JP4839120B2 - Piston ring with laminated coating - Google Patents

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Description

本発明は、トライボロジー特性に優れる硬質皮膜が摺動面に被覆されている内燃機関用ピストンリングに関するものである。より詳細には硬質皮膜がイオンプレーティング積層皮膜で構成されているものである。 The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine in which a sliding surface is coated with a hard film having excellent tribological characteristics. More specifically, the hard coating is composed of an ion plating laminated coating.

ピストンリングの働きには、内燃機関の燃焼室の気密化を図るガスシール機能、シリンダーライナー表面に形成される潤滑用油膜厚さを制御するオイルコントロール機能、燃料が燃焼することによって加熱されたピストンの熱をシリンダーライナーへ伝えて冷却する熱伝導機能などがある。このような働きをするには、常時、ピストンリングは自己の持つ張力でシリンダーライナーに張り出し密着していなければならない。その結果、エンジンの燃焼工程で発生する高圧燃焼ガスをシールすることから、Topリングの摺動面には必然的に大きな面圧が発生し、それに伴って摩耗や焼き付きなどが発生しやすい状況に曝されている。 The piston ring functions as a gas seal function that seals the combustion chamber of the internal combustion engine, an oil control function that controls the thickness of the lubricating oil film formed on the cylinder liner surface, and a piston that is heated by the combustion of fuel. There is a heat conduction function that transfers the heat to the cylinder liner and cools it. In order to perform such a function, the piston ring must always stick to the cylinder liner with its own tension. As a result, the high-pressure combustion gas generated in the combustion process of the engine is sealed, so a large surface pressure is inevitably generated on the sliding surface of the Top ring, and wear and seizure are likely to occur accordingly. Have been exposed.

近年、ピストンリングの使用環境は、自動車エンジンの排ガス規制強化により燃焼温度の増大、面圧負荷増大、低粘度潤滑油の採用など、益々過酷化してきており、耐摩耗性・耐焼き付き性向上が期待されている。又、燃焼工程中に生成するビッカース硬さHv1500以上を有する燃焼生成物がピストンリングとシリンダーライナー間の摺動面に達し、アブレシブル摩耗を発生することが知られている(山本英継, 他2名; ディーゼルエンジンオイル中のススの硬さに関する研究, 機講論No.03-1 Vol. 3, (2003), 137)。 In recent years, the usage environment of piston rings has become increasingly severe due to stricter exhaust gas regulations for automobile engines, such as increased combustion temperature, increased surface pressure load, and the use of low-viscosity lubricants, improving wear resistance and seizure resistance. Expected. In addition, it is known that combustion products with a Vickers hardness of Hv1500 or more generated during the combustion process reach the sliding surface between the piston ring and the cylinder liner and cause abrasive wear (Hideo Yamamoto, 2 others) ; Research on hardness of soot in diesel engine oil, Machine lecture No.03-1 Vol. 3, (2003), 137).

そのためピストンリング外周摺動面は従来の硬質Crめっきやマルテンサイトステンレス鋼の窒化処理からイオンプレーティングによる窒化物や炭化物等の硬質皮膜が使われるようになってきている。 For this reason, hard coatings such as nitrides and carbides by ion plating have been used on the outer peripheral sliding surface of the piston ring from the conventional nitriding treatment of hard Cr plating or martensitic stainless steel.

特開昭57−57868号はPVD法によるTiC,TiN,CrN等の硬質皮膜を摺動面に成膜したピストンリングを開示し、反応性イオンプレーティング法により成膜したTiC,TiNや反応性スパッタリングによりCrNをコーティングしたピストンリングが耐摩耗性、耐熱性に優れるとしている。しかしながら、反応性イオンプレーティング法により成膜したTiC,TiNや反応性スパッタリングでコーティングしたCrN皮膜は密着性が乏しく、厚膜にすると剥離が生じることからその使用は一部に限られ広く実用に供されることは無かった。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 57-57868 discloses a piston ring in which a hard film such as TiC, TiN, CrN or the like is formed on a sliding surface by a PVD method, and TiC, TiN or reactivity formed by a reactive ion plating method. Piston rings coated with CrN by sputtering are said to be excellent in wear resistance and heat resistance. However, TiC and TiN films formed by reactive ion plating and CrN films coated by reactive sputtering have poor adhesion and peeling occurs when they are made thick. It was never served.

特開昭61−87950号は上記特開昭57−57868号を改善したもので、反応性イオンプレーティング法により、金属Crと窒化Crからなる超微細な混合組織でなる皮膜を摺動面にコーティングしたピストンリングを開示する。摺動面のコーティング皮膜を反応性イオンプレーティング法による金属Crと窒化Crからなる超微細な混合組織の皮膜としたことで皮膜の密着性が向上し厚膜での使用が可能となることを開示する。この結果、ピストンリングの耐久性が向上したことから、以後、反応性イオンプレーティング法により窒化Crをコーティングしたピストンリングが広く使用されるようになった。しかしながら、ディーゼルエンジンに於いては排気ガスの浄化や燃費向上の要求からピストンリングの使われる環境は一層過酷となり、ディーゼルエンジンのTopリングでは、窒化Cr皮膜に欠け・剥離が発生するようになりその対策が求められた。 JP-A-61-87950 is an improvement of JP-A-57-57868, and a film made of an ultrafine mixed structure of metallic Cr and Cr nitride is applied to the sliding surface by reactive ion plating. A coated piston ring is disclosed. The coating film on the sliding surface is made of an ultra-fine mixed structure composed of metallic Cr and Cr nitride by the reactive ion plating method, which improves the adhesion of the film and enables use in thick films. Disclose. As a result, since the durability of the piston ring was improved, a piston ring coated with Cr nitride by the reactive ion plating method has been widely used. However, in a diesel engine, the environment in which the piston ring is used becomes more severe due to demands for exhaust gas purification and fuel efficiency improvement. In the top ring of the diesel engine, the Cr nitride film becomes chipped and peeled off. Countermeasures were sought.

特開平6−248425号は前記イオンプレーティング法による窒化Cr皮膜がディーゼルエンジンに於いては、使用中に皮膜の欠け・剥離を起こし易いと言う問題に対し提案されたもので、イオンプレーティング法による形成した窒化Cr皮膜中に1.5〜20%の空孔率を持つ皮膜を外周摺動面に有するピストンリングが、耐摩耗性、耐スカッフ性に優れるうえ、より過酷な使用に於いても、皮膜の欠けや剥離が生じ難いピストンリングで有ることを開示する。本発明の窒化Cr皮膜は残留応力も低く、密着性にも優れることから、厚膜に成膜することも容易であり、以後、耐久性を必要とするディーゼルエンジン用ピストンリングに多く使われるようになった。しかしながら、本皮膜は皮膜中に多数の空孔を有することから、皮膜硬度は窒化Cr本来の硬さよりも低く、近年の硬質粒子が生成されるようなエンジンに於いては、アブレシブ摩耗が生じ易いという問題があり、改善が求められるようになってきている。 Japanese Patent Laid-Open No. 6-248425 has been proposed for the problem that the Cr nitride film formed by the ion plating method tends to cause chipping or peeling of the film during use in a diesel engine. The piston ring that has a coating with a porosity of 1.5 to 20% on the outer peripheral sliding surface in the Cr nitride film formed by A is excellent in wear resistance and scuff resistance, and even in more severe use, It is disclosed that it is a piston ring that hardly causes chipping or peeling of the film. Since the Cr nitride film of the present invention has low residual stress and excellent adhesion, it can be easily formed into a thick film, and will be frequently used for piston rings for diesel engines that require durability thereafter. Became. However, since this film has a large number of pores in the film, the film hardness is lower than the original hardness of Cr nitride, and in an engine in which hard particles are generated in recent years, abrasive wear tends to occur. There is a problem, and improvement has come to be demanded.

