JP5890946B2 - 圧力リングおよび圧力リング用母材 - Google Patents

Description

本発明は、圧力リングおよび圧力リング用母材に関するものである。

内燃機関用のピストンリングの１種である圧力リングは、主として気密作用、伝熱機能および耐久性が要求される。この圧力リングとしては様々なものが提案されている。たとえば、特許文献１には、アルミニウム合金製シリンダライナの相手材として使用され、ブローバイガスの発生の抑制等を目的として、１５×１０^−６／℃以上の線膨張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼を圧力リング用の母材として用いた圧力リングが提案されている。

また、特許文献２には、高圧縮比の内燃機関の熱負荷の高い環境で使用することが可能で、熱伝導性等にも優れた圧力リングを提供することを目的として、質量％でＣ：０．４５〜０．５５、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６５〜０．９５、Ｃｒ：０．８〜１．１０、Ｖ：０．１５〜０．２５の範囲で含む組成を有し、焼き戻しマルテンサイトマトリックス中に球状化セメンタイトが分散している圧力リングが提案されている。また、ピストンがアルミニウム製の場合、燃焼室温度の上昇に伴いアルミニウムが軟化し、ピストンのリング溝内で圧力リングによる叩きと摺動が生じて、リング溝の摩耗等が発生しやすくなる。この点からは、熱伝導の高い圧力リングを用いてリング溝温度を下げることが要求されている。これに対して、特許文献２に記載の圧力リングでは、熱伝導率を３５Ｗ/ｍ・Ｋ以上とすることもできる。

特許第４３７４１６０号（請求項１、段落０００７等） 特開２０１１−２４７３１０号公報（請求項１、３、段落０００３、０００８等）

また、近年では、内燃機関は軽量化のためシリンダブロックにアルミニウム合金を使用し、シリンダボアに鋳鉄製シリンダライナを鋳ぐるむ構造が採用され、加えて内燃機関の高熱負荷化、多燃料化などにより、圧力リングの外周面および上下面における摩耗の低減が要求されている。また、このようなアルミニウム合金製のシリンダブロックには、アルミニウム合金製のピストンが組み合わせて用いられる。

このようなアルミニウム合金製の内燃機関においては、高出力化や低燃費化が求められると同時に、長期間の使用によっても出力の低下や燃費の悪化が生じにくいことも求められている。そして、このような要求を満たすためには、内燃機関のブローバイガス量を抑制することが必要である。なお、ブローバイガスは、燃焼室内のガスがピストンとシリンダ内壁とのすき間を伝って漏れるガスであり、ガスの漏洩経路上に存在する圧力リングの合口すき間や圧力リングとピストンの外周面に設けられたリング溝との間に形成されるすき間を経由して漏洩する。

ここで、通常の内燃機関で使用される圧力リングの母材は、ＪＩＳ Ｇ３５６１（ＳＡＥ９２５４相当）のＳＷＯＳＣ−Ｖ相当が主流であり、圧力リングの外周面には耐摩耗性の高い被膜が施されている。圧力リングの上下面がより耐摩耗性が要求される場合には、母材としてＣｒ成分を１３質量％以上含有するマルテンサイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４４０Ｂなど）を無処理ないし窒化処理したものが使用されている。これに対して、アルミニウム合金製シリンダブロックの線膨張係数は１５×１０^−６／℃〜２１×１０^−６／℃程度の水準にあり、一方、シリンダブロック内で摺動する上述した圧力リングを構成する材料（圧力リング用母材）の線膨張係数は１１×１０^−６／℃以上１３．５×１０^−６／℃以下の水準である。

このため、両者の線膨張係数の差の大きさに比例して、シリンダブロックが高温となった場合に圧力リングの合口すき間が増大することで、ブローバイガス量が増加する。このような問題に対処するためには、ＪＩＳ
Ｇ３５６１のＳＷＯＳＣ−Ｖ相当の母材を用いた圧力リングよりもより高い線膨張係数を持つ圧力リングを用いることが有効であると考えられる。このような圧力リングとしては、たとえば、特許文献１に例示されるような１５×１０^−６／℃以上の線膨張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼を圧力リング用の母材として用いた圧力リングを用いることが考えられる。

一方、高圧縮比あるいは過給機付きなどの高出力・高熱負荷化したアルミニウム合金製の内燃機関においては、燃焼温度がより高くなる。このため、アルミニウム合金製シリンダブロックの更なる膨張により、圧力リングの合口すき間がより増大するため、ブローバイガス量もさらに増加する。このような場合においても特許文献１に例示されるような高い線膨張係数を有する圧力リングを用いることが有効であるとも考えられる。また、特許文献２に例示されるような高い熱伝導率を有する圧力リングを用いれば、アルミニウム合金製ピストンの熱を圧力リングを介してアルミニウム合金製シリンダブロック側へと逃がすことが容易になるため、間接的に圧力リングの合口すき間の増大を抑制し、ブローバイガス量の増加を抑制できるとも考えられる。しかしながら、これら従来の圧力リングでは、必ずしも長期間に渡って安定してブローバイガス量を抑制することができない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、アルミニウム合金製シリンダブロックおよびアルミニウム合金製ピストンを少なくとも備えた内燃機関において、内燃機関の使用初期からブローバイガス量が小さく、かつ、内燃機関を長期間に渡って使用してもブローバイガス量の経時的な増大を抑制できる圧力リングおよびこれに用いる圧力リング用母材を提供することを課題とする。

上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、
本発明の圧力リングは、アルミニウム合金製シリンダブロックおよびアルミニウム合金製ピストンを少なくとも備えた内燃機関に用いられ、合口を有するリング状の圧力リング本体部と、圧力リング本体部の外周面を被覆する硬質被膜とを備えた圧力リングであって、室温から２００℃の範囲内における圧力リングの平均線膨張係数が、１３．０×１０^−６／℃以上であり、圧力リング本体部を構成する材料が、熱伝導率が３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であるマルテンサイト組成の炭素鋼であり、硬質被膜が、窒化物被膜および非晶質炭素被膜から選択される硬質被膜であり、圧力リング本体部の上面側部分および下面側部分には、ビッカース硬さＨＶが７００以上９００以下の範囲内である窒化層が形成されていることを特徴とする。

本発明の圧力リングの一実施形態は、窒化物被膜が、ＣｒＮ系およびＴｉＡｌＮ系から選択されるいずれかの膜組成を有し、かつ、ビッカース硬さＨＶで８００以上２５００以下の範囲内の表面硬度を有することが好ましい。

本発明の圧力リングの他の実施形態は、非晶質炭素被膜が、ビッカース硬さＨＶで１２００以上３２００以下の範囲内の表面硬度を有し、０．３ａｔ％以下の水素濃度を有し、かつ、非晶質炭素被膜の圧力リング本体部が位置する側から順に、第一のアモルファスカーボン層と、第一のアモルファスカーボン層とは膜質の異なる第二のアモルファスカーボン層とが交互に積層されていることが好ましい。

本発明の圧力リングの他の実施形態は、非晶質炭素被膜と、圧力リング本体部との間に、厚さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下のＴｉ被膜、Ｃｒ被膜、Ｓｉ被膜およびＶ被膜から選択される接着層が設けられていることが好ましい。

本発明の圧力リングの他の実施形態は、圧力リング本体部の上面側部分および下面側部分に設けられる窒化層の厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。

本発明の圧力リング用母材は、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、Ｃｒを０．９質量％以上１．９質量％以下、Ｖを０．０５質量％以上０．４質量％以下の範囲で含み、室温から２００℃の範囲における平均線膨張係数が１３．２×１０^−６／℃以上であるマルテンサイト組成の炭素鋼からなることを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウム合金製シリンダブロックおよびアルミニウム合金製ピストンを少なくとも備えた内燃機関において、内燃機関の使用初期からブローバイガス量が小さく、かつ、内燃機関を長期間に渡って使用してもブローバイガス量の経時的な増大を抑制できる圧力リングおよびこれに用いる圧力リング用母材を提供することができる。

