JP2002005289A - Piston ring - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンリングに
関し、更に詳しくは、耐摩耗性、耐スカッフィング性お
よび耐相手攻撃性等の摺動特性と靭性とを改良したピス
トンリングに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring, and more particularly, to a piston ring having improved sliding characteristics such as abrasion resistance, scuffing resistance, and counterpart attack resistance and toughness.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴
い、ピストンリングにもより高い品質（例えば耐摩耗
性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性等）が要求され
てきている。2. Description of the Related Art In recent years, as the weight and output of internal combustion engines have been reduced, piston rings have been required to have higher quality (for example, wear resistance, scuffing resistance, counter-attack resistance, etc.).
【０００３】内燃機関用のピストンリングには、従来よ
り、摺動面に硬質クロムめっき処理や窒化処理などの耐
摩耗性の向上を目的とした表面処理が施されているが、
こうした表面処理では、上記要求に十分応えることがで
きなくなってきている。Conventionally, piston rings for internal combustion engines have been subjected to a surface treatment for improving wear resistance, such as hard chrome plating or nitriding, on the sliding surface.
Such surface treatments are no longer able to adequately meet the above requirements.
【０００４】そのため、一部のピストンリングでは、Ｐ
ＶＤ（物理的蒸着）法で作製されたＣｒＮ（窒化クロ
ム）やＴｉＮ（窒化チタン）等の硬質皮膜が採用されて
いる。[0004] Therefore, in some piston rings, P
Hard coatings such as CrN (chromium nitride) and TiN (titanium nitride) produced by a VD (physical vapor deposition) method are employed.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＰＶＤ
法で作製されたＣｒＮ皮膜は、優れた耐摩耗性を有する
ものの、相手材であるシリンダライナの摩耗を増加させ
ることがある。また、ＣｒＮ皮膜はそれ自身が脆い性質
を有するので、摺動による過度の繰り返し応力がＣｒＮ
皮膜に加わると、クラックが発生し、ＣｒＮ皮膜が剥離
するおそれがある。However, PVD
Although the CrN film produced by the method has excellent abrasion resistance, it may increase the abrasion of the cylinder liner which is the mating material. In addition, since the CrN film itself has a brittle property, excessive repetitive stress due to sliding may be caused by CrN.
When added to the coating, cracks may occur and the CrN coating may peel off.
【０００６】さらに、これからのエンジンが益々高出力
化に移行すると、ピストンリングの摺動環境は非常に過
酷になる。そのため、耐摩耗性、耐スカッフィング性、
耐相手攻撃性および靭性に優れたピストンリングの製造
を可能にさせる表面処理皮膜の開発が求められている。[0006] Further, as the engine in the future shifts to higher output, the sliding environment of the piston ring becomes very severe. Therefore, wear resistance, scuffing resistance,
There is a demand for the development of a surface treatment film that enables the production of a piston ring having excellent anti-attack resistance and toughness.
【０００７】本発明は、上記問題を解決すると共に上記
要求に応えるものであって、耐摩耗性、耐スカッフィン
グ性、耐相手攻撃性および靭性に優れたピストンリング
を提供する。[0007] The present invention solves the above problems and satisfies the above requirements, and provides a piston ring excellent in wear resistance, scuffing resistance, counterpart attack resistance and toughness.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、外周
面にクロムと窒素を主成分とする合金皮膜が形成されて
なるピストンリングであって、当該合金皮膜には、ホウ
素：０．０５〜２０重量％と、酸素及び／又は炭素：
０．５〜１５重量％が含有されていることに特徴を有す
る。According to the first aspect of the present invention, there is provided a piston ring having an outer peripheral surface on which an alloy film containing chromium and nitrogen as a main component is formed. 05 to 20% by weight and oxygen and / or carbon:
It is characterized by containing 0.5 to 15% by weight.
【０００９】この発明によれば、クロムと窒素を主成分
とし、ホウ素と酸素及び／又は炭素とをそれぞれ所定量
含有するＣｒ−Ｂ−（Ｏ，Ｃ）−Ｎ系の合金皮膜が、ピ
ストンリングの摺動部位である外周面に形成されてい
る。本発明のピストンリングは、こうした表面処理皮膜
によって、耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃
性および靭性をより向上させたものである。According to the present invention, a Cr—B— (O, C) —N-based alloy film containing chromium and nitrogen as main components and boron and oxygen and / or carbon in predetermined amounts, is formed by a piston ring. Are formed on the outer peripheral surface, which is the sliding portion of. In the piston ring of the present invention, wear resistance, scuffing resistance, counter attack resistance and toughness are further improved by such a surface treatment film.
【００１０】請求項２、３の発明は、請求項１のピスト
ンリングにおいて、前記合金皮膜が、ＣｒＮ及び／又は
Ｃｒ2 Ｎを主成分とするもの、または、ＣｒＮ及び／又
はＣｒ2 Ｎと、Ｃｒとを主成分とするもの、であること
に特徴を有する。According to a second or third aspect of the present invention, in the piston ring according to the first aspect, the alloy film has CrN and / or Cr 2 N as a main component, or CrN and / or Cr 2 N; It is characterized by containing Cr as a main component.
【００１１】これらの発明によれば、ホウ素と酸素及び
／又は炭素とを含有する合金皮膜が、ＣｒＮとＣｒ2 Ｎ
の何れか一方を少なくとも主成分とするＣｒ−Ｎ系の合
金皮膜であるので、本来的に優れた耐摩耗性を有すると
共に、上記含有元素によってさらに耐摩耗性、耐スカッ
フィング性、耐相手攻撃性および靭性を向上させること
ができる。According to these inventions, the alloy film containing boron and oxygen and / or carbon is composed of CrN and Cr 2 N
Is a Cr-N-based alloy film containing at least one of the above as a main component, so that it has inherently excellent wear resistance, and further contains abrasion resistance, scuffing resistance, and counter-attack resistance by the above-mentioned elements. And the toughness can be improved.
