WO2015115153A1 - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング Download PDF

Info

Publication number
WO2015115153A1
WO2015115153A1 PCT/JP2015/050472 JP2015050472W WO2015115153A1 WO 2015115153 A1 WO2015115153 A1 WO 2015115153A1 JP 2015050472 W JP2015050472 W JP 2015050472W WO 2015115153 A1 WO2015115153 A1 WO 2015115153A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston ring
amorphous carbon
carbon film
hmt115
martens hardness
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/050472
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
松原　誠
Original Assignee
株式会社リケン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社リケン filed Critical 株式会社リケン
Publication of WO2015115153A1 publication Critical patent/WO2015115153A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F5/00—Piston rings, e.g. associated with piston crown
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J10/00—Engine or like cylinders; Features of hollow, e.g. cylindrical, bodies in general
    • F16J10/02—Cylinders designed to receive moving pistons or plungers
    • F16J10/04—Running faces; Liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring (hereinafter also referred to as “ring”) formed with an amorphous carbon film, and more particularly to a piston ring having excellent wear resistance and scuff resistance.
  • the ratio of friction loss caused by sliding between the piston ring and cylinder or cylinder liner is about 20 to 30% of the overall engine loss. It is considered that the contribution to improvement and reduction of CO 2 emissions is great.
  • Factors related to piston ring friction loss include ring tension, ring shape, friction coefficient, etc.In particular, maintaining the ring shape not only contributes to the reduction of friction loss, but also maintains sealability and combustion energy. Is also transmitted to the crankshaft without loss, contributing to maintaining high mechanical efficiency. In this regard, it is noted that an excellent carbon wear-resistant ring shape with little friction loss can be maintained and an amorphous carbon film having a small friction coefficient is formed on the piston ring.
  • the cylinder liner which is a sliding partner of the ring, is also being replaced with a lighter material from cast iron to aluminum alloy for the purpose of improving fuel efficiency and vehicle performance.
  • the aluminum alloy an aluminum alloy excellent in wear resistance, for example, a hypereutectic Al—Si alloy crystallized with relatively hard primary Si has been used.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2007-232026 uses a cast iron cylinder liner as a sliding counterpart material, and is intended to provide a sliding member having excellent initial conformability and a large friction loss reducing effect. Focusing on the micro-projections called macro particles formed on the surface of the crystalline carbon film, the adjustment by post-processing of the macro particles is carried out by adjusting the 10-point average roughness (Rz) and initial wear roughness (surface roughness parameters). Rpk) can be managed. Specifically, it is required that Rz is 0.7 ⁇ m or less and Rpk is 0.07 to 0.14 ⁇ m.
  • the amorphous carbon film can be scuffed by sliding even if the ten-point average roughness and the initial wear roughness are controlled within the above specified ranges. There was a possibility that it would cause scratches, and in the worst case it would wear out.
  • An object of the present invention is to provide a piston ring formed with an amorphous carbon film excellent in wear resistance and scuff resistance on an aluminum alloy cylinder or cylinder liner for reducing fuel consumption of an automobile. To do.
  • the present inventor has found that the scuff resistance is average. With the knowledge that it depends strongly on the protrusion with the maximum peak height rather than the surface roughness, and that it strongly depends on the three-dimensional maximum peak height rather than the two-dimensional surface roughness parameter, I came up with a carbon-coated piston ring.
  • the piston ring of the present invention is a piston ring in which an amorphous carbon film is formed on a sliding surface, and the Martens hardness HMT115 on the surface of the amorphous carbon film is 5.0 GPa or more.
  • the product of the height HMT115 and the maximum peak height Sp of the three-dimensional surface roughness of the amorphous carbon film surface is 5.0 kPa ⁇ m or less.
  • the Martens hardness HMT115 is preferably less than 11.0 mm GPa, and the maximum peak height Sp is preferably 0.5 ⁇ m or less.
  • the amorphous carbon film preferably contains 15.0 to 40.0 atomic% hydrogen, and preferably has a film thickness of 4.0 to 10.0 ⁇ m.