本実施形態の圧力リングの外観図である。 本実施形態の圧力リングの断面構造を示す模式端面図である。ここで、図２（Ａ）は図１に示す圧力リングの断面構造の一例を示す図であり、図２（Ｂ）は図１に示す圧力リングの断面構造の他の例を示す図であり、図２（Ｃ）は図１に示す圧力リングの断面構造の他の例を示す図である。 平均線膨張係数の測定方法を説明するための模式概略図（上面図）である。 耐摩耗性の評価に用いたピンオンプレート式往復動摩擦試験機について説明するための模式概略図である。

本実施形態の圧力リングは、アルミニウム合金製シリンダブロックおよびアルミニウム合金製ピストンを少なくとも備えた内燃機関に用いられるものである。ここで、この内燃機関のアルミニウム合金製シリンダブロックは、シリンダボアに鋳鉄製シリンダライナを鋳ぐるむ構造を有するものである。そして、本実施形態の圧力リングは、合口を有するリング状の圧力リング本体部と、圧力リング本体部の外周面を被覆する硬質被膜とを備え、室温から２００℃の範囲内における圧力リングの平均線膨張係数が、１３．０×１０^−６／℃以上であり、圧力リング本体部を構成する材料が、熱伝導率が３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であるマルテンサイト組成の炭素鋼であり、硬質被膜が、窒化物被膜および非晶質炭素被膜から選択される硬質被膜であり、圧力リング本体部の上面側部分および下面側部分には、ビッカース硬さＨＶが７００以上９００以下の範囲内である窒化層が形成されていることを特徴とする。

本実施形態の圧力リングでは、その平均線膨張係数が１３．０×１０^−６／℃以上であるため、アルミニウム合金製シリンダブロックの熱膨張に対して、シリンダボアに追従して圧力リングの合口すきまの拡大を抑制することが容易である。このため、内燃機関の使用初期時点のブローバイガス量の増大を抑制できる。さらに、本実施形態の圧力リングは、従来から圧力リング用母材として広く利用されているマルテンサイト系ステンレス鋼（線膨張係数：１３．０×１０^−６／℃未満）を用いた圧力リングと比べても、アルミニウム合金製シリンダブロック（線膨張係数：１５×１０^−６／℃〜２１×１０^−６／℃程度）の熱膨張に対してシリンダボアへの追従性により優れるため、従来の圧力リングと比べてもブローバイガス量の増大を抑制できる。そして、この点は、高圧縮比あるいは過給機付きなどの高出力・高熱負荷化したアルミニウム合金製の内燃機関において本実施形態の圧力リングを用いる場合も同様である。

ここで、圧力リングの平均線膨張係数は、内燃機関において使用されうる状態とされた圧力リングの状態で測定された線膨張係数を意味する。この平均線膨張係数の測定方法の詳細については後述する。また、圧力リングの平均線膨張係数は、内燃機関を構成するアルミニウム合金の線膨張係数に近ければ近い程好ましいが、平均線膨張係数以外のその他の特性もバランス良く確保できる圧力リング用母材を使用可能とする観点からは、１３．０×１０^−６／℃〜１４．０×１０^−６／℃の範囲内が好ましく、１３．２×１０^−６／℃〜１３．６×１０^−６／℃の範囲内がより好ましい。

なお、アルミニウム合金製ピストンの外周面に設けられたリング溝に装着された圧力リングが長期間に渡って使用された場合、圧力リングの側面（上面および下面）とリング溝との接触により、圧力リングの側面、および／または、リング溝の摩耗が進行する。したがって、圧力リングの側面とリング溝とのクリアランスが時間の経過と共に拡大するに伴いブローバイガス量も増大する。このため、圧力リングの側面は、圧力リング自身の摩耗量と、相手部材であるリング溝表面の摩耗量との合計摩耗量を極小化できる適度な硬さを有している必要がある。圧力リングの側面の硬度を一方的に大きく向上させることで圧力リングの側面の摩耗を大幅に抑制できたとしても、相手材の摩耗は著しく促進されることになるため、結果的に経時的なブローバイガス量の増大を抑制できなくなるためである。

一方、本実施形態の圧力リングでは、圧力リング本体部の上面側部分および下面側部分に、ビッカース硬さＨＶが７００以上９００以下の範囲内である窒化層が形成されている。このため、内燃機関を長期に渡って使用した場合でも、圧力リングの側面の摩耗量と、アルミニウム合金製ピストンの外周面に設けられたリング溝表面の摩耗量との合計摩耗量を極小化することが容易である。このため、経時的なブローバイガス量の増大を抑制することができる。ビッカース硬さＨＶが７００未満では、圧力リングの側面の摩耗が顕著になるために合計摩耗量が増大し、その一方でビッカース硬さＨＶが９００を超えると、リング溝表面の摩耗が顕著になるために合計摩耗量が増大するため、いずれの場合においても経時的なブローバイガス量の増大を抑制できなくなる。なお、ビッカース硬さＨＶは７５０〜９００の範囲内が好ましく、７９５〜８５０の範囲内がより好ましい。

なお、窒化層は、金属表面を窒化処理する公知の窒化処理法を適宜利用して形成できるが、コスト面からはガス窒化処理あるいは塩浴窒化処理を利用して形成することが好ましい。ここで、窒化処理条件は、ビッカース硬さＨＶが、７００以上９００以下の範囲内となるように適宜選択することができる。

また、高圧縮比あるいは過給機付きの高出力・高熱負荷化した内燃機関においては燃焼温度が高くなるためアルミニウム合金製ピストンの頂面温度が上昇し、ピストンを構成するアルミニウム合金が軟化する。このため、リング溝内において圧力リングによる叩きと摺動が発生し、結果的にリング溝の摩耗が顕著になるため、圧力リングの側面とリング溝とのクリアランスが時間の経過と共に拡大してブローバイガス量が増大することになる。しかしながら、本実施形態の圧力リングでは、圧力リング本体部を構成する材料（圧力リング用母材）の熱伝導率は３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ以上である。このため、燃焼により加熱されたアルミニウム合金製ピストン頂部の熱を、圧力リングを介してシリンダボア壁へと効率的に逃がすことができる。このため、リング溝の摩耗促進の原因となるアルミニウム合金の軟化を抑制することが容易である。これに加えて、上述したように、本実施形態の圧力リングでは、圧力リング側面の表面硬度が、圧力リング側面のみならずリング溝の著しい摩耗も生じないように適度な値（ビッカース硬度ＨＶで７００〜９００）に設定されている。よって、燃焼温度がより高くなる高圧縮比あるいは過給機付きの高出力・高熱負荷化した内燃機関において本実施形態の圧力リングを使用しても、リング溝の摩耗がより顕著となるのを確実に抑制でき、結果的に経時的なブローバイガス量の増大を抑制できる。

なお、圧力リング用母材の熱伝導率は３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であれば特に限定されるものではないが、圧力リングが１３．０×１０^−６／℃以上の平均線膨張係数を実現でき、適度な硬さ（ビッカース硬度ＨＶで７００〜９００）の窒化層が圧力リング側面部に形成可能な圧力リング用母材を使用可能する観点からは、３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ〜３４．０Ｗ/ｍ・Ｋの範囲内が好ましく、３１．５Ｗ/ｍ・Ｋ〜３２．４Ｗ/ｍ・Ｋの範囲内がより好ましい。

