活塞环制造技术

本发明专利技术提供一种活塞环及其制造方法，使用并不具有特别的功能的通常的成膜装置且无需精密的控制地制造并提供低摩擦性与耐磨耗性优异的活塞环。所述活塞环，其为在环状基材的表面上被覆有非晶碳膜的活塞环，并且非晶碳膜是使用CVD法而成膜，且自基材表面朝向膜表面交替形成有sp

Piston ring

【技术实现步骤摘要】
活塞环本专利技术是2015年8月10日所提出的申请号为201580082326.6、专利技术名称为《活塞环及其制造方法》的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种经非晶碳膜被覆的活塞环及其制造方法。
技术介绍
在发动机内滑动的活塞环装设于形成在活塞的外周面的环槽内且伴随活塞的往返运动而在套筒(sleeve)(汽缸(cylinder))的内周面滑动，因此，在滑动特性中尤其要求低摩擦性与耐磨耗性。因此，以前以来，进行有在活塞环表面形成非晶碳膜(以下，也简称为“碳膜”)而确保滑动特性。此时，为了充分发挥所述低摩擦性或耐磨耗性，必须将碳膜的厚度设定为厚到某程度。然而，非晶碳膜具有强的内部应力，因此不易将一层碳膜成膜为厚膜。因此，例如，专利文献1中提出有层叠两层以上的硬度不同的两种碳层(硬质层与软质层)并形成碳膜，由此缓和内部应力，从而将碳膜成膜为膜厚5.0μm以上的厚膜。此时，适当地规定硬质层与软质层各自的机械特性并加以厚膜化，由此提高膜整体的性能(低摩擦性与耐磨耗性)，但在硬质层与软质层中，所述机械特性不同，因此在叠层界面中产生机械特性的不连续，从而存在层间产生剥离的担忧。关于所述层间的剥离，专利文献2中提出有提高层间的密合性而抑制剥离的产生的技术。专利文献2中，重复形成组成不同的两种层，并且在所述层间形成组成连续地发生变化的倾斜层，由此确保两种层的密合性。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利特开2012-202522号公报专利文献2：日本专利特开2008-286354号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题但是，为了设置所述般的倾斜层，需要具有同时将组成不同的两种层成膜这一特别功能的成膜装置。进而，在倾斜层中，为了获得机械特性的连续性，在成膜时需要精密的控制。因此，理想的是可使用并不具有特别的功能的通常的成膜装置且无需精密的控制地制造并提供低摩擦性与耐磨耗性优异的活塞环的技术。解决问题的技术手段本专利技术人在对所述课题的解决进行研究时，对使用并不具有特别的功能的通常的化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)装置等成膜装置且无需精密的控制地层叠的非晶碳膜的界面中使机械特性连续变化的方法进行了研究，结果认为，首先，若可使成膜装置内的成膜条件连续地发生变化，则可使用通常的成膜装置获得使机械特性连续地发生变化的非晶碳膜。而且，作为具体实现所述情况的指标，本专利技术人着眼于非晶碳膜中的sp2/sp3比。即，着眼于如下情况：sp2/sp3比在非晶碳膜中是表示作为碳的键结方式的sp2键(石墨结构)与sp3键(钻石结构)的比例，在sp2/sp3比低的情况下，形成软质膜，另一方面，在sp2/sp3比高的情况下形成硬质膜。而且，认为在层叠此种软质膜与硬质膜时，若使sp2/sp3比连续地发生变化，则在软质膜与硬质膜的边界中机械特性连续地发生变化，因此可充分地确保层间的密合性，并对无需精密的控制地将此种碳膜成膜的具体的成膜方法进行了研究。结果发现，在使用通常的成膜装置并利用CVD法将碳膜成膜时，可利用对基材温度进行控制这一极其简便的方法而自基材表面朝向膜表面使sp2/sp3比连续增加的增加区域以及sp2/sp3比连续减少的减少区域以在增加区域与减少区域的边界中sp2/sp3比也连续地发生变化的方式交替地存在。即，减少区域为自基材表面朝向膜表面而sp2/sp3比自高sp2/sp3比向低sp2/sp3比减少的区域；另一方面，增加区域为自基材表面朝向膜表面而sp2/sp3比自低sp2/sp3比向高sp2/sp3比增加的区域。因此，若与减少区域连续而存在增加区域，则减少区域的中央部与增加区域的中央部之间成为sp2/sp3比低的部分，从而形成软质膜；另一方面，若与增加区域连续而存在减少区域，则增加区域的中央部与减少区域的中央部之间成为sp2/sp3比高的部分，从而形成硬质膜。而且，如此形成的软质膜与硬质膜的界面为减少区域或增加区域的中间部，且sp2/sp3比连续地发生变化，因此机械特性连续地发生变化。