特許 6062357 ピストンリング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6062357

(24)【登録日】2016年12月22日

(45)【発行日】2017年1月18日

(54)【発明の名称】ピストンリング

(51)【国際特許分類】

   F16J 9/26 20060101AFI20170106BHJP

   F16J 9/20 20060101ALI20170106BHJP

   F02F 5/00 20060101ALI20170106BHJP

【ＦＩ】

   F16J9/26 C

   F16J9/20

   F02F5/00 Q

   F02F5/00 F

【請求項の数】4

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2013-502346(P2013-502346)

(86)(22)【出願日】2012年2月27日

(86)【国際出願番号】JP2012054831

(87)【国際公開番号】WO2012118036

(87)【国際公開日】20120907

【審査請求日】2014年11月17日

(31)【優先権主張番号】特願2011-41468(P2011-41468)

(32)【優先日】2011年2月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390022806

【氏名又は名称】日本ピストンリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100117226

【弁理士】

【氏名又は名称】吉村 俊一

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 宏幸

(72)【発明者】

【氏名】千葉 篤

(72)【発明者】

【氏名】梶原 誠人

(72)【発明者】

【氏名】藤村 和浩

(72)【発明者】

【氏名】小川 勝明

(72)【発明者】

【氏名】鮫島 和宏

【審査官】 竹村 秀康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３２３１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１５０３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２９３９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１８９８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１１３９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２２９４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６３４３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ １／００ − １／２４

Ｆ１６Ｊ ７／００ −１０／０４

Ｆ０２Ｆ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周面形状がテーパフェースであり、且つ径方向断面形状がレクタンギュラリング、スクレーパリング及びナピアリングのいずれかとなるように形成された、内燃機関用ピストンリングの第２圧力リングであって、
ピストンリング基材と、該ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面に設けられた硬質皮膜とを有し、
前記ピストンリング基材はビッカース硬度Ｈｖ３５０以上Ｈｖ５５０以下の炭素鋼材又は低合金鋼からなり、
前記外周摺動面は前記ピストンリング基材の上端から下端に向けて漸次外側に張り出すテーパ状に形成され、
テーパ状に形成された前記外周摺動面と、リング下面と平行な下端面又は下端部と接する仮想線とは、前記外周摺動面で最も径方向外側に位置する前記外縁端部の位置で、該外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面によって連絡され、
前記外周端部は、前記外周摺動面の下部に位置し、
前記外周端部は、前記外周摺動面と、リング下面に平行な下端面又は下端部と接する仮想線との境界部分であり、
且つ、前記外周摺動面の外縁端部と、前記曲面がリング下面と平行な前記下端面又は下端部と接する前記仮想線と、の間の軸方向の長さが、０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下形成され、
前記硬質皮膜は膜厚５μｍ以上３０μｍ以下、空孔率０．５％以上１．５％以下及びビッカース硬度Ｈｖ８００以上Ｈｖ２３００以下のイオンプレーティング皮膜からなり、当該硬質皮膜が前記ピストンリング基材の表面に成膜されていることを特徴とするピストンリング。

【請求項2】

前記硬質皮膜の下地膜としてＣｒ膜又はＣｒ−Ｂ膜が形成されている、請求項１に記載のピストンリング。

【請求項3】

前記硬質皮膜上に硬質炭素皮膜が形成されている、請求項１又は２に記載のピストンリング。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストンリングの製造方法であって、
前記ピストンリング基材が、硬度の低下が生じない温度に維持されながら、イオン化された金属ターゲットのメタルイオンを表面に照射して清浄されることを特徴とするピストンリングの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関用のピストンリングに関し、更に詳しくは、内燃機関用の第２圧力リングとして使用されるピストンリングに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、温暖化をはじめとする環境問題が地球規模で大きくクローズアップされている。エンジンに対しても、大気中へのＣＯ_２排出量の削減要求から、より一層の低燃費化が求められている。さらに、ピストンリングにおいては、その低燃費化の要求から、シリンダライナとの摺動時の摩擦力の低減が求められている。また、エンジンの高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が高まってきており、そのための摺動特性（例えば、耐摩耗性、耐スカッフ性等）が要求されている。

【0003】

これらの事情に鑑み、耐摩耗性及び耐焼付性に優れ、且つ、摩擦力の低減効果を最大限に発揮することが可能なピストンリングの開発、そうしたピストンリングへの表面処理技術の開発や表面改質技術の開発、等が進められている。

【0004】

一般に、内燃機関用のピストンには、圧力リングとしての第１圧力リング及び第２圧力リング、並びにオイルリングの３本のピストンリングが装着されている。過酷な環境に曝される第１圧力リングには、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０（ＪＩＳ規格）相当等の鋼材が使用されている。これに対し、熱負荷や圧力負荷の少ない第２圧力リングには、Ｃｒを９〜１４質量％程度含有するステンレス鋼材が使用されている。

【0005】

そして、上記のように、高出力化に伴って熱負荷や圧力負荷が大きくなっても良好な摺動特性を示すピストンリングを得るために、ピストンリング基材に窒化処理を施すことが一般的に行われる。

【0006】

しかしながら、ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面に窒化処理を施した場合、ピストンリング基材の寸法精度が低下し、窒化処理後の加工が非常に困難になるという問題があった。また、窒化処理工程を施した場合、加工工程が多く、コストもかかるという難点があった。

【0007】

本出願人は、このような内燃機関用ピストンリングに関する問題点を解決するために試行錯誤を繰り返しており、様々な解決手段をこれまでにも提案している。

【0008】

例えば、特許文献１では、Ｃ：０．５０〜０．７５質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．６１〜０．９５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる炭素鋼材製のピストンリングを提案した。同文献１において、本出願人は、第２圧力リングの少なくとも外側摺動面については、窒化処理を施すこと、若しくは窒化処理の代替として硬質クロムメッキを施すことについて提案している。

【0009】

また、特許文献２おいては、Ｃｒ：９．０質量％以上１１．０質量％以下及びＣ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下を含む炭素鋼材からなり、上面、下面、外周面及び内周面には、７００Ｈｖ（０．０５）以上の硬度を持つ窒化拡散層が２μｍ以上２５μｍ以下の深さで形成されているピストンリングを提案している。

【0010】

同文献２で提案したピストンリングは、第２圧力リングを念頭においてなされたものである。そして、上記組成を有する炭素鋼材でピストンリング基材を構成することにより、窒化拡散層を、白層の生成を抑えた状態で、ムラ無く均一に、薄く、リング全周に形成している。こうすることによって、窒化後の研削加工が不要となり、大幅なコスト低減を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２００２−１９４５００号公報

【特許文献2】特開２００７−２７０８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

特許文献１及び特許文献２で提案した発明は、内燃機関用ピストンリングについて、耐摩耗性と高強度を具備するものを低コストで形成できる点で優れている。

【0013】

本発明者は更なる検討を行い、ピストンリング基材に窒化処理を施したことが上記の不都合な事態が生じていることを見出し、ピストンリング基材に窒化処理を施さずに内燃機関用のピストンリングを形成することを試みた。そして、その過程で出てきた種々の課題を克服し、本願発明に至ったものである。

