JP3388047B2

JP3388047B2 - ピストンリングおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3388047B2
Application number: JP02472995A
Authority: JP
Inventors: 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
Priority date: 1995-01-19
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 2003-03-17
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JPH08199337A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性と靭性と密着
性とに優れた硬質皮膜を被覆した内燃機関用ピストンリ
ングに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの高出力化や排ガス規制
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、摺動面の表面処理として従来使
用されている硬質Ｃｒめっきや窒化処理では耐久性能を
満足できないエンジンが多くなってきた。

【０００３】この状況に対処するため、ＰＶＤ法を利用
した窒化チタン皮膜や厚膜が可能である窒化クロム皮膜
を被覆したピストンリング（特開昭５７−５７８６７号
参照）が提案されている。また、更に、長寿命を実現す
るために、窒化クロムよりも耐摩耗性の高い窒化モリブ
デン皮膜を被覆したピストンリング（特開平２−１３４
４６８号、特開平６−１７９３３号、特開平６−２５８
２６号参照）が提案されている。

【０００４】更に、金属モリブデン中に炭化物、窒化物
あるいは酸化物からなる硬質粒子を分散させた溶射皮膜
が知られているが、これらは硬質粒子あるいは金属粒子
が１μｍ以上の複合組織であり、摺動部の耐脱落性およ
び皮膜の密着性が劣る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】窒化クロム皮膜は耐摩
耗性が不十分であり、窒化モリブデン皮膜は非常に硬く
て耐摩耗性に優れているが、脆い性質があるため、摺動
による過度の繰り返し応力を受けると皮膜に欠けやクラ
ックが発生し、その欠けまたはクラックが進行して剥離
に到る場合がある。

【０００６】本発明の目的は、耐摩耗性と靭性と密着性
とに優れた硬質皮膜を被覆した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】本発明は、少なくとも摺
動面に硬質皮膜が被覆されているピストンリングであっ
て、前記硬質皮膜が、重量比で、Ｍｏ５〜５８％、Ｎ７
〜２２％、残Ｃｒからなる皮膜であり、少なくとも窒化
クロムと窒化モリブデンとを含み、皮膜硬さがビッカー
ス硬さ（ＨＶ）で１４００〜２５００であり、結晶粒径
が１μm未満であることを特徴とする。

【０００８】なお、上記において、Ｍｏの含有量は下限
が１５重量％、上限は５０重量％がより好ましく、Ｎの
含有量は下限が１４重量％がより好ましい。

【０００９】また、皮膜硬さはビッカース硬さで、下限
が１６００、上限は２４００がより好ましい。

【００１０】また、皮膜を形成する窒化クロムや窒化モ
リブデン等の結晶粒径は０．１μｍ未満がより好まし
い。

【００１１】上記硬質皮膜は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】例えばイオンプレーティング法で上記硬質
皮膜を被覆する場合には、蒸発源として、Ｃｒ金属から
なる蒸発源、Ｍｏ金属からなる蒸発源、およびＣｒ−Ｍ
ｏ合金からなる蒸発源のうちの少なくとも２つの蒸発源
を設け、各蒸発源におけるアーク電流の大きさを適宜の
値に設定し、窒素雰囲気中で行うことができる。なお、
所定比率のＣｒ−Ｍｏ合金からなる１つの蒸発源を使用
して窒素雰囲気中で行うこともできる。

【００１３】

【作用】本発明のピストンリングは硬質皮膜が窒化クロ
ムと窒化モリブデンを含んでいるＣｒ−Ｍｏ−Ｎの三元
系皮膜であることにより、耐摩耗性に優れており、窒化
クロムが含まれていることによって靭性も優れている。
また、厚膜も可能である。

【００１４】皮膜中のＭｏの含有量は、５重量％未満で
は耐摩耗性が悪く、５８重量％を越えると皮膜の密着性
が低下する。

【００１５】皮膜中のＮが７重量％未満では、金属分が
増加するために耐摩耗性が悪く、２２重量％を越える
と、皮膜の密着性が低下する。

【００１６】また、皮膜硬さがビッカース硬さで２５０
０を越えると耐スカッフ性が低下し、１４００未満では
耐スカッフ性が低下するとともに、皮膜の摩耗量が多く
なり、耐摩耗性が低下する。

【００１７】また、皮膜を形成する窒化クロムや窒化モ
リブデン等の結晶粒径が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。

【００１８】

【実施例】図１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。ピストンリ
ング１の外周面にはアークイオンプレーティングによっ
て硬質皮膜２が被覆されている。

