活塞环的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及往复式内燃机中使用的活塞环。特别是设及相对于侣合金制的汽缸 (或汽缸套)进行滑动的活塞环。
【背景技术】
[0002] 从应对燃料费的提高、小型轻量化等出发，开展了汽车用发动机的高输出化及侣 化。例如，在侣合金制的汽缸体中，使用AC4B(JIS-册202)等效材料或ADC12(JIS-册302)等 效材料、A390材等。A390材为过共晶侣合金，在铸造汽缸体后，通过仅对汽缸内径部的滑动 面的侣基体选择性进行蚀刻，使硬质的Si粒子露出到表面来提高耐磨性。此外，W往大多在 侣制汽缸中内嵌铸铁制汽缸套，但近年来，采用使硬质Si粒子在基体中析出的侣合金制的 汽缸套的发动机增加。
[0003] 可是，在汽车用发动机等内燃机中，认为在活塞环与汽缸套的滑动时产生的摩擦 损失占内燃机整体的摩擦损失的2~3成左右，该摩擦损失的降低对内燃机的性能产生较大 影响。为了降低摩擦损失，必须抑制活塞环的磨损而保持滑动面形状，由此，汽缸套与活塞 环的滑动面能够常时W-定的面压进行滑动而将燃烧气体的燃烧能量充分地传递给曲轴。 此外，还需要降低滑动面的摩擦系数。
[0004] 为了提高活塞环外周的滑动面的耐磨性，大多进行氮化层、锻Cr层、利用离子锻法 的金属氮化物层等硬质皮膜的形成。然而，若在由含有18wt%左右的Cr的铁系材料构成的 活塞环的滑动面上形成氮化层，并将该活塞环适用于侣合金制汽缸套，则存在汽缸套大幅 地磨损的倾向，存在能够适用于活塞环的材料被制约的问题。另一方面，在活塞环表面形成 锻Cr层或利用离子锻法等的金属氮化物的硬质皮膜时，存在W下问题:汽缸套的磨损量增 大，或者硬质的Si粒子脱落而使滑动面产生伤痕，发生进一步的磨损或划伤。
[000引因此，近年来，逐渐使用硬质碳(DLC)皮膜。例如，开发了在活塞环外周面上形成含 有5~40原子％的选自51、1'1、胖、化、10、抓、￥中的1种或巧巾^上的元素、且分散有它们的碳 化物的类金刚石碳(DLC)硬质皮膜来提高耐划伤性和耐磨性的技术(专利文献1)。此外，开 发了介由中间层通过AIP法被覆了不含有氨的非晶质硬质碳(DLC)皮膜的活塞环(专利文献 2)。
[0006] 另一方面，为了提高发动机的燃料费等，存在燃烧溫度上升的倾向，燃烧条件变得 严酷而活塞环被暴露于苛刻的使用环境中。特别是在与钢制活塞相比在低溫下软化的侣合 金制活塞的情况下，若燃烧溫度变高，则在与活塞环的滑动部上容易产生侣粘着。并且，若 在活塞环的侧面（上下面)上侣发生粘着，则W该粘着部为基点而活塞的环形槽的磨损增 大，使侣粘着进一步增大。因此，在活塞环的侧面中的至少一面上形成含有固体润滑材料的 树脂皮膜，但树脂皮膜的耐磨性低，虽然能够防止初期的侣粘着，但难W长期地防止侣粘 着。
[0007] 从运种情况出发，开发了在活塞环的至少一个侧面上形成硬质碳(DLC)皮膜来抑 制侣粘着的技术(专利文献3)。此外，开发了介由中间层通过AIP法被覆了不含有氨的非晶 质硬质碳(DLC)皮膜的活塞环(专利文献2)。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1:日本特开平11-172413号公报
[0011] 专利文献2:日本特开2006-57674号公报
[0012] 专利文献3:日本特开平11-166625号公报
【发明内容】
[0013] 发明所要解决的课题
[0014] 然而，判明专利文献1中记载的化C皮膜在使对象材料为侣合金时磨损量增大，并 且与一般的化C皮膜(主要由碳或碳和氨构成)相比摩擦系数变大。此外，专利文献2中记载 的化C皮膜由于为不含有氨的皮膜(ta-C)，所W有可能因皮膜中所含的小滴而导致滑动对 象材料的侣合金制汽缸套的磨损量增大。
[0015] 此外，判明专利文献3中记载的化C皮膜有时磨损量变多。此外，专利文献3中记载 的化C皮膜W维氏硬度来规定，但维氏硬度仅仅测定皮膜的压痕，若皮膜变硬则会受到基材 的影响，并且存在不会再现因活塞环的侧面的皮膜受到的刮划力而产生的皮膜的磨损的问 题。
[0016] 本发明是解决上述问题的发明，目的是提供相对于作为对象材料的侣合金制的汽 缸或汽缸套的耐磨性优异、且也能够降低对象材料的磨损的活塞环。
[0017] 此外，本发明的目的是提供相对于作为对象材料的侣合金制的活塞的耐磨性优 异、且抑制了侣粘着的活塞环。
[0018] 用于解决课题的方案
[0019] 为了解决上述课题，本发明的第1观点所述的活塞环，其特征在于，其是在外周面 上形成有硬质碳皮膜的活塞环，其中，所述硬质碳皮膜含有0.5原子％ ^上且低于5原子％ 的W。
