JP2020003022A - piston ring - Google Patents

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Abstract

To provide a piston ring coated with a DLC coating having wear resistance and a low attacking property to a cylinder bore sliding surface.SOLUTION: A piston ring has a sliding surface coated with a DLC coating. The DLC coating has the number of pits of 15 or less per 3 μm×10 μm when being observed in the thickness direction cross-sectional SEM image (×10,000) thereof and hardness of 1,000 HV or more and 2,000 HV or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、内燃機関用に用いられ得るピストンリングに関する。   The present invention relates to a piston ring that can be used for an internal combustion engine.

ピストンリングの摺動面は、低フリクション、耐摩耗性を向上させるため、硬質炭素被膜により被覆される。硬質炭素被膜はDLC(ダイアモンドライクカーボン)被膜とも称され、様々な開発が行われている。   The sliding surface of the piston ring is coated with a hard carbon coating in order to improve low friction and wear resistance. The hard carbon coating is also called a DLC (diamond-like carbon) coating, and various developments have been made.

特許文献1には、DLC被膜が摺動面に被覆されたピストンリングにおいて、DLC被膜が、硬度が異なる2種類の層が2層以上積層された積層被膜であり、2種類の層の硬度差が500〜1700HVであることが開示されている。   Patent Document 1 discloses that in a piston ring in which a sliding surface is coated with a DLC coating, the DLC coating is a laminated coating in which two or more layers of two different hardnesses are laminated, and the hardness difference between the two types of layers is different. Is 500 to 1700 HV.

特許文献2には、ピストンリング基材の少なくとも外周摺動面上に形成される硬質炭素被膜であって、TEM−EELSスペクトルで測定されたsp成分比が40〜80%であり、硬質炭素被膜表面におけるマクロパーティクルの面積比が0.1%〜10%である、硬質炭素被膜が開示されている。 Patent Literature 2 discloses a hard carbon coating formed on at least an outer peripheral sliding surface of a piston ring base material, and has a sp 2 component ratio of 40 to 80% measured by a TEM-EELS spectrum, A hard carbon coating having a macroparticle area ratio of 0.1% to 10% on the coating surface is disclosed.

特開2012−202522号公報JP 2012-202522 A 国際公開第2014/133095号International Publication No. 2014/133095

DLC被膜に関してはさまざまな開発がされているところ、摺動に対してDLC被膜の摩耗を抑制する耐摩耗性に加え、シリンダボアの摺動面を摩耗させない、即ちシリンダボア摺動面攻撃性が低いことも要求される。
本発明は、耐摩耗性に加えシリンダボア摺動面攻撃性が低いDLC被膜によって被覆されたピストンリングを提供することを課題とする。
Various developments have been made on the DLC coating. In addition to the wear resistance that suppresses the wear of the DLC coating against sliding, it does not wear the sliding surface of the cylinder bore, that is, the cylinder bore sliding surface has low aggressiveness. Is also required.
It is an object of the present invention to provide a piston ring coated with a DLC coating having low abrasion resistance on a cylinder bore sliding surface in addition to wear resistance.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ね、内部構造において欠陥を低減させたDLC被膜が、耐摩耗性に優れ且つシリンダボア摺動面攻撃性が低い被膜であることに想到し、発明を完成させた。   The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and have come to the conclusion that the DLC coating with reduced defects in the internal structure is a coating having excellent wear resistance and low aggressiveness on the cylinder bore sliding surface. Completed the invention.

本発明は、摺動面がDLC被膜によって被覆されたピストンリングであって、
前記DLC被膜は、その厚さ方向断面SEM画像(×10,000)において観察されるピット数が、3μm×10μm当たり15個以下であり、且つその硬度が1000HV以上2000HV以下であるピストンリングを含む。
The present invention relates to a piston ring having a sliding surface covered with a DLC coating,
The DLC coating includes a piston ring whose number of pits observed in a cross-sectional SEM image (× 10,000) in the thickness direction is 15 or less per 3 μm × 10 μm and whose hardness is 1000 HV or more and 2000 HV or less. .

また、前記DLC被膜は、分光エリプソメータにより測定された屈折率が、波長550nmにおいて2.3以上であることで、内部構造においてピットが存在しない傾向にあり、好ましい。
また、前記DLC被膜は、その硬度が1000HV以上1700HV以下であることが好ましく、摺動面表面の摩擦係数が0.10以下であることが好ましく、シリンダボア摺動面攻撃性の観点からは、往復動摩擦試験機による摩耗量測定試験において、相手材摩耗量が0.6μm以下であることが好ましい。
In addition, the DLC film preferably has a refractive index measured by a spectroscopic ellipsometer of 2.3 or more at a wavelength of 550 nm, which tends to have no pits in the internal structure, which is preferable.
The DLC coating preferably has a hardness of 1,000 HV or more and 1700 HV or less, a friction coefficient of the sliding surface surface of preferably 0.10 or less, and, from the viewpoint of cylinder bore sliding surface aggression, reciprocation. In a wear amount measurement test using a dynamic friction tester, the wear amount of the mating member is preferably 0.6 μm or less.

本発明により、耐摩耗性に加えシリンダボア摺動面攻撃性が低いDLC被膜によって被覆されたピストンリングを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a piston ring covered with a DLC film having low abrasion resistance on a cylinder bore sliding surface in addition to wear resistance.

往復動摩擦試験機の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a reciprocating friction tester. 実施例1で製造したDLC被膜の断面SEM画像を示す(図面代用写真)3 shows a cross-sectional SEM image of the DLC film produced in Example 1 (a photograph as a substitute for a drawing). 実施例2で製造したDLC被膜の断面SEM画像を示す(図面代用写真)5 shows a cross-sectional SEM image of the DLC film produced in Example 2 (a photograph as a substitute for a drawing). 比較例1で製造したDLC被膜の断面SEM画像を示す(図面代用写真)6 shows a cross-sectional SEM image of the DLC film produced in Comparative Example 1 (a photograph as a substitute for a drawing). 比較例2で製造したDLC被膜の断面SEM画像を示す(図面代用写真)5 shows a cross-sectional SEM image of the DLC film produced in Comparative Example 2 (a photograph as a substitute for a drawing).

本発明の一実施形態は、摺動面がDLC被膜によって被覆されたピストンリングであって、前記DLC被膜は、その厚さ方向断面SEM画像(×10,000)において観察されるピット数が、3μm×10μm当たり15個以下であり、且つその硬度が1000HV以上2000HV以下である。   One embodiment of the present invention is a piston ring in which a sliding surface is covered with a DLC film, and the DLC film has a number of pits observed in a cross-sectional SEM image (× 10,000) in a thickness direction of the piston ring. The number is 15 or less per 3 μm × 10 μm, and the hardness is 1000 HV or more and 2000 HV or less.

本実施形態においてDLC被膜は、その内部構造において欠陥が低減されている。DLC被膜の内部欠陥は、DLC被膜の厚さ方向断面SEM画像を観察することで確認できる。断面SEM画像はその倍率が小さい場合には欠陥が観察できない場合があるため、本実施形態では、10,000倍の画像とした際に観察されるピット数により、DLC被膜の内部欠陥を確認する。
DLC被膜は、断面SEM画像(×10,000)において、3μm×10μmの領域に、ピット数が15以下であり、10以下であってよく、5以下であってよく、3以下であってよく、2以下であってよく、1以下であってよい。DLC被膜の断面観察においてピット数が低減されることで、DLC被膜が、耐摩耗性に優れ且つシリンダボア摺動面攻撃性が低い被膜となる。
In the present embodiment, the DLC film has reduced defects in its internal structure. The internal defect of the DLC film can be confirmed by observing a cross-sectional SEM image of the DLC film in the thickness direction. In the present embodiment, the internal defect of the DLC film is confirmed by the number of pits observed when the cross-sectional SEM image has a low magnification because the defect may not be observed when the magnification is small. .
The DLC film has a number of pits of 15 or less, 10 or less, 5 or less, or 3 or less in a 3 μm × 10 μm region in a cross-sectional SEM image (× 10,000). , 2 or less, and 1 or less. By reducing the number of pits in the cross section observation of the DLC film, the DLC film becomes a film having excellent wear resistance and low aggressiveness on the cylinder bore sliding surface.

本実施形態においてピットとは、図2〜図5に示すSEM画像において円で囲まれた箇所に存在する、V字型の欠陥をいう。DLC被膜内部においてこのようなピットが多数存在することで、DLC被膜表面において、摺動面形成時に凹凸が残存するため、相手材への攻撃性、具体的にはシリンダボア摺動面への攻撃性が高くなっており、シリンダボア材摩耗量が増加すると、本発明者らは推定する。本実施形態のDLC被膜は、DLC被膜内部に存在するピットの数が低減されており、よって凹凸の無い摺動面形成が可能となり、相手材への攻撃性を低くすることができる。   In the present embodiment, a pit refers to a V-shaped defect existing at a location surrounded by a circle in the SEM images shown in FIGS. The presence of a large number of such pits inside the DLC coating causes irregularities to remain on the surface of the DLC coating when the sliding surface is formed, so that the aggressiveness to the mating material, specifically, the aggressiveness to the cylinder bore sliding surface The present inventors presume that the cylinder bore material wear amount is increased. In the DLC film of the present embodiment, the number of pits present inside the DLC film is reduced, so that it is possible to form a sliding surface without unevenness, and it is possible to reduce the aggressiveness to a partner material.

ピット数の測定は3μm×10μmで行うが、通常ピストンリング上に形成されるDLC被膜の厚みを勘案すると、3μmの幅をDLC被膜の厚さ方向で、10μmの幅をピストンリング周方向に設定することが典型的である。しかしながら、この逆に測定幅を設定してもよく、斜方向に測定幅を設定してもよい。
本実施形態では、DLC被膜において、少なくともその一部において3μm×10μm当たりピット数が15個以下の領域を有すればよいが、DLC被膜のうち50%以上の領域で3μm×10μm当たりピット数が15個以下の領域であることが好ましく、80%以上の領域であることがより好ましく、90%以上の領域であることが更に好ましい。
The number of pits is measured at 3 μm × 10 μm. In consideration of the thickness of the DLC film usually formed on the piston ring, a width of 3 μm is set in the thickness direction of the DLC film and a width of 10 μm is set in the circumferential direction of the piston ring. It is typical to do so. However, the measurement width may be set conversely, or the measurement width may be set diagonally.
In the present embodiment, at least a part of the DLC film may have a region having 15 or less pits per 3 μm × 10 μm, but the number of pits per 3 μm × 10 μm is 50% or more of the DLC film. It is preferably 15 or less, more preferably 80% or more, even more preferably 90% or more.

上記ピット数が低減されたDLC被膜は、その製造工程においてフィルタードアークイオンプレーティング法(FCVA)を用い、そのパルスバイアス電圧を高くすること、DLC被膜の硬度を過度に高くしないこと、などにより形成することができる。   The DLC film having the reduced number of pits is manufactured by using a filtered arc ion plating method (FCVA) in the manufacturing process, by increasing the pulse bias voltage, and by not excessively increasing the hardness of the DLC film. Can be formed.

本実施形態においてDLC被膜の硬度は、1000HV以上2000HV以下であり、1700HV以下であってよく、1500HV以下であってよい。通常、耐摩耗性を考慮すると、被膜の硬度は高い方が好まれるが、被膜の硬度が高すぎる場合にはシリンダボア摺動面攻撃性が高くなる傾向にあること、及びDLC被膜はピストンリング外周面に形成する被膜のため、ピストンへの組み付け作業時等の変形を伴う場合の被膜破壊が発生することから、本実施形態では過度に硬すぎない上記範囲とすることが好ましい。   In the present embodiment, the hardness of the DLC film is 1000 HV or more and 2000 HV or less, 1700 HV or less, or 1500 HV or less. Generally, considering the wear resistance, it is preferable that the hardness of the coating is high. However, if the hardness of the coating is too high, the aggressiveness of the cylinder bore sliding surface tends to increase. In the present embodiment, it is preferable that the thickness is not excessively hard because the coating formed on the surface causes the coating to be broken when the piston is deformed at the time of assembling the piston.

DLC被膜は、分光エリプソメータにより測定された屈折率が、波長550nmにおいて2.3以上であることが好ましい。屈折率がこの範囲以上であると、DLC被膜中のピットが低減される傾向にある。屈折率は、2.35以上であってよく、2.40以上であってよい。屈折率を測定する分光エリプソメータとしては、例えば分光エリプソメータUVISEL(株式会社 堀場製作所製)を用いることができる。   The DLC coating preferably has a refractive index measured by a spectroscopic ellipsometer of 2.3 or more at a wavelength of 550 nm. When the refractive index is above this range, pits in the DLC coating tend to be reduced. The refractive index may be 2.35 or higher, and may be 2.40 or higher. As the spectral ellipsometer for measuring the refractive index, for example, a spectral ellipsometer UVISEL (manufactured by Horiba, Ltd.) can be used.

本実施形態に係るDLC被膜は相手材攻撃性が低いことから、DLC被膜の摺動面表面の摩擦係数が比較的低い数値であることが好ましい。具体的には、ピストンリングを被覆するDLC被膜の摺動面表面の摩擦係数μが0.10以下であることが好ましい。摩擦係数μは、0.10未満であってもよく、0.095以下であってよく、0.090以下であってよい。   Since the DLC coating according to this embodiment has low aggressiveness to the mating material, it is preferable that the friction coefficient of the sliding surface of the DLC coating has a relatively low value. Specifically, the friction coefficient μ of the sliding surface of the DLC coating covering the piston ring is preferably 0.10 or less. The coefficient of friction μ may be less than 0.10, may be 0.095 or less, and may be 0.090 or less.

本実施形態に係るDLC被膜は、主としてアモルファス状の炭素からなる被膜であるが、水素を含んでいてもよく、その他の不可避不純物を含んでいてもよい。DLC被膜に含有される水素は、通常5at%以下であり、3at%以下であってよく、2at%以下であってよく、1at%以下であってよく、または0.5at%以下であってよい。
またDLC被膜は、電子エネルギー損失分光法(EELS)により測定されるsp成分比が通常40%以上であり、50%以上であってよく、60%以上であってよく、また通常80%以下である。
The DLC film according to the present embodiment is a film mainly composed of amorphous carbon, but may contain hydrogen or may contain other unavoidable impurities. The hydrogen contained in the DLC coating is typically at most 5 at%, at most 3 at%, at most 2 at%, at most 1 at%, or at most 0.5 at%. .
The DLC coating has a sp 2 component ratio of usually 40% or more, 50% or more, 60% or more, and usually 80% or less as measured by electron energy loss spectroscopy (EELS). It is.

本実施形態に係るDLC被膜の製造方法は、上記物性を有するDLC被膜を製造できる限り特段限定されない。一例としては、フィルタードアークイオンプレーティング法(FCVA)を用いて被膜を形成する方法があげられる。FCVA法は、一度の工程で全DLC被膜を形成してもよく、印加するパルスバイアスを変化させて、またはパルスバイアスを変化させることなく、複数回成膜することでDLC被膜を形成してもよい。
印加するパルスバイアスは特段限定されないが、−500V以下であってよく、−800V以下であってよく、−1000V以下であってよく、−1500V以下であってよく、−2000V以下であってよく、また−3000V以上であってよい。
The method for producing a DLC film according to the present embodiment is not particularly limited as long as a DLC film having the above physical properties can be produced. As an example, a method of forming a coating film by using a filtered arc ion plating method (FCVA) can be cited. In the FCVA method, the entire DLC film may be formed in a single step, or the DLC film may be formed by changing the pulse bias to be applied or by performing film formation a plurality of times without changing the pulse bias. Good.
The pulse bias to be applied is not particularly limited, but may be -500 V or lower, -800 V or lower, -1000 V or lower, -1500 V or lower, -2000 V or lower, Further, the voltage may be −3000 V or more.

製造するDLC被膜の厚さは特段限定されないが、ピストンリングの摺動面に被膜を形成する場合には、通常1μm以上であり、3μm以上であってよく、5μm以上であってよく、また20μm以下であってよく、15μm以下であってよい。   The thickness of the DLC film to be manufactured is not particularly limited. However, when a film is formed on the sliding surface of the piston ring, the thickness is usually 1 μm or more, 3 μm or more, 5 μm or more, and 20 μm or more. And may be 15 μm or less.

製造したDLC被膜は、相手材攻撃性が非常に低減される。相手材攻撃性は、往復動摩擦試験機による摩耗量測定試験により評価できる。当該試験において、60分摺動した際の、相手材である鋳鉄製シリンダボア材の摩耗量は0.6μm以下であることが好ましく、0.5μm以下であってよく、0.4μm以下であってよく、0.3μm以下であってよい。   The manufactured DLC coating has a significantly reduced aggressiveness on the mating material. The opponent material aggressiveness can be evaluated by a wear amount measurement test using a reciprocating friction tester. In the test, when sliding for 60 minutes, the wear amount of the cast iron cylinder bore material as the mating material is preferably 0.6 μm or less, may be 0.5 μm or less, and may be 0.4 μm or less. It may be smaller than 0.3 μm.

往復動摩擦試験機による摩耗量測定試験は、以下のとおりである。
図1に概要を示すピンオンプレート式往復動摩擦試験機を用いて行う。往復動摩擦試験に際して用いた上試験片は、ピストンリングまたはピストンリングの外周部分に見立てた部材であり、ピンの材質にはピストンリング用母材を使用し、ピン全面には必要に応じて
ピストンリング母材と同様に窒化処理を行い、窒化層を形成する。そして、窒化層の表面に各種DLC膜を形成する。
なお、この上試験片の作製に用いたピンは、直径が8mmであり、ピンの先端部(摺動面)は、曲率半径が18mmとなるように鏡面仕上げされたものを用いる。また、下試験片は鋳鉄製シリンダボアを見立てたプレート(FC250相当材:HRB100、Aタイプ黒鉛75%、炭化物析出0.5%以下、Rz1.0μm、#600エメリーペーパーによる研磨仕上げ)を用いる。
The wear amount measurement test by the reciprocating friction tester is as follows.
The test is performed using a pin-on-plate type reciprocating friction tester shown in FIG. The upper test piece used in the reciprocating friction test is a piston ring or a member simulated on the outer peripheral portion of the piston ring.The material of the pin is a piston ring base material, and the piston ring is A nitriding treatment is performed in the same manner as the base material to form a nitrided layer. Then, various DLC films are formed on the surface of the nitride layer.
The pin used for producing the upper test piece had a diameter of 8 mm, and the tip (sliding surface) of the pin used had a mirror-finished surface with a radius of curvature of 18 mm. As the lower test piece, a plate (a material equivalent to FC250: HRB100, A type graphite 75%, carbide precipitation 0.5% or less, Rz 1.0 μm, polishing finish using # 600 emery paper) with a cylinder bore made of cast iron is used.

往復動摩擦試験に際しては、上試験片と下試験片との摺動界面にチュービングポンプやエアディスペンサーを用いて潤滑油を供給した。この際の試験条件を以下に示す。
<試験条件>
・ストローク:50mm
・荷重:50N
・速度:300cycle/min
・下試験片の温度:80℃
・潤滑油:0W−20(150μl)
・試験時間:60min
In the reciprocating friction test, lubricating oil was supplied to the sliding interface between the upper and lower test pieces using a tubing pump or an air dispenser. The test conditions at this time are shown below.
<Test conditions>
・ Stroke: 50mm
・ Load: 50N
・ Speed: 300 cycle / min
・ Temperature of lower test piece: 80 ° C
・ Lubricant: 0W-20 (150μl)
・ Test time: 60min

以下の方法により、DLC被膜を製造した。
(実施例1)
ピストンリング基材をフィルタードアークイオンプレーティング装置内にセットした状態で、装置内を真空排気して減圧した後、基材を加熱した。その後に基材に対してパルスバイアス電圧を−500〜−1500Vの範囲で印加した状態で、アルゴンイオンでイオンボンバードを行った。
次にスパッタリング方式を用い、ピストンリング基材に対してバイアス電圧を−50〜−300Vの範囲に設定した後、接着層としてTi被膜をピストンリング基材上に成膜した。
次にTi被膜上に第一のアモルファスカーボン層と、第二のアモルファスカーボン層とを交互に成膜して積層した。ここで第一のアモルファスカーボン層はスパッタリング方式を用い、ピストンリング基材に対してバイアス電圧を−50〜−300Vの範囲内で印加した状態で、カーボンターゲットを用いてアルゴンガス雰囲気下にて成膜した。また、第二のアモルファスカーボン層はフィルタードアーク方式を用い、基材に対してパルスバイアス電圧を−500〜−1500Vの範囲内で印加した状態でカーボンターゲットを用いて成膜した。
なお、第一のアモルファスカーボン層及び第二のアモルファスカーボン層の成膜に際しては、膜中に水素が取り込まれることないように、成膜室に水素を含むガスを導入せずに実施した。また、第一のアモルファスカーボン層の厚みは2〜8nmとし、第二のアモルファスカーボン層の厚みは350〜400nmとした。そして1層の第一のアモルファスカーボン層と1層の第二のアモルファスカーボン層とを1組2層とし、この1組2層単位で繰り返し積層し、厚さ5.0μmのDLC被膜を得た。
A DLC coating was produced by the following method.
(Example 1)
With the piston ring substrate set in a filtered arc ion plating apparatus, the inside of the apparatus was evacuated to reduce the pressure, and then the substrate was heated. Thereafter, ion bombardment was performed with argon ions while a pulse bias voltage was applied to the substrate in a range of -500 to -1500 V.
Next, after setting a bias voltage in a range of −50 to −300 V with respect to the piston ring substrate by using a sputtering method, a Ti film was formed on the piston ring substrate as an adhesive layer.
Next, a first amorphous carbon layer and a second amorphous carbon layer were alternately formed and laminated on the Ti film. Here, the first amorphous carbon layer is formed using a sputtering method, a bias voltage is applied to the piston ring substrate within a range of -50 to -300 V, and an argon gas atmosphere is formed using a carbon target. Filmed. The second amorphous carbon layer was formed by using a filtered arc method and using a carbon target while applying a pulse bias voltage to the substrate within a range of -500 to -1500 V.
Note that the first amorphous carbon layer and the second amorphous carbon layer were formed without introducing a gas containing hydrogen into the film formation chamber so that hydrogen was not taken into the films. The thickness of the first amorphous carbon layer was 2 to 8 nm, and the thickness of the second amorphous carbon layer was 350 to 400 nm. Then, one layer of the first amorphous carbon layer and one layer of the second amorphous carbon layer were made into one set and two layers, and this set was repeatedly laminated in units of two layers to obtain a DLC film having a thickness of 5.0 μm. .

