JP6499949B2 - piston ring - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関用のピストンリングに関するものである。 The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine.
内燃機関用のピストンリングは、その摺動面に高い摺動性能が要求される。このためピストンリング基材の外周面には、硬質被膜が設けられる。このような硬質被膜を備えたピストンリングとしては、CrN系の硬質被膜を備えたピストンリングが知られている。たとえば、特許文献1では、耐摩耗性に優れ、かつ、特に耐クラック性および耐剥離性を備えた高靭性のCrN系の硬質被膜を備えたピストンリングが提案されている。 Piston rings for internal combustion engines are required to have high sliding performance on their sliding surfaces. Therefore, a hard coating is provided on the outer peripheral surface of the piston ring base material. As a piston ring having such a hard coating, a piston ring having a CrN-based hard coating is known. For example, Patent Document 1 proposes a piston ring that is provided with a high-toughness CrN-based hard coating that is excellent in wear resistance and particularly has crack resistance and peel resistance.
一方、近年、自動車用内燃機関の燃料としては、硫黄分やエタノール等のアルコール分を多く含む燃料が使われる場合もある。しかし、このような燃料を用いた場合、従来のCrN系の硬質被膜を備えたピストンリングであっても、耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性が不十分となることがあった。 On the other hand, in recent years, fuels that contain a large amount of alcohol such as sulfur and ethanol are sometimes used as fuels for automobile internal combustion engines. However, when such a fuel is used, even with a conventional piston ring having a CrN-based hard coating, the wear resistance, crack resistance, and peel resistance may be insufficient.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、硫黄分、アルコール分、あるいは、これら双方の成分を多く含む燃料を用いた内燃機関においても、耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性に優れたピストンリングを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and wear resistance, crack resistance, and peel resistance are also achieved in an internal combustion engine using a fuel containing a large amount of sulfur, alcohol, or both of these components. It is an object to provide an excellent piston ring.
上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、
本発明のピストンリングは、ピストンリング基材と、ピストンリング基材の少なくとも外周面を被覆するように設けられた硬質被膜と、を含み、硬質被膜のマイクロビッカース硬さ(H)と、硬質被膜のポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)との比率(H/EIT’)は、0.050 以上であり、硬質被膜は、金属元素としてCr、AlおよびTiを少なくとも含み、非金属元素としてNを少なくとも含むNaCl型の結晶構造を有し、硬質被膜中に含まれる各々の構成元素の含有量割合が下式(1)〜(5)を満たすことを特徴とする。
・式(1) 15≦b≦65
・式(2) 0<c≦40
・式(3) 0<(e+f)≦40
・式(4) 0<e≦40
・式(5) 0<f≦20
〔但し、各式中、bは硬質被膜中に含まれる全金属元素の総量に対するAlの含有量割合(原子%)を表し、cは硬質被膜中に含まれる全金属元素の総量に対するTiの含有量割合(原子%)を表し、eは硬質被膜中に含まれる全非金属元素の総量に対するOの含有量割合(原子%)を表し、fは硬質被膜中に含まれる全非金属元素の総量に対するCの含有量割合(原子%)を表す。〕
The above-mentioned subject is achieved by the following present invention. That is,
The piston ring of the present invention includes a piston ring base material and a hard coating provided so as to cover at least the outer peripheral surface of the piston ring base material, and the micro Vickers hardness (H) of the hard coating and the hard coating The ratio (H / EIT ′) to the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio is 0.050 or more, and the hard coating contains at least Cr, Al and Ti as metal elements, and as a nonmetal element It has a NaCl-type crystal structure containing at least N, and the content ratio of each constituent element contained in the hard coating satisfies the following formulas (1) to (5).
Formula (1) 15 ≦ b ≦ 65
Formula (2) 0 <c ≦ 40
Formula (3) 0 <(e + f) ≦ 40
Formula (4) 0 <e ≦ 40
Formula (5) 0 <f ≦ 20
[However, in each formula, b represents the Al content ratio (atomic%) with respect to the total amount of all metal elements contained in the hard coating, and c represents the Ti content with respect to the total amount of all metal elements contained in the hard coating. Represents an amount ratio (atomic%), e represents an O content ratio (atomic%) with respect to the total amount of all nonmetallic elements contained in the hard coating, and f represents the total amount of all nonmetallic elements contained in the hard coating. The content ratio (atomic%) of C with respect to is represented . ]
本発明のピストンリングの他の実施形態は、ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)が245GPa以上であることが好ましい。 In another embodiment of the piston ring of the present invention, the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio is preferably 245 GPa or more.
本発明のピストンリングの他の実施形態は、ピストンリング基材の外周面に被覆された硬質被膜の円周方向における表面粗さRaが、0.30μm以下であることが好ましい。 In another embodiment of the piston ring of the present invention, the surface roughness Ra in the circumferential direction of the hard coating coated on the outer peripheral surface of the piston ring base material is preferably 0.30 μm or less.
本発明のピストンリングの他の実施形態は、硬質被膜がアークイオンプレーティング法で形成されていることが好ましい。 In another embodiment of the piston ring of the present invention, it is preferable that the hard coating is formed by an arc ion plating method.
本発明によれば、硫黄分、アルコール分、あるいは、これら双方の成分を多く含む燃料を用いた内燃機関においても、耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性に優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, a piston ring excellent in wear resistance, crack resistance and peeling resistance is provided even in an internal combustion engine using a fuel containing a large amount of sulfur, alcohol, or both of these components. Can do.
本実施形態のピストンリングは、ピストンリング基材と、ピストンリング基材の少なくとも外周面を被覆するように設けられた硬質被膜と、を含み、硬質被膜のマイクロビッカース硬さ(H)と、硬質被膜のポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)との比率(H/EIT’)は、0.050 以上であり、硬質被膜は、金属元素としてCr、AlおよびTiを少なくとも含み、非金属元素としてNを少なくとも含むNaCl型の結晶構造を有し、硬質被膜中に含まれる各々の構成元素の含有量割合が下式(1)〜(5)を満たすことを特徴とする。 The piston ring of the present embodiment includes a piston ring base material and a hard coating provided so as to cover at least the outer peripheral surface of the piston ring base material. The hard coating has a micro Vickers hardness (H) and a hard coating. The ratio (H / EIT ′) to the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio of the coating is 0.050 or more, and the hard coating contains at least Cr, Al and Ti as metal elements, and is a nonmetallic element And having a NaCl-type crystal structure containing at least N, and the content ratio of each constituent element contained in the hard coating satisfies the following formulas (1) to (5).
・式(1) 15≦b≦65
・式(2) 0<c≦40
・式(3) 0≦(e+f)≦40
・式(4) 0≦e≦40
・式(5) 0≦f≦20
Formula (1) 15 ≦ b ≦ 65
Formula (2) 0 <c ≦ 40
Formula (3) 0 ≦ (e + f) ≦ 40
Formula (4) 0 ≦ e ≦ 40
Formula (5) 0 ≦ f ≦ 20
但し、各式中、bは硬質被膜中に含まれる全金属元素の総量に対するAlの含有量割合(原子%)を表し、cは硬質被膜中に含まれる全金属元素の総量に対するTiの含有量割合(原子%)を表し、eは硬質被膜中に含まれる全非金属元素の総量に対するOの含有量割合(原子%)を表し、fは硬質被膜中に含まれる全非金属元素の総量に対するCの含有量割合(原子%)を表す。 In each formula, b represents the Al content ratio (atomic%) with respect to the total amount of all metal elements contained in the hard coating, and c represents the Ti content with respect to the total amount of all metal elements contained in the hard coating. Represents the ratio (atomic%), e represents the content ratio (atomic%) of O to the total amount of all nonmetallic elements contained in the hard coating, and f represents the total amount of all nonmetallic elements contained in the hard coating. The content ratio (atomic%) of C is represented.
本実施形態のピストンリングにおいて、硬質被膜のポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)は、特に制限されるものではないが、245GPa以上であることが好ましい。ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)を245GPa以上とすることにより、ピストンリング用の硬質被膜として必要とされる剛性を確保することがより容易になる。ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)の上限値については特に制限されるものではないが、実用上、370GPa以下が好ましい。なお、ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)は、EIT/(1−(νs)2)で表される値であり、ここで、EITは硬質被膜の押し込み弾性率、νsは硬質被膜のポアソン比である。 In the piston ring of this embodiment, the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio of the hard coating is not particularly limited, but is preferably 245 GPa or more. By setting the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio to 245 GPa or more, it becomes easier to ensure the rigidity required as a hard coating for the piston ring. The upper limit of the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio is not particularly limited, but is preferably 370 GPa or less for practical use. The indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio is a value represented by EIT / (1- (νs) 2 ), where EIT is the indentation elastic modulus of the hard coating and νs is the hard coating. Poisson's ratio.
また、硬質被膜のマイクロビッカース硬さ(H)〔GPa〕と、ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)〔GPa〕との比率(マイクロビッカース硬さ(H)/ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)は、0.050以上であり、0.055以上が好ましく、0.060以上がより好ましい。H/EIT’を0.050以上とすることにより、従来のピストンリングで使用されている一般的なCrN硬質被膜と比べても同等程度あるいはそれ以上の優れた耐摩耗性を得ることができる。なお、H/EIT’の上限値は特に限定されるものではないが、実用上は0.1以下が好ましい。 Further, the ratio of the micro Vickers hardness (H) [GPa] of the hard coating to the indentation elastic modulus (EIT ′) [GPa] including the Poisson ratio (indentation elastic modulus including the micro Vickers hardness (H) / Poisson ratio) (EIT ′) is 0.050 or more, preferably 0.055 or more, and more preferably 0.060 or more.By setting H / EIT ′ to 0.050 or more, it is used in a conventional piston ring. As compared with the general CrN hard coating, it is possible to obtain an excellent wear resistance equivalent to or higher than that of the general CrN hard coating, although the upper limit value of H / EIT ′ is not particularly limited. 0.1 or less is preferable.
また、硬質被膜は、金属元素としてCr、AlおよびTiを含み、非金属元素としてNを含むNaCl型の結晶構造を有している。なお、Cr、Al、Ti、Nは、硬質被膜を構成する必須元素である。ここで、硬質被膜には、必要に応じてCr、Al、Ti以外のその他の金属元素がさらに含まれていてもよい。 Further, the hard coating has a NaCl-type crystal structure containing Cr, Al, and Ti as metal elements and N as a nonmetal element. Note that Cr, Al, Ti, and N are essential elements constituting the hard coating. Here, the hard coating may further contain other metal elements other than Cr, Al, and Ti as necessary.
非金属元素としては、Nに加えて、その他の非金属元素がさらに1種類以上含まれていてもよい。このようなその他の非金属元素としては、OあるいはCが好適である。 As a nonmetallic element, in addition to N, one or more other nonmetallic elements may be further contained. As such other nonmetallic elements, O or C is preferable.
すなわち、本実施形態の硬質被膜の組成は、大きく分けると、非金属元素に関して、eおよびfが0原子%のN系と、eが0原子%を超え40原子%以下であり、且つ、fが0原子%であるNO系と、eが0原子%であり、且つ、fが0原子%を超え20原子%以下であるNC系と、eが0原子%を超え40原子%以下であり、且つ、fが0原子%を超え20原子%以下であるNOC系とが有る。また、上記に列挙した各種金属元素(Cr、Al、Ti)と、非金属元素(N、C、O)との好適な組み合わせからなる硬質被膜としては、CrAlTiN系被膜、CrAlTiNO系被膜、CrAlTiNC系被膜、CrAlTiNOC系被膜が挙げられる。 That is, the composition of the hard coating of the present embodiment can be broadly divided into non-metallic elements in which N and e are 0 atom%, e is more than 0 atom% and not more than 40 atom%, and f NO system with 0 atomic%, e system with 0 atomic%, NC system with f exceeding 0 atomic% and 20 atomic% or less, and e exceeding 0 atomic% and 40 atomic% or less In addition, there is a NOC system in which f is more than 0 atomic% and 20 atomic% or less. In addition, as a hard coating composed of a suitable combination of various metal elements (Cr, Al, Ti) listed above and non-metallic elements (N, C, O), a CrAlTiN-based coating, a CrAlTiNO-based coating, a CrAlTiNC-based coating Examples of the coating include a CrAlTiNOC-based coating.
なお、Crは不動態を形成することができるためCrを含む硬質被膜は基本的に耐腐食性に優れると考えられる。しかし、本発明者らが検討したところ、単純なCrN組成からなる硬質被膜を備えたピストンリングを、硫黄分やアルコール分を多く含む燃料、すなわち低硫黄、ノンアルコールタイプの一般的な燃料と比べて腐食性の高い燃料を用いた内燃機関において使用しても、耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性が十分に確保できなかった。しかしながら、本実施形態のピストンリングに用いるCr、AlおよびTiを必須元素として含む窒化物系硬質被膜であれば、硫黄分やアルコール分を多く含む燃料を用いた内燃機関においても十分な耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性を確保することが容易となる。この理由の詳細は不明であるが、本発明者らは以下のように推察している。すなわち、AlがCrの固溶強化に適していることに加えて、AlおよびTiも不動態を形成することができると共にCrとは性質の異なる耐腐食特性を有している。このため、CrおよびAlを必須金属元素として含む窒化物系硬質被膜(たとえば、金属成分組成がCrAl系、CrAlZr系、CrAlV系の窒化物系硬質被膜)と共に、本願明細書においてその詳細が説明される本実施形態のピストンリングに用いるCr、AlおよびTiを必須金属元素として含む窒化物系硬質被膜においては、硫黄分やアルコール分を多く含む燃料を用いた内燃機関の使用環境下において、より優れた耐腐食性を発揮し、結果的に耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性を向上させるものと考えられる。 In addition, since Cr can form a passive state, a hard coating containing Cr is considered to be basically excellent in corrosion resistance. However, as a result of investigations by the present inventors, a piston ring having a hard coating composed of a simple CrN composition is compared with a fuel containing a large amount of sulfur and alcohol, that is, a low sulfur, non-alcohol type general fuel. Even when used in an internal combustion engine using highly corrosive fuel, the wear resistance, crack resistance and peel resistance could not be sufficiently ensured. However, if it is a nitride-based hard coating containing Cr, Al and Ti as essential elements used in the piston ring of this embodiment, sufficient wear resistance even in an internal combustion engine using a fuel containing a large amount of sulfur or alcohol It becomes easy to ensure crack resistance and peel resistance. Although details of this reason are unknown, the present inventors presume as follows. That is, in addition to the fact that Al is suitable for solid solution strengthening of Cr, Al and Ti can also form a passive state and have corrosion resistance characteristics different from those of Cr. For this reason, the nitride hard film containing Cr and Al as essential metal elements (for example, a nitride hard film having a metal component composition of CrAl, CrAlZr, or CrAlV) is described in detail in this specification. In the nitride-based hard coating containing Cr, Al, and Ti as essential metal elements used in the piston ring of this embodiment, it is more excellent in the use environment of an internal combustion engine using a fuel containing a large amount of sulfur or alcohol. It is considered that it exhibits high corrosion resistance, and as a result, improves wear resistance, crack resistance and peel resistance.
硬質被膜中の全金属元素の総量に対するCrの含有量割合aは、全金属元素の総量からCr以外の硬質被膜を構成する他の金属元素の含有量割合を差し引いた残量であればよいが、通常は、35〜85原子%の範囲内である。また、硬質被膜中の全金属元素の総量に対するAlの含有量割合bは、式(1)に示すように15〜65原子%の範囲内である。bが15原子%未満では、固溶強化の効果が現れにくく、十分な耐クラック性および耐剥離性が得られない。また、bが65原子%を超えると硬質被膜中に、六方晶系AlNが晶出してNaCl型結晶と混在するため、耐摩耗性が低下すると共に耐クラック性および耐剥離性も低下する。なお、bは20〜65原子%の範囲内が好ましく、30〜65原子%の範囲内がより好ましい。 The Cr content ratio a to the total amount of all metal elements in the hard coating may be a residual amount obtained by subtracting the content ratio of other metal elements constituting the hard coating other than Cr from the total amount of all metal elements. Usually, it is in the range of 35 to 85 atomic%. Further, the Al content ratio b with respect to the total amount of all metal elements in the hard coating is in the range of 15 to 65 atomic% as shown in the formula (1). When b is less than 15 atomic%, the effect of solid solution strengthening is hardly exhibited, and sufficient crack resistance and peel resistance cannot be obtained. On the other hand, if b exceeds 65 atomic%, hexagonal AlN crystallizes in the hard coating and coexists with NaCl-type crystals, so that wear resistance is reduced and crack resistance and peel resistance are also reduced. In addition, b is preferably within the range of 20 to 65 atomic%, and more preferably within the range of 30 to 65 atomic%.
また、硬質被膜中の全金属元素の総量に対するTiの含有量割合cは、式(2)に示すように0を超え40原子%以下の範囲内である。金属元素としてCrおよびAlのみを含む場合(cが0原子%の場合)と比べて耐クラック性および耐剥離性を向上させることがより容易となる場合がある。また、cが40原子%以下であれば、優れた耐クラック性および耐剥離性を維持しつつ、耐摩耗性が著しく低下するのを抑制することもできる。なお、耐摩耗性と、耐クラック性および耐剥離性とをバランス良く改善する観点からは、cは、0を超え25原子%以下の範囲がより好ましく、5〜25原子%の範囲内がさらに好ましい。 Further, the Ti content ratio c with respect to the total amount of all metal elements in the hard coating is in the range of more than 0 and not more than 40 atomic% as shown in Formula (2). In some cases, it is easier to improve crack resistance and peel resistance as compared with the case where only Cr and Al are contained as metal elements (when c is 0 atomic%). Moreover, if c is 40 atomic% or less, it can also suppress that wear resistance falls remarkably, maintaining the outstanding crack resistance and peeling resistance. From the viewpoint of improving the wear resistance, crack resistance and peel resistance in a well-balanced manner, c is more preferably in the range of more than 0 and not more than 25 atomic%, and more preferably in the range of 5 to 25 atomic%. preferable.