[0020] 根据该活塞环，通过将W的含量设定为0.5原子％^上且低于5原子％，硬质碳皮膜 的耐磨性提高。在硬质碳皮膜中的W的含量低于0.5原子％的情况下，皮膜变得容易从基材 剥离而耐剥离性变差。若W的含量达到5原子％ ^上，则在使对象材料为柔软的侣合金时耐 磨性变差。
[0021] 此外，本发明的第2观点所述的活塞环，其特征在于，其是在两个侧面中的至少一 面上形成有硬质碳皮膜的活塞环，所述硬质碳皮膜含有0.5原子％ ^上且低于5原子％的胖。
[0022] 根据该活塞环，通过将W的含量设定为0.5原子％^上且低于5原子％，硬质碳皮膜 的耐磨性提高，并且能够抑制侣粘着。在硬质碳皮膜中的W的含量低于0.5原子％的情况下， 皮膜变得容易从基材剥离而耐剥离性变差。若W的含量达到5原子％ ^上，则在使对象材料 为柔软的侣合金时耐磨性变差。
[0023] 在第1观点所述的活塞环中，所述硬质碳皮膜的摩擦系数优选为0.10W下。
[0024] 所述硬质碳皮膜中所含的W优选为碳化物及金属运两个形态。
[0025] 所述硬质碳皮膜优选含有10~40原子％的氨。
[0026] 所述硬质碳皮膜的厚度优选为0.5~20WI1。
[0027] 在第I观点所述的活塞环中，所述硬质碳皮膜的马氏体硬度优选为5.5~15GPa。
[0028] 在第2观点所述的活塞环中，所述硬质碳皮膜的马氏体硬度优选为3.5~lOGPa。
[0029] 在第1观点所述的活塞环中，所述硬质碳皮膜的碳的晶体结构的键比率优选为sp2 键:sp3 键= 4:6 ~8:2。
[0030] 在第2观点所述的活塞环中，优选所述硬质碳皮膜也形成于所述活塞环的外周面 上，将形成于所述侧面上的所述硬质碳皮膜的马氏体硬度设为Ml、形成于所述外周面上的 所述硬质碳皮膜的马氏体硬度设为M2时，M1/M2为0.3~0.8。
[0031] 在第2观点所述的活塞环中，优选形成于所述外周面上的所述硬质碳皮膜的碳的 晶体结构的键比率为sp2键:sp3键= 4:6~8:2,形成于所述侧面上的所述硬质碳皮膜的碳 的晶体结构的键比率为sp2键:sp3键=5:5~9:1。
[0032] 发明效果
[0033] 根据本发明的第1观点，可得到相对于作为对象材料的侣合金制的汽缸或汽缸套 的耐磨性优异、且也能够降低对象材料的磨损的活塞环。此外，根据本发明的第2观点，可得 到相对于作为对象材料的侣合金制的活塞的耐磨性优异、且抑制了侣粘着的活塞环。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明的一实施方式所述的活塞环的截面图。
[003引图2是活塞环的截面立体图。
[0036] 图3是表示硬质碳皮膜的W的分析图表的图。
[0037] 图4是表示硬质碳皮膜的Cls的分析图表的图。
[0038] 图5是表示往复式滑动试验的方法的图。
[0039] 图6是表示硬质碳皮膜的磨损量的算出方法的图。
[0040] 图7是表示侣粘着试验机的图。
【具体实施方式】
[0041] W下，对本发明的实施方式进行说明。
[0042] 本发明的第1观点的实施方式所述的活塞环是适用于侣合金制的汽缸或汽缸套中 而与该汽缸(汽缸套)进行滑动的活塞环。此外，本发明的第2观点的实施方式所述的活塞环 是组装到侣合金制的活塞的环形槽中使用的。
[0043] 图1表示本发明的第1观点及第2观点的实施方式所述的活塞环10的截面图。活塞 环10是在基材2的外周面上形成硬质碳皮膜14而成的。其中，如图2中所示的那样，若设活塞 环10的上下的板面为侧面1 Ob、10 C，则外周面1 Oa为与侧面1 Ob、10 C邻接并与该侧面交叉的 面。此外，外周面IOa可W优选使用曲面（圆筒形状），但并不限定于该形状，只要是可适用于 活塞环的外周面的形状，则可W是任意的形状。
[0044] 此外，不想形成硬质碳皮膜14的部分可W通过对基材2实施掩蔽、或者将基材2中 的没有形成硬质碳皮膜的侧面(基材2的表背面)彼此重叠来防止形成。此外，也可W在形成 硬质碳皮膜14后通过实施研磨加工等，将不需要的硬质碳皮膜14除去。
[004引基材2例如由不诱钢、铁钢、铸铁、铸钢等构成。
[0046]硬质碳皮膜(类金刚石碳）14含有0.5原子％ ^上且低于5原子％的￥。在硬质碳皮 膜14中的W的含量低于0.5原子％的情况下，皮膜变得容易从基材2剥离而耐剥离性变差，同 时含有低于0.5原子％的￥在制造上是困难的。此外，在第2观点的活塞环中，若硬质碳皮膜 14中的W的含量低于0.5原子％，则进一步由于硬质碳皮膜14变成接近