【0014】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、内燃機関用ピストンリング、特に第２圧力リングについて、耐摩耗性に優れ且つ低コストで形成可能なピストンリングを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するための本発明に係るピストンリングは、外周面形状がテーパフェースであり、且つ径方向断面形状がレクタンギュラリング、スクレーパリング及びナピアリングのいずれかとなるように形成された、内燃機関用ピストンリングの第２圧力リングであって、ピストンリング基材と、該ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面に設けられた硬質皮膜とを有し、前記ピストンリング基材はビッカース硬度Ｈｖ３５０以上Ｈｖ５５０以下の炭素鋼材又は低合金鋼からなり、前記外周摺動面は前記ピストンリング基材の上端から下端に向けて漸次外側に張り出すテーパ状に形成され、且つ、テーパ状に形成された前記外周摺動面の外縁端部と、該外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面がリング下面と平行な下端面又は下端部と接する仮想線との間の軸方向の長さが、０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下形成され、前記硬質皮膜は膜厚５μｍ以上３０μｍ以下、空孔率０．５％以上１．５％以下及びビッカース硬度Ｈｖ８００以上Ｈｖ２３００以下のイオンプレーティング皮膜からなり、前記硬質皮膜が前記ピストンリング基材の表面に成膜されていることを特徴とする。

【0016】

この発明によれば、外周面形状がテーパフェースであり、且つ径方向断面形状がレクタンギュラリング、スクレーパリング及びナピアリングのいずれかとなるように形成された第２圧力リングにおいて、従来のような窒化処理で形成された窒化層を有していないので、加工や熱処理に要する労力及びコストが大幅に削減されたものとなっている。また、ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面の表面に上記特性範囲（厚さ、空孔率、ビッカース硬度）の硬質皮膜が設けられているので、耐摩耗性に優れたピストンリングとなっている。特に、炭素鋼材又は低合金鋼からなるピストンリング基材のビッカース硬度がＨｖ３５０以上Ｈｖ５５０以下の範囲であり、そうしたピストンリング基材上にビッカース硬度Ｈｖ８００以上Ｈｖ２３００以下の硬質皮膜が設けられているので、従来のような窒化処理工程時等で生じる強度低下等がなく、強度が維持され、耐摩耗性に優れた低コストのピストンリングとなっている。

【0017】

本発明に係るピストンリングにおいて、前記硬質皮膜の下地膜としてＣｒ膜又はＣｒ−Ｂ膜が形成されていることが好ましい。

【0018】

この発明によれば、硬質皮膜の下地膜としてＣｒ膜又はＣｒ−Ｂ膜が形成されているので、ピストンリング基材と硬質皮膜との密着性が良好なものとなっている。

【0019】

本発明に係るピストンリングにおいて、前記硬質皮膜上に硬質炭素皮膜が形成されているように構成できる。

【0020】

この発明によれば、硬質皮膜上に硬質炭素皮膜が形成されているので、その硬質炭素皮膜がピストンリングの初期フリクションを低減するように作用する。

【0021】

本発明に係るピストンリングにおいて、前記ピストンリング基材が、硬度の低下が生じない温度に維持されながら、イオン化された金属ターゲットのメタルイオンを表面に照射して清浄されたものであることが好ましい。

【0022】

上記のように本発明では、ピストンリング基材が、ビッカース硬度Ｈｖ３５０以上Ｈｖ５５０以下の範囲の炭素鋼材又は低合金鋼からなり、しかもそのピストンリング基材上に、ビッカース硬度Ｈｖ８００以上Ｈｖ２３００以下の硬質皮膜が密着性よく成膜されている。したがって、この発明によれば、ピストンリング基材上に硬質皮膜を密着性よく成膜するための清浄化処理、すなわちイオン化された金属ターゲットのメタルイオンを表面に照射する清浄化処理を、ピストンリング基材の硬度の低下が生じない温度に維持しながら行っている。そのため、硬度低下が起こっていないピストンリング基材上に、硬質皮膜を密着性よく成膜することができている。

【発明の効果】

【0023】

本発明に係るピストンリングによれば、従来のような窒化処理で形成された窒化層を有していないので、加工や熱処理に要する労力及びコストを大幅に削減できる。また、ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面の表面に上記特性範囲（厚さ、空孔率、ビッカース硬度）の硬質皮膜が設けられているので、耐摩耗性に優れたピストンリングとなっている。その結果、従来のような窒化処理工程時等で生じる強度低下等がなく、強度が維持された低コストのピストンリングを提供できる。

【0024】

こうした本発明に係るピストンリングを、熱負荷や圧力負荷が大きいエンジンに使用した場合であっても、ピストンリング基材の強度や硬度が良好に維持されているので、硬質皮膜の欠けを効果的に阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明に係るピストンリングの各例を示す模式的な断面構成図である。

【図2】図１に示したピストンリングのａ部及びｂ部の拡大断面図である。

【図3】本発明に係るピストンリングの他の例を示す模式的な断面構成図である。

【図4】図３に示したピストンリングのｃ部の拡大断面図である。

【図5】硬質皮膜上に硬質炭素皮膜（ダイヤモンドライクカーボン）が形成された例を示す模式的な断面図である。

【図6】本発明に係るピストンリングの製造工程の一例を示す工程図である。

【図7】硬質皮膜を形成するためのイオンプレーティング装置の構造を模式的に示した縦断面図である。

【図8】測定に用いたアムスラー型摩耗試験機の構成原理図である。

【図9】測定に用いたツイスト試験機の構成原理図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明に係るピストンリングについて図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は、その技術的範囲に含まれるものであれば以下の説明及び図面の記載に限定されない。

【0027】

［ピストンリング］
ピストンリング１，２は、図１〜図４に示すように、外周面形状がテーパフェースであり、且つ径方向断面形状がレクタンギュラリング、スクレーパリング及びナピアリングのいずれかとなるように形成されたものであって、第２圧力リングとして用いられるものである。このピストンリング１，２は、ピストンリング基材１０，４０と、ピストンリング基材１０，４０の少なくとも外周摺動面１４，４４に設けられた硬質皮膜２０とを有している。このピストンリング１，２は、ピストン（図示しない。）の外周面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。）に伴ってシリンダライナ（図示しない。）の内周面を摺動しながら上下運動する摺動部材である。このピストンリング１，２は、第２圧力リングとしての機能を発揮するために、その外周摺動面１４，４４の形状が上記したテーパ状の各形態のいずれかとなっている。

【0028】

なお、このピストンリング１，２では、必要に応じて、ピストンリング基材１０，４０と硬質皮膜２０との間に下地膜３０が形成されていてもよい。

【0029】

本願において、「上端」及び「下端」とは、ピストンリング１，２又はピストンリング基材１０，４０の軸方向（又はその外周摺動面１４，４４の幅方向）における外周摺動面１４，４４の両側の端部を意味し、具体的には、図１等を平面視した場合の外周摺動面１４，４４の上側端部を上端といい、その下側端部を下端という。また、「上面」及び「下面」とは、ピストンリング１，２又はピストンリング基材１０，４０の軸方向の両側の面を意味し、具体的には、図１等を平面視した場合の上側の面を上面といい、下側の面を下面という。また、「外周面」及び「内周面」とは、ピストンリング１，２又はピストンリング基材１０，４０の径方向の両側の面を意味し、具体的には、図１等を平面視した場合の左側の面を外周面といい、右側の面を内周面という。

【0030】

（ピストンリング基材）
ピストンリング基材１０，４０は、外周面形状がテーパフェースであり、且つ径方向断面形状がレクタンギュラリング、スクレーパリング及びナピアリングのいずれかとなるように形成されたものである。その断面形状は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、上面１１，４１と下面１２，４２とは平坦に形成され、相互に平行をなしている。また、内周面１３，４３は、上面１１，４１及び下面１２，４２とそれぞれ直角をなしている。

【0031】

一方、外周摺動面１４，４４は、上面１１，４１から下面１２，４２に向かうにつれて漸次外側に向けて張り出すように形成され、テーパ状をなしている。テーパ状に形成された外周摺動面１４，４４は、図２（Ａ）及び図４に示すように、鉛直線Ｌに対するテーパ角αが０．５°以上３°以下の傾斜をなしている。

【0032】

図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に示すスクレーパリングにおいては、外周摺動面１４の下部にステップ状の切り込み部１５が形成されている。このステップ状の切り込み部１５は、外周摺動面１４の下端部分を径方向内側に向けて切り欠くようにして形成したものである。ステップ状の切り込み部１５は、ピストンリング基材１０の下面１２から所定の位置（例えば下端から０．２ｍｍの位置）において、ピストンリング１の外周摺動面１４から径方向内側に向けて水平に形成された水平面１５ａと、ピストンリング１の外縁端部１６から所定の距離（例えば外縁端部１６から０．５ｍｍ）の位置にて水平面１５ａと垂直をなす鉛直面１５ｂとから構成されている。そして、ピストンリング１の外周摺動面１４と水平面１５ａとは、ピストンリング１の外縁端部１６の位置にて曲面で滑らかに連絡され、水平面１５ａと垂直面１５ｂとの間も滑らかな曲面で連絡されている。外周摺動面１４の下部にはこのようなステップ状の切り込み部１５が形成されているため、外周摺動面１４の最も径方向外側に位置する外縁端部（ノーズ部ともいう。）１６は、外周摺動面１４とステップ状の切り込み部１５との境界部分になっている。なお、図２（Ａ）中、符号Ｘは径方向を示し、符号Ｙは軸方向を示す。

【0033】

これらの外周摺動面１４の下部形態は、図１（Ｃ）及び図２（Ｂ）に示すナピアリングにおいても同様である。なお、図２（Ｂ）に示すように、ステップ状の切り込み部１５は、ピストンリング１の外周摺動面１４から径方向内側に向けてえぐるように形成された湾曲面１５ａ’と垂直面１５ｂ’とで構成されている。そして、ピストンリング１の外周摺動面１４と湾曲面１５ａ’とは、ピストンリング１の外縁端部１６の位置にて曲面で滑らかに連絡されている。

【0034】

図２（Ａ）に示すスクレーパリングや図２（Ｂ）に示すナピアリングにおいて、外周摺動面１４と、水平面１５ａ又は湾曲面１５ａ’とを連絡している外縁端部１６には、硬質皮膜２０が設けられている。この硬質皮膜２０は、図２中に「ｄ」（以下「長さｄ」という。）で示されるように、ピストンリング基材１０の軸方向に０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の範囲で形成されている。この長さｄが０．０１ｍｍよりも小さいと、ピストンリング１がシリンダライナの内周面と摺動することに伴って、硬質皮膜２０に欠けが生じやすくなる。これに対し、長さｄが０．３０ｍｍよりも大きいと、掻き落とし機能が低下してしまう。なお、「長さｄ」とは、硬質皮膜２０を形成した後のピストンリング１において、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）示すように、外縁端部１６の座標位置Ａと、その外縁端部１６から軸方向Ｙの下端に向かって漸次内側に縮径（直径が小さくなること。）する曲面が、リング下面１２と平行な下端面（図２（Ａ））又は下端部（図２（Ｂ））と接する仮想線Ｂとの間の軸方向Ｙの長さである。

【0035】

次に、ピストンリング基材１０，４０の組成について説明する。このピストンリング基材１０，４０は、炭素鋼材、低合金鋼材、ばね鋼材、又はこれら鋼材特性に相当する他の鋼材である。炭素鋼材としては、硬質線材、特にＪＩＳ規格で表されるＳＷＲＨ６２Ａ、ＳＷＲＨ６２Ｂ又はこれら鋼材特性に相当する他の炭素鋼材等を挙げることができ、低合金鋼としては、弁ばね用オイルテンパー線、特にＪＩＳ規格で表されるＳＷＯＳＣ−Ｖ又はこの鋼材特性に相当する他の低合金鋼等を挙げることができる。ばね鋼線材としては、特にＪＩＳ規格で表されるＳＵＰ９、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ１１又はこれら鋼材特性に相当する他のばね鋼材等を挙げることができる。なお、本発明では、Ｃ：０．２質量％以上１．０質量％以下を含有する炭素鋼材、低合金鋼材又はばね鋼材を好ましく用いることができる。

【0036】

Ｃ（炭素）は、硬度及び強度を得るために必要であるだけでなく、微細な硬質炭化物（例えば硬質クロム炭化物等）を形成することで耐摩耗性を向上させるために重要な元素である。Ｃ含有量を上記の範囲にした場合、必要な機械的性質が得られるだけでなく、硬質炭化物の過剰な生成を抑制することができる。Ｃ含有量が０．２質量％に満たないと、硬度や強度等の必要な機械的性質を得ることが困難となる。一方、Ｃ含有量が１．０質量％を超えると、硬質炭化物が出現し、シリンダライナの内周面に対する攻撃性が高まってしまう。

【0037】

なお、上記の場合において、Ｃｒを０．５質量％以上１．１質量％以下の範囲で含有させることが好ましい。

【0038】

Ｃｒ（クロム）は、ピストンリング基材１０，４０に固溶して耐熱性や耐食性を向上させる元素であり、一部は炭化物を形成して、耐焼付性を向上させる。Ｃｒ含有量を上記の範囲である０．５質量％以上１．１質量％以下にした場合、熱によってピストンリング基材１０，４０がへたることを効果的に阻止すると共に、硬質皮膜２０の密着性を向上させる。Ｃｒ含有量が０．５質量％よりも少ないと、熱へたり性が悪化するという難点がある。一方、Ｃｒ含有量が１．１質量％を超えると、硬質の炭化物が出現し、シリンダライナ１，２の内周面に対する攻撃性が高まってしまうこと、また、コストが高くなること、等の問題が生じる。

【0039】

このピストンリング基材１０，４０は、残部として鉄及び不可避不純物を含有する炭素鋼材であるが、所望の目的に応じて他の元素、例えばＳｉやＭｎ等の元素を含んでいてもよい。

【0040】

Ｓｉ（珪素）は、脱酸剤として添加するものであり、Ｃｒと同様に熱によるへたりを防止するのに効果的である。Ｓｉを含有させる場合の好ましいＳｉ含有量は、０．１質量％以上１．６質量％以下の範囲である。この範囲のＳｉを含有させることで、前記の作用を効果的に奏することが可能となる。Ｓｉ含有量が０．１質量％未満であると、へたり防止効果を効果的に発揮することができない。一方、Ｓｉ含有量が１．６質量％を超えると、リング形成時の加工性を害すると共に、靱性が低下することがある。

【0041】

Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様に脱酸剤として添加される。また、Ｍｎは、強度を増すのに有効な元素である。Ｍｎを添加する場合の好ましい含有量は、０．２質量％以上１．０質量％以下である。Ｍｎ含有量が０．２質量％未満であっても、脱酸剤としての作用は奏するが、強度の向上を図ることが困難となる。これに対し、Ｍｎ含有量が１．０質量％を超えた場合、リング形成時における加工性を害することがある。

【0042】

なお、ＳｉやＭｎ以外にも、必要に応じ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｖ（バナジウム）等の元素を添加して、耐摩耗性、耐食性、耐熱性等を向上させることもできる。

【0043】

このピストンリング基材１０，４０は、下地膜３０又は硬質皮膜２０がその表面に成膜される前に、下地膜３０又は硬質皮膜２０を形成するのに用いる金属ターゲットと陰極との間にアーク放電を発生させ、イオン化されたメタルイオンをピストンリング基材１０，４０の表面に照射させる「イオンボンバードメント」により清浄化される。これにより、ピストンリング基材１０，４０の表面に存在する酸化膜や水酸化膜等の不動態皮膜が破壊され、清浄化される。

