JPH11230342A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPH11230342A
JPH11230342A JP5442598A JP5442598A JPH11230342A JP H11230342 A JPH11230342 A JP H11230342A JP 5442598 A JP5442598 A JP 5442598A JP 5442598 A JP5442598 A JP 5442598A JP H11230342 A JPH11230342 A JP H11230342A
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JP
Japan
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piston ring
tin
coating
hard coating
crystal
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Application number
JP5442598A
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English (en)
Inventor
Shoji Tanaka
昭二 田中
Naoki Ito
直樹 伊藤
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Teikoku Piston Ring Co Ltd
Original Assignee
Teikoku Piston Ring Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンリングに被覆されるTiNまたはT
iNとTiの混合からなる硬質皮膜の耐焼付性の改善と
皮膜の厚膜化を図る。 【解決手段】 ピストンリング1の全表面にガス窒化層
2を形成し、外周面のガス窒化層2上にTiNまたはT
iNとTiの混合からなる硬質皮膜3を1〜80μmの
厚さで被覆する。硬質皮膜3はピストンリング1の軸方
向破断面の結晶が母材側から皮膜表面側に向かって成長
している柱状組織を呈し、TiNの結晶は被覆面に平行
に(111)面あるいは(200)面の優先方位を持
ち、硬度はビッカース硬度でHV900〜2000の範
囲にある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のピストン
に装着されるピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、エンジンの高出力化や排気ガス規
制対応に伴って、ピストンリングの使用環境が益々過酷
になっており、耐久性能を満足できないエンジンが多く
なってきている。そこで、窒化クロム(CrX Y )、
酸素や炭素を固溶したCrN、窒化モリブデン(MoX
Y )、あるいはTiC等からなる多くの硬質皮膜が提
案されている。また、TiNからなる硬質皮膜について
も従来から知られており、特公平1−52471号や特
公平3−33944号に示されているように、多くの提
案がなされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記硬
質皮膜の中でTiNからなる硬質皮膜は靱性が乏しいた
め、厚くすると皮膜にクラックや欠けが発生することか
ら、膜厚は実際上5μm程度が限度であった。また、過
酷なエンジンにおいては、耐焼付性の点でも不充分であ
った。
【0004】本発明は、ピストンリングに被覆されるT
iNまたはTiNとTiの混合からなる硬質皮膜の耐焼
付性の改善と皮膜の厚膜化を図ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の構成は、TiN
またはTiNとTiの混合からなる硬質皮膜が外周摺動
面に被覆されているピストンリングにおいて、前記硬質
皮膜は、ピストンリングの軸方向破断面の結晶が母材側
から皮膜表面側に向かって柱状に成長している柱状組織
を呈しており、皮膜硬度がビッカース硬度でHV900
〜2000の範囲にあることを特徴とする。
【0006】柱状組織は、皮膜をピストンリングの軸方
向に折った破断面の結晶が母材側から皮膜表面側に向か
って柱状に成長しており、結晶粒は比較的大きい。アー
クイオンプレーティング法によると、バイアス電圧が低
く、炉内圧が高いほど柱状組織になりやすい。
【0007】なお、本発明の皮膜破断面の柱状組織に対
して、従来の皮膜破断面の結晶は粒状組織を呈してい
る。粒状組織は皮膜のピストンリング軸方向破断面に凹
凸がほとんどなく平坦になっており、結晶粒はかなり微
細化されている。
【0008】前記硬質皮膜の硬度はビッカース硬度でH
V900以上、HV2000以下が耐焼付性の点から好
ましく、HV1200〜1800の範囲がより好まし
い。
【0009】前記硬質皮膜のTiNの結晶中に酸素およ
び炭素のうちの少なくとも1種が固溶されていると、皮
膜の耐焼付性および靱性が改善される。
【0010】TiNは面心立方の結晶構造を有する。そ
して、TiNの結晶は被覆面に平行に(111)面ある
いは(200)面の優先方位を持つのが耐焼付性の点か
ら好ましい。ただし、(111)面の優先方位を持つ皮
膜の方が耐焼付性が優れる。(111)面の優先方位を
持つ皮膜の場合、(111)面と(200)面の回折ピ
ークの相対比率は1.3〜20の範囲が望ましく、1.