【００１２】請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３
の何れかに記載のピストンリングにおいて、ピストンリ
ングの全周面または少なくとも外周面に窒化層が形成さ
れ、当該窒化層上のピストンリング外周面に、請求項１
に記載の合金皮膜が形成されていることに特徴を有す
る。The invention according to claim 4 is the invention according to claims 1 to 3.
2. The piston ring according to claim 1, wherein a nitrided layer is formed on the entire peripheral surface or at least the outer peripheral surface of the piston ring, and the piston ring is provided on the outer peripheral surface of the piston ring on the nitrided layer.
Characterized in that the alloy film described in (1) is formed.
【００１３】この発明によれば、上述の合金皮膜が形成
される前のピストンリングには、その全周面または少な
くとも外周面に、窒化層が予め形成されている。この窒
化層は、それ自身優れた耐摩耗性を有するので、その上
に形成された合金皮膜と共に、耐摩耗性、耐スカッフィ
ング性、耐相手攻撃性および靭性をより一層向上させる
ことができる。According to the present invention, the piston ring before the above-mentioned alloy film is formed has a nitrided layer formed in advance on the entire circumferential surface or at least on the outer circumferential surface. Since this nitride layer has excellent wear resistance by itself, the wear resistance, scuffing resistance, counter attack resistance and toughness can be further improved together with the alloy film formed thereon.
【００１４】請求項５の発明は、請求項１乃至請求項３
の何れかに記載のピストンリングにおいて、ピストンリ
ングの全周面または少なくとも外周面に下地皮膜が形成
され、当該下地皮膜上のピストンリング外周面に、請求
項１に記載の合金皮膜が形成されていることに特徴を有
する。[0014] The invention of claim 5 is the first to third aspects of the present invention.
In the piston ring according to any one of the above, an undercoat film is formed on the entire circumferential surface or at least the outer circumferential surface of the piston ring, and the alloy film according to claim 1 is formed on the outer peripheral surface of the piston ring on the undercoat film. It is characterized by being.
【００１５】この発明によれば、上述の合金皮膜が形成
される前のピストンリングには、その全周面または少な
くとも外周面に下地皮膜が予め形成されている。その下
地皮膜は、その上に形成された合金皮膜と共に、耐摩耗
性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性および靭性をよ
り一層向上させることができる。なお、下地皮膜には、
通常、クロム系または窒化クロム系の耐摩耗性皮膜が採
用される。According to the present invention, a base coat is previously formed on the entire circumferential surface or at least on the outer circumferential surface of the piston ring before the above-mentioned alloy film is formed. The base film, together with the alloy film formed thereon, can further improve the wear resistance, the scuffing resistance, the counter-attack resistance and the toughness. In addition, for the undercoat,
Usually, a chromium-based or chromium nitride-based wear-resistant coating is employed.
【００１６】請求項６の発明は、請求項５に記載のピス
トンリングにおいて、前記下地皮膜が、Ｃｒ、ＣｒＮ及
びＣｒ2 Ｎの中の少なくとも一種で形成されていること
に特徴を有する。According to a sixth aspect of the present invention, in the piston ring according to the fifth aspect, the undercoat is formed of at least one of Cr, CrN, and Cr 2 N.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しつつ本発明
を説明する。なお、特に断らない限り、「％」は重量％
（質量％に同じ。）を意味する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. Unless otherwise specified, "%" is% by weight.
(Same as mass%).
【００１８】図１は、本発明のピストンリングの一例を
示す断面図である。このピストンリング１は、その全周
面に窒化層２が形成され、さらにその外周面に合金皮膜
３が形成されている。FIG. 1 is a sectional view showing an example of the piston ring of the present invention. The piston ring 1 has a nitride layer 2 formed on the entire peripheral surface thereof, and an alloy film 3 formed on the outer peripheral surface thereof.
【００１９】ピストンリング１の母材は、特に限定され
ないが、従来より好ましく用いられているもの、例えば
ステンレススチール等が使用される。The base material of the piston ring 1 is not particularly limited, but a material preferably used conventionally, for example, stainless steel is used.
【００２０】そうした母材によって形成されたピストン
リング１には、後述する合金皮膜３を直接形成すること
ができ、本発明の所期の目的を達成することができる。The alloy film 3 described later can be directly formed on the piston ring 1 formed of such a base material, and the intended object of the present invention can be achieved.
【００２１】また、ピストンリング１の全周面または少
なくとも外周面に、窒化層２または下地皮膜（図示しな
い。）を予め形成した後に、後述する合金皮膜３を形成
することもできる。窒化層２上または下地皮膜上に合金
皮膜３を形成してなるピストンリングは、特に優れた摺
動特性と靱性を有している。Further, after forming a nitride layer 2 or a base coat (not shown) in advance on the entire circumferential surface or at least the outer circumferential surface of the piston ring 1, an alloy film 3 described later can be formed. The piston ring in which the alloy film 3 is formed on the nitride layer 2 or the base film has particularly excellent sliding characteristics and toughness.
【００２２】窒化層２は、予め所定の寸法に作製された
ピストンリングの全周面または外周面に形成されること
が好ましい。従って、この窒化層２は、少なくともピス
トンリングの外周面に形成されている。なお、図２にお
いては、全周面に窒化層２を形成した態様を示してい
る。窒化層２は、従来のピストンリングと同様の方法、
例えば、イオン窒化法、ガス窒化法、液体窒化法等の窒
化処理によって形成することができる。窒化処理によっ
て、母材の表面層から窒素が侵入し、母材中で窒化物を
形成して硬化層が形成される。この窒化層２は、それ自
身耐摩耗性に優れると共に、後述する合金皮膜の下層と
して設けられることによって合金皮膜３、ひいてはピス
トンリング１の摺動特性と靱性をより向上させることが
できる。こうした窒化層２の深さは、１０〜１５０μｍ
程度であることが好ましい。The nitrided layer 2 is preferably formed on the entire circumferential surface or the outer circumferential surface of a piston ring which has been manufactured to a predetermined size in advance. Therefore, the nitride layer 2 is formed at least on the outer peripheral surface of the piston ring. FIG. 2 shows an embodiment in which a nitride layer 2 is formed on the entire peripheral surface. The nitride layer 2 is formed in the same manner as the conventional piston ring,
For example, it can be formed by a nitriding treatment such as an ion nitriding method, a gas nitriding method, or a liquid nitriding method. By the nitriding treatment, nitrogen penetrates from the surface layer of the base material, and nitrides are formed in the base material to form a hardened layer. The nitrided layer 2 itself has excellent wear resistance, and can be provided as a lower layer of an alloy film described later to further improve the sliding characteristics and toughness of the alloy film 3 and thus the piston ring 1. The depth of such a nitride layer 2 is 10 to 150 μm
It is preferred that it is about.
