JPS6314175B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐摩耗性皮膜を皮膜した内燃機関用ピ
ストンリングの製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、内燃機関用ピストンリングに要求される
耐摩耗性を付与するため行なわれている表面被覆
処理として硬質クロムめつきが代表的なものであ
り、その他の処理も試みられているとはいえ現在
主流をなしているものは硬質クロムめつきであ
る。硬質クロムめつきが主に用いられてきた理由
は、優れた耐摩耗性を有し、相手鋳鉄シリンダに
対する耐焼付き性が高い等、ピストンリングとし
ての性能上総合的に優れた特性が工業的に容易に
得られることによる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、近年、内燃機関の高出力化、高性能化
および排気ガス処理対策が進むに従い、ピストン
リングの受ける熱負荷が高くなつてきており、従
来の硬質クロムめつきでは耐熱，耐摩耗，耐焼付
き性面で満足すべき性能を得ることが難かしくな
つてきている。すなわち硬質クロムめつきは内燃
機関の使用条件下で高温にさらされると、かなり
の硬さの低下をきたし、クラツクの増大を招く
為、熱負荷の高くなつてきている最近の内燃機関
においては、しばしば高温摺動下での摩耗量の増
大やスカツフイングの発生を起こしており、硬質
クロムめつきを上廻る耐熱，耐摩耗，耐スカツフ
イングに優れた表面処理皮膜を備えたピストンリ
ングの開発を待望されているのが実情である。

そもそも、内燃機関用ピストンリングの表面処
理として要求される品質，性能として次の事項が
挙げられる。

ピストンリングの表面処理自体の耐摩耗性が優
れていること。

相手シリンダの摩耗も少ないこと。

熱負荷がかかつても、硬さの著しい低下、クラ
ツクの増大，皮膜の変質等が起らないこと。

耐熱付き性に優れていること。

以上の品質，性能を満足させ得る材料の選択に
ついて吟味したところ、最も有力なものはセラミ
ツクスであるが、高融点，高硬度のセラミツクス
を安定して被覆できる手法についてさらに検討す
る必要性を見出した。すなわち、プラズマ溶射
法，化学的蒸着法，および物理的蒸着法などの方
法をピストンリングに適用する可能性があるが、
利害得失があるため、物理的蒸着法の中で、最も
密着度が高く、ある程度の厚膜処理が可能であり
ピストンリング表面処理に適用できる可能性が高
いイオンプレーテイングに着目して研究を行なつ
た。周知のようにイオンプレーテイング手法は近
年急速に処理技術の改良が進んでおり、硬い炭化
物，窒化物および酸化物などの硬質化合物、すな
わちセラミツクスを高純度で密着性良く基体上に
めつきできるようになつてきた。イオンプレーテ
イング法の一般的特徴は蒸着物質を気相状態にお
いてイオン化し、その結果としてイオン化された
粒子の活性度が高められ、又基板への粒子衝突エ
ネルギを上げられる為、比較的低温でも密着度の
良い皮膜が得られることであり、更に蒸着雰囲気
を変えることにより、炭化物，窒化物，酸化物
等，広範囲の化合物質を安定して着けられるとこ
ろにある。

しかしながら、TiイオンとＮイオンを同時に
プレーテイングする方法では所望の性能の皮膜を
得ることができなかつた。よつて本発明はこの点
を解決するとともに、窒化チタン膜厚，皮膜表面
あらさおよび皮膜硬さを特定することにより、従
来用いられている硬質クロムめつきと比較して耐
熱，耐摩耗，耐焼付き性、クラツク発生の点で大
巾に上廻る性能を有し、内燃機関用ピストンリン
グの皮膜として有効な窒化チタン皮膜の形成方法
を見出すことを目的とする。

本発明は、ピストンリングの少なくとも摺動外
周面にイオンプレーテイングにより窒化チタン皮
膜を被膜せしめる際に、イオンプレーテイング前
に被覆予定面のあらさを2μ以下にし、その後高
真空イオンプレーテイングにより、チタンのイオ
ンプレーテイングの次に窒素のイオンプレーテイ
ングを行なうことにより、皮膜の硬さがHv1300
以上、皮膜の厚さ３〜20μ、皮膜のあらさが2μ以
下の窒化チタン皮膜を形成することを特徴とす
る。

本発明の構成要件について述べる。

イオンプレーテイング手法によりコーテイング
される窒化チタン皮膜に限定した理由は、窒化チ
タンが高融点であり、しかも、他のセラミツクス
に比較して、勒性が高く、さらに母材として使用
する鋳鉄や鋼の線膨張係数に近い膨張係数を有し
ており、かかる窒化チタン皮膜を母材に対し密着
度良く、しかもピストンリングの母材を軟化およ
び変形させない程度の低温でコーテイングでき、
かくしてコーテイングされた窒化チタン（TiN）
が前述の如く耐熱性に優れ、かつ熱履歴に対して
大巾の性能劣化を示さないからである。一般に、
ピストンリングは自己張力でシリンダに密着さ
せ、シール効果をはたす為、自由状態では合い口
が開いた凝似楕円形となつている。この為、シリ
ンダに装着した状態では変形により応力のかかつ
た状態で使用されるので、表面被膜材もその変形
に応じて変形し、剥離，クラツク等に耐えるだけ
の勒性が求められる。又、内燃機関用ピストンリ
ングは燃焼ガスにさらされる為、熱負荷を受ける
が母材と表面被覆材の線膨張係数が極端に異なる
場合は熱歪により表面被膜材にクラツクの発生が
起る。ところが、窒化チタン（TiN）の線膨張
係数は9.4×10^-6／℃とセラミツクスの中では高
い値である為、ピストンリングの母材として使用
する鋳鉄（11〜12×10^-6／℃）および鋼（12〜13
×10^-6／℃）との膨張係数の差が小さく、加熱，
冷却を繰返してもクラツクを生じない。ちなみに
耐摩耗性皮膜として実績のある炭化チタン
（TiN）（7.6×10^-6／℃）および炭化ケイ素
（SiC）（4.4×10^-6／℃）を鋼に夫々、イオンプレ
ーテイング手法により厚さ10μつけて400℃に加
熱冷却したところクラツクの発生を見た。

以上のように、ピストンリングの表面被覆材に
要求される皮膜の勒性および適当な線膨張係数を
有するものとして、窒化チタン（TiN）に限定
した。

窒化チタン（TiN）の皮膜硬さをHv1300以上
に限定した理由は窒化チタン皮膜（TiN）の硬
さがHv1300未満になると摩耗量が急速に増大す
る為である。

後述のようにイオンプレーテイング処理条件に
より、種々の硬さの窒化チタン（TiN）をピス
トンリングの外周面にコーテイングし、ロータリ
ング式摩耗試験機でテストした。その摩耗試験結
果を第１図に示す。

この摩耗試験においては、相手ロータにはシリ
ンダライナ相当の鋳鉄材を使用し、無潤滑
（dry），摺動速度３ｍ／sec，距離234ｍ，荷重0.9
Kgの条件を採用した。第１図の結果から明らかな
ように、窒化チタン（TiN）皮膜の硬さが
Hv1300未満になると急速に摩耗量が極めて多く
なる為、Hv1300以上に限定した。

窒化チタン（TiN）の皮膜厚さについては、
3μ未満では耐摩耗性皮膜としての効果が充分で
なく、20μを越えるとピストンリング装着時およ
び使用時の応力負荷状態でクラツクが発生し易く
なる為、３〜20μに限定した。窒化チタンの皮膜
厚さは被覆場所により上下面の場合には３〜6μ、
外周摺動面の場合には10〜15μが好ましい。

外周摺動面あらさについては、2μを越えると
相手シリンダのキズの発生が顕著になる為、2μ
以下と限定した。

上記説明のイオンプレーテイングによる窒化チ
タン皮膜は最も苛酷な条件にさらされるピストン
リングの摺動外周面には必ず被着させなければな
らないが、その他の面、例えば上下面には特に必
要な場合に適用すればよい。

本発明によるピストンリングを製造するために
は、先ず常法により鋳鉄又は鋼によりピストンリ
ング母材を製造し、次にその表面のあらさを研摩
等により調節する。これは、本発明のピストンリ
ングの窒化チタン（TiN）皮膜は硬質クロムめ
つきの皮膜厚さ100〜150μに対して、３〜20μと
非常に薄いことによる。すなわち、窒化チタン皮
膜をコーテイングしてからの後加工は原則として
行なわず、せいぜい初期なじみを改善する為の当
りラツピングを施こす程度であるので、イオンプ
レーテイング時の皮膜あらさが実質的に製品の表
面あらさとなる。この為、皮膜をコーテイングし
たままの面あらさが本発明のピストンリングの性
能に対して非常に重要になり、片や窒化チタン
（TiN）皮膜が薄い為、皮膜の面あらさは下地で
ある鋳鉄等の表面あらさと同程度になり下地あら
さが皮膜の面あらさを左右する最大の要件となる
からである。

