JP2003042294A - Piston ring - Google Patents

Piston ring

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JP2003042294A
JP2003042294A JP2001232805A JP2001232805A JP2003042294A JP 2003042294 A JP2003042294 A JP 2003042294A JP 2001232805 A JP2001232805 A JP 2001232805A JP 2001232805 A JP2001232805 A JP 2001232805A JP 2003042294 A JP2003042294 A JP 2003042294A
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piston ring
film
coating
carbon film
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Shuji Samejima
修二 鮫島
Kunihiro Iguchi
邦浩 井口
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Original Assignee
Nippon Piston Ring Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piston ring used as a counterpart of an aluminum alloy- made cylinder liner, capable of suppressing blow-by gas, and superior in wear resistance and Al adhesion resistance with a piston ring groove side face. SOLUTION: Hard carbon films 2a and 2b are formed on at least an upper face 8 and a lower face 9 of a piston ring matrix 1 comprising austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion >=15×10<-6> / deg.C. The hard carbon films 2a and 2b are a hard carbon monolayer film 2a containing one or more than one element selected from W, W and Ni, and Ti, or a hard carbon laminated film 2b comprising a first hard carbon film 11 containing at least Si and a second hard carbon film 12 formed under the hard carbon film 11 and containing one or more than one element selected from W, W and Ni, and Ti.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンリングに
関し、更に詳しくは、アルミニウム合金製シリンダライ
ナ用として使用されピストンリングであって、ピストン
リング溝側面との初期なじみ性、耐摩耗性に優れ且つA
l凝着が抑制されたピストンリングに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring, and more particularly, to a piston ring used for an aluminum alloy cylinder liner, which is excellent in initial conformability with a side surface of a piston ring groove and wear resistance. A
The present invention relates to a piston ring in which adhesion is suppressed.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、内燃機関の軽量化の観点から、ア
ルミニウム合金を使用したシリンダライナが多くなって
きている。アルミニウム合金製のシリンダライナ用とし
て使用されるピストンリングとしては、相手材であるシ
リンダライナとの耐摩耗性や耐スカッフ性に重点をおい
て採用され、主に、マルテンサイト系ステンレス鋼製の
ピストンリングを窒化処理したもの、構造用鋼であるS
WOSC−V鋼製のピストンリングの外周にクロムメッ
キを施したもの、または特に限定されない従来からの鉄
系材料製のピストンリングの外周に複合メッキを施した
もの、等が採用されている。
2. Description of the Related Art In recent years, cylinder liners using aluminum alloys have been increasing in number from the viewpoint of weight reduction of internal combustion engines. As a piston ring used for aluminum alloy cylinder liners, the piston rings are mainly made of martensitic stainless steel, with emphasis on wear resistance and scuff resistance with the cylinder liner that is the mating material. Nitride ring, structural steel S
A WOSC-V steel piston ring having an outer circumference plated with chrome, or a conventional piston ring made of a ferrous material, which is not particularly limited, having a composite plating applied to the outer circumference is used.

【0003】しかし、上述の各ピストンリングは、アル
ミニウム合金製シリンダライナの熱膨張に十分追従でき
ず、そのため、ガスシールが悪くなってガスの吹き抜け
を起こしてブローバイガスを発生させ、その結果、多く
の性能劣化、例えばエンジン出力の低下や潤滑油消費量
の増加を起こすことがあった。
However, each of the above-mentioned piston rings cannot sufficiently follow the thermal expansion of the cylinder liner made of aluminum alloy, so that the gas seal is deteriorated and the gas blows through to generate blow-by gas. Performance deterioration, such as a reduction in engine output and an increase in lubricating oil consumption.

【0004】こうした問題に対しては、特開2000−
145963公報には、ピストンリング母材として、相
手材であるアルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張
率に近いオーステナイト系ステンレス鋼を用いることに
より、アルミニウム合金製シリンダライナに対する熱膨
張の追従性を向上させ、ブローバイガスの発生を抑制で
きることが開示されている。
To solve this problem, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-
In 145963 publication, by using austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion close to that of an aluminum alloy cylinder liner as a mating material as a piston ring base material, the followability of thermal expansion to the aluminum alloy cylinder liner is improved, It is disclosed that generation of blow-by gas can be suppressed.

【0005】なお、上述したピストンリングに使用され
るオーステナイト系ステンレス鋼は、従来から使用され
ていたマルテンサイト系ステンレス鋼よりも強度、硬
さ、耐摩耗性において劣るものであり、そのため、従来
においては、オーステナイト系ステンレス鋼からなるピ
ストンリングの少なくとも外周摺動面を窒化処理し、更
にCrめっき、複合Crめっき、溶射、物理蒸着等の表
面処理を行って、耐摩耗性の向上を図っていた。
The austenitic stainless steel used for the piston ring described above is inferior in strength, hardness and wear resistance to the conventionally used martensitic stainless steel. Nitriding at least the outer peripheral sliding surface of a piston ring made of austenitic stainless steel, and further performing surface treatment such as Cr plating, composite Cr plating, thermal spraying, physical vapor deposition, etc., to improve wear resistance. .

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そうし
た表面処理皮膜が形成されたピストンリングであって
も、その上下面は、ピストンリング溝の側面との間でA
l凝着現象を起こすことがある。その理由として、ピス
トンリング溝の側面と高温下で衝突を繰り返すために、
初期段階においてなじみ性が十分でなく、ピストンリン
グ溝の側面との間で焼き付きを起こすからである。よっ
て、ピストンリングの上下面は、ピストンが上下に摺動
するたびにピストンリング構内の側面に叩かれ、その結
果、ピストンリングの上下面で摩耗が発生しさらには促
進するおそれがあった。
However, even in the case of a piston ring having such a surface-treated coating formed thereon, the upper and lower surfaces of the piston ring are separated from the side surface of the piston ring groove by A.
l Adhesion may occur. The reason is that in order to repeatedly collide with the side surface of the piston ring groove under high temperature,
This is because the conformability is not sufficient in the initial stage and seizure occurs between the side surfaces of the piston ring groove. Therefore, the upper and lower surfaces of the piston ring are struck by the side surface inside the piston ring each time the piston slides up and down, and as a result, the upper and lower surfaces of the piston ring may be worn and further accelerated.

【0007】本発明は、上記課題を解決すべくなされた
ものであり、アルミニウム合金製シリンダライナの相手
材として使用されるピストンリングであって、ブローバ
イガスの発生を抑制でき、ピストンリング溝の側面との
間の耐Al凝着性に優れ且つ耐摩耗性に優れたピストン
リングを提供するものである。
The present invention has been made to solve the above problems, and is a piston ring used as a mating member of an aluminum alloy cylinder liner, which can suppress the generation of blow-by gas and has a side surface of a piston ring groove. The present invention provides a piston ring excellent in Al adhesion resistance between and and abrasion resistance.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載のピスト
ンリングは、15×10-6/℃以上の熱膨張係数を有す
るオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストンリン
グ母材の少なくとも上面および下面に硬質炭素皮膜が形
成されていることに特徴を有する。
A piston ring according to claim 1 is hard on at least the upper surface and the lower surface of a piston ring base material made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 -6 / ° C or more. The feature is that a carbon film is formed.

【0009】この発明によれば、15×10-6/℃以上
の熱膨張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼か
らなるピストンリング母材の少なくとも上面および下面
に硬質炭素皮膜が形成されているので、(イ)そうした
オーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張率は相手材であ
るアルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張率に近
く、アルミニウム合金製シリンダライナに対する熱膨張
の追従性がよく、ブローバイガスの発生を抑制できる。
さらに、(ロ)そうした硬質炭素皮膜が少なくとも上面
および下面に形成されたピストンリングは、ピストンリ
ング溝の側面との間のAl凝着現象を防止でき、初期な
じみ性を改善し、優れた耐摩耗性を発揮することができ
る。
According to the present invention, the hard carbon coating is formed on at least the upper surface and the lower surface of the piston ring base material made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 -6 / ° C. or more. B) The coefficient of thermal expansion of such an austenitic stainless steel is close to that of the aluminum alloy cylinder liner, which is a counterpart material, and the thermal expansion follows the aluminum alloy cylinder liner well, and blow-by gas generation can be suppressed.
Further, (b) the piston ring having such a hard carbon film formed on at least the upper surface and the lower surface can prevent the Al adhesion phenomenon between the side surface of the piston ring groove, improve the initial conformability, and have excellent wear resistance. You can exercise your sexuality.

【0010】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
のピストンリングにおいて、前記硬質炭素皮膜は、W、
W及びNi、及び、Tiから選択される元素を一または
二以上含有することに特徴を有する。
According to a second aspect of the invention, in the piston ring according to the first aspect, the hard carbon coating is W,
It is characterized by containing one or more elements selected from W, Ni, and Ti.

【0011】この発明によれば、硬質炭素皮膜がW、W
及びNi、及び、Tiから選択される元素を一または二
以上含有するので、そうした硬質炭素皮膜は、優れた耐
Al凝着性および耐摩耗性を発揮してピストンリング溝
の側面との間の摺動特性をより一層向上させることがで
きる。
According to the present invention, the hard carbon coating is W, W
Since it contains one or more elements selected from Ni, Ni, and Ti, such a hard carbon film exhibits excellent Al adhesion resistance and wear resistance, and the hard carbon film between the side surfaces of the piston ring groove. The sliding characteristics can be further improved.

【0012】請求項3に記載の発明は、請求項1に記載
のピストンリングにおいて、前記硬質炭素皮膜は、前記
上面および下面の表面に形成された少なくともSiを含
有する第1硬質炭素皮膜と、該第1硬質炭素皮膜下に形
成された、W、W及びNi、及び、Tiから選択される
元素を一または二以上含有する第2硬質炭素皮膜とから
なる積層皮膜であることに特徴を有する。
According to a third aspect of the present invention, in the piston ring according to the first aspect, the hard carbon film is a first hard carbon film containing at least Si formed on the surfaces of the upper surface and the lower surface, It is characterized in that it is a laminated film formed under the first hard carbon film and comprising a second hard carbon film containing one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti. .

【0013】この発明によれば、少なくともSiを含有
する第1硬質炭素皮膜と、その第1硬質炭素皮膜下に形
成された、W、W及びNi、及び、Tiから選択される
元素を一または二以上含有する第2硬質炭素皮膜とから
なる硬質炭素積層皮膜が、ピストンリングの少なくとも
上面および下面に形成されているので、第1硬質炭素皮
膜によりピストンリング溝の側面との間の初期なじみ性
および耐Al凝着性の向上を図ることができ、第2硬質
炭素皮膜によりピストンリング溝の側面との間の耐摩耗
性の向上を図ることができる。本発明のピストンリング
は、作用の異なる2つの硬質炭素皮膜を積層したので、
単一層からなる硬質炭素皮膜に比べて積層する各硬質炭
素皮膜の個々の特性を最適なものに調整し易いという利
点があり、初期なじみ性、耐Al凝着性および耐摩耗性
をより一層向上させることができる。
According to the present invention, the first hard carbon film containing at least Si and one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti formed under the first hard carbon film are used. Since the hard carbon laminated coating including the second hard carbon coating containing two or more is formed on at least the upper surface and the lower surface of the piston ring, the first hard carbon coating allows the initial conformability with the side surface of the piston ring groove. Also, the Al adhesion resistance can be improved, and the second hard carbon film can improve the wear resistance between the side surface of the piston ring groove. Since the piston ring of the present invention has two hard carbon coatings having different functions laminated,
Compared with a hard carbon film consisting of a single layer, it has the advantage that it is easy to adjust the individual characteristics of each laminated hard carbon film to the optimum one, and further improves the initial conformability, Al adhesion resistance and wear resistance. Can be made.

【0014】請求項4に記載の発明は、請求項1乃至請
求項3の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記
ピストンリング母材の少なくとも外周摺動面には、スパ
ッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめ
っき皮膜および窒化層から選択された何れかが下地皮膜
または下地層として形成されていることに特徴を有す
る。
According to a fourth aspect of the present invention, in the piston ring according to any one of the first to third aspects, at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring base material has a sputtering coating or an ion plating coating. The present invention is characterized in that any one selected from a chromium plating film and a nitride layer is formed as a base film or a base layer.

【0015】この発明によれば、ピストンリングの少な
くとも外周摺動面には、硬くて靱性のあるスパッタリン
グ皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜
および窒化層から選択された何れかが下地皮膜として形
成されているので、外周摺動面の耐摩耗性をより一層向
上させることができる。
According to the present invention, any one selected from a hard and tough sputtering film, an ion plating film, a chrome plating film and a nitride layer is formed as a base film on at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring. Therefore, the wear resistance of the outer peripheral sliding surface can be further improved.

【0016】請求項5に記載の発明は、請求項1乃至請
求項4の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記
ピストンリングの少なくとも上面および下面には、少な
くともCrを含有する下地層が形成されていることに特
徴を有する。
According to a fifth aspect of the present invention, in the piston ring according to any one of the first to fourth aspects, an underlayer containing at least Cr is formed on at least an upper surface and a lower surface of the piston ring. It is characterized by

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明のピストンリングに
ついて図面を参照しつつ説明する。なお、以下におい
て、%は、質量比での%すなわち質量%をいう。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A piston ring of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following,% means% in mass ratio, that is, mass%.

