特許 6496578 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】6496578

(24)【登録日】2019年3月15日

(45)【発行日】2019年4月3日

(54)【発明の名称】ピストンリング

(51)【国際特許分類】

   F16J 9/26 20060101AFI20190325BHJP

   F02F 5/00 20060101ALI20190325BHJP

【ＦＩ】

   F16J9/26 C

   F02F5/00 F

【請求項の数】13

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2015-49770(P2015-49770)

(22)【出願日】2015年3月12日

(65)【公開番号】特開2016-169798(P2016-169798A)

(43)【公開日】2016年9月23日

【審査請求日】2017年12月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000139023

【氏名又は名称】株式会社リケン

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 大介

(72)【発明者】

【氏名】加村 修一

【審査官】 谷口 耕之助

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２０５８７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２８７７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８４６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１８３７６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ ９／２６

Ｆ０２Ｆ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の側面、外周面及び内周面を有する環状の本体部と、
前記外周面に設けられた硬質皮膜と、
を備え、
前記一対の側面に垂直な第一方向における前記本体部の幅をｈ_１ｍｍとし、前記第一方向における前記硬質皮膜の幅をＷｍｍとし、前記外周面に垂直な第二方向における前記硬質皮膜の厚さをＬｍｍとした場合、下記式（１）を満たし、
前記本体部は、０．４５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１．６０質量％以下のケイ素と、０．３０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、を含む、
ピストンリング。
０．００３≦（Ｌ・ｈ_１）／Ｗ≦０．１５１ （１）

【請求項2】

一対の側面、外周面及び内周面を有する環状の本体部と、
前記外周面に設けられた硬質皮膜と、
を備え、
前記一対の側面に垂直な第一方向における前記本体部の幅をｈ_１ｍｍとし、前記第一方向における前記硬質皮膜の幅をＷｍｍとし、前記外周面に垂直な第二方向における前記硬質皮膜の厚さをＬｍｍとした場合、下記式（１）を満たし、
前記第二方向における前記硬質皮膜の頂点部から、前記頂点部から０．３ｍｍ離れた位置までにおける、前記硬質皮膜の前記厚さは、３μｍ以上１０μｍ以下である、
ピストンリング。
０．００３≦（Ｌ・ｈ_１）／Ｗ≦０．１５１ （１）

【請求項3】

前記硬質皮膜の熱伝導率をσＷ／ｍ・Ｋとした場合、下記式（２）を満たす、
請求項１または２に記載のピストンリング。
０．０３０≦（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗ≦６．３６０ （２）

【請求項4】

下記式（３）を満たす、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストンリング。
０．００３≦（Ｌ・ｈ_１）／Ｗ≦０．０８８ （３）

【請求項5】

前記硬質皮膜の熱伝導率をσＷ／ｍ・Ｋとした場合、下記式（４）を満たす、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
０．０３０≦（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗ≦４．４４０ （４）

【請求項6】

前記本体部は、１．６０質量％以下のクロムと、０．２５質量％以下のバナジウムと、０．３５質量％以下のモリブデンと、０．０１質量％以下のホウ素と、のうち少なくとも一つを含む、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンリング。

【請求項7】

前記本体部は、０．００２質量％以上０．０１質量％未満のリンを含む、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。

【請求項8】

前記硬質皮膜は、窒化クロム膜、窒化チタン膜、炭窒化クロム膜、炭窒化チタン膜、酸化窒化クロム膜、及びダイヤモンドライクカーボン膜からなる群より選ばれる少なくとも一つの膜を含む、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のピストンリング。

【請求項9】

前記硬質皮膜の熱伝導率σは、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のピストンリング。

【請求項10】

前記硬質皮膜の厚さＬは、３μｍ以上３０μｍ以下である、
請求項１〜９のいずれか一項に記載のピストンリング。

【請求項11】

前記本体部の前記一対の側面の少なくとも一方、又は前記外周面若しくは前記内周面に設けられる窒化層を備え、
前記窒化層の表面のビッカース硬度は６００［ＨＶ０．０５］以上１３００［ＨＶ０．０５］以下である、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のピストンリング。

【請求項12】

前記外周面の端部において、前記本体部が露出している、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のピストンリング。

【請求項13】

前記一対の側面に垂直な前記本体部の断面において、前記外周面の前記端部の幅は、０．３ｍｍ以下である、
請求項１２に記載のピストンリング。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ピストンリングに関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関に用いられるピストンリングは、ピストンの側面に形成されたリング溝内に設置される。ピストンリングの外周面は、シリンダボアの内壁と摺接する。例えば特許文献１〜５には、外周面の一部又は全部が硬質皮膜で覆われたピストンリングが記載されている。特許文献６には、硬質皮膜として、イオンプレーティング法によって形成された窒化チタン膜を備えるピストンリングが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１１／０６４８８８号

【特許文献2】特開２００９−２８７７３０号公報

【特許文献3】実開昭５９−１７２２５３号公報

【特許文献4】実開昭５９−１１７８６２号公報

【特許文献5】実開昭５４−１１８９５８号公報

【特許文献6】特開２０１３−０２９１９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的に、硬質皮膜の硬度は、ピストンリングの本体部の硬度よりも高い。硬質皮膜の硬度が高いほど、ピストンリングの耐摩耗性が向上するからである。しかし、硬質皮膜の硬度が高いほど、硬質皮膜の靱性はピストンリングの本体部の靱性に比べて低い。したがって、硬質皮膜の硬度が高く硬質皮膜の厚さが大きいほど、硬質皮膜の残留応力が大きく、硬質皮膜がピストンリングから剥離し易い。他方、硬質皮膜の厚さが小さいほど、硬質皮膜及びピストンリングが摩滅し易い。したがって、ピストンリングには、硬質皮膜の耐剥離性及び耐摩耗性が要求される。加えて、エンジンの燃費向上のためには、ピストンリングの高い熱伝導性も要求される。

【0005】

本発明は、耐剥離性、耐摩耗性、及び熱伝導性に優れたピストンリングを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面に係るピストンリングは、一対の側面、外周面及び内周面を有する環状の本体部と、外周面に設けられた硬質皮膜と、を備え、一対の側面に垂直な第一方向における本体部の幅をｈ_１ｍｍとし、第一方向における硬質皮膜の幅をＷｍｍとし、外周面に垂直な第二方向における硬質皮膜の厚さをＬｍｍとした場合、下記式（１）を満たす。
０．００３≦（Ｌ・ｈ_１）／Ｗ≦０．１５１ （１）

【0007】

本発明の一側面に係るピストンリングは、硬質皮膜の熱伝導率をσＷ／ｍ・Ｋとした場合、下記式（２）を満たしてもよい。
０．０３０≦（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗ≦６．３６０ （２）

【0008】

本発明の上記態様に係るピストンリングは、下記式（３）を満たしてもよい。
０．００３≦（Ｌ・ｈ_１）／Ｗ≦０．０８８ （３）

【0009】

本発明の一側面に係るピストンリングは、硬質皮膜の熱伝導率をσＷ／ｍ・Ｋとした場合、下記式（４）を満たしてもよい。
０．０３０≦（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗ≦４．４４０ （４）

【0010】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、本体部は、０．４５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１．６０質量％以下のケイ素と、０．３０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンとを含んでもよい。

【0011】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、本体部は、１．６０質量％以下のクロムと、０．２５質量％以下のバナジウムと、０．３５質量％以下のモリブデンと、０．０１質量％以下のホウ素と、のうち少なくとも一つを含んでもよい。

【0012】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、本体部は、０．００２質量％以上０．０１質量％未満のリンを含んでもよい。

【0013】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、硬質皮膜は、窒化クロム膜、窒化チタン膜、炭窒化クロム膜、炭窒化チタン膜、酸化窒化クロム膜、及びダイヤモンドライクカーボン膜からなる群より選ばれる少なくとも一つの膜を含んでもよい。

【0014】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、硬質皮膜の熱伝導率σは、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってよい。

【0015】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、硬質皮膜の厚さＬは、３μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。

【0016】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、本体部の一対の側面の少なくとも一方、又は外周面若しくは内周面に設けられる窒化層を備え、窒化層の表面のビッカース硬度は６００［ＨＶ０．０５］以上１３００［ＨＶ０．０５］以下であってもよい。

【0017】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、第二方向における硬質皮膜の頂点部から、頂点部から０．３ｍｍ離れた位置までにおける、硬質皮膜の厚さは、３μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。

【0018】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、外周面の端部において、本体部が露出していてもよい。

【0019】

本発明の一側面に係るピストンリングでは、一対の側面に垂直な本体部の断面において、外周面の端部の幅は、０．３ｍｍ以下であってよい。

【発明の効果】

【0020】

本発明のピストンリングによれば、耐剥離性、耐摩耗性、及び熱伝導性に優れたピストンリングを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本実施形態に係るピストンリングの斜視図である。

【図2】図２は、図１のピストンリングのＩＩ−ＩＩ線における断面（周方向における断面）の一部を模式的に示す。

【図3】図３中の（ａ）（図３（ａ））は、ツイスト試験中のピストンリングの斜視図である。図３中の（ｂ）（図３（ｂ））は、ツイスト試験中のピストンリングの側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の一実施形態に係るピストンリング（コンプレッションリング）について、図面を参照しながら、説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

【0023】

図１に示す本実施形態に係るピストンリング１は、内燃機関（例えば、自動車のエンジン）のピストンの外周面に形成されたリング溝内に設置される。ピストンリング１は、その外周面２ｄがボア内周面に対して摺動することで、シリンダ内壁のオイルがクランク室側から燃焼室側に入り込むこと（オイルアップ）を抑制する機能（オイルコントロール機能）を奏する。また、ピストンリング１は、その外周面２ｄがボア内周面に対して摺動することで、ブローバイガスを抑制する機能（ガスシール機能）を奏する。さらに、ピストンリング１は、その外周面２ｄがボア内周面に対して摺動することにより、ピストンの熱をシリンダ内壁に伝導させる機能（熱伝導機能）を奏する。

【0024】

ピストンリング１は、環状の本体部２を備える。本体部２には合口部３が形成されている。つまり、「環状」とは、必ずしも閉じた円を意味するものではない。本体部２は、真円状でもよいし、楕円状でもよい。本体部２は、一対の側面２ａ，２ｂと、内周面２ｃ及び外周面２ｄと、を有する。周方向におけるピストンリング１の断面の形状は、略長方形である。長方形状の断面を構成する一対の長辺は、側面２ａ，２ｂに属する。長方形状の断面を構成する一対の短辺は、内周面２ｃ及び外周面２ｄに属する。

【0025】

合口部３は、本体部２の一部が分断されることによって形成されている。ピストンリング１とシリンダとの間の温度差に起因して本体部２が熱膨張すると、合口部３は狭まる。つまり、合口部３は、熱膨張による本体部２の変形又は歪みを抑制する。本実施形態では、合口端面３ａが内周面２ｃ及び外周面２ｄに対して直角に形成された直角合口を例示している。ただし、合口部３は、合口端面３ａが内周面２ｃ及び外周面２ｄに対して傾斜して形成された傾斜合口であってもよい。また、合口部３は、一方の合口端面３ａの側面２ａ側と他方の合口端面３ａの側面２ｂ側とが互いに突出した段付合口であってもよい。

【0026】

以下では、本体部２の外周面２ｄについて詳細に説明する。図２は、一対の側面２ａ，２ｂに垂直なピストンリング１の断面である。以下では、側面２ａ又は側面２ｂに垂直な方向（本体部２の軸方向）を、第一方向Ｄ１と記す。以下では、内周面２ｃ又は外周面２ｄに垂直な方向（本体部２の径方向）を、第二方向Ｄ２と記す。

【0027】

外周面２ｄは、ピストンリング１がピストンのリング溝に取り付けられたときに、シリンダのボア内周面に対して摺動する摺動面である。図２に示されるように、外周面２ｄは、第二方向Ｄ２に沿って外側へ突出した緩やかな湾曲形状（バレルフェイス形状）を有する。バレルフェイス形状を有する外周面２ｄは、第二方向Ｄ２に沿った本体部２の中心線Ａ付近において最も外側へ突出している。

【0028】

図２に示されるように、硬質皮膜１１が外周面２ｄの表面に形成されている。硬質皮膜１１の硬度は、本体部２の硬度よりも高い。硬質皮膜１１により、ピストンリング１の耐摩耗性及び耐スカッフ性が向上する。

【0029】

ピストンリング１は、いわゆるセミインレイド型のピストンリングである。セミインレイド型のピストンリング１の本体部２は、外周面２ｄのうち側面２ｂ側の端部１２のみにおいて、露出している。外周面２ｄにおいて端部１２を除く領域全体は、硬質皮膜１１で覆われている。外周面２ｄの端部１２の幅Ｒは、０．３ｍｍ以下であってよい。幅Ｒが小さいほど、ピストンリング１の側面２ｂ側の面取り部分が小さくなり、合口部３から燃焼ガスが漏れ難くなる。なお、端部１２の幅Ｒとは、外周面２ｄにおいて露出している本体部２の幅と言い換えられる。

【0030】

図２に示すように、第一方向Ｄ１における本体部２の幅はｈ_１ｍｍと表される。第一方向Ｄ１における硬質皮膜１１の幅はＷｍｍと表される。第二方向Ｄ２における硬質皮膜１１の厚さはＬｍｍと表される。本実施形態に係るピストンリング１は、下記式（１）を満たす。つまり、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び硬質皮膜１１の厚さＬが、下記式（１）を満たす。
０．００３≦（Ｌ・ｈ_１）／Ｗ≦０．１５１ （１）

【0031】

（Ｌ・ｈ_１）／Ｗの単位も、ｍｍである。上記式（１）が満されることにより奏される効果は、以下の通りである。

【0032】

ピストンリング１が装着されたピストンを有するエンジンが駆動すると、燃焼室内にて発生した熱は、まずピストンからリング溝の壁面を介してピストンリング１の側面２ａ，２ｂ又は内周面２ｃへ伝達される。ピストンリング１に伝達した熱は、外周面２ｄの一部を覆う硬質皮膜１１を介してボア内周面へ伝達されると共に、外周面２ｄの露出した端部１２からオイルを介してボア内周面へ伝達される。ここで、硬質皮膜１１の熱伝導率σは本体部２の熱伝導率よりも低いので、オイルを介した端部１２（露出した本体部２）からボア内周面への熱伝導が支配的になる。この場合、ピストンリング１からボア内周面への熱伝導は、端部１２の長さｈ_２に大きく影響される。換言すれば、ピストンリング１からボア内周面への熱伝導は、本体部２の幅ｈ_１と硬質皮膜１１の幅Ｗとの比率ｈ_１／Ｗに大きく影響される。このため、端部１２の長さｈ_２（又はｈ_１／Ｗ）が大きいほど、ピストンリング１の熱伝導性は向上する。しかし、端部１２の長さｈ_２（又はｈ_１／Ｗ）が大きいほど、端部１２（露出した本体部２）が広くなり、本体部２自体が磨滅し易い。したがって、ｈ_１／Ｗが適切な範囲に収まれば、熱伝導性及び耐摩耗性が向上し易い。

【0033】

他方、硬質皮膜１１の厚さＬが大きいほど、ピストンリング１の耐摩耗性は向上する。しかしながら、硬質皮膜１１の厚さＬが大きいほど、当該硬質皮膜１１の残留応力が高くなり、硬質皮膜１１が本体部２から剥離し易い。加えて、硬質皮膜１１の厚さＬが大きいほど、硬質皮膜１１を介したピストンリング１からボア内周面への熱伝導が阻害され易い。したがって、Ｌが適切な範囲に収まれば、熱伝導性、耐摩耗性及び耐剥離性が向上し易い。

【0034】

本実施形態では、比率（Ｗ／ｈ_１）及び硬質皮膜１１の厚さＬが上記式（１）を満たすため、ピストンリング１の耐摩耗性及び熱伝導性が向上すると共に、硬質皮膜１１の剥離が抑制される。