【0044】

こうしたピストンリング基材１０，４０は、その硬度がビッカース硬度Ｈｖ３５０以上Ｈｖ５５０以下の範囲となるように形成される。ビッカース硬度がこの範囲となるように形成されることで、熱負荷や圧力負荷が大きい第２圧力リングとして良好な機能を発揮することができる。上記範囲内のビッカース硬度を備えたピストンリング基材１０，４０は、後述する製造方法の欄で説明するように、ピストンリング基材１０，４０上に硬質皮膜２０を密着性よく成膜するための清浄化処理、すなわちイオン化された金属ターゲットのメタルイオンを表面に照射する清浄化処理を、ピストンリング基材１０，４０の硬度の低下が生じない温度に維持しながら行うことにより得られる。そのため、本発明で用いるピストンリング基材１０，４０は、硬質皮膜２０（必要に応じて下地膜３も）を成膜する前の清浄化処理によっても硬度低下が起こっていない。その結果、ピストンリング基材１０，４０上に密着性よく硬質皮膜２０を成膜してなるピストンリング１，２となっている。

【0045】

（下地膜）
下地膜３０は、図１（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示すように必要に応じて設けられる。下地膜３０は、ピストンリング基材１０，４０に対する硬質皮膜２０の密着性を高めて剥離を防ぐために設けられる膜であって、ピストンリング基材１０，４０の少なくとも外周摺動面１４，４４に設けられる。通常は、図１（Ｂ）に示すように、外周摺動面１４，４４のみに設けられるが、硬質皮膜２０の下地膜として、外周摺動面１４，４４の他、上面１１，４１及び下面１２，４２の３面に形成してもよいし、外周摺動面１４，４４、上面１１，４１、下面１２，４２及び内周面１３，４３の全周に形成してもよい。

【0046】

下地膜３０としては、Ｃｒ膜又はＣｒ−Ｂ膜を好ましく適用できる。下地膜３０は、種々の形成手段で形成することができるが、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等の乾式手段で成膜することが好ましい。なお、下地膜３０の厚さは特に限定されないが、０．５μｍ以上２．０μｍ以下程度であることが好ましい。

【0047】

（硬質皮膜）
硬質皮膜２０は、イオンプレーティング法により形成されるイオンプレーティング皮膜であり、Ｃｒ−Ｎ膜又はＣｒ−Ｂ−Ｎ膜等が挙げられる。図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示すように、ピストンリング基材１０の少なくとも外周摺動面１４に設けられる。ただし、ピストンリング基材１０の外周摺動面１４の他、上面１１，下面１２及び内周面１３に設けても構わない。

【0048】

図１（Ｂ）は、外周面形状がテーパフェースで、径方向断面形状がスクレーパリングについて下地膜３０上を形成したものを示している。この図１（Ｂ）に示すように硬質皮膜２０を設ける場合、硬質皮膜２０は下地膜３０上に設けられる。このとき、下地膜３０は少なくともピストンリング基材１の外周摺動面１４に設けられ、硬質皮膜２０もその下地膜３０上の外周摺動面１４に設けられる。外周摺動面１４に下地膜３０と硬質皮膜２０とを積層することにより、密着性をより向上させることができ、高面圧下での硬質皮膜２０の剥離を極力抑制することができる。こうしたピストンリング１は、高い耐摩耗性と高い耐スカッフ性を実現できる。なお、下地膜３０がピストンリング基材１０の全周に設けられていれば硬質皮膜２０も全周に設けてもよいが、その場合であっても、少なくとも外周摺動面１４に硬質皮膜２０が設けられていればよく、上面１１、下面１２及び内周面１３には必要に応じて任意に設ければよい。

【0049】

このピストンリング１では、硬質皮膜２０は、その膜厚が５μｍ以上３０μｍ以下で形成される。硬質皮膜２０の膜厚が５μｍ未満であると、耐摩耗性が不十分である。一方、硬質皮膜２０の膜厚が３０μｍを超えると、硬質皮膜２０に欠けが生じやすくなるという難点がある。

【0050】

硬質皮膜２０の空孔率は、０．５％以上１．５％以下で形成される。仮に、空孔率が０．５％未満であると、靱性が低下して脆く欠けやすくなる。その一方で、空孔率が１．５％を超えると、皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が悪化してしまうだけでなく、加工時に適切な面粗度を得ることが困難となる。

【0051】

このようにして設けられた硬質皮膜２０は、ビッカース硬度でＨｖ８００以上Ｈｖ２３００以下である。

【0052】

なお、硬質皮膜２０は、その膜厚が７μｍ以上２０μｍ以下で、空孔率が０．７％以上１．３％以下で、ビッカース硬度がＨｖ１０００以上Ｈｖ２０００以下であることがより好ましい。

【0053】

本発明は、上記のように、外周面形状がテーパフェースであるスクレーパリングに適用する他、図１（Ｃ）に示すように、ナピアリングに対しても適用することができる。

【0054】

以上、ピストンリング基材１０の外周摺動面１４の下端部にステップ状の切り込み部１５が形成されたピストンリング１について説明したが、図３及び図４に示すようにステップ状の切り込み部を設けないピストンリング２、即ち、レクタンギュラリングに本発明を適用することもできる。

【0055】

図３及び図４に示すピストンリング２は、ピストンリング基材４０と、ピストンリング基材４０の少なくとも外周摺動面４４に設けられた硬質皮膜２０とを備えている。なお、このピストンリング２は、ピストンリング基材４０の外縁端部の形状のみが図１及び図２に示したピストンリング１とは異なり、ピストンリング基材４０のその他の構成や硬質皮膜２０については同様であるので、ここではピストンリング基材４０の外形のみについて詳細を説明する。

【0056】

図３（Ａ）に示すピストンリング基材４０は、その断面形状が、上面４１と下面４２とは平坦に形成され、相互に平行をなしている。また、内周面４３は、上面４１及び下面４２とそれぞれ直角をなすようにして形成されている。

【0057】

これに対し、外周摺動面４４は、上面４１から下面４２に向かうにつれて漸次外側に向けて張り出すように形成され、テーパ状をなしている。このピストンリング基材４０についても、図４に示す鉛直線Ｌに対するテーパ角αは０．５°以上３°以下の傾斜をなしている。

【0058】

そして、外周摺動面４４の下端部は、図４に示すように、ピストンリング基材４０を構成する下面４２から、ピストンリング２の外縁端部４６を経て連絡されている。このため、硬質皮膜２０が形成された後のピストンリング２においては、外周摺動面４４で最も径方向外側に位置する外縁端部４６は、外周摺動面４４と下面４２との境界部分となっている。この外周摺動面４４と下面４２との連絡部位（ノーズ部）は、図４に示すように硬質皮膜２０が設けられており、ピストンリング２の軸方向に０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の長さｄで形成されている。ここでの「長さｄ」とは、硬質皮膜２０を形成した後のピストンリング２において、図４示すように、外縁端部４６の座標位置Ａと、その外縁端部４６から軸方向Ｙの下端に向かって漸次内側に縮径（直径が小さくなること。）する曲面が、リング下面４２と平行な下端面又は下端部と接する仮想線Ｂとの間の軸方向Ｙの長さである。

【0059】

なお、このピストンリング２においても、図３（Ｂ）に示すように、ピストンリング基材４０上に下地膜３０を成膜し、硬質皮膜２０をこの下地膜３０上に成膜してもよい。

【0060】

（硬質炭素皮膜）
硬質炭素皮膜７０は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、硬質皮膜２０の上に任意に設けることができる。図５（Ａ）の例は、ピストンリング基材１０（ピストンリング基材４０についても同様。）上に硬質皮膜２０が形成され、さらにその硬質皮膜２０上に硬質炭素皮膜７０が形成された形態であり、図５（Ｂ）の例は、ピストンリング基材１０，４０上に下地膜３０が形成され、その下地膜３０上に硬質皮膜２０が形成され、さらにその硬質皮膜２０上に硬質炭素皮膜７０が形成された形態である。

