JP2010529389A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

支持材料と耐摩耗性被膜から成るピストンリングが開示される。耐摩耗性被膜は３元系Ａ−Ｂ−Ｎから成り、ＰＶＤ法を用いて成膜される。Ａ及びＢは各々、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＣを包含する群から選ばれた元素であり、ここでＡ≠Ｂ、Ｎは窒素を表す。耐摩耗性被膜の厚みは≧３μｍとなる。

Description

本発明は、請求項１によるピストンリングに関する。

ピストンリングには、その滑り面及び／又はリングフランジに、必要寿命を達成するため、摩耗保護層が設けられている。最近のエンジン開発における高いシリンダー圧力、直接噴射、排ガス再循環及び他の設計機構、並びにシリンダー選択肢材料は、ピストンリングに増大する要求を課している。

耐摩耗性層は溶射法、メッキ法又は他の薄層技術により成膜され、要すれば、熱処理又は拡散法によって更に処理される。通常、これ等の層は略均質であり、従って非構造化形で成膜化される。耐摩耗性は、材料の対応硬度によって調整される。

ピストンリングの表面における熱過負荷を指し示す全現象形式は一般に、スコーチマークの概念の下で分類される。

ＤＥ１９９３１８２９Ａ１から、粒度０．２５〜０．５μｍのダイヤモンド粒子を埋め込んだ、隙間のあるメッキ硬質クロム層が知られている。付加的に、炭化タングステン、炭化クロム、酸化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、炭化ボロン又は窒化ボロンから成る硬質材料の更なる粒子を隙間に埋め込むことができる。

高温になると、ダイヤモンド粒子は潤滑剤の機能を呈するグラファイトに変換され、従ってスコーチマークの形成を防ぐ。斯くして、この層には、特にダイヤモンドが約７００℃以上の温度でグラファイトに転ずるため、良好な応急動作特性もある。

ピストンリングのスコーチマーク挙動を更に改善するため、融点が極めて高く、従ってそれ等の熱過負荷を生ずるのに極めて高い温度を要する材料の層がこれまで一般に用いられている。これ等の一典型的例は、ＰＶＤ法で成膜され、分解温度が約２０００Ｋの窒化クロムである。

スコーチマークに対する耐性及び耐摩耗性を改善するため、ＤＥ１０２００４０２８４８６Ａ１には、クロムと窒化クロムから交互に成る、数個の個別層の被膜が提案されている。窒化クロム層はＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ又はそれ等の混合物から成って良い。急激な転移を回避するため、成膜工程は窒化クロムの個別層が各々、Ｃｒ_２Ｎの境界部とＣｒＮの芯部をもつように制御される。各個別層は厚みが少なくとも０．０１μｍである。最大厚みは１０μｍである。被膜全体の厚みとして５〜１００μｍが挙げられる。

ＵＳ５５４９０８６には、ＴｉＮ及びＣｒＮで被膜したピストンリングが開示されている。

ＤＥ１０２００４０３２４０３Ｂ３には、クロム接着層上に窒素含有量が外側に向かって増大する漸変ＣｒＮ被膜のあるピストンリングが記載されている。

ＪＰ２００５−０６０８１０Ａから、個別層が同じ金属成分を有し、窒素含有量のみが違う多層被膜系が設けられた、燃焼機関用ピストンリングが知られている。個別層の層厚みとして、＜１μｍが挙げられる。層はＰＶＤ法、特にアーク法により成膜される。

だが、既知の層のスコーチマークに対する耐性は不十分である。

Lamni et al. J. VrC. Technol. A23(4), 2005の頁５９３以下には、３成分材料系Ｚｒ−Ａｌ−Ｎ及びＺｒ−Ｃｒ−Ｎから成る層の微細構造とナノ硬度が記載されている。これ等層はマグネトロン・スパッタリングにより成膜され、厚みが１μｍ程度である。３成分材料系Ｚｒ_１−ｘＣｒ_ｘＮに付いては、ｘの範囲を０≦ｘ≦０．４８ではナノ硬度にどんな変化も検出されない。

ＤＥ１９９３１８２９Ａ１ ＤＥ１０２００４０２８４８６Ａ１ ＵＳ５５４９０８６ ＤＥ１０２００４０３２４０３Ｂ３ ＪＰ２００５−０６０８１０Ａ

Lamni et al. J. VrC. Technol. A23(4), 2005 page 593ff.

本発明の目的は、高度の耐摩耗性を有する耐摩耗性被膜を備えたピストンリングを提供することにある。

この目的は、耐摩耗性被膜がＰＶＤ法で成膜される３成分系Ａ−Ｂ−Ｎから成り、ここでＡ及びＢは各々Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＣを包含する群から選ばれた元素であり、Ａ≠Ｂ、Ｎは窒素を表し、耐摩耗性被膜の厚みは＞３μｍであることを特徴とするピストンリングにより達成される。

２成分系Ａ−Ｎ、例えばＣｒＮ等と比べて、群Ｂからの元素を更に存在させると、硬度の調整が広範囲に亘って簡単にできるようになることが分かった。これにより、エンジンに適用した場合の特定要求条件に対して要求硬度を調整できるようになる。

ＰＶＤ法群には、下記の技術並びにこれ等方法の反応性変種が含まれる。
− 蒸発法
・熱蒸発（蒸着としても知られる）
・電子ビーム蒸着
・パルス化レーザ沈積、パルス化レーザアブレーション：原子及びイオンが短く強力なレーザパルスで気化される。
・アーク‐ＰＶＤ蒸着：元素及びイオンが元の材料から放出され、強力な電流により気体相に変換され、これが放電となって２電極間を流れる。
・分子ビームエピタキシー
スパッタリング（スパッタ沈積、陰極アトマイゼーション）：元の材料がイオン衝撃により噴霧化され、気体相に変換される。
イオンメッキ

耐摩耗性被膜は好ましくは、ＣｒＮをベースとする３成分系から成る。

好ましい耐摩耗性層の１つはＺｒ_１-xＣｒ_ｘＮ_ｙから成り、ここでｘ＝０．１〜０．８５、ｙ＝０．５〜１、特にｘ＝０．２２〜０．８２、ｙ＝０．９４〜０．９８である。ｘ＝０．４４〜０．８５及びｙ＝０．８〜１の範囲が特に好ましい。

更に好適な３成分系はＶ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙ及びＴｉ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙである。

耐摩耗性被膜は好ましくは、Ｖ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙであり、ここでｘ＝０・８５〜０．１０、ｙ＝０．５〜１、特にｘ＝０．３〜０．８、ｙ＝０．５〜１である。

更に、系Ｔｉ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙが好ましく、ここでｘ＝０．１０〜０．８５、ｙ＝０．５〜１、特にｘ＝０．６０〜１、ｙ＝０．５〜１である。

耐摩耗性被膜の厚みは好ましくは、５〜６０μｍ、特に５〜１５μｍ及び２５〜３５μｍである。

耐摩耗性被膜の厚みは好ましくは、３〜４μｍ、特に３．２〜３．７μｍ又は５〜７μｍ、特に５．７〜６．５μｍ及び１０〜１４μｍ、特に１１〜１３μｍである。

耐摩耗性被膜は好ましくは、反応性アーク法（アークＰＶＤ）により成膜される。この方法の利点はスパッタ法とは異なり、より高い基本高度を設定できることである。これは、耐摩耗性被膜の構造組織の違いによる。

３成分系を考察するとき、少量の酸素及び他の不純物が３成分系に含まれても良いことが留意されるべきである。酸素比率は上限５原子％までである。

ピストンリングの磨耗防止のため、反応性アーク法を用いて多層被膜（クロム接着層と共に）を付着させた。これ等は、高合金鋼の窒化ピストンリングであった。耐摩耗性被膜はＣｒ−Ｖ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｚｒ−Ｎ系及びＣｒ−Ｔｉ−Ｎ系の異なる組成から成っていた。これ等異なる組成を各々、検討した。