【0018】本発明のピストンリング10は、図1〜図
3に示すように、15×10-6/℃以上の熱膨張係数を
有するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストン
リング母材1の少なくとも上面8および下面9に硬質炭
素皮膜が形成されている。さらに、本発明のピストンリ
ング10は、その硬質炭素皮膜2が、W、W及びNi、
及び、Tiから選択される元素を一または二以上含む単
層皮膜(以下、硬質炭素単層皮膜2aという。)、また
は、少なくともSiを含有する第1硬質炭素皮膜11
と、その第1硬質炭素皮膜11下に形成された、W、W
及びNi、及び、Tiから選択される元素を一または二
以上含有する第2硬質炭素皮膜12とからなる積層皮膜
(以下、硬質炭素積層皮膜2bという。)である。
As shown in FIGS. 1 to 3, the piston ring 10 of the present invention has at least the upper surface 8 of the piston ring base material 1 made of austenitic stainless steel having a thermal expansion coefficient of 15 × 10 −6 / ° C. or more. And a hard carbon film is formed on the lower surface 9. Further, in the piston ring 10 of the present invention, the hard carbon film 2 has W, W and Ni,
And, a single-layer coating containing one or more elements selected from Ti (hereinafter referred to as hard carbon single-layer coating 2a), or a first hard carbon coating 11 containing at least Si.
And W, W formed under the first hard carbon film 11
And a second hard carbon coating 12 containing one or more elements selected from Ni and Ti (hereinafter referred to as hard carbon laminated coating 2b).

【0019】こうした構成からなる本発明のピストンリ
ングは、相手材であるアルミニウム合金製シリンダライ
ナに対する熱膨張の追従性がよく、ブローバイガスの発
生を抑制できると共に、ピストンリング溝の側面との間
のAl凝着現象を防止でき、初期なじみ性を改善し、優
れた耐摩耗性を発揮することができる。
The piston ring of the present invention having such a structure has a good followability of thermal expansion to the aluminum alloy cylinder liner as the mating material, can suppress the generation of blow-by gas, and can be formed between the side surface of the piston ring groove. It is possible to prevent the Al adhesion phenomenon, improve the initial conformability, and exhibit excellent wear resistance.

【0020】本発明のピストンリング10は、ピストン
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。)によってアルミニウム合
金製シリンダライナの内周面を摺動接触しながら、さら
にピストンリング溝の側面に叩かれながら、上下運動す
る摺動部材である。本発明のピストンリング10は、ト
ップリング、セカンドリング、オイルリングの何れかで
あってもまたはそれらの全てであってもよい。
The piston ring 10 of the present invention is mounted in a piston ring groove formed in the piston, and slides in contact with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner by the vertical movement of the piston (same as reciprocating movement). The sliding member moves up and down while being hit by the side surface of the piston ring groove. The piston ring 10 of the present invention may be any of a top ring, a second ring, an oil ring, or all of them.

【0021】(1)ピストンリング母材 ピストンリング母材1は、15×10-6/℃以上の熱膨
張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼によって
作製される。こうした熱膨張係数を有するピストンリン
グ母材1は、通常の熱膨張係数が約20×10-6/℃の
アルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張に十分追従
することができる。熱膨張係数が15×10-6/℃未満
の場合は、アルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張
に十分追従することができないので、多量のブローバイ
ガスの発生を招き、エンジン出力の低下や潤滑油消費量
が増加することがある。
(1) Piston ring base material The piston ring base material 1 is made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 −6 / ° C. or more. The piston ring base material 1 having such a coefficient of thermal expansion can sufficiently follow the thermal expansion of a cylinder liner made of an aluminum alloy having a normal coefficient of thermal expansion of about 20 × 10 −6 / ° C. If the coefficient of thermal expansion is less than 15 × 10 −6 / ° C., the thermal expansion of the aluminum alloy cylinder liner cannot be sufficiently followed, so that a large amount of blow-by gas is generated, resulting in a decrease in engine output and consumption of lubricating oil. The quantity may increase.

【0022】使用したオーステナイト系ステンレス鋼
は、オーステナイト相を有し、3.5%以上17%以下
のNiと、15%以上20%以下のCrを含有すること
が好ましい。Ni含有量が3.5%未満では、Cr含有
量との配合比率を変えても15×10-6/℃以上の熱膨
張係数を確保することができない。なお、Niにはオー
ステナイト系ステンレス鋼中への窒素元素の侵入を妨害
する作用があるので、後述するようにオーステナイト系
ステンレス鋼の表面を窒化処理する場合においては、N
i含有量が17%を超えると窒化処理時間が長くなると
いう不都合がある。従って、Ni含有量を3.5%以
上、より好ましくは8%以上とし、17%以下、より好
ましくは15%以下に限定できる。さらに、Crは侵入
する窒素元素と結合して高硬度の窒化クロムを形成し、
その結果、窒化層の硬さを向上させる作用があるので、
後述するようにオーステナイト系ステンレス鋼の表面を
窒化処理する場合においては、オーステナイト系ステン
レス鋼の耐摩耗性や耐スカッフ性の向上を図るための重
要な元素となる。Cr含有量が15%未満では、高硬度
の窒化クロムが十分に形成されないので、高硬度の窒化
層が得られない。一方、Crも、Niほどではないが、
オーステナイト系ステンレス鋼中への窒素元素の侵入を
妨害する作用があるので、後述するようにオーステナイ
ト系ステンレス鋼の表面を窒化処理する場合において
は、Cr含有量が20%を超えると、窒化処理時間が長
くなるという不都合がある。従って、Cr含有量を、1
5%以上、より好ましくは18%以上とし、20%以下
に限定した。なお、オーステナイト系ステンレス鋼の成
分組成としては、上述のNiやCrのほかに、必要に応
じてMn、Mo、Cu、Nb、Se、Ti、N等の元素
を添加したものを使用することができる。これらの添加
元素の効果は、従来公知のものと同様である。
The austenitic stainless steel used preferably has an austenitic phase and contains 3.5% or more and 17% or less Ni and 15% or more and 20% or less Cr. If the Ni content is less than 3.5%, a thermal expansion coefficient of 15 × 10 −6 / ° C. or more cannot be secured even if the mixing ratio with the Cr content is changed. Since Ni has a function of hindering the invasion of nitrogen element into the austenitic stainless steel, Ni is used in the case of nitriding the surface of the austenitic stainless steel as described later.
If the i content exceeds 17%, the nitriding treatment time becomes long. Therefore, the Ni content can be limited to 3.5% or more, more preferably 8% or more, and 17% or less, more preferably 15% or less. Further, Cr combines with the invading nitrogen element to form high hardness chromium nitride,
As a result, it has the effect of improving the hardness of the nitride layer,
As will be described later, when nitriding the surface of austenitic stainless steel, it is an important element for improving the wear resistance and scuff resistance of the austenitic stainless steel. When the Cr content is less than 15%, high-hardness chromium nitride is not sufficiently formed, so that a high-hardness nitride layer cannot be obtained. On the other hand, Cr is not as much as Ni,
Since it has a function of hindering the invasion of nitrogen element into the austenitic stainless steel, when nitriding the surface of the austenitic stainless steel as described later, when the Cr content exceeds 20%, the nitriding treatment time Has the disadvantage of being long. Therefore, the Cr content should be 1
5% or more, more preferably 18% or more and limited to 20% or less. As the composition of the austenitic stainless steel, it is possible to use, in addition to the above Ni and Cr, if necessary, elements such as Mn, Mo, Cu, Nb, Se, Ti and N are added. it can. The effects of these additional elements are similar to those conventionally known.

【0023】こうしたピストンリング母材1で構成され
た本発明のピストンリングは、アルミニウム合金製シリ
ンダライナの熱膨張に十分に追従することができるの
で、ファーストリング、セカンドリング、オイルリング
の何れに用いても十分にその効果を発揮することができ
る。そして、本発明のピストンリング10の相手材とな
るアルミニウム合金製シリンダライナは、上述のよう
に、約20×10-6/℃程度の熱膨張係数を有するもの
であり、例えばSi量が16〜18%あるいはSi量が
23〜28%の過共晶Al−Si合金からなるものであ
る。本発明のピストンリング10は、比較的大きな熱膨
張を起こすアルミニウム合金製シリンダライナに対して
上述の顕著な効果を有している。
Since the piston ring of the present invention composed of the piston ring base material 1 can sufficiently follow the thermal expansion of the aluminum alloy cylinder liner, it is used for any of the first ring, the second ring and the oil ring. However, the effect can be fully exhibited. The aluminum alloy cylinder liner that is the mating material of the piston ring 10 of the present invention has a coefficient of thermal expansion of about 20 × 10 −6 / ° C., as described above. It is made of a hypereutectic Al-Si alloy having 18% or a Si content of 23 to 28%. The piston ring 10 of the present invention has the above-mentioned remarkable effects on an aluminum alloy cylinder liner that undergoes relatively large thermal expansion.

【0024】(2)硬質炭素皮膜 ピストンリング母材1の少なくとも上面8および下面9
に形成される硬質炭素皮膜は、ピストンリング溝の側面
との間のAl凝着現象を防止でき、初期なじみ性を改善
し、優れた耐摩耗性を発揮することができる皮膜であっ
て、W、W及びNi、及び、Tiから選択される元素を
一または二以上含む硬質炭素単層皮膜2a、または、少
なくともSiを含有する第1硬質炭素皮膜11と、その
第1硬質炭素皮膜11下に形成された、W、W及びN
i、及び、Tiから選択される元素を一または二以上含
有する第2硬質炭素皮膜12とからなる硬質炭素積層皮
膜2bの何れかからなるものである。
(2) At least the upper surface 8 and the lower surface 9 of the hard carbon coating piston ring base material 1.
The hard carbon film formed on is a film that can prevent the Al adhesion phenomenon between the side surface of the piston ring groove, improve the initial conformability, and exhibit excellent wear resistance. , W and Ni, and a hard carbon monolayer film 2a containing one or more elements selected from Ti, or a first hard carbon film 11 containing at least Si, and below the first hard carbon film 11 Formed W, W and N
i, and the second hard carbon coating 12 containing one or more elements selected from Ti, and the hard carbon laminated coating 2b.

【0025】先ず、硬質炭素単層皮膜2aについて説明
する。
First, the hard carbon single layer coating 2a will be described.

【0026】硬質炭素単層皮膜2aは、ピストンリング
母材1の少なくとも上面8および下面9に形成されて優
れた耐Al凝着性と耐摩耗性を発揮してピストンリング
の摺動特性をより一層向上させることができる単層皮膜
であって、W、W及びNi、及び、Tiから選択される
元素を一または二以上含むものである。
The hard carbon single-layer coating 2a is formed on at least the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring base material 1 and exhibits excellent Al adhesion resistance and wear resistance to improve the sliding characteristics of the piston ring. It is a single-layer coating that can be further improved and contains one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti.

【0027】こうした硬質炭素単層皮膜2aのうち、少
なくともWを含有するW−C系の硬質炭素皮膜または、
更にNiを含有するW−Ni−C系の硬質炭素皮膜は、
金属W及び/又はWCを含有しているので、極めて耐摩
耗性に優れている。さらに、硬質炭素皮膜が含有するW
の作用により、膜厚形成能が向上し厚膜化が可能とな
る。その結果、生産性のよい耐摩耗性皮膜を形成できる
という利点がある。なお、Niは硬質炭素皮膜形成用W
ターゲット中に含有されている場合が多く、硬質炭素皮
膜中に含有されやすい元素である。Niを含有する硬質
炭素皮膜形成用Wターゲットはコスト削減の観点から有
利である。また、少なくともTiを含有するTi−C系
の硬質炭素皮膜も、上述のW−C系またはW−Ni−C
系の硬質炭素皮膜と同様、含有する金属Ti及び/又は
TiCの作用により、極めて耐摩耗性に優れている。な
お、W、Ni、Tiの全てを含有するW−Ni−Ti−
C系の硬質炭素単層皮膜も、上記同様、含有する各金属
及び/又は各炭化物の作用により、極めて耐摩耗性に優
れている。
Of these hard carbon single-layer coatings 2a, a WC type hard carbon coating containing at least W, or
Further, the W-Ni-C-based hard carbon coating containing Ni is
Since it contains the metal W and / or WC, it is extremely excellent in wear resistance. Further, W contained in the hard carbon film
By the action of, the film thickness forming ability is improved and the film thickness can be increased. As a result, there is an advantage that a wear-resistant coating with good productivity can be formed. In addition, Ni is W for forming a hard carbon film
It is an element that is often contained in the target and is easily contained in the hard carbon film. The W target for forming a hard carbon film containing Ni is advantageous from the viewpoint of cost reduction. Further, the Ti-C-based hard carbon coating containing at least Ti is also the above-mentioned WC-based or W-Ni-C.
Like the hard carbon coating of the system, it has extremely excellent wear resistance due to the action of the contained metal Ti and / or TiC. In addition, W-Ni-Ti- containing all of W, Ni, and Ti
Similarly to the above, the C-based hard carbon single layer coating is also extremely excellent in wear resistance due to the action of each metal and / or each carbide contained.

