JP2022109981A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れるとともに、低燃費化と効率燃焼とを両立できるピストンリングを提供する。【解決手段】外周面１４が上から下に向かって漸次外側に張り出すテーパ状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成された内燃機関用ピストンリングであって、その外周面１４は、相手材に外周摺動面として摺動接触する非テーパ状の外縁端部１４ｂと、外縁端部１４ｂの上方に所定のテーパ角αで形成された外周テーパ部１４ａと、外縁端部から１４ｂ軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面部１４ｃと、曲面部１４ｃの一部をなす下端部１４ｄとで構成され、外縁端部１４ｂの位置Ａと下端部１４ｄの位置Ｃとのリング軸方向での距離ｄ２が、０．００１ｍｍ～０．０５ｍｍの範囲内であり、外縁端部１４ｂのリング軸方向での当たり幅ｄ１が０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの範囲内である。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関用のピストンリングに関し、更に詳しくは、内燃機関用の第２圧力リングとして使用されるピストンリングに関する。

近年、温暖化をはじめとする環境問題が地球規模で大きくクローズアップされている。エンジンに対しても、大気中へのＣＯ_２排出量の削減要求から、より一層の低燃費化が求められている。さらに、ピストンリングにおいては、その低燃費化の要求から、シリンダライナとの摺動時の摩擦力の低減が求められている。また、エンジンの高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が高まってきており、そのための摺動特性（例えば、耐摩耗性、耐スカッフ性等）が要求されている。これらの背景のもと、耐摩耗性及び耐焼付性に優れ、且つ、摩擦力の低減効果を最大限に発揮することが可能なピストンリングの開発、そうしたピストンリングへの表面処理技術の開発や表面改質技術の開発、等が進められている。

一般に、内燃機関用のピストンには、圧力リングとしての第１圧力リング及び第２圧力リング、並びにオイルリングの３本のピストンリングが装着されている。過酷な環境に曝される第１圧力リングには、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０（ＪＩＳ規格）相当等の鋼材が使用されている。これに対し、熱負荷や圧力負荷の少ない第２圧力リングには、Ｃｒを９～１４質量％程度含有するステンレス鋼材が使用されている。そして、上記のように、高出力化に伴って熱負荷や圧力負荷が大きくなっても良好な摺動特性を示すピストンリングを得るために、ピストンリング基材に窒化処理を施すことが一般的に行われる。

しかしながら、ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面に窒化処理を施した場合、ピストンリング基材の寸法精度が低下し、窒化処理後の加工が非常に困難になるという問題があった。また、窒化処理工程を施した場合、加工工程が多く、コストもかかるという難点があった。

こうした課題に対し、例えば、特許文献１では、Ｃ：０．５０～０．７５質量％、Ｓｉ：０．１５～０．３５質量％、Ｍｎ：０．６１～０．９５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる炭素鋼材製のピストンリングを提案した。同文献１において、本出願人は、第２圧力リングの少なくとも外側摺動面については、窒化処理を施すこと、若しくは窒化処理の代替として硬質クロムメッキを施すことについて提案している。

また、特許文献２では、Ｃｒ：９．０質量％以上１１．０質量％以下及びＣ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下を含む炭素鋼材からなり、上面、下面、外周面及び内周面には、７００ＨＶ（０．０５）以上の硬度を持つ窒化拡散層が２μｍ以上２５μｍ以下の深さで形成されているピストンリングを提案している。同文献２で提案したピストンリングは、第２圧力リングを念頭においてなされたものである。そして、上記組成を有する炭素鋼材でピストンリング基材を構成することにより、窒化拡散層を、白層の生成を抑えた状態で、ムラ無く均一に、薄く、リング全周に形成している。こうすることによって、窒化後の研削加工が不要となり、大幅なコスト低減を図っている。

また、特許文献３では、内燃機関用ピストンリング、特に第２圧力リングについて、耐摩耗性に優れ且つ低コストで形成可能なピストンリングの提供している。このピストンリングは、外周面形状がテーパフェースであり、且つ径方向断面形状がレクタンギュラリング、スクレーパリング及びナピアリングのいずれかとなるように形成されたものであって、ピストンリング基材と、該ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面に設けられた硬質皮膜とを有し、前記ピストンリング基材はビッカース硬度ＨＶ３５０以上ＨＶ５５０以下の炭素鋼材又は低合金鋼からなり、前記外周摺動面は前記ピストンリング基材の上端から下端に向けて漸次外側に張り出すテーパ状に形成され、且つ、テーパ状に形成された前記外周摺動面の外縁端部と、該外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面がリング下面と平行な下端面又は下端部と接する仮想線との間の軸方向の長さが、０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下形成されているものである。