以下の表は被覆厚みと被覆硬度を列挙する。耐摩耗性を調べるため、これ等ピストンリングは潤滑、往復、滑動及び負荷の下で、代表的検査を受けた。各場合の合わせ面は鋳鉄（ＧＯＥ３００、出願人の材料）のシリンダーガイドの部分で構成された。時間尺を減ずるため、添加物の無い合成エステルを潤滑剤として用いた。代表的検査Ａ及びＢはストロークにおいて異なっていた。代表的検査Ａは長ストロークで行われた。

ＣｒＮ層に添加金属が存在することは層の特性に影響を及ぼす。添加金属（バナジウム、ジルコニウム又はチタン）の比率が高いと、硬度の増加が可能になる。これ等革新的層により、エンジンへの特定用途の要求硬度を調整することができる。

更に、ＰＶＤ層の組成に基づいて、ＰＶＤ層とシリンダー合わせ面の磨耗性能を広範囲、時には、極めて広範囲に亘って調整することができる。ピストンリングの最も重要な特性の１つである滑り面の耐摩耗性は、これ等革新的層を用いて最適化し、調整することができる。大型ピストンのリング分野において、ピストンとシリンダー合わせ面の磨耗に対する要求条件に、微妙な差異においても対応することが今や可能になる。例えば、大型ピストンのリング分野において、低摩耗のシリンダー滑り面が要求され、保守点検中に、極めて高価であり、交換が複雑なシリンダーライナーを交換する代わりに、リングのみの交換を要するようにする。一方、乗用車エンジンの分野において、ピストンリングとシリンダー合わせ面の組み合わせが概して尚最小の磨耗を有し、従って高い動作性能の履行後も、良好な排ガス値を有するようにすることが期待される。

Claims (13)

1. 支持材料と耐摩耗性被膜で構成されるピストンリングであって、
   耐摩耗性被膜が、ＰＶＤ法で成膜される３成分系Ａ−Ｂ−Ｎから成り、ここでＡ及びＢは各々Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＣを包含する群から選ばれた元素であり、Ａ≠Ｂ、Ｎは窒素を表し、耐摩耗性被膜の厚みは≧３μｍであることを特徴とするピストンリング。
2. ３成分系がＡ−Ｃｒ−Ｎから成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. 耐摩耗性被膜がＺｒ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙから成り、ここでｘ＝０．１〜０．８５、ｙ＝０．５〜１であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンリング。
4. 耐摩耗性被膜がＺｒ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙから成り、ここでｘ＝０．４４〜０．８５、ｙ＝０．８〜１であることを特徴とする請求項３に記載のピストンリング。
5. 耐摩耗性被膜がＶ_１−ｘＣ_ｘＮ_ｙから成り、ここでｘ＝０．８５〜０．１、ｙ＝０．５〜１であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンリング。
6. 耐摩耗性被膜がＶ_１−ｘＣ_ｘＮ_ｙから成り、ここでｘ＝０．３〜０．８、ｙ＝０．５〜１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。
7. 耐摩耗性被膜がＴｉ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙから成り、ここでｘ＝０．１〜０．８５、ｙ＝０．５〜１であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンリング。
8. 耐摩耗性被膜がＴｉ_１−ｘＣｒ_ｘＮ_ｙから成り、ここでｘ＝０．６〜０．１、ｙ＝０．５〜１であることを特徴とする請求項７に記載のピストンリング。
9. 耐摩耗性被膜の厚みが５〜６０μｍであることを特徴とする請求項１〜８何れか１つに記載のピストンリング。
10. 耐摩耗性被膜の厚みが５〜１５μｍであることを特徴とする請求項９に記載のピストンリング。
11. 耐摩耗性被膜の厚みが２５〜３５μｍであることを特徴とする請求項９に記載のピストンリング。
12. 耐摩耗性被膜が反応性アーク法で成膜されることを特徴とする請求項１〜１１何れか１つに記載のピストンリング。
13. 支持材料が鋼又は鋳鉄材料であることを特徴とする請求項１〜１２何れか１つに記載のピストンリング。