(実施例2)
ピストンリング基材をフィルタードアークイオンプレーティング装置内にセットした状態で、装置内を真空排気して減圧した後、基材を加熱した。その後に基材に対してパルスバイアス電圧を−500〜−1500Vの範囲で印加した状態で、アルゴンイオンでイオンボンバードを行った。
次にスパッタリング方式を用い、ピストンリング基材に対してバイアス電圧を−50〜−300Vの範囲に設定した後、接着層としてTi被膜をピストンリング基材上に成膜した。
次にTi被膜上にアモルファスカーボン層を成膜した。アモルファスカーボン層は基材に対してパルスバイアス電圧を−2000〜−3000Vの範囲内で印加した状態でカーボンターゲットを用いて成膜した。なお、アモルファスカーボン層の成膜に際しては、膜中に水素が取り込まれることないように、成膜室に水素を含むガスを導入せずに実施した。また、アモルファスカーボン層1層の厚みは350〜400nmとし、13回繰り返すことで、厚さ5.0μmのDLC被膜を得た。
(Example 2)
With the piston ring substrate set in a filtered arc ion plating apparatus, the inside of the apparatus was evacuated to reduce the pressure, and then the substrate was heated. Thereafter, ion bombardment was performed with argon ions while a pulse bias voltage was applied to the substrate in a range of -500 to -1500 V.
Next, using a sputtering method, a bias voltage was set in the range of −50 to −300 V with respect to the piston ring substrate, and then a Ti film was formed as an adhesive layer on the piston ring substrate.
Next, an amorphous carbon layer was formed on the Ti film. The amorphous carbon layer was formed using a carbon target while applying a pulse bias voltage to the substrate within a range of -2000 to -3000 V. Note that the amorphous carbon layer was formed without introducing a gas containing hydrogen into the film formation chamber so that hydrogen was not taken in the film. The thickness of one amorphous carbon layer was set to 350 to 400 nm, and repeated 13 times to obtain a 5.0 μm thick DLC film.

(比較例1)
ピストンリング基材を用意し、アーク式PVD装置を用いて厚み10μmのCrN層を被覆した。その後、厚み0.2μmのCr中間層を被覆した。245℃までヒータ加熱を行いながら、バイアス電圧−700V、アーク電流40Aで10分間アーク放電を行った後、バイアス電圧−170V、アーク電流40Aでアーク放電を行って合計膜厚0.5μmの黒色の硬質層と白色の硬質層を成膜した後に、一旦125℃まで冷却した。
その後、バイアス電圧を−1000V、アーク電流40Aで90秒間、アーク放電を行って白色の硬質炭素からなる密着層を成膜後、再びバイアス電圧−170V、アーク電流40Aでアーク放電を行って、245℃までヒータ加熱を行い、合計膜厚0.5μmの黒色の硬質層と白色の硬質層を成膜するという昇温と冷却の繰り返しサイクルを8回行い、総膜厚5.0μmのDLC被膜を成膜した。
(Comparative Example 1)
A piston ring substrate was prepared, and a 10 μm thick CrN layer was coated using an arc-type PVD apparatus. Thereafter, a Cr intermediate layer having a thickness of 0.2 μm was coated. After performing arc discharge at a bias voltage of -700 V and an arc current of 40 A for 10 minutes while heating the heater to 245 ° C., arc discharge was performed at a bias voltage of -170 V and an arc current of 40 A to form a black film having a total film thickness of 0.5 μm. After forming the hard layer and the white hard layer, the film was once cooled to 125 ° C.
Thereafter, an arc discharge was performed at a bias voltage of −1000 V and an arc current of 40 A for 90 seconds to form an adhesion layer made of white hard carbon, and then an arc discharge was performed again at a bias voltage of −170 V and an arc current of 40 A to perform 245 arc discharge. The heating and cooling were repeated eight times to form a black hard layer and a white hard layer having a total film thickness of 0.5 μm eight times, and a DLC film having a total film thickness of 5.0 μm was formed. A film was formed.

