(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質皮膜が外周面に形成されているピストンリングにおいて、前記硬質皮膜はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成され、このダイヤモンドライクカーボンがアモルファス炭素構造を有し、前記１又は２以上の元素の含有比率が原子％で５〜４０％であり、前記硬質皮膜の硬度がＨＶ７００〜２０００の範囲内にあることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記硬質皮膜の厚さが０．５〜１０μｍであり、前記硬質皮膜が別種の耐摩耗表面処理層の上に形成されていることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】
前記別種の耐摩耗表面処理層がＣｒめっき皮膜、窒化層、イオンプレーティング皮膜のいずれか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。
【請求項４】
前記硬質皮膜の厚さが１０〜３０μｍであり、前記硬質皮膜がピストンリングの外周面に直接形成されていることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のエンジンは高出力化、高回転化、長寿命化され、更に排気ガス規制に対応する必要がある。このため、ピストンリングの使用環境は益々苛酷になっている。通常、このようなエンジンのシリンダは鋳鉄製であり、ピストンリング外周面は耐摩耗表面処理層を有している。
【０００３】
従来のピストンリング外周面の耐摩耗表面処理層はＣｒめっき皮膜、窒化層、あるいは窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ2 Ｎ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等のイオンプレーティング皮膜である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンジン運転の初期の段階は、シリンダとピストンリングのなじみが充分になされていないので、前述の耐摩耗表面処理層を形成したピストンリングとシリンダがスカッフを起こすことがある。このため、これらの耐摩耗表面処理層の初期なじみ性を改善する方法、あるいは耐スカッフ性と耐摩耗性を兼ね備えた耐摩耗表面処理層が求められている。
【０００５】
上記に対して、以下の技術が提案されている。
１．特開平８−１８４３７５号
窒化層又はＰＶＤ皮膜の上に、ＭｏおよびＣｒのいずれかまたは両方で９８．０〜９９．５％、残Ｎからなる皮膜をＰＶＤ法により形成し、初期なじみ性を改善する。
２．特公平５−５４５９４号
ＣＢＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＳｉＣ、ダイヤモンドまたはＡｌ2 Ｏ3 からなる超硬質コーティング膜の上にＴｉＮ皮膜を形成して、耐スカッフ性を改善する。
【０００６】
他方、人造ダイヤモンド材の被覆に関して、以下の提案がある。
３．特開平３−２６０３６２号
ピストンの頂面と外周面とリング溝と、ピストンリングとに人造ダイヤモンド材の薄い被覆を施して耐久性を高める。
また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜に関して、以下の提案がある。
４．特開平５−１７９４５１号
フェライトを含む鉄系材料で構成される一方の摺動面と組み合わせる他方の摺動面に、Ｗ及び／又はＳｉが分散したアモルファス炭素を主成分とする皮膜を形成し、フェライト組織の凝着を抑制する。この技術は、例えばパワーステアリング機構に使用される油圧バルブ装置に使用される。
【０００７】
しかし、上記１．の技術は、より厳しい条件下では、Ｍｏ，Ｃｒの皮膜が急速に摩滅する不都合がある。上記２．の技術は、ＴｉＮ皮膜が硬質すぎるので、耐スカッフ性付与の効果が充分に得られない。上記３．の技術は、人造ダイヤモンド材の薄い被覆の詳細について何等説明していない。上記４．の技術は、アモルファス炭素にＷ，Ｓｉが分散していると記載しており、タングステン炭化物やシリコン炭化物について記載していない。
【０００８】
本発明の目的は、耐スカッフ性と耐摩耗性とを兼ね備えたピストンリングを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、硬質皮膜が外周面に形成されているピストンリングにおいて、前記硬質皮膜はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成され、このダイヤモンドライクカーボンがアモルファス炭素構造を有し、前記１又は２以上の元素の含有比率が原子％で５〜４０％であり、前記硬質皮膜の硬度がＨＶ７００〜２０００の範囲内にあることを特徴とする。
【００１０】
上記本発明の皮膜を形成しているダイヤモンドライクカーボンは、次の何れかの形態をとる。
１．アモルファス炭素構造
２．ダイヤモンド構造を一部有するアモルファス炭素構造
３．グラファイト構造を一部有するアモルファス炭素構造
【００１１】
なお、本発明の硬質皮膜は、本発明の作用効果を失わない範囲で微量の未炭化の金属が分散していてもよい。