以上のように、耐摩耗性に優れると同時に耐欠け性に優れたピストンリング用皮膜は開発されていない。このような中、切削工具や耐摩工具の表面皮膜の耐酸化性や耐クラック性が見直されてきており、炭化物皮膜や窒化物皮膜の多層化が行われるようになってきている。 As described above, a piston ring film having excellent wear resistance and excellent chipping resistance has not been developed. Under such circumstances, the oxidation resistance and crack resistance of the surface coatings of cutting tools and wear-resistant tools have been reviewed, and multilayering of carbide coatings and nitride coatings has been performed.

特開2001−329360号は、軟質の窒化物薄膜と硬質の窒化物薄膜の多積層膜がより優れた耐摩耗性、耐剥離性などの機械的性質を有する皮膜になることを開示する。しかしながら、開示された皮膜の形成方法は比較的低いバイアス電圧で軟質の窒化物皮膜を形成し、続いて高いバイアス電圧にして硬質の窒化物を形成することを多数繰り返すというものであり、製造時には多数のピストンリングを重ねて筒状にし、それを自公転治具により回転させながら成膜するピストンリングの製造方法では皮膜が常時形成されるものではないため応用できない。又、軟質の窒化物皮膜の耐摩耗性が低いことが予想され、ピストンリングの耐久性に問題もあると考えられる。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-329360 discloses that a multi-layered film of a soft nitride thin film and a hard nitride thin film becomes a film having more excellent mechanical properties such as wear resistance and peel resistance. However, the disclosed method for forming a film is to repeatedly form a soft nitride film with a relatively low bias voltage and then to form a hard nitride with a high bias voltage. A method of manufacturing a piston ring in which a large number of piston rings are stacked to form a cylinder and the film is formed while rotating it with a self-revolving jig cannot be applied because a film is not always formed. In addition, the wear resistance of the soft nitride film is expected to be low, and it is considered that there is a problem in the durability of the piston ring.

特開平11−335813号は格子定数をJCPDS記載の格子定数の0.997〜1.005倍としたCrN、TiN、TiCN層等の皮膜は内部応力が小さいので、皮膜内部に生じるマイクロクラックの伝搬が起こりにくく、膜全体に亀裂が生じることを抑止できるので、皮膜が欠けにくく、且つ、耐摩耗性等が向上することを開示する。更に、少なくとも2種類以上の硬質皮膜を繰り返して積層させる事により高硬度でより耐摩耗性に優れた皮膜を得ることができることも開示する。しかしながら、CrN皮膜の場合は薄いCrN皮膜をコーティング後アルゴンイオンのイオン注入を行い、これを繰り返す方法であり、イオン注入装置を用いることから高コストにならざるを得ない。又、他の皮膜の場合は単なるアークイオンプレーティング法による複合窒化物皮膜やその積層膜であり、本発明者の経験ではピストンリング外周摺動面皮膜としては耐欠け性に於いて充分でない。 In JP-A-11-335813, a film such as a CrN, TiN, or TiCN layer having a lattice constant of 0.997 to 1.005 times the lattice constant described in JCPDS has a low internal stress, so that the propagation of microcracks generated in the film hardly occurs. It is disclosed that cracks can be prevented from occurring in the entire film, so that the film is hardly chipped and wear resistance and the like are improved. Furthermore, it is also disclosed that a film having high hardness and more excellent wear resistance can be obtained by repeatedly laminating at least two kinds of hard films. However, in the case of a CrN film, a thin CrN film is coated and then ion implantation of argon ions is performed, and this is repeated, and since an ion implantation apparatus is used, the cost must be high. In the case of other coatings, it is a composite nitride coating by the arc ion plating method or a laminated film thereof, and the inventor's experience is not sufficient in chipping resistance as a piston ring outer peripheral sliding surface coating.

特開昭62−142768号は硬質セラミック皮膜を有する切削工具に関するものであり、TiC,TiN、Ti(CN)Ti(C,O)等の皮膜を、膜厚さを限定して多数積層した皮膜が、亀裂が入りにくく剥離や欠けが起こり難いことを開示する。しかしながら、本法での成膜方法はCVD法であり、熱による変形等が問題となるピストンリングには適用できない。 JP-A-62-142768 relates to a cutting tool having a hard ceramic film, and a film in which a large number of films of TiC, TiN, Ti (CN) Ti (C, O), etc. are laminated with a limited film thickness. However, it is disclosed that cracking is difficult to occur and peeling and chipping are unlikely to occur. However, the film formation method in this method is a CVD method and cannot be applied to a piston ring in which deformation due to heat is a problem.

特開平7−97679号はTi、Al及び窒素によって構成されるTiがリッチな皮膜とAlがリッチな皮膜を交互に繰り返して積層した皮膜が高硬度と耐酸化性を備えており、切削工具や耐摩工具の表面皮膜として適していることを開示する。しかしながら、本皮膜はAlが含有されることで皮膜硬度は高くなり、耐摩耗性には有利であるが、Alの窒化物は靭性に劣るためピストンリング摺動面に用いた場合には皮膜は欠け易いという問題がある。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-97679 has a high hardness and oxidation resistance in which a Ti-rich film composed of Ti, Al, and nitrogen and an Al-rich film are alternately laminated to provide a cutting tool, It is disclosed that it is suitable as a surface coating for wear-resistant tools. However, the coating film has high coating hardness due to the inclusion of Al, which is advantageous in terms of wear resistance. However, since the nitride of Al is inferior in toughness, the coating film is not used when used on the piston ring sliding surface. There is a problem that it is easily chipped.

特開平8−302461号は超硬合金、セラミックス、サーメット、または鉄鋼よりなる母材の表面、或いは、窒化物及び炭窒化物からなる多層皮膜の層の界面を、それぞれの酸窒化物及び炭酸窒化物とすることで、層界面の密着性が向上し、皮膜の耐摩耗性を飛躍的に高めることが可能であることを開示する。しかしながら、皮膜間の密着性は向上するかもしれないが、結合層自体が酸化物の複合セラミックス層であり、酸化物の耐クラック性が低いことから、界面の耐クラック性が低いという問題があり、ピストンリング外周面皮膜に用いることは出来ないと思える。 Japanese Patent Laid-Open No. 8-302461 describes the surface of a base material made of cemented carbide, ceramics, cermet, or steel, or the interface of a multilayer coating made of nitride and carbonitride, with each of oxynitride and carbonitride. It is disclosed that the adhesiveness of the layer interface can be improved and the wear resistance of the film can be remarkably enhanced by using the product. However, the adhesion between the coatings may be improved, but the bonding layer itself is an oxide composite ceramic layer, and the crack resistance of the oxide is low, so there is a problem that the crack resistance of the interface is low. It seems that it cannot be used for the piston ring outer peripheral surface coating.