また、ブローバイガス量は、圧力リングの外周摺動面の摩耗の進行に伴う圧力リングの合口すきまの増大によっても経時的に増大する。このようなブローバイガス量の経時的な増大を抑制するために、本実施形態の圧力リングでは、圧力リング本体部の外周面が硬質被膜により被覆されている。ここで、硬質被膜としては、外周摺動面（すなわち硬質被膜表面）の耐摩耗性、耐スカッフ性に優れていることから、窒化物被膜または非晶質炭素被膜が用いられる。また、これらの硬質被膜の線膨張特性は、圧力リング本体部を構成する圧力リング用母材の平均線膨張係数の下限値（１３．２×１０^−６／℃）よりもやや下回る傾向にあるもののこれに近い特性を有するため、本実施形態の圧力リングの平均線膨張係数を大幅に低下させる恐れがない点で有利である。

以上に説明したように、本実施形態の圧力リングでは、アルミニウム合金製シリンダブロックおよびアルミニウム合金製ピストンを少なくとも備えた内燃機関において、内燃機関の使用初期からブローバイガス量が小さく、かつ、内燃機関を長期間に渡って使用してもブローバイガス量の経時的な増大を抑制できる。これに加えて、高圧縮比あるいは過給機付きの高出力・高熱負荷化した内燃機関においても、経時的なブローバイガス量の増大を抑制することもできる。次に本実施形態の圧力リングの形状・断面構造や、圧力リングを構成する各部材についてより詳細に説明する。

−圧力リングの形状・断面構造−
図１は、本実施形態の圧力リングの外観図であり、圧力リングを上面または下面から見た図である。図１に示す圧力リング１０は合口１２を有するリング状を成している。なお、図１中、硬質被膜については記載を省略してある。また、図２は、圧力リングの断面構造の一例を示す模式端面図であり、具体的には、図１中の符号Ａ１−Ａ２間の断面構造について示した図である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示すように、圧力リング１０は、圧力リング本体部２０と、この圧力リング本体部２０の外周面２２を被覆する硬質被膜３０とを有し、圧力リング本体部２０の上面側部分２４Ｕおよび下面側部分２４Ｂには、窒化層４０が必ず形成されている。なお、この窒化層４０は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示すように、圧力リング本体部２０の内周面側部分２４Ｌにも形成されていてもよく、図２（Ｃ）に示すように、圧力リング本体部２０の外周面側部分２４Ｒにも形成されていてもよい。図１および図２に示す圧力リング１０をピストンのリング溝に装着して使用した場合、硬質被膜３０の表面３２が、圧力リング１０の外周摺動面１４として、シリンダ内壁と接触し、圧力リング本体部２０の上面２６および下面２８が、圧力リング１０の上面１６および下面１８としてリング溝の内壁と接触する。

−硬質被膜−
硬質被膜として窒化物被膜を設ける場合、この窒化物被膜は、たとえば、アークイオンプレーティング法、スパッタリング法等の公知のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜することができる。この窒化物被膜の膜組成としては、ＣｒＮ系またはＴｉＡｌＮ系から選択されることが好ましい。これらの窒化物被膜は酸素や炭素を含んでいてもよい。また、窒化物被膜の表面硬度はビッカース硬さＨＶで８００以上２５００以下の範囲内であることが好ましく、１０００以上２１００以下の範囲内であることがより好ましい。ビッカース硬さＨＶを８００以上とすることにより耐摩耗性の確保が容易となり、また、ビッカース硬さＨＶを２５００以下とすることにより、クラックや欠け、剥離を抑制することが容易となる。さらに、窒化物被膜の厚みは、０．０１ｍｍ以上０．０４ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。窒化物被膜の厚みを０．０１ｍｍ以上とすることにより耐摩耗性の確保が容易となる。また、窒化物被膜の厚みを０．０４ｍｍ以下とすることにより、成膜時間の増大を抑制してコストを抑えることが容易となる。これに加えて、窒化物被膜の厚みの増大に伴う圧力リングの平均線膨張係数の低下を防止することも容易となる。

また、硬質被膜として非晶質炭素被膜（いわゆるＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）被膜）を設ける場合、この非晶質炭素被膜は、たとえば、アークイオンプレーティング法、スパッタリング法等の公知のＰＶＤ法により成膜することができる。非晶質炭素被膜の水素濃度は、被膜中に実質的に水素が含まれないと言える程度の濃度、すなわち０．３ａｔ％以下であることが好ましい。このような水素濃度は、非晶質炭素被膜の成膜に際して、成膜室中に水素ガスやメタンガスを流すなどの意図的な水素の供給をゼロとした状態で成膜することにより実現することができる。非晶質炭素被膜に含まれる水素濃度を０．３ａｔ％以下とすることにより耐熱性、低摩擦性、耐摩耗性を確保することが容易となり、成膜中に意図的に水素を供給することで作製された非晶質炭素被膜（すなわち水素濃度が０．３ａｔ％を超える非晶質炭素被膜）と比べて、優れた摺動特性を確保できる。なお、耐熱性、低摩擦性、耐摩耗性をより向上させるたには、水素濃度は、０．１ａｔ％以下がより好ましい。

また、非晶質炭素被膜の厚みは３μｍ以上１５μｍ以下の範囲内が好ましい。非晶質炭素被膜の厚みを３μｍ以上とすることにより、耐摩耗性の確保が容易となる。非晶質炭素被膜の厚みを１５μｍ以下とすることにより、成膜時間の増大を抑制してコストを抑えることが容易となる。これに加えて、窒化物被膜の厚みの増大に伴う圧力リングの平均線膨張係数の低下を防止することも容易となる。非晶質炭素被膜の表面硬度はビッカース硬さＨＶで１２００以上３２００以下の範囲内であることが好ましく、１５００以上２５００以下の範囲内であることがより好ましい。ビッカース硬さＨＶを１２００以上とすることにより耐摩耗性の確保が容易となり、また、ビッカース硬さＨＶを３２００以下とすることにより、クラックや欠け、剥離を抑制することが容易となる。

さらに、非晶質炭素被膜は、膜質（膜組成および／または膜構造）が異なる層を２層以上積層した積層構造を有していてもよい。このような積層構造の採用により耐摩耗性およびクラック・欠け・剥離の双方を同時に改善することがより容易になる。このような積層構造としては、非晶質炭素被膜の圧力リング本体部が位置する側から順に、第一のアモルファスカーボン層と、第一のアモルファスカーボン層とは膜質の異なる第二のアモルファスカーボン層とを交互に積層することが好ましい。第一のアモルファスカーボン層と、第二のアモルファスカーボン層との膜質を互いに異なるものとすることにより、相対的に一方の層をより硬質化し、他方の層をより軟質化できる。このため、相対的により硬質な一方の層により耐摩耗性をより向上させることが容易となる。

なお、相対的により硬質な一方の層（硬質層）は、耐摩耗性に優れるものの層の柔軟性に欠けるため、非晶質炭素被膜が仮に当該硬質層のみから構成される場合はクラック、欠け、剥離が生じやすくなる。しかしながら、膜厚方向において隣り合う２つの硬質層の間に、相対的により軟質な他方の層（軟質層）を設けることで、硬質層間の接合力を向上させると共に、積層構造を持つ非晶質炭素被膜全体のクラック、欠け、剥離を抑制することが容易となる。また、圧力リング本体部の外周面に最初に成膜する層は、軟質層であることが好ましい。これにより、圧力リング本体部と積層構造を持つ非晶質炭素被膜との剥離がより抑制できる。

