JPS6258050A - ピストンリング - Google Patents
ピストンリングInfo
- Publication number
- JPS6258050A JPS6258050A JP19669785A JP19669785A JPS6258050A JP S6258050 A JPS6258050 A JP S6258050A JP 19669785 A JP19669785 A JP 19669785A JP 19669785 A JP19669785 A JP 19669785A JP S6258050 A JPS6258050 A JP S6258050A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- coating film
- piston ring
- film
- super
- hard
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、内燃機関用のピストンリングに係わり、特に
外周表面の耐スカッフィング性および耐摩耗性の双方を
改善した技術に関するものである。
外周表面の耐スカッフィング性および耐摩耗性の双方を
改善した技術に関するものである。
（従来の技術）
ピストンリングは、高温高圧の条件下でシリンダボア壁
面に摺接しつつ高速往復運動を行う部品であることから
、ピストンリングに要求された特性を満たすため、従来
よりピストンリング本体の摺動外局面に特別な表面処理
を施す技術が開発されている。たとえば、ピストンリン
グ本体の摺動外周面にイオンブレーティングによりＴｉ
Ｎ膜をコーティングしたもの（特開昭５７−６５８３７
号公報）、あるいはＰＶＤ法によりＴｉＣ，ＣｒＮ等の
超硬質物質をコーティングしたもの（特開昭５７−５７
８６８号公＠４）が仰られている。
面に摺接しつつ高速往復運動を行う部品であることから
、ピストンリングに要求された特性を満たすため、従来
よりピストンリング本体の摺動外局面に特別な表面処理
を施す技術が開発されている。たとえば、ピストンリン
グ本体の摺動外周面にイオンブレーティングによりＴｉ
Ｎ膜をコーティングしたもの（特開昭５７−６５８３７
号公報）、あるいはＰＶＤ法によりＴｉＣ，ＣｒＮ等の
超硬質物質をコーティングしたもの（特開昭５７−５７
８６８号公＠４）が仰られている。
（発明が解決しようとする問題点）
しかし、イオンブレーティングによりＴｉＮコーティン
グ膜を形成したものでは、耐スカッフィング性は優れて
いるものの、高負荷エンジン用ピストンリングとしては
耐摩耗性が十分とは言えず耐久性に難点がある。こｔＩ
は、高負荷エンジンに適用できる耐摩耗性を確保すべ（
、ＴｉＮコーティング膜の厚さを２０μｍ以上に設定す
ると、ピストンリング組付時に前記コーティング膜にク
ラγりが容易に発生するため、十分な耐人件を祷るため
に必要な皮膜を形成することができないからである。
グ膜を形成したものでは、耐スカッフィング性は優れて
いるものの、高負荷エンジン用ピストンリングとしては
耐摩耗性が十分とは言えず耐久性に難点がある。こｔＩ
は、高負荷エンジンに適用できる耐摩耗性を確保すべ（
、ＴｉＮコーティング膜の厚さを２０μｍ以上に設定す
ると、ピストンリング組付時に前記コーティング膜にク
ラγりが容易に発生するため、十分な耐人件を祷るため
に必要な皮膜を形成することができないからである。
また、ＴｉＮよりも一層耐摩耗性にすぐれた超硬質物質
をコーティングしたものでは、優れた耐摩耗性を確保で
きるものの、超硬質物質のコーティング膜は耐スカッフ
ィング性が劣るため、初Ｊｕｌスカッフィングが発生し
やすいという問題点がある。
をコーティングしたものでは、優れた耐摩耗性を確保で
きるものの、超硬質物質のコーティング膜は耐スカッフ
ィング性が劣るため、初Ｊｕｌスカッフィングが発生し
やすいという問題点がある。
本発明は、上記した両方の表向処理技術が有する問題点
を′Ｎ４ｍし、ピストンリング自体の耐スカッフィング
性および耐摩耗性を同時に満足させる技術を提供せんと
するものである。
を′Ｎ４ｍし、ピストンリング自体の耐スカッフィング
性および耐摩耗性を同時に満足させる技術を提供せんと
するものである。
（問題点を解決するための手段）
この目的達成のため、本発明の技術同手段は、ピストン
リング本体と、ピストンリング本体の少なくとも摺動外
周面に形成されたＣＢＮ、ＴｉＣ１Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、
ＳｉＣ，ダイヤモンド、ｌ！、Ｏ，等の超硬質物質より
なる超硬質コーティング膜と、該超硬質コーティング膜
の上に最表面層として形成されたＴｉＮコーティング膜
とから構成したことを特徴とするものである。
リング本体と、ピストンリング本体の少なくとも摺動外
周面に形成されたＣＢＮ、ＴｉＣ１Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、
ＳｉＣ，ダイヤモンド、ｌ！、Ｏ，等の超硬質物質より
なる超硬質コーティング膜と、該超硬質コーティング膜
の上に最表面層として形成されたＴｉＮコーティング膜
とから構成したことを特徴とするものである。
本発明を図面を用いてさらに詳しく説明する。
第１図は、本発明ピストンリングの一例を示す要部拡大
側面図である。図に示すように、本発明ピストンリング
は、ピストン１のリング溝２に装着され、母材であるピ
ストンリング本体３の少なくともシリンダボア４の壁面
と接する摺動外局面には、第２図に示すように、超硬質
コーティング膜５２と該超硬質コーティング膜５２の上
に最表面層として形成した’Ｉ’ｉＮコーティング膜５
３の膜層３らなるコーティング皮膜５が、イオンブレー
ティングまたはプラズマＣＶＤにより表面処理されてい
る。超硬質コーティング膜５２はピストンリング本体３
の摺動外周面に直接設ける構成とするほかに、第５図に
示すように、接着層としてＴｉ膜５１をピストンリング
本体５の摺動外周面に形成し、該Ｔｉ膜５１の上に前記
超硬質コーティング膜５２を設け、一層大きな密着力が
得られるように構成してもよい。このＴｉ膜５１の厚さ
は１μｍ位に設定すれば十分である。尚、第１図ないし
第３図では説明のためピストンリング本体３に比しコー
ティング膜５を適宜拡大している。
側面図である。図に示すように、本発明ピストンリング
は、ピストン１のリング溝２に装着され、母材であるピ
ストンリング本体３の少なくともシリンダボア４の壁面
と接する摺動外局面には、第２図に示すように、超硬質
コーティング膜５２と該超硬質コーティング膜５２の上
に最表面層として形成した’Ｉ’ｉＮコーティング膜５
３の膜層３らなるコーティング皮膜５が、イオンブレー
ティングまたはプラズマＣＶＤにより表面処理されてい
る。超硬質コーティング膜５２はピストンリング本体３
の摺動外周面に直接設ける構成とするほかに、第５図に
示すように、接着層としてＴｉ膜５１をピストンリング
本体５の摺動外周面に形成し、該Ｔｉ膜５１の上に前記
超硬質コーティング膜５２を設け、一層大きな密着力が
得られるように構成してもよい。このＴｉ膜５１の厚さ
は１μｍ位に設定すれば十分である。尚、第１図ないし
第３図では説明のためピストンリング本体３に比しコー
ティング膜５を適宜拡大している。
本発明で用いるピストンリングには、コンプレッション
リング（トップリング）およびオイルシールリング（オ
イルリング）が含まれる。
リング（トップリング）およびオイルシールリング（オ
イルリング）が含まれる。
ピストンリングの材料としては、主としてバネ鋼（５Ｗ
Ｏ８Ｃ−Ｖ）、工具鋼（ＳＫ６，５ＫＤｂ １）、ステ
ンレス鋼（１３Ｃｒ鋼、１１Ｃｒ鋼）、あるいはこわら
に硬質クロームめっきしたもの、並びに窒化処理したも
のを使用できる。
Ｏ８Ｃ−Ｖ）、工具鋼（ＳＫ６，５ＫＤｂ １）、ステ
ンレス鋼（１３Ｃｒ鋼、１１Ｃｒ鋼）、あるいはこわら
に硬質クロームめっきしたもの、並びに窒化処理したも
のを使用できる。
イオンブレーティングまたはプラズマＣＶＤによりコー
ティング膜５が形成されるピストンリング本体３の外周
面の表面あらさは、コーティング膜５の表面あらさくこ
大きな影響を及ぼすので、Ｒｚｌ、０μｍ以下に設定す
るのが好ましい。
ティング膜５が形成されるピストンリング本体３の外周
面の表面あらさは、コーティング膜５の表面あらさくこ
大きな影響を及ぼすので、Ｒｚｌ、０μｍ以下に設定す
るのが好ましい。
コーティング膜５の表面あらさはＲｚ３μｍ未満に設定
するものとする。これは、コーティング膜５の表面あら
さがＲｚ３μｍ以上になると、相手攻撃性が大きくなり
アブレーシブ摩耗により、１，７ダボア４壁而の摩耗が
顕著になるからである。ピストンリング本体３のシリン
ダボア４と接する摺動外局面にはコーティング膜５が必
ず設けられるが、ピストンリング本体３の上下面には必
要により設ければよい。
するものとする。これは、コーティング膜５の表面あら
さがＲｚ３μｍ以上になると、相手攻撃性が大きくなり
アブレーシブ摩耗により、１，７ダボア４壁而の摩耗が
顕著になるからである。ピストンリング本体３のシリン
ダボア４と接する摺動外局面にはコーティング膜５が必
ず設けられるが、ピストンリング本体３の上下面には必
要により設ければよい。
超硬質コーティング膜５２の材料としては、優れた耐摩
耗性が要求されるので、硬さが高いもツカ良く、たとえ
ｉｆ Ｔ ｉ （Ｃ，Ｎ）、 ＴｉＣ，Ｓ ｉＣ。
耗性が要求されるので、硬さが高いもツカ良く、たとえ
ｉｆ Ｔ ｉ （Ｃ，Ｎ）、 ＴｉＣ，Ｓ ｉＣ。
Ａｌ、０５． ＣＢＮ、ダイヤモンド等が挙げられる。
超硬質コーティング膜５２の厚さについては、できるだ
け厚い方がよいが、普通５〜１５μｍ程度あれば良好で
ある。超硬質コーティング膜５２の表面あらさｄ、シリ
ンダボア４への摩耗を考慮してＲｚ１μｍ以下であるこ
とが望ましい。
け厚い方がよいが、普通５〜１５μｍ程度あれば良好で
ある。超硬質コーティング膜５２の表面あらさｄ、シリ
ンダボア４への摩耗を考慮してＲｚ１μｍ以下であるこ
とが望ましい。
超硬質コーティング膜５２の表面状態がＲｚ２μｍを超
える場合には、パフ仕上げ等の機械的研摩により削除す
るほうが良い。なお、このパフ仕上げ等の機械的研Ｍは
、ＴｉＮコーティング膜５５を処理した優でも実施でき
る。
える場合には、パフ仕上げ等の機械的研摩により削除す
るほうが良い。なお、このパフ仕上げ等の機械的研Ｍは
、ＴｉＮコーティング膜５５を処理した優でも実施でき
る。
超硬質コーティング膜５２の上には、耐スカッフィング
性ｌこ優れ初期なじみ性も良いＴｉＮコーティング膜５
３を形成させる。ＴｉＮコーティング膜５３の厚さは超
硬質コーティング膜５２の厚さよりも薄くし、普通１〜
５μｍ程度であれば良好である。ＴｉＮコーティング膜
５３の表面あらさは、シリンダボア４への摩耗を考慮し
てＩＬｚ１μｍ以下であることが望ましい。
性ｌこ優れ初期なじみ性も良いＴｉＮコーティング膜５
３を形成させる。ＴｉＮコーティング膜５３の厚さは超
硬質コーティング膜５２の厚さよりも薄くし、普通１〜
５μｍ程度であれば良好である。ＴｉＮコーティング膜
５３の表面あらさは、シリンダボア４への摩耗を考慮し
てＩＬｚ１μｍ以下であることが望ましい。
コーティング膜５のピストン本体３への被着は、イオン
ブレーティングもしくはプラズマＣＶＤにより行われる
。イオンブレーティングによる方法では、気相状態にて
コーティング膜５の、＠着物質を真空中でイオン化して
、ピストンリング本体３への粒子衝突エネルギーを高め
、比較的低温でも密着度、純度の大きい皮膜５を形成で
きる。プラズマＣＶＤによる方法でも、コーティング膜
５の材ｆＡｋプラズマにて加熱蒸発し、真空中でこれ金
ピストンリング本体５にａｙＱさせることｌこより、密
着度、純度の大きい薄い被膜５を均一な厚さで形成でき
る。
ブレーティングもしくはプラズマＣＶＤにより行われる
。イオンブレーティングによる方法では、気相状態にて
コーティング膜５の、＠着物質を真空中でイオン化して
、ピストンリング本体３への粒子衝突エネルギーを高め
、比較的低温でも密着度、純度の大きい皮膜５を形成で
きる。プラズマＣＶＤによる方法でも、コーティング膜
５の材ｆＡｋプラズマにて加熱蒸発し、真空中でこれ金
ピストンリング本体５にａｙＱさせることｌこより、密
着度、純度の大きい薄い被膜５を均一な厚さで形成でき
る。
（作用）
本発明ピストン＋７ングは摺動外周面に超硬質′−ティ
′グ膜をノ杉！戊し、ざらをここの上１こＴｉＮコーテ
ィング膜を形成する構造としたので、コーティング膜を
２０μｍ以上の厚さに設定しなくとも、優れたｌｌｌ１
［スカッフィング性を確保できるとともｆこ、超硬質コ
ーティング膜により優ねた耐摩耗性を確保できる。した
がって、高負荷エンジン用のピストンリングとしても、
相手部材であるシリンダボアの摩耗を減少させ、スカッ
フィングを発生させることなく、高いガスシール性ｎヒ
（オイルシール性能）を保証しつつ耐久性が向上するこ
とになる。この場合、コーティング膜の厚さを２０μｍ
以下ｌ以下定できるので、コーティング膜にクラックが
発生することを防止でき、耐熱性、耐焼句性についても
優れた効果を維持できる。
′グ膜をノ杉！戊し、ざらをここの上１こＴｉＮコーテ
ィング膜を形成する構造としたので、コーティング膜を
２０μｍ以上の厚さに設定しなくとも、優れたｌｌｌ１
［スカッフィング性を確保できるとともｆこ、超硬質コ
ーティング膜により優ねた耐摩耗性を確保できる。した
がって、高負荷エンジン用のピストンリングとしても、
相手部材であるシリンダボアの摩耗を減少させ、スカッ
フィングを発生させることなく、高いガスシール性ｎヒ
（オイルシール性能）を保証しつつ耐久性が向上するこ
とになる。この場合、コーティング膜の厚さを２０μｍ
以下ｌ以下定できるので、コーティング膜にクラックが
発生することを防止でき、耐熱性、耐焼句性についても
優れた効果を維持できる。
（実施例）
以下、本発明の実施ｆｌＪを比較例とともに説明する。
イオンブレーティング法またはプラズマＣｖＤ法により
ピストンリング本体の少なくともシリンダボアと接する
摺動外周面に１表面あらさ１ｚＯ２８μｌｎのコーティ
ング膜を１８μｍ厚に形成した。この場合、ピストンリ
ング本体の材質は、１５Ｃ「ステンレス鋼にガス窒化処
理（窒化深さ５０μｒｎ、ｆｆ而面さ１−ｔｖｌｌｏｏ
）を施したものを用いた。コーティング膜は、対表Ｗ」
を厚さ６μｍのＴ、ｉＮコーティング膜とし、表面から
二番目を厚さ１５μｍの超硬質コーティング膜とした。
ピストンリング本体の少なくともシリンダボアと接する
摺動外周面に１表面あらさ１ｚＯ２８μｌｎのコーティ
ング膜を１８μｍ厚に形成した。この場合、ピストンリ
ング本体の材質は、１５Ｃ「ステンレス鋼にガス窒化処
理（窒化深さ５０μｒｎ、ｆｆ而面さ１−ｔｖｌｌｏｏ
）を施したものを用いた。コーティング膜は、対表Ｗ」
を厚さ６μｍのＴ、ｉＮコーティング膜とし、表面から
二番目を厚さ１５μｍの超硬質コーティング膜とした。
超硬質コーティング膜の材質としてＴｉＣ。
Ｓ ｉＣ，Ａ４０ｓ 、 ＣＢＮ、ダイヤモンドをそれ
ぞれ用い、５梱類のピストンリング（別表中のＮ１１Ｌ
