JPH0419412B2

JPH0419412B2 -

Info

Publication number: JPH0419412B2
Application number: JP62140754A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Shimizu
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 1987-06-06
Filing date: 1987-06-06
Publication date: 1992-03-30
Also published as: JPS6357964A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は耐摩耗性皮膜を被覆した内燃機関用ピ
ストンリングに関するものである。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は硬
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。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。

本発明は以上の要求を満たす高性能内燃機関用
ピストンリングとして考案したものである。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、性能は、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。

耐焼付き性に優れていること。

があげられる。そこで以上の品質、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
可能性があり、このうち、プラズマ溶射法につい
ては、すでに一部のピストンリングについてセラ
ミツクスの溶射で実用化の段階に入り、耐摩耗性
に関しては硬質クロムめつきを上廻る性能が得ら
れており漸次適用範囲が増加する傾向にある。し
かしプラズマ溶射法によるセラミツクスコーテイ
ングは被着粒子間に内在するポーラスの為に耐熱
耐酸化性が低く相手シリンダの摩耗も多い等、い
まだ完全なものといえず、なお改良の余地があ
る。又、化学的蒸着法については超硬工具へのセ
ラミツクス処理（コーテイングチツプ）等ですで
に実用化しており、その耐摩性、耐熱性の優秀さ
は市場で立証されている。しかし、化学的蒸着法
の処理温度は通常900〜1000℃であり、ピストン
リングの母材である鋳鉄および鋼の再結晶温度を
はるかに越えた温度になる為、蒸着処理工程での
母材の軟化、変形が避けられず、又変態による材
質変化も危惧されピストンリングの表面処理とし
ては適用できない。物理的蒸着法については、化
学的蒸着法よりも低温で処理できることから、小
型、精密部品の処理方法として急速に発展してき
ている。物理的蒸着法の中で真空蒸着法は密着度
が充分でなくピストンリングへの表面処理として
は適さない。又、スパツタリングについては薄膜
処理しかできず、ピストンリングの表面処理とし
て適用できない。

以上の如く、各種表面処理の利害損失を吟味し
た結果、本発明者はイオンプレーテイングは物理
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こと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。

本発明は、このイオンプレーテイング手法の一
般的特徴を生かして皮膜が被着された内燃機関用
ピストンリングを研究する過程で、イオンプレー
テイング手法でつけられる各種硬質化合物のう
ち、特に窒化チタンが膜厚、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、非常に有効であることを見いだした。こ
れらの諸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１図に示す。第１図を見れば
明らかなように・−・線で示される窒化チタン
（TiN）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それぞれ・−・及びΓ−
Γで第２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
0.1mm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
２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。

次に本発明の構成要件限定理由について述べ
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、高硬度であり、しかも、他のセ
ラミツクスに比較して、靭性が高く、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、表面被覆材
もその変形に応じて変形し、剥離、クラツク等に
耐えるだけの靭性が求められる。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覆材にクラツ
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
（TiC）（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
要求される皮膜の靭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（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。すなわち、窒化チタン（TiN）の皮膜
硬さは第３図および第４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温度と窒素分
圧により変化する。ここで、第３図および第４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℃と一定にして室素分
圧を変化させた場合に相当する。このようにイオ
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５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0.9Kgの条
件を採用した。第５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）の硬さをHv1950以下に限
定したのは所期のピストンリング性能を発揮させ
るためである。すなわち、この硬さを超えると皮
膜の耐摩耗性は良好になるが、母材である鉄また
は鋳鉄の加熱温度が高くなり、軟化による耐摩耗
性低下や変形などが起こる。このように耐摩耗性
が低下すると、窒化チタン皮膜を支持している基
板である母材が相手材との摺動により変形を受
け、該皮膜に凹凸が生じることとなり、またイオ
ンプレーテイング中の母材の変形によりピストン
リングとシリンダーの局部接触が起こり、シリン
ダーの摩耗が起こり、これらの結果ピストンリン
グ本来の性能が発揮できなくなる。

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、下地あらさの調節はピストンリングの性能
確保上注意すべき要件である。

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
イングがより好ましい。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、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
てピストンリングの温度250〜550℃に保持しなが
ら分圧が4.5〜9Torrとなるよう窒素ガスをアル
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
り所望の被覆を行なう。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。

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。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1300
c.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2200cc、
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
ムメツキ皮膜の約1/10〜1/8であり、シリンダ上
死点摩耗も良好である。

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な摩耗に
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かつ
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２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３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４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５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
行なつた後の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

【特許請求の範囲】

１下地面あらさが2μ以下の鋳鉄又は鋼からな
るピストンリングの少なくとも外周摺動面にイオ
ンプレーテイングによる窒化チタン皮膜を被覆せ
しめ、該皮膜の硬さをHv1300以上1950以下、厚
さを３〜20μ、かつ該外周摺動面あらさを2μ以下
にしたことを特徴とするピストリング。