JP5431451B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、新規のコーティングを有するピストンリングに関する。

ピストンリングは、上下して移動するピストンとシリンダー壁との間を可能な限りで完全に密閉するために、内燃機関で用いられている。さらに、ピストンリングはシリンダー壁に付着したオイルをふき取り、潤滑油を注入してオイルのユーザビリティを管理する働きをしている。産業においては、内燃機関の実験を行う間、可能な限り摩擦抵抗を最も少なく、一部極限の状態のもとで、可能な限り製品寿命を最長にすることがピストンリングに要求される。これは、ピストンリングができるだけ長くその置かれた状況の要求を満たす摩擦挙動を意味する。

特許文献１には、接着層、四面体炭素の中間層、非晶質炭素の外層を有するピストンリングである物質について記載されている。

特許文献２の出願は、摩擦層および収縮層（ｒｕｎ−ｉｎ ｌａｙｅｒ）を有するピストンリングなどの摺動要素に関連している。

特許文献３は、内側から外側に、ＩＶＢ族、ＶＢ族，またはＶＩＢ族元素のうち、少なくとも一つの元素を有する第１の中間層、ダイヤモンド状ナノコンポジット組成物を有する第２の中間層、およびＤＬＣ層（Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ）を備えるピストンリングについて記載している。

国際公開第２００７／０２０１３９Ａ１号 独国特許ＤＥ１０２００５０６３１２３Ｂ３号明細書 国際公開第２００６／１２５６８３号

本発明の目的は、従来技術により知られているピストンリングより労力をかけずに製造することができ、同時に摩擦抵抗値および／または製品寿命についての要求を満たすことのできるピストンリングを提供することである。

本目的は、請求項１に記載されたピストンリングによって達成される。

したがって、ピストンリングは、内側から外側に、基板に施される接着層、金属含有非晶質炭素層および無金属非晶質炭素層を含む。この層構造の結果、従来技術に共通の収縮層および分離して形成された磨耗保護層を有する構造が施されことができる。周知の磨耗保護層は、大部分が窒化層として形成され、比較的高価なクロムを多く含有する鋼の使用が求められる。これと比較して、本願発明によれば高含有クロムは求められず、したがって、本発明のピストンリングはコスト効率よく製造され得る。それゆえに、基板上の新規の炭素コーティングが基板と炭素層間を接着させるために、分離の磨耗保護層を介在させることなく、薄い接着層のみを提供することに、本発明の産業上の構想を見ることができ。

以下で詳述されるように、本発明にかかるピストンリングの摩擦係数が低いままで不変であることが、実験によって示された。この点において、新規のピストンリングはしかるべく長寿命を提供している。磨耗についても同様であり、長い製品寿命を保証する磨耗限度内にあることが分かっている。金属含有非晶質炭素層は、従来の記号表示（ＶＤＩガイドライン２８４０参照）に対応して、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅという省略形で表示されることができる。無金属非晶質炭素層に対応する記号表示は、ａ−Ｃ：Ｈである。例えば、ＰＡＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法における分離処理ステップの一部として、無金属非晶質炭素層が適用されることができる。非晶質炭素層は両方とも、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）層である。

金属含有炭素層ではｓｐ^２結合が優位を占める。この性質の結果、本発明にかかるピストンリングは、ピストンリングにふさわしい性質を有していることが見出された。特に、その比率は、炭素結合の全体割合の２０〜７０％へと多岐にわたる。

無金属炭素層については、ｓｐ^３結合の割合が金属含有炭素層のｓｐ^３結合の割合より多い。ｓｐ^３割合の好ましい結合の割合は、電気抵抗（オーム）の増加が発生するときにもたらされる。従来のＤＬＣコーティングが１００オームより少ない範囲にある電気抵抗を有しているとき、本発明にかかる被覆層の電気抵抗の好適な増加は、５０００オームより大きく、特に５０００キロオームより大きくかつ１０キロオームより少ないのが好ましい。

好適な実施形態はさらなる請求項に記載される。

鋼鉄または鋳鉄は、本発明にかかるピストンリングの基板として特に好ましいことが明らかになっている。

接着層はクロムを含むのが好ましく、とりわけ、主としてクロムからなることが可能である。このような接着層は、基板と金属含有非晶質炭素層間の接着を促進する好ましい特性を有していることが明らかになっている。

試験結果に基づいて、最大厚さが２μｍ、望ましくはおよそ０．５μｍの最大厚さとすることが現在のところ接着層にとって好ましい。

金属含有炭素層に含まれる金属については、現在のところタングステンが好ましい。特に今回の試験で良好な特性が明らかになった。

これは、金属含有炭素層内の金属含有物が外側に向かって減少するという望ましい実施形態に同様に適用される。

厚さについては、およそ１．５〜１７μｍの厚さであることが金属含有炭素層にとって好ましい。特に、層厚がおよそ１．５μｍで良好な動作となることを見出した。

特に好適な性質は、金属含有炭素層がナノ結晶のカーバイド面を含んでいるという実施の形態でさらに明らかになった。

さらに、仮に無金属炭素層がおよそ１〜１５μｍ、特におよそ１μｍの厚さを有するとすれば、それをもって提供されるピストンリングは良好な性質を有することが明らかになった。

