JP2016033418A - Internal combustion engine piston ring - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an internal combustion engine piston ring capable of preventing aluminum adhesion for a long period of time even under a high temperature, high load condition, and suppressing the self abrasion of a coat and the abrasion of a piston material.SOLUTION: An internal combustion engine piston ring 1 in which a piston ring base material 11 is coated with an aluminum adhesion resistant coat 12, is configured so that the aluminum adhesion resistant coat 12 is a composite coat consisting only of ceramics that contains second ceramics harder than first ceramics constituting a matrix with the first ceramics coating at least one of upper and lower side surfaces 11a and 11b of the piston ring base material 11 as the matrix.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は内燃機関用ピストンリングに関し、特に高温且つ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミ凝着を防止でき、且つ被膜の自己摩耗及びピストン材の摩耗を抑制できる内燃機関用ピストンリングに関するものである。   The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly to a piston ring for an internal combustion engine that can prevent aluminum adhesion over a long period of time even under high temperature and high load conditions, and can suppress self-wearing of the coating and wear of the piston material. It is.

内燃機関において使用されるトップリング、セカンドリング、オイルリングの3つのピストンリングは、ピストンの表面に設けられたピストンリング溝にそれぞれ係合するように配置され、燃焼室から燃焼ガスが外部に漏洩するのを防止するガスシール機能、ピストンの熱を冷却されたシリンダ壁に伝達してピストンを冷却する熱伝導機能、及び潤滑油としてのエンジンオイルをシリンダ壁に適量与えて余分なオイルを掻き出す機能を有している。   The three piston rings used in an internal combustion engine, the top ring, the second ring, and the oil ring, are arranged to engage with piston ring grooves provided on the surface of the piston, respectively, and combustion gas leaks from the combustion chamber to the outside. A gas seal function that prevents the piston from moving, a heat conduction function that transmits the piston heat to the cooled cylinder wall and cools the piston, and a function that applies engine oil as lubricating oil to the cylinder wall to scrape excess oil. have.

これら3つのピストンリングは、内燃機関の動作時、燃焼室における燃料の爆発によりピストンが往復運動する際に、ピストンのピストンリング溝内において、溝内面との間で衝突を繰り返している。また、ピストンリングは、ピストンリング溝内において、その周方向に摺動自在であるため、ピストンリング溝内を摺動する。ところで、ピストンリング溝の表面には、溝形成のための旋盤加工により、1μm程度の高さを有する突起が形成されており、上記のピストンリングとの衝突と摺動により突起が疲労破壊して、ピストンリング溝の表面に活性なアルミニウム合金面が露出するようになる。
この露出したアルミニウム合金面は、衝突によりピストンリング側面と接触し、さらに摺動を繰り返すと、アルミニウム合金がピストンリング側面に凝着する現象である、アルミニウム凝着(以下、「アルミ凝着」と称する)が発生する。これは特に、燃焼室に最も近くに位置し、高温条件下に置かれるトップリングにおいて顕著である。
These three piston rings repeatedly collide with the groove inner surface in the piston ring groove of the piston when the piston reciprocates due to the explosion of fuel in the combustion chamber during the operation of the internal combustion engine. Further, since the piston ring is slidable in the circumferential direction in the piston ring groove, the piston ring slides in the piston ring groove. By the way, on the surface of the piston ring groove, a protrusion having a height of about 1 μm is formed by a lathe process for forming the groove, and the protrusion is fatigued and destroyed by the collision and sliding with the piston ring. The active aluminum alloy surface is exposed on the surface of the piston ring groove.
This exposed aluminum alloy surface comes into contact with the side surface of the piston ring due to a collision, and when it repeatedly slides, the aluminum alloy adheres to the side surface of the piston ring. Occurs). This is particularly noticeable in the top ring located closest to the combustion chamber and placed under high temperature conditions.

このアルミ凝着がさらに進行すると、ピストン溝の摩耗が急速に進行し、ピストンリングのガスシール機能が低下して、高圧の燃焼ガスが燃焼室からクランク室へ流出する、いわゆるブローバイと呼ばれる現象が生じ、エンジン出力の低下を招く問題がある。   As this aluminum adhesion further progresses, the piston groove wears rapidly, the gas seal function of the piston ring decreases, and a phenomenon called so-called blow-by occurs in which high-pressure combustion gas flows out from the combustion chamber to the crank chamber. This causes a problem that causes a reduction in engine output.

こうした状況を受けて、これまでピストンリングのアルミ凝着を防止する様々な技術が提案されてきた。例えば、特許文献1には、ピストンリング溝と衝突及び摺動するピストンリングの側面に、カーボンブラック粒子を含有する樹脂系被膜を設けることにより、なじみ性を向上させてアルミ凝着を防止する技術について記載されている。   In response to this situation, various techniques for preventing aluminum adhesion of piston rings have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a technique for improving conformability and preventing aluminum adhesion by providing a resin-based film containing carbon black particles on the side surface of a piston ring that collides with and slides on a piston ring groove. Is described.

また、特許文献2には、ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一または二以上の粉末を表面被膜全体に対して10〜80質量%含有する耐熱樹脂を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、ピストンリングへのアルミ凝着を効果的に防止する技術について記載されている。   Patent Document 2 discloses that one or two or more powders selected from the group consisting of nickel-based powder, lead-based powder, zinc-based powder, tin-based powder, and silicon-based powder are 10 to 80 with respect to the entire surface coating. It describes a technique for effectively preventing aluminum adhesion to the piston ring by providing a heat-resistant resin containing mass% on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring.

しかし、特許文献1及び2に記載された被膜の場合、エンジン内の温度が上昇すると、耐アルミ凝着性が低下する問題があった。そこで、特許文献3には、硬質粒子を含有する、固体潤滑機能を有するポリイミド被膜を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、230℃を超える高温条件下においても、長期に亘って高い耐アルミ凝着性を維持する技術について記載されている。   However, in the case of the coatings described in Patent Documents 1 and 2, there is a problem that the aluminum adhesion resistance decreases when the temperature in the engine rises. Therefore, in Patent Document 3, a polyimide coating containing hard particles and having a solid lubricating function is provided on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring, so that even under high temperature conditions exceeding 230 ° C., for a long period of time. A technique for maintaining high aluminum adhesion resistance is described.

さらに、特許文献4には、樹脂系被膜に代えて少なくともシリコンを含有する第1ダイヤモンド・ライク・カーボン(Diamond Like Carbon、DLC)被膜と、該第1DLC被膜の下に形成された少なくともWまたはW、Niを含有する第2DLC被膜を、ピストンリングの上下側面に設けることにより、耐アルミ凝着性、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れたピストンリングを提供する技術について記載されている。
さらにまた、特許文献5には、硬質ナノ粒子を含有したポリシラザンをガラス化した被膜について記載されている。
Further, Patent Document 4 discloses a first diamond-like carbon (DLC) film containing at least silicon instead of a resin-based film, and at least W or W formed under the first DLC film. A technique for providing a piston ring having excellent aluminum adhesion resistance, scuff resistance and wear resistance by providing a second DLC film containing Ni on the upper and lower side surfaces of the piston ring is described.
Furthermore, Patent Document 5 describes a film obtained by vitrifying polysilazane containing hard nanoparticles.

特開2007−278495号公報JP 2007-278495 A 特開2008−248986号公報JP 2008-248986 A 国際公開第2011/071049号パンフレットInternational Publication No. 2011/071049 Pamphlet 特開2003−014122号公報JP 2003-014122 A 国際公開第2012/111826号パンフレットInternational Publication No. 2012/111826 Pamphlet

ところで、近年、車のダウンサイジングが進んでおり、燃費を向上させるために排気量が小さくなり、その結果、エンジン内の温度及び圧力が益々上昇している。しかしながら、特許文献3のような、樹脂系被膜では、260℃を超える高温条件下、エンジン内の圧力が10MPaを超えるような高負荷条件下では、長期に亘って耐アルミ凝着性を維持するのは困難である。
また、特許文献4に記載されたDLC被膜は、260℃を超える高温条件下ではグラファイト化してしまい、また酸化雰囲気では酸化が進み、DLC被膜本来の特性を発揮して耐アルミ凝着性を維持することは困難である。
さらに、特許文献5に記載された被膜は、260℃を超える高温条件下では、シリカ転化に際して被膜内に残った有機物や、樹脂系粒子が酸化などの化学反応により被膜が劣化してしまい、十分な耐アルミ凝着性を維持できない場合があり、260℃を超える高温条件下、エンジン内の圧力が10MPaを超えるような高負荷条件下では、長期に亘って耐アルミ凝着性を維持できないおそれがある。
By the way, in recent years, downsizing of vehicles has progressed, and the amount of exhaust gas has been reduced in order to improve fuel efficiency. As a result, the temperature and pressure in the engine have been increasing. However, in the resin-based coating as in Patent Document 3, aluminum adhesion resistance is maintained over a long period of time under a high temperature condition exceeding 260 ° C. and a high load condition where the pressure in the engine exceeds 10 MPa. It is difficult.
In addition, the DLC film described in Patent Document 4 is graphitized under a high temperature condition exceeding 260 ° C., and oxidation proceeds in an oxidizing atmosphere, and the original characteristics of the DLC film are exhibited and the aluminum adhesion resistance is maintained. It is difficult to do.
Furthermore, the coating described in Patent Document 5 is sufficiently deteriorated under a high temperature condition exceeding 260 ° C. due to a chemical reaction such as oxidation of organic substances remaining in the coating upon conversion to silica or resin-based particles. May not be able to maintain high aluminum adhesion resistance, and may not be able to maintain aluminum adhesion resistance over a long period of time under high temperature conditions exceeding 260 ° C. and under high load conditions where the internal pressure of the engine exceeds 10 MPa. There is.

さらにまた、こうした耐アルミ凝着被膜の高温且つ高負荷条件下におけるアルミ凝着の長期的な防止に加えて、耐アルミ凝着被膜の自己摩耗の抑制、及び相手材であるピストン材への攻撃を低減してピストン材の摩耗量を抑制することも重要である。   Furthermore, in addition to the long-term prevention of aluminum adhesion under high-temperature and high-load conditions, the aluminum adhesion-resistant coating suppresses self-abrasion of the aluminum adhesion-resistant coating and attacks the piston material that is the counterpart material. It is also important to reduce the amount of wear of the piston material by reducing

そこで、本発明の目的は、高温且つ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミ凝着を防止でき、且つ被膜の自己摩耗及びピストン材の摩耗を抑制できる内燃機関用ピストンリングを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a piston ring for an internal combustion engine that can prevent adhesion of aluminum over a long period of time even under high temperature and high load conditions, and can suppress self-wearing of the coating and wear of the piston material. is there.

発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、耐アルミ凝着被膜を、硬さの異なる2種以上のセラミックスを複合した、セラミックスのみからなる複合被膜とすることが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。   The inventors diligently studied how to solve the above problems. As a result, it has been found that it is extremely effective to make the aluminum anti-adhesion coating into a composite coating composed of ceramics in which two or more ceramics having different hardnesses are combined, and the present invention has been completed. .

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)ピストンリング用母材に耐アルミ凝着被膜が被覆された内燃機関用のピストンリングであって、前記耐アルミ凝着被膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆された第1のセラミックスをマトリックスとして、該マトリックスを構成する第1のセラミックスよりも硬い第2のセラミックスを含有した、セラミックスのみからなる複合被膜であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A piston ring for an internal combustion engine in which a base material for piston ring is coated with an aluminum anti-adhesion coating, wherein the aluminum anti-adhesion coating covers at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material. A piston ring for an internal combustion engine, characterized in that it is a composite coating made of only ceramics, the second ceramics being harder than the first ceramics constituting the matrix.

(2)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たす、前記(1)に記載の内燃機関用ピストンリング。

Ra<−8.7×10-5HV+0.39 (A)
(2) The Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (A): Piston ring for internal combustion engines.
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)

(3)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の厚みh(μm)とが以下の式(B)を満たす、前記(1)または(2)に記載の内燃機関用ピストンリング。

h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
(3) The internal combustion according to (1) or (2), wherein the Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the thickness h (μm) of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (B): Piston ring for engine.
H> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)

(4)前記アルミ凝着被膜は、その厚み方向の断面において、前記第1のセラミックスからなる層と前記第2のセラミックスからなる層とが互いに重なり合う組織を有する、前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (4) The aluminum adhesive coating has the structure in which the layer made of the first ceramic and the layer made of the second ceramic overlap each other in a cross section in the thickness direction. The piston ring for internal combustion engines as described in any one of these.

(5)前記マトリックスを構成する第1のセラミックスのビッカース硬さHVが、500以上1300以下であることを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (5) The piston for an internal combustion engine according to any one of (1) to (4), wherein the first ceramic constituting the matrix has a Vickers hardness HV of 500 to 1300. ring.

(6)前記第2のセラミックスのビッカース硬さHVが、1000以上2500以下である前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (6) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (5), wherein the second ceramic has a Vickers hardness HV of 1000 or more and 2500 or less.

(7)前記第2のセラミックスの含有量が、被膜全体に対して5重量%以上40重量%以下である前記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (7) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (6), wherein the content of the second ceramic is 5% by weight or more and 40% by weight or less with respect to the entire coating film.

(8)前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さが0.3μm以下である前記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (8) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (7), wherein an arithmetic average roughness of a surface of the aluminum adhesion-resistant coating is 0.3 μm or less.

(9)前記耐アルミ凝着被膜の厚さが1μm以上20μm以下である前記(1)〜(8)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (9) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (8), wherein the thickness of the aluminum adhesion-resistant coating is 1 μm or more and 20 μm or less.

(10)前記マトリックスを構成する第1のセラミックスは、チタニア、イットリア、マグネシア、アルミナからなる群から選ばれる少なくとも一種からなり、前記第2のセラミックスは、アルミナ、ジルコニア、シリカ、クロミア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる前記(1)〜(9)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (10) The first ceramic constituting the matrix is at least one selected from the group consisting of titania, yttria, magnesia and alumina, and the second ceramic is alumina, zirconia, silica, chromia, aluminum nitride, The piston ring for internal combustion engines according to any one of (1) to (9), which is made of at least one selected from the group consisting of silicon nitride and silicon carbide.

本発明によれば、耐アルミ凝着被膜を硬さの異なる2種以上のセラミックスを複合した複合被膜とし、耐アルミ凝着被膜のマトリックスを比較的硬さの低い第1のセラミックスで構成することにより被膜の相手攻撃性を低減し、且つマトリックスの第1のセラミックスよりも硬い第2のセラミックスを第1のセラミックス中に含有することにより被膜に耐久性を持たせるようにしたため、高温且つ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミ凝着を防止でき、且つ被膜の自己摩耗及びピストン材の摩耗を抑制できる。   According to the present invention, the aluminum anti-adhesion coating is a composite coating composed of two or more ceramics having different hardnesses, and the matrix of the aluminum anti-adhesion coating is composed of the first ceramic having a relatively low hardness. Since the first ceramics contains a second ceramic that is harder than the first ceramic of the matrix, the coating is made more durable by reducing the attack of the coating against the other party. Even under conditions, aluminum adhesion can be prevented over a long period of time, and self-wearing of the coating and wear of the piston material can be suppressed.