なお、硬質層は、テトラヘドラルアモルファスカーボン構造を有するｔａ−Ｃ膜あるいはこれに近い膜質を有する膜からなると考えられ、軟質層は、ｔａ−Ｃ膜よりも軟質なアモルファスカーボン構造を有するａ−Ｃ膜あるいはこれに近い膜質を有する膜からなると考えられる。また、膜質の異なる２種類のアモルファスカーボン層を成膜するためには、各々のアモルファスカーボン層の成膜に際して、成膜方法、成膜条件あるいは成膜装置を互いに異なるものとすればよい。

軟質層および硬質層の厚さは特に限定されないが、硬質層の厚さは軟質層の厚さよりも大きいことが好ましい。これにより、積層構造を持つ非晶質炭素被膜全体として、クラック、欠け、剥離を抑制しつつ同時に耐摩耗性をより向上さることが極めて容易になる。また、軟質層の厚さは１層当たり５ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、８ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内であることがより好ましい。１層当たりの軟質層の厚さを５ｎｍ以上とすることにより、硬質層間の接合力をより確実に確保できる。また、厚さを８０ｎｍ以下とすることにより、軟質層に起因する耐摩耗性の低下をより確実に抑制することができる。一方、硬質層の厚さは１層当たり１００ｎｍ以上９２０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内であることがより好ましい。１層当たりの硬質層の厚さを１００ｎｍ以上とすることにより、耐摩耗性をより確実に確保することが容易になる。また、厚さを９２０ｎｍ以下とすることにより、硬質層内に生じる内部応力を小さくできるため、硬質層に隣接する軟質層との剥離をより確実に抑制できる。

−接着層−
なお、硬質被膜として非晶質炭素被膜を用いる場合、圧力リング本体部の外周面と、非晶質炭素被膜との間の密着性を向上させるために、両者の間にＴｉ被膜、Ｃｒ被膜、Ｓｉ被膜およびＶ被膜のいずれかの被膜から選択される接着層を設けてもよい。これらの接着層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下とすることが好ましく、０．１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが好ましい。接着層の厚みを０．１μｍ以上とすることにより圧力リング本体部の外周面と、非晶質炭素被膜との接合を強固にできるため、密着性を向上させることがより容易となる。また、接着層の厚みを１．０μｍ以下とすることにより、接着層を構成する材料の強度の低さに起因する密着性の低下を抑制することがより容易となる。

−窒化層−
圧力リング本体部の上面側部分および下面側部分に形成される窒化層（側面部窒化層）の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲内であることがより好ましい。側面部窒化層の厚みを１０μｍ以上とすることにより、圧力リングの上面および下面の耐摩耗性をより確実に確保することが容易となる。また、側面部窒化層の厚みを５０μｍ以下とすることにより、窒化層を形成する際の窒化処理に要する時間が著しく増大するのを抑制できる。

なお、圧力リング本体部の外周面部分を窒化処理することによって、外周面部分にも窒化層（外周面部窒化層）を設けてもよい。この場合、外周面のビッカース硬さＨＶが９００以下となるように外周面部窒化層を形成することが好ましい。

−圧力リング用母材−
本実施形態の圧力リングの圧力リング本体部を構成する材料（圧力リング用母材）としては、下記（１）〜（３）を満たすものであれば、その組成・物性は特に限定されるものではない。
（１）熱伝導率が３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であるマルテンサイト組成の炭素鋼である。
（２）圧力リング用母材を、合口すきまを有するリング状に加工した後、窒化層を形成したり硬質被膜を設けたりして完成した圧力リングとした状態において、圧力リングの平均線膨張係数を１３．０×１０^−６／℃以上とすることが可能である。
（３）圧力リング用母材に対して窒化処理を施した際に、表面硬度がビッカース硬さＨＶで７００以上９００以下の範囲内である窒化層を形成することが可能である。

しかしながら、上記（１）を満たし、かつ、圧力リングを作製する際に、容易に上記（２）および（３）を満たすことが可能である点からは、本実施形態の圧力リング用母材は、（ａ）熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、（ｂ）Ｃｒを０．９質量％以上１．９質量％以下、Ｖを０．０５質量％以上０．４質量％以下の範囲で含み、（ｃ）室温から２００℃の範囲における平均線膨張係数が１３．２×１０^−６／℃以上であるマルテンサイト組成の炭素鋼であることが特に好ましい。

ここで、圧力リング用母材の平均線膨張係数は、線材状の圧力リング用母材を、圧力リングと同様の円環状に加工した試験片の状態で測定される値を意味する。この測定に用いられる試験片は、線材状の圧力リング用母材を単に円環状に加工しただけのものであり、圧力リングとして完成させるために必要な窒化層の形成などの各種の表面処理や各種の硬質被膜の成膜処理が施されていない状態の部材である。この平均線膨張係数の測定方法の詳細については後述する。

なお、各種の鋼材の中でも、圧力リング用母材として広く利用されているものとして、Ｃｒを約１０質量％以上の割合で多量に含むマルテンサイト系ステンレス鋼や、ＪＩＳ Ｇ３６５１ ＳＷＯＳＣ−Ｖ相当の鋼材が挙げられる。本発明者らはこれらの鋼材についても検討を加えたが、いずれの鋼材についても、上記（１）〜（３）に示すように、比較的高い熱伝導率および平均線膨張係数を確保しつつ、圧力リング本体部の側面部に窒化層を形成した場合に、圧力リング側面の摩耗を抑制しつつも相手部材であるリング溝の著しい摩耗も生じない適度な硬度を得ることができなかった。

この理由は、マルテンサイト系ステンレス鋼では、圧力リング側面の摩耗を抑制すべく窒化層を形成すると硬度が必要以上に高くなり易いため、特に、アルミニウム合金製ピストンの頂面温度が高い環境下では、リング溝の著しい摩耗を招き、圧力リング側面部およびリング溝の合計摩耗量も著しく増大するためである。すなわち、この場合は、経時的なブローバイガス量の抑制が極めて困難である。これに加えてマルテンサイト系ステンレス鋼を用いて圧力リングを作製しても、高い平均線膨張係数が確保できないため、内燃機関の使用初期の時点からブローバイガス量が大きくなる。また、ＪＩＳ Ｇ３６５１ ＳＷＯＳＣ−Ｖ相当の鋼材では、窒化処理を行っても、十分な硬度を有する窒化層が形成できない。このため、圧力リング側面部およびリング溝の合計摩耗量が著しく増大し、経時的なブローバイガス量の抑制が極めて困難である。

しかしながら、上述したように本実施形態の圧力リング用母材の平均線膨張係数は、１３．２×１０^−６／℃以上であるため、本実施形態の圧力リング用母材を用いて本実施形態の圧力リングを作製した際に、この圧力リングの平均線膨張係数を１３．０×１０^−６／℃以上に調整することが極めて容易である。また、炭素鋼の表面を窒化処理して窒化層を形成する場合、この窒化層のビッカース硬度はマルテンサイト組成の炭素鋼中に含まれるＣｒおよびＶの含有量によって大きく影響される。ここで、本実施形態の圧力リング用母材は、Ｃｒを０．９質量％以上１．９質量％以下、かつ、Ｖを０．０５質量％以上０．４質量％以下の範囲で含む。このため、経時的なブローバイガス量の増大に直結する圧力リング側面またはリング溝の著しい摩耗を抑制できる適度な表面硬度（ビッカース硬さでＨＶで７００以上９００以下）を有する窒化層を容易に形成することができる。また、これら元素の含有量が大きくなりすぎると、熱伝導性および／または線膨張係数が低下するため、上記（ａ）および（ｃ）に示す物性値の実現が困難になる。しかし、本実施形態の圧力リング用母材では、Ｃｒ含有量の上限を１．９質量％以下、Ｖ含有量の上限を０．４質量％以下としているため、上記（ａ）および（ｃ）に示す物性値も同時に実現できる。