【0028】上面8および下面9に形成される硬質炭素
単層皮膜2aの厚さは、1〜30μmであることが好ま
しく5〜20μmであることがさらに好ましい。こうし
た範囲内の厚さを有する硬質炭素単層皮膜2aは、ピス
トンリング溝の側面に継続的に叩かれても優れた耐摩耗
性を長期間継続させることができる。硬質炭素単層皮膜
2aの厚さが1μm未満では、膜厚が薄いので、摩耗が
僅かながら進行した際にピストンリングの上面8および
下面9の耐摩耗性を十分担保できないことがある。一
方、硬質炭素単層皮膜2aの厚さが30μmを超える
と、継続的に叩かれる間に剥離することがある。
The thickness of the hard carbon single layer coating 2a formed on the upper surface 8 and the lower surface 9 is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm. The hard carbon single-layer coating 2a having a thickness within such a range can maintain excellent wear resistance for a long period of time even when continuously hit by the side surface of the piston ring groove. When the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a is less than 1 μm, the film thickness is small, so that the wear resistance of the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring may not be sufficiently ensured when the wear progresses slightly. On the other hand, if the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a exceeds 30 μm, the hard carbon single-layer coating 2a may be peeled off while being continuously hit.

【0029】なお、後述するように、上下面以外の面、
すなわち、外周摺動面6または内周面7に硬質炭素単層
皮膜2aを形成する場合における各面に形成する硬質炭
素単層皮膜2aの厚さは、外周摺動面6については1〜
60μmであることが好ましく、内周面7については
0.01μm以上であることが好ましい。
As will be described later, surfaces other than the upper and lower surfaces,
That is, when the hard carbon single-layer coating 2a is formed on the outer peripheral sliding surface 6 or the inner peripheral surface 7, the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on each surface is 1 to about the outer peripheral sliding surface 6.
The thickness is preferably 60 μm, and the inner peripheral surface 7 is preferably 0.01 μm or more.

【0030】外周摺動面6に形成する硬質炭素単層皮膜
2aの厚さを1〜60μmとしたのは、アルミニウム合
金製シリンダライナの内周面との間の耐摩耗性および耐
スカッフ性、および製造上の観点によるものである。具
体的には、外周摺動面6に形成される硬質炭素単層皮膜
2aの厚さが1μm未満では、膜厚が薄くてアルミニウ
ム合金製シリンダライナの内周面との間で耐摩耗性の向
上が図れないことがある。一方、外周摺動面6に形成さ
れる硬質炭素単層皮膜2aの厚さが60μmを超える
と、形成された硬質炭素単層皮膜2aに剥離が発生する
ことがある。また、内周面7に形成する硬質炭素単層皮
膜2aの厚さを0.01μm以上とすることにより、硬
質炭素単層皮膜2aの耐剥離性を向上させることができ
る。また、上下面8、9に形成された硬質炭素単層皮膜
2aの厚さを基準として設ける外周摺動面6および内周
面7に形成される硬質炭素単層皮膜2aの厚さは、後述
するように、成膜時に隣接するピストンリングの隙間を
変化させることによって調整できるので、上下面8、9
の厚さとの差を適宜調整できる。
The thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the outer peripheral sliding surface 6 is set to 1 to 60 μm because the abrasion resistance and the scuff resistance between the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner, And from the viewpoint of manufacturing. Specifically, when the hard carbon single-layer coating 2a formed on the outer peripheral sliding surface 6 has a thickness of less than 1 μm, it has a small film thickness and has a wear resistance with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner. It may not be possible to improve. On the other hand, when the thickness of the hard carbon single layer coating 2a formed on the outer peripheral sliding surface 6 exceeds 60 μm, peeling may occur in the formed hard carbon single layer coating 2a. Further, by setting the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the inner peripheral surface 7 to 0.01 μm or more, the peel resistance of the hard carbon single-layer coating 2a can be improved. Further, the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the outer peripheral sliding surface 6 and the inner peripheral surface 7 provided with reference to the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 will be described later. As described above, since it can be adjusted by changing the gap between the adjacent piston rings during film formation, the upper and lower surfaces 8, 9
Can be adjusted as appropriate.

【0031】なお、本発明においては、上下面8、9に
おける硬質炭素単層皮膜2aの厚さを100(指数)と
したときに、外周摺動面6における硬質炭素単層皮膜2
aの厚さを100〜200(指数)とすることが好まし
く、また、内周面7における硬質炭素単層皮膜2aの厚
さを1〜99(指数)とすることが好ましい。
In the present invention, when the thickness of the hard carbon single layer coating 2a on the upper and lower surfaces 8 and 9 is set to 100 (index), the hard carbon single layer coating 2 on the outer peripheral sliding surface 6 is formed.
The thickness of a is preferably 100 to 200 (index), and the thickness of the hard carbon single layer coating 2a on the inner peripheral surface 7 is preferably 1 to 99 (index).

【0032】硬質炭素単層皮膜2aの組成については特
に限定されないが、W−C系の硬質炭素単層皮膜2aの
場合には、W:50〜85%好ましくは60〜80%、
C:残部、その他不可避不純物であることが、上述した
優れた作用効果の観点から好ましい。また、W−Ni−
C系の硬質炭素単層皮膜2aの場合には、W:55〜8
5%好ましくは60〜80%、Ni:3〜10%好まし
くは5〜8%、C:残部、その他不可避不純物であるこ
とが、上述した優れた作用効果の観点から好ましい。ま
た、Ti−C系の硬質炭素単層皮膜2aの場合には、T
i:20〜50%好ましくは30〜40%、C:残部、
その他不可避不純物であることが、上述した優れた作用
効果の観点から好ましい。
The composition of the hard carbon single layer coating 2a is not particularly limited, but in the case of the WC type hard carbon single layer coating 2a, W: 50 to 85%, preferably 60 to 80%,
C: The balance and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. In addition, W-Ni-
In the case of the C-based hard carbon single layer film 2a, W: 55-8
5%, preferably 60 to 80%, Ni: 3 to 10%, preferably 5 to 8%, C: balance, and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. Further, in the case of the Ti—C based hard carbon single layer film 2a, T
i: 20 to 50%, preferably 30 to 40%, C: balance,
Other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect.

【0033】さらに、後述するように、硬質炭素単層皮
膜2aは、反応性スパッタリング法またはプラズマCV
D法等により成膜されるが、成膜中にガス流量を変化さ
せ、母材1側から表面側に向かって硬質炭素単層皮膜2
aの成分組成を連続的または段階的に徐々に変化させる
こともできる。こうした手段により、厚さ方向の硬質炭
素単層皮膜2aの耐摩耗性を徐々に変化させることがで
きる。
Further, as described later, the hard carbon single layer film 2a is formed by the reactive sputtering method or plasma CV.
The film is formed by the D method or the like, but the gas flow rate is changed during the film formation to form the hard carbon single layer film 2 from the base material 1 side toward the surface side.
The component composition of a can also be gradually changed continuously or stepwise. By such means, the wear resistance of the hard carbon single-layer coating 2a in the thickness direction can be gradually changed.

【0034】以上説明したように、本発明のピストンリ
ング10においては、こうした硬質炭素単層皮膜2が少
なくとも上面8および下面9に形成されているので、ピ
ストンの上下運動によりピストンリング溝の側面に叩か
れるピストンリングの上下面8、9のAl凝着が抑制さ
れると共に初期なじみ性が改善され、さらに耐摩耗性が
向上して、良好な摺動特性を長期間継続させることがで
きる。
As described above, in the piston ring 10 of the present invention, since the hard carbon single-layer coating 2 is formed on at least the upper surface 8 and the lower surface 9, the piston ring 10 is moved up and down to the side surface of the piston ring groove. Al adhesion between the upper and lower surfaces 8 and 9 of the hit piston ring is suppressed, initial conformability is improved, wear resistance is improved, and good sliding characteristics can be continued for a long time.

【0035】次に、硬質炭素積層皮膜2bについて説明
する。
Next, the hard carbon laminated film 2b will be described.

【0036】硬質炭素積層皮膜2bは、少なくとも上面
8および下面9に耐Al凝着性に優れた第1硬質炭素皮
膜11を有し、その第1硬質炭素皮膜11の下にはその
第1硬質炭素皮膜が摩耗した後に現れる耐摩耗性に優れ
た第2硬質炭素皮膜12を有する。
The hard carbon laminated film 2b has a first hard carbon film 11 having excellent Al adhesion resistance on at least the upper surface 8 and the lower surface 9, and below the first hard carbon film 11 is the first hard carbon film 11. The second hard carbon film 12 having excellent wear resistance, which appears after the carbon film is worn, is provided.

【0037】第1硬質炭素皮膜について説明する。The first hard carbon film will be described.

【0038】第1硬質炭素皮膜11は、硬質炭素積層皮
膜2bにおける表面層を構成し、少なくともSi(ケイ
素)を含有するSi−C系の硬質炭素皮膜である。Si
を含有する第1硬質炭素皮膜11は、ピストンリング溝
の側面との間の初期なじみ性に優れたものである。こう
した特徴を有する第1硬質炭素皮膜11は、後述する第
2硬質炭素皮膜12に比べて耐摩耗性については若干落
ちるものの、厚さの下限値を0.1μmとすることによ
って、初期なじみ性を著しく改善することができる。な
お、第1硬質炭素皮膜11の好ましい厚さの範囲は、
0.5〜20μmであり、更に好ましくは5〜15μm
である。こうした範囲内に第1硬質炭素皮膜11の厚さ
を設定することによって、ピストンリングの上下面8、
9に優れた初期なじみ性を付与することができると共
に、そうした第1硬質炭素皮膜11によりピストンリン
グ溝の側面との間のAl凝着現象を抑制することができ
る。
The first hard carbon film 11 is a Si--C type hard carbon film which constitutes the surface layer of the hard carbon laminated film 2b and contains at least Si (silicon). Si
The first hard carbon film 11 containing is excellent in initial conformability with the side surface of the piston ring groove. The first hard carbon film 11 having such characteristics has a slightly lower wear resistance than the second hard carbon film 12 described later, but the lower limit of the thickness of the first hard carbon film 11 is set to 0.1 μm to improve the initial conformability. It can be improved significantly. In addition, the preferable range of the thickness of the first hard carbon film 11 is as follows.
0.5 to 20 μm, more preferably 5 to 15 μm
Is. By setting the thickness of the first hard carbon film 11 within such a range, the upper and lower surfaces 8 of the piston ring,
9 can be provided with excellent initial conformability, and the first hard carbon coating 11 can suppress the Al adhesion phenomenon between the first hard carbon coating 11 and the side surface of the piston ring groove.

【0039】第1硬質炭素皮膜11の組成については特
に限定されないが、Si:50〜70%好ましくは55
〜65%、C:残部、その他不可避不純物からなること
が好ましい。こうした第1硬質炭素皮膜11中に含有す
るSiは、金属Siとして含まれていても、SiCとし
て含まれていても、または、金属SiおよびSiCとし
て含まれていてもよい。
The composition of the first hard carbon film 11 is not particularly limited, but Si: 50 to 70%, preferably 55.
˜65%, C: balance, preferably other unavoidable impurities. The Si contained in the first hard carbon film 11 may be contained as metallic Si, as SiC, or as metallic Si and SiC.

【0040】また、第1硬質炭素皮膜11は、後述する
第2硬質炭素皮膜12上に必ず形成されるので、第1硬
質炭素皮膜11と第2硬質炭素皮膜12とが高い密着性
をもって積層されていることが望ましい。こうした要求
を満たすため、本発明においては、第1硬質炭素皮膜1
1中のSi含有比率を、表面側から第2硬質炭素皮膜側
に向かって連続的又は段階的に増加するように傾斜させ
て形成することが好ましい。そうすることにより、少な
くともWを含有する第2硬質炭素皮膜12近傍の第1硬
質炭素皮膜11のSi含有比率を高くして、第1硬質炭
素皮膜12と第2硬質炭素皮膜12との密着性を向上さ
せることができる。よって、初期なじみ性に優れた第1
硬質炭素皮膜を密着性よく第2硬質炭素皮膜上に設ける
ことができるので、ピストンリング10の上下面8、9
における耐Al凝着性を顕著に向上させることができ
る。
Further, since the first hard carbon film 11 is always formed on the second hard carbon film 12 described later, the first hard carbon film 11 and the second hard carbon film 12 are laminated with high adhesion. Is desirable. In order to meet such requirements, in the present invention, the first hard carbon film 1
It is preferable that the Si content ratio in 1 be formed so as to be gradually or continuously increased from the surface side toward the second hard carbon film side. By doing so, the Si content ratio of the first hard carbon coating 11 near the second hard carbon coating 12 containing at least W is increased, and the adhesion between the first hard carbon coating 12 and the second hard carbon coating 12 is increased. Can be improved. Therefore, the first with excellent initial familiarity
Since the hard carbon film can be provided on the second hard carbon film with good adhesion, the upper and lower surfaces 8, 9 of the piston ring 10 can be formed.
Al adhesion resistance can be remarkably improved.

