JP2008215280A

JP2008215280A - ピストンリング

Info

Publication number: JP2008215280A
Application number: JP2007056625A
Authority: JP
Inventors: Shoji Tanaka; 昭二田中
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: JP4925868B2

Abstract

【課題】結晶構造がＣｒＮからなる硬質皮膜の耐クラック性及び耐剥離性を改善し、耐久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には結晶構造がＣｒＮからなる硬質皮膜３が被覆されている。硬質皮膜３は酸素含有量が１．５重量％未満のＡ層と酸素含有量が３〜２０重量％の範囲にあるＢ層とを交互に合計３層以上積層して構成する。Ａ層の一層の厚さは０．０５〜５μｍ、Ｂ層の一層の厚さは０．０５〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。硬質皮膜３の合計の厚さは１〜８０μｍの範囲にあることが好ましい。硬質皮膜３の少なくともＢ層には、Ｃｒ，Ｎ，Ｏの他に、Ｂ，Ｃ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｈｆ，Ｎｂ，及びＶの中の一種又は二種以上を合計で０．０５〜１０重量％含有していることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、結晶構造がＣｒＮからなる硬質皮膜を被覆したピストンリングに関する。

エンジンの高出力化や排気ガス規制対応に伴い、ピストンリングの使用環境が益々過酷になってきている。ピストンリングの外周摺動面には、耐摩耗性、耐焼付性に優れる硬質皮膜としてＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜が使用されている。更に、摺動時の耐クラック性、耐剥離性の向上を図るために、ＣｒＮの結晶中に酸素が固溶された硬質皮膜が特許文献１に提案されている。特許文献２では柱状晶の複合窒化物の中に柱状晶ではない構造の複合窒化物の応力緩和層を挟み込むことで、内部応力を低減し、剥がれを抑制することが提案されている。
特許第３５１４９６３号公報特開２００５−１８７８５９号公報

しかしながら、特許文献１のピストンリングは、より過酷な条件では耐クラック性、耐剥離性が不充分の場合がある。また、特許文献２のピストンリングは、窒化物に固溶する酸素の量を少なくした層でクラックの伝播を防ぐことは示唆していない。

本発明の目的は、より過酷な条件で使用できるように、結晶構造がＣｒＮからなる硬質皮膜の耐クラック性及び耐剥離性を改善し、耐久性に優れたピストンリングを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、結晶構造がＣｒＮからなる硬質皮膜が被覆されたピストンリングにおいて、前記硬質皮膜は酸素含有量が１．５重量％未満のＡ層と酸素含有量が３〜２０重量％の範囲にあるＢ層とが交互に合計３層以上積層されていることを特徴とする。

Ａ層の酸素含有量が１．５重量％以上であると、皮膜硬度が増し、更に残留応力が高くなるため、緩衝層としての効果がなくなる。Ｂ層においては、３重量％未満では耐クラック性が低くなり、２０重量％を越えると酸化クロム（クロミナ）の生成が始まり、皮膜の靭性が低くなり耐クラック性が劣る。

硬質皮膜のＡ層の一層の皮膜厚さが０．０５〜５μｍ、Ｂ層の一層の皮膜厚さが０．０５〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。Ａ層の一層の皮膜厚さが０．０５μｍ未満では緩衝層としての効果が低くなり、５μｍを越えると耐クラック性が低くなる。Ｂ層の一層の皮膜厚さが０．０５μｍ未満では耐久性が不足し、１０μｍを越えるとＡ層の緩衝層としての効果を得にくくなり、耐剥離性が低くなる。

硬質皮膜の少なくともＢ層には、Ｃｒ，Ｎ，Ｏの他に、Ｂ，Ｃ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｈｆ，Ｎｂ，及びＶの中の一種又は二種以上を合計で０．０５〜１０重量％含有していることが好ましい。上記元素を含有することにより耐摩耗性が向上する。含有量が０．０５重量％未満では耐摩耗性の効果が低くなり、１０重量％を越えると応力が高くなり、皮膜の欠け発生が多くなる。

硬質皮膜の合計の厚さが１〜８０μｍの範囲にあることが好ましい。１μｍ未満では耐久性が不足し、８０μｍを越えるとコスト高になる。

本発明は上記Ａ層とＢ層を交互に合計３層以上積層することで、応力の低いＡ層が緩衝層として働き、クラックの伝播を防ぐことができる。その結果、耐クラック性及び耐剥離性を改善することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態を示している。ピストンリング１の全表面にガス窒化層２が２０〜９０μｍの厚さで形成されている。ピストンリング１の外周面のガス窒化層２上にＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜３が１〜８０μｍの厚さで被覆されている。本実施形態では、ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜３は、母材から外周に向かってＢ層、Ａ層、Ｂ層が交互に合計で３層積層されて構成されている。Ａ層はＣｒＮからなる結晶構造中に１．５重量％未満の酸素が固溶された層、Ｂ層はＣｒＮからなる結晶構造中に３〜２０重量％の酸素が固溶された層である。Ａ層の一層の厚さは０．０５〜５μｍ、Ｂ層の一層の厚さは０．０５〜１０μｍの範囲にある。硬度は、Ａ層がＨＶ８００〜１６００、Ｂ層がＨＶ１０００〜２０００の範囲にある。

上記酸素を固溶したＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜３は、金属クロムを蒸発源とし、窒素ガスと酸素ガスをプロセスガスとするイオンプレーティング法によって被覆できる。被覆中にプロセスガス中の酸素ガス量を変化させることにより、ＰＶＤ皮膜中にＡ層とＢ層を交互に積層させることができる。

図２は本発明の別の実施形態を示している。ピストンリング１の全表面にガス窒化層２が２０〜９０μｍの厚さで形成されている。ピストンリング１の外周面のガス窒化層２上にＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜３が１〜８０μｍの厚さで被覆されている。本実施形態では、ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜３は、母材から外周に向かってＡ層、Ｂ層、Ａ層、Ｂ層が交互に合計で４層積層されて構成されている。Ａ層はＣｒＮからなる結晶構造中に１．５重量％未満の酸素が固溶された層、Ｂ層はＣｒＮからなる結晶構造中に３〜２０重量％の酸素が固溶された層である。Ａ層の一層の厚さは０．０５〜５μｍ、Ｂ層の一層の厚さは０．０５〜１０μｍの範囲にある。硬度は、Ａ層がＨＶ８００〜１６００、Ｂ層がＨＶ１０００〜２０００の範囲にある。

なお、皮膜中にＣｒ，Ｎ，Ｏの他に、Ｂ，Ｃ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｈｆ，Ｎｂ，及びＶの中の一種又は二種以上を合計で０．０５〜１０重量％含有させれば、耐摩耗性が向上する。Ｃｒ，Ｎ，Ｏ以外の元素を入れる場合は、元素を含んだ蒸発源を使用するか、元素を含む化合物のガスを供給すればよい。例えば、皮膜中にＢ，Ｗ等を入れる場合はＢ，Ｗ等の元素を含んだ蒸発源を使用し、Ｃ等を入れる場合はプロセスガスの窒素ガス、酸素ガスに加え、メタンやエチレンなどのガスを供給すればよい。

アークイオンプレーティング装置を使用して作製した種々のＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜について、ファンデアホルスト摩擦試験機によって測定したクラック発生荷重と、エンジン実験によるトップリング外周皮膜の剥離結果とを表１に示す。表１において、積層数はＡ層の層数とＢ層の層数の合計の数を示している。また、皮膜（比較例１を除く。）は、母材から外周に向かってＡ層、Ｂ層が交互に順次積層されている。

実施例１は一層の膜厚が薄く、積層数が多く、Ａ層及びＢ層の皮膜中にＣｒ，Ｎ，Ｏ以外の元素が入っていない場合、実施例２は一層の膜厚が厚く、積層数が少なく、Ａ層及びＢ層の皮膜中にＣｒ，Ｎ，Ｏ以外の元素が入っていない場合、実施例３はＡ層及びＢ層の皮膜中にＣｒ，Ｎ，Ｏ以外にＢが入っている場合、実施例４はＡ層及びＢ層の皮膜中にＣｒ，Ｎ，Ｏ以外にＷが入っている場合を示す。比較例１はＡ層単層の場合、比較例２はＡ層の酸素含有量が１．５重量％以上の場合、比較例３はＡ層の一層の膜厚が０．０５μｍ未満の場合、比較例４はＡ層の一層の膜厚が５μｍを越える場合を示す。

クラック発生荷重の測定で使用したファンデアホルスト摩擦試験機を図３に示す。試験片１０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１１の外周面１２の上端に配設され、試験片１０であるピストンリングに荷重Ｐが作用されてロータ１１の外周面１２上に押接される。この状態で、試験片１０であるピストンリングとロータ１１の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ１１を回転させる。種々の荷重で所定時間運転したとき、摺動面にクラックが発生しているかどうかを顕微鏡で観察した。実施例１〜４はクラックの発生もなく優れた結果を示した。試験条件は以下の通りである。
（試験条件）
ロータ材：Ｓ４５Ｃ（鏡面仕上げ）
摺動速度：２．０ｍ／ｓ
潤滑油：日石ハイディーゼルＳ３１０Ｗエンジンオイル
試験時間：１ｍｉｎ
温度：室温
荷重：２９．４Ｎ〜１４７Ｎの範囲で９．８Ｎずつ変動

次に、エンジン実験を説明する。比較例１〜４及び実施例１〜４の皮膜を外周に被覆したトップリングを、ボア径φ９４．０ｍｍの４気筒４サイクルディーゼルエンジンに組み込み、全負荷耐久４００時間試験を行った。耐久試験終了後のトップリングの外周皮膜について母材からの剥離の有無を調査した。実施例１〜４は剥離の発生もなく優れた結果を示した。

本発明の一実施形態を示し、ピストンリングの一部分の縦断面図である。本発明の別の実施形態を示し、ピストンリングの一部分の縦断面図である。ファンデアホルスト摩擦試験機の構成を示しており、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１ピストンリング
２ガス窒化層
３ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜

Claims

結晶構造がＣｒＮからなる硬質皮膜が被覆されたピストンリングにおいて、前記硬質皮膜は酸素含有量が１．５重量％未満のＡ層と酸素含有量が３〜２０重量％の範囲にあるＢ層とが交互に合計３層以上積層されていることを特徴とするピストンリング。
前記硬質皮膜のＡ層の一層の皮膜厚さが０．０５〜５μｍ、Ｂ層の一層の皮膜厚さが０．０５〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
前記硬質皮膜の少なくともＢ層には、Ｃｒ，Ｎ，Ｏの他に、Ｂ，Ｃ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｈｆ，Ｎｂ，及びＶの中の一種又は二種以上を合計で０．０５〜１０重量％含有して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。
前記硬質皮膜の合計の厚さが１〜８０μｍの範囲にあ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。