「ディーゼルエンジンオイル中のススの硬さに関する研究,」 機講論No.03-1 Vol. 3, (2003), P137。“Study on hardness of soot in diesel engine oil,” Machine Lecture No.03-1 Vol. 3, (2003), P137. 特開昭57−57868号JP-A-57-57868 特開昭61−87590号JP 61-87590 特開平6−248425号JP-A-6-248425 特開2001−329360号JP2001-329360 特開平11−335813号JP 11-335813 A 特開昭62−142768号JP-A 62-142768 特開平7−97679号JP-A-7-97679 特開平8−302461号JP-A-8-302461

本発明は、上述した従来皮膜の問題点に鑑みてなされたものであり、高硬度で耐摩耗性に優れると共に耐クラック性に優れ、過酷な摺動環境に於いても皮膜の欠けや剥離が発生しないピストンリングを提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the conventional film, and has high hardness and excellent wear resistance and excellent crack resistance, and the film is not chipped or peeled even in a harsh sliding environment. It is to provide a piston ring that does not occur.

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ピストンリングの外周摺動面に成膜する皮膜をイオンプレーティング法による積層皮膜とし、該積層皮膜をTiと炭素、窒素から構成されるTiCN層とCrと炭素、窒素から構成されるCrCN層とを交互に積層させて形成することにより、現在、最も過酷であるディーゼルエンジンのTopリングの外周摺動面に使用しても、皮膜に欠けや剥離が発生せず、且つ、耐摩耗性にも優れたピストンリングが得られることを見出した。更に、該積層皮膜のTiCN層及びCrCN層の厚さを各々3〜9nmとすることが望ましく、TiCN層とCrCN層の炭素濃度を4〜8重量%となるようにすることが一層望ましい。
尚、ここで云うTiCN層、CrCN層は化学量論的な組成を意味するものではない。
As a result of earnest research in view of the above object, the present inventor made a film formed on the outer peripheral sliding surface of the piston ring as a laminated film by an ion plating method, and the laminated film is TiCN composed of Ti, carbon, and nitrogen. Even if it is used on the outer peripheral sliding surface of the top ring of a diesel engine, which is currently the most severe, by forming the layers and CrCN layers composed of Cr, carbon, and nitrogen alternately, the film is lacking. It has been found that a piston ring that does not cause peeling and has excellent wear resistance can be obtained. Furthermore, it is desirable that the thickness of the TiCN layer and the CrCN layer of the laminated film be 3 to 9 nm, respectively, and it is more desirable that the carbon concentration of the TiCN layer and the CrCN layer be 4 to 8% by weight.
The TiCN layer and the CrCN layer mentioned here do not mean a stoichiometric composition.

ピストンリング外周摺動面に硬質セラミック皮膜を形成することは、今日一般的に行われている技術である。硬質セラミック皮膜の高い硬度、優れた耐食性が、硬質の燃焼生成物が多く発生し、硫黄酸化物の生成による腐食環境であるディーゼルエンジンに於いて、優れた耐久性を示してきた。しかしながら、ディーゼルエンジンではその燃焼圧は高く、燃焼によって、ピストンリングは強い力でピストンリング溝に押しつけられ皿状に変形を起こすことから、ピストンリングの外周摺動面、特に燃焼室に近い部分には、シリンダ壁との間で高い摩擦力が繰り返し発生する。このため、ピストンリング外周摺動面に形成された硬質セラミック皮膜には、疲労による亀裂が発生し、強いては、皮膜の欠けに至っていた。この欠けの予防策として、皮膜種類をより強度のある皮膜に変更することが成されたてきたが、皮膜加工時に発生する傷や微細な亀裂は避け難く、それを起点とする亀裂の発生、進展が起き、皮膜の欠け・剥離を防止できなかった。このようなことから、亀裂の発生を防止することよりも亀裂の進展が起きにくい皮膜とすることによって、これらを原因とする欠け・剥離を防止できるのではないかと考え、下記記載の破壊靭性値を指標として用いることにより本発明に至ったものである。 Forming a hard ceramic film on the outer peripheral sliding surface of the piston ring is a commonly used technique today. The high hardness and excellent corrosion resistance of the hard ceramic coating has produced a large amount of hard combustion products, and has shown excellent durability in diesel engines, which are corrosive environments due to the formation of sulfur oxides. However, in a diesel engine, the combustion pressure is high, and the piston ring is pressed against the piston ring groove with a strong force due to combustion, causing deformation in the shape of a dish. High frictional force is repeatedly generated between the cylinder wall and the cylinder wall. For this reason, the hard ceramic film formed on the outer peripheral sliding surface of the piston ring is cracked due to fatigue, leading to chipping of the film. As a preventive measure for this chipping, it has been made to change the film type to a stronger film, but it is difficult to avoid scratches and fine cracks that occur during film processing, Progress occurred, and the chipping and peeling of the film could not be prevented. For this reason, it is thought that cracking and peeling caused by these can be prevented by making the coating less prone to crack growth than preventing cracking, and the fracture toughness values described below As a result, the present invention has been achieved.

即ち、本発明者達はセラミック皮膜のこの亀裂の進展し難さを評価する尺度としては、セラミックの破壊靭性値を用いることが出来るとの予想から、前記、欠けが起きにくいとされる特開平6−248425号記載のCrN皮膜ピストンリングを検証するため、該発明明細書の記載に基づき、空孔率がほぼ0%、約1%、約2%、約4%、約8%のCrN皮膜をディーゼルエンジン用Topリングに形成し、皮膜の破壊靭性値を測定すると共にエンジン試験を実施した。エンジン試験はシリンダ内径φ135×6気筒の高負荷のディーゼルエンジンを用い、負荷4/4で100時間行った。その結果を表1に示す。空孔率がほぼ0%のものは破棄靭性値が0.75 MPa・

Figure 0004839120
で皮膜の欠けが発生した。空孔率が2%以上のものは破壊靭性値が2.63 MPa・
Figure 0004839120
以上あり、皮膜の欠けは認められなかったが、皮膜硬度がHv1008〜1530と比較的低硬度なためか摩耗量が空孔率ほぼ0%のものに比べ1.3〜2倍、と大きかった。このことから、本発明者等は破壊靭性値が約3 MPa・
Figure 0004839120
以上あり、皮膜硬度がHv1700以上あれば、現在のディーゼルエンジンのTopリングに使用しても欠けを生じず、且つ、耐摩耗性にも優れた皮膜になるとの確信を得た。 That is, the present inventors have proposed that the fracture toughness value of ceramic can be used as a scale for evaluating the difficulty of the crack development of the ceramic film, and that the chipping is not likely to occur. In order to verify the CrN-coated piston ring described in US Pat. No. 6-248425, a CrN film having a porosity of approximately 0%, approximately 1%, approximately 2%, approximately 4%, approximately 8% based on the description of the invention specification. Was formed on a top ring for a diesel engine, and the fracture toughness value of the coating was measured and an engine test was conducted. The engine test was performed for 100 hours with a 4/4 load using a high-load diesel engine with a cylinder bore of 135mm x 6 cylinders. The results are shown in Table 1. Those with a porosity of approximately 0% have a toughness value of 0.75 MPa ·
Figure 0004839120
The film chipped. Those with a porosity of 2% or more have a fracture toughness value of 2.63 MPa ·
Figure 0004839120
There was no crack in the film, but the film hardness was as high as 1.3 to 2 times compared to the one with a porosity of almost 0% due to the relatively low hardness of Hv1008-1530. . From this, the present inventors have a fracture toughness value of about 3 MPa ·
Figure 0004839120
As described above, if the film hardness is Hv1700 or more, it was confirmed that the film would not be chipped even when used for the top ring of the current diesel engine and the film had excellent wear resistance.

表1:エンジン実験結果

Figure 0004839120
*皮膜の空孔率は画像解析による。 Table 1: Engine experiment results
Figure 0004839120
* The porosity of the film is based on image analysis.

尚、ここでいう破壊靱性値はビッカース圧痕法により求めた。ビッカース圧痕法はJIS R 1607に規格化されているファインセラミックスの破壊靱性試験方法であり、JISには機械部品,構造材料などの高強度材料として使用されるファインセラミックスの常温における破壊靱性試験方法のうち、予め亀裂導入破壊試験法及び圧子圧入法について規定されている。具体的には、ビッカース圧子を試験面に押し込むことによって生じる圧痕及びクラック長さを測定し、押込荷重、圧痕の対角線長さ、クラック長さから破壊靱性値を求めることが可能となる。しかし、JISには試験片の厚さは3mm以上が望ましいと記載されており本発明のような皮膜を測定することができない。そこで、本発明では上記JIS規格と異なるが皮膜断面にビッカース圧子を押し込むことによって生じる圧痕及びクラック長さから破壊靱性値を求めた。このとき皮膜にある残留応力から、き裂は皮膜表面と平行に生じるため、皮膜表面と垂直方向のクラック長さを圧痕中心から角までの距離とした。以下に破壊靱性値の算出式を示す。

Figure 0004839120
The fracture toughness value here was determined by the Vickers indentation method. The Vickers indentation method is a fracture toughness test method for fine ceramics standardized in JIS R 1607. JIS is a method for fracture toughness test at room temperature for fine ceramics used as high-strength materials such as machine parts and structural materials. Among them, the crack introduction fracture test method and the indenter press-in method are defined in advance. Specifically, the indentation and crack length generated by pushing the Vickers indenter into the test surface are measured, and the fracture toughness value can be obtained from the indentation load, the diagonal length of the indentation, and the crack length. However, JIS states that the thickness of the test piece is preferably 3 mm or more, and the film as in the present invention cannot be measured. Therefore, in the present invention, although different from the above JIS standard, the fracture toughness value was obtained from the indentation and crack length generated by pushing the Vickers indenter into the film cross section. At this time, since a crack is generated in parallel with the surface of the film due to the residual stress in the film, the length of the crack perpendicular to the surface of the film was defined as the distance from the center of the indentation to the corner. The formula for calculating the fracture toughness value is shown below.
Figure 0004839120

そこで、本願発明者イオンプレーティング法により作成した各種の金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物の単層皮膜及びこれらの積層皮膜について破壊靭性値及びビッカース硬さを測定した結果本願発明に至ったのである。 Therefore, as a result of measuring the fracture toughness value and the Vickers hardness of various types of metal carbides, metal nitrides, metal carbonitride single layer films and laminated films prepared by the ion plating method of the present inventor, the present invention was achieved. It was.

即ち、本願発明はイオンプレーティング法により、ピストンリング外周摺動面に炭素濃度が4〜8重量%のTiCN層層及びCrCN層層を各層の厚さが3〜9nmとなる積層皮膜を10μm〜50μmの厚さに設けることにより、皮膜硬度がHV1700以上あって耐摩耗性に優れ、且つ、破壊靭性値を3MPa・

Figure 0004839120
以上とすることができるので、現在最も過酷であるディーゼルエンジンのTopリングに使用しても皮膜の欠けが生じない耐久性に優れたピストンリングを得ることが出来る。 That is, the present invention uses an ion plating method to form a TiCN layer having a carbon concentration of 4 to 8% by weight and a CrCN layer on the sliding surface of the outer periphery of the piston ring by forming a laminated film having a thickness of 3 to 9 nm. By providing a thickness of 50 μm, the coating hardness is HV1700 or more, the wear resistance is excellent, and the fracture toughness value is 3 MPa ·
Figure 0004839120
As a result, it is possible to obtain a piston ring with excellent durability that does not cause chipping even when used in the top ring of the most severe diesel engine at present.

第一に、蒸発金属にTi及びCrを選んだのは、結果的にこの組合せで満足する破壊靭性値及び皮膜硬度が得られたからであるが、(1)入手し易い金属で割と安価なこと(2)摺動部材の皮膜として窒化物、炭窒化物皮膜が用いられていること(3)Crはアークイオンプレーティング特有のドロップレットが比較的発生しにくいこと(4)皮膜の生成速度が割と早いことからである。 First, the reason why Ti and Cr were selected as the evaporated metal was that, as a result, satisfactory fracture toughness value and film hardness were obtained with this combination, but (1) it was relatively inexpensive with readily available metals. (2) Nitride or carbonitride film is used as the film of the sliding member (3) Cr is relatively difficult to generate droplets peculiar to arc ion plating (4) Film formation rate This is because it is relatively quick.

又、皮膜を炭窒化物としたのは、TiNやCrN皮膜は炭素のような浸入型の固溶元素が導入されると、導入前と比較して結晶粒内を強化する機構に加え、積層皮膜中の多くの界面が強化される結果、破壊靭性値が上昇すると考えられたためである。実験結果から、炭素濃度が4重量%より小さな範囲ではその効果が少なく、8%より大きな範囲では残留応力が高くなり、何れも本願の指標である破壊靭性値が3 MPa・

Figure 0004839120
以下となることが解った。従って、炭素濃度は4〜8重量%で有ることが必要である。 Also, the carbonitride film is made of TiN and CrN films, when an intrusion-type solid solution element such as carbon is introduced, in addition to the mechanism that strengthens the inside of the crystal grains compared to before introduction, This is because it was thought that the fracture toughness value increased as a result of strengthening many interfaces in the film. From the experimental results, the effect is small when the carbon concentration is less than 4% by weight, and the residual stress is high when the carbon concentration is greater than 8%, and the fracture toughness value that is the index of the present application is 3 MPa ·
Figure 0004839120
I found out that Therefore, the carbon concentration needs to be 4 to 8% by weight.

各層の一層の厚さは皮膜の硬度に影響する。これは、積層皮膜に於いて転位は層内と層と層の境界に於いて運動することにより塑性変形を起こす。そのため、層間隔を小さくすること(即ち、各層の一層の厚さを薄くすること)による転位の堆積(ホールペッチ型強化機構)や多くの界面を導入することによる層の界面における格子ひずみの増大に起因して、積層皮膜の硬さは上昇すると考えられるためである。しかしながら、層間隔を小さくしすぎると層間における境界すべりが生じてしまい急激な硬度低下をまねく結果となる。又、各層の厚さが大きすぎると前記効果は得られず皮膜の有する本来の硬度になってしまうと考えられる。皮膜硬度測定から、積層皮膜の各層の厚さは3〜9nmが最適である。 The thickness of each layer affects the hardness of the coating. This is because in the laminated film, dislocations cause plastic deformation by moving within the layer and at the boundary between layers. For this reason, dislocation deposition (Hall-Petch type strengthening mechanism) by reducing the layer spacing (that is, reducing the thickness of each layer) and increasing lattice strain at the layer interface by introducing many interfaces. This is because the hardness of the laminated film is considered to increase. However, if the layer spacing is too small, boundary slipping between layers occurs, resulting in a rapid decrease in hardness. Further, if the thickness of each layer is too large, the above effect cannot be obtained, and it is considered that the original hardness of the film is obtained. From the film hardness measurement, the thickness of each layer of the laminated film is optimally 3 to 9 nm.