【0035】

一般に、エンジンの燃焼室の温度が高いほど、ノッキングが発生し易い。しかし、実施形態に係るピストンリング１をエンジンのピストンに装着すると、熱がピストンからボア内周面へ伝導し易くなり、ピストンの温度及びエンジンの燃焼室の温度が下がり易くなる。したがって、本実施形態に係るピストンリング１を備えるエンジンでは、燃焼室の温度の過度の上昇が抑制され、ノッキングも抑制される。ノッキングが抑制されるので、ピストンへ高負荷がかかるようなエンジンの仕様を実現できる。つまり、本実施形態に係るピストンリング１を備えるエンジンでは、圧縮比を高めたり、あるいは点火プラグの点火時期を早めたりすることが可能となる。したがって、本実施形態に係るピストンリング１を備えるエンジンでは、燃費が向上する。

【0036】

（Ｌ・ｈ_１）／Ｗは、０．００３１以上、０．００３２以上、０．００４１以上、０．００５９以上、０．００６３以上、０．００６７以上、０．０１０７以上、０．０１１１以上、０．０１１４以上、０．０１２０以上、０．０１２５以上、０．０２１２以上、又は０．０２２２以上であってもよい。また（Ｌ・ｈ_１）／Ｗは、０．０９３５以下、０．０９０９以下、０．０９０４以下、０．０８８９以下、０．０４０２以下、０．０３７８以下、０．０３７１以下、０．０３４４以下、０．０３４０以下、０．０３２２以下、０．０３１９以下、０．０２９５以下、０．０２６７以下、０．０２５２以下、又は０．０２４８以下であってもよい。

【0037】

硬質皮膜１１の熱伝導率がσＷ／ｍ・Ｋと表される場合、下記式（２）が満されてもよい。下記式（２）が満される場合、ピストンリング１の耐摩耗性、耐剥離性、及び熱伝導性が向上し易い。同様の理由から、下記式（３）又は式（４）が満されてもよい。下記式（３）又は式（４）が満される場合、特に硬質皮膜１１の剥離が抑制され易い。なお、（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗの単位は、ｍｍ×ｍｍ×（Ｗ／ｍ・Ｋ）÷ｍｍ、すなわち、Ｗ・１０^−３／Ｋである。
０．０３０≦（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗ≦６．３６０ （２）
０．００３≦（Ｌ・ｈ_１）／Ｗ≦０．０８８ （３）
０．０３０≦（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗ≦４．４４０ （４）

【0038】

硬質皮膜１１の熱伝導率σ（もしくは、硬質皮膜１１を構成する材料自体の熱伝導率）は、例えば５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってよい。硬質皮膜１１の熱伝導率σが高いほど、ピストンリング１の熱伝導機能も向上する。硬質皮膜１１の熱伝導率σが高いほど、熱が硬質皮膜１１を介して本体部２からボア内周面へ伝導し易いからである。したがって、硬質皮膜１１の熱伝導率σは、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３８Ｗ／ｍ・Ｋ以上、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、又は８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってもよい。硬質皮膜１１の熱伝導率σは、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、３８Ｗ／ｍ・Ｋ以下、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、又は８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であってもよい。本体部２の熱伝導率は、硬質皮膜１１の熱伝導率σよりも高ければよく、特に限定されない。硬質皮膜１１の熱伝導率σは、硬質皮膜１１の組成の調整又は選定により、自在に制御される。本体部２の熱伝導率は、本体部２用の材料（線材）の組成の調整又は選定により、自在に制御される。

【0039】

硬質皮膜１１の熱伝導率σは、例えばレーザーフラッシュ法又はホットディスク法によって測定される。本実施形態では、レーザーフラッシュ法よりもホットディスク法の方が好ましい。レーザーフラッシュ法は、バルク材料の熱伝導率の測定に多用されるが、硬質皮膜のように薄い試料の熱伝導率の測定には必ずしも適さないからである。例えば、１００μｍ以下の膜厚を有する試料が熱的平衡状態になるまでの時間は短いので、レーザーフラッシュ法を用いて薄い試料の熱伝導率を高精度で測定することは容易ではない。下記の表１は、硬質皮膜１１を構成する材料の熱伝導率を示している。表中の熱伝導率は、ホットディスク法によって測定された値である。表１中に示す皮膜Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤは、熱伝導率が異なる４つの（Ｃｒ_２Ｎ＋Ｃｒ）系硬質皮膜である。（Ｃｒ_２Ｎ＋Ｃｒ）系硬質皮膜とは、Ｃｒ_２Ｎ相とＣｒ相とが混合した組織を有するイオンプレーティング皮膜である。（Ｃｒ_２Ｎ＋Ｃｒ）系硬質皮膜中の窒素の含有量の調整により、熱伝導率が制御される。例えば、窒素の含有量の増加に伴い、上記硬質皮膜中の熱伝導率が低下する傾向がある。

【0040】

【表1】

【0041】

第一方向Ｄ１における本体部２の幅（厚さ）ｈ_１は、特に限定されない。例えば、ｈ_１は、０．７７ｍｍ以上であればよく、１．０ｍｍ以下、１．１７ｍｍ以下、１．５ｍｍ以下、１．７５ｍｍ以下、又は２．０ｍｍ以下であってよい。

【0042】

硬質皮膜１１の幅Ｗは、本体部２の幅ｈ_１以下であればよい。外周面２ｄにおける端部１２は硬質皮膜１１にて覆われていないので、硬質皮膜１１の幅Ｗは本体部２の幅ｈ_１未満である。端部１２の第一方向Ｄ１における長さｈ_２は、本体部２の幅ｈ_１から硬質皮膜１１の幅Ｗを引いた値（ｈ_１−Ｗ）である。換言すると、硬質皮膜１１の幅Ｗは、（ｈ_１−ｈ_２）である。長さｈ_２は、例えば０．１ｍｍ以上、又は０．２ｍｍ以上であってよい。また、端部１２の長さｈ_２は、例えば０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、又は０．２５ｍｍ以下であってよい。端部１２の長さｈ_２が０．１ｍｍ未満である場合、ピストンリング１を介してピストンからボア内周面へ熱が伝導し難くなる。端部１２の長さｈ_２が０．４ｍｍより大きい場合、本体部２の外周面の摩耗量が多くなり易い。