特開２００２－１９４５００号公報 特開２００７－２７０８８０号公報 ＷＯ２０１２／１１８０３６号

特許文献１及び特許文献２で提案した発明は、内燃機関用ピストンリングについて、耐摩耗性と高強度を具備するものを低コストで形成できる点で優れている。特許文献３では、ピストンリング基材に窒化処理を施さずに耐摩耗性に優れ且つ低コストなピストンリングが提案されている。

車両等のより一層の低燃費化が要請されている一方、効率的な内燃現象を実現するためにオイル切れを向上させて燃焼部へのオイル漏れをより低下させる必要がある。しかしながら、シリンダライナに接触するオイルリング外縁端部（当たり面ともいう。）の当たり幅が大きいと、面圧が下がって低燃費化に寄与するがオイル漏れが起こりやすくなり効率的な燃焼が低下する。一方、外縁端部の当たり幅が小さいと、面圧が上がって低燃費化への寄与が低下するがオイル漏れが起こりにくくなり効率的な燃焼が向上する。これらのいずれも解決できることが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、内燃機関用ピストンリング、特に第２圧力リングについて、耐摩耗性に優れるとともに、低燃費化とオイル消費の低減とを両立できるピストンリングを提供することにある。

本発明に係るピストンリングは、外周面が上から下に向かって漸次外側に張り出すテーパ状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成された内燃機関用ピストンリングであって、前記外周面は、相手材に外周摺動面として摺動接触する非テーパ状の外縁端部と、前記外縁端部の上方に所定のテーパ角で形成された外周テーパ部と、前記外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面部と、前記曲面部の一部をなす下端部と、で構成され、前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング軸方向での距離（ｄ２）が、０．００１ｍｍ～０．０５ｍｍの範囲内であり、前記外縁端部のリング軸方向での当たり幅（ｄ１）が、０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの範囲内である、ことを特徴とする。

この発明によれば、外縁端部の位置と下端部の位置とのリング軸方向での距離が（ｄ２）上記範囲内であり、外縁端部のリング軸方向での当たり幅（ｄ１）が上記範囲内であるので、面圧とオイルシールとの関係を調整でき、低燃費化とオイル消費の低減とを両立できる。

本発明に係るピストンリングにおいて、前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング径方向での距離をｄ３としたとき、ｄ２／ｄ３が０．２０～１．２０の範囲内である。

本発明に係るピストンリングにおいて、前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング径方向での距離（ｄ３）が、０．０１０ｍｍ～０．０５０ｍｍの範囲内である。

本発明に係るピストンリングにおいて、少なくとも前記外周面が、硬質処理層を有する。外周面には、こうした各種処理を施すことが好ましいが、上記外周面形状を有すればこれら処理を施さなくても構わない。

本発明に係るピストンリングにおいて、前記硬質処理層が、窒化クロム系皮膜、クロムめっき皮膜、硬質炭素皮膜、又は、窒化クロム系皮膜上に硬質炭素皮膜が設けられた積層皮膜、である。

本発明によれば、内燃機関用ピストンリング（特に第２圧力リング）について、耐摩耗性に優れるとともに、低燃費化とオイル消費（ＬＯＣ）の低減とを両立できるピストンリングを提供することができる。

本発明に係るピストンリングの例を示す模式的な断面構成図である。 図１に示したピストンリングのａ部の拡大断面図である。 ピストンリングの他の例を示す断面構成図であり、（Ａ）は主に外周面に硬質処理層が設けられている形態例であり、（Ｂ）は外周面以外にも硬質処理層が設けられている形態例である。

本発明に係るピストンリングについて図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は、その技術的範囲に含まれるものであれば以下の説明及び図面の記載に限定されない。