  • the Martens hardness HMT115 of the amorphous carbon film formed on the piston ring is 5.0 GPa or more, at least the same level as the Si particles of the hypereutectic Al-Si alloy, and the eutectic Al- Even if Si particles dropped from the Si alloy cylinder are present on the sliding surface as abrading, the wear of the amorphous carbon film can be suppressed. Further, since the product of the Martens hardness HMT115 and the maximum peak height Sp of the three-dimensional surface roughness of the amorphous carbon film surface is 5.0 kPa ⁇ m or less, the HMT115 of the amorphous carbon film is relatively large.
  • the use of three-dimensional surface roughness for the maximum peak height significantly increases the reliability of the evaluation and leads to reliable scuffing.
  • it has excellent wear resistance against aluminum alloy cylinder liners.
  • it exhibits scuff resistance and can contribute to lower fuel consumption of automobiles.
  • the maximum peak height Sp of the three-dimensional surface roughness is measured.
  • the Martens hardness HMT115 is measured by the nanoindentation method.
  • the nanoindentation method is a method in which a load is continuously loaded and unloaded with a Berkovich indenter and the indentation depth from the surface under a predetermined load is measured to obtain the hardness. If this Martens hardness HMT115 is too low, the amorphous carbon film will be worn by the primary crystal Si of the hypereutectic Al—Si alloy.
  • the Martens hardness HMT115 is too high, the toughness tends to be low and breakage may occur, and scuffing may occur due to the fracture, and the maximum peak height Sp of the three-dimensional surface roughness of the amorphous carbon film surface is too high.
  • HMT115 ⁇ Sp is 5.0 kPa ⁇ m or less.
  • the Martens hardness HMT115 is preferably 5.0 to GPa and less than 11.0 to GPa, and more preferably 6.0 to GPa and less than 10.0 to GPa.
  • the maximum peak height Sp of the three-dimensional surface roughness is preferably 0.5 ⁇ m or less, and more preferably 0.4 ⁇ m or less.
  • FIG. 1 is a photograph of the surface of the amorphous carbon film of the present invention observed with a laser microscope.
  • the maximum peak (1) within a predetermined area can be reliably observed, and the three-dimensional surface roughness is measured.
  • the accuracy is far improved compared to the surface roughness by line analysis such as the ten-point average roughness.
  • the amorphous carbon film preferably contains hydrogen in order to have a Martens hardness HMT115 within the range of the present invention.
  • hydrogen is taken into the amorphous carbon film, the bond of carbon is broken, the bond is terminated, the residual stress is relaxed, and the hardness and elastic modulus can be lowered.
  • the amorphous carbon film is composed of only carbon and hydrogen except for inevitable impurities.
  • the hydrogen content is preferably 15 to 40 atomic%, more preferably 20 to 35 atomic%. preferable.
  • the amorphous carbon film preferably has a film thickness of 4.0 to 10.0 ⁇ m.
  • the amorphous carbon film is preferably formed through a metal intermediate layer between the piston ring base material and the adhesive ring in order to improve adhesion.
  • the metal intermediate layer is composed of one or more elements selected from the group consisting of Si, Ti, Cr, Mn, Zr, Nb, and W, which are low in carbide formation free energy and easily react with carbon to form carbide. It is preferable to use a metal layer. A Cr metal layer is particularly preferred.
  • a cylinder liner made of an aluminum alloy is used as a sliding partner material.
  • the cylinder liner made of aluminum alloy is preferably made of a hypereutectic Al-Si alloy in which primary crystal Si is finely dispersed, and when manufactured by casting including die casting, the Si content is 18 to 22%.
  • the Si content is preferably 20 to 30%.
  • an Al alloy by a hot extrusion method is manufactured into a pipe material, subjected to predetermined processing, and encapsulated in a cylinder block manufactured from another Al alloy having good castability.
  • the amorphous carbon film formed on the piston ring of the present invention is a so-called plasma CVD method in which a negative bias voltage is applied to a base material from a power source to cause plasma discharge, and hydrocarbon gas is decomposed and deposited on the base material. Can be formed.
  • a sputtering target is also provided in addition to a PIG plasma CVD apparatus.
  • a hard carbon layer by PVD method by sputtering a graphite target together with a hydrocarbon gas.
