CN104421038A - 内燃机用活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明提供即使在高温且高负荷条件下也能够长期地防止铝固着的内燃机用活塞环。一种抗铝固着皮膜12被覆于活塞环用母材11上的内燃机用活塞环1，其特征在于，抗铝固着皮膜12由被覆于活塞环用母材11的上下侧面11a以及11b的至少一方的陶瓷构成。

Description

内燃机用活塞环
技术领域
本发明涉及内燃机用活塞环，尤其是涉及即使在高温且高负荷条件下也能够长期地防止铝固着的内燃机用活塞环。
背景技术
在内燃机中被使用的顶环、第二道环、油环3个活塞环以分别卡合于被设在活塞的表面上的活塞环槽的方式而配置，具有：防止燃气从燃烧室向外部泄漏的气密功能、将活塞的热传递至被冷却的气缸壁而冷却活塞的热传导功能以及将作为润滑油的发动机油适量供给至气缸壁而刮除多余的油的功能。
这些3个活塞环在内燃机动作时，在活塞由于燃料在燃烧室中的爆发而往复运动时，在活塞的活塞环槽内，在与槽内面之间反复碰撞。此外，活塞环由于在活塞环槽内沿其周向自由滑动，因而在活塞槽内滑动。可是，在活塞环槽的表面上，由于用于槽形成的旋盘加工，形成具有1μm左右的高度的突起，由于与上述的活塞环的碰撞与滑动，突起就磨损，铝面就会在活塞环槽的表面露出。
如果该露出的铝面通过碰撞而与活塞环侧面接触，再反复滑动，则就会产生作为铝合金固着(粘着)于活塞环侧面的现象的铝固着。这尤其是在位于最接近于燃烧室，被置于高温条件下的顶环中是显著的。
如果该铝固着进一步进行，则活塞槽的磨损就会急速地进行，活塞环就粘着于环槽。其结果，活塞环的气密功能下降，就产生高压的燃气从燃烧室向曲柄室流出的、被称为所谓的窜气(blowby)的现象，进而具有引起发动机输出下降的问题。
接受这种状况，到目前为止，已经提出了防止活塞环的铝固着的各种各样的技术。例如，在专利文献1中，记载有关如下的技术：通过在与活塞环槽碰撞以及滑动的活塞环的侧面上，设置含有碳黑粒子的树脂类皮膜，使磨合性(なじみ性)提高而防止铝固着。
此外，在专利文献2中，记载有关如下的技术：通过在活塞环的上下侧面的至少一方设置相对于表面皮膜全体而含有10～80质量％的从由镍类粉末、铅类粉末、锌类粉末、锡类粉末、硅类粉末组成的组选择的一种或2种以上的粉末的耐热树脂，有效地防止向活塞环铝固着的技术。
但是，在专利文献1以及2记载的皮膜的情况下，具有如果发动机内的温度上升，则抗铝固着性就下降的问题。因此，在专利文献3中，记载有关如下的技术：通过在活塞环的上下侧面的至少一方设置含有硬质粒子的、具有固体润滑功能的聚酰亚胺皮膜，即使在超过230℃的高温条件下，也长期地维持高的抗铝固着性。
并且，在专利文献4中，记载有关如下的技术：通过在活塞环的上下侧面设置至少含有硅的第一类金刚石碳(Diamond-like carbon，DLC)皮膜和被形成于该第一DLC皮膜的下方的、至少含有W或W、Ni的第二DLC皮膜，以代替树脂类皮膜，从而提供抗铝固着性、抗擦伤性以及抗磨损性优异的活塞环。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2007-278495号公报
专利文献2：特开2008-248986号公报
专利文献3：国际公开第2011/071049号小册子
专利文献4：特开2003-014122号公报
发明内容
发明要解决的课题
可是，近年来，正在进行车的小型化，为了使油耗比提高，排气量就变小。其结果，发动机内的温度和压力就越发上升。然而，在专利文献3那样的树脂类皮膜中，在超过260℃的高温条件下、发动机内的压力超过10MPa这样的高负荷条件下，长期地维持抗铝固着性是困难的。
此外，在专利文献4记载的DLC皮膜中，在超过260℃的高温条件下，金刚石就会石墨化，发挥DLC皮膜本来的特性而维持抗铝固着性是困难的。
