JP2003042293A - Piston ring - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンリングに
関し、更に詳しくは、特にアルミニウム合金からなるシ
リンダライナ用として使用される耐スカッフ性および耐
摩耗性に優れたピストンリングに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring, and more particularly to a piston ring having excellent scuff resistance and wear resistance, which is particularly used for a cylinder liner made of an aluminum alloy.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、内燃機関の軽量化の観点から、ア
ルミニウム合金を使用したシリンダライナが多くなって
きている。アルミニウム合金製のシリンダライナ用とし
て使用されるピストンリングとしては、相手材であるシ
リンダライナとの耐摩耗性や耐スカッフ性に重点をおい
て採用され、主に、マルテンサイト系ステンレス鋼製の
ピストンリングを窒化処理したもの、構造用鋼であるＳ
ＷＯＳＣ−Ｖ鋼製のピストンリングの外周にクロムメッ
キを施したもの、または特に限定されない従来からの鉄
系材料製のピストンリングの外周に複合メッキを施した
もの、等が採用されている。2. Description of the Related Art In recent years, cylinder liners using aluminum alloys have been increasing in number from the viewpoint of weight reduction of internal combustion engines. As a piston ring used for aluminum alloy cylinder liners, the piston rings are mainly made of martensitic stainless steel, with emphasis on wear resistance and scuff resistance with the cylinder liner that is the mating material. Nitride ring, structural steel S
A WOSC-V steel piston ring having an outer circumference plated with chrome, or a conventional piston ring made of a ferrous material, which is not particularly limited, having a composite plating applied to the outer circumference is used.
【０００３】しかし、上述の各ピストンリングは、アル
ミニウム合金製シリンダライナの熱膨張に十分追従でき
ず、そのため、ガスシールが悪くなってガスの吹き抜け
を起こしてブローバイガスを発生させ、その結果、多く
の性能劣化、例えばエンジン出力の低下や潤滑油消費量
の増加を起こすことがあった。However, each of the above-mentioned piston rings cannot sufficiently follow the thermal expansion of the cylinder liner made of aluminum alloy, so that the gas seal is deteriorated and the gas blows through to generate blow-by gas. Performance deterioration, such as a reduction in engine output and an increase in lubricating oil consumption.
【０００４】こうした問題に対しては、特開２０００−
１４５９６３公報には、ピストンリング母材として、相
手材であるアルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張
率に近いオーステナイト系ステンレス鋼を用いることに
より、アルミニウム合金製シリンダライナに対する熱膨
張の追従性を向上させ、ブローバイガスの発生を抑制で
きることが開示されている。To solve this problem, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-
In 145963 publication, by using austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion close to that of an aluminum alloy cylinder liner as a mating material as a piston ring base material, the followability of thermal expansion to the aluminum alloy cylinder liner is improved, It is disclosed that generation of blow-by gas can be suppressed.
【０００５】なお、上述したピストンリングに使用され
るオーステナイト系ステンレス鋼は、従来から使用され
ていたマルテンサイト系ステンレス鋼よりも強度、硬
さ、耐摩耗性において劣るものであり、そのため、従来
においては、オーステナイト系ステンレス鋼からなるピ
ストンリングの少なくとも外周摺動面を窒化処理し、更
にＣｒめっき、複合Ｃｒめっき、溶射、物理蒸着等の表
面処理を行って、耐摩耗性の向上を図っていた。The austenitic stainless steel used for the piston ring described above is inferior in strength, hardness and wear resistance to the conventionally used martensitic stainless steel. Nitriding at least the outer peripheral sliding surface of a piston ring made of austenitic stainless steel, and further performing surface treatment such as Cr plating, composite Cr plating, thermal spraying, physical vapor deposition, etc., to improve wear resistance. .
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そうし
た表面処理皮膜が形成されたピストンリングの外周摺動
面は、アルミニウム合金製シリンダライナの内周面との
間で焼付を起こすことがあった。その理由として、シリ
ンダライナの内周面と摺動接触する初期段階においてな
じみ性が十分でないため、スカッフが発生していた。However, the outer peripheral sliding surface of the piston ring on which such a surface-treated coating is formed may be seized with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner. The reason for this is that scuffing occurs because the conformability is not sufficient in the initial stage of sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder liner.
【０００７】本発明は、上記課題を解決すべくなされた
ものであり、アルミニウム合金製シリンダライナの相手
材として使用されるピストンリングであって、ブローバ
イガスの発生を抑制でき且つ耐スカッフ性および耐摩耗
性に優れたピストンリングを提供するものである。The present invention has been made to solve the above problems, and is a piston ring used as a counterpart material of an aluminum alloy cylinder liner, which can suppress the generation of blow-by gas and has scuff resistance and resistance. It is intended to provide a piston ring having excellent wear resistance.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】請求項１に記載のピスト
ンリングは、１５×１０-6／℃以上の熱膨張係数を有す
るオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストンリン
グ母材の少なくとも外周摺動面に硬質炭素皮膜が形成さ
れていることに特徴を有する。According to a first aspect of the present invention, there is provided a piston ring, which comprises at least an outer peripheral sliding surface of a piston ring base material made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 -6 / ° C or more. It is characterized in that a hard carbon film is formed.
【０００９】この発明によれば、１５×１０-6／℃以上
の熱膨張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼か
らなるピストンリング母材の少なくとも外周摺動面に硬
質炭素皮膜が形成されているので、（イ）そうしたオー
ステナイト系ステンレス鋼の熱膨張率は相手材であるア
ルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張率に近く、ア
ルミニウム合金製シリンダライナに対する熱膨張の追従
性がよく、ブローバイガスの発生を抑制できる。さら
に、（ロ）そうした硬質炭素皮膜が少なくとも外周摺動
面に形成されたピストンリングは、アルミニウム合金製
シリンダライナの内周面との初期なじみ性を改善し、優
れた耐スカッフ性および優れた耐摩耗性を発揮すること
ができる。According to the present invention, since the hard carbon coating is formed on at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring base material made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 −6 / ° C. or more, (A) The coefficient of thermal expansion of such austenitic stainless steel is close to that of the aluminum alloy cylinder liner, which is the counterpart material, and the thermal expansion following the aluminum alloy cylinder liner is good, and the generation of blow-by gas can be suppressed. . Furthermore, (b) The piston ring with such a hard carbon film formed on at least the outer peripheral sliding surface improves the initial conformability with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner, and has excellent scuff resistance and excellent resistance. It can exhibit abrasion resistance.
【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のピストンリングにおいて、前記硬質炭素皮膜は、Ｗ、
Ｗ及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される元素を一または
二以上含有することに特徴を有する。According to a second aspect of the invention, in the piston ring according to the first aspect, the hard carbon coating is W,
It is characterized by containing one or more elements selected from W, Ni, and Ti.
【００１１】この発明によれば、硬質炭素皮膜がＷ、Ｗ
及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される元素を一または二
以上含有するので、そうした硬質炭素皮膜は、優れた耐
スカッフ性と耐摩耗性を発揮してピストンリングの摺動
特性をより一層向上させることができる。According to the present invention, the hard carbon coating is W, W
Since one or more elements selected from Ni, Ni, and Ti are contained, such a hard carbon film exerts excellent scuff resistance and wear resistance to further improve the sliding characteristics of the piston ring. be able to.
【００１２】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のピストンリングにおいて、前記硬質炭素皮膜は、前記
外周摺動面の表面に形成された少なくともＳｉを含有す
る第１硬質炭素皮膜と、該第１硬質炭素皮膜下に形成さ
れた、Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される元素
を一または二以上含有する第２硬質炭素皮膜とからなる
積層皮膜であることに特徴を有する。According to a third aspect of the present invention, in the piston ring according to the first aspect, the hard carbon coating is a first hard carbon coating containing at least Si formed on the surface of the outer peripheral sliding surface. And a second hard carbon film formed under the first hard carbon film and containing one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti. Have.
【００１３】この発明によれば、少なくともＳｉを含有
する第１硬質炭素皮膜と、その第１硬質炭素皮膜下に形
成された、Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される
元素を一または二以上含有する第２硬質炭素皮膜とから
なる硬質炭素積層皮膜が、ピストンリングの少なくとも
外周摺動面に形成されているので、第１硬質炭素皮膜に
より初期なじみ性および耐スカッフ性の向上を図ること
ができ、第２硬質炭素皮膜により耐摩耗性の向上を図る
ことができる。本発明のピストンリングは、作用の異な
る２つの硬質炭素皮膜を積層したので、単一層からなる
硬質炭素皮膜に比べて積層する各硬質炭素皮膜の個々の
特性を最適なものに調整し易いという利点があり、初期
なじみ性、耐スカッフ性および耐摩耗性をより一層向上
させることができる。According to the present invention, the first hard carbon film containing at least Si and one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti formed under the first hard carbon film are used. Since the hard carbon laminated film composed of the second hard carbon film containing two or more is formed on at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring, the first hard carbon film improves the initial conformability and scuff resistance. The second hard carbon film can improve wear resistance. Since the piston ring of the present invention has two hard carbon coatings having different functions laminated, it is easy to adjust the individual characteristics of each hard carbon coating to be optimal as compared with the hard carbon coating composed of a single layer. Thus, the initial running-in property, the scuff resistance and the wear resistance can be further improved.
【００１４】請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請
求項３の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記
ピストンリング母材の少なくとも外周摺動面には、スパ
ッタリング皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめ
っき皮膜および窒化層から選択された何れかが下地皮膜
または下地層として形成されていることに特徴を有す
る。According to a fourth aspect of the present invention, in the piston ring according to any one of the first to third aspects, at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring base material has a sputtering coating or an ion plating coating. The present invention is characterized in that any one selected from a chromium plating film and a nitride layer is formed as a base film or a base layer.
【００１５】この発明によれば、ピストンリングの少な
くとも外周摺動面には、硬くて靱性のあるスパッタリン
グ皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜
および窒化層から選択された何れかが下地皮膜として形
成されているので、外周摺動面の耐摩耗性をより一層向
上させることができる。According to the present invention, any one selected from a hard and tough sputtering film, an ion plating film, a chrome plating film and a nitride layer is formed as a base film on at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring. Therefore, the wear resistance of the outer peripheral sliding surface can be further improved.
【００１６】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請
求項４の何れかに記載のピストンリングにおいて、前記
ピストンリングの少なくとも外周摺動面には、少なくと
もＣｒを含有する下地層が形成されていることに特徴を
有する。According to a fifth aspect of the present invention, in the piston ring according to any one of the first to fourth aspects, an underlayer containing at least Cr is formed on at least an outer peripheral sliding surface of the piston ring. It is characterized by being.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下、本発明のピストンリングに
ついて図面を参照しつつ説明する。なお、以下におい
て、％は、質量比での％すなわち質量％をいう。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A piston ring of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following,% means% in mass ratio, that is, mass%.
【００１８】本発明のピストンリング１０は、図１〜図
３に示すように、１５×１０-6／℃以上の熱膨張係数を
有するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストン
リング母材１の少なくとも外周摺動面６に硬質炭素皮膜
が形成されている。さらに、本発明のピストンリング１
０は、その硬質炭素皮膜２が、Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及び、
Ｔｉから選択される元素を一または二以上含有する単層
皮膜（以下、硬質炭素単層皮膜２ａという。）、また
は、少なくともＳｉを含有する第１硬質炭素皮膜１１
と、その第１硬質炭素皮膜１１下に形成された、Ｗ、Ｗ
及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される元素を一または二
以上含有する第２硬質炭素皮膜１２とからなる積層皮膜
（以下、硬質炭素積層皮膜２ｂという。）である。As shown in FIGS. 1 to 3, the piston ring 10 of the present invention includes at least an outer peripheral slide of a piston ring base material 1 made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 −6 / ° C. or more. A hard carbon film is formed on the moving surface 6. Furthermore, the piston ring 1 of the present invention
0 indicates that the hard carbon film 2 is W, W and Ni, and
A single-layer coating containing one or more elements selected from Ti (hereinafter referred to as a hard carbon single-layer coating 2a), or a first hard carbon coating 11 containing at least Si.
And W, W formed under the first hard carbon film 11
And a second hard carbon coating 12 containing one or more elements selected from Ni and Ti (hereinafter referred to as hard carbon laminated coating 2b).
【００１９】こうした構成からなる本発明のピストンリ
ングは、相手材であるアルミニウム合金製シリンダライ
ナに対する熱膨張の追従性がよく、ブローバイガスの発
生を抑制できると共に、アルミニウム合金製シリンダラ
イナの内周面との初期なじみ性を改善し、優れた耐スカ
ッフ性および優れた耐摩耗性を発揮することができる。The piston ring of the present invention having such a structure has a good followability of thermal expansion to the aluminum alloy cylinder liner as a mating member, can suppress the generation of blow-by gas, and can also form an inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner. It is possible to improve the initial conformability with and to exhibit excellent scuff resistance and excellent wear resistance.