また、硬質被膜には、金属元素として、Cr、Al、Ti以外のその他の金属元素が、耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性に顕著な悪影響を与えない範囲で必要に応じて含まれていてもよい。この場合、全金属元素の総量に対するその他の金属元素の含有量割合は、5原子%以下が好ましく、3原子%以下がより好ましい。しかしながら、通常、その他の金属元素は、硬質被膜中に、不純物として微量含まれる場合を除いて実質的には含まれないことが最も好ましい。 In addition, the hard coating contains other metal elements other than Cr, Al, and Ti as necessary as long as they do not significantly affect the wear resistance, crack resistance, and peel resistance. It may be. In this case, the content ratio of other metal elements to the total amount of all metal elements is preferably 5 atomic% or less, and more preferably 3 atomic% or less. However, it is usually most preferable that other metal elements are not substantially contained except in the case where a trace amount is contained as an impurity in the hard coating.
また、硬質被膜中には、非金属元素として少なくともNが含まれるが、必要に応じてさらにO、Cが含まれる場合もある。Nの一部を置換する形で、Oおよび/またはCを硬質被膜に適量配合することで、侵入型固溶体の形成により固溶強化できると共に、硬質被膜の結晶が微細化され、結晶粒内を強化し易くなる。この場合、耐クラック性および耐剥離性を向上させることが容易となる。 In addition, the hard coating contains at least N as a nonmetallic element, but may further contain O and C as necessary. By adding an appropriate amount of O and / or C to the hard coating in a form that replaces part of N, solid solution strengthening can be achieved by forming an interstitial solid solution, and the crystal of the hard coating is refined, and the inside of the crystal grains It becomes easy to strengthen. In this case, it becomes easy to improve crack resistance and peel resistance.
硬質被膜中の全非金属元素の総量に対するNの含有量割合dは、全非金属元素の総量からN以外の硬質被膜を構成する他の非金属元素の含有量割合を差し引いた残量であればよいが、通常は、60〜100原子%の範囲内である。また、全非金属元素の総量に対するN以外の非金属元素O、Cの含有量割合;(e+f)は、式(3)に示すように、0〜40原子%である。(e+f)が40原子%を超える場合は、N以外の非金属元素としてOの含有量割合が多いときはCrが酸化して酸化クロムとなり、耐クラック性および耐剥離性の低下を招き、N以外の非金属元素としてCの含有量割合が多いときは硬度が低下し、摩耗量が多くなるとともに、耐クラック性および耐剥離性が低下する。 The content ratio d of N to the total amount of all nonmetallic elements in the hard coating should be the remaining amount obtained by subtracting the content ratio of other nonmetallic elements constituting the hard coating other than N from the total amount of all nonmetallic elements. Usually, it is in the range of 60 to 100 atomic%. Further, the content ratio of nonmetallic elements O and C other than N to the total amount of all nonmetallic elements; (e + f) is 0 to 40 atomic% as shown in the formula (3). When (e + f) exceeds 40 atomic%, when the content ratio of O as a non-metallic element other than N is large, Cr is oxidized to chromium oxide, leading to a decrease in crack resistance and peel resistance. When the content ratio of C as a non-metallic element other than the above is large, the hardness decreases, the wear amount increases, and the crack resistance and the peel resistance decrease.
なお、Oの含有量割合の多さに起因する耐クラック性および耐剥離性の低下を防止する観点からは、全非金属元素の総量に対するOの含有量割合;eは、式(4)に示すように0〜40原子%の範囲である。ここで、eは、耐クラック性および耐剥離性をより向上させる観点から15〜40原子%の範囲内が好ましく、20〜30原子%の範囲内がさらに好ましい。また、Cの含有量割合の多さに起因する耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性の低下を防止する観点からは、全非金属元素の総量に対するCの含有量割合;fは、式(5)に示すように0〜20原子%の範囲である。また、fは、耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性をバランスよく改善することがより容易となる観点からは5〜20原子%の範囲内が好ましく、5〜10原子%の範囲内がより好ましい。 In addition, from the viewpoint of preventing a decrease in crack resistance and peel resistance due to a large content ratio of O, the content ratio of O with respect to the total amount of all nonmetallic elements; As shown, it is in the range of 0 to 40 atomic%. Here, e is preferably in the range of 15 to 40 atomic%, and more preferably in the range of 20 to 30 atomic%, from the viewpoint of further improving crack resistance and peel resistance. Further, from the viewpoint of preventing a decrease in wear resistance, crack resistance and peel resistance due to a large C content ratio, the C content ratio relative to the total amount of all nonmetallic elements; As shown in (5), it is in the range of 0 to 20 atomic%. Further, f is preferably in the range of 5 to 20 atomic%, more preferably in the range of 5 to 10 atomic%, from the viewpoint that it is easier to improve the wear resistance, crack resistance and peel resistance in a balanced manner. More preferred.
また、非金属元素として、OおよびCの双方が同時に含まれる場合、OおよびCを全く含まない場合と比べて、耐摩耗性、耐クラック性および耐剥離性をバランスよく改善することがより容易となる観点からは(e+f)は、15〜40原子%の範囲内がより好ましく、15〜30原子%の範囲内がさらに好ましい。またOとCとの原子比率については、特に限定されるものではないが、3:1〜3:2程度が適当である。 In addition, when both O and C are included as non-metallic elements at the same time, it is easier to improve the wear resistance, crack resistance and peel resistance in a balanced manner than when no O and C are included. (E + f) is more preferably in the range of 15 to 40 atomic%, and still more preferably in the range of 15 to 30 atomic%. The atomic ratio of O and C is not particularly limited, but about 3: 1 to 3: 2 is appropriate.
また、硬質被膜中における全金属元素に対する全非金属元素の比率は、化学量論的には0.50であるが、特に制限されるものではなく、実用上は、0.48〜0.58の範囲程度であればよい。なお、a〜fの値(原子%)は、EPMA(Electron Probe MicroAnalyser)測定により硬質被膜中に含まれる各金属元素および各非金属元素の質量を求め、これに基づいて算出した。ここで、EPMA測定には島津製作所製のEPMA−8705を用いた。EPMA測定は、具体的には以下の手順で実施した。まず、硬質被膜が成膜されたピストンリング片などの測定サンプルをIPA(イソプロピルアルコール)などの有機溶剤にて約10分間超音波洗浄を行った後、分析室に設置した。次に、分析室を真空排気後に、測定サンプルに電子線を照射して、金属被膜の成分組成を定量分析した。観察条件は、加速電圧を15kV,試料電流を50〜100nA,電子線のビーム径を30〜100μmとした。各元素の定量値は、定量分析プログラムにて硬質被膜を構成する各元素に対応した標準物質の分析を行った後、標準物質から計測される特性X線と硬質被膜から計測される特性X線とを対比することで算出した。なお、定量値の算出にはZAF法を用いた。定量分析に用いた標準物質としては、定量分析の対象がCr等の金属元素の場合は、各々の金属元素に対応した純金属を用い、定量分析の対象がN、O、Cの場合は、各々、BN、Al2O3、グラファイトを用いた。 Further, the ratio of all nonmetallic elements to all metal elements in the hard coating is 0.50 stoichiometrically, but is not particularly limited, and is practically 0.48 to 0.58. If it is about the range of this. In addition, the value (atom%) of af was calculated | required based on this, calculating | requiring the mass of each metallic element and each nonmetallic element contained in a hard film by EPMA (Electron Probe MicroAnalyser) measurement. Here, EPMA-8705 manufactured by Shimadzu Corporation was used for EPMA measurement. Specifically, the EPMA measurement was performed according to the following procedure. First, a measurement sample such as a piston ring piece on which a hard coating was formed was ultrasonically cleaned with an organic solvent such as IPA (isopropyl alcohol) for about 10 minutes, and then placed in an analysis chamber. Next, after evacuating the analysis chamber, the measurement sample was irradiated with an electron beam to quantitatively analyze the component composition of the metal coating. The observation conditions were an acceleration voltage of 15 kV, a sample current of 50 to 100 nA, and an electron beam beam diameter of 30 to 100 μm. The quantitative value of each element is the characteristic X-ray measured from the standard material and the characteristic X-ray measured from the hard coating after analyzing the standard material corresponding to each element constituting the hard coating by the quantitative analysis program. It was calculated by comparing with. Note that the ZAF method was used to calculate the quantitative value. As a standard substance used for quantitative analysis, when the target of quantitative analysis is a metal element such as Cr, a pure metal corresponding to each metal element is used, and when the target of quantitative analysis is N, O, or C, BN, Al 2 O 3 and graphite were used for each.
ピストンリング基材を構成する材料としては、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、鋳鉄、ステンレス鋼等、公知のピストンリング基材用の材料が制限なく利用できる。なお、ステンレス鋼からなるピストンリング基材を用いる場合には、予め窒化処理を施し、窒化処理により形成された表面ポーラス層を除去したピストンリング基材を用いてもよい。また、ピストンリング基材と硬質被膜との密着性を向上させるために、必要に応じて、ピストンリング基材と硬質被膜との間に、アンダーコート層を設けてもよい。このアンダーコート層としては、たとえば、Ti、Cr、Cr−Al合金などを主成分とする薄膜を利用することができる。 As a material constituting the piston ring base material, known materials for piston ring base materials such as carbon steel, low alloy steel, high alloy steel, cast iron, and stainless steel can be used without limitation. In addition, when using the piston ring base material which consists of stainless steel, you may use the piston ring base material which performed the nitriding process previously and removed the surface porous layer formed by the nitriding process. Moreover, in order to improve the adhesiveness of a piston ring base material and a hard film, you may provide an undercoat layer between a piston ring base material and a hard film as needed. As this undercoat layer, for example, a thin film mainly composed of Ti, Cr, Cr—Al alloy or the like can be used.
硬質被膜の膜厚は特に限定されるものではないが、耐久性を確保する観点から、5μm以上であることが好ましい。また、膜厚の上限値は特に限定されるものではないが、生産性等の実用上の観点から50μm以下であることが好ましい。また、硬質被膜を形成した後に、ラッピングや研磨加工を行い、硬質被膜の表面粗さRaを0.30μm以下とすることが好ましい。硬質被膜の表面粗さRaを小さくすることにより、相手材の摩耗を抑制すると共に、摩擦抵抗を減少させることで硬質被膜の損傷を抑制することがより容易になる。また、硬質被膜の層構造は、単層構造でもよく多層構造でもよい。但し、多層構造の場合は、少なくともいずれか1層が、上述した膜組成および機械的物性値を満たすことが必要であり、特に最表面層が、上述した膜組成および機械的物性値を満たすことが好ましい。 Although the film thickness of a hard film is not specifically limited, From a viewpoint of ensuring durability, it is preferable that it is 5 micrometers or more. The upper limit value of the film thickness is not particularly limited, but is preferably 50 μm or less from the practical viewpoint such as productivity. Moreover, after forming a hard film, it is preferable to perform lapping and a grinding | polishing process, and to make surface roughness Ra of a hard film into 0.30 micrometer or less. By reducing the surface roughness Ra of the hard coating, it is easier to suppress the damage of the hard coating by reducing the frictional resistance while suppressing the wear of the counterpart material. The layer structure of the hard coating may be a single layer structure or a multilayer structure. However, in the case of a multilayer structure, at least one of the layers must satisfy the above-described film composition and mechanical property values, and in particular, the outermost surface layer must satisfy the above-described film composition and mechanical property values. Is preferred.
図1は、本実施形態のピストンリングの一例を示す模式断面図であり、具体的には、図1中において上下方向に伸びるピストンリングの軸方向(図中、不図示)を含む面でピストンリングを切断した場合の断面構造の一例を示す図である。図1に示すピストンリング10は、合口隙間が設けられたリング状のピストンリング基材12と、ピストンリング基材12の少なくとも外周面14を被覆するように設けられた硬質被膜16とを備えている。なお、図1に示す例では、硬質被膜16は単層構造であり、ピストンリング基材12の外周面14のみを被覆している。ピストンリング10を内燃機関において使用する場合、ピストンリング10は円柱状のピストンの外周面の外周方向に沿って形成された溝に装着される。そして、ピストンがシリンダボア内を上下動した場合に、ピストンリング10の外周摺動面18(硬質被膜16の表面)と、シリンダボアの内周面とが摺動する。この場合、ピストンリング10の外周摺動面18は、硬質被膜16から構成されるため、外周摺動面18の摩耗を防ぐことができる。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a piston ring according to the present embodiment. Specifically, the piston ring includes a surface including the axial direction (not shown in the drawing) of the piston ring extending in the vertical direction in FIG. It is a figure which shows an example of the cross-sectional structure at the time of cut | disconnecting a ring. A piston ring 10 shown in FIG. 1 includes a ring-shaped piston ring base material 12 provided with a gap and a hard coating 16 provided to cover at least the outer peripheral surface 14 of the piston ring base material 12. Yes. In the example shown in FIG. 1, the hard coating 16 has a single-layer structure and covers only the outer peripheral surface 14 of the piston ring base material 12. When the piston ring 10 is used in an internal combustion engine, the piston ring 10 is mounted in a groove formed along the outer peripheral direction of the outer peripheral surface of the cylindrical piston. When the piston moves up and down in the cylinder bore, the outer peripheral sliding surface 18 (the surface of the hard coating 16) of the piston ring 10 and the inner peripheral surface of the cylinder bore slide. In this case, since the outer peripheral sliding surface 18 of the piston ring 10 is composed of the hard coating 16, wear of the outer peripheral sliding surface 18 can be prevented.
なお、通常、ピストンの外周面には外周方向に沿ってトップリング溝、セカンドリング溝、オイルリング溝の3つの溝が形成されており、それぞれの溝にトップリング、セカンドリング、オイルリングが装着される。本実施形態のピストンリングは、トップリング、セカンドリング、オイルリングのいずれにも適用できる。 Normally, the top ring groove, the second ring groove, and the oil ring groove are formed on the outer peripheral surface of the piston along the outer peripheral direction, and the top ring, the second ring, and the oil ring are attached to each groove. Is done. The piston ring of this embodiment can be applied to any of a top ring, a second ring, and an oil ring.
以上に説明したように、本実施形態のピストンリングは、硫黄分、アルコール分、あるいは、これら双方の成分を多く含む燃料を利用する内燃機関に好適に利用できる。なお、このような燃料としては、具体的には硫黄含有量が約50〜約1000ppm、および/または、アルコール含有量が市場での水準では5質量%を超え100質量%以下の燃料が挙げられ、本実施形態のピストンリングを用いた内燃機関としては、内燃機関の製造元によって上述した燃料の使用が許可または推奨されている内燃機関が挙げられる。但し、本実施形態のピストンリングは、硫黄濃度が低く、アルコール分を実質的に含まない一般的に広く利用されている燃料(硫黄含有量:5ppm以下、アルコール含有量:5質量%以下)においても勿論利用することができ、このような燃料のみの使用が許可または推奨されている内燃機関に利用することもできる。また、このような燃料には不純物としてたとえば水が混入することも知られており、本実施形態のピストンリングは、この水が混入した燃料においても利用可能である。 As described above, the piston ring of the present embodiment can be suitably used for an internal combustion engine that uses a fuel containing a large amount of components of sulfur, alcohol, or both. Examples of such fuels include fuels having a sulfur content of about 50 to about 1000 ppm and / or an alcohol content of more than 5% by mass and less than 100% by mass on the market level. As the internal combustion engine using the piston ring of the present embodiment, an internal combustion engine in which the use of the above-described fuel is permitted or recommended by the manufacturer of the internal combustion engine can be mentioned. However, the piston ring of this embodiment has a low sulfur concentration and is generally widely used fuel that does not substantially contain alcohol (sulfur content: 5 ppm or less, alcohol content: 5 mass% or less). Of course, it can also be used, and it can also be used for an internal combustion engine in which use of only such fuel is permitted or recommended. It is also known that such a fuel contains, for example, water as an impurity, and the piston ring of this embodiment can also be used in this fuel mixed with water.
本実施形態のピストンリングの製造方法は特に限定されず、公知の成膜方法を利用して、ピストンリング基材の少なくとも外周面に硬質被膜を成膜する方法が採用できる。しかしながら、硬質被膜の成膜方法としてはアークイオンプレーティング法が好適である。以下に、ピストンリングを、図2に示すアークイオンプレーティング装置を用いて製造する場合についてより具体的に説明する。 The manufacturing method of the piston ring of this embodiment is not particularly limited, and a method of forming a hard film on at least the outer peripheral surface of the piston ring base material using a known film forming method can be employed. However, the arc ion plating method is suitable as the method for forming the hard coating. Hereinafter, the case where the piston ring is manufactured using the arc ion plating apparatus shown in FIG. 2 will be described more specifically.
ここで、図2に示すアークイオンプレーティング装置30は、真空チャンバー40と、真空チャンバー40内に配置された陰極として機能する金属ターゲット42および水平方向に回転可能な支持台44と、真空チャンバー40に設けられたガス導入口46および排気口48と、真空チャンバー40外に配置されると共に金属ターゲット42に接続されたアーク供給源50と、真空チャンバー40外に配置されると共に支持台44に接続されたバイアス電源供給源52と、を備えている。なお、アーク供給源50は陽極(図中、不図示)とも接続されている。 Here, the arc ion plating apparatus 30 shown in FIG. 2 includes a vacuum chamber 40, a metal target 42 that functions as a cathode disposed in the vacuum chamber 40, a support base 44 that can rotate in the horizontal direction, and a vacuum chamber 40. The gas supply port 46 and the exhaust port 48 provided in the vacuum chamber 40, the arc supply source 50 arranged outside the vacuum chamber 40 and connected to the metal target 42, and arranged outside the vacuum chamber 40 and connected to the support base 44. The bias power supply source 52 is provided. The arc supply source 50 is also connected to an anode (not shown in the figure).
