JPH0133658B2 - - Google Patents
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- JPH0133658B2 JPH0133658B2 JP58145096A JP14509683A JPH0133658B2 JP H0133658 B2 JPH0133658 B2 JP H0133658B2 JP 58145096 A JP58145096 A JP 58145096A JP 14509683 A JP14509683 A JP 14509683A JP H0133658 B2 JPH0133658 B2 JP H0133658B2
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- piston ring
- chrome plating
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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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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
- C23C14/025—Metallic sublayers
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Description
技術分野
本発明は、耐摩耗、耐焼付性に優れた皮膜を被
覆した内燃機関用ピストンリングに関する。
従来技術
従来、ピストンリングの表面処理としては、硬
質クロムめつきが主体に使われている。硬質クロ
ムめつきを被覆したピストンリングは、自身の耐
摩耗性に優れ、相手シリンダの摩耗も少ないこと
から、長い間ピストンリングの表面処理として主
流をなしてきた。しかしながら、近年、エンジン
の高出力化、高性能化に伴い、ピストンリングが
晒される条件は、益々苛酷になつており、一層強
力な耐摩耗性、耐焼付性が要求されるようになつ
てきた。このような要求にはもはや従来の硬質ク
ロムめつきのみでは対処しきれなくなりつつあ
る。
斯かる状況に対処する為、本願出願人は、先に
特開昭57−65837においてピストンリングの摺動
外周面に所定硬さ、所定厚さのイオンプレーテイ
ングによる窒化チタン皮膜を被覆し、さらに摺動
外周面の面あらさを所定値以下にする技術を開示
した。これによれば耐摩耗性、耐焼付性の点で従
来技術に比しはるかに改善されたが、次の様な不
都合がその後見出された。すなわち、イオンプレ
ーテイングによる窒化チタンは、それ自身、耐摩
耗、耐焼付性に優れ、ピストンリングの表面処理
として非常に有用であるが、皮膜厚さに限度があ
る為、窒化チタン皮膜が磨滅し母材が露出した場
合、摩耗が急速に進み、又、耐焼付性も劣化する
等、耐久性の面で必ずしも満足のいくものではな
いということである。
発明の目的
本発明の目的は、上記の欠点を解消する為にイ
オンプレーテイングによる窒化チタンの優れた摩
擦特性はそのまま維持しつつ、かつ耐久性の向上
を可能にすることである。
発明の構成
上記の目的を達成するために、本発明によれば
イオンプレーテイングによる厚さ2〜10μm、面
粗度1.5μ以下の窒化チタンの下地処理として、厚
さが10〜100μmで硬さがHv600以上の硬質クロム
めつきを施すことに加え、さらに摺動面外周面に
1にないし複数本の条痕を形成するを特徴とする
ものであり、それによりたとえ窒化チタンが一部
磨滅した場合であつてもその下地層として硬質ク
ロムめつき層があるためピストンリング全体とし
ては充分な耐摩耗性と耐焼付性を維持することが
できる。
発明の具体的構成
まず初めに特許請求の範囲において特定した構
成要件について述べる。
下地層として硬質クロムめつきを施した上にイ
オンプレーテイングによる窒化チタンを被覆する
理由は次の通りである。即ち第1図に概略を示す
往復動摩擦試験機による摩耗試験結果(第3図)
に見られる様にピストンリング母材に直接窒化チ
タンを被覆したもの(特開昭57−65837)は、母
材が露出した場合、母材部のミクロスカツフイン
グが顕著に見られ、摩耗が促進し、特に耐焼付性
に問題が生ずるのに対し、硬質クロムめつき下地
層の上に窒化チタンを被覆した場合(第3図の試
料3)は、窒化チタンの一部が磨滅しても、その
様な傾向は全く見られず、良好な摩擦面を呈する
と共に、硬質クロムめつきのみで窒化チタンを被
覆しない場合(試料1)あるいは硬質クロムめつ
き下地層を施さずリング母材に直接窒化チタンを
被覆した場合(試料2)よりきわめて少ない摩耗
量を示す為である。これは窒化チタンの一部が磨
滅しても、下地に耐摩耗、耐焼付性に優れた硬質
クロムめつきが存在する為に、ミクロスカツフイ
グの発生もなく、摩耗自体を耐摩耗性に富む窒化
チタンで受ける為、部分的に下地が露出したにも
かかわらず、きわめて少い摩耗を示したものと考
えられる。
尚、第1図において、ピストンリングに相当す
る上試片11は上試片固定ブロツク17により保
持され上方から油圧シリンダ19により下向きの
荷重が加えられる。一方、シリンダに相当する相
手部材たる下試片13は可動ブロツク21により
保持され、かつ例えば図示の如きクランク機構2
3により矢印方向に往復動せしめられる。また1
5はロードセルである。第1図に示す摩擦試験機
は公知であり、またその構成自体は本発明とは直
線関係ないので詳しい説明は省略する。
摩耗量の評価は第2図に示す如き各試料1、
2、3(上試片)に残る摩耗痕径a、bの各3回
づつの測定値の平均により行つた。
またテスト条件は次の通りである。
テスト供試試料
●シリンダ相当(下試片13):シリンダライナ
用鋳鉄製(FC25相当材)70L×17W×7t(mm)
の平板試験面バフ研磨仕上硬さHRB95、表
面粗さ0.5μ
●ピストンリング相当(上試片11):ピストン
リング用鋼製8〓×23L(mm)の端面を18Rの球
面仕上
試料1(従来技術)−硬質クロムめつきを8〓×
23L(mm)の端面に厚さ60μつけて試料面粗さ
を0.8μに調整。めつき硬さHv1020、母材硬
さHv440
試料2(従来技術)−ピストンリング用鋼材の上
に直接イオンプレーテイングによる窒化チタ
ンを厚さ5μつけて試料面粗さを0.8μに調整、
窒化チタン硬さHv1770、母材硬さHv440
試料3(本発明品)−硬質クロムめつきを厚さ
60μつけた上にイオンプレーテイングによる
窒化チタンを厚さ5μつけて試料面粗さを0.8μ
に調整、めつき硬さHv850、窒化チタン硬さ
Hv1780、母材硬さHv440
●イオンプレーテイング条件
使用装置:蒸発源に電子ビームを使用し、
蒸発源近傍にイオン化電極を設けた高真空型
のイオンプレーテイング装置
処理条件:窒素分圧6×10-4Torr、基板
温度400℃、処理時間45分
摩耗試験条件
試験機:往復動摩擦試験機(第1図に概略図
示)
試験条件:ストローク50mm、ならし2Kg×
100cpm×5分、本試験20Kg×600cpm×30分、
潤滑油SAE#10エンジンオイル(ミスト状吹
きつけ)
次に、下地処理として、硬質クロムめつきに
限定した理由は、イオンプレーテイング処理時
に晒される温度履歴を受けても、耐摩耗性に必
要な高い硬度水準を維持でき、耐焼付性に優れ
た安価な皮膜が他にない為である。尚、第4図
はクロムめつきの熱履歴による一般的な硬さの
低下変化を示す特性線図である。
硬質クロムめつきの上に被覆する皮膜をイオ
ンプレーテイングによる窒化チタンに限定した
理由は、ピストンリング母材の機械的性質をそ
こなわない比較的低温で密着度の良好な皮膜を
形成できるのがイオンプレーテイング以外にな
く、窒化チタンは、耐摩耗、耐焼付性の必要条
件である高硬度、高融点の要件を満たすセラミ
ツクス質材の中で、靭性に富む皮膜でありピス
トンリングの様に応力負荷状態で使用れても剥
離、粗大クラツク発生のない皮膜の為である。
次に下地である硬質クロムめつきの厚さを好
ましくは10〜100μmに限定した理由は10μm未
満の場合は耐久性が充分でなく、100μmをこ
えると、イオンプレーテイング処理時、熱負荷
を受けた時に粗大クラツクの発生が顕著とな
り、窒化チタン皮膜にも粗大クラツクを誘発す
るからである。この粗大クラツクは、クラツク
のエツヂによるエツヂローデイングを起こし、
又皮膜のカケを誘発する等エンジンにとつて致
命的な悪影響を及ぼす。なお、最も好ましい厚
さは30〜70μmである。
硬質クロムめつきの硬さは、熱負荷をかける
ことにより第4図に示す如く低下する。従つ
て、イオンプレーテイング処理時に熱負荷を受
けると硬さ低下をきたす。そこで、下地クロム
めつきの硬さを種々かえて試料を作成し、往復
動摩擦試験機による摩耗試験を実施した結果を
第5図に示す。
第5図のテスト条件は次のとおりである
●シリンダ相当(下試片):シリンダライナ用
鋳鉄製70L×17W×7t(mm)の平板、試験面バ
フ研磨仕上
●ピストンリング相当(上試片):ピストンリ
ング用鋳鉄製8〓×23L(mm)の端面を18Rの球
面加工、この端面に厚さ60μの硬質Crめつき
をつけて、下記第1表に示す熱処理を施した
