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JP3266439B2 - ピストンリングおよびその製造方法 - Google Patents

ピストンリングおよびその製造方法

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JP3266439B2
JP3266439B2 JP33863594A JP33863594A JP3266439B2 JP 3266439 B2 JP3266439 B2 JP 3266439B2 JP 33863594 A JP33863594 A JP 33863594A JP 33863594 A JP33863594 A JP 33863594A JP 3266439 B2 JP3266439 B2 JP 3266439B2
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JP
Japan
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film
piston ring
coating
coated
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Inventor
弘人 福留
信行 山下
昭二 田中
Original Assignee
帝国ピストンリング株式会社
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、初期なじみ性に優れた
ピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、エンジンの高出力化、高回転化、
長寿命化、および排ガス規制の対応に伴って、ピストン
リングの使用環境がますます苛酷になっているため、ピ
ストンリングの外周摺動部には非常に硬い窒化層や硬質
のPVD皮膜が形成される例が多くなっている。これに
より、ピストンリングの摩耗特性は格段に向上し、特に
エンジンの長寿命化を実現している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化層
や硬質のPVD皮膜は、運転初期の状態では、初期なじ
み性が悪く、初期の潤滑油消費量の悪化をもたらす。
【0004】それに対して、TiNからなるPVD皮膜
上にTiを被覆することが提案されているが(特開平1
−117971号)、Tiは耐スカッフ性が非常に悪い
ため、実現は困難である。
【0005】また、ピストンスカート部などに、初期な
じみ性、耐スカッフ性を改善するためにSnめっきが施
されることがある。このSnめっきは、ピストンリング
の外周面用としては摩滅が早すぎるので、最近では使用
されていない。
【0006】本発明の目的は、初期なじみ性に優れると
ともに、耐スカッフ性も良好な皮膜を有しているピスト
ンリングおよびその製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のピストンリング
は、外周面に形成されている窒化層または硬質のPVD
皮膜上に膜厚が1〜15μmの皮膜が被覆されており、
この皮膜MoおよびCrのいずれかまたは両方で9
8.0〜99.5重量%、残Nからなり、皮膜硬さがビ
ッカース硬さ(HV)300〜800で、結晶粒径が1
μm未満であることを特徴とする。
【0008】なお、上記において、膜厚の下限は5μ
m、上限は10μmがより好ましい。
【0009】皮膜硬さの下限はビッカース硬さで500
がより好ましい。
【0010】また、皮膜を形成している結晶粒径は0.
1μm未満がより好ましい。
【0011】上記皮膜はPVD法により被覆することが
できる。なお、PVD法には蒸着法、スパッタリング
法、イオンプレーティング法がある。
【0012】
【作用】上記において、MoおよびCrのいずれかまた
は両方で98.0重量%未満では(Nが2.0重量%を
越えると)、耐摩耗性が良すぎるため初期なじみ層とし
て適さない。また、MoおよびCrのいずれかまたは両
方で99.5重量%を越えると(Nが0.5重量%未満
では)、硬さが低下し、耐摩耗性が悪すぎて、初期なじ
み層として適さない。
【0013】皮膜を形成している結晶粒径が1μm以上
であると、摺動部の耐脱落性および皮膜の密着性が劣
る。
【0014】また、皮膜硬さが、ビッカース硬さ300
未満では、耐摩耗性が悪すぎて、初期なじみ層として適
さない。ビッカース硬さ800を越えると、耐摩耗性が
良すぎるため、初期なじみ層として適さない。
【0015】
【実施例】図1(a)は本発明の一実施例であるピスト
ンリングの一部分を示す縦断面図である。本実施例にお
けるピストンリング1は鋼、鋳鉄、チタンあるいはチタ
ン合金等で形成されている矩形断面リングである。
【0016】ピストンリング1の全表面には窒化層2が
形成されている。窒化層2はガス窒化、塩浴窒化、ガス
軟窒化、イオン窒化等によって形成される。なお、本実
施例にあっては、全表面に窒化層を形成している例を示
しているが、窒化層は少なくとも外周面に形成される。
【0017】そして、外周面における窒化層2上には、
更に、アークイオンプレーティングによって皮膜4が被
覆されている。皮膜4は、膜厚が1〜15μmであり、
MoおよびCrのいずれかまたは両方で98.0〜9
9.5重量%、残Nからなり、皮膜硬さがビッカース硬