【００１９】硬質皮膜２は重量比で、Ｍｏ５〜５８％、
Ｎ７〜２２％、残Ｃｒからなる皮膜であり、少なくとも
窒化クロムと窒化モリブデンとを含み、皮膜硬さがビッ
カース硬さで１４００〜２５００であり、結晶粒径が１
μm未満である。そして硬質皮膜２の膜厚は５μｍ〜８
０μｍが好適である。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】本発明においては、上記アークイオンプレ
ーティング装置において、真空チャンバ１０内にＣｒ金
属からなる陰極（蒸発源）、Ｍｏ金属からなる陰極（蒸
発源）、およびＣｒ−Ｍｏ合金からなる陰極（蒸発源）
のうちの少なくとも２つの陰極（蒸発源）が設置されて
おり（図は２つの陰極を有するものを示してある。）、
プロセスガスとして窒素ガスが使用されることにより、
被コーティング物１２としてのピストンリングに、重量
比で、Ｍｏ５〜５８％、Ｎ７〜２２％、残Ｃｒからな
り、少なくとも窒化クロムと窒化モリブデンとを含み、
皮膜硬さがビッカース硬さで１４００〜２５００であ
り、結晶粒径が１μm未満である硬質皮膜を被覆するこ
とができる。なお、各陰極（蒸発源）１１におけるアー
ク電流の大きさは独立して調節できるように構成されて
いる。

【００２４】上記において、ＣｒとＭｏの成分量は次の
ようにして決定できる。図３はアーク電流と成膜スピー
ドとの関係を示す。陰極（蒸発源）の材料がＣｒ金属
で、バイアス電圧が３０Ｖの場合を示している。なお、
陰極（蒸発源）の材料がＭｏ金属やＣｒ−Ｍｏ合金であ
る場合もほぼ同等の結果を示す。図３に示されているよ
うに、成膜スピードすなわち陰極（蒸発源）の蒸発量は
アーク電流（４０Ａ〜２００Ａ）の増加に伴って略比例
的に上昇している。なお、アーク電流が４０Ａ以下では
アークが発生しない。

【００２５】上記で明らかなように、陰極（蒸発源）の
蒸発量はアーク電流の大きさを変更することによって調
整することができる。したがって、ＣｒとＭｏの成分量
の調整は、各陰極（蒸発源）におけるアーク電流の大き
さを調整することによって行える。ＣｒとＭｏの含有量
に対応する、各陰極（蒸発源）におけるアーク電流の大
きさは、図３、およびＭｏ金属蒸発源、Ｃｒ−Ｍｏ合金
蒸発源における図３に対応する図（図示していないが、
前述したように図３と略同じ結果を示す。）に基づいて
容易に決定できる。

【００２６】表１は、各陰極（蒸発源）の材料と各陰極
におけるアーク電流の大きさの具体的な一例を示してい
る。

【００２７】

【００２８】また、Ｎの含有量の調整は、窒素雰囲気で
ある真空チャンバ１０内の圧力を１〜２０ｍＴｏｒｒの
範囲で調整することによって行うことができる。

【００２９】皮膜硬度の調整は、イオンプレーティング
の際のバイアス電圧を３〜２００Ｖの範囲でコントロー
ルすることによって行うことができる。バイアス電圧を
高くすると、硬度は上昇する。

【００３０】以下、硬質皮膜の耐摩耗性と靱性と密着性
とを評価するために行った各種試験について説明する。

【００３１】表２、表３および表４に、耐摩耗性試験、
拡げ試験、耐スカッフ試験に使用する硬質皮膜の組織、
Ｍｏ含有量、Ｎ含有量、皮膜硬さを示す。なお、皮膜の
成分はＭｏ、Ｎの他はＣｒである。また、皮膜を形成す
る窒化クロム、窒化モリブデン、Ｃｒ、Ｍｏの結晶粒径
はそれぞれ０．１μｍ未満であった。

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】硬質皮膜２の耐摩耗性を評価するために、
図４に示す往復動摩擦試験機を使用して耐摩耗性試験を
行った。

【００３６】図４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。

【００３７】上試験片２０の摩耗量は図５（ａ）に示す
如く、上試験片２０の試験前形状２７と試験後形状２８
を測定し、その差を測定することにより算出する。下試
験片２３の摩耗量は図５（ｂ）に示す如く、摺動部分に
おいて離間する３ケ所Ａ，Ｂ，Ｃの凹み量を測定し、そ
の平均値で示す。

【００３８】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（Ｈ_R
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２、表３および表４に記載の硬
質皮膜を被覆した。

【００３９】２．摩耗試験条件ならし：５０Ｎ×１００ｃｐｍ×５ｍｉｎ本試験：２００Ｎ×６００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ潤滑：軽油相当粘度油

【００４０】（Ｍｏ含有量と耐摩耗性）図６に、Ｍｏ含
有量と皮膜摩耗量との関係について、上記の往復動摩擦
試験機を使用して行った試験結果（Ｎ：１５．０％、な
お、Ｍｏが２８．５％のものは実施例２）を示す。

【００４１】図６の試験結果に示されているように、Ｍ
ｏの含有量が５．０重量％以上で摩耗量が少なく、摺動
時の耐摩耗性が優れていることがわかる。

【００４２】（Ｎ含有量と耐摩耗性）図７に、Ｎ含有量
と皮膜摩耗量との関係について、上記の往復動摩擦試験
機を使用して行った試験結果（Ｍｏ：２８．５％、な
お、Ｎが１５．０％のものは実施例２）を示す。

