JPH01156461A - ピストンリングの表面処理方法 - Google Patents
ピストンリングの表面処理方法Info
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- JPH01156461A JPH01156461A JP31575187A JP31575187A JPH01156461A JP H01156461 A JPH01156461 A JP H01156461A JP 31575187 A JP31575187 A JP 31575187A JP 31575187 A JP31575187 A JP 31575187A JP H01156461 A JPH01156461 A JP H01156461A
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- coating layer
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Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、耐摩耗性に優れたピストンリングの表面処理
方法に係り、更に詳しくは、イオンプレーティング法に
よる耐摩耗性と耐焼き付き性とが改善された耐久性に優
れたピストンリングの窒化処理方法に関する。
方法に係り、更に詳しくは、イオンプレーティング法に
よる耐摩耗性と耐焼き付き性とが改善された耐久性に優
れたピストンリングの窒化処理方法に関する。
(従来技術と問題点)
近年、内燃機関の高性能化に伴い各機能部品に対し、益
々過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まし
て高回転、高温、高面圧等の厳しい環境に曝され、その
耐久性の向上が要求されており、−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。
々過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まし
て高回転、高温、高面圧等の厳しい環境に曝され、その
耐久性の向上が要求されており、−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。
これらの表面処理では、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充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過酷な
運転条件の下で使用される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。
ピストンリングでは耐摩耗性が充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過酷な
運転条件の下で使用される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、従来ピストンリングに採用されている窒
化処理は、高温(約570℃)の状態でなされるために
ピストンリングに変形が生じやすいと共に、製造コスト
が上昇するという難がある。
化処理は、高温(約570℃)の状態でなされるために
ピストンリングに変形が生じやすいと共に、製造コスト
が上昇するという難がある。
更に、従来の窒化処理による場合には耐摩耗性に有効な
窒化層はせいぜい10μm程度の厚さのものであり、し
たがって耐久時間が短いという難点がある。又、現在量
も広く採用されているクロムめっきに比して耐焼き付き
性が充分とはいえず焼き付きが発生しやすいという問題
点がある。
窒化層はせいぜい10μm程度の厚さのものであり、し
たがって耐久時間が短いという難点がある。又、現在量
も広く採用されているクロムめっきに比して耐焼き付き
性が充分とはいえず焼き付きが発生しやすいという問題
点がある。
(問題点を解決するための手段)
本発明は、上述の従来の窒化処理の問題点に着目してな
されたものであり、過酷な使用条件下においても充分な
耐摩耗性と耐焼き付き性を有し、耐久性の良好なピスト
ンリングの窒化表面処理方法を提供することを目的とす
る。
されたものであり、過酷な使用条件下においても充分な
耐摩耗性と耐焼き付き性を有し、耐久性の良好なピスト
ンリングの窒化表面処理方法を提供することを目的とす
る。
本発明は、反応ガスを含む雰囲気中で蒸発物質を蒸発さ
せて、被処理物表面に反応ガスと蒸発物質との反応生成
物でなる被覆層を形成する反応性イオンプレーティング
法を利用し、反応ガスとして窒素ガスを、蒸発物質とし
てクロムを採用することによりピストンリングの少なく
とも外周摺動面に厚さ10〜50μmのCr2N型の窒
化クロムでなる被覆層を形成させることを特徴とする内
燃機関用ピストンリングの表面処理方法である。
せて、被処理物表面に反応ガスと蒸発物質との反応生成
物でなる被覆層を形成する反応性イオンプレーティング
法を利用し、反応ガスとして窒素ガスを、蒸発物質とし
てクロムを採用することによりピストンリングの少なく
とも外周摺動面に厚さ10〜50μmのCr2N型の窒
化クロムでなる被覆層を形成させることを特徴とする内
燃機関用ピストンリングの表面処理方法である。
ここで、反応性イオンプレーティング法とは、反応ガス
雰囲気中で蒸発物質を蒸発させ、気相状態においてイオ
ン化し、負バイアスにされた基板面に前記反応ガスと蒸
発物質イオンとの反応生成物でなる被覆層を形成させる
公知の表面処理方法であって、低温において緻密な被覆
層が形成される特徴を有するものである。
雰囲気中で蒸発物質を蒸発させ、気相状態においてイオ
ン化し、負バイアスにされた基板面に前記反応ガスと蒸
発物質イオンとの反応生成物でなる被覆層を形成させる
公知の表面処理方法であって、低温において緻密な被覆
層が形成される特徴を有するものである。
本発明においてピストンリングの摺動面に形成される表
面被覆層は、雰囲気ガスを窒素ガスとし。
面被覆層は、雰囲気ガスを窒素ガスとし。
蒸発物質をクロムとする反応イオンプレーティング法に
よって形成されるCr2N型の窒化クロムの窒化層であ
る。
よって形成されるCr2N型の窒化クロムの窒化層であ
る。
蒸発物質としてクロムを採用する場合、クロムは反応性
イオンプレーティングにおいて蒸発物質として従来多用
されているTiなどに比べてその蒸気圧が高く、従って
、本発明の窒化クロム層の形成速度は大でありピストン
リングの表面処理方法として実用可能な方法となる。
イオンプレーティングにおいて蒸発物質として従来多用
されているTiなどに比べてその蒸気圧が高く、従って
、本発明の窒化クロム層の形成速度は大でありピストン
リングの表面処理方法として実用可能な方法となる。
又、従来の窒化処理ピストンリングの摺動面に形成され
る窒化物層の厚さは、高々10μmが限度であり耐久寿
命の点で難があったが、本発明にれよる場合、ピストン
リングの摺動面に形成される窒化クロム被覆層の厚さを
10μm以上に厚く形成させることが可能であり、従っ
て、耐久寿命の充分なピストンリングを得ることができ
る。
る窒化物層の厚さは、高々10μmが限度であり耐久寿
命の点で難があったが、本発明にれよる場合、ピストン
リングの摺動面に形成される窒化クロム被覆層の厚さを
10μm以上に厚く形成させることが可能であり、従っ
て、耐久寿命の充分なピストンリングを得ることができ
る。
一方、窒化被覆層の厚さを50μmを超えて厚くするこ
とは被覆層に剥離が発生しゃすくなり、又、過剰品質と
なるので本発明では被覆層の厚さの範囲を10〜50μ
mとした。
とは被覆層に剥離が発生しゃすくなり、又、過剰品質と
なるので本発明では被覆層の厚さの範囲を10〜50μ
mとした。
尚、本発明では、ピストンリング上下面の耐摩耗性を向
上させるために、上下面にも前記の窒化被覆層を形成す
るとかできるが、ピストンリング上下面の窒化層の厚さ
は10μm以下でも有効である。
上させるために、上下面にも前記の窒化被覆層を形成す
るとかできるが、ピストンリング上下面の窒化層の厚さ
は10μm以下でも有効である。
(実施例)
本発明による窒化処理方法を実施例に基づいて詳細に説
明する。
明する。
第3図に使用した反応性イオンプレーティング装置の概
要を示す0本装置においては蒸発エネルギー源としてH
CD型電子銃を用いたが、高周波放電を利用するイオン
化機構を有する装置においては通常の電子銃を採用する
こともできる。
要を示す0本装置においては蒸発エネルギー源としてH
CD型電子銃を用いたが、高周波放電を利用するイオン
化機構を有する装置においては通常の電子銃を採用する
こともできる。
容器3内に収容されたピストンリング保持具4は図示し
ない回転装置により回転する。保持具4に保持されたピ
ストンリング母材1はその上方に位置するヒータ5によ
り約400℃に加熱、保温されている。ビス1〜ンリン
グ母材1の下方には水冷銅るつぼ6が配設され、るつぼ
6内には蒸発物質となるクロム7が収容されている。容
器3の側壁には雰囲気ガスを導入するガス導入’1iF
9とHCD銃10が設けられ、HCD銃10からのプラ
ズマビームを蒸発物質7に収束する収束コイル8が設け
られている。尚、容器3は図示しない真空ポンプに連結
され減圧可能となっている。
ない回転装置により回転する。保持具4に保持されたピ
ストンリング母材1はその上方に位置するヒータ5によ
り約400℃に加熱、保温されている。ビス1〜ンリン
グ母材1の下方には水冷銅るつぼ6が配設され、るつぼ
6内には蒸発物質となるクロム7が収容されている。容
器3の側壁には雰囲気ガスを導入するガス導入’1iF
9とHCD銃10が設けられ、HCD銃10からのプラ
ズマビームを蒸発物質7に収束する収束コイル8が設け
られている。尚、容器3は図示しない真空ポンプに連結
され減圧可能となっている。
以上の装置を用いて1合金鋼SU8 440Cからなる
