| 【発明の名称】 |
ピストンリング |
| 【発明者】 |
【氏名】岩下 誉二
【氏名】山下 信行
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| 【要約】 |
【課題】耐Ａｌ凝着性、耐焼付性、初期なじみ性等の摺動特性に優れたピストンリングを提供する。
【解決手段】ピストンリング１の上下面に直接、あるいはガス窒化層２やＣｒめっき皮膜５の硬質表面処理層上に、下地皮膜３を介してダイヤモンドライクカーボン皮膜４を０．５〜３０μｍの厚さで形成する。ダイヤモンドライクカーボンは、１．アモルファス炭素構造、２．ダイヤモンド構造を一部有するアモルファス炭素構造、３．グラファイト構造を一部有するアモルファス炭素構造の何れかの形態をとる。また、下地皮膜は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素：７０原子％以上１００原子％未満，残部：炭素、又は前記１又は２以上の元素：１００原子％からなる。なお、ピストンリング１の外周面に上記皮膜を同様に形成することもできる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 摺動面にダイヤモンドライクカーボン皮膜が被覆されているピストンリングであって、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜の下に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素：７０原子％以上１００原子％未満，残部：炭素、又は前記１又は２以上の元素：１００原子％からなっている下地皮膜が被覆されていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】 前記下地皮膜の厚さが、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜の厚さと下地皮膜の厚さとの和の１〜３５％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３】 前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素を５〜４０原子％含んでいることを特徴とする請求項１又は２記載のピストンリング。
【請求項４】 前記下地皮膜が、Ｃｒめっき皮膜、窒化層、及びイオンプレーティング皮膜のいずれかの硬質表面処理層の上に被覆されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のピストンリング。
【請求項５】 前記下地皮膜が、摺動面に直接被覆されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のピストンリング。
【請求項６】 前記摺動面が、ピストンリングの上下面の少なくとも一面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のピストンリング。
【請求項７】 前記摺動面が、ピストンリングの外周面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のピストンリング。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】最近のエンジンは高出力化、高回転化、長寿命化され、更に排気ガス規制に対応する必要がある。このため、ピストンリングの使用環境は益々苛酷になっている。通常、このようなエンジンのピストンリングの上下面や外周面には、Ｃｒめっき皮膜、窒化層、あるいはＰＶＤ皮膜等の硬質表面処理層が形成される例が多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、窒化層やＰＶＤ皮膜を有するピストンリングは、Ａｌ合金製ピストンのリング溝を攻撃する傾向がある。特に窒化層を有するピストンリングは、上下面にＡｌ凝着現象を起こし、リング溝の摩耗を増大させることがある。
【０００４】また、エンジン運転の初期の段階は、シリンダとピストンリングのなじみが充分になされていないので、前述の硬質表面処理層を形成したピストンリングとシリンダが焼き付きを起こすことがある。このため、これらの硬質表面処理層の初期なじみ性を改善する方法、あるいは耐焼付性と耐摩耗性を兼ね備えた硬質表面処理層が求められている。
【０００５】上記に対して、以下の技術が提案されている。
１．特開平８−１８４３７５号
窒化層又はＰＶＤ皮膜の上に、ＭｏおよびＣｒのいずれかまたは両方で９８．０〜９９．５％、残Ｎからなる皮膜をＰＶＤ法により形成し、初期なじみ性を改善する。
２．特公平５−５４５９４号
ＣＢＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＳｉＣ、ダイヤモンドまたはＡｌ2Ｏ3 からなる超硬質コーティング膜の上にＴｉＮ皮膜を形成して、耐焼付性を改善する。
【０００６】他方、人造ダイヤモンド材の被覆に関して、以下の提案がある。
３．特開平３−２６０３６２号
ピストンの頂面と外周面とリング溝と、ピストンリングとに人造ダイヤモンド材の薄い被覆を施して耐久性を高める。また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜に関して、以下の提案がある。