さ300〜800で、結晶粒径が1μm未満である。
【0018】図1(b)は本発明の別の実施例であるピ
ストンリングの一部分を示す縦断面図である。上記図1
(a)のピストンリングと相違する点は、窒化層2の代
わりに、ピストンリング1の外周面に硬質のPVD皮膜
3が被覆され、その上に上記膜厚1〜15μmの皮膜4
が被覆されている点である。硬質のPVD皮膜3は、窒
化モリブデンや窒化クロム等を含んでいる硬質のPVD
皮膜である。
【0019】アークイオンプレーティング法はイオンプ
レーティングの一つで、真空アーク放電を利用して、陰
極の皮膜材料を蒸気化、イオン化して、被コーティング
物の表面に皮膜を形成するものである。このアークイオ
ンプレーティング法は蒸気のイオン化率が高く、緻密で
密着性に優れた皮膜が得られる特長がある。
【0020】図2に基づいて、アークイオンプレーティ
ング装置の基本的構成を説明する。真空チャンバ10内
に、皮膜を形成する材料からなる陰極(蒸発源)11
と、皮膜が形成される被コーティング物12が設置され
ている。陰極(蒸発源)11は真空チャンバ10の外側
に設置されているアーク供給源13に接続されており、
アーク供給源13には図示外の陽極が接続されている。
被コーティング物12にはバイアス電圧供給源14によ
って負のバイアス電圧が印加されるように構成されてい
る。真空チャンバ10にはプロセスガスの供給源に接続
されているガス入口15と、ポンプに接続されている排
気口16とが設けられている。
【0021】したがって、真空チャンバ10内におい
て、陰極(蒸発源)11と陽極との間でアーク放電が起
こされると、アークは陰極(蒸発源)11の表面上にア
ークスポットを形成し、陰極(蒸発源)11の表面上を
ランダムにかつ高速に移動する。アークスポットに集中
するアーク電流(数十〜数百A)のエネルギーにより、
陰極(蒸発源)11の材料は瞬時に蒸発すると同時に金
属イオン17となり、真空中に飛び出す。一方、バイア
ス電圧が被コーティング物12に印加されることによ
り、金属イオン17は加速され、反応ガス粒子18とと
もに被コーティング物12の表面に密着し、緻密な皮膜
が生成される。
【0022】本発明において、Mo98.0〜99.5
重量%、残Nからなる皮膜を形成する場合は、上記アー
クイオンプレーティング装置において、陰極(蒸発源)
11の材料としてMo金属が使用され、プロセスガスと
して窒素ガスが使用される。
【0023】また、Cr98.0〜99.5重量%、残
Nからなる皮膜を形成する場合は、上記アークイオンプ
レーティング装置において、陰極(蒸発源)11の材料
としてCr金属が使用され、プロセスガスとして窒素ガ
スが使用される。
【0024】また、MoとCrの両方で98.0〜9
9.5重量%、残Nからなる皮膜を形成する場合は、上
記アークイオンプレーティング装置において、陰極(蒸
発源)11の材料としてMo−Cr合金が使用され、プ
ロセスガスとして窒素ガスが使用される。
【0025】なお、MoとCrの両方で98.0〜9
9.5重量%、残Nからなる皮膜を形成する場合は、M
o金属からなる陰極、Cr金属からなる陰極、およびM
o−Cr合金からなる陰極のうちの少なくとも2つの陰
極を設け、プロセスガスとして窒素ガスが使用されるこ
とにより行ってもよい。
【0026】皮膜硬度は、窒素流量を少なくして、硬さ
をHV300〜800にする。また、イオンプレーティ
ングの際のバイアス電圧をコントロールすることによっ
て硬さを調整できる。バイアス電圧を高くすると、硬度
は上昇する。
【0027】皮膜4の初期なじみ性を評価するために、
図3に示す往復動摩擦試験機を使用して摩耗試験を行っ
た。
【0028】図3に示す往復動摩擦試験機の概要を説明
すると、ピストンリングに対応するピン状の上試験片2
0は、固定ブロック21により保持され、上方から油圧
シリンダ22により下向きの荷重が加えられて、後述す
る下試験片23に押接される。一方、シリンダに対応す
る矩形の平盤形状の下試験片23は可動ブロック24に
より保持され、クランク機構25により往復動せしめら
れる。26はロードセルである。
【0029】試験条件は以下の通りである。 1.供試試料 A.下試験片:シリンダブロック用鋳鉄製(FC250
相当材)平板(寸法:長さ70mm、幅17mm、厚さ
14mm)の試験面をバフ研磨し、面粗さを0.1μm
以下にしたもの。なお、硬さはロックウエル硬さ(HR
B)で90である。 B.上試験片:ピストンリング用鋼棒(寸法:直径8m
m、長さ23mm)の端面を18mmRの球面仕上げし
たもの。鋼棒はマルテンサイト系17Crステンレス材
であり、鋼棒の表面に表1に記載の皮膜を被覆した。な
お、比較例1,3,4以外は鋼棒の表面に窒化層が形成
されており、その上に表1に記載の皮膜(膜厚:5μ
m)が被覆される。比較例1はCrめっき皮膜(膜厚:
5μm)のみ、比較例3は鋼棒の表面にTiNからなる
PVD皮膜が被覆されており、その上にTiからなるP
VD皮膜(膜厚:5μm)が被覆され、比較例4は窒化
層のみである。比較例9,10は窒素を導入せず、真空
中(0.1mTorr)で処理したものである。なお、
PVD皮膜を形成している結晶粒径は0.1μm未満で
あった。
【0030】
【0031】(注1)硬さは、比較例2がHV 5g
f、その他はHV 100gfである。 (注2)比較例7および実施例1は皮膜中の成分がMo
