JP4374154B2

JP4374154B2 - ピストンリング

Info

Publication number: JP4374154B2
Application number: JP2001199886A
Authority: JP
Inventors: 美奈子地濃; 勝明小川; 邦浩井口
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2003014122A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンリングに関し、更に詳しくは、ピストンリング溝の側面との初期なじみ性、耐スカッフ性および耐摩耗性に優れ且つＡｌ凝着が抑制されたピストンリングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングにも耐摩耗性や耐スカッフ性等のさらなる向上が要求されている。
【０００３】
こうした中、ピストンリングの外周摺動面や上下面には、従来よりＣｒめっき皮膜や窒化処理層等が形成され、耐摩耗性の向上や耐スカッフ性の改善が図られている。また、近年においては、ＰＶＤ（物理的蒸着）法で作製されたＣｒＮ（窒化クロム）やＴｉＮ（窒化チタン）等の硬質皮膜を採用することにより、上記の要求に対応している。
【０００４】
上述したＣｒめっき皮膜、窒化層またはＰＶＤ法で作製された硬質皮膜がピストンリングの上下面に形成されている場合においては、特にピストンリングの上下面がＡｌ合金製からなるピストンリング溝の側面を攻撃する傾向があり、その結果、Ａ１凝着現象を起こしてピストンリング溝内の摩耗を増大させるおそれがあった。
【０００５】
こうした問題に対しては、特開平１１−１６６６２５号公報および特開平１２−１２０８６９号公報に開示されているように、硬質炭素皮膜（ダイヤモンドライクカーボン皮膜ともいわれることがある。以下同じ。）をピストンリングの上下面に形成してＡｌ凝着現象を抑制することが検討されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストンリングの上下面は、ピストンが上下に摺動するたびにピストンリング溝内の側面に叩かれ、その結果、ピストンリングの上下面、特に下面側にＡｌ凝着が発生したり、摩耗が発生しさらには促進するおそれがあるが、上述した従来のピストンリングにおいては、上下面に形成された硬質炭素皮膜の耐Ａｌ凝着性および耐摩耗性について十分に検討されているとはいえないものであった。
【０００７】
本発明は、こうした問題を解決すべくなされたものであって、ピストンリング溝の側面との間の耐Ａｌ凝着性に優れ耐摩耗性に優れたピストンリングを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、少なくとも上面及び下面に硬質炭素積層皮膜が形成されたピストンリングであって、該硬質炭素積層皮膜は、その表面側に位置し５０〜７０ｗｔ％の割合でＳｉを含有し、残部がＣ、その他不可避不純物である第１硬質炭素皮膜と、該第１硬質炭素皮膜下に位置し５５〜８５ｗｔ％の割合でＷを含有し、３〜１０ｗｔ％の割合でＮｉを含有し、残部がＣ、その他不可避不純物である第２硬質炭素皮膜とからなり、前記第２硬質炭素皮膜が、前記第１硬質炭素皮膜下のみならずピストンリングの外周摺動面に連続して形成されていることに特徴を有する。
【０００９】
この発明によれば、５０〜７０ｗｔ％の割合でＳｉを含有し、残部がＣ、その他不可避不純物である第１硬質炭素皮膜と、その第１硬質炭素皮膜下に形成された５５〜８５ｗｔ％の割合でＷを含有し、３〜１０ｗｔ％の割合でＮｉを含有し、残部がＣ、その他不可避不純物である第２硬質炭素皮膜とからなる硬質炭素積層皮膜が、ピストンリングの少なくとも上面および下面に形成されているので、第１硬質炭素皮膜により耐スカッフ性の向上を図ることができ、第２硬質炭素皮膜により耐摩耗性の向上を図ることができ、さらにそれらの硬質炭素皮膜によりＡｌ凝着現象を抑制することができる。本発明のピストンリングは、作用の異なる２つの硬質炭素皮膜を積層したので、従来の単一層からなる硬質炭素皮膜に比べて積層する各硬質炭素皮膜の個々の特性を最適なものに調整し易いという利点があり、ピストンリングの上下面の耐Ａｌ凝着性および耐摩耗性をより一層向上させることができる。また、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜がピストンリングの外周摺動面に更に連続して形成されているので、シリンダライナの内周面に摺動接触する外周摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のピストンリングにおいて、前記第２硬質炭素皮膜が、ピストンリングの内周面に更に連続して形成されていることに特徴を有する。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、ピストンリングの全ての面に耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜が連続して形成されているので、使用中における第２硬質炭素皮膜のクラック及び／又は欠けを発生させる起点が少なく、第２硬質炭素皮膜の耐剥離性を向上させて長期間優れた耐摩耗性をピストンリングの全周で維持することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のピストンリングにおいて、前記第１硬質炭素皮膜は、前記第２硬質炭素皮膜が形成されたピストンリングの外周摺動面またはピストンリングの外周摺動面および内周面の何れか一以上の面に形成されていることに特徴を有する。
【００１３】