成膜に際しては、まず、ピストンリング基材12を支持台44上に設置した後、圧力が1.3×10−3Pa程度となるまで、真空チャンバー40内を減圧する。次に、ピストンリング基材12を573K〜673K程度に加熱する。そして、ピストンリング基材12に対して、支持台44を介してバイアス電源供給源52から−600〜−800V程度のバイアス電圧を印加することでイオンボンバードを行う。その後、−5〜−50V程度にバイアス電圧を下げる。これによりアーク放電が行われ、金属ターゲット42が金属イオン60となる。一方、ガス導入口46から真空チャンバー40内に導入されたプロセスガスは反応ガス分子62となる。そして、金属イオン60と反応ガス分子62とが、バイアス電圧が印加されたピストンリング基材12の外周面14等に堆積することで、硬質被膜16が形成される。 In film formation, first, the piston ring base 12 is placed on the support base 44, and then the inside of the vacuum chamber 40 is depressurized until the pressure becomes about 1.3 × 10 −3 Pa. Next, the piston ring base 12 is heated to about 573K to 673K. Then, ion bombardment is performed by applying a bias voltage of about −600 to −800 V to the piston ring base material 12 from the bias power supply source 52 via the support base 44. Thereafter, the bias voltage is lowered to about -5 to -50V. Thereby, arc discharge is performed and the metal target 42 becomes the metal ion 60. On the other hand, the process gas introduced into the vacuum chamber 40 from the gas inlet 46 becomes reaction gas molecules 62. The hard film 16 is formed by depositing the metal ions 60 and the reactive gas molecules 62 on the outer peripheral surface 14 of the piston ring base material 12 to which a bias voltage is applied.
ここで、金属ターゲット42の組成は、成膜する硬質被膜16の組成に応じて適宜選択される。たとえば、金属ターゲット42としてCrAlTi合金ターゲットを用いることができる。このCrAlTi合金ターゲットを構成するCrとAlとTiとの比率は、成膜する硬質被膜16の組成に応じて適宜選択される。 Here, the composition of the metal target 42 is appropriately selected according to the composition of the hard coating 16 to be formed. For example, a CrAlTi alloy target can be used as the metal target 42. The ratio of Cr, Al and Ti constituting this CrAlTi alloy target is appropriately selected according to the composition of the hard coating 16 to be formed.
また、硬質被膜16のbは、異なる組成の金属ターゲット42を組み合わせて調整することも可能であり、又は、それらを用いて成膜する際のそれぞれの金属ターゲット42のアーク電流値によっても調整することが可能である。たとえば、Crからなる第一の金属ターゲット42と、Ti−Al合金からなりTiとAlとの原子比率が1:1である第二の金属ターゲット42とを1枚ずつ用いて成膜した場合、各々の金属ターゲット42のターゲット材の蒸発レートが実質同等であれば、硬質被膜16のbは25原子%〔=100×{0+1/(1+1)}/2〕、cは25原子%〔=100×{0+1/(1+1)}/2〕となる。また、各々の金属ターゲットのターゲット材の蒸発レートが異なる場合は、各々の金属ターゲットの組成比と蒸発レートとを積算した値に基づいて、硬質被膜16のb、cを容易に求めることができる。 Further, b of the hard coating 16 can be adjusted by combining metal targets 42 having different compositions, or is adjusted by the arc current value of each metal target 42 when forming a film using them. It is possible. For example, when the first metal target 42 made of Cr and the second metal target 42 made of a Ti—Al alloy and having an atomic ratio of Ti and Al of 1: 1 are formed one by one, If the evaporation rate of the target material of each metal target 42 is substantially the same, b of the hard coating 16 is 25 atomic% [= 100 × {0 + 1 / (1 + 1)} / 2], and c is 25 atomic% [= 100. × {0 + 1 / (1 + 1)} / 2]. In addition, when the evaporation rates of the target materials of the respective metal targets are different, b and c of the hard coating 16 can be easily obtained based on a value obtained by integrating the composition ratio and the evaporation rate of each metal target. .
さらに、それぞれの金属ターゲット42のアーク電流値を上げ下げすることで、金属ターゲット42の蒸発量が変化するため、増やしたい成分を多く含む金属ターゲット42のアーク電流値を高くすることで、硬質被膜16の組成を制御することができる。なお、一般に金属ターゲット42が消耗すると成膜効率が低下するため、硬質被膜16の組成を精度良く管理するためには、同程度の消耗量の金属ターゲット42を使用するとよい。 Further, since the evaporation amount of the metal target 42 changes by raising and lowering the arc current value of each metal target 42, the hard coating 16 can be obtained by increasing the arc current value of the metal target 42 containing a large amount of components to be increased. The composition of can be controlled. In general, when the metal target 42 is consumed, the film forming efficiency is lowered. Therefore, in order to manage the composition of the hard coating 16 with high accuracy, it is preferable to use the metal target 42 having the same amount of consumption.
また、金属ターゲット42を2種類以上組み合わせて使用する場合、上記に例示した以外の組み合わせとしては、たとえば、Cr−Al合金ターゲットとTiターゲットとの組み合わせなども挙げることができる。さらに、金属ターゲット42を2種類以上組み合わせて使用する場合、各々の金属ターゲット42は、真空チャンバー40内の同じ位置に設けられてもよく、異なる位置に設けられてもよい。たとえば、図2示すアークイオンプレーティング装置30において2種類の金属ターゲット42を用いる場合、支持台44を中心として、図2中の左右側の位置などのように略点対称を成す位置に各々の金属ターゲット42を配置してもよいこの場合、2種類のターゲット材からなる硬質被膜が交互に積層した多層構造を有する硬質被膜の作製が可能となる。それぞれの積層周期は、各々の金属ターゲット42のアーク電流および支持台44の回転速度によって制御することができる。また、2種類のターゲットを近接した位置に設置すると、それぞれのターゲット材からなる硬質被膜間の境界部分の組成変化が徐々に変化する傾斜構造を形成できる。 Moreover, when using in combination of 2 or more types of metal targets 42, as a combination other than having illustrated above, the combination of a Cr-Al alloy target and a Ti target etc. can be mentioned, for example. Further, when two or more kinds of metal targets 42 are used in combination, each metal target 42 may be provided at the same position in the vacuum chamber 40 or may be provided at different positions. For example, when two types of metal targets 42 are used in the arc ion plating apparatus 30 shown in FIG. 2, each of them is located at a position that is substantially point symmetric with respect to the support base 44, such as the left and right positions in FIG. 2. In this case where the metal target 42 may be disposed, it is possible to produce a hard coating having a multilayer structure in which hard coatings made of two types of target materials are alternately laminated. Each lamination period can be controlled by the arc current of each metal target 42 and the rotation speed of the support base 44. In addition, when two types of targets are installed in close proximity, an inclined structure in which the composition change of the boundary portion between the hard coatings made of the respective target materials gradually changes can be formed.
また、プロセスガスとしては、硬質被膜16の組成に応じて適宜選択できるが、通常は、N2ガス、あるいは、N2ガスとCおよびOから選択される少なくともいずれかの非金属元素を含むガスと所定の割合で混合した混合ガスを用いることができる。なお、Cを含むガスとしてはCH4ガス等の炭化水素ガスが挙げられ、Oを含むガスとしてはO2ガスが挙げられる。 Further, the process gas can be appropriately selected according to the composition of the hard coating 16, but is usually N 2 gas or a gas containing at least one nonmetallic element selected from N 2 gas and C and O. A mixed gas mixed at a predetermined ratio can be used. As the gas containing C are mentioned hydrocarbon gas such as CH 4 gas, as the gas containing O include O 2 gas.
また、マイクロビッカース硬さ(H)や、ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)の値は、成膜条件を適宜選択することにより硬質被膜の組成等を制御することで調整できる。さらに、マイクロビッカース硬さ(H)/ポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)の値は、成膜時のバイアス電圧や内圧によっても調整でき、バイアス電圧を適度に上げるあるいは内圧を下げることで値が大きくなる傾向がある。 Further, the values of the micro Vickers hardness (H) and the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio can be adjusted by controlling the composition of the hard coating by appropriately selecting the film forming conditions. Furthermore, the value of the indentation elastic modulus (EIT ′) including the micro Vickers hardness (H) / Poisson ratio can also be adjusted by the bias voltage and the internal pressure during film formation. By appropriately increasing the bias voltage or decreasing the internal pressure, The value tends to increase.
