CN111065757A - 滑动构件和活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有即使将厚度设为3μm以上也兼顾了高的耐剥离性和高的耐磨损性的硬质碳覆膜的滑动构件。本发明的滑动构件(100)的特征在于，具有基材(10)和形成在基材(10)上的氢含量为3原子％以下且厚度为3μm以上的硬质碳覆膜(12)，将硬质碳覆膜(12)的马氏硬度设为HM、将压痕硬度设为HIT，HM/HIT为0.40以上。

Description

滑动构件和活塞环
技术领域
本发明涉及具有兼顾了高的耐剥离性和高的耐磨损性的硬质碳覆膜的滑动构件、以及由该滑动构件构成的活塞环。
背景技术
活塞环等滑动构件中，通常通过在基材上被覆类金刚石碳(DLC：Diamond LikeCarbon)覆膜之类的硬质碳覆膜来提高硬度和耐磨损性。
在专利文献1中，其目的之一在于提供具有高硬度且耐磨损性优良的DLC覆膜的滑动构件，记载了具有基材、形成在该基材上的中间层和形成在该中间层上的厚度为0.5～5μm、氢含量为5原子％以下、优选2原子％以下的DLC覆膜的滑动构件。在专利文献1中，优选将覆膜的压痕硬度设定为20～70GPa，为了抑制覆膜的缺损、剥离，优选将覆膜的杨氏模量设定为60GPa以上。
在专利文献2中，其目的之一在于提供具有耐磨损性高的DLC覆膜的滑动构件，记载了具有基材、形成在该基材上的中间层和形成在该中间层上的厚度为0.15～6.0μm的DLC覆膜的滑动构件。在专利文献2中，记载了覆膜的杨氏模量超过180GPa时，容易发生覆膜的破裂、剥离，覆膜的杨氏模量低于50GPa时，滑动时的耐载荷性降低，并且记载了优选将覆膜的表面硬度设定为20～140GPa。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-250348号公报
专利文献2：日本特开2008-81522号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在专利文献1、2中，为了得到高硬度且耐磨损性优良的DLC覆膜，将考虑了施加应力时的应变的杨氏模量、考虑了塑性变形的压痕硬度调整至规定的范围。但是，近年来，从耐久性的观点出发，覆膜倾向于厚膜化，如果仅分别着眼于杨氏模量、压痕硬度，在将覆膜设为3μm以上时，在兼顾高的耐剥离性和高的耐磨损性的方面存在改善的余地。
鉴于上述课题，本发明的目的在于提供具有即使将厚度设为3μm以上也兼顾了高的耐剥离性和高的耐磨损性的硬质碳覆膜的滑动构件。另外，本发明的目的在于提供由该滑动构件构成的活塞环。
用于解决问题的方法
本发明人为了解决上述问题，进行了如下实验：使用对于将覆膜的氢含量抑制为3原子％以下而言有效的离子镀法，在基材上形成厚度为3μm以上的硬质碳覆膜。结果发现，越是致密性高的覆膜，耐剥离性和耐磨损性越高。基于该实验结果，得到了如下构思：为了提高覆膜的耐磨损性，着眼于考虑了与致密性具有相关性的弹性变形的马氏硬度或许是重要的。进而，进一步进行了研究，结果发现，通过将马氏硬度(HM)与压痕硬度(HIT)之比(HM/HIT)设定为0.40以上，可以得到耐剥离性和耐磨损性优良的覆膜。
本发明是基于上述见解而完成的，其主旨构成如下所述。
(1)一种滑动构件，其是具有基材和形成在该基材上的氢含量为3原子％以下且厚度为3μm以上的硬质碳覆膜的滑动构件，其特征在于，
将上述硬质碳覆膜的马氏硬度设为HM、将压痕硬度设为HIT，HM/HIT为0.40以上。
(2)如上述(1)所述的滑动构件，其中，上述HIT为15GPa以上且50GPa以下。
(3)如上述(1)或(2)所述的滑动构件，其中，上述硬质碳覆膜的膜厚为5μm以上。
(4)如上述(1)～(3)中任一项所述的滑动构件，其中，上述硬质碳覆膜的表面粗糙度Ra为0.12μm以下。
(5)如上述(1)～(4)中任一项所述的滑动构件，其中，在上述基材与上述硬质碳覆膜之间具有由选自Cr、Ti、Co、V、Mo和W、以及它们的碳化物、氮化物和碳氮化物中的一种以上的材料构成的中间层。
(6)一种活塞环，其由上述(1)～(5)中任一项所述的滑动构件构成。
发明效果
根据本发明，能够得到具有即使将厚度设为3μm以上也兼顾了高的耐剥离性和高的耐磨损性的硬质碳覆膜的滑动构件。另外，根据本发明，能够得到由该滑动构件构成的活塞环。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的滑动构件100的示意截面图。
图2是本发明的一个实施方式的活塞环200的截面立体图。
图3是滑动疲劳试验中使用的试验机的概略图。
具体实施方式
以下，参考图1、2对本发明的滑动构件和活塞环的一个实施方式进行说明。
(滑动构件)
参考图1，本实施方式的滑动构件100具有基材10和形成在基材10上的硬质碳覆膜12。