１〜５のもの）を得た。
ぞれ用い、５梱類のピストンリング（別表中のＮ１１Ｌ
１〜５のもの）を得た。
実施例と同様に、上記ピストンリング本体の摺動外周面
に、表面あらさＲ２Ｏ０８μｍのコーティング膜を１０
μＩｌｌ厚に一層形成した。このコーティング膜の材質
として’ＬｔＮ、’ｒ＋ｃ、５ｔＣ−Ａ７１！ｔＯｓ。
に、表面あらさＲ２Ｏ０８μｍのコーティング膜を１０
μＩｌｌ厚に一層形成した。このコーティング膜の材質
として’ＬｔＮ、’ｒ＋ｃ、５ｔＣ−Ａ７１！ｔＯｓ。
ＣＢＮ、 ダイヤモンドをそれぞれ用い、６種類のピス
トンリング（別表中の隘６〜１１のもの）を得た。
トンリング（別表中の隘６〜１１のもの）を得た。
上記実施例および比較例で得られた１１種のピストンリ
ングを１．１６００（（，４０イ／） ／Ｌ／、水冷４
気筒のガソリンエンジンのピストンに組み込み、高鉛ガ
ソリン（Ｐｂ１２ｔ／ＵＳガロン）を使用し、全負荷３
００時間の耐久テストを実施した。テスト後のトップリ
ングとオイルリングサイトレールの摩耗量、ならびに初
期スカッフィング発生の有無を各ピストンリングについ
て測定した。
ングを１．１６００（（，４０イ／） ／Ｌ／、水冷４
気筒のガソリンエンジンのピストンに組み込み、高鉛ガ
ソリン（Ｐｂ１２ｔ／ＵＳガロン）を使用し、全負荷３
００時間の耐久テストを実施した。テスト後のトップリ
ングとオイルリングサイトレールの摩耗量、ならびに初
期スカッフィング発生の有無を各ピストンリングについ
て測定した。
この測定結果を次表に示す。
Ｎα１〜１１のピストンリングの実機台上評価結果より
次のことが言える。
次のことが言える。
コーティング膜がＴｉＮ一層のピストンリング（隘６の
もの）は、スカッフィングの発生がなく良好であるが、
摺動外周部の摩耗量が５０μｍ前後と非常に多く、十分
な耐久性が得られなかった。また、ＴｉＮよりも硬さの
高いＴｉＣ，ＳｉＣ。
もの）は、スカッフィングの発生がなく良好であるが、
摺動外周部の摩耗量が５０μｍ前後と非常に多く、十分
な耐久性が得られなかった。また、ＴｉＮよりも硬さの
高いＴｉＣ，ＳｉＣ。
Ａ、１２０． 、 ＣＢ Ｎ 、 ダイヤモンドによ
り一層のコーティング膜を形成したピストンリング（Ｎ
ｌ ｂ〜１１のもの）は、摺動外周部の摩耗量が３０μ
ｍ〜１０μｍ前後と少なくなり耐久性が向上したが、ス
カッフィングが発生した。
り一層のコーティング膜を形成したピストンリング（Ｎ
ｌ ｂ〜１１のもの）は、摺動外周部の摩耗量が３０μ
ｍ〜１０μｍ前後と少なくなり耐久性が向上したが、ス
カッフィングが発生した。
これに対して１本実施例に係るピストンリング（Ｎｌｌ
Ｌ１〜５のもの）のごとくコーチインク膜を、ＴｉＮよ
りも硬さの高いＴ ｉＣ、Ｓ ｒ Ｃ９Ａ４０ｓ ５Ｃ
ＢＮ、ダイヤモンドを材質とする超硬質コーティング膜
の上にＴｉＮコーティング膜を形成させた２層構造にす
ると、スカッフィングの発生がなく良好になるととも（
こ、摩耗量も１８μｍないし５μｍの範囲に減少し耐久
性が著しく向上した。
Ｌ１〜５のもの）のごとくコーチインク膜を、ＴｉＮよ
りも硬さの高いＴ ｉＣ、Ｓ ｒ Ｃ９Ａ４０ｓ ５Ｃ
ＢＮ、ダイヤモンドを材質とする超硬質コーティング膜
の上にＴｉＮコーティング膜を形成させた２層構造にす
ると、スカッフィングの発生がなく良好になるととも（
こ、摩耗量も１８μｍないし５μｍの範囲に減少し耐久
性が著しく向上した。
（発明の効果）
以上の記載から明らかなようＩこ、本発明のピストンリ
ングは、ピストンリング本体の少なくとも摺動外局面に
、内側をＴｉＣ等の超硬質材料、外側をＴｉＮ材料とす
る２層構造のコーティング膜を形成したから、従来構造
では得られなかった効果、すなわち、優れた耐スカッフ
ィング性と耐摩耗性を同時に保証し、熱負荷の高い使用