なお、アークイオンプレーティング法にて硬質被膜16を成膜する場合、硬質被膜16中にドロップレットと呼ばれる未反応粒子が混在する。この未反応粒子は、金属ターゲット42上のアークスポットから一度に大量に成膜原料が放出されることにより、N2ガスなどのガス成分と十分反応せずに硬質被膜16中に取り込まれた粒子状の物質のことをいう。アークイオンプレーティング法においてはドロップレットを完全に0にすることは困難とされる。また、硬質被膜16中において未反応粒子の周辺部や未反応粒子が脱落した跡には空隙が形成される。そして、このような硬質被膜16中に存在する未反応粒子や、この未反応粒子に起因して形成される空隙は、硬質被膜16の機械的特性を低下させる。このため、硬質被膜16の成膜に際しては、発生する未反応粒子の数・サイズを抑制すると共に、未反応粒子に起因して形成される空隙の割合も小さくすることが必要である。 When the hard coating 16 is formed by the arc ion plating method, unreacted particles called droplets are mixed in the hard coating 16. The unreacted particles are particles that are taken into the hard coating 16 without sufficiently reacting with a gas component such as N 2 gas because a large amount of film forming raw material is released at once from the arc spot on the metal target 42. Refers to a substance in the form of a solid. In the arc ion plating method, it is difficult to make the droplets completely zero. Further, voids are formed in the periphery of the unreacted particles and in the traces of the unreacted particles dropping out in the hard coating 16. And the unreacted particle which exists in such a hard film 16 and the space | gap formed resulting from this unreacted particle reduce the mechanical characteristic of the hard film 16. FIG. For this reason, when forming the hard coating 16, it is necessary to reduce the number and size of the unreacted particles generated and to reduce the proportion of voids formed due to the unreacted particles.
したがって、アークイオンプレーティング法にて形成された硬質被膜16(未反応粒子を含むと共に空隙を有する硬質被膜)においては、硬質被膜16の断面において硬質被膜16中の空隙に起因する面積率(空隙面積率)は2.2%以下であることが好ましい。また、硬質被膜16中に含まれる未反応粒子の断面面積率は約1.5%以下であることが好ましい。空隙面積率を2.2%以下とすることにより、硬質被膜16の局部的な強度低下を抑制でき、結果的に、硬質被膜16に高い負荷が加わった際に硬質被膜16のクラック・剥離を抑制することがより容易となる。また、未反応粒子の断面面積率を約1.5%以下とすることにより、硬質被膜16中の未反応粒子が形成された部分において、マイクロスカッフが発生するのを抑制でき、結果的に、硬質被膜16の損傷を抑制することが容易となる。なお、空隙面積率は、1.8%以下であることがより好ましく、0%に近いほどよい。また、未反応粒子の断面面積率も0%に近いほどよい。また、未反応粒子が粗大であるほどマイクロスカッフも生じやすくなるため、未反応粒子の粒径は7μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがさらに好ましく、粒径は小さければ小さいほどよい。 Therefore, in the hard coating 16 (hard coating containing unreacted particles and having voids) formed by the arc ion plating method, the area ratio (voids) due to the voids in the hard coating 16 in the cross section of the hard coating 16 The area ratio is preferably 2.2% or less. The cross-sectional area ratio of the unreacted particles contained in the hard coating 16 is preferably about 1.5% or less. By setting the void area ratio to 2.2% or less, local strength reduction of the hard coating 16 can be suppressed, and as a result, when a high load is applied to the hard coating 16, the hard coating 16 is cracked and peeled off. It becomes easier to suppress. In addition, by making the cross-sectional area ratio of the unreacted particles about 1.5% or less, it is possible to suppress the occurrence of microscuffing in the portion where the unreacted particles are formed in the hard coating 16, and as a result, It becomes easy to suppress damage to the hard coating 16. The void area ratio is more preferably 1.8% or less, and the closer to 0%, the better. Further, the cross-sectional area ratio of unreacted particles is preferably as close to 0%. In addition, since the coarser the unreacted particles, the more easily microscuffing occurs. Therefore, the particle size of the unreacted particles is preferably 7 μm or less, more preferably 5 μm or less, and the smaller the particle size, the better. .
なお、空隙の数やサイズを小さくする方法としては特に限定されないが、たとえば、金属ターゲット42と成膜対象であるピストンリング基材12との距離を大きく取り、バイアス電圧を高めに設定する方法が有効である。また、未反応粒子の数やサイズを小さくするためには、たとえば、金属ターゲット42の近傍に防着板等を配置することが有効である。また、成膜により金属ターゲット42の消耗が進行すると空隙や未反応粒子の数・サイズが増大するため、金属ターゲット42の交換頻度を多くすることも空隙や未反応粒子の数・サイズを抑制する上では有効である。この他にも、蒸発源の磁場を強力にすることで、未反応粒子数を低減する技術も採用できる。 The method for reducing the number and size of the voids is not particularly limited. For example, there is a method for increasing the bias voltage by increasing the distance between the metal target 42 and the piston ring substrate 12 that is the film formation target. It is valid. In order to reduce the number and size of unreacted particles, for example, it is effective to arrange an adhesion preventing plate or the like in the vicinity of the metal target 42. In addition, since the number and size of voids and unreacted particles increase when the metal target 42 is consumed by film formation, increasing the frequency of replacement of the metal target 42 also suppresses the number and size of voids and unreacted particles. The above is effective. In addition, a technique for reducing the number of unreacted particles by increasing the magnetic field of the evaporation source can be employed.
以下に本発明の実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものでは無い。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited only to the following examples.
<評価用サンプルの作製>
評価用サンプルは、実施例、比較例および参考例共に以下の手順で作製した。まず、ピストンリング基材12を、アークイオンプレーティング装置30内にセットした後、真空チャンバー40内を真空排気して減圧すると共に、ピストンリング基材12を加熱した。その後、ピストンリング基材12に対して所定のバイアス電圧を印加することでイオンボンバードを行った。次に、バイアス電圧を所定の値に設定した後、真空チャンバー40内にプロセスガスを導入することで、ピストンリング基材12の少なくとも外周面14に厚さ20μmから30μmの硬質被膜16を成膜した。そして、最後に、硬質被膜の表面をラッピング加工することでピストンリングサンプルを得た。なお、各実施例、比較例および参考例のいずれのピストンリングサンプルにおいても、硬質被膜の円周方向における表面粗さRaは0.30μm以下であった。
<Preparation of sample for evaluation>
Samples for evaluation were prepared according to the following procedure in both the examples, comparative examples, and reference examples. First, after setting the piston ring base material 12 in the arc ion plating apparatus 30, the inside of the vacuum chamber 40 was evacuated and decompressed, and the piston ring base material 12 was heated. Thereafter, ion bombardment was performed by applying a predetermined bias voltage to the piston ring substrate 12. Next, after setting the bias voltage to a predetermined value, a process gas is introduced into the vacuum chamber 40, thereby forming the hard coating 16 having a thickness of 20 μm to 30 μm on at least the outer peripheral surface 14 of the piston ring substrate 12. did. Finally, a piston ring sample was obtained by lapping the surface of the hard coating. In each of the piston ring samples of each example, comparative example, and reference example, the surface roughness Ra in the circumferential direction of the hard coating was 0.30 μm or less.
各実施例、比較例および参考例のピストンリングサンプルの硬質被膜16の組成および機械的物性値を表1〜表6に示す。なお、同一のCrN膜を硬質被膜として用いた比較例1および参考例1のピストンリングサンプルは、アルコールを含まず且つ硫黄含有量が5ppm以下である一般的な燃料を用いる市販の自動車用エンジンにおいて広く使用されているピストンリングと実質同等のものである。また、同一のTiN膜を硬質被膜として用いた比較例2および参考例2のピストンリングサンプルは、マイクロビッカース硬さ(H)およびポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)に関して、比較例1および参考例1のピストンリングサンプルの硬質被膜(CrN膜)に対して強度が高い特性を持つTiN膜を硬質被膜として用いたものである。また、実施例1−3および参考例3−20の硬質被膜16の結晶構造をX線回折測定により調べたところ、いずれもNaCl型であった。 Tables 1 to 6 show the compositions and mechanical properties of the hard coating 16 of the piston ring samples of the examples, comparative examples, and reference examples. Note that the piston ring samples of Comparative Example 1 and Reference Example 1 using the same CrN film as a hard coating were used in a commercially available automobile engine using a general fuel not containing alcohol and having a sulfur content of 5 ppm or less. It is substantially equivalent to a widely used piston ring. In addition, the piston ring samples of Comparative Example 2 and Reference Example 2 using the same TiN film as the hard coating were compared with Comparative Examples 1 and 2 in terms of indentation elastic modulus (EIT ′) including micro Vickers hardness (H) and Poisson's ratio. A TiN film having a high strength with respect to the hard film (CrN film) of the piston ring sample of Reference Example 1 is used as the hard film. Moreover, when the crystal structure of the hard film 16 of Example 1-3 and Reference Example 3-20 was examined by X-ray diffraction measurement, both were NaCl type.
<耐摩耗性試験>
硬質被膜の耐摩耗性試験は、ピストンリングサンプルを使って、以下の方法で行った。耐摩耗性試験には図3に示すリングオンプレート式往復動摩擦試験機100を使用した。このリングオンプレート式往復動摩擦試験機100は、試験片102を、スプリング荷重により荷重Pを加えてプレート104に押し付け、プレート104が往復動することにより両者が摺動するよう構成されている。
<Abrasion resistance test>
The abrasion resistance test of the hard coating was performed by the following method using a piston ring sample. For the wear resistance test, a ring-on-plate reciprocating friction tester 100 shown in FIG. 3 was used. The ring-on-plate reciprocating friction tester 100 is configured such that a test piece 102 is pressed against the plate 104 by applying a load P by a spring load, and the plate 104 reciprocates to slide both.
ここで試験片102としてはピストンリングサンプルを円周方向に1〜2cmの長さに切断した切断片を使用し、プレート104としては自動車エンジン用シリンダボア材と同材質の鋳鉄製プレートを使用した。摺動に際しては、試験片102の硬質被膜16が成膜された面をプレート104の表面と接触させると共に、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。 Here, a cut piece obtained by cutting a piston ring sample into a length of 1 to 2 cm in the circumferential direction was used as the test piece 102, and a cast iron plate made of the same material as the cylinder bore material for an automobile engine was used as the plate 104. In sliding, the surface of the test piece 102 on which the hard coating 16 was formed was brought into contact with the surface of the plate 104, and lubricating oil was supplied using a tubing pump or an air dispenser.
ここで、実施例1−3、参考例3−20および比較例1−9のピストンリングサンプルについては、エタノールおよび硫黄を多く含む燃料を用いる自動車用エンジンで使用し長時間運転後の状況を想定した評価を行うために、劣化オイルを使用した。この劣化オイルは、市販のSN級5W−30エンジンオイルを、約25質量%のエタノールと約300ppmの硫黄分とを含む燃料を用いて数百時間のベンチテストを行った後の状態のオイル(劣化オイルA)である。このようにして得られた劣化オイルAは、塩基価はほぼ0で、40,000G×30分(G:重力加速度)の高速遠心分離における油中不溶解分抽出量が約2%であった。耐摩耗性試験の試験条件を以下に示す。 Here, the piston ring samples of Example 1-3, Reference Example 3-20, and Comparative Example 1-9 are assumed to be used in an automobile engine using a fuel containing a large amount of ethanol and sulfur and after a long period of operation. Degraded oil was used to perform the evaluation. This deteriorated oil is obtained by conducting a bench test for several hundred hours using a commercially available SN class 5W-30 engine oil with a fuel containing about 25 mass% ethanol and about 300 ppm sulfur ( Deteriorated oil A). The deteriorated oil A thus obtained had a base number of almost 0, and the amount of insoluble oil extracted in high-speed centrifugation at 40,000 G × 30 minutes (G: gravitational acceleration) was about 2%. . The test conditions for the wear resistance test are shown below.
また、参考例1−2のピストンリングサンプルについては、アルコールを含まず且つ硫黄含有量が5ppm以下である一般的な燃料を用いる自動車用エンジンでの使用を想定した評価を行うために、SN級5W−30エンジンオイルを用いて数百時間のベンチテストを行った後の状態のオイル(劣化オイルB)を用いた。 Moreover, about the piston ring sample of Reference Example 1-2 , in order to perform the evaluation which assumed use with the engine for motor vehicles using the general fuel which does not contain alcohol and whose sulfur content is 5 ppm or less, it is SN class. The oil (deteriorated oil B) in a state after a bench test of several hundred hours using 5W-30 engine oil was used.
−試験条件−
荷重P :30N
プレート104の往復動の平均速度 :0.5m/s
プレート104の往復動のストローク:50mm
試験時間 :120min
潤滑油 :劣化オイルA
(実施例1−3、参考例3−20および比較例1−9)
劣化オイルB(参考例1−2)
潤滑油の滴下量 :1ml/hr
プレート104の材質 :FC(ねずみ鋳鉄)
-Test conditions-
Load P: 30N
Average speed of reciprocation of plate 104: 0.5 m / s
Stroke of reciprocation of plate 104: 50mm
Test time: 120 min
Lubricating oil: Degraded oil A
(Example 1-3, Reference Example 3-20 and Comparative Example 1-9 )
Deteriorated oil B (Reference Example 1-2 )
Lubricating oil drop rate: 1 ml / hr
Material of plate 104: FC (gray cast iron)
耐摩耗性試験の評価結果を表1〜表6に示す。なお、表1〜表6中に示す評価結果である相対摩耗量の比は、比較例1の摩耗量を基準値(1.00)とした場合の相対摩耗量である。また、参考例1は、ノンアルコール・低硫黄濃度の一般的な燃料と市販車に広く利用されているピストンリングとの組み合わせを模した条件であることから、参考例1の相対摩耗量0.30は、十分に実用的なレベルを意味する。ここで、比較例1および参考例1の相対摩耗量の違いから明らかなように、一般的な燃料を使用する自動車用エンジンと比べて、高アルコール・高硫黄濃度タイプの燃料を使用する自動車用エンジンでは、市販車のピストンリングに使用されているCrN膜の摩耗が3倍前後も増加している。すなわち、通常の燃料ではなく、高アルコール・高硫黄濃度タイプの燃料を使用する自動車用エンジンにおいてピストンリングを使用する場合、硬質被膜の摩耗が極めて促進される厳しい条件であることが判る。 The evaluation results of the abrasion resistance test are shown in Tables 1 to 6. The ratio of the relative wear amount, which is the evaluation result shown in Tables 1 to 6, is the relative wear amount when the wear amount of Comparative Example 1 is set as the reference value (1.00). Reference Example 1 is a condition simulating a combination of a non-alcohol / low sulfur concentration general fuel and a piston ring widely used in commercial vehicles. 30 means a sufficiently practical level. Here, as is clear from the difference in the relative amount of wear between Comparative Example 1 and Reference Example 1, compared with the automobile engine using a general fuel, the automobile uses a high alcohol / high sulfur concentration type fuel. In engines, the wear of CrN films used in commercial vehicle piston rings has increased about three times. That is, it can be understood that when a piston ring is used in an automobile engine that uses a high alcohol / high sulfur concentration type fuel instead of a normal fuel, it is a severe condition in which the wear of the hard coating is extremely accelerated.
なお、表1〜表6中に示す判定結果の判断基準は以下の通りである。
A:相対摩耗量が1.00以下
B:相対摩耗量が1.00を超え1.15以下
C:相対摩耗量が1.15を超える
In addition, the judgment criteria of the judgment results shown in Tables 1 to 6 are as follows.
A: Relative wear amount is 1.00 or less B: Relative wear amount exceeds 1.00 and is 1.15 or less C: Relative wear amount exceeds 1.15
<マイクロビッカース硬さおよびポアソン比を含む押し込み弾性率の測定>
硬質被膜のマイクロビッカース硬さ(H)およびポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)の測定は、フィッシャーイントルメンツ製のインデンテーション試験機・HM−2000を用いた。圧子はビッカース硬度測定と同一のダイヤモンド製で、測定荷重は1000mNとした。測定に際しては、30秒掛けて荷重を最大荷重まで上げた後、5秒間その最大荷重を保持し、さらに30秒掛けて除荷した。ここで、マイクロビッカース硬さは、圧子の形状と押込み深さから圧痕の対角線長さが測定できるので、これらの測定値に基づいて算出した。
<Measurement of indentation elastic modulus including micro Vickers hardness and Poisson's ratio>
The measurement of indentation elastic modulus (EIT ′) including micro Vickers hardness (H) and Poisson's ratio of the hard coating was carried out using an indentation tester HM-2000 manufactured by Fisher Instruments. The indenter was made of the same diamond as the Vickers hardness measurement, and the measurement load was 1000 mN. In the measurement, the load was increased to the maximum load over 30 seconds, then the maximum load was maintained for 5 seconds, and then unloaded for another 30 seconds. Here, the micro Vickers hardness was calculated based on these measured values because the diagonal length of the indentation can be measured from the shape of the indenter and the indentation depth.
また、ポアソン比を含む押し込み弾性率は上記の測定における試験力と圧子の押込み深さとの関係から算出した。具体的には、インデンテーション試験機・HM−2000付属の解析ソフト(設定:リニア外挿モード、最大荷重の65%−95%区間を指定)を用いて、除荷−押込み深さ曲線の最小二乗フィットより求めた直線の傾きおよびこの傾きの直線が最大荷重を通るときの押し込み深さ軸との交点を求め、ISO 14577−1(A.5)に従って計算を行った。計算の際、圧子の弾性率は1200GPa、圧子のポアソン比は0.07を用いた。 The indentation elastic modulus including the Poisson's ratio was calculated from the relationship between the test force and the indenter indentation depth in the above measurement. Specifically, using the analysis software attached to the indentation tester HM-2000 (setting: linear extrapolation mode, specifying 65% -95% section of maximum load), the minimum unloading-indentation depth curve The slope of the straight line obtained from the square fit and the intersection with the indentation depth axis when this straight line passes through the maximum load were obtained, and the calculation was performed according to ISO 14577-1 (A.5). In the calculation, the indenter elastic modulus was 1200 GPa and the indenter Poisson ratio was 0.07.