後、イオンプレーテイングによる窒化チタン
を厚さ4μつけて、表面粗度を0.8μに調整
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine coated with a film having excellent wear resistance and seizure resistance. Prior Art Conventionally, hard chrome plating has been mainly used as a surface treatment for piston rings. Piston rings coated with hard chrome plating have long been the mainstream surface treatment for piston rings because they have excellent wear resistance and cause less wear on the mating cylinder. However, in recent years, as engines have increased in output and performance, the conditions to which piston rings are exposed have become increasingly severe, and stronger wear and seizure resistance has become required. . These demands can no longer be met by conventional hard chrome plating alone. In order to deal with such a situation, the applicant of the present application previously covered the sliding outer peripheral surface of the piston ring with a titanium nitride film of a predetermined hardness and a predetermined thickness by ion plating in JP-A-57-65837. A technique for reducing the surface roughness of the sliding outer peripheral surface to a predetermined value or less has been disclosed. According to this method, the wear resistance and seizure resistance were much improved compared to the prior art, but the following disadvantages were subsequently discovered. In other words, titanium nitride produced by ion plating has excellent wear resistance and seizure resistance, and is very useful as a surface treatment for piston rings. When the base material is exposed, wear progresses rapidly and the seizure resistance deteriorates, so the durability is not necessarily satisfactory. OBJECT OF THE INVENTION An object of the present invention is to make it possible to improve durability while maintaining the excellent frictional properties of titanium nitride by ion plating, in order to eliminate the above-mentioned drawbacks. Structure of the Invention In order to achieve the above object, according to the present invention, as a base treatment of titanium nitride with a thickness of 2 to 10 μm and a surface roughness of 1.5 μm or less by ion plating, the surface roughness is 10 to 100 μm and hardness is In addition to hard chrome plating with Hv600 or higher, it is characterized by the formation of one or more scratches on the outer circumferential surface of the sliding surface, so that even if some of the titanium nitride is worn away Even if the piston ring has a hard chrome plating layer as its base layer, the piston ring as a whole can maintain sufficient wear resistance and seizure resistance. Specific Structure of the Invention First, the constituent features specified in the claims will be described. The reason why titanium nitride is coated by ion plating on hard chromium plating as a base layer is as follows. In other words, the results of the wear test using the reciprocating friction tester shown schematically in Figure 1 (Figure 3)
As shown in Figure 2, when the piston ring base material is directly coated with titanium nitride (Japanese Patent Application Laid-open No. 57-65837), when the base material is exposed, micro-scutching of the base material is noticeable, accelerating wear. However, in contrast, when titanium nitride is coated on a hard chromium plating base layer (sample 3 in Figure 3), even if part of the titanium nitride is worn away, Such a tendency is not observed at all, and a good friction surface is exhibited, as well as cases where only hard chromium plating is used and no titanium nitride is coated (sample 1), or when the ring base material is directly nitrided without applying a hard chrome plating base layer. This is because the amount of wear is much smaller than when coated with titanium (Sample 2). This is because even if a part of the titanium nitride wears out, there is a hard chrome plating on the base that has excellent wear and seizure resistance, so no micro-scattering occurs and the wear itself is highly wear-resistant. Because it was covered with titanium nitride, it is thought that there was very little wear even though the base was partially exposed. In FIG. 1, an upper specimen 11 corresponding to a piston ring is held by an upper specimen fixing block 17, and a downward load is applied from above by a hydraulic cylinder 19. On the other hand, a lower test piece 13, which is a mating member corresponding to a cylinder, is held by a movable block 21, and a crank mechanism 2, for example, as shown in the figure.