【0043】

硬質皮膜１１の厚さＬは、例えば硬質皮膜１１の最大厚さ又は硬質皮膜１１の平均厚さであってよい。本実施形態では、硬質皮膜１１の厚さＬは最大厚さである。硬質皮膜１１の厚さＬは、例えば０．００３ｍｍ（３μｍ）以上、０．００５ｍｍ（５μｍ）以上、０．０１ｍｍ（１０μｍ）以上、又は０．０２ｍｍ（２０μｍ）以上であってよい。また、硬質皮膜１１の厚さＬは、例えば０．０７ｍｍ（７０μｍ）以下、０．０６５ｍｍ（６５μｍ）以下、０．０６ｍｍ（６０μｍ）以下、０．０５５ｍｍ（５５μｍ）以下、０．０５ｍｍ（５０μｍ）以下、０．０４ｍｍ（４０μｍ）以下、又は０．０３ｍｍ（３０μｍ）以下であってよい。硬質皮膜１１の厚さＬは、例えば３μｍ以上３０μｍ以下、３μｍ以上２０μｍ以下、５μｍ以上３０μｍ以下、５μｍ以上２０μｍ以下、１０μｍ以上３０μｍ以下、又は２０μｍ以上３０μｍ以下であってよい。硬質皮膜１１の厚さＬが３μｍ未満である場合、本体部２の外周面２ｄが磨滅し易い。硬質皮膜１１の厚さＬが７０μｍより大きい場合、ピストンリング１を介してピストンからボア内周面へ熱が伝導し難くなる。硬質皮膜１１の厚さＬは３０μｍ以下である場合、硬質皮膜１１の剥離が抑制され易い。硬質皮膜１１の厚さＬが３０μｍより大きい場合、硬質皮膜１１中の残留応力（圧縮残留応力）が高くなり易く、硬質皮膜１１が本体部２から剥離し易い。特に、硬質皮膜１１がイオンプレーティング法により外周面２ｄ上に形成される場合、硬質皮膜１１中の残留応力が高くなり易く、硬質皮膜１１が本体部２から剥離し易い。なお、硬質皮膜１１の残留応力は、以下のように、Ｘ線回折法により測定される。まず、硬質皮膜１１のＸ線回折スペクトルの高角度側におけるピークシフト（回折角２θの変化）に基づいて、硬質皮膜１１の格子面間隔の変化量を測定する。格子面間隔の変化量に基づいて硬質皮膜１１の残留応力が算出される。

【0044】

図２に示すように、硬質皮膜１１の表面における頂点部１１ａは、第二方向Ｄ２に沿った本体部２の中心線Ａ上に位置する。硬質皮膜１１の表面上の第１点１１ｂは、第一方向Ｄ１における頂点部１１ａからの距離が０．３ｍｍであり、かつ側面２ａ側に位置する。硬質皮膜１１の表面上の第２点１１ｃは、第一方向Ｄ１における頂点部１１ａからの距離が０．３ｍｍであり、かつ側面２ｂ側に位置する。第１点１１ｂ及び第２点１１ｃは、頂点部１１ａを中心とする同心円上に位置してよい。頂点部１１ａから、当該頂点部１１ａから０．３ｍｍ離れた位置までの領域における硬質皮膜１１の厚さＴは、３μｍ以上１０μｍ以下であってよい。換言すれば、頂点部１１ａから第１点１１ｂ又は第２点１１ｃまでにおける、硬質皮膜１１の厚さＴは、３μｍ以上１０μｍ以下であってよい。硬質皮膜１１の厚さＴが３μｍ未満である場合、外周面２ｄが磨滅し易い。硬質皮膜１１の厚さＴが１０μｍより大きい場合、ピストンリング１を介したピストンからボア内周面への熱伝導が抑制され易い。

【0045】

外周面２ｄにおいてシリンダのボア内周面に接する部分の幅（第一方向Ｄ１における摺動面幅）は、０．１５ｍｍ以下であってよい。この場合、所定の面圧に対する外周面２ｄの張力を低く設定することができ、外周面２ｄのフリクションを低減することが可能となる。

【0046】

本体部２は、例えば、鋳鉄又は鋼材から形成されている。鋳鉄又は鋼材から形成された本体部２は、十分な強度、耐熱性、及び弾性を有する。鋼材とは、鉄を主成分として含有する合金材と言い換えられる。合金材は、例えばＳＷＯＳＣ−Ｖ材、ＳＵＳ−４４０Ｂ、ＳＵＰ−１２又はＳＷＲＨ６２Ａ等であってよい。本体部２は、例えば、０．４５質量％以上１．１０質量％以下の炭素（Ｃ）と、０．１５質量％以上１．６０質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．３０質量％以上１．１５質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、を含んでよい。これらの元素の含有率が上記範囲内にあることにより、本体部２の熱伝導性が向上し易い。