【0061】

硬質炭素皮膜７０は、いわゆるダイヤモンドライクカーボン膜と呼ばれ、アモルファス状の炭素膜のことをいう。硬質皮膜２０上に硬質炭素皮膜７０を形成することにより、その硬質炭素皮膜７０がピストンリング１，２の初期フリクションを低減するように作用する。こうした作用は、硬質炭素皮膜７０が、ピストンリング１，２の相手材であるシリンダライナの内周面に対する摩擦係数が低く、相手材に対する初期なじみ性が良好であることに基づいている。特に、ピストンリング１，２の外縁端部（ノーズ部）１６，４６では、硬質炭素皮膜７０を設けた後の表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４での算術平均粗さＲａ）が０．１μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下の平滑表面であることが好ましい。こうした平滑な硬質炭素皮膜７０を設けたことにより、シリンダライナの内周面と摺動するピストンリング１，２の外縁端部（ノーズ部）１６，４６での初期フリクションをより一層向上させることができる。

【0062】

硬質炭素皮膜７０としては、炭素の他に、ケイ素、酸素、水素、窒素、アルゴンのうち１種又は２種以上を含むものを好ましく適用できる。硬質炭素皮膜７０は、上記の硬質皮膜２０と同様のイオンプレーティング法で形成することが好ましいが、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の種々の形成手段で形成することもができる。硬質炭素皮膜７０の厚さは特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下程度であればよい。

【0063】

［ピストンリングの製造方法］
本発明に係るピストンリング１，２は、例えば、図６に示す工程を経て製造される。

【0064】

まず、既述の炭素鋼材を加工してピストンリング基材１０，４０の素形材を形成する（工程１０１）。次いで、硬質皮膜２０を成膜する前工程として、所望の寸法に形成されたピストンリング基材１０，４０に対しバフ研磨を行う（工程１０２）。次いで、研掃材を圧縮空気と共にピストンリング基材１０，４０に吹き付けてスケール等を除去するドライホーニングを行う（工程１０３）。このような工程を経て、ピストンリング基材１０，４０の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４にて規定の十点平均粗さＲｚで５μｍに形成される。

【0065】

次いで、準備したピストンリング基材１０，４０を成膜治具に固定する工程、そのピストンリング基材１０，４０をイオンプレーティング装置のチャンバ内にセットし、そのチャンバ内を真空引きする工程、ピストンリング基材１０，４０を固定した成膜治具を自転ないし公転させつつ、脱ガスのため、全体に予熱をかける予熱工程を順に行う。この予熱工程を経た後、アルゴンガス等の不活性ガスを導入し、イオンボンバードメント工程によってピストンリング基材１０，４０の表面を清浄化する（工程１０４）。

【0066】

このイオンボンバードメント工程は、下地膜３０又は硬質皮膜２０を形成するのに用いる金属ターゲットと陰極との間にアーク放電を発生させることにより金属をイオン化し、イオン化したメタルイオンをピストンリング基材１０，４０の表面に照射させる手法である。このイオンボンバードメント工程により、ピストンリング基材１０，４０の表面に存在する酸化膜や水酸化膜等の不動態皮膜が破壊され、清浄化される。

【0067】

ピストンリング基材１０，４０は、このイオンボンバードメント工程で加熱されて軟化するのを防ぐため、硬度の低下が生じない温度に維持されながら清浄化される。

【0068】

硬度の低下が生じない温度に維持するには、例えば、イオンボンバードメント工程に炉冷工程を挟んだり、アーク電流やバイアス電圧を適切に調整することにより行われる。また、硬度の低下が生じない温度に維持する手法としては、冷却水を利用してピストンリング基材１０，４０の温度上昇を防止してもよい。

【0069】

図７は、冷却水を利用してピストンリング基材１０，４０を冷却するイオンプレーティング装置５０の構造を模式的に示したものである。このイオンプレーティング装置５０は、ピストンリング基材１０，４０が内部に収容されるチャンバ５１と、チャンバ５１内にて高周波プラズマアークを生じさせるアーク発生部５４と、ピストンリング基材１０，４０を搭載し、所望の速度で水平に回転するターンテーブル５５とを備えている。チャンバ５１には、その内部に所望のガスを導入するための導入口５２と、チャンバ５１の内部に導入されたガスを排出するための排出口５３とが設けられている。さらに、イオンプレーティング装置５０には、セットされたピストンリング基材１０，４０の内側にて冷却水を循環させる冷却水の循環路５６が設けられている。なお、循環路５６は、ピストンリング基材１０，４０を効果的に冷却することができるように適宜な状態に配される。

【0070】

このようなイオンボンバードメントの条件としては、アルゴンガスが導入され、例えばアーク電流が７５Ａ〜１５０Ａ、バイアス電圧が−１０００Ｖ〜−６００Ｖに設定される。

【0071】

こうしたイオンボンバードメント工程は、ピストンリング基材１０、４０の硬度の低下が生じない温度に維持しながら、そのピストンリング基材１０，４０を清浄化できるので、硬度低下が起こっていないピストンリング基材１０，４０上に、耐摩耗性の良い硬質皮膜２０を密着性よく成膜することができる。

【0072】

イオンボンバードメント工程が終了すると、ピストンリング基材１０，４０の表面に下地膜３０や硬質皮膜２０をコーティングする処理工程が施される。

【0073】

下地膜３０を硬質皮膜２０の下に成膜する場合には、ピストンリング基材１０，４０の少なくとも外周摺動面１４，４４に下地膜３０を形成する（工程１０５）。下地膜３０は、既述のように、ピストンリング基材１０，４０の外周摺動面１４，４４の他、上面１１，４１、下面１２，４２及び内周面１３，４３にも目的に応じて形成してもよい。この下地膜３０の形成工程では、イオンプレーティング法でＣｒ膜又はＣｒ−Ｂ膜を成膜する。イオンプレーティング法により下地膜３０を成膜する場合の成膜条件としては、例えば、チャンバ内のアルゴンガスの雰囲気圧力を０．８Ｐａ〜２．６Ｐａにして、アーク電流を１００Ａ〜２００Ａ、バイアス電圧を−１０Ｖ〜−３０Ｖに設定し、１５分程度行う。

【0074】

次いで、Ｃｒ−Ｎ膜又はＣｒ−Ｂ−Ｎ膜の硬質皮膜２０を少なくとも外周摺動面１４，４４に成膜する（工程１０６）。この硬質皮膜２０についても、イオンプレーティング法で成膜する。硬質皮膜２０を成膜するイオンプレーティング条件としては、例えば、チャンバ内のアルゴンガスの圧力を１．３Ｐａ〜４．０Ｐａにして、アーク電流を１００Ａ〜２００Ａ、バイアス電圧を０Ｖ〜−３０Ｖに設定し、１２０分程度行う。

【0075】

このような工程を経ることで、ピストンリング基材１０，４０に硬質皮膜２０が形成される。

【0076】

硬質皮膜２０の成膜工程が終了すると、次いで、表面にバフ研磨が行われ（工程１０７）、最後にピストンリング１，２の外周摺動面１４，４４に所謂当たりを付けるために外周ＬＰ（ラッピング）処理が施され（工程１０８）、ピストンリング１，２が完成する。なお、ＬＰ（ラッピング）処理とは、砥粒によってリング外周面を研削する処理である。

【0077】

以上、本発明のピストンリング１，２は、外周面形状がテーパフェース・レクタンギュラリング、テーパフェース・スクレーパリング及びテーパフェース・ナピアリングのいずれかとなるように形成された、内燃機関用ピストンリングの第２圧力リングに関するものであるが、従来のような窒化処理で形成された窒化層を有していないので、熱負荷が小さく、ピストンリング１，２の寸法バラツキが低減し、歩留まりが向上してコストダウンを実現できると共に、加工や熱処理に要する労力及びコストが大幅に削減されたものとなっている。また、ピストンリング基材１０，４０の少なくとも外周摺動面１４，４４に直接硬質皮膜２０が設けられているので、耐摩耗性に優れたピストンリング１，２となっている。

