(57)【要約】  【課題】硬質イオンプレーティング皮膜の密着性が優れ、且つ、皮膜表面の粗さ低減が容易な鋼、アルミ合金又はTi合金を母材とするピストンリング及びそれに適した前処理方法を提供する。  【解決手段】イオンプレーティング皮膜の下地表面を平均粒径３〜２０μmのアランダム又はカーボランダ等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラスト加工により、１０点平均粗さ（今後Rzで表示）が０．５〜２．０Rzに加工したあと、該下地表面上にＴｉ又は／及びＣｒとＣ、Ｎ、Ｏから選ばれた少なくとも一種以上で形成された硬質イオンプレーティング皮膜を形成する。  【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも摺動面に１〜３０μmの硬質イオンプレーティング皮膜を有する鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製摺動部品であって、該イオンプレーティング皮膜の下地表面が、１０点平均粗さ（以後Rzで表示）で０．５〜２．０Rzに加工されていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
該イオンプレーティング皮膜の下地表面が平均粒径３〜２０μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって加工されていることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】
前記硬質イオンプレーティング皮膜がＴｉ又は／及びＣｒとＣ、Ｎ、Ｏから選ばれた少なくとも一種以上からなる皮膜であることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項４】
鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製摺動部材の製造法であり、摺動面を平均粒径３〜２０μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって１０点平均粗さが０．５〜２．０Rzに加工する第一工程、前記摺動部品をエアーブロー又は／及び有機溶剤超音波洗浄を行う第二工程、イオンプレーティング装置の真空槽中でイオンボンバードを行うか又はしないで、少なくともサンドブラストされた摺動面にＴｉ又は／及びＣｒとＣ、Ｎ、Ｏから選ばれた少なくとも一種以上を主成分とする皮膜をアークイオンプレーティング方法により被覆することを特徴とする鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製ピストンリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質イオンプレーティング皮膜を摺動面に有する鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製ピストンリング及びその製造方法に関するものであり、特にTi及び／又はCrとC,N,Oからなる硬質イオンプレーティング皮膜を有するピストンリング及びその前処理加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から摺動部材の摺動面には、耐摩耗性皮膜として硬質Crめっき皮膜が用いられてきた。しかしながら、六価Crイオンの環境問題から、硬質Crめっき皮膜に変えて硬質イオンプレーティング皮膜や窒化処理皮膜を使うようになってきている。特に、内燃機関のピストンリングでは、耐摩耗性に優れた窒化層を得るには、高Cr含有のステンレス鋼材を母材として使用しなければならないこと、ガス窒化ではアンモニヤガス、塩浴窒化ではやシアン化合物等の有害な薬品を使用することから、無公害処理であるイオンプレーティングによるＴｉＮやＣｒＮと言った硬質皮膜が硬質Crめっき皮膜の代替として使われるようになってきている。しかしながら、ピストンリングの摺動面に使われる耐摩耗性皮膜には高い密着性が必要であり種々の工夫が成されてきている。
【０００３】
