JP2757974B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピストンリングに関す
るものであり、さらに詳しく述べるならば摺動面の耐摩
耗性、耐焼付性並びに初期なじみを向上させたイオンプ
レーティング皮膜を被覆した内燃機関用ピストンリング
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より主として鉄系摺動材料の摺動特
性改善策として、硬質クロムめっきによる耐摩耗性の改
善、窒化またはモリブデン溶射による耐焼付性の向上な
どの表面処理が挙げられる。しかしながらこれらの方法
では摺動材料としての十分な摺動特性が得られず、最近
物理的蒸着（ＰＶＤ）法あるいは化学気相析出（ＣＶ
Ｄ）法により化学的にも比較的安定なＣｒ−Ｎ系、Ｔｉ
−Ｎ系硬質皮膜を作製する方法が検討されている。

【０００３】しかしながらＣｒ−Ｎ系皮膜は硬さが比較
的低いため摩耗が起こりやすく、いまだ十分な摺動特性
は得られていない。さらに皮膜硬さが高く、摺動特性に
優れた皮膜のとしてＴｉ−Ｎ系皮膜が提案されている。
このＴｉ−Ｎ系皮膜は、切削工具として使用実績はある
が、機械部品等の摺動部材として利用する場合には皮膜
硬さが高すぎて相手材を摩耗させてしまう欠点がある。

【０００４】また、Ｔｉ−Ｎ系皮膜との摩耗により粗く
なった相手材表面が今度はＴｉ−Ｎ系皮膜をアブレーシ
ブ摩耗させ、両者の間の摺動条件が悪化して遂には焼き
付きが発生してしまうことがある。また皮膜硬さが高す
ぎるために、皮膜と接する相手材との「初期なじみ」が
悪い欠点がある。ここで「初期なじみ」とは、摺動部材
の表面において摺動開始後の短時間内に摺動接触する表
面が微小かつ平滑に摩耗することにより接触面圧を低減
させて、潤滑油膜切れを起こし難くすることにより摩耗
や焼き付きの発生を防ぐことである。Ｔｉ−Ｎ系皮膜は
初期なじみが悪いことにより、摺動初期において摩耗や
焼き付き現象を起こし易い。

【０００５】このような摺動特性上の問題点に加えて、
Ｃｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系皮膜には製造上の問題がある。
一般に硬質の薄い皮膜を被覆した後には、初期なじみを
良好にしかつ相手材の過度の摩耗を招かないようにポリ
シング等で皮膜の摺動面を平滑化する必要があるが、皮
膜硬さが高いために平滑化が困難である。したがってこ
のポリシング加工には長時間を要し、しかも一様な仕上
取り代にならず、膜厚が不均一になり部分的には皮膜を
無くしてしまい、不良品となる率が高い。

【０００６】さらにＣｒ−Ｎ系皮膜は銀色ないし銀白
色、Ｔｉ−Ｎ系は皮膜は金色ないし薄黄色であり、摺動
部材の下地の金属色との色調差が少ないため、皮膜の微
小な剥離や、前述のポリシングによって皮膜が無くなっ
た部分を検出する手段として、画像解析装置等で自動化
することができなかった。このため顕微鏡で拡大し肉眼
で検査する方法をとる必要があり、性能保証面で大きな
問題があった。

【０００７】ピストンリングは、主に内燃機関の燃焼室
の気密化、シリンダーライナー表面に形成される潤滑用
油膜の膜厚制御、および燃料が燃焼することによって加
熱されたピストンの熱をシリンダーライナーへ伝えて冷
却する等の働きをする。このような働きをするにはピス
トンリングは、それ自体が自己の持つ張力でシリンダー
ライナーに張り出して密着しなければならないので、摺
動面には必然的に大きな面圧が発生し、したがって摩耗
や焼付の発生しやすい状況に曝されて摺動している。ま
た、燃焼工程中に生成する硬い燃焼生成物がピストンリ
ングとシリンダーライナー間の摺動面に達し、アブレー
シブな摩耗を発生させ、さらにガソリン中に含まれる硫
黄や窒素分が酸化し、硝酸や硫酸になりエンジンオイル
中に混入し腐食摩耗を促進するようになるので、ピスト
ンリングはこのような点でも摩耗や焼付きが発生しやす
い状況に曝されて摺動している。

