JP2003014122A

JP2003014122A - ピストンリング

Info

Publication number: JP2003014122A
Application number: JP2001199886A
Authority: JP
Inventors: Minako Jino; 美奈子地濃; Katsuaki Ogawa; 勝明小川; Kunihiro Iguchi; 邦浩井口
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP4374154B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ピストンリング溝の側面との間の耐Ａｌ凝着
性に優れ且つ耐スカッフ性および耐摩耗性に優れたピス
トンリングを提供する。【解決手段】少なくとも上面８および下面９に硬質炭
素積層皮膜２が形成されたピストンリング１０であっ
て、その硬質炭素積層皮膜２は、上面８および下面９の
表面に形成された少なくともＳｉを含有する第１硬質炭
素皮膜１１と、その第１硬質炭素皮膜１１下に形成され
た少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有する第２硬質炭素
皮膜１２とからなるピストンリングにより、上記課題を
解決する。このとき、第２硬質炭素皮膜１２をピストン
リングの外周摺動面６に更に形成したり、更に内周面７
をも加えたピストンリングの全周に形成することもでき
る。また、第１硬質炭素皮膜１１を必要に応じて第２硬
質炭素皮膜１２上に形成してもよい。また、こうした各
硬質炭素皮膜には、下地皮膜を形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、ピストンリング溝の側面との初期
なじみ性、耐スカッフ性および耐摩耗性に優れ且つＡｌ
凝着が抑制されたピストンリングに関するものである。

【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耐摩耗性や耐スカッフ性等のさ
らなる向上が要求されている。

【０００３】こうした中、ピストンリングの外周摺動面
や上下面には、従来よりＣｒめっき皮膜や窒化処理層等
が形成され、耐摩耗性の向上や耐スカッフ性の改善が図
られている。また、近年においては、ＰＶＤ（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）等の硬質皮膜を採用することにより、上記の
要求に対応している。

【０００４】上述したＣｒめっき皮膜、窒化層またはＰ
ＶＤ法で作製された硬質皮膜がピストンリングの上下面
に形成されている場合においては、特にピストンリング
の上下面がＡｌ合金製からなるピストンリング溝の側面
を攻撃する傾向があり、その結果、Ａ１凝着現象を起こ
してピストンリング溝内の摩耗を増大させるおそれがあ
った。

【０００５】こうした問題に対しては、特開平１１−１
６６６２５号公報および特開平１２−１２０８６９号公
報に開示されているように、硬質炭素皮膜（ダイヤモン
ドライクカーボン皮膜ともいわれることがある。以下同
じ。）をピストンリングの上下面に形成してＡｌ凝着現
象を抑制することが検討されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ピスト
ンリングの上下面は、ピストンが上下に摺動するたびに
ピストンリング溝内の側面に叩かれ、その結果、ピスト
ンリングの上下面、特に下面側にＡｌ凝着が発生した
り、摩耗が発生しさらには促進するおそれがあるが、上
述した従来のピストンリングにおいては、上下面に形成
された硬質炭素皮膜の耐Ａｌ凝着性および耐摩耗性につ
いて十分に検討されているとはいえないものであった。

【０００７】本発明は、こうした問題を解決すべくなさ
れたものであって、ピストンリング溝の側面との間の耐
Ａｌ凝着性に優れ耐摩耗性に優れたピストンリングを提
供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、少なくとも上面および下面に硬質炭素積層皮膜が形
成されたピストンリングであって、該硬質炭素積層皮膜
は、該上面および下面の表面に形成された少なくともＳ
ｉを含有する第１硬質炭素皮膜と、該第１硬質炭素皮膜
下に形成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有する
第２硬質炭素皮膜とからなることに特徴を有する。

【０００９】この発明によれば、少なくともＳｉを含有
する第１硬質炭素皮膜と、その第１硬質炭素皮膜下に形
成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有する第２硬
質炭素皮膜とからなる硬質炭素積層皮膜が、ピストンリ
ングの少なくとも上面および下面に形成されているの
で、第１硬質炭素皮膜により耐スカッフ性の向上を図る
ことができ、第２硬質炭素皮膜により耐摩耗性の向上を
図ることができ、さらにそれらの硬質炭素皮膜によりＡ
ｌ凝着現象を抑制することができる。本発明のピストン
リングは、作用の異なる２つの硬質炭素皮膜を積層した
ので、従来の単一層からなる硬質炭素皮膜に比べて積層
する各硬質炭素皮膜の個々の特性を最適なものに調整し
易いという利点があり、ピストンリングの上下面の耐Ａ
ｌ凝着性および耐摩耗性をより一層向上させることがで
きる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のピストンリングにおいて、前記第２硬質炭素皮膜が、
ピストンリングの外周摺動面に更に連続して形成されて
いることに特徴を有する。また、請求項３に記載の発明
は、請求項１に記載のピストンリングにおいて、前記第
２硬質炭素皮膜が、ピストンリングの外周摺動面および
内周面に更に連続して形成されていることに特徴を有す
る。

【００１１】請求項２に記載の発明によれば、耐摩耗性
に優れた第２硬質炭素皮膜がピストンリングの外周摺動
面に更に連続して形成されているので、シリンダライナ
の内周面に摺動接触する外周摺動面の耐摩耗性を向上さ
せることができる。また、請求項３に記載の発明によれ
ば、ピストンリングの全ての面に耐摩耗性に優れた第２
硬質炭素皮膜が連続して形成されているので、使用中に
おける第２硬質炭素皮膜のクラック及び／又は欠けを発
生させる起点が少なく、第２硬質炭素皮膜の耐剥離性を
向上させて長期間優れた耐摩耗性をピストンリングの全
周で維持することができる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項２または
請求項３に記載のピストンリングにおいて、前記第１硬
質炭素皮膜は、前記第２硬質炭素皮膜が形成されたピス
トンリングの外周摺動面またはピストンリングの外周摺
動面および内周面の何れか一以上の面に形成されている
ことに特徴を有する。

【００１３】この発明によれば、耐スカッフ性に優れた
第１硬質炭素皮膜は、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮
膜が形成された外周摺動面、内周面の何れか一以上の面
に形成されているので、その第１硬質炭素皮膜の形成面
における初期なじみ性と耐スカッフ性をより一層向上さ
せることができる。

【００１４】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請
求項４の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記
第１硬質炭素皮膜は、含有するＳｉの比率が、表面側か
ら第２硬質炭素皮膜側に向かって連続的又は段階的に増
加することに特徴を有する。

【００１５】この発明によれば、含有するＳｉの比率が
表面側から第２硬質炭素皮膜側に向かって連続的又は段
階的に増加する第１硬質炭素皮膜を有するので、第２硬
質炭素皮膜側のＳｉの比率が高い部分は、第２硬質炭素
皮膜との密着性が高くなる。その結果、第１硬質炭素皮
膜の耐剥離性を向上させることができ、第１硬質炭素皮
膜に基づく耐スカッフ性をより一層向上させることがで
きる。

【００１６】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請
求項５の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記
ピストンリングの少なくとも外周摺動面には、スパッタ
リング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき
皮膜および窒化層から選択された何れかが下地皮膜また
は下地層として形成されていることに特徴を有する。

【００１７】この発明によれば、ピストンリングの少な
くとも外周摺動面には、硬くて靱性のあるスパッタリン
グ皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜
および窒化層から選択された何れかが下地皮膜として形
成されているので、外周摺動面の耐摩耗性をより一層向
上させることができる。

【００１８】請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請
求項６の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記
ピストンリングの少なくとも上面および下面には、少な
くともＣｒを含有する下地層が形成されていることに特
徴を有する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のピストンリングに
ついて図面を参照しつつ説明する。

【００２０】本発明のピストンリング１０は、図１〜図
３に示すように、少なくとも上面８および下面９に硬質
炭素積層皮膜２が形成されている。そして、本発明の特
徴とするところは、その硬質炭素積層皮膜２が、上面８
および下面９の表面に形成された少なくともＳｉを含有
する第１硬質炭素皮膜１１と、その第１硬質炭素皮膜１
１下に形成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有す
る第２硬質炭素皮膜１２とからなることにある。こうし
た構成からなる本発明のピストンリングは、第１硬質炭
素皮膜１１により耐スカッフ性の向上を図ることがで
き、第２硬質炭素皮膜１２により耐摩耗性の向上を図る
ことができる。

【００２１】本発明のピストンリング１０は、ピストン
に形成されたピストンリング溝に装着され、ピストンの
上下運動（往復運動に同じ。）によってシリンダライナ
の内周面を摺動接触しながら、さらにピストンリング溝
内の側面に叩かれながら、上下運動する摺動部材であ
る。本発明のピストンリング１０は、トップリング、セ
カンドリング、オイルリングの何れかであってもまたは
それらの全てであってもよい。

【００２２】ピストンリング１０は、従来より使用され
ている材質からなるものであればよく特に限定されな
い。したがって、いかなる材質からなるピストンリング
１０に対しても本発明を適用でき、従来より好ましく用
いられている例えばステンレススチール材、鋳物材、鋳
鋼材、鋼材等にも適用できる。なお、本発明のピストン
リング１０は、アルミニウム合金製のピストンに装着さ
れるピストンリングとして好ましく用いられ、また、鋳
鉄、ボロン鋳鉄、鋳鋼、アルミニウム合金等からなるシ
リンダライナに対するピストンリングとして好ましく用
いられ、本発明の所期の目的を達成することができる。

【００２３】硬質炭素積層皮膜２は、その表面には耐Ａ
ｌ凝着性および耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜
１１を有し、その第１硬質炭素皮膜１１の下にはその第
１硬質炭素皮膜が摩耗した後に現れる耐摩耗性に優れた
第２硬質炭素皮膜１２を有する。

【００２４】先ず、第１硬質炭素皮膜について説明す
る。

【００２５】第１硬質炭素皮膜１１は、硬質炭素積層皮
膜２における表面層を構成し、少なくともＳｉ（ケイ
素）を含有するＳｉ−Ｃ系の硬質炭素皮膜である。Ｓｉ
を含有する第１硬質炭素皮膜１１は、ピストンリング溝
の側面に対する耐Ａｌ凝着性および耐スカッフ性に優れ
ると共にピストンリング溝の側面との間の初期なじみ性
にも優れたものである。こうした特徴を有する第１硬質
炭素皮膜１１は、後述する第２硬質炭素皮膜１２に比べ
て耐摩耗性については若干落ちるものの、厚さの下限値
を０．５μｍとすることによって、優れた耐スカッフ性
を発揮することができ、初期なじみ性も著しく改善する
ことができる。なお、第１硬質炭素皮膜１１の好ましい
厚さの範囲は、０．５〜１５μｍであり、更に好ましく
は３〜１０μｍである。こうした範囲内に第１硬質炭素
皮膜の厚さを設定することによって、ピストンリングの
上下面８、９に優れた耐スカッフ性と初期なじみ性を付
与することができると共に、そうした第１硬質炭素皮膜
によりピストンリング溝の側面との間のＡｌ凝着現象を
抑制することができる。

【００２６】第１硬質炭素皮膜１１の組成については特
に限定されないが、Ｓｉ：５０〜７０ｗｔ％好ましくは
５５〜６５ｗｔ％、Ｃ：残部、その他不可避不純物から
なることが好ましい。こうした第１硬質炭素皮膜１１中
に含有するＳｉは、金属Ｓｉとして含まれていても、Ｓ
ｉＣとして含まれていても、または、金属ＳｉおよびＳ
ｉＣとして含まれていてもよい。

【００２７】また、第１硬質炭素皮膜１１は、その下に
後述する第２硬質炭素皮膜１２を必ず有するので、第１
硬質炭素皮膜１１と第２硬質炭素皮膜１２とが高い密着
性をもって積層されていることが望ましい。こうした要
求を満たすため、本発明においては、第１硬質炭素皮膜
１１中のＳｉ含有比率を、表面側から第２硬質炭素皮膜
側に向かって連続的又は段階的に増加するように傾斜さ
せて形成することが好ましい。そうすることにより、少
なくともＷまたは、Ｗ及びＮｉを含有する第２硬質炭素
皮膜１２近傍の第１硬質炭素皮膜１１のＳｉ含有比率を
高くして、第１硬質炭素皮膜１２と第２硬質炭素皮膜１
２との密着性を向上させることができる。その結果、耐
スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜を密着性よく第２
硬質炭素皮膜上に設けることができるので、ピストンリ
ング１０の上下面８、９における耐Ａｌ凝着性および耐
スカッフ性を顕著に向上させることができる。

【００２８】図４は、第１硬質炭素皮膜１１が含有する
Ｓｉの含有比率を膜厚方向に傾斜させた態様を示してい
る。図４に示すように、Ｓｉの含有比率が表面側から第
２硬質炭素皮膜側に向かって高くなるように曲線状に変
化させたり、直線状に変化させることができる。このと
き、第２硬質炭素皮膜１２に接する部分の第１硬質炭素
皮膜１１のＳｉの含有比率を高くし、およそ７０〜１０
０重量％とすることが好ましい。Ｓｉ含有比率をこうし
た範囲内とすることにより、第２硬質炭素皮膜１２との
密着性がより向上する。このとき、最外周側の第１硬質
炭素皮膜１１のＳｉ含有比率は低くなり、およそ０〜７
０重量％となる。

【００２９】次に、第２硬質炭素皮膜について説明す
る。

【００３０】第２硬質炭素皮膜１２は、上下面８、９に
形成された硬質炭素積層皮膜２における下層、すなわち
硬質炭素積層皮膜２における第１硬質炭素皮膜１１の下
層を構成するものである。

【００３１】この第２硬質炭素皮膜１２は、少なくとも
Ｗ（タングステン）を含有するＷ−Ｃ系の硬質炭素皮膜
または、更にＮｉを含有するＷ−Ｎｉ−Ｃ系の硬質炭素
皮膜である。こうした第２硬質炭素皮膜１２は、金属Ｗ
及び／又はＷＣを含有しているので、極めて耐摩耗性に
優れている。さらに、第２硬質炭素皮膜１２が含有する
Ｗの作用により、膜厚形成能が向上し厚膜化が可能とな
る。その結果、生産性のよい耐摩耗性皮膜を形成できる
という利点がある。

【００３２】なお、Ｎｉは第２硬質炭素皮膜形成用Ｗタ
ーゲット中に含有されている場合が多く、第２硬質炭素
皮膜１２中に含有されやすい元素である。Ｎｉを含有す
る第２硬質炭素皮膜形成用Ｗターゲットはコスト削減の
観点から有利である。

【００３３】第２硬質炭素皮膜１２の厚さは、１〜３０
μｍであることが好ましく３〜２０μｍであることがさ
らに好ましい。こうした範囲内の厚さを有する第２硬質
炭素皮膜１２は、優れた耐摩耗性を発揮することができ
る。第２硬質炭素皮膜１２の厚さが１μｍ未満では、膜
厚が薄いので、摩耗が僅かながら進行した際にピストン
リングの上下面８、９の耐摩耗性を十分担保できないこ
とがある。一方、第２硬質炭素皮膜１２の厚さが３０μ
ｍを超えると、摺動接触中に剥離することがある。

【００３４】第２硬質炭素皮膜１２の組成については特
に限定されないが、Ｗ−Ｃ系の第２硬質炭素皮膜１２の
場合には、Ｗ：５０〜８５ｗｔ％好ましくは６０〜８０
ｗｔ％、Ｃ：残部、その他不可避不純物であることが、
上述した優れた作用効果の観点から好ましい。また、Ｗ
−Ｎｉ−Ｃ系の第２硬質炭素皮膜１２の場合には、Ｗ：
５５〜８５ｗｔ％好ましくは６０〜８０ｗｔ％、Ｎｉ：
３〜１０ｗｔ％好ましくは５〜８ｗｔ％、Ｃ：残部、そ
の他不可避不純物であることが、上述した優れた作用効
果の観点から好ましい。

【００３５】さらに、後述するように、第２硬質炭素皮
膜１２は、反応性スパッタリング法およびプラズマＣＶ
Ｄ法等により成膜されるが、成膜中にガス流量を変化さ
せ、母材１側から表面側に向かって第２硬質炭素皮膜の
成分組成を連続的または段階的に徐々に変化させること
もできる。こうした手段により、厚さ方向の第２硬質炭
素皮膜の耐摩耗性を徐々に変化させることができる。

【００３６】以上説明したように、ピストンリングは、
ピストンの上下運動によりシリンダライナの内周面を摺
動接触しながら且つピストンリング溝内の側面に叩かれ
ながら、上下運動するものであるが、本発明のピストン
リング１０においては、上述の硬質炭素積層皮膜２が上
面８および下面９に形成されているので、先ず、表面に
形成された第１硬質炭素皮膜１１の作用により、ピスト
ンリング溝の側面に対する耐スカッフ性が向上し、さら
にピストンリング溝の側面との間の初期なじみ性も改善
される。次いで、ピストンリング溝の側面との摺動接触
が進行すると、その第１硬質炭素皮膜１１が徐々に摩耗
し、その第１硬質炭素皮膜１１の下に形成された第２硬
質炭素皮膜１２が現れる。現れた第２硬質炭素皮膜１２
は、耐摩耗性に優れるので、上面および下面の摩耗が抑
制され、良好な摺動接触を長期間継続させることができ
る。しかも、こうした各硬質炭素皮膜１１、１２は、ピ
ストンリング溝の側面との間のＡｌ凝着現象を抑制する
ことができる。

【００３７】次に、上下面以外の面について説明する。

【００３８】本発明のピストンリングは、図１（ａ）〜
（ｃ）に示すように、少なくとも上面８および下面９に
硬質炭素積層皮膜２を有するものであるが、必ずしも上
面８および下面９にのみ硬質炭素積層皮膜２が形成され
ている必要はない。したがって、上下面８、９以外の
面、すなわち、ピストンリングの外周摺動面６や内周面
７にも硬質炭素積層皮膜２を形成することができる。

【００３９】図１（ｂ）に示すように、硬質炭素積層皮
膜２がピストンリング１０の上下面８、９および外周摺
動面６に連続して形成される場合には、ピストンリング
溝内の側面とピストンリングの上下面８、９との間にお
ける耐Ａｌ凝着性、耐スカッフ性および耐摩耗性を向上
させることができると共に、シリンダライナの内周面と
ピストンリングの外周摺動面６との間における耐スカッ
フ性および耐摩耗性の向上を図ることができる。

【００４０】図１（ｃ）に示すように、硬質炭素積層皮
膜２がピストンリング１０の上下面８、９、外周摺動面
６および内周面７に連続して形成される場合には、ピス
トンリング溝内の側面とピストンリングの上下面８、９
との間における耐スカッフ性と耐摩耗性の向上およびＡ
ｌ凝着現象を抑制することができると共に、シリンダラ
イナの内周面とピストンリングの外周摺動面６との間に
おける耐スカッフ性および耐摩耗性の向上を図ることが
できる。しかも、ピストンリングの内周面７を含めた全
周全てに硬質炭素積層皮膜２が連続して形成されている
ので、使用中における硬質炭素積層皮膜２のクラック及
び／又は欠けを発生させる起点が少なく、硬質炭素積層
皮膜２の耐剥離性を向上させることができる。その結
果、ピストンリングを長期間使用した場合であっても、
優れた耐摩耗性を発揮することができる。

【００４１】上述の場合において、ピストンリング１０
の外周摺動面６に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さ
は、０．３〜８０μｍであることが好ましい。この硬質
炭素積層皮膜２のうち、耐スカッフ性に優れた第１硬質
炭素皮膜１１の厚さは少なくとも０．１μｍであればよ
く、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２の厚さは少
なくとも０．２μｍであればよい。ピストンリング１０
の外周摺動面６に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さ
を０．３〜８０μｍとしたのは、シリンダライナの内周
面との間の耐摩耗性および耐スカッフ性、および製造上
の観点によるものである。具体的には、外周摺動面６に
形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さが０．３μｍ未満
では、結果的に第２硬質炭素皮膜１２の膜厚が薄くな
り、シリンダライナの内周面との間で耐摩耗性の向上が
図れないことがある。一方、外周摺動面６に形成される
硬質炭素積層皮膜２の厚さが８０μｍを超えると、形成
された硬質炭素積層皮膜２に剥離が発生し、十分な耐摩
耗性を発揮できないことがある。

【００４２】上述の場合において、ピストンリング１０
の内周面７に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さは、
０．０１５μｍ以上であることが好ましい。この硬質炭
素積層皮膜２のうち、第１硬質炭素皮膜１１の厚さは少
なくとも０．００５μｍであればよく、第２硬質炭素積
層皮膜１２の厚さは少なくとも０．０１μｍであればよ
い。０．０１５μｍ以上の硬質炭素積層皮膜２を内周面
７に形成したピストンリング１０は、硬質炭素積層皮膜
２の耐剥離性を向上させることができる。また、内周面
７に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さは、後述のよ
うに、成膜時に隣接するピストンリング間の隙間を大き
くすることによって厚くすることができるので、外周摺
動面６や上下面８、９の厚さとの差を適宜調整できる。

【００４３】また、本発明のピストンリング１０は、図
２（ａ）（ｂ）に示すように、上述の第２硬質炭素皮膜
１２を、ピストンリングの外周摺動面６にも、さらには
内周面７にも連続して形成することが好ましい。

【００４４】図２（ａ）に示すように、耐摩耗性に優れ
た第２硬質炭素皮膜１２を単一層としてピストンリング
１０の外周摺動面６に更に連続して形成する場合には、
シリンダライナの内周面とピストンリングの外周摺動面
６との間の耐摩耗性の改善を図ることができる。

【００４５】図２（ｂ）に示すように、耐摩耗性に優れ
た第２硬質炭素皮膜１２をピストンリングの全ての面に
単一層として連続して形成する場合には、使用中におけ
る第２硬質炭素皮膜のクラック及び／又は欠けを発生さ
せる起点が少なく、第２硬質炭素皮膜の耐剥離性を向上
させて長期間優れた耐摩耗性を維持することができる。

【００４６】また、本発明のピストンリング１０は、図
２（ｃ）に示すように、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素
皮膜１２をピストンリングの全ての面に単一層として連
続して形成し、第１硬質炭素皮膜１１を上面８及び下面
９以外の外周摺動面６にも更に連続して形成して積層さ
せてもよい。すなわち、第１硬質炭素皮膜１１を、第２
硬質炭素皮膜１２が更に連続して形成されたピストンリ
ングの外周摺動面６またはピストンリングの外周摺動面
６および内周面７の何れか一以上の面に形成して、部分
的に積層させてもよい。第１硬質炭素皮膜１１を、耐摩
耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２が更に連続して形成
された外周摺動面６、内周面７の何れか一以上の面に形
成することにより、その積層部分は上述した硬質炭素積
層皮膜２を構成し、その第１硬質炭素皮膜形成面におけ
る初期なじみ性と耐スカッフ性さらには耐摩耗性をより
一層向上させることができる。