【0041】図4は、第1硬質炭素皮膜11が含有する
Siの含有比率を膜厚方向に傾斜させた態様を示してい
る。図4に示すように、Siの含有比率が表面側から第
2硬質炭素皮膜側に向かって高くなるように曲線状に変
化させたり、直線状に変化させることができる。このと
き、第2硬質炭素皮膜12に接する部分の第1硬質炭素
皮膜11のSiの含有比率を高くし、およそ70〜10
0%とすることが好ましい。Si含有比率をこうした範
囲内とすることにより、第2硬質炭素皮膜12との密着
性がより向上する。このとき、最外周側の第1硬質炭素
皮膜11のSi含有比率は低くなり、およそ0〜70%
となる。
FIG. 4 shows a mode in which the content ratio of Si contained in the first hard carbon film 11 is inclined in the film thickness direction. As shown in FIG. 4, the content ratio of Si can be changed into a curved shape so as to increase from the surface side toward the second hard carbon film side, or can be changed into a linear shape. At this time, the Si content ratio of the portion of the first hard carbon film 11 in contact with the second hard carbon film 12 is increased to about 70 to 10
It is preferably 0%. By setting the Si content ratio within such a range, the adhesion with the second hard carbon film 12 is further improved. At this time, the Si content ratio of the first hard carbon film 11 on the outermost peripheral side becomes low, and is about 0 to 70%.
Becomes

【0042】次に、第2硬質炭素皮膜について説明す
る。
Next, the second hard carbon film will be described.

【0043】第2硬質炭素皮膜12は、少なくとも上下
面8、9に形成された硬質炭素積層皮膜2bにおける下
層、すなわち硬質炭素積層皮膜2bにおける第1硬質炭
素皮膜11の下層を構成するものである。
The second hard carbon coating 12 constitutes at least the lower layer of the hard carbon laminated coating 2b formed on the upper and lower surfaces 8, 9; that is, the lower layer of the first hard carbon coating 11 of the hard carbon laminated coating 2b. .

【0044】この第2硬質炭素皮膜12は、少なくとも
W(タングステン)を含有するW−C系の硬質炭素皮膜
または、更にNiを含有するW−Ni−C系の硬質炭素
皮膜である。こうした第2硬質炭素皮膜12は、金属W
及び/又はWCを含有しているので、極めて耐摩耗性に
優れている。さらに、第2硬質炭素皮膜12が含有する
Wの作用により、膜厚形成能が向上し厚膜化が可能とな
る。その結果、生産性のよい耐摩耗性皮膜を形成できる
という利点がある。なお、Niは第2硬質炭素皮膜形成
用Wターゲット中に含有されている場合が多く、第2硬
質炭素皮膜12中に含有されやすい元素である。Niを
含有する第2硬質炭素皮膜形成用Wターゲットはコスト
削減の観点から有利である。なお、W、Ni、Tiの全
てを含有するW−Ni−Ti−C系の第2硬質炭素皮膜
12も、上記同様、含有する各金属及び/又は各炭化物
の作用により、極めて耐摩耗性に優れている。
The second hard carbon film 12 is a W—C type hard carbon film containing at least W (tungsten) or a W—Ni—C type hard carbon film further containing Ni. The second hard carbon film 12 is made of metal W
And / or WC, it has extremely excellent wear resistance. Further, the action of W contained in the second hard carbon film 12 improves the film thickness forming ability and enables the film thickness to be increased. As a result, there is an advantage that a wear-resistant coating with good productivity can be formed. Note that Ni is often contained in the W target for forming the second hard carbon film, and is an element that is easily contained in the second hard carbon film 12. The second hard carbon film-forming W target containing Ni is advantageous from the viewpoint of cost reduction. The W-Ni-Ti-C-based second hard carbon coating 12 containing all of W, Ni, and Ti also has extremely wear resistance due to the action of each metal and / or each carbide contained, as described above. Are better.

【0045】上下面8、9に形成される第2硬質炭素皮
膜12の厚さは、1.0〜30μmであることが好まし
く3〜20μmであることがさらに好ましい。こうした
範囲内の厚さを有する第2硬質炭素皮膜12は、優れた
耐摩耗性を発揮することができる。第2硬質炭素皮膜1
2の厚さが1.0μm未満では、膜厚が薄いので、摩耗
が僅かながら進行した際にピストンリングの上下面8、
9の耐摩耗性を十分担保できないことがある。一方、第
2硬質炭素皮膜12の厚さが30μmを超えると、摺動
中に剥離することがある。
The thickness of the second hard carbon film 12 formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 is preferably 1.0 to 30 μm, more preferably 3 to 20 μm. The second hard carbon film 12 having a thickness within such a range can exhibit excellent wear resistance. Second hard carbon film 1
If the thickness of 2 is less than 1.0 μm, the film thickness is small, so when the wear progresses slightly,
The wear resistance of No. 9 may not be sufficiently ensured. On the other hand, if the thickness of the second hard carbon film 12 exceeds 30 μm, it may peel off during sliding.

【0046】第2硬質炭素皮膜12の組成については特
に限定されないが、W−C系の第2硬質炭素皮膜12の
場合には、W:50〜85%好ましくは60〜80%、
C:残部、その他不可避不純物であることが、上述した
優れた作用効果の観点から好ましい。また、W−Ni−
C系の第2硬質炭素皮膜12の場合には、W:55〜8
5%好ましくは60〜80%、Ni:3〜10%好まし
くは5〜8%、C:残部、その他不可避不純物であるこ
とが、上述した優れた作用効果の観点から好ましい。ま
た、Ti−C系の硬質炭素単層皮膜2aの場合には、T
i:20〜50%好ましくは30〜40%、C:残部、
その他不可避不純物であることが、上述した優れた作用
効果の観点から好ましい。
The composition of the second hard carbon coating 12 is not particularly limited, but in the case of the WC type second hard carbon coating 12, W: 50 to 85%, preferably 60 to 80%,
C: The balance and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. In addition, W-Ni-
In the case of the C-based second hard carbon film 12, W: 55-8
5%, preferably 60 to 80%, Ni: 3 to 10%, preferably 5 to 8%, C: balance, and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. Further, in the case of the Ti—C based hard carbon single layer film 2a, T
i: 20 to 50%, preferably 30 to 40%, C: balance,
Other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect.

【0047】さらに、後述するように、第2硬質炭素皮
膜12は、反応性スパッタリング法またはプラズマCV
D法等により成膜されるが、成膜中にガス流量を変化さ
せ、母材1側から表面側に向かって第2硬質炭素皮膜1
2の成分組成を連続的または段階的に徐々に変化させる
こともできる。こうした手段により、厚さ方向の第2硬
質炭素皮膜12の耐摩耗性を徐々に変化させることがで
きる。
Further, as will be described later, the second hard carbon film 12 is formed by the reactive sputtering method or plasma CV.
The film is formed by the D method or the like, but the gas flow rate is changed during the film formation to form the second hard carbon film 1 from the base material 1 side toward the surface side.
The composition of the two components can also be gradually changed continuously or stepwise. By such means, the wear resistance of the second hard carbon film 12 in the thickness direction can be gradually changed.

【0048】以上説明したように、ピストンリングは、
ピストンの上下運動によりシリンダライナの内周面を摺
動接触しながら且つピストンリング構内の側面に叩かれ
ながら、上下運動するものであるが、本発明のピストン
リング10においては、上述の硬質炭素積層皮膜2bが
上面8および下面9に形成されているので、先ず、表面
に形成された第1硬質炭素皮膜11の作用により、ピス
トンリング溝の側面に対する耐Al凝着性が向上し、さ
らにピストンリング溝の側面との間の初期なじみ性も改
善される。次いで、ピストンリング溝の側面との摺動接
触が進行すると、その第1硬質炭素皮膜11が徐々に摩
耗し、その第1硬質炭素皮膜11の下に形成された第2
硬質炭素皮膜12が現れる。現れた第2硬質炭素皮膜1
2は、耐摩耗性に優れるので、上面8および下面9の摩
耗が抑制され、良好な摺動特性を長期間継続させること
ができる。しかも、こうした各硬質炭素皮膜11、12
は、ピストンリング溝の側面との間のAl凝着現象を抑
制することができる。
As explained above, the piston ring is
The piston ring 10 moves up and down while slidingly contacting the inner peripheral surface of the cylinder liner by the up and down movement of the piston and being hit by the side surface inside the piston ring premises. In the piston ring 10 of the present invention, the above-mentioned hard carbon laminate is used. Since the coating 2b is formed on the upper surface 8 and the lower surface 9, first, the action of the first hard carbon coating 11 formed on the surface improves Al adhesion resistance to the side surface of the piston ring groove, and further the piston ring. The initial conformability with the side surface of the groove is also improved. Then, when the sliding contact with the side surface of the piston ring groove progresses, the first hard carbon film 11 is gradually worn, and the second hard carbon film 11 formed under the second hard carbon film 11 is gradually worn.
The hard carbon film 12 appears. The second hard carbon film that appeared 1
Since No. 2 has excellent wear resistance, wear of the upper surface 8 and the lower surface 9 is suppressed, and good sliding characteristics can be continued for a long period of time. Moreover, each of these hard carbon films 11, 12
Can suppress the Al adhesion phenomenon between the side surfaces of the piston ring groove.

【0049】(3)上下面以外の面の構成 本発明のピストンリングは、図1(a)〜(f)に示す
ように、少なくとも上面8および下面9に硬質炭素単層
皮膜2aまたは硬質炭素積層皮膜2bを有するものであ
るが、図1(a)(d)に示すように必ずしも上面8お
よび下面9にのみ硬質炭素単層皮膜2aまたは硬質炭素
積層皮膜2bが形成されている必要はない。したがっ
て、上下面8、9以外の面、すなわち、ピストンリング
の外周摺動面6や内周面7にも硬質炭素単層皮膜2aま
たは硬質炭素積層皮膜2bを形成することができる。
(3) Structure of surfaces other than upper and lower surfaces As shown in FIGS. 1 (a) to 1 (f), the piston ring of the present invention has at least the upper surface 8 and the lower surface 9 of the hard carbon single layer coating 2a or the hard carbon. Although it has a laminated coating 2b, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (d), the hard carbon single layer coating 2a or the hard carbon laminated coating 2b does not necessarily have to be formed only on the upper surface 8 and the lower surface 9. . Therefore, the hard carbon single-layer coating 2a or the hard carbon laminated coating 2b can be formed on the surfaces other than the upper and lower surfaces 8 and 9, that is, the outer peripheral sliding surface 6 and the inner peripheral surface 7 of the piston ring.

【0050】図1(b)(e)に示すように、硬質炭素
単層皮膜2aまたは硬質炭素積層皮膜2bがピストンリ
ング10の上下面8、9および外周摺動面6に連続して
形成される場合には、ピストンリング溝内の側面とピス
トンリングの上下面8、9との間における耐摩耗性の向
上およびAl凝着現象を抑制することができると共に、
アルミニウム合金製シリンダライナの内周面とピストン
リングの外周摺動面6との間における耐スカッフ性およ
び耐摩耗性の向上を図ることができる。
As shown in FIGS. 1 (b) and 1 (e), a hard carbon single layer coating 2a or a hard carbon laminated coating 2b is continuously formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring 10 and the outer peripheral sliding surface 6. In this case, it is possible to improve the wear resistance and suppress the Al adhesion phenomenon between the side surface in the piston ring groove and the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring.
It is possible to improve the scuff resistance and wear resistance between the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner and the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring.

【0051】図1(c)(f)に示すように、硬質炭素
単層皮膜2aまたは硬質炭素積層皮膜2bがピストンリ
ング10の上下面8、9、外周摺動面6および内周面7
に連続して形成される場合には、ピストンリング溝内の
側面とピストンリングの上下面8、9との間における耐
摩耗性の向上およびAl凝着現象を抑制することができ
ると共に、アルミニウム合金製シリンダライナの内周面
とピストンリングの外周摺動面6との間における耐スカ
ッフ性および耐摩耗性の向上を図ることができる。しか
も、ピストンリングの内周面7を含めた全周全てに硬質
炭素積層皮膜2が連続して形成されているので、使用中
における硬質炭素単層皮膜2aまたは硬質炭素積層皮膜
2bのクラック及び/又は欠け等を発生させる起点が少
なく、硬質炭素単層皮膜2aまたは硬質炭素積層皮膜2
bの耐剥離性を向上させることができる。その結果、ピ
ストンリングを長期間使用した場合であっても、ピスト
ンリングの全周において優れた耐摩耗性を発揮すること
ができる。
As shown in FIGS. 1 (c) and 1 (f), the hard carbon single layer coating 2a or the hard carbon laminated coating 2b is formed on the upper and lower surfaces 8 and 9, the outer peripheral sliding surface 6 and the inner peripheral surface 7 of the piston ring 10.
When continuously formed on the aluminum alloy, it is possible to improve the wear resistance between the side surface in the piston ring groove and the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring and suppress the Al adhesion phenomenon, and at the same time, to form the aluminum alloy. It is possible to improve the scuff resistance and wear resistance between the inner peripheral surface of the manufactured cylinder liner and the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring. Moreover, since the hard carbon laminated film 2 is continuously formed on the entire circumference including the inner peripheral surface 7 of the piston ring, cracks in the hard carbon single layer film 2a or the hard carbon laminated film 2b during use and / or Or, the hard carbon single layer film 2a or the hard carbon laminated film 2 has few starting points for generating chips and the like.
The peel resistance of b can be improved. As a result, even when the piston ring is used for a long period of time, excellent wear resistance can be exerted on the entire circumference of the piston ring.

【0052】上述の場合において、ピストンリング10
の外周摺動面6に硬質炭素積層皮膜2bが形成される場
合における硬質炭素積層皮膜2bの厚さは、0.3〜8
0μmであることが好ましい。この硬質炭素積層皮膜2
bのうち、耐スカッフ性に優れた第1硬質炭素皮膜11
の厚さは少なくとも0.1μmであればよく、耐摩耗性
に優れた第2硬質炭素皮膜12の厚さは少なくとも0.
2μmであればよい。ピストンリング10の外周摺動面
6に形成される硬質炭素積層皮膜2bの厚さを0.3〜
80μmとしたのは、シリンダライナの内周面との間の
耐摩耗性および耐スカッフ性、および製造上の観点によ
るものである。具体的には、外周摺動面6に形成される
硬質炭素積層皮膜2bの厚さが0.3μm未満では、結
果的に第2硬質炭素皮膜12の膜厚が薄くなり、アルミ
ニウム合金製シリンダライナの内周面との間で耐摩耗性
の向上が図れないことがある。一方、外周摺動面6に形
成される硬質炭素積層皮膜2bの厚さが80μmを超え
ると、形成された硬質炭素積層皮膜2bに剥離が発生
し、十分な耐摩耗性を発揮できないことがある。なお、
上下面8、9に形成される硬質炭素積層皮膜2bの厚さ
と外周摺動面6に形成される硬質炭素積層皮膜2bの厚
さとは、後述のように、成膜時に隣接するピストンリン
グ間の隙間を変化させることにより調整できる。
In the above case, the piston ring 10
The thickness of the hard carbon laminated coating 2b when the hard carbon laminated coating 2b is formed on the outer peripheral sliding surface 6 is 0.3 to 8
It is preferably 0 μm. This hard carbon laminated film 2
Of b, the first hard carbon film 11 having excellent scuff resistance
The thickness of the second hard carbon film 12 having excellent wear resistance is at least 0.1 μm.
It may be 2 μm. The thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10 is 0.3 to
The reason why the thickness is set to 80 μm is that the wear resistance and the scuff resistance with respect to the inner peripheral surface of the cylinder liner and the manufacturing viewpoint. Specifically, if the thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the outer peripheral sliding surface 6 is less than 0.3 μm, the thickness of the second hard carbon coating 12 becomes thin, resulting in the aluminum alloy cylinder liner. The wear resistance may not be improved between the inner peripheral surface and the inner peripheral surface. On the other hand, when the thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the outer peripheral sliding surface 6 exceeds 80 μm, peeling may occur in the formed hard carbon laminated coating 2b and sufficient abrasion resistance may not be exhibited. . In addition,
As described later, the thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 and the thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the outer peripheral sliding surface 6 are between the adjacent piston rings during film formation. It can be adjusted by changing the gap.

【0053】上述の場合において、ピストンリング10
の内周面7に硬質炭素積層皮膜2bが形成される場合に
おける硬質炭素積層皮膜2bの厚さは、0.015μm
以上であることが好ましい。この硬質炭素積層皮膜2b
のうち、第1硬質炭素皮膜11の厚さは少なくとも0.
005μmであればよく、第2硬質炭素皮膜12の厚さ
は少なくとも0.01μmであればよい。0.015μ
m以上の硬質炭素積層皮膜2bを内周面7に形成したピ
ストンリング10は、硬質炭素積層皮膜2bの耐剥離性
を向上させることができる。なお、内周面7に形成され
る硬質炭素積層皮膜2bの厚さは、後述のように、成膜
時に隣接するピストンリング間の隙間を変化させて調整
できるので、外周摺動面6や上下面8、9の厚さとの差
を適宜調整できる。
In the above case, the piston ring 10
The thickness of the hard carbon laminated coating 2b when the hard carbon laminated coating 2b is formed on the inner peripheral surface 7 is 0.015 μm.
The above is preferable. This hard carbon laminated film 2b
Among them, the thickness of the first hard carbon film 11 is at least 0.
The thickness of the second hard carbon film 12 may be at least 0.01 μm. 0.015μ
The piston ring 10 in which the hard carbon laminated coating 2b of m or more is formed on the inner peripheral surface 7 can improve the peel resistance of the hard carbon laminated coating 2b. The thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the inner peripheral surface 7 can be adjusted by changing the gap between the adjacent piston rings during film formation, as will be described later. The difference between the thickness of the lower surfaces 8 and 9 can be adjusted appropriately.

【0054】また、本発明のピストンリング10は、図
2(a)(b)に示すように、上述の第2硬質炭素皮膜
12を、ピストンリングの外周摺動面6にも、さらには
内周面7にも連続して形成することができる。
Further, in the piston ring 10 of the present invention, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the above-mentioned second hard carbon film 12 is applied to the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring and further to the inner surface. It can also be formed continuously on the peripheral surface 7.

【0055】図2(a)に示すように、耐摩耗性に優れ
た第2硬質炭素皮膜12を単一層としてピストンリング
10の外周摺動面6に更に連続して形成する場合には、
アルミニウム合金製シリンダライナの内周面とピストン
リングの外周摺動面6との間の耐摩耗性の改善を図るこ
とができ、さらには耐スカッフ性を抑制することができ
る。
As shown in FIG. 2 (a), when the second hard carbon film 12 having excellent wear resistance is formed as a single layer on the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10 continuously,
It is possible to improve the wear resistance between the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner and the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring, and further suppress the scuff resistance.

【0056】図2(b)に示すように、耐摩耗性に優れ
た第2硬質炭素皮膜12をピストンリングの全ての面に
単一層として連続して形成する場合には、使用中におけ
る第2硬質炭素皮膜12のクラック及び/又は欠け等を
発生させる起点が少なく、第2硬質炭素皮膜12の耐剥
離性を向上させて長期間優れた耐摩耗性を維持すること
ができる。
As shown in FIG. 2B, when the second hard carbon coating 12 having excellent wear resistance is continuously formed as a single layer on all surfaces of the piston ring, the second hard carbon coating 12 in use is used. There are few starting points for cracking and / or chipping of the hard carbon coating 12, the peel resistance of the second hard carbon coating 12 can be improved, and excellent wear resistance can be maintained for a long period of time.

【0057】また、本発明のピストンリング10は、図
2(c)に示すように、第1硬質炭素皮膜11を、必要
に応じて第2硬質炭素皮膜12上に形成して積層させて
もよい。耐スカッフ性に優れた第1硬質炭素皮膜11を
第2硬質炭素皮膜12上に形成してなる積層部分は上述
した硬質炭素積層皮膜2bを構成し、ピストンリング1
0の外周摺動面6上または全周面上における初期なじみ
性を改善し、耐スカッフ性および耐摩耗性をより一層向
上させることができる。
Further, in the piston ring 10 of the present invention, as shown in FIG. 2 (c), the first hard carbon film 11 may be formed on the second hard carbon film 12 and laminated if necessary. Good. The laminated portion formed by forming the first hard carbon film 11 having excellent scuff resistance on the second hard carbon film 12 constitutes the hard carbon laminated film 2b described above, and the piston ring 1
It is possible to improve the initial conformability on the outer peripheral sliding surface 6 of 0 or the entire peripheral surface, and further improve the scuff resistance and wear resistance.

【0058】上下面8、9以外の面に第2硬質炭素皮膜
を形成した場合における第2硬質炭素皮膜12の厚さ
は、ピストンリング10の外周摺動面6については、1
〜60μmであることが好ましい。ピストンリング10
の外周摺動面6に形成される第2硬質炭素皮膜12の厚
さを1〜60μmとしたのは、アルミニウム合金製シリ
ンダライナの内周面との間の耐摩耗性、耐スカッフ性お
よび製造上の観点によるものである。
The thickness of the second hard carbon film 12 when the second hard carbon film is formed on the surfaces other than the upper and lower surfaces 8 and 9 is 1 for the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10.
It is preferably ˜60 μm. Piston ring 10
The thickness of the second hard carbon film 12 formed on the outer peripheral sliding surface 6 is 1 to 60 μm because the wear resistance, the scuff resistance, and the manufacture between the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner and This is from the above point of view.

【0059】また、ピストンリング10の内周面7に形
成される第2硬質炭素皮膜12の厚さについては、耐摩
耗性の観点から少なくとも0.01μm以上であること
が好ましく、より好ましくは0.3〜30μmの範囲内
である。0.01μm以上の第2硬質炭素皮膜12を内
周面7に形成したピストンリング10は、第2硬質炭素
皮膜12の耐剥離性を向上させることができる。また、
内周面7に形成される第2硬質炭素皮膜12の厚さは、
後述のように、成膜時に隣接するピストンリングの隙間
が大きくなるように配置することによって厚くすること
ができるので、外周摺動面6や上下面8、9の厚さとの
差を適宜調整できる。
Further, the thickness of the second hard carbon film 12 formed on the inner peripheral surface 7 of the piston ring 10 is preferably at least 0.01 μm or more, more preferably 0 from the viewpoint of wear resistance. Within the range of 3 to 30 μm. The piston ring 10 having the second hard carbon coating 12 of 0.01 μm or more formed on the inner peripheral surface 7 can improve the peel resistance of the second hard carbon coating 12. Also,
The thickness of the second hard carbon film 12 formed on the inner peripheral surface 7 is
As will be described later, it is possible to increase the thickness by arranging the adjacent piston rings so that the gap between adjacent piston rings is large during film formation, so that the difference between the outer peripheral sliding surface 6 and the upper and lower surfaces 8, 9 can be adjusted appropriately. .

【0060】また、そうした第2硬質炭素皮膜上に必要
に応じて形成する第1硬質炭素皮膜11の厚さは、初期
なじみ性と耐スカッフ性の観点から、0.1μm以上で
あればよく、好ましくは5〜15μmである。
The thickness of the first hard carbon film 11 formed on the second hard carbon film as required may be 0.1 μm or more from the viewpoint of initial conformability and scuff resistance. It is preferably 5 to 15 μm.

【0061】(4)硬質炭素皮膜の成膜方法 上述した硬質炭素単層皮膜2aまたは硬質炭素積層皮膜
2bは、反応性イオンプレーティング法や反応性スパッ
タリング法等のいわゆるPVD法によって形成すること
ができる。また、プラズマCVD法等のCVD法によっ
ても形成することができる。こうしたPVD法やCVD
法は、ワークの形状要因に基づいて、ワークの各部で厚
さの差が生じることがあり、特に、本発明のピストンリ
ング10のように、例えば反応性イオンプレーティング
装置や反応性スパッタリング装置のチャンバー内の治具
に取り付けられて成膜されるワークにあっては、外周摺
動面6が最も厚くなりやすく、上面8と下面9が続き、
内周面7が最も薄くなりやすい。そうした厚さの差は、
ピストンリングの母材1を治具に取り付ける際に、隣接
するピストンリングの母材1との隙間を調整することに
よってコントロールすることができ、例えば、その隙間
を大きくすることによって各々の面の厚さの差を小さく
でき、隙間を小さくすることによって各々の面の厚さの
差を大きくすることができる。なお、本発明において
は、上面8および下面9における硬質炭素単層皮膜2a
または硬質炭素積層皮膜2bの厚さを100(指数)と
したときに、外周摺動面6における硬質炭素単層皮膜2
a、硬質炭素積層皮膜2bまたは第2硬質炭素皮膜12
の厚さを100〜200(指数)とすることが好まし
く、また、内周面7における硬質炭素単層皮膜2a、硬
質炭素積層皮膜2bまたは第2硬質炭素皮膜12の厚さ
を1〜99(指数)とすることが好ましい。
(4) Method of Forming Hard Carbon Film The above-mentioned hard carbon single layer film 2a or hard carbon laminated film 2b can be formed by a so-called PVD method such as a reactive ion plating method or a reactive sputtering method. it can. It can also be formed by a CVD method such as a plasma CVD method. PVD method and CVD
According to the method, a thickness difference may occur in each part of the work based on the shape factor of the work. In particular, like the piston ring 10 of the present invention, for example, a reactive ion plating device or a reactive sputtering device is used. In a work that is attached to a jig in a chamber to form a film, the outer peripheral sliding surface 6 tends to be the thickest, and the upper surface 8 and the lower surface 9 continue,
The inner peripheral surface 7 tends to be the thinnest. The difference in thickness is
When the base material 1 of the piston ring is attached to the jig, it can be controlled by adjusting the gap between the base material 1 of the adjacent piston ring. For example, by increasing the gap, the thickness of each surface can be increased. The difference in thickness can be reduced, and the difference in thickness between the surfaces can be increased by reducing the gap. In the present invention, the hard carbon single layer coating 2a on the upper surface 8 and the lower surface 9 is used.
Alternatively, when the thickness of the hard carbon laminated coating 2b is 100 (index), the hard carbon single layer coating 2 on the outer peripheral sliding surface 6 is formed.
a, hard carbon laminated film 2b or second hard carbon film 12
Is preferably 100 to 200 (index), and the thickness of the hard carbon single layer coating 2a, the hard carbon laminated coating 2b or the second hard carbon coating 12 on the inner peripheral surface 7 is 1 to 99 ( It is preferable to set it as an index.

