JPH0510460U - ピストンリング - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ピストンリングの耐摩耗性を高め、寿命を増
大する。 【構成】 ピストンリング（３）のすくなくとも外周摺
動面（５）に、窒化クロムとニッケルからなるイオンプ
レーティング皮膜（５Ａ）を１〜３０μｍに形成する。
大する。 【構成】 ピストンリング（３）のすくなくとも外周摺
動面（５）に、窒化クロムとニッケルからなるイオンプ
レーティング皮膜（５Ａ）を１〜３０μｍに形成する。
Description
【０００１】
この考案は、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を形成した内燃機関用ピストンリング に関するものである。
【０００２】
ピストンリングは、エンジンのシリンダライナ内に配置されたピストンのリン グ溝に組み込まれ、主に燃焼室の気密化、シリンダー表面に形成される潤滑油膜 の膜厚制御、および燃焼熱をピストンからシリンダライナへ伝達することによる ピストンの冷却等の働きをする。従って、ピストンリングは特性として耐摩耗性 、耐焼付性、耐熱性、保油性およびシリンダ側の摩耗抑制などが高い次元で要求 される。
【０００３】 これらの要求性能に応えるため、現在ピストンリングは靭性が高く耐摩耗性・ 耐熱性に優れる鋼などの鉄系材料に摺動特性を改良するための表面処理を施して 使用されている。従来より行われているピストンリングの表面処理として、窒化 、クロムめっき、モリブデン溶射などが挙げられる。
【０００４】 しかし、近年エンジンの高出力化や高性能化に伴い、ピストンリングに要求さ れる条件はますます過酷なものとなっているので、従来の表面処理では対応でき ない場合があり、更に優れた耐摩耗性及び耐焼付性を有するピストンリングが望 まれていた。
【０００５】 これに対し、最近ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉ ｏｎ）により、摺動面に金属窒化物や金属炭化物等の皮膜をコーティングしたピ ストンリングが提案されている（特公平１−５２４７１号及び特開昭６２−１２ ０４７１号参照）。金属窒化物や金属炭化物の皮膜は優れた耐摩耗性及び耐焼付 性を示しており、特に窒化チタンや窒化クロムなどが注目され、ピストンリング への適用が提案されている
【０００６】
しかし、これらセラミックス皮膜は高い硬度を有し、耐摩耗性及び耐焼付性に おいてクロムめっきなど従来の表面処理を凌いでいるが、窒化チタンは、基板と の密着力が弱く、３μｍ以上の厚い皮膜をコーティングすることは容易でなく、 また一方また窒化クロムは耐摩耗性及び耐食性について窒化チタンよりも劣って いるので、本考案は、上記問題点を解決し、耐摩耗性、耐焼付性、耐食性及び密 着性に優れたピストンリングを提供することを目的とする。
【０００７】
本考案は、ピストンリングの少なくとも外周摺動面に、イオンプレーティング により窒化クロムとニッケルからなる皮膜が１〜３０μｍの厚みで形成されてい ることを特徴とする。
【０００８】 イオンプレーティング皮膜を被覆する基板すなわちピストンリング本体は従来 公知のいかなる形式でもよく、その材料は、１３Ｃｒおよび１７Ｃｒステンレス 鋼、バネ鋼、工具鋼、鋳鉄などの鉄系材料およびそれらの材料に窒化処理、Ｃｒ めっきを施したものを使用する。
【０００９】 複合皮膜を形成する面は、ピストンリングの外周摺動面を必須とするが、他の 内周、上下面などに形成されてもさしつかえない。複合皮膜の膜厚は、初期なじ みにおける摩耗で表面層が消失する可能性を考慮し、１μｍ以上とし、なじみ以 降にも皮膜を残すことが必要である。また、膜厚が３０μｍを超えると皮膜に欠 けや亀裂が生じ密着力が低下するので３０μｍ以下とする必要がある。
【００１０】 イオンプレーティング法はＰＶＤ法の一種である。ＰＶＤ法は、皮膜を形成す る技術であり、基本的には蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングの３法 に分類できる。このうちでも特に、本考案では、クロム、ニッケルの蒸発物質を 窒素と反応させ、窒化クロムとニッケルからなりセラミックスと金属を複合した 皮膜をピストンリング上に堆積させることができるイオンプレーティングによる 皮膜に特定した。