金属含有炭素層および／または無金属炭素層は水素も含んでいることが好ましい。利用可能な水素は、炭素の架橋結合度に影響を及ぼすので、硬い層を生じさせる。

基板に塗布される層の全体の厚さについては、現在のところ、約２．９μｍ以上となることが好ましく、約３０μｍ以下が好ましい。これは、かねてより周知である大部分がより薄いＤＬＣ層との違いを有利に構成する。本発明により実現されることになる層の厚さによれば、ＤＬＣ層は収縮層及び磨耗保護層の両方の役割を果すので、分離の磨耗保護層は要求されないという利点が実現されるであろう。

本発明によって設計されるピストンリングの表面硬さは、１８００〜２８００ＨＶが好ましく、最大で２４００ＨＶ０．００２が望ましい。この場合の計測は、ＨＶｐｌ０．００２のナノ圧子（ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔｅｒ）を用いて実行された。略語ｐｌは、プラスチックを示していて、これに対応する方法は当業者によって知られている。特に、計測への適用に関して、ＨＶｐｌ０．０２のナノ圧子を用いることも可能である。

これは現在のところ、好ましくはクロムからなり、金属蒸着の方法で適用される接着層にとって好適である。

現在、金属含有炭素層および／または無金属炭素層は、ＰＡＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて適用されることが好ましい。

さらに、本発明にかかるピストンリングの特徴のすべてについて申し述べると、ピストンリングの上に施されるコーティングおよびそれとともに協働するのが好ましい摺動パートナーは、前述の特許文献２または特許文献３に基づいており、引用されている特性について、前述の特許文献の開示内容が本明細書の発明の主題に用いられた。

全厚さが約２．９μｍの被膜を有する本発明にかかるピストンリングは、硬度１９３５ＨＶ０．００２の値に決定されて製造された。このピストンリングは、磨耗保護層として窒化物層を有するピストンリング、大量生産されたＤＬＣコーティングを施したピストンリングとともに磨耗試験を受けた。この試験は１９０℃で行われ、カストロール（Ｃａｓｔｒｏｌ）ＶＰ１のオイルを用いて、５０Ｎの負荷をかけた。シリテック（Ｓｉｌｉｔｅｃ）Ｓ２６０がボアに使われた。対応する製造物は当業者に良く知られている。６時間後、本願発明のピストンリングでは約１．０μｍの磨耗が測定され、大量生産されたＤＬＣコーティングを施したピストンリングでは約５．３μｍの磨耗が測定された。磨耗により耐性を示すコーティングの場合、摺動パートナーの磨耗は常に増加する。本発明にかかるコーティングでは、驚くべきことに、シリンダーのシリンダー・スリーブなどの摺動パートナーの磨耗の増加は見られなかった。

本発明にかかるピストンリングのシリンダー・スリーブの磨耗は２．７μｍであった。さらに、本発明にかかるピストンリングにおいて、摩擦係数は劇的に減少されていることが明らかになった。従来のＤＬＣでコーティングされたピストンリングと比較すると、摩擦係数は最大で３０％まで減少していることが明らかになった。

したがって、本発明にかかるピストンリングの有利な特性が得られることが明らかになっている。上述したように、これは、特に摩擦係数に、とりわけ長期的に、収縮（ｒｕｎ−ｉｎ）動作およびスカッフィング抵抗（ｓｃｕｆｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に当てはまり、全体として耐久性のあるピストンリングが生じることになる。

Claims (3)

1. ＤＬＣコーティングされたピストンリングであって、基板から離れる方向に、順に、接着層、金属含有非晶質炭素層及び無金属非晶質炭素層を堆積して備え、
   前記金属含有非結晶炭素層はｓｐ２結合の割合が主であり、
   ｓｐ３結合の割合は、前記金属含有非晶質炭素層より前記無金属非晶質炭素層の方が高く、
   前記ＤＬＣコーティングの電気抵抗は、５０００ｋΩより大きく、
   前記基板は、鋼鉄または鋳鉄からなり、
   前記接着層は、クロムを含み、
   前記金属含有非晶質炭素層は、前記基板から離れる方向に減少する金属含有物を含み、
   前記接着層の厚さは２．０μｍ未満であり、
   前記金属含有非晶質炭素層の厚さは、１．５から１７μｍであり、
   前記金属含有非晶質炭素層は、ナノ結晶炭化物相を有し、
   前記金属含有非晶質炭素層および／または前記無金属非晶質炭素層は、水素を含み
   前記ピストンリングは、１８００〜２８００ＨＶ０．００２の表面硬度を有し、
   前記ピストンリングは、収縮層を有しない
   ことを特徴とするピストンリング。
2. 前記金属含有非晶質炭素層は、タングステンを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記無金属非晶質炭素層の厚さは、１から１５μｍである、ことを特徴とする請求項１または２に記載のピストンリング。