[基材]
本实施方式中的基材10只要具有作为滑动构件所需的强度则没有特别限定，可以列举例如铁、铸铁、超硬合金、不锈钢、铝合金等具有导电性的材料。可以进一步对基材10实施氮化铬、氮化钛等金属氮化物、金属碳氮化物、金属碳化物等硬质覆膜或镀覆处理、铁系材料的情况下的淬火回火等硬化处理、氮化处理。例如，活塞环优选使用以往所应用的马氏体系不锈钢、弹簧钢、碳钢等。
[硬质碳覆膜]
本实施方式中的硬质碳覆膜12是类金刚石碳(DLC：Diamond Like Carbon)覆膜12。
DLC覆膜12的氢含量为3原子％以下。这是因为，氢含量超过3原子％时，得不到充分的硬度和耐磨损性。氢含量可以使用HFS(Hydrogen Forward Scattering，氢前向散射光谱)法等来测定。
DLC覆膜的厚度为3μm以上。这是因为，厚度小于3μm时，得不到充分的耐久性。DLC覆膜的厚度更优选为5μm以上。需要说明的是，DLC覆膜的厚度越厚，越需要更长时间的成膜时间，因此，从生产率的观点考虑，优选设定为30μm以下。覆膜的厚度可以通过利用SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)对覆膜的截面进行观察来求出。
将DLC覆膜12的马氏硬度设为HM、将压痕硬度设为HIT时，作为它们之比的HM/HIT为0.40以上。本实施方式中，对于氢含量为3原子％以下且厚度为3μm以上的DLC覆膜而言，HM/HIT为0.40以上是重要的。以下，对其技术含义进行说明。
本发明人基于对于氢含量为3原子％以下且厚度为3μm以上的DLC覆膜而言越是致密性高的覆膜则耐剥离性和耐磨损性越高这样的上文所述的实验结果，得到了如下构思：为了兼顾高的耐剥离性和高的耐磨损性，着眼于考虑了被认为与致密性具有强相关性的弹性变形的马氏硬度是重要的。即，压痕硬度(HIT)是与维氏硬度等同样的基于塑性变形的硬度(塑性硬度)的指标，认为其与覆膜本身的拉伸强度(覆膜强度)具有相关性。另一方面，马氏硬度(HM)是基于还考虑了弹性变形的弹塑性变形的硬度(弹塑性硬度)，受覆膜的刚性、覆膜内部的压缩残余应力的影响很大。在此，具有致密性越高则刚性、压缩残余应力越高的倾向。另外，关于覆膜的耐磨损性，基本上提高塑性硬度是重要的，但塑性硬度过高时，容易显示出脆性的特性，容易以极微小的裂纹为基点而使磨损量增加。另外，覆膜的剥离以由于覆膜本身的弹塑性变形所产生的裂纹为基点而发生。覆膜的最佳的刚性范围根据滑动环境是应力恒定的作用体系还是应变恒定的作用体系而发生变化，在一般的滑动环境中，应力恒定的作用体系较多，因此，覆膜的刚性越高则越能够抑制裂纹的产生，耐剥离性大多优良。如上所述发现了，为了作为滑动构件发挥良好的特性，作为被认为与覆膜的刚性、残余应力具有强相关性的致密性的指标的马氏硬度(HM)与作为与覆膜的强度具有相关性的塑性硬度的指标的压痕硬度(HIT)的平衡是重要的。需要说明的是，压痕硬度(HIT)也多少会受到被认为与覆膜的刚性、残余应力具有强相关性的致密性的影响，但该影响不会像对马氏硬度(HM)的影响那样大。因此，对这些指标实验性地进行研究的结果获知，通过将HM/HIT设定为0.40以上，可以得到兼顾了高的耐剥离性和高的耐磨损性的覆膜。更优选将HM/HIT设定为0.40以上且0.55以下。
需要说明的是，HIT优选设定为15GPa以上且50GPa以下。在15GPa以上时，能够得到充分的强度。另外，在50GPa以下时，不用担心覆膜显示出脆性的特性，可以得到耐磨损性优良的覆膜。另外，HM优选设定为6GPa以上且20GPa以下。在6GPa以上时，能够提高致密性，因此，可以得到耐剥离性优良的覆膜。在20GPa以下时，即使将膜厚加厚也不用担心覆膜剥离。
本说明书中的“压痕硬度(HIT)”和“马氏硬度(HM)”基于国际标准ISO14577中规定的纳米压痕硬度试验法。具体而言，将尖端形状为正三棱锥(Berkovich型)的金刚石压头压入覆膜的表面，连续获取此时施加于压头的载荷和压头的位移，得到“载荷-位移曲线”。然后，基于ISO14577记载的计算方法，求出压痕硬度(HIT)和马氏硬度(HM)。需要说明的是，为了避免覆膜基底的基材的影响，以使金刚石压头的最大压入深度为膜厚的1/10以下的方式设定压入载荷。另外，作为试验的预处理，对试验部位实施镜面研磨，由此抑制试验值的波动。
具有这种特性的DLC覆膜12可以通过例如基于使用碳靶的真空电弧放电的离子镀法而形成在基材10上。以下，对DLC覆膜12的形成方法进行说明。
一般而言，离子镀法中，在1×10-1Pa以下的真空气氛中，利用真空电弧放电使碳阴极蒸发并离子化，由此，在施加了负的偏压的基材10的表面上堆积离子化后的碳。由此，在基材10上形成DLC覆膜12。根据离子镀法，与使用甲烷等含氢的碳化物作为原料的化学蒸镀(CVD：Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法不同，原料中不含氢，因此，能够将覆膜的氢含量抑制为3原子％以下。需要说明的是，离子镀法也包括利用磁性过滤器将蒸发时未离子化的碳捕获除去的所谓FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc，过滤阴极真空电弧)法。在此，HM/HIT的值不依赖于磁性过滤器的有无。
本实施方式中，将HM/HIT设定为0.40以上是重要的，这可以通过将偏压和电弧放电电流在以下的范围内进行调整来实现。偏压设定为-50V以上且0V以下。偏压低于-50V时，HM的增加量相对于HIT的增加量显示出减小的倾向，HM/HIT小于0.40。另外，电弧放电电流设定为50A以上且200A以下。低于50A时，无法形成致密的DLC覆膜，因此，HM的增加量相对于HIT的增加量减小，HM/HIT小于0.40。通过将电弧放电电流设定为200A以下并且实施适当的放电中止来防止基材温度的升高，由此，也不用担心DLC覆膜的硬度降低，能够使HIT为15GPa以上、使HM为6GPa以上。在此，在偏压满足-50V以上且0V以下、并且电弧放电电流满足50A以上且200A以下的范围内，使偏压的绝对值增加时HM/HIT减小，使电弧放电电流增加时HM/HIT增加。需要说明的是，基材的温度优选设定为100℃以上且230℃以下。
DLC覆膜12的厚度可以通过电弧放电时间来控制。
以上，以本实施方式为例对本发明的滑动构件进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，可以在专利请求的范围内进行适当变更。
例如，为了提高硬质碳覆膜对基材的密合性，可以在基材与硬质碳覆膜之间设置由选自Cr、Ti、Co、V、Mo和W、以及它们的碳化物、氮化物和碳氮化物中的一种以上的材料构成的中间层。中间层的厚度优选为0.01μm以上且0.6μm以下，更优选为0.02μm以上且0.5μm以下。这是因为，在0.01μm以上时，能够提高硬质碳覆膜的密合性，在0.6μm以下时，滑动时中间层不易发生塑性流动，硬质碳覆膜不易剥离。中间层可以通过例如适当使用任意或公知的PVD(physical vapor deposition，物理气相沉积)法而形成在基材上。
另外，从进一步抑制滑动时对象构件的磨损量的观点出发，优选将DLC覆膜12的表面粗糙度Ra设定为0.12μm以下。这样的表面粗糙度可以通过对DLC覆膜的表面实施任意或公知的磨削加工来实现。需要说明的是，本说明书中的“表面粗糙度Ra”是指JIS B 0601(2001)中规定的算术平均粗糙度Ra。
(活塞环)
参考图2，本发明的一个实施方式的活塞环200由上述的滑动构件100构成，其外周面20成为图1所示的DLC覆膜的表面12A。对于活塞环200而言，由于成为滑动面的外周面20为兼顾了高的耐剥离性和高的耐磨损性的DLC覆膜的表面12A，因此，即使在高负荷的滑动环境下，耐剥离性和耐磨损性也优良。需要说明的是，活塞环的内周面22和上下表面24A、24B不需要设定为图1所示的结构。
本发明的一个实施方式的滑动构件100除了可以应用于活塞环以外，还可以应用于例如作为汽车等的内燃机的气门部件的气门挺杆和垫片、作为内燃机的部件的活塞销、压缩机以及油压泵用的叶轮等。
[实施例]
对于各发明例和比较例，以使图2所示的活塞环的外周面成为表1所示的DLC覆膜的表面的方式，在以下的条件下制作活塞环。
各发明例和比较例中，使用公知的PVD法，在由标称直径90mm、厚度2.9mm、宽度1.2mm的尺寸构成的硅铬钢的基材上形成由铬构成的厚度0.4μm的中间层。接着，在1×10- 1Pa以下的真空气氛中，使用基于使用碳靶的真空电弧放电的离子镀法，将偏压、电弧放电电流和电弧放电时间在上文所述的范围内适当调整，由此，在中间层上形成表1所示的DLC覆膜。但是，仅对于比较例4，在导入烃气体的同时实施基于碳溅射法的DLC成膜。
(评价方法和评价结果的说明)
各发明例和比较例中，通过上文所述的方法得到DLC覆膜的厚度、表面粗糙度、HM和HIT。纳米压痕硬度试验机使用艾利奥尼克斯公司制造的ENT-1100a。另外，使用HM和HIT的试验值算出HM/HIT。需要说明的是，在HM和HIT的试验中，发明例1～6、8和比较例1～4中将压入载荷设定为50mN，发明例7和比较例5中将压入载荷设定为6mN，由此使金刚石压头的最大压入深度为膜厚的1/10以下。
