JP2013515213A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】特に内燃機関もしくはコンプレッサーに用いるための、セラミック／金属多層の概念をベースとするコーティングを備えたピストンリングを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの金属ベース（２）と、この金属ベースに物理蒸着（ＰＶＤ）法により塗布されたコーティング（３）を含み、このコーティングは周期性（Ｐ）を有し、少なくとも１つの第１の層（５）と少なくとも１つの第２の層（５’）により形成され、これらの層は隣接しており、第１の層（５）は主に金属クロム（５）により形成されており、第２の層は主にセラミッククロム（５’）により形成されていることを特徴とするピストンリング。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に内燃機関もしくはさまざまなコンプレッサーに用いるための、主に金属及びセラミックにより形成されている複数の交互のコーティング層を備えたピストンリングに関する。結果として、このリングは摩擦及び腐食に対して優れた耐性を有する。

内燃機関は基本的に２つの主要な部品により構成されており、その１つのシリンダーブロックには１以上のシリンダーと一式のクランクシャフトが配置され、１以上のシリンダーヘッドが組み合わされている。一式のクランクシャフトにはピストン及び接続ロッドから取り付けられ、ピストンはシリンダーの内部を移動する、通常はアルミニウム合金製である円筒形の部品である。

ピストンの上面と、シリンダーの壁と、シリンダーヘッドの底の間の空間は燃焼室であり、ディーゼルエンジンにおいては通常この燃焼室は、主にピストンヘッドに設けられるキャビティによって規定されている。

燃焼室の内部では、エンジンは混合物（燃料及び空気）の燃焼によって生じた化学エネルギーを、車輪を動作させることができる機械エネルギーに変換する。

圧縮及び燃焼の間に空気／燃料混合物及び排気ガスが燃焼室からオイルサンプに漏れることを防ぎかつオイルサンプ中のオイルが燃焼ゾーンに移ることを防ぐため、ピストンの外側縁とシリンダーの内壁の間にすべりシールを与えるリングを用いることが必要である。

シリンダーの内部をピストンが移動する間、ピストンはシリンダーの壁に全体として付着し、圧縮及び燃焼の間に空気／燃料混合物及び排気ガスが燃焼室からオイルサンプに漏れることを防ぎかつオイルサンプ中のオイルが燃焼ゾーンに移ることを防ぐべきである。そのような手段が引き起こす大きな磨滅のため、見出された手段はピストンとシリンダーの内壁の間に小さな緩みを設け、必要な隔離を確実にするためにピストンの周囲に１以上のリングが配置される。この緩みにより、ピストンがエンジンの熱により拡張してもシリンダーの壁に付着せず、ピストンの動きを止めないように空間を確保することが可能になる。

通常、近年の４気筒エンジンは各ピストンに３つのリング（２つは圧縮リングであり、１つはオイルリングである）を用いている。ピストンヘッドに近い位置にある２つのリングは圧縮セグメントと呼ばれ、その目的はピストンがその圧縮移動を行う際にオイルサンプの内部に気体混合物が漏れないようにすることである。ピストンヘッドから最も離れた位置において、いわゆるオイルリングが配置され、その目的は、ピストンが動く際（特にシリンダーヘッドから離れる際）に、シリンダー壁上の過剰のオイルを剥ぎ取り、オイルフィルムの厚みを調節し、その不適切な燃焼を防ぐことである。

通常、ピストンリング、特に圧縮リングは金属ベースにより形成され、この金属ベースには少なくとも１つのコーティング層が設けられ、シリンダー壁と接触している。

このコーティング層の目的は低スライディング磨滅、耐破損性、硬度及び頑強性のリング特性を与えることであるため、このコーティング層の役割はとても重要である。しかしながら、これらの特性の多くは相反するものであり、その１つを加えることは他の特性を失うことを意味し、従って用いるコーティングのタイプはエンジンの機能及びリングによって達成される作用によって選択される。

一連の高機能コーティングが専門家によって提案され、その１つは所望の特性を高めることを試みている。しかしながら、今日まで、内部応力の吸収、高い硬度及び薄い厚みの特性を同時に高めるに有効なコーティングは存在しない。

第一の従来の方法は、米国特許第5,316,321号に示されており、物理蒸着（ＰＶＤ）を用いて硬質フィルムが外部滑り表面にコートされている、チタン合金製の、内燃機関用のピストンリングが記載されている。