这样，一直在渴求即使在超过260℃的高温以及发动机内的压力超过10Mpa的高负荷条件下，也能够长期地维持抗铝固着性的活塞环。
于是，本发明的目的在于，提供即使在高温且高负荷条件下也能够长期地防止铝固着的内燃机用活塞环。
解决课题的手段
发明者们对解决上述课题的方法专心进行了研究。其结果发现：在活塞环部件的表面被覆在超过260℃的高温条件下也具有高的耐久性的、由陶瓷构成的抗铝固着皮膜是有效的，以至于使本发明完成。
即，本发明的主旨构成为以下这样：
(1)一种内燃机用活塞环，其在活塞环用母材上被覆了抗铝固着皮膜的，其特征在于，所述抗铝固着皮膜由被覆于所述活塞环用母材的上下侧面的至少一方的陶瓷构成。
(2)上述(1)所述的内燃机用活塞环，其中，所述抗铝固着皮膜的维氏硬度HV与所述抗铝固着皮膜的表面的算术平均粗糙度Ra(μm)满足下式(A)：
Ra＜－8.7×10－5HV+0.39   (A)
(3)上述(1)或(2)所述的内燃机用活塞环，其中，所述抗铝固着皮膜的维氏硬度HV与所述抗铝固着皮膜的厚度h(μm)满足下式(B)：
h＞－2.9×10－4HV+0.89   (B)
(4)上述(1)或(2)所述的内燃机用活塞环，其中，所述抗铝固着皮膜的维氏硬度HV为500以上2800以下。
(5)上述(1)或(2)所述的内燃机用活塞环，其中，所述抗铝固着皮膜的表面的算术平均粗糙度为0.3μm以下。
(6)上述(1)或(2)所述的内燃机用活塞环，其中，所述抗铝固着皮膜的厚度为0.1μm以上20μm以下。
(7)上述(1)或(2)所述的内燃机用活塞环，其中，构成所述抗铝固着皮膜的陶瓷由选自由氧化铝(alumina)、二氧化钛(titania)、氧化钇(yttria)、氧化锆(zirconia)、二氧化硅(silica)、氧化镁(magnesia)、氧化铬(chromia)、碳化硅、碳化铬、氮化铝、氮化钛、氮化硅、氮化铬组成的组中的至少一种构成。
发明效果
根据本发明，由于将由陶瓷构成的抗铝固着皮膜被覆于活塞环用母材的上下侧面的至少一方，因而即使在高温且高负荷条件下也能够长期地防止铝固着。
附图说明
图1是卡合于活塞环槽的状态的根据本发明的内燃机用活塞环的截面示意图。
图2是用于实施例的发动机模拟试验装置的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明有关本发明的实施方式。图1是卡合于活塞环槽的状态的根据本发明的内燃机用活塞环的截面示意图。该图中显示的内燃机用活塞环1是抗铝固着皮膜12被覆于活塞环用母材11上的内燃机用活塞环。在此，抗铝固着皮膜12由被覆于活塞环用母材11的上下侧面11a和11b的至少一方的陶瓷构成是关键。
如图1所示，活塞环1在卡合于活塞环槽21内的状态下堵塞气缸24的侧壁与活塞20之间的间隙，密封燃气以及油。而且，活塞环1追随于活塞5的往复运动(图中的箭头方向的运动)而在活塞环槽21内上下运动，活塞环1在活塞环1与活塞环槽21的上面22以及下面23之间反复发生碰撞。此外，由于活塞环1在活塞环槽21内沿周向自由滑动，因而活塞环1反复一边与活塞环槽21的上面22以及下面23碰撞，一边滑动。
由于这些活塞环1与活塞环槽21的上面22以及下面23之间的碰撞以及滑动的反复，形成于活塞环槽21的上面22以及下面23上的突起(未图示)被削去，以突起痕迹为中心产生铝面。在此，在本发明中，由于由在高温条件下也具有高的耐久性的陶瓷构成抗铝固着皮膜12，因而在与活塞环槽21的上面22以及下面23之间，形成铝面被削去而初晶硅向表面突出的磨合面，能够防止铝固着。以下，说明有关活塞环1的要素。
活塞环用母材11的材料只要具有经受与活塞环槽21的碰撞的强度，则就不特别地限定。优选为钢、马氏体类不锈钢、奥氏体类不锈钢、高级铸铁等。此外，为了使耐磨损性提高，母材也可以在侧面上如果为不锈钢，则就实施氮化处理；如果为铸铁，则就实施硬质铬电镀或无电解镀镍处理。