［ピストンリング］
ピストンリング１は、図１及び図２に示すように、外周面１４が上（上面１１の側）から下（下面１２の側）に向かって漸次外側に張り出すテーパ状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成された内燃機関用ピストンリングである。そして、外周面１４は、相手材であるシリンダライナに外周摺動面として摺動接触する非テーパ状の外縁端部１４ｂと、その外縁端部１４ｂの上方に所定のテーパ角αで形成された外周テーパ部１４ａと、外縁端部１４ｂから軸方向Ｙの下端に向かって漸次内側に縮径する曲面部１４ｃと、曲面部１４ｃの一部をなす下端部１４ｄとで構成されている。外縁端部１４ｂの位置Ａと下端部１４ｄの位置Ｃとのリング軸方向Ｙでの距離ｄ２は０．００１ｍｍ～０．０５ｍｍの範囲内であり、外縁端部１４ｂのリング軸方向Ｙでの当たり幅ｄ１は０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの範囲内であることに特徴がある。

本発明に係るナピアリング形状のピストンリング１は、第２圧力リングとして用いられるものであり、ピストン（図示しない。）の外周面に形成されたピストンリング溝に装着され、ピストンの上下運動（往復運動に同じ。）に伴ってシリンダライナ（図示しない。）の内周面を摺動しながら上下運動する摺動部材である。

このピストンリング１によれば、外縁端部１４ｂの位置Ａと下端部１４ｄの位置Ｃとのリング軸方向Ｙでの距離ｄ２が上記範囲内であり、外縁端部１４ｂのリング軸方向Ｙでの当たり幅ｄ１が上記範囲内であるので、面圧とオイルシールとの関係を調整でき、低燃費化と効率燃焼とを両立できる。

なお、本願において、「上」及び「下」は、ピストンリング１の軸方向Ｙ（又は外周面１４の幅方向）における外周面１４の両端方向を意味し、図１を平面視した場合の外周面１４の上側と下側をいう。また、「上面１１」及び「下面１２」は、ピストンリング１の軸方向Ｙの両側の面を意味し、図１を平面視した場合の上側の面を上面といい、下側の面を下面という。また、「外周面１４」及び「内周面１３」は、ピストンリング１の径方向Ｘの両側の面を意味し、図１を平面視した場合の左側の摺動面を外周面といい、右側の面を内周面という。また、ナピアリングでは、外周面の下側には、えぐれた形状からなるステップ状の切り込み部１５が設けられている。また、図１（Ｂ）のように、内周面１３の下部に面取り部１６を設けてもよい。「軸方向」とは、ピストンリングの仮想中心軸に沿った方向であり、図１では上下方向となる。「径方向」とは、ピストンリングの仮想中心軸に向かう方向であり、図１では、左右方向となる。

以下、各構成要素を説明する。

＜ピストンリングの外形形状＞
ピストンリング１は、外周面形状がテーパフェース形状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成されている。その断面形状は、図１に示すように、外周面１４が上面１１から下面１２に向かって漸次外側に向けて張り出すテーパ状になっている。

外周面１４は、図２に示すように、相手材であるシリンダライナに外周摺動面として摺動接触する非テーパ状の外縁端部１４ｂと、その外縁端部１４ｂの上方に所定のテーパ角αで形成された外周テーパ部１４ａと、外縁端部１４ｂから軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面部１４ｃと、曲面部１４ｃの一部をなす下端部１４ｄとで構成されている。その外周面１４の下部には、ステップ状の切り込み部１５が形成されている。

外周テーパ部１４ａは、ピストンリング１の軸方向Ｙに平行な鉛直線Ｌ１に対し、テーパ角αが０．５°以上４°以下、好ましくは１°以上３°以下の傾斜角度で形成されている。この外周テーパ部１４ａは、下記の外縁端部１４ｂの軸方向Ｙ上方位置に、外縁端部１４ｂに連続して形成されている。

外縁端部１４ｂは、相手材であるシリンダライナに外周摺動面として摺動接触する「当たり幅」となる部分であり、非テーパ状に形成されている。「非テーパ状」とは、ピストンリング１の軸方向Ｙに平行な鉛直線Ｌ１に対して０°であることを意味している。本発明において、外縁端部１４ｂのリング軸方向での当たり幅、すなわち、外縁端部１４ｂの下限位置（座標位置）Ａと上限位置（座標位置）Ｂとの間の距離（外縁端部のリング軸方向Ｙの当たり幅）ｄ１は０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの範囲内である。距離ｄ１をこの範囲内とすることにより、後述の距離ｄ２の範囲とも相まって、シリンダライナに対する面圧とオイル掻き落とし性能とを適度な状態に保持することができる。距離ｄ１が０．０１ｍｍ未満では、当たり幅が小さすぎてシリンダライナに対する追従性の点で不十分となることがあり、一方、距離ｄ１が０．３ｍｍを超えると、面圧が低くなりすぎてオイルの掻き落とし性能が低下することがある。なお、追従性とオイル掻き落とし性能との観点でより好ましい範囲は０．０５～０．３ｍｍである。