特開昭６１−８７９５０号（特許文献１）はイオンプレーティングによる金属クロムと窒化クロムとの微細混合皮膜を摺動面に有するピストンリングに関するものである。イオンプレーティング皮膜をピストンリング外周面に適用するにあたり、皮膜の密着性を確保するために皮膜の柔軟性や熱膨張率を考慮し上記混合組織としたことが記載されている。また、本特許には皮膜の密着性を確保するために、イオンプレーティング直前にはＡｒガスのイオンボンバードを行うことも開示している。しかしながら、本方法では硬質イオンプレーティング皮膜が限定されること、本発明で用いるＡｒガスイオンによるボンバードでは鋼、アルミ合金及びTi合金の表面酸化物等を取り除く効果が低く密着性の向上があまり期待できないと云った問題がある。
【０００４】
特開昭６３−４２３６２号（特許文献２）は鋼母材に窒化層、炭化層、炭窒化層を形成した後、イオンプレーティング法により４ａ族５ａ族の窒化物、炭化物、炭窒化物を被覆する際に、金属ボンバード処理を行うことを特徴とする特許である。前記特許のＡｒイオンボンバードに変えて金属イオンのボンバード処理を用いたものであり、Ａｒイオンに比べ金属イオンがより高いエネルギーを持つので、下地のスパッタクリーニングに有効であり、且つ金属イオンが下地層に打ち込まれるので、その上に形成される４ａ族５ａ族の窒化物、炭化物、炭窒化物の密着性を高くできるとしている。しかしながら、金属イオンボンバードはアークイオンプレーティング装置に限定されること、高エネルギーの金属イオンボンバードでは、鋼、アルミ合金及びTi合金の表面酸化物等の異物を除去するには長いボンバード時間を要するので、母材温度を著しく上昇させる。そのため、母材材料の軟化や変形があり、ピストンリングに於いては母材材料に耐熱材料を用いる必要があるなどの問題がある。尚、低エネルギーの金属ボンバードでは低エネルギーの金属イオンがそのまま皮膜を形成する可能性があり、却って、皮膜の密着性を阻害する。
【０００５】
特開平７−２９２４５８号（特許文献３）は鋳鉄又は鋼からなる摺動部材の摺動面にＣｒと窒素からなる皮膜を形成した摺動部材であり、Ｃｒと窒素からなるイオンプレーティング皮膜の下地表面はサンドサンドブラスト加工により平均表面粗さ２〜８μmに調整されている。表面粗さはサンドサンドブラスト加工で粒度＃１８０のアルミナやカーボランダム等の硬質サンドサンドブラスト材の吹きつけ圧力や回数を変化させて得ており、これによって、密着性に優れたイオンプレーティング膜が得られるとしている。確かに、本方法を用いることで鋼、アルミ合金及びTi合金の表面酸化物等の異物を除去することは可能であるが、ブラストされる母材下地の表面粗さが極端に粗くなるためその上に形成された硬質イオンプレーティング皮膜の粗さも粗くなる。その結果、硬質イオンプレーティング皮膜では相手材の摩耗を防ぐために硬質イオンプレーティング皮膜表面の研磨加工を必要とし、且つ、皮膜が硬質なために研磨に時間を要する。更に、研磨加工代分イオンプレーティング皮膜を厚く形成しなければならず、イオンプレーティング時間も長くしなければならない。又、低硬度の鋼、アルミ合金又はＴｉ合金である場合は、硬質のサンドサンドブラスト材が下地母材に突き刺さり（写真１）、却って、イオンプレーティング皮膜の密着性を阻害することや、皮膜が摩滅した場合には突き刺さった硬質のサンドブラスト材が露出して、相手材を摩耗させたり、スカッフが発生する可能性もある。更に、下地粗さが粗いために、イオンプレーティング皮膜を柱状結晶組織とした場合には、結晶組織境界には空孔ができやすく、皮膜強度が低くなるので摩耗に対して対し弱い皮膜となり易いという問題もある。
【０００６】
特開２０００−１２８６９号（特許文献４）はＡＬ合金を相手材として高温・高負荷で使用される摺動部材とその製造方法に関するもので、摺動面に０．５〜５μmの大きさの瘤状に析出した表面組織を有するダイヤモンドアイクカーボン膜が有ることが特徴である。そして、摺動面をラッピング加工又はサンドブラスト加工により表面粗さ０．０５〜１μmRaに仕上げた後ダイアモンドコーティングをするとことによって、０．５〜５μmの大きさの瘤状に析出した表面組織を有するダイヤモンドライクカーボン膜が得られることを開示する。しかし、サンドブラスト加工方法に関しての説明やダイヤモンドライクカーボン膜以外の皮膜についての説明等は一切開示されていない。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−８７９５０号公報
