JPH08226541A - Piston ring for internal combustion engine - Google Patents

Piston ring for internal combustion engine

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JPH08226541A
JPH08226541A JP5366795A JP5366795A JPH08226541A JP H08226541 A JPH08226541 A JP H08226541A JP 5366795 A JP5366795 A JP 5366795A JP 5366795 A JP5366795 A JP 5366795A JP H08226541 A JPH08226541 A JP H08226541A
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crn
resistance
ring
ion plating
sample
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Motonobu Onoda
元伸 小野田
Katsuaki Ogawa
勝明 小川
Kazuo Shimizu
一夫 清水
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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Abstract

PURPOSE: To improve wear resistance and scuffing resistance by forming ion plating films made of a mixture of CrN nitride chrome, oxygen, and Cr2 N nitride chrome on outer peripheral slide faces. CONSTITUTION: Three annular grooves 1a, 1b, 1c are provided in a piston 1, and ion plating films 2A, 4A made of a mixture of CrN nitride chrome, oxygen, and Vr2 N nitride chrome are formed on outer peripheral slide faces of a pressure ring 2 and an oil ring 4. Mixture component ratios of CrN nitride chrome and oxygen are 45.0 to 98.0weight%, and 0.01 to 20.0weight% respectively. Cr2 N nitride chrome is a residual part. Consequently, it is possible to improve wear resistance and scuffing resistance and satisfy the demand for high- performance engine.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関用ピストンリン
グ関し、特に表面処理を施した内燃機関用ピストンリン
グに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly to a surface-treated piston ring for an internal combustion engine.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、内燃機関の高性能化に伴い、各機
能部品に対し益々苛酷な条件が課せられると共に、内燃
機関の寿命の延長が強く要求されている。ピストンリン
グも従来にも増して高回転、高温、高面圧等の厳しい環
境にさらされ、その耐久性の向上が要求されている。更
に、エンジン性能向上やコンパクト化の要求から、圧力
リング3本とオイルリング2本の組合せや、圧力リング
3本とオイルリング1本の組合せ、圧力リング2本とオ
イルリング1本の組合せ、圧力リング1本とオイルリン
グ1本の組合せ等、種々の内燃機関用ピストンリングの
組合せがディーゼルエンジンやガソリンエンジンに採用
されている。そしてピストンリングの耐久性を改善する
手段として摺動面に硬質クロムめっき処理や窒化処理等
の耐摩耗性処理が施されている。
2. Description of the Related Art In recent years, as the performance of an internal combustion engine has increased, more and more severe conditions have been imposed on each functional component, and there has been a strong demand for extending the life of the internal combustion engine. The piston ring is also exposed to severe environments such as high rotation, high temperature, and high surface pressure more than ever before, and its durability is required to be improved. Furthermore, in order to improve engine performance and reduce size, a combination of three pressure rings and two oil rings, a combination of three pressure rings and one oil ring, a combination of two pressure rings and one oil ring, and a pressure Various combinations of piston rings for internal combustion engines, such as a combination of one ring and one oil ring, are used in diesel engines and gasoline engines. As a means for improving the durability of the piston ring, the sliding surface is subjected to wear resistance treatment such as hard chrome plating treatment or nitriding treatment.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のクロム
めっき層を有するピストンリングでは、耐摩耗性が十分
でなくなってきており、窒化処理は優れた耐摩耗性を有
することから苛酷な運転条件の下で使用される第1圧力
リング(トップリング)の表面処理として注目され、最
近多く使用される傾向である。しかしながら、従来のピ
ストンリングに採用された窒化処理においてもいまだ耐
摩耗性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性の点で十分
とは言えなかった。
However, in the conventional piston ring having a chromium plating layer, the wear resistance is becoming insufficient, and the nitriding treatment has excellent wear resistance, so that it cannot be used under severe operating conditions. It has attracted attention as a surface treatment of the first pressure ring (top ring) used below, and it is often used recently. However, even the nitriding treatment adopted for the conventional piston ring is still insufficient in terms of wear resistance, scuffing resistance, and opponent attack resistance.

【0004】そこで、本発明は、耐摩耗性、耐スカッフ
ィング性が良好であり、又、相手攻撃性も可及的に減少
可能な(耐相手攻撃性が良好な)内燃機関用ピストンリ
ングを提供することを目的とする。
Therefore, the present invention provides a piston ring for an internal combustion engine, which has good wear resistance and scuffing resistance, and can reduce opponent attackability as much as possible (good opponent attack resistance). The purpose is to do.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、酸
素と、Cr2N型の窒化クロムとの混合物からなるイオ
ンプレーティング皮膜が形成され、混合組成比率がCr
N型窒化クロム:45.0〜98.0重量%、酸素:
0.01〜20.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残
部であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング内
燃機関用ピストンリングを提供している。
In order to achieve the above object, the present invention provides an ion plating on the outer peripheral sliding surface of a mixture of CrN-type chromium nitride, oxygen, and Cr 2 N-type chromium nitride. A film is formed and the mixture composition ratio is Cr
N-type chromium nitride: 45.0-98.0% by weight, oxygen:
Provided is a piston ring for an internal combustion engine, which comprises 0.01 to 20.0% by weight, Cr 2 N-type chromium nitride: the balance.