なお、上記（ａ）〜（ｃ）を満たすマルテンサイト組成の炭素鋼の好適な組成例としては、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．６５、Ｓｉ：１．８〜２．４、Ｍｎ：０．３〜１．０、Ｃｒ：０．９〜１．９、Ｖ：０．０５〜０．４、残部が鉄および不可避的不純物からなる組成（以下、当該組成を、「組成Ａ」と称す場合がある）が挙げられる。

ここで、上記組成からなる炭素鋼中に含まれるＣは、一部が基地中に固溶し、硬さや疲労強度の向上に寄与し、他の一部は炭化物を生成して耐摩耗性の向上に寄与する元素である。ここで、Ｃ含有量を０．５５質量％以上とすることにより耐摩耗性の確保が容易となり、０．６５質量％以下とすることにより、冷間加工性の確保が容易となる。また、Ｓｉは、高温時の強度を高める作用を有する元素である。ここで、Ｓｉ含有量の１．８質量％以上とすることにより適度な強度を確保することが容易となる。また、Ｓｉ含有量を２．４質量％以下とすることにより、冷間加工性、靱延性の低下をより確実に防止できると共に、熱間加工性および熱伝導性を損なうこともより確実に回避できる。なお、上記Ｓｉ含有量を１．８質量％以上とすることで、熱へたり性を向上させることもできる。たとえば組成Ａの炭素鋼、および、組成Ａに比較的類似する組成を持つＪＩＳ Ｇ３６５１ ＳＷＯＳＣ−Ｖ（Ｓｉ含有量＝１．４質量％）について、完成した圧力リングにおける熱へたり性（ＪＩＳ Ｂ ８０３２−５における「接線張力減退度」）を評価したところ、組成Ａの炭素鋼は４％以下であり、ＪＩＳ Ｇ３６５１ ＳＷＯＳＣ−Ｖは４〜６％前後の水準である。すなわち、熱へたり性については、Ｓｉ含有量がより多い組成Ａの炭素鋼の方がＪＩＳ Ｇ３６５１ ＳＷＯＳＣ−Ｖよりも優れる。Ｍｎは鋼の溶解時の脱炭および鋼中のＳ固定のために添加される元素である。ここで、Ｍｎ含有量を０．３質量％以上とすることにより脱炭およびＳ固定をより確実に行うことができる。また、Ｍｎ含有量を１．０質量％以下とすることにより、冷間加工性の低下をより確実に防止できる。

ＣｒはＣと結合して炭化物を形成すると共に、窒化処理時に形成される窒化層の硬さを増す効果を有するため、窒化層の耐摩耗性の向上に寄与する元素である。ここで、Ｃｒ含有量を０．９質量％以上とすることにより窒化層の耐摩耗性を向上させることが容易となる。また、Ｃｒ含有量を１．９質量％以下とすることにより熱伝導性および線膨張係数の低下を抑制することができる。なお、Ｃｒ含有量は１．２質量％以上１．９質量％以下とすることがより好ましい。ＶもＣと結合して炭化物を形成すると共に、窒化処理時に形成される窒化層の硬さを増す効果を有するため、窒化層の耐摩耗性の向上に寄与する元素である。ここで、Ｖ含有量を０．０５質量％以上とすることにより窒化層の耐摩耗性を向上させることが容易となる。また、Ｖ含有量を０．４質量％以下とすることにより、線膨張係数の低下や、熱間加工性および冷間加工性の悪化を抑制できる。なお、Ｖ含有量が０．４質量％を超えると耐摩耗性を向上させる効果が飽和する傾向にある。

また、上記に列挙したＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ以外にもその他の元素が必要に応じて含まれていてもよい。たとえば、靱性を向上するために、Ｎｉが０．１質量％以上０．４質量％以下の範囲内で含まれていてもよい。

以下に本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明は以下に示す実施例にのみ限定されるものではない。

＜評価サンプルの作製＞
各種評価を行うために、必要に応じて所定の形状に加工した圧力リング用母材（以下、「基材」と称す場合がある）に対して窒化層を形成したり、硬質被膜を成膜した評価サンプルを作製した。この際の窒化処理条件および硬質被膜の成膜条件は以下の通りである。

−窒化層の形成−
窒化層の形成に際してはガス窒化処理を行った。この際の窒化処理条件は、処理温度：４００℃〜５００℃、処理時間：６時間〜１２時間、雰囲気ガス：ＮＨ_３とＮ_２とを含む混合ガスとし、この条件範囲内で適宜窒化処理条件を選択することにより所定の厚みおよび表面硬度を有する窒化層を形成した。

−非晶質炭化被膜（積層ＤＬＣ被膜）の成膜−
非晶質炭化被膜の成膜に際しては、基材をフィルタードアークイオンプレーティング装置内にセットした状態で、装置内を真空排気して減圧した後、基材を加熱した。その後、基材に対してバイアス電圧を−５０〜−３００Ｖの範囲内で印加した状態で、アルゴンイオンでイオンボンバードを行った。次に、バイアス電圧を−５０〜−３００Ｖの範囲内に設定した後、接着層としてＴｉ被膜を基材上に形成した。

次にＴｉ被膜上に、第一のアモルファスカーボン層と、第二のアモルファスカーボン層とを交互に成膜して積層した。ここで、第一のアモルファスカーボン層は、スパッタリング装置を用い、基材に対してバイアス電圧を−５０〜−３００Ｖの範囲内で印加した状態で、カーボンターゲットを用いてアルゴンガス雰囲気下にて成膜した。また、第二のアモルファスカーボン層は、フィルタードアークイオンプレーティング装置を用い、基材に対してバイアス電圧を−５０〜−３００Ｖの範囲内で印加した状態で、カーボンターゲットを用いて成膜した。なお、第一のアモルファスカーボン層および第二のアモルファスカーボン層の成膜に際しては、膜中に水素が取り込まれることのないように、いずれの成膜に際しても成膜室に水素を含むガスを導入せずに実施した。また、第一のアモルファスカーボン層の厚みは８ｎｍとし、第二のアモルファスカーボン層の厚みは４００ｎｍとした。そして、１層の第一のアモルファスカーボン層と１層の、第二のアモルファスカーボン層とを１組２層とし、この１組２層単位で繰り返し積層し、所定の厚みとなるまで成膜した。

なお、第一のアモルファスカーボン層のみからなる厚さ（２μｍ）に成膜した単層膜サンプル１と、第二のアモルファスカーボン層のみからなる厚さ（２μｍ）に成膜した単層膜サンプル２とを作製し、それぞれ簡易な耐摩耗性試験を実施したところ、単層膜サンプル１の方が単層膜サンプル２よりも摩耗し易かったが、剥離、クラック、欠け等は逆に少なかった。

また、成膜された非晶質炭素被膜について、弾性反跳検出法（ＥＲＤＡ）にて水素分析を行い被膜中の水素濃度を測定したところ、いずれも０．０３５ａｔ％であった。

−窒化物被膜（ＰＶＤ（ＣｒＮ）被膜またはＰＶＤ（ＴｉＡｌ）Ｎ被膜）の成膜−
窒化物被膜の成膜に際しては、基材をアークイオンプレーティング装置内にセットした状態で、装置内を真空排気して減圧すると共に、基材を加熱した。次に、基材に対してバイアス電圧を−５００〜−１０００Ｖの範囲内で印加した状態で、成膜する窒化物被膜の膜組成に応じた金属ターゲット（ＣｒターゲットまたはＴｉＡｌターゲット）を利用してイオンボンバードを行った。次に、バイアス電圧を０〜−２００Ｖの範囲内に変更すると共に、装置内にプロセスガスを導入した状態で成膜し、所定の厚みと膜組成とを有する窒化物被膜を得た。なお、プロセスガスとしてはＮ_２ガスを用いた。

＜評価方法＞
１．平均線膨張係数
圧力リングの平均線膨張係数は、図３に示すように、ホットプレート５０上に、リングゲージ６０を配置し、さらにこのリングゲージ６０の内周側に測定サンプルである圧力リング７０を配置した状態で、リングゲージ６０および圧力リング７０を加熱し、この際の温度と圧力リング７０の合口７２のすき間Ｇとの関係から平均線膨張係数を求めた。また、圧力リング７０の代わりに圧力リング用母材の平均線膨張係数を測定する場合は、圧力リング用母材を、単に圧力リングと同様の合口を有する寸法形状に加工しただけの状態のサンプルを用いた。

ここで、合口７２のすき間Ｇは、光学顕微鏡のステージ（Ｘ−Ｙテーブル）上に、リングゲージおよび圧力リングを設置した状態のホットプレートを設置した状態で測定した。また、温度は熱電対および温度記録装置を利用してモニターした。なお、熱電対は、圧力リングおよびリングゲージの各々の上面部分に対して周方向に約９０度毎の位置（図３中のＡ１点〜Ａ４点およびＢ１点〜Ｂ４点の位置）に耐熱テープを用いて取り付け、熱電対の他端は温度記録装置に接続した。

なお、測定に際して用いた各種の機器および部材の詳細は以下の通りである。
・ホットプレート：
ＡＳ ＯＮＥ製ホットプレート、型番ＮＤ−１（ヒータ容量：６７０Ｗ、最高温度：３５０℃、マイコン式ＰＩＤ制御方式）
・リングゲージ：
リングゲージは市販品のアルミナ素材から外径φ１５０ｍｍ、内径φ８６ｍｍ、厚さ１５ｍｍの寸法に切り出し製作した。リングゲージ素材は純度９９．５％、密度３．９ｇ／ｃｍ^３、硬さ１５．７ＧＰａ、線膨張係数は８．７×１０^−６／℃（２５℃〜２００℃）、８．６×１０^−６／℃（２５℃〜１５０℃）、８．９×１０^−６／℃（２５℃〜３００℃）である。
・測定用サンプル（圧力リングおよび圧力リング用母材）：
測定に用いた圧力リングの、寸法はエンジンシリンダボア径φ８６ｍｍで、ボア軸方向の寸法（圧力リング幅）１．２ｍｍ、ボア径方向の寸法（圧力リング厚さ）２．９ｍｍである。圧力リングはリング状に加工した圧力リング用母材に対して、所定の窒化層を形成したり硬質被膜を形成したものを用いた。また、測定に用いた圧力リング用母材は、圧力リング用母材を上述した圧力リングと同様の形状に加工したものを用いた。
・熱電対：
Ｋ熱電対
・光学顕微鏡：
株式会社ミツトヨ製の測定顕微鏡（型番ＭＦ−Ａ１０１０Ｃ）を用い、測定に際しては最小表示量を０．００１ｍｍとして使用した。
・温度記録装置：
グラフテック製の温度記録装置（ｍｉｄｉ ＬＯＧＧＥＲ、型番ＧＬ２２０）を使用した。

−合口すきまの寸法の測定手順−
平均線膨張係数を求めるために必要な各温度における合口７２のすき間Ｇは、以下に示す（１）〜（７）の手順で測定した。
（１）室温２０℃（Ｔ_２０）の恒温室内にて、東京精密製三次元座標測定機の測定テーブル上にリングゲージを置き、測定プローブを介してリングゲージ内周面の円周方向に４５度毎にリングゲージ内周面の座標を検出し、これら８点の座標から演算処理された平均径をリングゲージ内径寸法ＧＤ_２０とする。
（２）リングゲージおよび圧力リングの所定の位置にＫ熱電対を耐熱テープで固定する。
（３）定盤上にリングゲージを置き、圧力リングをリングゲージの内周面に対して水平に挿入する。
（４）圧力リングが装着されたリングゲージをホットプレートの天板上に置く。
（５）ホットプレートにより、温度記録装置で表示されるリングゲージおよび圧力リングの平均温度が２５℃（Ｔ_２５）に昇温したところで、この温度を恒温として圧力リングの合口すきまを繰り返し１０回測定し、記録する。
（６）続いて、ホットプレートにより、温度記録装置で表示されるリングゲージおよび圧力リングの平均温度が１５０℃（Ｔ_１５０）に昇温したところで、この温度を恒温として保ちながら圧力リングの合口すきまを繰り返し１０回測定し、記録する。
（７）続いて、ホットプレートにより、温度記録装置で表示されるリングゲージおよび圧力リングの平均温度が２００℃（Ｔ_２００）に昇温したところで、この温度を恒温として圧力リングの合口すきまを繰り返し１０回測定し、記録する。
（８） 以上の手順において、（５）〜（７）で測定した圧力リングの合口すきまの平均値を算出しそれぞれをｓ１_２５、ｓ１_１５０、ｓ１_２0０とする。

−平均線膨張係数の算出手順−
２５℃、１５０℃および２００℃の各々において、以下の（Ｉ）〜（ＸＩ）示す数値設定および計算式を用いた計算を行うことで、室温２５℃〜１５０℃の範囲内における平均線膨張係数と室温２５℃〜２００℃の範囲内における平均線膨張係数とをそれぞれ求めた。

（Ｉ）室温２０℃におけるリングゲージ内径をＧＤ_２０とし、線膨張係数（αＧ）は８．７×１０^−６／℃を使用する。
（ＩＩ）室温（２５℃）のリングゲージの内周の周長（ＧＬ_２５）は、下式に基づき求めた。
ＧＬ_２５＝ＧＤ_２０×π＋（ＧＤ_２０×π）×（Ｔ_２５−Ｔ_２０）×αＧ
（ＩＩＩ）室温（２５℃）の圧力リング外周摺動面の周長（ＲＬ_２５）は、下式に基づき求めた
ＲＬ_２５＝ＧＬ_２５−ｓ１_２５

（ＩＶ）高温時（１５０℃）のリングゲージの内周の周長（ＧＬ_１５０）は、下式に基づき求めた。
ＧＬ_１５０＝ＧＤ_２０×π＋（ＧＤ_２０×π）×（Ｔ_１５０−Ｔ_２０）×αＧ
（Ｖ）高温時（１５０℃）の圧力リング外周摺動面の周長（ＲＬ_１５０）は、下式に基づき求めた。
ＲＬ_１５０＝ＧＬ_１５０−ｓ１_１５０
（ＶＩ）高温時（１５０℃）の圧力リング外周摺動面の周長変化量（ΔＲＬ_１５０）は、下式に基づき求めた。
ΔＲＬ_１５０＝ＲＬ_１５０−ＲＬ_２５
（ＶＩＩ）高温時（１５０℃）の圧力リングの平均線膨張係数（αＲ_１５０）は、下式に基づき求めた。
αＲ_１５０＝（ΔＲＬ_１５０／ＲＬ_２５）／（Ｔ_１５０−Ｔ_２５）

（ＶＩＩＩ）高温時（２００℃）のリングゲージの内周の周長（ＧＬ_２００）は、下式に基づき求めた。
ＧＬ_２００＝ＧＤ_２０×π＋（ＧＤ_２０×π）×（Ｔ_２００−Ｔ_２０）×αＧ
（ＩＸ）高温時（２００℃）の圧力リング外周摺動面の周長（ＲＬ_２００）は、下式に基づき求めた。
ＲＬ_２００＝ＧＬ_２００−ｓ１_２００
（Ｘ）高温時（２００℃）の圧力リング外周摺動面の周長変化量（ΔＲＬ_２００）は、下式に基づき求めた。
ΔＲＬ_２００＝ＲＬ_２００−ＲＬ_２５
（ＸＩ）高温時（２００℃）の平均線膨張係数（αＲ_２００）は、下式に基づき求めた。
αＲ_２００＝（ΔＲＬ_２００／ＲＬ_２５）／（Ｔ_２００−Ｔ_２５）