【０００８】上記のような摺動条件から起こる摩耗や焼
付きの問題を解消するため、ピストンリングはその摺動
面に何らかの表面処理が施されている。従来より行われ
てきた表面処理方法の代表的なものとしては、硬質クロ
ムめっきによる耐摩耗性の改善、窒化またはモリブデン
溶射による耐焼付性の向上が挙げられる。しかしなが
ら、これらの方法で処理されたピストンリングの摺動特
性は現在の要求水準に対しては不十分であるので、最近
イオンプレーティング法によりＣｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系
の化学的に比較的安定な化合物をピストンリングに硬質
皮膜として施すことが検討されている。

【０００９】しかしながらＣｒ−Ｎ系皮膜は硬さが比較
的低いため摩耗が起こりやすく、いまだ十分な摺動特性
は得られていない。さらに皮膜硬さが高く、摺動特性に
優れた皮膜のとしてＴｉ−Ｎ系イオンプレーティング皮
膜が提案されている（特公平４−１９４１２号参照）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点に鑑みて比較的安価なＣｒを主成分とし、初期なじみ
性に優れたＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜を被覆した摺動材料の開
発を目的として検討を行ったものであり、特にその皮膜
の耐摩耗性および耐焼付性等の摺動特性を改良するとと
もに、下地金属との色調差を大きくすることで工業生産
における性能保証面の問題を解決することを目的として
いる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくともシ
リンダーライナーと摺動するピストンリングの摺動面
に、耐摩耗性および耐焼付性等の摺動特性に優れ且つ初
期なじみが良好で、下地金属との色調差が大きい皮膜を
設けることにより、上記課題を解決するものである。す
なわち、本発明に係わる内燃焼機関用ピストンリング
は、少なくともシリンダーライナーとの外周摺動面に、
クロム、窒素および酸素からなり、ビッカース硬さが１
０００以上２０００以下であり、厚さが１〜５０μｍの
イオンプレーティング皮膜を形成させることを特徴とす
る。

【００１２】本発明によれば、イオンプレーティング、
真空蒸着、スパッタなどのＰＶＤ法により、クロムの蒸
気と、窒素ガス及び酸素ガスあるいは少なくとも窒素と
酸素を含むガスとを混合した気相と基体接触させること
により上記ピストンリングを製造することができる。イ
オンプレーティングは陰極イオンプレーティングが好ま
しいが、これに限定されず改訂５版金属便覧第９０３頁
に例示されているような各種方式を使用することができ
る。

【００１３】皮膜を施す基材は鉄系材料が好ましく使用
できるがチタン系、アルミニウム系などであっても使用
可能である。さらに摺動材料の相手材は鉄系材料、アル
ミニウム系材料など各種材料からなるものであってよ
い。ピストンリングの摺動面に形成されるイオンプレー
ティング皮膜は厚さが１μｍ未満ではその効果がなく、
５０μｍを越えても特に性能の向上がないので、１〜５
０μｍの範囲とする。

【００１４】

【作用】上記したクロム、窒素および酸素の比率は原子
％比でＣｒ：Ｎ：Ｏ＝ｌ：０．９〜０．１：０．１〜
１．２の範囲である。クロムは窒素および酸素と安定し
た硬質物質を作る。窒素はクロムの硬度を著しく高める
が、その量が少な過ぎても多過ぎても皮膜の硬さが低下
し、皮膜の耐摩耗性が低下するので、ビッカース硬さが
１０００未満とならないように、窒素含有量を原子％比
でクロム１に対して０．９〜０．１に定める。酸素はク
ロム中で窒素と共存すると、Ｃｒ−Ｎ皮膜の硬度をさら
に高め、かつ摺動特性を改良しさらに皮膜色調を暗色
（非金属色）にする。酸素の量は微量でも摺動特性向上
に有効ではあるが、少な過ぎると色調変化の作用が十分
に発揮されないから、色調の変化が検出できるように、
原子％比でクロム１に対して０．１以上酸素を添加する
必要がある。一方酸素の量が、原子比でクロム１に対し
て１．２を超えると皮膜の硬さがビッカース硬さで２０
００を超えるとともに、皮膜の初期なじみ性が不足し相
手材の摩耗が多くなる。上述のようにクロム、窒素及び
酸素の比率を定めることにより従来のＣｒ−Ｎ系皮膜よ
りも耐摩耗性や耐焼付性などの摺動特性が良好になる。

【００１５】またイオンプレーティング皮膜を形成する
ためにはクロムとその他の成分は別別の供給源からガス
化する必要がある。窒素と酸素は別々のガスとして供給
してもよくあるいはＮＯ₂ 、ＮＯなどの化合物として供
給してもよい。

【００１６】以下、Ｃｒ−Ｎ−Ｏ系イオンプレーティン
グ皮膜を比較対象として酸素を導入することによる作用
をより詳しく説明する。

【００１７】表１に実施例の方法により作製されたＣｒ
−Ｎ系またはＣｒ−Ｎ−Ｏ系の皮膜の一例を示す。Ｃ
ｒ，ＮおよびＯの原子％比は皮膜中の比率であり、ＥＳ
ＣＡ分析により決定した。表面粗さおよび成膜速度（Ｒ
ｄｅｐ）は、酸素原子％比の大小に関わらず同程度であ
った。皮膜硬さは酸素原子％比が大きくなるにしたがっ
て向上する傾向を示した。また皮膜の色調は酸素原子％
比が大きくなるにしたがって黒色が濃くなった。その他
の特性は酸素原子％比との関連はなかった。

【００１８】

【表１】 ガス比 表面粗さ μm 膜厚 Rdep 皮膜硬さ 色調 No Cr: N: O Ra Rmax Rz μm μm ／min HmV 1:0.5:0.0 0.07 2.13 1.48 2.28 0.18 1320 銀色 1:0.5:0.5 0.09 1.66 1.20 2.24 0.17 1740 黒灰色 1:0.1:1.2 0.11 2.02 1.24 2.75 0.21 1860 黒色

【００１９】これらの皮膜について、２００から７００
℃の温度で空気中において１時間の熱処理を行った。熱
処理温度と皮膜硬さの関係を図３に示す。Ｃｒ−Ｎ系皮
膜およびＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜のいずれの皮膜も２００℃
で熱処理を行うことにより熱処理を施さないａｓ−ｄｅ
ｐｏの皮膜に比べ皮膜硬さは向上した。更にその皮膜硬
さは、５００℃までの温度でほとんど低下がみられなか
った。ところがＣｒ−Ｎ系皮膜は熱処理温度５００から
７００℃の間で約５０％程度の皮膜硬さの低下がみられ
た。これに対し、酸素原子％比が１．２のＣｒ−Ｎ−Ｏ
系皮膜の皮膜硬さの低下は約２５％程度であり、７００
℃においてもＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜は高い皮膜硬さを有し
ている。従来、Ｃｒ−Ｎ系イオンプレーティング皮膜の
ビッカース硬さは１５００程度と言われていたが、酸素
の導入により７００℃で熱処理した後でもＣｒ−Ｎ系イ
オンプレーティング皮膜に匹敵する硬さが得られた。し
たがってＣｒ−Ｎ−Ｏ系イオンプレーティング皮膜は摺
動面の昇温に伴う摺動特性の劣化を十分に防げる摺動材
料であることがわかった。以下、実施例により本発明を
詳しく説明する。