【0006】また本発明は、外周摺動面にCrN型の窒
化クロムと、金属Crと、酸素と、Cr2N型窒化クロ
ムとの混合物からなるイオンプレーティング皮膜が形成
され、混合組成比率がCrN型窒化クロム:45.0〜
98.0重量%、Cr:0.5〜15.5重量%、酸
素:0.01〜20.0重量%、Cr2N型窒化クロ
ム:残部であることを特徴とする内燃機関用ピストンリ
ングを提供している。
Further, according to the present invention, an ion plating film made of a mixture of CrN type chromium nitride, metal Cr, oxygen, and Cr 2 N type chromium nitride is formed on the outer peripheral sliding surface, and the mixture composition ratio is CrN-type chromium nitride: 45.0-
98.0% by weight, Cr: 0.5 to 15.5% by weight, oxygen: 0.01 to 20.0% by weight, Cr 2 N-type chromium nitride: balance, piston ring for internal combustion engine Are offered.

【0007】更に、上記のいずれのピストンリングにお
いて、混合物からなるイオンプレーティング皮膜の気孔
率が0.5〜20.0%であることが好ましい。
Further, in any of the above piston rings, the porosity of the ion plating film made of the mixture is preferably 0.5 to 20.0%.

【0008】[0008]

【作用】上記範囲のCrN型窒化クロムとCr2N型窒
化クロムの混合物にさらに酸素(O)を含有させたイオ
ンプレーティング皮膜、又はCrN型窒化クロムとCr
2N型窒化クロムとCrとの混合物に更に酸素を含有さ
せたイオンプレーティング皮膜を外周摺動面に形成した
圧力リングまたはオイルリングはその皮膜の有する耐摩
耗性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性及び耐剥離性
によりエンジン高性能化の要求を満たすことが可能であ
る。
[Function] An ion plating film in which oxygen (O) is further contained in a mixture of CrN type chromium nitride and Cr 2 N type chromium nitride in the above range, or CrN type chromium nitride and Cr
2 A pressure ring or oil ring with an ion-plating film containing oxygen in a mixture of N-type chromium nitride and Cr formed on the outer peripheral sliding surface has wear resistance, scuffing resistance, and counterattack resistance It is possible to meet the demands for higher engine performance due to the heat resistance and peeling resistance.

【0009】下表にCr2N、CrNの諸物性を示す。
これによりCr2N、CrN各々単独では、硬く、か
つ、脆いことが分る。
The physical properties of Cr 2 N and CrN are shown in the table below.
From this, it can be seen that Cr 2 N and CrN alone are hard and brittle.

【0010】 Cr2N CrN 理論密度(g/cm3) 6.51 6.14 硬度Hv(kg/mm2) 1800〜2500 1500〜2200 弾性率(kg/mm2) 約35000 約25000Cr 2 N CrN theoretical density (g / cm 3 ) 6.51 6.14 hardness Hv (kg / mm 2 ) 1800 to 2500 1500 to 2200 elastic modulus (kg / mm 2 ) about 35,000 about 25,000

【0011】従ってPVD法により生成された各々の単
一イオンプレーティング皮膜を単独で用いた場合には、
研削・研磨時における加工性の悪さ等から欠け、剥離が
多く発生し、良品率が著しく低下する。また、その完成
品を内燃機関にて使用した場合、発生する動的衝撃、及
び熱的衝撃に対し、極めて弱く、折損等を引き起こし易
くなり、その優れた耐摩耗性、耐スカッフィング性を十
分に活用することができない。
Therefore, when each single ion plating film produced by the PVD method is used alone,
Due to poor workability during grinding / polishing, chipping and peeling occur frequently, and the yield rate is significantly reduced. In addition, when the finished product is used in an internal combustion engine, it is extremely weak against dynamic shock and thermal shock and easily breaks, and its excellent wear resistance and scuffing resistance are sufficient. Cannot be utilized.

【0012】これに対し、上記組成範囲における混合イ
オンプレーティング皮膜においては、両者の内では低硬
度、低弾性率のCrNを45重量%より多く含有させ、
残りをCr2Nとすることにより、Cr2N(六方晶)C
rN(立方晶)の結晶は、晶系が異なることも効果し、
相互に複雑に絡み合いながらイオンプレーティング皮膜
を生成する。さらにこれに酸素を含有させることにより
皮膜の硬度やや高めることにより最も優れた耐摩耗性、
耐スカッフィング性を有するCrN単独からなるイオン
プレーティング皮膜と同等の耐摩耗性、耐スカッフィン
グ性を損なうことなく、むしろ酸素を含有させる事によ
りこれらの諸特性を向上させながら、耐衝撃性、靱性を
向上させ、欠け、剥離、折損等を克服した優れた摺動部
材を得ることができる。
On the other hand, in the mixed ion plating film in the above composition range, CrN having a low hardness and a low elastic modulus is contained in an amount of more than 45% by weight,
By making the balance Cr 2 N, Cr 2 N (hexagonal) C
rN (cubic crystal) crystals are also effective in that they have different crystal systems,
Ion plating film is formed while intricately interlocking with each other. Furthermore, by adding oxygen to this, the hardness of the film is slightly increased and the best wear resistance,
It does not impair the wear resistance and scuffing resistance equivalent to the ion plating film consisting of CrN alone, which has scuffing resistance, but rather improves the various properties by adding oxygen, while improving impact resistance and toughness. It is possible to obtain an excellent sliding member that is improved and has overcome chipping, peeling, breakage, and the like.

【0013】しかしながら、CrN単独のイオンプレー
ティング皮膜の耐摩耗性に比較し、Cr2N単独のイオ
ンプレーティング皮膜のそれは低い為、CrNを45重
量%以下にした混合イオンプレーティング皮膜では、そ
の耐摩耗性は急激に低下するとともに皮膜密着性が極め
て低い。またCrNを98.0重量%以上混合しても耐
摩耗性、皮膜密着性の急激な増加は見込まれない。
However, as compared with the wear resistance of the ion plating film of CrN alone, that of the ion plating film of Cr 2 N alone is low, so that in the mixed ion plating film in which CrN is 45% by weight or less, Abrasion resistance drops sharply and film adhesion is extremely low. Even if CrN is mixed in an amount of 98.0% by weight or more, a sharp increase in wear resistance and coating adhesion is not expected.

【0014】一方、酸素含有量は0.01重量%以下で
は皮膜硬度を高めることができず、また20.0重量%
以上では皮膜強度は脆くなる。また、この混合イオンプ
レーティング皮膜中にCrを0.5〜15.0重量%含
有させることにより、つまり、セラミックスの結晶粒界
に金属(Cr)を介在させることにより、結晶粒相互間
の粘着力を強化せしめ、イオンプレーティング皮膜の靱
性を向上させることが可能となる。これにより、欠け、
剥離、折損等の克服に更なる効果を発揮することができ
る。しかし、Cr含有量が0.5重量%以下では効果が
なく、また、15.0重量%を上回ると逆に耐スカッフ
ィング性を低下させることになる。
On the other hand, if the oxygen content is less than 0.01% by weight, the film hardness cannot be increased, and the content is 20.0% by weight.
Above, the film strength becomes brittle. Further, by including 0.5 to 15.0% by weight of Cr in this mixed ion plating film, that is, by interposing a metal (Cr) in the crystal grain boundary of ceramics, the adhesion between crystal grains can be improved. It is possible to strengthen the force and improve the toughness of the ion plating film. This caused the chip,
Further effects can be exerted in overcoming peeling, breakage, and the like. However, if the Cr content is 0.5% by weight or less, there is no effect, and if it exceeds 15.0% by weight, the scuffing resistance is deteriorated.

【0015】イオンプレーティング皮膜の靱性は、その
皮膜の気孔率によっても大きく影響される。従って上記
イオンプレーティング皮膜の気孔率を0.5〜20.0
%にし、欠け、剥離、折損等の克服に更なる効果を発揮
することができる。しかしながら、気孔率が0.5%以
下では皮膜の緻密度が高くなり脆くなり、欠けや、剥離
等が発生しやすくなる。逆に、気孔率が20.0%を上
回るとイオンプレーティング皮膜自体の強度が低下し、
コラプション気味となり耐摩耗性は低下する。
The toughness of the ion plating film is greatly influenced by the porosity of the film. Therefore, the porosity of the ion plating film is 0.5 to 20.0.
%, It is possible to exert a further effect in overcoming chipping, peeling, breakage, and the like. However, when the porosity is 0.5% or less, the denseness of the coating becomes high and the coating becomes brittle, and chipping, peeling and the like are likely to occur. On the contrary, when the porosity exceeds 20.0%, the strength of the ion plating film itself decreases,
Corruption tends to occur and wear resistance decreases.

【0016】[0016]

【実施例】本発明の内燃機関用ピストンリングを図1な
いし図6に基づいて説明する。図1は本発明実施例の内
燃機関用ピストンリングを示す。ピストン1には3個の
環状溝1a、1b、1cが刻設され、燃焼室に近い順に
第1圧力リング2(トップリング)、第2圧力リング
3、オイルリング4が装着されている。オイルリング4
は組合せオイルリングであり、サイドレール4aとスペ
ーサエキスパンダ4bとから構成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A piston ring for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a piston ring for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. The piston 1 is provided with three annular grooves 1a, 1b, 1c, and a first pressure ring 2 (top ring), a second pressure ring 3, and an oil ring 4 are mounted in order from the combustion chamber. Oil ring 4
Is a combination oil ring and is composed of a side rail 4a and a spacer expander 4b.

【0017】圧力リング2、3の母材はステンレス鋼
(17Crステンレス鋼)製であり、オイルリング4の
サイドレール4aの母材もステンレス鋼(13Crステ
ンレス鋼)である。また、リング2、3、4の外周摺動
面はシリンダライナ5に摺接している。第1圧力リング
2とオイルリング4の外周摺接面にはイオンプレーティ
ング皮膜2A、4Aがそれぞれ形成されている。第1圧
力リング2は、摩耗が最も顕著であるため、耐摩耗製、
耐スカッフィング性、耐相手攻撃性の向上を目的として
外周摺動面にイオンプレーティング皮膜2Aが形成され
る。また、オイルリング4についても、それが摩耗する
と油掻き作用が失われ、オイル上がりが増すので、潤滑
油の消費が増え、また燃焼室に潤滑油が流入して燃焼状
態に悪影響を与える。よって、オイルリング4の外周摺
動面にも、イオンプレーティング皮膜4Aが形成され
る。
The base material of the pressure rings 2 and 3 is made of stainless steel (17Cr stainless steel), and the base material of the side rail 4a of the oil ring 4 is also stainless steel (13Cr stainless steel). The outer peripheral sliding surfaces of the rings 2, 3, 4 are in sliding contact with the cylinder liner 5. Ion plating films 2A and 4A are formed on the outer peripheral sliding contact surfaces of the first pressure ring 2 and the oil ring 4, respectively. Since the first pressure ring 2 has the most remarkable wear,
An ion plating film 2A is formed on the outer peripheral sliding surface for the purpose of improving scuffing resistance and opponent attack resistance. Also, with respect to the oil ring 4, when it wears, the oil scraping action is lost and the oil rise increases, so that the consumption of the lubricating oil increases and the lubricating oil flows into the combustion chamber, which adversely affects the combustion state. Therefore, the ion plating film 4A is also formed on the outer peripheral sliding surface of the oil ring 4.

【0018】上述した実施例のイオンプレーティング皮
膜2A、4Aは、公知の反応性イオンプレーティング法
により形成される。この方法は、窒素等の反応ガス中に
Crを蒸発させ、気相状態でイオン化して、マイナスに
バイアスされた母材表面に反応ガスと蒸発物質イオンと
の反応生成物、すなわちCrNとCr2Nの混合を、又
はCrNとCr2NとCrの混合を形成させる表面処理
方法である。
The ion plating films 2A and 4A of the above-mentioned embodiment are formed by a known reactive ion plating method. In this method, Cr is evaporated in a reaction gas such as nitrogen, ionized in a gas phase, and a reaction product of the reaction gas and vaporized material ions, that is, CrN and Cr 2 A surface treatment method in which a mixture of N or a mixture of CrN, Cr 2 N and Cr is formed.

【0019】次に内燃機関用ピストンリングの耐摩耗性
試験並びにシリンダライナ攻撃性試験について説明す
る。まずCr2N型単独のイオンプレーティング皮膜を
施したもの、Cr2N型とCrN型混合のイオンプレー
ティング皮膜を施したもの及びCrN型単独のイオンプ
レーティング皮膜を施したものの特性について試験し
た。具体的にはエンジンに適合するサイズの圧力リング
サンプルとオイルリングサンプルを用意した。なお1気
筒当りの圧力リングとオイルリングの本数はそれぞれ1
である。またシリンダボアは鋳鉄であり、具体的にはF
C25相当である。
Next, the wear resistance test and the cylinder liner attack test of the internal combustion engine piston ring will be described. First, the characteristics of the ion-plated film of Cr 2 N type alone, the ion-plated film of mixed Cr 2 N type and CrN type, and the one of ion-plated film of Cr N type alone were tested. . Specifically, a pressure ring sample and an oil ring sample having sizes compatible with the engine were prepared. The number of pressure rings and oil rings per cylinder is 1 each.
Is. Further, the cylinder bore is cast iron, and specifically, F
It is equivalent to C25.

【0020】圧力リングの母材はクロムを17%含有す
るステンレス、サイドレールはクロムを13%含有する
ステンレスとし、サンプルIは該リング母材該周摺動面
に厚さ30μmのCr2N型イオンプレーティング皮膜
を施したもの、サンプルIIは該リング母材外周摺動面
に厚さ30μmのCr2N型とCrN型が混在するイオ
ンプレーティング皮膜を施したものであり、Cr2N型
とCrN型の含有比率は50:50である。そしてサン
プルIIIは該リング母材外周摺動面に厚さ30μmの
CrN型イオンプレーティング皮膜を施したものであ
る。
The base material of the pressure ring is stainless steel containing 17% chromium and the side rails are stainless steel containing 13% chromium. Sample I is Cr 2 N type with a thickness of 30 μm on the peripheral surface of the ring base material. one treated by an ion-plating coating, sample II are those subjected to ion-plating coating Cr 2 N-type and CrN-type thickness 30μm on the ring substrate outer circumferential sliding surface are mixed, Cr 2 N-type And the CrN type content ratio is 50:50. Sample III has a 30 μm thick CrN-type ion plating film on the outer peripheral sliding surface of the ring base material.

【0021】以上のサンプルを4サイクル水冷4気筒1
600ccのガソリンエンジンに組込み、全負荷運転で
200時間の耐久テストを行った。図2は圧力リングと
オイルリングのサイドレールの摩耗量及び相手シリンダ
の上死点付近の摩耗量データを示すグラフである。図2
から、圧力リング、オイルリングとともに、Cr2N型
単独のイオンプレーティング皮膜を施したものよりも、
Cr2N型とCrN型混合のイオンプレーティング皮膜
を施したもの及びCrN型単独のイオンプレーティング
皮膜を施したものが耐摩耗性に優れていることが判明し
た。
The above sample was used as a 4-cycle water-cooled 4-cylinder cylinder 1.
It was installed in a 600 cc gasoline engine, and a durability test was performed for 200 hours under full load operation. FIG. 2 is a graph showing the wear amount of the side rails of the pressure ring and the oil ring and the wear amount data near the top dead center of the mating cylinder. Figure 2
Therefore, the pressure ring and the oil ring are better than the Cr 2 N type ion plating film.
It was found that the one having the ion plating film of the Cr 2 N type and the CrN type mixed and the one having the ion plating film of the CrN type alone had excellent wear resistance.

【0022】図示していないが、通常の窒化処理のリン
グの摩耗量を「1」とした場合、CrN型イオンプレー
ティング皮膜付きリングでは摩耗量はその約1/5程度
であり、Cr2N型とCrN型混合のイオンプレーティ
ング皮膜付きリング(サンプルB)では約1/10程度
であるから、通常の窒化処理を施した圧力リングやオイ
ルリングに比較して、イオンプレーティング皮膜を施し
たリングは摩耗量が著しく小さい。
Although not shown in the figure, when the wear amount of the normal nitriding ring is set to "1", the wear amount of the CrN type ion-plated coating ring is about ⅕ that of Cr 2 N 2. It is about 1/10 in the ring with ion plating film (Sample B) of mixed type and CrN type, so the ion plating film is applied as compared with the pressure ring or oil ring that is subjected to normal nitriding treatment. The amount of wear of the ring is extremely small.

【0023】また、シリンダへの攻撃性については、2
00時間運転後のシリンダの摩耗量を測定した。サンプ
ルIと摺動関係にあったシリンダではその摩耗量が1.
5μmであり、サンプルIIと摺動関係にあったシリン
ダではその摩耗量が1.0μmであり、サンプルIII
と摺動関係にあったシリンダではその摩耗量が1.0μ
mであった。特にCr2N型とCrN型混合のイオンプ
レーティング皮膜を施したサンプルIIはCrN型イオ
ンプレーティング皮膜を施したサンプルIIIと同様
に、耐相手攻撃性が良好であることがわかった。
Regarding the aggression to the cylinder, 2
The amount of wear of the cylinder after running for 00 hours was measured. The wear amount of the cylinder that had a sliding relationship with Sample I was 1.
5 μm, and the wear amount of the cylinder having a sliding relationship with Sample II was 1.0 μm.
The wear amount is 1.0μ for the cylinder that has a sliding relationship with
It was m. In particular, it was found that the sample II coated with the Cr 2 N type and CrN type mixed ion plating film has a good resistance to the opponent attack, similarly to the sample III coated with the CrN type ion plating film.

【0024】次に、本発明による内燃機関用ピストンリ
ングのリング単体での優秀性を確認するために、テスト
片に様々な表面処理を施し、各種試験を行った。テスト
片の母材はステンレス鋼であり、それらの表面処理は表
1に示す。
Next, in order to confirm the excellence of the single ring of the internal combustion engine piston ring according to the present invention, various surface treatments were applied to the test pieces and various tests were conducted. The base material of the test pieces is stainless steel, and their surface treatments are shown in Table 1.

【0025】[0025]

【表1】 [Table 1]

【0026】試料1〜試料8は厚さ50μmのイオンプ
レーティング層を有し、試料9は厚さ50μmのクロム
めっき層を有する。
Samples 1 to 8 have an ion plating layer having a thickness of 50 μm, and sample 9 has a chromium plating layer having a thickness of 50 μm.