この米国特許第5,316,321号には、ピストンリングをコートするための１以上のタイプのフィルム、特にＴｉＮ（窒化チタン）及びＣｒＮ（窒化クロム）の使用が記載されている。

第二の従来の方法は、米国特許第5,820,131号に示されており、３μｍ〜３０μｍの厚み及び１１wt％〜１７wt％の窒素の割合のＣｒ₂Ｎ又はＣｒ₂ＮとＣｒＮの混合物の１つの層のフィルムにより形成されたコーティングを有するピストンリングが記載されている。このコーティング層はＰＶＤ法により設けられ、その硬度は１３００ＨＶ〜２０００ＨＶである。

米国特許第5,618,590号には、カソードアーク付着法により設けられた１以上の層のフィルムによりコートされたピストンリングが記載されている。

この米国特許第5,618,590号にはその適用方法が、炭化物もしくは窒化物を形成することができない金属（例えばコバルト、ニッケルもしくはモリブデン）を用いる第１の層及び炭化物もしくは窒化物を形成することができる金属（例えばチタン、バナジウム、クロム、鉄、ジルコニウム、ニオブ、タングステンもしくはケイ素）を用いる第２の層を形成することができることも記載されている。

欧州特許EP0 707 092には、ＰＶＤにより設けられた、金属クロムと窒化クロムの混合物により形成されたコーティング層を備えたピストンリングが記載されている。この文献には、窒素の濃度が金属ベースからリングの外部に向かって徐々に増加していることも記載されている。

他の従来技術は米国特許第5,601,293号に示されており、窒化モリブデン、窒化クロムからなり、窒素の比率が４wt％〜２２wt％である１つの３成分層により形成されたコーティングを有するピストンリングが記載されている。このコーティング層はＰＶＤ方により適用され、その硬度は１４００ＨＶ〜２６００ＨＶである。

特開平６−２９３９５４号公報には、ＰＶＤ法により少なくとも窒化クロムにより形成された１つの層によりコートされたピストンリングが記載されている。形成された層の結晶は基材の表面から窒化層の表面まで延びている円筒形である。

特開平６−２４８４２５号公報には、厚さ１〜６０μｍのＣｒＮ及び／又はＣｒ₂Ｎにより形成された層でコートされたピストンリングが記載されている。この文献は、上記の文献と同様に、形成された層が結晶からなり、その円筒形が基材の表面から窒化層の表面まで延びていることが記載されている。

特開２００６−３１６９１２号公報には、その金属ベースがスチール、アルミニウムもしくはチタン合金から形成され、ＰＶＤ法を用いてしわの少ない表面フィルムを形成したピストンリングが記載されている。この文献も、基材の表面上のフィルムがＴｉ及び／又はＣｒ、Ｃ、Ｎ及びＯの組み合わせにより構成されることを記載している。

最後に、最近の従来技術は米国特許第6,631,907号に記載されており、ＣｒＮもしくはＣｒ₂Ｎ、又は窒化物の混合物からなり、ＰＶＤにより形成されたコーティング層を含むピストンリングが記載されている。この文献ＣｒＮとＣｒ₂Ｎ及び金属Ｃｒとの混合物の適用、及び成分の重量パーセントの報告が含まれている。

従って、従来技術のいずれも、クロムをベースとするセラミック／金属層により形成された多層コーティングの形成については関与していない。

換言すると、本発明のピストンリングは、コーティング層によりもたらされる特性において有利である。まず、その主要な組成において、窒化クロム（ＣｒＮ）と金属クロム（Ｃｒ）の多数のセラミック／金属層からなる多層コーティングが提供される。

結果として、セラミックと金属層の望ましい特性をもたらすため、最良な２成分のフィルムを得ることができる。

各化合物の最良の特性はより強力にされ、延性の金属層（Ｃｒ）は硬質セラミック層（ＣｒＮ）の適用を容易にし、コーティングに高い硬度と耐摩耗性を与え、一方金属クロムにより形成される層の高い可塑性は内部応力を大きく低下させ、より厚いコーティングを可能にする。

この開発されたコーティングは、従来の方法、特に窒化クロムコーティングと比較して、耐摩耗性が高く、弾性率が低く、同時に内部応力が低く、コーティングに亀裂が発生することを抑制し、破壊を防ぐピストンリングを提供する。