【００２０】本発明のピストンリング１０は、ピストン
に形成されたピストンリング溝に装着され、ピストンの
上下運動（往復運動に同じ。）によってアルミニウム合
金製シリンダライナの内周面を摺動接触しながら上下運
動する摺動部材である。本発明のピストンリング１０
は、トップリング、セカンドリング、オイルリングの何
れかであってもまたはそれらの全てであってもよい。な
お、本発明のピストンリング１０は、アルミニウム合金
製のピストンに装着されるピストンリングとして好まし
く用いられる。The piston ring 10 of the present invention is mounted in a piston ring groove formed in the piston, and slides in contact with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner by the vertical movement of the piston (same as reciprocating movement). It is a sliding member that moves up and down. Piston ring 10 of the present invention
May be any of a top ring, a second ring, an oil ring, or all of them. The piston ring 10 of the present invention is preferably used as a piston ring mounted on a piston made of an aluminum alloy.
【００２１】（１）ピストンリング母材
ピストンリング母材１は、１５×１０-6／℃以上の熱膨
張係数を有するオーステナイト系ステンレス鋼によって
作製される。こうした熱膨張係数を有するピストンリン
グ母材１は、通常の熱膨張係数が約２０×１０-6／℃の
アルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張に十分追従
することができる。熱膨張係数が１５×１０-6／℃未満
の場合は、アルミニウム合金製シリンダライナの熱膨張
に十分追従することができないので、多量のブローバイ
ガスの発生を招き、エンジン出力の低下や潤滑油消費量
が増加することがある。(1) Piston ring base material The piston ring base material 1 is made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 −6 / ° C. or more. The piston ring base material 1 having such a coefficient of thermal expansion can sufficiently follow the thermal expansion of a cylinder liner made of an aluminum alloy having a normal coefficient of thermal expansion of about 20 × 10 −6 / ° C. If the coefficient of thermal expansion is less than 15 × 10 −6 / ° C., the thermal expansion of the aluminum alloy cylinder liner cannot be sufficiently followed, so that a large amount of blow-by gas is generated, resulting in a decrease in engine output and consumption of lubricating oil. The quantity may increase.
【００２２】使用したオーステナイト系ステンレス鋼
は、オーステナイト相を有し、３．５％以上１７％以下
のＮｉと、１５％以上２０％以下のＣｒを含有すること
が好ましい。Ｎｉ含有量が３．５％未満では、Ｃｒ含有
量との配合比率を変えても１５×１０-6／℃以上の熱膨
張係数を確保することができない。なお、Ｎｉには、オ
ーステナイト系ステンレス鋼中への窒素元素の侵入を妨
害する作用があるので、後述するようにオーステナイト
系ステンレス鋼の表面を窒化処理する場合においては、
Ｎｉ含有量が１７％を超えると窒化処理時間が長くなる
という不都合がある。従って、Ｎｉ含有量を３．５％以
上、より好ましくは８％以上とし、１７％以下、より好
ましくは１５％以下に限定できる。The austenitic stainless steel used preferably has an austenitic phase and contains 3.5% or more and 17% or less Ni and 15% or more and 20% or less Cr. If the Ni content is less than 3.5%, a thermal expansion coefficient of 15 × 10 −6 / ° C. or more cannot be secured even if the mixing ratio with the Cr content is changed. Since Ni has a function of hindering the invasion of nitrogen element into the austenitic stainless steel, when nitriding the surface of the austenitic stainless steel as described later,
If the Ni content exceeds 17%, the nitriding treatment time becomes long. Therefore, the Ni content can be limited to 3.5% or more, more preferably 8% or more, and 17% or less, more preferably 15% or less.
【００２３】さらに、Ｃｒは、侵入する窒素元素と結合
して高硬度の窒化クロムを形成し、その結果、窒化層の
硬さを向上させる作用があるので、後述するようにオー
ステナイト系ステンレス鋼の表面を窒化処理する場合に
おいては、オーステナイト系ステンレス鋼の耐摩耗性や
耐スカッフ性の向上を図るための重要な元素となる。Ｃ
ｒ含有量が１５％未満では、高硬度の窒化クロムが十分
に形成されないので、高硬度の窒化層が得られない。一
方、Ｃｒも、Ｎｉほどではないが、オーステナイト系ス
テンレス鋼中への窒素元素の侵入を妨害する作用がある
ので、後述するようにオーステナイト系ステンレス鋼の
表面を窒化処理する場合においては、Ｃｒ含有量が２０
％を超えると、窒化処理時間が長くなるという不都合が
ある。従って、Ｃｒ含有量を、１５％以上、より好まし
くは１８％以上とし、２０％以下に限定した。Further, Cr combines with invading nitrogen element to form high-hardness chromium nitride, and as a result, has the effect of improving the hardness of the nitrided layer. Therefore, as will be described later, Cr of austenitic stainless steel is used. When nitriding the surface, it is an important element for improving the wear resistance and scuff resistance of austenitic stainless steel. C
When the r content is less than 15%, high hardness chromium nitride is not sufficiently formed, and thus a high hardness nitride layer cannot be obtained. On the other hand, Cr, though not so much as Ni, has an effect of impeding the intrusion of nitrogen element into the austenitic stainless steel, and therefore, when nitriding the surface of the austenitic stainless steel as described later, it contains Cr. Amount is 20
If it exceeds%, there is an inconvenience that the nitriding treatment time becomes long. Therefore, the Cr content is set to 15% or more, more preferably 18% or more and limited to 20% or less.
【００２４】なお、オーステナイト系ステンレス鋼の成
分組成としては、上述のＮｉやＣｒのほかに、必要に応
じてＭｎ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｓｅ、Ｔｉ、Ｎ等の元素
を添加したものを使用することができる。これらの添加
元素の効果は、従来公知のものと同様である。As the composition of the austenitic stainless steel, in addition to the above Ni and Cr, if necessary, elements such as Mn, Mo, Cu, Nb, Se, Ti and N are added. can do. The effects of these additional elements are similar to those conventionally known.
【００２５】こうしたピストンリング母材１で構成され
た本発明のピストンリングは、アルミニウム合金製シリ
ンダライナの熱膨張に十分に追従することができるの
で、ファーストリング、セカンドリング、オイルリング
の何れに用いても十分にその効果を発揮することができ
る。そして、本発明のピストンリング１０の相手材とな
るアルミニウム合金製シリンダライナは、上述のよう
に、約２０×１０-6／℃程度の熱膨張係数を有するもの
であり、例えばＳｉ量が１６〜１８％あるいはＳｉ量が
２３〜２８％の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金からなるものであ
る。本発明のピストンリング１０は、比較的大きな熱膨
張を起こすアルミニウム合金製シリンダライナに対して
上述の顕著な効果を有している。Since the piston ring of the present invention composed of the piston ring base material 1 can sufficiently follow the thermal expansion of the aluminum alloy cylinder liner, it is used for any of the first ring, the second ring and the oil ring. However, the effect can be fully exhibited. The aluminum alloy cylinder liner that is the mating material of the piston ring 10 of the present invention has a coefficient of thermal expansion of about 20 × 10 −6 / ° C., as described above. It is made of a hypereutectic Al-Si alloy having 18% or a Si content of 23 to 28%. The piston ring 10 of the present invention has the above-mentioned remarkable effects on an aluminum alloy cylinder liner that undergoes relatively large thermal expansion.
【００２６】（２）硬質炭素皮膜
ピストンリング母材１の少なくとも外周摺動面６に形成
される硬質炭素皮膜は、アルミニウム合金製シリンダラ
イナの内周面との初期なじみ性を改善し、優れた耐スカ
ッフ性および優れた耐摩耗性を発揮することができる皮
膜であって、Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択され
る元素を一または二以上含有する硬質炭素単層皮膜２
ａ、または、少なくともＳｉを含有する第１硬質炭素皮
膜１１と、その第１硬質炭素皮膜１１下に形成された、
Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される元素を一ま
たは二以上含有する第２硬質炭素皮膜１２とからなる硬
質炭素積層皮膜２ｂの何れかからなるものである。(2) Hard carbon coating The hard carbon coating formed on at least the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring base material 1 improves the initial conformability with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner and is excellent. A hard carbon single-layer coating 2 capable of exhibiting scuff resistance and excellent abrasion resistance, containing one or more elements selected from W, W, Ni, and Ti.
a, or a first hard carbon film 11 containing at least Si and formed under the first hard carbon film 11,
The hard carbon laminated coating 2b is composed of the second hard carbon coating 12 containing one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti.
【００２７】先ず、硬質炭素単層皮膜２ａについて説明
する。First, the hard carbon single layer coating 2a will be described.
【００２８】硬質炭素単層皮膜２ａは、ピストンリング
母材１の少なくとも外周摺動面６に形成されて優れた耐
スカッフ性と耐摩耗性を発揮してピストンリングの摺動
特性をより一層向上させることができる単層皮膜であっ
て、Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される元素を
一または二以上含有するものである。The hard carbon single-layer coating 2a is formed on at least the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring base material 1 and exhibits excellent scuff resistance and wear resistance to further improve the sliding characteristics of the piston ring. A single-layer film that can be formed, and contains one or more elements selected from W, W and Ni, and Ti.
【００２９】こうした硬質炭素単層皮膜２ａのうち、少
なくともＷを含有するＷ−Ｃ系の硬質炭素皮膜または、
更にＮｉを含有するＷ−Ｎｉ−Ｃ系の硬質炭素皮膜は、
金属Ｗ及び／又はＷＣを含有しているので、極めて耐摩
耗性に優れている。さらに、硬質炭素皮膜が含有するＷ
の作用により、膜厚形成能が向上し厚膜化が可能とな
る。その結果、生産性のよい耐摩耗性皮膜を形成できる
という利点がある。なお、Ｎｉは硬質炭素皮膜形成用Ｗ
ターゲット中に含有されている場合が多く、硬質炭素皮
膜中に含有されやすい元素である。Ｎｉを含有する硬質
炭素皮膜形成用Ｗターゲットはコスト削減の観点から有
利である。また、少なくともＴｉを含有するＴｉ−Ｃ系
の硬質炭素皮膜も、上述のＷ−Ｃ系またはＷ−Ｎｉ−Ｃ
系の硬質炭素皮膜と同様、含有する金属Ｔｉ及び／又は
ＴｉＣの作用により、極めて耐摩耗性に優れている。な
お、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉの全てを含有するＷ−Ｎｉ−Ｔｉ−
Ｃ系の硬質炭素単層皮膜も、上記同様、含有する各金属
及び／又は各炭化物の作用により、極めて耐摩耗性に優
れている。Of these hard carbon single-layer coatings 2a, a WC-based hard carbon coating containing at least W, or
Further, the W-Ni-C-based hard carbon coating containing Ni is
Since it contains the metal W and / or WC, it is extremely excellent in wear resistance. Further, W contained in the hard carbon film
By the action of, the film thickness forming ability is improved and the film thickness can be increased. As a result, there is an advantage that a wear-resistant coating with good productivity can be formed. In addition, Ni is W for forming a hard carbon film
It is an element that is often contained in the target and is easily contained in the hard carbon film. The W target for forming a hard carbon film containing Ni is advantageous from the viewpoint of cost reduction. Further, the Ti-C-based hard carbon coating containing at least Ti is also the above-mentioned WC-based or W-Ni-C.
Like the hard carbon coating of the system, it has extremely excellent wear resistance due to the action of the contained metal Ti and / or TiC. In addition, W-Ni-Ti- containing all of W, Ni, and Ti
Similarly to the above, the C-based hard carbon single layer coating is also extremely excellent in wear resistance due to the action of each metal and / or each carbide contained.
【００３０】外周摺動面６に形成される硬質炭素単層皮
膜２ａの厚さは、１〜６０μｍであることが好ましく５
〜３０μｍであることがさらに好ましい。こうした範囲
内の厚さを有する硬質炭素単層皮膜２ａは、アルミニウ
ム合金製シリンダライナの内周面と継続的に摺動接触し
ても優れた耐摩耗性を長期間継続させることができる。
硬質炭素単層皮膜２ａの厚さが１μｍ未満では、膜厚が
薄いので、摩耗が僅かながら進行した際にピストンリン
グの外周摺動面６の耐摩耗性を十分担保できないことが
ある。一方、硬質炭素単層皮膜２ａの厚さが６０μｍを
超えると、摺動接触中に剥離することがある。The hard carbon single layer coating 2a formed on the outer peripheral sliding surface 6 preferably has a thickness of 1 to 60 μm.
More preferably, it is ˜30 μm. The hard carbon single-layer coating 2a having a thickness within such a range can maintain excellent wear resistance for a long period of time even if it continuously makes sliding contact with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner.
If the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a is less than 1 μm, the film thickness is small, so that the wear resistance of the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring may not be sufficiently secured when the wear progresses slightly. On the other hand, if the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a exceeds 60 μm, it may peel during sliding contact.
【００３１】なお、後述するように、外周摺動面以外の
面、すなわち、上面８、下面９または内周面７に硬質炭
素単層皮膜２ａを形成する場合における各面に形成する
硬質炭素単層皮膜２ａの厚さは、上面８および下面９に
ついては１〜３０μｍであることが好ましく、内周面７
については０．０１μｍ以上であることが好ましい。As will be described later, when the hard carbon monolayer coating 2a is formed on the surface other than the outer peripheral sliding surface, that is, the upper surface 8, the lower surface 9 or the inner peripheral surface 7, the hard carbon single layer formed on each surface is formed. The thickness of the layer coating 2 a is preferably 1 to 30 μm for the upper surface 8 and the lower surface 9, and the inner peripheral surface 7
Is preferably 0.01 μm or more.