４．特開平５−１７９４５１号
フェライトを含む鉄系材料で構成される一方の摺動面と組み合わせる他方の摺動面に、Ｗ及び／又はＳｉが分散したアモルファス炭素を主成分とする皮膜を形成し、フェライト組織の凝着を抑制する。この技術は、例えばパワーステアリング機構に使用される油圧バルブ装置に使用される。
【０００７】しかし、上記１．の技術は、より厳しい条件下では、Ｍｏ，Ｃｒの皮膜が急速に摩滅する不都合がある。上記２．の技術は、ＴｉＮ皮膜が硬質すぎるので、耐焼付性付与の効果が充分に得られない。上記３．の技術は、人造ダイヤモンド材の薄い被覆の詳細について何等説明していない。上記４．の技術は、Ａｌ合金製のピストンと組み合わされるピストンリングの上下面におけるＡｌ凝着については全く記載していない。また、上記技術の他に、固体潤滑材を含有させた合成樹脂被覆をピストンリングの上下面に施すと、エンジン運転の初期にＡｌ凝着を抑止できることが知られている。しかし、樹脂被覆は耐摩耗性が低いので、Ａｌ凝着抑止効果が長続きしない不都合がある。
【０００８】本発明の目的は、耐Ａｌ凝着性、耐焼付性、初期なじみ性等の摺動特性に優れたピストンリングを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、摺動面にダイヤモンドライクカーボン皮膜が被覆されているピストンリングであって、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜の下に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素：７０原子％以上１００原子％未満，残部：炭素、又は前記１又は２以上の元素：１００原子％からなっている下地皮膜が被覆されていることを特徴とする。
【００１０】上記本発明の皮膜を形成しているダイヤモンドライクカーボンは、次の何れかの形態をとる。
１．アモルファス炭素構造２．ダイヤモンド構造を一部有するアモルファス炭素構造３．グラファイト構造を一部有するアモルファス炭素構造【００１１】摺動面は、ピストンリングの上下面や外周面であり、前記本発明の皮膜はピストンリングの上面、下面、及び外周面の少なくとも一面に被覆される。
【００１２】本発明のピストンリングの摺動面は、母材側から、ピストンリング母材−下地皮膜−ダイヤモンドライクカーボン皮膜又は、ピストンリング母材−硬質表面処理層−下地皮膜−ダイヤモンドライクカーボン皮膜の積層構造を有している。硬質表面処理層はＣｒめっき皮膜、窒化層、あるいはイオンプレーティング皮膜が使用される。
【００１３】ダイヤモンドライクカーボン皮膜は、耐Ａｌ凝着性、耐摩耗性、及び耐焼付性が本来高いが、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素（金属及び炭化物の一方又は両方の形態で存在）を５〜４０原子％含ませることによって、耐Ａｌ凝着性、耐摩耗性、及び耐焼付性を向上させることができる。
【００１４】下地皮膜は、ピストンリング母材又は、Ｃｒめっき皮膜、窒化層及びイオンプレーティング皮膜のいずれかの硬質表面処理層と強固に結合し、ダイヤモンドライクカーボン皮膜とも強固に結合する。同時に、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の内部に生じる歪みを緩和する。
【００１５】このため、本発明のダイヤモンドライクカーボン皮膜は、密着性が高く、使用中にクラック、脱落あるいはピット等の欠陥が発生しにくい。
【００１６】下地皮膜の厚さは、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の厚さと下地皮膜の厚さとの和の１〜３５％とするのがよい。１％を下回ると、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の内部に生じる歪みを緩和する効果が得られない。３５％を上回ると、摺動面側からの負荷、変形等に対して背後からダイヤモンドライクカーボン皮膜を保護する硬質表面処理層の保護作用が得られず、また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が摩耗後露出する下地皮膜の耐焼付性が低いため、耐焼付性が低下してしまう。
【００１７】本発明の下地皮膜は、耐焼付性を考慮した皮膜厚さを有しており、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が初期なじみの役割を終えて摩滅した後、速やかに摩耗して、耐焼付性を損なうことがない。
【００１８】Ｃｒめっき皮膜、窒化層及びイオンプレーティング皮膜のいずれかの硬質表面処理層は、高硬度で、摺動面側からの負荷、変形等に対して背後からダイヤモンドライクカーボン皮膜を保護し、ダイヤモンドライクカーボン皮膜及び下地皮膜が摩滅した後、ピストンリングの耐摩耗性を担うことができる。
【００１９】以上のように、本発明のピストンリングは、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の密着性に優れており、耐Ａｌ凝着性、耐焼付性、初期なじみ性が優れ、特にＡｌ合金製のシリンダボア及びピストンのリング溝に対して有効である。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１及び図２により説明する。
