JPS6187950A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPS6187950A
JPS6187950A JP20798684A JP20798684A JPS6187950A JP S6187950 A JPS6187950 A JP S6187950A JP 20798684 A JP20798684 A JP 20798684A JP 20798684 A JP20798684 A JP 20798684A JP S6187950 A JPS6187950 A JP S6187950A
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chromium
nitride
covering layer
phase
piston ring
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Katsumi Takiguchi
勝美 滝口
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 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
トンリングに関する。
〔従来技術と問題点〕
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せる。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。
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
分ではない場合かあり、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。
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
ブレーティング法により金属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57−65837号
)。
しかしながら、金属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
示すものではあるが、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。
また、イオンブレーティング法による上記被膜の形成は
被膜の生成速度が遅く、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。
〔発明の目的〕
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
示すピストンリングを捉供することを目的としてなされ
たものである。
〔発明の構成及び効果〕
この発明は、ピストンリングの摺動面に、金属クロムと
窒化クロムとが超微細に混合してなる被覆層を形成させ
ることにより、前記の目的を達成する。
ここで、前記被rI1層において、金属クロム相と窒化
クロム相との混合相の微細化の程度は、光学顕微鏡によ
る観察では識別が困難であり、X線解析によりクロム相
と窒化クロム相との共存が確認可能な程度に微細化され
ているもので、該混合相の大きさは概ね100OA以下
である。
なお、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ブ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クロムの一部を窒化クロム
に転換させせることにより金属クロム相と窒化クロム相
との超微細な混合相とすることにより形成することがで
きる。
本発明において、被覆層を構成する成分をクロムとその
窒化物とした理由は、反応性イオンブレーティング法に
より母材金属表面に形成されるクロム相が該母材金属と
の密着性が良好であり、また、その熱膨張係数が該母材
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、本発明で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、イオンブ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のそれよりも大であり、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、I X 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240 m m離れて位置す
る炭素鋼(545C)板の表面にクロムまたはチタンを
蒸着させたところ、チタンの蒸着速度は0゜34μ/ 
m i nであるのに対してクロムのそれは4.0μ/
 m i nであり、クロムの蒸着速度は極めて速いも
のである。
本発明のピストンリングは、その摺動面に金属クロムと
窒化クロムとの超微細な混合組織でなる被覆層を形成さ
せたものである。したがって、該被覆層とリング母材と
の密着は良好であり且つその耐JI?!耗耐焼き付き特
性は、硬質クロムめっき層を有する従来のピストンリン
グに比べ格段に優れたもとなる。
〔実施例〕
1、 OOX 1. OOX 10 m m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。これを反応性オンブレーティング
装置の容器中にセットし、該容器内を排気して5 X 
10″−4torrの真空として後、試料を加熱した。
試料が所定温度に達してから容器内にアルゴンガスを導
入してI X 1 ff2torr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について厚さお
よび硬さを測定した。
なお、被覆層の構成組織はX線解析によ、っておこなっ
た。操作条件および調査結果を第1表および第5図に示
す。
第1表 第1表より次のことが理解できる。
(1)窒素分圧が高くなると蒸着層中の窒化クロムが消
失し、金属クロムと窒化クロムとの混合組織が得られな
くなる。
(2)蒸着層の形成速度は窒素分圧が高くなるにつれて
低下する傾向を示している。
(3)蒸着層の硬度は、金属クロムと窒化クロムとが共
存する場合、HmV  1650と高く(試料NO,2
)、従来の硬質クロムめっき層の硬度(HmV  10
00程度)に比較して大幅に上昇されており、全体が窒
化クロムである硬度との差は比較的少ない。
(4)蒸着層の形成速度は数μm/minでありピスト
ンリングの表面処理として実用可能である。
前記の試料No、1〜2(本発明に係る表面波Uを有す
る試料)およびNO,3〜4(窒化クロムの表面被覆層
を有する試料)から一方の正方形端部が被覆層となるよ
うに5 X 5 X 10mmの試験片を採取し、耐焼
付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
びイオンブレーティング法により窒化チタンの被覆層を
形成させた試料(TiN)についても同様な試験を実施
した。
(耐焼き付き試験) 試験装置は第2図及び第3図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
うにしである。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6 0−タ(7)の円板(5)に対向する端部には試料保持
RC7a)が設けられていて、該試料保持1t17a)
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)が取り付けられ践摺動面が円板(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。
試験条件は次の通り。
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: 300m1/分 油温90℃ 接触圧カニ2Qkg/cm”から3分間経過毎に10k
g/cm”づつ上昇さ せる。
摺動相手材〔円板(5)) : tJ鉄材FC30試験
結果を第2表に示す。
−第2表一 層(No、1.2)は窒化チタンの被覆層に匹敵する耐
焼き付き特性を示し、硬質クロムめっき材に比較して格
段に優れた耐焼き付き特性を示している。
(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lookg/cm”とし、摩擦速度を3m/m 
i n t 5m/m i nt 8m/m i nと
し、摩擦距離を400km、給油量を500m17 m
 i nとして試験片と相手円板とを摺動させた後、試
験片および相手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高さで、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
面積でd(り定した。
試験ν;果を第4図に示す。
窒化クロムや窒化チタンでなる被覆層を有する試験片(
試料No、3.5およびTiN)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
に較べ良好な耐摩耗特性を示しており、金属クロムと窒
化クロムとの超微細混合組織でなる被覆層を有する試験
片(試料NO。
1.2.)は自身の摩耗量および相手円板の席耗量共に
試料N013,5やT i Nよりも少なく、一層優れ
た耐摩耗特性を示している。なお、試料No、4は前記
耐焼き付き特性試験において満足な特性を示さなかった
ので、本耐摩耗試験の対象から除いた。
次に、第1図に示すように、ばね811 (SLIP−
8)製ピストンリング(2)を製作し、その外周摺動面
に前記方法により金属クロムと窒化クロムとの超微?l
I+混合組織をなす表面被覆層(3)を形成した。
被覆F3(3)の形成条件およびその特性は次の通りで
ある。
形成条件:Arガス分圧、、、 l X I O−’t
orr窒素ガス分圧、、、 0 、3 X 10−3t
orr電子ビーム出力、、、25V−300A素材温度
、、、400℃ 処理時間、、、60分 被覆層特性:被覆層厚さ、、、 30μm硬  さ  
   、、、ll+nV  1 6 0 0組 織  
、1.X線解析により金属クロムと窒化クロムとの 共存を確認した。
」二記のビス1〜ンリングを排気量1500CG、水冷
4気筒の4サイクルガソリンエンジンの第1圧カリング
に組み込み、加用ガソリンを燃T:Fとして回転数55
00rpm、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
リングの外周面の摩耗量は79μmであったのに対し、
本発明のピストンリングのそれは11μm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。
以上の通りで、本発明のピストンリングは、耐焼き付き
特性が良好で且つ耐摩耗特性に優れており、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特にその
効果が顕著である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のピストンリングの一例を示す断面図、
第2〜3図は耐焼き付きおよび耐lli+:耗試験装置
を示す一部断面図および側面図、第4図は耐摩耗試験結
果を示すグラフ図6第5図は各試料についてのX線解析
チャートを示す図。 図中:  1.、、ピストンリング母材200.ピスト
ンリング 301.被rI1層 400.ステータ 5000円板(摺動相手材) 730.ロータ 800.試料

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 少なくとも一つの摺動面に、金属クロムと窒化クロムと
    の超微細な混合組織でなる被覆層を形成させたことを特
    徴とするピストンリング。
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