曲面部１４ｃは、外縁端部１４ｂから軸方向Ｙの下端（下方）に向かって漸次内側に縮径する連続部分である。

下端部１４ｄは、曲面部１４ｃの一部をなす部分である。本発明において、外縁端部１４ｂの下限位置（座標位置）Ａと下端部１４ｄの位置（座標位置）Ｃとのリング軸方向Ｙでの距離ｄ２は０．００１ｍｍ～０．０５ｍｍの範囲内である。距離ｄ２をこの範囲内とすることにより、上記距離ｄ１の範囲とも相まって、シリンダライナに対する面圧とオイル掻き落とし性能とを適度な状態に保持することができる。距離ｄ２が０．００１ｍｍ未満では、鋭角状の先端となるので欠けが生じやすくなることがあり、一方、距離ｄ２が０．０５ｍｍを超えると、オイルの掻き落とし性能が低下することがある。

切り込み部１５は、外周面１４の下端部分（下方部分）を径方向内側（径方向Ｘ）に向けてえぐるように切り欠いて形成された部分である。えぐられた切り込み部１５は、その切り込み部１５において、上面側の湾曲面又は平坦面１５ａと、径方向側にある垂直面１５ｂとで構成されている。湾曲面又は平坦面１５ａは、下端部１４ｄから滑らかに連続する曲面又は平面で形成されている。外周面１４の下部に切り込み部１５が形成されているため、外周面１４の最も径方向外側に位置する外縁端部１４ｂ、曲面部１４ｃ及び下端部１４ｄはノーズ部とも呼ばれる形状になっている。なお、「上面側の湾曲面又は平坦面１５ａ」とは、図１～図３の例では曲面であるが、平面であってもよいことを意味している。

外縁端部１４ｂの位置（座標位置）Ｄと下端部１４ｄの位置（座標位置）Ｅとのリング径方向Ｘでの距離をｄ３としたとき、ｄ２／ｄ３が０．２０～１．２０の範囲内であることが好ましい。外縁端部１４ｂは、相手材であるシリンダライナに外周摺動面として摺動接触する当たり幅であり、シリンダライナに対する摺動時の面圧によりオイルの掻き落とし性能を維持する。その掻き落とし性能は、外縁端部１４ｂの当たり幅ｄ１が０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの範囲内で徐々に拡大して上限（０．３ｍｍ）近くになると面圧が低くなり、面圧に基づいた掻き落とし性能が低下する傾向がある。しかし、ｄ１が徐々に拡大して面圧が低下した場合であっても、ｄ２／ｄ３を上記範囲内とすることにより、面圧変動が生じた場合でも掻き落とし性能を低下させずに維持することができる。その結果、低燃費化とオイル消費（ＬＯＣ）の低減とを両立できる。

なお、ｄ３は、０．０１０ｍｍ～０．０５０ｍｍの範囲内であることが好ましい。ｄ３をこの範囲内とすることにより、面圧変動が生じた場合でも掻き落とし性能を低下させずに維持することができる。

切り込み部１５の上面側の湾曲面又は平坦面１５ａは、図２に示すように、１５°±３°の角度θで形成されている。この角度θは、下端部１４ｄからリング径方向Ｘに延びる平行線Ｌ２（上記鉛直線Ｌ１に直交する平行線）と、下端部１４ｄから切り込まれた湾曲面又は平坦面１５ａの初期傾斜との角度（「ナピア角度」ともいう。）のことである。初期傾斜とは、切り込み部１５の下端部１４ｄから０．２ｍｍ～０．５ｍｍ程度の距離での傾斜である。

