CN107407413B

CN107407413B - 活塞环

Info

Publication number: CN107407413B
Application number: CN201680014581.1A
Authority: CN
Inventors: 佐藤大介; 加村修一
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: WO2016143464A1; EP3273113A4; US10295058B2; EP3273113B1; JP2016169798A; US20180080556A1; JP6496578B2; EP3273113A1; CN107407413A

Abstract

提供一种耐剥离性、耐磨损性及导热性优异的活塞环。活塞环(1)具备：环状的主体部(2)，具有一对侧面(2a、2b)、外周面(2d)及内周面(2c)；及硬质皮膜(11)，设于外周面(2d)。设与一对侧面(2a、2b)垂直的第一方向(D1)上的主体部(2)的宽度为h₁mm，设第一方向(D1)上的硬质皮膜(11)的宽度为Wmm，设与外周面(2d)垂直的第二方向(D2)上的硬质皮膜(11)的厚度为Lmm时，满足下式(1)：0.003≤(L·h₁)/W≤0.151(1)。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及活塞环。

背景技术

内燃机使用的活塞环设置于在活塞的侧面形成的环槽内。活塞环的外周面与缸膛的内壁进行滑动接触。例如专利文献1～5记载了外周面的一部分或全部由硬质皮膜覆盖的活塞环。专利文献6记载了具备通过离子镀法形成的氮化钛膜作为硬质皮膜的活塞环。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2011/064888号

专利文献2：日本特开2009-287730号公报

专利文献3：日本实开昭59-172253号公报

专利文献4：日本实开昭59-117862号公报

专利文献5：日本实开昭54-118958号公报

专利文献6：日本特开2013-029190号公报

发明内容

发明的概要

发明要解决的课题

通常，硬质皮膜的硬度比活塞环的主体部的硬度高。这是因为，硬质皮膜的硬度越高，则活塞环的耐磨损性越提高的缘故。然而，硬质皮膜的硬度越高，则硬质皮膜的韧性越低于活塞环的主体部的韧性。因此，硬质皮膜的硬度越高且硬质皮膜的厚度越大，则硬质皮膜的残留应力越大，硬质皮膜越容易从活塞环剥离。另一方面，硬质皮膜的厚度越小，则硬质皮膜及活塞环越容易磨损。因此，活塞环要求硬质皮膜的耐剥离性及耐磨损性。而且，为了提高发动机的燃料利用率，也要求活塞环的高导热性。

本发明可以在于提供一种耐剥离性、耐磨损性及导热性优异的活塞环。

用于解决课题的方案

本发明的一方案的活塞环具备：环状的主体部，具有一对侧面、外周面及内周面；及硬质皮膜，设于外周面，在设与一对侧面垂直的第一方向上的主体部的宽度为h₁mm，设第一方向上的硬质皮膜的宽度为Wmm，设与外周面垂直的第二方向上的硬质皮膜的厚度为Lmm时，满足下式(1)。

0.003≤(L·h₁)/W≤0.151 (1)

本发明的一方案的活塞环可以是，在设硬质皮膜的导热率为σW/m·K时，满足下式(2)。

0.030≤(L·h₁·σ)/W≤6.360 (2)

本发明的一方案的活塞环可以满足下式(3)。

0.003≤(L·h₁)/W≤0.088 (3)

本发明的一方案的活塞环可以是，在设硬质皮膜的导热率为σW/m·K时，满足下式(4)。

0.030≤(L·h₁·σ)/W≤4.440 (4)

在本发明的一方案的活塞环中，可以是，主体部包含0.45质量％以上且1.10质量％以下的碳、0.15质量％以上且1.60质量％以下的硅、和0.30质量％以上且1.15质量％以下的锰。

在本发明的一方案的活塞环中，可以是，主体部包含1.60质量％以下的铬、0.25质量％以下的钒、0.35质量％以下的钼和0.01质量％以下的硼中的至少一种。

在本发明的一方案的活塞环中，可以是，主体部包含0.002质量％以上且小于0.01质量％的磷。

在本发明的一方案的活塞环中，可以是，硬质皮膜包含从由氮化铬膜、氮化钛膜、碳氮化铬膜、碳氮化钛膜、氮氧化铬膜及类金刚石碳膜构成的组中选择的至少一种膜。

在本发明的一方案的活塞环中，硬质皮膜的导热率σ可以为5W/m·K以上。

在本发明的一方案的活塞环中，硬质皮膜的厚度L可以为3μm以上且30μm以下。

本发明的一方案的活塞环可以是，具备设置在主体部的一对侧面中的至少一个侧面、或者设置在外周面或内周面的氮化层，氮化层的表面的维氏硬度为600[HV0.05]以上且1300[HV0.05]以下。

