JP3885375B2 - ピストンリング - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】
最近のエンジンは高出力化、高回転化、長寿命化され、更に排気ガス規制に対応する必要がある。このため、ピストンリングの使用環境は益々苛酷になっている。通常、このようなエンジンのシリンダは鋳鉄製であり、ピストンリング外周面は耐摩耗表面処理層を有している。
【0003】
従来のピストンリング外周面の耐摩耗表面処理層はCrめっき皮膜、窒化層、あるいは窒化クロム(CrN、Cr2 N)や窒化チタン(TiN)等のイオンプレーティング皮膜である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
エンジン運転の初期の段階は、シリンダとピストンリングのなじみが充分になされていないので、前述の耐摩耗表面処理層を形成したピストンリングとシリンダがスカッフを起こすことがある。このため、これらの耐摩耗表面処理層の初期なじみ性を改善する方法、あるいは耐スカッフ性と耐摩耗性を兼ね備えた耐摩耗表面処理層が求められている。
【0005】
上記に対して、以下の技術が提案されている。
1.特開平8−184375号
窒化層又はPVD皮膜の上に、MoおよびCrのいずれかまたは両方で98.0〜99.5%、残Nからなる皮膜をPVD法により形成し、初期なじみ性を改善する。
2.特公平5−54594号
CBN、TiC、Ti(C,N)、SiC、ダイヤモンドまたはAl2 O3 からなる超硬質コーティング膜の上にTiN皮膜を形成して、耐スカッフ性を改善する。
【0006】
他方、人造ダイヤモンド材の被覆に関して、以下の提案がある。
3.特開平3−260362号
ピストンの頂面と外周面とリング溝と、ピストンリングとに人造ダイヤモンド材の薄い被覆を施して耐久性を高める。
また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜に関して、以下の提案がある。
4.特開平5−179451号
フェライトを含む鉄系材料で構成される一方の摺動面と組み合わせる他方の摺動面に、W及び/又はSiが分散したアモルファス炭素を主成分とする皮膜を形成し、フェライト組織の凝着を抑制する。この技術は、例えばパワーステアリング機構に使用される油圧バルブ装置に使用される。
【0007】
しかし、上記1.の技術は、より厳しい条件下では、Mo,Crの皮膜が急速に摩滅する不都合がある。上記2.の技術は、TiN皮膜が硬質すぎるので、耐スカッフ性付与の効果が充分に得られない。上記3.の技術は、人造ダイヤモンド材の薄い被覆の詳細について何等説明していない。上記4.の技術は、アモルファス炭素にW,Siが分散していると記載しており、タングステン炭化物やシリコン炭化物について記載していない。
【0008】
本発明の目的は、耐スカッフ性と耐摩耗性とを兼ね備えたピストンリングを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、硬質皮膜が外周面に形成されているピストンリングにおいて、前記硬質皮膜はSi、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素の炭化物が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成され、このダイヤモンドライクカーボンがアモルファス炭素構造を有し、前記1又は2以上の元素の含有比率が原子%で5〜40%であり、前記硬質皮膜の硬度がHV700〜2000の範囲内にあることを特徴とする。
【0010】
上記本発明の皮膜を形成しているダイヤモンドライクカーボンは、次の何れかの形態をとる。
1.アモルファス炭素構造
2.ダイヤモンド構造を一部有するアモルファス炭素構造
3.グラファイト構造を一部有するアモルファス炭素構造
【0011】
なお、本発明の硬質皮膜は、本発明の作用効果を失わない範囲で微量の未炭化の金属が分散していてもよい。
【0012】
ダイヤモンドライクカーボン皮膜は、耐スカッフ性が本来高いが、Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素の炭化物を含ませることによって、耐スカッフ性と耐摩耗性を兼ね備えた皮膜とすることができる。また、この皮膜は初期なじみ性も優れている。
【0013】
Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの含有量はEPMAで測定可能である。これらの元素の原子比率の合計を5〜40%、硬質皮膜の硬度をHV700〜2000の範囲内とすることが望ましい。原子比率の合計が5%を下回ると、耐スカッフ性や耐摩耗性や硬度が低下し、40%を上回ると、耐スカッフ性や密着性の低下が起きる。硬質皮膜の硬度がHV700を下回ると、耐摩耗性が低下し、HV2000を上回ると、耐スカッフ性の低下や皮膜のワレ、カケが生じやすい。原子比率の合計を10〜30%、硬質皮膜の硬度をHV900〜1200の範囲内とすることがより好ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図1により説明する。
【0015】
図1(a)において、ピストンリング1の全表面にはガス窒化層2が5〜150μmの厚さで形成されており、外周面のガス窒化層2上に硬質皮膜3が0.5〜10μmの厚さで形成されている。硬質皮膜3は、Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素の炭化物が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成されている。このダイヤモンドライクカーボンはアモルファス炭素構造を有している。Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素の含有比率は原子%で5〜40%であり、硬質皮膜3の硬度はHV700〜2000の範囲内にある。
【0016】
図1(b)は別の例を示す。ピストンリング1の外周面に、Crめっき皮膜、あるいは窒化クロム(CrN、Cr2 N)や窒化チタン(TiN)等のイオンプレーティング皮膜4が形成されており、この皮膜4上に上記硬質皮膜3が0.5〜10μmの厚さで形成されている。Crめっき皮膜の場合、Crめっき皮膜厚さは5〜150μm、イオンプレーティング皮膜の場合、イオンプレーティング皮膜厚さは1〜150μmである。
【0017】
図1(c)は、硬質皮膜3とは別種の耐摩耗表面処理層(ガス窒化層2、あるいはCrめっき皮膜やイオンプレーティング皮膜4)を形成せずに、上記硬質皮膜3をピストンリング1の外周面に10〜30μmの厚さで直接形成した例である。皮膜厚さが10μmを下回ると耐摩耗性が充分でなく、30μmを上回ると密着性が低下し、皮膜のワレ、カケを発生することがある。
【0018】
硬質皮膜3は反応性イオンプレーティング法、あるいは反応性スパッタリング法によって被覆することができる。例えば、真空チャンバ内でワークを回転させつつ不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントでワーク表面を清浄化した後、炭素の供給源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバに導入しワーク近傍をプラズマ状態に保つと同時に、Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素を蒸発させる反応性イオンプレーティング法で、上記硬質皮膜3をワークに被覆することができる。この際、反応ガス中の炭化水素ガス分圧を調整することによってSi、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の原子を炭化物として析出させることができる。Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素の含有比率は、これらの蒸発速度及び反応ガス圧力を調整することによって調整できる。
【0019】
以下、本発明のピストンリングが、耐スカッフ性と耐摩耗性に優れていることを、往復動摩擦試験機による摩耗量の測定結果とVDH摩擦試験機によるスカッフ荷重の測定結果によって示す。
【0020】
1.摩耗試験
(1)往復動摩擦試験機
図2は、試験に使用した往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験片10は固定ブロック11により保持され、上方から油圧シリンダ12により下向きの荷重が加えられて、下試験片13に押接される。一方、平盤形状の下試験片13は可動ブロック14により保持され、クランク機構15により往復動させられる。16はロードセルである。
【0021】
(2)試験条件
荷重 :10kg
速度 :600cpm
時間 :60min
潤滑油 :10Wエンジンオイル
【0022】
【0023】
(4)硬質皮膜の形成方法
前述した反応性イオンプレーティング法で形成した。ワークの温度は200〜500℃の範囲である。
【0024】
(5)試験結果
図3に示す。摩耗量比は比較例2を1としている。本発明の硬質皮膜の摩耗量は、従来最も耐摩耗性が優れていることで知られているTiNやCrNのイオンプレーティング皮膜の摩耗量と同程度か、それより少ない。そして相手材(鋳鉄)の摩耗量が少ない特徴がある。また、ダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜は、タングステン炭化物やシリコン炭化物を所定量含有することによって、耐摩耗性が向上することがわかる。
【0025】
2.スカッフ試験
(1)VDH摩擦試験機