另外，在增加区域与减少区域的边界中sp2/sp3比也连续地发生变化，因此在软质膜或硬质膜的内部，机械特性也连续地发生变化。结果，层叠此种软质膜与硬质膜而成的碳膜中，各膜的内部及界面中，sp2/sp3比连续地发生变化，因此即便并不使用具有特别的功能的成膜装置设置倾斜层，也可防止层内、层间的剥离的产生。另外，如所述般，层叠软质膜与硬质膜而成的碳膜中，可缓和内部应力，因此可实现碳膜的厚膜化。而且，形成有此种碳膜的活塞环可对套筒(汽缸)发挥优异的低摩擦性或耐磨耗性。此时，为了提高形成的碳膜与基材的密合性，理想的是使最初形成的碳膜的硬度接近基材的硬度并慢慢地使具有充分的耐磨耗性的高硬度的膜的膜质发生变化。为此，需要将基材正上方设为增加区域。另一方面，碳膜的表面根据用途而为增加区域或为减少区域均无问题。因此，在碳膜的层叠时，减少区域构成为与增加区域相比为相同数量或少1个区域。再者，形成于最表面的碳膜可以增加区域终结，也可以减少区域终结，可考虑到与滑动对象(汽缸)的初始滑动状态而选定非晶碳膜最表面的硬度或初始磨耗时的硬度变化。技术方案1中记载的专利技术为根据作为结果物的活塞环的方面而掌握所述见解而成的专利技术。即，一种活塞环，其为在环状基材的表面被覆有非晶碳膜的活塞环，其中：所述非晶碳膜是使用CVD法而成膜，且自所述基材表面朝向膜表面交替形成有sp2键相对于sp3键的比率sp2/sp3比连续增加的增加区域以及sp2/sp3比连续减少的减少区域，并且在所述增加区域与所述减少区域的边界中sp2/sp3比连续地发生变化，由此以交替层叠的方式形成sp2/sp3比低的软质膜与sp2/sp3比高的硬质膜；以及所述减少区域构成为与所述增加区域相比为相同数量或少1个区域。技术方案2中记载的专利技术为技术方案1中记载的活塞环，其中：所述非晶碳膜中的氢含量在sp2/sp3比最低的部位为5原子％以上。本专利技术中，作为控制非晶碳膜的膜质(硬度)的方法，优选为通过成膜温度引起的氢含量的增减而改变sp2/sp3比的方法。其原因在于：在非晶碳膜的情况下，氢含量与膜质之间存在相关关系，且氢含量越多，sp2/sp3比越变低，越可设为软质膜。本专利技术中，为了获得可充分缓和内部应力的软质膜，优选为在sp2/sp3比最低的部位碳膜中的氢含量为5原子％以上。技术方案3中记载的专利技术为技术方案1或技术方案2中记载的活塞环，其中：所述非晶碳膜是形成于所述基材的外周滑动面与上下面。所述般的非晶碳膜若考虑到装设于形成于活塞的外周面的环槽中而使用的使用状况，则也可并不形成于活塞环(基材)的内周面，优选为至少形成于基材的外周滑动面与上下面。通过形成于基材的外周滑动面，可提高与套筒的滑动性，另一方面，通过形成于上下面，可提高对活塞环槽的低攻击性。所述技术方案1～技术方案3的专利技术中，在碳膜的形成时将sp2/sp3比作为指标，但也可代替其而将利用拉曼(Raman)分光光度计对拉曼散射光(拉曼光谱)进行测定而求出的ID/IG比用作指标。即，若对碳膜利用拉曼分光光度计测定拉曼散射光，则在1350cm-1附近出现D峰值，在1570cm-1附近出现G峰值。此处，D峰值为基于碳的六员环结构的峰值，G峰值为基于碳的双键本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种活塞环，其为在环状基材的表面被覆有非晶碳膜的活塞环，且其特征在于：所述非晶碳膜是使用化学气相沉积法而成膜，且自所述基材表面朝向膜表面，拉曼光谱的D峰值位置中的峰值面积相对于G峰值位置中的峰值面积的比率ID/IG比连续地发生变化，从而交替形成有所述G峰值位置向高波数位移的高波数位移区域以及所述G峰值位置向低波数位移的低波数位移区域，并且在所述高波数位移区域与所述低波数位移区域的边界中ID/IG比连续地发生变化，由此以交替层叠的方式形成ID/IG比低的软质膜与ID/IG比高的硬质膜；以及所述低波数位移区域构成为与所述高波数位移区域相比，为相同数量或少1个区域。

【技术特征摘要】
1.一种活塞环，其为在环状基材的表面被覆有非晶碳膜的活塞环，且其特征在于：所述非晶碳膜是使用化学气相沉积法而成膜，且自所述基材表面朝向膜表面，拉曼光谱的D峰值位置中的峰值面积相对于G峰值位置中的峰值面积的比率ID/IG比连续地发生变化，从而交替形成有所述G峰值位置向高波数位移的高波数位移区域以及所述G峰值位置向低波数位移的低波数位移区域，并且在所述高波数位移区域与所述低波数位移区域的...

【专利技术属性】
技术研发人员：大城竹彦，三宅浩二，辻冈正宪，吉田聡，
申请(专利权)人：日本ITF株式会社，本田技研工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP