JP5977322B2 - ピストンリング - Google Patents

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本発明は、内燃機関用ピストンリングに関する。
炭素系皮膜は低摩擦係数を有する皮膜として知られているが、皮膜応力が高く自己破壊するため厚膜化が困難である。特許文献１は、最表層が軟質層で、軟質層と硬質層とを交互に積層した多層構造とし、平滑表面を容易に得られる低摩擦係数の硬質炭素皮膜を提案している。
特開２００６−００８８５３号公報
特許文献１は硬質層と軟質層との硬度差について規定していない。しかしながら、特許文献１は、軟質層はなじみ層としての目的を有し、硬質層は耐摩耗層としての目的を有しているため、硬度は実施例１では軟質層１８ＧＰａ、硬質層４２ＧＰａ、実施例２では軟質層２０ＧＰａ、硬質層４１ＧＰａとされ、軟質層と硬質層の硬度差は大きいものとなっている。
本発明の目的は、低フリクションと耐摩耗性を有する炭素系皮膜を備えたピストンリングを提供することである。
第一の本発明のピストンリングは、ＤＬＣ皮膜（ＤＬＣ皮膜が水素を含む場合を除く）が摺動面に被覆されたピストンリングにおいて、前記皮膜は硬度の異なる２種類の層が複数層積層（但し、２層のみ積層される場合を除く）された積層皮膜であり、前記２種類の層の硬度差は５００〜１７００ＨＶで、硬度の高い層が硬度の低い層の厚さと同一又はそれ以上の厚さを有し、皮膜全体の厚さが５.０μｍ以上であることを特徴とする。
また、第二の本発明のピストンリングは、内燃機関において、ピストンリング外周摺動面には硬度の異なる２種類の層が交互に複数に積層されたＤＬＣ皮膜（ＤＬＣ皮膜が水素を含む場合を除く）が摺動面に被覆され、前記皮膜の最表層が硬度の高い層であり、前記２種類の層の硬度差は５００〜１７００ＨＶで、硬度の高い層が硬度の低い層の厚さと同一又はそれ以上の厚さを有し、前記硬度の高い層の厚さは５ｎｍ以上であり、皮膜全体の厚さが５.０μｍ以上であり、エンジン潤滑油を介してシリンダライナ用片状黒鉛鋳鉄材を相手摺動部材とし低摩擦摺動することを特徴とする。
前記硬度の高い層の厚さが５〜９０ｎｍであることが好ましい。
前記皮膜が被覆された面の母材粗さが１．０μｍＲｚ以下であることが好ましい。
前記皮膜の最表層が硬度の高い層であることが好ましい。
前記皮膜の硬度の低い層は炭素のみ、あるいは炭素の他にＣｒ又はＴｉが含まれていることが好ましい。
本発明のピストンリングによれば、炭素系皮膜を硬度差が５００〜１７００ＨＶである２種類の層の積層皮膜とすることで、厚膜化が可能になり、低フリクションで耐摩耗性に優れたものになる。硬度差が５００ＨＶ未満であると、皮膜割れにより摺動表面が荒れ、摩擦係数が大きくなり、相手材の摩耗も多くなる。硬度差が１７００ＨＶよりも大きくなると、摺動により低硬度層が摩耗して高硬度層の表面凸部（図１（ｂ）参照）に応力が集中して皮膜欠けを起こし、摩擦係数が大きくなるとともに相手材の摩耗も多くなる。皮膜の全体の厚さが５．０μｍ未満であると耐摩耗性が不足する。
本発明の一実施形態を示し、（ａ）はピストンリングの一部分を示す縦断面図、（ｂ）は皮膜部分の拡大断面図、（ｃ）は摺動後の皮膜表面の一部分を示す図である。 往復動摩擦試験機の概要図である。
以下、本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。
ピストンリング１は炭素系皮膜２が外周面に被覆されている。炭素系皮膜２はＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）皮膜で、硬度の異なる２種類の層Ａ，Ｂが２層以上積層された積層皮膜である。図１は２種類の層Ａ，Ｂが６層積層されており、最表層は硬度の高い層Ａである。２種類の層Ａ，Ｂの硬度差は５００〜１７００ＨＶである。硬度の高い層Ａ（以下、高硬度層Ａという。）の膜厚は５〜９０ｎｍであり、硬度の低い層Ｂ（以下、低硬度層Ｂという。）の厚さと同一又はそれ以上の厚さを有している。炭素系皮膜２の全体の膜厚は５．０μｍ以上である。外周面の母材粗さは１．０μｍＲｚ以下である。低硬度層ＢにＣｒ又はＴｉを含有させてもよく、Ｃｒ又はＴｉが含まれると高硬度層Ａとの密着性がより向上する。
高硬度層Ａの膜厚が５ｎｍより小さいと、摺動後の外周面に露出する高硬度層Ａと低硬度層Ｂの幅（図１（ｃ）参照）を充分確保できず、保油性が低下し、低フリクション効果が不充分になる。膜厚が９０ｎｍより大きくなると、摺動後の外周面に露出する高硬度層Ａと低硬度層Ｂの幅が大きくなり過ぎ、皮膜割れが発生し、摩擦係数が大きくなるとともに相手材の摩耗も多くなる。外周面の母材粗さが１．０μｍＲｚよりも大きいと、摺動により低硬度層Ｂが摩耗して高硬度層Ａの表面凸部（図１（ｂ）参照）に応力が集中して皮膜欠けを起こし、摩擦係数が大きくなるとともに相手材の摩耗も多くなる。最表層が高硬度層Ａであると、相手材の表面を早期に平滑化できる。
上記の炭素系皮膜２はＰＶＤ方式を用いて、スパッタリング（低硬度層Ｂを被覆）とイオンプレーティング（高硬度層Ａを被覆）を交互に行うことにより成膜された。各層の厚さは成膜時間を変更することにより調整し、硬度はバイアス電圧を変えることにより調整した。
以下、往復動摩擦試験機を使用して、自身の摩耗量、相手材の摩耗量、摩擦係数を測定した試験結果を説明する。
図２に、試験に使用した往復動摩擦試験機の概要を示す。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。
試験条件は以下の通りである。
荷重 ：１００Ｎ
速度 ：６００ｃｐｍ／ｍｉｎ
潤滑油 ：５Ｗ−２０
時間 ：１時間
上試験片：ＤＬＣ皮膜を施したピストンリング用鋼製ピン状試験片
下試験片：シリンダライナ用片状黒鉛鋳鉄材
Figure 0005977322
１ ピストンリング
２ 炭素系皮膜
Ａ 高硬度層
Ｂ 低硬度層

Claims (5)

  1. ＤＬＣ皮膜（前記ＤＬＣ皮膜が水素を含む場合を除く）が摺動面に被覆されたピストンリングにおいて、前記皮膜は硬度の異なる２種類の層が複数層積層（但し、２層のみ積層される場合を除く）された積層皮膜であり、前記２種類の層の硬度差は５００〜１７００ＨＶで、硬度の高い層が硬度の低い層の厚さと同一又はそれ以上の厚さを有し、皮膜全体の厚さが５.０μｍ以上であることを特徴とするピストンリング。
  2. エンジン潤滑油を介して片状黒鉛鋳鉄材を相手摺動部材とすることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
  3. 内燃機関において、
    ピストンリング外周摺動面には硬度の異なる２種類の層が交互に複数に積層されたＤＬＣ皮膜（前記ＤＬＣ皮膜が水素を含む場合を除く）が摺動面に被覆され、
    前記皮膜の最表層が硬度の高い層であり、前記２種類の層の硬度差は５００〜１７００ＨＶで、硬度の高い層が硬度の低い層の厚さと同一又はそれ以上の厚さを有し、前記硬度の高い層の厚さは５ｎｍ以上であり、皮膜全体の厚さが５.０μｍ以上であり、エンジン潤滑油を介してシリンダライナ用片状黒鉛鋳鉄材を相手摺動部材とし低摩擦摺動することを特徴とするピストンリング。
  4. 前記皮膜が被覆された面の母材粗さが１．０μｍＲｚ以下であり、
    低摩擦摺動することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のピストンリング。
  5. 前記皮膜の硬度の低い層が炭素のみ、あるいは炭素の他にCr又はTiが含まれており、
    低摩擦摺動することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のピストンリング。
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