【００４３】図７の試験結果に示されているように、Ｎ
の含有量が７．０重量％以上で摩耗量が少なく、摺動時
の耐摩耗性が優れていることがわかる。

【００４４】次に、硬質皮膜２の密着性を評価するため
に、拡げ試験を行った。拡げ試験で使用したピストンリ
ングは次の通りである。材質：１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼呼び径：８６ｍｍ軸方向幅：２．０ｍｍ半径方向厚さ：３．０ｍｍ上記ピストンリングの表面に窒化層を形成し、その外周
面の窒化層上に、表２、表３および表４に記載の硬質皮
膜（膜厚：５０μｍ）を被覆した。

【００４５】拡げ試験は図８に示すように、ピストンリ
ング１の合口の両端部をその間隔を６０ｍｍまで拡げ、
硬質皮膜２に剥離が発生した時の拡げ量（合口両端部の
端面間の間隔）を測定した。

【００４６】（Ｍｏ含有量と拡げ強度）図９に、Ｍｏ含
有量と拡げ量との関係について、上記拡げ試験の試験結
果（Ｎ：１５．０％、なお、Ｍｏが２８．５％のものは
実施例２）を示す。

【００４７】図９の試験結果に示されているように、Ｍ
ｏ含有量が５８重量％以下で拡げ量が大きく、皮膜の密
着性が優れていることがわかる。

【００４８】（Ｎ含有量と拡げ強度）図１０に、Ｎ含有
量と拡げ量との関係について、上記拡げ試験の試験結果
（Ｍｏ：２８．５％、なお、Ｎが１５．０％のものは実
施例２）を示す。

【００４９】図１０の試験結果に示されているように、
Ｎ含有量が２２重量％以下で拡げ量が大きく、皮膜の密
着性が優れていることがわかる。

【００５０】次に、上記往復動摩擦試験機を使用して、
皮膜硬さについて耐スカッフ試験を行った。

【００５１】供試試料は耐摩耗性試験の時と同じであ
る。スカッフ試験条件は次の通りである。荷重：初期２００Ｎ（２０Ｎ／ｍｉｎでステップアッ
プ）速度：１００ｃｐｍ潤滑：軽油相当粘度油２５μｌ

【００５２】図１１に、皮膜硬さとスカッフ荷重との関
係について、上記スカッフ試験の試験結果（Ｍｏ５．０
％，Ｎ７．０％、Ｍｏ２８．５％，Ｎ１５．０％、Ｍｏ
５８．０％，Ｎ２２．０％）を示す。

【００５３】図１１の試験結果に示されているように、
皮膜硬さがビッカース硬さで１４００〜２５００の範囲
で、スカッフ荷重が大きいことがわかる。

【００５４】なお、上記実施例ではピストンリングの外
周面に硬質皮膜を被覆した例を示したが、硬質皮膜はピ
ストンリングの外周面と上下面、さらには外周面と上下
面と内周面とに被覆するようにしてもよい。

【００５５】

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のピストン
リングにおける硬質皮膜は耐摩耗性と靭性と密着性とが
優れている。したがって、本発明のピストンリングは苛
酷な条件下においても充分な耐久性を具備させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【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】アーク電流と成膜スピードとの関係を示すグラ
フである。

【図４】往復動摩擦試験機の概要を示す正面図である。

【図５】（ａ）は上試験片の摩耗量算出説明図、（ｂ）
は下試験片の摩耗量算出説明図である。

【図６】Ｍｏ含有量と皮膜摩耗量との関係を示すグラフ
である。

【図７】Ｎ含有量と皮膜摩耗量との関係を示すグラフで
ある。

【図８】拡げ試験を説明するためのピストンリングを示
す説明図である。

【図９】Ｍｏ含有量と拡げ量との関係を示すグラフであ
る。

【図１０】Ｎ含有量と拡げ量との関係を示すグラフであ
る。

【図１１】皮膜硬さとスカッフ荷重との関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１ピストンリング２硬質皮膜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２７上試験片の試験前形状２８上試験片の試験後形状

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−330348（ＪＰ，Ａ) 特開平５−78821（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 F02F 5/00 F16J 9/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも摺動面に硬質皮膜が被覆され
ているピストンリングであって、前記硬質皮膜が、重量比で、Ｍｏ５〜５８％、Ｎ７〜２
２％、残Ｃｒからなる皮膜であり、少なくとも窒化クロ
ムと窒化モリブデンとを含み、皮膜硬さがビッカース硬
さで１４００〜２５００であり、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。
【請求項２】請求項１記載のピストンリングの製造方
法であって、前記硬質皮膜をＰＶＤ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。
【請求項３】前記ＰＶＤ法がイオンプレーティング法
であることを特徴とする請求項２記載のピストンリング
の製造方法。