尚、このような皮膜は、ガソリンエンジン用のピストンリングに用いても問題ないことは言うまでもなく、又、皮膜形成にはイオンプレーティング法を用いることから、皮膜形成時のピストンリング温度上昇を低温に維持でき、ピストンリングの変形、強度低下などによるピストンリングのガスシール機能やオイル量調整等の他の機能の低下を抑えることが出来ることは従来同様である。 In addition, it goes without saying that such a coating can be used for a piston ring for a gasoline engine. Also, since the ion plating method is used for forming the coating, the temperature increase of the piston ring during the coating is reduced. As in the prior art, it is possible to suppress the deterioration of the piston ring gas seal function and other functions such as oil amount adjustment due to the deformation of the piston ring and the strength reduction.

本願発明では、アークイオンプレーティング法を用いたことから蒸発金属のドロップレットが皮膜中に含まれるが、本願発明の目的に対する影響度合いは測りかねることから不可避的不純物として扱っている。 In the present invention, since the arc ion plating method is used, the vaporized metal droplets are included in the film, but the degree of influence on the object of the present invention cannot be measured, and is treated as an unavoidable impurity.

(1)ピストンリング
図1は本発明の実施形態である鋼製ピストンリングの縦断面図である。ピストンリング1の全周面にはビッカース硬さ700以上の白層を有しない窒化層2が形成されており、窒化層2の上には窒化クロム或いはその傾斜皮膜3及び積層皮膜4がアークイオンプレーティングによって成分の異なる皮膜が交互に被覆されている。尚、窒化層2は図2、図3のピストンリングの縦断面図にあるように、側面と内周のみに窒化層2があるもの、窒化層2がないものでもよい。窒化クロム或いはその傾斜皮膜3は炭素を固溶していないCrN等からなる応力緩和層である。皮膜の密着性に問題が生じない場合は窒化クロム或いはその傾斜皮膜3を省いてもよい。ピストンリング材としては鋼以外に鋳鉄も使用することが出来る。
(1) Piston ring FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a steel piston ring according to an embodiment of the present invention. A nitride layer 2 having no white layer with a Vickers hardness of 700 or more is formed on the entire peripheral surface of the piston ring 1, and chromium nitride or its gradient coating 3 and laminated coating 4 are formed on the nitride layer 2 by arc ions. Coatings with different components are alternately coated by plating. Note that the nitride layer 2 may have the nitride layer 2 only on the side surface and the inner periphery or may not have the nitride layer 2 as shown in the longitudinal sectional views of the piston ring in FIGS. Chromium nitride or its gradient coating 3 is a stress relaxation layer made of CrN or the like in which carbon is not dissolved. If no problem occurs in the adhesion of the film, chromium nitride or its gradient film 3 may be omitted. In addition to steel, cast iron can also be used as the piston ring material.

(2)皮膜の形成方法
次に、本発明に用いたアークイオンプレーティング装置及びアークイオンプレーティング方法による皮膜の形成方法について詳述する。
(2) Method for Forming Film Next, the arc ion plating apparatus used in the present invention and the method for forming a film by the arc ion plating method will be described in detail.

図4は本発明に用いられる皮膜のイオンプレーティング装置の一例を示す。この装置はガス導入口12、排気口13を有する真空容器14を備え、真空容器14内に、アーク電源15の陽極に接続された第一ターゲット16とアーク電源17の陽極に接続された第二ターゲット18が配置されている。第一ターゲットには金属Ti、及び第二ターゲットには金属Crがセットされている。尚、第一ターゲットと第二ターゲットはピストンリング表面からの距離が等しくなるように設置されている。さらに、真空容器14内にはバイアス電源19に接続された回転テーブル20が配置され、回転テーブル20上には、ピストンリング11が設置されている。このイオンプレーティング装置を用いて、ピストンリング11に本発明皮膜を形成する方法について説明する。上述のように、第一ターゲット、第二ターゲット及びピストンリング11を配置したあと、排気口13より排気して、真空容器14内を0.04Pa以下に減圧し、チャンバーの内壁やピストンリングなどに吸着したガスの放出を促進させるため、ヒーター21を用いて加熱し脱ガス処理を行なう。加熱温度が低い場合は十分な脱ガスを得られず、高すぎる場合はピストンリングがクリープ変形する。予熱完了後は、テーブルを回転させアルゴンガスを12より導入し、−800〜-1000Vのバイアス電圧を印加して陰極と陽極間でアーク放電させボンバードクリーニングを行なう。バイアス電圧が−800より高い場合は十分なボンバードクリーニング効果が得られず、-1000Vより低い場合はピストンリングが昇温し軟化してしまう。その後、反応性ガスを12より導入しながら、全圧を0.2〜8Paにコントロールし、バイアス電圧を0〜-100V印加して図1の積層皮膜3及び4を被覆する。 FIG. 4 shows an example of an ion plating apparatus for coating used in the present invention. The apparatus includes a vacuum vessel 14 having a gas inlet 12 and an exhaust port 13, and a first target 16 connected to the anode of the arc power source 15 and a second target connected to the anode of the arc power source 17 in the vacuum vessel 14. A target 18 is arranged. Metal Ti is set on the first target, and metal Cr is set on the second target. The first target and the second target are installed so that the distance from the piston ring surface is equal. Further, a rotary table 20 connected to a bias power source 19 is disposed in the vacuum vessel 14, and the piston ring 11 is installed on the rotary table 20. A method for forming the coating of the present invention on the piston ring 11 using this ion plating apparatus will be described. As described above, after the first target, the second target, and the piston ring 11 are arranged, the exhaust is exhausted from the exhaust port 13, the vacuum container 14 is decompressed to 0.04 Pa or less, and is adsorbed on the inner wall of the chamber or the piston ring. In order to promote the release of the gas, the heater 21 is used for heating and degassing treatment. When the heating temperature is low, sufficient degassing cannot be obtained, and when it is too high, the piston ring undergoes creep deformation. After completion of preheating, the table is rotated, argon gas is introduced from 12, and a bias voltage of −800 to −1000 V is applied to cause arc discharge between the cathode and anode to perform bombard cleaning. When the bias voltage is higher than −800, a sufficient bombard cleaning effect cannot be obtained, and when it is lower than −1000 V, the piston ring is heated and softened. Thereafter, while introducing the reactive gas from 12, the total pressure is controlled to 0.2 to 8 Pa, and a bias voltage of 0 to -100 V is applied to coat the laminated films 3 and 4 in FIG.