【００２１】図１（ａ）において、ピストンリング１の全表面にはガス窒化層２が５〜１５０μｍの厚さで形成されており、上下面のガス窒化層２上に、下地皮膜３を介して、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素を５〜４０原子％含むダイヤモンドライクカーボン皮膜４が０．５〜３０μｍの厚さで形成されている。ダイヤモンドライクカーボン皮膜４の硬度はＨＶ７００〜２０００の範囲内にある。下地皮膜３は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素：７０原子％以上１００原子％未満，残部：炭素、又は前記１又は２以上の元素：１００原子％からなっている。下地皮膜３の厚さは、ダイヤモンドライクカーボン皮膜４の厚さと下地皮膜３の厚さとの和の１〜３５％の範囲内にある。
【００２２】図１（ｂ）は別の例を示し、図１（ａ）において全表面に形成するガス窒化層２に代えて、Ｃｒめっき皮膜５を外周面と上下面に１〜１５０μｍの厚さで形成した例である。
【００２３】図１（ｃ）は更に別の例を示し、図１（ａ）において全表面に形成するガス窒化層２に代えて、窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ2 Ｎ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等のイオンプレーティング皮膜６を外周面に形成した例である。
【００２４】図１では、下地皮膜３とダイヤモンドライクカーボン皮膜４をピストンリング１の上下面に形成したが、上下面の一方の面にだけ形成することもできる。
【００２５】図２（ａ）において、ピストンリング１の全表面にはガス窒化層２が５〜１５０μｍの厚さで形成されており、外周面のガス窒化層２上に、下地皮膜３を介して、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素を５〜４０原子％含むダイヤモンドライクカーボン皮膜４が０．５〜３０μｍの厚さで形成されている。ダイヤモンドライクカーボン皮膜４の硬度はＨＶ７００〜２０００の範囲内にある。下地皮膜３は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素：７０原子％以上１００原子％未満，残部：炭素、又は前記１又は２以上の元素：１００原子％からなっている。下地皮膜３の厚さは、ダイヤモンドライクカーボン皮膜４の厚さと下地皮膜３の厚さとの和の１〜３５％の範囲内にある。
【００２６】図２（ｂ）は別の例を示し、図２（ａ）において全表面に形成するガス窒化層２に代えて、Ｃｒめっき皮膜５を外周面に５〜１５０μｍの厚さで形成した例である。
【００２７】以下に、前記下地皮膜３とダイヤモンドライクカーボン皮膜４の製造方法を説明する。下地皮膜３とダイヤモンドライクカーボン皮膜４は、反応性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ＰＶＤ法によって被覆することができる。以下にその一例を示す。
【００２８】ピストンリングを反応性スパッタリング装置にセットし、真空引き後、回転させつつ、Ａｒ等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントで表面を清浄化した後、炭素系ガス例えばメタン等の炭化水素ガス雰囲気中にてＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素からなる金属ターゲットがＡｒ等のイオンでスパッタリングされ、蒸発した金属がピストンリングに下地皮膜として被覆される。皮膜中のＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率は、炭化水素ガスの流量を調整することによって調整できる。下地皮膜が金属元素１００原子％からなる場合は、炭素系ガスは不要である。
【００２９】以上の下地皮膜形成の後、炭化水素ガス流量と、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素からなる金属ターゲットからの金属の蒸発速度を調整して、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が被覆される。
【００３０】Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率は、これらの蒸発速度及び反応ガス圧力を調整することによって調整できる。
【００３１】以下、本発明のピストンリングについて、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の密着性を評価した叩き試験と、耐焼付性試験の試験結果を説明する。
【００３２】１３Ｃｒステンレス鋼製のピストンリングに前述した方法によって被覆した皮膜を表１に示す。皮膜は、ピストンリング母材側から硬質表面処理層、下地皮膜、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が順次形成される。
【００３３】表１における硬質表面処理層の硬度等は次の通りである。