２．圧力リング外周摺動面の耐摩耗性評価
圧力リングの外周摺動面の摩耗が増加すると、合口すきまの増大、および、圧力リングとシリンダボアとのシール性の悪化が生じ、結果的にブローバイガス量の増加を招く。このため、圧力リングの外周摺動面を模したサンプルを用いて、以下に示す手順にて圧力リングの外周摺動面の耐摩耗性の評価を行った。

ここで、圧力リングの外周摺動面の耐摩耗性は、図４に示すピンオンプレート式往復動摩擦試験機を用いて評価した。この往復動摩擦試験機は、ピンの先端部に必要に応じて表面処理（硬質被膜の成膜または窒化処理による窒化層の形成）が行なわれた上試験片１００を、スプリング荷重により荷重Ｐを加えてプレート状の下試験片１１０に押し付け、下試験片１１０が往復動することにより両者が摺動するよう構成されている。ここで、下試験片１１０は、ヒータ１２２を内蔵した保持台１２０の上面に固定されており、下試験片１１０を必要に応じて加熱することができる。なお、下試験片１１０を加熱する際には、下試験片１１０の温度をモニターするために、下試験片１１０には熱電対（図４中、不図示）が取り付けられる。

また、往復動摩擦試験に際して用いた上試験片１００は、圧力リングの外周側部分に見立てた部材であり、ピンの材質には圧力リング用母材を使用し、ピンの先端部には圧力リングの外周面に施した表面処理（硬質被膜の成膜または窒化層の形成）を実施した。なお、この上試験片１００の作製に用いたピンは、直径が８ｍｍであり、ピンの先端部（摺動面）は、曲率半径が１８ｍｍとなるように鏡面仕上げされたものである。また、下試験片１１０は、鋳鉄製シリンダライナを鋳ぐるんだアルミニウム合金製シリンダブロックのシリンダボアに見立てた部材であり、プレートの材質にはシリンダボア相当材の鋳鉄を使用した。また、往復動摩擦試験に際しては、上試験片１００と、下試験片１１０との摺動界面にチュービングポンプやエアディスペンサーを用いて潤滑油を供給した。この際の試験条件は以下の通りである。
・ストローク：５０ｍｍ
・荷重Ｐ：１００Ｎ
・速度：３００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎ
・下試験片１１０の温度：室温（２５℃）
・使用した潤滑油：０Ｗ−２０（粘度分類ＳＡＥ Ｊ３００）
・試験時間：６０分間

そして試験の前後で、上試験片１００の先端部の形状および下試験片１１０の表面（上試験片１００と摺動する領域の中央部近傍の位置の表面）を表面粗さ計により測定することで摩耗量を求めた。また、上試験片１００については試験終了後に先端部を光学顕微鏡により観察し、先端部のクラック・欠け・剥離の発生状況について確認した。

３．圧力リング側面の耐摩耗性評価
アルミニウム合金製ピストンのリング溝に装着された圧力リングおよびリング溝は、ピストンの往復運動により、互いに叩かれ、摺動し摩耗する。そして、摩耗が増加するとリング溝と圧力リング側面とのクリアランスが拡大し、結果的にブローバイガス量の増加を招く。このため、圧力リングの側面を模したサンプルを用いて、以下に示す手順にて、圧力リング側面の耐摩耗性評価を行った。

ここで、圧力リングの外周摺動面の耐摩耗性は、図４に示すピンオンプレート式往復動摩擦試験機を用いて評価した。また、往復動摩擦試験に際して用いた上試験片１００は、圧力リングの側面側部分に見立てた部材であり、ピンの材質には圧力リング用母材を使用し、ピンの全面には、必要に応じて圧力リングの側面と同様の窒化処理を行い、窒化層を形成した。なお、この上試験片１００の作製に用いたピンは、直径が８ｍｍであり、ピンの先端部（摺動面）は、曲率半径が１８ｍｍとなるように鏡面仕上げされたものである。また、下試験片１１０は、アルミニウム合金製ピストンに見立てた部材であり、ＪＩＳ規格 Ｈ５２０２のＡＣ８Ａ材にＪＩＳ規格 Ｈ０００１のＴ６処理を実施したアルミニウム合金からなるプレートを用いた。また、往復動摩擦試験に際しては、上試験片１００と、下試験片１１０との摺動界面にチュービングポンプやエアディスペンサーを用いて潤滑油を供給した。この際の試験条件は以下の２水準である。なお、試験条件１は、内燃機関の燃焼室の温度が標準的な場合を想定したものであり、試験条件１における下試験片１１０の温度をより高温に変更した試験条件２は、内燃機関の燃焼室の温度がより高温となる場合、すなわち、高圧縮比あるいは過給機付きの高出力・高熱負荷化した内燃機関での圧力リングの使用を想定したものである。

−試験条件１−
・ストローク：５０ｍｍ
・荷重Ｐ：１００Ｎ
・速度：３００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎ
・下試験片１１０の温度：室温（２５℃）
・使用した潤滑油：０Ｗ−２０（粘度分類ＳＡＥ Ｊ３００）
・試験時間：６０分間

−試験条件２−
・ストローク：５０ｍｍ
・荷重Ｐ：１００Ｎ
・速度：３００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎ
・下試験片１１０の温度：１５０℃
・使用した潤滑油：０Ｗ−２０ （粘度分類ＳＡＥ Ｊ３００）
・試験時間：６０分間

そして試験の前後で、上試験片１００の先端部の形状および下試験片１１０の表面（上試験片１００と摺動する領域の中央部近傍の位置の表面）を表面粗さ計により測定することで摩耗量を求めた。

４．ブローバイガス量の評価
排気量２４００ｃｃ、ボア径φ８７ｍｍのエンジンに圧力リングを取り付けて、ブローバイガス量を測定した。なお、評価に使用した圧力リングの各所の寸法は、幅：１．２ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ、ブローバイガス量に影響する合口すき間：０．２０ｍｍとした。
測定に際しては、エンジンのならし運転を行った後に、エンジン回転速度：７１００ｒｐｍ、負荷条件：ＷＯＴ（ワイドオープンスロットル）の状態で、冷却水温度：１１０℃、潤滑油温度：１２５℃に設定した。この状態で、ならし運転の開始から約５時間に渡ってエンジンを稼働させ、この間における一分間当たりに発生する平均ブローバイガス量を計測した。なお、潤滑油温度は、通常の温度（９０℃）よりも高めに設定した。また、本試験では、試験時間が極めて短いため、圧力リングの外周摺動面および側面、ならびに、リング溝の摩耗が実質的に生じていない状態でブローバイガス量を評価していることになる。すなわち、本試験においてブローバイガス量に影響している主たる要因は、圧力リングの平均線膨張係数である。

５．熱伝導率測定
熱伝導率の測定は、圧力リング用母材からなるディスク状試験片（直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を用いてレーザーフラッシュ法により実施した。ここで測定装置としてはＮＥＴＺＳＣＨ社製の型式ＬＦＡ４５７を使用し、測定温度は室温とした。

６．ビッカース硬さ
ビッカース硬さは、測定サンプルを鏡面に研磨後、マイクロビッカース硬度計で試験力０．９８０７Ｎ、試験力の保持時間１５ｓの条件にて、ＪＩＳ Ｚ ２２４４ 「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準じて測定した。

