JPH0617933A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 形成された皮膜と母材との密着性に優れてい
ると同時に耐摩耗性にも優れた皮膜を被覆したピストン
リングを提供する。 【構成】 少なくともその外周摺動面２に、窒化モリブ
デンを含有する厚さが１〜50μｍの皮膜２Ａをイオンプ
レーティングにより形成してなることを特徴とするピス
トンリング１である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業の利用分野】本発明は、耐摩耗性に優れたイオン
プレーティング皮膜を少なくとも摺動面に有する内燃機
関用ピストンリングに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ピスト
ンリングは、エンジンのシリンダライナ内に配置された
ピストンのリング溝に組み込まれ、主に燃焼室の気密
化、シリンダー表面に形成される潤滑油膜の膜圧制御、
及び燃焼熱をピストンからシリンダライナへ伝達するこ
とによるピストンの冷却等の働きをする。従って、ピス
トンリング特性としては耐摩耗性、耐焼付性、耐熱性、
保油性、及びシリンダ側の摩耗抑制性などが高い次元で
要求される。

【０００３】これらの要求に応えるため、靭性が高く、
耐摩耗性、及び耐焼付性に優れる鋼などの鉄系材料を母
材としたピストンリングに、摺動特性を改良するための
表面処理を施したものを使用していた。従来から行われ
ているピストンリングの表面処理方法として、窒化処
理、クロムめっき処理、モリブデン溶射処理などが挙げ
られる。

【０００４】また、特公平１−５２４７１号及び特開昭
６２−１２０４７１号は、ＰＶＤ（Physical Vapor Dep
osition ）法により、摺動面に金属窒化物や金属炭化物
等の皮膜をコーティングしたピストンリングを開示して
いる。金属窒化物や金属炭化物の皮膜は優れた耐摩耗
性、及び耐焼付性を示しており、特に窒化チタンや窒化
クロムなどが注目される。

【０００５】しかし、近年エンジンの高出力化や高性能
化に伴い、ピストンリングに要求される条件はますます
苛酷なものとなり、従来の皮膜では対応できない場合が
出てきた。硬質クロムめっき処理を施したピストンリン
グでは耐腐食摩耗性が不十分であり、窒化処理やモリブ
デン溶射処理を施したピストンリングでは耐摩耗性が不
十分であり、また窒化チタンや窒化クロムをコーティン
グしたピストンリングでも摺動特性が不十分であるた
め、さらに優れた耐摩耗性を有するピストンリングが望
まれている。

【０００６】従って、本発明の目的は、形成された皮膜
と母材との密着性に優れていると同時に耐摩耗性にも優
れた皮膜を被覆したピストンリングを提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、少なくとも外周摺動面に、窒化モ
リブデンからなる皮膜がイオンプレーティング法によ
り、１〜50μｍの厚さで形成されているピストンリング
は密着性に優れていると同時に耐摩耗性にも優れている
ことを発見し、本発明を完成した。

【０００８】すなわち、本発明のピストンリングは少な
くともその外周摺動面に、窒化モリブデンを含有する厚
さが１〜50μｍの皮膜をイオンプレーティングにより形
成してなることを特徴とする。

【０００９】

【実施例】本発明について、以下詳細に説明する。本発
明において、イオンプレーティング皮膜で被覆する基
材、すなわちピストンリング本体は従来公知のいかなる
材料や形状でもよい。その材料は、１３Ｃｒ及び１７Ｃ
ｒステンレス鋼、バネ鋼、工具鋼、及び鋳鉄などの鉄系
材料、及びそれらの材料に窒化処理やクロムめっきを施
したもの等を使用することができる。

【００１０】図１は本発明におけるピストンリング１
と、形成された皮膜2Aを示す断面図である。皮膜を形成
する面は、ピストンリングの外周摺動面２を必須とする
が、他の部分である内周面３、あるいは上下面４などの
いずれに形成しても差し支えはない。ピストンリングの
膜厚は、初期なじみにおける摩耗で表面層が消失する可
能性を考慮して１μｍ以上とし、初期なじみ以降にも皮
膜を残すことが必要である。一方、必要以上に皮膜を厚
くすることは経済上好ましくなく、膜厚が50μｍを超え
ると皮膜が欠けたり、亀裂が生じ、密着力が低下するの
で、50μｍ以下とすることが必要である。