【特許文献２】特開昭６３−４２３６２号公報
【特許文献３】特開平７−２９２４５８号公報
【特許文献４】特開２０００−１２８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のように、従来技術にあっては、鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製摺動部材の摺動面に硬質イオンプレーティング皮膜を有するピストンリングにおいては、イオンプレーティング皮膜を密着性良く形成する高効率な前処理方法は見いだされていなかった。特に、常温で硬度の低い或いは昇温により強度や変形を生じ易い鋼、アルミ合金又はＴｉ合金を母材としたピストンリングの場合には皆無であった。本発明は、上記事情に鑑み、鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製ピストンリングの摺動面に密着性に優れた硬質イオンプレーティング皮膜を形成するための前処理方法として、生産性、コスト、熱変形などの問題点が少ないサンドブラスト加工法を用いて、密着性に優れた硬質イオンプレーティング皮膜を摺動部表面に有する鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製ピストンリング及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願第一の発明のピストンリングは、少なくとも摺動面に１〜３０μmの硬質イオンプレーティング皮膜を有する鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製ピストンリングであって、該イオンプレーティング皮膜の下地表面が硬質粒子のサンドブラスト加工により、１０点平均粗さ（今後Rzで表示）が０．５〜２．０Rzに加工されていることを特徴とし、該下地表面は平均粒径３〜２０μmのアランダム又はカーボランダ等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって加工されており、これによって硬質イオンプレーティング皮膜の高い密着性が得られる。また、硬質イオンプレーティング皮膜は、Ｔｉ又は／及びＣｒとＣ、Ｎ、Ｏから選ばれた少なくとも一種以上で形成されており、摺動面は十分な耐摩耗性を発揮する。
【００１０】
本願第二発明は軟鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製ピストンリングの製造法であり、摺動部材の摺動面を平均粒径３〜９μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドサンドブラストによって０．５〜２．０Rzに加工する第一工程、前記摺動部品をエアーブロー又は／及び有機溶剤超音波洗浄を行う第二工程、イオンプレーティング装置の真空槽中でイオンボンバードを行うか又はしないで、少なくともサンドサンドブラストされた摺動面にＴｉ又は／及びＣｒとＣ、Ｎ、Ｏから選ばれた少なくとも一種以上をからなる皮膜をイオンプレーティング法により被覆することを特徴とするピストンリングの製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の前処理方法を用いることによって、硬質イオンプレーティング皮膜の密着性が優れ、サンドブラスト粒子の突き刺さりもなく、且つ、表面の粗さ低減が容易な鋼、アルミ合金又はＴｉ合金で作られているピストンリングを得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
１．ピストンリング
本発明のピストンリングは鋼、アルミ合金又はＴｉ合金で作られている。摺動面が浸炭、窒化等の熱処理によって硬化されていても、又、湿式めっき等によって硬質めっき皮膜が形成されていてもよい。
【００１３】
