JPS6357964A - 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】 本発明は耐摩耗性皮膜を被覆した内燃機関用ピストンリ
ングに関するものである。従来、内燃機関用ピストンリ
ングに要求される耐摩耗性を付与するため行なわれてい
る表面被覆処理としては硬質クロムめっきが代表的なも
のであり、その他の処理も試みられているとはいえ現在
主流をなしているものは硬質クロムめっきである。硬質
クロムめっきが主に用いられてきた理由は、優れた耐摩
耗性を有し、相手鋳鉄シリンダに対する耐焼付き性が高
い等、ピストンリングとしての性能上総合的に優れた特
性が工業的に容易に得られることによる。しかし、近年
、内燃機関の高出力化、高性能化および排気ガス処理対
策が進むに従い、ピストンリングの受ける熱負荷が高く
なってきており、従来の硬質クロムめっきでは耐熱、耐
摩耗、耐焼付き性面で満足すべき性能を得ることが難か
しくなってきている。すなわち、硬質クロムめっきは内
燃機関の使用条件下で高温にさらされるとかなりの硬さ
の低下をきたし、クラックの増大を招く為、熱負荷の高
くなってきている最近の内燃機関においては、しばしば
高温摺動下での摩耗量の増大やスカッフィングの発生を
起こしており、硬質クロムめっきを上用る耐熱、耐摩耗
、耐スカッフィングに優れた表面処理皮膜を備えたピス
トンリングの開発を待望されているのが実情である。

本発明は以上の要求を満たす高性能内燃機関用ピストン
リングとして考案したものである。そもそも、内燃機関
用ピストンリングの表面処理として要求される品質、性
能は、 ピストンリングの表面゛処理自体の耐摩耗性が優れてい
ること。

相手シリンダの摩耗も少ないこと。

熱負荷がかかっても、硬さの著しい低下、クラックの増
大、皮膜の変質等が起らないこと。

耐焼付き性に優れていること。

があげられる。そこで以上の品質、性能を満足させ得る
材料の選択について吟味したところ、最も有力なものは
セラミックスであるが高融点、高硬度のセラミックスを
安定して被覆できる手法についてさらに検討する必要性
を見出した。すなわち、プラズマ溶射法、化学的蒸着法
、および物理的蒸着法などの方法をピストンリングに適
用する可能性があり、このうち、プラズマ溶射法につい
ては、すでに一部のピストンリングについてセラミック
スの溶射て実用化の段階に入り、耐摩耗性に関しては硬
質クロムめっきを上廻る性能が得られており漸次適用範
囲が増加する傾向にある。しかしプラズマ溶射法による
セラミックスコーティングは被着粒子間に内在するポー
ラスの為に耐熱耐酸化性が低く相手シリンダの摩耗も多
い等、いまだ完全なものといえず、なお改良の余地があ
る。又、化学的蒸着法については超硬工具へのセラミッ
クス処理（コーティングチップ）等ですでに実用化して
おり、その耐摩性、耐熱性の優秀さは市場で立証されて
いる。しかし、化学的蒸着法の処理温度は通常９００〜
１０００℃であり、ピストンリングの母材である鋳鉄お
よび鋼の再結晶温度をはるかに越えた温度になる為、蒸
着処理工程での母材の軟化、変形が避けられず、又変態
による材買変化も危惧されピストンリングの表面処理と
しては適用できない、物理的蒸着法については、化学的
蒸着法よりも低温で処理できることから、小型、精密部
品の処理方法として急速に発展してきている。物理的蒸
着法の中で真空蒸着法は密着度が充分でなくピストンリ
ングへの表面処理としては適さない。

又、スパッタリングについては薄膜処理しかできず、ピ
ストンリングの表面処理として適用できない。

以上の如く、各種表面処理の利害得失を吟味した結果、
本発明者はイオンプレーティングは物理的蒸着法の中で
、最も密着度が高く、ある程度の厚膜処理が可能であり
ピストンリング表面処理に適用できる可能性が高いこと
に着目して研究を行なった０周知のようにイオンプレー
ティング手法は近年急速に処理技術の改良が進んでおり
、硬い炭化物、窒化物および酸化物などの硬質化合物、
すなわちセラミックスを高純度で密着性良く基体上にめ
っきできるようになってきた。イオンプレーティング法
の一般的特徴は蒸着物質を気相状態においてイオン化し
、その結果としてイオン化された粒子の活性度が高めら
れ、又基板への粒子衝突エネルギを上げられる為、比較
的低温でも密着度の良い皮膜が得られることであり、更
に蒸着雰囲気を変えることにより、炭化・物、窒化物、
酸化物等、広範囲の化合物質を安定して着けられるとこ
ろにある。

本発明は、このイオンプレーティング手法の一般的特徴
を生かして皮膜が被着された内燃機関用ピストンリング
を研究する過程で、イオンプレーティング手法でつけら
れる各種硬質化合物のうち、特に窒化チタンが膜厚、皮
膜表面あらさおよび皮膜硬さを特定することにより、従
来用いられている硬質クロムめっきと比較して耐熱、耐
摩耗、耐焼付き性、クラック発生の点で大巾に上廻る性
能を有し、内燃機関用ピストンリングの皮膜として、非
常に有効であることを見いだした。これらの緒特性を評
価する目安として行なった高温硬度の測定結果を第１図
に示す、第１図を兄れば明らかなようにｏ−ｏ線で示さ
れる窒化チタン（ＴｉＮ）はｏ−。

線で示される硬質クロムめっきにくらべて硬さが高く、
又、高温時の硬質クロムめっきに現われる４００℃以上
の急激な硬さ低下が少なく、しかも常温にもどした時の
回復率が高い。

なお、−旦常温に戻した後、再び高温に加熱する時は、
窒化チタンの場合は約Ｈｖ１７００および硬質クロムめ
っきの場合は約Ｈｖ６５０を初期硬さとして硬さ低下が
起こるから、上記回復率が高いことは、停止・作動の熱
履歴を繰返す内燃機関のピストンリングにあっては非常
に重要な特性である。

この結果よりイオンプレーティングによる窒化チタンは
高温での耐熱性にすぐれており、しかも熱履歴による性
能劣化が殆んどないことが判明する。なお窒化チタンは
測定後の表面のクラック発生が無かったが硬質クロムめ
っきは無数の大きなりラックの発生が見られ、この面か
らも熱履歴感受性および耐熱性の差があられれている。

又、諸特性評価の別法として、窒化チタン（ＴｉＮ）と
硬質クロムめっきのロータリング式摩耗試験を行なった
結果を第２図に示す。相手ロータにはシリンダライナ相
当材の鋳鉄を使用し無潤滑であり、その他の測定条件は
荷重（Ｐ）０゜９に、、ロータ（Ｒ）材質；鋳鉄（ＦＣ
）、距離２３４情であった。

テストに供試した窒化チタンはピストンリングの外周に
厚さ１５μ被覆した５個の試料１を用い、摩耗圧痕中（
ｄ）を測定した。供試した窒化チタン（Ｔｉｅ）皮膜の
硬さはＨｖ１７５０であった。硬質クロムめっきも同じ
ピストンリングの外周に厚さ０．１ｍｍつけ、硬さＨｖ
９２０のものを供試した。図中■は５回共かじりが発生
したことを意味する。第２図の結果で明らかなように、
窒化チタン（ＴｉＮ）は耐摩耗、耐焼付き性の点で硬質
クロムめっきをはるかにしのいでいる。これらの差は高
速摺動域になるにしたがい一層顕著になる。

次に本発明の構成要件限定理由について述べる。

イオンプレーティング手法によりコーティングされる窒
化チタン皮膜に限定した理由は、窒化チタンが高融点、
高硬度であり、しかも、他のセラミックスに比較して、
靭性が高く、さらに母材として使用する鋳鉄や鋼の線膨
張係数に近い膨張係数を有しており、かかる窒化チタン
皮膜を母材に対し密着度良く、しかもピストンリングの
母材を軟化および変形させない程度の低温でコーティン
グでき、かくしてコーティングされた窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）が前述の如く耐熱性に優れ、かつ熱履歴に対して大
巾の性能劣化を示さないからである。−般に、ピストン
リングは自己張力でシリンダに密着させ、シール効果を
はなす為、自由状態では合い口が開いた擬似楕円形とな
っている。この為、シリンダに装着した状態では変形に
より応力のかかった状態で使用されるので、表面被覆材
もその変形に応じて変形し、剥離、クラック等番こ耐え
るだけの靭性が求められる。又、内燃機関用ピストンリ
ングは燃焼ガスにさらされる為、熱負荷を受けるが母材
と表面被覆材の線膨張係数が極端に異なる場合は熱歪に
より表面被覆材にクラックの発生が起る。ところが、窒
化チタン（ＴｉＮ）の線膨張係数は９．４Ｘ　１０−’
／’Ｃとセラミックスの中では高い値である為、ピスト
ンリングの母材として使用する鋳鉄（１１〜１２Ｘ　１
０−’／”Ｃ）オよびｆ１４　（１２〜１３ｘ１０−’
／”Ｃ’）との膨張係数の差が小さく、加熱、冷却を繰
返してもクラックを生じない。ちなみに耐摩耗性皮膜と
して実績のある炭化チタン（ＴｉＣ）（７，６Ｘ　１０
−’／’Ｃ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）（４，４ｘ１
０−’／’Ｃ）を鋼に夫々、イオンプレーティング手法
により厚さ１０μつけて４００℃に加熱冷却したところ
クラックの発生を見た。

以上のように、ピストンリングの表面被覆材に要求され
る皮膜の靭性および適当な線膨張係数を有するものとし
て、窒化チタン（Ｔｉｅ）に限定した。

窒化チタン（ＴｉＮ）の皮膜硬さを！Ｉｖ１３００以上
に限定した理由は窒化チタン（ＴｉＮ）の硬さがＨｖ１
３００未満になると摩耗量が急速に増大する為である。

すなわち、窒化チタン（Ｔｉｅ）の皮膜硬さは第３図お
よび第４図に示すようにイオンプレーティングの処理条
件である基板温度と窒素分圧により変化する。ここで、
第３図および第４図は窒化チタン皮膜のマイクロビッカ
ース硬さを示すグラフであり、前者は窒素分圧を７　Ｘ
　１Ｏ−４Ｔｏｒｒと一定にして基板温度を変化させた
場合、後者は基板温度を５００℃と一定にして窒素分圧
を変化させた場合に相当する。このようにイオンプレー
ティング処理条件により、種々の硬さの窒化チタン（Ｔ
ｉＮ）をピストンリングの外周面にコーティングし、ロ
ータリング式摩耗試験機でテストした。その摩耗試験結
果を第５図に示す。

この摩耗試験においては、相手ロータにはシリンダライ
ナ相当の鋳鉄材を使用し、無潤滑（ｄｒｙ）、摺動速度
３ｍ／ｓｅｅ、距離２３４ｍ、荷重０．９ｋｇの条件を
採用した。第５図の結果から明らかなように、窒化チタ
ン（ＴｉＮ）皮膜の硬さがＨｖ１３００未満になると急
速に摩耗量が極めて多くなる為、Ｈｖ１３００以上に限
定した。

窒化チタン（ＴｉＮ）の皮膜厚さについては、３μ未満
では耐摩耗性皮膜としての効果が充分でなく、２０μを
越えるとピストンリング装着時および使用時の応力負荷
状態でクラックが発生し易くなる為、３〜２０μに限定
した。窒化チタンの皮膜厚さは被覆場所により上下面の
場合には３〜６μ、外周摺動面の場合には１０〜１５μ
が好ましい。

外周摺動面あらさについては、２μを越えると相手シリ
ンダのキズの発生が顕著になる為、２μ以下と限定した
。

上記説明のイオンプレーティングによる窒化チタン皮膜
は最も苛酷な条件にさらされるピストンリングの摺動外
周面には必ず被着させなければならないが、その他の面
、例えば上下面には特に必要な場合に適用すればよい。

本発明によるピストンリングを製造するためには、先ず
常法により鋳鉄又は鋼によりピストンリング母材を製造
し、次にその表面のあらさを研摩等により調節する。こ
れは、本発明のピストンリングの窒化チタン（ＴｉＮ）
皮膜は硬質クロムめっきの皮膜厚さ１００〜１５０μに
対して、３〜２０μと非常に薄いことによる。すなわち
、窒化チタン皮膜をコーティングしてからの後加工は原
則として行なわず、せいぜい初期なじみを改善する為の
当りラッピングを施こす程度であるので、イオンプレー
ティング時の皮膜あらさが実質的に製品の表面あらさと
なる。この為、皮膜をコーティングしたままの面あらさ
が本発明のピストンリングの性能に対して非常に重要に
なり、片や窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜が薄い為、皮膜の
面あらさは下地である鋳鉄等の表面あらさと同程度にな
り下地あらさが皮膜の面あらさを左右する最大の要件と
なるからである。

具体的に述べると、下地面のあらさが粗くなり、窒化チ
タン（ＴｉＮ）皮膜の面あらさが２μを越えると、コブ
状の突起が目立ち、皮膜と相手材の接触面が小さくなり
、面圧が高くなる為、シリンダにキズをつけ易くなる。

又、コブ状の突起がカケる場合もあり、カケな硬質粒子
がシリンダに深いキズをつけることになるような不都合
を生じる為、下地あらさの調節はピストンリングの性能
確保上注意すべき要件である。

続いて、ピストンリングへのイオンプレーティングを行
なう。一般にイオンプレーティングは１〜２．５ｘ　１
Ｏ−２Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気で行なわれる方法と、
圧力をこれよりもかなり低くして行なう高真空イオンプ
レーティングと称されている方法とがあるが、本発明に
あっては、皮膜の密着度、純度が高いという理由に加え
て後述のつきまわり性が良いという理由により高真空イ
オンプレーティングがより好ましい。イオンプレーティ
ング工程ではピストンリングのリング形状が蒸発源とな
るチタン板に投影されるようにセットし、先ずアルゴン
イオンによるボンバードを行ない、所望被覆面を清浄化
した後、直ちに蒸発源からイオン化され蒸発したチタン
を所定厚さに被覆する。続いてピストンリングの温度２
５０〜５５０℃に保持しながら分圧が４．５〜９　Ｔｏ
ｕｒとなるよう窒素ガスをアルゴン雰囲気の容器内に導
入し、窒素イオンを既に被覆されたチタン皮膜内に入射
せしめることにより所望の被覆を行なう。なお、上述の
窒素イオン入射により生成する窒化チタンは必ずしも化
学量論的窒化チタンではないが、本文中では窒化チタン
（ＴｉＮ）と表記している。

以下、本発明の詳細な説明する。

〔実施例１〕 蒸発源に電子ビームを使用し、蒸発源近傍にイオン化電
極を設けた高真空型のイオンプレーティング装置を用い
、処理条件を適宜選定しボンバード後下地面あらさを１
μにした鋼製トップリング母材の外周面に厚さ１０μの
窒化チタン（ＴｉＮ）をコーティングした。この結果、
付着した窒化チタン（Ｔｉｅ）皮膜の硬さは１（ｖ１７
００で外周表面あらさは、下地あらさと同じ１μであっ
た。この窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜をつけたトップリン
グと従来の硬質クロムめっきをつけたトップリングを１
３００ｃｃ、４サイクル、水冷４気筒のガソリンエンジ
ンに２気筒づつ組み込み、無鉛ガソリンで全負荷３００
時間の耐久テストを実施した。テスト後のトップリング
の摩耗量および相手シリンダの上死点付近の摩耗量測定
結果を第６図に示す。

ピストンリングの厚さ寸法を５点測定して平均した摩耗
量は、本発明のものは硬質クロムめっきの約１／１０で
あり、シリンダ上死点８ケ所測定して平均した相手シリ
ンダの摩耗も２０〜３０％減少しており、非常に優れた
耐摩耗性を示した。なお、本発明のピストンリングには
４気筒共、スカッフィングの発生はなかった。又、硬質
クロムめっきの摺動外周面には微小クラックが観察され
たが本発明ピストンリングの摺動外周面はクラックの発
生が皆無であった。

〔実施例２〕 実施例１と同じイオンプレーティング装置を用いて、球
状黒鉛鋳鉄製トップリングと組合せオイルリングのサイ
トレールに窒化チタン（ＴｉＮ）をコーティングした。

この結果得られた窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜は厚さ１５
μ、硬さｔｌｖ１７５０、表面あらさは、下地あらさ１
．２μに対して１．３μであった。

ス、サイトレールに対しても前記トップリングと同じ条
件で処理し、この結果得られた窒化チタン（ＴｉＮ）皮
膜は厚さ１２μ、硬さ１ｌｖ１６５０、表面あらさは下
地あらさと同じ０．８μであった。