【００１１】 複合皮膜の構成元素のうち、ニッケルは窒化物を形成し難い元素であり、一方 クロムは窒化物を形成しやすい元素である。そこでクロムとニッケルの蒸気に窒 素を混合した気相中でプラズマを発生させると、クロムはイオン化し、窒素イオ ンと化合し窒化クロムを形成する。その結果、基板であるピストンリング本体の 表面に窒化クロム＋ニッケルの複合皮膜が形成される。
【００１２】 窒化チタンのような窒化物単一相セラミックス皮膜を基板表面に形成したピス トンリングでは界面にて急激な物性変化が生じ、その間の化学組成、結晶構造お よび線膨張係数が大きく異なるなどの理由により、セラミックス皮膜は密着力が 乏しく、剥離しやすい傾向にある。これに対して窒化クロム＋ニッケル複合皮膜 はセラミックスと金属が混合している、いわゆるサーメットを形成しているため 、窒化物単一相と比較し、基板と皮膜の界面において化学組成、結晶構造や線膨 張係数などの変化が小さく、基板に対する密着性が強い。また、金属相がニッケ ルであることから窒化クロム単相の場合よりも耐食性も改善される。
【００１３】 複合皮膜の構成元素は、クロム量を１とした場合、原子比でクロム：ニッケル ：窒素＝１：０．５〜１：０．１〜１の範囲が望ましい。クロムに対するニッケ ルが原子比０．０５以下では密着性や耐食性に対するニッケルの効果が顕著でな く、またニッケル原子比が１を上回ると硬度が低下し皮膜の耐摩耗性が低下する 。窒素はクロムに対する原子比が０．１以下では窒化クロムの生成が少なく硬さ が低く、従って耐摩耗性に劣る。
【００１４】
上述した複合皮膜を被覆したピストンリングは、外周表面硬さが高く、皮膜と 基板の密着力が良好であることから耐摩耗性に優れる。また耐食性が良好である ので腐食が起こる環境下での耐摩耗性においても優れている。以下、実施例によ り本考案を詳しく説明する。
【００１５】
実施例１ 本実施例では、呼び径×幅×厚さがφ８６×２mm×３mm、材質がＳＫＤ６１材 のピストンリングを使用し、その外周摺動面に窒化クロム＋ニッケル皮膜を１０ μｍ形成させた。
【００１６】 ＰＶＤ処理は、陰極アークプラズマ式イオンプレーティング装置を用いた。 ピストンリングをフロン洗浄し、表面に付着した汚れを取り充分清浄化して、 イオンプレーティング装置の真空チャンバー内に挿入した。
【００１７】 チャンバー内圧力が１．３×１０-3Ｐａになるまで真空引きを行ってから、イ オンプレーティング装置に内蔵されているヒーターにより３００〜５００℃で加 熱してピストンリングの内在ガスを放出させ、その後２００℃まで冷却する。チ ャンバ内圧力が４×１０-3Ｐａ以下になった時点でクロム−ニッケルからなるタ ーゲットを陰極として、その表面でアーク放電を発生させクロムイオンとニッケ ルイオンを飛出させた。この際ピストンリングにはバイアス電圧を−７００〜− ９００Ｖ印加しておき、陰極より飛出したボンバードクリーニングによりピスト ンリング表面の酸化物除去と活性化処理を行った。
【００１８】 その後バイアス電圧を低下させ金属イオンをピストンリング外周面に堆積させ ながら、窒素ガスをチャンバー内に導入し、プラズマ内を通過することにより窒 素をイオン化して、１．３×１０-1〜１．６Ｐａ程度の圧力として、バイアス電 圧を−１０〜−１００Ｖ印加してピストンリング表面にイオンプレーティング皮 膜を形成させた。所定の膜厚形成後、真空チャンバ内で２００℃以下になるまで 冷却してから、ピストンリングをチャンバから取り出した。
【００１９】 上記方法で、ピストンリング外周表面に原子比がクロム：ニッケル：窒素＝１ ：０．２：０．７で構成される窒化クロム＋ニッケルの複合皮膜を１０μｍ被覆 した。
【００２０】 このようにして得られたピストンリングの皮膜密着性を測定した。密着性の測 定は、ツイスト試験と呼ばれるもので、ピストンリング合い口部の一方を固定し 、他の一方をねじって、皮膜の剥離が生ずるまでのねじり角を測定するものであ る。比較材として同材質、同寸法のピストンリング本体に窒化チタンの単一相を ５μｍ皮膜したリングについても同時にツイスト試験を実施した。密着性試験結 果を比較品のねじり角を１とした角度比で表１に示した。
【００２１】
【表１】 一般に皮膜の膜厚が厚いほど密着性が劣るが、本考案皮膜は、窒化チタンに比 べ皮膜が厚いにもかかわらず、剥離が生ずるまでのねじり角が大きく、密着性が 優れている。
【００２２】 実施例２ 実施例１の方法で窒化クロム＋ニッケル皮膜を１０μｍ被覆したピストンリン グを４気筒４サイクルのディーゼルエンジンのトップリングに組込み、台上実機 試験を実施した。
【００２３】 試験条件 回転数 ：３，５００rpm 試験時間 ：１００時間 オイル温度：１２８℃ 水温 ：１１０℃ 吸気温度 ： ５５℃ で行った。ディーゼルエンジンにおいては、燃料の燃焼によって、燃料中の硫黄 分がエンジンオイル中に入り込み、オイルの酸化を増加させ、ピストンリングは 単なる摩擦摩耗のみではなく、腐食摩耗が促進される雰囲気となる。 エンジンテストにおける外周摩耗量測定結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
【００２５】 比較品であるクロムめっきしたピストンリングに比べ、本考案品は摩耗量が１ ／３と大幅に減少し、窒化クロムをイオンプレーティングで被覆したピストンリ ングの摩耗量に対しても４／５と減少し、かなりの改善が見られる。したがって 、本考案のピストンリングは従来品に対し耐摩耗性が向上している。
【００２６】
以上、説明したことから明らかなように、本考案はピストンリングの外周摺動 面に窒化クロムとニッケルの複合皮膜を被覆することによって、従来から使用さ れているピストンリングに比較して、皮膜の密着性、耐摩耗性に優れており、ピ ストンリングの寿命を増大することができる。
【図１】本考案に係わるピストンリングをシリンダライ
ナ内に装着した状態を示す断面図である。
ナ内に装着した状態を示す断面図である。
【図２】図１のピストンリングの複合皮膜を示す拡大図
である。
である。
１ シリンダライナ ２ ピストン ３ ピストンリング ４ ピストンリング本体 ５ 外周面 ５Ａ 複合皮膜
Claims (1)
- 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項１】 ピストンリング（３）のすくなくとも外
周摺動面（５）に、窒化クロムとニッケルからなるイオ
ンプレーティング皮膜（５Ａ）が１〜３０μｍ形成され
ていることを特徴とするピストンリング。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6219191U JP2534566Y2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6219191U JP2534566Y2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | ピストンリング |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0510460U true JPH0510460U (ja) | 1993-02-09 |
| JP2534566Y2 JP2534566Y2 (ja) | 1997-04-30 |
Family
ID=13193010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP6219191U Expired - Fee Related JP2534566Y2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2534566Y2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014533805A (ja) * | 2011-11-28 | 2014-12-15 | フェデラル−モーグル コーポレイション | 抗炭素堆積被覆を有するピストンおよびその製造方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3212636B2 (ja) | 1991-07-12 | 2001-09-25 | 株式会社リケン | 摺動材料 |
-
1991
- 1991-07-12 JP JP6219191U patent/JP2534566Y2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |