JP2010534801A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

ピストンリング上の焼けを回避するために、ピストンリングを、熱伝導容量少なくとも１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）をもつ材料から成る耐摩耗及び耐剥傷性保護被膜で外装することが提案される。耐摩耗及び耐剥傷性保護被膜の少なくとも５体積％は、窒化アルミから成る。

Description

本発明は、請求項１に記載した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／又はリング縁に、必要寿命を満たすため、耐摩耗及び耐剥傷性保護層が設けられている。高まるシリンダー圧力、直接噴射、排ガス再循環及びシリンダー選択肢材料等の最近のエンジン開発の構造的特性は、ピストンリングに課せられる負担を増大している。

耐摩耗及び耐剥傷性保護被膜は熱噴射法、ガルバニック法又は薄層技術により成膜され、場合によっては、熱処理又は拡散法によって処理される。これ等の層は一般に、極めて均質に、従って非構造形態で成膜される。耐摩耗及び耐剥傷性は、材料として使用される硬度に従って調整される。

ピストンリングの表面における熱過負荷を指し示す全事象は一般に、焼けの概念の下で分類される。

焼けの概念は元々、ピストンリングの滑り面の事象に対して規定された。クロム上面における変色及びいわゆる痘痕（あばた）の形成は熱的過負荷を指し示す。焼けの概念を他の材料に拡げれば、ピストンリング滑り面上の過負荷を指し示す全事象はこの概念下で集約可能である。焼けと引掻傷間の区別は明確ではない。引掻傷では、ピストンリングの上面の大きな溝及び／又は物質移動は引掻傷と言われる。焼きと引掻傷は、ピストンリング上に潤滑油が無いこと、又はピストンリング上の面圧が高いことにより生ずる滑り部の金属接触によって生じる。シリンダー壁及び非円形シリンダー上に非密封ピストンリングが無いと、高温燃料ガスが不要に通過し（ガス漏れ損失）、潤滑油が焼き去られ、滑り部同士の金属接触が起こる（www.motorlexikon.de）。

ガルバニックハードコア層は、粒度０．２５〜０．５μｍのダイヤモンド粒子が沈着するクラックを示すＤＥ１９９３１８２９Ａ１から知られている。炭化タングステン、炭化クロム、酸化アルミニウム、炭化珪素及び窒化硼素から成る他の硬質材料粒子も、クラック内に沈着する。

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、従って焼けが形成しなくなる。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、極めて良好な応急動作特性がある。

ピストンリングの焼け挙動を更に改善するため、融点が極めて高く、その結果、熱過負荷を生ずるのに極めて高い温度が必要な材料から成る被膜が一般に用いられる。これの一典型的例は、ＰＶＤ法で成膜される、分解温度が約２０００Ｋの窒化クロムである。

焼けに対する耐性及び摩耗及び剥傷に対する耐性を改善するため、ＤＥ１０−１２Ｗ４６２８４８６Ａ１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ＣｒＮ勾配層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、内燃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、特に電気アーク法により成膜される。

だが、既知の層の焼けに対する耐性は不十分である。

ＤＥ１９９３１８２９Ａ１ ＤＥ１０−１２Ｗ４６２８４８６Ａ１ ＵＳ５５４９０８６ ＤＥ１０２００４０３２４０３Ｂ３ ＪＰ２００５−０６０８１０Ａ

本発明の目的は、摩耗及び剥傷に対する良好な耐性及び焼けに対する良好な耐性を有する、耐摩耗被膜（耐摩耗及び耐剥傷性保護被膜）を備えたピストンリングを提供することにある。

焼けは、熱をできるだけ急速に除去すると、防止可能なことが分かった。その熱伝導能力（容量）が少なくとも１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である材料を用いると、焼けが全く、又は少量しか生じない。

好ましくは、耐摩耗被膜は比率少なくとも５体積％の窒化アルミニウムから成る。他の好適な比率は、少なくとも１０体積％、少なくとも２０体積％、少なくとも３０体積％、少なくとも４０体積％、そして特に好ましくは少なくとも５０体積％である。この体積％比率は、耐摩耗被膜が均一な単一層被膜系か多層被膜系かに拘わらず、その全体に付いてである。