【0047】

本体部２は、０質量％超１．６０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０質量％超０．２５質量％以下のバナジウム（Ｖ）と、０質量％超０．３５質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）と、０質量％超０．０１質量％以下のホウ素（Ｂ）と、のうち少なくとも一つの元素を含んでもよい。この場合、本体部２の耐摩耗性又は靱性等が向上し易い。加えて、本体部２は、０．００２質量％以上０．０１質量％未満のリンを含んでもよい。この場合、本体部２に化成処理を施した際にリン化合物（例えばＦｅ_３Ｐ等）が偏析し難くなり、本体部２の表面粗さを抑制できる。化成処理とは、調製した酸性の化成処理液に被処理材（本体部２用の鋳鉄又は鋼材）を浸漬し、被処理材表面での化学反応により、被処理材の表面に固着性のある不溶性の生成物を析出させる処理のことである。化成処理の具体例は、化学的方法により、本体部２の一対の側面２ａ，２ｂをリン酸塩で被覆する処理（リン酸塩処理）である。

【0048】

硬質皮膜１１は、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）法によって形成されてよく、ＰＶＤ法の一種であるイオンプレーティング法によって形成されてよい。例えば、硬質皮膜１１は、チタン（Ｔｉ）及びクロムの少なくとも一方と、炭素、窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）の少なくとも一種とから形成されるイオンプレーティング膜であってよい。このようなイオンプレーティング膜は、例えば、窒化クロム膜（Ｃｒ−Ｎ膜）、窒化チタン膜（Ｔｉ−Ｎ膜）、炭窒化クロム膜（Ｃｒ−Ｃ−Ｎ膜）、炭窒化チタン膜（Ｔｉ−Ｃ−Ｎ膜）、又は酸化窒化クロム膜（Ｃｒ−Ｏ−Ｎ膜）であってよい。この中でも、窒化クロム膜は、耐摩耗性及び耐スカッフ性において比較的優れている。硬質皮膜１１が、ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）であってもよい。硬質皮膜１１は、積層構造を有してもよい。すなわち、硬質皮膜１１は、窒化クロム膜、窒化チタン膜、炭窒化クロム膜、炭窒化チタン膜、酸化窒化クロム膜、及びダイヤモンドライクカーボン膜からなる群より選ばれる少なくとも一つの膜を含んでもよく、これらのうち二つ以上の膜から構成される積層体であってもよい。

【0049】

本体部２の表面（側面２ａ、側面２ｂ、外周面２ｄ又は内周面２ｃのうち少なくともいずれかの面）には、窒化層が設けられてもよい。窒化層の厚さは、１０μｍ以上３０μｍ以下程度であってよい。上記窒化層の表面のビッカース硬度は、６００［ＨＶ０．０５］以上１３００［ＨＶ０．０５］以下であってよい。窒化層は、例えばクロムの窒化物を含む層であってよい。窒化層は、本体部２の主成分である鉄の窒化により形成された層（鉄の窒化物を含む層）であってよい。窒化層は、例えば本体部２の表面改質によって形成される。上記のような窒化層が例えば側面２ａ，２ｂに形成されていることにより、ピストンのリング溝に対する本体部２の耐摩耗性が向上し易い。

【0050】

ピストンリング１の硬質皮膜１１及び端部１２は、例えば、以下の方法により形成されてよい。

【0051】

本体部２の外周部分に、バレルフェイス形状とインレイド突起部とを予め形成する。バレルフェイス形状とは、バレルフェイス加工が施された部分を意味する。インレイド突起部は、後に外周面２ｄの端部１２になる。バレルフェイス形状とインレイド突起部との段差（谷部の深さ）が、後に形成される硬質皮膜１１の厚さを決定する。このような本体部２の外周部分の加工方法としては、切削、研削、ラッピング、又は研磨などの公知の技術を適時選択してよい。バレルフェイス形状とインレイド突起部とを形成した後、硬質皮膜１１を、本体部２においてバレルフェイス加工が施された部分に形成する。硬質皮膜１１は、例えばＰＶＤ法によって形成される。硬質皮膜１１の形成後、インレイド突起部を除去し、さらに硬質皮膜１１（外周面２ｄ）のバレルフェイス仕上げを行う。これらの加工により、硬質皮膜１１（外周面２ｄ）が湾曲形状（略凸面状）に成形され、端部１２も形成される。インレイド突起部の除去及びバレルフェイス仕上げの方法としては、ラッピング又は研磨などの公知の技術を適時選択してよい。以上の工程により、図２に示すような硬質皮膜１１及び端部１２が形成される。上記一連の加工において、本体部２及び硬質皮膜１１に係る各寸法を自在に制御することができる。

【0052】

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、外周面２ｄが、本体部２の側面２ａ，２ｂに対して垂直である平坦面であってよい。つまり、本発明に係るピストンリングは、ストレートフェイス形状を有してよい。外周面２ｄが、本体部２の側面２ａ，２ｂに対して傾斜する平坦面であってよい。つまり、本発明に係るピストンリングが、テーパフェイス形状を有してよい。外周面２ｄの全体が硬質皮膜１１で覆われていてもよい。つまり、本発明に係るピストンリングは、フルフェイス型であってもよい。この場合、硬質皮膜１１の幅Ｗと本体部２の幅ｈ_１とが互いに等しく、端部１２の幅Ｒはゼロである。

【実施例】

【0053】

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

【0054】

（実施例１〜５）
以下の手順で、実施例１〜５の各ピストンリングを作製した。表２に示す事項を除いて、実施例１〜５の各ピストンリングの作製方法及び仕様は同様であった。

【0055】

バレルフェイス部及び突起部が外周面に位置するピストンリング状の本体部２を形成した。線材はＳＷＯＳＣ−Ｗ相当材を用いた。本体部２の呼称径は約８７ｍｍに調整した。本体部２の径方向（第一方向Ｄ１）における厚さは約２．５ｍｍであった。本体部２の幅ｈ_１は約１．２ｍｍであった。