本発明の目的は、特に内燃機関もしくはコンプレッサーに用いるための、セラミック／金属多層の概念をベースとするコーティングを備えたピストンリングである。

本発明の目的はまた、特に内燃機関もしくはコンプレッサーに用いるための、少なくとも１つの金属ベースと、この金属ベースに物理蒸着法により塗布された金属クロムと窒化クロムのコーティングを含み、硬度、耐磨耗性、延性と、弾性率及び内部応力の低下の相反する特性を動じに達成するピストンリングである。

また、本発明の目的は、特に内燃機関もしくはコンプレッサーに用いるための、従来の窒化クロムコーティングによるリングのコーティングの厚さと比較して厚さがより薄い多くのセラミック／金属ＣｒＮ／Ｃｒコーティング層を備えるピストンリングである。

最後に、本発明の目的は、物理蒸着法において窒素ガスの圧力の変化により、１回の工程で金属ピストンリングの本体上に多くのセラミック／金属コーティング層を適用する方法である。

本発明の目的は、特に内燃機関もしくはコンプレッサー用のピストンリングであって、少なくとも１つの金属ベースと、この金属ベースに物理蒸着（ＰＶＤ）法により塗布されたコーティング（３）を含み、このコーティングは周期性を有し、少なくとも１つの第１の層と少なくとも１つの隣接する第２の層により形成され、第１の層は主に金属クロムにより形成されており、第２の層は主にセラミッククロムにより形成されているピストンリングによって達成される。

シリンダーの壁と接触する、ピストンの小さな溝に組み込まれた、本発明のピストンリングの略断面図である。 金属ベースと多層コーティングを示す、本発明のピストンリングの横断面の拡大金属組織写真である。

本発明のピストンリング１は、そのコーティング３の有利なかつ革新的な特徴のため、現在のものとは異なっている。

リング１は好ましくは、４気筒内燃機関に用いる圧縮リングであり、他のものであってもよく、例えばオイルを擦り取るリング、ピストンコンプレッサーに適用されるリング、２気筒エンジンのリング等であってよく、ここでリング１は革新的な特徴を有するコーティング３を有している。

どのような形状でも、本発明のピストンリング１は少なくとも１つの金属ベース２を含み、これに物理蒸着（ＰＶＤ）法により金属層５とセラミック層５’の交互の複数の層（５、５’）のコーティング３が適用されている。

コーティング３は、少なくとも２つの周期（各周期は金属クロム５の少なくとも１つの層と隣接するセラミッククロム５’の少なくとも１つの層により形成されている）を形成するように配置されている金属／セラミック多層５、５’から構成されている。

さらに、ベース２は、その形成に適したあらゆる金属材料より構成され、リング１の特徴及び作動条件に応じて、様々な形状の横断面を有していてよい。このため、好ましくは、ベース２の組成に適した鉄合金を用いることが好ましく、他の材料を用いることも可能である。さらに好ましくは、ベース２は、通常ステンレススチールとして知られている、１０〜１７％クロムを含むスチールから構成されている。

ベース２には、従来のもの、すなわち単層窒化クロムコーティングを用いるものと比較して、高い耐摩耗性、低い弾性率、及び同時に内部応力の大きな低下、コーティング中の亀裂発生の低下、及び破損の低下をリング１に与える、クロムをベースとする金属／セラミックコーティング３が適用される。

上記のように、コーティング３は、周期Ｐを形成するように配列された、クロムをベースとする複数の金属／セラミック層５、５’を含む。従って、周期Ｐは少なくとも２つの隣接する層５、５’を含み、これらは構成が異なり、すなわち１つの層５は主に金属相を有し、他の層５’は主にセラミック相を有する。従って、コーティング３は少なくとも４つの層５、５’を有する。

コーティング３を構成する金属層５の成分の１つは、金属形態のクロム（Ｃｒ）（図２においてより明るい層として示す）を含み、その最も重要な機械的特徴は延性が高いことであり、硬質セラミック層５’との適応を容易にする。