【００３２】上下面８、９に形成する硬質炭素単層皮膜
２ａの厚さを１〜３０μｍとしたのは、ピストンリング
溝との間の耐Ａｌ凝着性、耐摩耗性および製造上の観点
によるものである。具体的には、上下面８、９に形成さ
れる硬質炭素単層皮膜２ａの厚さが１μｍ未満では、膜
厚が薄くてピストンリング溝の壁面との間で耐摩耗性の
向上が図れないことがある。一方、上下面８、９に形成
される硬質炭素単層皮膜２ａの厚さが３０μｍを超える
と、形成された硬質炭素単層皮膜２ａに剥離が発生する
ことがある。また、内周面７に形成する硬質炭素単層皮
膜２ａの厚さを０．０１μｍ以上とすることにより、硬
質炭素単層皮膜２ａの耐剥離性を向上させることができ
る。また、上下面８、９および内周面７に形成される硬
質炭素単層皮膜２ａの厚さは、後述するように、成膜時
に隣接するピストンリングの隙間が大きくなるように配
置することによって変化させることができるので、外周
摺動面６の厚さとの差を適宜調整できる。The thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 is set to 1 to 30 .mu.m because the Al adhesion resistance with the piston ring groove, the abrasion resistance and the manufacturing viewpoint. It is due to. Specifically, if the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 is less than 1 μm, the abrasion resistance with the wall surface of the piston ring groove cannot be improved because the thickness is thin. Sometimes. On the other hand, when the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the upper and lower surfaces 8, 9 exceeds 30 μm, peeling may occur in the formed hard carbon single-layer coating 2a. Further, by setting the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the inner peripheral surface 7 to 0.01 μm or more, the peel resistance of the hard carbon single-layer coating 2a can be improved. Further, the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 and the inner peripheral surface 7 is set by arranging so that the gap between the adjacent piston rings during film formation becomes large, as described later. Since it can be changed, the difference from the thickness of the outer peripheral sliding surface 6 can be adjusted appropriately.
【００３３】なお、本発明においては、外周摺動面６に
おける硬質炭素単層皮膜２ａの厚さを１００（指数）と
したときに、上面８及び下面９における硬質炭素単層皮
膜２ａの厚さを５０〜９９（指数）とすることが好まし
く、また、内周面７における硬質炭素単層皮膜２ａの厚
さを１〜４９（指数）とすることが好ましい。In the present invention, the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a on the upper surface 8 and the lower surface 9 is 100 when the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a on the outer peripheral sliding surface 6 is 100 (index). Is preferably 50 to 99 (index), and the thickness of the hard carbon single-layer coating 2a on the inner peripheral surface 7 is preferably 1 to 49 (index).
【００３４】硬質炭素単層皮膜２ａの組成については特
に限定されないが、Ｗ−Ｃ系の硬質炭素単層皮膜２ａの
場合には、Ｗ：５０〜８５％好ましくは６０〜８０％、
Ｃ：残部、その他不可避不純物であることが、上述した
優れた作用効果の観点から好ましい。また、Ｗ−Ｎｉ−
Ｃ系の硬質炭素単層皮膜２ａの場合には、Ｗ：５５〜８
５％好ましくは６０〜８０％、Ｎｉ：３〜１０％好まし
くは５〜８％、Ｃ：残部、その他不可避不純物であるこ
とが、上述した優れた作用効果の観点から好ましい。ま
た、Ｔｉ−Ｃ系の硬質炭素単層皮膜２ａの場合には、Ｔ
ｉ：２０〜５０％好ましくは３０〜４０％、Ｃ：残部、
その他不可避不純物であることが、上述した優れた作用
効果の観点から好ましい。The composition of the hard carbon single layer coating 2a is not particularly limited, but in the case of the WC type hard carbon single layer coating 2a, W: 50 to 85%, preferably 60 to 80%,
C: The balance and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. In addition, W-Ni-
In the case of the C-based hard carbon single layer film 2a, W: 55-8
5%, preferably 60 to 80%, Ni: 3 to 10%, preferably 5 to 8%, C: balance, and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. Further, in the case of the Ti—C based hard carbon single layer film 2a, T
i: 20 to 50%, preferably 30 to 40%, C: balance,
Other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect.
【００３５】さらに、後述するように、硬質炭素単層皮
膜２ａは、反応性スパッタリング法またはプラズマＣＶ
Ｄ法等により成膜されるが、成膜中にガス流量を変化さ
せ、母材１側から表面側に向かって硬質炭素単層皮膜２
ａの成分組成を連続的または段階的に徐々に変化させる
こともできる。こうした手段により、厚さ方向の硬質炭
素単層皮膜２ａの耐摩耗性を徐々に変化させることがで
きる。Further, as described later, the hard carbon single layer film 2a is formed by the reactive sputtering method or plasma CV.
The film is formed by the D method or the like, but the gas flow rate is changed during the film formation to form the hard carbon single layer film 2 from the base material 1 side toward the surface side.
The component composition of a can also be gradually changed continuously or stepwise. By such means, the wear resistance of the hard carbon single-layer coating 2a in the thickness direction can be gradually changed.
【００３６】以上説明したように、本発明のピストンリ
ング１０においては、こうした硬質炭素単層皮膜２が少
なくとも外周摺動面６に形成されているので、アルミニ
ウム合金製シリンダライナの内周面に摺動接触する外周
摺動面６の初期なじみ性および耐スカッフ性が改善さ
れ、さらに耐摩耗性が向上して、良好な摺動接触を長期
間継続させることができる。As described above, in the piston ring 10 of the present invention, since the hard carbon single layer coating 2 is formed on at least the outer peripheral sliding surface 6, it slides on the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner. The initial conformability and scuff resistance of the outer peripheral sliding surface 6 in dynamic contact are improved, the wear resistance is further improved, and good sliding contact can be continued for a long time.
【００３７】次に、硬質炭素積層皮膜２ｂについて説明
する。Next, the hard carbon laminated film 2b will be described.
【００３８】硬質炭素積層皮膜２ｂは、その表面には、
アルミニウム合金製シリンダライナの内周面に摺動接触
する外周摺動面６の初期なじみ性および耐スカッフ性に
優れた第１硬質炭素皮膜１１を有し、その第１硬質炭素
皮膜１１の下にはその第１硬質炭素皮膜が摩耗した後に
現れる耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２を有す
る。On the surface of the hard carbon laminated coating 2b,
An aluminum alloy cylinder liner has a first hard carbon film 11 excellent in initial conformability and scuff resistance of an outer peripheral sliding surface 6 slidingly contacting, and under the first hard carbon film 11 Has a second hard carbon coating 12 with excellent wear resistance that appears after the first hard carbon coating is worn.
【００３９】第１硬質炭素皮膜について説明する。The first hard carbon film will be described.
【００４０】第１硬質炭素皮膜１１は、硬質炭素積層皮
膜２ｂにおける表面層を構成し、少なくともＳｉ（ケイ
素）を含有するＳｉ−Ｃ系の硬質炭素皮膜である。Ｓｉ
を含有する第１硬質炭素皮膜１１は、摺動接触時の初期
なじみ性と耐スカッフ性に優れ、ピストンリング１０の
外周摺動面６とシリンダライナの内周面との焼き付き等
を防止することができる。こうした特徴を有する第１硬
質炭素皮膜１１は、後述する第２硬質炭素皮膜１２に比
べて耐摩耗性については若干落ちるものの、厚さの下限
値を０．１μｍとすることによって、初期なじみ性を著
しく改善することができ、優れた耐スカッフ性を発揮す
ることができる。なお、第１硬質炭素皮膜１１の好まし
い厚さの範囲は、１〜３０μｍであり、更に好ましくは
５〜１５μｍである。こうした範囲内に第１硬質炭素皮
膜の厚さを設定することによって、初期なじみ性を著し
く改善することができ、優れた耐スカッフ性を発揮する
ことができる。The first hard carbon film 11 is a Si-C type hard carbon film that constitutes the surface layer of the hard carbon laminated film 2b and contains at least Si (silicon). Si
The first hard carbon film 11 containing is excellent in initial conformability and scuff resistance during sliding contact, and prevents seizure between the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10 and the inner peripheral surface of the cylinder liner. You can The first hard carbon film 11 having such characteristics has a slightly lower wear resistance than the second hard carbon film 12 described later, but the lower limit of the thickness of the first hard carbon film 11 is set to 0.1 μm to improve the initial conformability. It can be remarkably improved and excellent scuff resistance can be exhibited. The thickness range of the first hard carbon film 11 is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 15 μm. By setting the thickness of the first hard carbon film within such a range, the initial running-in property can be remarkably improved, and excellent scuff resistance can be exhibited.
【００４１】第１硬質炭素皮膜１１の組成については特
に限定されないが、Ｓｉ：５０〜７０％好ましくは５５
〜６５％、Ｃ：残部、その他不可避不純物からなること
が好ましい。こうした第１硬質炭素皮膜１１中に含有す
るＳｉは、金属Ｓｉとして含まれていても、ＳｉＣとし
て含まれていても、または、金属ＳｉおよびＳｉＣとし
て含まれていてもよい。The composition of the first hard carbon film 11 is not particularly limited, but Si: 50 to 70%, preferably 55.
˜65%, C: balance, preferably other unavoidable impurities. The Si contained in the first hard carbon film 11 may be contained as metallic Si, as SiC, or as metallic Si and SiC.
【００４２】また、第１硬質炭素皮膜１１は、後述する
第２硬質炭素皮膜１２上に必ず形成されるので、第１硬
質炭素皮膜１１と第２硬質炭素皮膜１２とが高い密着性
をもって積層されていることが望ましい。こうした要求
を満たすため、本発明においては、第１硬質炭素皮膜１
１中のＳｉ含有比率を、表面側から第２硬質炭素皮膜側
に向かって連続的又は段階的に増加するように傾斜させ
て形成することが好ましい。そうすることにより、第２
硬質炭素皮膜１２近傍の第１硬質炭素皮膜１１のＳｉ含
有比率を高くして、第１硬質炭素皮膜１２と第２硬質炭
素皮膜１２との密着性を向上させることができる。その
結果、耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮膜を密着性
よく第２硬質炭素皮膜上に設けることができるので、ピ
ストンリングにの外周摺動面６における初期なじみ性お
よび耐スカッフ性を顕著に向上させることができる。Since the first hard carbon coating 11 is always formed on the second hard carbon coating 12 described later, the first hard carbon coating 11 and the second hard carbon coating 12 are laminated with high adhesion. Is desirable. In order to meet such requirements, in the present invention, the first hard carbon film 1
It is preferable that the Si content ratio in 1 be formed so as to be gradually or continuously increased from the surface side toward the second hard carbon film side. By doing so, the second
The Si content ratio of the first hard carbon film 11 near the hard carbon film 12 can be increased to improve the adhesion between the first hard carbon film 12 and the second hard carbon film 12. As a result, the first hard carbon film having excellent scuff resistance can be provided on the second hard carbon film with good adhesion, so that the initial fitting property and the scuff resistance on the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring are remarkable. Can be improved.
【００４３】図４は、第１硬質炭素皮膜１１が含有する
Ｓｉの含有比率を膜厚方向に傾斜させた態様を示してい
る。図４に示すように、Ｓｉの含有比率が表面側から第
２硬質炭素皮膜側に向かって高くなるように曲線状に変
化させたり、直線状に変化させることができる。このと
き、第２硬質炭素皮膜１２に接する部分の第１硬質炭素
皮膜１１のＳｉの含有比率を高くし、およそ７０〜１０
０％であることが好ましい。Ｓｉ含有比率をこうした範
囲内とすることにより、第２硬質炭素皮膜１２との密着
性がより向上する。なお、最外周側の第１硬質炭素皮膜
１１のＳｉ含有比率は低くなり、およそ０〜７０％とな
る。FIG. 4 shows a mode in which the content ratio of Si contained in the first hard carbon film 11 is inclined in the film thickness direction. As shown in FIG. 4, the content ratio of Si can be changed into a curved shape so as to increase from the surface side toward the second hard carbon film side, or can be changed into a linear shape. At this time, the Si content ratio of the portion of the first hard carbon film 11 in contact with the second hard carbon film 12 is increased to about 70 to 10
It is preferably 0%. By setting the Si content ratio within such a range, the adhesion with the second hard carbon film 12 is further improved. The Si content ratio of the first hard carbon film 11 on the outermost peripheral side is low, and is about 0 to 70%.
【００４４】次に、第２硬質炭素皮膜について説明す
る。Next, the second hard carbon film will be described.
【００４５】第２硬質炭素皮膜１２は、少なくとも外周
摺動面６に形成された硬質炭素積層皮膜２ｂにおける下
層、すなわち硬質炭素積層皮膜２ｂにおける第１硬質炭
素皮膜１１の下層を構成するものである。The second hard carbon coating 12 constitutes at least the lower layer of the hard carbon laminated coating 2b formed on the outer peripheral sliding surface 6, that is, the lower layer of the first hard carbon coating 11 of the hard carbon laminated coating 2b. .
