JP4901207B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のピストンリングに関し、特に長時間にわたってシリンダ内周面との間で低フリクションが可能なピストンリングに関する。

内燃機関の低燃費化によりピストンリングとシリンダ内周面間のフリクション低減が要求され、ピストンリング外周面へダイヤモンドライクカーボン皮膜を被覆することが最近多く検討されている。ダイヤモンドライクカーボン皮膜は摩擦係数が低く、耐摩耗性にも優れた皮膜であり、優れた摺動特性を持つことが知られている。

特許文献１では、ピストンリング外周面の耐スカッフ性と耐摩耗性の改善を目的に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの群から選ばれた１種又は２種以上の元素の炭化物が分散されているダイヤモンドライクカーボン皮膜を、窒化層、Ｃｒめっき皮膜、あるいはイオンプレーティング皮膜上に形成している。

特許文献２では、熱的機械的衝撃を受ける機械部品の表面に被覆する硬質炭素膜の耐摩耗性、耐久性、接着性の改善を目的に、Ｔｉ又はＣｒをその体積比率が基材から遠ざかるに従い減少するように傾斜させて添加した硬質炭素膜を、Ｔｉ又はＣｒの金属層上に形成している。

特許文献３では、ピストンリング外周面の初期なじみ性、耐スカッフ性及び耐摩耗性の改善を目的に、Ｓｉ含有硬質炭素皮膜とＷ含有硬質炭素皮膜の積層皮膜を、スパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、Ｃｒめっき皮膜又は窒化層上に形成している。

特許文献４では、ピストンリング外周面の耐スカッフ性と耐摩耗性の改善を目的に、ダイヤモンド等の超硬質コーティング膜の上にＴｉＮ皮膜を形成している。この超硬質コーティング膜であるダイヤモンド膜はダイヤモンドライクカーボン皮膜と異なり、結晶性の炭素皮膜であり、自身の耐摩耗性は優れるが、相手材に対する攻撃性が強く、フリクションの低減効果は劣る。
特開平１１−１７２４１３号公報 特開２００１−１０７２２０号公報 特開２００３−１４１２１号公報 特公平５−５４５９４号公報

内燃機関のピストンリングにおいて、ピストンリングとシリンダ内周面間のフリクションを低減させようとした場合、ピストンリング外周面に自身の摩擦係数の低いダイヤモンドライクカーボン皮膜を形成することが考えられる。しかしながら、特許文献１〜３に記載されているダイヤモンドライクカーボン皮膜は、相手攻撃性が低いため、シリンダ内周面等の相手材表面の摺動面粗さをなじませることはできずに自身が摩耗していまい、皮膜自体の摩擦係数が低いダイヤモンドライクカーボン皮膜を使用していても、その低フリクション効果を充分に発揮することができない場合がある。

また、近年の低フリクションの要求からピストンリングの低張力化が進み、ピストンリングの押し付け圧力の低下から、シリンダ内周面側のなじみ面はダイヤモンドライクカーボン皮膜との摺動では得られにくい状況にある。

一方、特許文献４の超硬質のダイヤモンド膜では自身の耐摩耗性は高いが、相手材を常に摩耗させてしまい、なじみ面を形成できない。なじみ面とは、摺動により平滑となった面であり、二つの摺動部材が定常摩耗状態となった面である。

ダイヤモンドライクカーボン皮膜の摺動の相手材表面は、加工表面であり、一般に０．５〜４．０μｍＲｚの粗さを持っている。この粗さ表面ではダイヤモンドライクカーボン皮膜は摩耗が大きくなるか、又は相手材の摺動面になじみ面を形成できず、低フリクション効果を発揮できない。一般的に内燃機関用エンジンのシリンダ内周面の粗さは１．０〜３．０μｍＲｚであり、ダイヤモンドライクカーボン皮膜をピストンリング外周面に使用すると、その潤滑状態と押し付け圧力によるが、シリンダ内周面になじみ面が形成されず、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の低フリクション効果を発揮できない場合がある。

相手材であるシリンダの内周面を表面粗さ０．５μｍＲｚ未満に鏡面化すれば、エンジン運転初期よりダイヤモンドライクカーボン皮膜の性能によって低フリクションの効果が得られる。しかしながら、シリンダ内周面を鏡面化すると、ピストンとの摺動、特にピストンスカートとの摺動により初期での焼付発生などの問題が発生する場合がある。

本発明の課題は、シリンダ内周面との摺動において初期に焼付の発生がなく、長時間にわたってシリンダ内周面との間で低フリクションを実現できるピストンリングを提供することである。

上記課題を解決するための本発明のピストンリングは、外周摺動面にダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜は厚さ３〜３０μｍ、硬度ＨＶ１０００〜２０００であり、更にその皮膜上にＳｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ及びＢの群から選ばれた１種又は２種以上の元素の窒化物からなる皮膜が形成され、前記窒化物皮膜は厚さ０．５〜８μｍ、硬度ＨＶ７００〜２０００であることを特徴とする（請求項１）。

前記のダイヤモンドライクカーボンは次のいずれかの形態をとる。
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

ピストンリング母材は、鋳鉄、鋼、ステンレス鋼等の鉄系材料や、それに窒化処理を施したもの、あるいはＴｉ等の非鉄系材料が用いられる。

前記窒化物皮膜にこの窒化物皮膜を形成する窒化物形成元素単体が含まれることもある（請求項２）。

前記窒化物皮膜に酸素又は炭素が固溶されることもある（請求項３）。

前記窒化物皮膜（請求項１）は、膜厚が０．５μｍより薄いと、シリンダ内周面になじみ面が形成される前に窒化物皮膜が摩滅してしまう。そのため、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が摺動し始めても相手材であるシリンダ内周面が所定以上の表面粗さを持っているため、低フリクション効果を充分に発揮できない。また、膜厚が８μｍを越えると、窒化物皮膜が完全に摩滅せず、ダイヤモンドライクカーボン皮膜を完全に露出させることができず、低フリクション効果を充分に発揮できない場合がある。硬度についてはＨＶ７００より小さいと、窒化物皮膜の摩滅が早く相手材であるシリンダ内周面をなじませるために充分ではない。一方、ＨＶ２０００を越えると、窒化物皮膜自身の耐摩耗性が高く摩滅しないため目的の効果を得られない。ちなみに、金属炭化物からなる皮膜では、相手材攻撃性が窒化物皮膜に比べて高く、相手材摩耗が促進してしまい、摺動によるなじみ面が得られず、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が露出した場合でも低フリクション効果を充分に発揮できない。相手材であるシリンダは、一般的に鋳鉄材などの鉄系材料で形成されることが多く、この鉄系材料からなるシリンダではＣｒＮなどの窒化物皮膜がなじみ面形成に有効であり、Ａｌ合金材やＭｇ合金材などの軟質系材料からなるシリンダではＢＮなどの窒化物皮膜が有効である。

前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの群から選ばれた１種又は２種以上の元素を含むことが、耐摩耗性、耐スカッフ性向上の点で好ましい（請求項４）。この場合、前記元素の含有比率が５〜４０原子％であることが好ましい（請求項５）。ダイヤモンドライクカーボン皮膜中に含まれる元素は炭化物や単体として含まれる。

前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜（請求項１）は、膜厚が３μｍより薄い場合は低フリクション効果を持続するのに充分ではなく、３０μｍより大きい場合はダイヤモンドライクカーボン皮膜の欠け、剥離が発生しやすくなる。硬度がＨＶ１０００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割れ、欠けが発生しやすくなる。

なお、ダイヤモンドライクカーボン皮膜は、外周摺動面の他に、上下面あるいは上下面と内周面にも被覆される場合がある。

また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜は密着性を向上させるために、リング母材との境界にＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの群から選ばれた元素からなる単体皮膜を形成するとよい。特にダイヤモンドライクカーボン皮膜の膜厚が１５〜３０μｍの場合に好ましい。

前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜と前記窒化物皮膜との間に、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｂ及びＮｂの群から選ばれた元素からなる単体皮膜が形成されていることが密着性の点で好ましい（請求項６）。単体皮膜は密着性の効果を発揮できればよいので、例えば０．１〜１μｍ被覆されればよい。

本発明のピストンリングは、窒化物皮膜がシリンダ内周面になじみ面を作製し、平滑な摺動面を形成させた後、摩滅し、その後、ダイヤモンドライクカーボン皮膜と平滑なシリンダ内周面との摺動によりピストンリング外周とシリンダ内周面間の低フリクションを長時間にわたり達成することができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１に示すピストンリング１は、外周摺動面にダイヤモンドライクカーボン皮膜２が形成され、更にその皮膜２上にＳｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ及びＢの群から選ばれた１種又は２種以上の元素の窒化物からなる皮膜３が形成されている。前記窒化物皮膜３には、窒化物皮膜３を形成する窒化物形成元素単体を微量に含む場合がある。また、窒化物皮膜３には酸素や炭素が固溶される場合もある。窒化物皮膜３は、厚さ０．５〜８μｍ、硬度ＨＶ７００〜２０００である。ダイヤモンドライクカーボン皮膜２はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの群から選ばれた１種又は２種以上の元素を５〜４０原子％の割合で含んでいる。ダイヤモンドライクカーボン皮膜２中に含まれる前記元素は通常、炭化物として含まれるが、単体として微量に含まれる場合もある。ダイヤモンドライクカーボン皮膜２は、厚さ３〜３０μｍ、硬度ＨＶ１０００〜２０００である。

図２に示すピストンリング１は、ダイヤモンドライクカーボン皮膜２と窒化物皮膜３との間に、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｂ及びＮｂの群から選ばれた元素からなる単体皮膜４が形成されている例である。単体皮膜４は厚さ０．１〜１μｍである。

図３に示すピストンリング１は、ダイヤモンドライクカーボン皮膜２が外周摺動面の他に、上下面にも形成されている例である。

図４〜図６に示すピストンリング１は、図１〜図３に示すピストンリングの母材表面に窒化層５が形成されている例である。

ダイヤモンドライクカーボン皮膜２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及びＶの群から選ばれた１種又は２種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、上記ダイヤモンドライクカーボン皮膜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及びＶの群から選ばれた１種又は２種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及びＶの群から選ばれた１種又は２種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。

上記ダイヤモンドライクカーボン皮膜形成の後、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ及びＢの群から選ばれた１種又は２種以上の元素からなるターゲットを用いて、窒素ガスを導入することにより、ＣｒＮなどの窒化物皮膜３を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りダイヤモンドライクカーボン皮膜上に被覆することができる。

前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜２と前記窒化物皮膜３との間に、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｂ及びＮｂの群から選ばれた元素からなる単体皮膜４を形成する場合は、上記ダイヤモンドライクカーボン皮膜形成の後、イオンプレーティング法あるいはスパッタリング法により形成することができる。例えば、ダイヤモンドライクカーボン皮膜形成後、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｂ及びＮｂの群から選ばれた元素を蒸発させるイオンプレーティング法で前記元素の単体皮膜を被覆できる。

上記のダイヤモンドライクカーボン皮膜２、窒化物皮膜３、及び単体皮膜４は上記以外のＰＶＤ法やＣＶＤ法によって形成することもできる。

以下に、摩擦試験を説明する。摩擦試験は往復動摩擦試験機を使用して実施され、試験１分後（初期）と１８０分後の摩擦係数を測定した。ここでの摩擦係数は往復摺動時の摩擦係数の平均値とした。

図７に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。
上試験片：ピストンリング用鋼
下試験片：シリンダライナ用片状黒鉛鋳鉄
荷重：１０ｋｇ
速度：６００ｃｐｍ
潤滑油：１０Ｗエンジンオイル

予備試験として、次の条件で摺動１分後の摩擦係数測定を実施した。
上試験片の皮膜：（イ）窒化物皮膜（ＣｒＮ）、（ロ）ダイヤモンドライクカーボン皮膜
下試験片の表面粗さ：（イ）０．３μｍＲｚ（鏡面仕上げ）、（ロ）２．０μｍＲｚ
結果は、表面粗さ０．３μｍＲｚの場合の摩擦係数は、窒化物皮膜が０．０８、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が０．０５であり、ダイヤモンドライクカーボン皮膜が低い摩擦係数を示すことがわかった。また、表面粗さ２．０μｍＲｚではいずれも摩擦係数が０．１と差がないことがわかった。

次に、表１に示す条件で本試験を行った。表１に示されているように、実施例では摩擦係数は０．０５以下に低下している。これに対して、比較例では摩擦係数が実施例ほど低下しないことがわかる。このように、ダイヤモンドライクカーボン皮膜の上に窒化物皮膜を形成することにより、相手材の摺動面をなじませることができ、低フリクションを実現できることがわかる。

本発明の一実施形態を示す縦断面図である。 本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。 往復動摩擦試験機の構成を示す図である。

符号の説明

１ ピストンリング
２ ダイヤモンドライクカーボン皮膜
３ 窒化物皮膜
４ 単体皮膜
５ 窒化層

Claims (6)

1. 外周摺動面にダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜は厚さ３〜３０μｍ、硬度ＨＶ１０００〜２０００であり、更にその皮膜上にＳｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ及びＢの群から選ばれた１種又は２種以上の元素の窒化物からなる皮膜が形成され、前記窒化物皮膜は厚さ０．５〜８μｍ、硬度ＨＶ７００〜２０００であることを特徴とするピストンリング。
2. 前記窒化物皮膜に窒化物形成元素単体が含ま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。
3. 前記窒化物皮膜に酸素又は炭素が固溶されていることを特徴とする請求項１又は２記載のピストンリング。
4. 前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの群から選ばれた１種又は２種以上の元素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のピストンリング。
5. 前記元素の含有比率が５〜４０原子％であることを特徴とする請求項４記載のピストンリング。
6. 前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜と前記窒化物皮膜との間に、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｂ及びＮｂの群から選ばれた元素からなる単体皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のピストンリング。

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