一方、セラミック層５’は、好ましくはＣｒＮの形態で（Ｃｒ₂Ｎ及び／又は他の化合物／元素が少量存在していてもよい）、最も重要な機械的特性としてその高い硬度を有する窒化クロム（図２において暗い層として示す）を含む。セラミック層５’の窒化クロムもＣｒＮ相のかわりにＣｒ₂Ｎ相を含んでいてもよい。

上記を考慮して、周期Ｐは、主にＣｒから構成される少なくとも１つの金属層５と主にＣｒＮもしくはＣｒ₂Ｎから構成されるセラミック層５’を有する。

好ましくは、図２に示すように、金属層５はセラミック層５’に隣接して配置されなければならない。従って、コーティング層５、５’は繰り返すことなく交互になっているようにすることが可能である。

層５、５’のいずれかがベース２の表面上に配置され、従ってベース２上の第１の層として金属層５とセラミック層５’の両方を配置することが可能である。当然に、各層の後に、異なる層を交互にしてもよく、すなわち、ベース２の表面上の第１の層がセラミック層５’である場合、金属層５を続け、次いでこれを続ける。

あるいは、コーティング３に望む耐久性に応じて、例外として、２つの同じ隣接する層がリング１に存在してもよい。

図２に明確に示されているように、リング１の好ましい態様のコーティング３は９つの金属／セラミック層５、５’を含んでおり、コーティング５、５’の層の特質は繰り返すことなく交互になっている。

必要によりもしくは所望により、層５、５’は１以上の追加化学元素を様々な比で含んでよい。個々の層５、５’中の混合物の発現度によって、同じ程度の利点が達成されることが予想され、すなわち１つの層がセラミック主体であり、その後の層が金属主体であるような多層５、５’コーティング３に、すでに述べた本発明の利点が予想される。

同様に、金属／セラミック多層コーティングを与える同様の元素を用いる場合にも同じ利点が予想される。そのような可能な化学元素は、そのうち一部もしくはすべては、金属／セラミック多層コーティングの特性が維持されるように少なくとも１つの層５、５’に存在してよい。

以下に本発明及び従来技術によって達成される様々な特性についての比較表を示す。

上記表に示されるように、本発明のコーティング３は全ての測定した特性において優れた結果を得ている。従って、反対の特性の向上は本発明のコーティング３の成功を示している。

従って、本発明は、典型的なＣｒＮ単層コーティングと比較した場合、かなり低い弾性率の低下及び内部応力の低下（３．５倍以下）を達成する。

これらの値は、内部応力の低下、及び弾性率の低下により可能となる弾性エネルギーの増加による、接着エネルギーの増加を明らかにする。

図２は２つの異なる層５、５’を有するコーティング３を示しており、ここでその差は基本的にクロムの含量であり、従って、層５、５’の間の接着を保証するための金属／セラミック層５、５’の間の結合境界が予想され、結果としてその界面での亀裂の伝播が防がれる。

従って、本発明のコーティング３の使用により、内部応力の値の低下が、低延性及び張力の蓄積による微小亀裂の発生による小さなコーティング片のはがれであるスポーリング現象に対する高い抵抗性となる。最も大きな構造的技術的不都合さは、スポーリングがリングのある領域で起こる傾向にあり、一方、他の領域ではコーティングは無傷に保たれ、又はほとんどダメージがないことである。

内部応力の低下は、層の接着エネルギーの増加を可能にする利点をもたらし、これはコーティングの厚さを低下させ、スポーリングを大きく低下させ、薄い厚みにおいてさえもリングの寿命の間にコーティング３が存在することを確実にしている。

スクラッチテストで得られた結果は、本発明の場合、特に優れており、ＣｒＮ／Ｃｒ多層コーティング３が従来のコーティング（Ｃｒ単層コーティング）よりも頑強であり、コーティングの剥離に対して高い耐久性を与えることを明らかにしている。

従って、本発明の金属／セラミック５、５’多層コーティング３（好ましくは金属クロムと窒化クロム（ＣｒＮもしくはＣｒ₂Ｎ相）の構成の）は高い応力吸収能と外部剪断における耐応力の特性による亀裂の表面伝播に対する高い耐性を同時に向上させ、凝集接着についてのピストンリング１に対して本発明のコーティング３の優れた特性（耐剥離）を与える。