ピストンリング溝に係合した状態の本発明に係る内燃機関用ピストンリングの模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a piston ring for an internal combustion engine according to the present invention in a state of being engaged with a piston ring groove. 実施例に使用したエンジン模擬試験装置の模式図である。It is a schematic diagram of the engine simulation test apparatus used for the Example.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、ピストンリング溝に係合した状態の本発明に係る内燃機関用ピストンリングの模式断面図である。この図に示した内燃機関用ピストンリング1は、ピストンリング用母材11に耐アルミ凝着被膜12が被覆された内燃機関用のピストンリングである。ここで、耐アルミ凝着被膜12は、ピストンリング用母材11の上下側面11a及び11bの少なくとも一方に被覆された比較的硬さの低い第1のセラミックスをマトリックスとして、マトリックスを構成する第1のセラミックスよりも硬い第2のセラミックスを含有した、セラミックスのみからなる複合被膜からなることが肝要である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a piston ring for an internal combustion engine according to the present invention in a state engaged with a piston ring groove. The piston ring 1 for an internal combustion engine shown in this figure is a piston ring for an internal combustion engine in which a piston ring base material 11 is coated with an aluminum adhesion coating 12. Here, the aluminum anti-adhesion coating 12 is a first that constitutes a matrix using the first ceramic with relatively low hardness coated on at least one of the upper and lower side surfaces 11a and 11b of the piston ring base material 11 as a matrix. It is important to be composed of a composite coating made only of ceramics, containing a second ceramic that is harder than this ceramic.

図1に示すように、ピストンリング1は、ピストンリング溝21内に係合した状態で、シリンダ24の側壁とピストン20との間の隙間を塞ぎ、燃焼ガス及びオイルをシールする。そして、ピストンリング1は、ピストン20の往復運動(図中の矢印方向の運動)にピストンリング1が追従し、ピストンリング溝21内で上下運動が起こり、ピストンリング1とピストンリング溝21の上面22及び下面23との間で衝突を繰り返す。また、ピストンリング1がピストンリング溝21内において周方向に摺動自在であるため、ピストンリング1がピストンリング溝21の上面22及び下面23と接触しながら摺動を繰り返す。   As shown in FIG. 1, the piston ring 1 closes the gap between the side wall of the cylinder 24 and the piston 20 while being engaged in the piston ring groove 21, and seals combustion gas and oil. The piston ring 1 follows the reciprocating motion of the piston 20 (the motion in the direction of the arrow in the figure), and the vertical motion occurs in the piston ring groove 21, and the upper surface of the piston ring 1 and the piston ring groove 21. The collision is repeated between 22 and the lower surface 23. Further, since the piston ring 1 is slidable in the circumferential direction in the piston ring groove 21, the piston ring 1 repeats sliding while being in contact with the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21.

これらピストンリング1とピストンリング溝21の上面22及び下面23との間の衝突及び摺動の繰り返しにより、ピストンリング溝21の上面22及び下面23上に形成されている突起(図示せず)が削られて、突起跡を中心とした活性なアルミニウム合金面が生じる。ここで、本発明においては、耐アルミ凝着被膜12を耐熱性と耐酸化性に優れるセラミックスで主に構成し、耐アルミ凝着被膜のマトリックスを比較的硬さの低いセラミックスとすることで被膜の相手攻撃性を小さくさせつつ、ピストンリング溝21の上面22及び下面23との間で、アルミニウム面が削られて初晶シリコンが表面に突き出した面を形成する。表面に突き出した初晶シリコンと耐アルミ凝着被膜中に含有したマトリックスのセラミックスよりも硬いセラミックスが摺動することで、高温及び高負荷条件下においても被膜の自己摩耗及びピストン材の摩耗を抑制でき、長期間に亘ってアルミ凝着を防止することができるのである。以下、内燃機関用ピストンリング1の各構成について説明する。   Projections (not shown) formed on the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21 due to repeated collision and sliding between the piston ring 1 and the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21. The active aluminum alloy surface centering on the protrusion trace is generated by cutting. Here, in the present invention, the aluminum adhesion-resistant coating 12 is mainly composed of ceramics having excellent heat resistance and oxidation resistance, and the matrix of the aluminum adhesion-resistant coating is made of ceramics having relatively low hardness. The surface of the aluminum ring is scraped between the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21 to form a surface in which the primary crystal silicon protrudes from the surface. The primary silicon that protrudes on the surface and the ceramics harder than the matrix ceramics contained in the aluminum anti-adhesion coating slide to prevent self-wearing of the coating and piston material even under high temperature and high load conditions. It is possible to prevent aluminum adhesion over a long period of time. Hereinafter, each structure of the piston ring 1 for internal combustion engines is demonstrated.

ピストンリング用母材11の材料は、ピストンリング溝との衝突に耐える強度を有していれば、特に限定されない。鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等とすることが好ましい。また、耐摩耗性を向上させるため、側面に、ステンレス鋼では窒化処理、鋳鉄では硬質Crめっきや無電解ニッケルめっき処理が施された母材であってもよい。   The material of the piston ring base material 11 is not particularly limited as long as it has strength to withstand a collision with the piston ring groove. Steel, martensitic stainless steel, austenitic stainless steel, high-grade cast iron and the like are preferable. Moreover, in order to improve wear resistance, the side surface may be a base material subjected to nitriding treatment for stainless steel and hard Cr plating or electroless nickel plating treatment for cast iron.

耐アルミ凝着被膜12のマトリックスを構成する第1のセラミックスのビッカース硬さHVは、500以上1300以下とすることが好ましい。ここで、ビッカース硬さを500以上とすることにより、ピストン材表面の凸部先端を摩耗させることができる。また、ビッカース硬さを1300以下とすることにより、ピストン材表面の平坦部に対して、磨耗がほとんど起こらないようにすることができる。つまり、ビッカース硬さを500以上1300以下とすることにより、ピストン材表面において、局所的な凸部のみを選択的に磨耗させて平坦化することができる。より好ましくは500以上700以下である。   The Vickers hardness HV of the first ceramic constituting the matrix of the aluminum adhesion-resistant coating 12 is preferably 500 or more and 1300 or less. Here, by setting the Vickers hardness to 500 or more, the tip of the convex portion on the surface of the piston material can be worn. Further, by setting the Vickers hardness to 1300 or less, it is possible to hardly cause wear on the flat portion of the piston material surface. That is, by setting the Vickers hardness to 500 or more and 1300 or less, only the local convex portions can be selectively worn and flattened on the surface of the piston material. More preferably, it is 500 or more and 700 or less.

本発明において、上記した「複合被膜」は、微細粒子状の第2のセラミックスがマトリックスである第1のセラミックス中に均一に分散された被膜を意味しており、層状のマトリックスの上に層状の第2のセラミックスが積層された構造は含まれない。ただし、マトリックスの表面に微細粒子状の第2のセラミックスが存在する状態は除外されない。   In the present invention, the above-mentioned “composite coating” means a coating in which the fine particle-like second ceramic is uniformly dispersed in the first ceramic as a matrix, and the layered matrix is formed on the layered matrix. The structure in which the second ceramic is laminated is not included. However, a state in which the second ceramic in the form of fine particles is present on the surface of the matrix is not excluded.

第1のセラミックスよりも硬い第2のセラミックスのビッカース硬さHVは、1000以上2500以下とすることが好ましい。ここで、ビッカース硬さを1000以上とすることにより、ピストンリング溝21の表面に形成された初晶シリコン(ビッカース硬さ1000程度)によって、耐アルミ凝着被膜12が著しく摩耗することを抑制することができる。また、ビッカース硬さを2500以下とすることにより、初晶シリコンを破壊する割合を抑制して、ピストン材が著しく摩耗するのを防止することができる。より好ましくは、1000以上1500以下である。   The Vickers hardness HV of the second ceramic harder than the first ceramic is preferably 1000 or more and 2500 or less. Here, by setting the Vickers hardness to 1000 or more, the aluminum adhesion coating 12 is prevented from being significantly worn by the primary crystal silicon (Vickers hardness of about 1000) formed on the surface of the piston ring groove 21. be able to. Further, by setting the Vickers hardness to 2500 or less, it is possible to suppress the ratio of breaking the primary crystal silicon and prevent the piston material from being significantly worn. More preferably, it is 1000 or more and 1500 or less.