＜ピストンリング基材＞
ピストンリング基材１０としては、炭素鋼材、低合金鋼材、ばね鋼材を用いることができる。また、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を用いることもできる。具体的には、炭素鋼材としては、硬質線材、特にＪＩＳ規格で表されるＳＷＲＨ６２Ａ、ＳＷＲＨ６２Ｂや、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を挙げることができる。低合金鋼材としては、弁ばね用オイルテンパー線、特にＪＩＳ規格で表されるＳＷＯＳＣ－Ｖや、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を挙げることができる。ばね鋼材としては、特にＪＩＳ規格で表されるＳＵＰ９、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ１１や、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を挙げることができる。

なお、本発明では、Ｃ：０．２質量％以上１．０質量％以下を少なくとも含有する炭素鋼材、低合金鋼材又はばね鋼材を好ましく用いることができる。また、Ｃｒが０．５質量％以上１．１質量％以下の範囲で含んでいてもよい。こうしたピストンリング基材１０は、鉄及び不可避不純物を含有する炭素鋼材を主とするものであるが、所望の目的に応じて他の元素、例えばＳｉやＭｎ等の元素を含んでいてもよいし、それ以外のＭｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｖ（バナジウム）等の元素が必要に応じて含まれていてもよい。

ピストンリング基材１０は、必要に応じて、後述する下地膜又は硬質皮膜等をその表面に成膜する前に、イオンボンバードメント処理により清浄化することが好ましい。この処理により、ピストンリング基材１０の表面に存在する酸化膜や水酸化膜等の不動態皮膜を破壊し、清浄化することができる。イオンボンバードメント処理は、下地膜又は硬質皮膜等の形成用ターゲットと陰極との間にアーク放電を発生させ、イオン化したメタルイオンをピストンリング基材１０の表面に照射させて行われる

ピストンリング基材１０は、その硬度がビッカース硬度ＨＶ３５０以上ＨＶ５５０以下の範囲内となるように形成されることが好ましい。ビッカース硬度がこの範囲内とすることで、熱負荷や圧力負荷が大きくなるような場合でも第２圧力リングとして良好な機能を発揮することができる。ＰＶＤやＤＬＣの皮膜を被覆する際は、イオンボンバードメント処理を、ピストンリング基材１０の硬度の低下が生じない温度に維持しながら行うことにより得られる。したがって、そうしたピストンリング基材１０は、硬質皮膜等を成膜する前のイオンボンバードメント処理によっても硬度低下が起こっていないので、ピストンリング基材１０上に密着性よく硬質皮膜を成膜してなるピストンリング１とすることができる。

＜硬質処理層＞
本発明では、ピストンリング基材１０の少なくとも外周面１４に、硬質処理層２０が設けられていることが好ましい。本発明では、ピストンリング１の外形形状に特徴があり、図３に示すように、後述する下地膜、硬質皮膜、硬質炭素皮膜等から選択される硬質処理層２０が必要に応じて設けられた後の形状が、上記特徴的な形状になっていればよい。そのため、硬質処理層２０が設けられているか否かにかかわらず、上記特徴的な外形形状を備えるピストンリング１は本発明の範囲内ということができる。したがって、硬質処理層２０が設けられていないピストンリング１であっても、その形状的な作用を奏する限り、本発明の範囲に含まれる。ここでいう「硬質処理層２０」とは、少なくとも硬質皮膜を有するものであり、必要に応じて下地膜や硬質炭素皮膜を有するものである。

（下地膜）
下地膜は、ピストンリング基材１０上に必要に応じて設けられる任意の膜である。下地膜は、ピストンリング基材１０上に硬質皮膜を設ける場合に、その密着性を高めて剥離を防ぐように作用する。下地膜は、硬質皮膜が設けられる部位に少なくとも設けられていればよい。下地膜としては、Ｃｒ膜、Ｃｒ－Ｂ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ－Ｍｎ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ－Ｍｏ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ－Ｍｎ－Ｍｏ膜等を好ましく挙げることができる。下地膜は、種々の形成手段で形成することができ、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等の成膜手段で形成することができる。下地膜の厚さは特に限定されないが、例えば、０．５μｍ以上２．０μｍ以下程度である。