【００４７】上下面８、９以外の面に第２硬質炭素皮膜
等を形成した場合における第２硬質炭素皮膜１２の厚さ
は、ピストンリング１０の外周摺動面６については、２
〜５０μｍであることが好ましい。ピストンリング１０
の外周摺動面６に形成される第２硬質炭素皮膜１２の厚
さを２〜５０μｍとしたのは、シリンダライナの内周面
との間の耐摩耗性および製造上の観点によるものであ
る。

【００４８】また、ピストンリング１０の内周面７に形
成される第２硬質炭素皮膜１２の厚さについては、耐摩
耗性の観点から少なくとも０．０１μｍ以上であること
が好ましく、より好ましくは０．３〜２７μｍの範囲内
である。０．０１μｍ以上の第２硬質炭素皮膜１２を内
周面７に形成したピストンリング１０は、第２硬質炭素
皮膜１２の耐剥離性を向上させることができる。また、
内周面７に形成される第２硬質炭素皮膜１２の厚さは、
後述のように、成膜時に隣接するピストンリングの隙間
が大きくなるように配置することによって厚くすること
ができるので、外周摺動面６や上下面８、９の厚さとの
差を適宜調整できる。

【００４９】また、そうした第２硬質炭素皮膜上に必要
に応じて形成する第１硬質炭素皮膜の厚さは、初期なじ
み性と耐スカッフ性の観点から、０．００５μｍ以上で
あればよく、好ましくは０．１５〜１４μｍである。

【００５０】次に、硬質炭素積層皮膜等の成膜方法およ
びその厚さの調整方法について説明する。

【００５１】上述した第１硬質炭素皮膜１１および第２
硬質炭素皮膜１２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いわゆるＰＶＤ法によって
形成することができる。また、プラズマＣＶＤ法等のＣ
ＶＤ法によっても形成することができる。さらに、ＰＶ
Ｄ法とＣＶＤ法との組合せによっても形成することがで
きる。こうしたＰＶＤ法やＣＶＤ法は、ワークの形状要
因に基づいて、ワークの各部で厚さの差が生じることが
あり、特に、本発明のピストンリング１０のように、例
えば反応性イオンプレーティング装置や反応性スパッタ
リング装置のチャンバー内の治具に取り付けられて成膜
されるワークにあっては、外周摺動面６が最も厚くなり
やすく、上面８と下面９が続き、内周面７が最も薄くな
りやすい。そうした厚さの差は、ピストンリングの母材
１を治具に取り付ける際に、隣接するピストンリングの
母材１との隙間を調整することによってコントロールす
ることができ、例えば、その隙間を大きくすることによ
って各々の面の厚さの差を小さくでき、隙間を小さくす
ることによって各々の面の厚さの差を大きくすることが
できる。なお、本発明においては、上面８および下面９
における硬質炭素積層皮膜２の厚さを１００（指数）と
したときに、外周摺動面６における硬質炭素積層皮膜２
または第２硬質炭素皮膜１２の厚さを１００〜２００
（指数）とすることが好ましく、また、内周面７におけ
る硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２の厚
さを１〜９９（指数）とすることが好ましい。

【００５２】さらに、本発明のピストンリング１０にお
いては、硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜を
内周面７に形成することにより、ピストンリング１０の
摺動時におけるオイル焼けに基づくすすの付着の問題を
解決することができるという利点がある。すなわち、従
来においては、ピストンリングとピストンリング溝との
間で起こるオイル焼けによって発生したすすが、ピスト
ンリングの下面９および内周面７に付着または凝着し
て、ピストンリングを拘束してしまうことがあった。こ
うしたことは、ピストンリングとピストンリング溝との
間にすすがたまりやすい矩形形状のピストンリングの場
合に顕著であり、ハーフキーストンリングや、ディーゼ
ルエンジンに好ましく採用されているフルキーストンリ
ングの場合であっても同様な傾向を示した。こうしたす
すの付着の問題に対して、本発明のピストンリング１０
は、全周、特にこうしたすすの問題が起こる下面９およ
び内周面７に硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮
膜１２を形成することができるので、すすが付きにく
く、たとえ付着したとしても容易に砕くことができ、す
すを排除し易くなる。その結果、すすの付着を防止する
ことができ、ピストンリングが拘束されるのを防ぐこと
ができるという顕著な効果を有している。

【００５３】次に、下地皮膜または下地層について説明
する。

【００５４】図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、本発明
のピストンリング１０の少なくとも外周摺動面６には、
スパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロ
ムめっき皮膜および窒化層から選択された何れかを下地
皮膜または下地層（以下、下地皮膜または下地層を、
「下地皮膜３」という。）として形成することができ
る。

【００５５】下地皮膜３は、外周摺動面６のみに形成し
ても、外周摺動面６、上面８および下面９に形成して
も、外周摺動面６、内周面７、上面８および下面９の全
周に形成してもよく、適宜必要に応じて設けることがで
きる。

【００５６】スパッタリング皮膜、イオンプレーティン
グ皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された
何れかの下地皮膜３を上述した硬質炭素積層皮膜２また
は第２硬質炭素皮膜１２の下地皮膜として外周摺動面６
に形成すれば、外周摺動面６の耐摩耗性をより向上させ
ることができるので特に好ましいが、それらの硬質炭素
積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２が形成されてい
ない場合においても表面皮膜として外周摺動面６に形成
することが好ましく、外周摺動面６に好ましい耐摩耗性
を付与することができる。

【００５７】好ましい下地皮膜３は、イオンプレーティ
ング法で形成されるイオンプレーティング皮膜であり、
特に、ＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、ＴｉＮ、Ｃｒ−Ｏ−Ｎ、Ｃｒ
−Ｂ−Ｎ等の硬質皮膜であることが好ましい。イオンプ
レーティング皮膜は、硬くて靱性があるので、摺動面と
して作用するピストンリング１０の外周摺動面６の耐摩
耗性を更に向上させることができる。なお、イオンプレ
ーティング法の代わりに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下地皮膜３であってもよ
い。こうした下地皮膜３の厚さは、５〜５０μｍ程度で
あることが好ましい。

【００５８】クロムめっき皮膜および窒化層の形成手段
についても特に限定されない。窒化層においては、イオ
ン窒化層でも、ガス窒化層でもよく、その形成手段には
特に限定されない。

【００５９】また、ピストンリング１０の少なくとも上
面及び下面に形成される下地層としては、少なくともＣ
ｒを含有するものであることが好ましい。硬質炭素積層
皮膜２または硬質炭素皮膜１２の下地層として少なくと
もＣｒを含有する皮膜を形成することで、下地のピスト
ンリング母材１と硬質炭素積層皮膜２または硬質炭素皮
膜１２との密着性を向上させることができる。この少な
くともＣｒを含有する下地層は、スパッタリング法、イ
オンプレーティング法またはＣｒめっき法により形成す
るのが望ましい。

【００６０】次に、本発明のピストンリングを製造する
方法の一例について説明する。

【００６１】先ず、第２硬質炭素皮膜１２を形成する。
ピストンリング母材１を反応性スパッタリング装置のチ
ャンバー内の取付治具にセットし、そのチャンバー内を
真空引きする。その後、取付治具を回転させつつアルゴ
ン等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントに
よってピストンリング母材１の表面を清浄化する。その
後、先ず、Ｃｒターゲットをイオン化したアルゴン等で
スパッタリングし、チャンバー内の蒸発したＣｒ原子を
ピストンリング母材１上に析出させ、次いで、炭素源で
あるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導入し、
ＷおよびＮｉが含まれている金属ターゲットをイオン化
したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の炭
素原子と蒸発した金属原子とが結合してピストンリング
母材１上に少なくともＷおよびＮｉを含有する皮膜とし
て析出させ、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２を
形成する。ＷおよびＮｉの含有比率は、それらの元素の
蒸発速度および反応性ガスの圧力等を調整することによ
って制御される。この場合において、第２硬質炭素皮膜
１２を形成しない面にはマスキング等の処理を施す。

【００６２】次に、第１硬質炭素皮膜１１を形成する。
第２硬質炭素皮膜１２が形成されたピストンリングをプ
ラズマＣＶＤ装置のチャンバー内の取付治具にセット
し、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治
具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イ
オンボンバードメントによって第２硬質炭素皮膜が形成
されたピストンリングの表面を清浄化する。その後、炭
素源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導
入し、Ｓｉが含まれているシランガス等を導入して、プ
ラズマで活性化し、チャンバー内の炭素原子と蒸発した
金属原子とが結合してピストンリング上に少なくともＳ
ｉを含有する皮膜として析出させ、耐スカッフ性に優れ
た第１硬質炭素皮膜１１を形成する。Ｓｉの含有比率
は、Ｓｉ元素を含む反応性ガスの圧力等を調整すること
によって制御される。この場合においても、第１硬質炭
素皮膜１１を形成しない面にはマスキング等の処理を施
す。

【００６３】なお、スパッタリング皮膜、イオンプレー
ティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層の何れか
を下地皮膜３として有するピストンリング１０は、そう
した下地皮膜３を予めスパッタリング装置、イオンプレ
ーティング装置、クロムめっき装置、窒化装置等によっ
て形成し、その後、上述の反応性スパッタリング装置等
に供して硬質炭素皮膜を形成して製造される。

【００６４】

【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。

【００６５】（実施例１〜８）１７Ｃｒステンレス鋼製
のピストンリング母材１を作製し、その母材１上の少な
くとも上下面８、９に硬質炭素積層皮膜２を反応性イオ
ンプレーティング装置により形成した。上下面８、９以
外の面には、硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮
膜１２を任意に形成し、さらに必要に応じて第１硬質炭
素皮膜１１を任意に形成した。下地皮膜３を有したピス
トンリングとする場合には、予め、クロムめっき皮膜、
窒化処理層、イオンプレーティング皮膜の何れかを形成
した。各硬質炭素皮膜および各下地皮膜３の形成条件を
以下に示す。

【００６６】硬質炭素皮膜：第２硬質炭素皮膜１２はＷ
−Ｎｉ−Ｃ系とし、ターゲットおよび炭素含有ガス圧な
どの反応条件を制御することによって、Ｗ：７５ｗｔ
％、Ｎｉ：８ｗｔ％、Ｃ：残部、および不可避不純物か
らなる組成とした。第１硬質炭素皮膜１１はＳｉ−Ｃ系
とし、ターゲットおよび炭素含有ガス圧などの反応条件
を制御することによって、Ｓｉ：６０ｗｔ％、Ｃ：残
部、および不可避不純物からなる組成とした。ピストン
リングの上下面８、９には第１硬質炭素皮膜１１および
第２硬質炭素皮膜１２からなる硬質炭素積層皮膜２が少
なくとも形成されているように各実施例を構成した。

【００６７】クロムめっき皮膜：フッ化クロム浴中での
電解めっきにより、厚さ１５０μｍのクロムめっき皮膜
を形成した。その後、クロムめっき皮膜の表面を研削加
工し、研磨ペーパーを用いた表面研磨を行い、粗さ１μ
ｍＲｚとなるとように調整した。最終的な皮膜厚さを１
２０μｍとした。形成されたクロムめっき皮膜のビッカ
ース硬さはＨｖ９００であった。