【００２３】下地皮膜（図示しない。）は、その上に形
成される合金皮膜３と共に、耐摩耗性、耐スカッフィン
グ性、耐相手攻撃性等の摺動特性および靭性をより一層
向上させるように作用するものである。そのため、下地
皮膜には、通常、クロム系または窒化クロム系の耐摩耗
性皮膜、具体的には、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ2 Ｎの中の少
なくとも一種からなる耐摩耗性皮膜が採用される。この
下地皮膜も、上記の窒化層２と同様に、予め所定の寸法
に形成されたピストンリングの全周面または外周面に形
成されることが好ましい。下地皮膜としては、硬質クロ
ムめっき皮膜（Ｃｒ皮膜）、その硬質クロムめっき皮膜
にさらに窒化処理して窒化クロム層を形成した皮膜（Ｃ
ｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ2 Ｎを含有する皮膜）、イオンプレー
ティング法や反応性スパッタリング法等の薄膜形成法に
よって形成された窒化クロム皮膜（主にＣｒＮやＣｒ2
Ｎを含有する皮膜）等を挙げることができる。こうした
下地皮膜の厚さは、３０〜９０μｍ程度であることが好
ましい。The undercoat film (not shown) works together with the alloy film 3 formed thereon to further improve the sliding characteristics such as abrasion resistance, scuffing resistance and anti-attack resistance, and toughness. Is what you do. Therefore, a chromium-based or chromium-nitride-based wear-resistant film, specifically, a wear-resistant film made of at least one of Cr, CrN, and Cr 2 N is usually used as the base film. This undercoat is also preferably formed on the entire circumferential surface or the outer circumferential surface of the piston ring formed in a predetermined size in advance, similarly to the nitride layer 2 described above. As a base film, a hard chromium plating film (Cr film), a film obtained by further nitriding the hard chromium plating film to form a chromium nitride layer (C
r, CrN, Cr 2 N) and a chromium nitride film (mainly CrN or Cr 2 N) formed by a thin film forming method such as an ion plating method or a reactive sputtering method.
N-containing film). It is preferable that the thickness of the undercoat is about 30 to 90 μm.
【００２４】合金皮膜３は、ピストンリング１の外周面
に形成され、ピストンリングの耐摩耗性、耐スカッフィ
ング性、耐相手攻撃性および靱性を向上させるように作
用する。The alloy film 3 is formed on the outer peripheral surface of the piston ring 1 and acts to improve the wear resistance, scuffing resistance, counter attack resistance and toughness of the piston ring.
【００２５】この合金皮膜３は、そのマトリックス（基
地）が、ＣｒＮ及び／又はＣｒ2 Ｎを主成分とし、また
は、ＣｒＮ及び／又はＣｒ2 ＮとＣｒとを主成分とし、
さらに、ホウ素：０．０５〜２０％と、酸素と炭素のい
ずれか一方または双方：０．５〜１５％とを含有する。
すなわち、この合金皮膜３は、Ｃｒ−Ｂ−Ｏ−Ｎ系、Ｃ
ｒ−Ｂ−Ｃ−Ｎ系、または、Ｃｒ−Ｂ−Ｏ−Ｃ−Ｎ系の
多元素合金皮膜となる。上記範囲の含有量を有する合金
皮膜３は、優れた耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐相
手攻撃性および靱性を有し、ピストンリングの耐久性を
著しく向上させるという有益な効果がある。なお、ホウ
素、酸素、炭素の各元素は、通常、合金皮膜中に固溶し
て存在している。ここで、ＣｒＮ、Ｃｒ2 Ｎ、Ｃｒが合
金皮膜中に共存するのは、成膜手段や成膜条件に基づい
たクロムと窒素との反応に依存するものであるが、Ｃｒ
ＮとＣｒ2 Ｎの何れか一方が少なくとも主成分としてマ
トリックスを構成している。[0025] The alloy film 3, the matrix (base) is a main component CrN and / or Cr 2 N, or, as main components and CrN and / or Cr 2 N and Cr,
Further, it contains 0.05 to 20% of boron and one or both of oxygen and carbon: 0.5 to 15%.
That is, this alloy film 3 is made of a Cr—B—O—N-based
An r-BCN-based or Cr-BOCN-based multi-element alloy film is obtained. The alloy film 3 having the content in the above range has excellent wear resistance, scuffing resistance, anti-attack resistance and toughness, and has a beneficial effect of remarkably improving the durability of the piston ring. Note that each element of boron, oxygen, and carbon is usually present as a solid solution in the alloy film. Here, the reason why CrN, Cr 2 N, and Cr coexist in the alloy film depends on the reaction between chromium and nitrogen based on the film forming means and film forming conditions.
Either N or Cr 2 N constitutes a matrix at least as a main component.
【００２６】ホウ素含有量が０．０５％未満の場合また
は酸素と炭素のいずれか一方または双方が０．５％未満
の場合には、合金皮膜３中へのホウ素、酸素、炭素の各
固溶量が不十分であり、期待する効果が得られない。ま
た、ホウ素含有量が２０％を超えた場合または酸素と炭
素のいずれか一方または双方が１５％を超えた場合に
は、合金皮膜３の内部応力が高く靭性が低下し、合金皮
膜３にクラックや層間剥離等が発生し、ピストンリング
としての機能を果たさなくなる。When the boron content is less than 0.05% or when one or both of oxygen and carbon are less than 0.5%, the solid solution of boron, oxygen and carbon in the alloy film 3 is Insufficient amount to achieve expected effect. When the boron content exceeds 20%, or when one or both of oxygen and carbon exceeds 15%, the internal stress of the alloy film 3 is high, the toughness is reduced, and the alloy film 3 has cracks. And delamination occur, and the function as a piston ring is not fulfilled.