构成抗铝固着皮膜12的陶瓷能够形成为从由如下组成的组中所选择的至少一种：氧化铝、二氧化钛、氧化钇、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、氧化铬、碳化硅、碳化铬、氮化铝、氮化钛、氮化硅、氮化铬。其中，从被形成于活塞环槽21的表面上的磨合面表层的初晶硅的维氏硬度HV为1000左右以及与活塞材料的适配性方面而言，优选形成为从由如下组成的组中所选择的至少一种：二氧化钛、氧化钇、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、氧化铬、氮化铝、氮化硅。
此外，抗铝固着皮膜12的维氏硬度HV优选为500以上2800以下。在此，通过将维氏硬度形成为500以上，确保抗铝固着皮膜12的足够的硬度，能够抑制抗铝固着皮膜12被形成于活塞环槽21的表面的磨合面表层的初晶硅(维氏硬度1000左右)显著地磨损。此外，通过将维氏硬度形成为2800以下，抑制破坏磨合面表层的初晶硅，进而能够防止活塞材料显著地磨损。
抗铝固着皮膜12的表面粗糙度优选为0.3μm以下。由具有这种表面粗糙度的陶瓷构成的抗铝固着皮膜12在与活塞环槽接触的情况下也抑制表面压力而减轻活塞材料的攻击，能够抑制活塞材料的磨损量的增加。此外，在本发明中，陶瓷的表面粗糙度是指基于JIS B0601(1994)的算术平均粗糙度Ra，使用表面粗糙度测量装置进行测量。
在此，优选，抗铝固着皮膜12的维氏硬度HV与表面的算术平均粗糙度Ra(μm)满足下式(A)：
Ra＜－8.7×10－5HV+0.39   (A)
发明人将具有各种各样的材料、维氏硬度、表面粗糙度、膜厚的抗铝固着皮膜12形成于活塞环母材11上，评价了所得到的活塞环1的抗铝固着性能以及活塞材料的磨损量。其结果发现：在抗铝固着皮膜12的维氏硬度HV与表面的算术平均粗糙度Ra满足上述式(A)时，抑制活塞材料的磨损，同时具有高的抗铝固着性能。这一般认为，由于通过将表面的算术平均粗糙度Ra形成为对应于抗铝固着皮膜12的硬度的恰当的值，从而在活塞环1与活塞环槽21的上面22和下面23接触时，能够减小它们之间的表面压力。
并且，抗铝固着皮膜12的厚度优选为0.1μm以上20μm以下。通过形成为该范围，在此，通过形成为0.1μm以上，相对于陶瓷的表面粗糙度，皮膜的膜厚充分，成为均匀的皮膜，能够减少活塞材料的磨损量。此外，通过形成为20μm以下，确保活塞环槽21中的足够的空隙，能够使上述的活塞环的功能执行。
在此，优选，抗铝固着皮膜12的维氏硬度HV与膜厚h(μm)满足下式(B)：
h＞－2.9×10－4HV+0.89   (B)
发明人发现：与上述式(A)的情况同样，在抗铝固着皮膜12的维氏硬度HV与膜厚满足上述式(B)时，也抑制活塞材料的磨损，同时具有高的抗铝固着性能。这一般认为，由于通过将膜厚h形成为对应于抗铝固着皮膜12的硬度的恰当的值，能够不使抗铝固着皮膜12磨损消失而抑制活塞材料的磨耗。
这样的抗铝固着皮膜12能够通过已知的各种方法形成。具体而言，能够通过采用熔射、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)、气浮沉积法、冷喷涂法、溶胶凝胶法等，在恰当的成膜条件下进行成膜，制作本发明所涉及的活塞环。
于是，本发明所涉及的活塞环就是即使在高温且高负荷条件下也能够长期地防止铝固着。
实施例
〈活塞环的制作〉
以下，说明有关本发明的实施例。
在由低铬钢构成的活塞环母材的上下侧面上，形成了具有表1～3所示的材料、维氏硬度、表面粗糙度以及膜厚的皮膜。在此，对于发明例4、7、11、13、21～23、29～34，通过气浮沉积法，对于发明例8、12、14～17，通过熔射法，对于发明例1、6、9、10、18～20、24～28，通过CVD法，对于发明例2、3、5，通过PVD法，形成皮膜，制作了活塞环。
另一方面，对于比较例1以及2，通过喷涂按后述的各组成调整的涂料而形成皮膜，制作了活塞环。
此外，对于比较例3，通过无电解镀法形成皮膜，制作了活塞环。
并且，对于比较例4，通过PVD法形成皮膜，制作了活塞环。
此外，在表1中，发明例14～17的抗铝固着皮膜由2种陶瓷构成，发明例14是以3：2混合了Al2O3和SiO2；发明例15是以2：1混合了MgO和SiO2；发明例16是在Al2O3中添加了3质量％的TiO2；发明例17是在Al2O3中添加了40质量％的TiO2。
此外，比较例1的树脂皮膜A是含有5质量％的MoS2粉末(平均粒径2μm、5质量％的石墨粉末(平均粒径2μm)的聚酰亚胺树脂皮膜。
并且，比较例2的树脂皮膜C是含有10质量％的Al2O3粉末(平均粒径0.5μm)的聚酰亚胺树脂皮膜。
表1
表2
表3
评价了发明例1～34以及比较例1～4的活塞环的抗铝固着性能。为此，使用了图2所示的发动机模拟试验装置。图2所示的发动机模拟试验装置30具有活塞32沿上下进行往复运动，活塞环33进行旋转运动的机构，试验通过由加热器31、温度控制器34以及热电偶35对活塞32加热控制而进行。试验条件为表面压力11MPa、环转动速度3mm/s、控制温度265℃、试验时间5个小时，一边以规定的间隔与氮气一起喷射一定量的油，一边进行。在试验之后，检查了活塞环的皮膜残存量以及有无发生铝固着。将所得到的结果显示于表1～3。皮膜残存量的评价基准为以下这样：
◎：0.8μm以上
○：0.4μm以上、不到0.8μm
△：超过0μm、不到0.4μm
×：无皮膜
此外，铝固着性能的评价通过目视确认。将所得到的结果显示于表1～3。并且，铝固着性能的评价基准为以下这样：
◎：没有发生铝固着
○：虽然发生了铝固着，但是极其地轻微
×：发生了铝固着
活塞材料的磨损量通过对试验后的活塞材料表面进行形状测量而算出了从基准面开始的深度。将所得到的结果显示于表1～3。并且，磨损量的评价基准为以下这样：
◎：不足1.0μm
○：1.0μm以上、不到2.0μm
△：2.0μm以上、不到3.0μm
×：3.0μm以上
根据活塞环的抗铝固着性能以及活塞材料的磨损量的评价结果，综合地评价了活塞环的性能。将所得到的结果显示于表1～3。并且，磨损量的评价基准为以下这样：
◎：优良
○：良好
△：比较良好
×：不好
在此，综合评价将皮膜残存、没有铝固着、活塞材料磨损量不到1.0μm的皮膜设为◎；将没有皮膜、具有铝固着、活塞材料磨损量为3.0μm以上的皮膜设为×；将其以外的情况设为○或△。将在所有的评价项目中没有×的皮膜设为○，将在所有的评价项目中×为1～2的皮膜设为△。
〈抗铝固着性能的评价〉
如表1～3所示，对于发明例1～34的所有活塞环，都没有发生铝固着。对于发明例24以及29，虽然皮膜的膜厚薄，试验后皮膜消失而发生了铝固着，但是，是能够忽视的程度的极其轻微的，是没有问题程度的活塞环。
另一方面，对于比较例1以及2，在试验后，皮膜丝毫没有残存，发生了铝固着。此外，对于比较例3，虽然与比较例1以及2同样，在试验后，皮膜丝毫没有残存，发生了铝固着，但是，是极其轻微的。
并且，对于比较例4，皮膜残存量多，铝固着未发生。
〈活塞材料磨损量的评价〉
如表1～3所示，对于除发明例20以及23、24以及29以外的发明例，活塞磨损量不到1μm。对于皮膜的表面粗糙度比较大的发明例20以及23，磨损量为3μm以上这样地多。此外，对于膜厚比较薄的发明例24以及29，磨损量为2μm以上不到3μm这样地稍微多。
另一方面，对于比较例1以及2，磨损量为3μm以上这样地多。此外，对于比较例3，虽然磨损量稍微多，但对于比较例4，磨损量却少。