図1の積層皮膜4を形成するTiCN層,CrCN層の組成はそれぞれのガスの分圧をコントロールすることによって制御ができる。例えばTiCN層中の炭素濃度は炭化水素系ガスの分圧を高くすると上昇する。
TiCN層層及びCrCN層層の各層の厚さは、アーク電流とテーブル回転速度により制御可能である。成膜速度をT(μm/min)、テーブル回転速度をR(rpm)とすると、各層の厚さH(nm/回転)は、H∝T / Rで表される。ここで成膜速度Tは、積層皮膜を形成する化合物単体をこのアークイオンプレーティング装置でイオンプレーティング処理したときの成膜速度であり、成膜中のアーク電流の大きさと比例関係にある。よってアーク電流を下げる、又はテーブル回転速度を上げると各層の厚さは小さくなる。そのため、積層皮膜の各層の厚さを制御するには、予め図5に示したような積層皮膜を形成する化合物単体のアーク電流値と成膜速度の関係を調べておけばよい。ただし、この関係は同じイオンプレーティング装置を用いても炉内構造や使用ターゲットの形状、ターゲットと被処理物本体との距離などにより変化する。
The composition of the TiCN layer and the CrCN layer forming the multilayer coating 4 in FIG. 1 can be controlled by controlling the partial pressure of each gas. For example, the carbon concentration in the TiCN layer increases when the partial pressure of the hydrocarbon gas is increased.
The thicknesses of the TiCN layer and the CrCN layer can be controlled by the arc current and the table rotation speed. When the deposition rate is T (μm / min) and the table rotation speed is R (rpm), the thickness H (nm / rotation) of each layer is expressed by H∝T / R. Here, the film formation speed T is a film formation speed when a single compound for forming a laminated film is ion-plated by this arc ion plating apparatus, and is proportional to the magnitude of the arc current during film formation. Therefore, the thickness of each layer decreases when the arc current is decreased or the table rotation speed is increased. Therefore, in order to control the thickness of each layer of the multilayer coating, the relationship between the arc current value of the compound itself that forms the multilayer coating as shown in FIG. However, even if the same ion plating apparatus is used, this relationship varies depending on the furnace structure, the shape of the target used, the distance between the target and the object to be processed, and the like.

積層皮膜の皮膜硬さは、バイアス電圧、全ガス圧、窒素ガス分圧、炭化水素系ガス分圧、アーク電流値、テーブル回転速度により制御することが出来る。皮膜硬さはバイアス電圧を高く、又は全ガス圧を低く、又は窒素ガス分圧を減少させる、又は炭化水素系ガス分圧を増加させると上昇する。又、アーク電流を下げる、又はテーブル回転速度をあげると、各層の厚さは小さくなるので皮膜硬さは上昇する。しかしながら、皮膜の欠け防止のためには、3 MPa・

Figure 0004839120
以上破壊靭性値が必要であるから、炭素濃度を先に決定しなければならない。尚、高いバイアス電圧はピストンリングの熱変形を招くことから0〜-100Vとすることが必要である。
以下に実施例を示して具体的に本発明を説明する。 The film hardness of the laminated film can be controlled by bias voltage, total gas pressure, nitrogen gas partial pressure, hydrocarbon gas partial pressure, arc current value, and table rotation speed. The film hardness increases when the bias voltage is increased, the total gas pressure is decreased, the nitrogen gas partial pressure is decreased, or the hydrocarbon-based gas partial pressure is increased. Further, when the arc current is decreased or the table rotation speed is increased, the thickness of each layer is decreased, so that the film hardness is increased. However, 3 MPa ·
Figure 0004839120
Since the fracture toughness value is necessary, the carbon concentration must be determined first. In addition, since a high bias voltage causes the thermal deformation of a piston ring, it is necessary to set it as 0--100V.
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.

まず、破壊靭性値が3以上となる炭素濃度を求めるため下記の実験を行った。
矩形形状をした断面寸法2.5×4.3mm の17Crステンレス鋼ピストンリング線材をφ135mm のリング状に曲げ成形後、歪取り焼鈍処理し合口隙取り、側面研磨、外周面研磨を行った。その後、ピストンリング外周面に窒化処理を施しこれを超音波洗浄により脱脂した。又、ピストンリング母材と皮膜との密着性を向上させるため、母材表面をサンドブラスト処理し表面粗さを1.0〜4.5μm Rzjisに仕上げ、エアーブローで表面のゴミを除去した。又、ピンオンディスク摩耗試験用のテストピースは断面寸法が5×5mm、高さ20mmの17Crステンレス鋼ピストンリング線材を先端20Rに研磨し、イオンプレーティング皮膜を成膜後、表面粗さをRzjis=0.4μm以下に仕上げ加工したものを超音波洗浄により脱脂したものを用い、ディスク材はφ120×12mmのSUJ2鋼を表面粗さRzjis=0.8〜1.6μmに仕上げたものを用いた。
First, the following experiment was performed to obtain the carbon concentration at which the fracture toughness value was 3 or more.
A 17Cr stainless steel piston ring wire with a rectangular cross section of 2.5 x 4.3 mm was bent into a ring shape of φ135 mm, then subjected to strain relief annealing, and a gap was removed, side polishing and outer peripheral surface polishing were performed. Thereafter, the outer peripheral surface of the piston ring was subjected to nitriding treatment and degreased by ultrasonic cleaning. In order to improve the adhesion between the piston ring base material and the coating, the surface of the base material was sandblasted to finish the surface roughness to 1.0 to 4.5 μm Rzjis, and dust on the surface was removed by air blow. The test piece for pin-on-disk wear test is a 17Cr stainless steel piston ring wire with a cross section of 5 x 5mm and a height of 20mm, polished to the tip 20R, and after forming an ion plating film, the surface roughness is Rzjis What was finished to 0.4 μm or less and degreased by ultrasonic cleaning was used, and the disc material used was a SUJ2 steel of φ120 × 12 mm finished with a surface roughness Rzjis = 0.8 to 1.6 μm.

神戸製鋼所製のイオンプレーティング装置(AIP-3012)を用いて、第一ターゲットに金属Ti、第二ターゲットに金属Cr配置した後被処理物本体を回転テーブル上に配置したあと、被処理物を載せたテーブルを回転させ、真空容器を0.04Pa以下に減圧し、ヒーターで被処理物を873Kに加熱して予熱処理を行なった。ボンバードクリーニングはアルゴンガスを導入し、-700Vのバイアス電圧を印加して陰極と陽極間でアーク放電させ第二ターゲットのアーク電流値を100Aに設定し2分間処理を行なった。その後、炭素を固溶していないCrNからなる応力緩和層の成膜のため、窒素ガスを導入しながら、圧力を1.2Pa、バイアス電圧を-10V、第二ターゲットのアーク電流値を200Aに設定し30分間処理を行なった。炭素を窒化物中に固溶させるために炭化水素系ガスとしてメタンガスを導入し、積層皮膜中の炭素濃度が約2〜10wt%になるように予備コーティングで求めておいたメタン分圧1Pa〜9Paに変化させた。この時の全ガス圧は約2.7Paになるように窒素ガスの導入量を調節した。バイアス電圧を-10Vに設定し成膜を行った。
次に、得られた皮膜について、ピストンリングを用いて下記方法にて皮膜調査すると共に摩耗試験片を用いて摩耗試験を実施した。
Using an ion plating apparatus (AIP-3012) manufactured by Kobe Steel, after placing the metal Ti on the first target and the metal Cr on the second target, the work piece main body is placed on the turntable, and then the work piece. The vacuum vessel was depressurized to 0.04 Pa or less, and the object to be treated was heated to 873K with a heater to perform pre-heat treatment. In the bombard cleaning, argon gas was introduced, and a bias voltage of −700 V was applied to cause arc discharge between the cathode and the anode, the arc current value of the second target was set to 100 A, and the treatment was performed for 2 minutes. After that, for the formation of a stress relaxation layer made of CrN without solid solution of carbon, the pressure was set to 1.2 Pa, the bias voltage was set to -10 V, and the arc current value of the second target was set to 200 A while introducing nitrogen gas. For 30 minutes. Methane gas was introduced as a hydrocarbon-based gas in order to dissolve carbon in the nitride, and the methane partial pressure of 1 Pa to 9 Pa determined by the preliminary coating so that the carbon concentration in the laminated film was about 2 to 10 wt%. Was changed. The amount of nitrogen gas introduced was adjusted so that the total gas pressure at this time was about 2.7 Pa. Film formation was performed with the bias voltage set to -10V.
Next, about the obtained film | membrane, the film | membrane investigation was conducted by the following method using the piston ring, and the abrasion test was implemented using the abrasion test piece.