【００４６】この第２硬質炭素皮膜１２は、少なくとも
Ｗを含有するＷ−Ｃ系の硬質炭素皮膜または、更にＮｉ
を含有するＷ−Ｎｉ−Ｃ系の硬質炭素皮膜である。こう
した第２硬質炭素皮膜１２は、金属Ｗ及び／又はＷＣを
含有しているので、極めて耐摩耗性に優れている。さら
に、第２硬質炭素皮膜１２が含有するＷの作用により、
膜厚形成能が向上し厚膜化が可能となる。その結果、生
産性のよい耐摩耗性皮膜を形成できるという利点があ
る。なお、Ｎｉは第２硬質炭素皮膜形成用Ｗターゲット
中に含有されている場合が多く、第２硬質炭素皮膜１２
中に含有されやすい元素である。Ｎｉを含有する第２硬
質炭素皮膜形成用Ｗターゲットはコスト削減の観点から
有利である。また、少なくともＴｉを含有するＴｉ−Ｃ
系の硬質炭素皮膜も、上述のＷ−Ｃ系またはＷ−Ｎｉ−
Ｃ系の硬質炭素皮膜と同様、含有する金属Ｔｉ及び／又
はＴｉＣの作用により、極めて耐摩耗性に優れている。
なお、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉの全てを含有するＷ−Ｎｉ−Ｔｉ
−Ｃ系の第２硬質炭素皮膜１２も、上記同様、含有する
各金属及び／又は各炭化物の作用により、極めて耐摩耗
性に優れている。The second hard carbon coating 12 is a WC-based hard carbon coating containing at least W, or Ni.
It is a W-Ni-C type hard carbon film containing. Since the second hard carbon coating 12 contains the metal W and / or WC, it has extremely excellent wear resistance. Further, by the action of W contained in the second hard carbon film 12,
The film thickness forming ability is improved and the film thickness can be increased. As a result, there is an advantage that a wear-resistant coating with good productivity can be formed. Note that Ni is often contained in the W target for forming the second hard carbon film, and thus the second hard carbon film 12
It is an element that is easily contained. The second hard carbon film-forming W target containing Ni is advantageous from the viewpoint of cost reduction. In addition, Ti-C containing at least Ti
The hard carbon film of the system is also the above-mentioned W-C system or W-Ni-
Similar to the C-based hard carbon coating, it has extremely excellent wear resistance due to the action of the contained metal Ti and / or TiC.
In addition, W-Ni-Ti containing all of W, Ni, and Ti
Similarly to the above, the -C-based second hard carbon coating 12 is also extremely excellent in wear resistance due to the action of each contained metal and / or each carbide.
【００４７】外周摺動面６に形成される第２硬質炭素皮
膜１２の厚さは、０．５〜５０μｍであることが好まし
く３〜２０μｍであることがさらに好ましい。こうした
範囲内の厚さを有する第２硬質炭素皮膜１２は、外周摺
動面６において優れた耐摩耗性を発揮することができ
る。第２硬質炭素皮膜１２の厚さが０．５μｍ未満で
は、膜厚が薄いので、摩耗が僅かながら進行した際にピ
ストンリングの外周摺動面６の耐摩耗性を十分担保でき
ないことがある。一方、第２硬質炭素皮膜１２の厚さが
５０μｍを超えると、摺動接触中に剥離することがあ
る。The thickness of the second hard carbon film 12 formed on the outer peripheral sliding surface 6 is preferably 0.5 to 50 μm, more preferably 3 to 20 μm. The second hard carbon film 12 having a thickness within such a range can exhibit excellent wear resistance on the outer peripheral sliding surface 6. If the thickness of the second hard carbon film 12 is less than 0.5 μm, the film thickness is small, so that the wear resistance of the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring may not be sufficiently ensured when the wear progresses slightly. On the other hand, when the thickness of the second hard carbon film 12 exceeds 50 μm, it may peel off during sliding contact.
【００４８】第２硬質炭素皮膜１２の組成については特
に限定されないが、Ｗ−Ｃ系の第２硬質炭素皮膜１２の
場合には、Ｗ：５０〜８５％好ましくは６０〜８０％、
Ｃ：残部、その他不可避不純物であることが、上述した
優れた作用効果の観点から好ましい。また、Ｗ−Ｎｉ−
Ｃ系の第２硬質炭素皮膜１２の場合には、Ｗ：５５〜８
５％好ましくは６０〜８０％、Ｎｉ：３〜１０％好まし
くは５〜８％、Ｃ：残部、その他不可避不純物であるこ
とが、上述した優れた作用効果の観点から好ましい。ま
た、Ｔｉ−Ｃ系の硬質炭素単層皮膜２ａの場合には、Ｔ
ｉ：２０〜５０％好ましくは３０〜４０％、Ｃ：残部、
その他不可避不純物であることが、上述した優れた作用
効果の観点から好ましい。The composition of the second hard carbon film 12 is not particularly limited, but in the case of the WC type second hard carbon film 12, W: 50 to 85%, preferably 60 to 80%,
C: The balance and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. In addition, W-Ni-
In the case of the C-based second hard carbon film 12, W: 55-8
5%, preferably 60 to 80%, Ni: 3 to 10%, preferably 5 to 8%, C: balance, and other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect. Further, in the case of the Ti—C based hard carbon single layer film 2a, T
i: 20 to 50%, preferably 30 to 40%, C: balance,
Other unavoidable impurities are preferable from the viewpoint of the above-described excellent action and effect.
【００４９】さらに、後述するように、第２硬質炭素皮
膜１２は、反応性スパッタリング法またはプラズマＣＶ
Ｄ法等により成膜されるが、成膜中にガス流量を変化さ
せ、母材１側から表面側に向かって第２硬質炭素皮膜の
成分組成を連続的または段階的に徐々に変化させること
もできる。こうした手段により、厚さ方向の第２硬質炭
素皮膜の耐摩耗性を徐々に変化させることができる。Further, as will be described later, the second hard carbon film 12 is formed by the reactive sputtering method or plasma CV.
The film is formed by the D method or the like, but the gas flow rate is changed during the film formation to gradually or continuously change the component composition of the second hard carbon film from the base material 1 side to the surface side. You can also By such means, the wear resistance of the second hard carbon coating in the thickness direction can be gradually changed.
【００５０】以上説明したように、本発明のピストンリ
ング１０においては、こうした硬質炭素積層皮膜２ｂが
少なくとも外周摺動面６に形成されているので、先ず、
表面に形成された第１硬質炭素皮膜１１の作用により、
シリンダライナの内周面に摺動接触する外周摺動面６の
初期なじみ性が改善されると共に耐スカッフ性が向上す
る。次いで、シリンダライナの内周面との摺動接触が進
行すると、その第１硬質炭素皮膜１１が徐々に摩耗し、
その第１硬質炭素皮膜１１の下に形成された第２硬質炭
素皮膜１２が現れる。現れた第２硬質炭素皮膜１２は、
耐摩耗性に優れるので、外周摺動面の摩耗が抑制され、
良好な摺動接触を長期間継続させることができる。ま
た、第１硬質炭素皮膜１１および第２硬質炭素皮膜の何
れにおいても、アルミニウム合金製シリンダライナの内
周面との間の焼付を抑制することができ、その点におい
ても、良好な摺動接触を長期間継続させることができ
る。As described above, in the piston ring 10 of the present invention, since such a hard carbon laminated coating 2b is formed on at least the outer peripheral sliding surface 6, first of all,
By the action of the first hard carbon film 11 formed on the surface,
The initial conformability of the outer peripheral sliding surface 6 that makes sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder liner is improved, and the scuff resistance is improved. Then, when sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder liner progresses, the first hard carbon film 11 gradually wears,
The second hard carbon film 12 formed under the first hard carbon film 11 appears. The second hard carbon film 12 that appears is
Since it has excellent wear resistance, wear on the outer peripheral sliding surface is suppressed,
Good sliding contact can be continued for a long time. Further, in any of the first hard carbon coating 11 and the second hard carbon coating, seizure with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner can be suppressed, and in that respect as well, good sliding contact can be achieved. Can be continued for a long time.
【００５１】（３）外周摺動面以外の面の構成
本発明のピストンリングは、図１（ａ）〜（ｆ）に示す
ように、少なくとも外周摺動面６に硬質炭素単層皮膜２
ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂを有するものであるが、
図１（ａ）（ｄ）に示すように必ずしも外周摺動面６に
のみ硬質炭素単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂ
が形成されている必要はない。したがって、外周摺動面
以外の面、すなわち、ピストンリングの上面８、下面
９、内周面７の何れか一以上の面またはその全ての面に
硬質炭素単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂを形
成することができる。(3) Structure of Surfaces Other Than External Sliding Surface As shown in FIGS. 1 (a) to 1 (f), the piston ring of the present invention has a hard carbon single layer coating 2 on at least the external sliding surface 6.
a or having a hard carbon laminated coating 2b,
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (d), the hard carbon single-layer coating 2a or the hard carbon laminated coating 2b is not necessarily provided only on the outer peripheral sliding surface 6.
Need not be formed. Therefore, the hard carbon single-layer coating 2a or the hard carbon laminated coating 2b is formed on the surface other than the outer peripheral sliding surface, that is, any one or more of the upper surface 8, the lower surface 9 and the inner peripheral surface 7 of the piston ring. Can be formed.
【００５２】図１（ｂ）（ｅ）に示すように、硬質炭素
単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂがピストンリ
ング１０の外周摺動面６、上面８および下面９に連続し
て形成される場合には、アルミニウム合金製シリンダラ
イナの内周面とピストンリングの外周摺動面６との間お
よびピストンリング溝内の側面とピストンリングの上下
面８、９との間のＡｌ凝着現象の抑制、初期なじみ性お
よび耐摩耗性の向上を図ることができる。As shown in FIGS. 1B and 1E, a hard carbon single layer coating 2a or a hard carbon laminated coating 2b is continuously formed on the outer peripheral sliding surface 6, the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring 10. When the aluminum alloy cylinder liner and the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring and between the side surface in the piston ring groove and the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring, Can be suppressed, and initial conformability and wear resistance can be improved.
【００５３】図１（ｃ）（ｆ）に示すように、硬質炭素
単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂがピストンリ
ング１０の外周摺動面６、上面８、下面９および内周面
７に連続して形成される場合には、アルミニウム合金製
シリンダライナの内周面とピストンリングの外周摺動面
６との間およびピストンリング溝内の側面とピストンリ
ングの上下面８、９との間において、外周摺動面の初期
なじみ性、耐スカッフ性および耐摩耗性の向上を図るこ
とができる。また、ピストンリングの上下面８、９のＡ
ｌ凝着現象の抑制および耐摩耗性の向上を図ることがで
きる。しかも、ピストンリングの全周全てに硬質炭素積
層皮膜２ｂが連続して形成されているので、使用中にお
ける硬質炭素単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂ
のクラック及び／又は欠け等を発生させる起点が少な
く、硬質炭素単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂ
の耐剥離性を向上させることができる。その結果、ピス
トンリングを長期間使用した場合であっても、ピストン
リングの全周において優れた耐摩耗性を発揮させること
ができる。As shown in FIGS. 1C and 1F, the hard carbon single-layer coating 2a or the hard carbon laminated coating 2b is formed on the outer peripheral sliding surface 6, the upper surface 8, the lower surface 9 and the inner peripheral surface 7 of the piston ring 10. When continuously formed, between the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner and the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring, and between the side surface in the piston ring groove and the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring. In the above, it is possible to improve the initial conformability, scuff resistance and wear resistance of the outer peripheral sliding surface. In addition, A of the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring
l Adhesion phenomenon can be suppressed and abrasion resistance can be improved. Moreover, since the hard carbon laminated film 2b is continuously formed on the entire circumference of the piston ring, the hard carbon single layer film 2a or the hard carbon laminated film 2b in use is used.
Hard carbon single layer coating 2a or hard carbon laminated coating 2b with few starting points for cracking and / or chipping
The peel resistance of can be improved. As a result, even when the piston ring is used for a long period of time, excellent wear resistance can be exerted on the entire circumference of the piston ring.
【００５４】上述の場合において、ピストンリング１０
の上面８および下面９に硬質炭素積層皮膜２ｂが形成さ
れる場合における硬質炭素積層皮膜２ｂの厚さは、１．
５〜５０μｍであることが好ましい。この硬質炭素積層
皮膜２ｂのうち、耐スカッフ性に優れた第１硬質炭素皮
膜１１の厚さは少なくとも０．５μｍであればよく、耐
摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１２の厚さは少なくと
も１．０μｍであればよい。ピストンリング１０の上面
８および下面９に形成される硬質炭素積層皮膜２ｂの厚
さを１．５〜５０μｍとしたのは、ピストンリング溝と
の間の耐Ａｌ凝着性、耐摩耗性および製造上の観点によ
るものである。具体的には、上面８および下面９に形成
される硬質炭素積層皮膜２ｂの厚さが１．５μｍ未満で
は、結果的に第２硬質炭素皮膜１２の膜厚が薄くなり、
ピストンリング溝の側面との間で耐摩耗性の向上が図れ
ないことがある。一方、上面８および下面９に形成され
る硬質炭素積層皮膜２ｂの厚さが５０μｍを超えると、
形成された硬質炭素積層皮膜２ｂに剥離が発生し、十分
な耐摩耗性を発揮できないことがある。なお、上下面
８、９に形成される硬質炭素積層皮膜２ｂの厚さは、後
述のように、成膜時に隣接するピストンリング間の隙間
を変化させることによって調整できるので、外周摺動面
６との差を適宜調整できる。In the above case, the piston ring 10
When the hard carbon laminated coating 2b is formed on the upper surface 8 and the lower surface 9 of 1., the thickness of the hard carbon laminated coating 2b is 1.
It is preferably 5 to 50 μm. In this hard carbon laminated coating 2b, the thickness of the first hard carbon coating 11 having excellent scuff resistance may be at least 0.5 μm, and the thickness of the second hard carbon coating 12 having excellent wear resistance may be It may be at least 1.0 μm. The thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring 10 is set to 1.5 to 50 μm because the Al adhesion resistance with the piston ring groove, the abrasion resistance, and the production. This is from the above point of view. Specifically, when the thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the upper surface 8 and the lower surface 9 is less than 1.5 μm, the thickness of the second hard carbon coating 12 becomes thin as a result,
The abrasion resistance may not be improved between the side surface of the piston ring groove and the side surface. On the other hand, if the thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the upper surface 8 and the lower surface 9 exceeds 50 μm,
Peeling may occur in the formed hard carbon laminated film 2b, and sufficient abrasion resistance may not be exhibited. The thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the upper and lower surfaces 8 and 9 can be adjusted by changing the gap between the adjacent piston rings at the time of film formation, as will be described later. Can be adjusted appropriately.
【００５５】上述の場合において、ピストンリング１０
の内周面７に硬質炭素積層皮膜２ｂが形成される場合に
おける硬質炭素積層皮膜２ｂの厚さは、０．０１５μｍ
以上であることが好ましい。この硬質炭素積層皮膜２ｂ
のうち、第１硬質炭素皮膜１１の厚さは少なくとも０．
００５μｍであればよく、第２硬質炭素皮膜１２の厚さ
は少なくとも０．０１０μｍであればよい。０．０１５
μｍ以上の硬質炭素積層皮膜２ｂを内周面７に形成した
ピストンリング１０は、硬質炭素積層皮膜２ｂの耐剥離
性を向上させることができる。なお、内周面７に形成さ
れる硬質炭素積層皮膜２ｂの厚さは、後述のように、成
膜時に隣接するピストンリング間の隙間を変化させるこ
とによって調整できるので、外周摺動面６や上下面８、
９の厚さとの差を適宜調整できる。In the above case, the piston ring 10
The thickness of the hard carbon laminated coating 2b when the hard carbon laminated coating 2b is formed on the inner peripheral surface 7 is 0.015 μm.
The above is preferable. This hard carbon laminated film 2b
Among them, the thickness of the first hard carbon film 11 is at least 0.
The thickness of the second hard carbon film 12 may be at least 0.010 μm. 0.015
The piston ring 10 having the hard carbon laminated coating 2b having a thickness of μm or more formed on the inner peripheral surface 7 can improve the peel resistance of the hard carbon laminated coating 2b. The thickness of the hard carbon laminated coating 2b formed on the inner peripheral surface 7 can be adjusted by changing the gap between the adjacent piston rings during film formation, as will be described later. Upper and lower surface 8,
The difference from the thickness of 9 can be adjusted appropriately.
【００５６】また、本発明のピストンリング１０は、図
２（ａ）（ｂ）に示すように、上述の第２硬質炭素皮膜
１２を、ピストンリングの上面８および下面９にも、さ
らには内周面７にも連続して形成することができる。Further, in the piston ring 10 of the present invention, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the above-mentioned second hard carbon film 12 is applied to the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring, and further to the inner surface. It can also be formed continuously on the peripheral surface 7.
【００５７】図２（ａ）に示すように、耐摩耗性に優れ
た第２硬質炭素皮膜１２を単一層としてピストンリング
１０の上面８および下面９に更に連続して形成する場合
には、ピストンリング溝内の側面とピストンリングの上
下面８、９との間のＡｌ凝着現象を抑制することができ
る。さらに、ピストンリング溝内の側面とピストンリン
グの上下面８、９との間の耐摩耗性の改善を図ることが
できる。As shown in FIG. 2 (a), when the second hard carbon film 12 having excellent wear resistance is formed as a single layer on the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring 10 continuously, The Al adhesion phenomenon between the side surface in the ring groove and the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring can be suppressed. Further, the wear resistance between the side surface in the piston ring groove and the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring can be improved.
【００５８】図２（ｂ）に示すように、耐摩耗性に優れ
た第２硬質炭素皮膜１２をピストンリングの全ての面に
単一層として連続して形成する場合には、使用中におけ
る第２硬質炭素皮膜のクラック及び／又は欠け等を発生
させる起点が少なく、第２硬質炭素皮膜の耐剥離性を向
上させて長期間優れた耐摩耗性を維持することができ
る。As shown in FIG. 2B, when the second hard carbon film 12 having excellent wear resistance is continuously formed as a single layer on all surfaces of the piston ring, the second hard carbon film 12 in use is used. There are few starting points for cracking and / or chipping of the hard carbon film, the peel resistance of the second hard carbon film can be improved, and excellent wear resistance can be maintained for a long period of time.
【００５９】なお、本発明のピストンリングをオイルリ
ングのサイドレールとして使用する場合には、耐摩耗性
に優れる第２硬質炭素皮膜１２または必要に応じて第１
硬質炭素皮膜をさらに形成してなる硬質炭素積層皮膜２
ｂを、上下面８、９に形成することなく、内周面７に形
成してもよい。このように構成することにより、外周摺
動面６と内周面７に優れた耐摩耗性または、優れた耐ス
カッフ性と耐摩耗性を付与することができる。When the piston ring of the present invention is used as a side rail of an oil ring, the second hard carbon film 12 having excellent wear resistance or, if necessary, the first hard carbon film 12 is used.
Hard carbon laminated film 2 formed by further forming a hard carbon film
The b may be formed on the inner peripheral surface 7 without being formed on the upper and lower surfaces 8 and 9. With such a configuration, excellent wear resistance or excellent scuff resistance and wear resistance can be imparted to the outer peripheral sliding surface 6 and the inner peripheral surface 7.
【００６０】また、本発明のピストンリング１０は、図
２（ｃ）に示すように、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素
皮膜１２をピストンリングの全ての面に単一層として連
続して形成し、第１硬質炭素皮膜１１を外周摺動面６以
外の上面８および下面９にも更に連続して形成して積層
させてもよい。すなわち、第１硬質炭素皮膜１１を、第
２硬質炭素皮膜１２が更に連続して形成されたピストン
リングの上面８および下面９の何れか一以上の面または
ピストンリングの上面８、下面９および内周面７の何れ
か一以上の面に形成して、部分的に積層させてもよい。
第１硬質炭素皮膜１１を、耐摩耗性に優れた第２硬質炭
素皮膜１２が更に連続して形成された上下面８、９、内
周面７の何れか一以上の面に形成することにより、その
積層部分は上述した硬質炭素積層皮膜２を構成し、その
第１硬質炭素皮膜形成面における初期なじみ性と耐スカ
ッフ性さらには耐摩耗性をより一層向上させることがで
きる。In the piston ring 10 of the present invention, as shown in FIG. 2 (c), the second hard carbon coating 12 having excellent wear resistance is continuously formed as a single layer on all surfaces of the piston ring. However, the first hard carbon film 11 may be further continuously formed and laminated on the upper surface 8 and the lower surface 9 other than the outer peripheral sliding surface 6. That is, the first hard carbon film 11 is formed on one or more of the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring on which the second hard carbon film 12 is further continuously formed, or the upper surface 8, the lower surface 9 and the inner surface of the piston ring. It may be formed on any one or more surfaces of the peripheral surface 7 and partially laminated.
By forming the first hard carbon coating 11 on any one or more of the upper and lower surfaces 8, 9 and the inner peripheral surface 7 on which the second hard carbon coating 12 having excellent wear resistance is further formed continuously The laminated portion constitutes the hard carbon laminated coating 2 described above, and the initial conformability and scuff resistance and further wear resistance on the first hard carbon coated surface can be further improved.
【００６１】外周摺動面以外の面に第２硬質炭素皮膜を
形成した場合における第２硬質炭素皮膜１２の厚さは、
ピストンリング１０の上下面８、９については、１〜３
０μｍであることが好ましい。ピストンリング１０の上
面８および下面９に形成される第２硬質炭素皮膜１２の
厚さを１〜３０μｍとしたのは、ピストンリング溝との
間の耐Ａｌ凝着性、耐摩耗性および製造上の観点による
ものである。The thickness of the second hard carbon coating 12 when the second hard carbon coating is formed on the surface other than the outer peripheral sliding surface is
About the upper and lower surfaces 8 and 9 of the piston ring 10,
It is preferably 0 μm. The thickness of the second hard carbon film 12 formed on the upper surface 8 and the lower surface 9 of the piston ring 10 is set to 1 to 30 μm in view of Al adhesion resistance with the piston ring groove, wear resistance and manufacturing. From the perspective of.
【００６２】また、ピストンリング１０の内周面７に形
成される第２硬質炭素皮膜１２の厚さについては、耐摩
耗性の観点から少なくとも０．０１μｍ以上であること
が好ましく、より好ましくは０．３〜２７μｍの範囲内
である。０．０１μｍ以上の第２硬質炭素皮膜１２を内
周面７に形成したピストンリング１０は、第２硬質炭素
皮膜１２の耐剥離性を向上させることができる。また、
内周面７に形成される第２硬質炭素皮膜１２の厚さは、
後述のように、成膜時に隣接するピストンリングの隙間
が大きくなるように配置することによって厚くすること
ができるので、外周摺動面６や上下面８、９の厚さとの
差を適宜調整できる。Further, the thickness of the second hard carbon film 12 formed on the inner peripheral surface 7 of the piston ring 10 is preferably at least 0.01 μm or more, more preferably 0 from the viewpoint of wear resistance. It is within the range of 0.3 to 27 μm. The piston ring 10 having the second hard carbon coating 12 of 0.01 μm or more formed on the inner peripheral surface 7 can improve the peel resistance of the second hard carbon coating 12. Also,
The thickness of the second hard carbon film 12 formed on the inner peripheral surface 7 is
As will be described later, it is possible to increase the thickness by arranging the adjacent piston rings so that the gap between adjacent piston rings is large during film formation, so that the difference between the outer peripheral sliding surface 6 and the upper and lower surfaces 8, 9 can be adjusted appropriately. .
【００６３】また、そうした第２硬質炭素皮膜上に必要
に応じて形成する第１硬質炭素皮膜の厚さは、初期なじ
み性と耐スカッフ性の観点から、０．００５μｍ以上で
あればよく、好ましくは０．１５〜１４μｍである。The thickness of the first hard carbon coating formed on the second hard carbon coating as needed may be 0.005 μm or more from the viewpoint of initial conformability and scuff resistance, and is preferable. Is 0.15 to 14 μm.
【００６４】（４）硬質炭素皮膜の成膜方法
上述した硬質炭素単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜
２ｂは、反応性イオンプレーティング法や反応性スパッ
タリング法等のいわゆるＰＶＤ法によって形成すること
ができる。また、プラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法によっ
ても形成することができる。こうしたＰＶＤ法やＣＶＤ
法は、ワークの形状要因に基づいて、ワークの各部で厚
さの差が生じることがあり、特に、本発明のピストンリ
ング１０のように、例えば反応性イオンプレーティング
装置や反応性スパッタリング装置のチャンバー内の治具
に取り付けられて成膜されるワークにあっては、外周摺
動面６が最も厚くなりやすく、上面８と下面９が続き、
内周面７が最も薄くなりやすい。そうした厚さの差は、
ピストンリングの母材１を治具に取り付ける際に、隣接
するピストンリングの母材１との隙間を調整することに
よってコントロールすることができ、例えば、その隙間
を大きくすることによって各々の面の厚さの差を小さく
でき、隙間を小さくすることによって各々の面の厚さの
差を大きくすることができる。(4) Method for forming hard carbon film The above-mentioned hard carbon single layer film 2a or hard carbon laminated film 2b can be formed by a so-called PVD method such as a reactive ion plating method or a reactive sputtering method. it can. It can also be formed by a CVD method such as a plasma CVD method. PVD method and CVD
According to the method, a thickness difference may occur in each part of the work based on the shape factor of the work. In particular, like the piston ring 10 of the present invention, for example, a reactive ion plating device or a reactive sputtering device is used. In a work that is attached to a jig in a chamber to form a film, the outer peripheral sliding surface 6 tends to be the thickest, and the upper surface 8 and the lower surface 9 continue,
The inner peripheral surface 7 tends to be the thinnest. The difference in thickness is
When the base material 1 of the piston ring is attached to the jig, it can be controlled by adjusting the gap between the base material 1 of the adjacent piston ring. For example, by increasing the gap, the thickness of each surface can be increased. The difference in thickness can be reduced, and the difference in thickness between the surfaces can be increased by reducing the gap.