この発明によれば、耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜は、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜が形成された外周摺動面、内周面の何れか一以上の面に形成されているので、その第１硬質炭素皮膜の形成面における初期なじみ性と耐スカッフ性をより一層向上させることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記第１硬質炭素皮膜は、含有するＳｉの比率が、表面側から第２硬質炭素皮膜側に向かって連続的又は段階的に増加することに特徴を有する。
【００１５】
この発明によれば、含有するＳｉの比率が表面側から第２硬質炭素皮膜側に向かって連続的又は段階的に増加する第１硬質炭素皮膜を有するので、第２硬質炭素皮膜側のＳｉの比率が高い部分は、第２硬質炭素皮膜との密着性が高くなる。その結果、第１硬質炭素皮膜の耐剥離性を向上させることができ、第１硬質炭素皮膜に基づく耐スカッフ性をより一層向上させることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか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少なくとも外周摺動面には、スパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された何れかが下地皮膜または下地層として形成されていることに特徴を有する。
【００１７】
この発明によれば、ピストンリングの少なくとも外周摺動面には、硬くて靱性のあるスパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された何れかが下地皮膜として形成されているので、外周摺動面の耐摩耗性をより一層向上させることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５の何れか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少なくとも上面および下面には、少なくともＣｒを含有する下地層が形成されていることに特徴を有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のピストンリングについて図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
本発明のピストンリング１０は、図１〜図３に示すように、少なくとも上面８および下面９に硬質炭素積層皮膜２が形成されている。そして、本発明の特徴とするところは、その硬質炭素積層皮膜２が、上面８および下面９の表面に形成された少なくともＳｉを含有する第１硬質炭素皮膜１１と、その第１硬質炭素皮膜１１下に形成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有する第２硬質炭素皮膜１２とからなることにある。こうした構成からなる本発明のピストンリングは、第１硬質炭素皮膜１１により耐スカッフ性の向上を図ることができ、第２硬質炭素皮膜１２により耐摩耗性の向上を図ることができる。
【００２１】
本発明のピストンリング１０は、ピストンに形成されたピストンリング溝に装着され、ピストンの上下運動（往復運動に同じ。）によってシリンダライナの内周面を摺動接触しながら、さらにピストンリング溝内の側面に叩かれながら、上下運動する摺動部材である。本発明のピストンリング１０は、トップリング、セカンドリング、オイルリングの何れかであってもまたはそれらの全てであってもよい。
【００２２】
ピストンリング１０は、従来より使用されている材質からなるものであればよく特に限定されない。したがって、いかなる材質からなるピストンリング１０に対しても本発明を適用でき、従来より好ましく用いられている例えばステンレススチール材、鋳物材、鋳鋼材、鋼材等にも適用できる。なお、本発明のピストンリング１０は、アルミニウム合金製のピストンに装着されるピストンリングとして好ましく用いられ、また、鋳鉄、ボロン鋳鉄、鋳鋼、アルミニウム合金等からなるシリンダライナに対するピストンリングとして好ましく用いられ、本発明の所期の目的を達成することができる。
【００２３】
硬質炭素積層皮膜２は、その表面には耐Ａｌ凝着性および耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜１１を有し、その第１硬質炭素皮膜１１の下にはその第１硬質炭素皮膜が摩耗した後に現れる耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２を有する。
【００２４】
先ず、第１硬質炭素皮膜について説明する。
【００２５】
第１硬質炭素皮膜１１は、硬質炭素積層皮膜２における表面層を構成し、少なくともＳｉ（ケイ素）を含有するＳｉ−Ｃ系の硬質炭素皮膜である。Ｓｉを含有する第１硬質炭素皮膜１１は、ピストンリング溝の側面に対する耐Ａｌ凝着性および耐スカッフ性に優れると共にピストンリング溝の側面との間の初期なじみ性にも優れたものである。こうした特徴を有する第１硬質炭素皮膜１１は、後述する第２硬質炭素皮膜１２に比べて耐摩耗性については若干落ちるものの、厚さの下限値を０．５μｍとすることによって、優れた耐スカッフ性を発揮することができ、初期なじみ性も著しく改善することができる。なお、第１硬質炭素皮膜１１の好ましい厚さの範囲は、０．５〜１５μｍであり、更に好ましくは３〜１０μｍである。こうした範囲内に第１硬質炭素皮膜の厚さを設定することによって、ピストンリングの上下面８、９に優れた耐スカッフ性と初期なじみ性を付与することができると共に、そうした第１硬質炭素皮膜によりピストンリング溝の側面との間のＡｌ凝着現象を抑制することができる。
【００２６】
第１硬質炭素皮膜１１の組成については特に限定されないが、Ｓｉ：５０〜７０ｗｔ％好ましくは５５〜６５ｗｔ％、Ｃ：残部、その他不可避不純物からなることが好ましい。こうした第１硬質炭素皮膜１１中に含有するＳｉは、金属Ｓｉとして含まれていても、ＳｉＣとして含まれていても、または、金属ＳｉおよびＳｉＣとして含まれていてもよい。
【００２７】