3, it is caused to reciprocate in the direction of the arrow. Also 1
5 is a load cell. The friction tester shown in FIG. 1 is well known, and its configuration itself is not directly related to the present invention, so a detailed explanation will be omitted. The wear amount was evaluated using each sample 1 as shown in Figure 2.
The wear scar diameters a and b left on samples 2 and 3 (upper specimen) were averaged over three measurements each. The test conditions are as follows. Test sample ● Cylinder equivalent (lower specimen 13): Cast iron for cylinder liner (FC25 equivalent material) 70 L × 17 W × 7 t (mm)
Flat plate test surface buffed finish hardness HRB95, surface roughness 0.5μ Piston ring equivalent (upper specimen 11): Piston ring steel 8〓× 23L (mm) end face finished with 18R spherical surface Sample 1 (Conventional technology) - Hard chrome plating 8〓×
Add a 60μ thick layer to the end face of the 23 L (mm) and adjust the sample surface roughness to 0.8μ. Plating hardness Hv1020, base material hardness Hv440 Sample 2 (prior technology) - 5μ thick titanium nitride was applied directly onto the piston ring steel material by ion plating, and the sample surface roughness was adjusted to 0.8μ.
Titanium nitride hardness Hv1770, base metal hardness Hv440 Sample 3 (product of the present invention) - Hard chrome plating with thickness
On top of the 60μ coating, a 5μ thick layer of titanium nitride was applied by ion plating to reduce the sample surface roughness to 0.8μ.
Adjusted to, plating hardness Hv850, titanium nitride hardness
Hv1780, base material hardness Hv440 ●Ion plating conditions Equipment used: An electron beam is used as the evaporation source,
High-vacuum ion plating equipment with an ionization electrode near the evaporation source Processing conditions: Nitrogen partial pressure 6 x 10 -4 Torr, substrate temperature 400°C, processing time 45 minutes Wear test conditions Testing machine: Reciprocating friction tester ( (Schematically shown in Figure 1) Test conditions: Stroke 50mm, break-in 2Kg×
100cpm x 5 minutes, main test 20Kg x 600cpm x 30 minutes,
Lubricating oil SAE #10 engine oil (sprayed in a mist) Next, the reason why we limited the base treatment to hard chrome plating is that it has the necessary wear resistance even under the temperature history exposed during ion plating treatment. This is because there is no other inexpensive coating that can maintain a high level of hardness and has excellent seizure resistance. Incidentally, FIG. 4 is a characteristic diagram showing a general decrease in hardness due to the thermal history of chromium plating. The reason why we chose titanium nitride using ion plating for the coating on the hard chrome plating is that ion plating can form a coating with good adhesion at a relatively low temperature without damaging the mechanical properties of the piston ring base material. Titanium nitride is a ceramic material that meets the requirements of high hardness and high melting point, which are necessary conditions for wear resistance and seizure resistance. This is because the film does not peel off or cause large cracks even when used under certain conditions. Next, the reason why we limited the thickness of the hard chrome plating that is the base to preferably 10 to 100 μm is that if it is less than 10 μm, it will not have sufficient durability, and if it exceeds 100 μm, it will be subject to heat load during the ion plating process. This is because the occurrence of coarse cracks becomes noticeable at times, and coarse cracks are also induced in the titanium nitride film. This coarse crack causes edge loading due to the edge of the crack.
