JP2005525515A - Ｐｖｄ被覆層を有するピストンリング - Google Patents

Abstract

ＰＶＤ法によって被覆され、実質的に窒化クロムからなる、少なくとも摩擦面（２）の領域に設けられた耐摩耗性層（３）を有し、該耐摩耗性層（３）内にはアルミニウムおよび／またはシリコンおよび／またはジルコニウムの元素から形成された窒化物が組み込まれると共に、層の厚みが最大７０μｍ、特に５乃至５０μｍである、鉄をベースにした材料製の内燃機関用ピストンリング。

Description

本発明は、ＰＶＤ法によって被覆され、実質的に窒化クロムからなる、少なくとも摩擦面の領域に設けられた耐摩耗性層を有する、鉄をベースにした材料製の内燃機関用ピストンリングに関するものである。

新規のエンジンを開発するという要請に応えるためには必然的に、摩擦による磨耗にさらされるシステム部品であるピストン、ピストンリング、およびシリンダライナを最適に調整する必要がある。その際、特にピストンリングが特に重要である。必要な寿命を達成できるようにするため、ピストンリングの摩擦面には耐磨耗層が設けられる。その際に、ますます高くなるシリンダ圧、直接燃料噴射、排ガスの再循環、石油の消費の最小化、およびその他の構造的特徴が、従来のピストンリングコーティングでは必要な寿命の期待をもはや保証できないほどの負担をピストンリングにかけることになる。

寿命の期待を高めるため、ピストンリングの摩擦面に耐磨耗層を備えることが一般に行われる。この耐磨耗層を設ける公知の方法には、プラズマ溶射、窒化処理、亜鉛メッキ法、またはＣＶＤ法またはＰＶＤ法のような薄層技術がある。ＰＶＤ法には蒸気分離工程のほかに陰極スパッタリングもしくは真空溶着、並びにイオンメッキが含まれる。

ドイツ特許第１００ １１ ９１８ Ａ１号には、少なくとも摩擦面の領域にＰＶＤまたはＣＶＤ法で被覆された耐磨耗層を備えた内燃機関用ピストンリングが記載されている。耐磨耗層は基本的にクロム、炭素、および水素元素から合成され、層の厚みが最大１００μｍであることを特徴としている。その際に層はチタン、ニオビウム、タングステン、タンタルのようなその他の金属成分、または酸素および窒素のような非金属を含むことができる。

この方法によって被覆された層には優れた強度および燃焼痕跡特性が得られる。しかし、このような種類の耐磨耗層は限定された厚みでしか実施できないので、必要な磨耗値は寿命の要求基準には達しない。したがって、このような層は新型エンジンには使用できない。

米国特許明細書第５，９６０，７６２号では、耐磨耗性を高めるためにＰＶＤ法で生成された耐磨耗層を摩擦面に備えたピストンリングが提案されている。耐磨耗層は実質的に窒化クロムおよび／または窒化チタンから形成できる。

この方法で形成された耐磨耗層は強度および燃焼痕跡特性は優れているものの、この層の磨耗耐性は充分に高いものではない。この層は限定された厚みでしか実施できないので、寿命の要求基準は達成されず、したがって特に高性能エンジンには最適な態様では導入できない。

この文献からは窒化物生成成分としてアルミニウム、シリコン、またはジルコニウムの元素を使用できるという示唆は引き出すことができない。

先行技術の技術的欠点を克服するため、本発明の目的は機能性、すなわち燃焼痕跡耐性および固有磨耗挙動が改良され、それによってピストンリングの寿命の期待度が大幅に高まるような耐磨耗層をピストンリングに備えることにある。

この目的は、本発明によれば、耐摩耗性層内にアルミニウムおよび／またはシリコンおよび／またはジルコニウムの元素から形成された窒化物が挿入されると共に、層の厚みが最大７０μｍ、特に５乃至５０μｍであることによって達成される。

本発明によるピストンリングに有利な実施形態は従属クレームに記載されている。

本発明によって、固有磨耗挙動が高く、摩擦特性に優れた耐摩擦層を有するピストンリングを製造することが可能になる。本発明による層は内部強度が高く、適宜の前処理を行えば鋼（スチール）および鋳鉄のようなピストンリングの材料上に優れた粘着力で被覆できる。その上、燃焼痕跡耐性が高く、相手部品、すなわちシリンダライナを損耗させない。耐磨耗層には燃焼室内に発生する媒体に対する防食性があり、燃焼室からピストンおよびピストンリングを経たシリンダ作用面への熱伝導を良好に遂行できるように高い熱伝導率を有している。

ＰＶＤ法によって分離され、酸素および炭素を添加せずに実施できる、先行技術から公知である窒化クロム層は高い燃焼痕跡耐性と固有摩擦耐性を備えてはいるが、実現可能な層の厚みでピストンリングの必要な寿命を保証するには不充分である。本発明によって、アルミニウム、シリコン、またはジルコニウムのような別の窒化物生成元素を組み込むことで、相手部品の磨耗に悪影響を及ぼすことなしに層の固有磨耗耐性を向上させる。

窒化クロム層内に別の元素を組み込むことの他に、本発明によって前記元素の複数の組合せを層内に組み入れることも考えられる。基本的にこれらの元素のどのような組合せも考えられる。クロム−アルミニウム−シリコン窒化物層、クロム−アルミニウム−シリコン−ジルコニウム窒化物層、クロム−アルミニウム−ジルコニウム窒化物層、およびこれらの元素の他のどのような組合せも可能である。その際に残される留意点は、層内の元素の総比率が原子百分率で１０％以上で、かつ５０％未満とし、層内の総金属含有率は原子百分率で５０％乃至７０％とすることである。

本発明の第１の実施例では、窒化クロム層にアルミニウムを添加することが提案される。その際、耐磨耗層内の元素含有率はクロムが原子百分率２０％乃至６０％、アルミニウムが原子百分率で１０％乃至５０％、窒素が原子百分率で３０％乃至５０％である。その際に、層内の金属含有率は原子百分率で５０％以上で、かつ７０％未満とする。

本発明の第２の実施例では、窒化クロム層にシリコンを添加することが提案される。その際、耐磨耗層内の元素含有率はクロムが原子百分率２０％乃至６０％、シリコンが原子百分率で１０％乃至５０％、窒素が原子百分率で３０％乃至５０％である。その際に、層内のクロムおよびシリコン元素の含有率は原子百分率で４５％以上で、かつ７０％未満とする。

本発明の第３の実施例では、窒化クロム層にジルコニウムを添加することが提案される。その際、耐磨耗層内の元素含有率はクロムが原子百分率２０％乃至６０％、ジルコニウムが原子百分率で１０％乃至５０％、窒素が原子百分率で３０％乃至５０％である。その際に、層内の金属含有率は原子百分率で５０％以上で、かつ７０％未満とする。

本発明の第四の実施例では、ピストンリングを鋼（スチール）から製造し、耐磨耗層を被覆する前に窒化処理を施すことが提案される。その際に、ピストンリングは先ず、少なくとも摩擦面が通常の方法で窒化処理され、引き続いてＰＶＤ法によって本発明による耐磨耗層が被覆される。

本発明の実施形態を図示し、以下に説明する。

図１は摩擦面側に耐磨耗層を有する圧縮ピストンリングである。

図１は摩擦面２の領域に耐磨耗層３を備えた鉄をベースにした合金製の圧縮ピストンリング１である。耐磨耗層３はこの実施例では摩擦面２だけに配設されているが、フランク４、５の部分まで延ばすこともできる。耐磨耗層３は実質的に窒化クロムからなり、窒化クロム層には元素Ａｌ、Ｓｉ、またはＺｒの少なくとも１つから成る窒化物が組み込まれる。

Claims (6)

1. ＰＶＤ法によって被覆され、実質的に窒化クロムからなる、少なくとも摩擦面（２）の領域に設けられた耐摩耗性層（３）を有する、鉄をベースにした材料製の内燃機関用ピストンリングであって、前記耐摩耗性層（３）内にはアルミニウムおよび／またはシリコンおよび／またはジルコニウムの元素から形成された窒化物が組み込まれると共に、層の厚みが最大７０μｍ、特に５乃至５０μｍであることを特徴とするピストンリング。
2. 耐磨耗層（３）は原子百分率２０％乃至６０％のクロムと、原子百分率で１０％乃至５０％のアルミニウムと、原子百分率で３０％乃至５０％である窒素とを含み、前記層（３）内のクロムおよびアルミニウム元素の総含有率は原子百分率で５０％乃至７０％であ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. 耐磨耗層（３）は原子百分率２０％乃至６０％のクロムと、原子百分率で１０％乃至５０％のシリコンと、原子百分率で３５％乃至５５％である窒素とを含み、前記層内のクロムおよびシリコン元素の総含有率は原子百分率で４５％乃至７０％であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
4. 耐磨耗層（３）は原子百分率２０％乃至６０％のクロムと、原子百分率で１０％乃至５０％のジルコニウムと、原子百分率で３０％乃至５０％である窒素とを含み、前記層内のクロムおよびジルコニウム元素の総含有率は原子百分率で５０％乃至７０％であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
5. 耐磨耗層（３）内の窒化物はアルミニウム、シリコン、およびジルコニウム元素のうち少なくとも２つの組み合わせからなり、前記層内の元素の総含有率は原子百分率で１０％乃至５０％であり、前記層（３）内の総金属含有率は原子百分率で５０％乃至７０％であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
6. 前記ピストンリング（１）が鋼（スチール）から製造され、前記耐磨耗層（３）を被覆する前に窒化処理が施されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のピストンリング。
   

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