JPH08178068A - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents
内燃機関用ピストンリングInfo
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- JPH08178068A JPH08178068A JP6324621A JP32462194A JPH08178068A JP H08178068 A JPH08178068 A JP H08178068A JP 6324621 A JP6324621 A JP 6324621A JP 32462194 A JP32462194 A JP 32462194A JP H08178068 A JPH08178068 A JP H08178068A
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0641—Nitrides
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
- F16J9/26—Piston-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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Abstract
混合イオンプレーティング皮膜を外周摺動面に設けた内
燃機関用ピストンリングの耐摩耗性、耐スカッフィング
性、耐相手攻撃性、耐剥離性を改善する。 【構成】内燃機関用ピストンリングの外周摺動面に形成
したCrN型窒化クロムとCr 2N型窒化クロムの混合
イオンプレーティング皮膜において、その混合組成比率
をCrN型:45.0〜98.0重量%、Cr2N型:
残部、又はCrN型:45.0〜98.0重量%、金属
Cr:0.5〜15.0重量%、Cr2 N型:残部と
し、皮膜の気孔率を0.5〜20.0%とした。
Description
グの表面処理に関する。
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メッキ処理や窒化処理等
の耐摩耗性処理が実施されている。
メッキ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。
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。
に本発明が採用する手段は、内燃機関用ピストンリング
の圧力リング又はオイルリングの外周摺動面にCrN型
窒化クロムとCr2N型窒化クロムの混合物からなる、
又はCrN型窒化クロムとCr2N型窒化クロムと金属
Crとの混合物からなるイオンプレーティング皮膜を形
成し、混合組成比率がCrN型窒化クロム:45.0〜
98.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残部、又はC
rN型窒化クロム:45.0〜98.0重量%、Cr:
0.5〜15.0重量%、Cr2N型窒化クロム:残部
としたことにある。
化クロムの混合物からなる、又はCrN型窒化クロムと
Cr2N型窒化クロムとCrとの混合物からなるイオン
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
又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となる。
これよりCrN、Cr2N各々単独では、硬く、かつ、
脆い事が分かる。 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25000 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
事が出来ない。
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とする事により、Cr2N(六方晶)、C
rN(立方晶)の結晶は、晶系が異なる事も効果し、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
生成する為、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
特性を損なう事なく、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事が
出来る。
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。又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。
にCrを0.5〜15.0重量%含有させる事により、
つまり、セラミックスの結晶粒界に金属(Cr)を介在
させる事により、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事が可能
となる。これにより、欠け、剥離、折損等の克服に更な
る効果を発揮する事が出来る。しかし、Cr含有量が
0.5重量%以下では効果がなく、又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事にな
る。
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
する事が出来る。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。
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4dとから構成されている。
(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。又、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の外周摺動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、耐摩耗性、
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。又、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。
膜2A、4A、12A、14A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Cr
2N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。
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。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。又シリンダボアは鋳鉄であり、具体的にはFC2
5相当である。
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 は該リング母材外周摺動面
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Cr
N型イオンプレーティング皮膜を施したものである。
600ccのガソリンエンジンに組み込み、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。
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。
0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1.5
μm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1.0μm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。
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、各種実験を行った。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以
下のとおりである。試料1〜試料8は50μmの各組成
を有するイオンプレーティング層である。比較例として
クロムメッキを厚さ50mμ施した試料9を用いた。
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:1m/sec、潤滑油:10W30、油温:80
℃、 荷重:150kg、時間:7時間 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%、S
i: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。
ッキを100とした場合、実施例試料2〜5、7は40
〜50であり、耐摩耗性に優れていること,及び相手材
(回転片)の摩耗が少なく耐相手攻撃性を具備している
ことが判る。CrN40%の比較例試料1と、CrN8
5%、Cr2N5%、Cr10%、多孔率25%の比較
例試料8は摩耗が80〜95でありクロムめっきより少
しよい程度であった。比較例試料6は摩耗が70〜80
であり、摩耗の改善が少なかった。
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℃、 油量:0.2L/min 荷重:スカッフ発生まで 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
みを持たせる為に、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・片固定
片各々を互いに面接し回転させた。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。
きの耐スカッフィング性を100とした場合、実施例試
料2〜5、7の場合は300であり、耐スカッフィング
性に優れていることが明かである。CrN40%の比較
例試料1と、CrN:65%、Cr2N:15%、C
r:20%の比較例試料6と、CrN:85%、Cr2
N:5%、Cr:10%、多孔率25%の比較例試料8
はそれぞれ耐スカッフィング性が150、135、12
5であり実施例の約半分であった。
対する密着性について評価試験を行った。直径90mm
のピストンリングを9本作製し、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に示されるような捻り剥離試験機にて行っ
た。
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を所定の捻り角度にて捻る。捻り後に、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。
き試料の耐折損性を100とした場合、実施例試料2〜
5、7の場合は100〜130でありクロムめっきと同
等かあるいはクロムめっきより優れていることが明かで
ある。比較例試料1と8は80〜70でありクロムめっ
きより耐折損性が劣るものである。なお、比較例試料6
は120であり、耐折損性は優れているが、先に述べた
とおり図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。
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%、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、又は、CrN
型窒化クロムが45.0〜98.0重量%、金属クロム
が0.5〜15.0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。
施例を示す断面図、
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、
耐摩耗性を示すグラフ、
フィング性を示すグラフ、
性を示すグラフ、
ライナ、2A、4A:イオンプレーティング皮膜
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。
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。
ッキを100とした場合、実施例試料2〜5、7は40
〜50であり、耐摩耗性に優れていること,及び相手材
(回転片)の摩耗が少なく耐相手攻撃性を具備している
ことが判る。CrN40%の比較例試料1と、本発明品
ではあるが、気孔率が25%と気孔率が比較的大きい実
施例試料8は摩耗が70〜85でありクロムめっきより
少しよい程度であった。比較例試料6は摩耗が70〜8
0であり、摩耗の改善が少なかった。
きの耐スカッフィング性を100とした場合、実施例試
料2〜5、7の場合は300であり、耐スカッフィング
性に優れていることが明かである。CrN40%の比較
例試料1と、CrN:65%、Cr2N:15%、C
r:20%の比較例試料6と、本発明品ではあるが、気
孔率が25%と気孔率が比較的大きい実施例試料8はそ
れぞれ耐スカッフィング性が150、135、125で
あり実施例の約半分であった。
き試料の耐折損性を100とした場合、実施例試料2〜
5、7、8の場合は100〜130でありクロムめっき
と同等かあるいはクロムめっきより優れていることが明
かである。比較例試料1は80でありクロムめっきより
耐折損性が劣るものである。なお、比較例試料6は12
0であり、耐折損性は優れているが、先に述べたとおり
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。
Claims (3)
- 【請求項1】 外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、
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CrN型窒
化クロム:45.0〜98.0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。 - 【請求項2】 外周摺動面にCrN型の窒化クロムと、
Cr2N型の窒化クロムと、金属Cr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%、C
r:0.5〜15.5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。 - 【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又は2記載の内燃機関用ピストンリング。
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---|---|---|---|
JP32462194A JP3766445B2 (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | 内燃機関用ピストンリング |
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JP2005356733A Division JP4111453B2 (ja) | 2005-12-09 | 2005-12-09 | 内燃機関用ピストンリング |
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Family Applications (1)
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JP (1) | JP3766445B2 (ja) |
DE (1) | DE19548931C2 (ja) |
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