にスパッタリングを行うと、ピス
トンリング母材に純金属クロム膜が形成される。下地層
が所定の厚さになった所で徐々に窒素ガスを導入してス
パッタリングを続けると、クロムの一部は窒化クロムに
転換する。このようにすると、ピストンリングの母材に
近い方は、密着性の良い金属クロムが形成され皮膜層の
剥離が防止される。摺動面に近い方は耐摩耗性に優れて
いる窒化クロムが多くなる。また、複合皮膜層内の窒化
クロムの量は連続的に増加し、そして遂には全体が窒化
クロムとなる。さらに窒化クロム層の中でも母材から最
も離れた側ではＣｒ２ＮとＣｒＮあるいはＣｒＮからな
る層が生成する。第１表に、母材温度を４００℃とし、
種々の窒素ガス分圧でスパッタリングを行ったとき、形
成される皮膜の組織と硬度の関係を示した。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、金属クロムの代わ
りに単体の窒化クロムが増加し、硬度も大きくなり、さ
らに皮膜層の最表面はＣｒ２ＮとＣｒＮあるいはＣｒＮ
からなる層が生成するることがわかる。 （実施例） 実施例１ 本発明に使用したマグネトロン型ハイレートスパッタリ
ング装置の概要を第２図に示す。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の上方には、ターゲット源の金属５が設置し
てある。真空容器４の側壁には窒素ガス供給口９とプラ
ズマ用アルゴンガスの導入管８が設けてある。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１×１
０−２ｔｏｒｒ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。次にアルゴンガスを導
入し、１×１０−３ｔｏｒｒ程度に減圧して、スパッタ
リングを開始する。次に窒素ガス供給口９より窒素ガス
を徐々に導入し、スパッタリングを続ける。スパッタリ
ングされたターゲット源の金属５は、容器内の窒素と一
部反応して、母材１に金属窒化物の複合皮膜を形成す
る。呼び径×幅×厚さが、φ７７ｍｍ×１．５×３．１
のＳＫＤ−６１材のピストンリングを適当な間隔で並べ
て母材１として、初めは、窒素ガスを導入せずにスパッ
タリングを行って金属クロムの下地層を形成した。２分
経過後から徐々に窒素ガスを導入して以下の条件で反応
性スパッタリングを実施した。 母材温度： ４００℃ スパッタ電力：１ＫＷ 窒素ガス分圧：０から３．０×１０−３ｔｏｒｒまで変
化させる アルゴンガス分圧：１×１０−３ｔｏｒｒ ターゲット材：金属クロム 処理時間：１０分 母材バイアス：−１００Ｖ 上記の処理をピストンリングの上下摺動面に行い、厚さ
がそれぞれ６μｍであり、最外層がＣｒＮからなる皮膜
層を形成した。 実施例２ 窒素ガス分圧を１．５×１０−３ｔｏｒｒまで変化させ
た他は実施例１と同じ方法を行い最外層がＣｒ２ＮとＣ
ｒＮからなる皮膜層を形成した。本実施例１、２により
得られたピストンリングと、比較のため、従来の硬質ク
ロムめっきを施したピストンリングを水冷４サイクル４
気筒、１３００ｃｃのエンジンに組み込み７５００回
転、全負荷で５時間の実機試験を行い、ピストンリング
上下面の摩耗量を測定した。 （発明の効果）測定の結果、本発明によるピストンリン
グは、従来の硬質クロムめっきを施したものに比べて、
摩耗量は約１／５であった。また、スパッタリングによ
り得られた複合皮膜層の表面は平坦で、仕上げ加工は不
要であった。このように、ピストンリング母材表面側が
金属クロムからなり、最外層が窒化クロムからなる皮膜
層を有する本発明のピストンリングは、密着性、耐摩耗
性に優れたピストンリングとして、エンジンの耐久性を
向上させる上で顕著な効果を示すことが理解できる。
【図面の簡単な説明】
第１図に、本発明のピストンリングを示す。
図中 １…ピストンリング
２…複合皮膜層
第２図に、本発明の実施例のマグネトロン型ハイレート
スパッタリング装置の概要を示す。 図中 １…母材（ピストンリング） ２…母材保持具 ４…真空容器 ５…ターゲット源 ６…水冷銅パイプ ７…シャッター ８…アルゴンガス導入口 ９…窒素ガス導入口
スパッタリング装置の概要を示す。 図中 １…母材（ピストンリング） ２…母材保持具 ４…真空容器 ５…ターゲット源 ６…水冷銅パイプ ７…シャッター ８…アルゴンガス導入口 ９…窒素ガス導入口
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 （１）ピストンリングの少なくとも上下摺動面に、金属
クロムとＣｒ２Ｎ窒化クロムからなるピストンリング母
材表面側からＣｒＮ窒化クロムからなる最外層まで、窒
素の比率が母材表面側から前記被膜層の表面に向かって
連続的又は断続的に変化している皮膜層が形成されてい
ることを特徴とするピストンリング。 （２）ピストンリングの少なくとも上下摺動面に、金属
クロムとＣｒ２Ｎ窒化クロムからなるピストンリング母
材表面側からＣｒ２Ｎ窒化クロムとＣｒＮ窒化クロムか
らなる最外層まで、窒素の比率が母材表面側から前記被
膜層の表面に向かって連続的又は断続的に変化している
皮膜層が形成されていることを特徴とするピストンリン
グ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31889093A JP2500147B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31889093A JP2500147B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | ピストンリング |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61069814A Division JPH0765543B2 (ja) | 1986-03-29 | 1986-03-29 | ピストンリング |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0821302A true JPH0821302A (ja) | 1996-01-23 |
| JP2500147B2 JP2500147B2 (ja) | 1996-05-29 |
Family
ID=18104113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31889093A Expired - Lifetime JP2500147B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2500147B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006005288A1 (de) * | 2004-07-03 | 2006-01-19 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Verfahren zur erzeugung einer beschichtung auf einem kolbenring sowie kolbenring |
| JP2007063673A (ja) * | 1997-11-06 | 2007-03-15 | Dowa Holdings Co Ltd | 窒素含有Ｃｒ被膜とその製造方法およびこの被膜を有する機械部材 |
-
1993
- 1993-11-12 JP JP31889093A patent/JP2500147B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007063673A (ja) * | 1997-11-06 | 2007-03-15 | Dowa Holdings Co Ltd | 窒素含有Ｃｒ被膜とその製造方法およびこの被膜を有する機械部材 |
| WO2006005288A1 (de) * | 2004-07-03 | 2006-01-19 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Verfahren zur erzeugung einer beschichtung auf einem kolbenring sowie kolbenring |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2500147B2 (ja) | 1996-05-29 |
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