(1)各層の厚さ測定
各試料の各層の厚さは、粉末X線回折装置(リガク社製RINT2100)を用いてCuKα線を使用し、走査範囲2θ=35〜50°、印加電圧40kV、印加電流30mA 、スキャンステップ0.02°、スキャン速度2°/min、発散スリット1deg 、受光スリット0.3mmの条件でX線回折パターンを測定し、(111)回折ピーク付近に出現するサテライトピークのサテライト反射角度から以下の式を用いて各層の厚さを算出した(図6)。

Figure 0004839120
(1) Measurement of thickness of each layer The thickness of each layer of each sample was measured using CuKα rays using a powder X-ray diffractometer (RINT2100 manufactured by Rigaku Corporation), scanning range 2θ = 35-50 °, applied voltage 40 kV, The X-ray diffraction pattern was measured under the conditions of applied current 30mA, scan step 0.02 °, scan speed 2 ° / min, diverging slit 1deg, and receiving slit 0.3mm, and the satellite reflection angle of the satellite peak appearing near the (111) diffraction peak From these, the thickness of each layer was calculated using the following equation (FIG. 6).
Figure 0004839120

(2)炭素濃度の測定
皮膜中の炭素濃度は日本電子製電子線マイクロアナライザー, EPMA(JEOL JXA-8600S)にて加速電圧15kV、プローブ電流5×10-8Aの条件で定量分析を実施した。
(3)皮膜硬さの測定
皮膜硬さはアカシ社製マイクロビッカース硬度計を用いて荷重50gf、時間15secの条件で皮膜断面硬さを計測した。
(2) Measurement of carbon concentration The carbon concentration in the film was quantitatively analyzed with an electron beam microanalyzer, EPMA (JEOL JXA-8600S) manufactured by JEOL under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV and a probe current of 5 × 10 -8 A. .
(3) Measurement of film hardness The film hardness was measured using a micro Vickers hardness tester manufactured by Akashi Co., Ltd. under conditions of a load of 50 gf and a time of 15 sec.

(3)破壊靭性値の測定
前述のように、ビッカース圧子を積層皮膜断面中央部に押し込むことによって生じる圧痕及びクラック長さを測定し、押込荷重、圧痕の対角線長さ、クラック長さから破壊靱性値を求めた。ここで、試験荷重は200gfとし時間は15secとした。又、破壊靱性値の算出に用いる弾性率は240263MPaとした。
(3) Measurement of fracture toughness value As described above, the indentation and crack length generated by pushing the Vickers indenter into the center of the cross section of the laminated film are measured, and the fracture toughness is determined from the indentation load, the diagonal length of the indentation, and the crack length. The value was determined. Here, the test load was 200 gf and the time was 15 sec. The elastic modulus used for calculation of the fracture toughness value was 240263 MPa.

(4)摩耗試験
耐摩耗性はスス入りオイルを用いた摩耗試験により摩耗特性を評価した。以下にスス入りオイルを用いた摩耗試験の試験条件と摩耗特性の評価方法を示す。摩耗試験は図7に示したようなピンオンディスク試験である。
試験条件
試験荷重130.2N 摺動速度0.5m/sec
使用オイル: スス入りオイル (三菱化学株式会社製ダイアコンタミナント WEAR)
供給量:0.5cc/min
試験時間:4時間
評価方法
試験終了後ピン摺動面の画像を撮影し、画像から得られる摩耗痕の幅から以下に示す式により摩耗重量を算出した。尚、皮膜の密度は全て7.75×103Kg/m3とした。

Figure 0004839120
(4) Wear test The wear resistance was evaluated by a wear test using sooted oil. The test conditions for wear tests using sooted oil and the evaluation methods for wear characteristics are shown below. The wear test is a pin-on-disk test as shown in FIG.
Test conditions Test load 130.2N Sliding speed 0.5m / sec
Oil used: Oil containing soot (Mitsubishi Chemical Corporation Dia Contaminant WEAR)
Supply amount: 0.5cc / min
Test time: 4 hours Evaluation method After the test was completed, an image of the pin sliding surface was taken, and the wear weight was calculated from the width of the wear scar obtained from the image by the following formula. The film density was 7.75 × 103 Kg / m3.
Figure 0004839120

1.実施例1の皮膜成膜条件とその調査結果及び摩耗試験の結果を表2に示す。

Figure 0004839120
1. Table 2 shows the film forming conditions of Example 1, the results of the investigation, and the results of the wear test.
Figure 0004839120

表2から明らかなように、破壊靭性値が3MPa・

Figure 0004839120
以上有る皮膜は試料NO. 1-3〜NO.1-7で、炭素濃度が約4重量%〜約8重量%であった。皮膜硬さは何れの試料もHv1800以上有り、比較例であるCrN単層膜に比べ耐摩耗性も同等以上であった。CrN皮膜に炭素のような浸入型の固溶元素を導入されると結晶粒内を強化すると共に、積層皮膜各界面が強化されると考えら、その結果として、破壊靭性値が上昇すると考えられる。しかし、その量が一定量を超えると、皮膜の内部応力が強くなりすぎるため、脆くなり破壊靭性値が再び低下したものと思われる。実施例1の結果から、炭素濃度が4〜8重量%の皮膜は破壊靭性値が3MPa・
Figure 0004839120
以上有り耐欠け性に優れると共に耐摩耗性も従来のCrN単層膜以上であることが認められた。 As is clear from Table 2, the fracture toughness value is 3 MPa ·
Figure 0004839120
The above coatings were Samples No. 1-3 to No. 1-7, and the carbon concentration was about 4 wt% to about 8 wt%. The film hardness was Hv1800 or more in any sample, and the wear resistance was equal or higher than that of the CrN single layer film as a comparative example. It is considered that when an intrusion-type solid solution element such as carbon is introduced into the CrN film, the inside of the crystal grains is strengthened and each interface of the laminated film is strengthened, and as a result, the fracture toughness value is increased. . However, if the amount exceeds a certain amount, the internal stress of the film becomes too strong, and it becomes brittle and the fracture toughness value seems to have decreased again. From the results of Example 1, the film having a carbon concentration of 4 to 8% by weight has a fracture toughness value of 3 MPa ·
Figure 0004839120
As described above, it was confirmed that the chip was superior in chipping resistance and also had wear resistance higher than that of the conventional CrN single layer film.