好ましくは、耐摩耗被膜は、３物質系から成る単層系から成る。

好適なのは３物質系Ａｌ−Ｍｅ−Ｎから成る耐摩耗被膜であり、ここでＭｅはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ及びＣから成る群より選ばれた元素であり、Ａｌはアルミを意味し、Ｎは窒素を意味する。

特に好ましい自由物質系はＣｒ−Ａｌ−Ｎから成る。

耐摩耗被膜は、周期的に堆積された多層保護被膜から成り、各周期が少なくとも２個別層から成り、これ等２個別層がそれ等の組成で区別される。好ましくは、多層設定系は個別層がＡＩＮから成り、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ及びＣから成る群から選ばれた元素の窒化物を有する。

好ましくは、各周期はＡｌＮの個別層を有する。より好ましいのは、１個別層がＡｌＮから成る２つの個別層から成る周期である。

好ましくは、少なくとも１個別層が前記群からの少なくとも２金属の窒化物から成るようにする。

多層被膜系では、ＣｒＮ及びＡｌＮの個別層を有する多層被膜系が好ましい。窒化クロム及び窒化アルミを有する個別層の多層被膜系は、２２５Ｗ（ｍ・Ｋ）の熱伝導値をさえ示している。

かかる多層被膜系の組込みディジタル層の厚みは好ましくは、＞１５ｎｍ〜１μｍである。

多層被膜系の個別層の厚みは好ましくは、≧２ｎｍ〜１５ｎｍである。そのような薄い厚みでは、いわゆる超格子構造が生ずる。超格子構造は、隣接個別層の格子に直接隣り合う部分で格子配置が乱されるため生ずる。個別層は縁部で互いに影響し合い、格子パラメタがそこで変更されるようになる。一例として７〜３５の原子層から形成される個別層の厚みが比較的厚いことに基づき、 各個別層には、単一層被膜のものに対応する格子が形成されるコア領域が生ずる。このコア領域は、層の縁部まで超格子構造により縁取られる。

耐摩耗被膜の全厚みは多層被膜系でも、単層被膜でも、好ましくは≧５μｍである。耐摩耗被膜の、より好ましい全厚みは５μｍ〜０μｍ、５μｍ〜１５μｍ及び２５μｍ〜３５μｍである。

ベアリング材と耐摩耗被膜の間に好ましくは、上記群から選ばれた金属又はその窒化物の追加層がある。この追加層は好ましくはクロムから成る。

耐摩耗被膜は好ましくはＰＶＤ法、反応性電気アーク法又はＣＶＤ法により成膜される。

これ等ピストンリングの特別な用途として、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンが想定される。

ＰＶＤ被膜における熱伝導容量の測定

温度伝導容量を測定するため、光音響法の基本原理を用いた。それにより、ＰＶＤ被膜を光の周期的照射に曝し、温度伝導容量を測定した。

試料の熱伝導容量を密度及び比熱に関して計算した。薄層における比熱容量は、高密度材料のものと同等のものであるが、密度には必ずしも合わない。求値のため、高密度材料の密度を用いた。

一般的ＣｒＮ−ＰＶＤ被膜の熱伝導容量は１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。ＰＶＤ被膜に付いては、熱伝導容量は高密度材料のものと異なることがある。何故ならこれ等被膜は熱平衡状態に拘束されないからである。概して有意な内部応力が存在する。

ＣｒＮ及びＡｌＮの個別層をもつ本発明による多層被膜系の熱伝導容量は、２２５．３Ｗ（ｍ・Ｋ）である。この多層被膜系には焼けが無い。

Claims (27)