It also has a fatal adverse effect on the engine, such as inducing chipping of the film. Note that the most preferable thickness is 30 to 70 μm. The hardness of hard chrome plating decreases as shown in FIG. 4 by applying a heat load. Therefore, when subjected to heat load during ion plating treatment, hardness decreases. Therefore, samples were prepared with various hardnesses of the base chrome plating, and wear tests were conducted using a reciprocating friction tester. The results are shown in FIG. The test conditions in Figure 5 are as follows: ● Cylinder equivalent (lower specimen): Cast iron 70 L × 17 W × 7 t (mm) flat plate for cylinder liner, test surface buffed finish ● Piston ring equivalent ( Upper specimen): The end face of a cast iron 8〓 After applying titanium nitride to a thickness of 4μ by ion plating, the surface roughness was adjusted to 0.8μ.
【表】
●イオンプレーテイング条件
使用装置:第3図と同じ
処理条件:窒素分圧7×10-4Torr、基板
温度300℃、処理時間35分
第5図の結果を見れば明らかな様に、下地クロ
ムめつきの硬さがHv600未満になると、急速に摩
耗量が増大する。従つて、下地クロムめつきの硬
さをHv600以上に限定するのが好ましい。下地ク
ロムめつきの硬さHv600以上を確保するには、イ
オンプレーテイング処理時の基板温度を600℃以
下にすることが必要で、これはピストンリング母
材の変形、軟化さらにCrめつきの粗大クラツク
発生防止の面からも重要である。又イオンプレー
テイングによる窒化チタン皮膜の密着度を確保す
る意味から、基板温度は300℃以上にすることが
望ましく、イオンプレーテイング時のピストンリ
ング温度は300〜600℃の間で処理し、好ましくは
400〜500℃が好ましい。
次に窒化チタンの厚さであるが、2μ未満では
耐久性の面で充分でなく、10μを越えると使用中
にクラツクの発生およびそこから派生するカケ等
が起きやすくなり相手シリンダを損傷させるなど
悪影響がでるので2〜10μの範囲とするのが望ま
しい。
窒化チタン皮膜の仕上面粗度を相手シリンダ相
当材(FC25相当材、硬さHRB94、表面粗さ
0.5μ)の摩耗との関係を第6図に示す。第6図か
ら明らかなように、窒化チタン皮膜の仕上面粗度
が1.5μを越えると、相手シリンダ材の摩耗が急激
に増大してくる。これは窒化チタン皮膜が非常に
硬い為、面粗度が粗くなると、相手材を削り取る
作用が働く為と考えられる。従つて相手シリンダ
を損傷させない面粗度として1.5μ以下に限定する
のが好ましい。なお最も好ましい面粗度は1.0μ以
下である。
上述の如く窒化チタン皮膜厚さは2〜10μと非
常に薄い為、ピストンリングを作製する場合、窒
化チタン皮膜をつける前段階でほぼ完成状態にし
ておき、窒化チタン皮膜をつけた後は、当リラツ
ピングを施す程度だけにする必要がある。従つ
て、後加工で最終仕上面粗度を調整するのは難し
い。またイオンプレーテイングによる窒化チタン
皮膜は薄い為、コーテイング後の面粗度は下地面
粗度にほぼならう。そこで、最終面粗度は下地ク
ロムめつきの面粗度でほぼきまることになり、下
地の加工状態が重要となる。硬質クロムめつきの
様に単一層でしかも硬い皮膜は面粗度をこまかく
するのが比較的容易であり、この面でも下地とし
て硬質クロムめつきを用いる利点がある。
尚、第6図のテスト条件は次の通りである。
●シリンダ相当(下試片):シリンダライナ用鋳
鉄製70L×17W×7t(mm)の平板、試験面バフ研
磨仕上
●ピストンリング相当(上試片):ピストンリン
グ用鋼材8〓×23L(mm)の端面を18Rの球面加工、
この端面に厚さ60μの硬質クロムめつきをつけ
て、面粗度を第2表に示す如く変えて研磨した
後、イオンプレーテイングによる窒化チタンを
厚さ4μつけてテストに供給した。[Table] ●Ion plating conditions Equipment used: Same as Figure 3 Processing conditions: Nitrogen partial pressure 7×10 -4 Torr, substrate temperature 300°C, processing time 35 minutes As is clear from the results in Figure 5 When the hardness of the base chrome plating becomes less than Hv600, the amount of wear increases rapidly. Therefore, it is preferable to limit the hardness of the base chrome plating to Hv600 or higher. In order to ensure the hardness of the base chrome plating to Hv600 or higher, it is necessary to keep the substrate temperature at 600℃ or less during the ion plating process, which will cause deformation and softening of the piston ring base material, as well as the occurrence of large cracks in the Cr plating. It is also important from a prevention perspective. In addition, in order to ensure the adhesion of the titanium nitride film by ion plating, it is desirable that the substrate temperature is 300°C or higher, and the piston ring temperature during ion plating is preferably between 300 and 600°C.
400-500°C is preferred. Next, regarding the thickness of the titanium nitride, if it is less than 2μ, it will not be sufficient in terms of durability, and if it exceeds 10μ, cracks will easily occur during use, resulting in chipping, etc., which may damage the mating cylinder. It is desirable that the thickness be in the range of 2 to 10 μm, as this may have an adverse effect. The finished surface roughness of the titanium nitride film is compared to the mating cylinder equivalent material (FC25 equivalent material, hardness HRB94, surface roughness
Figure 6 shows the relationship between wear and tear of 0.5μ). As is clear from FIG. 6, when the finished surface roughness of the titanium nitride film exceeds 1.5μ, the wear of the mating cylinder material increases rapidly. This is thought to be because the titanium nitride film is very hard, so when the surface roughness becomes rough, it acts to scrape off the mating material. Therefore, it is preferable to limit the surface roughness to 1.5μ or less so as not to damage the mating cylinder. Note that the most preferable surface roughness is 1.0μ or less. As mentioned above, the thickness of the titanium nitride film is very thin at 2 to 10μ, so when manufacturing piston rings, it should be almost completed before applying the titanium nitride film, and after applying the titanium nitride film, It is necessary to only apply relapsing. Therefore, it is difficult to adjust the final finished surface roughness in post-processing. Furthermore, since the titanium nitride film formed by ion plating is thin, the surface roughness after coating almost follows the roughness of the underlying surface. Therefore, the final surface roughness is almost determined by the surface roughness of the base chrome plating, and the processing condition of the base is important. With a single-layer hard coating such as hard chrome plating, it is relatively easy to fine-tune the surface roughness, and there is an advantage to using hard chrome plating as a base in this respect as well. The test conditions in FIG. 6 are as follows. ●Cylinder equivalent (lower sample): Cast iron 70 L x 17 W x 7 t (mm) flat plate for cylinder liner, test surface buffed ●Piston ring equivalent (upper sample): Steel material for piston ring 8〓× 23 L (mm) end face 18 R spherical processing,
This end face was plated with hard chrome to a thickness of 60 μm and polished with the surface roughness varied as shown in Table 2. After that, titanium nitride was applied to the end face by ion plating to a thickness of 4 μm and the end face was supplied for testing.
【表】
●イオンプレーテイング条件
使用装置:第3図と同じ
処理条件:窒素分圧6×10-4Torr、基板温
度400℃、処理時間35分
また第6図における摩耗量の評価は第7図の様
に下試片(ライナ相当)の摩耗痕を3ヶ所アラサ
計で測定し、その摩耗深さの平均をとつた。
第8図に本発明によるピストンリングの種々の
断面形状を示す。A,Bは使用前の状態であり、
C,Dは使用後の状態である。1はピストンリン
グ母材、3はクロムめつき下地層、5は窒化チタ
ン被膜を示す。かような断面形状にすることによ
り、摩耗が進行してきて下地クロムめつき3が現
れても、摺動面全面の窒化チタン5が一度に磨滅
することなく一部に必ず窒化チタン皮膜が残るこ
とになり、摩耗の進行がおさえられる。すなわ
ち、窒化チタン皮膜の一部が磨滅して、下地クロ
ムめつきが現れても部分的に窒化チタン皮膜が残
つていれば、摩耗進行の大部分は硬い窒化チタン
で受ける為、全面に窒化チタンが残つている場合
と同程度の摩耗率で進むことになる。硬質クロム
めつき下地層を施さない場合は、下地即ち、母材
1が露出した場合母材1の部分でミクロスカツフ
イングを起こし、相手シリンダを損傷し、さらに
はピストンリング摩耗も促進させるが、本発明に
よるピストンリングは下地に耐摩耗、耐スカツフ
性にある程度実積のある硬質クロムめつきを処理
してある為、前記の様な不具合は生ぜず、比較的
薄い窒化チタン皮膜でも充分な耐久性を維持でき
るという特徴を有する。
尚、第8図Aに示すバレルフエース形状に対し
第8図Bに示す如く円周方向に1ないしは数本の
条痕を設けたピストンリング形状は、ピストンリ
ングの幅寸法の大きい場合に特に有効である。何
となればこれら条痕が油だまりとなり耐スカツフ
イング性を向上させるからである。
実施例
以下、本発明の実施例について述べる。
実施例 1
鋼製トツプリングと鋼製組合せオイルリングの
サイドレール外周に硬質クロムめつきをつけて、
バレル状に研磨加工し、厚さ50μ、面粗さを0.5μ
にしたものと、鋼製トップリングとサイドレール
母材の外周を直接バレル状に研磨加工し、面粗さ
を0.5μにしたものの上に、蒸発源に電子ビームを
使用し、蒸発源近傍にイオン化電極を設けた高真
空型のイオンプレーテイング装置を用いて、窒素
分圧6×10-4Torr、基板温度450℃、処理時間35
分の条件で厚さ5μの窒化チタン皮膜をつけた。
この時の窒化チタンの硬さはHv1790で外周表面
あらさは0.5μであり、下地クロムめつき硬さは
Hv790であつた。前記クロムめつきの上に窒化チ
タンをつけたトップリングおよびサイドレール
(本発明)と鋼製母材に直接窒化チタンをつけた
トップリング(SWOSC−V材、外周断面バレル
形状、表面粗さ0.5μ、硬さHv430)およびサイド
レール(SK−5材、外周断面円弧状、表面粗さ
0.5μ)(比較材)と従来の硬質クロムめつきをつ
けたトツプリング(SWOSC−V材、外周断面バ