此外，表2显示皮膜的表面粗糙度与活塞材料的磨损量的关系，可知，对于皮膜的维氏硬度与表面粗糙度满足式(A)的发明例18、19、21以及22，抑制活塞材料的磨损，同时具有高的抗铝固着性能。表1所示的发明例1～17也满足式(A)，可知，抑制活塞材料的磨损，同时具有高的抗铝固着性能。
并且，表3显示皮膜的膜厚与活塞材料的磨损量的关系，可知，对于皮膜的维氏硬度与膜厚满足式(B)的发明例25～28、30～34，抑制活塞材料的磨损，同时具有高的抗铝固着性能。表1所示的发明例1～17也满足式(B)，可知，抑制活塞材料的磨损，同时具有高的抗铝固着性能。
〈综合评价〉
对于所有发明例1～34，给予优良或比较良好以上的评价。尤其是，对于所有抗铝固着皮膜的维氏硬度和表面粗糙度满足式(A)的情况，或者维氏硬度和膜厚满足式(B)的情况，可知，得到了给予优良的评价即抑制活塞材料的磨损，同时具有高的抗铝固着性能的活塞环。
与此相反，对于设有树脂皮膜的比较例1以及2，有关抗铝固着性能以及活塞材料磨损量两者都较差。
此外，对于设有镍皮膜的比较例3以及设有DLC皮膜的比较例4，虽然抗铝固着性能良好或优良，但是活塞材料磨损特性略微差。
工业适用性
根据本发明，通过将由陶瓷构成的抗铝固着皮膜覆盖于活塞环母材的上下侧面的至少一方，从而即使在高温下也能够长期地防止铝固着，因而对于汽车部件制造业是有用的。
符号说明
1、33、活塞环                  11、活塞环用母材
11a、活塞环用母材的上侧侧面
11b、活塞环用母材的下侧侧面
12、抗铝固着皮膜                20、32、活塞
21、活塞环槽                    22、活塞环槽的上面
23、活塞环槽的下面              24、气缸
30、发动机模拟试验装置          31、加热器
34、温度控制器                  35、热电偶。

Claims (7)

1.一种内燃机用活塞环，在活塞环用母材上被覆有抗铝固着皮膜，所述内燃机用活塞环的特征在于，
所述抗铝固着皮膜由被覆于所述活塞环用母材的上下侧面的至少一方的陶瓷构成。
2.根据权利要求1所述的内燃机用活塞环，其特征在于，所述抗铝固着皮膜的维氏硬度HV与所述抗铝固着皮膜的表面的算术平均粗糙度Ra(μm)满足下式(A)：
Ra＜－8.7×10－5HV+0.39   (A)。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞环，其特征在于，所述抗铝固着皮膜的维氏硬度HV与所述抗铝固着皮膜的厚度h(μm)满足下式(B)：
h＞－2.9×10－4HV+0.89   (B)。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞环，其特征在于，所述抗铝固着皮膜的维氏硬度HV为500以上2800以下。
5.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞环，其特征在于，所述抗铝固着皮膜的表面的算术平均粗糙度为0.3μm以下。
6.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞环，其特征在于，所述抗铝固着皮膜的厚度为0.1μm以上20μm以下。
7.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞环，其特征在于，构成所述抗铝固着皮膜的陶瓷由选自由氧化铝、二氧化钛、氧化钇、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、氧化铬、碳化硅、碳化铬、氮化铝、氮化钛、氮化硅、氮化铬组成的组中的至少一种构成。
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