前記の第1のセラミックスよりも硬い第2のセラミックスの含有量が、被膜全体に対して5重量%以上40重量%以下とすることが好ましい。ここで、5重量%以上とすることにより、耐アルミ凝着被膜12が著しく摩耗することを抑制することができる。また、40重量%以下とすることにより、ピストン材が著しく摩耗するのを防止することができる。   It is preferable that the content of the second ceramic harder than the first ceramic is 5 wt% or more and 40 wt% or less with respect to the entire coating film. Here, by setting the content to 5% by weight or more, it is possible to prevent the aluminum adhesive coating 12 from being significantly worn. Moreover, it can prevent that piston material wears significantly by setting it as 40 weight% or less.

このような、第2のセラミックスは、具体的には、微細粒子状の形態を有するセラミックスであり、耐アルミ凝着被膜中に均一に分散している。また、1μm以上の膜厚を付する場合には、ピストンリング母材側と被膜表面側の微細粒子の存在比を1:20程度に徐々に存在比を膜厚方向に変化させることが好ましい。これにより、早期にピストン表面の突起を除去することが可能となることに加え、ピストンリング母材との境界付近において第2のセラミックス粒子が部分的に集中して存在することによる局所的な密着性の低下を抑制することができる。   Such a second ceramic is specifically a ceramic having a fine particle form, and is uniformly dispersed in the aluminum adhesion-resistant coating. When a film thickness of 1 μm or more is applied, it is preferable that the abundance ratio of fine particles on the piston ring base material side and the coating surface side is gradually changed in the film thickness direction to about 1:20. As a result, it becomes possible to remove protrusions on the piston surface at an early stage, and in addition, local adhesion due to the presence of the second ceramic particles partially concentrated near the boundary with the piston ring base material. Deterioration can be suppressed.

また、第2のセラミックスの寸法(粒径)は、10nm以上900nm以下とすることが好ましい。ここで、粒径を10nm以上とすることにより、ピストン表面の突起により、第2のセラミックスが第1のセラミックスからなるマトリックスからえぐり取られるのを抑制して、第2のセラミックスの硬さを有効に活用して、被膜の消耗を抑制することができる。一方、粒径が900nmを超えると第2のセラミックスを覆うために、耐アルミ凝着被膜の性能を維持するのに必要な膜厚以上の余分な厚み(具体的には5μm以上)が必要となるが、粒径を900nm以下とすることにより、このような余分な厚みを不要にすることができる。   The dimension (particle diameter) of the second ceramic is preferably 10 nm or more and 900 nm or less. Here, by setting the particle size to 10 nm or more, it is possible to prevent the second ceramic from being swept away from the matrix made of the first ceramic by the protrusions on the piston surface, thereby effectively increasing the hardness of the second ceramic. It is possible to suppress the consumption of the coating. On the other hand, if the particle size exceeds 900 nm, an extra thickness (specifically, 5 μm or more) more than the film thickness necessary to maintain the performance of the aluminum adhesive film is required to cover the second ceramic. However, by setting the particle size to 900 nm or less, such extra thickness can be eliminated.

耐アルミ凝着被膜12の表面粗さは0.3μm以下とすることが好ましい。このような表面粗さを有する耐アルミ凝着被膜12は、ピストンリング溝と接触した場合にも面圧を抑制してピストン材の攻撃を低減し、ピストン材の摩耗量の増加を抑制することができる。なお、本発明において、セラミックスの表面粗さは、JIS B0601(1994)に基づく算術平均粗さRaを意味しており、表面粗さ測定装置を用いて測定する。   The surface roughness of the aluminum adhesion-resistant coating 12 is preferably 0.3 μm or less. The aluminum anti-adhesion coating 12 having such a surface roughness suppresses the attack of the piston material by suppressing the surface pressure even when contacting the piston ring groove, and suppresses an increase in the wear amount of the piston material. Can do. In the present invention, the surface roughness of the ceramic means an arithmetic average roughness Ra based on JIS B0601 (1994), and is measured using a surface roughness measuring device.

ここで、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たすことが好ましい。
Ra<−8.7×10-5HV+0.39 (A)
発明者らは、様々な材料、ビッカース硬さ、表面粗さ、膜厚を有する耐アルミ凝着被膜12をピストンリング用母材11上に形成し、得られたピストンリング1の耐アルミニウム凝着性能、及びピストン材の摩耗量を評価した。その結果、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと表面の算術平均粗さRaが上記式(A)を満足する場合に、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、表面の算術平均粗さRaを耐アルミ凝着被膜12の硬さに応じた適切な値とすることにより、ピストンリング1とリング溝21の上面22と下面23とが接触する際に、それらの間の面圧を低減できるためと考えられる。
Here, it is preferable that the Vickers hardness HV and the surface arithmetic average roughness Ra (μm) of the aluminum adhesion-resistant coating 12 satisfy the following formula (A).
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)
The inventors formed an aluminum-resistant adhesive coating 12 having various materials, Vickers hardness, surface roughness, and film thickness on the base material 11 for piston ring, and the aluminum-resistant adhesive of the piston ring 1 thus obtained. The performance and the wear amount of the piston material were evaluated. As a result, when the Vickers hardness HV and the arithmetic average roughness Ra of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating 12 satisfy the above formula (A), the aluminum material has high aluminum adhesion resistance while suppressing the wear of the piston material. I found out. This is because the piston ring 1 and the upper surface 22 and the lower surface 23 of the ring groove 21 come into contact with each other by setting the arithmetic average roughness Ra of the surface to an appropriate value corresponding to the hardness of the aluminum adhesion-resistant coating 12. It is considered that the surface pressure between them can be reduced.

なお、本発明において、耐アルミ凝着被膜12(複合被膜)のビッカース硬さHVは、第1のセラミックスのビッカース硬さと第2のセラミックスのビッカース硬さ、平均粒径や含有量などから決定され、具体的には、事前に用意した測定用の基材に耐アルミ凝着被膜12を成膜し、JIS Z2244(2009)に基づいて実測して求めた。   In the present invention, the Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating 12 (composite coating) is determined from the Vickers hardness of the first ceramic, the Vickers hardness of the second ceramic, the average particle diameter, the content, and the like. Specifically, the aluminum adhesion-resistant coating 12 was formed on a measurement substrate prepared in advance, and measured and obtained based on JIS Z2244 (2009).

耐アルミ凝着被膜12の厚さは、1μm以上20μm以下とすることが好ましい。ここで、1μm以上とすることにより、セラミックスの表面粗さに対して被膜の厚さが十分となり、耐アルミ凝着被膜が均質な膜となることで自己摩耗を抑制することができる。また、20μm以下とすることにより、ピストンリング溝における十分なクリアランスを確保して、上記のピストンリングの機能を実行させることができる。   The thickness of the aluminum adhesion-resistant coating 12 is preferably 1 μm or more and 20 μm or less. Here, by setting the thickness to 1 μm or more, the thickness of the coating becomes sufficient with respect to the surface roughness of the ceramic, and the self-abrasion can be suppressed by making the aluminum adhesion-resistant coating a homogeneous film. Moreover, by setting it as 20 micrometers or less, sufficient clearance in a piston ring groove | channel is ensured and the function of said piston ring can be performed.