【0056】

イオンプレーティング法により、硬質皮膜１１を本体部２の外周面に形成した。各実施例で形成された硬質皮膜１１の組成は下記表２に示すものだった。硬質皮膜１１の形成後、外周面に対して突起部を除去した。突起部の除去後、外周面にバレルフェイス仕上げを施すことにより、外周面２ｄに硬質皮膜１１及び端部１２を有するセミインレイド型のピストンリング１を形成した。

【0057】

以上の各ピストンリングの作製では、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の厚さＬ、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び端部１２の長さｈ_２を、下記表２に示す値に調整した。各ピストンリングの寸法から算出した（Ｌ・ｈ_１）／Ｗを、下記表２に示す。

【0058】

なお、硬質皮膜１１の厚さＬは、次の方法により測定した。まず、側面２ａ及び２ｂに垂直なピストンリング１の断面を鏡面状に研磨した。研磨された断面の写真を光学顕微鏡により撮影した。この写真に基づき、硬質皮膜１１の最大厚さＬを測定した。

【0059】

（実施例６〜１０）
実施例６〜１０の各ピストンリングの作製では、線材の断面における短辺の長さを約１．５ｍｍに調整した。各実施例の硬質皮膜１１の組成は下記表３に示すものだった。これらの点を除いて、実施例１〜５と同様の手順で実施例６〜１０の各ピストンリングを作製した。各ピストンリングの作製では、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の厚さＬ、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び端部１２の長さｈ_２を、下記表３に示す値に調整した。各ピストンリングの寸法から算出した（Ｌ・ｈ_１）／Ｗを、下記表３に示す。

【0060】

（実施例１１〜１５）
実施例１１〜１５の各ピストンリングの作製では、線材の断面における短辺の長さを約１．７５ｍｍに調整した。各実施例の硬質皮膜１１の組成は下記表４に示すものだった。これらの点を除いて、実施例１〜５と同様の手順で実施例１１〜１５の各ピストンリングを作製した。各ピストンリングの作製では、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の厚さＬ、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び端部１２の長さｈ_２を、下記表４に示す値に調整した。各ピストンリングの寸法から算出した（Ｌ・ｈ_１）／Ｗを、下記表４に示す。

【0061】

（実施例１６〜２０）
実施例１６〜２０の各ピストンリングの作製では、線材の断面における短辺の長さを約２．０ｍｍに調整した。各実施例の硬質皮膜１１の組成は下記表５に示すものだった。これらの点を除いて、実施例１〜５と同様の手順で実施例１６〜２０の各ピストンリングを作製した。各ピストンリングの作製では、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の厚さＬ、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び端部１２の長さｈ_２を、下記表５に示す値に調整した。各ピストンリングの寸法から算出した（Ｌ・ｈ_１）／Ｗを、下記表５に示す。

【0062】

（実施例２１〜２５）
実施例２１〜２５の各ピストンリングの作製では、線材の断面における短辺の長さを約０．８ｍｍに調整した。各実施例の硬質皮膜１１の組成は下記表６に示すものだった。これらの点を除いて、実施例１〜５と同様の手順で実施例２１〜２５の各ピストンリングを作製した。各ピストンリングの作製では、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の厚さＬ、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び端部１２の長さｈ_２を、下記表６に示す値に調整した。各ピストンリングの寸法から算出した（Ｌ・ｈ_１）／Ｗを、下記表６に示す。

【0063】

（実施例２６〜３０）
実施例２６〜３０の各ピストンリングの作製では、線材の断面における短辺の長さを約１．０ｍｍに調整した。各実施例の硬質皮膜１１の組成は下記表７に示すものだった。これらの点を除いて、実施例１〜５と同様の手順で実施例２６〜３０の各ピストンリングを作製した。各ピストンリングの作製では、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の厚さＬ、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び端部１２の長さｈ_２を、下記表７に示す値に調整した。各ピストンリングの寸法から算出した（Ｌ・ｈ_１）／Ｗを、下記表７に示す。

【0064】

（比較例１〜８）
線材の寸法及び硬質皮膜１１の組成が異なること以外は、上記実施例と同様の手順で比較例１〜８の各ピストンリングを作製した。各比較例の硬質皮膜１１の組成は下記表８に示すものだった。各ピストンリングの作製では、本体部２の幅ｈ_１、硬質皮膜１１の厚さＬ、硬質皮膜１１の幅Ｗ、及び端部１２の長さｈ_２を、下記表８に示す値に調整した。各ピストンリングの寸法から算出した（Ｌ・ｈ_１）／Ｗを、下記表８に示す。比較例１，２，５及び６の（Ｌ・ｈ_１）／Ｗはいずれも０．００３未満であった。比較例３，４，７及び８の（Ｌ・ｈ_１）／Ｗはいずれも０．１５１より大きかった。