【0078】

特に、炭素鋼材又は低合金鋼からなるピストンリング基材１０，４０のビッカース硬度がＨｖ３５０〜Ｈｖ５５０の範囲であり、そうしたピストンリング基材１０，４０上にビッカース硬度Ｈｖ８００以上Ｈｖ２３００以下の硬質皮膜が直接設けられているので、従来のような窒化処理工程時等で生
じる強度低下等がなく、強度が維持され、耐摩耗性に優れた低コストのピストンリング１，２となっている。こうした本発明に係るピストンリングを、熱負荷や圧力負荷が大きいディーゼルエンジンに使用した場合であっても、ピストンリング基材１４，４４の強度や硬度が良好に維持されているので、硬質皮膜の欠けを効果的に阻止することができる。

【実施例】

【0079】

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。

【0080】

［実施例１］
ピストンリング基材１０を形成するために、Ｃ：０．６３質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：０．７５質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなる硬鋼線を用いて第２圧力リング形態のピストンリング基材１０の素形材を加工した（工程１０１）。このピストンリング基材１０の素形材に対し、バフ研磨を行い（工程１０２）、その後、研掃材を用いてドライホーニングを行って（工程１０３）、ピストンリング基材１０を形成した。なお、ピストンリング１の外周摺動面１４の形状は、テーパフェースであり且つ径方向断面形状をスクレーパリング（図１（Ｂ）参照）とした。

【0081】

次いで、ピストンリング基材１０をイオンプレーティング装置のチャンバ内にセットし、そのチャンバ内を真空引きする工程、ピストンリング基材１０を固定した成膜治具を自転ないし公転させつつ、脱ガスのため、全体に予熱する予熱工程を施す。この予熱工程を経た後、アルゴンガスを導入し、イオンボンバードメントによってピストンリング基材１０の表面を清浄化した（工程１０４）。

【0082】

このイオンボンバードメント工程（図６の工程１０４）では、ピストンリング基材１０の硬度低下が生じない温度に維持しながら行った。この際、アーク電流を１００Ａに、バイアス電圧を−６００Ｖに設定した。

【0083】

次いで、チャンバ内のアルゴンガス雰囲気の圧力を１．３Ｐａとし、アーク電流を１５０Ａに、バイアス電圧を−２５Ｖに設定し、１５分間かけてＣｒ膜からなる厚さ１．０μｍの下地膜３０を形成した（工程１０５）。

【0084】

その後、チャンバ内の窒素ガス雰囲気の圧力を２．８Ｐａとし、アーク電流を１５０Ａに、バイアス電圧を−２５Ｖに設定し、１２０分間かけてＣｒ−Ｎ膜からなる厚さ１１．５μｍの硬質皮膜２０を形成した（工程１０６）。Ｃｒ−Ｎ膜は、Ｃｒ、ＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎよりなるイオンプレーティング膜である。

【0085】

そして、バフ研磨を行い（工程１０７）、最後に外周ＬＰ処理を行って（工程１０８）、ピストンリング１を完成させた（図１（Ｂ）参照）。

【0086】

得られたピストンリング１は、ピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４５０であり、ほとんどビッカース硬度に変化はなかった。なお、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度はＨｖ４５４であった。また、ピストンリング１の外縁端部（ノーズ部ともいう。）１６に形成された硬質皮膜２０は、ピストンリング１の軸方向に０．１ｍｍの長さｄで形成されていた。また、硬質皮膜２０の膜厚は１１．５μｍであり、空孔率は０．９％であり、さらに、ビッカース硬度はＨｖ１３９５であった。これらの結果を表１に示した。

【0087】

［実施例２］
実施例２では、実施例１と同様に、Ｃ：０．６３質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：０．７５質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなる硬鋼線を用いてピストンリング基材１０の素形材を加工し、この素形材に対しバフ研磨（工程１０２）、ドライホーニング（工程１０３）、並びにイオンボンバードメント（工程１０４）を施してピストンリング基材１０を形成した。

【0088】

次いで、下地膜は形成せずに、実施例１と同条件でピストンリング基材１０に直接硬質皮膜２０を成膜し（工程１０６）、バフ研磨（工程１０７）、外周ＬＰ処理（工程１０８）を経てピストンリング１を得た（図１（Ａ）参照。）。

【0089】

得られたピストンリング１は、ピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４４６であった。なお、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度はＨｖ４５０であった。また、ピストンリング１の外縁端部（ノーズ部）１６に形成された硬質皮膜２０は、ピストンリング１の軸方向に０．１ｍｍの長さｄで形成されていた。また、硬質皮膜２０の膜厚は１０．５μｍであり、空孔率は１．０％であり、さらに、ビッカース硬度はＨｖ１３７３であった。これらの結果を表１に示した。

【0090】

［実施例３］
実施例３は、硬質皮膜２０としてＣｒ−Ｂ−Ｎ膜を成膜したものである。Ｃｒ−Ｂ−Ｎ膜を成膜する条件に変更した以外は、実施例１と同様にしてピストンリング１を形成した。なお、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ膜は、Ｃｒ−Ｎ膜にＢを固溶したものである。

【0091】

得られたピストンリング１は、ピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４３９であった。なお、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度はＨｖ４４５であった。また、ピストンリング１の外縁端部（ノーズ部）１６に形成された硬質皮膜２０は、ピストンリング１の軸方向に０．１ｍｍの長さｄで形成されていた。また、硬質皮膜２０の膜厚は１１．０μｍであり、空孔率は１．３％であり、さらに、ビッカース硬度はＨｖ１８６３であった。これらの結果を表１に示した。

【0092】

［実施例４］
実施例４は、硬質皮膜２０の厚さを１８．０μｍに変更し、さらに軸方向の長さｄを０．２０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にしてピストンリング１を形成した。得られたピストンリング１の各特性を表１に示した。

【0093】

［実施例５］
実施例５は、硬質皮膜２０の厚さを２９．０μｍに変更した以外は、実施例１と同様にしてピストンリング１を形成した。得られたピストンリング１の各特性を表１に示した。

【0094】

［実施例６］
実施例６は、硬質皮膜２０の上にさらに硬質炭素皮膜７０を形成した以外は、実施例１と同様にしてピストンリング１を形成した。なお、硬質炭素皮膜７０は、実施例１でのＬＰ処理（工程１０８）を行った後、スパッタリング法により、炭素ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴンとを用いて厚さ２．８μｍの硬質炭素皮膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）を成膜した。得られたピストンリング１の各特性を表１に示した。

【0095】

［実施例７］
実施例７は、ピストンリング基材１０として、Ｃｒ：０．６５質量％、Ｃ：０．５５質量％、Ｓｉ：１．４質量％、Ｍｎ：０．６５質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなるシリコンクロム鋼線を用いた。それ以外は実施例１と同様である。

【0096】

得られたピストンリング１は、ピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４９５であった。なお、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度はＨｖ５０１であった。また、ピストンリング１の外縁端部（ノーズ部）１６に形成された硬質皮膜２０は、ピストンリング１の軸方向に０．０９ｍｍの長さｄで形成されていた。また、硬質皮膜２０の膜厚は１０．９μｍであり、空孔率は１．０％であり、さらに、ビッカース硬度はＨｖ１３７５であった。これらの結果を表１に示した。

