JP6387228B2

JP6387228B2 - Piston ring for internal combustion engine

Info

Publication number: JP6387228B2
Application number: JP2013243996A
Authority: JP
Inventors: 隼一佐々木; 小野　敬; 敬小野; 厳　永鉄; 永鉄厳
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: JP2015102188A

Description

本発明は内燃機関用ピストンリングに関し、特に、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止でき、かつピストン材の摩耗量を抑制できる内燃機関用ピストンリングに関するものである。 The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly to a piston ring for an internal combustion engine that can prevent aluminum adhesion over a long period of time even under high temperature and high load conditions and can suppress the amount of wear of the piston material.

内燃機関において使用されるトップリング、セカンドリング、オイルリングの３つのピストンリングは、ピストンの表面に設けられたピストンリング溝にそれぞれ係合するように配置され、燃焼室から燃焼ガスが外部に漏洩するのを防止するガスシール機能、ピストンの熱を冷却されたシリンダ壁に伝達してピストンを冷却する熱伝導機能、および潤滑油としてのエンジンオイルをシリンダ壁に適量与えて余分なオイルを掻き出す機能を有している。 The three piston rings used in an internal combustion engine, the top ring, the second ring, and the oil ring, are arranged to engage with piston ring grooves provided on the surface of the piston, respectively, and combustion gas leaks from the combustion chamber to the outside. A gas seal function that prevents the piston from moving, a heat transfer function that cools the piston by transmitting the piston heat to the cooled cylinder wall, and a function that scrapes excess oil by applying an appropriate amount of engine oil as lubricating oil to the cylinder wall have.

これら３つのピストンリングは、内燃機関の動作時、燃焼室における燃料の爆発によりピストンが往復運動する際に、ピストンのピストンリング溝内において、溝内面との間で衝突を繰り返している。また、ピストンリングは、ピストンリング溝内において、その周方向に摺動自在であるため、ピストンリング溝内を摺動する。ところで、ピストンリング溝の表面には、溝形成のための旋盤加工により、１μｍ程度の高さを有する突起が形成されており、上記したピストンリングとの衝突と摺動により突起が摩耗して、ピストンリング溝の表面にアルミニウム面が露出するようになる。
この露出したアルミニウム面は、衝突によりピストンリング側面と接触し、さらに摺動を繰り返すと、アルミニウム合金がピストンリング側面に凝着する現象である、アルミニウム凝着が発生する。これは特に、燃焼室に最も近くに位置し、高温条件下に置かれるトップリングにおいて顕著である。 These three piston rings repeatedly collide with the groove inner surface in the piston ring groove of the piston when the piston reciprocates due to the explosion of fuel in the combustion chamber during the operation of the internal combustion engine. Further, since the piston ring is slidable in the circumferential direction in the piston ring groove, the piston ring slides in the piston ring groove. By the way, on the surface of the piston ring groove, a protrusion having a height of about 1 μm is formed by lathe processing for groove formation, and the protrusion is worn by collision and sliding with the above-described piston ring, The aluminum surface is exposed on the surface of the piston ring groove.
When this exposed aluminum surface comes into contact with the side surface of the piston ring by collision and further slides, aluminum adhesion occurs, which is a phenomenon in which the aluminum alloy adheres to the side surface of the piston ring. This is particularly noticeable in the top ring located closest to the combustion chamber and placed under high temperature conditions.

このアルミニウム凝着がさらに進行すると、ピストン溝の摩耗が急速に進行し、ピストンリングがリング溝に固着し、ピストンリングのガスシール機能が低下して、高圧の燃焼ガスが燃焼室からクランク室へ流出する、いわゆるブローバイと呼ばれる現象が生じ、エンジン出力の低下を招く問題がある。 As this aluminum adhesion progresses further, the piston groove wears rapidly, the piston ring adheres to the ring groove, the gas seal function of the piston ring decreases, and high-pressure combustion gas flows from the combustion chamber to the crank chamber. There is a problem that a phenomenon called so-called blow-by occurs that causes a decrease in engine output.

こうした状況を受けて、これまで、ピストンリングのアルミニウム凝着を防止する様々な技術が提案されてきた。例えば、特許文献１には、ピストンリング溝と衝突および摺動するピストンリングの側面に、カーボンブラック粒子を含有する樹脂系皮膜を設けることにより、なじみ性を向上させてアルミニウム凝着を防止する技術について記載されている。 Under such circumstances, various techniques for preventing the aluminum adhesion of the piston ring have been proposed so far. For example, Patent Document 1 discloses a technique for improving conformability and preventing aluminum adhesion by providing a resin-based film containing carbon black particles on the side surface of a piston ring that collides and slides with a piston ring groove. Is described.