在本发明的一方案的活塞环中，可以是，第二方向上的从硬质皮膜的顶点部至从顶点部离开0.3mm的位置为止的区域中的硬质皮膜的厚度为3μm以上且10μm以下。

在本发明的一方案的活塞环中，可以是，在外周面的端部处，主体部露出。

在本发明的一方案的活塞环中，可以是，在与一对侧面垂直的主体部的剖面中，外周面的端部的宽度为0.3mm以下。

发明效果

根据本发明的活塞环，能够提供一种耐剥离性、耐磨损性及导热性优异的活塞环。

附图说明

图1是本实施方式的活塞环的立体图。

图2示意性地示出图1的活塞环的II-II线处的剖面(周向上的剖面)的一部分。

图3中的(a)(图3(a))是扭转试验中的活塞环的立体图。图3中的(b)(图3(b))是扭转试验中的活塞环的侧视图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的一实施方式的活塞环(压缩环)。但是，本发明没有限定为以下的实施方式。

图1所示的本实施方式的活塞环1设置于在内燃机(例如，机动车的发动机)的活塞的外周面形成的环槽内。活塞环1通过其外周面2d相对于缸膛内周面进行滑动，而发挥抑制缸内壁的油从曲轴室侧进入燃烧室侧的情况(油上升)的功能(油控制功能)。而且，活塞环1通过其外周面2d相对于缸膛内周面滑动而发挥抑制窜气的功能(气封功能)。此外，活塞环1通过其外周面2d相对于缸膛内周面进行滑动而发挥使活塞的热量向缸内壁传导的功能(导热功能)。

活塞环1具备环状的主体部2。在主体部2形成有接缝部3。即，“环状”未必是指闭合的圆。主体部2可以为正圆状，也可以为椭圆状。主体部2具有一对侧面2a、2b、内周面2c及外周面2d。周向上的活塞环1的剖面的形状为大致长方形。构成长方形状的剖面的一对长边属于侧面2a、2b。构成长方形状的剖面的一对短边属于内周面2c及外周面2d。

接缝部3通过将主体部2的一部分截断而形成。当以活塞环1与缸之间的温度差为起因而主体部2发生热膨胀时，接缝部3变窄。即，接缝部3抑制由热膨胀引起的主体部2的变形或应变。在本实施方式中，例示出接缝端面3a与内周面2c及外周面2d垂直地形成的直角接缝。但是，接缝部3也可以是接缝端面3a相对于内周面2c及外周面2d倾斜形成的倾斜接缝。而且，接缝部3可以是一个接缝端面3a的侧面2a侧和另一个接缝端面3a的侧面2b侧相互突出的台阶接缝。

以下，详细说明主体部2的外周面2d。图2是与一对侧面2a、2b垂直的活塞环1的剖面。以下，将与侧面2a或侧面2b垂直的方向(主体部2的轴向)记为第一方向D1。以下，将与内周面2c或外周面2d垂直的方向(主体部2的径向)记为第二方向D2。

外周面2d是活塞环1安装于活塞的环槽时相对于缸的缸膛内周面进行滑动的滑动面。如图2所示，外周面2d具有沿着第二方向D2向外侧突出的平缓的弯曲形状(桶面形状)。具有桶面形状的外周面2d在沿着第二方向D2的主体部2的中心线A附近最向外侧突出。

如图2所示，硬质皮膜11形成于外周面2d的表面。硬质皮膜11的硬度比主体部2的硬度高。通过硬质皮膜11，活塞环1的耐磨损性及耐划伤性提高。

活塞环1是所谓半镶嵌型的活塞环。半镶嵌型的活塞环1的主体部2仅在外周面2d中的侧面2b侧的端部12处露出。外周面2d中的除了端部12之外的整个区域由硬质皮膜11覆盖。外周面2d的端部12的宽度R可以为0.3mm以下。宽度R越小，则活塞环1的侧面2b侧的倒角部分越减小，从接缝部3越难以泄漏燃烧气体。需要说明的是，端部12的宽度R可以改称为在外周面2d处露出的主体部2的宽度。