1. 耐摩耗及び耐剥傷性保護被膜と、担体材料、特にスチール材又は注型物から成るピストンリングであって、耐摩耗被膜が熱伝導容量少なくとも１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）をもつ材料から成ることを特徴とするピストンリング。
2. 全耐摩耗被膜と比較して、耐摩耗被膜の少なくとも５体積％が窒化アルミ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. 全耐摩耗被膜と比較して、耐摩耗被膜の少なくとも１０体積％が窒化アルミから成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. 全耐摩耗被膜と比較して、耐摩耗被膜の少なくとも２０体積％が窒化アルミから成ることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のピストンリング。
5. 全耐摩耗被膜と比較して、耐摩耗被膜の少なくとも３０体積％が窒化アルミから成ることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載のピストンリング。
6. 全耐摩耗被膜と比較して、耐摩耗被膜の少なくとも４０体積％が窒化アルミから成ることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載のピストンリング。
7. 全耐摩耗被膜と比較して、耐摩耗被膜の少なくとも５０体積％が窒化アルミから成ることを特徴とする請求項１〜６の何れか１つに記載のピストンリング。
8. 耐摩耗被膜が３物質系に基づく一層被膜から成ることを特徴とする請求項１〜７の何れか１つに記載のピストンリング。
9. 耐摩耗被膜が３物質系Ａｌ−Ｍｅ−Ｎから成ることを特徴とし、ここでＭｅがＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ及びＣから成る群より選ばれた元素であり、Ａｌはアルミを意味し、Ｎは窒素を意味する請求項８に記載のピストンリング。
10. ３層系がＣｒ−Ａｌ−Ｎから成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. 耐摩耗被膜が、周期的に堆積された多層保護被膜から成り、各周期が少なくとも２個別層から成り、該２個別層がそれ等の組成で区別されることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１つに記載のピストンリング。
12. 多層設定系は個別層がＡＩＮから成り、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ及びＣから成る群から選ばれた元素の窒化物を有して成ることを特徴とする請求項１１に記載のピストンリング。
13. 少なくとも１個別層が前記群の少なくとも２金属の窒化物から成ることを特徴とする請求項１２に記載のピストンリング。
14. 多層被膜系がＣｒＮ及びＡｌＮの個別層を有して成ることを特徴とする請求項１２に記載のピストンリング。
15. 多層被膜系の個別層の厚みを、＞１５ｎｍ、上限１μｍまでとすることを特徴とする請求項１１〜１４の何れか１つに記載のピストンリング。
16. 多層被膜系の個別層の厚みを、≧２ｎｍ、上限１５ｎｍまでとすることを特徴とする請求項１１〜１４の何れか１つに記載のピストンリング。
17. 耐摩耗被膜の厚みを≧５μｍとすることを特徴とする請求項１〜１６の何れか１つに記載のピストンリング。
18. 耐摩耗被膜の全厚みを５〜６０μｍとすることを特徴とする請求項１７に記載のピストンリング。
19. 耐摩耗被膜の全厚みを５〜１５μｍとすることを特徴とする請求項１７〜１８の何れか１つに記載のピストンリング。
20. 耐摩耗被膜の全厚みを２５〜３５μｍとすることを特徴とする請求項１７〜１８の何れか１つに記載のピストンリング。
21. ベアリング材料と、耐摩耗被膜との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ及びＣから成る群から選ばれた金属又はその窒化物から成る結合層が設けられて成ることを特徴とする請求項１〜２０の何れか１つに記載のピストンリング。
22. 結合層がＣｒから成ることを特徴とする請求項２１に記載のピストンリング。
23. 耐摩耗被膜がＰＶＤにより成膜されて成ることを特徴とする請求項１〜２２の何れか１つに記載のピストンリング。
24. 耐摩耗被膜が反応性電気アーク法により成膜されて成ることを特徴とする請求項１〜２３に記載のピストンリング。
25. 耐摩耗被膜がＣＶＤにより成膜されて成ることを特徴とする請求項１〜２４の何れか１つに記載のピストンリング。
26. 請求項１〜２５に記載の耐摩耗被膜付きピストンリングのガソリンエンジンでの使用。
27. 請求項１〜２５に記載の耐摩耗被膜付きピストンリングのディーゼルエンジンでの使用。