JP2006283970A - ピストンリングおよびそれを備えたピストン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ピストンリング5を、ピストンリング本体50と、ピストンリング本体50の表面の少なくとも一部を被覆する非晶質硬質炭素膜51と、から構成し、非晶質硬質炭素膜51のSi含有量は1at%以上10at%以下、H含有量は20at%以上40at%以下とする。また、非晶質硬質炭素膜51の硬さを7GPa以上20GPa以下、弾性率を70GPa以上160GPa以下とすることで、煤を含む潤滑油中であっても優れた摺動性を示す。
本発明のピストンは、ピストンリング溝が周設されたピストン本体と、該ピストンリング溝に配置された上記ピストンリング5と、を備えて構成する。
【選択図】図1
Description
本発明のピストンリングは、ピストンリング本体と、ピストンリング本体の表面の少なくとも一部を被覆する非晶質硬質炭素膜と、からなる。ピストンリング本体の材質としては、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の鉄系材料が望ましい。
本発明のピストンは、ピストンリング溝が周設されたピストン本体と、該ピストンリング溝に配置された上記本発明のピストンリングと、を備える。ピストン本体の材質としては、アルミニウム合金(AC8A等)、鋳鉄等が望ましい。なお、0.5重量%以上10重量%以下の煤を含む潤滑油の存在下で使用される場合には、少なくともピストンリングの対向面と摺接するピストンリング溝の溝面およびその周縁部は、耐摩耗性の高い材料として従来からピストン本体に用いられている、耐摩環ニレジスト鋳鉄の鋳ぐるみ、または、溝面がアルマイト処理されたアルミニウム合金からなるとよい。アルマイト処理された表面の硬さはヴィッカース硬さでHv300〜400、ニレジスト鋳鉄の硬さはロックウェル硬さでHRB75〜92であり、耐摩耗性を有するため、煤によるリング溝の摩耗が低減される。
(1)Si含有非晶質硬質炭素膜(以下、適宜「DLC−Si膜」と称す。)の形成
図8に示す直流プラズマCVD成膜装置を用いて、基材の表面に種々のDLC−Si膜を形成した。図8に示すように、直流プラズマCVD成膜装置4は、ステンレス製の容器40と、基台41と、ガス導入管42と、ガス導出管43とを備える。ガス導入管42は、バルブ(図略)を介して各種ガスボンベ(図略)に接続される。ガス導出管43は、バルブ(図略)を介してロータリーポンプ(図略)および拡散ポンプ(図略)に接続される。
往復動摩擦試験機(帝国ピストンリング株式会社製)を用いて摩擦摩耗試験を行い、表1に示した#1、#6、#8の各膜等の摩擦摩耗特性を評価した。図9に、往復動摩擦試験機の構成を示す。図9に示すように、往復動摩擦試験機8は、ピン型試験片80と、相手材となるプレート材81とから構成される。ピン型試験片80は13Cr鋼製であり、直径8mmの円柱状を呈する。ピン型試験片80の一端は、表面が鏡面仕上げされた球面部800を持つ。プレート材81はアルミニウム合金(AC8A)製である。プレート材81の大きさは17mm×7mm×70mmであり、表面粗さはRzjis1.0μmである。ピン型試験片80は、球面部800の頂部がプレート材81と当接する状態で設置される。
先の図9に示した往復動摩擦試験機を用いて焼付試験を行い、表1に示した#1、#6、#8の各膜等の耐焼付性を評価した。焼付試験は、プレート材81にピン型試験片80を荷重19.6Nで押圧した状態で、プレート材81を図9中左右方向に往復動させて行った。往復動距離は50mm、往復サイクルは200cpm(cycles per minute)とした。なお、ピン型試験片80の球面部800と、それと摺接するプレート材81の表面については、予め10W−30エンジンオイルを塗布し、その後拭き取っておいた。このように、ピン型試験片80とプレート材81とを摺動させて摩擦係数を測定し、摩擦係数が急激に上昇した時間を焼付時間とした。焼付試験は、上記摩擦摩耗試験と同様、ピン型試験片80の球面部800を何も表面処理せずに行った他、球面部800に上記#1(DLC−Si膜)、#6(DLC−W膜)、#8(CrN膜)の各膜をそれぞれ被覆して、また、上記#9の窒化処理を施して行った。図12に、各焼付試験における焼付時間比を示す。焼付時間比は、窒化処理を施したものを基準として算出した。
上述した摩擦摩耗試験、焼付試験の両結果に基づいて、各表面処理における摺動特性を評価した。表2に評価結果をまとめて示す。
既に説明した図8に示す直流プラズマCVD成膜装置を用いて、窒化処理が施された10Cr鋼(Hv1000)製の基材の表面に、(1)と同様の手順で、DLC−Si膜を形成した。これとは別に、同様の基材の表面に、マグネトロンスパッタリング法によりW含有非晶質硬質炭素膜(DLC−W膜)を、アークイオンプレーティング法によりCrN膜を、それぞれ形成した。
ブロック・オン・リング型摩擦試験機(FALEX社製LFW−1型試験機)を用いて摩擦摩耗試験を行い、表3に示した#11〜#14の各膜等の摩擦摩耗特性を評価した。図13にブロック・オン・リング型摩擦試験機の構成を示す。図13に示すように、ブロック・オン・リング型摩擦試験機8’は、リング試験片85と、相手材となるブロック試験片86と、から構成される。リング試験片85は窒化処理された10Cr鋼製であり、外径φ35mm幅7mmのリング状を呈する。ブロック試験片86はニレジスト鋳鉄製である。ブロック試験片86の大きさは6.3mm×15.7mm×10.1mmであり、表面粗さはRzjis0.08μmである。リング試験片85は、その外周面850がブロック試験片86の表面860と当接する状態で設置される。
(1)叩き摩擦試験
叩き摩擦試験を行い、ピストンリングの形状によるDLC−Si膜の密着性の違いを調べた。図21に、叩き摩擦試験機の構成を示す。また、図21中のA部の拡大図を図22に示す。図21に示すように、叩き摩擦試験機9は、ピストン材90と、リング保持部材91と、スプリング92とから構成される。
内周側コーナー部の態様、およびDLC−Si膜の組成を変更して叩き試験を行った結果を表4に示す。表4中、境界部形状のかっこ内の数値は曲率半径を示す。また、表4には、DLC−Si膜に変えてDLC−H膜を被覆した場合(#33)、および被膜を形成しなかった場合(#34)の結果についても併せて示す。
2:ピストン 20:ピストン本体 21:ピストンリング溝
30:トップリング 31:セカンドリング 32:オイルリング
300:トップリング本体
301:外周面 302:上面 303:下面 304:内周面
4:直流プラズマCVD成膜装置 40:容器 41:基台 42:ガス導入管 43:ガス導出管 44:ステンレス製陽極板 45:基材
5:ピストンリング 50:ピストンリング本体 51:非晶質硬質炭素膜
52:外周面 53:内周面 54:上面 55:下面
56、60、64:第一面取り部 57、61:第二面取り部
58、62、65:第三面取り部 59、63、66:第四面取り部
70:ピストンリング本体 71:内周面 72:下面 73、75:面取り部 74、76:境界部
8:往復動摩擦試験機 80:ピン型試験片 800:球面部 81:プレート材 82:オイル供給パイプ 8’:ブロック・オン・リング型摩擦試験機
85:リング試験片 850:外周面 86:ブロック試験片
860:表面(摺動面)
9:叩き摩擦試験機 90:ピストン材 900:ピストン材ヒーター
91:リング保持部材 910:リング保持部材ヒーター 911:リング溝
92:スプリング 93:ピストンリング 930:ピストンリング本体
931:DLC−Si膜 932:内周側コーナー部
Claims (26)
- ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の表面の少なくとも一部を被覆する非晶質硬質炭素膜と、からなり、
該非晶質硬質炭素膜のSi含有量は1at%以上10at%以下、H含有量は20at%以上40at%以下であることを特徴とするピストンリング。 - 0.5重量%未満の煤を含む潤滑油の存在下で使用される請求項1記載のピストンリング。
