JPH0610455B2 - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPH0610455B2
JPH0610455B2 JP59218588A JP21858884A JPH0610455B2 JP H0610455 B2 JPH0610455 B2 JP H0610455B2 JP 59218588 A JP59218588 A JP 59218588A JP 21858884 A JP21858884 A JP 21858884A JP H0610455 B2 JPH0610455 B2 JP H0610455B2
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piston ring
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勝美 滝口
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    • 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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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や耐
食性が充分ではない場合があり、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等を更
に改善するための努力が払われており、摺動面にイオン
プ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、窒化物や炭化物は高度が高く柔軟性に
欠け、その上、熱膨脹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、イオンプ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提供することを目的としたなされ
たものである。
〔発明の構成及び効果〕
この発明は、ピストンリングの少なくとも一つの摺動面
に、クロムと窒素を組成とする非晶質でなる被覆層を形
成さることにより、前記の目的を達成する。
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プレーティング法を利用し、窒素
ガス分圧を0.2〜0.7×10-3torrとし、ピストンリング
素材を250℃以下の温度に保持し、金属クロムの蒸着
過程で該クロムと窒素とを組成とする非晶質とし形成す
ることができる。本発明において、被覆層を構成する成
分をクロムと窒素とした理由は、反応性イオンプレーテ
ィング法により母材金属表面に形成されるクロムの該母
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、イオンプレーテ
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、1×10-5torr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240mm離れて位置する炭素鋼(S45
C)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/minであるのに
対してクロムのそれは4.0μ/minであり、クロム
の蒸着速度は極めて速いものである。このクロムの大な
る蒸着速度は、本発明における如く反応性イオンプレー
ティング法によりクロムと窒素との非晶質被覆層を形成
させた場合にもみられる。
本発明のピストンリングは、その摺動面に、クロムと窒
素を組成とする非晶質でなる被覆層を形成させたもので
ある。したがって、該被覆層は耐蝕特性が良好である上
にピストンリング母材との密着は良好であり且つその耐
摩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なる。
〔実施例〕
100×100×10mm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。これを反応性オンプ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5×10-4torr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1×10-2torr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、被覆層の組織構
成は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5図より明らかな
如く、試料NO.1は非晶質をなしており、試料NO.
2〜4はいづれも結晶質を示している。
第1表より次のことが理解できる。
1)窒素分圧が高く且つ試料温度が高いと蒸着皮膜層は
窒化クロムの組織となるが窒素分圧を低くし、試料温度
を低くすることにより非晶質でなる被覆層が得られる。
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、クロムと窒素との非晶質となる場
合、HmV 1675と高く(試料NO.1)、従来の硬質ク
ロムめっき層の硬度(HmV 1000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(本発明に係る表面被覆層を有する
試料)およびNO.2〜4(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5×5×10mm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)及びイオンプレ
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
うにしてある。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。
ロータ(7)の円板(5)に対向する端面には試料保持
具(7a)が設けられていて、該試料保持具(7a)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)が取り付けられ該摺動面が円板(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:300ml/分 油温90℃ 接触圧力:20kg/cm2から3分間経過毎に10k
g/cm2づつ上昇させる。
摺動相手材〔円板(5)〕:鋳鉄材FC30試験結果を第
2表に示す。
第2表より明らかな如く、本発明に係る表面被覆層(試
料NO.1)は窒化チタン等の被覆層(試料NO.2〜
4)を凌駕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100kg/cm2とし、摩擦速度を3m/mi
n,5m/min,8m/minの3段階にして各摩擦
速度で、摩擦距離を400km、給油量を500ml/
min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
面積で測定した。
試験結果を第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.2,4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、クロムと窒素
との非晶質組織でなる被覆層を有する試験片(試料N
O.1)は自身の摩耗量および相手円板の摩耗量共に試
料NO.2,4やTiNよりも少なく、一層優れた耐摩
耗特性を示している。なお、前記の試料NO.3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、ばね鋼(SUP-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
クロムと窒素を成分組成とする非晶質組織でなる表面被
覆層(3)を形成した。
被覆層(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...1×10-3torr 窒素ガス分圧...0.3×10-3torr 電子ビーム出力...25V−300A 素材温度...200℃ 処理時間...60分 被覆層特性:被覆層厚さ...35μm 硬 さ ...HmV1675 組 織 ...X線解析により非晶質であることを確認
した。
上記のピストンリングを排気量1500CC、水冷4気
筒の4サイクルガソリンエンジンの第1圧力リングに組
み込み、加鉛ガソリンを燃料として回転数5500rp
m、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
外周面の摩耗料を測定した。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15μm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、その摺動面
にクロムと窒素とを組成とする非晶質合金層を有する。
したがって、摺動面の耐蝕性が良好であるとともに、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摩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。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 2……ピストンリング 3……被覆層 4……ステータ 5……円板(摺動相手材) 7……ロータ 8……試料

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも一つの摺動面に、クロムと窒素
    を組成とする非晶質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。
JP59218588A 1984-10-19 1984-10-19 ピストンリング Expired - Lifetime JPH0610455B2 (ja)

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JPS6198949A JPS6198949A (ja) 1986-05-17
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JPS62298647A (ja) * 1986-06-18 1987-12-25 Nippon Piston Ring Co Ltd 内燃機関用摺動部材
JPH01159449A (ja) * 1987-12-15 1989-06-22 Riken Corp 複合窒化層を有するピストンリング
JPH0754591Y2 (ja) * 1989-02-23 1995-12-18 株式会社リケン 内燃機関

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JPS59127858U (ja) * 1983-02-18 1984-08-28 日本ピストンリング株式会社 ピストンリング

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