外径80mmX幅1.5mmX厚さ3.5mmのトップ
リングを複数本まとめて母材1として約400℃に昇温
させ、ガス導入管9からアルゴンガスを導入して容器3
内に圧力をI X 10−1torrとし、ピストンリ
ング母材1を陰極として10分間のスパッタクリーニン
グを行なった後、るつぼ6内に収容されたクロム7をプ
ラズマビームにより蒸発させ、ガス導入管9より蒸発ガ
スを容器3内に導入し、容器3内を4 X 10−’t
orrにして40分間コーティングを行った。ここで、
プラズマビーム出力を約50OAとし、ピストンリング
母材1には一30Vのバイアス電圧を印加しておいた。
外径80mmX幅1.5mmX厚さ3.5mmのトップ
リングを複数本まとめて母材1として約400℃に昇温
させ、ガス導入管9からアルゴンガスを導入して容器3
内に圧力をI X 10−1torrとし、ピストンリ
ング母材1を陰極として10分間のスパッタクリーニン
グを行なった後、るつぼ6内に収容されたクロム7をプ
ラズマビームにより蒸発させ、ガス導入管9より蒸発ガ
スを容器3内に導入し、容器3内を4 X 10−’t
orrにして40分間コーティングを行った。ここで、
プラズマビーム出力を約50OAとし、ピストンリング
母材1には一30Vのバイアス電圧を印加しておいた。
第1図に示す得られた被覆層2について下記の調査及び
試験を行なった。
試験を行なった。
(1)被覆層の構成組織のX線解析による調査(2)被
覆層の厚さ及び硬さ (3)耐摩耗性試験 (4)耐焼き付き性試験 調査及び試験の結果は下記の通りであった。
覆層の厚さ及び硬さ (3)耐摩耗性試験 (4)耐焼き付き性試験 調査及び試験の結果は下記の通りであった。
(1)被覆層の構成組織のX線解析による調査結果ピス
トンリング母材外周面に形成された被覆層の組織構成を
X線解析により調査した結果、被覆層はCr2N型の窒
化クロムからなるクロムの窒化物であることが確認され
た。
トンリング母材外周面に形成された被覆層の組織構成を
X線解析により調査した結果、被覆層はCr2N型の窒
化クロムからなるクロムの窒化物であることが確認され
た。
(2)被覆層の厚さ及び硬さ
本発明品のCr2N型の窒化クロムでなる被覆層の厚さ
は35μmと、従来の窒化処理では得られない程度に厚
く形成することができた。
は35μmと、従来の窒化処理では得られない程度に厚
く形成することができた。
本発明品の硬さはHMV1500〜2000と従来の窒
化処理品のHMV700〜1100に比べて約2倍と著
しく改善された高硬度を示しており、耐久性の良好なピ
ストンリングであることが確認された。
化処理品のHMV700〜1100に比べて約2倍と著
しく改善された高硬度を示しており、耐久性の良好なピ
ストンリングであることが確認された。
(3)耐摩耗性試験
耐摩耗性試験は、上記のピストンリングに仕上げ加工し
、得られたトップリングを実際のエンジンに装着してベ
ンチテストによって耐摩耗性と耐焼き付き性の評価試験
を行なった。
、得られたトップリングを実際のエンジンに装着してベ
ンチテストによって耐摩耗性と耐焼き付き性の評価試験
を行なった。
試験条件を下記に記す。
使用エンジン
4気筒 1800cc
シリンダ 内径80mmX行程89mm運転条件
回転数 600Or、p、m 4/41oad燃
料 有鉛ガソリン 時 間 200時間 尚、比較のために従来のクロムめっき処理を施したピス
トンリング及び状来の方法により窒化処理を施したピス
トンリングについて同様な試験を行なった。
料 有鉛ガソリン 時 間 200時間 尚、比較のために従来のクロムめっき処理を施したピス
トンリング及び状来の方法により窒化処理を施したピス
トンリングについて同様な試験を行なった。
試験結果を第2図に示す。
第2図より明らかなように、本発明のピストンリングの
摩耗量は7μmと比較量のクロムめっきリングの56μ
mに対して大幅に低減しており、又、従来の窒化処理リ
ングの21μmに対しても1/3と少なく、且つ相手材
のシリンダの摩耗量も2μmと比較量のクロムめっきと
略同程度、従来の窒化処理リングの4μmと半分と耐摩
耗性に著しく優れていることが確認された。
摩耗量は7μmと比較量のクロムめっきリングの56μ
mに対して大幅に低減しており、又、従来の窒化処理リ
ングの21μmに対しても1/3と少なく、且つ相手材
のシリンダの摩耗量も2μmと比較量のクロムめっきと
略同程度、従来の窒化処理リングの4μmと半分と耐摩
耗性に著しく優れていることが確認された。
(4)耐焼き付き性試験
合金鋼5US440Cからなる縦5mmX横5mm×高
さ10mmの試験片を用いて、5mm角の正方形端面に
厚さ35μmの本発明による窒化処理層を形成した試験
片を作成して、超高圧摩耗試験機によって耐焼き付き性
試験を行なった。
さ10mmの試験片を用いて、5mm角の正方形端面に
厚さ35μmの本発明による窒化処理層を形成した試験
片を作成して、超高圧摩耗試験機によって耐焼き付き性
試験を行なった。
比較例として、試験片の5mm角の正方形端面に厚さ5