【0065】

［熱伝導率の評価］
実施例１の硬質皮膜の熱伝導率σを、以下のホットディスク法によって求めた。

【0066】

熱伝導率の測定装置として、京都電子工業（株）製ホットディスク熱物性装置ＴＰＡ−５０１を用いた。試料として、熱伝導率が既知である基板の両面に、厚さが５０μｍである硬質皮膜を形成した。このような試料を２枚準備した。基板としては、ＳＵＳ３０４材からなる基板を用いた。基板の寸法は４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．２ｍｍであった。硬質皮膜は、実施例１のピストンリングの作製時と同じ条件下で、イオンプレーティング法により形成した。次に、厚さ０．０６ｍｍのセンサを２枚の試料で挟み込んだ。センサとしては、ポリイミドで被覆され、且つ二重スパイラル構造（二重らせん構造）を有するニッケル線を用いた。センサに対して一定値の電流を所定時間流すことにより試料を発熱させた。これにより、センサの温度上昇（温度変化）から電気抵抗の変化を導出し、硬質皮膜の熱伝導率σを算出した。以上のホットディスク法では試料の面内方向の熱伝導率を計測している。したがって、基板の厚さと硬質皮膜の厚さとの比率に基づき、基板の熱伝導率を、計測された熱伝導率から差し引くことにより、硬質皮膜自体の熱伝導率σが算出される。このような硬質皮膜の熱伝導率σの計算には、解析用ソフトウェアである「ＴＰＡ−ＳＬＡＢ高熱伝導率薄板状試料測定（京都電子工業（株）製）」を用いた。

【0067】

実施例１と同様の方法で、他の実施例及び各比較例の硬質皮膜の熱伝導率σも求めた。各実施例及び各比較例の硬質皮膜の熱伝導率σを下記表２〜８に示す。ホットディスク法によって求めた熱伝導率σに基づき算出された各実施例及び各比較例の（Ｌ・ｈ_１・σ）／Ｗを下記表２〜８に示す。

【0068】

［耐剥離性の評価］
各実施例及び各比較例のピストンリングを用いて、以下のツイスト試験を行った。ツイスト試験は、ピストンリングの耐剥離性（本体部及び硬質皮膜の密着性）を評価することを目的とする。図３（ａ）に示されるように、ツイスト試験では、合口部３側に位置する先端３Ａ，３Ｂ同士を、軸方向に沿って反対方向に離す。その結果、ピストンリング１における本体部２と硬質皮膜１１（図２を参照）とに剪断応力が加えられ、本体部２の合口部３の反対部分４には、捻り力が加えられる。そして先端３Ａ，３Ｂ間の距離を増加させ、図３（ｂ）に示されるように、本体部２から硬質皮膜１１が剥離した時の先端３Ａ，３Ｂ同士がなす角度（ツイスト角度α）を測定した。ツイスト角度αは、０°以上１８０°以下である。ツイスト角度αが大きいほど、ピストンリングが耐剥離性に優れている。換言すれば、ツイスト角度αが大きいほど、硬質皮膜１１が本体部に強く密着している。各実施例及び各比較例のツイスト角度αを、下記表２〜８に示す。各表中の１８０°は、本体部２から硬質皮膜１１が剥離しなかったことを意味する。

【0069】

［耐摩耗性の評価］
各実施例及び各比較例のピストンリングを、ボア径８７ｍｍ、４気筒の水冷過給機付きディーゼルエンジンのピストンに、トップリングとして装着した。ピストンに組み付けた２ＮＤリング及びオイルコントロールリングは、互いに同じ仕様であった。次に、燃料として軽油を用いて、５２００ｒｐｍ（ｒｏｔａｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）、全負荷条件にてディーゼルエンジンを１０時間運転した。運転後、トップリングの外周面（つまり摺動面）の摩耗量（摩滅した外周面の厚さ）を測定した。各実施例及び各比較例の磨耗量を下記表２〜８に示す。ただし、下記表２〜８に示す摩耗量は、各実施例及び各比較例の磨耗量を、比較例１の摩耗量で除することによって求めた相対値（比率）である。

【0070】

【表2】

【0071】

【表3】

【0072】

【表4】

【0073】

【表5】

【0074】

【表6】

【0075】

【表7】

【0076】

【表8】

【0077】

上記ツイスト試験の結果、全実施例のツイスト角度αは１６０°以上であった。一方、比較例３，４，７，８のツイスト角度αは１５０°以下であった。このようなツイスト角度αの違い（耐剥離性の違い）は、比較例３，４，７，８其々の（Ｌ・ｈ_１）／Ｗが０．１５１を超えていることに起因している、と考えられる。また、実施例１〜４，６〜９，１１〜１４，１６〜１９及び２１〜３０のツイスト角度αは１８０°であった。すなわち、実施例１〜４，６〜９，１１〜１４，１６〜１９及び２１〜３０では、硬質皮膜が本体部から剥離しなかった。これらの実施例の優れた耐剥離性は、実施例１〜４，６〜９，１１〜１４，１６〜１９及び２１〜３０其々の（Ｌ・ｈ_１）／Ｗが０．００３以上０．０８８以下であることに起因している、と考えられる。また、実施例１〜４，６〜９，１１〜１４，１６〜１９及び２１〜３０其々の優れた剥離性は、其々の硬質皮膜の厚さＬが、３μｍ以上３０μｍ以下であることにも起因している、と考えられる。

【0078】

上記摩耗試験の結果、全ての実施例１〜３０の耐摩耗性は全ての比較例の耐摩耗性よりも優れていることが確認された。これは、実施例１〜３０其々の（Ｌ・ｈ_１）／Ｗが０．００３以上０．１５１以下であったことに起因している、と考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0079】

本発明に係るピストンリングは、例えば、自動車用エンジンのトップリングとして好適である。

【符号の説明】

【0080】

１…ピストンリング、２…本体部、２ａ，２ｂ…側面、２ｃ…内周面、２ｄ…外周面、３…合口部、３Ａ，３Ｂ…先端、１１…硬質皮膜、Ｄ１…第一方向、Ｄ２…第二方向、ｈ_１…本体部の幅、Ｌ…硬質皮膜の厚さ、Ｗ…硬質皮膜の幅。

【図1】

【図2】

【図3】