ここで、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと膜厚h(μm)とが以下の式(B)を満たすことが好ましい。
h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
発明者らは、上記式(A)の場合と同様に、耐アルミ凝着被膜12のビッカース硬さHVと膜厚hが上記式(B)を満足する場合にも、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、膜厚hを耐アルミ凝着被膜12の硬さに応じた適切な値とすることにより、耐アルミ凝着被膜12が摩滅することなくピストン材の摩耗を抑制できるためと考えられる。
Here, it is preferable that the Vickers hardness HV and the film thickness h (μm) of the aluminum adhesion-resistant coating 12 satisfy the following formula (B).
h> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)
As in the case of the above formula (A), the inventors suppress the wear of the piston material even when the Vickers hardness HV and the film thickness h of the aluminum adhesion resistant coating 12 satisfy the above formula (B). However, it has been found that it has high aluminum adhesion resistance. This is presumably because the wear of the piston material can be suppressed without wear of the aluminum-resistant adhesive coating 12 by setting the film thickness h to an appropriate value according to the hardness of the aluminum-resistant adhesive coating 12.

マトリックスを構成する第1のセラミックスは、チタニア、イットリア、マグネシア、アルミナからなる群から選ばれる少なくとも一種とすることができる。このうち、均一な粉体材料の入手が容易であることから、チタニア、マグネシアが特に好ましい。   The first ceramic constituting the matrix can be at least one selected from the group consisting of titania, yttria, magnesia, and alumina. Among these, titania and magnesia are particularly preferable because it is easy to obtain a uniform powder material.

マトリックスのセラミックスよりも硬いセラミックスは、アルミナ、ジルコニア、シリカ、クロミア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種とすることができる。このうち、粒子間の再結合性が高く均一な被膜形成が容易であることから、アルミナ、ジルコニア、シリカ、クロミアが特に好ましい。   The ceramic harder than the matrix ceramic can be at least one selected from the group consisting of alumina, zirconia, silica, chromia, aluminum nitride, silicon nitride, and silicon carbide. Among these, alumina, zirconia, silica, and chromia are particularly preferable because of high recombination between particles and easy formation of a uniform film.

こうした耐アルミ凝着被膜12は、セラミックス微粒子や気化したセラミックス微粒子を直接表面に積層させる既知の様々な方法により形成できる。具体的には、溶射、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition、CVD)、物理気相成長法(Physical Vapor Deposition、PVD)、コールドスプレー法等を用いて、適切な成膜条件下で成膜を行うことにより、本発明に係るピストンリングを作製することができる。   Such an aluminum adhesion-resistant coating 12 can be formed by various known methods in which ceramic fine particles or vaporized ceramic fine particles are directly laminated on the surface. Specifically, deposition is performed under appropriate deposition conditions using thermal spraying, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), cold spraying, or the like. By performing the above, the piston ring according to the present invention can be manufactured.

耐アルミ凝着被膜12を溶射により形成する場合、粉末組成物は、溶射装置内で加熱され、ピストンリング用母材11の側面に向けて高速で噴射される。粉末組成物をピストンリング用母材11の側面上に溶射する方法としては、ガスフレーム溶射法、プラズマ溶射法及び高速フレーム溶射法(HVOF)等が挙げられ、プラズマ溶射法が好ましい。   When the aluminum adhesion-resistant coating 12 is formed by thermal spraying, the powder composition is heated in the thermal spraying apparatus and sprayed at a high speed toward the side surface of the piston ring base material 11. Examples of the method of spraying the powder composition on the side surface of the piston ring base material 11 include a gas flame spraying method, a plasma spraying method, and a high-speed flame spraying method (HVOF), and the plasma spraying method is preferable.

プラズマ溶射法では、溶射装置の陽極と陰極との間に高電圧を印加することにより、陽極と陰極の間の気体がプラズマ化する。プラズマ化された気体は加熱され、さらに膨張するため、高温且つ高速で溶射装置から噴出され、プラズマジェット流となる。溶射装置に供給された粉末組成物が上記プラズマジェット流中で加熱され、且つ加速され、ピストンリング用母材11に向けて噴射される。加熱され、且つ加速された粒子は、粒子の一部が溶融しているため、ピストンリング用母材11に衝突する際に、扁平化して、ピストンリング用母材11の側面上に層状に堆積する。そして、層状に堆積した粒子はピストンリング用母材11で急冷され、溶射被膜を形成する。   In the plasma spraying method, the gas between the anode and the cathode is turned into plasma by applying a high voltage between the anode and the cathode of the thermal spraying apparatus. Since the gas converted into plasma is heated and further expanded, it is ejected from the thermal spraying apparatus at a high temperature and at a high speed, and becomes a plasma jet flow. The powder composition supplied to the thermal spraying apparatus is heated and accelerated in the plasma jet stream, and sprayed toward the piston ring base material 11. Since the heated and accelerated particles are partially melted, they are flattened when they collide with the piston ring base material 11 and are layered on the side surfaces of the piston ring base material 11. To do. The particles deposited in layers are rapidly cooled by the piston ring base material 11 to form a sprayed coating.

プラズマ溶射法は、供給される粉末組成物中の粒子を、他の溶射方法よりも高温に加熱することができ、粉末組成物中の各粒子の溶融が促進する傾向がある。このため、プラズマ溶射により得られた溶射被膜の摺動面に垂直な断面(被膜の厚さ方向に平行な断面)では、第1のセラミックスからなる層と第2のセラミックスからなる層とが波のようにうねりながら互いに重なり合い(褶曲し)、且つ絡み合う組織が形成される傾向がある。そして、溶射被膜の断面において上記組織が形成されることにより、摺動後も第2のセラミックスが耐アルミ凝着被膜中に保持され、また、摺動後の溶射被膜表面が平滑となる傾向がある。したがって、上記プラズマ溶射により得られた耐アルミ凝着被膜は、耐摩耗性に優れ、且つアルミ凝着を抑制するものとなる。   In the plasma spraying method, particles in the supplied powder composition can be heated to a higher temperature than other spraying methods, and the melting of each particle in the powder composition tends to be promoted. For this reason, in the cross section perpendicular to the sliding surface of the thermal spray coating obtained by plasma spraying (the cross section parallel to the thickness direction of the coating), the layer made of the first ceramic and the layer made of the second ceramic are waved. There is a tendency that tissues that overlap (fold) and entangle with each other while undulating are formed. And, by forming the above structure in the cross section of the thermal spray coating, the second ceramic is held in the aluminum anti-adhesion coating even after sliding, and the surface of the thermal spray coating after sliding tends to be smooth. is there. Therefore, the aluminum adhesive coating obtained by the above plasma spraying is excellent in wear resistance and suppresses aluminum adhesion.

尚、耐アルミ凝着被膜12に潤滑機能を持たせるために、グラファイト、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を少量添加することができる。   In order to give the aluminum adhesive coating 12 a lubricating function, a small amount of a solid lubricant such as graphite or molybdenum disulfide can be added.

こうして、本発明に係るピストンリングは、高温且つ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミ凝着を防止でき、且つ被膜の自己摩耗及びピストン材の摩耗を抑制できるものである。   Thus, the piston ring according to the present invention can prevent adhesion of aluminum over a long period of time even under high temperature and high load conditions, and can suppress self-wearing of the coating and wear of the piston material.

<ピストンリングの作製>
以下、本発明の実施例について説明する。
低クロム鋼からなるピストンリング母材の上下側面に、表1に示す材料、材料の硬さ、硬質材料の含有量、被膜の表面粗さ、膜厚を有する被膜を形成した。尚、表2における発明例33及び34は、表1における発明例19及び20とそれぞれ同一であり、表3における発明例42は、表1における発明例24と同一である。
発明例1〜46と比較例5については、セラミックス微粒子や気化したセラミックス微粒子を直接表面に積層させる既知の様々な方法より被膜を形成してピストンリングを作製した。また、発明例1〜46において、第1のセラミックスからなるマトリックスに含有する第2のセラミックスである硬質材料は、微細粒子状のものであり、粒径は表1に示したとおりである。一方、比較例1、2及び6については、後述する各組成に調整した塗料をスプレーコーティングにより被膜を形成してピストンリングを作製した。また、比較例3については、無電解めっき法により被膜を形成してピストンリングを作製した。さらに、比較例4については、PVD法により被膜を形成してピストンリングを作製した。比較例6に関しては、硬質ナノ粒子(第2のセラミックス)として発明例28と同じ材料を用いて、特許文献5の発明例1と同様の方法により、ポリシラザン由来のシリカを第1のセラミックスとする以外は、発明例28と同様のピストンリングを作製した。
尚、比較例1の樹脂被膜Aは、MoS2粉末(平均粒径2μm)を5質量%、グラファイト粉末(平均粒径2μm)を5質量%含有するポリイミド樹脂被膜である。さらに、比較例2の樹脂被膜Bは、Al23粉末(平均粒径0.5μm)を10質量%含有するポリイミド樹脂被膜である。
<Production of piston ring>
Examples of the present invention will be described below.
A film having the materials shown in Table 1, the hardness of the material, the content of the hard material, the surface roughness of the film, and the film thickness was formed on the upper and lower sides of the piston ring base material made of low chromium steel. Inventive Examples 33 and 34 in Table 2 are the same as Inventive Examples 19 and 20 in Table 1, respectively, and Inventive Example 42 in Table 3 is the same as Inventive Example 24 in Table 1.
For Invention Examples 1 to 46 and Comparative Example 5, piston rings were produced by forming coatings by various known methods of directly laminating ceramic fine particles or vaporized ceramic fine particles on the surface. In Invention Examples 1 to 46, the hard material, which is the second ceramic contained in the matrix made of the first ceramic, is in the form of fine particles, and the particle size is as shown in Table 1. On the other hand, in Comparative Examples 1, 2, and 6, a piston ring was produced by forming a film by spray coating a paint adjusted to each composition described later. Moreover, about the comparative example 3, the film was formed by the electroless-plating method and the piston ring was produced. Furthermore, about the comparative example 4, the film was formed by PVD method and the piston ring was produced. Regarding Comparative Example 6, polysilazane-derived silica is used as the first ceramic by the same method as that of Invention Example 1 of Patent Document 5 using the same material as Invention Example 28 as the hard nanoparticles (second ceramic). Except for this, a piston ring similar to that of Invention Example 28 was produced.
The resin coating A of Comparative Example 1 is a polyimide resin coating containing 5% by mass of MoS 2 powder (average particle size 2 μm) and 5% by mass of graphite powder (average particle size 2 μm). Furthermore, the resin coating B of Comparative Example 2 is a polyimide resin coating containing 10% by mass of Al 2 O 3 powder (average particle size 0.5 μm).

発明例1〜46及び比較例1〜6のピストンリングの耐アルミ凝着性能を評価した。そのために、図2に示したエンジン模擬試験装置を使用した。図2に示したエンジン模擬試験装置30は、ピストン材32が上下に往復運動を行い、ピストンリング33が回転運動を行う機構を有しており、試験は、ヒーター31、温度コントローラー34及び熱電対35により、ピストン材32を加熱制御して行った。試験条件は、面圧13MPa、リング回転速度3mm/s、制御温度270℃、試験時間5時間とし、窒素ガスとともに、オイルを所定の間隔で一定量噴射しながら行った。試験後に、ピストンリングの被膜残存量及びアルミ凝着の発生の有無を調べた。得られた結果を表1に示す。なお、被膜残存量の評価基準は以下のとおりである。
◎:初期膜厚に対し、80%以上が残存
○:初期膜厚に対し、40%以上80%未満が残存
△:初期膜厚に対し、40%未満が残存
×:被膜なし
Aluminum adhesion resistance of the piston rings of Invention Examples 1 to 46 and Comparative Examples 1 to 6 was evaluated. For this purpose, the engine simulation test apparatus shown in FIG. 2 was used. The engine simulation test apparatus 30 shown in FIG. 2 has a mechanism in which the piston material 32 reciprocates up and down and the piston ring 33 rotates. The test is performed using the heater 31, the temperature controller 34, and the thermocouple. 35, the piston material 32 was heated and controlled. The test conditions were a surface pressure of 13 MPa, a ring rotation speed of 3 mm / s, a control temperature of 270 ° C., a test time of 5 hours, and nitrogen gas and a fixed amount of oil were injected at predetermined intervals. After the test, the remaining amount of coating on the piston ring and the presence or absence of aluminum adhesion were examined. The obtained results are shown in Table 1. In addition, the evaluation criteria of the film remaining amount are as follows.
◎: 80% or more remains with respect to the initial film thickness ○: 40% or more but less than 80% remains with respect to the initial film thickness △: Less than 40% remains with respect to the initial film thickness ×: No film

また、耐アルミ凝着性能の評価は、目視で確認した。得られた結果を表1に示す。尚、耐アルミ凝着性能の評価基準は以下の通りである。
◎:アルミ凝着の発生なし
○:アルミ凝着が発生しているが極めて軽微
×:アルミ凝着が発生している
The evaluation of the aluminum adhesion resistance was confirmed visually. The obtained results are shown in Table 1. The evaluation criteria for the aluminum adhesion resistance are as follows.
◎: Aluminum adhesion not occurred ○: Aluminum adhesion occurred but very slight ×: Aluminum adhesion occurred

ピストン材の摩耗量は、試験後のピストン材表面を形状測定して基準面からの深さを算出した。得られた結果を表1に示す。なお、摩耗量の評価基準は以下の通りである。
◎:0.5μm未満
○:0.5μm以上1.0μm未満
△:1.0μm以上3.0μm未満
×:3.0μm以上
The amount of wear of the piston material was calculated by measuring the shape of the surface of the piston material after the test and calculating the depth from the reference surface. The obtained results are shown in Table 1. The evaluation criteria for the amount of wear are as follows.
A: Less than 0.5 μm O: 0.5 μm or more and less than 1.0 μm Δ: 1.0 μm or more and less than 3.0 μm ×: 3.0 μm or more

ピストンリングの耐アルミ凝着性能及びピストン材の摩耗量の評価結果から、ピストンリングの性能を総合的に評価した。得られた結果を表1に示す。なお、総合評価の基準は以下の通りである。
◎:優良
○:良好
△:比較的良好
×:悪い
ここで、総合評価は、被膜残存量、耐アルミ凝着性能及びピストン材の摩耗量の全ての評価が◎の場合には◎、被膜残存量、耐アルミ凝着性能及びピストン材の摩耗量の評価のいずれか1つが△あるいは○の場合には○、評価のうち1つでも×の場合には×とし、それ以外は△とした。
The performance of the piston ring was comprehensively evaluated from the evaluation results of the aluminum ring anti-adhesion performance of the piston ring and the wear amount of the piston material. The obtained results are shown in Table 1. The criteria for comprehensive evaluation are as follows.
◎: Excellent ○: Good △: Relatively good ×: Bad Here, the overall evaluation is ◎ when all the evaluations of the film residual amount, the aluminum adhesion resistance performance and the wear amount of the piston material are ◎. When any one of the evaluation of the amount, the aluminum adhesion resistance performance and the wear amount of the piston material was Δ or ○, it was evaluated as ◯, and when any one of the evaluations was evaluated as ×, it was evaluated as △.