レル形成、クロムめつき厚さ130μ、表面粗さ
0.5μ)及びサイドレール(SK−5材、外周断面
円弧状、クロムめつき厚さ120μ、表面粗さ0.5μ)
を、1300c.c.4サイクル、水冷4気筒のガソリンエ
ンジンに組込み、高鉛ガソリン(Pb3.2/usガロ
ン)を使用した全負荷200時間の耐久テストを実
施した。テスト後のトツプリングとサイドレール
の摩耗量および相手シリンダ(FC25相当材、表
面粗さ3.0μ、硬さHRB93)の上死点付近の摩耗
量測定結果を第9図に示す。本発明によるピスト
ンリングは、従来の硬質クロムめつきのみのピス
トンリングに対して、非常に少ない摩耗量を示し
ており、さらに母材に直接窒化チタンをつけたピ
ストンリングにくらべても、はるかに少ない摩耗
量を示した。なお、硬質クロムめつきの摺動外周
面はアプレツシブな摩耗による摺動キズが非常に
多く、又、母材に直接窒化チタンをつけたピスト
ンリングは母材が露出し、その母材部にミクロス
カツフイングが見られたが、本発明によるピスト
ンリングは、キズも少なくスカツフイングは全く
起きていなかつた。
実施例 2
球状黒鉛鋳鉄製トツプリングの外周に第8図
b)のように2本の条痕をつけて、硬質クロムめ
つきをつけ、バレル状に研磨加工し、厚さ60μ、
表面あらさを0.8μにしたものと、外周形状をプレ
ーンにして、硬質クロムめつきをつけ、プレーン
な形状に研磨加工し、厚さ60μ、表面あらさ0.8μ
にしたものと、同一母材に2本の条痕をつけ、バ
レル状に研磨加工し、表面あらさを0.8μにしたも
のの上に夫々実施例1と同じイオンプレーテイン
グ装置を用いて同一条件で厚さ5μの窒化チタン
皮膜をつけたもの、即ち、本発明によるシリンダ
No.2及びNo.3と、比較材のシリンダNo.4と、硬質
クロムめつきのみ(めつき厚さ120μ、外周断面
バレル状、表面粗さ0.8μ)をつけたトツプリング
(シリンダNo.1)を用意した。尚、窒化チタン皮
膜硬さはHv1770であり、下地クロムめつきの硬
さはHv780であり、外周表面あらさは0.9μであつ
た。これらの供試トツプリングを2956c.c.、4サイ
クル、水冷4気筒のデイーゼルエンジンに組込み
全負荷400時間の耐久テストを実施した。テスト
後のトツプリング外周摩耗と、相手シリンダ
(FC25相当材、表面粗さ3μ、硬さHRB97)の上
死点付近の摩耗量測定結果を第10図に示す。本
発明によるピストンリング(シリンダNo.2及びシ
リンダNo.3)は、非常に少ない摩耗量を示すと同
時に相手シリンダ摩耗も軽減している。比較材の
シリンダNo.4はすでに窒化チタン皮膜は残つてお
らず、窒化チタン皮膜が磨滅した後に摩耗が多く
なつたものと考えられる。また、ピストンリング
の断面形状はプレーン形よりバレル形の方が好ま
しいこともわかる。尚、しかしながら、特に図示
はしないが本発明においては断面プレーン形のピ
ストンリングに条痕を施したものでもよい。
発明の効果
以上の様に本発明のピストンリングはイオンプ
レーテイングによる窒化チタン皮膜の下地処理を
硬質クロムめつきに特定することにより、従来の
窒化チタン皮膜のみをつけたピストンリングの欠
点であつた耐久性不足を大幅に改善すると共に、
耐焼付性も改善でき、高負荷エンジン用のピスト
ンリングとして安定した性能を維持することがで
き、その工業的価値は大である。[Table] ●Ion plating conditions Equipment used: Same as Figure 3 Processing conditions: Nitrogen partial pressure 6×10 -4 Torr, substrate temperature 400°C, processing time 35 minutes Also, the wear amount evaluation in Figure 6 is 7 As shown in the figure, the wear marks on the lower specimen (corresponding to the liner) were measured at three locations using a roughness meter, and the average wear depth was taken. FIG. 8 shows various cross-sectional shapes of piston rings according to the present invention. A and B are the states before use,
C and D are the states after use. 1 is a piston ring base material, 3 is a chromium-plated base layer, and 5 is a titanium nitride coating. By adopting such a cross-sectional shape, even if wear progresses and the base chrome plating 3 appears, the titanium nitride film 5 on the entire sliding surface will not be worn away all at once, and a titanium nitride film will always remain on a portion. , and the progress of wear is suppressed. In other words, even if a part of the titanium nitride film is worn away and the underlying chrome plating appears, if the titanium nitride film remains partially, the hard titanium nitride will take most of the wear and tear, so the entire surface should be nitrided. The wear rate will be the same as when titanium remains. If a hard chrome plating base layer is not applied, if the base metal 1 is exposed, micro-scissions will occur in the base metal 1, damaging the mating cylinder and further accelerating piston ring wear. Since the piston ring according to the present invention has a hard chrome plating treatment on the base that has a certain degree of wear resistance and scuff resistance, the above-mentioned problems do not occur, and even a relatively thin titanium nitride film has sufficient durability. It has the characteristic of being able to maintain sex. In addition, the piston ring shape in which one or several grooves are provided in the circumferential direction as shown in FIG. 8B in contrast to the barrel face shape shown in FIG. 8A is particularly effective when the width of the piston ring is large. It is. This is because these streaks become oil pools and improve scuffing resistance. Examples Examples of the present invention will be described below. Example 1 Hard chrome plating is applied to the outer periphery of the side rail of the steel top ring and steel combination oil ring.