【0062】さらに、本発明のピストンリング10にお
いては、硬質炭素単層皮膜2a、硬質炭素積層皮膜2b
または第2硬質炭素皮膜12を内周面7に形成すること
により、ピストンリング10の摺動時におけるオイル焼
けに基づくすすの付着の問題を解決することができると
いう利点がある。すなわち、従来においては、ピストン
リングとピストンリング溝との間で起こるオイル焼けに
よって発生したすすが、ピストンリングの下面9および
内周面7に付着または凝着してピストンリングを拘束し
てしまうことがあった。こうしたことは、ピストンリン
グとピストンリング溝との間にすすがたまりやすい矩形
形状のピストンリングの場合では特に顕著であるが、ハ
ーフキーストンリングの場合や、ディーゼルエンジンに
好ましく採用されているフルキーストンリングの場合で
あっても同様な傾向を示した。こうしたすすの付着の問
題に対して、本発明のピストンリング10は、全周、特
にこうしたすすの問題が起こる下面9および内周面7に
硬質炭素単層皮膜2a、硬質炭素積層皮膜2bまたは第
2硬質炭素皮膜12を形成することにより、すすが付き
にくく、たとえ付着したとしても容易に砕くことがで
き、その結果、すすの付着を防止することができるとい
う顕著な効果を有している。
Further, in the piston ring 10 of the present invention, the hard carbon single layer coating 2a and the hard carbon laminated coating 2b are provided.
Alternatively, by forming the second hard carbon film 12 on the inner peripheral surface 7, there is an advantage that the problem of soot adhesion due to oil burn when the piston ring 10 is slid can be solved. That is, in the past, soot generated by oil burning between the piston ring and the piston ring groove adheres or adheres to the lower surface 9 and the inner peripheral surface 7 of the piston ring to restrain the piston ring. was there. This is particularly remarkable in the case of a rectangular piston ring in which soot is likely to accumulate between the piston ring and the piston ring groove, but in the case of a half keystone ring or a full keystone ring that is preferably adopted in a diesel engine. In the case of, the same tendency was shown. With respect to the problem of soot adhesion, the piston ring 10 of the present invention has a hard carbon single-layer coating 2a, a hard carbon laminated coating 2b, or a first carbon coating 2a on the entire circumference, particularly on the lower surface 9 and inner circumferential surface 7 where such soot problems occur. (2) By forming the hard carbon film 12, soot hardly adheres, and even if it adheres, it can be easily crushed, and as a result, soot adhesion can be prevented.

【0063】(5)下地皮膜または下地層 図3(a)〜(h)に示すように、本発明のピストンリ
ング10の少なくとも外周摺動面6には、スパッタリン
グ皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜
および窒化層から選択された何れかを下地皮膜または下
地層(以下、下地皮膜または下地層を、「下地皮膜3」
という。)として形成することができる。こうした下地
皮膜3は、硬くて靱性があるので、下地皮膜3が形成さ
れた面における耐摩耗性をより一層向上させることがで
きる。
(5) Undercoat or Underlayer As shown in FIGS. 3A to 3H, at least the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10 of the present invention has a sputtering coating, an ion plating coating, and a chromium coating. Any one selected from the plating film and the nitriding layer is used as a base film or base layer (hereinafter, the base film or base layer is referred to as “base film 3”).
Say. ). Since the undercoat 3 is hard and tough, it is possible to further improve the wear resistance on the surface on which the undercoat 3 is formed.

【0064】下地皮膜3は、外周摺動面6のみに形成し
ても、外周摺動面6、上面8および下面9に形成して
も、外周摺動面6、内周面7、上面8および下面9の全
周に形成してもよく、適宜必要に応じて設けることがで
きる。
Whether the base coating 3 is formed only on the outer peripheral sliding surface 6 or on the outer peripheral sliding surface 6, the upper surface 8 and the lower surface 9, the outer peripheral sliding surface 6, the inner peripheral surface 7 and the upper surface 8 are formed. It may be formed on the entire circumference of the lower surface 9 and may be provided as needed.

【0065】スパッタリング皮膜、イオンプレーティン
グ皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された
何れかの下地皮膜3を上述した硬質炭素単層皮膜2a、
硬質炭素積層皮膜2bまたは第2硬質炭素皮膜12の下
地皮膜として外周摺動面6に形成すれば、外周摺動面6
の耐摩耗性をより向上させることができるので特に好ま
しいが、それらの硬質炭素皮膜2a、2b、12が形成
されていない場合においても表面皮膜として外周摺動面
6に形成することができ、外周摺動面6に好ましい耐摩
耗性を付与することができる。
The hard carbon single layer film 2a described above is formed by applying any one of the undercoat films 3 selected from the sputtering film, the ion plating film, the chromium plating film and the nitride layer.
If the outer peripheral sliding surface 6 is formed as a base coating of the hard carbon laminated coating 2b or the second hard carbon coating 12, the outer peripheral sliding surface 6
It is particularly preferable because it can further improve the wear resistance of the above. However, even when those hard carbon coatings 2a, 2b, 12 are not formed, it can be formed as a surface coating on the outer peripheral sliding surface 6, It is possible to impart preferable wear resistance to the sliding surface 6.

【0066】好ましい下地皮膜3は、イオンプレーティ
ング法で形成されるイオンプレーティング皮膜であり、
特に、CrN、Cr2N、TiN、Cr−O−N、Cr
−B−N等の硬質皮膜であることが好ましい。イオンプ
レーティング皮膜は、硬くて靱性があるので、摺動面と
して作用するピストンリング10の外周摺動面6の耐摩
耗性を更に向上させることができる。なお、イオンプレ
ーティング法の代わりに反応性スパッタリング法等の薄
膜形成法によって形成された下地皮膜3であってもよ
い。こうした下地皮膜3の厚さは、5〜50μm程度で
あることが好ましい。
A preferable undercoat film 3 is an ion plating film formed by an ion plating method,
In particular, CrN, Cr 2 N, TiN , Cr-O-N, Cr
It is preferably a hard coating such as -BN. Since the ion plating film is hard and tough, it is possible to further improve the wear resistance of the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10, which acts as a sliding surface. Note that the base film 3 formed by a thin film forming method such as a reactive sputtering method may be used instead of the ion plating method. The thickness of the undercoat 3 is preferably about 5 to 50 μm.

【0067】クロムめっき皮膜および窒化層の形成手段
についても特に限定されない。クロムめっき皮膜におい
ては、単層めっき皮膜でも積層めっき皮膜でも複合めっ
き皮膜でもよい。窒化層においては、イオン窒化層で
も、ガス窒化層でもよく、その形成手段には特に限定さ
れない。
The means for forming the chromium plating film and the nitride layer are not particularly limited. The chromium plating film may be a single layer plating film, a multilayer plating film or a composite plating film. The nitriding layer may be an ion nitriding layer or a gas nitriding layer, and its forming means is not particularly limited.

【0068】なお、ピストンリング10の少なくとも上
面8および下面9に形成される下地層としては、少なく
ともCrを含有するものであることが好ましい。上述し
た硬質炭素単層皮膜2a、硬質炭素積層皮膜2bまたは
第2硬質炭素皮膜12の下地層として少なくともCrを
含有する皮膜を形成することで、下地のピストンリング
母材1と、硬質炭素単層皮膜2a、硬質炭素積層皮膜2
bまたは第2硬質炭素皮膜12との密着性を向上させる
ことができる。この少なくともCrを含有する下地層
は、スパッタリング法、イオンプレーティング法または
Crめっき法により形成するのが望ましい。この下地皮
膜の厚さは、0.1〜5μmであることが好ましい。
The base layer formed on at least the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring 10 preferably contains at least Cr. By forming a film containing at least Cr as an underlayer of the above-mentioned hard carbon single layer film 2a, hard carbon laminated film 2b or second hard carbon film 12, the underlying piston ring base material 1 and the hard carbon single layer are formed. Coating 2a, hard carbon laminated coating 2
The adhesiveness with b or the second hard carbon film 12 can be improved. The underlayer containing at least Cr is preferably formed by a sputtering method, an ion plating method or a Cr plating method. The thickness of this undercoat is preferably 0.1 to 5 μm.

【0069】(6)ピストンリングの製造方法 硬質炭素積層皮膜2bを形成したピストンリングの製造
方法の一例について説明する。
(6) Method for manufacturing piston ring An example of a method for manufacturing a piston ring having the hard carbon laminated coating 2b formed thereon will be described.

【0070】先ず、第2硬質炭素皮膜12を形成する。
オーステナイト系ステンレス鋼製のピストンリング母材
1を反応性スパッタリング装置のチャンバー内の取付治
具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その
後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを
導入し、イオンボンバードメントによってピストンリン
グ母材1の表面を清浄化する。その後、先ず、Crター
ゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、
チャンバー内の蒸発したCr原子をピストンリング母材
1上に析出させ、次いで、炭素源であるメタン等の炭化
水素ガスをチャンバー内に導入し、W、W及びNi、及
び、Tiから選ばれる元素を一又は二以上含有する金属
ターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリング
し、チャンバー内の炭素原子と蒸発した金属原子とが結
合してピストンリング母材1上に、W、W及びNi、及
び、Tiから選ばれる元素を一又は二以上含有する皮膜
として析出させ、耐摩耗性に優れた第2硬質炭素皮膜1
2を形成する。W、Ni、Tiの含有比率は、それらの
元素の蒸発速度および反応性ガスの圧力等を調整するこ
とによって制御される。この場合において、第2硬質炭
素皮膜12を形成しない面にはマスキング等の処理を施
す。
First, the second hard carbon film 12 is formed.
The piston ring base material 1 made of austenitic stainless steel is set on a mounting jig inside the chamber of the reactive sputtering apparatus, and the inside of the chamber is evacuated. Then, an inert gas such as argon is introduced while rotating the attachment jig, and the surface of the piston ring base material 1 is cleaned by ion bombardment. Then, first, a Cr target is sputtered with ionized argon or the like,
Evaporated Cr atoms in the chamber are deposited on the piston ring base material 1, then a hydrocarbon gas such as methane, which is a carbon source, is introduced into the chamber, and an element selected from W, W and Ni, and Ti. One or two or more metal targets are sputtered with ionized argon or the like, and carbon atoms in the chamber and vaporized metal atoms are combined to form W, W and Ni, and Ti on the piston ring base material 1. A second hard carbon film 1 having excellent wear resistance, which is deposited as a film containing one or more elements selected from
Form 2. The content ratio of W, Ni, and Ti is controlled by adjusting the evaporation rate of those elements and the pressure of the reactive gas. In this case, the surface on which the second hard carbon film 12 is not formed is subjected to a treatment such as masking.

【0071】次に、第1硬質炭素皮膜11を形成する。
第2硬質炭素皮膜12が形成されたピストンリングをプ
ラズマCVD装置のチャンバー内の取付治具にセット
し、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治
具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イ
オンボンバードメントによって第2硬質炭素皮膜が形成
されたピストンリングの表面を清浄化する。その後、炭
素源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導
入し、Siが含まれているシランガス等を導入して、プ
ラズマで活性化し、チャンバー内の炭素原子と蒸発した
金属原子とが結合してピストンリング上に少なくともS
iを含む皮膜として析出させ、初期なじみ性に優れた第
1硬質炭素皮膜11を形成する。Siの含有比率は、S
i元素を含む反応性ガスの圧力等を調整することによっ
て制御される。
Next, the first hard carbon film 11 is formed.
The piston ring on which the second hard carbon film 12 is formed is set on a mounting jig inside the chamber of the plasma CVD apparatus, and the inside of the chamber is evacuated. Then, an inert gas such as argon is introduced while rotating the attachment jig to clean the surface of the piston ring on which the second hard carbon film is formed by ion bombardment. After that, a hydrocarbon gas such as methane, which is a carbon source, is introduced into the chamber, a silane gas containing Si, etc. is introduced and activated by plasma, and carbon atoms in the chamber are combined with vaporized metal atoms. Then at least S on the piston ring
It is deposited as a film containing i to form the first hard carbon film 11 having excellent initial conformability. The content ratio of Si is S
It is controlled by adjusting the pressure of the reactive gas containing the i element.

【0072】なお、スパッタリング皮膜、イオンプレー
ティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層の何れか
を下地皮膜3として有するピストンリング10は、そう
した下地皮膜3を予めスパッタリング装置、イオンプレ
ーティング装置、クロムめっき装置、窒化装置等によっ
て形成し、その後、上述の反応性スパッタリング装置等
に供して硬質炭素皮膜を形成して製造される。
The piston ring 10 having any one of the sputtering film, the ion plating film, the chrome plating film and the nitride layer as the undercoat film 3 is used in the sputtering device, the ion plating device and the chrome plating device. It is formed by using a nitriding device or the like, and then subjected to the above-mentioned reactive sputtering device or the like to form a hard carbon film to manufacture.

【0073】以上、熱膨張係数の大きいアルミニウム合
金製シリンダライナを相手材とした摺動特性(耐摩耗
性、耐スカッフ性)に優れ、且つピストンリング溝の側
面との間の摺動特性に優れたピストンリングについて説
明したが、本発明のピストンリングの構成を、類似の課
題を有する他の摺動部材、例えば自動車部品やコンプレ
ッサー部品等に適用してもよい。
As described above, the sliding characteristics (wear resistance and scuff resistance) of the aluminum alloy cylinder liner having a large coefficient of thermal expansion are excellent, and the sliding characteristics between the side surface of the piston ring groove are excellent. Although the piston ring has been described, the configuration of the piston ring of the present invention may be applied to other sliding members having similar problems, such as automobile parts and compressor parts.

【0074】[0074]

【実施例】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。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples.