- 前記非晶質硬質炭素膜の硬さは7GPa以上20GPa以下、弾性率は70GPa以上200GPa以下である請求項1または2に記載のピストンリング。
- 前記非晶質硬質炭素膜の表面粗さはRzjis3μm以下である請求項1または2に記載のピストンリング。
- 前記非晶質硬質炭素膜は、直流プラズマCVD法で形成される請求項1または2に記載のピストンリング。
- 前記ピストンリング本体の前記表面は、外周面、内周面、およびピストンの往復動方向に対向する一対の対向面を持ち、
該表面は、さらに該内周面と該一対の対向面の少なくとも一方との間に、面取り部を有する内周側コーナー部を持ち、
前記非晶質硬質炭素膜は、少なくとも該内周側コーナー部の一つを被覆する請求項1または2に記載のピストンリング。 - 前記非晶質硬質炭素膜は、さらに前記一対の対向面を被覆する請求項6に記載のピストンリング。
- 前記面取り部は、平面状または曲面状を呈する請求項6に記載のピストンリング。
- 前記内周側コーナー部は、前記面取り部と、該面取り部から前記対向面に続く境界部と、からなり、
該境界部は曲面状を呈する請求項6に記載のピストンリング。 - 前記境界部の曲率半径は、R10〜1000mmである請求項9に記載のピストンリング。
- 前記ピストンリング本体は、インターナルベベル形状をなす請求項6に記載のピストンリング。
- 前記一対の対向面間の幅は0.6mm以上1.5mm以下である請求項6に記載のピストンリング。
- ピストンリング溝が周設されたピストン本体と、
該ピストンリング溝に配置された請求項1または2に記載のピストンリングと、
を備えるピストン。 - 前記非晶質硬質炭素膜は、前記ピストンリングにおける前記ピストンリング溝との摺動面を被覆する請求項13に記載のピストン。
- 0.5重量%以上10重量%以下の煤を含む潤滑油の存在下で使用され、ピストンリング本体と、該ピストンリング本体の表面の少なくとも一部を被覆する非晶質硬質炭素膜と、からなり、
該非晶質硬質炭素膜のSi含有量は1at%以上10at%以下、H含有量は20at%以上40at%以下、硬さは7GPa以上20GPa以下、弾性率は70GPa以上160GPa以下であることを特徴とするピストンリング。 - 前記非晶質硬質炭素膜の表面粗さはRzjis3μm以下である請求項15に記載のピストンリング。
- 前記非晶質硬質炭素膜は、直流プラズマCVD法で形成される請求項15に記載のピストンリング。
- 前記ピストンリング本体の前記表面は、外周面、内周面、およびピストンの往復動方向に対向する一対の対向面を持ち、
該表面は、さらに該内周面と該一対の対向面の少なくとも一方との間に、面取り部を有する内周側コーナー部を持ち、
前記非晶質硬質炭素膜は、少なくとも該内周側コーナー部の一つを被覆する請求項15に記載のピストンリング。 - 前記非晶質硬質炭素膜は、さらに前記一対の対向面を被覆する請求項18に記載のピストンリング。
- 前記面取り部は、平面状または曲面状を呈する請求項18に記載のピストンリング。
- 前記内周側コーナー部は、前記面取り部と、該面取り部から前記対向面に続く境界部と、からなり、
該境界部は曲面状を呈する請求項18に記載のピストンリング。 - 前記境界部の曲率半径は、R10〜1000mmである請求項21に記載のピストンリング。
- 前記ピストンリング本体は、インターナルベベル形状をなす請求項18に記載のピストリング。
- 前記一対の対向面間の幅は0.6mm以上3.5mm以下である請求項18に記載のピストンリング。
- ピストンリング溝が周設されたピストン本体と、
該ピストンリング溝に配置された請求項15に記載のピストンリングと、
を備えるピストン。 - 前記非晶質硬質炭素膜は、前記ピストンリングにおける前記ピストンリング溝との摺動面を被覆する請求項25に記載のピストン。
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