活塞环及其制造方法技术

本发明专利技术的课题是，提供一种活塞环及其制造方法，对所述活塞环的外周面和侧面赋予不同的覆膜特性，能够在长期维持耐磨耗性的同时，抑制铝在所述活塞环与活塞环槽之间的粘着。解决方案是一种安装于铝合金制的活塞的、沿以Fe为主要成分的气缸套滑动的活塞环(10)，外周面(12a)和至少一个侧面(12b1、1262)形成有不含氢的硬质碳覆膜(3)，形成于外周面的硬质碳覆膜(3a)是没有柱状组织的覆膜，形成于侧面的硬质碳覆膜(3b)具有在与该侧面交叉的方向上伸展的柱状组织。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】活塞环及其制造方法
本专利技术涉及安装于铝合金制的活塞而使用的、形成有硬质碳覆膜的活塞环及其制造方法。
技术介绍
近年来，对于以汽车引擎为代表的内燃机，在要求高输出化、长寿命化的同时，还要求燃料效率的提高。尤其是，为了有效地将燃气的膨胀能转化为动能，对燃烧时的高压气体进行密封的活塞环暴露于更为严酷的使用环境。例如，如果为了提高内燃机的热效率而提高燃气的压缩率，则燃烧室的温度变高。此外，为了提高燃油效率，需要降低活塞环与气缸套内壁之间的摩擦损失，活塞环中压缩环的宽度窄化(薄幅化)不断推进。此外，对于活塞环，还要求耐久性。此外，在将活塞环安装于铝合金制活塞的活塞环槽的情况下，在燃烧室的温度上升的同时，活塞的温度也变高，构成活塞的铝在活塞环的沿活塞环槽滑动的侧面粘着，有可能密封特性降低或耗油量增加。因此，要求抑制铝在用于铝合金制的活塞的活塞环的侧面粘着的功能。而随着上述活塞环(压缩环)的宽度窄化，如图11所示，发生活塞环槽以在轴向上扩展的方式发生磨耗的所谓“喇叭状磨耗”。图11显示的是将活塞环(顶环)200安装于活塞20的活塞环槽20a的状态。随着从初始的状态(图11(a))开始使用，顶环200的下侧面200b2由于燃气的压力等而以相对于水平面倾斜的状态压靠于活塞环槽20a的第二槽脊20c。此外，由于活塞20的往复运动，顶环200的上侧面200b1也同样地压靠于活塞环槽20a的顶部槽脊20b。这样就发生了活塞环槽20a在轴向上扩展的“喇叭状磨耗”。此时，顶环200的上侧面200b1和下侧面200b2也发生磨耗，因此提出了在活塞环的外周面和侧面形成耐磨耗性优异的硬质碳覆膜的技术。例如，专利文献1记载了在活塞环的侧面形成类金刚石碳，选自Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、V的组的1种或2种以上的元素以5～40原子％的比例分散于所述类金刚石碳中，覆膜硬度在HV700～2000的范围内。此外，专利文献2记载了使氧含量为1原子％以上10原子％以下、氢含量为10原子％以上40原子％以下、硅含量为0.1原子％以上20原子％以下的硬质碳膜在活塞环的外周以致密的组织的形式形成、在活塞环的侧面以柱状组织的形式形成。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特许第3355306号公报专利文献2：日本特开2008-241032号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的课题然而，当将活塞环安装于铝合金制的活塞、活塞环沿以Fe为主要成分的气缸套滑动时，活塞环的外周面和侧面的滑动状态是不同的，因此，外周面和侧面对活塞环要求的覆膜特性也是不同的。具体而言，活塞环的外周面暴露于比侧面更为严酷的滑动环境，因此，对于该外周面要求高的耐磨耗性。而对于活塞环的侧面，则要求对于与铝合金的滑动的耐磨耗性、活塞侧的铝的粘着少。然而，专利文献1记载的技术中，活塞环的外周面和侧面形成有同一硬质碳覆膜，因此，滑动环境比活塞环的侧面更严酷的外周面难以获得长期充分的耐磨耗性。此外，专利文献2记载的技术中，硬质碳覆膜含有氢，因此，覆膜的耐热性低，如果暴露于高温的燃气，则容易由于热分解而从覆膜放出气体、或者覆膜由于氧化而消耗。本专利技术解决了上述问题，其目的在于提供一种活塞环及其制造方法，对活塞环的外周面和侧面赋予不同的覆膜特性，能够在长期维持耐磨耗性的同时，抑制铝在所述活塞环与活塞环槽之间的粘着。用于解决课题的方法为了解决上述课题，本专利技术的活塞环的特征在于，其为安装于铝合金制的活塞的、沿以Fe为主要成分的气缸套滑动的活塞环，外周面和至少一个侧面形成有不含氢的硬质碳覆膜，形成于上述外周面的上述硬质碳覆膜是没有柱状组织的覆膜，形成于上述侧面的上述硬质碳覆膜具有在与该侧面交叉的方向上伸展的柱状组织。外周面的硬质碳覆膜位于活塞环的外周侧，沿以Fe为主要成分的气缸套滑动，要求高的耐磨耗性。因此，通过将外周面的硬质碳覆膜设为没有柱状组织的覆膜，覆膜变得致密，具有良好的耐磨耗性，能够长期维持耐磨耗性。另一方面，通过将形成于侧面的硬质碳覆膜设为柱状组织，润滑油从硬质碳覆膜的表面渗透至柱状组织间的间隙并得以保持，因而难以发生油量不足。其结果是，即使铝合金制的活塞的活塞环槽的壁面与活塞环的侧面(硬质碳覆膜)滑动，也难以发生铝的粘着。此外，通过使硬质碳覆膜的柱状组织以相对于法线方向向外周侧倾斜的方向上伸展的方式形成，在以硬质碳覆膜倾斜的状态压靠于活塞环的第二槽脊时，柱状组织的伸展方向接近(沿着)压靠合力的方向。其结果是，沿与柱状组织的分界交叉的方向(与侧面平行的方向)将柱状组织彼此切断的力减小，柱状组织(硬质碳覆膜)的耐磨耗性变得良好。优选上述柱状组织在相对于上述侧面的法线方向向外周侧倾斜10～30度的方向上伸展。优选上述硬质碳覆膜含有98原子％以上的碳。本专利技术的活塞环的制造方法的特征在于，其为使用具有碳阴极的电弧式蒸发源的、通过电弧离子镀法在活塞环的外周面和至少一个侧面形成硬质碳覆膜的活塞环的制造方法，在以上述活塞环的侧面与来自上述电弧式蒸发源的离子流所成的角为10°～40°的方式进行配置、且不从外部导入除惰性气体以外的任意气体的条件下使硬质碳覆膜成膜。优选上述硬质碳覆膜成膜时的压力为5×10-2Pa以下。专利技术的效果根据本专利技术，能够对活塞环的外周面和侧面赋予不同的覆膜特性，长期维持耐磨耗性，并且抑制铝在活塞环与活塞环槽之间的粘着。附图说明图1是本专利技术的一个实施方式涉及的活塞环的截面图。图2是显示在实施例1的试样的外周面形成的硬质碳覆膜的截面SEM图像的图。图3是显示在实施例1的试样的侧面形成的硬质碳覆膜的截面SEM图像的图。图4是显示从图3的截面SEM图像提取柱状组织的轮廓而得的画像的图。图5是显示活塞环的侧面的硬质碳覆膜被压靠于发生了喇叭状磨耗的活塞环槽的状态的示意图。图6是显示本专利技术的实施方式涉及的活塞环的变形例的截面图。图7是保持活塞环的基材的治具的截面图。图8是显示活塞环保持板的立体图。图9是显示用于形成硬质碳覆膜的成膜装置的截面图。图10是显示使硬质碳覆膜在基材上成膜的过程的图。图11是显示活塞环槽发生了喇叭状磨耗的状态的示意图。具体实施方式以下对本专利技术的实施方式进行说明。本专利技术的实施方式涉及的活塞环是安装于铝合金制的活塞所形成的活塞环槽的、沿以Fe为主要成分的气缸套滑动的活塞环。图1显示的是本专利技术的实施方式涉及的活塞环10的截面图。活塞环10是在基材12的外周面12a和两个侧面12b1、12b2分别形成硬质碳覆膜3而成。这里，活塞环10的“侧面”是活塞环10的板面，“外周面”是与“侧面”邻接并与“侧面”交叉的面。此外，如图1所示，“外周面”可优选使用曲面(桶状)，只要是适用于活塞环的外周面的形状，则任何形状均可。其中，形成于外周面12a的硬质碳覆膜用符号“3a”表示，分别形成于两个侧面12b1、12b2的硬质碳覆膜用符号“3b”表示。与硬质碳覆膜3a、3b的分界无需是明确的，硬质碳覆膜3b是包含以活塞环10的内径侧(图1的右侧)为起点与侧面12b1、12b2平行地朝向径向外侧(图1的左侧)的部分的覆膜。而硬质碳覆膜3a是至少从基材12的厚度方向看包含从中心Ce至侧面12b1、12b2的部分的覆膜。基材12例如由不锈钢、钢铁、铸铁、铸钢等形成。其中，本实施方式中，基材12的外周面12a形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活塞环，其特征在于，其为安装于铝合金制的活塞的、沿以Fe为主要成分的气缸套滑动的活塞环，外周面和至少一个侧面形成有不含氢的硬质碳覆膜，形成于所述外周面的所述硬质碳覆膜是没有柱状组织的覆膜，形成于所述侧面的所述硬质碳覆膜具有在与该侧面交叉的方向上伸展的柱状组织。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.24 JP 2013-1533921.一种活塞环，其为安装于铝合金制的活塞的、沿以Fe为主要成分的气缸套滑动的活塞环，外周面和至少一个侧面形成有不含氢的硬质碳覆膜，形成于所述外周面的所述硬质碳覆膜是没有柱状组织的覆膜，其特征在于，形成于所述侧面的所述硬质碳覆膜具有在与该侧面交叉的方向上伸展的柱状组织。2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述柱状组织在相对于所述侧面的法线方向向外周侧倾斜10～30度的方向上伸展。...

【专利技术属性】
技术研发人员：辻胜启，
申请(专利权)人：株式会社理研，
类型：发明
国别省市：日本;JP