  • Example 1 Piston ring base material with a defaced rectangular cross-section and barrel face shape on the outer peripheral surface (equivalent to chrome-plated SUS420J2, nominal diameter (d) 90 mm, axial width (h1) 1.2 mm, radial thickness (a1) 3.2 mm) were set on a film-forming jig and placed on a rotary table in a vacuum chamber of a CVD apparatus equipped with a PIG plasma gun and Cr and WC targets.
  • a SKH51 material that had been quenched and mirror-polished with an outer diameter of 25 mm and a thickness of 5 mm was set and installed on a jig that moved in the same manner as the outer peripheral surface of the piston ring.
  • amorphous carbon film was formed by a plasma CVD method for a predetermined time.
  • a negative bias voltage was applied to the film forming jig.
  • the film lapping process was performed to the outer peripheral surface, and surface roughness was adjusted.
  • Example 1 amorphous carbon film-coated piston ring of Example 1 and the sample for composition analysis were subjected to the following various measurements.
  • Martens hardness HMT115 conforms to ISO 14577-1 (instrumentation indentation hardness test) and uses a very small hardness tester (Shimadzu Corporation, DUH-211), Berkovich Indenter, test mode: load-unloading test, test force: 19.6 mN, load unloading speed: 0.4877 mN / sec, load ⁇ unloading holding time: 5 seconds, with Cf-Ap correction. Measurement was performed on the polished portion by subjecting the vicinity of the coating surface to spherical polishing using a 30 mm diameter steel ball coated with a diamond paste having an average particle size of 0.25 ⁇ m. The Martens hardness HMT115 is calculated from a load-indentation depth curve. As a measurement result, 10 points were measured and an average value was adopted. The Martens hardness HMT115 of Example 1 was 8.1 GPa.
  • the reciprocating sliding test was conducted by using a SRVIII type tester manufactured by Optimol, and a test in which the piston ring reciprocally slides in an axial direction on an aluminum alloy disk corresponding to a cylinder liner.
  • the aluminum alloy disc used was prepared by polishing an alloy disc of Al-80 mass% and Si-20 mass% to a surface roughness (Rzjis-82) of 0.45 to 0.65 ⁇ m by polishing.
  • the ring used was a piston ring piece cut to a length of about 15 mm.
  • the test conditions were a vertical load of 300 N, a reciprocating width of 2 mm, a reciprocating frequency of 60 Hz, a disc temperature of 100 ° C., and under lubrication (commercial engine oil (0W-20SM) dropped 1 cm 3 ), with a test time of 90 minutes did.
  • ⁇ , scratches and / or scuffs indicate that there is no scratch and no scuff (rapid increase in friction coefficient) is confirmed from the observation of the optical trace of the sliding trace after the test and the confirmation of the chart recording the friction coefficient. What was confirmed was evaluated as x.
  • Example 1 the case where the amorphous carbon film was worn away and the base material of the piston ring was exposed 1 mm or more in the sliding direction was defined as abrasion.
  • the result of the reciprocating sliding test of Example 1 was good without any scratches or scuffing.
  • Comparative Example 1 The piston ring after film formation of Example 1 was subjected to measurement of the maximum peak height Sp of the three-dimensional surface roughness and a reciprocating sliding test as Comparative Example 1 in which the film wrap processing time on the outer peripheral surface was shortened. .
  • the maximum peak height Sp was 0.79 ⁇ m
  • HMT115 ⁇ Sp 6.40 kPa ⁇ m
  • the results of the reciprocating sliding test confirmed that the mating material was scratched and scuffed.
  • Examples 2 to 5 and Comparative Examples 2 to 4 By changing the ratio of H 2 gas to C 2 H 2 gas in plasma CVD or the amount of C 2 H 2 gas introduced to change the hydrogen content in the amorphous carbon film, the film roughness and processing in the film lapping process Except that the surface roughness was changed by changing the time, it was the same as Example 1 (however, Example 2 and Comparative Example 2, Example 3 and Comparative Example 3, Example 4 and Example 5 were amorphous) Since the carbon film is formed together and the film roughness and processing time of the film wrap process are only changed, the hydrogen content is the same.), The intermediate layer such as Cr in the piston ring and the sample for composition analysis And an amorphous carbon film was formed.
  • Table 1 shows the measurement results of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 2 to 4 together with the results of Example 1 and Comparative Example 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