如图2所示，第一方向D1上的主体部2的宽度表示为h₁mm。第一方向D1上的硬质皮膜11的宽度表示为Wmm。第二方向D2上的硬质皮膜11的厚度表示为Lmm。本实施方式的活塞环1满足下式(1)。即，主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的宽度W、及硬质皮膜11的厚度L满足下式(1)。

0.003≤(L·h₁)/W≤0.151 (1)

(L·h₁)/W的单位也为mm。通过满足上式(1)而发挥的效果如以下所述。

当具备装配了活塞环1的活塞的发动机进行驱动时，在燃烧室内产生的热量首先从活塞经由环槽的壁面向活塞环1的侧面2a、2b或内周面2c传递。传递到活塞环1的热量经由将外周面2d的一部分覆盖的硬质皮膜11向缸膛内周面传递，并从外周面2d的露出的端部12经由油向缸膛内周面传递。在此，硬质皮膜11的导热率σ比主体部2的导热率低，因此从端部12(露出的主体部2)经由油向缸膛内周面的导热占主导。这种情况下，从活塞环1向缸膛内周面的导热受到端部12的长度h₂的较大影响。换言之，从活塞环1向缸膛内周面的导热受到主体部2的宽度h₁与硬质皮膜11的宽度W的比率h₁/W的较大影响。因此，端部12的长度h₂(或h₁/W)越大，则活塞环1的导热性越提高。然而，端部12的长度h₂(或h₁/W)越大，则端部12(露出的主体部2)越宽，主体部2自身越容易磨损。因此，如果h₁/W收敛于适当的范围，则导热性及耐磨损性容易提高。

另一方面，硬质皮膜11的厚度L越大，则活塞环1的耐磨损性越提高。然而，硬质皮膜11的厚度L越大，则该硬质皮膜11的残留应力越升高，硬质皮膜11越容易从主体部2剥离。而且，硬质皮膜11的厚度L越大，则从活塞环1经由硬质皮膜11向缸膛内周面的导热越容易受到阻碍。因此，如果L收敛于适当的范围，则导热性、耐磨损性及耐剥离性容易提高。

在本实施方式中，比率(W/h₁)及硬质皮膜11的厚度L满足上式(1)，因此活塞环1的耐磨损性及导热性提高，并能抑制硬质皮膜11的剥离。

通常，发动机的燃烧室的温度越高，则爆震越容易发生。然而，将实施方式的活塞环1装配于发动机的活塞时，热量从活塞向缸膛内周面容易传导，活塞的温度及发动机的燃烧室的温度容易下降。因此，在具备本实施方式的活塞环1的发动机中，能抑制燃烧室的温度的过度上升，也能抑制爆震。由于能抑制爆震，因此能够实现高负载作用于活塞那样的发动机的规格。即，在具备本实施方式的活塞环1的发动机中，能够提高压缩比，或者使火花塞的点火时期提前。因此，在具备本实施方式的活塞环1的发动机中，燃料利用率提高。

(L·h₁)/W可以为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以上或0.0222以上。而且(L·h₁)/W可以为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以下或0.0248以下。

在硬质皮膜11的导热率表示为σW/m·K时，可以满足下式(2)。在满足下式(2)时，活塞环1的耐磨损性、耐剥离性及导热性容易提高。出于同样的理由，可以满足下式(3)或下式(4)。在满足下式(3)或下式(4)时，尤其是容易抑制硬质皮膜11的剥离。需要说明的是，(L·h₁·σ)/W的单位为mm×mm×(W/m·K)÷mm，即，W·10^-3/K。

0.030≤(L·h₁·σ)/W≤6.360 (2)

0.003≤(L·h₁)/W≤0.088 (3)

0.030≤(L·h₁·σ)/W≤4.440 (4)

硬质皮膜11的导热率σ(或者构成硬质皮膜11的材料自身的导热率)可以为例如5W/m·K以上。硬质皮膜11的导热率σ越高，则活塞环1的导热功能也越提高。硬质皮膜11的导热率σ越高，则热量越容易从主体部2经由硬质皮膜11向缸膛内周面传导。因此，硬质皮膜11的导热率σ可以为10W/m·K以上、25W/m·K以上、38W/m·K以上、50W/m·K以上或80W/m·K以上。硬质皮膜11的导热率σ可以为10W/m·K以下、25W/m·K以下、38W/m·K以下、50W/m·K以下或80W/m·K以下。主体部2的导热率只要高于硬质皮膜11的导热率σ即可，没有特别限定。硬质皮膜11的导热率σ通过硬质皮膜11的组成的调整或选定而能自由控制。主体部2的导热率通过主体部2用的材料(线材)的组成的调整或选定而能自由控制。

