JPH04346654A - ピストンリング - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピストンリングに関す
るものであり、さらに詳しく述べるならば、摺動面の耐
摩耗性及び耐焼付性を向上させたピストンリングに関す
るものである。図２に示すように、ピストンリング３は
一般に内燃機関１のシリンダーライナ４内に配置された
ピストン２の溝部に組み込まれており、その主な機能は
、燃焼室の機密化、シリンダー又はシリンダライナー４
（以下「シリンダーライナー４」という）の表面に形成
される潤滑油膜の膜厚制御、及び燃料の燃焼ガスにより
加熱されたピストン２の熱をシリンダーライナーに伝え
ることによるピストン２の冷却等である。このような機
能を発揮するためには、ピストンリングはそれ自体ガも
つ張力でシリンダーライナー４に張りだして、密着して
いるので、ピストンリング３は摺動面に必然的に大きな
面圧が発生し、摩耗や焼付の発生しやすい状況にさらさ
れている。さらに燃焼生成物がピストンリング３とシリ
ンダーライナー４の間の摺動面に達し、アブレシブな摩
耗を発生させる。加えてガソリン中に含まれる硫黄や窒
素成分が酸化して生成する硫酸や硝酸がエンジンオイル
中に混入してピストンリングの腐食摩耗を促進する。

【０００２】

【従来の技術】上記のような摩耗、焼付及び腐食に対処
するためにピストンリングの摺動面には何らかの表面処
理を施すのが普通である。従来より行われてきた表面処
理としては、主に耐摩耗性向上に効果がある硬質クロム
めっき、主に耐焼付性向上に効果がある窒化、モリブデ
ン溶射がある。さらに近年では、硬質クロムめっきでは
耐焼付性が不充分であり、また窒化やモリブデン溶射で
は耐摩耗性が不充分になっている。このような状況に対
処するために各種表面処理の提案が行われている。

【０００３】特開昭６２−９３５７１号公報によると、
熱処理された高速度鋼（ＳＫＨ５１〜５４）の表面に、
窒化チタンのイオンプレーティング皮膜、Ｎｉ、Ｆｅな
どの硬質粒子を分散させた複合めっき、又は鉄クロムの
溶射などの表面処理法が提案されている。さらに、特開
昭６２−１８８８５６号公報によると、金属クロムと窒
化クロムからなる複合イオンプレーティング皮膜を形成
したピストンリングが提案されている。また、特開昭６
２−１８８８５７号公報によると、窒化クロムと窒化チ
タンからなる複合イオンプレーティング皮膜を形成した
ピストンリングが提案されている。これらは、窒化チタ
ン及び窒化クロムなどが硬度が高いために耐摩耗性に優
れ、また化学的に安定であるために耐食性にも優れてい
る性質を利用して、ピストンリングの摺動特性を改良す
るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者がイオンプレ
ーティング皮膜の特性を調査したところ、イオンプレー
ティングにより皮膜として形成された窒化チタンは高温
で酸化されやすく、酸化された窒化チタンは急速に摩耗
してその機能を失うことが分かった。また、窒化クロム
は窒化チタンに比べて硬度が低く、耐摩耗性も劣ってい
る。

【０００５】ところで、近年のエンジンは高回転化、高
出力化及び低燃費化しているために、ピストンリングは
厚みが１ｍｍ程度に薄くなっており、また使用温度も高
くなっている。このような使用状況で従来の窒化チタン
皮膜、あるいは窒化チタンと窒化クロムの複合皮膜は十
分な摺動特性を発揮しない。そこで従来の表面処理ピス
トンリングよりも優れた耐摩耗性及び耐焼付性を発揮す
るピストンリングの開発が望まれている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくともシ
リンダーまたはシリンダーライナーとの摺動面に、厚さ
１μｍ以上のＴｉ，Ａｌ及びＮからなり、ＴｉとＡｌの
原子比率がＴｉ：Ａｌ＝９５：５〜２０：８の範囲であ
ることを特徴とする摺動特性に優れたピストンリングに
関する。

【０００７】本発明においてはピストンリング本体の基
材としては、鋳鉄、ステンレス鋼、ばね鋼などの合金鋼
、工具鋼などまたはそれらの鋼材に窒化処理、浸炭処理
などを施した材料を使用する。硬質皮膜を形成する面は
、シリンダーまたはシリンダーライナーとの摺動面を必
須とするが、局部的に硬質皮膜を形成するためのマスキ
ングの煩雑さを避けるためにその他の面に施してもさし
つかえない。硬質皮膜の膜厚は、初期なじみにおける摩
耗で表面層が消失する可能性を排除するために、１μｍ
以上が必要である。また皮膜表面に欠けや亀裂が生じな
い良好な密着力を得るため２０μｍ以下とすることが好
ましい。

【０００８】従来知られているＴｉ−Ｎ皮膜に添加され
るＡｌは皮膜に耐酸化性を付与する。大気開放型加熱炉
でＡｌを添加したまたはしないＴｉ−Ｎ皮膜を１時間保
持して重量増加を測定する試験を行ったところ、図３に
示すように、Ａｌを添加しないＴｉ−Ｎ皮膜は３００℃
から重量の増加が始まり、５００℃以上では急激な重量
増加が起こることが分かった。Ｘ線回折の結果重量増加
は皮膜の酸化によることが判明した。これに対してＡｌ
をＴｉとＡｌとの合計量の５原子％（以下、Ｔｉ，Ａｌ
の含有量は同様の原子％を意味する）以上添加したＴｉ
−Ａｌ−Ｎ皮膜では重量増加開始温度が６００℃となり
、Ａｌは皮膜の耐酸化性を向上することが判明した。

【０００９】また、ＡｌはＴｉ−Ｎ皮膜の耐摩耗性を高
める作用も有する。Ａｌ含有量が５原子％未満ではＴｉ
−Ａｌ−Ｎ皮膜はＴｉ−Ｎ皮膜よりも耐摩耗性が優れな
い。一方、Ａｌが８０原子％以上であるアルミリッチ皮
膜は摺動面で皮膜の剥離が起こる。したがって皮膜の十
分な密着性を得ながら良好な耐摩耗性と耐酸化性を得る
ためには本発明においては硬質皮膜中のＴｉとＡｌの原
子比率がＴｉ：Ａｌ＝９５：５〜２０：８０の範囲でな
ければならない。硬質イオンプレーティング皮膜中のＮ
量はほぼ５０原子％である。

【００１０】硬質イオンプレーティング皮膜は他の処理
法による皮膜よりも緻密であり、またマイクロビッカー
ス硬さで１８００ＨｍＶ以上の硬さを有するものである
。なお皮膜形成直前に処理面をスパッタクリーニングに
より十分に活性化させ、密着力の強い皮膜を形成するこ
とが望ましい。ピストンリングの相手材であるシリンダ
あるいはシリンダライナは鋳鉄、アルミニウム合金など
通常の材質より構成される。

【００１１】

【作用】イオンプレーティングにより作られるＴｉ−Ｎ
皮膜に所定量のＡｌを添加することによって耐摩耗性を
向上することができる。ピストンリングとシリンダーラ
イナーの摺動部は油を介して接触しているが、微視的に
見ると油を介さずに固体接触が起こっている場所もある
と考えられる。かかる固体接触部は摺動熱により高温に
さらされると考えられるので、高温での硬質皮膜の特性
が重要になる。本発明によるＡｌの添加はＴｉ−Ｎ皮膜
の高温での耐酸化性を向上し、酸化が引き起こす摩耗を
防止することができる。しかしながら、Ａｌの過度の添
加は硬質皮膜の密着性の低下を招くので、請求項１に記
載のようにＡｌ添加量を限定する必要がある。以下、実
施例により本発明を詳しく説明する。

【００１２】

【実施例】本実施例で使用したピストンリング素材１０
（図１参照）はバネ鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＰ−９）であり
、その寸法は、呼び径（ｄ）×幅（ｗ）×厚さ（ｔ）＝
φ８６ｍｍ×２ｍｍ×３ｍｍであった。