　自動車の低燃費化のため、アルミ合金製のシリンダ又はシリンダライナに対し、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた非晶質炭素皮膜を形成したピストンリングを提供するため、マルテンス硬さHMT115 が5.0 GPa 以上であり、前記マルテンス硬さHMT115 と表面の三次元表面粗さの最大山高さSp との積が5.0 kPa・m 以下となる非晶質炭素皮膜をピストンリングの摺動面に形成する。

Description

ピストンリング
　本発明は、非晶質炭素皮膜を形成したピストンリング（以下「リング」ともいう。）に関し、特に耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れたピストンリングに関する。
　自動車エンジンでは、ピストンリングとシリンダ又はシリンダライナの摺動によって生じる摩擦損失の占める割合はエンジン全体損失の2～3割程度と言われており、それ故この摩擦損失の低減は重要で、燃費を向上し、CO2排出削減への貢献は大きいと考えられている。ピストンリング摩擦損失に関係する因子としては、リング張力、リング形状、摩擦係数などがあるが、特にリング形状の維持は、摩擦損失の低減に寄与するだけでなく、シール性を維持し、燃焼エネルギーをロス無くクランクシャフトに伝達して高い機械効率を維持することにも貢献する。その点、優れた耐摩耗性により摩擦損失の少ないリング形状を維持することを可能にし、且つ摩擦係数の小さい非晶質炭素皮膜をピストンリングに形成することが注目される。
　一方、リングの摺動相手であるシリンダライナも、燃費の向上や、車両運動性能の向上を目的として、鋳鉄からアルミ合金へ軽量化の材料置換が進められている。アルミ合金としては、耐摩耗性に優れたアルミ合金、例えば、比較的硬い初晶Siの晶出した過共晶Al-Si合金が使用されるようになってきた。
　特開2007-232026は、鋳鉄シリンダライナを摺動相手材として、初期なじみ性に優れ、摩擦損失低減効果の大きな摺動部材を提供することを目的に、真空アーク放電法により成膜された非晶質炭素皮膜の表面に形成されるマクロパーティクルと呼ばれる微少突起に注目し、このマクロパーティクルの後処理による調整が、表面粗さパラメータである十点平均粗さ（Rz）と初期摩耗粗さ（Rpk）により管理できること、を教示している。具体的には、Rzが0.7μm以下であり、且つRpkが0.07～0.14μmであることを要件としている。
　しかし、鋳鉄シリンダライナに代えてアルミ合金製シリンダライナを使用した場合、十点平均粗さと初期摩耗粗さを上記の所定の範囲に管理しても、非晶質炭素皮膜は、摺動によりスカッフを起こして傷が入ったり、ひどい場合には摩滅してしまうようなことが生じたりする可能性があった。
　本発明は、自動車の低燃費化のため、アルミ合金製のシリンダ又はシリンダライナに対し、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた非晶質炭素皮膜を形成したピストンリングを提供することを課題とする。
　本発明者は、アルミ合金を相手材とした非晶質炭素皮膜の摩擦摩耗特性と非晶質炭素皮膜の表面粗さパラメータとの関係について、鋭意研究した結果、耐スカッフ性が、平均的な表面粗さよりも最大山高さを持つ突起に強く依存するという知見、また二次元の表面粗さパラメータよりもむしろ三次元の最大山高さに強く依存するという知見を得て、本発明の非晶質炭素皮膜被覆ピストンリングに想到した。
　すなわち、本発明のピストンリングは、摺動面に非晶質炭素皮膜を形成したピストンリングであって、前記非晶質炭素皮膜の表面におけるマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上であり、前記マルテンス硬さHMT115と前記非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpとの積が5.0 kPa・m以下であることを特徴とする。前記マルテンス硬さHMT115は11.0 GPa未満であることが好ましく、前記最大山高さSpは0.5μm以下であることが好ましい。
　また、前記非晶質炭素皮膜は、15.0～40.0原子％の水素を含有していることが好ましく、膜厚が4.0～10.0μmであることが好ましい。
　また、本発明のピストンリングは、アルミニウム合金製シリンダライナを摺動相手材として使用されることが好ましい。
　本発明のピストンリングは、ピストンリングに形成した非晶質炭素皮膜のマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上で、少なくとも過共晶Al-Si合金のSi粒子と同レベル以上であり、共晶Al-Si合金製シリンダから脱落したSi粒子がアブレイジブとして摺動面に存在しても、非晶質炭素皮膜の摩耗を抑制することができる。また、前記マルテンス硬さHMT115と前記非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpとの積を5.0 kPa・m以下としているので、非晶質炭素皮膜のHMT115が比較的大きい場合には、Spを小さくすることにより最大山高さを持つ突起によるスカッフを回避することができる。特に、最大山高さについて三次元表面粗さを採用したことは、評価の信頼性を著しく高め、確実なスカッフの回避に繋がり、結果的に、アルミ合金製シリンダライナに対し、優れた耐摩耗性及び耐スカッフ性を示し、自動車の低燃費化に貢献することができる。
本発明の非晶質炭素皮膜表面をレーザー顕微鏡で観察した写真で、三次元表面粗さの最大山高さSpが測定される。
　本発明のピストンリングの摺動面に形成する非晶質炭素皮膜において、マルテンス硬さHMT115はナノインデンテーション法によって測定される。ナノインデンテーション法は、Berkovich圧子で荷重を測定面に連続して負荷・除荷し、所定の荷重下での表面からの押し込み深さを計測して硬さを求める方法である。このマルテンス硬さHMT115が低すぎると、過共晶Al-Si合金の初晶Siによって非晶質炭素皮膜が摩耗してしまうので、少なくとも5.0 GPa以上とする。さらに、マルテンス硬さHMT115が高すぎると、靱性が低くなって破壊しやすく、破壊によってスカッフを起こすおそれがあり、また非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpが高すぎても高い局部応力が発生してスカッフを起こしやすくなるため、マルテンス硬さと最大山高さの積、すなわち、HMT115×Spが5.0 kPa・m以下となるように調整する必要がある。マルテンス硬さHMT115は5.0 GPa以上11.0 GPa未満であることが好ましく、6.0 GPa以上10.0 GPa未満であることがより好ましい。また三次元表面粗さの最大山高さSpは0.5μm以下であることが好ましく、0.4μm以下であることがより好ましい。
　図１は、本発明の非晶質炭素皮膜表面をレーザー顕微鏡で観察した写真であるが、所定の面積内の最大山（1）は確実に観測することができ、三次元表面粗さの測定により、十点平均粗さのような線分析による表面粗さに比べ、遥かに精度が向上していることが理解できる。
　前記非晶質炭素皮膜は、本発明の範囲のマルテンス硬度HMT115を有するためには、水素を含有していることが好ましい。非晶質炭素皮膜に水素が取り込まれると、炭素の結合手の切断を引き起こし、結合を終端させて残留応力の緩和が起こり、硬さと弾性率を下げることが可能となる。前記非晶質炭素皮膜は、不可避的不純物を除き、炭素と水素のみによって構成され、その場合、水素含有量は15～40原子％であることが好ましく、20～35原子％であることがより好ましい。
　また、前記非晶質炭素皮膜は、4.0～10.0μmの膜厚を有することが好ましい。
　また、前記非晶質炭素皮膜は、密着性向上のため、ピストンリング母材との間に金属中間層を介して形成されることが好ましい。金属中間層は、炭化物生成自由エネルギーが低く、炭素と反応して炭化物を生成しやすい金属のSi、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素からなる金属層とすることが好ましい。Crの金属層が特に好ましい。
　また、本発明のピストンリングは、アルミニウム合金製のシリンダライナを摺動相手材として使用されることが好ましい。アルミニウム合金製のシリンダライナは、初晶Siが微細に分散した過共晶Al-Si合金製であることが好ましく、ダイキャストを含む鋳造により製造する場合はSi含有量が18～22％であるのが好ましく、急冷凝固粉末を焼結固化後、熱間押出法により製造されたものではSi含有量は20～30％が好ましい。一般に、熱間押出法によるAl合金は、パイプ材に製造され、所定の加工を施して、別の鋳造性の良いAl合金で製造されたシリンダブロックに鋳包まれる。
　本発明のピストンリングに形成される非晶質炭素皮膜は、電源から母材に負のバイアス電圧を印加してプラズマ放電させ、炭化水素系ガスを分解、母材に析出させる所謂プラズマCVD法により形成することができる。好ましい膜厚（4.0～10.0μm）や、金属中間層の形成を考慮すると、PIGプラズマCVD装置にスパッタターゲットも併設された装置を使用することが好ましい。もちろん、炭化水素系ガスとともにグラファイトターゲットをスパッタリングして、PVD法により、硬質炭素層を形成することも可能である。
実施例１
　脱脂洗浄した矩形断面で外周面をバレルフェイス形状としたピストンリング母材（クロムめっき処理したSUS420J2 相当、呼称径（d）90 mm、軸方向幅（h1）1.2 mm、径方向厚さ（a1）3.2 mm）を成膜治具に10本重ねてセットし、PIGプラズマガンとCr及びWCターゲットを備えたCVD装置の真空チャンバー内の回転テーブルに設置した。また、組成分析用試料として、外径25 mm、厚さ5 mmの焼入処理し、鏡面研磨したSKH51材を、ピストンリングの外周面と同様の動きをする治具にセットして設置した。装置内を所定の真空度まで排気した後、Arガスを導入し、PIGプラズマによるボンバードメントにより、母材表面のクリーニング処理を行った後、Crのスパッタリングにより、所定の時間、ピストンリング外周面にCr層を形成した。続いて、WCのスパッタリングを同時に処理し、WC/Crの傾斜層を形成した。そして、Crのスパッタリングを停止させ、WCのスパッタリングを実施しながら、Arガスに加えてC2H2ガスを導入して、WC/W-a-C:Hの傾斜層を形成した。最後にWCのスパッタリングを停止し、所定の時間、プラズマCVD法による非晶質炭素皮膜を形成した。ここで、成膜治具には、負のバイアス電圧を印加した。成膜後のピストンリングについて、その外周面にフィルムラップ処理を施し、表面粗さを調整した。
　次に、実施例１の非晶質炭素皮膜被覆ピストンリング及び組成分析用試料を次の各種測定に供した。
[1] 膜厚測定
　膜厚測定は、球面研磨法による所謂CALOTESTにより、積層被膜の母材面から各層の厚さを測定した。実施例１のピストンリングの中間層の厚さは0.8μm、非晶質炭素皮膜の厚さは5.6μmであった。
[2] マルテンス硬さHMT115の測定
　マルテンス硬さHMT115は、ISO 14577-1（計装化押込み硬さ試験）に準拠し、超微小硬度計（島津製作所、DUH-211）を用いて、Berkovich圧子、試験モード：負荷-除荷試験、試験力：19.6 mN、負荷除荷速度：0.4877 mN/sec、負荷→除荷保持時間：5秒、Cf-Ap補正あり、の条件で行った。測定個所は、被膜表面近傍を平均粒径0.25μmのダイヤモンドペーストを塗布した直径30 mmの鋼球を用いて球面研磨し、研磨部分について行った。マルテンス硬さHMT115は、荷重-押込み深さ曲線から計算される。測定結果としては、10点測定し、平均値を採用した。実施例１のマルテンス硬さHMT115は8.1 GPaであった。
[3] 三次元表面粗さの最大山高さSpの測定
　三次元表面粗さの最大山高さSpは、レーザー顕微鏡（オリンパス株式会社製OLS4000）により、カットオフ値λ=0.08 mm、測定範囲64μm×64μmとして測定した。測定結果としては、5点測定し、平均値を採用した。実施例１の最大山高さSpは0.31μmであった。上記マルテンス硬さHMT115と最大山高さSpとの積は2.53 kPa・mであった。
[4] 非晶質炭素皮膜の水素含有量分析
　非晶質炭素皮膜中の水素含有量は、組成分析用試料を用いて、ラザフォード後方散乱分光法（RBS）／水素前方散乱分光法（HFS）により求めた。実施例１の水素含有量は31原子％であった。
[5] 往復摺動試験
　往復摺動試験は、Optimol社製のSRVIII型試験機を用い、シリンダライナに相当するアルミ合金製円板上をピストンリングが軸方向に往復摺動する試験により行った。ここで、アルミ合金製円板は、Al-80質量％、Si-20質量％の合金円板を研磨加工により表面粗さ（Rzjis-82）0.45～0.65μmに調製したものを使用し、ピストンリングは、長さ約15 mmに切断したピストンリング片を使用した。試験条件は、垂直荷重300 N、往復幅2 mm、往復周波数60 Hz、円板温度100℃、潤滑下（市販エンジン油（0W-20SM）を1 cm3滴下）にて、試験時間90分とした。試験結果としては、試験後の摺動痕の光学顕微鏡観察と摩擦係数を記録したチャートの確認から、傷がなく、スカッフ（摩擦係数の急上昇）も確認されないものを○、傷及び／又はスカッフが確認されたものを×として評価した。加えて、非晶質炭素皮膜が摩滅して、ピストンリングの母材が摺動方向に1 mm以上露出した場合を摩滅とした。実施例１の往復摺動試験の結果は、傷もスカッフも確認されずに良好であった。
比較例１
　実施例１の成膜後のピストンリングについて、その外周面のフィルムラップ処理時間を短くしたものを比較例１として、三次元表面粗さの最大山高さSpの測定と往復摺動試験を行った。最大山高さSpは0.79μm、HMT115×Sp＝6.40 kPa・m、往復摺動試験の結果は、相手材に傷が確認され、またスカッフも確認された。
実施例２～５及び比較例２～４
　プラズマCVDにおけるH2ガスとC2H2ガスの比率又はC2H2ガスの導入量を変えて非晶質炭素皮膜中の水素含有量を変更し、フィルムラップ処理におけるフィルムの粗さ、処理時間を変えて表面粗さを変更した以外は、実施例１と同様にして（但し、実施例２と比較例２、実施例３と比較例３、実施例４と実施例５は非晶質炭素皮膜の形成を一緒に行い、フィルムラップ処理のフィルム粗さおよび処理時間を変えただけであるので、水素含有量は同じである。）、ピストンリング及び組成分析用試料にCr等の中間層と非晶質炭素皮膜を形成した。
　実施例２～５及び比較例２～４の測定結果について、実施例１及び比較例１の結果も併せて、表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかなように、非晶質炭素皮膜のマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上で、且つHMT115と三次元表面粗さの最大山高さSpとの積が5.0 kPa・m以下であれば、往復摺動試験において、傷の発生もスカッフの発生も確認されなかった。なお、マルテンス硬さHMT115が5.0 GPa未満の比較例４では非晶質炭素皮膜が摩滅していた。 
 