＜評価結果＞
表１に、圧力リングの平均線膨張係数、耐摩耗性およびブローバイガス量の評価に用いるサンプルの作製に用いた圧力リング用母材の材質および物性値を示す。なお、本実施形態の圧力リングの作製に用いられる圧力リング用母材は、圧力リング用母材Ａ１〜Ａ３である。また、圧力リング用母材ＢはＳＷＯＳＣ−Ｖ相当材、圧力リング用母材ＣはＳＵＳ４４０Ｂ相当材である。

表２および表３に、表１に示す圧力リング用母材を用いて作製した各種の圧力リングの平均線膨張係数の評価結果を、圧力リング用母材の硬度、圧力リング本体部の外周面および上下面の表面処理条件と共に示す。ＳＷＯＳＣ−Ｖ相当材の圧力リング用母材Ｂを用いた比較例１、２では、圧力リング本体部の上下面に対して窒化処理を行っても、表面硬さＨＶが７００〜９００の範囲内の窒化層を形成することができなかった。また、ＳＵＳ４４０Ｂ相当材の圧力リング用母材Ｃを用いた比較例３、４では、圧力リングの平均線膨張係数は１３×１０^−６／℃未満であり、圧力リング本体部の側面の硬度ＨＶは、窒化層を形成すると９００を超え、窒化層を形成しない場合は７００未満であり、さらに、使用した圧力リング用母材の熱伝導係数は３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ未満であった。

表４に、圧力リングの外周面に設けられる硬質被膜とシリンダボアとの摩耗を想定した耐摩耗性を評価した結果を示す。なお、表４に示す相対摩耗量は、実験例Ｂ１の上試験片の摩耗量を基準値（１００）として評価した結果である。実験例Ｂ１は、現在市販されている自動車の内燃機関に広く利用されている圧力リングの外周面を模擬的に再現したものである。実用上の許容値は市場実績から上試験片の相対摩耗量で１１０以下と判断される。実験例Ａ１〜Ａ９と実験例Ｂ１との比較結果から、窒化層よりもより硬度の高い硬質被膜を設けることで摩耗が大幅に抑制できることが判った。また、実験例Ａ１〜Ａ６と実験例Ａ７〜Ａ９との比較結果から、硬質被膜の欠けやクラックを抑制する上では、硬質被膜の表面硬度ＨＶは、積層ＤＬＣ被膜については３２００以下が望ましく、ＣｒＮ系またはＴｉＡｌＮ系の膜組成を持つＰＶＤ被膜については２５００以下が望ましいことが判った。

表５に、圧力リングの上下面（側面）に形成される窒化層とリング溝との摩耗を想定した耐摩耗性を評価した結果を示す。なお、表５に示す相対摩耗量は、実験例Ｄ３の上試験片の試験条件１における摩耗量を基準値（１００）として評価した結果である。実験例Ｄ３は、現在市販されている自動車の内燃機関に広く利用されている圧力リングの上下面を模擬的に再現したものである。実用上の許容値は市場実績から試験条件１において、上試験片および下試験片の相対摩耗量の総和（ａ１＋ｂ１）で４００以下と判断される。なお、試験条件１は、通常の圧縮比で過給機無しの一般的な内燃機関を想定したものであるのに対して、試験条件２は、高圧縮比あるいは過給機付きの高出力・高熱負荷化した内燃機関での圧力リングの使用を想定して、下試験片の温度を１５０℃としている。高出力・高熱負荷化した内燃機関では、燃焼室の温度が高いために、ピストン頂部の温度が上昇すると共に、潤滑剤の粘度も低下するため、試験条件２ではこのような環境を疑似的に再現したものである。

試験条件１の評価結果からは、相対摩耗量の総和（ａ１＋ｂ１）は、窒化層が形成されている方がより抑制でき、さらに、窒化層を形成した場合は窒化層の表面硬度ＨＶが高ければ高いほど相対摩耗量の総和（ａ１＋ｂ１）を極小化できることが判った。しかしながら、試験条件２の評価結果からは、試験条件１において相対摩耗量の総和（ａ１＋ｂ１）が最も小さく窒化層の表面硬度ＨＶが最も高い実験例Ｄ４と比べて、窒化層の表面硬度ＨＶをやや低めの範囲内（７００〜９００）とした実験例Ｃ１〜Ｃ３の方が相対摩耗量の総和（ａ２＋ｂ２）がより小さくなっていることが判った。

表６に、ブローバイガス量の評価結果を示す。表６に示す試験では、試験時間が短いため、圧力リングの外周摺動面や上下面の摩耗の影響は殆ど無いと考えられる。このため、実施例１６と比較例５とのブローバイガス量の差は、圧力リングの平均線膨張係数の差に起因するものと考えられる。

１０ ：圧力リング
１２ ：合口
１４ ：外周摺動面
１６ ：上面
１８ ：下面
２０ ：圧力リング本体部
２２ ：外周面
２４Ｂ ：下面側部分
２４Ｌ ：内周面側部分
２４Ｒ ：外周面側部分
２４Ｕ ：上面側部分
２６ ：上面
２８ ：下面
３０ ：硬質被膜
３２ ：表面
４０ ：窒化層
５０ ：ホットプレート
６０ ：リングゲージ
７０ ：圧力リング（測定サンプル）
７２ ：合口（リングゲージ内）
１００ ：上試験片
１１０ ：下試験片
１２０ ：保持台
１２２ ：ヒータ

Claims (6)

1. アルミニウム合金製シリンダブロックおよびアルミニウム合金製ピストンを少なくとも備えた内燃機関に用いられ、
   合口を有するリング状の圧力リング本体部と、前記圧力リング本体部の外周面を被覆する硬質被膜とを備えた圧力リングであって、
   室温から２００℃の範囲内における前記圧力リングの平均線膨張係数が、１３．０×１０^−６／℃以上であり、
   前記圧力リング本体部を構成する材料が、熱伝導率が３０．０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であるマルテンサイト組成の炭素鋼であり、
   前記硬質被膜が、窒化物被膜および非晶質炭素被膜から選択される硬質被膜であり、
   前記圧力リング本体部の上面側部分および下面側部分には、ビッカース硬さＨＶが７００以上９００以下の範囲内である窒化層が形成されていることを特徴とする圧力リング。
2. 請求項１に記載の圧力リングにおいて、
   前記窒化物被膜は、
   ＣｒＮ系およびＴｉＡｌＮ系から選択されるいずれかの膜組成を有し、かつ、
   ビッカース硬さＨＶで８００以上２５００以下の範囲内の表面硬度を有することを特徴とする圧力リング。
3. 請求項１に記載の圧力リングにおいて、
   前記非晶質炭素被膜は、
   ビッカース硬さＨＶで１２００以上３２００以下の範囲内の表面硬度を有し、
   ０．３ａｔ％以下の水素濃度を有し、かつ、
   前記非晶質炭素被膜の前記圧力リング本体部が位置する側から順に、第一のアモルファスカーボン層と、前記第一のアモルファスカーボン層とは膜質の異なる第二のアモルファスカーボン層とが交互に積層されていることを特徴とする圧力リング。
4. 請求項３に記載の圧力リングにおいて、前記非晶質炭素被膜と、前記圧力リング本体部との間に、厚さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下のＴｉ被膜、Ｃｒ被膜、Ｓｉ被膜およびＶ被膜から選択される接着層が設けられていることを特徴とする圧力リング。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の圧力リングにおいて
   前記圧力リング本体部の上面側部分および下面側部分に設けられる前記窒化層の厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする圧力リング。
6. 熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、Ｃｒを０．９質量％以上１．９質量％以下、Ｖを０．０５質量％以上０．４質量％以下の範囲で含み、室温から２００℃の範囲における平均線膨張係数が１３．２×１０^−６／℃以上であるマルテンサイト組成の炭素鋼からなることを特徴とする圧力リング用母材。

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