另外，各发明例和比较例中，通过以下的方法对DLC覆膜的氢含量进行评价。DLC覆膜的氢含量的评价中，对于在平坦或曲率半径足够大而在测定上视为平面的区域形成的DLC覆膜，可以利用RBS(Rutherford Backscattering Spectrometry，卢瑟福背散射光谱法)/HFS(Hydrogen Forward Spectrometry，氢前向散射光谱法)进行评价。与此相对，对于在活塞环的外周面等不平坦的区域形成的DLC覆膜，可以将RBS/HF与SIMS(Secondary IonMass Spectrometry，二次离子质谱法)组合来进行评价。RBS/HFS是公知的覆膜组成的分析方法，但不能应用于不平坦的表面的分析，因此，如下将RBS/HFS与SIMS组合。
首先，通过上文所述的方法在镜面研磨后的平坦的试验片(实施了淬火处理的SKH51圆盘、φ25×厚度5mm、硬度HRC60～63)上形成作为基准值的测定对象的DLC覆膜，作为具有平坦面的基准试样。接着，利用RBS/HFS对它们的氢含量进行评价。另一方面，利用SIMS对各发明例和比较例的DLC覆膜进行分析，测定氢的二次离子强度。需要说明的是，SIMS分析也可以对形成在活塞环的外周面那样不平坦的表面上的覆膜进行。然后，对于与基准试样相同的覆膜，求出表示通过RBS/HFS得到的氢含量(单位：原子％)与通过SIMS得到的氢的二次离子强度的比率的关系的经验公式(校正曲线)。通过这样操作，可以根据对实际的活塞环的外周面测定的SIMS的氢的二次离子强度来算出氢含量。需要说明的是，基于SIMS的二次离子强度的值采用在至少距覆膜表面20nm以上的深度、且50nm见方的范围内观测到的氢的二次离子强度的平均值。将这样算出的DLC覆膜的氢含量示于表1中。需要说明的是，表1所示的“3原子％以下”是指，虽然实际的分析值全部为1原子％以下，但考虑到测定误差而表示为“3原子％以下”。
另外，各发明例和比较例中，通过以下的方法对耐磨损性和耐剥离性进行评价。即，作为能够快速地重现实机试验的剥离、磨损的评价，进行滑动疲劳试验。图3中示出试验机的概略。滑动疲劳试验中，通过向进行旋转的鼓30和进行滑动的试验片32反复施加载荷，能够在比较短的时间内确认覆膜的耐剥离性和耐磨损性。在此，试验片32是以使各发明例和比较例中的活塞环的外周面的一部分成为该滑动疲劳试验中的滑动面的方式将各活塞环切断而得到的试验片。通过对试验前后的试验片32的滑动面的磨损深度进行测定来评价耐磨损性。另外，利用光学显微镜对试验片32的滑动面的剥离的有无进行观察，由此评价耐剥离性。将评价结果示于表1中。需要说明的是，试验条件如下所述。
载荷：20～196N、正弦曲线50Hz
对象构件(鼓)：直径80mm的SUJ2材
滑动速度：正转反转模式运转(±7m/s)、速度±7m/s下保持20s
加速度：0.23m/s2
润滑剂：无添加马达油、0.1cc/分钟
温度：鼓表面温度80℃
试验时间：1小时
Figure BDA0002405694040000111
就DLC覆膜的氢含量不满足本发明的范围的比较例4和覆膜厚度不满足本发明的范围的比较例5而言，磨损深度深、耐磨损性差。特别是，这些例子的DLC覆膜和中间层被磨掉，基材的一部分发生了磨损。另外，就比较例1～3而言，即使DLC覆膜的氢含量和厚度均满足本发明的范围，由于HM/HIT小于0.40，因此，与发明例1～8相比，磨损深度深、耐磨损性差。另外，就比较例1～3和比较例5而言，在滑动部确认到微小剥离。此外，比较DCL覆膜的氢含量、厚度大致相同的发明例2和比较例1时，HM/HIT为0.40以上的发明例2与HM/HIT小于0.40的比较例1相比，更能够显著抑制磨损深度，并且不会发生剥离。同样地，比较DCL覆膜的氢含量、厚度大致相同的发明例3和比较例3时，就HM/HIT为0.40以上的发明例3而言，能够显著抑制磨损深度，并且也不会发生剥离，与此相对，就HM/HIT小于0.40的比较例3而言，DLC覆膜被磨掉，基材的一部分露出，并且在覆膜的残存部存在微小剥离。
产业上的可利用性
根据本发明，能够得到具有即使将厚度设为3μm以上也兼顾了高的耐剥离性和高的耐磨损性的硬质碳覆膜的滑动构件。另外，根据本发明，能够得到具备该滑动构件的活塞环。
符号说明
100 滑动构件
10 基材
12 硬质碳覆膜(DLC覆膜)
12A 滑动面
200 活塞环
20 外周面
22 内周面
24A、24B 上下表面
30 鼓
32 试验片

Claims (6)

1.一种滑动构件，其是具有基材和形成在该基材上的氢含量为3原子％以下且厚度为3μm以上的硬质碳覆膜的滑动构件，其特征在于，
将所述硬质碳覆膜的马氏硬度设为HM、将压痕硬度设为HIT，HM/HIT为0.40以上。
2.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述HIT为15GPa以上且50GPa以下。
3.如权利要求1或2所述的滑动构件，其中，所述硬质碳覆膜的厚度为5μm以上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的滑动构件，其中，所述硬质碳覆膜的表面粗糙度Ra为0.12μm以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的滑动构件，其中，在所述基材与所述硬质碳覆膜之间具有由选自Cr、Ti、Co、V、Mo和W、以及它们的碳化物、氮化物和碳氮化物中的一种以上的材料构成的中间层。
6.一种活塞环，其由权利要求1～5中任一项所述的滑动构件构成。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114174549A (zh) * 2020-02-13 2022-03-11 日产自动车株式会社 滑动机构
EP4206455A4 (en) * 2021-09-30 2024-02-21 TPR Co., Ltd. SLIDING ELEMENT
JP7093899B1 (ja) 2022-03-02 2022-06-30 Ｔｐｒ株式会社 高耐摩耗性被膜を備えた摺動部材

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006250348A (ja) * 2005-02-14 2006-09-21 Riken Corp 摺動部材
JP2009035658A (ja) * 2007-08-03 2009-02-19 Honda Motor Co Ltd 湿式摩擦係合装置用摺動部材
JP2009035667A (ja) * 2007-08-03 2009-02-19 Honda Motor Co Ltd 湿式摩擦係合装置用摺動部材
JP2010234597A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Mitsubishi Materials Corp 切断ブレード、切断ブレードの製造方法及び切断加工装置
CN102080207A (zh) * 2010-12-25 2011-06-01 深圳市广大纳米工程技术有限公司 一种DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法
JP2015140862A (ja) * 2014-01-29 2015-08-03 株式会社リケン ピストンリング
CN104903630A (zh) * 2012-12-28 2015-09-09 株式会社理研 汽缸与活塞环的组件
CN105555989A (zh) * 2013-09-20 2016-05-04 株式会社理研 缸孔和活塞环的组合
CN106048512A (zh) * 2016-07-05 2016-10-26 常州夸克涂层科技有限公司 一种离子渗氮及电弧离子镀制备dlc一体化复合方法
JP2017101279A (ja) * 2015-12-01 2017-06-08 日本アイ・ティ・エフ株式会社 アーク式成膜装置および成膜方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7771821B2 (en) * 2003-08-21 2010-08-10 Nissan Motor Co., Ltd. Low-friction sliding member and low-friction sliding mechanism using same
DE102004041235A1 (de) * 2004-08-26 2006-03-02 Ina-Schaeffler Kg Verschleißfeste Beschichtung und Verfahren zur Herstellung derselben
JP2008081522A (ja) 2006-09-26 2008-04-10 Hitachi Ltd 摺動部材
EP2369031B1 (de) * 2010-03-18 2016-05-04 Oerlikon Trading AG, Trübbach Beschichtung auf nial2o4 basis in spinellstruktur
JP5412402B2 (ja) * 2010-11-02 2014-02-12 株式会社日立製作所 摺動部品およびそれを用いた機械装置
DE102011003254A1 (de) 2011-01-27 2012-08-02 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, mit einer Beschichtung sowie Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements
JP5865014B2 (ja) * 2011-06-24 2016-02-17 株式会社リケン ピストンリング