Polished into a barrel shape, thickness 50μ, surface roughness 0.5μ
An electron beam was used as an evaporation source, and an electron beam was used as an evaporation source, and the outer periphery of the steel top ring and side rail base material was directly polished into a barrel shape to have a surface roughness of 0.5μ. Using a high-vacuum ion plating device equipped with an ionization electrode, the nitrogen partial pressure was 6×10 -4 Torr, the substrate temperature was 450℃, and the processing time was 35 minutes.
A titanium nitride film with a thickness of 5 μm was deposited under conditions of 10 minutes.
The hardness of titanium nitride at this time was Hv1790, the roughness of the outer surface was 0.5μ, and the hardness of the base chrome plating was
It was Hv790. Top ring and side rail with titanium nitride applied on top of the chrome plating (the present invention) and top ring with titanium nitride applied directly to the steel base material (SWOSC-V material, outer periphery cross section barrel shape, surface roughness 0.5μ) , hardness Hv430) and side rail (SK-5 material, arcuate outer cross section, surface roughness
0.5μ) (comparison material) and a conventional top ring with hard chrome plating (SWOSC-V material, outer peripheral cross section barrel formation, chrome plating thickness 130μ, surface roughness
0.5μ) and side rail (SK-5 material, arcuate cross section, chrome plating thickness 120μ, surface roughness 0.5μ)
was installed in a 1300c.c. 4-stroke, water-cooled, 4-cylinder gasoline engine, and a 200-hour full-load durability test was conducted using high-lead gasoline (Pb3.2/US gallon). Figure 9 shows the measurement results of the amount of wear on the top spring and side rail after the test, and the amount of wear near the top dead center of the mating cylinder (FC25 equivalent material, surface roughness 3.0μ, hardness HRB93). The piston ring according to the present invention exhibits significantly less wear than conventional piston rings with only hard chrome plating, and is far more wear-resistant than piston rings with titanium nitride directly applied to the base material. It showed a small amount of wear. The hard chrome-plated sliding outer surface has many sliding scratches due to aggressive wear, and piston rings with titanium nitride applied directly to the base material expose the base material and cause microscuffs on the base material. However, the piston ring according to the present invention had few scratches and no scuffing occurred at all. Example 2 Two striations were made on the outer periphery of a top spring made of spheroidal graphite cast iron as shown in Fig. 8b), hard chrome plating was applied, and the ring was polished into a barrel shape with a thickness of 60 μm.
One has a surface roughness of 0.8μ, the outer periphery is plain, hard chrome plated, and polished to a plain shape, thickness 60μ, surface roughness 0.8μ.
The same ion plating equipment as in Example 1 was used on the same base material with two striations made and polished into a barrel shape with a surface roughness of 0.8μ under the same conditions. A cylinder with a titanium nitride coating of 5 μm thickness, i.e., a cylinder according to the present invention.
No. 2 and No. 3, cylinder No. 4 of comparative material, and a top ring (cylinder No. 1) was prepared. The hardness of the titanium nitride film was Hv1770, the hardness of the underlying chrome plating was Hv780, and the roughness of the outer peripheral surface was 0.9μ. These test top springs were installed in a 2956c.c., 4-cycle, water-cooled, 4-cylinder diesel engine and a 400-hour durability test was conducted under full load. Figure 10 shows the results of measuring the wear on the outer circumference of the top spring after the test and the amount of wear near the top dead center of the mating cylinder (FC25 equivalent material, surface roughness 3μ, hardness HRB97). The piston rings (Cylinder No. 2 and Cylinder No. 3) according to the present invention exhibit extremely small amounts of wear and at the same time reduce the wear of the mating cylinder. Cylinder No. 4, the comparative material, had no titanium nitride film left, and it is thought that the wear increased after the titanium nitride film was worn away. It can also be seen that the cross-sectional shape of the piston ring is preferably barrel-shaped rather than plain. However, although not particularly shown in the drawings, in the present invention, a piston ring with a plain cross section may be provided with grooves. Effects of the Invention As described above, the piston ring of the present invention eliminates the disadvantages of conventional piston rings with only a titanium nitride film by specifying the surface treatment of the titanium nitride film by ion plating to hard chrome plating. In addition to greatly improving the lack of durability,
It can also improve seizure resistance and maintain stable performance as a piston ring for high-load engines, so its industrial value is great.
