活塞環(huán)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中使用的活塞環(huán)。特別是設(shè)及相對(duì)于侶合金制的汽缸 (或汽缸套)進(jìn)行滑動(dòng)的活塞環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002] 從應(yīng)對(duì)燃料費(fèi)的提高、小型輕量化等出發(fā)，開(kāi)展了汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的高輸出化及侶 化。例如，在侶合金制的汽缸體中，使用AC4B(JIS-冊(cè)202)等效材料或ADC12(JIS-冊(cè)302)等 效材料、A390材等。A390材為過(guò)共晶侶合金，在鑄造汽缸體后，通過(guò)僅對(duì)汽缸內(nèi)徑部的滑動(dòng) 面的侶基體選擇性進(jìn)行蝕刻，使硬質(zhì)的Si粒子露出到表面來(lái)提高耐磨性。此外，W往大多在 侶制汽缸中內(nèi)嵌鑄鐵制汽缸套，但近年來(lái)，采用使硬質(zhì)Si粒子在基體中析出的侶合金制的 汽缸套的發(fā)動(dòng)機(jī)增加。
[0003] 可是，在汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)等內(nèi)燃機(jī)中，認(rèn)為在活塞環(huán)與汽缸套的滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦 損失占內(nèi)燃機(jī)整體的摩擦損失的2~3成左右，該摩擦損失的降低對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能產(chǎn)生較大 影響。為了降低摩擦損失，必須抑制活塞環(huán)的磨損而保持滑動(dòng)面形狀，由此，汽缸套與活塞 環(huán)的滑動(dòng)面能夠常時(shí)W-定的面壓進(jìn)行滑動(dòng)而將燃燒氣體的燃燒能量充分地傳遞給曲軸。 此外，還需要降低滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)。
[0004] 為了提高活塞環(huán)外周的滑動(dòng)面的耐磨性，大多進(jìn)行氮化層、鍛Cr層、利用離子鍛法 的金屬氮化物層等硬質(zhì)皮膜的形成。然而，若在由含有18wt%左右的Cr的鐵系材料構(gòu)成的 活塞環(huán)的滑動(dòng)面上形成氮化層，并將該活塞環(huán)適用于侶合金制汽缸套，則存在汽缸套大幅 地磨損的傾向，存在能夠適用于活塞環(huán)的材料被制約的問(wèn)題。另一方面，在活塞環(huán)表面形成 鍛Cr層或利用離子鍛法等的金屬氮化物的硬質(zhì)皮膜時(shí)，存在W下問(wèn)題:汽缸套的磨損量增 大，或者硬質(zhì)的Si粒子脫落而使滑動(dòng)面產(chǎn)生傷痕，發(fā)生進(jìn)一步的磨損或劃傷。
[000引因此，近年來(lái)，逐漸使用硬質(zhì)碳(DLC)皮膜。例如，開(kāi)發(fā)了在活塞環(huán)外周面上形成含 有5~40原子％的選自51、1'1、胖、化、10、抓、￥中的1種或巧巾^上的元素、且分散有它們的碳 化物的類(lèi)金剛石碳(DLC)硬質(zhì)皮膜來(lái)提高耐劃傷性和耐磨性的技術(shù)(專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。此外，開(kāi) 發(fā)了介由中間層通過(guò)AIP法被覆了不含有氨的非晶質(zhì)硬質(zhì)碳(DLC)皮膜的活塞環(huán)(專(zhuān)利文獻(xiàn) 2)。
[0006] 另一方面，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料費(fèi)等，存在燃燒溫度上升的傾向，燃燒條件變得 嚴(yán)酷而活塞環(huán)被暴露于苛刻的使用環(huán)境中。特別是在與鋼制活塞相比在低溫下軟化的侶合 金制活塞的情況下，若燃燒溫度變高，則在與活塞環(huán)的滑動(dòng)部上容易產(chǎn)生侶粘著。并且，若 在活塞環(huán)的側(cè)面（上下面)上侶發(fā)生粘著，則W該粘著部為基點(diǎn)而活塞的環(huán)形槽的磨損增 大，使侶粘著進(jìn)一步增大。因此，在活塞環(huán)的側(cè)面中的至少一面上形成含有固體潤(rùn)滑材料的 樹(shù)脂皮膜，但樹(shù)脂皮膜的耐磨性低，雖然能夠防止初期的侶粘著，但難W長(zhǎng)期地防止侶粘 著。