本発明において用いられる付着法は物理蒸着（ＰＶＤ）法であり、好ましくはカソードアークもしくはアークＰＶＤにより、これは電気アークを用いてカソードターゲットから材料を蒸発させるＰＶＤ法である。次いで、蒸発した材料は基材上で凝縮し、薄いフィルムを形成する。

本質的に、用いられるガス圧力（例えば、窒素）の調節は、層５、５’の形成を可能にし、窒化クロムからなる層は２２〜２５wt％の窒素原子の比率を有し、一方金属クロムからなる層は窒素原子は実質的にゼロである。各層５、５’における異なるレベルの窒素の干渉を避けるため、ターボポンプによる高速ポンピングが適用される。

厚さ及び周期はコーティング全体においてとても安定であると考えられるが（図２参照）、層５、５’はベース２の変形に追随し、図２に示す形状となる。

本発明のコーティング３の場合、窒化クロムの組成により最も高い硬度が得られ、金属クロムの使用により高い延性が得られる。上記のような層５、５’の形態の２つの成分の組成は驚くべき利点をもたらし、特に全体として内部応力の高い吸収能をコーティング３にもたらす。金属クロムの層５は延性が高く、変形を吸収し、より硬質である窒化クロムの層５’への変形力を低下させ、微小亀裂の発生の傾向を低下させる。この結果はリング１の特性を大きく向上させる。

また、延性のクロム金属層５は硬質の窒化クロム層５’との適応を向上させ、耐摩耗性を失うことなくコーティング３の厚さを低下させることができる。

図２に示す好ましいリング１は、１０００〜２０００ＨＶ、好ましくは約１３５０ＨＶの硬度をもたらし、内部応力は約−３１０Ｎ／ｍｍ²である。好ましくは、コーティング３の厚さは１０〜６０ミクロンであり、すなわちとても薄い（ナノ層）。

所望により、ベース２とコーティング３の間に、クロム、ニッケルもしくはコバルトからなる接着層を配置してもよい。

好ましくは、コーティング３はリング１の外表面全体に設けてもよいが、所定の部位に適用し、一部除去し、又はその上に他のコーティングを設けてもよい。こうして形成されたピストンリングは本発明の保護範囲内に含まれる。

好ましい態様を説明したが、本発明の範囲は他の可能な変形を包含し、特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (11)

1. 特に内燃機関もしくはコンプレッサー用のピストンリングであって、少なくとも１つの金属ベース（２）と、この金属ベースに物理蒸着（ＰＶＤ）法により塗布されたコーティング（３）を含み、このコーティングは周期性（Ｐ）を有し、少なくとも１つの第１の層（５）と少なくとも１つの第２の層（５’）により形成され、これらの層は隣接しており、第１の層（５）は主に金属クロム（５）により形成されており、第２の層は主にセラミッククロム（５’）により形成されていることを特徴とするピストンリング。
2. 周期性が２つの隣接する層（５、５’）のみからなり、第１の層（５）が主に金属クロム（５）により形成され、第２の層が主にセラミッククロム（５’）から形成されていることを特徴とする、請求項１記載のリング。
3. 第１の層及び第２の層（５、５’）が、酸素及び炭素からなる群より選ばれる追加化学元素を１０質量％以下含むことを特徴とする、請求項１又は２記載のリング。
4. 前記コーティングのビッカース硬度が1,000〜2,000ＨＶであることを特徴とする、請求項１記載のリング。
5. 前記コーティング（３）の厚さが１０〜６０ミクロンであることを特徴とする、請求項１記載のリング。
6. 前記コーティング（３）がナノ層であることを特徴とする、請求項５記載のリング。
7. 前記ベース（２）が１０％〜１７％のクロムを含むスチールから構成されていることを特徴とする、請求項１記載のリング。
8. 前記ベース（２）が鋳鉄から構成されていることを特徴とする、請求項１記載のリング。
9. 第２の層（５’）を構成するセラミッククロムが好ましくは窒化クロム（ＣｒＮ）であり、この第２の層が１１wt％〜１７wt％の窒素の比率を有することを特徴とする、請求項１記載のリング。
10. 窒化クロム層（５’）がＣｒＮ又はＣｒ₂Ｎ相を有することを特徴とする、請求項１記載のリング。
11. ベース（２）とコーティング（３）の間に配置された、クロム、ニッケルもしくはコバルトから構成された接着層を有することを特徴とする、請求項１記載のリング。

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