(比較例2)
ピストンリング基材をアークイオンプレーティング装置内にセットした状態で、装置内を真空排気して減圧した後、基材を加熱した。その後に基材に対してバイアス電圧を−500〜−1000Vの範囲で印加した状態で、Crターゲットを用いて、アーク電流50〜100Aで放電し、Crイオンボンバードを行った。
次にアークイオンプレーティングにて、ピストンリング基材に対してバイアス電圧を−10〜−100Vの範囲で印加した状態で、Crターゲットを用いて、アーク電流50〜100Aで放電し、接着層としてCr被膜をピストンリング基材上に成膜した。
次にCr被膜上にアモルファスカーボン層を成膜した。アモルファスカーボン層は基材に対してバイアス電圧を0〜−100Vの範囲内で印加した状態でカーボンターゲットを用いて、アーク電流50〜100Aで放電し、成膜することで、アモルファスカーボン層厚みが5.0μmのDLC被膜を得た。
(Comparative Example 2)
With the piston ring base set in the arc ion plating apparatus, the inside of the apparatus was evacuated to reduce the pressure, and then the base was heated. Thereafter, with a bias voltage applied to the substrate in the range of -500 to -1000 V, the substrate was discharged with an arc current of 50 to 100 A using a Cr target to perform Cr ion bombardment.
Next, in arc ion plating, with a bias voltage applied to the piston ring substrate in the range of -10 to -100 V, using a Cr target, discharging at an arc current of 50 to 100 A, and forming an adhesive layer A Cr coating was formed on the piston ring substrate.
Next, an amorphous carbon layer was formed on the Cr film. The amorphous carbon layer is discharged by an arc current of 50 to 100 A using a carbon target in a state where a bias voltage is applied to the substrate within a range of 0 to -100 V, and the amorphous carbon layer thickness is reduced. A 5.0 μm DLC coating was obtained.

実施例1及び2、比較例1及び2で得られたDLC被膜に対し、断面SEMによるピット数(個/3×10μm)、分光エリプソメータによる屈折率、硬度(Hv)、sp成分比(%)、往復動摩擦試験による摩擦係数(μ)、DLC被膜摩耗量(μm)、相手材摩耗量(μm)、の各数値の測定を行った。なお、往復動摩擦試験開始1分後の摩擦係数を摩擦係数とした。結果を表1に示す。 For the DLC films obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the number of pits (number of pieces / 3 × 10 μm 2 ) by cross-sectional SEM, refractive index by spectroscopic ellipsometer, hardness (Hv), sp 2 component ratio ( %), A friction coefficient (μ) by a reciprocating friction test, a DLC film wear amount (μm), and a mating material wear amount (μm). The friction coefficient one minute after the start of the reciprocating friction test was taken as the friction coefficient. Table 1 shows the results.

100 上試験片
110 下試験片
120 可動ブロック
122 ヒータ
100 upper test piece 110 lower test piece 120 movable block 122 heater

Claims (5)

摺動面がDLC被膜によって被覆されたピストンリングであって、
前記DLC被膜は、その厚さ方向断面SEM画像(×10,000)において観察されるピット数が、3μm×10μm当たり15個以下であり、且つその硬度が1000HV以上2000HV以下である、ピストンリング。
A piston ring having a sliding surface covered with a DLC coating,
The piston ring, wherein the number of pits observed in a cross-sectional SEM image (× 10,000) in the thickness direction of the DLC film is 15 or less per 3 μm × 10 μm, and the hardness is 1000 HV or more and 2000 HV or less.
前記DLC被膜は、分光エリプソメータにより測定された屈折率が、波長550nmにおいて2.3以上である、請求項1に記載のピストンリング。   The piston ring according to claim 1, wherein the DLC coating has a refractive index measured by a spectroscopic ellipsometer of 2.3 or more at a wavelength of 550 nm. 前記DLC被膜は、その硬度が1000HV以上1700HV以下である、請求項1または2に記載のピストンリング。   The piston ring according to claim 1, wherein the hardness of the DLC coating is 1000 HV or more and 1700 HV or less. 前記DLC被膜は、摺動面表面の摩擦係数が0.10以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のピストンリング。   The piston ring according to any one of claims 1 to 3, wherein the DLC coating has a friction coefficient of a surface of a sliding surface of 0.10 or less. 前記DLC被膜は、往復動摩擦試験機による摩耗量測定試験において、相手材である鋳鉄製シリンダボアに相当する試験片の摩耗量が0.6μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のピストンリング。   The DLC film according to any one of claims 1 to 4, wherein, in a wear amount measurement test using a reciprocating friction tester, a wear amount of a test piece corresponding to a cast iron cylinder bore as a mating material is 0.6 µm or less. The described piston ring.
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