BR102012003607A2 (pt) * 2012-02-16 2013-10-29 Mahle Metal Leve Sa Componente deslizante para uso em motores de combustão interna
KR102193263B1 (ko) * 2012-03-12 2020-12-23 오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘 개선된 슬라이딩 특성을 지닌 코팅
EP2826983B1 (en) * 2012-03-14 2019-04-24 Kabushiki Kaisha Riken Combination of cylinder and piston ring
DE102013200846A1 (de) * 2013-01-21 2014-07-24 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, mit einer Beschichtung
US9863534B2 (en) 2013-02-28 2018-01-09 Nippon Piston Ring Co., Ltd. Hard carbon coating film
EP3054137A4 (en) * 2013-09-30 2017-09-20 Kabushiki Kaisha Riken Piston ring
JP5918326B2 (ja) 2014-09-16 2016-05-18 株式会社リケン 被覆摺動部材
EP3330579B1 (en) * 2015-07-31 2019-06-19 Nippon Piston Ring Co., Ltd. Piston ring and manufacturing method thereof
EP3330578B1 (en) 2015-07-31 2022-10-12 Nippon Piston Ring Co., Ltd. Piston ring
JP6343266B2 (ja) * 2015-09-09 2018-06-13 株式会社リケン 摺動部材及びピストンリング
JP6599251B2 (ja) 2016-01-25 2019-10-30 株式会社リケン 摺動部材及びその製造方法
WO2018179709A1 (ja) * 2017-03-31 2018-10-04 株式会社リケン 摺動部材及びピストンリング
JP6511126B1 (ja) * 2017-12-27 2019-05-15 株式会社リケン 摺動部材およびピストンリング

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006250348A (ja) * 2005-02-14 2006-09-21 Riken Corp 摺動部材
JP2009035658A (ja) * 2007-08-03 2009-02-19 Honda Motor Co Ltd 湿式摩擦係合装置用摺動部材
JP2009035667A (ja) * 2007-08-03 2009-02-19 Honda Motor Co Ltd 湿式摩擦係合装置用摺動部材
JP2010234597A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Mitsubishi Materials Corp 切断ブレード、切断ブレードの製造方法及び切断加工装置
CN102080207A (zh) * 2010-12-25 2011-06-01 深圳市广大纳米工程技术有限公司 一种DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法
CN104903630A (zh) * 2012-12-28 2015-09-09 株式会社理研 汽缸与活塞环的组件
CN105555989A (zh) * 2013-09-20 2016-05-04 株式会社理研 缸孔和活塞环的组合
JP2015140862A (ja) * 2014-01-29 2015-08-03 株式会社リケン ピストンリング
JP2017101279A (ja) * 2015-12-01 2017-06-08 日本アイ・ティ・エフ株式会社 アーク式成膜装置および成膜方法
CN106048512A (zh) * 2016-07-05 2016-10-26 常州夸克涂层科技有限公司 一种离子渗氮及电弧离子镀制备dlc一体化复合方法

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Publication number Publication date
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