【００６５】さらに、本発明のピストンリング１０にお
いては、硬質炭素単層皮膜２ａ、硬質炭素積層皮膜２ｂ
または第２硬質炭素皮膜を内周面７に形成することによ
り、ピストンリング１０の摺動時におけるオイル焼けに
基づくすすの付着の問題を解決することができるという
利点がある。すなわち、従来においては、ピストンリン
グとピストンリング溝との間で起こるオイル焼けによっ
て発生したすすが、ピストンリングの下面９および内周
面７に付着または凝着してピストンリングを拘束してし
まうことがあった。こうしたことは、ピストンリングと
ピストンリング溝との間にすすがたまりやすい矩形形状
のピストンリングの場合では特に顕著であるが、ハーフ
キーストンリングの場合や、ディーゼルエンジンに好ま
しく採用されているフルキーストンリングの場合であっ
ても同様な傾向を示した。こうしたすすの付着の問題に
対して、本発明のピストンリング１０は、全周、特にこ
うしたすすの問題が起こる下面９および内周面７に耐摩
耗性に優れた硬質炭素単層皮膜２ａ、硬質炭素積層皮膜
２ｂまたは第２硬質炭素皮膜１２を形成することによ
り、すすが付きにくく、たとえ付着したとしても容易に
砕くことができ、その結果、すすの付着を防止すること
ができるという顕著な効果を有している。Further, in the piston ring 10 of the present invention, the hard carbon single layer coating 2a and the hard carbon laminated coating 2b are provided.
Alternatively, by forming the second hard carbon film on the inner peripheral surface 7, there is an advantage that the problem of soot adhesion due to oil burn when the piston ring 10 slides can be solved. That is, in the past, soot generated by oil burning between the piston ring and the piston ring groove adheres or adheres to the lower surface 9 and the inner peripheral surface 7 of the piston ring to restrain the piston ring. was there. This is particularly remarkable in the case of a rectangular piston ring in which soot is likely to accumulate between the piston ring and the piston ring groove, but in the case of a half keystone ring or a full keystone ring that is preferably adopted in a diesel engine. In the case of, the same tendency was shown. With respect to such a problem of soot adhesion, the piston ring 10 of the present invention has a hard carbon single-layer coating 2a having excellent wear resistance on the entire circumference, particularly on the lower surface 9 and the inner peripheral surface 7 where such a soot problem occurs, By forming the carbon laminated film 2b or the second hard carbon film 12, soot hardly adheres, and even if adhered, it can be easily crushed, and as a result, soot can be prevented from adhering. have.
【００６６】（５）下地皮膜または下地層
図３（ａ）〜（ｉ）に示すように、本発明のピストンリ
ング１０の少なくとも外周摺動面６には、スパッタリン
グ皮膜、イオンプレーティング皮膜、クロムめっき皮膜
および窒化層から選択された何れかを下地皮膜または下
地層（以下、下地皮膜または下地層を、「下地皮膜３」
という。）として形成することができる。こうした下地
皮膜３は、硬くて靱性があるので、下地皮膜３が形成さ
れた面における耐摩耗性をより一層向上させることがで
きる。(5) Undercoat or Underlayer As shown in FIGS. 3 (a) to 3 (i), at least the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10 of the present invention has a sputtering coating, an ion plating coating, and a chromium coating. Any one selected from the plating film and the nitriding layer is used as a base film or base layer (hereinafter, the base film or base layer is referred to as “base film 3”).
Say. ). Since the undercoat 3 is hard and tough, it is possible to further improve the wear resistance on the surface on which the undercoat 3 is formed.
【００６７】下地皮膜３は、外周摺動面６のみに形成し
ても、外周摺動面６、上面８および下面９に形成して
も、外周摺動面６、内周面７、上面８および下面９の全
周に形成してもよく、適宜必要に応じて設けることがで
きる。Whether the base coating 3 is formed only on the outer peripheral sliding surface 6, or on the outer peripheral sliding surface 6, the upper surface 8 and the lower surface 9, the outer peripheral sliding surface 6, the inner peripheral surface 7 and the upper surface 8 are formed. It may be formed on the entire circumference of the lower surface 9 and may be provided as needed.
【００６８】スパッタリング皮膜、イオンプレーティン
グ皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択された
何れかの下地皮膜３は、上述した硬質炭素単層皮膜２
ａ、硬質炭素積層皮膜２ｂまたは第２硬質炭素皮膜１２
の下地皮膜として形成することが好ましいが、それらの
硬質炭素皮膜２ａ、２ｂ、１２が形成されていない面
（例えば、内周面７、上面８および下面９の何れかの
面）においては表面皮膜として形成することもできる。Any of the undercoat films 3 selected from the sputtering film, the ion plating film, the chromium plating film and the nitride layer is the hard carbon single layer film 2 described above.
a, hard carbon laminated film 2b or second hard carbon film 12
It is preferable to form the surface coating on the surface on which the hard carbon coatings 2a, 2b, 12 are not formed (for example, any of the inner peripheral surface 7, the upper surface 8 and the lower surface 9). It can also be formed as.
【００６９】好ましい下地皮膜３は、イオンプレーティ
ング法で形成されるイオンプレーティング皮膜であり、
特に、ＣｒＮ、Ｃｒ2Ｎ、ＴｉＮ、Ｃｒ−Ｏ−Ｎ、Ｃｒ
−Ｂ−Ｎ等の硬質皮膜であることが好ましい。イオンプ
レーティング皮膜は、硬くて靱性があるので、摺動面と
して作用するピストンリング１０の外周摺動面６の耐摩
耗性を更に向上させることができる。なお、イオンプレ
ーティング法の代わりに反応性スパッタリング法等の薄
膜形成法によって形成された下地皮膜３であってもよ
い。こうした下地皮膜３の厚さは、５〜５０μｍ程度で
あることが好ましい。A preferable undercoat film 3 is an ion plating film formed by an ion plating method,
In particular, CrN, Cr 2 N, TiN , Cr-O-N, Cr
It is preferably a hard coating such as -BN. Since the ion plating film is hard and tough, it is possible to further improve the wear resistance of the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10, which acts as a sliding surface. Note that the base film 3 formed by a thin film forming method such as a reactive sputtering method may be used instead of the ion plating method. The thickness of the undercoat 3 is preferably about 5 to 50 μm.
【００７０】クロムめっき皮膜および窒化層の形成手段
についても特に限定されない。クロムめっき皮膜におい
ては、単層めっき皮膜でも積層めっき皮膜でも複合めっ
き皮膜でもよい。窒化層においては、イオン窒化層で
も、ガス窒化層でもよく、その形成手段には特に限定さ
れない。The means for forming the chromium plating film and the nitride layer are not particularly limited. The chromium plating film may be a single layer plating film, a multilayer plating film or a composite plating film. The nitriding layer may be an ion nitriding layer or a gas nitriding layer, and its forming means is not particularly limited.
【００７１】なお、ピストンリング１０の少なくとも外
周摺動面６に形成される下地層としては、少なくともＣ
ｒを含有するものであることが好ましい。上述した硬質
炭素単層皮膜２ａ、硬質炭素積層皮膜２ｂまたは第２硬
質炭素皮膜１２の下地層として少なくともＣｒを含有す
る皮膜を形成することで、下地のピストンリング母材１
と、硬質炭素単層皮膜２ａ、硬質炭素積層皮膜２ｂまた
は第２硬質炭素皮膜１２との密着性を向上させることが
できる。この少なくともＣｒを含有する下地層は、スパ
ッタリング法、イオンプレーティング法またはＣｒめっ
き法により形成するのが望ましい。この下地皮膜の厚さ
は、０．１〜５μｍであることが好ましい。The base layer formed on at least the outer peripheral sliding surface 6 of the piston ring 10 is at least C
Those containing r are preferred. By forming a film containing at least Cr as an underlayer of the hard carbon single layer film 2a, the hard carbon laminated film 2b or the second hard carbon film 12 described above, the underlying piston ring base material 1
And the adhesion with the hard carbon single layer film 2a, the hard carbon laminated film 2b, or the second hard carbon film 12 can be improved. The underlayer containing at least Cr is preferably formed by a sputtering method, an ion plating method or a Cr plating method. The thickness of this undercoat is preferably 0.1 to 5 μm.
【００７２】（６）ピストンリングの製造方法
硬質炭素積層皮膜２ｂを形成したピストンリングの製造
方法の一例について説明する。(6) Method for manufacturing piston ring An example of a method for manufacturing a piston ring having the hard carbon laminated film 2b formed thereon will be described.
【００７３】先ず、第２硬質炭素皮膜１２を形成する。
オーステナイト系ステンレス鋼製のピストンリング母材
１を反応性スパッタリング装置のチャンバー内の取付治
具にセットし、そのチャンバー内を真空引きする。その
後、取付治具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを
導入し、イオンボンバードメントによってピストンリン
グ母材１の表面を清浄化する。その後、先ず、Ｃｒター
ゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリングし、
チャンバー内の蒸発したＣｒ原子をピストンリング母材
１上に析出させ、次いで、炭素源であるメタン等の炭化
水素ガスをチャンバー内に導入し、Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及
び、Ｔｉから選ばれる元素を一又は二以上含有する金属
ターゲットをイオン化したアルゴン等でスパッタリング
し、チャンバー内の炭素原子と蒸発した金属原子とが結
合してピストンリング母材１上に、Ｗ、Ｗ及びＮｉ、及
び、Ｔｉから選ばれる元素を一又は二以上含有する皮膜
として析出させ、耐摩耗性に優れた第２硬質炭素皮膜１
２を形成する。Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉの含有比率は、それらの
元素の蒸発速度および反応性ガスの圧力等を調整するこ
とによって制御される。この場合において、第２硬質炭
素皮膜１２を形成しない面にはマスキング等の処理を施
す。First, the second hard carbon film 12 is formed.
The piston ring base material 1 made of austenitic stainless steel is set on a mounting jig inside the chamber of the reactive sputtering apparatus, and the inside of the chamber is evacuated. Then, an inert gas such as argon is introduced while rotating the attachment jig, and the surface of the piston ring base material 1 is cleaned by ion bombardment. Then, first, a Cr target is sputtered with ionized argon or the like,
Evaporated Cr atoms in the chamber are deposited on the piston ring base material 1, then a hydrocarbon gas such as methane, which is a carbon source, is introduced into the chamber, and an element selected from W, W and Ni, and Ti. One or two or more metal targets are sputtered with ionized argon or the like, and carbon atoms in the chamber and vaporized metal atoms are combined to form W, W and Ni, and Ti on the piston ring base material 1. A second hard carbon film 1 having excellent wear resistance, which is deposited as a film containing one or more elements selected from
Form 2. The content ratio of W, Ni, and Ti is controlled by adjusting the evaporation rate of those elements and the pressure of the reactive gas. In this case, the surface on which the second hard carbon film 12 is not formed is subjected to a treatment such as masking.
【００７４】次に、第１硬質炭素皮膜１１を形成する。
第２硬質炭素皮膜１２が形成されたピストンリングをプ
ラズマＣＶＤ装置のチャンバー内の取付治具にセット
し、そのチャンバー内を真空引きする。その後、取付治
具を回転させつつアルゴン等の不活性ガスを導入し、イ
オンボンバードメントによって第２硬質炭素皮膜が形成
されたピストンリングの表面を清浄化する。その後、炭
素源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバー内に導
入し、Ｓｉが含まれているシランガス等を導入して、プ
ラズマで活性化し、チャンバー内の炭素原子と蒸発した
金属原子とが結合してピストンリング上に少なくともＳ
ｉを含む皮膜として析出させ、耐スカッフ性に優れた第
１硬質炭素皮膜１１を形成する。Ｓｉの含有比率は、Ｓ
ｉ元素を含む反応性ガスの圧力等を調整することによっ
て制御される。Next, the first hard carbon film 11 is formed.
The piston ring on which the second hard carbon film 12 is formed is set on a mounting jig inside the chamber of the plasma CVD apparatus, and the inside of the chamber is evacuated. Then, an inert gas such as argon is introduced while rotating the attachment jig to clean the surface of the piston ring on which the second hard carbon film is formed by ion bombardment. After that, a hydrocarbon gas such as methane, which is a carbon source, is introduced into the chamber, a silane gas containing Si, etc. is introduced and activated by plasma, and carbon atoms in the chamber are combined with vaporized metal atoms. Then at least S on the piston ring
It is deposited as a film containing i to form a first hard carbon film 11 having excellent scuff resistance. The content ratio of Si is S
It is controlled by adjusting the pressure of the reactive gas containing the i element.