硬质皮膜11的导热率σ通过例如激光闪光法或热盘(Hot Disk)法来测定。在本实施方式中，相比激光闪光法而优选热盘法。这是因为，激光闪光法多使用于大块状材料的导热率的测定，对于硬质皮膜那样薄的试样的导热率的测定未必适合。例如，由于具有100μm以下的膜厚的试样成为热平衡状态为止的时间短，因此使用激光闪光法不容易高精度地测定薄试样的导热率。下述的表1示出构成硬质皮膜11的材料的导热率。表中的导热率是通过热盘法测定的值。表1中所示的皮膜A、B、C及D是导热率不同的4个(Cr₂N+Cr)系硬质皮膜。(Cr₂N+Cr)系硬质皮膜是指具有Cr₂N相与Cr相混合的组织的离子镀皮膜。通过(Cr₂N+Cr)系硬质皮膜中的氮的含有量的调整，来控制导热率。例如，伴随着氮的含有量的增加而上述硬质皮膜中的导热率存在下降的倾向。

[表1]

第一方向D1上的主体部2的宽度(厚度)h₁没有特别限定。例如，h₁只要为0.77mm以上即可，可以为1.0mm以下、1.17mm以下、1.5mm以下、1.75mm以下或2.0mm以下。

硬质皮膜11的宽度W只要为主体部2的宽度h₁以下即可。外周面2d的端部12未由硬质皮膜11覆盖，因此硬质皮膜11的宽度W小于主体部2的宽度h₁。端部12的第一方向D1上的长度h₂是从主体部2的宽度h₁减去硬质皮膜11的宽度W的值(h₁-W)。换言之，硬质皮膜11的宽度W为(h₁-h₂)。长度h₂可以为例如0.1mm以上或0.2mm以上。而且，端部12的长度h₂可以为例如0.4mm以下、0.3mm以下或0.25mm以下。在端部12的长度h₂小于0.1mm时，从活塞经由活塞环1向缸膛内周面难以传导热量。在端部12的长度h₂大于0.4mm时，主体部2的外周面的磨损量容易增多。

硬质皮膜11的厚度L可以是例如硬质皮膜11的最大厚度或硬质皮膜11的平均厚度。在本实施方式中，硬质皮膜11的厚度L是最大厚度。硬质皮膜11的厚度L可以为例如0.003mm(3μm)以上、0.005mm(5μm)以上、0.01mm(10μm)以上或0.02mm(20μm)以上。而且，硬质皮膜11的厚度L可以为例如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)以下或0.03mm(30μm)以下。硬质皮膜11的厚度L可以为例如3μm以上且30μm以下、3μm以上且20μm以下、5μm以上且30μm以下、5μm以上且20μm以下、10μm以上且30μm以下、或者20μm以上且30μm以下。硬质皮膜11的厚度L小于3μm时，主体部2的外周面2d容易磨损。硬质皮膜11的厚度L大于70μm时，热量难以从活塞经由活塞环1向缸膛内周面传导。在硬质皮膜11的厚度L为30μm以下时，容易抑制硬质皮膜11的剥离。在硬质皮膜11的厚度L大于30μm时，硬质皮膜11中的残留应力(压缩残留应力)容易升高，硬质皮膜11从主体部2容易剥离。尤其是硬质皮膜11通过离子镀法形成在外周面2d上时，硬质皮膜11中的残留应力容易升高，硬质皮膜11从主体部2容易剥离。需要说明的是，硬质皮膜11的残留应力如以下所述通过X射线衍射法来测定。首先，基于硬质皮膜11的X射线衍射谱的高角度侧的峰值漂移(衍射角2θ的变化)来测定硬质皮膜11的格子面间隔的变化量。基于格子面间隔的变化量来算出硬质皮膜11的残留应力。

如图2所示，硬质皮膜11的表面的顶点部11a位于沿第二方向D2的主体部2的中心线A上。硬质皮膜11的表面上的第一点11b距顶点部11a的在第一方向D1上的距离为0.3mm，且位于侧面2a侧。硬质皮膜11的表面上的第二点11c距顶点部11a的在第一方向D1上的距离为0.3mm，且位于侧面2b侧。第一点11b及第二点11c优选位于以顶点部11a为中心的同心圆上。从顶点部11a至从该顶点部11a离开0.3mm的位置为止的区域中的硬质皮膜11的厚度T可以为3μm以上且10μm以下。换言之，从顶点部11a至第一点11b或第二点11c的硬质皮膜11的厚度T可以为3μm以上且10μm以下。在硬质皮膜11的厚度T小于3μm时，外周面2d容易磨损。在硬质皮膜11的厚度T大于10μm时，容易抑制从活塞经由活塞环1向缸膛内周面的导热。

外周面2d中的与缸的缸膛内周面接触的部分的宽度(第一方向D1上的滑动面宽度)可以为0.15mm以下。这种情况下，能够将与规定的面压相对的外周面2d的张力设定得较低，能够减少外周面2d的摩擦。

主体部2由例如铸铁或钢材形成。由铸铁或钢材形成的主体部2具有充分的强度、耐热性及弹性。钢材可以改称为含有铁作为主成分的合金材料。合金材料可以是例如SWOSC-V材、SUS-440B、SUP-12或SWRH62A等。主体部2可以包含例如0.45质量％以上且1.10质量％以下的碳(C)、0.15质量％以上且1.60质量％以下的硅(Si)、0.30质量％以上且1.15质量％以下的锰(Mn)。通过使这些元素的含有率处于上述范围内，主体部2的导热性容易提高。

主体部2可以包含超过0质量％且1.60质量％以下的铬(Cr)、超过0质量％且0.25质量％以下的钒(V)、超过0质量％且0.35质量％以下的钼(Mo)、和超过0质量％且0.01质量％以下的硼(B)中的至少一种元素。这种情况下，主体部2的耐磨损性或韧性等容易提高。而且，主体部2可以包含0.002质量％以上且小于0.01质量％的磷。这种情况下，在对主体部2实施化学转化处理时，磷化合物(例如Fe₃P等)难以偏析，能够抑制主体部2的表面粗糙度。化学转化处理是指在调制后的酸性的化学转化处理液中浸渍被处理材料(主体部2用的铸铁或钢材)，通过被处理材料表面的化学反应而使具有固着性的不溶性的生成物向被处理材料的表面析出的处理。化学转化处理的具体例是通过化学的方法，利用磷酸盐将主体部2的一对侧面2a、2b包覆的处理(磷酸盐处理)。

硬质皮膜11可以通过例如物理蒸镀(PVD)法形成，也可以通过作为PVD法的一种的离子镀法形成。例如，硬质皮膜11可以是由钛(Ti)及铬中的至少一方、和碳、氮(N)及氧(O)中的至少一种形成的离子镀膜。这样的离子镀膜可以是例如氮化铬膜(Cr-N膜)、氮化钛膜(Ti-N膜)、碳氮化铬膜(Cr-C-N膜)、碳氮化钛膜(Ti-C-N膜)或氮氧化铬膜(Cr-O-N膜)。其中，氮化铬膜在耐磨损性及耐划伤性上比较优异。硬质皮膜11可以是类金刚石碳膜(DLC膜)。硬质皮膜11可以具有层叠构造。即，硬质皮膜11可以包含从由氮化铬膜、氮化钛膜、碳氮化铬膜、碳氮化钛膜、氮氧化铬膜及类金刚石碳膜构成的组中选择的至少一种膜，也可以是由其中的二个以上的膜构成的层叠体。

在主体部2的表面(侧面2a、侧面2b、外周面2d或内周面2c中至少任一面)可以设置氮化层。氮化层的厚度可以为约10μm以上且约30μm以下。上述氮化层的表面的维氏硬度可以为600[HV0.05]以上且1300[HV0.05]以下。氮化层可以是例如包含铬的氮化物的层。氮化层可以是通过主体部2的主成分即铁的氮化而形成的层(包含铁的氮化物的层)。氮化层通过例如主体部2的表面改性来形成。通过将上述那样的氮化层形成于例如侧面2a、2b，而主体部2相对于活塞的环槽的耐磨损性容易提高。