【００２７】ホウ素、酸素、炭素の各元素のより好まし
い含有量（固溶量）は、Ｃｒ−Ｎ系の結晶構造中に、ホ
ウ素：１〜１０％、酸素：１〜８％、炭素：１〜８％で
ある。このとき、酸素と炭素の合計量は、３〜１０％で
あることがより好ましい。The more preferable content (solid solution amount) of each element of boron, oxygen, and carbon is as follows: boron: 1 to 10%, oxygen: 1 to 8%, carbon: 1 ~ 8%. At this time, the total amount of oxygen and carbon is more preferably 3 to 10%.
【００２８】こうした合金皮膜３は、イオンプレーティ
ング法や反応性スパッタリング法等のように、多元素系
皮膜を形成できる薄膜形成手段を利用して形成すること
ができる。イオンプレーティング法においては、成膜速
度の大きいアークイオンプレーティング法を好ましく用
いることができる。形成する合金皮膜３の膜厚は、１μ
ｍ〜７０μｍが好適であるが、使用形態等に応じて任意
に設定される。The alloy film 3 can be formed by using a thin film forming means capable of forming a multi-element film, such as an ion plating method or a reactive sputtering method. In the ion plating method, an arc ion plating method having a high film forming rate can be preferably used. The thickness of the alloy film 3 to be formed is 1 μm.
m to 70 μm is suitable, but is arbitrarily set according to the usage pattern and the like.
【００２９】以上説明したように、本発明のピストンリ
ング１は、優れた特性を有する合金皮膜３が外周面に形
成されているので、今後開発が予想される高出力、高温
高負荷のエンジンにも十分に使用することができる。な
お、本発明の特徴的な合金皮膜３は、耐摩耗性、耐スカ
ッフィング性、耐相手攻撃性または靱性を向上させるこ
とができるので、そうした特性が要求される摺動部材で
あれば、ピストンリング１以外のものに対しても適用で
きる。例えば、自動車の摺動部品、コンプレッサー部品
等にも適用できる。As described above, the piston ring 1 of the present invention has the alloy film 3 having excellent properties formed on the outer peripheral surface thereof, so that the piston ring 1 can be applied to a high-power, high-temperature, high-load engine expected to be developed in the future. Can also be used satisfactorily. In addition, since the characteristic alloy film 3 of the present invention can improve abrasion resistance, scuffing resistance, counter-attack resistance or toughness, a piston ring is required if the sliding member requires such characteristics. It can be applied to things other than 1. For example, it can be applied to sliding parts of automobiles, compressor parts, and the like.
【００３０】なお、本発明のピストンリング１において
は、合金皮膜３を外周面のみに形成しているが、必要に
応じてその他も部分、例えば全周面や上下面に形成して
もよく、特に限定されない。また、上述した合金皮膜３
は、鋳鉄製やアルミニウム合金製のシリンダライナー等
の相手材に対して特に耐相手攻撃性に優れているので、
これらの相手材との関係においては、特に好ましく用い
ることができる。In the piston ring 1 of the present invention, the alloy film 3 is formed only on the outer peripheral surface. However, if necessary, other portions may be formed on the entire peripheral surface or the upper and lower surfaces. There is no particular limitation. In addition, the above-mentioned alloy film 3
Is particularly resistant to mating materials such as cast iron and aluminum alloy cylinder liners.
In relation to these mating materials, they can be particularly preferably used.
【００３１】次に、アークイオンプレーティング法によ
って合金皮膜３を形成した一例について説明する。Next, an example in which the alloy film 3 is formed by the arc ion plating method will be described.
【００３２】図２は、本発明のピストンリングを製造す
るアークイオンプレーティング装置の基本的な原理を示
す説明図である。アークイオンプレーティング法は、真
空アーク放電を利用したイオンプレーティング法の一つ
であり、蒸気のイオン化率が高く、緻密で密着性に優れ
た合金皮膜が得られることに特徴がある。このアークイ
オンプレーティング法によれば、合金皮膜用の原材料を
陰極５とし、真空アーク放電によってその原材料が蒸気
化し、イオン化して、被コーティング物６であるピスト
ンリングの外周面に合金皮膜３が形成される。FIG. 2 is an explanatory view showing the basic principle of an arc ion plating apparatus for producing a piston ring according to the present invention. The arc ion plating method is one of the ion plating methods utilizing vacuum arc discharge, and is characterized in that a high ionization rate of steam, a dense alloy film having excellent adhesion can be obtained. According to this arc ion plating method, the raw material for the alloy film is used as the cathode 5, and the raw material is vaporized and ionized by vacuum arc discharge, and the alloy film 3 is formed on the outer peripheral surface of the piston ring which is the object 6 to be coated. It is formed.
【００３３】先ず、アークイオンプレーティング装置の
基本構成について説明する。真空チャンバ４内には、合
金皮膜用の原材料（Ｃｒ−Ｂ合金）からなる陰極５と、
合金皮膜が形成される被コーティング物６が設置され
る。その陰極５は、真空チャンバ４の外側に設置されて
いるアーク供給源７に接続される。アーク供給源７に
は、陽極（図示しない。）も接続される。被コーティン
グ物６には、バイアス電圧供給源８によって負のバイア
ス電圧が印加される。真空チャンバ４は、プロセスガス
の供給源に接続されている酸素と炭素のガス入口９、窒
素ガス入口１０と、排気ポンプに接続されている排気口
１１とを備えている。First, the basic configuration of the arc ion plating apparatus will be described. In the vacuum chamber 4, a cathode 5 made of a raw material (Cr-B alloy) for an alloy film is provided.