【0097】

［実施例８］
実施例８は、硬質皮膜２０の厚さを２０．５μｍに変更し、さらに軸方向の長さｄを０．２２ｍｍに変更た以外は、実施例７と同様にしてピストンリング１を形成した。得られたピストンリング１の各特性を表１に示した。

【0098】

［実施例９］
実施例９は、硬質皮膜２０の上にさらに硬質炭素皮膜７０を形成した以外は、実施例７と同様にしてピストンリング１を形成した。なお、硬質炭素皮膜７０は、実施例１でのＬＰ処理（工程１０８）を行った後、スパッタリング法により、炭素ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴンとを用いて厚さ２．８μｍの硬質炭素皮膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）を成膜した。得られたピストンリング１の各特性を表１に示した。

【0099】

［実施例１０］
実施例１０は、ピストンリング基材１０として、Ｃ：０．５６質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：０．８質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｃｒ：０．８質量％、残部：Ｆｅ及び不可避不純物からなるばね鋼材を用いた。それ以外は実施例１と同様である。

【0100】

得られたピストンリング１は、ピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４７０であった。なお、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度はＨｖ４７５であった。また、ピストンリング１の外縁端部（ノーズ部）１６に形成された硬質皮膜２０は、ピストンリング１の軸方向に０．１０ｍｍの長さｄで形成されていた。また、硬質皮膜２０の膜厚は１２．０μｍであり、空孔率は１．３％であり、さらに、ビッカース硬度はＨｖ１３７０であった。これらの結果を表１に示した。

【0101】

［実施例１１］
実施例１１は、硬質皮膜２０の厚さを１６．０μｍに変更し、さらに軸方向の長さｄを０．２０ｍｍに変更た以外は、実施例１０と同様にしてピストンリング１を形成した。得られたピストンリング１の各特性を表１に示した。

【0102】

［実施例１２］
実施例１２は、硬質皮膜２０の上にさらに硬質炭素皮膜７０を形成した以外は、実施例１０と同様にしてピストンリング１を形成した。なお、硬質炭素皮膜７０は、実施例１でのＬＰ処理（工程１０８）を行った後、スパッタリング法により、炭素ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴンとを用いて厚さ２．８μｍの硬質炭素皮膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）を成膜した。得られたピストンリング１の各特性を表１に示した。

【0103】

［比較例１］
実施例１において、諸条件を変更して比較例１のピストンリングを形成した。この比較例１におけるピストンリングは、硬質皮膜の膜厚が３．４μｍに形成されており、膜厚が５μｍ未満に形成されたものである。

【0104】

［比較例２］
この比較例２におけるピストンリングは、硬質皮膜の膜厚が３１．５μｍに形成されており、膜厚が３０μｍを超えて形成されたものである。

【0105】

［比較例３］
実施例１において、諸条件を変更して比較例３のピストンリングを形成した。この比較例３におけるピストンリングは、硬質皮膜の空孔率が０．２％に形成されており、空孔率が本発明の下限値である０．５％よりも小さく形成されたものである。

【0106】

［比較例４］
この比較例４のピストンリングは、硬質皮膜の空孔率が１．９％に形成されており、空孔率が本発明の上限値である１．５％よりも大きく形成されたものである。

【0107】

［比較例５］
比較例５は、実施例１で用いたピストンリング基材１０において、外周摺動面１４の外縁端部１６に形成された硬質皮膜２０は、軸方向に０．００５ｍｍの長さｄで形成されたものであり、その長さｄが本発明の下限値である０．０１ｍｍよりも小さく形成されたものである。

【0108】

［比較例６］
比較例６は、実施例１で用いたピストンリング基材１０において、外周摺動面１４の外縁端部１６に形成された硬質皮膜２０は、軸方向に０．３５ｍｍの長さｄで形成されたものであり、その長さｄが本発明の上限値である０．３０ｍｍよりも大きく形成されたものである。

【0109】

［比較例７］
比較例７は、イオンボンバードメント工程において、ピストンリング基材に対して冷却をすることなく清浄工程を行ったものである。この比較例７のピストンリングは、イオンボンバードメント工程で冷却しなかった他は、実施例１と同様の工程を経て形成した。得られたピストンリングは、ピストンリング基材のビッカース硬度がＨｖ３４４であり、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４５３であったのに対して硬度の低下が著しかった。

【0110】

［比較例８］
実施例７において、諸条件を変更して比較例８のピストンリングを形成した。この比較例８におけるピストンリングは、硬質皮膜の膜厚が４．１μｍに形成されており、膜厚が５μｍ未満に形成されたものである。

【0111】

［比較例９］
この比較例９におけるピストンリングは、硬質皮膜の膜厚が３１．２μｍに形成されており、膜厚が３０μｍを超えて形成されたものである。

【0112】

［比較例１０］
実施例７において、諸条件を変更して比較例１０のピストンリングを形成した。この比較例１０におけるピストンリングは、硬質皮膜の空孔率が０．３％に形成されており、空孔率が本発明の下限値である０．５％よりも小さく形成されたものである。

【0113】

［比較例１１］
この比較例１１のピストンリングは、硬質皮膜の空孔率が２．１％に形成されており、空孔率が本発明の上限値である１．５％よりも大きく形成されたものである。

【0114】

［比較例１２］
比較例１２は、実施例７で用いたピストンリング基材１０において、外周摺動面１４の外縁端部１６に形成された硬質皮膜２０は、軸方向に０．００５ｍｍの長さｄで形成されたものであり、その長さｄが本発明の下限値である０．０１ｍｍよりも小さく形成されたものである。

【0115】

［比較例１３］
比較例１３は、実施例７で用いたピストンリング基材１０において、外周摺動面１４の外縁端部１６に形成された硬質皮膜２０は、軸方向に０．３３ｍｍの長さｄで形成されたものであり、その長さｄが本発明の上限値である０．３０ｍｍよりも大きく形成されたものである。

【0116】

［比較例１４］
比較例１４は、イオンボンバードメント工程において、ピストンリング基材に対して冷却をすることなく清浄工程を行ったものである。この比較例１４のピストンリングは、イオンボンバードメント工程で冷却しなかった他は、実施例１と同様の工程を経て形成した。得られたピストンリングは、ピストンリング基材のビッカース硬度がＨｖ３２０であり、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４９０であったのに対して硬度の低下が著しかった。

【0117】

［比較例１５］
実施例１０において、諸条件を変更して比較例１５のピストンリングを形成した。この比較例１５におけるピストンリングは、硬質皮膜の膜厚が３．９μｍに形成されており、膜厚が５μｍ未満に形成されたものである。

【0118】

［比較例１６］
この比較例１６におけるピストンリングは、硬質皮膜の膜厚が３２．０μｍに形成されており、膜厚が３０μｍを超えて形成されたものである。

【0119】

［比較例１７］
実施例１０において、諸条件を変更して比較例１７のピストンリングを形成した。この比較例１７におけるピストンリングは、硬質皮膜の空孔率が０．３％に形成されており、空孔率が本発明の下限値である０．５％よりも小さく形成されたものである。

【0120】

［比較例１８］
この比較例１８のピストンリングは、硬質皮膜の空孔率が１．８％に形成されており、空孔率が本発明の上限値である１．５％よりも大きく形成されたものである。

【0121】

［比較例１９］
比較例１９は、実施例１０で用いたピストンリング基材１０において、外周摺動面１４の外縁端部１６に形成された硬質皮膜２０は、軸方向に０．００５ｍｍの長さｄで形成されたものであり、その長さｄが本発明の下限値である０．０１ｍｍよりも小さく形成されたものである。

【0122】

［比較例２０］
比較例２０は、実施例１０で用いたピストンリング基材１０において、外周摺動面１４の外縁端部１６に形成された硬質皮膜２０は、軸方向に０．３５ｍｍの長さｄで形成されたものであり、その長さｄが本発明の上限値である０．３０ｍｍよりも大きく形成されたものである。