【0075】(実施例1〜32)オーステナイト系のS
US304ステンレス鋼製(Ni含有量:8.0%、C
r含有量:18.0%、熱膨張係数:17×10-6
℃)のピストンリング母材1を作製した。そのピストン
リング母材1上の少なくとも上面8および下面9に、硬
質炭素単層皮膜2aまたは硬質炭素積層皮膜2bを、反
応性イオンプレーティング装置により形成した。上面8
および下面9以外の面には、硬質炭素単層皮膜2a、硬
質炭素積層皮膜2bまたは第2硬質炭素皮膜12を任意
に形成し、さらに必要に応じて第1硬質炭素皮膜11を
任意に形成した。下地皮膜3を有したピストンリングと
する場合には、予め、クロムめっき皮膜、窒化処理層、
イオンプレーティング皮膜の何れかを形成した。なお、
ピストンリング溝の側面を備えるピストン材として、ア
ルミニウム合金:Al−25Si−1.2Mg−4Cu
製のピストンを摺動特性評価のための相手材として準備
した。各硬質炭素皮膜および各下地皮膜3の形成条件を
以下に示す。
(Examples 1 to 32) Austenitic S
Made of US304 stainless steel (Ni content: 8.0%, C
r content: 18.0%, coefficient of thermal expansion: 17 × 10 −6 /
C.) Piston ring base material 1 was produced. A hard carbon single layer coating 2a or a hard carbon laminated coating 2b was formed on at least the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring base material 1 by a reactive ion plating device. Upper surface 8
The hard carbon single-layer coating 2a, the hard carbon laminated coating 2b, or the second hard carbon coating 12 is arbitrarily formed on the surface other than the lower surface 9 and the first hard carbon coating 11 is further optionally formed. . When the piston ring having the undercoat 3 is used, a chromium plating film, a nitriding layer, and
Any of the ion plating films was formed. In addition,
Aluminum alloy: Al-25Si-1.2Mg-4Cu as a piston material provided with the side surface of the piston ring groove
The manufactured piston was prepared as a mating material for the sliding characteristic evaluation. The conditions for forming each hard carbon film and each base film 3 are shown below.

【0076】硬質炭素皮膜:硬質炭素単層皮膜2aおよ
び、硬質炭素積層皮膜2bを構成する第2硬質炭素皮膜
12は、W−Ni−C系またはTi−C系とし、ターゲ
ットおよび炭素含有ガス圧などの反応条件を制御するこ
とによって、W−Ni−C系においてはW:75%、N
i:8%、C:残部、および不可避不純物からなる組成
とし、Ti−C系においてはTi:38%、C:残部、
および不可避不純物からなる組成とした。硬質炭素積層
皮膜2bを構成する第1硬質炭素皮膜11はSi−C系
とし、ターゲットおよび炭素含有ガス圧などの反応条件
を制御することによって、Si:61%、C:残部、お
よび不可避不純物からなる組成とした。上面8および下
面9には、硬質炭素単層皮膜2aまたは硬質炭素積層皮
膜2bが少なくとも形成されているように各実施例を構
成した。
Hard carbon coating : The hard carbon single layer coating 2a and the second hard carbon coating 12 constituting the hard carbon laminated coating 2b are W-Ni-C type or Ti-C type, and the target and the carbon-containing gas pressure. In the W-Ni-C system, W: 75%, N
i: 8%, C: balance, and an unavoidable impurity composition. In the Ti-C system, Ti: 38%, C: balance,
And an unavoidable impurity. The first hard carbon film 11 constituting the hard carbon laminated film 2b is made of Si—C, and by controlling the reaction conditions such as the target and the carbon-containing gas pressure, Si: 61%, C: the balance, and inevitable impurities. The composition is as follows. Each of the examples is configured so that the hard carbon single-layer coating 2a or the hard carbon laminated coating 2b is formed at least on the upper surface 8 and the lower surface 9.

【0077】クロムめっき皮膜:フッ化クロム浴中での
電解めっきにより、厚さ150μmのクロムめっき皮膜
を形成した。その後、クロムめっき皮膜の表面を研削加
工し、研磨ペーパーを用いた表面研磨を行い、粗さ1μ
mRzとなるとように調整した。最終的な皮膜厚さを1
20μmとした。形成されたクロムめっき皮膜のビッカ
ース硬さはHv900であった。
Chromium plating film : A 150 μm thick chromium plating film was formed by electrolytic plating in a chromium fluoride bath. After that, the surface of the chrome plating film is ground, and the surface is polished with polishing paper to give a roughness of 1 μm.
It was adjusted to be mRz. Final film thickness is 1
It was set to 20 μm. The Vickers hardness of the formed chromium plating film was Hv900.

【0078】窒化処理層:ガス窒化法により窒化層を形
成した。アンモニア分解ガス雰囲気中で550℃で15
時間保持し、厚さ100μmのガス窒化層を形成した。
その後、窒化層の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用
いた表面研磨を行い、粗さ1μmRzとなるとように調
整した。最終的な皮膜厚さを70μmとした。形成され
た窒化層のビッカース硬さはHv1100であった。
Nitriding layer : A nitriding layer was formed by a gas nitriding method. 15 at 550 ℃ in ammonia decomposition gas atmosphere
After holding for a while, a gas nitriding layer having a thickness of 100 μm was formed.
Then, the surface of the nitrided layer was ground, and surface polishing was performed using a polishing paper to adjust the roughness to 1 μmRz. The final film thickness was 70 μm. The Vickers hardness of the formed nitride layer was Hv1100.

【0079】イオンプレーティング皮膜:イオンプレー
ティング法により、主に{200}に配向した厚さ30
μmのCrN皮膜を形成した。その後、イオンプレーテ
ィング皮膜の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用いた
表面研磨を行い、粗さ1μmRzとなるとように調整し
た。最終的な皮膜厚さを20μmとした。形成されたイ
オンプレーティング皮膜のビッカース硬さはHv150
0であった。
Ion plating film : A thickness of 30 mainly oriented in {200} by the ion plating method.
A CrN film of μm was formed. After that, the surface of the ion plating film was ground, and the surface was polished with a polishing paper to adjust the roughness to 1 μmRz. The final film thickness was 20 μm. The Vickers hardness of the formed ion plating film is Hv150.
It was 0.

【0080】作製した実施例1〜32の構成を表1に示
した。
Table 1 shows the structures of the manufactured Examples 1 to 32.

【0081】(比較例1)マルテンサイト系の17Cr
ステンレス鋼製(Cr:17%、熱膨張係数:11×1
-6/℃)のピストンリング母材1を作製し、その母材
1の全周に窒化層を上記実施例に示した方法により形成
した。外周摺動面6には、厚さ30μmのイオンプレー
ティング皮膜を形成した。窒化層およびイオンプレーテ
ィング皮膜の形成条件は上記実施例と同様にした。こう
して比較例1のピストンリングを作製した。作製した比
較例1の構成を表1に示した。
(Comparative Example 1) Martensite-based 17Cr
Made of stainless steel (Cr: 17%, coefficient of thermal expansion: 11 x 1
A piston ring base material 1 (0 −6 / ° C.) was prepared, and a nitride layer was formed on the entire circumference of the base material 1 by the method shown in the above-mentioned embodiment. An ion plating film having a thickness of 30 μm was formed on the outer peripheral sliding surface 6. The conditions for forming the nitride layer and the ion plating film were the same as those in the above-mentioned embodiment. Thus, the piston ring of Comparative Example 1 was produced. The structure of the manufactured comparative example 1 is shown in Table 1.

【0082】[0082]

【表1】 [Table 1]

【0083】(摩耗試験)摩耗試験は、アムスラー型摩
耗試験機を使用し、試験片のほぼ半分を油に浸漬し、相
手材を接触させ、荷重を負荷して行った。試験片として
は、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー試験片
は、実施例1〜4、9〜12、17〜20、25〜28
および比較例1のピストンリングと同様の処理を施した
ものを使用した。各試験片を用いて摩耗試験を行い、耐
摩耗性の評価を行った。試験条件は、潤滑油:日産PA
N7782(商品名)、油温:80℃、周速:1m/秒
(478rpm)、荷重:80kgf、試験時間:7時
間の条件下で、Al−Si合金製シリンダライナを相手
材として行った。このAl−Si合金製シリンダライナ
からなる相手材は、所定の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、更に、Na
OH水溶液で研磨し、最終的に1μmRzとなるように
調整した。摩耗量の測定は、粗さ計による段差プロファ
イルで摩耗量(μm)を測定して評価した。
(Abrasion test) The abrasion test was carried out by using an Amsler type abrasion tester, by immersing almost half of the test piece in oil, bringing the mating material into contact, and applying a load. An Amsler test piece was used as the test piece. The Amsler test pieces were prepared in Examples 1 to 4, 9 to 12, 17 to 20, 25 to 28.
And the thing which performed the same treatment as the piston ring of the comparative example 1 was used. A wear test was performed using each test piece to evaluate the wear resistance. Test conditions are: Lubricant: Nissan PA
N7802 (trade name), oil temperature: 80 ° C., peripheral speed: 1 m / sec (478 rpm), load: 80 kgf, test time: 7 hours under the conditions of a cylinder liner made of an Al—Si alloy as a counter material. A mating member made of this Al-Si alloy cylinder liner is ground into a predetermined shape and then subjected to surface grinding sequentially while changing the fineness of the grinding wheel.
Polishing was performed with an OH aqueous solution, and the final adjustment was made to be 1 μmRz. The amount of wear was evaluated by measuring the amount of wear (μm) with a step profile using a roughness meter.

【0084】耐摩耗性は、比較例1に対応する試験片の
摩耗量と各試験片の摩耗量とをそれらの相対比として比
較し、比較例1に対応する試験片の結果に対する摩耗指
数として評価した。従って、各試験片の摩耗指数が10
0より小さいほど摩耗量が少ないことを表す。実施例1
〜4、9〜12、17〜20、25〜28に対応する各
試験片は、摩耗指数が小さく、比較例1に対応する試験
片よりも著しく耐摩耗性に優れていた。結果を表2に示
した。
The abrasion resistance was determined by comparing the amount of wear of the test piece corresponding to Comparative Example 1 with the amount of wear of each test piece as a relative ratio thereof, and as an abrasion index for the result of the test piece corresponding to Comparative Example 1. evaluated. Therefore, the wear index of each test piece is 10
The smaller the value is, the smaller the wear amount is. Example 1
Each of the test pieces corresponding to ~ 4, 9-12, 17-20, and 25-28 had a small wear index, and was significantly superior to the test piece corresponding to Comparative Example 1 in wear resistance. The results are shown in Table 2.

【0085】(スカッフ試験)スカッフ試験は、アムス
ラー型摩耗試験機を使用し、試験片に潤滑油を付着さ
せ、スカッフ発生まで荷重を負荷させて行った。試験片
としては、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー
試験片は、実施例1〜4、9〜12、17〜20、25
〜28および比較例1のピストンリングと同様の処理を
施したものを使用した。各試験片を用いてスカッフ試験
を行い、耐スカッフ性の評価を行った。試験条件は、潤
滑油:日産PAN7782(商品名)、周速:1m/秒
(478rpm)の条件下で、Al−Si合金製シリン
ダライナを相手材として行った。このAl−Si合金製
シリンダライナからなる相手材の表面も上述の方法によ
り最終的に1μmRzとなるように調整した。
(Scuff Test) The scuff test was carried out by using an Amsler type abrasion tester, applying lubricating oil to the test piece, and applying a load until the scuff occurred. An Amsler test piece was used as the test piece. This Amsler test piece was prepared as in Examples 1-4, 9-12, 17-20, 25.
.About.28 and the piston ring of Comparative Example 1 was used. A scuff test was conducted using each test piece to evaluate the scuff resistance. The test conditions were as follows: lubricating oil: Nissan PAN7782 (trade name), peripheral speed: 1 m / sec (478 rpm), using an Al-Si alloy cylinder liner as a mating material. The surface of the mating member made of this Al-Si alloy cylinder liner was also adjusted by the above-mentioned method so as to be finally 1 μmRz.

【0086】耐スカッフ性は、比較例1に対応する試験
片のスカッフ発生荷重を100とし、各試験片のスカッ
フ発生荷重を比較例1に対応する試験片の結果に対する
耐スカッフ指数として比較した。従って、各試験片の耐
スカッフ指数が100より大きいほど、スカッフ発生荷
重が大きくなり、比較例1に対応する試験片よりも耐ス
カッフ性に優れることとなる。実施例1〜4、9〜1
2、17〜20、25〜28に対応する各試験片の耐ス
カッフ指数は、150〜240であり、比較例1に対応
する試験片よりも著しく耐スカッフ性に優れていた。結
果を表2に示した。
Regarding the scuff resistance, the scuffing load of the test piece corresponding to Comparative Example 1 was set to 100, and the scuffing load of each test piece was compared as a scuffing resistance index for the result of the test piece corresponding to Comparative Example 1. Therefore, as the scuffing resistance index of each test piece is larger than 100, the scuffing load increases and the scuffing resistance is superior to the test piece corresponding to Comparative Example 1. Examples 1-4, 9-1
The scuff resistance index of each of the test pieces corresponding to 2, 17 to 20, 25 to 28 was 150 to 240, which was significantly superior to the test piece corresponding to Comparative Example 1 in scuff resistance. The results are shown in Table 2.