【００７５】なお、スパッタリング皮膜、イオンプレー
ティング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層の何れか
を下地皮膜３として有するピストンリング１０は、そう
した下地皮膜３を予めスパッタリング装置、イオンプレ
ーティング装置、クロムめっき装置、窒化装置等によっ
て形成し、その後、上述の反応性スパッタリング装置等
に供して硬質炭素皮膜を形成して製造される。The piston ring 10 having any one of the sputtering film, the ion plating film, the chrome plating film and the nitride layer as the undercoat film 3 is used in the sputtering device, the ion plating device and the chrome plating device. It is formed by using a nitriding device or the like, and then subjected to the above-mentioned reactive sputtering device or the like to form a hard carbon film to manufacture.
【００７６】以上、熱膨張係数の大きいアルミニウム合
金製シリンダライナを相手材とした摺動特性（耐摩耗
性、耐スカッフ性）に優れたピストンリングについて説
明したが、本発明のピストンリングの構成を、相手材の
熱膨張に追従することを目的とした他の摺動部材、例え
ば自動車部品やコンプレッサー部品等に適用してもよ
い。The piston ring having excellent sliding characteristics (wear resistance and scuff resistance) with the aluminum alloy cylinder liner having a large thermal expansion coefficient as the counterpart material has been described above. It may also be applied to other sliding members for the purpose of following the thermal expansion of the mating material, such as automobile parts and compressor parts.
【００７７】[0077]
【実施例】以下に、実施例と比較例を挙げて、本発明を
更に詳しく説明する。EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples.
【００７８】（実施例１〜３４）オーステナイト系のＳ
ＵＳ３０４ステンレス鋼製（Ｎｉ含有量：８．０％、Ｃ
ｒ含有量：１８．０％、熱膨張係数：１７×１０-6／
℃）のピストンリング母材１を作製した。そのピストン
リング母材１上の少なくとも外周摺動面６に、硬質炭素
単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂを、反応性イ
オンプレーティング装置により形成した。外周摺動面６
以外の面には、硬質炭素単層皮膜２ａ、硬質炭素積層皮
膜２ｂまたは第２硬質炭素皮膜１２を任意に形成し、さ
らに必要に応じて第１硬質炭素皮膜１１を任意に形成し
た。下地皮膜３を有したピストンリングとする場合に
は、予め、クロムめっき皮膜、窒化処理層、イオンプレ
ーティング皮膜の何れかを形成した。なお、アルミニウ
ム合金（過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金、熱膨張係数は２０×１
０-6／℃）製のシリンダライナを摺動特性評価のための
相手材として準備した。各硬質炭素皮膜および各下地皮
膜３の形成条件を以下に示す。(Examples 1 to 34) Austenitic S
Made of US304 stainless steel (Ni content: 8.0%, C
r content: 18.0%, coefficient of thermal expansion: 17 × 10 −6 /
C.) Piston ring base material 1 was produced. A hard carbon single layer coating 2a or a hard carbon laminated coating 2b was formed on at least the outer peripheral sliding surface 6 on the piston ring base material 1 by a reactive ion plating device. Outer peripheral sliding surface 6
On the other surface, the hard carbon single layer coating 2a, the hard carbon laminated coating 2b or the second hard carbon coating 12 was arbitrarily formed, and further the first hard carbon coating 11 was arbitrarily formed if necessary. In the case of the piston ring having the undercoat 3, any one of a chromium plating film, a nitriding layer, and an ion plating film was formed in advance. Aluminum alloy (hypereutectic Al-Si alloy, thermal expansion coefficient is 20 x 1)
The 0 -6 / ° C.) manufactured cylinder liners were prepared as counterpart material for sliding characterization. The conditions for forming each hard carbon film and each base film 3 are shown below.
【００７９】硬質炭素皮膜：硬質炭素単層皮膜２ａおよ
び、硬質炭素積層皮膜２ｂを構成する第２硬質炭素皮膜
１２は、Ｗ−Ｎｉ−Ｃ系またはＴｉ−Ｃ系とし、ターゲ
ットおよび炭素含有ガス圧などの反応条件を制御するこ
とによって、Ｗ−Ｎｉ−Ｃ系においてはＷ：７５％、Ｎ
ｉ：８％、Ｃ：残部、および不可避不純物からなる組成
とし、Ｔｉ−Ｃ系においてはＴｉ：３８％、Ｃ：残部、
および不可避不純物からなる組成とした。硬質炭素積層
皮膜２ｂを構成する第１硬質炭素皮膜１１はＳｉ−Ｃ系
とし、ターゲットおよび炭素含有ガス圧などの反応条件
を制御することによって、Ｓｉ：６１％、Ｃ：残部、お
よび不可避不純物からなる組成とした。外周摺動面６に
は、硬質炭素単層皮膜２ａまたは硬質炭素積層皮膜２ｂ
が少なくとも形成されているように各実施例を構成し
た。 Hard carbon coating : The hard carbon single layer coating 2a and the second hard carbon coating 12 constituting the hard carbon laminated coating 2b are W-Ni-C type or Ti-C type, and the target and carbon-containing gas pressure. In the W-Ni-C system, W: 75%, N
i: 8%, C: balance, and an unavoidable impurity composition. In the Ti-C system, Ti: 38%, C: balance,
And an unavoidable impurity. The first hard carbon film 11 constituting the hard carbon laminated film 2b is made of Si—C, and by controlling the reaction conditions such as the target and the carbon-containing gas pressure, Si: 61%, C: the balance, and inevitable impurities. The composition is as follows. The outer peripheral sliding surface 6 has a hard carbon single layer coating 2a or a hard carbon laminated coating 2b.
The respective examples are configured so that at least are formed.
【００８０】クロムめっき皮膜：フッ化クロム浴中での
電解めっきにより、厚さ１５０μｍのクロムめっき皮膜
を形成した。その後、クロムめっき皮膜の表面を研削加
工し、研磨ペーパーを用いた表面研磨を行い、粗さ１μ
ｍＲｚとなるとように調整した。最終的な皮膜厚さを１
２０μｍとした。形成されたクロムめっき皮膜のビッカ
ース硬さはＨｖ９００であった。 Chromium plating film : A chromium plating film having a thickness of 150 μm was formed by electrolytic plating in a chromium fluoride bath. After that, the surface of the chrome plating film is ground, and the surface is polished with polishing paper to give a roughness of 1 μm.
It was adjusted to be mRz. Final film thickness is 1
It was set to 20 μm. The Vickers hardness of the formed chromium plating film was Hv900.
【００８１】窒化処理層：ガス窒化法により窒化層を形
成した。アンモニア分解ガス雰囲気中で５５０℃で１５
時間保持し、厚さ１００μｍのガス窒化層を形成した。
その後、窒化層の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用
いた表面研磨を行い、粗さ１μｍＲｚとなるとように調
整した。最終的な皮膜厚さを７０μｍとした。形成され
た窒化層のビッカース硬さはＨｖ１１００であった。 Nitriding layer : A nitriding layer was formed by a gas nitriding method. 15 at 550 ℃ in ammonia decomposition gas atmosphere
After holding for a while, a gas nitriding layer having a thickness of 100 μm was formed.
Then, the surface of the nitrided layer was ground, and surface polishing was performed using a polishing paper to adjust the roughness to 1 μmRz. The final film thickness was 70 μm. The Vickers hardness of the formed nitride layer was Hv1100.
【００８２】イオンプレーティング皮膜：イオンプレー
ティング法により、主に｛２００｝に配向した厚さ３０
μｍのＣｒＮ皮膜を形成した。その後、イオンプレーテ
ィング皮膜の表面を研削加工し、研磨ペーパーを用いた
表面研磨を行い、粗さ１μｍＲｚとなるとように調整し
た。最終的な皮膜厚さを２０μｍとした。形成されたイ
オンプレーティング皮膜のビッカース硬さはＨｖ１５０
０であった。 Ion plating film : A thickness of 30 mainly oriented in {200} by the ion plating method.
A CrN film of μm was formed. After that, the surface of the ion plating film was ground, and the surface was polished with a polishing paper to adjust the roughness to 1 μmRz. The final film thickness was 20 μm. The Vickers hardness of the formed ion plating film is Hv150.
It was 0.
【００８３】作製した実施例１〜３４の構成を表１に示
した。Table 1 shows the constitutions of the manufactured Examples 1 to 34.
【００８４】（比較例１）マルテンサイト系の１７Ｃｒ
ステンレス鋼製（Ｃｒ：１７％、熱膨張係数：１１×１
０-6／℃）のピストンリング母材１を作製し、その母材
１の全周に窒化層を上記実施例に示した方法により形成
した。外周摺動面６には、厚さ３０μｍのイオンプレー
ティング皮膜を形成した。窒化層およびイオンプレーテ
ィング皮膜の形成条件は上記実施例と同様にした。こう
して比較例１のピストンリングを作製した。作製した比
較例１の構成を表１に示した。Comparative Example 1 Martensite-based 17Cr
Made of stainless steel (Cr: 17%, coefficient of thermal expansion: 11 x 1
A piston ring base material 1 (0 −6 / ° C.) was prepared, and a nitride layer was formed on the entire circumference of the base material 1 by the method shown in the above-mentioned embodiment. An ion plating film having a thickness of 30 μm was formed on the outer peripheral sliding surface 6. The conditions for forming the nitride layer and the ion plating film were the same as those in the above-mentioned embodiment. Thus, the piston ring of Comparative Example 1 was produced. The structure of the manufactured comparative example 1 is shown in Table 1.
【００８５】（比較例２）マルテンサイト系の１７Ｃｒ
ステンレス鋼製（Ｃｒ：１７％、熱膨張係数：１１×１
０-6／℃）のピストンリング母材１を作製し、その母材
１の上面および下面に窒化層を上記実施例と同じ方法に
より形成した。さらに、上面および下面には、厚さ１０
μｍの硬質炭素単層皮膜２ａを形成した。窒化層および
硬質炭素単層皮膜２ａの形成条件は上記実施例と同様に
した。こうして比較例２のピストンリングを作製した。
作製した比較例２の構成を表１に示した。(Comparative Example 2) Martensite 17Cr
Made of stainless steel (Cr: 17%, coefficient of thermal expansion: 11 x 1
(0 −6 / ° C.) Piston ring base material 1 was prepared, and nitride layers were formed on the upper surface and the lower surface of the base material 1 by the same method as in the above example. Furthermore, the upper and lower surfaces have a thickness of 10
A hard carbon single layer film 2a having a thickness of μm was formed. The conditions for forming the nitriding layer and the hard carbon single layer film 2a were the same as those in the above-mentioned embodiment. Thus, the piston ring of Comparative Example 2 was produced.
The structure of the manufactured comparative example 2 is shown in Table 1.
【００８６】[0086]
【表１】 [Table 1]
【００８７】（摩耗試験）摩耗試験は、アムスラー型摩
耗試験機を使用し、試験片のほぼ半分を油に浸漬し、相
手材を接触させ、荷重を負荷して行った。試験片として
は、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー試験片
は、実施例１〜３４および比較例１のピストンリングと
同様の処理を施したものを使用した。各試験片を用いて
摩耗試験を行い、耐摩耗性の評価を行った。試験条件
は、潤滑油：日産ＰＡＮ７７８２（商品名）、油温：８
０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：８０ｋ
ｇｆ、試験時間：７時間の条件下で、アルミニウム合金
製シリンダライナを相手材として行った。このＡｌ−Ｓ
ｉ合金製シリンダライナからなる相手材は、所定の形状
に研削加工した後、研削砥石の細かさを変えて順次表面
研削を行い、更に、ＮａＯＨ水溶液で研磨し、最終的に
１μｍＲｚとなるように調整した。摩耗量の測定は、粗
さ計による段差プロファイルで摩耗量（μｍ）を測定し
て評価した。(Abrasion test) The abrasion test was carried out by using an Amsler type abrasion tester, immersing almost half of the test piece in oil, bringing the mating material into contact with it, and applying a load. An Amsler test piece was used as the test piece. As this Amsler test piece, one subjected to the same treatment as the piston rings of Examples 1 to 34 and Comparative Example 1 was used. A wear test was performed using each test piece to evaluate the wear resistance. The test conditions are: Lubricating oil: Nissan PAN7782 (trade name), Oil temperature: 8
0 ° C, peripheral speed: 1 m / sec (478 rpm), load: 80 k
Under the conditions of gf and test time: 7 hours, the test was performed using an aluminum alloy cylinder liner as a mating member. This Al-S
The mating material consisting of the i alloy cylinder liner is ground into a predetermined shape, and then the surface of the grinding wheel is sequentially ground by changing the fineness of the grinding wheel, and further, it is ground with an aqueous solution of NaOH to finally reach 1 μmRz. It was adjusted. The amount of wear was evaluated by measuring the amount of wear (μm) with a step profile using a roughness meter.
【００８８】耐摩耗性は、比較例１に対応する試験片の
摩耗量と実施例１〜３４に対応する各試験片の摩耗量と
をそれらの相対比として比較し、比較例１に対応する試
験片の結果に対する摩耗指数として評価した。従って、
各試験片の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少
ないことを表す。実施例１〜３４に対応する各試験片
は、比較例１に対応する試験片よりも著しく耐摩耗性に
優れていた。結果を表２に示した。The wear resistance corresponds to Comparative Example 1 by comparing the wear amount of the test piece corresponding to Comparative Example 1 with the wear amount of each test piece corresponding to Examples 1 to 34 as their relative ratio. It was evaluated as a wear index for the result of the test piece. Therefore,
When the wear index of each test piece is smaller than 100, it means that the wear amount is small. The test pieces corresponding to Examples 1 to 34 were significantly more excellent in wear resistance than the test pieces corresponding to Comparative Example 1. The results are shown in Table 2.