次に、積層皮膜に於いて転位は層内と層境界に於いて運動することにより塑性変形を起こす。そのため、各層の厚さを小さくすることにより、転位の堆積や層界面における格子ひずみの増大が起こり、積層皮膜の硬さは上昇すると考えられることから、耐摩耗性に有利な各層の厚さの最適値を求めるために、各層の厚さが3〜10nmになるように、予め図5にしめしたような成膜速度とアーク電流値の関係を求めた後、ターゲットのアーク電流値を各々変化させ各皮膜を作製した。尚、メタン分圧は5Paとしテーブル回転数は10rpmと固定し、皮膜形成までの工程は実施例1と同様である。又皮膜の調査方法及び摩耗試験も実施例1と同様に行った。 Next, in the laminated film, dislocations cause plastic deformation by moving in and between the layers. Therefore, by reducing the thickness of each layer, it is considered that dislocation accumulation and lattice strain at the layer interface increase and the hardness of the laminated film increases. In order to obtain the optimum value, after determining the relationship between the film formation rate and the arc current value as shown in FIG. 5 in advance so that the thickness of each layer is 3 to 10 nm, the arc current value of the target is changed. Each film was prepared. The methane partial pressure was 5 Pa, the table rotation speed was fixed at 10 rpm, and the process up to the film formation was the same as in Example 1. The film investigation method and wear test were also carried out in the same manner as in Example 1.

各層の厚さを変化させた実験の皮膜形成条件とその調査結果及び摩耗試験結果を表3に示す。

Figure 0004839120
比較例2:空孔率約1.5%のCrN皮膜 Table 3 shows the film formation conditions, the investigation results, and the wear test results of the experiment in which the thickness of each layer was changed.
Figure 0004839120
Comparative example 2: CrN film having a porosity of about 1.5%

この結果、破壊靭性値は全試料とも3.7 MPa・

Figure 0004839120
以上あり目標を達成していた。しかしながら、各層の厚さが2.7nm以下の皮膜及び各層の厚さが約10.2nm以上の皮膜は従来の皮膜である比較例1のCrN単層膜に比べ硬度が低く且つ耐摩耗性が同等以下であった。以上のことから、TiCN層層とCrCN層層とからなる積層皮膜における一層あたりの膜厚は3〜9nmが最適であることが確認できた。しかしながら、一層あたりの膜厚は2.7nm以下或いは約10.2nm以上であっても、従来の空孔のあるCrN皮膜(比較例2)よりも皮膜硬度が高いことや空孔がないことから耐摩耗性で優れており、ディーゼルエンジンのTopリングに使用できるものと思える。尚、積層皮膜に於いて転位は層内と層と層の境界に於いて運動することにより塑性変形を起こす。そのため、各層の厚さを小さくすることは、この転位の堆積(ホールペッチ型強化機構)や層の界面における格子ひずみを増大し、積層皮膜の硬さは上昇させる効果が有り、耐摩耗性を向上させる。しかしながら、層間隔を小さくしすぎると層間における境界すべりが生じてしまい急激な硬度低下をまねく結果耐摩耗性も劣化する物と考えられる。 As a result, the fracture toughness value is 3.7 MPa ·
Figure 0004839120
The above was achieved. However, a film having a thickness of each layer of 2.7 nm or less and a film having a thickness of each layer of about 10.2 nm or more have lower hardness and wear resistance than the conventional CrN single-layer film of Comparative Example 1. It was below equivalent. From the above, it was confirmed that the optimum film thickness per layer in the laminated film composed of the TiCN layer layer and the CrCN layer layer is 3 to 9 nm. However, even if the film thickness per layer is 2.7 nm or less or about 10.2 nm or more, the film hardness is higher than that of the conventional CrN film having pores (Comparative Example 2) and there are no pores. It is excellent in wear resistance and seems to be usable for the top ring of diesel engines. In the laminated film, dislocations cause plastic deformation by moving in the layer and at the boundary between layers. Therefore, reducing the thickness of each layer has the effect of increasing the dislocation accumulation (Hall Petch type strengthening mechanism) and lattice strain at the interface of the layers, increasing the hardness of the laminated film, and improving wear resistance. Let However, it is considered that if the layer spacing is too small, boundary slip between layers occurs, resulting in a sudden decrease in hardness, resulting in a deterioration in wear resistance.

次に、実施例1の試料NO. 1-3とNO.1-7及び実施例2の試料No.2-3CとNo. 2-9、比較例1.2のピストンリングを同時にディーゼルエンジンで実機評価した結果を表4に示す。エンジンは前回と同様のシリンダ内径φ135×6気筒の高負荷ディーゼルエンジンであり、負荷4/4で100時N間行った。結果を表4に示す。比較1皮膜のピストンリングを除いて、本発明のピストンリングには皮膜の欠け・剥離は発生しなかった。又、摩耗量も2.6から3.8μmであり、比較2と以上であった。   Next, samples No. 1-3 and No. 1-7 of Example 1, Samples No. 2-3C and No. 2-9 of Example 2, and piston ring of Comparative Example 1.2 were simultaneously used in a diesel engine. Table 4 shows the results of actual machine evaluation. The engine was a high-load diesel engine with a cylinder inner diameter of φ135 × 6 cylinders similar to the previous one, and was run for 100 hours N at a load of 4/4. The results are shown in Table 4. Comparative Example 1 Except for the piston ring of the coating, the piston ring of the present invention was free from chipping or peeling of the coating. Also, the wear amount was 2.6 to 3.8 μm, which was more than that of Comparative 2.

実機評価した結果を表4に示す。

Figure 0004839120
Table 4 shows the results of actual machine evaluation.
Figure 0004839120

鋼製ピストンリングの縦断面図で窒化層上にイオンプレーティング皮膜がある場合When the ion plating film is on the nitride layer in the longitudinal section of the steel piston ring 鋼製ピストンリングの縦断面図でピストンリング両側面にのみ窒化層がある場合In the longitudinal section of a steel piston ring, there is a nitride layer only on both sides of the piston ring 鋼製ピストンリングの縦断面図で窒化層が無い場合。When there is no nitride layer in the longitudinal section of a steel piston ring. 本件に用いたアークイオンイオンプレーティング装置の概略図Schematic diagram of arc ion ion plating equipment used in this case TiCN層のアーク電流と皮膜成膜速度との関係を求めた図Figure showing the relationship between the arc current of the TiCN layer and the film deposition rate X線回折での皮膜のピーク例Example of film peak in X-ray diffraction 摩耗試験の概略図Schematic diagram of wear test

符号の説明Explanation of symbols

11:ピストンリング

12:ガス導入口
13:排気口
14:真空容器
15:アーク電源
16:第一ターゲット
17:アーク電源
18:第二ターゲット
19:バイアス電源
20:回転テーブル
21:ヒーター21
11: Piston ring

12: Gas inlet
13: Exhaust port
14: Vacuum container
15: Arc power supply
16: First target
17: Arc power supply
18: Second target
19: Bias power supply
20: Rotating table
21: Heater 21

Claims (3)

イオンプレーティング法による積層皮膜を少なくとも外周摺動面に有するピストンリングであって、前記積層皮膜がTiと炭素、窒素から構成される化合物層とCrと炭素、窒素から構成される化合物層とが交互に積層されて形成されていることを特徴とするピストンリング。 A piston ring having a laminated film by an ion plating method on at least an outer peripheral sliding surface, wherein the laminated film includes a compound layer composed of Ti, carbon, and nitrogen and a compound layer composed of Cr, carbon, and nitrogen. A piston ring characterized by being alternately laminated. 該積層皮膜の炭素濃度が4〜8重量%であることを特徴とする請求項1記載のピストンリング。 2. The piston ring according to claim 1, wherein the carbon concentration of the laminated coating is 4 to 8% by weight. 該積層皮膜が3〜9nmの該化合物層を交互に積層することで形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載のピストンリング。 The piston ring according to claim 1 or 2, wherein the laminated film is formed by alternately laminating the compound layers of 3 to 9 nm.
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