JPH01159449A - 複合窒化層を有するピストンリング - Google Patents

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】 （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に係り、更
に詳しくは、イオンプレーティング法による複合窒化層
を有す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。

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。

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。

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１０μ−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する。

耐久性の良好な複合窒化層を有するピストンリングを提
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
窒化クロムでなる第１被覆相と、更にＣｒＮ型の窒化ク
ロムでなる第２被覆相とからなる複合被覆層を有するこ
とを特徴とする内燃機関用ピストンリングである。

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。

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、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型の窒化クロムの第１被覆相と、更にＣｒ
Ｎ型の窒化クロムの第２被覆相とからなる複合窒化層で
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。

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１本発明による場合、ピストンリ
ングの摺動面に形成される複合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、複合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やすくなり、又、過剰品
質となるので本発明では複合被覆層の厚さの範囲を１０
〜５０μｍ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、上下面にも前記の複合窒化被覆層を形
成するとかできるが、ピストンリング上下面の複合窒化
層の厚さは１０μｍ以下でも有効である。

（実施例） 本発明による複合窒化層を有するピストンリングを実施
例に基づいて詳細に説明する。

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。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。ピストンリング
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管９とＨＣ
Ｄ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６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５合金鋼ＳＵＳ　　４４０Ｇからな
る外径８０ｍｍＸ＠１．５ｍｍＸ厚さ３．５ｍｍのトッ
プリングを複数本まとめた母材１を約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１ｏ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３　Ｘ　１０−３ｔｏ
ｒｒにして４０分間コーティングを行なって、Ｃｒ２Ｎ
型の窒化クロムとＣｒＮ型の窒化クロムからなる窒化層
を形成した。

ここで、プラズマビーム出力を約５００Ａ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図に示す得られた複合被覆層について本紀の調査及
び試験を行なった。

（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。

（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１の外周面に形成された被覆層２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第１被覆相とＣｒＮ型の窒化ク
ロムからなる第２被覆相と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 本発明の複合被覆層の厚さは４０μｍと、従来の窒化処
理では得られない程度に厚く形成されていた。

本発明の複合被覆層の硬さはＨＭＶ１６００〜２０００
と従来の窒化処理ピストンリングのＨＭＶ７００〜１１
００の約２倍の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。　′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８９ｍ＋＊運転条件 回転数　　６００Ｏｒ、ｐ、ｍ　　４／４Ｌｏａｄ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。

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４μｍと比較品のクロムめっきリングの５０μ
−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１８μＩに対しても１／４と少なく、且つ相手材
のシリンダの摩耗量も２μ臘と比較品のクロムめっきと
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１０ＩＩＩ１１の試験片を用いて、５ｍｍ＋角の正方
形端面に厚さ３５μｍの本発明による複合窒化処理層を
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５＋＋ｍ角の正方形端面に厚さ
５０μｍ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８μｌ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。

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（合手材）
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０円板１２に相対向してロータ１４
があり、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５ｍｍ角の正方形端面を摺動面として試験片２０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。

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。

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／ｃｍ”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１５０　ｋｇ／ｃ＋ａ”で焼き付
きが発生したが、比較品の従来のクロムめっき品の耐焼
き付き面圧１１０　ｋｇ／ｃｍ”以上であり、窒化処理
品の１３０　ｋｇ７ｃｍ”に対しても焼き付き性が優れ
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第１被覆相と、更に
ＣｒＮ型の窒化クロムでなる第２被覆相からなる複合被
覆層を形成させたことにより、耐摩耗性と耐焼き付き性
に優れた被膜層が厚く形成された。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。

【図面の簡単な説明】

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　超高圧摩耗試験装置の一部破砕説明図第５図　
第４図のＡ−Ａ矢視断面図 １：ピストンリング母材 ２：複合被覆層　　　　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　：ＨＣＤ銃１１：ステータ
ホルダ　１２：円板（相手材）１４：ロータ　　　　　
１５：試験片保持具１７：ロードセル　　　１８：動歪
計 ２０：試験片

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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第
   １被覆相と更にＣｒＮ型の窒化クロムでなる第２被覆相
   からなる複合窒化層が形成されていることを特徴とする
   ピストンリング。