【００６８】窒化処理層：ガス窒化法により窒化層を形
成した。アンモニア分解ガス雰囲気中で５９０℃×６時
間保持し、さらに、５４０℃×２時間保持して、厚さ１
００μｍのガス窒化層を形成した。その後、窒化層の表
面を研削加工し、研磨ペーパーを用いた表面研磨を行
い、粗さ１μｍＲｚとなるとように調整した。最終的な
皮膜厚さを７０μｍとした。形成された窒化層のビッカ
ース硬さはＨｖ１１００であった。

【００６９】イオンプレーティング皮膜：イオンプレー
ティング法により、主に｛２００｝に配向した厚さ３０
μｍのＣｒＮ皮膜を形成した。その後、イオンプレーテ
ィング皮膜の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用いた
表面研磨を行い、粗さ１μｍＲｚとなるとように調整し
た。最終的な皮膜厚さを２０μｍとした。形成されたイ
オンプレーティング皮膜のビッカース硬さはＨｖ１５０
０であった。

【００７０】作製した実施例１〜８の構成を表１に示し
た。

【００７１】（比較例１）１７Ｃｒステンレス鋼製のピ
ストンリング母材１を作製し、その母材１の全周に窒化
層を上記実施例と同じ方法により形成した。外周摺動面
６には、厚さ３０μｍのイオンプレーティング皮膜を形
成した。窒化層およびイオンプレーティング皮膜の形成
条件は上記実施例と同様にした。こうして比較例１のピ
ストンリングを作製した。作製した比較例１の構成を表
１に示した。

【００７２】

【表１】

【００７３】（摩耗試験）摩耗試験は、アムスラー型摩
耗試験機を使用し、試験片のほぼ半分を油に浸漬し、相
手材を接触させ、荷重を負荷して行った。試験片として
は、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー試験片
は、実施例１〜８および比較例１のピストンリングと同
様の処理を施したものを使用した。各試験片を用いて摩
耗試験を行い、耐摩耗性の評価を行った。試験条件は、
潤滑油：クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、油
温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：
１５０ｋｇｆ、試験時間：７時間の条件下で、ボロン鋳
鉄を相手材として行った。このボロン鋳鉄からなる相手
材は、所定に形状に研削加工した後、研削砥石の細かさ
を変えて順次表面研削を行い、最終的に２μｍＲｚとな
るように調整した。摩耗量の測定は、粗さ計による段差
プロファイルで摩耗量（μｍ）を測定して評価した。

【００７４】耐摩耗性は、比較例１に対応する試験片の
摩耗量と実施例１〜８に対応する各試験片の摩耗量とを
それらの相対比として比較し、比較例１に対応する試験
片の結果に対する摩耗指数として評価した。従って、各
試験片の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少な
いことを表す。実施例１〜８に対応する各試験片は、比
較例１に対応する試験片よりも僅かに摩耗指数が悪い
が、比較例１に対応する試験片の結果とほぼ同等であ
り、大きな問題が発生することはない。結果を表２に示
した。

【００７５】（スカッフ試験）スカッフ試験は、アムス
ラー型摩耗試験機を使用し、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て行った。試験片
としては、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー
試験片は、実施例１〜４、６および比較例１のピストン
リングと同様の処理を施したものを使用した。各試験片
を用いてスカッフ試験を行い、耐スカッフ性の評価を行
った。試験条件は、潤滑油：クリセフＨ８（１号スピン
ドル油相当品）、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）の条
件下で、ボロン鋳鉄を相手材として行った。このボロン
鋳鉄も上述の方法により最終的に２μｍＲｚとなるよう
に調整した。

【００７６】耐スカッフ性は、比較例１に対応する試験
片のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１〜４、６
に対応する各試験片のスカッフ発生荷重を比較例１に対
応する試験片の結果に対する耐スカッフ指数として比較
した。従って、実施例１〜４、６に対応する各試験片の
耐スカッフ指数が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に対応する試験片よりも耐
スカッフ性に優れることとなる。外周摺動面に硬質炭素
積層皮膜を有する実施例１〜４に対応する各試験片の耐
スカッフ指数は、２２０であり、比較例１に対応する試
験片よりも著しく耐スカッフ性に優れていた。結果を表
２に示した。

【００７７】（たたき試験）たたき試験は、図５に示す
高温弁座摩耗試験機５１を使用して行った。すべりたた
き試験片としては、実施例１〜８および比較例１と同様
の処理を施したものを使用し、たたき摩耗量の評価を行
った。試験条件は、ストローク：４ｍｍ、繰り返し速
度：５００回／分、リング回転数：３ｒｐｍ、試験時
間：１０時間、ピストン材温度：３４０℃、ピストン
材：ＡＣ８Ａの条件下で行った。なお、凝着の有無は、
表面を１５倍に拡大して観察し、評価した。ここで、
「すべりたたき試験」とは、ピストン材５３を試験機５
１に対して軸方向移動不能に固定し、ピストンリング材
５２をピストン材５３に同心に装着し、ピストンリング
材５２の内周面側に備わっているシリンダライナ相当の
鋳鉄製円棒５５を軸方向に往復させることにより、ピス
トンリング材５２に、回転しつうピストン材５３を叩く
動作モードを付与する試験である。試験機５１は、被験
材加熱用のヒータ５４を有しており、実際に燃料を燃焼
させずともエンジン内の燃焼時の高温状態を再現するこ
とができ、ピストン材の状態変化を模すことができる。
この試験により、ピストン側摩耗（ピストン材の摩耗
量）、ピストンリング摩耗（ピストンリング材の摩耗
量）を評価した。

【００７８】結果は、ピストンリングの上下面における
摩耗指数で表した。その値は、比較例１のピストンリン
グのたたき試験の摩耗量の結果を１００とし、実施例１
〜８の各試験片の結果を比較例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の摩耗指数が
１００より小さいほど、摩耗量が小さくなり、比較例１
よりも耐摩耗性に優れることとなる。上下面に硬質炭素
積層皮膜を有する実施例１〜８のピストンリングの摩耗
指数は、６０または８０であり、比較例１の試験片より
も著しく耐摩耗性に優れていた。その結果を表２に示
す。

【００７９】（耐剥離性試験）耐剥離性の試験は、ＮＰ
Ｒ式衝撃試験装置（特公昭３６−１９０４６号、めっき
密着度の定量的試験装置）の改良試験機を使用し、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した。
試験片としては、上述の実施例１〜３、５、７のピスト
ンリングを使用した。各試験片を用いて耐剥離性試験を
行い、耐剥離性の評価を行った。剥離の有無は、表面を
１５倍に拡大して観察し、評価した。図６は、測定に使
用したＮＰＲ式衝撃試験装置を示す。なお、図６におい
て、２１はピストンリング、２２は圧子、２３は当て金
である。

【００８０】耐剥離性は、実施例７の試験片の剥離発生
回数を１００とし、実施例１〜３、５の各試験片の剥離
発生回数を実施例７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１〜３、５の各試験片の耐剥
離性指数が１００よりも大きくなると、実施例７の試験
片よりも多い回数で剥離が発生することとなるので、耐
剥離性に優れることとなる。実施例１〜３、５の耐剥離
指数は、１０５〜１１０であり、実施例７のピストンリ
ングに比べ、耐剥離性に優れていた。結果を表２に示し
た。

【００８１】

【表２】

【００８２】（評価）実施例１〜８のピストンリング
は、比較例１のピストンリングに比べ、その何れも上下
面にＡｌ凝着の発生はみられなかった。また、上下面の
耐摩耗性は著しく向上した。また、外周摺動面の耐摩耗
性および耐スカッフ性は、硬質炭素積層皮膜が形成され
ることにより、耐スカッフ性において著しく向上した。
また、全周面に硬質炭素積層皮膜を形成することによ
り、耐剥離性にも優れていた。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のピストン
リングによれば、少なくともＳｉを含有する耐スカッフ
性に優れた第１硬質炭素皮膜と、その第１硬質炭素皮膜
下に形成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有する
耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜とからなる硬質炭素
積層皮膜が、ピストンリングの上下面に少なくとも形成
されているので、第１硬質炭素皮膜により耐スカッフ性
の向上を図ることができ、第２硬質炭素皮膜により耐摩
耗性の向上を図ることができる。本発明のピストンリン
グは、作用の異なる２つの硬質炭素皮膜を積層したの
で、従来の単一層からなる硬質炭素皮膜に比べて、積層
する各硬質炭素皮膜の個々の特性を最適なものに調整し
易いという利点があり、Ａｌ凝着現象の抑制効果に加
え、摺動時の初期なじみ性、耐スカッフ性および耐摩耗
性をより一層向上させることができる。

【００８４】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、その効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピストンリングの例を示す断面図であ
る。

【図２】本発明のピストンリングの他の例を示す断面図
である。

【図３】下地皮膜または下地層が形成された本発明のピ
ストンリングの他の例を示す断面図である。

【図４】第１硬質炭素皮膜のＳｉ含有比率を傾斜させた
態様の例である。

【図５】高温弁座摩耗試験機である。

【図６】ＮＰＲ式衝撃試験装置の改良試験機である。

【符号の説明】

１母材２硬質炭素積層皮膜３下地皮膜（下地層）６外周面７内周面８上面９下面１０ピストンリング１１第１硬質炭素皮膜１２第２硬質炭素皮膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井口邦浩埼玉県さいたま市本町西５−２−６日本ピストンリング株式会社与野工場内Ｆターム(参考） 3J044 AA02 BA01 BA02 BA03 BB14 BB19 BB29 BC08 CB08 DA09 4K029 AA02 BA34 BA55 BA56 BA57 BA58 BB02 BC02 BD03 CA03 CA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも上面および下面に硬質炭素積
層皮膜が形成されたピストンリングであって、該硬質炭
素積層皮膜は、該上面および下面の表面に形成された少
なくともＳｉを含有する第１硬質炭素皮膜と、該第１硬
質炭素皮膜下に形成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉ
を含有する第２硬質炭素皮膜とからなることを特徴とす
るピストンリング。
【請求項２】前記第２硬質炭素皮膜が、ピストンリン
グの外周摺動面に更に連続して形成されていることを特
徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】前記第２硬質炭素皮膜が、ピストンリン
グの外周摺動面および内周面に更に連続して形成されて
いることを特徴とする請求項１に記載のピストンリン
グ。
【請求項４】前記第１硬質炭素皮膜は、前記第２硬質
炭素皮膜が形成されたピストンリングの外周摺動面また
はピストンリングの外周摺動面および内周面の何れか一
以上の面に形成されていることを特徴とする請求項２ま
たは請求項３に記載のピストンリング。
【請求項５】前記第１硬質炭素皮膜は、含有するＳｉ
の比率が、表面側から第２硬質炭素皮膜側に向かって連
続的又は段階的に増加することを特徴とする請求項１乃
至請求項４の何れかに記載のピストンリング。
【請求項６】前記ピストンリングの少なくとも外周摺
動面には、スパッタリング皮膜、イオンプレーティング
皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された何
れかが下地皮膜または下地層として形成されていること
を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載のピ
ストンリング。
【請求項７】前記ピストンリングの少なくとも上面お
よび下面には、少なくともＣｒを含有する下地層が形成
されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何
れかに記載のピストンリング。