活塞环1的硬质皮膜11及端部12可以通过例如以下的方法形成。

在主体部2的外周部分预先形成有桶面形状和镶嵌突起部。桶面形状是指实施了桶面加工的部分。镶嵌突起部后来成为外周面2d的端部12。桶面形状与镶嵌突起部的高低差(谷部的深度)决定了后来形成的硬质皮膜11的厚度。作为这样的主体部2的外周部分的加工方法，可以适时选择切削、磨削、抛光或研磨等公知的技术。在形成了桶面形状和镶嵌突起部之后，在主体部2的实施了桶面加工的部分形成硬质皮膜11。硬质皮膜11例如通过PVD法形成。在硬质皮膜11形成后，将镶嵌突起部除去，再进行硬质皮膜11(外周面2d)的桶面精加工。通过上述的加工，硬质皮膜11(外周面2d)成形为弯曲形状(大致凸面状)，还形成端部12。作为镶嵌突起部的除去及桶面精加工的方法，可以适时选择抛光或研磨等公知的技术。各个以上的工序，形成图2所示那样的硬质皮膜11及端部12。在上述一连串的加工中，能够自由地控制主体部2及硬质皮膜11的各尺寸。

本发明并不局限于上述实施方式。例如，外周面2d可以是与主体部2的侧面2a、2b垂直的平坦面。即，本发明的活塞环可以具有笔直面形状。外周面2d可以是相对于主体部2的侧面2a、2b倾斜的平坦面。即，本发明的活塞环可以具有锥面形状。外周面2d的整体可以由硬质皮膜11覆盖。即，本发明的活塞环可以是整面型。这种情况下，硬质皮膜11的宽度W与主体部2的宽度h₁相互相等，端部12的宽度R为0。

实施例

通过以下的实施例更详细地说明本发明，但是本发明没有限定为这些例子。

(实施例1～5)

按照以下的次序，制作了实施例1～5的各活塞环。除了表2所示的事项之外，实施例1～5的各活塞环的制作方法及规格相同。

形成了桶面部及突起部位于外周面的活塞环状的主体部2。线材使用了相当于SWOSC-W的材料。主体部2的公称直径调整为约87mm。主体部2的径向(第一方向D1)上的厚度为约2.5mm。主体部2的宽度h₁为约1.2mm。

通过离子镀法，在主体部2的外周面形成了硬质皮膜11。通过各实施例形成的硬质皮膜11的组成如下述表2所示。在硬质皮膜11的形成后，对于外周面除去了突起部。在突起部的除去后，对外周面实施桶面精加工，由此形成了在外周面2d具有硬质皮膜11及端部12的半镶嵌型的活塞环1。

在以上的各活塞环的制作中，将主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的厚度L、硬质皮膜11的宽度W、及端部12的长度h₂调整为下述表2所示的值。根据各活塞环的尺寸而算出的(L·h₁)/W如下述表2所示。

需要说明的是，硬质皮膜11的厚度L通过如下的方法进行了测定。首先，将与侧面2a及2b垂直的活塞环1的剖面研磨成镜面状。通过光学显微镜拍摄了研磨后的剖面的照片。基于该照片，测定了硬质皮膜11的最大厚度L。

(实施例6～10)

在实施例6～10的各活塞环的制作中，将线材的剖面中的短边的长度调整为约1.5mm。各实施例的硬质皮膜11的组成是下述表3所示的组成。除了这些点之外，按照与实施例1～5同样的次序制作了实施例6～10的各活塞环。在各活塞环的制作中，将主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的厚度L、硬质皮膜11的宽度W及端部12的长度h₂调整为下述表3所示的值。根据各活塞环的尺寸而算出的(L·h₁)/W如下述表3所示。

(实施例11～15)

在实施例11～15的各活塞环的制作中，将线材的剖面中的短边的长度调整为约1.75mm。各实施例的硬质皮膜11的组成是下述表4所示的组成。除了这些点之外，按照与实施例1～5同样的次序制作了实施例11～15的各活塞环。在各活塞环的制作中，将主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的厚度L、硬质皮膜11的宽度W、及端部12的长度h₂调整为下述表4所示的值。根据各活塞环的尺寸而算出的(L·h₁)/W如下述表4所示。

(实施例16～20)

在实施例16～20的各活塞环的制作中，将线材的剖面中的短边的长度调整为约2.0mm。各实施例的硬质皮膜11的组成是下述表5所示的组成。除了这些点之外，按照与实施例1～5同样的次序制作了实施例16～20的各活塞环。在各活塞环的制作中，将主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的厚度L、硬质皮膜11的宽度W、及端部12的长度h₂调整为下述表5所示的值。根据各活塞环的尺寸而算出的(L·h₁)/W如下述表5所示。

(实施例21～25)

在实施例21～25的各活塞环的制作中，将线材的剖面中的短边的长度调整为约0.8mm。各实施例的硬质皮膜11的组成是下述表6所示的组成。除了这些点之外，按照与实施例1～5同样的次序制作了实施例21～25的各活塞环。在各活塞环的制作中，将主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的厚度L、硬质皮膜11的宽度W、及端部12的长度h₂调整为下述表6所示的值。根据各活塞环的尺寸而算出的(L·h₁)/W如下述表6所示。

(实施例26～30)

在实施例26～30的各活塞环的制作中，将线材的剖面中的短边的长度调整为约1.0mm。各实施例的硬质皮膜11的组成是下述表7所示的组成。除了这些点之外，按照与实施例1～5同样的次序制作了实施例26～30的各活塞环。在各活塞环的制作中，将主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的厚度L、硬质皮膜11的宽度W、及端部12的长度h₂调整为下述表7所示的值。根据各活塞环的尺寸而算出的(L·h₁)/W如下述表7所示。

(比较例1～8)

除了线材的尺寸及硬质皮膜11的组成不同以外，按照与上述实施例同样的次序制作了比较例1～8的各活塞环。各比较例的硬质皮膜11的组成是下述表8所示的组成。在各活塞环的制作中，将主体部2的宽度h₁、硬质皮膜11的厚度L、硬质皮膜11的宽度W、及端部12的长度h₂调整为下述表8所示的值。根据各活塞环的尺寸而算出的(L·h₁)/W如下述表8所示。比较例1、2、5及6的(L·h₁)/W都小于0.003。比较例3、4、7及8的(L·h₁)/W都大于0.151。

[导热率的评价]

通过以下的热盘法求出了实施例1的硬质皮膜的导热率σ。

作为导热率的测定装置，使用了京都电子工业(株)制热盘热物性装置TPA-501。作为试样，在导热率已知的基板的两面上形成了厚度为50μm的硬质皮膜。这样的试样准备了2片。作为基板，使用了由SUS304材构成的基板。基板的尺寸为48mm×48mm×0.2mm。硬质皮膜在与实施例1的活塞环的制作时相同的条件下，通过离子镀法形成。接下来，通过2片试样将厚度0.06mm的传感器夹入。作为传感器，使用了由聚酰亚胺包覆且具有双重螺旋构造(双重spiral构造)的镍线。通过使一定值的电流向传感器流动规定时间而使试样发热。由此，根据传感器的温度上升(温度变化)而导出电阻的变化，算出了硬质皮膜的导热率σ。在以上的热盘法中，计测了试样的面内方向的导热率。因此，基于基板的厚度与硬质皮膜的厚度的比率，从计测到的导热率减去基板的导热率，由此算出硬质皮膜自身的导热率σ。这样的硬质皮膜的导热率σ的计算使用了作为解析用软件的“TPA-SLAB高导热率薄板状试样测定(京都电子工业(株)制)”。

利用与实施例1同样的方法，也求出了其他的实施例及各比较例的硬质皮膜的导热率σ。各实施例及各比较例的硬质皮膜的导热率σ如下述表2～8所示。基于通过热盘法而求出的导热率σ所算出的各实施例及各比较例的(L·h₁·σ)/W如下述表2～8所示。

[耐剥离性的评价]

使用各实施例及各比较例的活塞环，进行了以下的扭转试验。扭转试验目的在于评价活塞环的耐剥离性(主体部及硬质皮膜的紧贴性)。如图3中的(a)所示，在扭转试验中，使位于接缝部3侧的前端3A、3B彼此沿轴向朝相反方向分离。其结果是，向活塞环1的主体部2和硬质皮膜11(参照图2)施加剪断应力，向主体部2的接缝部3的相反部分4施加扭转力。并且，使前端3A、3B间的距离增加，如图3中的(b)所示，测定了硬质皮膜11从主体部2剥离时的前端3A、3B彼此所成的角度(扭转角度α)。扭转角度α为0°以上且180°以下。扭转角度α越大，则活塞环在耐剥离性上越优异。换言之，扭转角度α越大，则硬质皮膜11越强地紧贴于主体部。各实施例及各比较例的扭转角度α如下述表2～8所示。各表中的180°是指硬质皮膜11从主体部2未剥离的情况。

[耐磨损性的评价]