（硬質皮膜）
硬質皮膜は、ピストンリング基材１０上に好ましく設けられるが、必須ではなく、上記したように必要に応じて任意に設けることができる。硬質皮膜としては、特に限定されないが、窒化クロム系皮膜又はクロムめっき皮膜であることが好ましい。窒化クロム系皮膜としては、Ｃｒ－Ｎ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｎ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｎ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ－Ｎ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ－Ｍｎ－Ｎ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ－Ｍｏ－Ｎ膜、Ｃｒ－Ｂ－Ｖ－Ｔｉ－Ｍｎ－Ｍｏ－Ｎ膜等のいずれかを好ましく挙げることができる。これらの硬質皮膜は、各種の方法で成膜でき、例えば、イオンプレーティング法やめっき法等で形成することができる。硬質皮膜は、少なくとも外周面１４に設けられていればよいが、外周面１４の他、上面１１，下面１２及び内周面１３に設けられていてもよい。

硬質皮膜は、下地膜上に設けられていることが好ましい。硬質皮膜を下地膜上に設けることにより、密着性をより向上させることができ、高面圧下での硬質皮膜の剥離を極力抑制することができる。その結果、ピストンリング１に高い耐摩耗性と高い耐スカッフ性を付与できる。

窒化クロム系皮膜の場合、厚さは５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましい厚さは７μｍ以上２０μｍ以下の範囲内である。また、ビッカース硬度はＨＶ８００以上ＨＶ２３００以下の範囲内であることが好ましく、より好ましいビッカース硬度はＨＶ１０００以上ＨＶ２０００以下の範囲内である。また、クロムめっき皮膜の場合、厚さは５μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましい厚さは５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内である。また、ビッカース硬度はＨＶ５００以上ＨＶ１０００以下の範囲内であることが好ましく、より好ましいビッカース硬度はＨＶ８００以上ＨＶ１０００以下の範囲内である。

（硬質炭素皮膜）
硬質炭素皮膜は、下地膜の上又は硬質皮膜の上に設けることができる。硬質炭素皮膜は、いわゆるダイヤモンドライクカーボン膜と呼ばれ、アモルファス状の炭素膜である。硬質皮膜上に硬質炭素皮膜を形成することにより、硬質炭素皮膜がピストンリング１の初期フリクションを低減するように作用する。こうした作用は、硬質炭素皮膜が、ピストンリング１の相手材であるシリンダライナの内周面に対する摩擦係数が低く、相手材に対する初期なじみ性が良好であることに基づいている。特に、ピストンリング１の外縁端部１４ｂに少なくとも設けられていることにより、上記作用を発揮できる。硬質炭素皮膜を設けた後の表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１－１９９４での算術平均粗さＲａ）は、好ましくは０．１μｍ以下であり、より好ましくは０．０５μｍ以下である。こうした平滑な硬質炭素皮膜を設けることにより、シリンダライナの内周面と摺動するピストンリング１の外縁端部１４ｂでの初期フリクションをより一層向上させることができる。

硬質炭素皮膜としては、主成分である炭素の他に、ケイ素、酸素、水素、窒素、アルゴンのうち１種又は２種以上を含むものを好ましく適用できる。硬質炭素皮膜は、硬質皮膜と同様のイオンプレーティング法で形成することが好ましいが、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の種々の形成手段で形成してもよい。硬質炭素皮膜の厚さは特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下程度の範囲内が好ましい。

（製造方法）
本発明に係るピストンリング１の製造方法は特に限定されないが、例えば、まず、既述の炭素鋼材を成形加工や研磨加工（バフ研磨、ラッピング処理、ドライホーニングを任意に含む。）してピストンリング基材１０を形成する。その後、ピストンリング基材１０の表面を必要に応じてイオンボンバードメント処理で清浄化する。その後、必要に応じて硬質処理層２０を形成する。例えば、ピストンリング基材１０の少なくとも外周面１４に下地膜を形成する。その後、下地膜上に、窒化クロム膜又はクロムめっき皮膜等の硬質皮膜を成膜する。その後、必要に応じて、硬質炭素皮膜を成膜する。最後に、必要に応じて、バフ研磨やラッピング処理等を行って、ピストンリング１を製造する。

以下に、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に詳しく説明する。

［実施例１］
ピストンリング基材１０として、Ｃ：０．６３質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：０．７５質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなる硬鋼線を図１に示す外径形状に加工したナピアリング形状のピストンリング基材１０を準備した。加工は、成形加工、バフ研磨、ドライホーニングで行った。次いで、ピストンリング基材１０上に、電気めっき法により厚さ２５μｍのＣｒめっきからなる硬質皮膜を成膜した。その後、バフ研磨、ラッピング処理を行って、ピストンリング１を得た。