0μmの硬質クロームめっき層及び従来の窒化処理によ
り厚さ8μ墓の窒化層を形成した試験片を用いて同様な
試験を行なった。
0μmの硬質クロームめっき層及び従来の窒化処理によ
り厚さ8μ墓の窒化層を形成した試験片を用いて同様な
試験を行なった。
本試験に用いた超高圧摩耗試験機の装置と試験条件は次
の通りである。
の通りである。
試験装置は第4図および第4図のA−A矢視断面図であ
る第5図に要部を図解的に示すものであって、ステータ
ホルダ11に取外し可能に取付けられた直径80mmX
厚さ10mmの研磨仕上げを施した円板12(金手材)
の中央には裏側から注油孔13を通して潤滑油が注油さ
れる。ステータホルダ11には図示しない油圧装置によ
って図において右方に向けて所定圧力で押圧力Pが作用
するようにしである。円板12に相対向してロータ14
があり1図示しない駆動装置によって所定速度で回転す
るようにしである。ロータ14の円板12に対する端面
に取付られた試験片保持具15には、表面処理層を形成
した5ml11角の正方形端面を摺動面として試験片2
0が同心円上に等間隔に4個取外し可能に且つ円板12
に対して摺動自在に取付けである。
る第5図に要部を図解的に示すものであって、ステータ
ホルダ11に取外し可能に取付けられた直径80mmX
厚さ10mmの研磨仕上げを施した円板12(金手材)
の中央には裏側から注油孔13を通して潤滑油が注油さ
れる。ステータホルダ11には図示しない油圧装置によ
って図において右方に向けて所定圧力で押圧力Pが作用
するようにしである。円板12に相対向してロータ14
があり1図示しない駆動装置によって所定速度で回転す
るようにしである。ロータ14の円板12に対する端面
に取付られた試験片保持具15には、表面処理層を形成
した5ml11角の正方形端面を摺動面として試験片2
0が同心円上に等間隔に4個取外し可能に且つ円板12
に対して摺動自在に取付けである。
このような装置において、ステータホルダ11に所定の
押圧力Pをかけ、所定の面圧で円板12と試験片20と
が接触するようにしておいて、注油孔13から摺動面に
所定給油速度で給油しながらロータ14を回転させる。
押圧力Pをかけ、所定の面圧で円板12と試験片20と
が接触するようにしておいて、注油孔13から摺動面に
所定給油速度で給油しながらロータ14を回転させる。
一定時間毎にステータホルダ11に作用する圧力を段階
的に増加していき、ロータ14の回転によって試験片2
0と相手の円板12との摩擦によってステータホルダ1
1に生ずるトルクTをスピンドル16を介してロードセ
ル17に作用せしめ、その変化を動歪計18で読み取り
記録計19に記録させる。トルクTが急激に上昇したと
き焼き付きが発生したものとして、この時の接触面圧を
もって耐焼き付き性の良否を判断する。
的に増加していき、ロータ14の回転によって試験片2
0と相手の円板12との摩擦によってステータホルダ1
1に生ずるトルクTをスピンドル16を介してロードセ
ル17に作用せしめ、その変化を動歪計18で読み取り
記録計19に記録させる。トルクTが急激に上昇したと
き焼き付きが発生したものとして、この時の接触面圧を
もって耐焼き付き性の良否を判断する。
試験条件は次の通りである。
摩擦速度: 5 m/sec
相手材: シリンダライナ用鋳鉄FC25接触面圧:
20 kg/am2でならした後、焼き付き発生まで
10 kg/Cm” ずつ増圧、各面圧に3分間保持 潤滑油: モータオイル#30 油 温 80℃ 供給量400 cc/win 試験結果、本発明品は接触面圧150 kg/am”で
焼き付きが発生したが、比較量のクロムめっき品の耐焼
き付き面圧110 kg/cm2以上であり、窒化処理
品の130kg/cm”に対しても耐焼き付き性が優れ
ていることが確認された。
20 kg/am2でならした後、焼き付き発生まで
10 kg/Cm” ずつ増圧、各面圧に3分間保持 潤滑油: モータオイル#30 油 温 80℃ 供給量400 cc/win 試験結果、本発明品は接触面圧150 kg/am”で
焼き付きが発生したが、比較量のクロムめっき品の耐焼
き付き面圧110 kg/cm2以上であり、窒化処理
品の130kg/cm”に対しても耐焼き付き性が優れ
ていることが確認された。
(効果)
本発明による反応性イオンプレーティング法を利用し、
反応ガスとして窒素ガスを、蒸発物質としてクロムを採
用することによりピストンリングの少なくとも外周摺動
面にCr2N型の窒化クロムでなる被覆層を形成させる
ことにより、耐摩耗性と耐焼付性に優れた被膜層を厚く
形成することが可能となり、耐久性の良好なピストンリ
グが得られた工業上の効果は顕著である。
反応ガスとして窒素ガスを、蒸発物質としてクロムを採
用することによりピストンリングの少なくとも外周摺動
面にCr2N型の窒化クロムでなる被覆層を形成させる
ことにより、耐摩耗性と耐焼付性に優れた被膜層を厚く
形成することが可能となり、耐久性の良好なピストンリ
グが得られた工業上の効果は顕著である。