将各实施例及各比较例的活塞环作为顶环而装配于缸膛87mm、4气缸的带有水冷增压器的柴油发动机的活塞。组装于活塞的第二环及油控制环相互为相同规格。接下来，使用轻油作为燃料，以5200rpm(rotation per minute，每分钟转速)、全负载条件使柴油发动机运转10小时。在运转后，测定了顶环的外周面(即滑动面)的磨损量(磨损的外周面的厚度)。各实施例及各比较例的磨损量如下述表2～8所示。但是，下述表2～8所示的磨损量是通过将各实施例及各比较例的磨损量除以比较例1的磨损量而求出的相对值(比率)。

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

[表6]

[表7]

[表8]

上述扭转试验的结果是，全实施例的扭转角度α为160°以上。另一方面，比较例3、4、7、8的扭转角度α为150°以下。这样的扭转角度α的差异(耐剥离性的差异)的原因考虑是比较例3、4、7、8各自的(L·h₁)/W超过0.151。而且，实施例1～4、6～9、11～14、16～19及21～30的扭转角度α为180°。即，在实施例1～4、6～9、11～14、16～19及21～30中，硬质皮膜从主体部未剥离。这些实施例的优异的耐剥离性的原因考虑是实施例1～4、6～9、11～14、16～19及21～30各自的(L·h₁)/W为0.003以上且0.088以下。而且，实施例1～4、6～9、11～14、16～19及21～30各自的优异的剥离性的原因考虑各自的硬质皮膜的厚度L为3μm以上且30μm以下。

上述磨损试验的结果，确认到了全部的实施例1～30的耐磨损性比全部的比较例的耐磨损性优异的情况。这原因考虑是实施例1～30各自的(L·h₁)/W为0.003以上且0.151以下。

产业上的可利用性

本发明的活塞环适合作为例如机动车用发动机的顶环。

标号说明

1…活塞环，2…主体部，2a、2b…侧面，2c…内周面，2d…外周面，3…接缝部，3A、3B…前端，11…硬质皮膜，D1…第一方向，D2…第二方向，h₁…主体部的宽度，L…硬质皮膜的厚度，W…硬质皮膜的宽度。

Claims

1.一种活塞环，具备：

环状的主体部，具有一对侧面、外周面及内周面；及

硬质皮膜，设于所述外周面，

在设与所述一对侧面垂直的第一方向上的所述主体部的宽度为h₁mm，设所述第一方向上的所述硬质皮膜的宽度为Wmm，设与所述外周面垂直的第二方向上的所述硬质皮膜的厚度为Lmm时，满足下式(1)：

0.003≤(L·h₁)/W≤0.151 (1)，

在设所述硬质皮膜的导热率为σW/m·K时，所述导热率σ比所述主体部的导热率低，且为5W/m·K以上，

所述第二方向上的从所述硬质皮膜的顶点部至从所述顶点部离开0.3mm的位置为止的区域中的所述硬质皮膜的所述厚度为3μm以上且10μm以下。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其中，

满足下式(2)：

0.030≤(L·h₁·σ)/W≤6.360 (2)。

3.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

满足下式(3)：

0.003≤(L·h₁)/W≤0.088 (3)。

4.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

满足下式(4)：

0.030≤(L·h₁·σ)/W≤4.440 (4)。

5.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

所述主体部包含0.45质量％以上且1.10质量％以下的碳、0.15质量％以上且1.60质量％以下的硅、和0.30质量％以上且1.15质量％以下的锰。

6.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

所述主体部包含1.60质量％以下的铬、0.25质量％以下的钒、0.35质量％以下的钼和0.01质量％以下的硼中的至少一种。

7.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

所述主体部包含0.002质量％以上且小于0.01质量％的磷。

8.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

所述硬质皮膜包含从由氮化铬膜、氮化钛膜、碳氮化铬膜、碳氮化钛膜、氮氧化铬膜及类金刚石碳膜构成的组中选择的至少一种膜。

9.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

所述硬质皮膜的厚度L为3μm以上且30μm以下。

10.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

所述活塞环具备设置在所述主体部的所述一对侧面中的至少一个侧面、或者设置在所述外周面或所述内周面的氮化层，

所述氮化层的表面的维氏硬度为600[HV0.05]以上且1300[HV0.05]以下。

11.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

在所述外周面的端部处，所述主体部露出。

12.根据权利要求11所述的活塞环，其中，

在与所述一对侧面垂直的所述主体部的剖面中，所述外周面的所述端部的宽度为0.3mm以下。