また、第１硬質炭素皮膜１１は、その下に後述する第２硬質炭素皮膜１２を必ず有するので、第１硬質炭素皮膜１１と第２硬質炭素皮膜１２とが高い密着性をもって積層されていることが望ましい。こうした要求を満たすため、本発明においては、第１硬質炭素皮膜１１中のＳｉ含有比率を、表面側から第２硬質炭素皮膜側に向かって連続的又は段階的に増加するように傾斜させて形成することが好ましい。そうすることにより、少なくともＷまたは、Ｗ及びＮｉを含有する第２硬質炭素皮膜１２近傍の第１硬質炭素皮膜１１のＳｉ含有比率を高くして、第１硬質炭素皮膜１２と第２硬質炭素皮膜１２との密着性を向上させることができる。その結果、耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜を密着性よく第２硬質炭素皮膜上に設けることができるので、ピストンリング１０の上下面８、９における耐Ａｌ凝着性および耐スカッフ性を顕著に向上させることができる。
【００２８】
図４は、第１硬質炭素皮膜１１が含有するＳｉの含有比率を膜厚方向に傾斜させた態様を示している。図４に示すように、Ｓｉの含有比率が表面側から第２硬質炭素皮膜側に向かって高くなるように曲線状に変化させたり、直線状に変化させることができる。このとき、第２硬質炭素皮膜１２に接する部分の第１硬質炭素皮膜１１のＳｉの含有比率を高くし、およそ７０〜１００重量％とすることが好ましい。Ｓｉ含有比率をこうした範囲内とすることにより、第２硬質炭素皮膜１２との密着性がより向上する。このとき、最外周側の第１硬質炭素皮膜１１のＳｉ含有比率は低くなり、およそ０〜７０重量％となる。
【００２９】
次に、第２硬質炭素皮膜について説明する。
【００３０】
第２硬質炭素皮膜１２は、上下面８、９に形成された硬質炭素積層皮膜２における下層、すなわち硬質炭素積層皮膜２における第１硬質炭素皮膜１１の下層を構成するものである。
【００３１】
この第２硬質炭素皮膜１２は、少なくともＷ（タングステン）を含有するＷ−Ｃ系の硬質炭素皮膜または、更にＮｉを含有するＷ−Ｎｉ−Ｃ系の硬質炭素皮膜である。こうした第２硬質炭素皮膜１２は、金属Ｗ及び／又はＷＣを含有しているので、極めて耐摩耗性に優れている。さらに、第２硬質炭素皮膜１２が含有するＷの作用により、膜厚形成能が向上し厚膜化が可能となる。その結果、生産性のよい耐摩耗性皮膜を形成できるという利点がある。
【００３２】
なお、Ｎｉは第２硬質炭素皮膜形成用Ｗターゲット中に含有されている場合が多く、第２硬質炭素皮膜１２中に含有されやすい元素である。Ｎｉを含有する第２硬質炭素皮膜形成用Ｗターゲットはコスト削減の観点から有利である。
【００３３】
第２硬質炭素皮膜１２の厚さは、１〜３０μｍであることが好ましく３〜２０μｍであることがさらに好ましい。こうした範囲内の厚さを有する第２硬質炭素皮膜１２は、優れた耐摩耗性を発揮することができる。第２硬質炭素皮膜１２の厚さが１μｍ未満では、膜厚が薄いので、摩耗が僅かながら進行した際にピストンリングの上下面８、９の耐摩耗性を十分担保できないことがある。一方、第２硬質炭素皮膜１２の厚さが３０μｍを超えると、摺動接触中に剥離することがある。
【００３４】
第２硬質炭素皮膜１２の組成については特に限定されないが、Ｗ−Ｃ系の第２硬質炭素皮膜１２の場合には、Ｗ：５０〜８５ｗｔ％好ましくは６０〜８０ｗｔ％、Ｃ：残部、その他不可避不純物であることが、上述した優れた作用効果の観点から好ましい。また、Ｗ−Ｎｉ−Ｃ系の第２硬質炭素皮膜１２の場合には、Ｗ：５５〜８５ｗｔ％好ましくは６０〜８０ｗｔ％、Ｎｉ：３〜１０ｗｔ％好ましくは５〜８ｗｔ％、Ｃ：残部、その他不可避不純物であることが、上述した優れた作用効果の観点から好ましい。
【００３５】
さらに、後述するように、第２硬質炭素皮膜１２は、反応性スパッタリング法およびプラズマＣＶＤ法等により成膜されるが、成膜中にガス流量を変化させ、母材１側から表面側に向かって第２硬質炭素皮膜の成分組成を連続的または段階的に徐々に変化させることもできる。こうした手段により、厚さ方向の第２硬質炭素皮膜の耐摩耗性を徐々に変化させることができる。
【００３６】
以上説明したように、ピストンリングは、ピストンの上下運動によりシリンダライナの内周面を摺動接触しながら且つピストンリング溝内の側面に叩かれながら、上下運動するものであるが、本発明のピストンリング１０においては、上述の硬質炭素積層皮膜２が上面８および下面９に形成されているので、先ず、表面に形成された第１硬質炭素皮膜１１の作用により、ピストンリング溝の側面に対する耐スカッフ性が向上し、さらにピストンリング溝の側面との間の初期なじみ性も改善される。次いで、ピストンリング溝の側面との摺動接触が進行すると、その第１硬質炭素皮膜１１が徐々に摩耗し、その第１硬質炭素皮膜１１の下に形成された第２硬質炭素皮膜１２が現れる。現れた第２硬質炭素皮膜１２は、耐摩耗性に優れるので、上面および下面の摩耗が抑制され、良好な摺動接触を長期間継続させることができる。しかも、こうした各硬質炭素皮膜１１、１２は、ピストンリング溝の側面との間のＡｌ凝着現象を抑制することができる。
【００３７】
次に、上下面以外の面について説明する。
【００３８】
本発明のピストンリングは、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、少なくとも上面８および下面９に硬質炭素積層皮膜２を有するものであるが、必ずしも上面８および下面９にのみ硬質炭素積層皮膜２が形成されている必要はない。したがって、上下面８、９以外の面、すなわち、ピストンリングの外周摺動面６や内周面７にも硬質炭素積層皮膜２を形成することができる。
【００３９】
図１（ｂ）に示すように、硬質炭素積層皮膜２がピストンリング１０の上下面８、９および外周摺動面６に連続して形成される場合には、ピストンリング溝内の側面とピストンリングの上下面８、９との間における耐Ａｌ凝着性、耐スカッフ性および耐摩耗性を向上させることができると共に、シリンダライナの内周面とピストンリングの外周摺動面６との間における耐スカッフ性および耐摩耗性の向上を図ることができる。
【００４０】
図１（ｃ）に示すように、硬質炭素積層皮膜２がピストンリング１０の上下面８、９、外周摺動面６および内周面７に連続して形成される場合には、ピストンリング溝内の側面とピストンリングの上下面８、９との間における耐スカッフ性と耐摩耗性の向上およびＡｌ凝着現象を抑制することができると共に、シリンダライナの内周面とピストンリングの外周摺動面６との間における耐スカッフ性および耐摩耗性の向上を図ることができる。しかも、ピストンリングの内周面７を含めた全周全てに硬質炭素積層皮膜２が連続して形成されているので、使用中における硬質炭素積層皮膜２のクラック及び／又は欠けを発生させる起点が少なく、硬質炭素積層皮膜２の耐剥離性を向上させることができる。その結果、ピストンリングを長期間使用した場合であっても、優れた耐摩耗性を発揮することができる。
【００４１】
上述の場合において、ピストンリング１０の外周摺動面６に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さは、０．３〜８０μｍであることが好ましい。この硬質炭素積層皮膜２のうち、耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜１１の厚さは少なくとも０．１μｍであればよく、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２の厚さは少なくとも０．２μｍであればよい。ピストンリング１０の外周摺動面６に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さを０．３〜８０μｍとしたのは、シリンダライナの内周面との間の耐摩耗性および耐スカッフ性、および製造上の観点によるものである。具体的には、外周摺動面６に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さが０．３μｍ未満では、結果的に第２硬質炭素皮膜１２の膜厚が薄くなり、シリンダライナの内周面との間で耐摩耗性の向上が図れないことがある。一方、外周摺動面６に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さが８０μｍを超えると、形成された硬質炭素積層皮膜２に剥離が発生し、十分な耐摩耗性を発揮できないことがある。
【００４２】
上述の場合において、ピストンリング１０の内周面７に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さは、０．０１５μｍ以上であることが好ましい。この硬質炭素積層皮膜２のうち、第１硬質炭素皮膜１１の厚さは少なくとも０．００５μｍであればよく、第２硬質炭素積層皮膜１２の厚さは少なくとも０．０１μｍであればよい。０．０１５μｍ以上の硬質炭素積層皮膜２を内周面７に形成したピストンリング１０は、硬質炭素積層皮膜２の耐剥離性を向上させることができる。また、内周面７に形成される硬質炭素積層皮膜２の厚さは、後述のように、成膜時に隣接するピストンリング間の隙間を大きくすることによって厚くすることができるので、外周摺動面６や上下面８、９の厚さとの差を適宜調整できる。
【００４３】
また、本発明のピストンリング１０は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、上述の第２硬質炭素皮膜１２を、ピストンリングの外周摺動面６にも、さらには内周面７にも連続して形成することが好ましい。
【００４４】
図２（ａ）に示すように、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２を単一層としてピストンリング１０の外周摺動面６に更に連続して形成する場合には、シリンダライナの内周面とピストンリングの外周摺動面６との間の耐摩耗性の改善を図ることができる。
【００４５】
図２（ｂ）に示すように、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２をピストンリングの全ての面に単一層として連続して形成する場合には、使用中における第２硬質炭素皮膜のクラック及び／又は欠けを発生させる起点が少なく、第２硬質炭素皮膜の耐剥離性を向上させて長期間優れた耐摩耗性を維持することができる。
【００４６】
また、本発明のピストンリング１０は、図２（ｃ）に示すように、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２をピストンリングの全ての面に単一層として連続して形成し、第１硬質炭素皮膜１１を上面８及び下面９以外の外周摺動面６にも更に連続して形成して積層させてもよい。すなわち、第１硬質炭素皮膜１１を、第２硬質炭素皮膜１２が更に連続して形成されたピストンリングの外周摺動面６またはピストンリングの外周摺動面６および内周面７の何れか一以上の面に形成して、部分的に積層させてもよい。第１硬質炭素皮膜１１を、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２が更に連続して形成された外周摺動面６、内周面７の何れか一以上の面に形成することにより、その積層部分は上述した硬質炭素積層皮膜２を構成し、その第１硬質炭素皮膜形成面における初期なじみ性と耐スカッフ性さらには耐摩耗性をより一層向上させることができる。
【００４７】
上下面８、９以外の面に第２硬質炭素皮膜等を形成した場合における第２硬質炭素皮膜１２の厚さは、ピストンリング１０の外周摺動面６については、２〜５０μｍであることが好ましい。ピストンリング１０の外周摺動面６に形成される第２硬質炭素皮膜１２の厚さを２〜５０μｍとしたのは、シリンダライナの内周面との間の耐摩耗性および製造上の観点によるものである。
【００４８】
また、ピストンリング１０の内周面７に形成される第２硬質炭素皮膜１２の厚さについては、耐摩耗性の観点から少なくとも０．０１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．３〜２７μｍの範囲内である。０．０１μｍ以上の第２硬質炭素皮膜１２を内周面７に形成したピストンリング１０は、第２硬質炭素皮膜１２の耐剥離性を向上させることができる。また、内周面７に形成される第２硬質炭素皮膜１２の厚さは、後述のように、成膜時に隣接するピストンリングの隙間が大きくなるように配置することによって厚くすることができるので、外周摺動面６や上下面８、９の厚さとの差を適宜調整できる。
【００４９】
また、そうした第２硬質炭素皮膜上に必要に応じて形成する第１硬質炭素皮膜の厚さは、初期なじみ性と耐スカッフ性の観点から、０．００５μｍ以上であればよく、好ましくは０．１５〜１４μｍである。
【００５０】
次に、硬質炭素積層皮膜等の成膜方法およびその厚さの調整方法について説明する。
【００５１】
上述した第１硬質炭素皮膜１１および第２硬質炭素皮膜１２は、反応性イオンプレーティング法や反応性スパッタリング法等のいわゆるＰＶＤ法によって形成することができる。また、プラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法によっても形成することができる。さらに、ＰＶＤ法とＣＶＤ法との組合せによっても形成することができる。こうしたＰＶＤ法やＣＶＤ法は、ワークの形状要因に基づいて、ワークの各部で厚さの差が生じることがあり、特に、本発明のピストンリング１０のように、例えば反応性イオンプレーティング装置や反応性スパッタリング装置のチャンバー内の治具に取り付けられて成膜されるワークにあっては、外周摺動面６が最も厚くなりやすく、上面８と下面９が続き、内周面７が最も薄くなりやすい。そうした厚さの差は、ピストンリングの母材１を治具に取り付ける際に、隣接するピストンリングの母材１との隙間を調整することによってコントロールすることができ、例えば、その隙間を大きくすることによって各々の面の厚さの差を小さくでき、隙間を小さくすることによって各々の面の厚さの差を大きくすることができる。なお、本発明においては、上面８および下面９における硬質炭素積層皮膜２の厚さを１００（指数）としたときに、外周摺動面６における硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２の厚さを１００〜２００（指数）とすることが好ましく、また、内周面７における硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２の厚さを１〜９９（指数）とすることが好ましい。
【００５２】
さらに、本発明のピストンリング１０においては、硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜を内周面７に形成することにより、ピストンリング１０の摺動時におけるオイル焼けに基づくすすの付着の問題を解決することができるという利点がある。すなわち、従来においては、ピストンリングとピストンリング溝との間で起こるオイル焼けによって発生したすすが、ピストンリングの下面９および内周面７に付着または凝着して、ピストンリングを拘束してしまうことがあった。こうしたことは、ピストンリングとピストンリング溝との間にすすがたまりやすい矩形形状のピストンリングの場合に顕著であり、ハーフキーストンリングや、ディーゼルエンジンに好ましく採用されているフルキーストンリングの場合であっても同様な傾向を示した。こうしたすすの付着の問題に対して、本発明のピストンリング１０は、全周、特にこうしたすすの問題が起こる下面９および内周面７に硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２を形成することができるので、すすが付きにくく、たとえ付着したとしても容易に砕くことができ、すすを排除し易くなる。その結果、すすの付着を防止することができ、ピストンリングが拘束されるのを防ぐことができるという顕著な効果を有している。
【００５３】
次に、下地皮膜または下地層について説明する。
【００５４】
図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、本発明のピストンリング１０の少なくとも外周摺動面６には、スパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された何れかを下地皮膜または下地層（以下、下地皮膜または下地層を、「下地皮膜３」という。）として形成することができる。
【００５５】
下地皮膜３は、外周摺動面６のみに形成しても、外周摺動面６、上面８および下面９に形成しても、外周摺動面６、内周面７、上面８および下面９の全周に形成してもよく、適宜必要に応じて設けることができる。
【００５６】
スパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された何れかの下地皮膜３を上述した硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２の下地皮膜として外周摺動面６に形成すれば、外周摺動面６の耐摩耗性をより向上させることができるので特に好ましいが、それらの硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２が形成されていない場合においても表面皮膜として外周摺動面６に形成することが好ましく、外周摺動面６に好ましい耐摩耗性を付与することができる。
【００５７】
好ましい下地皮膜３は、イオンプレーティング法で形成されるイオンプレーティング皮膜であり、特に、ＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、ＴｉＮ、Ｃｒ−Ｏ−Ｎ、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ等の硬質皮膜であることが好ましい。イオンプレーティング皮膜は、硬くて靱性があるので、摺動面として作用するピストンリング１０の外周摺動面６の耐摩耗性を更に向上させることができる。なお、イオンプレーティング法の代わりに反応性スパッタリング法等の薄膜形成法によって形成された下地皮膜３であってもよい。こうした下地皮膜３の厚さは、５〜５０μｍ程度であることが好ましい。
【００５８】
クロムめっき皮膜および窒化層の形成手段についても特に限定されない。窒化層においては、イオン窒化層でも、ガス窒化層でもよく、その形成手段には特に限定されない。
【００５９】
また、ピストンリング１０の少なくとも上面及び下面に形成される下地層としては、少なくともＣｒを含有するものであることが好ましい。硬質炭素積層皮膜２または硬質炭素皮膜１２の下地層として少なくともＣｒを含有する皮膜を形成することで、下地のピストンリング母材１と硬質炭素積層皮膜２または硬質炭素皮膜１２との密着性を向上させることができる。この少なくともＣｒを含有する下地層は、スパッタリング法、イオンプレーティング法またはＣｒめっき法により形成するのが望ましい。
【００６０】
次に、本発明のピストンリングを製造する方法の一例について説明する。
【００６１】
先ず、第２硬質炭素皮膜１２を形成する。ピストンリング母材１を反応性スパッタリング装置のチャンバー内の取付治具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントによってピストンリング母材１の表面を清浄化する。その後、先ず、Ｃｒターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の蒸発したＣｒ原子をピストンリング母材１上に析出させ、次いで、炭素源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導入し、ＷおよびＮｉが含まれている金属ターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、チャンバー内の炭素原子と蒸発した金属原子とが結合してピストンリング母材１上に少なくともＷおよびＮｉを含有する皮膜として析出させ、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２を形成する。ＷおよびＮｉの含有比率は、それらの元素の蒸発速度および反応性ガスの圧力等を調整することによって制御される。この場合において、第２硬質炭素皮膜１２を形成しない面にはマスキング等の処理を施す。
【００６２】
次に、第１硬質炭素皮膜１１を形成する。第２硬質炭素皮膜１２が形成されたピストンリングをプラズマＣＶＤ装置のチャンバー内の取付治具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントによって第２硬質炭素皮膜が形成されたピストンリングの表面を清浄化する。その後、炭素源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導入し、Ｓｉが含まれているシランガス等を導入して、プラズマで活性化し、チャンバー内の炭素原子と蒸発した金属原子とが結合してピストンリング上に少なくともＳｉを含有する皮膜として析出させ、耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜１１を形成する。Ｓｉの含有比率は、Ｓｉ元素を含む反応性ガスの圧力等を調整することによって制御される。この場合においても、第１硬質炭素皮膜１１を形成しない面にはマスキング等の処理を施す。
【００６３】
なお、スパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層の何れかを下地皮膜３として有するピストンリング１０は、そうした下地皮膜３を予めスパッタリング装置、イオンプレーティング装置、クロムめっき装置、窒化装置等によって形成し、その後、上述の反応性スパッタリング装置等に供して硬質炭素皮膜を形成して製造される。
【００６４】
【実施例】
以下に、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に詳しく説明する。
【００６５】
（実施例１〜８）
１７Ｃｒステンレス鋼製のピストンリング母材１を作製し、その母材１上の少なくとも上下面８、９に硬質炭素積層皮膜２を反応性イオンプレーティング装置により形成した。上下面８、９以外の面には、硬質炭素積層皮膜２または第２硬質炭素皮膜１２を任意に形成し、さらに必要に応じて第１硬質炭素皮膜１１を任意に形成した。下地皮膜３を有したピストンリングとする場合には、予め、クロムめっき皮膜、窒化処理層、イオンプレーティング皮膜の何れかを形成した。各硬質炭素皮膜および各下地皮膜３の形成条件を以下に示す。
【００６６】
硬質炭素皮膜：第２硬質炭素皮膜１２はＷ−Ｎｉ−Ｃ系とし、ターゲットおよび炭素含有ガス圧などの反応条件を制御することによって、Ｗ：７５ｗｔ％、Ｎｉ：８ｗｔ％、Ｃ：残部、および不可避不純物からなる組成とした。第１硬質炭素皮膜１１はＳｉ−Ｃ系とし、ターゲットおよび炭素含有ガス圧などの反応条件を制御することによって、Ｓｉ：６０ｗｔ％、Ｃ：残部、および不可避不純物からなる組成とした。ピストンリングの上下面８、９には第１硬質炭素皮膜１１および第２硬質炭素皮膜１２からなる硬質炭素積層皮膜２が少なくとも形成されているように各実施例を構成した。
【００６７】
クロムめっき皮膜：フッ化クロム浴中での電解めっきにより、厚さ１５０μｍのクロムめっき皮膜を形成した。その後、クロムめっき皮膜の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用いた表面研磨を行い、粗さ１μｍＲｚとなるとように調整した。最終的な皮膜厚さを１２０μｍとした。形成されたクロムめっき皮膜のビッカース硬さはＨｖ９００であった。
【００６８】
窒化処理層：ガス窒化法により窒化層を形成した。アンモニア分解ガス雰囲気中で５９０℃×６時間保持し、さらに、５４０℃×２時間保持して、厚さ１００μｍのガス窒化層を形成した。その後、窒化層の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用いた表面研磨を行い、粗さ１μｍＲｚとなるとように調整した。最終的な皮膜厚さを７０μｍとした。形成された窒化層のビッカース硬さはＨｖ１１００であった。