第1図 本発明のピストンリングの一実施例を示す断面
図 第2図 耐摩耗性試験結果を示すグラフ図第3図 反応
性イオンプレーティング装置の一例を示す説明図 第4図 超高圧摩耗試験一部破砕説明図第5図 第4図
のA−A矢視断面図 1:ピストンリング母材 2:被覆層3:容器
4:リング保持具 5:ヒータ6:水冷銅るつぼ
7:蒸発物質9:ガス導入管 10 :
HOD銃11:ステータホルダ
図 第2図 耐摩耗性試験結果を示すグラフ図第3図 反応
性イオンプレーティング装置の一例を示す説明図 第4図 超高圧摩耗試験一部破砕説明図第5図 第4図
のA−A矢視断面図 1:ピストンリング母材 2:被覆層3:容器
4:リング保持具 5:ヒータ6:水冷銅るつぼ
7:蒸発物質9:ガス導入管 10 :
HOD銃11:ステータホルダ
Claims (1)
- 反応ガスを含む雰囲気中で蒸発物質を蒸発させて、被処
理物表面に反応ガスと蒸発物質との反応生成物でなる被
覆層を形成する反応性イオンプレーティング法により、
反応ガスとして窒素ガスを、又蒸発物質としてクロムを
採用して、ピストンリングの少なくとも外周摺動面に厚
さ10〜50μmのCr_2N型の窒化クロムでなる被
覆層を形成させることを特徴とするピストンリングの表
面処理方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31575187A JPH01156461A (ja) | 1987-12-14 | 1987-12-14 | ピストンリングの表面処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31575187A JPH01156461A (ja) | 1987-12-14 | 1987-12-14 | ピストンリングの表面処理方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01156461A true JPH01156461A (ja) | 1989-06-20 |
Family
ID=18069107
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP31575187A Pending JPH01156461A (ja) | 1987-12-14 | 1987-12-14 | ピストンリングの表面処理方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01156461A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06248425A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-09-06 | Riken Corp | ピストンリング |
US5718437A (en) * | 1995-12-19 | 1998-02-17 | Teikoku Piston Ring Co., Ltd. | Combined oil ring with spacer/expander having Cr2 N coating thereon |
JPH11190429A (ja) * | 1997-12-24 | 1999-07-13 | Teikoku Piston Ring Co Ltd | 組合せオイルリングのスペーサエキスパンダおよび組合せオイルリングならびにその製造方法 |
CN103194719A (zh) * | 2012-01-05 | 2013-07-10 | 曾云发 | 高性能陶瓷活塞环制造技术 |
-
1987
- 1987-12-14 JP JP31575187A patent/JPH01156461A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06248425A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-09-06 | Riken Corp | ピストンリング |
US5718437A (en) * | 1995-12-19 | 1998-02-17 | Teikoku Piston Ring Co., Ltd. | Combined oil ring with spacer/expander having Cr2 N coating thereon |
JPH11190429A (ja) * | 1997-12-24 | 1999-07-13 | Teikoku Piston Ring Co Ltd | 組合せオイルリングのスペーサエキスパンダおよび組合せオイルリングならびにその製造方法 |
CN103194719A (zh) * | 2012-01-05 | 2013-07-10 | 曾云发 | 高性能陶瓷活塞环制造技术 |
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