第1図は本発明の摩耗試験に使用した公知の往
復動摩擦試験機の概要図、第2図は摩耗量の評価
方法を示す摩耗痕径の寸法を示す図、第3図は従
来技術との比較において本発明のピストンリング
についての摩擦試験結果を示すグラフ、第4図は
硬質クロムめつきの熱履歴による硬さ低下を示す
グラフ、第5図は下地硬質クロムめつきの硬さと
摩耗量との関係についての摩擦試験結果を示すグ
ラフ、第6図はイオンプレーテイングによる窒化
チタンの表面粗度と相手材の摩耗深さとの関係に
ついての摩擦試験結果を示すグラフ、第7図は第
6図に示す試験におけるシリンダ相当材(下試
片)の摩耗量の評価方法を示す試料片の測定個所
を示す図、第8図A,Bは本発明のピストンリン
グの2種類の断面模式図であり、第8図C,Dは
夫々の使用後の状態を示す断面模式図、第9図は
従来技術との比較おいて本発明トツプリング及び
サイドレールの耐久試験結果を示すグラフ、第1
0図は従来技術との比較において別の条件下で行
つた本発明ピストンリングの耐久試験を示すグラ
フ。
1……母材、3……クロムめつき、5……窒化
チタン。
Fig. 1 is a schematic diagram of a known reciprocating friction tester used in the wear test of the present invention, Fig. 2 is a diagram showing the dimensions of the wear scar diameter showing a method for evaluating the amount of wear, and Fig. 3 is a diagram showing the dimensions of the wear scar diameter and the conventional technology. For comparison, a graph showing the friction test results for the piston ring of the present invention, Figure 4 is a graph showing the decrease in hardness due to thermal history of hard chrome plating, and Figure 5 is the relationship between the hardness of the base hard chrome plating and the amount of wear. Figure 6 is a graph showing the friction test results for the relationship between the surface roughness of titanium nitride and the wear depth of the mating material by ion plating, and Figure 7 is shown in Figure 6. Figures 8A and 8B are schematic cross-sectional views of two types of piston rings of the present invention; 8C and D are cross-sectional schematic diagrams showing the respective states after use; FIG. 9 is a graph showing the durability test results of the top spring and side rail of the present invention in comparison with the conventional technology;
Figure 0 is a graph showing a durability test of the piston ring of the present invention conducted under different conditions in comparison with the prior art. 1... Base material, 3... Chrome plating, 5... Titanium nitride.
Claims (1)
質クロムめつき下地層を被覆すると共に該硬質ク
ロムめつき層上にイオンプレーテイングによる窒
化チタン皮膜を被覆せしめた内燃機関用ピストン
リングであつて、 上記硬質クロムめつき下地層はその厚さが10〜
100μmで硬さがHv600以上であり、かつ窒化チタ
ン皮膜の厚さは2〜10μmであり、更に摺動外周
面の面粗度は1.5μ以下であり、摺動外周面には円
周方向に1ないし複数本の条痕が形成されること
を特徴とするピストンリング。 2 摺動外周面の形状はバレル状であることを特
徴とする特許請求の範囲第1項に記載のピストン
リング。[Scope of Claims] 1. A piston ring for an internal combustion engine, in which at least the sliding outer peripheral surface of the piston ring is coated with a hard chrome plating base layer, and the hard chrome plating layer is coated with a titanium nitride film by ion plating. The hard chrome plating base layer has a thickness of 10~
The hardness is Hv600 or more at 100 μm, the thickness of the titanium nitride film is 2 to 10 μm, and the surface roughness of the sliding outer peripheral surface is 1.5 μ or less, and the sliding outer peripheral surface has a A piston ring characterized in that one or more striations are formed. 2. The piston ring according to claim 1, wherein the sliding outer peripheral surface has a barrel shape.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14509683A JPS6036759A (en) | 1983-08-10 | 1983-08-10 | Piston ring for internal-combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14509683A JPS6036759A (en) | 1983-08-10 | 1983-08-10 | Piston ring for internal-combustion engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6036759A JPS6036759A (en) | 1985-02-25 |
| JPH0133658B2 true JPH0133658B2 (en) | 1989-07-14 |
Family
ID=15377276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14509683A Granted JPS6036759A (en) | 1983-08-10 | 1983-08-10 | Piston ring for internal-combustion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6036759A (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2823602B2 (en) * | 1989-09-27 | 1998-11-11 | 臼井国際産業株式会社 | piston ring |
| JPH112323A (en) * | 1997-06-10 | 1999-01-06 | Hino Motors Ltd | Piston ring |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59127858U (en) * | 1983-02-18 | 1984-08-28 | 日本ピストンリング株式会社 | piston ring |
-
1983
- 1983-08-10 JP JP14509683A patent/JPS6036759A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6036759A (en) | 1985-02-25 |
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