4〜6.7の範囲がより望ましい。
【0011】前記硬質皮膜はピストンリングの外周摺動
面における最表面に形成する他、前記硬質皮膜を、Ti
Nからなり前記硬質皮膜よりも硬度の高い硬質皮膜の下
に被覆することにより、密着性を改善することができ
る。
【0012】前記硬質皮膜の厚さは1μm以上が好まし
く、最大80μmまで可能である。従来のTiNを有す
る硬質皮膜は最大膜厚が実際上5μm程度であったが、
本発明では最大膜厚が80μmまで可能である。これ
は、皮膜破断面の結晶を柱状組織にしたことにより、従
来の粒状組織のTiNと比較して皮膜の残留応力を小さ
くすることができ、靱性を向上させることができたから
である。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図1に
より説明する。
【0014】図1(a)において、ピストンリング1の
全表面にガス窒化層2が20〜90μmの厚さで形成さ
れており、外周面のガス窒化層2上にTiNまたはTi
NとTiの混合からなる硬質皮膜3が1〜80μmの範
囲の厚さで被覆されている。硬質皮膜3は、ピストンリ
ング1の軸方向に折った破断面の結晶が母材側から皮膜
表面側に向かって成長している柱状組織を呈しており、
TiNの結晶は被覆面に平行に(111)面あるいは
(200)面の優先方位を持ち、硬度はビッカース硬度
でHV900〜2000の範囲にある。
【0015】図1(b)は別の例を示しており、TiN
からなり皮膜硬度がビッカース硬度でHV2100〜2
400の範囲にある硬質皮膜4の密着性を改善するため
に、この皮膜4の下に前記図1(a)で説明した硬質皮
膜3を被覆する。すなわち、ピストンリング1の全表面
にガス窒化層2が20〜90μmの厚さで形成されてお
り、外周面のガス窒化層2上に前記図1(a)で説明し
た硬質皮膜3が1〜50μmの厚さで被覆されており、
更にその上に、硬度の高い上記硬質皮膜4が1〜70μ
mの厚さで被覆されている。
【0016】上記硬質皮膜は、金属Tiを蒸発源とし、
窒素ガスをプロセスガスとするイオンプレーティング法
によって被覆することができる。皮膜組成は窒素ガス流
量のコントロールにより調整することができる。また、
酸素、炭素、あるいは酸素と炭素を固溶させるには、プ
ロセスガスとして窒素ガスの他に、それぞれ、酸素ガ
ス、CH4 ガス、C2 4 ガスおよびC2 2 ガスのう
ちの少なくとも1種、酸素ガスとCH4 ガス、C2 4
ガスおよびC2 2 ガスのうちの少なくとも1種とを使
用すればよい。皮膜破断面の結晶組織は炉内圧とバイア
ス電圧のコントロールにより調整する。炉内圧を高くす
ると柱状組織になり、逆に低くすると粒状組織になる。
また、バイアス電圧を低くすると柱状組織になり、逆に
高くすると粒状組織になる。皮膜硬度は、炉内圧を低く
すると上昇し、バイアス電圧を高くすると上昇する。
【0017】以下、硬質皮膜の耐焼付性を評価するため
に、高面圧焼付試験機を使用して行った耐焼付性試験に
ついて説明する。
【0018】皮膜の結晶構造および結晶の優先方位はX
線ディフラクトメータによる回折図形で決定した。酸素
固溶量、炭素固溶量および炭素含有量の分析はX線マイ
クロアナライザで行った。皮膜破断面の結晶組織は走査
型電子顕微鏡により観察した。
【0019】測定した皮膜の結晶構造、酸素固溶量、炭
素固溶量、硬度、破断面の結晶組織、および結晶の優先
方位を表1に示し、表2に試験結果を示す。
【0020】図2(a)は、表1に示す実施例3の硬質
皮膜の破断面の顕微鏡写真(1200倍)を示す。この
写真によると、母材側から皮膜表面に向かって柱状に結
晶が成長していることが認められる。図2(b)は、表
1に示す実施例6の硬質皮膜の破断面の顕微鏡写真(9
00倍)であり、母材側の下層が柱状組織で、上層が粒
状組織であることが認められる。図2(c)は、表1に
示す比較例2の硬質皮膜の破断面の顕微鏡写真(125
0倍)であり、粒状組織であることが認められる。
【0021】図3は、表1に示す実施例2の硬質皮膜の
X線回折図形(管球:Cu)で、(111)面の優先方
位を持つことを観察でき、(111)面と(200)面
の回折ピークの相対比率が3.3であるのを観察でき
る。図4は、表1に示す実施例5の硬質皮膜のX線回折
図形(管球:Cu)で、(200)面の優先方位を持つ
ことを観察できる。
【0022】(1)高面圧焼付試験機 図5に高面圧焼付試験機の構成を示す。ステータ10は
ロータ11側の面に円形状の凹部を備えており、この凹
部にディスク12(鋳鉄材:FC250相当)が固定さ
れている。ディスク12はロータ11側に突出してお
り、ロータ11側の表面は垂直な平坦面をなしている。
ディスク12の中心部には油孔13がステータ10の軸
方向に形成されており、この油孔13に連通する細長い
油孔14がステータ10に斜めに形成されている。これ
らの油孔13,14を通じて、ステータ10のディスク
12と後述するピン15との接触部に潤滑油が供給され
る。ロータ11は水平軸を中心に回転し、ステータ10
側の面に円形状の凹部が形成されており、この凹部に円
盤形状のピンホルダ16がロータ11に同心状に固定さ
れている。ピンホルダ16のステータ10側の面には、
同一円上に等間隔をおいて4つの凹部が形成されてお
り、これらの凹部にそれぞれ試験片としてのピン15