こうして得られたピストンリング１の最終的な外径形状については、外周テーパ部１４ａは、ピストンリング１の軸方向Ｙに平行な鉛直線Ｌ１に対するテーパ角αを２°とした。外縁端部１４ｂのリング軸方向での当たり幅（外縁端部１４ｂの下限位置Ａと上限位置Ｂとの間の距離）ｄ１を０．２ｍｍとした。外縁端部１４ｂの下限位置（Ｙ方向座標位置）Ａと下端部１４ｄの位置（Ｙ方向座標位置）Ｃとのリング軸方向Ｙでの距離ｄ２を０．００５ｍｍとした。外縁端部１４ｂの位置（Ｘ方向座標位置）Ｄと下端部１４ｄの位置（Ｘ方向座標位置）Ｅとのリング径方向Ｘでの距離ｄ３を０．０１５ｍｍとした。

なお、ピストンリング１の断面を研磨してビッカース硬度を測定した。ピストンリング基材１０のビッカース硬度はＨＶ４５４であり、硬質皮膜のビッカース硬度はＨＶ９００であった。

［実施例２～７］
実施例２～７は、実施例１の外周摺動面の処理層（Ｃｒめっき）を表１に示す種類の処理層に変更するとともに、ｄ２とｄ３を表１に記載の値に変更した他は、実施例１と同様にして実施例２～７のピストンリングを作製した。表１には硬質皮膜の硬度と膜厚も併せて示した。

実施例２の水素フリーＤＬＣは、カーボンターゲットを用い、アルゴンガス雰囲気中にてアークイオンプレーティング法で成膜した硬質炭素膜である。水素含有量は３原子％であった。実施例３のＣｒ－Ｎは、ピストンリング基材１０をイオンプレーティング装置のチャンバ内にセットし、イオンボンバードメントによって表面を清浄化し、その後、厚さ１．０μｍのＣｒ膜を下地膜として成膜した後、その下地膜上にＰＶＤ法（イオンプレーティング法）で成膜した窒化クロムからなる硬質皮膜である。実施例４のＣｒめっきは、電気めっき法で成膜した硬質皮膜である。実施例５の水素フリーＤＬＣは、実施例２と同様に成膜した硬質皮膜である。実施例６のＣｒ－Ｎは、実施例３と同様の硬質皮膜である。実施例７の硬質皮膜は、実施例３と同様のＣｒ－Ｎを先ず成膜し、その上に実施例２の水素フリーＤＬＣを成膜した積層膜である。

［比較例１］
比較例１は、実施例３の外周摺動面の処理層（Ｃｒ－Ｎ系ＰＶＤ）を表１に示す種類の処理層に変更するとともに、ｄ２とｄ３を表１に記載の値に変更した他は、実施例３と同様にして比較例１のピストンリングを作製した。比較例１のＣｒ－Ｎは、ＰＶＤ法（イオンプレーティング法）で成膜した窒化クロムからなる硬質皮膜である。上１には硬質皮膜の硬度と膜厚も併せて示した。

［オイル消費試験］
実施例１～７と比較例１で得られたピストンリングを用いてオイル消費試験を行った。オイル消費試験では、排気量が２．０Ｌで直列４気筒ガソリンエンジンの実機実験を行いた。エンジンの運転条件は、負荷率１００％で、回転数６０００ｒｐｍで連続重量法にてＬＯＣ（オイル消費量：ｇ／ｈｒ）を測定した。表１には、比較例１のＬＯＣを１００としたときの、実施例１～７のＬＯＣの相対比をＬＯＣ比として表１に示した。

測定は、第１圧力リング、第２圧力リング及びオイルリングを組み合わせて行った。第１圧力リングとしては、ＳＷＯＳＣ－Ｖ材で、リング軸方向幅を１．２ｍｍとし、リング径方向幅を２．９ｍｍとし、外周面形状をバレルフェースとし、外周面をＣｒ－Ｎ系のＰＶＤ処理したものを用いた。第２圧力リングとしては、実施例１～７及び比較例１で得られたピストンリングを用いた。オイルリングとしては、３ピースタイプのオイルリングを用い、サイドレールとスペーサエキスパンダを組み合わせた軸方向幅を２．０ｍｍとし、サイドレールとスペーサエキスパンダを組み合わせた径方向幅を２．５ｍｍとした。サイドレールは、ＪＩＳ規格で表されるＳＷＲＨ７２Ａ材の外周面をＣｒ－Ｎ系のＰＶＤ処理したものを用い、スペーサエキスパンダは、ＳＵＳ３０４材を用いた。