【0027】組成 :X線回析図形の各組成の反射強
度比により決定 気孔率 :断面方向の切断された検鏡試料面の画像処理
から算定 耐摩耗性試験 摩耗試験気:アムスラー型摩耗試験機 回転片(外径:40mm、内径:16mm、厚さ:10
mm) 固定片(18mm×15mm×5mm):当り面側に各
種皮膜材(厚さ=50μm) 周速:1m/sec、潤滑油:10W30、油温:80
℃ 荷重:150kg、時間:7時間
Composition: Determined by the reflection intensity ratio of each composition of the X-ray diffraction pattern Porosity: Calculated from image processing of the cut specimen surface of the speculum in the cross-sectional direction Abrasion resistance test Abrasion test gas: Amsler abrasion tester Rotating piece (outer diameter: 40 mm, inner diameter: 16 mm, thickness: 10
mm) Fixed piece (18 mm × 15 mm × 5 mm): Various coating materials (thickness = 50 μm) on the contact surface side peripheral speed: 1 m / sec, lubricating oil: 10W30, oil temperature: 80
℃ load: 150kg, time: 7 hours

【0028】上記試験条件において耐摩耗性試験を行っ
た。回転片の材料はシリンダライナ用鋳鉄(C:3.2
重量%、Si:2.1重量%、Mn:0.8重量%、
P:0.3重量%、Cu:0.4重量%、Mo:0.2
重量%、B:0.1重量%、Fe:残部)を用いた。結
果は試料9の摩耗量を指数100として図3に図示し
た。
A wear resistance test was conducted under the above test conditions. The material of the rotating piece is cast iron for cylinder liner (C: 3.2
% By weight, Si: 2.1% by weight, Mn: 0.8% by weight,
P: 0.3% by weight, Cu: 0.4% by weight, Mo: 0.2
% By weight, B: 0.1% by weight, Fe: balance) were used. The results are shown in FIG. 3 in which the wear amount of Sample 9 is 100.

【0029】図3から明らかなように、従来のクロムめ
っきを100とした場合に実施例試料3、5、7の摩耗
量指数が35〜40であり、クロムめっきを施した試料
9より耐摩耗性に優れていることが判る。また実施例試
料3、5、7の相手材(回転材)の摩耗量指数も40〜
53と低く、耐相手攻撃性を具備していることが判る。
試料2はCrN50%、Cr2N50%であり、Cr、
Oを含まない組成である。試料2の摩耗指数は40、5
0であり、クロムめっきを施した試料9より結果は良好
であった。Cr、Oを含まない組成である試料1の摩耗
指数は80、95であり、Oの組成が25%である試料
4では60、100であり、試料9と比較して同程度若
しくは若干良好であった。Crの組成が20%である試
料6や、気孔率25%である試料8は摩耗指数が100
を越え、クロムめっきを施した試料9より悪化したこと
がわかる。
As is apparent from FIG. 3, when the conventional chromium plating is set to 100, the wear amount index of the samples 3, 5 and 7 of the examples is 35 to 40, and the wear resistance is higher than that of the sample 9 plated with chromium. It turns out that it has excellent properties. In addition, the wear amount index of the mating material (rotating material) of Example samples 3, 5, and 7 is 40 to
It is as low as 53 and it can be seen that it has resistance to opponent attack.
Sample 2 is CrN 50%, Cr 2 N 50%, Cr,
The composition does not contain O. The wear index of sample 2 is 40, 5
It was 0, and the result was better than that of sample 9 plated with chromium. The wear index of the sample 1 having a composition not containing Cr and O is 80 and 95, and the wear index of the sample 4 having a composition of O of 25% is 60 and 100, which are comparable or slightly better than those of the sample 9. there were. The wear index of Sample 6 having a Cr composition of 20% and Sample 8 having a porosity of 25% is 100.
It can be seen that the deterioration was worse than that of Sample 9 plated with chrome.

【0030】耐スカッフィング性試験 摩耗試験機:アムスラー型摩耗試験機 回転片(外径:40mm、内径:16mm、厚さ:10
mm) 固定片(18mm×15mm×5mm):当り面側に各
種皮膜材(厚さ=50μm) 周速:5m/sec 潤滑油:SAE30+白灯油(1:1) 油温:50度℃ 油量:0.2L/min 荷重:スカッフ発生まで
Scuffing resistance test Abrasion tester: Amsler type abrasion tester Rotating piece (outer diameter: 40 mm, inner diameter: 16 mm, thickness: 10
mm) Fixed piece (18 mm × 15 mm × 5 mm): Various coating materials on the contact surface side (thickness = 50 μm) Peripheral speed: 5 m / sec Lubricating oil: SAE30 + white kerosene (1: 1) Oil temperature: 50 ° C Oil amount : 0.2L / min Load: Until scuffing

【0031】上記試験条件において耐スカッフィング試
験を行った。この試験は摩耗試験と同じ材質の回転片、
同じ各種皮膜材質の固定片を用いた。初めにテスト片の
摺動面に馴染みを持たせるために、テスト片を固定し、
荷重25kg/cm2にて20分間潤滑油を供給しなが
ら回転片を固定片に押圧接触させつつ回転させた。次の
面圧を30kg/cm2に上げ、2分毎に面圧を5kg
/cm2づつ上昇させスカッフィングが生じた時の荷重
を限界面圧として測定した。結果はクロムめっきのスカ
ッフィング発生面圧を指数100として図4に図示し
た。
A scuffing resistance test was conducted under the above test conditions. This test is a rotating piece made of the same material as the wear test,
The fixing pieces of the same various coating materials were used. First of all, in order to make the sliding surface of the test piece familiar, fix the test piece,
While the lubricating oil was supplied for 20 minutes at a load of 25 kg / cm 2, the rotating piece was rotated while pressingly contacting the fixed piece. Next, the surface pressure is increased to 30 kg / cm 2 , and the surface pressure is increased to 5 kg every 2 minutes.
/ Cm 2 increments an elevated scuffing was determined as a limit surface pressure load when produced. The results are shown in FIG. 4 with the surface pressure of scuffing of chrome plating being 100.