(φ8mm)が挿入されて固定されている。各ピン15
はピンホルダ16の表面からステータ10側に水平に突
出されている。
【0023】各ピン15の突出端面には表1に示す硬質
皮膜が形成されており、この端面がステータ10のディ
スク12面に接触している。
【0024】したがって、ステータ10に荷重Pをかけ
てディスク12をピン15に押接し、ピン15とディス
ク12の接触部分に油孔13,14を通じて潤滑油を供
給しながらロータ11を回転させる。このロータ11の
摺動速度を一定にして、荷重Pを変動していったとき、
ピン15が焼き付いたときの焼付発生荷重を測定した。
【0025】なお、表2に示す試験結果は、比較例1の
硬質皮膜の焼付発生荷重を基準としたときの焼付面圧比
を示してある。
【0026】(2)試験条件 潤滑油 :10Wディーゼルエンジンオイル 荷重(P) :初期200Nから3分間隔で100Nず
つステップアップ 摺動速度 :8m/s一定 油温 :85℃
【0027】(3)試験結果 表2に示されているように、実施例の硬質皮膜はいずれ
も、比較例の硬質皮膜よりも耐焼付性が優れている。
【0028】次に、エンジン実験を行った結果を説明す
る。
【0029】前記試験で使用した比較例1,2,3,
4,6の皮膜と、実施例1〜9の皮膜を、トップリング
の外周摺動面に被覆して、エンジン実験を行った。エン
ジンはボア径φ85mmの直列4気筒4サイクルガソリ
ンエンジンを使用した。このエンジンを全負荷の条件で
100時間運転した後、トップリングの外周摺動面を観
察した。その結果を表3に示す。表3に示されているよ
うに、比較例の硬質皮膜はいずれも焼付が発生したが、
実施例の硬質皮膜はいずれも焼付が発生しなかった。
【0030】 (注1)実施例4の優先方位はTiNについてのものである。 (注2)比較例1〜5の各皮膜の厚さは5μmであり、比較例6〜9、実施例1 〜5および実施例7〜9の各皮膜の厚さは20μmであり、実施例6の 皮膜の厚さは下層が5μm、上層が15μmである。 (注3)比較例5における20の値は炭素含有量(重量%)である。
【0031】
【0032】
【0033】
【発明の効果】以上説明したように本発明のTiNまた
はTiNとTiの混合からなる硬質皮膜を被覆したピス
トンリングは、耐焼付性に優れるとともに皮膜の厚膜化
を図れるので、優れた耐久性を具備することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示しており、(a)および
(b)はそれぞれピストンリングの一部分を示す縦断面
図である。
【図2】(a)は実施例3の皮膜の破断面の顕微鏡写
真、(b)は実施例6の皮膜の破断面の顕微鏡写真、
(c)は比較例2の皮膜の破断面の顕微鏡写真である。
【図3】実施例2の皮膜のX線回折図形を示す。
【図4】実施例5の皮膜のX線回折図形を示す。
【図5】高面圧焼付試験機を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 ピストンリング 2 ガス窒化層 3,4 TiNまたはTiNとTiの混合からなる硬質
皮膜 10 ステータ 11 ロータ 12 ディスク 13,14 油孔 15 ピン 16 ピンホルダ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 TiNまたはTiNとTiの混合からな
    る硬質皮膜が外周摺動面に被覆されているピストンリン
    グにおいて、 前記硬質皮膜は、ピストンリングの軸方向破断面の結晶
    が母材側から皮膜表面側に向かって柱状に成長している
    柱状組織を呈しており、皮膜硬度がビッカース硬度でH
    V900〜2000の範囲にあることを特徴とするピス
    トンリング。
  2. 【請求項2】 前記TiNの結晶中に酸素および炭素の
    うちの少なくとも1種が固溶されていることを特徴とす
    る請求項1記載のピストンリング。
  3. 【請求項3】 前記TiNの結晶が被覆面に平行に(1
    11)面の優先方位を持つことを特徴とする請求項1ま
    たは2記載のピストンリング。
  4. 【請求項4】 前記TiNの結晶の(111)面と(2
    00)面の回折ピークの相対比率が1.3〜20の範囲
    にあることを特徴とする請求項3記載のピストンリン
    グ。
  5. 【請求項5】 前記TiNの結晶が被覆面に平行に(2
    00)面の優先方位を持つことを特徴とする請求項1ま
    たは2記載のピストンリング。
  6. 【請求項6】 前記硬質皮膜の厚さが1〜80μmの範
    囲にあることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記
    載のピストンリング。
  7. 【請求項7】 請求項1〜5のいずれかに記載のピスト
    ンリングの硬質皮膜上に、この硬質皮膜よりも硬度が高
    くTiNからなる硬質皮膜が被覆されていることを特徴
    とするピストンリング。
  8. 【請求項8】 前記下層の硬質皮膜の厚さが1〜50μ
    mの範囲にあり、前記上層の硬質皮膜の厚さが1〜70
    μmの範囲にあることを特徴とする請求項7記載のピス
    トンリング。
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