また、特許文献２には、ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末、ケイ素系粉末よりなる群から選択される一または二以上の粉末を表面皮膜全体に対して１０〜８０質量％含有する耐熱樹脂を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、ピストンリングへのアルミニウム凝着を効果的に防止する技術について記載されている。 Patent Document 2 discloses that one or two or more powders selected from the group consisting of nickel-based powder, lead-based powder, zinc-based powder, tin-based powder, and silicon-based powder are 10 to 80 with respect to the entire surface film. It describes a technique for effectively preventing adhesion of aluminum to the piston ring by providing a heat-resistant resin containing mass% on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring.

しかし、特許文献１および２に記載された皮膜の場合、エンジン内の温度が上昇すると、耐アルミニウム凝着性が低下する問題があった。そこで、特許文献３には、硬質粒子を含有する、固体潤滑機能を有するポリイミド皮膜を、ピストンリングの上下側面の少なくとも一方に設けることにより、２３０℃を超える高温条件下においても、長期に亘って高い耐アルミニウム凝着性を維持する技術について記載されている。 However, in the case of the coatings described in Patent Documents 1 and 2, there is a problem that when the temperature in the engine rises, the aluminum adhesion resistance is lowered. Therefore, in Patent Document 3, a polyimide film containing solid particles and having a solid lubricating function is provided on at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring, so that even under high temperature conditions exceeding 230 ° C., for a long period of time. A technique for maintaining high aluminum adhesion resistance is described.

さらに、特許文献４には、樹脂系皮膜に代えて、少なくともシリコンを含有する第１ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ、ＤＬＣ）皮膜と、該第１ＤＬＣ皮膜の下に形成された少なくともＷまたはＷ、Ｎｉを含有する第２ＤＬＣ皮膜を、ピストンリングの上下側面に設けることにより、耐アルミニウム凝着性、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技術について記載されている。 Further, in Patent Document 4, instead of the resin-based film, at least a silicon-like carbon (DLC) film containing at least silicon, and at least W formed under the first DLC film, A technique for providing a piston ring having excellent aluminum adhesion resistance, scuff resistance, and wear resistance by providing a second DLC film containing W and Ni on the upper and lower side surfaces of the piston ring is described.

特開２００７−２７８４９５号公報JP 2007-278495 A 特開２００８−２４８９８６号公報JP 2008-248986 A 国際公開第２０１１／０７１０４９号パンフレットInternational Publication No. 2011/071049 Pamphlet 特開２００３−０１４１２２号公報JP 2003-014122 A

ところで、近年、車のダウンサイジングが進んでおり、燃費を向上させるために排気量が小さくなり、その結果、エンジン内の温度および圧力が益々上昇している。しかしながら、特許文献３のような、樹脂系皮膜では、２６０℃を超える高温条件下、エンジン内の圧力が１０ＭＰａを超えるような高負荷条件下では、長期に亘って耐アルミニウム凝着性を維持するのは困難である。
また、特許文献４に記載されたＤＬＣ皮膜は、２６０℃を超える高温条件下ではダイヤモンドがグラファイト化してしまい、ＤＬＣ皮膜本来の特性を発揮して耐アルミニウム凝着性を維持することは困難である。 By the way, in recent years, downsizing of vehicles has progressed, and the amount of displacement has been reduced in order to improve fuel efficiency. As a result, the temperature and pressure in the engine have been increasing. However, in the resin-based film as in Patent Document 3, the aluminum adhesion resistance is maintained for a long time under a high temperature condition exceeding 260 ° C. and a high load condition such that the pressure in the engine exceeds 10 MPa. It is difficult.
Further, in the DLC film described in Patent Document 4, diamond is graphitized under a high temperature condition exceeding 260 ° C., and it is difficult to exhibit the original characteristics of the DLC film and maintain the aluminum adhesion resistance. .

また、こうした耐アルミニウム凝着皮膜の高温かつ高負荷条件下におけるアルミニウム凝着の長期的な防止に加えて、相手材であるピストン材への攻撃を低減してピストン材の摩耗量を抑制することも重要である。 In addition to the long-term prevention of aluminum adhesion under the high temperature and high load conditions of this aluminum anti-adhesion coating, the attack on the piston material, which is the counterpart material, is reduced to reduce the wear amount of the piston material. It is also important.

そこで、本発明の目的は、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止でき、かつピストン材の摩耗量を抑制できる内燃機関用ピストンリングを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a piston ring for an internal combustion engine that can prevent aluminum adhesion over a long period of time even under high temperature and high load conditions and can suppress the amount of wear of the piston material.

発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、耐アルミニウム凝着皮膜を、ピストンリング用母材の上に形成された、セラミックスからなる第１皮膜と、該第１皮膜の上に形成された、樹脂または金属からなる第２皮膜とを有する２層構造とすることが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。 The inventors diligently studied how to solve the above problems. As a result, a first film made of ceramics formed on the piston ring base material, and a second film made of resin or metal formed on the first film, the aluminum anti-adhesion film The present inventors have found that it is effective to have a two-layer structure having the present invention and have completed the present invention.

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に耐アルミニウム凝着皮膜が被覆された、内燃機関用のピストンリングであって、前記耐アルミニウム凝着皮膜は、前記ピストンリング用母材の上に形成された、セラミックスからなる第１皮膜と、該第１皮膜の上に形成された、樹脂または金属からなる第２皮膜とを有し、前記第１皮膜のビッカース硬さＨＶと前記第１皮膜の表面の算術平均粗さＲａ（μｍ）とが以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
記
Ｒａ＜−８．７×１０^-5ＨＶ＋０．３９（Ａ）
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A piston ring for an internal combustion engine in which at least one of upper and lower side surfaces of a piston ring base material is coated with an aluminum anti-adhesion coating, wherein the aluminum anti-adhesion coating is formed on the piston ring base material. A first film made of ceramics and a second film made of resin or metal formed on the first film, the Vickers hardness HV of the first film and the first film A piston ring for an internal combustion engine, wherein the arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface of one film satisfies the following formula (A):
Ra <−8.7 × 10 ⁻⁵ HV + 0.39 (A)

（２）前記第１皮膜のビッカース硬さＨＶは５００以上２８００以下であり、前記第２皮膜のビッカース硬さＨＶは２０以上３００以下である、前記（１）に記載の内燃機関用ピストンリング。 (2) The piston ring for an internal combustion engine according to (1), wherein the first coating has a Vickers hardness HV of 500 to 2800, and the second coating has a Vickers hardness HV of 20 to 300.

（３）前記第１皮膜のビッカース硬さＨＶと前記第１皮膜の厚みｈ（μｍ）とが以下の式（Ｂ）を満たす、前記（１）または（２）に記載の内燃機関用ピストンリング
。
記
ｈ＞−２．９×１０^-4ＨＶ＋０．８９（Ｂ） (3) The piston ring for an internal combustion engine according to (1) or (2), wherein the Vickers hardness HV of the first coating and the thickness h (μm) of the first coating satisfy the following formula (B): .
H> -2.9 × 10 ⁻⁴ HV + 0.89 (B)

（４）前記第１皮膜の表面の算術平均粗さは０．３μｍ以下である、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (4) The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (3) , wherein the arithmetic average roughness of the surface of the first coating is 0.3 μm or less.

（５）前記第１皮膜の厚さは０．１μｍ以上であり、前記第２皮膜の厚さは１μｍ以上であり、前記第１皮膜および前記第２皮膜の厚さの合計が２０μｍ以下である、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 (5) The thickness of the first film is 0.1 μm or more, the thickness of the second film is 1 μm or more, and the total thickness of the first film and the second film is 20 μm or less. The piston ring for an internal combustion engine according to any one of (1) to (4) .

（６）前記第２皮膜が硬質粒子を含む樹脂からなり、前記硬質粒子の材料は、アルミナ、ジルコニア、セリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドより選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のピストンリング。 (6) The second film is made of a resin containing hard particles, and the material of the hard particles is made of at least one selected from alumina, zirconia, ceria, silicon carbide, silicon nitride, cubic boron nitride, and diamond. The piston ring according to any one of (1) to (5) , characterized in that it is characterized in that