硬質イオンプレーティング皮膜が形成される下地表面は平均粒径３〜２０μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラストによって０．５〜２．０Rzに加工されている。下地表面は前工程での加工変質層、酸化物層、汚れ等多く付着するがサンドブラストを掛けることで十分に除去される。同時に、平均粒径３〜２０μmの硬質ブラスト材を用いることで母材へのサンドブラスト材の突き刺さりもすくない。
【００１４】
外周摺動面にはＴｉ又は／及びＣｒとＣ、Ｎ、Ｏから選ばれた少なくとも一種以上で形成された硬質イオンプレーティング膜が形成されている。これら皮膜は皮膜の内部応力が他の皮膜に比べ低く、鋼、アルミ合金又はＴｉ合金の０．５〜２．０Rzに加工した表面上にも良く密着する。これら硬質イオンプレーティング皮膜の表面は必要に応じて、ラッピング等の表面研磨加工を加えても良いが、下地粗さが細かいので成膜後のイオンプレーティング皮膜表面粗さも細かく、このままで使用できる範囲が広い。
【００１５】
２．ピストンリングの製造方法
本願発明のピストンリングの製造方法は、第一に、治工具等を用いてサンドブラスト加工しやすいようにセットし、鋼、アルミ合金又はＴｉ合金製ピストンリングの摺動面を平均粒径３〜２０μmのアランダム又はカーボランダム等の硬質セラミクス粒子を用いたサンドブラスト加工によって表面粗さ０．５〜２．０Rzに加工する。
【００１６】
サンドブラスト加工法は個々の粒子エネルギーは小さいが多くの粒子で加工するため、摺動面全体を均一な粗さの加工表面に加工することができる。本発明においては、サンドブラスト加工には平均粒径３〜２０μmの細かい粒径のサンド粒子を用いているので、下地表面へのサンド粒子の衝突エネルギーは小さく、鋼、アルミ合金又はＴｉ合金等の母材表面であっても下地表面粗さは０．５〜２．０Rzと細かくすることが可能であり、且つ、表面へのサンド粒子の突き刺さりはない。又、有ったとしても、突き刺さりの程度が軽い（深さがは浅い）ので、その後のエアーブローや超音波洗浄で簡単に取ることができ、皮膜境界部に取り込まれることはない。サンドブラスト材として硬質セラミクス粒子を用いると研削で表面の加工変質層（塑性流動層）や酸化物層、汚れを容易に除去できる。硬球ショット材は加工変質層がとれずに母材の変形を生むので望ましくない。その他ガラスビーズ等も同様である。サンドブラスト材の平均粒径が３μm以下では表面研削能力に欠けサンドブラスト加工時間が長くなり生産性が悪い。平均粒径が２０μm以上では母材下地粗さが大きくなりすぎ、その上に形成したイオンプレーティング皮膜の表面粗さも粗くなるので、研磨加工に時間を要すること、研磨加工取り代分イオンプレーティング時間長くする必要があることから得策ではない。また、サンドブラスト粒子の突き刺さり多くなる不具合も発生する。
【００１７】
サンドブラスト加工の後、前記ピストンリングをエアーブロー又は／及び有機溶剤超音波洗浄を行い表面に付着したサンド粒子を除去する。サンド粒子の母材への突き刺さりは少なく、多くは静電気による付着とおもわれ、エアーブローで容易に除去できる。尚、サンドブラスト時に使用する空気やサンド粒子に汚れが多い場合には有機溶剤脱脂を続けて行うことで一層硬質イオンプレーティング皮膜の密着性を上げることができるが、環境問題等から望ましくはない。
【００１８】
その後、イオンプレーティング装置の真空槽中に治工具と共にセットしてイオンボンバードを行うか又はしないで、少なくともサンドサンドブラスト加工された摺動面にＴｉ又は／及びＣｒとＣ、Ｎ、Ｏから選ばれた少なくとも一種以上からなる皮膜をイオンプレーティング法により被覆する。イオンボンバードは一般的にはＡｒイオンボンバードが被処理物の昇温が少ないので望ましいがアークイオンプレーティングでは短時間のボンバードであるならば金属イオンボンバードを行ってもかまわない。長時間の金属イオンボンバードは母材を過度に昇温させるので望ましくはない。
【００１９】
イオンプレーティング法としてはアークイオンプレーティング、ＨＣＤイオンプレーティング等いずれのものを用いることもできるが、皮膜中のドロップレットが困る場合にはＨＣＤ法、より高い密着性がほしい場合やＴｉとＣｒの複合化合物皮膜が必要なときはアークイオンプレーティング方法が適している。