【００１１】図２は本発明によるピストンリング１を装
着したピストン５がシリンダライナ６に組み込まれた状
態の一部分を示す断面図である。

【００１２】本発明においてはイオンプレーティング法
により、皮膜をピストンリングに形成させる。イオンプ
レーティング法はＰＶＤ法の一種である。ＰＶＤ法は、
皮膜を形成する技術であり、基本的には、蒸着法、スパ
ッタリング法、及びイオンプレーティング法の３つの方
法に分類できる。本発明においては、モリブデン蒸気を
窒素と反応させ、窒化モリブデン皮膜をピストンリング
上に堆積させることができる反応性イオンプレーティン
グ法に特定した。

【００１３】モリブデン蒸気は、ＨＣＤガンや電子ビー
ムなどの高エネルギービームをモリブデンに照射し、蒸
発させることにより得る。また陰極アークプラズマ式イ
オンプレーティング法、及びスパッタリング法のよう
に、陰極からモリブデン粒子を飛び出させることによ
り、モリブデン蒸気を得てもよい。

【００１４】皮膜の構成元素であるモリブデンは窒化物
を形成しやすい元素である。そこでモリブデンの蒸気に
窒素を混合した気相中でプラズマを発生させると、モリ
ブデンはイオン化し、窒素イオンと化合して窒化モリブ
デンを生成する。その結果、ピストンリング母材の表面
に窒化モリブデンの皮膜が形成される。その際、窒素ガ
スの供給量が少ない場合は上記窒化モリブデンの他、未
反応のモリブデンが生成され、窒化モリブデンとモリブ
デンとの複合皮膜となる。

【００１５】ピストンリングの外周摺動面に形成された
窒化モリブデンとモリブデンとの複合皮膜は、モリブデ
ンを含有することにより窒化物単相からなる皮膜と比較
して若干耐食性が劣る。しかし、モリブデンを含有した
皮膜は、窒化物単相からなる皮膜と比べて母材と皮膜と
の界面における熱膨張係数や結晶構造などの変化が小さ
くなり、母材との密着力が高まる。このように、皮膜に
モリブデンを含有させることにより利害得失があるが、
総合的には窒化モリブデンのみからなる皮膜のほうが摺
動特性に優れるため、モリブデンを積極的には生成させ
ないようにするのが好ましい。なお、モリブデンの生成
量の上限は窒素の含有量により決定されるが、モリブデ
ンは皮膜中重量％で95％以下とするのが好ましい。

【００１６】複合皮膜の構成元素は、原子比でモリブデ
ン：窒素＝１：0.05〜1.0 とするのが好ましい。窒素の
モリブデンに対する原子比が0.05未満においては窒化モ
リブデンの生成が少なく、硬度が低くなり、耐摩耗性に
劣る。

【００１７】上記の皮膜をピストンリング本体の外周摺
動面に形成させる方法を以下に詳述するが、本発明はこ
れに限定されない。

【００１８】まず、ピストンリング母材を洗浄し、表面
に付着した汚れを取り、充分清浄化してイオンプレーテ
ィング装置の真空チャンバー内に挿入する。チャンバー
内の圧力が1.3 ×10^-3〜５×10^-3Paになるまで真空引き
を行ってから、イオンプレーティング装置に内蔵されて
いるヒーターにより加熱してピストンリング母材の内在
ガスを放出させる。加熱温度は300 〜500 ℃とするのが
好ましい。その後100〜400 ℃まで冷却する。

【００１９】チャンバー内圧力が４×10^-3Pa以下になっ
た時点でモリブデンからなるターゲットを陰極として、
その表面でアーク放電を発生させモリブデンイオンを飛
び出させる。この際、ピストンリング母材にはバイアス
電圧を印加しておき、陰極より飛び出した金属イオンを
基材表面に高エネルギーで衝突させる方法、いわゆるボ
ンバードクリーニング法により基材表面の酸化物除去と
活性化処理を行う。そのときのバイアス電圧は−700 〜
−900 Ｖとするのが好ましい。

【００２０】その後バイアス電圧を低下させ、モリブデ
ンイオンをピストンリング外周摺動面に堆積させなが
ら、窒素ガスをチャンバー内に導入し、プラズマ内を通
過させる。それにより窒素をイオン化させ、窒素分圧を
1.3 ×10^-1〜1.6 Pa程度にし、バイアス電圧を−10〜−
100 Ｖ印加してピストンリング外周面にイオンプレーテ
ィング皮膜を形成させる。皮膜形成後、真空チャンバー
内で200 ℃以下になるまで冷却してから、ピストンリン
グをチャンバーから取り出す。