【００１２】
ダイヤモンドライクカーボン皮膜は、耐スカッフ性が本来高いが、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物を含ませることによって、耐スカッフ性と耐摩耗性を兼ね備えた皮膜とすることができる。また、この皮膜は初期なじみ性も優れている。
【００１３】
Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの含有量はＥＰＭＡで測定可能である。これらの元素の原子比率の合計を５〜４０％、硬質皮膜の硬度をＨＶ７００〜２０００の範囲内とすることが望ましい。原子比率の合計が５％を下回ると、耐スカッフ性や耐摩耗性や硬度が低下し、４０％を上回ると、耐スカッフ性や密着性の低下が起きる。硬質皮膜の硬度がＨＶ７００を下回ると、耐摩耗性が低下し、ＨＶ２０００を上回ると、耐スカッフ性の低下や皮膜のワレ、カケが生じやすい。原子比率の合計を１０〜３０％、硬質皮膜の硬度をＨＶ９００〜１２００の範囲内とすることがより好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１により説明する。
【００１５】
図１（ａ）において、ピストンリング１の全表面にはガス窒化層２が５〜１５０μｍの厚さで形成されており、外周面のガス窒化層２上に硬質皮膜３が０．５〜１０μｍの厚さで形成されている。硬質皮膜３は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成されている。このダイヤモンドライクカーボンはアモルファス炭素構造を有している。Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率は原子％で５〜４０％であり、硬質皮膜３の硬度はＨＶ７００〜２０００の範囲内にある。
【００１６】
図１（ｂ）は別の例を示す。ピストンリング１の外周面に、Ｃｒめっき皮膜、あるいは窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ2 Ｎ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等のイオンプレーティング皮膜４が形成されており、この皮膜４上に上記硬質皮膜３が０．５〜１０μｍの厚さで形成されている。Ｃｒめっき皮膜の場合、Ｃｒめっき皮膜厚さは５〜１５０μｍ、イオンプレーティング皮膜の場合、イオンプレーティング皮膜厚さは１〜１５０μｍである。
【００１７】
図１（ｃ）は、硬質皮膜３とは別種の耐摩耗表面処理層（ガス窒化層２、あるいはＣｒめっき皮膜やイオンプレーティング皮膜４）を形成せずに、上記硬質皮膜３をピストンリング１の外周面に１０〜３０μｍの厚さで直接形成した例である。皮膜厚さが１０μｍを下回ると耐摩耗性が充分でなく、３０μｍを上回ると密着性が低下し、皮膜のワレ、カケを発生することがある。
【００１８】
硬質皮膜３は反応性イオンプレーティング法、あるいは反応性スパッタリング法によって被覆することができる。例えば、真空チャンバ内でワークを回転させつつ不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントでワーク表面を清浄化した後、炭素の供給源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバに導入しワーク近傍をプラズマ状態に保つと同時に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素を蒸発させる反応性イオンプレーティング法で、上記硬質皮膜３をワークに被覆することができる。この際、反応ガス中の炭化水素ガス分圧を調整することによってＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の原子を炭化物として析出させることができる。Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率は、これらの蒸発速度及び反応ガス圧力を調整することによって調整できる。
【００１９】
以下、本発明のピストンリングが、耐スカッフ性と耐摩耗性に優れていることを、往復動摩擦試験機による摩耗量の測定結果とＶＤＨ摩擦試験機によるスカッフ荷重の測定結果によって示す。
【００２０】
１．摩耗試験
（１）往復動摩擦試験機
図２は、試験に使用した往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験片１０は固定ブロック１１により保持され、上方から油圧シリンダ１２により下向きの荷重が加えられて、下試験片１３に押接される。一方、平盤形状の下試験片１３は可動ブロック１４により保持され、クランク機構１５により往復動させられる。１６はロードセルである。
【００２１】
（２）試験条件
荷重          ：１０ｋｇ
速度          ：６００ｃｐｍ
時間          ：６０ｍｉｎ
潤滑油        ：１０Ｗエンジンオイル
【００２２】
0003885375.tif 000002
【００２３】
（４）硬質皮膜の形成方法
前述した反応性イオンプレーティング法で形成した。ワークの温度は２００〜５００℃の範囲である。
【００２４】
（５）試験結果
図３に示す。摩耗量比は比較例２を１としている。本発明の硬質皮膜の摩耗量は、従来最も耐摩耗性が優れていることで知られているＴｉＮやＣｒＮのイオンプレーティング皮膜の摩耗量と同程度か、それより少ない。そして相手材（鋳鉄）の摩耗量が少ない特徴がある。また、ダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜は、タングステン炭化物やシリコン炭化物を所定量含有することによって、耐摩耗性が向上することがわかる。
【００２５】
２．スカッフ試験
（１）ＶＤＨ摩擦試験機
図４は、試験に使用したＶＤＨ摩擦試験機の構成を示す。試験片２０であるピストンリングが水平軸を中心に回転するロータ２１の外周面２２の上端に配設され、試験片２０であるピストンリングに荷重Ｐが作用されてロータ２１の外周面２２上に押接される。この状態で、試験片２０であるピストンリングとロータ２１の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ２１を回転させる。種々の荷重で所定時間運転したときの、摺動面のスカッフの有無を観察する。
【００２６】
（２）試験条件
回転速度：１０００ｒｐｍ
荷重    ：６〜１６ｋｇ
時間    ：各荷重で６０秒運転し、摺動面のスカッフの有無を観察し、荷重を増加させ試験を繰り返した。
潤滑油  ：１０Ｗエンジンオイルを滴下
【００２７】
（３）試験片
ピストンリングの外周面に表１および表２に示す皮膜を形成した。
【００２８】
（４）ロータ２１
シリンダライナ用片状黒鉛鋳鉄
φ５０ｍｍ×３００ｍｍ
【００２９】
（５）試験結果
図５に示す。本発明の硬質皮膜のスカッフ限界荷重は、従来最も耐摩耗性が優れていることで知られているＴｉＮ皮膜やＣｒＮ皮膜の限界スカッフ荷重よりも高い。また、ダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜は、タングステン炭化物やシリコン炭化物を所定量含有することによって、耐スカッフ性が向上することがわかる。
【００３０】
0003885375.tif 000003
【００３１】
0003885375.tif 000004
【００３２】
上記実施例１〜４および比較例６〜８の硬質皮膜の組織は、各試験片をＸ線回折して解析した。管球はＣｕ管球であり、モノクロメータを使用した。管電圧は４０ｋＶ、管電流は３０ｍＡである。実施例４のＸ線回折図形を図６に示す。
【００３３】
図６は以下の事項を示している。
１．２θ＝３４°〜４２°にかけてハローが存在し、皮膜はアモルファス組織を有することを示す。
２．２θ＝４４．５°，６５°および８２°近傍の回折ピークは、下地のＣｒめっき皮膜からの回折線によるものである。
３．２θ＝３４．５°および３８°近傍に、Ｗ2 ＣまたはＷ6 Ｃ2.54と同定できるタングステンカーバイドの回折ピークが存在する。
４．金属タングステンの回折ピーク（２θ＝４０°，５８°および７３°近傍）が存在しない。
以上から、実施例４の皮膜は、アモルファス炭素とタングステン炭化物とからなる組織を有することが分かる。
【００３４】
なお、上記試験は、ダイヤモンドライクカーボンを主成分としタングステン炭化物あるいはシリコン炭化物を単独で含む硬質皮膜について行ったが、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物を含む場合も同様の効果が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、耐スカッフ性と耐摩耗性とを兼ね備えたピストンリングを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すピストンリングの一部分の縦断面図であり、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ別種の耐摩耗表面処理層の上に硬質皮膜を被覆した例、（ｃ）は別種の耐摩耗表面処理層を形成せずに硬質皮膜を被覆した例である。
【図２】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
【図３】摩耗試験の試験結果を示すグラフである。
【図４】ＶＤＨ摩擦試験機の構成を示し、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】スカッフ試験の試験結果を示す図である。
【図６】実施例４の皮膜のＸ線回折図形を示す。
【符号の説明】
１  ピストンリング
２  耐摩耗表面処理層（ガス窒化層）
３  硬質皮膜
４  耐摩耗表面処理層（Ｃｒめっき皮膜やイオンプレーティング皮膜）
１０  上試験片
１１  固定ブロック
１２  油圧シリンダ
１３  下試験片
１４  可動ブロック
１５  クランク機構
１６  ロードセル
２０  試験片
２１  ロータ
２２  ロータ外周面
【図１】
0003885375.tif 000005
【図２】
0003885375.tif 000006
【図３】
0003885375.tif 000007
【図４】
0003885375.tif 000008
【図５】
0003885375.tif 000009
【図６】
0003885375.tif 000010