（７）前記セラミックスの材料は、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムより選ばれる少なくとも一種であり、前記樹脂の材料は、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエステル、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、芳香族ポリシアヌレート、芳香族ポリチオシアヌレート、芳香族ポリグアナミンより選ばれる少なくとも一種、および前記金属の材料は、インジウム、鉛、錫、銅、銀、金より選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする、前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載のピストンリング。 (7) The ceramic material is at least one selected from alumina, titania, yttria, zirconia, silica, magnesia, chromia, silicon carbide, chromium carbide, aluminum nitride, titanium nitride, silicon nitride, and chromium nitride, and the resin. These materials are polyimide, polyetherimide, polyamideimide, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, aromatic polyester, aromatic polyamide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, aromatic At least one selected from annulate, aromatic polythiocyanurate, and aromatic polyguanamine, and the metal material is at least one selected from indium, lead, tin, copper, silver, and gold. Characterized the door, the (1) piston ring according to any one of - (6).

本発明によれば、耐アルミニウム凝着皮膜をセラミックスからなる２層構造とし、ビッカース硬さＨＶが比較的低い、樹脂または金属からなる第２皮膜によりなじみ面を形成し、ビッカース硬さＨＶが比較的高い、セラミックス材料からなる第１皮膜により耐アルミニウム凝着皮膜の耐久性を持たせるようにしたため、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止でき、かつピストン材の摩耗量を抑制できる。 According to the present invention, the aluminum anti-adhesion film has a two-layer structure made of ceramics, a Vickers hardness HV is relatively low, a conforming surface is formed by the second film made of resin or metal, and the Vickers hardness HV is compared. The first coating made of ceramic material is made durable by the aluminum adhesion coating, which prevents aluminum adhesion over a long period of time even under high temperature and high load conditions, and wear of the piston material The amount can be suppressed.

ピストンリング溝に係合した状態の本発明に係る内燃機関用ピストンリングの模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a piston ring for an internal combustion engine according to the present invention in a state of being engaged with a piston ring groove. 本発明に係る内燃機関用ピストンリングにおける耐アルミニウム凝着皮膜部分の拡大図である。It is an enlarged view of the aluminum adhesion coating part in the piston ring for internal combustion engines which concerns on this invention. 実施例に使用したエンジン模擬試験装置の模式図である。It is a schematic diagram of the engine simulation test apparatus used for the Example.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、ピストンリング溝に係合した状態の本発明に係る内燃機関用ピストンリングの模式断面図である。この図に示した内燃機関用ピストンリング１は、ピストンリング用母材１１に耐アルミニウム凝着皮膜１２が被覆された内燃機関用のピストンリングである。ここで、耐アルミニウム凝着皮膜１２は、図２に示すように、ピストンリング用母材１１の上に形成された、セラミックスからなる第１皮膜１２ａと、該第１皮膜１２ａの上に形成された、樹脂または金属からなる第２皮膜１２ｂとを有することが肝要である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a piston ring for an internal combustion engine according to the present invention in a state engaged with a piston ring groove. The piston ring 1 for an internal combustion engine shown in this figure is a piston ring for an internal combustion engine in which a piston ring base material 11 is covered with an aluminum adhesion coating 12. Here, as shown in FIG. 2, the aluminum adhesion-resistant coating 12 is formed on the first coating 12a made of ceramic and formed on the piston ring base material 11, and on the first coating 12a. In addition, it is important to have the second film 12b made of resin or metal.

図１に示すように、ピストンリング１は、ピストンリング溝２１内に係合した状態で、シリンダ２４の側壁とピストン２０との間の隙間を塞ぎ、燃焼ガスおよびオイルをシールする。そして、ピストンリング１は、ピストン５の往復運動（図中の矢印方向の運動）にピストンリング１が追従し、ピストンリング溝２１内で上下運動が起こり、ピストンリング１とピストンリング溝２１の上面２２および下面２３との間で衝突を繰り返す。また、ピストンリング１がピストンリング溝２１内において周方向に摺動自在であるため、ピストンリング１がピストンリング溝２１の上面２２および下面２３と接触しながら摺動を繰り返す。 As shown in FIG. 1, the piston ring 1 closes the gap between the side wall of the cylinder 24 and the piston 20 while being engaged in the piston ring groove 21, and seals combustion gas and oil. The piston ring 1 follows the reciprocating motion of the piston 5 (the motion in the direction of the arrow in the figure), and the vertical motion occurs in the piston ring groove 21, so that the upper surface of the piston ring 1 and the piston ring groove 21. The collision is repeated between 22 and the lower surface 23. Further, since the piston ring 1 is slidable in the circumferential direction in the piston ring groove 21, the piston ring 1 repeats sliding while being in contact with the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21.

