JP7085692B2 - ピストンリング及びその製造方法 - Google Patents
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Description
<皮膜の条件>
・Si量が1.1~7.5at%の範囲であること。
・結晶子サイズが10~30nmの範囲であること。
・圧縮の残留応力が400~800MPaであること。
<皮膜の条件>
・Si量が1.1~7.5at%の範囲であること。
・結晶子サイズが10~30nmの範囲であること。
・圧縮の残留応力が400~800MPaであること。
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。
・CrN(111):0.4以上(より好ましくは0.6~1.2)
・CrN(200):1.0以上
・CrN(220):0.5以上
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)物理蒸着法によって以下の条件を満たす皮膜5を形成する工程。
<皮膜5の条件>
・Si量が1.1~7.5at%の範囲であること。
・結晶子サイズが10~30nmの範囲であること。
・圧縮の残留応力が400~800MPaであること。
・チャンバー内の窒素圧力を高めに設定する。その圧力は、例えば、4.0~6.0Paである。
・バイアス電圧(絶対値)を小さい値に設定する。そのバイアス電圧は、例えば、-5~-10Vである。
・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
参考例、実施例及び比較例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表1及び表2に示す条件で皮膜(厚さ:約20μm)を基材の表面にそれぞれ形成した。なお、成膜温度は、500℃とした。アーク電流は150Aとした。
表1及び表2に参考例、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。
(Si量)
皮膜のSi量は、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、参考例、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。
(結晶配向性)
皮膜の結晶配向性は、X線回折装置(装置名:SmartLab、リガク製)によるX線回折データから得られる各結晶面の組織係数によって評価した。各結晶面の組織係数は、下記式により求めた。
組織係数=[I(hkl)/I0(hkl)]/[Σ{I(hkl)/I0(hkl)}/n]
式中、I(hkl)は測定された(hkl)面のX線回折強度、I0(hkl)はJCPDSファイルに記載されている標準X線回折強度である。
(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及び表2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。
(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。
(硬さH及びヤング率E)
ナノインデンターによって得られる皮膜の硬さH及び皮膜のヤング率Eは、超微小押し込み硬さ試験機(装置名:ENT-1100a、エリオニクス製)を使用して求めた。すなわち、ISO14577に規定された試験法に基づき、先端形状が正三角錐(バーコビッチ型)のダイヤモンド圧子用い、試験荷重0.4Nにて硬さ試験を実施し、試験時に圧子にかかる荷重と圧子の変位から得られる「荷重-変位曲線」から求めた。
(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。
摩耗加速試験として、図2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2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
参考例、実施例及び比較例に係るピストンリングを20個ずつ作製し、これらを評価対象として20回のすべり疲労試験を実施した。すべり疲労試験後の皮膜を目視により観察して、皮膜の耐剥離性及び耐クラック性を評価した。耐摩耗性は比較例4の皮膜の摩耗量を基準に評価した。評価基準は以下のとおりとした。
(耐剥離性)
A:20個の試料のうち、剥離の発生率が40%以下である。
B:20個の試料のうち、剥離の発生率が40%超80%未満である。
C:20個の試料のうち、剥離の発生率が80%以上である。
(耐クラック性)
A:20個の試料のうち、クラックの発生率が35%以下である。
B:20個の試料のうち、クラックの発生率が35%超90%未満である。
C:20個の試料のうち、クラックの発生率が90%以上である。
(耐摩耗性)
従来のCrN皮膜の摩耗量を1.0とした場合の摩耗量
A:摩耗量が0.7以下である。
B:摩耗量が0.7超0.9未満である。
C:摩耗量が0.9以上である。
Claims (9)
- (A)ピストンリングの基材の表面を洗浄する工程と、
(B)チャンバー内において、前記基材の表面の少なくとも一部を覆うように、構成元素がCr、Si及びNである皮膜を物理蒸着法によって形成する工程と、
を含み、
(B)工程において、以下の条件を満たす前記皮膜が形成されるように、2~6Paの範囲において前記チャンバー内の圧力を設定するとともに、-5~-18Vの範囲においてバイアス電圧を設定する、ピストンリングの製造方法。
<皮膜の条件>
・Si量が1.1~7.5at%の範囲であること。
・CrN(200)面における結晶子サイズが15~30nmの範囲であること。
・圧縮の残留応力が400~800MPaであること。 - 前記皮膜のSi量が2.0~5.0at%である、請求項1に記載のピストンリングの製造方法。
- 前記皮膜の硬さが1000HV0.1~1800HV0.1である、請求項1又は2に記載のピストンリングの製造方法。
- 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、構成元素がCr、Si及びNである皮膜と、
を備え、
前記皮膜が以下の条件を満たす、ピストンリング。
<皮膜の条件>
・Si量が1.1~7.5at%の範囲であること。
・CrN(200)面における結晶子サイズが15~30nmの範囲であること。
・圧縮の残留応力が400~800MPaであること。 - 前記皮膜のSi量が2~5at%である、請求項4に記載のピストンリング。
- 前記皮膜におけるCr量が40at%以上である、請求項5に記載のピストンリング。
- 前記皮膜のCrN(111)の組織係数が0.4以上である、請求項4~6のいずれか一項に記載のピストンリング。
- 前記皮膜の硬さが1000HV0.1~1800HV0.1である、請求項4~7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4~8のいずれか一項に記載のピストンリング。
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