【００６９】
イオンプレーティング皮膜：イオンプレーティング法により、主に｛２００｝に配向した厚さ３０μｍのＣｒＮ皮膜を形成した。その後、イオンプレーティング皮膜の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用いた表面研磨を行い、粗さ１μｍＲｚとなるとように調整した。最終的な皮膜厚さを２０μｍとした。形成されたイオンプレーティング皮膜のビッカース硬さはＨｖ１５００であった。
【００７０】
作製した実施例１〜８の構成を表１に示した。
【００７１】
（比較例１）
１７Ｃｒステンレス鋼製のピストンリング母材１を作製し、その母材１の全周に窒化層を上記実施例と同じ方法により形成した。外周摺動面６には、厚さ３０μｍのイオンプレーティング皮膜を形成した。窒化層およびイオンプレーティング皮膜の形成条件は上記実施例と同様にした。こうして比較例１のピストンリングを作製した。作製した比較例１の構成を表１に示した。
【００７２】
【表１】

【００７３】
（摩耗試験）
摩耗試験は、アムスラー型摩耗試験機を使用し、試験片のほぼ半分を油に浸漬し、相手材を接触させ、荷重を負荷して行った。試験片としては、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー試験片は、実施例１〜８および比較例１のピストンリングと同様の処理を施したものを使用した。各試験片を用いて摩耗試験を行い、耐摩耗性の評価を行った。試験条件は、潤滑油：クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、油温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：１５０ｋｇｆ、試験時間：７時間の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材として行った。このボロン鋳鉄からなる相手材は、所定に形状に研削加工した後、研削砥石の細かさを変えて順次表面研削を行い、最終的に２μｍＲｚとなるように調整した。摩耗量の測定は、粗さ計による段差プロファイルで摩耗量（μｍ）を測定して評価した。
【００７４】
耐摩耗性は、比較例１に対応する試験片の摩耗量と実施例１〜８に対応する各試験片の摩耗量とをそれらの相対比として比較し、比較例１に対応する試験片の結果に対する摩耗指数として評価した。従って、各試験片の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少ないことを表す。実施例１〜８に対応する各試験片は、比較例１に対応する試験片よりも僅かに摩耗指数が悪いが、比較例１に対応する試験片の結果とほぼ同等であり、大きな問題が発生することはない。結果を表２に示した。
【００７５】
（スカッフ試験）
スカッフ試験は、アムスラー型摩耗試験機を使用し、試験片に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで荷重を負荷させて行った。試験片としては、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー試験片は、実施例１〜４、６および比較例１のピストンリングと同様の処理を施したものを使用した。各試験片を用いてスカッフ試験を行い、耐スカッフ性の評価を行った。試験条件は、潤滑油：クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材として行った。このボロン鋳鉄も上述の方法により最終的に２μｍＲｚとなるように調整した。
【００７６】
耐スカッフ性は、比較例１に対応する試験片のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１〜４、６に対応する各試験片のスカッフ発生荷重を比較例１に対応する試験片の結果に対する耐スカッフ指数として比較した。従って、実施例１〜４、６に対応する各試験片の耐スカッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、比較例１に対応する試験片よりも耐スカッフ性に優れることとなる。外周摺動面に硬質炭素積層皮膜を有する実施例１〜４に対応する各試験片の耐スカッフ指数は、２２０であり、比較例１に対応する試験片よりも著しく耐スカッフ性に優れていた。結果を表２に示した。
【００７７】
（たたき試験）
たたき試験は、図５に示す高温弁座摩耗試験機５１を使用して行った。すべりたたき試験片としては、実施例１〜８および比較例１と同様の処理を施したものを使用し、たたき摩耗量の評価を行った。試験条件は、ストローク：４ｍｍ、繰り返し速度：５００回／分、リング回転数：３ｒｐｍ、試験時間：１０時間、ピストン材温度：３４０℃、ピストン材：ＡＣ８Ａの条件下で行った。なお、凝着の有無は、表面を１５倍に拡大して観察し、評価した。ここで、「すべりたたき試験」とは、ピストン材５３を試験機５１に対して軸方向移動不能に固定し、ピストンリング材５２をピストン材５３に同心に装着し、ピストンリング材５２の内周面側に備わっているシリンダライナ相当の鋳鉄製円棒５５を軸方向に往復させることにより、ピストンリング材５２に、回転しつうピストン材５３を叩く動作モードを付与する試験である。試験機５１は、被験材加熱用のヒータ５４を有しており、実際に燃料を燃焼させずともエンジン内の燃焼時の高温状態を再現することができ、ピストン材の状態変化を模すことができる。この試験により、ピストン側摩耗（ピストン材の摩耗量）、ピストンリング摩耗（ピストンリング材の摩耗量）を評価した。
【００７８】
結果は、ピストンリングの上下面における摩耗指数で表した。その値は、比較例１のピストンリングのたたき試験の摩耗量の結果を１００とし、実施例１〜８の各試験片の結果を比較例１の結果に対する摩耗指数として比較した。従って、実施例１〜８の摩耗指数が１００より小さいほど、摩耗量が小さくなり、比較例１よりも耐摩耗性に優れることとなる。上下面に硬質炭素積層皮膜を有する実施例１〜８のピストンリングの摩耗指数は、６０または８０であり、比較例１の試験片よりも著しく耐摩耗性に優れていた。その結果を表２に示す。
【００７９】
（耐剥離性試験）
耐剥離性の試験は、ＮＰＲ式衝撃試験装置（特公昭３６−１９０４６号、めっき密着度の定量的試験装置）の改良試験機を使用し、表面に１回当たり４３．１ｍＪ（４．４ｋｇｆ・ｍｍ）の衝撃エネルギーを加え、剥離発生までの回数で評価した。試験片としては、上述の実施例１〜３、５、７のピストンリングを使用した。各試験片を用いて耐剥離性試験を行い、耐剥離性の評価を行った。剥離の有無は、表面を１５倍に拡大して観察し、評価した。図６は、測定に使用したＮＰＲ式衝撃試験装置を示す。なお、図６において、２１はピストンリング、２２は圧子、２３は当て金である。
【００８０】
耐剥離性は、実施例７の試験片の剥離発生回数を１００とし、実施例１〜３、５の各試験片の剥離発生回数を実施例７の結果に対する耐剥離性指数として比較した。従って、実施例１〜３、５の各試験片の耐剥離性指数が１００よりも大きくなると、実施例７の試験片よりも多い回数で剥離が発生することとなるので、耐剥離性に優れることとなる。実施例１〜３、５の耐剥離指数は、１０５〜１１０であり、実施例７のピストンリングに比べ、耐剥離性に優れていた。結果を表２に示した。
【００８１】
【表２】

【００８２】
（評価）
実施例１〜８のピストンリングは、比較例１のピストンリングに比べ、その何れも上下面にＡｌ凝着の発生はみられなかった。また、上下面の耐摩耗性は著しく向上した。また、外周摺動面の耐摩耗性および耐スカッフ性は、硬質炭素積層皮膜が形成されることにより、耐スカッフ性において著しく向上した。また、全周面に硬質炭素積層皮膜を形成することにより、耐剥離性にも優れていた。
【００８３】
【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よれば、少なくともＳｉを含有する耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜と、その第１硬質炭素皮膜下に形成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有する耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜とからなる硬質炭素積層皮膜が、ピストンリングの上下面に少なくとも形成されているので、第１硬質炭素皮膜により耐スカッフ性の向上を図ることができ、第２硬質炭素皮膜により耐摩耗性の向上を図ることができる。本発明のピストンリングは、作用の異なる２つの硬質炭素皮膜を積層したので、従来の単一層からなる硬質炭素皮膜に比べて、積層する各硬質炭素皮膜の個々の特性を最適なものに調整し易いという利点があり、Ａｌ凝着現象の抑制効果に加え、摺動時の初期なじみ性、耐スカッフ性および耐摩耗性をより一層向上させることができる。
【００８４】
こうした本発明のピストンリングは、今後開発が予想される高出力、高温高負荷のエンジンにも十分に使用することができ、その効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストンリングの例を示す断面図である。
【図２】本発明のピストンリングの他の例を示す断面図である。
【図３】下地皮膜または下地層が形成された本発明のピストンリングの他の例を示す断面図である。
【図４】第１硬質炭素皮膜のＳｉ含有比率を傾斜させた態様の例である。
【図５】高温弁座摩耗試験機である。
【図６】ＮＰＲ式衝撃試験装置の改良試験機である。
【符号の説明】
１母材
２硬質炭素積層皮膜
３下地皮膜（下地層）
６外周面
７内周面
８上面
９下面
１０ピストンリング
１１第１硬質炭素皮膜
１２第２硬質炭素皮膜

Claims

少なくとも上面及び下面に硬質炭素積層皮膜が形成されたピストンリングであって、該硬質炭素積層皮膜は、その表面側に位置し５０〜７０ｗｔ％の割合でＳｉを含有し、残部がＣ、その他不可避不純物である第１硬質炭素皮膜と、該第１硬質炭素皮膜下に位置し５５〜８５ｗｔ％の割合でＷを含有し、３〜１０ｗｔ％の割合でＮｉを含有し、残部がＣ、その他不可避不純物である第２硬質炭素皮膜とからなり、
前記第２硬質炭素皮膜が、前記第１硬質炭素皮膜下のみならずピストンリングの外周摺動面に連続して形成されていることを特徴とするピストンリング。
前記第２硬質炭素皮膜が、ピストンリングの内周面に更に連続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
前記第１硬質炭素皮膜は、前記第２硬質炭素皮膜が形成されたピストンリングの外周摺動面またはピストンリングの外周摺動面および内周面の何れか一以上の面に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のピストンリング。
前記第１硬質炭素皮膜は、含有するＳｉの比率が、表面側から第２硬質炭素皮膜側に向かって連続的又は段階的に増加することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のピストンリング。
前記ピストンリングの少なくとも外周摺動面には、スパッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された何れかが下地皮膜または下地層として形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載のピストンリング。
前記ピストンリングの少なくとも上面および下面には、少なくともＣｒを含有する下地層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載のピストンリング。