JP2021116870A - ピストンリング及び皮膜 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は本実施形態に係るピストンリングを模式的に示す断面図である。図1に示すピストンリング10は、内燃機関(例えば、自動車エンジン)用圧力リングである。圧力リングは、例えば、ピストンの側面に形成されたリング溝に装着される。圧力リングは、特にエンジンの熱負荷の高い環境に晒されるリングである。
次に、ピストンリング10の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、以下の工程を含む。
(a)基材1の表面を洗浄する工程。
(b)基材1の表面の少なくとも一部に、物理蒸着法によって皮膜5を形成する工程。
・Fe:80.4質量%
・C:0.85質量%
・Cr:17.0質量%
・Si:0.5質量%
・Mn:0.5質量%
・その他の元素:残部
実施例1,2及び比較例1〜3に係るピストンリングを以下のようにしてそれぞれ作製した。すなわち、まず、基材を脱脂及び洗浄した後、チャンバー内に設置した。次いで、チャンバー内において基材をボンバードクリーニングした。その後、イオンプレーティング法によって以下の条件でCr−Al−Si−N皮膜(厚さ:約20μm)を基材の表面にそれぞれ形成した。
・ターゲット:Cr−Si−Al合金
・アーク電流:150A
・チャンバー内の窒素圧力:4.0Pa
・バイアス電圧(V):−10V
・成膜温度:500℃
ターゲットとしてCrインゴットを単独で使用したことの他は、上記実施例と同様にしてCr−N皮膜(厚さ:約20μm)を基材の表面に形成した。
表1に実施例及び比較例に係るピストンリングの皮膜の特性を示す。なお、各特性は以下の方法で測定した。
(皮膜の組成)
皮膜の組成は、EPMA(装置名:JXA−8100、日本電子製)を使用し、測定条件は、加速電圧15kV、照射電流5.0×10−8A、ビーム径10μmにて測定した。なお、X線回折データから、実施例及び比較例(比較例4を除く)の皮膜におけるSiは固溶していると判断した。また、X線回折データから、実施例に係る皮膜において、CrNとAlNが共存していることが確認された。
(結晶子サイズ)
皮膜の結晶子サイズは、X線回折装置(装置名:SmartLab、リガク製)を使用し、CrN(200)面にて、次のScherrerの式を用いて算出した。
結晶子サイズ=Kλ/βcosθ
式中、KはScherrerの定数で0.94、λはX線の波長(Cu:1.5406Å)、βは半値幅、θはBragg角である。
図2は、皮膜のSi量を横軸に、結晶子サイズを縦軸としてプロットしたグラフである。このグラフから、Si添加により、結晶子サイズを安定的に約20nmにできることが分かる。
(硬さ)
皮膜の硬さは、ビッカース硬さ試験機(装置名:HM−220、ミツトヨ製)を使用し、ISO6507に規定された方法に基づき、試験荷重0.98Nにて硬さ試験を行って得た。
(残留応力)
皮膜の残留応力は、X線応力装置(装置名:PSPC微小部X線応力測定装置、リガク製)を使用して測定した。下記式の関係が成り立つことから、回折角2θとsin2ψ(ψは試料面法線方向と回折面法線方向との角度)の直線の傾きを利用して残留応力を求めた。
σ(残留応力)=K・∂(2θ)/∂(sin2ψ)
式中、Kは応力定数(ヤング率、ポアソン比、無歪状態における反射角θから求められる)で、−762MPaを使用した。測定は、Cr管球、電圧35kV、電流40mA、コリメータ1mm、ψとして6点(0、18、27、33、39、45deg.)、測定時間90秒、回折角CrN(311)、2θ=132.86°の条件で、並傾法により測定した。なお、表1におけるマイナスの表記は圧縮の残留応力であることを意味する。
摩耗加速試験として、図3に示す構成の試験機を使用してすべり疲労試験を行った。図3に示す試験機50は、回転するドラム51と、ドラム51の表面に対して試験片S(ピストンリング切断片)を当接させる機構と、試験片Sに対して繰り返し荷重を加える機構と、摺動部に潤滑油を供給する機構とを備える。これにより、比較的短時間で試験片を摩耗させることができる。試験条件は次のとおりとした。
・試験荷重:20〜50N、サインカーブ(50Hz)
・相手材(ドラム):SUJ2熱処理材(直径80mm)
・動速度:正転逆転台形パターン運転
・潤滑油:ベースオイル(30秒に1回、0.1cc滴下)
・ドラム表面温度:80℃
・試験時間:1サイクル2分〜3分を5サイクル
実施例及び比較例に係るピストンリングを2個ずつ作製し、これらを評価対象として2回のすべり疲労試験を実施した。すべり疲労試験によって皮膜が摩耗した量を測定した。表1に摩耗量の平均値を示す。図4は、皮膜のAl量とMe量の比(Al/Me)を横軸とし、被膜の摩耗量を縦軸として、実施例及び比較例の結果をプロットしたグラフである。
すべり疲労試験後の皮膜を目視により観察して、皮膜の耐剥離性を評価した。評価結果は以下のとおりであった。
・実施例1…一方の試験片には小規模な剥離が認められたが、他方の試験片には剥離が認められなかった。
・実施例2…両方の試験片に小規模な剥離が認められた。
・比較例1…一方の試験片には小規模な剥離が認められたが、他方の試験片には剥離が認められなかった。
・比較例2…両方の試験片に大規模な剥離が認められた。
・比較例3…両方の試験片に剥離が認められなかった。
・比較例4…両方の試験片とも剥離が認められなかった。
すべり疲労試験後の皮膜を目視により観察して、皮膜の耐クラック性を評価した。評価結果は以下のとおりであった。
・実施例1,2及び比較例1〜3…両方の試験片ともクラックは認められなかった。
・比較例4…両方の試験片とも亀甲状のクラックが認められた。
Claims (7)
- 基材と、
前記基材の表面の少なくとも一部を覆うように設けられており、金属元素と、Siと、Nとを含む皮膜と、
を備え、
前記金属元素がCr及びAlを少なくとも含み、
前記皮膜に含まれる金属元素の全量を基準として、前記皮膜のAl量が10〜50at%であり、
前記皮膜がNaCl型の結晶構造を有する、ピストンリング。 - 前記皮膜の結晶子サイズが10〜30nmである、請求項1に記載のピストンリング。
- 前記皮膜の圧縮の残留応力が300〜800MPaである、請求項1又は2に記載のピストンリング。
- 前記皮膜の硬さが1200HV0.1〜2000HV0.1である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のピストンリング。
- ナノインデンターによって得られる前記皮膜の硬さH(GPa)と、前記皮膜のヤング率E(GPa)の比H/Eが0.04〜0.07である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のピストンリング。
- 前記皮膜に含まれる金属元素の量(at%)に対するSi量(at%)の比が0.01〜0.06である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のピストンリング。
- 金属元素と、Siと、Nとを含む皮膜であって、
前記金属元素がCr及びAlを少なくとも含み、
前記金属元素の全量を基準として、Al量が10〜50at%であり、
NaCl型の結晶構造を有する皮膜。
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