<耐クラック性および耐剥離性試験>
硬質被膜の耐クラック性および耐剥離性試験は、ピストンリングサンプルを使って、以下の方法で行った。耐クラック性および耐剥離性試験には、図4に示すリングオンディスク試験機110を使用した。このリングオンディスク試験機110は、一定の荷重Qを加えた試験片112を相手材である円板状のディスク114に押し付けた状態でディスク114を所定の条件で矢印R方向に回転させることで、試験片112に設けられた硬質被膜の耐クラック性および耐剥離性を評価する試験機である。
<Crack resistance and peel resistance test>
The crack resistance and peel resistance tests of the hard coating were performed by the following method using a piston ring sample. A ring-on-disk tester 110 shown in FIG. 4 was used for the crack resistance and peel resistance tests. The ring-on-disk tester 110 rotates the disk 114 in the direction of arrow R under predetermined conditions while pressing a test piece 112 to which a constant load Q is applied against a disk-shaped disk 114 as a counterpart material. This is a testing machine for evaluating the crack resistance and peel resistance of the hard coating provided on the test piece 112.
ここで試験片112としては耐摩耗性試験で用いたものと同様にピストンリングサンプルを円周方向に1〜2cmの長さに切断した切断片を使用し、ディスク114としてはJIS G4051のS45C鋼材からなるディスクを使用した。耐クラック性および耐剥離性試験の試験条件を以下に示す。なお、以下の試験条件に示す摺動速度とは、試験片112がディスク114の表面と接触する位置におけるディスク114の周速度を意味する。 Here, as the test piece 112, a cut piece obtained by cutting a piston ring sample into a length of 1 to 2 cm in the circumferential direction is used in the same manner as that used in the wear resistance test, and the disk 114 is an S45C steel material of JIS G4051. A disc consisting of The test conditions for the crack resistance and peel resistance tests are shown below. The sliding speed shown in the following test conditions means the peripheral speed of the disk 114 at a position where the test piece 112 is in contact with the surface of the disk 114.
−試験条件−
荷重Q :30N
摺動速度 :10m/s
(実施例1−3、参考例3−20および比較例1−9)
5m/s(参考例1−2)
試験時間 :600min
(実施例1−3、参考例3−20および比較例1−9)
60min(参考例1−2)
潤滑油 :5W−30
ディスク114の材質:スチール(S45C)
-Test conditions-
Load Q: 30N
Sliding speed: 10m / s
(Example 1-3, Reference Example 3-20 and Comparative Example 1-9 )
5 m / s (Reference Example 1-2 )
Test time: 600 min
(Example 1-3, Reference Example 3-20 and Comparative Example 1-9 )
60 min (Reference Example 1-2 )
Lubricating oil: 5W-30
Material of disk 114: Steel (S45C)
なお、実施例1−3、参考例3−20および比較例1−9の試験条件は、摺動面がスカッフ気味の摺動状況下で摺動距離を長くすることを前提条件として硬質被膜の耐クラック性および耐剥離性を評価することを目的としている。 In addition, the test conditions of Example 1-3, Reference Example 3-20, and Comparative Example 1-9 are based on the premise that the sliding distance is increased under a sliding condition where the sliding surface is scuffed. The purpose is to evaluate crack resistance and peel resistance.
耐クラック性および耐剥離性の評価は、所定の試験時間が経過した後の硬質被膜の摺動面を電子顕微鏡により観察することで実施した。なお、表1〜表6中に示す評価結果の評価基準は以下の通りである。ここで、A,Bは、実用上、許容されるレベルであり、C,Dは、実用上、許容できないレベルである。
A:クラックおよび剥離は全く確認されなかった
B:クラックおよび剥離の発生は確認されなかったものの、スカッフ気味な摺動の痕跡が確認された
C:クラックのみ発生が確認された
D:クラックおよび剥離の双方の発生が確認された
Evaluation of crack resistance and peel resistance was performed by observing the sliding surface of the hard coating film after a predetermined test time with an electron microscope. In addition, the evaluation criteria of the evaluation results shown in Tables 1 to 6 are as follows. Here, A and B are practically acceptable levels, and C and D are practically unacceptable levels.
A: No cracks and peeling were confirmed B: Cracks and peeling were not observed, but a scuffy trace of sliding was confirmed C: Only cracks were confirmed D: Crack and peeling The occurrence of both was confirmed
<表面粗さ測定>
ピストンリングサンプルの硬質被膜の表面粗さは株式会社キーエンス製のレーザー顕微鏡・VK−9700にて測定した。撮影条件は、対物レンズ倍率50倍、高さスムージング2、傾き補正自動とし、測定視野の中でピストンリングの円周方向を指定して測定した。表面粗さRaはJISB0601−2001に従って測定した。なお、JISB0601−2001はISO4287−1997に準拠している。
<Surface roughness measurement>
The surface roughness of the hard coating of the piston ring sample was measured with a laser microscope VK-9700 manufactured by Keyence Corporation. The photographing conditions were an objective lens magnification of 50 times, height smoothing 2, automatic tilt correction, and measurement was performed by specifying the circumferential direction of the piston ring in the measurement field of view. The surface roughness Ra was measured according to JISB0601-2001. Note that JISB0601-2001 is compliant with ISO4287-1997.
<評価結果>
各実施例、比較例および参考例のピストンリングサンプルの硬質被膜の組成、物性と共に評価結果を表1〜表6に示す。
<Evaluation results>
The evaluation results are shown in Tables 1 to 6 together with the composition and physical properties of the hard coating of the piston ring samples of each Example, Comparative Example, and Reference Example.
10 :ピストンリング
12 :ピストンリング基材
14 :外周面
16 :硬質被膜
18 :外周摺動面
30 :アークイオンプレーティング装置
40 :真空チャンバー
42 :金属ターゲット
44 :支持台
46 :ガス導入口
48 :排気口
50 :アーク供給源
52 :バイアス電源供給源
60 :金属イオン
62 :反応ガス分子
100 :リングオンプレート式往復動摩擦試験機
102 :試験片
104 :プレート
110 :リングオンディスク試験機
112 :試験片
114 :ディスク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Piston ring 12: Piston ring base material 14: Outer peripheral surface 16: Hard film 18: Outer peripheral sliding surface 30: Arc ion plating apparatus 40: Vacuum chamber 42: Metal target 44: Support stand 46: Gas introduction port 48: Exhaust port 50: Arc supply source 52: Bias power supply source 60: Metal ion 62: Reaction gas molecule 100: Ring-on-plate reciprocating friction tester 102: Test piece 104: Plate 110: Ring-on-disk tester 112: Test piece 114: disc
Claims (4)
前記ピストンリング基材の少なくとも外周面を被覆するように設けられた硬質被膜と、を含み、
前記硬質被膜のマイクロビッカース硬さ(H)と、前記硬質被膜のポアソン比を含む押し込み弾性率(EIT’)との比率(H/EIT’)は、0.050 以上であり、
前記硬質被膜は、金属元素としてCr、AlおよびTiを少なくとも含み、非金属元素としてNを少なくとも含むNaCl型の結晶構造を有し、
前記硬質被膜中に含まれる各々の構成元素の含有量割合が下式(1)〜(5)を満たすことを特徴とするピストンリング。
・式(1) 15≦b≦65
・式(2) 0<c≦40
・式(3) 0<(e+f)≦40
・式(4) 0<e≦40
・式(5) 0<f≦20
〔但し、前記各式中、bは前記硬質被膜中に含まれる全金属元素の総量に対するAlの含有量割合(原子%)を表し、cは前記硬質被膜中に含まれる全金属元素の総量に対するTiの含有量割合(原子%)を表し、eは前記硬質被膜中に含まれる全非金属元素の総量に対するOの含有量割合(原子%)を表し、fは前記硬質被膜中に含まれる全非金属元素の総量に対するCの含有量割合(原子%)を表す。〕 A piston ring base material;
A hard coating provided to cover at least the outer peripheral surface of the piston ring base material,
The ratio (H / EIT ′) between the micro Vickers hardness (H) of the hard coating and the indentation elastic modulus (EIT ′) including the Poisson's ratio of the hard coating is 0.050 or more,
The hard coating has a NaCl-type crystal structure including at least Cr, Al, and Ti as metal elements, and at least N as a nonmetal element,
The piston ring, wherein the content ratio of each constituent element contained in the hard coating satisfies the following formulas (1) to (5).
Formula (1) 15 ≦ b ≦ 65
Formula (2) 0 <c ≦ 40
Formula (3) 0 <(e + f) ≦ 40
Formula (4) 0 <e ≦ 40
Formula (5) 0 <f ≦ 20
[In the above formulas, b represents the Al content ratio (atomic%) to the total amount of all metal elements contained in the hard coating, and c represents the total amount of all metal elements contained in the hard coating. Ti represents a content ratio (atomic%), e represents an O content ratio (atomic%) with respect to the total amount of all nonmetallic elements contained in the hard coating, and f represents a total content contained in the hard coating. The content ratio (atomic%) of C with respect to the total amount of nonmetallic elements is represented. ]
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