【００２０】
形成された硬質イオンプレーティング皮膜は膜厚さにもよるが、表面粗さは平均０．５〜２．０Rzとなり、特開平７−２９２４５８号公報の粗いサンドサンドブラスト粒子を用いた従来の場合に比べ遙かに細かくなる。従って、硬質イオンプレーティング皮膜表面をラッピング研磨やバフ研磨等でさらに細かくする必要がある場合でも、研磨代は少なくて済み短時間で加工できるようになる。また、表面加工による取り代も少なくなるので、イオンプレーティング施工膜厚さを薄くでき、イオンプレーティング工程のみならずピストンリングそのものの生産性が良好となる。以下具体的な実施例で説明する。
【実施例】
【００２１】
シリコンクロム鋼の線材（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）より成形したスチール製ピストンリング（呼称外径φ７３mm×厚さ１．０mm×幅２．５mm）約１００本を合い口及び外周面を揃えて、ボルト締めにより両端から拘束して円筒状の被処理物とした。この被処理物をサンドブラスト装置に取り付け、自転させ、ピストンリング外周面をサンドブラスト処理した。母材外周面粗さはブラスト材種、平均粒径及び投射圧力を変えることで表面粗さを変化させた。サンドブラスチング後にエアーブローにより表面に付着している溶射粉及び研削粉を除去した。その後、表面粗さを粗さ計で計測した。
【００２２】
サンドとしてはＧＣとＷＡの２種類、粒子の大きさは平均粒径１μm、３μm、６μm、２０μmを使用した。比較例として先行技術特許に記載されている平均粒径が３０μm、５０μmのものも同様に使用した。サンドブラスト条件とサンドブラスト後にピストンリング表面を粗さ計で測定した結果を表１に記載する。
【００２３】
【表１】
2006316912.tif 000002
【００２４】
表面粗さを測定後、アークイオンプレーティング装置に投入し、所定の予熱、ボンバードを行った後ＣｒＮ皮膜を２２〜２５μm形成した。冷却後、アークイオンプレーティング装置から取り出した。イオンプレーティング条件は次の通りである。
【００２５】
１．予熱                  温度：４００℃      時間：６０分
２．ボンバード            イオンボンバード
バイアス電圧：８００V
時間      ：１０分
アーク電流：１６０A
３．ＣｒＮコーティング    窒素ガス圧：１０ｍｔｏｒｒ
アーク電流：１６０Ａ
時間      ：４時間
【００２６】
イオンプレーティングの終わった筒状のピストンリングを解体した後、鋳鉄スリーブを用いピストンリング外周表面（ＣｒＮ膜表面）を平均粒径３μmのＳｉＣ砥粒スラリーにて３０秒又は６０秒のラッピング研磨加工を行った。汚れを除去後ピストンリング外周表面の表面粗さを再度測定した。
【００２７】
ラッピング加工後の表面粗さの結果を表２記載する。アークイオンプレーティング装置は１３軸の自公転式の装置であり、表１記載のブラスト条件で処理したピストンリングを同時に成膜することが出来たので成膜による皮膜のバラツキは無いものといえる。
【００２８】
【表２】
2006316912.tif 000003
表２より下記のことが言える。
【００２９】
１．平均粒径１μmから２０μmのブラスト材を用いた場合には、３０秒のラッピング加工によりRz０．８μm（ピストンリングではＲｚ０．８μm以下が相手材摩耗を考えた場合必要である）以下とすくことが出来き、従来技術（比較例５〜６）に比べラッピング加工での生産性が良好になる。
【００３０】
６０秒のラッピングでは実施例、比較例１〜４では表面粗さはほぼ同程度に仕上がる。
【００３１】
皮膜の密着性は、従来技術及び本願実施例１〜４とブラスト粒子が平均粒径６μm以上では問題ないが、３μm以下では剥離や微細欠けが発生し問題がある。
【００３２】
以上より、サンドブラスト材として平均粒径６〜２０μmの範囲のGCやWAを用い、ピストンリング外周表面をサンドブラスト加工することで、ＣｒＮイオンプレーティング皮膜の密着性が良好で、且つ、短時間のラッピング加工で表面粗さをRz０．４μm以下とすることができる。