ガス窒化層は、硬度：ＨＶ１１００、窒化厚：５０μｍＣｒめっき皮膜は、硬度：ＨＶ：９５０、めっき厚：７０μｍイオンプレーティング皮膜は、ＣｒＮ皮膜で、硬度：ＨＶ１８００、膜厚：３０μｍである。
【００３４】表１におけるダイヤモンドライクカーボン皮膜に含まれる金属元素の割合は、実施例１，３，６及び比較例４：Ｓｉ１５原子％実施例２，５及び比較例２，５：Ｃｒ３０原子％実施例４及び比較例３，６ ：Ｔｉ１０原子％である。
【００３５】
注１）：表１のＤＬＣ皮膜は、ダイヤモンドライクカーボン皮膜である。
注２）：表１の下地皮膜厚％は、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の厚さと下 地皮膜の厚さとの和に対する下地皮膜の厚さの比率である。
【００３６】１．叩き試験表１の皮膜を、下地皮膜とダイヤモンドライクカーボン皮膜は上下面、ガス窒化層は全表面、Ｃｒめっき皮膜及びイオンプレーティング皮膜は上下面に形成したピストンリングを用いて、ピストン叩き試験を行った。
【００３７】（１）ピストン叩き試験機図３はピストン叩き試験機の構成を示す。上下に運動するＡｌ合金（ＡＣ８Ａ）製のピストン部材１０（φ８６ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）はヒータ１１を有している。ピストン部材１０の下方位置に配置する試験片保持部材１２はスプリング１３で支持され、上面に環状溝を有し、ヒータ１４を有している。試験片１５であるピストンリングは試験片保持部材１２の環状溝に装着され、試験片保持部材１２の上面から少し突出した状態で保持される。試験片保持部材１２は水平面内を１８０°ずつ回転、反転を繰り返す。従って、試験片１５であるピストンリングは、試験片保持部材１２によって水平面内を１８０°ずつ回転、反転を繰り返されながら、上下に運動するピストン部材１０の平らな底面によって叩かれる。
【００３８】（２）試験条件叩き荷重 ：１００ｋｇ叩き速度 ：９００ｒｐｍピストン反転 ：１５ｃｐｍ、１８０°試験温度 ：２００℃潤滑 ：１０Ｗ エンジンオイルを滴下【００３９】（３）試験結果図４に示されているように、実施例の皮膜を形成したピストンリングはいずれも耐Ａｌ凝着性が優れていることがわかる。
【００４０】２．耐焼付性試験表１の皮膜を、下地皮膜とダイヤモンドライクカーボン皮膜は外周面、ガス窒化層は全表面、Ｃｒめっき皮膜とイオンプレーティング皮膜は外周面に形成したピストンリングを用いて、耐焼付性試験を行った。
【００４１】（１）ＶＤＨ摩擦試験機図５は、試験に使用したＶＤＨ摩擦試験機の構成を示す。試験片２０であるピストンリングが水平軸を中心に回転するロータ２１の外周面２２の上端に配設され、試験片２０であるピストンリングに荷重Ｐが作用されてピストンリングの外周面がロータ２１の外周面２２上に押接される。この状態で、試験片２０であるピストンリングとロータ２１の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ２１を回転させる。所定の荷重で一定時間運転したときの、摺動面の焼き付きの有無を観察する。
【００４２】（２）試験条件回転速度：１０００ｒｐｍ荷重 ：１５Ｎ時間 ：６０秒潤滑油 ：１０Ｗエンジンオイルを滴下温度 ：室温【００４３】（３）ロータ２１材質 ：片状黒鉛鋳鉄【００４４】（４）試験結果表２に示されているように、実施例の皮膜を形成したピストンリングは耐焼付性が優れている。これに対して、ガス窒化層のみ（比較例１）、下地皮膜の金属の比率が本発明の範囲外の皮膜（比較例２，３）、及びダイヤモンドライクカーボン皮膜の厚さと下地皮膜の厚さとの和に対する下地皮膜の厚さの比率が本発明の範囲外の皮膜（比較例４，５，６）は、耐焼付性が低い。
【００４５】
【００４６】なお、上記試験は、Ｓｉ、Ｃｒ、及びＴｉの下地皮膜を示したが、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶのいずれかからなる下地皮膜、あるいはＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた２以上の元素からなる下地皮膜としても、前記と同様の効果が得られる。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、耐Ａｌ凝着性、耐焼付性、初期なじみ性等の摺動特性の高いピストンリングを実現できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２１５７８５
【氏名又は名称】帝国ピストンリング株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月１５日（１９９８．１０．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８５８２２
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 健一
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１２０８７０（Ｐ２０００−１２０８７０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３０９４４２ |
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