An object 6 to be coated on which an alloy film is formed is provided. The cathode 5 is connected to an arc source 7 installed outside the vacuum chamber 4. An anode (not shown) is also connected to the arc supply source 7. A negative bias voltage is applied to the object 6 by a bias voltage supply 8. The vacuum chamber 4 includes an oxygen and carbon gas inlet 9 and a nitrogen gas inlet 10 connected to a process gas supply source, and an exhaust port 11 connected to an exhaust pump.
【００３４】こうしたアークイオンプレーティング装置
において、真空チャンバ４内で陰極５と陽極との間でア
ーク放電が起こると、陰極５の表面上にアークスポット
が形成され、アークは陰極５の表面上をランダムにかつ
高速に移動する。アークスポットには、アーク電流（数
十〜数百アンペア）が集中し、それに基づくエネルギー
により、陰極５の原材料（Ｃｒ−Ｂ合金）は瞬時に蒸発
すると同時にＣｒイオン１２とＢイオン１３になって真
空中に飛び出す。一方、バイアス電圧が被コーティング
物６に印加されることにより、真空チャンバー４内のＣ
ｒイオン１２とＢイオン１３は加速され、酸素１４、炭
素１５、窒素１６の各反応ガス粒子と共に被コーティン
グ物６の表面に密着し、緻密な合金皮膜が生成される。In such an arc ion plating apparatus, when an arc discharge occurs between the cathode 5 and the anode in the vacuum chamber 4, an arc spot is formed on the surface of the cathode 5, and the arc is formed on the surface of the cathode 5. Move randomly and fast. An arc current (tens to hundreds of amperes) is concentrated on the arc spot, and the energy based on the arc current causes the raw material (Cr-B alloy) of the cathode 5 to instantaneously evaporate and become Cr ions 12 and B ions 13 at the same time. Jump out into a vacuum. On the other hand, when a bias voltage is applied to the object 6 to be coated, the C
The r ions 12 and the B ions 13 are accelerated and adhere to the surface of the coating target 6 together with the respective reaction gas particles of oxygen 14, carbon 15, and nitrogen 16 to form a dense alloy film.
【００３５】本発明においては、陰極５の材料としてＣ
ｒ−Ｂ合金からなる原材料が使用され、プロセスガスと
して酸素ガス、炭素ガス（メタン）、窒素ガスとが使用
される。こうした原材料と反応ガスにより、被コーティ
ング物６であるピストンリングに、ＣｒＮ及び／又はＣ
ｒ2 Ｎを主成分とする窒化クロム系、または、ＣｒＮ及
び／又はＣｒ2 Ｎと、Ｃｒとを主成分とするＣｒ−Ｎ系
の合金皮膜中に、ホウ素が０．０５〜２０％、酸素と炭
素のいずれか一方または双方が０．５〜１５％固溶され
た合金皮膜３を形成することができる。In the present invention, the material of the cathode 5 is C
Raw materials made of an r-B alloy are used, and oxygen gas, carbon gas (methane), and nitrogen gas are used as process gases. With such raw materials and reaction gas, CrN and / or C
chromium nitride based mainly composed of r 2 N, or the CrN and / or Cr 2 N, in the alloy film of CrN system mainly composed of a Cr, boron 0.05 to 20% oxygen Alloy film 3 in which one or both of carbon and carbon are dissolved by 0.5 to 15%.
【００３６】アークイオンプレーティング装置におい
て、ホウ素、酸素、炭素の各濃度は、Ｃｒ−Ｂ合金ター
ゲットの成分組成と、アークイオンプレーティングの際
の酸素と炭素と窒素のそれぞれの分圧とをコントロール
することによって調整することができる。例えば、Ｃｒ
−Ｂ合金ターゲットのホウ素成分を多くすると、基本的
に合金皮膜中のホウ素濃度を高くすることができ、酸素
と炭素の分圧を高くすると、酸素と炭素の濃度を高くす
ることができる。In the arc ion plating apparatus, the concentrations of boron, oxygen, and carbon control the composition of the Cr—B alloy target and the partial pressures of oxygen, carbon, and nitrogen during arc ion plating. Can be adjusted. For example, Cr
When the boron component of the -B alloy target is increased, the boron concentration in the alloy film can basically be increased, and when the partial pressure of oxygen and carbon is increased, the concentration of oxygen and carbon can be increased.
【００３７】[0037]
【実施例】以下に、実施例と比較例を挙げて、本発明を
更に詳しく説明する。なお、ここでは、ピストンリング
に形成される合金皮膜３の耐摩耗性、耐スカッフィング
性、耐相手攻撃性及び靱性（耐剥離性）を評価した。The present invention will be described below in more detail with reference to examples and comparative examples. Here, the wear resistance, scuffing resistance, counter-attack resistance and toughness (peeling resistance) of the alloy film 3 formed on the piston ring were evaluated.
【００３８】（合金皮膜の形成手順）１８ｍｍ×１２ｍ
ｍ×６ｍｍの鋼製平板の片面をラッピングし、１μｍ以
下の表面粗さに仕上げて試料素材とした。試料はあらか
じめ有機溶剤液中で超音波洗浄を行った。次いで、以下
に説明する手順でアークイオンプレーティング法によ
り、合金皮膜３を形成した。(Procedure for forming alloy film) 18 mm × 12 m
One side of a steel flat plate of mx 6 mm was wrapped and finished to a surface roughness of 1 µm or less to obtain a sample material. The sample was previously subjected to ultrasonic cleaning in an organic solvent solution. Next, the alloy film 3 was formed by the arc ion plating method according to the procedure described below.
【００３９】先ず、試料をアークイオンプレーティング
装置のチャンバ（真空容器）内に取り付け、５×１０-3
Ｔｏｒｒまで真空引きを行った。チャンバ内に内蔵され
ているヒーターにより、試料表面に付着あるいは吸着し
ているガスを放出させ、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットの表面
でアーク放電を発生させ、ＣｒイオンとＢイオンを放出
させた。試料に−８００Ｖ（ボルト）を印加して試料表
面をスパッタクリーニング（イオンボンバード）し、そ
の後、アーク放電が起こっているチャンバ中に酸素ガス
および窒素ガスを導入して、試料に−７Ｖのバイアス電
圧を印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｏ−Ｎ系の合金皮膜
を３０μｍ形成し、実施例１の合金皮膜を得た。なお、
合金皮膜の組成は、ＥＰＭＡによって測定し、表１に示
した。First, the sample was set in a chamber (vacuum vessel) of an arc ion plating apparatus, and 5 × 10 −3.