【００１３】ピストンリング素材は予めフロン液中で超
音波洗浄を行い、以下説明する手順でシリンダーライナ
ーと摺動する外面にイオンプレーティングによりＴｉ−
Ａｌ−Ｎ系硬質皮膜１１（図１参照）を１０μｍの厚さ
に形成した。超音波洗浄されたピストンリング素材をイ
オンプレーティング装置の真空容器内に取りつけ、続い
てチャンバ内圧力が１．３×１０−３Ｐａ（パスカル）
となるまで真空引きを行った。この真空度が達成された
時点から、真空容器内に内蔵されているヒーターにより
ピストンリング素材を３００〜６００℃まで加熱して、
該素材表面に付着あるいは吸着しているガス成分を放出
させ、その後２００℃まで冷却した。チャンバ内圧力が
４×１０−３Ｐａ以下となった時点で、Ｔｉ−Ａｌ合金
（組成は下記の表のＴｉ，Ａｌ組成になるように調整）
からなるターゲットを陰極とし、その表面でアーク放電
を発生させ、金属元素の大部分がイオン化した状態でタ
ーゲット表面から飛出させた。この時ピストンリング素
材の治具には予めバイアス電圧を−７００〜−１０００
Ｖ印加しておき、ターゲットから飛出したイオン化した
チタン及びアルミニウムをピストンリング素材と治具の
表面に吸引し、さらにこれらのイオンを高速で被処理面
に衝突させた。このようなイオン化した金属の衝突によ
り被処理表面の酸化物などを削るいわゆるスパッタクリ
ーニングにより表面の活性化処理を行った。その後窒素
ガスをチャンバ内に導入し、１．２Ｐａ程度の圧力とし
、またバイアス電圧を−２０〜−１００Ｖ印加してピス
トンリング素材の表面にイオンプレーティング皮膜を形
成させた。所定の膜厚形成後、真空容器内で２００℃以
下になるまで冷却してから、作製されたピストンリング
を真空容器外に取り出した。

【００１４】なお比較のためにＴｉターゲットを使用し
た他は、上記と同じ方法によりＴｉ−Ｎ皮膜を形成した
比較実験を行った。

【００１５】このようにして得られたピストンリングを
排気量１６００ｃｃ、水冷４気筒、鋳鉄製シリンダーの
４サイクルエンジンのトップリングに組込み、エンジン
回転数６０００ｒｐｍ、油温１２０℃、冷却水温度９０
℃、有鉛ガソリン使用、高速耐久・全負荷の条件で２０
０時間のベンチテストを行った。試験後の摩耗量測定結
果およびスカッフ発生の有無を、イオンプレーティング
処理をしなかったシムの摩耗量測定結果と併せて表１に
示した。また、従来の硬質クロムめっき処理（厚さ１０
０μｍ）を施したピストンリングについても上記ベンチ
テストを行った。

【００１６】

【表１】 備考：＊−皮膜剥離が発生した。

【００１７】以上の結果から、本発明に係るピストンリ
ングの耐摩耗性は従来例及び比較例よりも優れているこ
とが明らかである。番号７の比較例で皮膜の剥離が起こ
ったのは、ＡｌＮが絶縁体であるためにピストンリング
と治具に印加したバイアス電圧の効果が不充分となって
、皮膜と素材との密着力が低下するためであると考えら
れる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、従来から使用され
ていたクロムめっき、窒化、モリブデン溶射、又はＴｉ
−Ｎ，Ｃｒ−Ｎ系のイオンプレーテイングなどでは摺動
特性が不充分であったが、本発明によりＴｉ−Ａｌ−Ｎ
系イオンプレーティング皮膜を形成することにより、過
酷な条件でも十分な摺動特性を有するピストンリングが
得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】硬質イオンプレーティング皮膜を形成したピス
トンリングの断面図である。

【図２】シリンダーライナーとピストンリングの図であ
る。

【図３】酸化増量試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１　　エンジン ２　　ピストン ３　　ピストンリング ４　　シリンダーライナー １０　　ピストンリング素材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内燃機関用ピストンリングの少なくと
   もシリンダーまたはシリンダーライナーとの摺動面に、
   厚さ１μｍ以上のＴｉ，Ａｌ及びＮからなり、ＴｉとＡ
   ｌの原子比率がＴｉ：Ａｌ＝９５：５〜２０：８０の範
   囲である硬質イオンプレーティング皮膜が形成されてい
   ることを特徴とする摺動特性に優れたピストンリング。