条件下でもコーティング膜のクラック発生を防止し、安
定したガスシール性能を有し、高負荷エンジン用として
十分適合することができる、という格別の効果を奏する
。
ングは、ピストンリング本体の少なくとも摺動外局面に
、内側をＴｉＣ等の超硬質材料、外側をＴｉＮ材料とす
る２層構造のコーティング膜を形成したから、従来構造
では得られなかった効果、すなわち、優れた耐スカッフ
ィング性と耐摩耗性を同時に保証し、熱負荷の高い使用
条件下でもコーティング膜のクラック発生を防止し、安
定したガスシール性能を有し、高負荷エンジン用として
十分適合することができる、という格別の効果を奏する
。
第１図は本発明に保るピストンリングをピストンに装着
した状態を示す断面図、第２図は第１図のピストンリン
グの要部拡大断面図、第５図は第２図のピストンリング
に接着層を設けた例を示す要部断面図である。 Ｓ・・・ピストンリング本体、５・・・コーティング被
膜、５２・・・超硬質コーティング膜、５３・・・Ｔｉ
Ｎコーティング膜。 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 代理人 升埋士 萼 優 美（ほか１名）第１
図 ３９．ｅ”１１−＞Ｊニー’）一本件。 ５２・・ 葦１石史−亀〕−テベ７７腹牙３図
５
した状態を示す断面図、第２図は第１図のピストンリン
グの要部拡大断面図、第５図は第２図のピストンリング
に接着層を設けた例を示す要部断面図である。 Ｓ・・・ピストンリング本体、５・・・コーティング被
膜、５２・・・超硬質コーティング膜、５３・・・Ｔｉ
Ｎコーティング膜。 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 代理人 升埋士 萼 優 美（ほか１名）第１
図 ３９．ｅ”１１−＞Ｊニー’）一本件。 ５２・・ 葦１石史−亀〕−テベ７７腹牙３図
５
Claims (1)
- （１）ピストンリング本体の少なくとも摺動外周面に、
ＣＢＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＳｉＣ、ダイヤモン
ド、Ａｌ＿２Ｏ＿３等の超硬質物質からなる超硬質コー
ティング膜を形成し、さらに該超硬質コーティング膜の
上に、最表面層となるＴｉＮコーティング膜を形成した
ことを特徴とするピストンリング。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19669785A JPS6258050A (ja) | 1985-09-05 | 1985-09-05 | ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19669785A JPS6258050A (ja) | 1985-09-05 | 1985-09-05 | ピストンリング |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6258050A true JPS6258050A (ja) | 1987-03-13 |
| JPH0554594B2 JPH0554594B2 (ja) | 1993-08-12 |
Family
ID=16362081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19669785A Granted JPS6258050A (ja) | 1985-09-05 | 1985-09-05 | ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6258050A (ja) |
Cited By (9)
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