【0123】

［比較例２１］
比較例２１は、イオンボンバードメント工程において、ピストンリング基材に対して冷却をすることなく清浄工程を行ったものである。この比較例２１のピストンリングは、イオンボンバードメント工程で冷却しなかった他は、実施例１と同様の工程を経て形成した。得られたピストンリングは、ピストンリング基材のビッカース硬度がＨｖ３３５であり、硬質皮膜２０を形成する前のピストンリング基材１０のビッカース硬度がＨｖ４７５であったのに対して硬度の低下が著しかった。

【0124】

［摩耗試験］
摩耗試験は、図８に示すアムスラー型摩耗試験機６０を使用し、上記実施例１〜１２と比較例１〜２１で得られたピストンリングと同じ条件で得た測定試料６１（７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍ）を固定片とし、相手材６２（回転片）にはドーナツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用い、測定試料６１と相手材６２を接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。各測定試料６１を用いた摩擦係数試験条件は、潤滑油６３：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：１４７１．５Ｎ、試験時間：７時間の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材６２として行った。なお、ボロン鋳鉄からなる相手材６２は、所定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１〜２μｍＲｚ（十点平均粗さ。ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）に準拠。）となるように調整した。

【0125】

表２に示す摩耗指数は、実施例１〜１２に相当する各測定試料の摩耗量を、比較例１に対応する測定試料の摩耗量に対しての相対比として比較し、摩耗指数とした。同様に、比較例２〜２１に対応する測定試料ついても、比較例１に対応する測定試料の摩耗量に対しての相対比として比較し、摩耗指数として示した。したがって、各測定試料の摩耗指数が１００よりも小さいほど摩耗量が小さいことを表す。結果を表２に示した。

【0126】

表２から明らかなように、硬質皮膜の膜厚が５μｍ〜３０μｍ、硬質皮膜の空孔率が０．５％〜１．５％、長さｄが０．０１ｍｍ〜０．３０ｍｍ、ピストンリング基材のビッカース硬度がＨｖ３５０〜Ｈｖ５５０、硬質皮膜２０のビッカース硬度がＨｖ８００〜Ｈｖ２３００の範囲に形成された実施例１〜１２に対応する各測定試料は、いずれも摩耗指数が１００よりも小さく、比較例１に対応する測定試料よりも耐摩耗性に優れていた。

【0127】

［欠け性試験］
硬質皮膜２０を成膜した後、炉冷を１５０分間行い、その後、炉から試料を取り出し、外観を目視にて観察した。欠けが発生したものは除き、欠けの発生がなかったものについて、ツイスト試験を行った。

【0128】

欠けの発生が抑制される程度（耐欠け性）は、図９に示すツイスト試験機８０を使用したツイスト試験により評価した。このツイスト試験は、ピストンリング８１に形成された硬質皮膜の密着性を評価する試験であり、その測定は、ピストンリング８１の合口８２ａの相対向する合口端部８２ｂを掴持具８３ａ、８３ｂで掴持し、掴持具８３ａを固定しておいて掴持具８３ｂをピストンリング８１の直径方向で合口の反対側８２ｃを軸として一点鎖線で示されるように回転させ、ピストンリング８１を所定の捻り角度にて捻る方法で行った。そして、捻り後に、このピストンリング８１の合口反対側８２ｃを切断し、切断面（破面）における硬質皮膜がピストンリング基材から剥離するか否かを目視で観察した。なお、このときの捻り角度は９０°とした。

【0129】

表２に示す耐欠け性は、上記ツイスト試験の結果を以下の評価基準で表したものである。「ランク１」は出炉時に欠けの発生がなく且つツイスト試験でも剥離が無いもの、「ランク２」は出炉時に欠けの発生がないが、ツイスト試験で剥離が発生したもの、「ランク３」は出炉時に欠けが発生したもの、とした。表２に示すように、比較例１，２，３，５、比較例８，９，１０，１２、及び比較例１５，１６，１７，１９が耐欠け性に劣る結果となった。

【0130】

［オイル消費試験］
リング母材が同一の実施例４，８，１１及び比較例６，１３，２０で得られたピストンリングを用いてオイル消費試験を行った。このオイル消費試験では、排気量が２．４Ｌでシリンダ内径が８７ｍｍの直列４気筒ガソリンエンジンの実機実験を行いた。エンジンの運転条件は、高負荷、回転数７０００ｒ．ｐ．ｍ．で連続重量法にてオイル消費量を測定した。

【0131】

測定は、ファーストリング、セカンドリング及びオイルリングを組み合わせて行った。ファーストリングとしては、ＳＷＯＳＣ−Ｖ材で、リング軸方向幅ｈ１を１．２ｍｍとし、リング径方向幅ａ１を２．９ｍｍとし、外周面形状をバレルフェースとし、外周面をＰＶＤ処理したものを用いた。セカンドリングとしては、実施例４，８，１２及び比較例６，１３，２０で得られたピストンリングを、リング軸方向幅ｈ１を１．０ｍｍとしリング径方向幅ａ１を２．５ｍｍとしたものを用いた。オイルリングとしては、３ピースタイプのオイルリングを用い、スペーサエキスパンダの軸方向幅ｈ１を２．０ｍｍとし、スペーサエキスパンダの径方向幅ａ１を２．５ｍｍとし、外周面をＰＶＤ処理し、サイドレールがＪＩＳ規格で表されるＳＷＲＨ７２Ａ材で、スペーサーがＳＵＳ３０４材であるものを用いた。

【0132】

オイル消費量の確認を行った結果を表２に示した。各実施例よりも各比較例は１を超える値となり、オイル消費が悪化する傾向にあることがわかった。

【0133】

［硬度測定］
硬度測定は、微小ビッカース硬度試験機（株式会社フューチュアテック製、ＦＭ−ＡＲＳ９０００）を用いて測定した。実施例１〜１２のピストンリング１において、ピストンリング基材１０の母材硬度は、いずれもＨｖ４３９〜Ｈｖ４９５の範囲であり、硬質皮膜２０のビッカース硬度はいずれもＨｖ１３７０〜Ｈｖ１８６３の範囲であった。

【0134】

［厚さ測定］
硬質皮膜２０の各試料を湿式切断機にて切断し、樹脂に試料を埋め込んで研磨し、断面観察から算出した。実施例１〜１２において硬質皮膜２０の膜厚は、いずれも５μｍ〜３０μｍの範囲内に形成されていた。

【0135】

［成分測定］
硬質皮膜２０中の成分組成は、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）装置（日本電子株式会社製、ＪＸＡ−８８００ＲＬ）を用いて定量した。

【0136】

【表1】

【0137】

【表2】

【符号の説明】

【0138】

１，２ ピストンリング
１０，４０ ピストンリング基材
１１，４１ 上面
１２，４２ 下面
１３，４３ 内周面
１４，４４ 外周摺動面（外周面）
１５ ステップ状の切り込み部
１６，４６ ピストンリングの外縁端部（ノーズ部）
１７，４５ 基材の外縁端部
２０ 硬質皮膜
３０ 下地膜
５０ イオンプレーティング装置
５１ チャンバ
５２ 導入口
５３ 排出口
５４ アーク発生部
５５ ターンテーブル
５６ 冷却水の循環路
７０ 硬質炭素皮膜
α テーパ角
ｒ 曲率半径
Ｌ 鉛直線
ｄ 長さ（外縁端部と、該外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面がリング下面と平行な下端面又は下端部と接する仮想線との間の軸方向の長さ）
Ａ 外縁端部の座標位置
Ｂ 外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面がリング下面と平行な下端面又は下端部と接する仮想線
Ｘ 径方向
Ｙ 軸方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】