[0007] 從運(yùn)種情況出發(fā)，開(kāi)發(fā)了在活塞環(huán)的至少一個(gè)側(cè)面上形成硬質(zhì)碳(DLC)皮膜來(lái)抑 制侶粘著的技術(shù)(專(zhuān)利文獻(xiàn)3)。此外，開(kāi)發(fā)了介由中間層通過(guò)AIP法被覆了不含有氨的非晶 質(zhì)硬質(zhì)碳(DLC)皮膜的活塞環(huán)(專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0010] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)平11-172413號(hào)公報(bào)
[0011] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2006-57674號(hào)公報(bào)
[0012] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)平11-166625號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 發(fā)明所要解決的課題
[0014] 然而，判明專(zhuān)利文獻(xiàn)1中記載的化C皮膜在使對(duì)象材料為侶合金時(shí)磨損量增大，并 且與一般的化C皮膜(主要由碳或碳和氨構(gòu)成)相比摩擦系數(shù)變大。此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)2中記載 的化C皮膜由于為不含有氨的皮膜(ta-C)，所W有可能因皮膜中所含的小滴而導(dǎo)致滑動(dòng)對(duì) 象材料的侶合金制汽缸套的磨損量增大。
[0015] 此外，判明專(zhuān)利文獻(xiàn)3中記載的化C皮膜有時(shí)磨損量變多。此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)3中記載 的化C皮膜W維氏硬度來(lái)規(guī)定，但維氏硬度僅僅測(cè)定皮膜的壓痕，若皮膜變硬則會(huì)受到基材 的影響，并且存在不會(huì)再現(xiàn)因活塞環(huán)的側(cè)面的皮膜受到的刮劃力而產(chǎn)生的皮膜的磨損的問(wèn) 題。
[0016] 本發(fā)明是解決上述問(wèn)題的發(fā)明，目的是提供相對(duì)于作為對(duì)象材料的侶合金制的汽 缸或汽缸套的耐磨性?xún)?yōu)異、且也能夠降低對(duì)象材料的磨損的活塞環(huán)。
[0017] 此外，本發(fā)明的目的是提供相對(duì)于作為對(duì)象材料的侶合金制的活塞的耐磨性?xún)?yōu) 異、且抑制了侶粘著的活塞環(huán)。
[0018] 用于解決課題的方案
[0019] 為了解決上述課題，本發(fā)明的第1觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)，其特征在于，其是在外周面 上形成有硬質(zhì)碳皮膜的活塞環(huán)，其中，所述硬質(zhì)碳皮膜含有0.5原子％ ^上且低于5原子％ 的W。
[0020] 根據(jù)該活塞環(huán)，通過(guò)將W的含量設(shè)定為0.5原子％^上且低于5原子％，硬質(zhì)碳皮膜 的耐磨性提高。在硬質(zhì)碳皮膜中的W的含量低于0.5原子％的情況下，皮膜變得容易從基材 剝離而耐剝離性變差。若W的含量達(dá)到5原子％ ^上，則在使對(duì)象材料為柔軟的侶合金時(shí)耐 磨性變差。
[0021] 此外，本發(fā)明的第2觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)，其特征在于，其是在兩個(gè)側(cè)面中的至少一 面上形成有硬質(zhì)碳皮膜的活塞環(huán)，所述硬質(zhì)碳皮膜含有0.5原子％ ^上且低于5原子％的胖。
[0022] 根據(jù)該活塞環(huán)，通過(guò)將W的含量設(shè)定為0.5原子％^上且低于5原子％，硬質(zhì)碳皮膜 的耐磨性提高，并且能夠抑制侶粘著。在硬質(zhì)碳皮膜中的W的含量低于0.5原子％的情況下， 皮膜變得容易從基材剝離而耐剝離性變差。若W的含量達(dá)到5原子％ ^上，則在使對(duì)象材料 為柔軟的侶合金時(shí)耐磨性變差。
[0023] 在第1觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)中，所述硬質(zhì)碳皮膜的摩擦系數(shù)優(yōu)選為0.10W下。
[0024] 所述硬質(zhì)碳皮膜中所含的W優(yōu)選為碳化物及金屬運(yùn)兩個(gè)形態(tài)。
[0025] 所述硬質(zhì)碳皮膜優(yōu)選含有10~40原子％的氨。
[0026] 所述硬質(zhì)碳皮膜的厚度優(yōu)選為0.5~20WI1。
[0027] 在第I觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)中，所述硬質(zhì)碳皮膜的馬氏體硬度優(yōu)選為5.5~15GPa。
[0028] 在第2觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)中，所述硬質(zhì)碳皮膜的馬氏體硬度優(yōu)選為3.5~lOGPa。
[0029] 在第1觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)中，所述硬質(zhì)碳皮膜的碳的晶體結(jié)構(gòu)的鍵比率優(yōu)選為sp2 鍵:sp3 鍵= 4:6 ~8:2。
[0030] 在第2觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)中，優(yōu)選所述硬質(zhì)碳皮膜也形成于所述活塞環(huán)的外周面 上，將形成于所述側(cè)面上的所述硬質(zhì)碳皮膜的馬氏體硬度設(shè)為Ml、形成于所述外周面上的 所述硬質(zhì)碳皮膜的馬氏體硬度設(shè)為M2時(shí)，M1/M2為0.3~0.8。
[0031] 在第2觀點(diǎn)所述的活塞環(huán)中，優(yōu)選形成于所述外周面上的所述硬質(zhì)碳皮膜的碳的 晶體結(jié)構(gòu)的鍵比率為sp2鍵:sp3鍵= 4:6~8:2,形成于所述側(cè)面上的所述硬質(zhì)碳皮膜的碳 的晶體結(jié)構(gòu)的鍵比率為sp2鍵:sp3鍵=5:5~9:1。
[0032] 發(fā)明效果
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的第1觀點(diǎn)，可得到相對(duì)于作為對(duì)象材料的侶合金制的汽缸或汽缸套 的耐磨性?xún)?yōu)異、且也能夠降低對(duì)象材料的磨損的活塞環(huán)。此外，根據(jù)本發(fā)明的第2觀點(diǎn)，可得 到相對(duì)于作為對(duì)象材料的侶合金制的活塞的耐磨性?xún)?yōu)異、且抑制了侶粘著的活塞環(huán)。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1是本發(fā)明的一實(shí)施方式所述的活塞環(huán)的截面圖。
[003引圖2是活塞環(huán)的截面立體圖。
[0036] 圖3是表示硬質(zhì)碳皮膜的W的分析圖表的圖。
[0037] 圖4是表示硬質(zhì)碳皮膜的Cls的分析圖表的圖。
[0038] 圖5是表示往復(fù)式滑動(dòng)試驗(yàn)的方法的圖。
[0039] 圖6是表示硬質(zhì)碳皮膜的磨損量的算出方法的圖。
[0040] 圖7是表示侶粘著試驗(yàn)機(jī)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] W下，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
[0042] 本發(fā)明的第1觀點(diǎn)的實(shí)施方式所述的活塞環(huán)是適用于侶合金制的汽缸或汽缸套中 而與該汽缸(汽缸套)進(jìn)行滑動(dòng)的活塞環(huán)。此外，本發(fā)明的第2觀點(diǎn)的實(shí)施方式所述的活塞環(huán) 是組裝到侶合金制的活塞的環(huán)形槽中使用的。
[0043] 圖1表示本發(fā)明的第1觀點(diǎn)及第2觀點(diǎn)的實(shí)施方式所述的活塞環(huán)10的截面圖?；钊?環(huán)10是在基材2的外周面上形成硬質(zhì)碳皮膜14而成的。其中，如圖2中所示的那樣，若設(shè)活塞 環(huán)10的上下的板面為側(cè)面1 Ob、10 C，則外周面1 Oa為與側(cè)面1 Ob、10 C鄰接并與該側(cè)面交叉的 面。此外，外周面IOa可W優(yōu)選使用曲面（圓筒形狀），但并不限定于該形狀，只要是可適用于 活塞環(huán)的外周面的形狀，則可W是任意的形狀。
[0044] 此外，不想形成硬質(zhì)碳皮膜14的部分可W通過(guò)對(duì)基材2實(shí)施掩蔽、或者將基材2中 的沒(méi)有形成硬質(zhì)碳皮膜的側(cè)面(基材2的表背面)彼此重疊來(lái)防止形成。此外，也可W在形成 硬質(zhì)碳皮膜14后通過(guò)實(shí)施研磨加工等，將不需要的硬質(zhì)碳皮膜14除去。
[004引基材2例如由不誘鋼、鐵鋼、鑄鐵、鑄鋼等構(gòu)成。
[0046]硬質(zhì)碳皮膜(類(lèi)金剛石碳）14含有0.5原子％ ^上且低于5原子％的￥。在硬質(zhì)碳皮 膜14中的W的含量低于0.5原子％的情況下，皮膜變得容易從基材2剝離而耐剝離性變差，同 時(shí)含有低于0.5原子％的￥在制造上是困難的。此外，在第2觀點(diǎn)的活塞環(huán)中，若硬質(zhì)碳皮膜 14中的W的含量低于0.5原子％，則進(jìn)一步由于硬質(zhì)碳皮膜14變成接近