【００２０】

【実施例】実施例１ 鏡面仕上げされた高クロム鋼（ＪＩＳ ＳＵＪ２）から
なる基体を予めフロン液中で超音波洗浄を行い、以下に
説明する手順でシリンダーライナーとの摺動面にアーク
式イオンプレーティング法によりＣｒ−Ｎ−Ｏ系硬質皮
膜を形成した。

【００２１】基体を超音波洗浄した後、イオンプレーテ
ィング装置の真空容器（チャンバ）内に取り付け、続い
てチャンバ内圧力が１．３×１０^-3Ｐａ（パスカル）と
なるまで真空引きを行った。この真空度が達成された時
点から、チャンバ内に内蔵されているヒーターにより基
体を３００〜６００℃まで加熱して、基体表面に付着あ
るいは吸着しているガス成分を放出させ、その後２００
℃まで冷却した。チャンバ内圧力が４×１０^-3Ｐａ以下
となった時点で、陰極としたＣｒタ−ゲットの表面でア
ーク放電を発生させ、Ｃｒの大部分がイオン化された状
態でターゲット表面から飛出させた。この時基体を取り
付けた治具には−７００〜−１０００Ｖのバイアス電圧
を印加しておき、タ−ゲットから飛出したイオン化した
Ｃｒを基体と治具の表面に吸引し、さらにこれらのイオ
ンを高速で被処理面に衝突させた。

【００２２】このようなイオン化した金属の衝突により
被処理面の酸化物などを削るいわゆるスパッタクリーニ
ングにより表面の活性化処理を行った。また、アーク放
電発生と同時に少量の窒素ガスをチャンバ内に導入する
ことにより一部のイオン化したＣｒは、窒素ガスと結合
し基体表面にＣｒ−Ｎ系皮膜となって析出される。その
後、さらに窒素ガス流量を増やし、酸素ガスを所定量導
入し１．３Ｐａ程度の圧力として、−２０〜−１００Ｖ
のバイアス電圧を印加して基体表面にＣｒ−Ｎ−Ｏ系硬
質皮膜を形成させた。所定の膜厚形成後、チャンバ内温
度が１５０℃以下になるまで冷却してから、膜被覆され
た基体をチャンバ外に取り出した。比較のため、従来よ
り行われてきた酸素を導入しないＣｒ−Ｎ系皮膜につい
ても同じ条件で作製した。

【００２３】これらの膜をねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）を相
手材としてピンオンディスク型摩擦試験機によりスカッ
フ試験を行い耐焼付性を焼付加重で評価した。スカッフ
試験条件は以下の通りであった。 潤滑方法：モーターオイル＃３０、油温８０℃、油量４
ｃｃ／ｓｅｃ 摩擦速度：８ｍ／ｓｅｃ 接触荷重：初期２ＭＰａから１ＭＰａごとに増加させ、
焼付まで 摩擦時間：各荷重で１８０ｓｅｃ保持

【００２４】上記方法により得られた結果を図１に示
す。酸素を導入しないＣｒ−Ｎ系皮膜では２２ＭＰａ程
度のスカッフ値を示したが、酸素原子％比が０．５のＣ
ｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜では３０ＭＰａ、酸素原子％比が１．
２のＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜では３６ＭＰａのスカッフ値を
示し、酸素を導入することにより耐焼付性は向上するこ
とがわかった。また、ピン−ドラム式摩耗試験機によ
り、ドラムにねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）を用いて摩耗試験
を行った。摩耗試験条件は、以下の通りであった。 潤滑方法：モーターオイル＃３０、油温８０℃、油量８
ｃｃ／ｓｅｃ ドラム回転速度：５ｍ／ｓｅｃ 接触荷重：１．５ＭＰａ 試験時間：３０ｋｓｅｃ

【００２５】皮膜を被覆したピンの摩耗量とドラムの摩
耗量をまとめて図２に示す。ここで、ピンの摩耗量は摩
耗した接触面のドラム回転方向の幅、ドラムの摩耗量は
ドラムの摩耗深さより求めた。ドラムの摩耗量に着目す
ると、Ｃｒ−Ｎ系皮膜に対してＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜にお
いても、ほぼ同程度の摩耗量であった。一方、ピンの摩
耗量に着目すると、酸素原子％比を大きくするにしたが
ってその摩耗量は減少した。

【００２６】以上のスカッフ試験および摩耗試験の結果
からＣｒ−Ｎ系皮膜よりも酸素導入したＣｒ−Ｎ−Ｏ系
皮膜は、耐焼付性に優れ、初期なじみが良好であり、ま
た皮膜硬さが高いことから、皮膜自体の摩耗を抑えるこ
とがわかった。また、これらの皮膜の色調をみると、酸
素を導入しないＣｒ−Ｎ系皮膜では銀色であったのに対
し、酸素原子％比が０．５のＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜では黒
灰色、酸素原子％比が１．２のＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜では
黒色を呈しており、酸素原子％比が大きくなるに従って
黒色になっていた。Ｃｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜とすることによ
り下地金属と皮膜との色調差が大きい。

【００２７】実施例２ ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ）からなるピ
ストンリングで呼び径×幅×厚さ＝φ８６ｍｍ×２ｍｍ
×３ｍｍのものを非処理材とし、実施例１と同様にアー
ク式イオンプレーティング法によるＣｒ−Ｎ−Ｏ系硬質
皮膜を行った。また、実施例と同様な試験方法により皮
膜の特性を評価した。

【００２８】耐焼付き性を図４に、耐摩耗性を図５にそ
れぞれ示す。これらの結果はそれぞれ図１、２と同様で
あった。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、摺動面にＣｒ−Ｎ−Ｏ系
皮膜を被覆することにより、従来より行われてきたＣｒ
−Ｎ系皮膜を被覆するよりも初期なじみが良好であり、
耐摩耗性および耐焼付性に優れた摺動材料が得られる。
さらに、皮膜と下地金属との色調差が大きいことからポ
リシング後の皮膜の自動検査が可能となり、性能保証面
や経済的な面で優位性の高い摺動材料が得られる。

【００３０】また、ピストンリングの少なくとも外周摺
動面にＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜を被覆することにより、従来
のＣｒ−Ｎ系皮膜よりも耐摩耗性および耐焼付性などの
摺動特性に優れ、且つシリンダーライナーを摩耗させる
ことなく、初期なじみが良好なピストンリングが得られ
る。また、Ｃｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜を被覆したピストンリン
グは、高温領域での皮膜硬さの低下率が小さく、摺動面
の昇温に伴う摺動特性の劣化を防ぐことができる。さら
に、皮膜と下地金属との色調差が大きいことから皮膜の
自動検査が可能となり、性能保証面で優位性の高いピス
トンリングが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のスカッフ試験結果を示す図である。

【図２】実施例１の摩耗試験結果を示す図である。

【図３】陰極アークプラズマ方式イオンプレーティング
により作製されたＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜の熱処理温度と皮
膜硬さの関係を示す図である。

【図４】実施例１のスカッフ試験結果を示す図である。

【図５】実施例１の摩耗試験結果を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16J 9/00 - 9/28 C23C 14/00 - 14/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クロム、窒素および酸素からなり、ビッ
   カース硬さが１０００以上２０００以下であるＣｒ−Ｎ
   −Ｏ系皮膜を基体に被覆し、かつ前記クロム、窒素及び
   酸素の原子％比が、Ｃｒ：Ｎ：Ｏ＝１：０．９〜０．
   １：０．１〜１．２の範囲であることを特徴とする潤滑
   油存在下で使用されるピストンリング。