 
 

Claims (6)

  1. 摺動面に非晶質炭素皮膜を形成したピストンリングであって、前記非晶質炭素皮膜の表面におけるマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上であり、前記マルテンス硬さHMT115と前記非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpとの積が5.0 kPa・m以下であることを特徴とするピストンリング。
  2. 請求項１に記載のピストンリングにおいて、前記マルテンス硬さHMT115が11.0 GPa未満であることを特徴とするピストンリング。
  3. 請求項１又は２に記載のピストンリングにおいて、前記最大山高さSpが0.5μm以下であることを特徴とするピストンリング。
  4. 請求項１～３に記載のピストンリングにおいて、前記非晶質炭素皮膜が15.0～40.0原子％の水素を含有していることを特徴とするピストンリング。
  5. 請求項１～４のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記非晶質炭素皮膜の膜厚が4.0～10.0 μmであることを特徴とするピストンリング。
  6. 請求項１～５のいずれかに記載のピストンリングにおいて、アルミニウム合金製のシリンダ又はシリンダライナを摺動相手材として使用されることを特徴とするピストンリング。
PCT/JP2015/050472 2014-01-29 2015-01-09 ピストンリング WO2015115153A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014-014161 2014-01-29
JP2014014161A JP6339812B2 (ja) 2014-01-29 2014-01-29 ピストンリング

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015115153A1 true WO2015115153A1 (ja) 2015-08-06

Family

ID=53756730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2015/050472 WO2015115153A1 (ja) 2014-01-29 2015-01-09 ピストンリング

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6339812B2 (ja)
WO (1) WO2015115153A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6533818B2 (ja) * 2017-10-20 2019-06-19 株式会社リケン 摺動部材およびピストンリング

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006283970A (ja) * 2005-03-09 2006-10-19 Toyota Central Res & Dev Lab Inc ピストンリングおよびそれを備えたピストン
JP2008164097A (ja) * 2006-12-28 2008-07-17 Komatsu Ltd 摺動構造
WO2013137060A1 (ja) * 2012-03-14 2013-09-19 株式会社リケン シリンダとピストンリングとの組合せ

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008241032A (ja) * 2007-02-28 2008-10-09 Nippon Piston Ring Co Ltd ピストンリング及びその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006283970A (ja) * 2005-03-09 2006-10-19 Toyota Central Res & Dev Lab Inc ピストンリングおよびそれを備えたピストン
JP2008164097A (ja) * 2006-12-28 2008-07-17 Komatsu Ltd 摺動構造
WO2013137060A1 (ja) * 2012-03-14 2013-09-19 株式会社リケン シリンダとピストンリングとの組合せ

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015140862A (ja) 2015-08-03
JP6339812B2 (ja) 2018-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5564099B2 (ja) シリンダとピストンリングの組合せ
US8202615B2 (en) Nitrogen-containing amorphous carbon-type film, amorphous carbon-type lamination film, and sliding member
JP6109325B2 (ja) アルミニウム合金製の相手材とピストンリングとの組み合わせ
US11293548B2 (en) Sliding member and coating film
JP2013528697A (ja) コーティングを有するスライド要素、特に、ピストンリング、およびスライド要素を製造するプロセス
JP2008241032A (ja) ピストンリング及びその製造方法
JP2007232026A (ja) 摺動部材
WO2015041215A1 (ja) シリンダボアとピストンリングの組合せ
JP2008286354A (ja) 摺動部材
EP3330579A1 (en) Piston ring and manufacturing method thereof
JP6718452B2 (ja) ピストンリング及びその製造方法
JP7298083B2 (ja) ピストンリング及びその製造方法
WO2016002810A1 (ja) ピストンリング
WO2015114822A1 (ja) 圧力リングおよび圧力リング用母材
KR102426073B1 (ko) 실린더와 피스톤 링의 결합구조
JP6339812B2 (ja) ピストンリング
JP4462077B2 (ja) 組合せ摺動部材
JP2006057674A (ja) 摺動部材及びピストンリング
WO2022203052A1 (ja) 摺動部材、その製造方法及び被覆膜
JP2020531766A (ja) 低摩擦コーティング膜が形成されるピストンリング及びその製造方法
JP2019116677A (ja) 摺動部材
JP4374154B2 (ja) ピストンリング
JP2006207691A (ja) 硬質皮膜被覆摺動部材
JP4374160B2 (ja) ピストンリング
KR102616390B1 (ko) 슬라이딩 부재

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15743956

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15743956

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1