表１の結果からわかるように、本発明に係る外形形状の範囲内とした実施例１～７のピストンリング１は、ＬＯＣ比が１００未満、具体的には７０以上９１以下であり、安定して低いＬＯＣを示していた。この結果より外縁端部１４ｂの位置Ａと下端部１４ｄの位置Ｃとのリング軸方向Ｙでの距離ｄ２が上記範囲内であり、外縁端部１４ｂのリング軸方向Ｙでの当たり幅ｄ１が上記範囲内であるので、面圧とオイルシールとの関係を調整でき、低燃費化とオイル消費（ＬＯＣ）の低減とを両立できることがわかった。ｄ１は、実施例１～７では０．２０ｍｍであるが０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの範囲内であることが好ましい。ｄ２は、実施例１～７では０．００５ｍｍ～０．０４５ｍｍの範囲であったが、０．００１ｍｍ～０．０５０ｍｍの範囲内であることが好ましい。ｄ３は、実施例１～７では０．０１５ｍｍ～０．０５０ｍｍの範囲であったが、０．０１０ｍｍ～０．０５０ｍｍの範囲内であることが好ましい。ｄ２／ｄ３は、実施例１～７では０．３３～０．９０であったが、０．２０～１．２０の範囲内であることが好ましく、特に０．６０以上１．００未満の範囲内であることが好ましい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ ピストンリング
１０ ピストンリング基材
１１ 上面
１２ 下面
１３ 内周面
１４ 外周面（外周摺動面）
１４ａ 外周テーパ部
１４ｂ 外縁端部（ノーズ部）
１４ｃ 曲面部
１４ｄ 下端部
１５ ステップ状の切り込み部
１５ａ 上面側の湾曲面又は平坦面
１５ｂ 径方向側にある垂直面
１６ 面取り部
２０，２０Ａ，２０Ｂ 硬質処理層
α テーパ角
Ｌ１ 鉛直線
Ｌ２ 鉛直線Ｌ１に直交する平行線
ｄ１ ＡとＢとの間の距離（外縁端部の上下方向の当たり幅）
ｄ２ ＡとＣとの間の距離（下端部から外縁端部までのＹ方向距離）
ｄ３ ＤとＥとの間の距離（外縁端部から下端部までのＸ方向距離）
Ａ 外縁端部の下限位置（Ｙ方向座標位置）
Ｂ 外縁端部の上限位置（Ｙ方向座標位置）
Ｃ 下端部の位置（Ｙ方向座標位置）
Ｄ 外縁端部の位置（Ｘ方向座標位置）
Ｅ 下端部の位置（Ｘ方向座標位置）
Ｘ リング径方向
Ｙ リング軸方向（上下方向）
θ 切り込み部の角度

Claims (5)

1. 外周面が上から下に向かって漸次外側に張り出すテーパ状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成された内燃機関用ピストンリングであって、
   前記外周面は、相手材に外周摺動面として摺動接触する非テーパ状の外縁端部と、前記外縁端部の上方に所定のテーパ角で形成された外周テーパ部と、前記外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面部と、前記曲面部の一部をなす下端部と、で構成され、
   前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング軸方向での距離（ｄ２）が、０．００１ｍｍ～０．０５ｍｍの範囲内であり、
   前記外縁端部のリング軸方向での当たり幅（ｄ１）が、０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの範囲内である、ことを特徴とするピストンリング。
2. 前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング径方向での距離をｄ３としたとき、ｄ２／ｄ３が０．２０～１．２０の範囲内である、請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング径方向での距離（ｄ３）が、０．０１０ｍｍ～０．０５０ｍｍの範囲内である、請求項２に記載のピストンリング。
4. 少なくとも前記外周面が、硬質処理層を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載のピストンリング。
5. 前記硬質処理層が、窒化クロム系皮膜、クロムめっき皮膜、硬質炭素皮膜、又は、窒化クロム系皮膜上に硬質炭素皮膜が設けられた積層皮膜、である、請求項４に記載のピストンリング。
   
   
   
   

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