図4は、試験に使用したVDH摩擦試験機の構成を示す。試験片20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21の外周面22の上端に配設され、試験片20であるピストンリングに荷重Pが作用されてロータ21の外周面22上に押接される。この状態で、試験片20であるピストンリングとロータ21の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ21を回転させる。種々の荷重で所定時間運転したときの、摺動面のスカッフの有無を観察する。
【0026】
(2)試験条件
回転速度:1000rpm
荷重 :6〜16kg
時間 :各荷重で60秒運転し、摺動面のスカッフの有無を観察し、荷重を増加させ試験を繰り返した。
潤滑油 :10Wエンジンオイルを滴下
【0027】
(3)試験片
ピストンリングの外周面に表1および表2に示す皮膜を形成した。
【0028】
(4)ロータ21
シリンダライナ用片状黒鉛鋳鉄
φ50mm×300mm
【0029】
(5)試験結果
図5に示す。本発明の硬質皮膜のスカッフ限界荷重は、従来最も耐摩耗性が優れていることで知られているTiN皮膜やCrN皮膜の限界スカッフ荷重よりも高い。また、ダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜は、タングステン炭化物やシリコン炭化物を所定量含有することによって、耐スカッフ性が向上することがわかる。
【0030】
【0031】
【0032】
上記実施例1〜4および比較例6〜8の硬質皮膜の組織は、各試験片をX線回折して解析した。管球はCu管球であり、モノクロメータを使用した。管電圧は40kV、管電流は30mAである。実施例4のX線回折図形を図6に示す。
【0033】
図6は以下の事項を示している。
1.2θ=34°〜42°にかけてハローが存在し、皮膜はアモルファス組織を有することを示す。
2.2θ=44.5°,65°および82°近傍の回折ピークは、下地のCrめっき皮膜からの回折線によるものである。
3.2θ=34.5°および38°近傍に、W2 CまたはW6 C2.54と同定できるタングステンカーバイドの回折ピークが存在する。
4.金属タングステンの回折ピーク(2θ=40°,58°および73°近傍)が存在しない。
以上から、実施例4の皮膜は、アモルファス炭素とタングステン炭化物とからなる組織を有することが分かる。
【0034】
なお、上記試験は、ダイヤモンドライクカーボンを主成分としタングステン炭化物あるいはシリコン炭化物を単独で含む硬質皮膜について行ったが、Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素の炭化物を含む場合も同様の効果が得られる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、耐スカッフ性と耐摩耗性とを兼ね備えたピストンリングを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すピストンリングの一部分の縦断面図であり、(a)および(b)はそれぞれ別種の耐摩耗表面処理層の上に硬質皮膜を被覆した例、(c)は別種の耐摩耗表面処理層を形成せずに硬質皮膜を被覆した例である。
【図2】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
【図3】摩耗試験の試験結果を示すグラフである。
【図4】VDH摩擦試験機の構成を示し、(a)は一部断面正面図、(b)は側面図である。
【図5】スカッフ試験の試験結果を示す図である。
【図6】実施例4の皮膜のX線回折図形を示す。
【符号の説明】
1 ピストンリング
2 耐摩耗表面処理層(ガス窒化層)
3 硬質皮膜
4 耐摩耗表面処理層(Crめっき皮膜やイオンプレーティング皮膜)
10 上試験片
11 固定ブロック
12 油圧シリンダ
13 下試験片
14 可動ブロック
15 クランク機構
16 ロードセル
20 試験片
21 ロータ
22 ロータ外周面
Claims (4)
- 硬質皮膜が外周面に形成されているピストンリングにおいて、前記硬質皮膜はSi、Ti、W、Cr、Mo、Nb、Vの群から選ばれた1又は2以上の元素の炭化物が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成され、このダイヤモンドライクカーボンがアモルファス炭素構造を有し、前記1又は2以上の元素の含有比率が原子%で5〜40%であり、前記硬質皮膜の硬度がHV700〜2000の範囲内にあることを特徴とするピストンリング。
- 前記硬質皮膜の厚さが0.5〜10μmであり、前記硬質皮膜が別種の耐摩耗表面処理層の上に形成されていることを特徴とする請求項1記載のピストンリング。
- 前記別種の耐摩耗表面処理層がCrめっき皮膜、窒化層、イオンプレーティング皮膜のいずれかであることを特徴とする請求項2記載のピストンリング。
- 前記硬質皮膜の厚さが10〜30μmであり、前記硬質皮膜がピストンリングの外周面に直接形成されていることを特徴とする請求項1記載のピストンリング。
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