Figure 2016033418
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Figure 2016033418
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<被膜残存量及び耐アルミ凝着性能の評価>
表1に示すように、発明例1〜46のピストンリングの全てについて、アルミ凝着が発生しなかった。また、発明例10、23、37及び41を除く発明例については、被膜残存量が初期膜厚に対し80%以上と極めて多かった。一方、比較例1及び2については、試験後に被膜が全く残っておらず、アルミ凝着が発生していた。また、比較例3及び6については、比較例1及び2と同様、試験後に被膜が全く残っておらず、アルミ凝着が発生していたが、ごく軽微なものであった。さらに、比較例4については、被膜残存量が多く、アルミ凝着は発生しなかった。さらにまた、比較例5については、被膜残存量があったが、発明例1〜9等ほどではなく、アルミ凝着は発生しなかった。
<Evaluation of residual coating amount and aluminum adhesion resistance>
As shown in Table 1, aluminum adhesion did not occur in all of the piston rings of Invention Examples 1 to 46. Further, in the inventive examples except the inventive examples 10, 23, 37 and 41, the remaining amount of the film was very large as 80% or more with respect to the initial film thickness. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, no film remained after the test, and aluminum adhesion occurred. In Comparative Examples 3 and 6, as in Comparative Examples 1 and 2, no coating remained after the test and aluminum adhesion occurred, but it was very slight. Furthermore, in Comparative Example 4, the remaining amount of the film was large, and aluminum adhesion did not occur. Furthermore, in Comparative Example 5, there was a coating film remaining amount, but not as much as Invention Examples 1 to 9 and the like, and aluminum adhesion did not occur.

<ピストン材摩耗量の評価>
表1に示すように、発明例16、22、23、28、32、36、37及び41を除く発明例については、ピストン摩耗量は0.5μm未満で極めて少なかった。硬質材料の含有量が比較的多い発明例16については、摩耗量が1.0μm以上3.0μm未満とやや多かった。また、耐アルミ凝着被膜(複合被膜)のビッカース硬さに対して表面粗さが大きかった発明例22、32及び36についても、摩耗量が1.0μm以上3.0μm未満とやや多かった。同様に、アルミ凝着被膜の膜厚が小さかった発明例23、37及び41についても、摩耗量が1.0μm以上3.0μm未満とやや多かった。
一方、比較例1及び2については、摩耗量が3μm以上と多かった。また、比較例3については、摩耗量はやや少なかったものの、比較例4については、摩耗量は多かった。さらに、比較例5及び6については、ピストン材の摩耗量は少ないものの、発明例1〜15等ほどではなかった。
<Evaluation of piston material wear>
As shown in Table 1, with respect to the inventive examples except the inventive examples 16, 22, 23, 28, 32, 36, 37 and 41, the piston wear amount was very small at less than 0.5 μm. With respect to Invention Example 16 in which the content of the hard material is relatively large, the wear amount was somewhat high, 1.0 μm or more and less than 3.0 μm. In addition, in the inventive examples 22, 32, and 36 in which the surface roughness was large with respect to the Vickers hardness of the aluminum adhesion-resistant coating (composite coating), the abrasion amount was slightly higher than 1.0 μm and less than 3.0 μm. Similarly, in the inventive examples 23, 37 and 41 in which the film thickness of the aluminum adhesive film was small, the wear amount was slightly higher than 1.0 μm and less than 3.0 μm.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the wear amount was as large as 3 μm or more. In Comparative Example 3, the amount of wear was slightly small, but in Comparative Example 4, the amount of wear was large. Furthermore, in Comparative Examples 5 and 6, although the wear amount of the piston material was small, it was not as high as Invention Examples 1 to 15 and the like.

<総合評価>
発明例1〜46の全てに対して、優良又は比較的良好の評価が与えられた。特に、耐アルミ凝着被膜のマトリックスがチタニア、イットリア、マグネシア、アルミナからなる群から選ばれる少なくとも一種からなるセラミックスの被膜に、マトリックスよりも硬いセラミックスであるアルミナ、ジルコニア、シリカ、クロミア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種を5重量%以上40重量%を含有した被膜であって、式(A)あるいは式(B)を満足した場合の全てについて、優良の評価が与えられ、すなわち、被膜の自己摩耗とピストン材の摩耗を抑制しつつ、高い耐アルミ凝着性能を有するピストンリングが得られたことが分かる。
これに対して、樹脂被膜が設けられた比較例1及び2については、耐アルミ凝着性能及びピストン材摩耗量の双方について劣っていた。また、ニッケル被膜が設けられた比較例3及びDLC被膜が設けられた比較例4については、耐アルミ凝着性能は良好あるいは優良であったが、ピストン材摩耗特性はやや劣っていた。さらに、比較例5については、高い耐アルミニウム凝着性能を示した。また、ピストン材の摩耗量も少なかったが、発明例1〜9等ほどではなかった。
また、加速試験として700℃下に5日間曝した発明例28と比較例6について同様の評価を行ったところ、比較例6は、耐アルミニウム凝着性能の劣化とともに部分的に被膜の欠落が確認されたが、発明例28は良好な結果となった。アルキメデス法により、それぞれの被膜の空隙率を正確に調べたところ、比較例6は、5〜14%(10点測定の平均10%)、発明例28は、0.1〜6%(10点測定の平均0.6%)であった。他の発明例の空隙率は、0〜6%(各発明例10点測定の平均0.4%)となり、加速試験を行っても被膜の欠落は確認されなかった。このように、空隙率を6%以下にすることにより、長期間における被膜の欠落を抑制できることが分かった。
<Comprehensive evaluation>
Excellent or relatively good evaluation was given to all of Invention Examples 1 to 46. In particular, a ceramic coating made of at least one selected from the group consisting of titania, yttria, magnesia and alumina is used as the matrix of the aluminum adhesion-resistant coating, and alumina, zirconia, silica, chromia, aluminum nitride, which are ceramics harder than the matrix, Excellent evaluation is given for all coatings containing 5% by weight or more and 40% by weight of at least one selected from the group consisting of silicon nitride and silicon carbide and satisfying the formula (A) or the formula (B). It can be seen that a piston ring having a high aluminum adhesion resistance performance was obtained while suppressing self-wearing of the coating and wear of the piston material.
On the other hand, Comparative Examples 1 and 2 provided with the resin film were inferior in both aluminum adhesion resistance and piston material wear. In Comparative Example 3 provided with the nickel coating and Comparative Example 4 provided with the DLC coating, the aluminum adhesion resistance was good or excellent, but the piston material wear characteristics were slightly inferior. Further, Comparative Example 5 showed high aluminum adhesion resistance. Moreover, although the abrasion amount of the piston material was small, it was not as much as Invention Examples 1-9.
Moreover, when the same evaluation was performed about the invention example 28 and the comparative example 6 which were exposed to 700 degreeC for 5 days as an acceleration test, the comparative example 6 confirmed lack of the film | membrane partially with the deterioration of the aluminum adhesion resistance performance. However, Invention Example 28 gave good results. When the porosity of each coating was accurately examined by the Archimedes method, Comparative Example 6 was 5 to 14% (average 10% of 10 points measurement), and Invention Example 28 was 0.1 to 6% (10 points). The average of the measurement was 0.6%). The porosity of the other inventive examples was 0 to 6% (average of 0.4% for each invention example 10 point measurement), and no missing film was confirmed even in the acceleration test. Thus, it was found that the loss of the coating film over a long period of time can be suppressed by setting the porosity to 6% or less.

本発明によれば、硬さの異なる2種以上のセラミックスを複合した耐アルミ凝着被膜をピストンリング母材の上下側面の少なくとも一方に被覆することにより、高温下でも長期に亘ってアルミ凝着を防止することができ、且つ被膜の自己摩耗及びピストン材の摩耗を抑制できるため、自動車部品製造業に有用である。   According to the present invention, an aluminum adhesion coating composed of two or more kinds of ceramics having different hardnesses is coated on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material, so that the aluminum adhesion over a long period of time even at high temperatures. Can be prevented, and the self-wearing of the coating and the wear of the piston material can be suppressed, which is useful for the automobile parts manufacturing industry.

1,33 ピストンリング
11 ピストンリング用母材
11a ピストンリング用母材の上側側面
11b ピストンリング用母材の下側側面
12 耐アルミ凝着被膜
20 ピストン
21 ピストンリング溝
22 ピストンリング溝の上面
23 ピストンリング溝の下面
24 シリンダ
30 エンジン模擬試験装置
31 ヒーター
32 ピストン材
34 温度コントローラー
35 熱電対
1,33 Piston ring 11 Piston ring base material 11a Upper side surface 11b of piston ring base material Lower side surface of piston ring base material 12 Aluminum adhesion coating 20 Piston 21 Piston ring groove 22 Upper surface 23 of piston ring groove Piston Lower surface of ring groove 24 Cylinder 30 Engine simulation test device 31 Heater 32 Piston material 34 Temperature controller 35 Thermocouple

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)ピストンリング用母材に耐アルミ凝着被膜が被覆された内燃機関用のピストンリングであって、前記耐アルミ凝着被膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆された第1のセラミックスをマトリックスとして、該マトリックスを構成する第1のセラミックスよりも硬い第2のセラミックスを含有した、セラミックスのみからなる複合被膜であり、前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。

Ra<−8.7×10 -5 HV+0.39 (A)
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A piston ring for an internal combustion engine in which a base material for piston ring is coated with an aluminum anti-adhesion coating, wherein the aluminum anti-adhesion coating covers at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material. as a first ceramic matrix which is contained a first rigid second ceramic than ceramic constituting the matrix, Ri composite coating der made of ceramics alone, Vickers hardness of the anti-aluminum adhesion coating A piston ring for an internal combustion engine, characterized in that HV and arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (A):
Record
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)

(2)前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の厚みh(μm)とが以下の式(B)を満たす、前記(1)に記載の内燃機関用ピストンリング。

h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
(2) The piston ring for an internal combustion engine according to (1 ) , wherein the Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the thickness h (μm) of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (B): .
H> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)

(3)前記アルミ凝着被膜は、その厚み方向の断面において、前記第1のセラミックスからなる層と前記第2のセラミックスからなる層とが互いに重なり合う組織を有する、前記(1)または(2)に記載の内燃機関用ピストンリング。 (3) the aluminum adhesion coating in its thickness direction cross-section, has a layer have a mutually overlapping structure consisting wherein the first made of a ceramic layer a second ceramic, the (1) or (2) 2. A piston ring for an internal combustion engine according to 1.

(4)前記マトリックスを構成する第1のセラミックスのビッカース硬さHVが、500以上1300以下であることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (4) The piston for an internal combustion engine according to any one of (1) to (3) , wherein the first ceramic constituting the matrix has a Vickers hardness HV of 500 to 1300. ring.

(5)前記第2のセラミックスのビッカース硬さHVが、1000以上2500以下である前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (5) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (4) , wherein the second ceramic has a Vickers hardness HV of 1000 or more and 2500 or less.

(6)前記第2のセラミックスの含有量が、被膜全体に対して5重量%以上40重量%以下である前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (6) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (5) , wherein the content of the second ceramic is 5% by weight or more and 40% by weight or less with respect to the entire coating film.

(7)前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さが0.3μm以下である前記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (7) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (6) , wherein an arithmetic average roughness of a surface of the aluminum adhesion-resistant coating is 0.3 μm or less.

(8)前記耐アルミ凝着被膜の厚さが1μm以上20μm以下である前記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (8) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (7) , wherein the aluminum adhesion-resistant coating has a thickness of 1 μm to 20 μm.

(9)前記マトリックスを構成する第1のセラミックスは、チタニア、イットリア、マグネシア、アルミナからなる群から選ばれる少なくとも一種からなり、前記第2のセラミックスは、アルミナ、ジルコニア、シリカ、クロミア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる前記(1)〜(8)のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。
(9) The first ceramic constituting the matrix is at least one selected from the group consisting of titania, yttria, magnesia, and alumina, and the second ceramic is alumina, zirconia, silica, chromia, aluminum nitride, The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (8) , which is made of at least one selected from the group consisting of silicon nitride and silicon carbide.

Claims (10)

ピストンリング用母材に耐アルミ凝着被膜が被覆された内燃機関用のピストンリングであって、前記耐アルミ凝着被膜は、前記ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に被覆された第1のセラミックスをマトリックスとして、該マトリックスを構成する第1のセラミックスよりも硬い第2のセラミックスを含有した、セラミックスのみからなる複合被膜であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。   A piston ring for an internal combustion engine in which a piston ring base material is coated with an aluminum anti-adhesion coating, wherein the aluminum anti-adhesion coating is coated on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material. A piston ring for an internal combustion engine, comprising: a ceramic coating comprising a ceramic as a matrix and a second ceramic harder than the first ceramic constituting the matrix. 前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さRa(μm)とが以下の式(A)を満たす、請求項1に記載の内燃機関用ピストンリング。

Ra<−8.7×10-5HV+0.39 (A)
2. The piston for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and the arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (A): ring.
Ra <−8.7 × 10 −5 HV + 0.39 (A)
前記耐アルミ凝着被膜のビッカース硬さHVと前記耐アルミ凝着被膜の厚みh(μm)とが以下の式(B)を満たす、請求項1または2に記載の内燃機関用ピストンリング。

h>−2.9×10-4HV+0.89 (B)
The piston ring for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein a Vickers hardness HV of the aluminum adhesion-resistant coating and a thickness h (µm) of the aluminum adhesion-resistant coating satisfy the following formula (B).
H> -2.9 × 10 −4 HV + 0.89 (B)
前記アルミ凝着被膜は、その厚み方向の断面において、前記第1のセラミックスからなる層と前記第2のセラミックスからなる層とが互いに重なり合う組織を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。   The aluminum adhesive coating according to any one of claims 1 to 3, wherein the first ceramic layer and the second ceramic layer overlap each other in a cross section in the thickness direction thereof. The piston ring for internal combustion engines as described. 前記第1のセラミックスのビッカース硬さHVが、500以上1300以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。   The piston ring for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the first ceramic has a Vickers hardness HV of 500 or more and 1300 or less. 前記第2のセラミックスのビッカース硬さHVが、1000以上2500以下である請求項1〜5のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。   The piston ring for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the second ceramic has a Vickers hardness HV of 1000 or more and 2500 or less. 前記第2のセラミックスの含有量が、被膜全体に対して5重量%以上40重量%以下である請求項1〜6のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。   The piston ring for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the content of the second ceramic is 5 wt% or more and 40 wt% or less with respect to the entire coating film. 前記耐アルミ凝着被膜の表面の算術平均粗さが0.3μm以下である請求項1〜7のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。   The piston ring for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, wherein an arithmetic average roughness of the surface of the aluminum adhesion-resistant coating is 0.3 µm or less. 前記耐アルミ凝着被膜の厚さが1μm以上20μm以下である請求項1〜8のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。   The piston ring for internal combustion engines according to any one of claims 1 to 8, wherein the aluminum adhesion-resistant coating has a thickness of 1 µm to 20 µm. 前記第1のセラミックスは、チタニア、イットリア、マグネシア、アルミナからなる群から選ばれる少なくとも一種からなり、前記第2のセラミックスは、アルミナ、ジルコニア、シリカ、クロミア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。   The first ceramic is made of at least one selected from the group consisting of titania, yttria, magnesia, and alumina, and the second ceramic is made of alumina, zirconia, silica, chromia, aluminum nitride, silicon nitride, and silicon carbide. The piston ring for internal combustion engines according to any one of claims 1 to 9, comprising at least one selected from the group.
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