Vacuum was applied to Torr. Gas adhering or adsorbed on the sample surface was released by a heater built in the chamber, an arc discharge was generated on the surface of the Cr-B alloy target, and Cr ions and B ions were released. -800 V (volt) is applied to the sample to perform sputter cleaning (ion bombardment) on the surface of the sample, and thereafter, an oxygen gas and a nitrogen gas are introduced into a chamber where arc discharge occurs, and a bias voltage of -7 V is applied to the sample. Was applied to form a Cr-BON-based alloy film of 30 μm on the sample surface to obtain an alloy film of Example 1. In addition,
The composition of the alloy film was measured by EPMA and is shown in Table 1.
【００４０】また、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットの組成と、
酸素ガスおよび窒素ガスの分圧の制御とによって、ホウ
素含有量と酸素含有量の異なる実施例２、３の合金被膜
を得た。Further, the composition of the Cr—B alloy target is as follows:
By controlling the partial pressures of oxygen gas and nitrogen gas, alloy coatings of Examples 2 and 3 having different boron contents and oxygen contents were obtained.
【００４１】Ｃｒ−Ｂ−Ｃ−Ｎ系の合金皮膜の形成は、
酸素ガスに代えて炭素ガス（メタン）を導入することに
よって行った。合金組成は、上記と同様の方法で制御
し、実施例４〜６の合金皮膜を得た。The formation of the Cr—B—C—N alloy film is as follows.
This was performed by introducing carbon gas (methane) instead of oxygen gas. The alloy composition was controlled in the same manner as described above to obtain alloy films of Examples 4 to 6.
【００４２】Ｃｒ−Ｂ−Ｏ−Ｃ−Ｎ系の合金皮膜の形成
は、酸素ガスと炭素ガス（メタン）とを一緒に導入する
ことによって行った。合金組成は、上記と同様の方法で
制御し、実施例７、８の合金皮膜を得た。The formation of the Cr—B—O—C—N alloy film was carried out by introducing oxygen gas and carbon gas (methane) together. The alloy composition was controlled in the same manner as described above to obtain alloy films of Examples 7 and 8.
【００４３】なお、イオンプレーティング法で作製した
従来タイプのＣｒＮ皮膜を比較例１として対比させた。The conventional CrN film produced by the ion plating method was compared as Comparative Example 1.
【００４４】[0044]
【表１】 [Table 1]
【００４５】（試験および結果）実施例１〜８および比
較例１の各合金皮膜の特性を下記の方法にて評価した。(Tests and Results) The properties of the alloy films of Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 were evaluated by the following methods.
【００４６】１）摩耗試験 実施例１〜８および比較例１の各試料を用いて、下記の
摩耗試験条件にて耐摩耗性の評価を行った。耐摩耗性試
験は、アムスラー型摩耗試験機を使用し、各々の試料
（１８ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍ）を固定片とし、相手材
（回転片）にはドーナツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍ
ｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用いた。形成された合金皮
膜がドーナツ状回転片に接触するようにセットした。試
験結果を表２に示す。なお、耐摩耗性は、比較例１の試
料の摩耗量を１００としたときの実施例１〜８の各試料
の摩耗量を、比較例１の結果に対する摩耗指数として比
較した。従って、実施例１〜８の各試料の摩耗指数が１
００より小さいほど摩耗量が少ないので、比較例１の試
料よりも耐摩耗性に優れることになる。1) Abrasion Test Abrasion resistance was evaluated using the samples of Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 under the following abrasion test conditions. The abrasion resistance test was performed using an Amsler-type abrasion tester, and each sample (18 mm × 12 mm × 6 mm) was used as a fixed piece.
m, thickness 10 mm). It was set so that the formed alloy film was in contact with the donut-shaped rotary piece. Table 2 shows the test results. The wear resistance was determined by comparing the wear amount of each of the samples of Examples 1 to 8 with the wear amount of the sample of Comparative Example 1 being 100 as a wear index for the result of Comparative Example 1. Therefore, the wear index of each sample of Examples 1 to 8 was 1
Since the wear amount is smaller as the value is smaller than 00, the wear resistance is superior to the sample of Comparative Example 1.
【００４７】このとき、相手材である回転片の摩耗量を
測定し、相手攻撃性を評価した。相手攻撃性も耐摩耗性
と同様に、比較例１の試料を使用したときの回転片の摩
耗量を１００とし、実施例１〜８の各試料を使用したと
きの回転片の摩耗量を、比較例１の結果に対する指数と
して比較し、表２に示した。従って、実施例１の各試料
を使用したときの相手攻撃性（指数）が１００より小さ
いほど、比較例１の試料を使用したときよりも相手材の
摩耗を増加させないので、相手攻撃性に優れることとな
る。At this time, the amount of wear of the rotating piece as the mating material was measured to evaluate the aggressiveness of the mating piece. Similarly to the abrasion resistance, the abrasion resistance of the rotating piece when the sample of Comparative Example 1 was used was set to 100, and the abrasion amount of the rotating piece when each of the samples of Examples 1 to 8 was used. The results are shown in Table 2 as an index for the results of Comparative Example 1. Therefore, when the opponent aggressiveness (index) when each sample of Example 1 is used is smaller than 100, the abrasion of the opponent material is not increased more than when the sample of Comparative Example 1 is used, so that the opponent aggressiveness is excellent. It will be.
【００４８】摩耗試験条件； 試験機：アムスラー型摩耗試験機 方法 ：回転片のほぼ半分を油に浸漬し、固定片を接触
させ、荷重を負荷して摩耗試験を行う。 相手材：ＦＣ２５（ＨＲＢ９８） 潤滑油：軸受け油 油 温：８０℃ 周 速：１ｍ／ｓｅｃ（４７８ｒｐｍ） 荷 重：１５０ｋｇ 時 間：７Ｈｒ 摩耗量測定：粗さ計による段差プロファイルで摩耗量
（μｍ）を測定する。Abrasion test conditions; Testing machine: Amsler-type abrasion tester Method: Almost half of the rotating piece is immersed in oil, the fixed piece is brought into contact, and a load is applied to perform a wear test. Counterpart material: FC25 (HRB98) Lubricating oil: Bearing oil Oil temperature: 80 ° C. Peripheral speed: 1 m / sec (478 rpm) Load: 150 kg Time: 7 Hr Abrasion measurement: Abrasion amount (μm) using a step profile by a roughness meter Is measured.
【００４９】２）スカッフィング性試験 実施例１〜８および比較例１の各試料を用いて、下記の
スカッフィング試験条件にて耐スカッフィング性の評価
を行った。試験結果を表２に示す。なお、耐スカッフィ
ング性は、比較例１の試料のスカッフ発生荷重を１００
とし、実施例１〜８の各試料のスカッフ発生荷重を比較
例１の結果に対するスカッフ指数として比較した。従っ
て、実施例１〜８の各試料のスカッフ指数が１００より
大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、比較例１
の試料よりも耐スカッフィング性に優れることとなる。2) Scuffing test Using each sample of Examples 1 to 8 and Comparative example 1, scuffing resistance was evaluated under the following scuffing test conditions. Table 2 shows the test results. The scuffing resistance was determined by setting the scuffing load of the sample of Comparative Example 1 to 100.
The scuffing load of each sample of Examples 1 to 8 was compared as a scuff index to the result of Comparative Example 1. Therefore, as the scuff index of each sample of Examples 1 to 8 was larger than 100, the scuffing load increased, and Comparative Example 1
The sample has better scuffing resistance than the sample.
【００５０】スカッフィング性試験条件； 試験機：アムスラー型摩耗試験機 方 法：試験片に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで
荷重を負荷させる。 相手材：ＦＣ２５（ＨＲＢ９８） 潤滑油：２号スピンドル油 油 温：成り行き 周 速：１ｍ／ｓｅｃ（４７８ｒｐｍ） 荷 重：スカッフ発生まで 時 間：成り行きScuffing test conditions; Testing machine: Amsler-type abrasion tester Method: Lubricant is adhered to a test piece, and a load is applied until scuffing occurs. Counterpart material: FC25 (HRB98) Lubricating oil: No. 2 spindle oil Oil Temperature: Outcome Peripheral speed: 1 m / sec (478 rpm) Load: Time until scuff occurs: Outcome
【００５１】３）靭性（耐剥離性）試験 実施例１〜８および比較例１の各試料を用いて、下記の
剥離試験条件にて靱性（耐剥離性）の評価を行った。試
験結果を表２に示す。なお、靱性（耐剥離性）は、比較
例１の試料の剥離発生回数を１００とし、実施例１〜８
の各試料の剥離発生回数を比較例１の結果に対する耐剥
離性指数として比較した。従って、実施例１〜８の各試
料の耐剥離性指数が１００よりも大きくなると、比較例
１の試料よりも多い回数で剥離が発生することとなるの
で、靭性（耐剥離性）に優れることとなる。図３は、測
定に使用したＮＰＲ式衝撃試験装置を示す。3) Toughness (peeling resistance) test Using each of the samples of Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, the toughness (peeling resistance) was evaluated under the following peeling test conditions. Table 2 shows the test results. In addition, the toughness (peeling resistance) was evaluated by setting the number of times of peeling of the sample of Comparative Example 1 to 100, and
Of each sample was compared as a peel resistance index with respect to the result of Comparative Example 1. Therefore, when the peel resistance index of each of the samples of Examples 1 to 8 is larger than 100, peeling occurs more frequently than the sample of Comparative Example 1, so that the toughness (peeling resistance) is excellent. Becomes FIG. 3 shows an NPR type impact test apparatus used for the measurement.
【００５２】剥離試験条件； 試験機：ＮＰＲ式衝撃試験装置（特開昭３６−１９０４
６号、めっき密着度の定量的試験装置）の改良試験機。 方 法：合金皮膜表面に、１回当たり４３．１ｍＪ
（４．４ｋｇｆ・ｍｍ）の衝撃エネルギーを加え、剥離
発生までの回数で評価。 剥離の有無：表面を１５倍に拡大して観察し、評価し
た。Peeling test conditions; Testing machine: NPR impact tester (JP-A-36-1904)
No. 6, a quantitative testing device for plating adhesion). Method: 43.1mJ per time on the alloy film surface
(4.4 kgf · mm) of impact energy was applied and evaluated by the number of times until peeling occurred. Presence or absence of peeling: The surface was magnified 15 times and observed for evaluation.
【００５３】[0053]
【表２】 [Table 2]
【００５４】（評価）実施例１〜８の合金皮膜は、比較
例１に比べ、その何れも耐摩耗性、耐スカッフィング
性、耐相手攻撃性及び靭性（耐剥離性）に優れていた。(Evaluation) The alloy films of Examples 1 to 8 were all superior to Comparative Example 1 in abrasion resistance, scuffing resistance, counter attack resistance and toughness (peeling resistance).
【００５５】[0055]
【発明の効果】本発明のピストンリングによれば、クロ
ムと窒素を主成分とし、ホウ素と酸素及び／又は炭素と
をそれぞれ所定量含有するＣｒ−Ｂ−（Ｏ，Ｃ）−Ｎ系
の合金皮膜を、ピストンリングの摺動部位である外周面
に形成することによって、耐摩耗性、耐スカッフィング
性、耐相手攻撃性および靭性をより向上させることがで
きた。According to the piston ring of the present invention, a Cr-B- (O, C) -N-based alloy containing chromium and nitrogen as main components and boron and oxygen and / or carbon in predetermined amounts, respectively. By forming the coating on the outer peripheral surface, which is the sliding portion of the piston ring, the wear resistance, scuffing resistance, counterattack resistance, and toughness could be further improved.
【００５６】また、本発明のピストンリングにおいて、
ホウ素と酸素及び／又は炭素とを含有する合金皮膜が、
ＣｒＮとＣｒ2 Ｎの何れか一方を少なくとも主成分とす
るＣｒ−Ｎ系の合金皮膜であるので、本来的に優れた耐
摩耗性を有すると共に、上記含有元素によってさらに耐
摩耗性、耐スカッフィング性、耐相手攻撃性および靭性
を向上させることができた。In the piston ring of the present invention,
Alloy film containing boron and oxygen and / or carbon,
Since one of the CrN and Cr 2 N is an alloy film of at least CrN system mainly, which has an inherently excellent wear resistance, further wear resistance, scuffing resistance by the above contained elements In this way, it was possible to improve the opponent's attack resistance and toughness.
【００５７】また、本発明のピストンリングにおいて、
ピストンリングの全周面または少なくとも外周面に、窒
化層またはクロム系もしくは窒化クロム系の下地皮膜が
形成され、その窒化層上または下地皮膜上のピストンリ
ング外周面に、それ自身優れた耐摩耗性を有する上記合
金皮膜が形成されるので、耐摩耗性、耐スカッフィング
性、耐相手攻撃性および靭性をより一層向上させること
ができた。Also, in the piston ring of the present invention,
A nitride layer or a chromium-based or chromium nitride-based undercoat is formed on the entire peripheral surface or at least the outer peripheral surface of the piston ring, and the piston ring outer peripheral surface on the nitrided layer or the undercoat has excellent wear resistance itself. Thus, the wear resistance, the scuffing resistance, the counter-attack resistance, and the toughness could be further improved.
【００５８】こうした本発明のピストンリングは、今後
開発が予想される高出力、高温高負荷のエンジンにも十
分に使用することができる。The piston ring of the present invention can be sufficiently used for a high-output, high-temperature, high-load engine which is expected to be developed in the future.
【図１】本発明のピストンリングの一例を示す断面図で
ある。FIG. 1 is a sectional view showing an example of a piston ring of the present invention.
【図２】本発明のピストンリングを製造するアークイオ
ンプレーティング装置の基本的な原理の説明図である。FIG. 2 is an explanatory view of a basic principle of an arc ion plating apparatus for manufacturing a piston ring of the present invention.
【図３】ＮＰＲ式衝撃試験装置（特開昭３６−１９０４
６号、めっき密着度の定量的試験装置）の改良試験機で
ある。FIG. 3 is an NPR type impact test apparatus (Japanese Patent Application Laid-Open No. 36-1904).
No. 6, a quantitative testing device for plating adhesion).
１、２１ ピストンリング ２ 窒化層 ３ 合金皮膜 ４ 真空チャンバ ５ 陰極 ６ 被コーティング物 ７ アーク供給源 ８ バイアス電源供給源 ９ 酸素・炭素ガス入口 １０ 窒素ガス入口 １１ 排気口 １２ Ｃｒイオン １３ Ｂイオン １４ 酸素 １５ 炭素 １６ 窒素 ２２ 圧子 ２３ 当て金 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 21 Piston ring 2 Nitride layer 3 Alloy film 4 Vacuum chamber 5 Cathode 6 Coating object 7 Arc supply source 8 Bias power supply source 9 Oxygen / carbon gas inlet 10 Nitrogen gas inlet 11 Exhaust port 12 Cr ion 13 B ion 14 Oxygen 15 carbon 16 nitrogen 22 indenter 23 pad
Claims (6)
金皮膜が形成されてなるピストンリングであって、当該
合金皮膜には、ホウ素：０．０５〜２０重量％と、酸素
及び／又は炭素：０．５〜１５重量％が含有されている
ことを特徴とするピストンリング。1. A piston ring having an outer peripheral surface on which an alloy film containing chromium and nitrogen as main components is formed, wherein the alloy film contains 0.05 to 20% by weight of boron, oxygen and / or Carbon: a piston ring containing 0.5 to 15% by weight.
2 Ｎを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の
ピストンリング。2. The method according to claim 1, wherein the alloy film is made of CrN and / or Cr.
The piston ring according to claim 1, wherein 2 N is a main component.
2 Ｎと、Ｃｒとを主成分とすることを特徴とする請求項
１に記載のピストンリング。3. The method according to claim 1, wherein the alloy film is made of CrN and / or Cr.
2. The piston ring according to claim 1, wherein 2N and Cr are main components.
も外周面に窒化層が形成され、当該窒化層上の外周面
に、請求項１に記載の合金皮膜が形成されていることを
特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のピス
トンリング。4. A piston ring, wherein a nitride layer is formed on the entire circumferential surface or at least on the outer circumferential surface, and the alloy film according to claim 1 is formed on the outer circumferential surface on the nitride layer. The piston ring according to any one of claims 1 to 3.
も外周面に下地皮膜が形成され、当該下地皮膜上の外周
面に、請求項１に記載の合金皮膜が形成されていること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のピ
ストンリング。5. An undercoat film is formed on the entire circumferential surface or at least on the outer circumferential surface of the piston ring, and the alloy film according to claim 1 is formed on the outer circumferential surface on the undercoat film. The piston ring according to any one of claims 1 to 3.
2 Ｎの中の少なくとも一種で形成されていることを特徴
とする請求項５に記載のピストンリング。6. The method according to claim 1, wherein the undercoat is made of Cr, CrN and Cr.
Piston ring according to claim 5, characterized in that it is formed of at least one of: 2 N.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009133445A (en) * | 2007-11-30 | 2009-06-18 | Nippon Piston Ring Co Ltd | Sliding member |
| JP2010519468A (en) * | 2007-02-17 | 2010-06-03 | フェデラル−モーグル ブルシャイト ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | piston ring |
-
2000
- 2000-06-21 JP JP2000185885A patent/JP2002005289A/en active Pending
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