【0032】図4から明らかなように、従来のクロムメ
ッキの耐スカッフィング性を100とした場合、試料1
〜5、7の場合はクロムめっきよ耐スカッフィングが優
れていることが明かである。特に実施例試料3、5、7
はスカッフィング面圧指数が138、140、145と
高い結果を示した。一方Crを20%含有する試料6
や、気孔率が25%である試料8はスカッフィング面圧
指数が65〜70でありクロムめっきを施した試料9よ
り耐スカッフィング性が劣ることが判る。
As is apparent from FIG. 4, assuming that the conventional chrome plating has an anti-scuffing property of 100, Sample 1
In the cases of ~ 5 and 7, it is clear that the anti-scuffing property is superior to the chrome plating. In particular, Example samples 3, 5, and 7
Had high scuffing surface pressure indexes of 138, 140 and 145. On the other hand, sample 6 containing 20% Cr
It can be seen that Sample 8 having a porosity of 25% has a scuffing surface pressure index of 65 to 70 and is inferior in scuffing resistance to Sample 9 plated with chromium.

【0033】最後に、イオンプレーティング皮膜の母材
に対する密着性について評価試験を行った。直径90m
mのピストンリングを9本作成し、それらの外周面にそ
れぞれ耐摩耗性、耐スカッフ性の試験と同じ被覆を設け
た。皮膜の厚さはすべて50μmとした。密着性の評価
試験は図6に示されるようなねじり剥離試験機にて行っ
た。
Finally, an evaluation test was conducted on the adhesion of the ion plating film to the base material. 90m diameter
Nine m of piston rings were prepared, and the same coatings as those used in the wear resistance and scuff resistance tests were provided on the outer peripheral surfaces thereof. The thickness of each film was 50 μm. The adhesion evaluation test was carried out using a twist peel tester as shown in FIG.

【0034】ねじり剥離試験機を用いてツイスト試験を
行った。ツイスト試験においては、ピストンリング2の
合口21aの相対向する合口端部を掴持具32a、32
bで掴持し、掴持具32aを固定しておいて掴持具32
bをピストンリング2の直径方向で合口の反対側21b
を軸として一点鎖線で示されるように回転させてピスト
ンリング2を所定のねじり角度にてねじる。ねじり後
に、このピストンリング2の合口反対側21bを切断
し、切断面(破面)における皮膜層のリング母材からの
剥離の有無を目視で観察した。結果はクロムめっきの比
較例試料9の剥離角度を指数100として図5に図示し
た。
A twist test was conducted using a twist peel tester. In the twist test, the facing end portions of the facing port 21a of the piston ring 2 are held by the grippers 32a, 32.
hold the gripping tool 32a with the gripping tool 32b.
21b on the opposite side of the abutment in the diametrical direction of the piston ring 2
The piston ring 2 is twisted at a predetermined twist angle by rotating it about the axis as indicated by the alternate long and short dash line. After twisting, the opposite side 21b of the piston ring 2 was cut, and the presence or absence of peeling of the coating layer on the cut surface (fracture surface) from the ring base material was visually observed. The result is shown in FIG. 5 with the peeling angle of the comparative example sample 9 of chrome plating being 100.

【0035】図5から明かなように、従来のクロムメッ
キ試料の耐折損性を100とした場合、比較例試料2、
6及び実施例試料3、5、7の場合は剥離角度指数が1
10〜145でありクロムメッキより優れていることが
明かである。一方Cr、Oを含まない組成の比較試料1
やOが25%組成の比較試料4や、気孔率25%の比較
試料8は剥離角度指数が60〜75でありクロムめっき
を施した試料9より耐折損性が劣るものである。なお比
較例試料6はクロムめっきにたいして指数140であり
耐折損性は優れているが、図3、図4の耐摩耗性、耐ス
カッフィング性を同時に具備していないので使用に適さ
ない。
As is apparent from FIG. 5, when the breakage resistance of the conventional chromium-plated sample is set to 100, the comparative sample 2,
In the case of 6 and Example samples 3, 5, and 7, the peeling angle index is 1
It is clear that it is 10 to 145, which is superior to chrome plating. On the other hand, comparative sample 1 having a composition not containing Cr and O
Comparative sample 4 having a composition of 25% O and comparative sample 8 having a porosity of 25% had a peeling angle index of 60 to 75 and were inferior in breakage resistance to sample 9 plated with chromium. The comparative sample 6 has an index of 140 with respect to chromium plating and is excellent in breakage resistance, but is not suitable for use because it does not have the wear resistance and scuffing resistance of FIGS. 3 and 4 at the same time.

【0036】[0036]

【発明の効果】上記のとおり、本発明の内燃機関用ピス
トンリングは外周摺動面にCrN型窒化クロムが45.
0〜98.0重量%、酸素が0.01〜20.0重量
%、残部がCr2N型窒化クロムの混合物からなるイオ
ンプレーティング皮膜、または、CrN型窒化クロムが
45.0〜98.0重量%、金属クロムが0.5〜1
5.0重量%、酸素が0.01〜20.0重量%、残部
がCr2N型窒化クロムの混合物からなるイオンプレー
ティング皮膜を具備するから、耐摩耗性、耐スカッフィ
ング性、耐相手攻撃性に優れているだけでなく、相乗効
果によって耐剥離性も著しく向上するという格別の効果
を奏する。
As described above, in the piston ring for an internal combustion engine of the present invention, CrN-type chromium nitride of 45.
0 to 98.0% by weight, oxygen 0.01 to 20.0% by weight, the balance being an ion plating film made of a mixture of Cr 2 N-type chromium nitride, or CrN-type chromium nitride 45.0 to 98. 0% by weight, metallic chrome 0.5-1
5.0% by weight, 0.01 to 20.0% by weight of oxygen, and the balance being an ion plating film made of a mixture of Cr 2 N-type chromium nitride, so that abrasion resistance, scuffing resistance, and attack resistance against opponents Not only is it excellent in peeling property, but also has a remarkable effect that the peeling resistance is remarkably improved by a synergistic effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による内燃機関用ピストンリングの実施
例を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a piston ring for an internal combustion engine according to the present invention.

【図2】エンジン実機試験における圧力リング及びオイ
ルリング摩耗量及び相手材であるシリンダの摩耗量を示
すグラフ。
FIG. 2 is a graph showing the amount of wear of a pressure ring and an oil ring and the amount of wear of a cylinder as a mating material in an actual engine test.

【図3】各種表面処理が施されたテスト片と相手材の耐
摩耗性を示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing wear resistance of a test piece subjected to various surface treatments and a mating material.

【図4】各種表面処理が施されたテスト片の耐スカッフ
ィング性を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing the scuffing resistance of test pieces that have been subjected to various surface treatments.

【図5】各種表面処理が施されたテスト片の皮膜密着性
を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing the film adhesion of test pieces that have been subjected to various surface treatments.

【図6】密着性試験の試験装置を示す模式図。FIG. 6 is a schematic diagram showing a test device for an adhesion test.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2、3 圧力リング 4 オイルリング 5 シリンダライナー 2A、4A イオンプレーティング皮膜 2, 3 Pressure ring 4 Oil ring 5 Cylinder liner 2A, 4A Ion plating film

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、
酸素と、Cr2N型の窒化クロムとの混合物からなるイ
オンプレーティング皮膜が形成され、混合組成比率がC
rN型窒化クロム:45.0〜98.0重量%、酸素:
0.01〜20.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残
部であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
1. A CrN-type chromium nitride on the outer peripheral sliding surface,
An ion plating film made of a mixture of oxygen and Cr 2 N type chromium nitride is formed, and the mixture composition ratio is C.
rN-type chromium nitride: 45.0-98.0% by weight, oxygen:
0.01-20.0% by weight, Cr 2 N-type chromium nitride: The balance is a piston ring for an internal combustion engine.
【請求項2】 外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、
金属Crと、酸素と、Cr2N型窒化クロムとの混合物
からなるイオンプレーティング皮膜が形成され、混合組
成比率がCrN型窒化クロム:45.0〜98.0重量
%、Cr:0.5〜15.5重量%、酸素:0.01〜
20.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残部であるこ
とを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
2. A CrN-type chromium nitride on the outer peripheral sliding surface,
An ion plating film made of a mixture of metal Cr, oxygen, and Cr 2 N-type chromium nitride is formed, and the mixing composition ratio is CrN-type chromium nitride: 45.0 to 98.0 wt%, Cr: 0.5. ~ 15.5% by weight, oxygen: 0.01 ~
20.0% by weight, Cr 2 N-type chromium nitride: The balance is a piston ring for an internal combustion engine.
【請求項3】 混合物からなるイオンプレーティング皮
膜の気孔率が0.5〜20.0%であることを特徴とす
る請求項1または2記載の内燃機関用ピストンリング。
3. The piston ring for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the ion plating film made of the mixture has a porosity of 0.5 to 20.0%.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007063673A (en) * 1997-11-06 2007-03-15 Dowa Holdings Co Ltd NITROGEN-CONTAINING Cr FILM, ITS PRODUCTION AND MACHINE MEMBER HAVING THIS FILM
JP2010163694A (en) * 1997-11-06 2010-07-29 Dowa Holdings Co Ltd NITROGEN-CONTAINING Cr FILM, AND MACHINE MEMBER HAVING THE FILM

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