【００８９】（スカッフ試験）スカッフ試験は、アムス
ラー型摩耗試験機を使用し、試験片に潤滑油を付着さ
せ、スカッフ発生まで荷重を負荷させて行った。試験片
としては、アムスラー試験片を用いた。このアムスラー
試験片は、実施例１〜３４および比較例１のピストンリ
ングと同様の処理を施したものを使用した。各試験片を
用いてスカッフ試験を行い、耐スカッフ性の評価を行っ
た。試験条件は、潤滑油：日産ＰＡＮ７７８２（商品
名）、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）の条件下で、Ａ
ｌ−Ｓｉ合金製シリンダライナを相手材として行った。
このＡｌ−Ｓｉ合金製シリンダライナも上述の方法によ
り最終的に１μｍＲｚとなるように調整した。(Scuff Test) The scuff test was carried out by using an Amsler type abrasion tester, applying lubricating oil to the test piece, and applying a load until the scuff occurred. An Amsler test piece was used as the test piece. As this Amsler test piece, one subjected to the same treatment as the piston rings of Examples 1 to 34 and Comparative Example 1 was used. A scuff test was conducted using each test piece to evaluate the scuff resistance. The test conditions are as follows: lubricant: Nissan PAN7782 (trade name), peripheral speed: 1 m / sec (478 rpm)
It was performed using a cylinder liner made of 1-Si alloy as a counterpart material.
This cylinder liner made of Al-Si alloy was also adjusted by the above-mentioned method so that the final value was 1 μmRz.
【００９０】耐スカッフ性は、比較例１に対応する試験
片のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１〜３４に
対応する各試験片のスカッフ発生荷重を比較例１に対応
する試験片の結果に対する耐スカッフ指数として比較し
た。従って、実施例１〜３４に対応する各試験片の耐ス
カッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重
が大きくなり、比較例１に対応する試験片よりも耐スカ
ッフ性に優れることとなる。実施例１〜３４に対応する
各試験片の耐スカッフ指数は、１５０〜２４０であり、
比較例１に対応する試験片よりも著しく耐スカッフ性に
優れていた。結果を表２に示した。The scuffing resistance is the result of the test piece corresponding to Comparative Example 1 in which the scuffing load of each test piece corresponding to Examples 1 to 34 is 100 when the scuffing load of the test piece corresponding to Comparative Example 1 is 100. The scuff resistance index was compared. Therefore, as the scuff resistance index of each of the test pieces corresponding to Examples 1 to 34 is larger than 100, the scuffing load becomes larger, and the scuff resistance is superior to the test piece corresponding to Comparative Example 1. The scuff resistance index of each test piece corresponding to Examples 1 to 34 is 150 to 240,
The test piece corresponding to Comparative Example 1 was significantly superior in scuff resistance. The results are shown in Table 2.
【００９１】（耐剥離性試験）耐剥離性の試験は、ＮＰ
Ｒ式衝撃試験装置（特公昭３６−１９０４６号、めっき
密着度の定量的試験装置）の改良試験機を使用し、表面
に１回当たり４３．１ｍＪ（４．４ｋｇｆ・ｍｍ）の衝
撃エネルギーを加え、剥離発生までの回数で評価した。
試験片としては、上述の実施例１〜３４の中で、全周に
硬質炭素単層皮膜２ａまたは少なくとも外周摺動面６に
硬質炭素積層皮膜２ｂを形成した実施例に係るピストン
リング、および比較例２のピストンリングを使用した。
各試験片を用いて耐剥離性試験を行い、耐剥離性の評価
を行った。剥離の有無は、表面を１５倍に拡大して観察
し、評価した。図５は、測定に使用したＮＰＲ式衝撃試
験装置を示す。なお、図５において、２１はピストンリ
ング、２２は圧子、２３は当て金である。(Peeling resistance test) The peeling resistance test is NP
Using an improved R-type impact tester (Japanese Examined Patent Publication No. 36-19046, quantitative tester for plating adhesion), apply 43.1 mJ (4.4 kgf · mm) impact energy to the surface each time. The number of times until peeling occurred was evaluated.
As the test piece, in the above-mentioned Examples 1 to 34, a piston ring according to an example in which a hard carbon monolayer film 2a is formed on the entire circumference or a hard carbon laminated film 2b is formed on at least the outer peripheral sliding surface 6, and a comparison. The piston ring of Example 2 was used.
A peel resistance test was performed using each test piece to evaluate the peel resistance. The presence or absence of peeling was evaluated by observing the surface with a magnification of 15 times. FIG. 5 shows an NPR type impact test device used for the measurement. In addition, in FIG. 5, 21 is a piston ring, 22 is an indenter, and 23 is a pad.
【００９２】耐剥離性は、比較例２の試験片の剥離発生
回数を１００とし、実施例１〜３４の試験片の剥離発生
回数を比較例２の結果に対する耐剥離指数として比較し
た。従って、実施例１〜３４の試験片の耐剥離指数が１
００よりも大きくなると、比較例２の試験片よりも多い
回数で剥離が発生することとなるので、耐剥離性に優れ
ることとなる。実施例１〜３４の耐剥離指数は、１０５
〜１１０であり、比較例２のピストンリングに比べ、耐
剥離性に優れていた。結果を表２に示した。With respect to peeling resistance, the number of peeling occurrences of the test piece of Comparative Example 2 was 100, and the number of peeling occurrences of the test pieces of Examples 1 to 34 was compared as a peeling resistance index with respect to the result of Comparative Example 2. Therefore, the peel resistance index of the test pieces of Examples 1 to 34 is 1
When it is larger than 00, peeling occurs more frequently than the test piece of Comparative Example 2, so that the peeling resistance is excellent. The peel resistance index of Examples 1 to 34 is 105.
It was ~ 110, and was more excellent in peeling resistance than the piston ring of Comparative Example 2. The results are shown in Table 2.
【００９３】[0093]
【表２】 [Table 2]
【００９４】（評価）実施例１〜３４のピストンリング
は、比較例１のピストンリングに比べ、その何れも耐摩
耗性および耐スカッフ性に優れ、比較例２のピストンリ
ングに比べ、耐剥離性に優れていた。(Evaluation) The piston rings of Examples 1 to 34 are superior in wear resistance and scuffing resistance to the piston ring of Comparative Example 1, and are more resistant to peeling than the piston ring of Comparative Example 2. Was excellent.
【００９５】[0095]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のピストン
リングによれば、１５×１０-6／℃以上の熱膨張係数を
有するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストン
リング母材の少なくとも外周摺動面に硬質炭素皮膜が形
成されているので、（イ）そうしたオーステナイト系ス
テンレス鋼の熱膨張率は相手材であるアルミニウム合金
製シリンダライナの熱膨張率に近く、アルミニウム合金
製シリンダライナに対する熱膨張の追従性がよく、アル
ミニウム合金製シリンダライナの内周面とピストンリン
グの外周摺動面との間で好適な摺動接触が実現され、ブ
ローバイガスの発生を抑制できる。さらに、（ロ）そう
した硬質炭素皮膜が少なくとも外周摺動面に形成された
ピストンリングは、アルミニウム合金製シリンダライナ
の内周面との初期なじみ性を改善し、優れた耐スカッフ
性および優れた耐摩耗性を発揮することができる。As described above, according to the piston ring of the present invention, at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring base material made of austenitic stainless steel having a coefficient of thermal expansion of 15 × 10 −6 / ° C. or more. Since a hard carbon film is formed on (a), the coefficient of thermal expansion of such an austenitic stainless steel is close to that of the aluminum alloy cylinder liner, which is the counterpart material, and the thermal expansion of the aluminum alloy cylinder liner follows. Good performance, suitable sliding contact is realized between the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner and the outer peripheral sliding surface of the piston ring, and generation of blow-by gas can be suppressed. Furthermore, (b) The piston ring with such a hard carbon film formed on at least the outer peripheral sliding surface improves the initial conformability with the inner peripheral surface of the aluminum alloy cylinder liner, and has excellent scuff resistance and excellent resistance. It can exhibit abrasion resistance.
【００９６】こうした本発明のピストンリングは、今後
開発が予想される高出力、高温高負荷のエンジンにも十
分に使用することができ、その効果は甚大である。The piston ring of the present invention can be sufficiently used for a high-power, high-temperature, high-load engine, which is expected to be developed in the future, and its effect is great.
【図１】本発明のピストンリングの例を示す断面図であ
る。FIG. 1 is a sectional view showing an example of a piston ring of the present invention.
【図２】本発明のピストンリングの他の例を示す断面図
である。FIG. 2 is a sectional view showing another example of the piston ring of the present invention.
【図３】下地皮膜または下地層が形成された本発明のピ
ストンリングの他の例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the piston ring of the present invention in which a base film or a base layer is formed.
【図４】第１硬質炭素皮膜のＳｉ含有比率を傾斜させた
態様の例である。FIG. 4 is an example of a mode in which the Si content ratio of the first hard carbon film is graded.
【図５】ＮＰＲ式衝撃試験装置の改良試験機である。FIG. 5 is an improved tester of the NPR type impact tester.
１ 母材 ２ａ 硬質炭素単層皮膜 ２ｂ 硬質炭素積層皮膜 ３ 下地皮膜（下地層） ６ 外周摺動面 ７ 内周面 ８ 上面 ９ 下面 １０ ピストンリング １１ 第１硬質炭素皮膜 １２ 第２硬質炭素皮膜 1 base material 2a Hard carbon single layer film 2b Hard carbon laminated film 3 Undercoat (underlayer) 6 Outer peripheral sliding surface 7 Inner surface 8 upper surface 9 Lower surface 10 piston ring 11 First hard carbon coating 12 Second hard carbon film
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ 38/40 38/40 38/60 38/60 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｆ 16/26 16/26 28/00 28/00 Ｂ 28/04 28/04 Ｆ０２Ｆ 5/00 Ｆ０２Ｆ 5/00 Ｆ Ｆターム(参考） 3J044 AA02 BA03 BB06 BB18 BB19 BB21 BB28 BB29 BB30 BB35 BB36 BB40 BC07 DA09 4K029 AA02 BA34 BA58 BA60 BB02 BC02 BD04 4K030 BA27 CA02 HA04 LA11 LA23 4K044 AA03 AB10 BA02 BA06 BA18 BB01 BB03 BB04 BC01 BC02 CA12 CA13 CA18 Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C22C 38/00 302 C22C 38/00 302Z 38/40 38/40 38/60 38/60 C23C 14/06 C23C 14/06 F 16/26 16/26 28/00 28/00 B 28/04 28/04 F02F 5/00 F02F 5/00 FF Term (reference) 3J044 AA02 BA03 BB06 BB18 BB19 BB21 BB28 BB29 BB30 BB35 BB36 BB40 BC07 DA09 4K029 AA02 BA34 BA58 BA60 BB02 BC02 BD04 4K030 BA27 CA02 HA04 LA11 LA23 4K044 AA03 AB10 BA02 BA06 BA18 BB01 BB03 BB04 BC01 BC02 CA12 CA13 CA18
Claims (5)
するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストンリ
ング母材の少なくとも外周摺動面に硬質炭素皮膜が形成
されていることを特徴とするピストンリング。1. A piston characterized in that a hard carbon film is formed on at least an outer peripheral sliding surface of a piston ring base material made of austenitic stainless steel having a thermal expansion coefficient of 15 × 10 −6 / ° C. or more. ring.
及び、Ｔｉから選択される元素を一または二以上含有す
ることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。2. The hard carbon coating is W, W and Ni,
The piston ring according to claim 1, further comprising one or more elements selected from Ti.
表面に形成された少なくともＳｉを含有する第１硬質炭
素皮膜と、該第１硬質炭素皮膜下に形成された、Ｗ、Ｗ
及びＮｉ、及び、Ｔｉから選択される元素を一または二
以上含有する第２硬質炭素皮膜とからなる積層皮膜であ
ることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。3. The hard carbon film is a first hard carbon film containing at least Si formed on the surface of the outer peripheral sliding surface, and W, W formed under the first hard carbon film.
2. The piston ring according to claim 1, wherein the piston ring is a laminated coating including a second hard carbon coating containing one or more elements selected from Ni and Ti.
周摺動面には、スパッタリング皮膜、イオンプレーティ
ング皮膜、クロムめっき皮膜および窒化層から選択され
た何れかが下地皮膜または下地層として形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載
のピストンリング。4. The undercoating or undercoating layer is formed of at least one of a sputtering coating, an ion plating coating, a chromium plating coating, and a nitride layer on at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring base material. The piston ring according to any one of claims 1 to 3, wherein.
動面には、少なくともＣｒを含有する下地層が形成され
ていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか
に記載のピストンリング。5. The piston ring according to claim 1, wherein an underlayer containing at least Cr is formed on at least the outer peripheral sliding surface of the piston ring.
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