以上の条件で作製した本発明によるピストンリングと従
来の硬質クロムめっきリングを２２００ｃｃ、４サイク
ル、水冷４気筒のガソリンエンジンに２気筒づつ組み込
み、高鉛ガソリンで全負荷１００時間の耐久テストを実
施した。テスト後のトップリングとサイトレールの摩耗
量および相手シリンダの上死点付近の摩耗量測定結果を
第７図に示す。

本発明の窒化チタン皮膜の摩耗量は平均してクロムめっ
き皮膜の約１７１０〜１／８であり、シリンダ上死点摩
耗も良好である。

この結果より、本発明のピストンリングは高鉛ガソリン
使用時に顕著となるアブレシブな摩耗に対しても優れた
耐摩性を示し又、サイトレールに適用しても優れた特性
が得られることが分った。

以上の実施例で明らかなように、本発明のピストンリン
グは薄膜処理にもかかわらず、従来の硬質クロムめっき
を上用る耐久性を有し、耐熱、耐焼付性にも優れた画期
的なものである。又、本発明のピストンリングは高真空
イオンプレーティング手法によれば、窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）処理が特につき廻りが良好でエツジ部でもトビツキ
等の発生がない為、硬質クロムめっきに必ず必要な外周
面取りを省略したピストンリング母材にも容易に適用で
き、イオンプレーティング後の皮膜形状修正研摩は不要
である。このことは、ブローバイガスの減少を狙った第
８図ａに示すようなりロムインサートリングと同じ効果
を第８図すに示すような単純な形状で満足させることが
でき、さらに、第８図Ｃに示すようなテーパフェースに
も容易に適用できる等、その応用範囲は広い。本発明に
よるピストンリングの耐摩耗性が硬質クロムめっきに比
べて格段に優れていることは、ピストンリングの摩耗に
よる合い口すきまの増加量が少なくなることであり、合
い口すきま増大に起因するブローバイガスおよびオイル
消費の増大も防止することになり、省資源、省エネルギ
にも有効である。

このように本発明によるピストンリングは耐摩耗性に優
れている為、内燃機関の寿命延長、ブローバイガス、オ
イル消費の減少に結びつき、又、耐熱、耐焼付性に優れ
ていることから高性能エンジンにも対応できる等、省資
源、省エネルギ、公害防止に寄与できる画期的なもので
、その工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオンプレーティング手法による窒化チタン（
ＴｉＮ）と硬質クロムめっきの高温硬さのグラフである
。第２図はイオンプレーティング手法による窒化チタン
（ＴｉＮ）と硬質クロムめっきをローターリング式摩耗
試験機で摩耗試験を行なった結果のグラフである。第３
図はイオンプレーティングの処理条件の１つである基板
温度が窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜硬さに与える影響を示
すグラフであり、第４図は同様に窒素分圧が窒ｒヒチタ
ン（ＴｉＮ）皮膜硬さに与える影響を示すグラフである
。第５図は窒化チタン（Ｔｉｅ）皮膜硬さが摩耗量に与
える影響を調べる為にローターリング式摩耗試験機でテ
ストした結果を示すグラフである。第６図は１３００ｃ
ｃ、４サイクル、水冷４気筒ガソリンエンジンに本発明
ピストンリングと従来の硬質クロムめっき処理したピス
トンリングを組み込み、無鉛ガソリンで３００時間の耐
久試験を行なった後のピストンリングとシリンダの摩耗
を示す図であり、第７図は２２００ｃｃ、４サイクル水
冷４気筒ガソリンエンジンに本発明ピストンリングのト
ップリングとサイトレールおよび従来の硬質クロムめっ
き処理したトップリングとサイトレールを組み込み、高
鉛ガソリンで１００時間の耐久試験を行なった後のトッ
プリングとサイトレールおよびシリンダの摩耗を示す図
である。第８図ａはブローバイガス対策リングとしての
従来のクロムインサートリングの断面図、第８図すはク
ロムインサートリングに代る本発明ピストンリングの断
面図、第８図Ｃは本発明ピストンリングによるテーバフ
ェースリングの断面図を示す。図中１はピストンリング
母材、２は硬質クロムめっき、３は窒化チタン（ＴｉＮ
）皮膜を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピストンリングの少なくとも摺動外周面にイオンプレー
   ティングによる窒化チタン皮膜を被覆せしめ、該皮膜の
   硬さをＨｖ１３００以上、厚さを３〜２０μ、且つ該摺
   動外周面あらさを２μ以下にしたことを特徴とするピス
   トンリング。