具体的に述べると、下地面のあらさが粗くな
り、窒化チタン（TiN）皮膜の面あらさが2μを
越えると、コブ状の突起が目立ち、皮膜と相手材
の接触面が小さくなり、面圧が高くなる為、シリ
ンダにキズをつけ易くなる。又、コブ状の突起が
カケる場合もあり、カケた硬質粒子がシリンダに
深いキズをつけることになるような不都合を生じ
る為、下地あらさの調節が必要である。

続いて、ピストンリングへのイオンプレーテイ
ングを行なう。一般にイオンプレーテイングは１
〜2.5×10^-2Torrのアルゴン雰囲気で行なわれる
方法と、圧力をこれよりもかなり低くして行なう
高真空イオンプレーテイングと称されている方法
とがあるが、本発明にあつては、皮膜の密着度，
純度が高いという理由に加えて後述のつきまわり
性が良いという理由により高真空イオンプレーテ
イングによる。イオンプレーテイング工程ではピ
ストンリングのリング形状が蒸発源となるチタン
板に投影されるようにセツトし、先ずアルゴンイ
オンによるボンバードを行ない、ピストンリング
の所望被覆面を清浄化した後、直ちに蒸発源から
イオン化され蒸発したチタンを所定厚さに被覆す
る。続いて窒素イオンのイオンプレーテイングを
行なう。すなわち、本発明では、Ti皮膜形成お
よびその窒化の２段階イオンプレーテイングを行
なう。TiNの１段階形成法を行なうと、Tiのイ
オンとＮのイオン皮膜形成前に反応してイオン化
を失うことが起こり得、生成した皮膜の密着性、
硬さ等が２段階形成法のものに比較して劣るた
め、１段階法は採用しない。

窒素のイオンプレーテイングにおいては、アル
ゴン雰囲気の容器内に導入し、窒素イオンを既に
被覆されたチタン皮膜内に入射せしめることによ
り所望の被膜を行なう。なお、上述の窒素イオン
入射により生成する窒化チタンは必ずしも化学量
論的窒化チタンではないが、本文中では窒化チタ
ン（TiN）と表記している。

窒化チタン（TiN）の皮膜硬さは第２図およ
び第３図に示すようにイオンプレーテイングの処
理条件である基板（ピストンリング）温度と窒素
分圧により変化する。ここで、第２図および第３
図は窒化チタン皮膜のマイクロビツカース硬さを
示すグラフであり、前者は窒素分圧を７×
10^-4Torrと一定にして基板温度を変化させた場
合、後者は基板温度を500℃と一定にして窒素分
圧を変化させた場合に相当する。これらの図に示
される条件を考慮して、加熱温度が250〜550℃と
なり、分圧が4.5〜９×10^-4Torrとなるよう窒素
ガス量を調節する。

加熱温度が250℃未満であると、Hv1300以上の
皮膜硬さを有する窒化チタンを得ることが難し
く、一方加熱温度が550℃を越えると、鋼材、鋳
鉄が低温焼もどしされピストンリングの基材材質
上好ましくない。また、イオンプレーテイング中
の窒素分圧は４×10^-4Torr以上とする。これ未
満であると、Hv1300以上の皮膜硬さを有する窒
化チタンを得ることが難しい。窒素分圧の上限
は、真空イオンプレーテイング法の真空度を壊わ
さない限り特に上限はない。

〔作用〕

本発明法により得られる表面特性を評価する目
安として行なつた高温硬度の測定結果を第４図に
示す。第４図を見れば明らかなように・―・線で
示される超高硬度窒化チタン（TiN）皮膜はΓ
―Γ線で示される硬質クロムめつきにくらべて硬
さが高く、又、高温時の硬質クロムめつきに現わ
れる400℃以上の急激な硬さ低下が少なく、しか
も常温にもどした時の回復率が高い。

なお、一旦常温に戻した後、再び高温に加熱す
る時は、窒化チタンの場合は約Hv1700および硬
質クロムめつきの場合は約Hv650を初期硬さとし
て硬さ低下が起こるから、上記回復率が高いこと
は、停止・作動の熱履歴を繰返す内燃機関のピス
トンリングにあつては非常に重要な特性である。

この結果よりイオンプレーテイングによる窒化
チタンは高温での耐熱性にすぐれており、しかも
熱履歴による性能劣化が殆んどないことが判明す
る。なお窒化チタンは測定後の表面のクラツク発
生が無かつたが硬質クロムめつきは無数の大きな
クラツクの発生が見られ、この面からも熱履歴感
受性および耐熱性の差があらわれている。

又、諸特性評価の別法として、窒化チタン
（TiN）と硬質クロムめつきのロータリング式摩
耗試験を行なつた結果を第５図に示す。相手ロー
タにはシリンダライナ相当材の鋳鉄を使用し無潤
滑であり、その他の測定条件は荷重（Ｐ）0.9Kg，
ロータ（Ｒ）材質；鋳鉄（FC），距離234ｍであ
つた。

テストに供試した窒化チタンはピストンリング
の外周に厚さ15μ被覆した５個の試料１を用い、
摩耗圧痕巾(d)を測定した。供試した窒化チタン
（TiN）皮膜の硬さはHv1750であつた。硬質クロ
ムめつきも同じピストンリングの外周に厚さ0.1
mmつけ、硬さHv920のものを供試した。図中○＊は
５回共かじりが発生したことを意味する。第５図
の結果で明らかなように、窒化チタン（TiN）
は耐摩耗，耐焼付き性の点で硬質クロムめつきを
はるかにしのいでいる。これらの差は高速摺動域
になるにしたがい一層顕著になる。

以下、本発明の実施例を説明する。

〔実施例 １〕 蒸発源に電子ビームを使用し、蒸発源近傍にイ
オン化電極を設けた高真空型のイオンプレーテイ
ング装置を用い、処理条件を適宜選定しボンバー
ド後、下地面あらさを1μにした鋼製トツプリン
グ母材の外周面に厚さ10μの窒化チタン（TiN）
をコーテイングした。

なお、チタンのイオンプレーテイング後の窒素
のイオンプレーテイングの際の基板温度は380℃、
窒素分圧は6.1×10^-4Torrであつた。

この結果、付着した窒化チタン（TiN）皮膜
の硬さはHv1700で外周表面あらさは、下地あら
さと同じ1μであつた。この窒化チタン（TiN）
皮膜をつけたトツプリングと従来の硬質クロムめ
つきをつけたトツプリングを1300c.c.、４サイク
ル、水冷４気筒のガソリンエンジンに２気筒づつ
組み込み、無鉛ガソリンで全負荷300時間の耐久
テストを実施した。テスト後のトツプリングの摩
耗量および相手シリンダの上死点付近の摩耗量測
定結果を第６図に示す。

ピストンリングの厚さ寸法を５点測定して平均
した摩耗量は、本発明のものは硬質クロムめつき
の約1/10であり、シリンダ上死点８ケ所測定して
平均した相手シリンダの摩耗も20〜30％減少して
おり、非常に優れた耐摩耗性を示した。なお、本
発明のピストンリングには４気筒共、スカツフイ
ングの発生はなかつた。又、硬質クロムめつきの
摺動外周面には微小クラツクが観察されたが本発
明のピストンリングの摺動外周面はクラツクの発
生が皆無であつた。

〔実施例 ２〕 実施例１と同じイオンプレーテイング装置を用
いて、球状黒鉛鋳鉄製トツプリングと組合せオイ
ルリングのサイドレールに窒化チタン（TiN）
をコーテイングした。この結果得られた窒化チタ
ン（TiN）皮膜は厚さ15μ，硬さHv1750，表面
あらさは、下地あらさ1.2μに対して1.3μであつ
た。又、サイドレールに対しても前記トツプリン
グと同じ条件で処理し、この結果得られた窒化チ
タン（TiN）皮膜は厚さ12μ，硬さHv1650，表
面あらさは下地あらさと同じ0.8μであつた。

以上の条件で作製した本発明によるピストンリ
ングと従来の硬質クロムめつきリングを2200c.c.，
４サイクル，水冷４気筒のガソリンエンジンに２
気筒づつ組み込み、高鉛ガソリンで全負荷100時
間の耐久テストを実施した。テスト後のトツプリ
ングとサイドレールの摩耗量および相手シリンダ
の上死点付近の摩耗量測定結果を第７図に示す。
本発明の窒化チタン皮膜の摩耗量は平均してクロ
ムめつき皮膜の約1/10〜1/8であり、シリンダ上
死点摩耗も良好である。

〔発明の効果〕

この結果より、本発明のピストンリングは高鉛
ガソリン使用時に顕著となるアブレシブの摩耗に
対しても優れた耐摩耗性を示し又、サイドレール
に適用しても優れた特性が得られることが分つ
た。

以上の実施例で明らかなように、本発明のピス
トンリングは薄膜処理にもかかわらず、従来の硬
質クロムめつきを上廻る耐久性を有し、耐熱，耐
焼付性にも優れた画期的なものである。又、本発
明のピストンリングは高真空イオンプレーテイン
グ手法によれば、窒化チタン（TiN）処理が特
につき廻りが良好でエツジ部でもトビツキ等の発
生がない為、硬質クロムめつきに必ず必要な外周
面取りを省略したピストンリング母材にも容易に
適用でき、イオンプレーテイング後の皮膜形状修
正研摩は不要である。このことは、ブローバイガ
スの減少を狙つた第８図ａに示すようなクロムイ
ンサートリングと同じ効果を第８図ｂに示すよう
な単純な形状で満足させることができ、さらに、
第８図ｃに示すようなテーパフエースにも容易に
適用できる等、その応用範囲は広い。本発明によ
るピストンリングの耐摩耗性が硬質クロムめつき
に比べて格段に優れていることは、ピストンリン
グの摩耗による合い口すきまの増加量が少なくな
ることであり、合い口すきま増大に起因するブロ
ーバイガスおよびオイル消費の増大も防止するこ
とになり、省資源，省エネルギにも有効である。

このように本発明によるピストンリングは耐摩
耗性に優れている為、内燃機関の寿命延長，ブロ
ーバイガス，オイル消費の減少に結びつき、又、
耐熱，耐焼付性に優れていることから高性能エン
ジンにも対応できる等、省資源，省エネルギ，公
害防止に寄与できる画期的なもので、その工業的
価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は窒化チタン（TiN）皮膜硬さが摩耗
量に与える影響を調べる為にローターリング式摩
耗試験機でテストした結果を示すグラフである。
第２図はイオンプレーテイングの処理条件の１つ
である基板温度が窒化チタン（TiN）皮膜硬さ
に与える影響を示すグラフであり、第３図は同様
に窒素分圧が窒化チタン（TiN）皮膜硬さに与
える影響を示すグラフである。第４図はイオンプ
レーテイング手法による窒化チタン（TiN）と
硬質クロムめつきの高温硬さのグラフである。第
５図はイオンプレーテイング手法による窒化チタ
ン（TiN）と硬質クロムめつきをローターリン
グ式摩耗試験機で摩耗試験を行なつた結果のグラ
フである。第６図は1300c.c.，４サイクル，水冷４
気筒ガソリンエンジンに本発明ピストンリングと
従来の硬質クロムめつき処理したピストンリング
を組み込み、無鉛ガソリンで300時間の耐久試験
を行なつた後ピストンリングとシリンダの摩耗を
示す図であり、第７図は2200c.c.，４サイクル水冷
４気筒ガソリンエンジンに本発明ピストンリング
のトツプリングとサイドレールおよび従来の硬質
クロムめつき処理したトツプリングとサイドレー
ルを組み込み、高鉛ガソリンで100時間の耐久試
験を行なつた後のトツプリングとサイドレールお
よびシリンダの摩耗を示す図である。第８図ａは
ブローバイガス対策リングとしての従来のクロム
インサートリングの断面図、第８図ｂはクロムイ
ンサートリングに代る本発明ピストンリングの断
面図、第８図ｃは本発明ピストンリングによるテ
ーパフエースリングの断面図を示す。図中１はピ
ストンリング母材、２は硬質クロムめつき、３は
窒化チタン（TiN）皮膜を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ピストンリングの少なくとも摺動外周面にイ
   オンプレーテイングにより窒化チタン皮膜を被覆
   せしめる際に、イオンプレーテイング前に被覆予
   定面のあらさを2μ以下にし、その後高真空イオ
   ンプレーテイングにより、チタンのイオンプレー
   テイングの次に窒素のイオンプレーテイングを行
   なうことにより、皮膜の硬さがHv1300以上、皮
   膜の厚さ３〜20μ、皮膜のあらさが2μ以下の窒化
   チタン皮膜を形成することを特徴とするピストン
   リングの表面処理法。