【0087】(たたき試験)たたき試験は、図5に示す
高温弁座摩耗試験機51を使用して行った。すべりたた
き試験片としては、実施例1〜32および比較例1と同
様の処理を施したものを使用し、たたき摩耗量およびA
l凝着の有無の評価を行った。試験条件は、ストロー
ク:4mm、繰り返し速度:500回/分、リング回転
数:3rpm、試験時間:10時間、ピストン材温度:
340℃、ピストン材:Al−25Si−1.2Mg−
4Cu系アルミニウム合金の条件下で行った。なお、A
l凝着の有無は、表面を15倍に拡大して観察し、評価
した。ここで、「すべりたたき試験」とは、ピストン材
53を試験機51に対して軸方向移動不能に固定し、ピ
ストンリング材52をピストン材53に同心に装着し、
ピストンリング材52の内周面側に備わっているシリン
ダライナ相当の鋳鉄製円棒55を軸方向に往復させるこ
とにより、ピストンリング材52に、回転しつつピスト
ン材53を叩く動作モードを付与する試験である。試験
機51は、被験材加熱用のヒータ54を有しており、実
際に燃料を燃焼させずともエンジン内の燃焼時の高温状
態を再現することができ、ピストン材の状態変化を模す
ことができる。この試験により、ピストン側摩耗(ピス
トン材の摩耗量)、ピストンリング摩耗(ピストンリン
グ材の摩耗量)を評価した。
(Tapping Test) The tapping test was carried out using a high temperature valve seat wear tester 51 shown in FIG. As the sliding and tapping test pieces, those subjected to the same treatments as in Examples 1 to 32 and Comparative Example 1 were used.
The presence or absence of adhesion was evaluated. The test conditions are: stroke: 4 mm, repetition rate: 500 times / min, ring rotation speed: 3 rpm, test time: 10 hours, piston material temperature:
340 ° C, piston material: Al-25Si-1.2Mg-
It was performed under the condition of 4 Cu-based aluminum alloy. In addition, A
The presence or absence of adhesion was evaluated by observing the surface at a magnification of 15 times and observing. Here, the “sliding tapping test” means that the piston material 53 is fixed to the testing machine 51 so that it cannot move axially, and the piston ring material 52 is concentrically attached to the piston material 53.
By reciprocating the cast iron circular rod 55 equivalent to the cylinder liner provided on the inner peripheral surface side of the piston ring member 52 in the axial direction, the piston ring member 52 is imparted with an operation mode of hitting the piston member 53 while rotating. It is a test. The tester 51 has a heater 54 for heating the test material, and can reproduce the high temperature state at the time of combustion in the engine without actually burning the fuel, and simulate the state change of the piston material. You can By this test, the piston side wear (piston material wear amount) and the piston ring wear (piston ring material wear amount) were evaluated.

【0088】結果は、ピストンリングの上下面における
摩耗指数で表した。その値は、比較例1のピストンリン
グのたたき試験の摩耗量の結果を100とし、実施例1
〜32の各試験片の結果を比較例1の結果に対する摩耗
指数として比較した。従って、実施例1〜32の摩耗指
数が100より小さいほど、摩耗量が小さくなり、比較
例1よりも耐摩耗性に優れることとなる。上下面に硬質
炭素単層皮膜または硬質炭素積層皮膜を有する実施例1
〜32のピストンリングの摩耗指数は、50〜65であ
り、ピストン側の摩耗指数も、60〜75であり、比較
例1の試験片よりも著しく耐摩耗性に優れていた。ま
た、Al凝着は観察されなかった。その結果を表2に示
す。
The results are expressed by the wear index on the upper and lower surfaces of the piston ring. As for the value, the result of the amount of wear of the tapping test of the piston ring of Comparative Example 1 was set to 100, and the value of Example 1 was used.
The results of the test pieces of ~ 32 were compared as the wear index with respect to the results of Comparative Example 1. Therefore, as the wear index of Examples 1 to 32 is smaller than 100, the wear amount is smaller and the wear resistance is better than that of Comparative Example 1. Example 1 having a hard carbon single layer coating or a hard carbon laminated coating on the upper and lower surfaces
The wear index of the piston rings of ~ 32 was 50 to 65, and the wear index of the piston side was also 60 to 75, which was significantly superior to the test piece of Comparative Example 1 in wear resistance. Also, Al adhesion was not observed. The results are shown in Table 2.

【0089】(耐剥離性試験)耐剥離性の試験は、NP
R式衝撃試験装置(特公昭36−19046号、めっき
密着度の定量的試験装置)の改良試験機を使用し、表面
に1回当たり43.1mJ(4.4kgf・mm)の衝
撃エネルギーを加え、剥離発生までの回数で評価した。
試験片としては、表2に示す各実施例のピストンリング
を使用した。各試験片を用いて耐剥離性試験を行い、耐
剥離性の評価を行った。剥離の有無は、表面を15倍に
拡大して観察し、評価した。図6は、測定に使用したN
PR式衝撃試験装置を示す。なお、図6において、21
はピストンリング、22は圧子、23は当て金である。
(Peeling resistance test) The peeling resistance test is NP
Using an improved R-type impact tester (Japanese Examined Patent Publication No. 36-19046, quantitative tester for plating adhesion), apply 43.1 mJ (4.4 kgf · mm) impact energy to the surface each time. The number of times until peeling occurred was evaluated.
As the test piece, the piston ring of each example shown in Table 2 was used. A peel resistance test was performed using each test piece to evaluate the peel resistance. The presence or absence of peeling was evaluated by observing the surface with a magnification of 15 times. FIG. 6 shows the N used for the measurement.
1 shows a PR type impact test device. In addition, in FIG.
Is a piston ring, 22 is an indenter, and 23 is a pad.

【0090】耐剥離性は、実施例7、15、23、31
の試験片の剥離発生回数を100とし、各試験片の剥離
発生回数を実施例7、15、23、31の結果に対する
耐剥離指数として比較した。従って、各試験片の耐剥離
指数が100よりも大きくなると、実施例7、15、2
3、31の試験片よりも多い回数で剥離が発生すること
となるので、耐剥離性に優れることとなる。各実施例の
耐剥離指数は、105〜110であり、実施例7、1
5、23、31のピストンリングに比べ、耐剥離性に優
れていた。結果を表2に示した。
Peeling resistance was measured in Examples 7, 15, 23, 31
The number of occurrences of peeling of each test piece was set to 100, and the number of occurrences of peeling of each test piece was compared as a peeling resistance index for the results of Examples 7, 15, 23 and 31. Therefore, when the peeling resistance index of each test piece was larger than 100, Examples 7, 15 and 2
Peeling occurs more frequently than the test pieces of Nos. 3 and 31, so that the peeling resistance is excellent. The peel resistance index of each example is 105 to 110, and
The peeling resistance was excellent as compared with the piston rings of 5, 23, and 31. The results are shown in Table 2.

【0091】[0091]

【表2】 [Table 2]

【0092】(評価)実施例1〜32のピストンリング
は、比較例1のピストンリングに比べ、その何れも上下
面にAl凝着の発生はみられなかった。また、上下面の
耐摩耗性は著しく向上した。また、外周摺動面の耐摩耗
性および耐スカッフ性は、硬質炭素単層皮膜または硬質
炭素積層皮膜が形成されることにより、耐スカッフ性に
おいて著しく向上した。また、全周面に硬質炭素単層皮
膜または硬質炭素積層皮膜を形成することにより、耐剥
離性にも優れていた。
(Evaluation) In each of the piston rings of Examples 1 to 32, Al adhesion was not observed on the upper and lower surfaces of the piston rings of Comparative Example 1. Also, the wear resistance of the upper and lower surfaces was significantly improved. Further, the wear resistance and scuff resistance of the outer peripheral sliding surface were remarkably improved in the scuff resistance by forming the hard carbon single layer film or the hard carbon laminated film. Further, by forming a hard carbon single-layer coating or a hard carbon laminated coating on the entire peripheral surface, the peeling resistance was also excellent.

【0093】[0093]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のピストン
リングによれば、15×10-6/℃以上の熱膨張係数を
有するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストン
リング母材の少なくとも上面および下面に硬質炭素皮膜
が形成されているので、(イ)そうしたオーステナイト
系ステンレス鋼の熱膨張率は相手材であるアルミニウム
合金製シリンダライナの熱膨張率に近く、アルミニウム
合金製シリンダライナに対する熱膨張の追従性がよく、
好適な摺動接触を実現してブローバイガスの発生を抑制
できる。さらに、(ロ)そうした硬質炭素皮膜が少なく
とも上面および下面に形成されたピストンリングは、ピ
ストンリング溝の側面との間のAl凝着現象を防止で
き、初期なじみ性を改善し、優れた耐摩耗性を発揮する
ことができる。
As described above, according to the piston ring of the present invention, at least the upper surface and the lower surface of the piston ring base material made of austenitic stainless steel having a thermal expansion coefficient of 15 × 10 −6 / ° C. or more are provided. Since a hard carbon film is formed, (a) the coefficient of thermal expansion of such austenitic stainless steel is close to that of the aluminum alloy cylinder liner, which is the other material, and the thermal expansion followability of the aluminum alloy cylinder liner egoism,
It is possible to realize suitable sliding contact and suppress the generation of blow-by gas. Further, (b) the piston ring having such hard carbon film formed on at least the upper surface and the lower surface can prevent the Al adhesion phenomenon between the side surface of the piston ring groove, improve the initial conformability, and have excellent wear resistance. You can exercise your sexuality.

【0094】こうした本発明のピストンリングは、今後
開発が予想される高出力、高温高負荷のエンジンにも十
分に使用することができ、その効果は甚大である。
Such a piston ring of the present invention can be sufficiently used for an engine of high output, high temperature and high load, which is expected to be developed in the future, and its effect is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のピストンリングの例を示す断面図であ
る。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a piston ring of the present invention.

【図2】本発明のピストンリングの他の例を示す断面図
である。
FIG. 2 is a sectional view showing another example of the piston ring of the present invention.

【図3】下地皮膜または下地層が形成された本発明のピ
ストンリングの他の例を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the piston ring of the present invention in which a base film or a base layer is formed.

【図4】第1硬質炭素皮膜のSi含有比率を傾斜させた
態様の例である。
FIG. 4 is an example of a mode in which the Si content ratio of the first hard carbon film is graded.

【図5】高温弁座摩耗試験機である。FIG. 5 is a high temperature valve seat wear tester.

【図6】NPR式衝撃試験装置の改良試験機である。FIG. 6 is an improved tester of the NPR type impact tester.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 母材 2a 硬質炭素単層皮膜 2b 硬質炭素積層皮膜 3 下地皮膜(下地層) 6 外周摺動面 7 内周面 8 上面 9 下面 10 ピストンリング 11 第1硬質炭素皮膜 12 第2硬質炭素皮膜 1 base material 2a Hard carbon single layer film 2b Hard carbon laminated film 3 Undercoat (underlayer) 6 Outer peripheral sliding surface 7 Inner surface 8 upper surface 9 Lower surface 10 piston ring 11 First hard carbon coating 12 Second hard carbon film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3J044 AA02 BA03 BB06 BB15 BB19 BB20 BB21 BB28 BB29 BB30 BB35 4K044 AA03 AB10 BA02 BA18 BB01 BB03 BB04 BC01 CA12 CA13 CA14 CA18    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 3J044 AA02 BA03 BB06 BB15 BB19                       BB20 BB21 BB28 BB29 BB30                       BB35                 4K044 AA03 AB10 BA02 BA18 BB01                       BB03 BB04 BC01 CA12 CA13                       CA14 CA18

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 15×10-6/℃以上の熱膨張係数を有
するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストンリ
ング母材の少なくとも上面および下面に硬質炭素皮膜が
形成されていることを特徴とするピストンリング。
1. A piston ring characterized in that a hard carbon coating is formed on at least an upper surface and a lower surface of a piston ring base material made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 −6 / ° C. or more. .
【請求項2】 前記硬質炭素皮膜は、W、W及びNi、
及び、Tiから選択される元素を一または二以上含有す
ることを特徴とする請求項1に記載のピストンリング。
2. The hard carbon coating is W, W and Ni,
The piston ring according to claim 1, further comprising one or more elements selected from Ti.
【請求項3】 前記硬質炭素皮膜は、前記上面および下
面の表面に形成された少なくともSiを含有する第1硬
質炭素皮膜と、該第1硬質炭素皮膜下に形成された、
W、W及びNi、及び、Tiから選択される元素を一ま
たは二以上含有する第2硬質炭素皮膜とからなる積層皮
膜であることを特徴とする請求項1に記載のピストンリ
ング。
3. The hard carbon coating is formed on the surfaces of the upper surface and the lower surface, the first hard carbon coating containing at least Si, and the hard carbon coating formed under the first hard carbon coating.
The piston ring according to claim 1, wherein the piston ring is a laminated coating including a second hard carbon coating containing one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti.
【請求項4】 前記ピストンリング母材の少なくとも外
周摺動面には、スパッタリング皮膜、イオンプレーティ
ング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択され
た何れかが下地皮膜または下地層として形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載
のピストンリング。
4. The undercoating or undercoating layer is formed of at least one of a sputtering coating, an ion plating coating, a chromium plating coating, and a nitride layer on at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring base material. The piston ring according to any one of claims 1 to 3, wherein.
【請求項5】 前記ピストンリングの少なくとも上面お
よび下面には、少なくともCrを含有する下地層が形成
されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何
れかに記載のピストンリング。
5. The piston ring according to claim 1, wherein a base layer containing at least Cr is formed on at least an upper surface and a lower surface of the piston ring.
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