とNであり、金属Mo中にNが固溶されている。 (注3)比較例8および実施例2は皮膜中の成分がCr
とNであり、金属Cr中にNが固溶されている。 (注4)実施例3,4は皮膜中の成分がMoとCrとN
であり、Mo−Cr合金(Cr−Mo合金)中にNが固
溶されている。 (注5)実施例3,4のMo−Cr合金(Cr−Mo合
金)におけるMoとCrの比率は重量比である。
【0032】2.摩耗試験条件 試験:5kg×200cpm 潤滑:10wディーゼルエンジンオイル
【0033】上記の条件で往復動摩擦試験機により各皮
膜を摩擦し、1分毎に皮膜の摩滅状態を観察し、摩滅し
ない皮膜については試験を続行して皮膜の摩滅時間を測
定した。図4は各皮膜が摩滅するまでの時間を示してい
る。
【0034】図4の試験結果から、皮膜が摩滅するまで
の時間が比較例2,3,9,10は早いことがわかる。
しかしながら、比較例3,9,10は、皮膜摺動面にス
カッフ痕が認められるので、初期なじみ層として適して
いない。また、比較例2は摩滅が早すぎるために、ピス
トンリングには不十分である。これに対して、実施例
1,2,3,4は、皮膜が摩滅するまでの時間が良好で
あり、かつ、耐スカッフ性も良好であった。
【0035】次に、表1に示す皮膜を外周面に被覆した
ピストンリングをエンジンテストに供した。すなわち、
φ81mmの直列4気筒ガソリンエンジンに前記ピスト
ンリングを組み込み、6000rpm×WOTの条件で
初期の潤滑油消費量試験を行った。
【0036】図5および図6に、潤滑油消費量試験を行
った結果を示す。図5は比較例1,4と実施例1につい
て、運転時間と潤滑油消費量との関係を示したものであ
り、図6は各比較例および実施例について10時間運転
後の潤滑油消費量を示したものである。
【0037】図5および図6の試験結果に示されている
ように、本実施例のピストンリングは初期の潤滑油消費
量が少ないことがわかる。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のピストン
リングは初期なじみ性が優れているため、初期の潤滑油
消費量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)および(b)はそれぞれ本発明の実施例
であるピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
【図2】アークイオンプレーティング装置の構成を説明
する図である。
【図3】往復動摩擦試験機の概要を示す正面図である。
【図4】往復動摩擦試験における皮膜の摩滅までの時間
を示すグラフである。
【図5】皮膜を被覆したピストンリングのエンジンテス
トにおいて、運転時間に対する潤滑油消費量を示すグラ
フである。
【図6】皮膜を被覆したピストンリングのエンジンテス
トにおいて、10時間運転後の潤滑油消費量を示すグラ
フである。
【符号の説明】
1 ピストンリング 2 窒化層 3 硬質のPVD皮膜 4 皮膜 10 真空チャンバ 11 陰極(蒸発源) 12 被コーティング物 13 アーク供給源 14 バイアス電圧供給源 15 ガス入口 16 排気口 17 金属イオン 18 反応ガス粒子 20 上試験片 21 固定ブロック 22 油圧シリンダ 23 下試験片 24 可動ブロック 25 クランク機構 26 ロードセル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F02F 5/00 F02F 5/00 N (56)参考文献 特開 平2−134468(JP,A) 特開 平3−255271(JP,A) 特開 平6−94130(JP,A) 特開 平3−79863(JP,A) 特開 昭63−289374(JP,A) 特開 平3−277870(JP,A) 特開 平4−4361(JP,A) 特開 平5−215239(JP,A) 特開 平4−34268(JP,A) 特開 平5−78821(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16J 9/26 C23C 14/14 F02F 5/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外周面に形成されている窒化層上に膜厚
    が1〜15μmの皮膜が被覆されており、この皮膜
    oおよびCrのいずれかまたは両方で98.0〜99.
    5重量%、残Nからなり、皮膜硬さがビッカース硬さ3
    00〜800で、結晶粒径が1μm未満であることを特
    徴とするピストンリング。
  2. 【請求項2】 外周面に形成されている硬質のPVD皮
    膜上に膜厚が1〜15μmの皮膜が被覆されており、
    皮膜MoおよびCrのいずれかまたは両方で98.
    0〜99.5重量%、残Nからなり、皮膜硬さがビッカ
    ース硬さ300〜800で、結晶粒径が1μm未満であ
    ることを特徴とするピストンリング。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載のピストンリングの
    製造方法であって、前記膜厚1〜15μmの皮膜をPV
    D法により被覆することを特徴とするピストンリングの
    製造方法。
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