【００２１】以上が窒化モリブデン、あるいは窒化モリ
ブデンとモリブデンを含有する皮膜をピストンリングに
形成させる方法である。得られたピストンリングは、外
周摺動面の硬度が高く、皮膜と母材との密着力が良好で
あることから耐摩耗性に優れる。

【００２２】本発明において、皮膜とピストンリングの
母材との密着力をさらに高める方法として、（１）ピス
トンリングの母材と、皮膜との間にモリブデン金属から
なる下地層を形成させる方法、及び（２）ピストンリン
グの母材表面側から皮膜の表面に向かって、その皮膜中
の窒化モリブデンのモリブデンに対する比率を連続的に
増大させる方法がある。

【００２３】（１）の方法においては、皮膜形成の際、
反応窒素ガスを導入する前に、モリブデンのイオンプレ
ーティングを行うと、ピストンリング母材にモリブデン
金属の下地層が形成される。このモリブデン金属の下地
層は、熱膨張がピストンリング母材に近く、熱応力の影
響を受けにくいため、密着性が良く、しかも柔軟性に富
む。モリブデン金属の下地層は、0.1 〜２μｍの厚さに
形成するのが好ましい。0.1 μｍ未満であると効果が薄
く、また、２μｍで十分な効果を得ることができ、２μ
ｍを超えてもそれ以上の効果を望むことはできず、経済
的にも好ましくない。

【００２４】（２）の方法においては、皮膜形成の際、
下地層を形成せずに、あるいは下地層を所定の厚さで形
成したところで、徐々に窒素ガスを導入してイオンプレ
ーティングを行うと、蒸発したモリブデンの一部、また
は全部が窒化モリブデンに転換される。窒素ガス分圧が
低いときは転換の割合が少なく、窒素ガス分圧が次第に
高くなるにつれて転換の割合は多くなるので皮膜中の窒
化モリブデンの割合を連続的に増大させることができ
る。

【００２５】このように皮膜層を、密着性及び柔軟性に
富む下地層を形成することや、下地層に続いて、あるい
は下地層を形成しないでピストンリング母材側から皮膜
表面に向かって窒素比率が連続的に増加している皮膜層
を形成することは、皮膜のはく離防止に一層効果があ
る。

【００２６】本発明を以下の具体的実施例により、さら
に詳細に説明する。実施例１、比較例１ 本実施例では、呼び径×幅×厚さが86mm×２mm×３mm、
材質がＳＫＤ６１のピストンリング母材を使用した。

【００２７】ＰＶＤ処理は、陰極アークプラズマ式イオ
ンプレーティング装置を用いて行った。ピストンリング
母材をフロン洗浄し、イオンプレーティング装置の真空
チャンバー内に挿入した。チャンバー内の圧力が1.3 ×
10^-3Pa以下になるまで真空引きを行ってから、イオンプ
レーティング装置に内蔵されているヒーターにより300
〜500 ℃で加熱してピストンリング母材の内在ガスを放
出させ、その後200 ℃まで冷却した。

【００２８】チャンバー内圧力が４×10^-3Pa以下になっ
た時点でバイアス電圧を−700 〜−900 Ｖ印加してお
き、アーク放電を発生させ、モリブデンイオンを飛び出
させた。その後チャンバー内に導入した窒素の分圧を0.
13〜1.60Pa程度にして、バイアス電圧を−10〜−100 Ｖ
印加してピストンリング外周摺動面にイオンプレーティ
ング皮膜を形成させた。皮膜形成後、真空チャンバー内
で200 ℃以下になるまで冷却してピストンリングを取り
出した。

【００２９】上記方法で、ピストンリング外周摺動面
に、厚さが10μｍであり、皮膜の構成元素の原子比がモ
リブデン：窒素＝１：0.42である窒化モリブデンとモリ
ブデンよりなる皮膜を被覆した。

【００３０】得られたピストンリングの皮膜密着性を測
定した。密着性の測定方法は、ツイスト試験と呼ばれる
もので、ピストンリングの合い口部の一方を固定し、他
の一方をねじって皮膜の剥離が生じるまでのねじり角を
測定するものである。

【００３１】比較例１として、実施例１と同材質、及び
同寸法のピストンリング本体に窒化チタンの単一相皮膜
を５μｍの厚さで被覆したものに対して、実施例１と同
様に皮膜密着性を測定した。

【００３２】実施例１及び比較例１の測定結果を第１表
に示す。なお、測定値は比較例１のねじり角を１とした
角度比で表す。

【００３３】

【００３４】一般的に皮膜の膜厚が厚いほど密着性は劣
るが、第１表から明らかなように、本発明の皮膜は窒化
チタンに比べて皮膜が厚いにもかかわらず、剥離が生じ
るまでのねじり角が大きく、密着性が優れている。

【００３５】実施例２、３、比較例２、３ 本実施例では、呼び径×幅×厚さが86mm×２mm×３mm、
材質がＳＫＤ６１のピストンリングを使用した。

【００３６】実施例１と同様の方法で、構成元素の原子
比がモリブデン：窒素＝１：0.42である窒化モリブデン
とモリブデンからなる皮膜を10μｍの厚さで被覆したピ
ストンリング（実施例２）と、構成元素の原子比がモリ
ブデン：窒素＝１：0.85である窒化モリブデンの皮膜を
10μｍの厚さで被覆したピストンリング（実施例３）を
４気筒４サイクルのディーゼルエンジンのトップリング
に組み込み、それぞれ台上実機試験を行った。

【００３７】試験条件は次に示す通りであった。 回転数 ：３，５００rpm 試験時間 ：１００時間 オイル温度 ：１２８℃ 水温 ：１１０℃ 吸気温度 ：５５℃

【００３８】実機試験における外周摺動面摩耗量の測定
を４回行った。その結果を第２表に示す。

【００３９】比較例として、ピストンリングの外周摺動
面にクロムめっきを施したもの（比較例２）と窒化クロ
ムをイオンプレーティング法で被覆したもの（比較例
３）について、実施例２及び３と同様に実機試験を行っ
た。結果を第２表に示す。

【００４０】 第 ２ 表 摩耗量（μｍ） １回目 ２回目 ３回目 ４回目実施例２ 3.5 3.6 3.4 3.7 実施例３ 3.3 3.7 3.5 3.4 比較例２ 11.4 7.9 8.4 10.3 比較例３ 4.0 4.8 5.0 4.2

【００４１】第２表から明らかなように、本発明による
皮膜を被覆したピストンリングは、クロムめっきしたピ
ストンリングと比べ、摩耗量が１／３と大幅に減少し、
窒化クロムをイオンプレーティング法で被覆したピスト
ンリングと比べても摩耗量が４／５程度と減少してい
る。

【００４２】ディーゼルエンジンにおいては、燃料の燃
焼によって燃料中の硫黄分がエンジンオイル中に入り込
み、オイルの酸化を促進させる。それゆえピストンリン
グは摩擦摩耗のみだけでなく、腐食摩耗にさらされるこ
とになる。本発明による皮膜を被覆したピストンリング
は耐摩擦摩耗性、及び耐腐食摩耗性に優れている。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述した通り、窒化モリブデン、ま
たは窒化モリブデンとモリブデンからなる皮膜を少なく
とも外周摺動面に有する本発明のピストンリングは、従
来から使用されているピストンリングと比較して、皮膜
の密着性、及び耐摩耗性に優れており、寿命が長い。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピストンリングとその外周摺動面に形成された
皮膜を示す断面図である。

【図２】本発明によるピストンリングをシリンダライナ
内に装着した状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・ピストンリング本体 ２・・・外周摺動面 2A・・・皮膜 ３・・・内周面 ４・・・上下面 ５・・・ピストン ６・・・シリンダライナ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともその外周摺動面に、窒化モリ
   ブデンを含有する厚さが１〜50μｍの皮膜をイオンプレ
   ーティングにより形成してなることを特徴とするピスト
   ンリング。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のピストンリングにおい
   て、前記皮膜中に窒化モリブデンとモリブデンとを含有
   することを特徴とするピストンリング。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のピストンリングにおい
   て、前記ピストンリングの母材表面側から前記イオンプ
   レーティング皮膜の表面に向かって、前記皮膜中の窒化
   モリブデンのモリブデンに対する比率が連続的に増大し
   ていることを特徴とするピストンリング。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３に記載のピストンリング
   において、前記ピストンリングの母材と、前記イオンプ
   レーティング皮膜との間にモリブデン金属からなる下地
   層を有することを特徴とするピストンリング。