これらピストンリング１とピストンリング溝２１の上面２２および下面２３との間の衝突および摺動の繰り返しにより、ピストンリング溝２１の上面２２および下面２３上に形成されている突起（図示せず）が削られて、突起跡を中心としたアルミニウム面が生じる。本発明においては、ビッカース硬さが比較的低い（すなわち、柔らかい）、樹脂または金属からなる第２皮膜１２ｂにより、第２皮膜１２ｂとピストンリング溝２１の上面２２および下面２３との間で、アルミニウム面が削られて初晶シリコンが表面に突き出ているなじみ面を効果的に形成することができる。また、ビッカース硬さが比較的高い（すなわち、硬い）、セラミックスからなる第１皮膜１２ａにより、高温および高負荷条件下においても高い耐久性を有し、長期間に亘ってアルミニウム凝着を防止することができる。特に、第２皮膜１２ｂを樹脂または金属で構成する効果が発揮されるのは、将来、ピストンリング１が受ける負荷がさらに高くなった場合であり、例えば第２皮膜１２ｂをセラミックスで構成する場合に比べて、第２皮膜１２ｂの硬さおよび摩擦力が小さいため、さらに高い負荷を受ける条件の下でもなじみ面を良好に形成することができる。以下、内燃機関用ピストンリング１の各構成について説明する。 Projections (not shown) formed on the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21 due to repeated collision and sliding between the piston ring 1 and the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21. The aluminum surface centering on the protrusion trace is generated by cutting. In the present invention, aluminum is formed between the second film 12b and the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring groove 21 by the second film 12b made of resin or metal having a relatively low Vickers hardness (that is, soft). It is possible to effectively form a familiar surface in which the surface is shaved and the primary crystal silicon protrudes from the surface. Further, the first film 12a made of ceramics having relatively high Vickers hardness (ie, hard) has high durability even under high temperature and high load conditions, and prevents aluminum adhesion over a long period of time. be able to. In particular, the effect of configuring the second coating 12b with resin or metal is exhibited when the load received by the piston ring 1 is further increased in the future. For example, when the second coating 12b is configured with ceramics. In comparison, since the hardness and frictional force of the second coating 12b are small, the familiar surface can be satisfactorily formed even under conditions of receiving a higher load. Hereinafter, each structure of the piston ring 1 for internal combustion engines is demonstrated.

ピストンリング用母材１１の材料は、ピストンリング溝２１との衝突に耐える強度を有していれば、特に限定されない。鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等とすることが好ましい。また、耐摩耗性を向上させるため、側面に、ステンレス鋼では窒化処理、鋳鉄では硬質Ｃｒめっきや無電解ニッケルめっき処理が施された母材であってもよい。 The material of the base material 11 for piston rings will not be specifically limited if it has the intensity | strength which can endure the collision with the piston ring groove | channel 21. FIG. Steel, martensitic stainless steel, austenitic stainless steel, high-grade cast iron and the like are preferable. Moreover, in order to improve wear resistance, the side surface may be a base material subjected to nitriding treatment for stainless steel and hard Cr plating or electroless nickel plating treatment for cast iron.

第１皮膜１２ａのビッカース硬さＨＶは、５００以上２８００以下とすることが好ましい。ここで、ビッカース硬さを５００以上とすることにより、耐アルミニウム凝着皮膜１２の十分な硬度を確保して、ピストンリング溝２１の表面に形成されたなじみ面表層の初晶シリコン（ビッカース硬さ１０００程度）によって、耐アルミニウム凝着皮膜１２が著しく摩耗することを抑制することができる。また、ビッカース硬さを２８００以下とすることにより、なじみ面表層の初晶シリコンを破壊する割合を抑制して、ピストン材が著しく摩耗するのを防止することができる。 The Vickers hardness HV of the first coating 12a is preferably 500 or more and 2800 or less. Here, by setting the Vickers hardness to 500 or more, sufficient hardness of the aluminum adhesion-resistant coating 12 is ensured, and the primary crystal silicon (Vickers hardness of the familiar surface) formed on the surface of the piston ring groove 21 is secured. About 1000), it is possible to suppress the aluminum adhesive film 12 from being significantly worn. Further, by setting the Vickers hardness to 2800 or less, it is possible to suppress the ratio of breaking the primary crystal silicon on the familiar surface layer and to prevent the piston material from being significantly worn.

また、第２皮膜１２ｂのビッカース硬さＨＶは、２０以上３００以下とすることが好ましい。ここで、ビッカース硬さを２０以上とすることにより、ピストン材表面の凸部先端を磨耗させることがきる。また、ビッカース硬さを３００以下とすることにより、ピストン材表面の平坦部に対して、磨耗がほとんど起こらないようにすることができる。つまり、ビッカース硬さを２０以上３００以下とすることにより、ピストン材表面において、局所的な凸部のみを選択的に磨耗させて平坦化することができる。 The Vickers hardness HV of the second coating 12b is preferably 20 or more and 300 or less. Here, by setting the Vickers hardness to 20 or more, the tip of the convex portion on the surface of the piston material can be worn. Further, by setting the Vickers hardness to 300 or less, it is possible to prevent the wear from occurring on the flat portion of the piston material surface. That is, by setting the Vickers hardness to 20 or more and 300 or less, it is possible to selectively wear and flatten only local convex portions on the surface of the piston material.

第１皮膜１２ａを構成するセラミックスの材料は、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムより選ばれる少なくとも一種とすることができる。このうち、粒子間の再結合性が高く均一な皮膜形成が容易であることから、アルミナ、ジルコニア、クロミア、シリカが特に好ましい。 The ceramic material constituting the first film 12a is at least one selected from alumina, titania, yttria, zirconia, silica, magnesia, chromia, silicon carbide, chromium carbide, aluminum nitride, titanium nitride, silicon nitride, and chromium nitride. be able to. Among these, alumina, zirconia, chromia, and silica are particularly preferable because of high recombination between particles and easy formation of a uniform film.

また、第２皮膜１２ｂが樹脂からなる場合、樹脂の材料は、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄ，ＰＩ）、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド（Ｐｏｌｙａｍｉｄｉｍｉｄ，ＰＡＩ）、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，ＰＥＳ）、ポリアリレート（Ｐｏｌｙａｒｙｌａｔｅ，ＰＡＲ）、ポリフェニレンスルファイド（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｉｌｅｎｓｕｌｆｉｄｅ，ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ，ＰＥＥＫ）、芳香族ポリエステル、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール（Ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｉｍｉｄａｚｏｌｅ，ＰＢＩ）、ポリベンゾオキサゾール、芳香族ポリシアヌレート、芳香族ポリチオシアヌレート、芳香族ポリグアナミンより選ばれる少なくとも一種とすることができる。このうち、樹脂自身の硬度が高く且つ低摩擦を示し、また熱可塑性を示さない熱硬化樹脂であることから、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾールが特に好ましい。 When the second film 12b is made of a resin, the resin material may be polyimide (Polyimid, PI), polyetherimide, polyamideimide (Polyamidimide, PAI), polysulfone, polyethersulfone (Polyethersulfone, PES), polyarylate ( Polyarylate, PAR), polyphenylene sulfide (PPS), polyether ether ketone (Polyetherethertone, PEEK), aromatic polyester, aromatic polyamide, polybenzimidazole (PBI), polybenzoxazole, polybenzoxazole, polybenzoxazole Rate, aromatic polythiocyanurate, aromatic polyguanamine It may be at least one selected. Of these, polyimide, polyamideimide, and polybenzimidazole are particularly preferable because the resin itself is a thermosetting resin having high hardness, low friction, and no thermoplasticity.

さらに、第２皮膜１２ｂが樹脂からなる場合には、硬質粒子を含むことが好ましい。これにより、摩擦係数が低く、かつ高硬度の皮膜を得ることができ、第２皮膜１２ｂの研磨能力が向上するとともに、第２皮膜１２ｂ自身の耐摩耗性も向上する。硬質粒子の材料は、アルミナ、ジルコニア、セリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドより選ばれる少なくとも一種とすることができる。このうち、一般的に利用が多く安価な材料であることから、アルミナ、ジルコニア、セリアが好ましい。 Furthermore, when the 2nd membrane | film | coat 12b consists of resin, it is preferable that a hard particle is included. Thereby, a coating with a low friction coefficient and a high hardness can be obtained, the polishing ability of the second coating 12b is improved, and the wear resistance of the second coating 12b itself is also improved. The material of the hard particles can be at least one selected from alumina, zirconia, ceria, silicon carbide, silicon nitride, cubic boron nitride, and diamond. Of these, alumina, zirconia, and ceria are preferred because they are generally widely used and inexpensive materials.

この硬質粒子の粒径は、０．０５μｍ以上３μｍ以下とする。ここで、０．０５μｍ以上とするのは、早期になじみ面を形成するために有効な研磨能力を得るためである。また、３μｍ以下とするのは、なじみ面形において必要以上にピストン溝を攻撃しないためである。好ましくは、０．１μｍ以上１μｍ以下とする。 The hard particles have a particle size of 0.05 μm or more and 3 μm or less. Here, the reason why the thickness is 0.05 μm or more is to obtain an effective polishing ability in order to form a familiar surface at an early stage. The reason why the thickness is 3 μm or less is that the piston groove is not attacked more than necessary in the familiar surface shape. Preferably, it is 0.1 μm or more and 1 μm or less.

また、硬質粒子の添加量は、第２皮膜１２ｂ全体の体積に対して、１体積％以上２０体積％以下とする。ここで、１体積％以上とするのは、早期になじみ面を形成するために有効な研磨能力を得るためである。また、２０体積％以下とするのは、なじみ面形成において必要以上にピストン溝を攻撃しないためである。好ましくは、３体積％以上１０体積％以下とする。 Moreover, the addition amount of hard particles shall be 1 volume% or more and 20 volume% or less with respect to the volume of the 2nd membrane | film | coat 12b whole. Here, the reason why the content is 1% by volume or more is to obtain an effective polishing ability in order to form a familiar surface at an early stage. Further, the reason why the volume is 20% by volume or less is that the piston groove is not attacked more than necessary in forming the conforming surface. Preferably, it is 3 volume% or more and 10 volume% or less.

第２皮膜１２ｂが金属からなる場合、金属の材料は、インジウム、鉛、錫、銅、銀、金より選ばれる少なくとも一種とすることができる。このうち、ピストン材質との相性、低価格で入手可能な材料であることから、錫が特に好ましい。 When the second film 12b is made of metal, the metal material can be at least one selected from indium, lead, tin, copper, silver, and gold. Among these, tin is particularly preferable because it is compatible with the piston material and can be obtained at a low price.

第１皮膜１２ａの表面粗さは０．３μｍ以下とすることが好ましい。このような表面粗さを有するセラミックス材料からなる第１皮膜１２は、ピストンリング溝と接触した場合にも面圧を抑制してピストン材の攻撃を低減し、ピストン材の摩耗量の増加を抑制することができる。なお、本発明において、セラミックスの表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１（１９９４）に基づく算術平均粗さＲａを意味しており、表面粗さ測定装置を用いて測定する。さらに、第１皮膜１２ａの表面粗さは、０．０３〜０．１μｍとすることがより好ましい。この表面粗さとすることにより、第２皮膜１２ｂとの密着性が向上し、第１皮膜１２ａと第２皮膜１２ｂとからなる積層構造をより長期に亘って維持することができる。
なお、本発明において、第１皮膜１２ａ上には第２皮膜１２ｂが形成されており、この状態において第１皮膜１２ａには表面は存在しないが、「第１皮膜１２ａの表面粗さ」とは、第２皮膜１２ｂが形成される前の第１皮膜１２ａの表面粗さを意味している。 The surface roughness of the first film 12a is preferably 0.3 μm or less. The first film 12 made of a ceramic material having such a surface roughness suppresses the surface pressure and reduces the attack of the piston material even when contacting the piston ring groove, and suppresses an increase in the wear amount of the piston material. can do. In the present invention, the surface roughness of the ceramic means an arithmetic average roughness Ra based on JISB0601 (1994), and is measured using a surface roughness measuring device. Furthermore, the surface roughness of the first film 12a is more preferably 0.03 to 0.1 μm. By setting it as this surface roughness, adhesiveness with the 2nd membrane | film | coat 12b improves, and the laminated structure which consists of the 1st membrane | film | coat 12a and the 2nd membrane | film | coat 12b can be maintained over a long term.
In the present invention, the second film 12b is formed on the first film 12a. In this state, the surface of the first film 12a does not exist, but the “surface roughness of the first film 12a” means This means the surface roughness of the first film 12a before the second film 12b is formed.

また、第２皮膜１２ｂの表面形状は、膜厚が３μｍ程度までの場合、第１皮膜１２ａの表面形状をそのまま継承するが、表面粗さは０．５μｍ以下とすることが好ましい。これにより、なじみ面形成時における第２皮膜１２ｂ自身の磨耗を防止することができる。 Further, the surface shape of the second film 12b inherits the surface shape of the first film 12a as it is when the film thickness is about 3 μm, but the surface roughness is preferably 0.5 μm or less. Thereby, abrasion of the 2nd membrane | film | coat 12b itself at the time of conformity surface formation can be prevented.

ここで、第１皮膜１２ａのビッカース硬さＨＶと表面の算術平均粗さＲａ（μｍ）とが以下の式（Ａ）を満たすことが好ましい。
Ｒａ＜−８．７×１０^−５ＨＶ＋０．３９（Ａ）
発明者らは、様々な材料、ビッカース硬さ、表面粗さ、膜厚を有する耐アルミニウム凝着皮膜１２をピストンリング母材１１上に形成し、得られたピストンリング１の耐アルミニウム凝着性能およびピストン材の摩耗量を評価した。その結果、第１皮膜１２ａのビッカース硬さＨＶと表面の算術平均粗さＲａが上記式（Ａ）を満足する場合に、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、表面の算術平均粗さＲａを第１皮膜１２ａの硬さに応じた適切な値とすることにより、ピストンリング１とピストンリング溝２１の上面２２と下面２３とが接触する際に、それらの間の面圧を低減できるためと考えられる。 Here, it is preferable that the Vickers hardness HV of the first coating 12a and the arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface satisfy the following formula (A).
Ra <−8.7 × 10 ⁻⁵ HV + 0.39 (A)
The inventors formed an aluminum anti-adhesion film 12 having various materials, Vickers hardness, surface roughness, and film thickness on the piston ring base material 11, and the aluminum anti-adhesion performance of the resulting piston ring 1. And the wear amount of the piston material was evaluated. As a result, when the Vickers hardness HV of the first coating 12a and the arithmetic average roughness Ra of the surface satisfy the above formula (A), it has high aluminum adhesion resistance while suppressing the wear of the piston material. I found it. This is because when the arithmetic average roughness Ra of the surface is set to an appropriate value according to the hardness of the first coating 12a, the upper surface 22 and the lower surface 23 of the piston ring 1 and the piston ring groove 21 come into contact with each other. This is because the surface pressure between them can be reduced.

さらに、第１皮膜１２ａの厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましい。これにより、セラミックス材料の表面粗さに対して皮膜の膜厚が十分となり、均質な皮膜となり、摩耗量を低減することができる。また、第２皮膜１２ｂの厚さは、（第１皮膜１２ａの表面粗さ＋１μｍ）以上とすることが好ましい。これにより、第２皮膜１２ｂのみによりなじみ面を形成できる。さらに、これら第１皮膜１２ａおよび第２皮膜１２ｂの厚さの合計は、２０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、ピストンリング溝２１における十分なクリアランスを確保して、上記したピストンリング１の機能を実行させることができる。 Furthermore, the thickness of the first film 12a is preferably 0.1 μm or more. Thereby, the film thickness of the film becomes sufficient with respect to the surface roughness of the ceramic material, and a uniform film can be obtained, and the amount of wear can be reduced. The thickness of the second coating 12b is preferably (the surface roughness of the first coating 12a + 1 μm) or more. Thereby, a familiar surface can be formed only by the 2nd membrane | film | coat 12b. Furthermore, the total thickness of the first coating 12a and the second coating 12b is preferably 20 μm or less. Thereby, sufficient clearance in the piston ring groove 21 can be ensured, and the above-described function of the piston ring 1 can be executed.

ここで、第１皮膜１２ａのビッカース硬さＨＶと膜厚ｈ（μｍ）とが以下の式（Ｂ）を満たすことが好ましい。
ｈ＞−２．９×１０^−４ＨＶ＋０．８９（Ｂ）
発明者らは、上記式（Ａ）の場合と同様に、第１皮膜１２ａのビッカース硬さＨＶと膜厚が上記式（Ｂ）を満足する場合にも、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有することを見出した。これは、膜厚ｈを第１皮膜１２ａの硬さに応じた適切な値とすることにより、第１皮膜１２ａが摩滅することなくピストン材の摩耗を抑制できるためと考えられる。 Here, it is preferable that the Vickers hardness HV and the film thickness h (μm) of the first coating 12a satisfy the following formula (B).
h> -2.9 × 10 ⁻⁴ HV + 0.89 (B)
As in the case of the above formula (A), the inventors of the first coating 12a are high while suppressing the wear of the piston material even when the Vickers hardness HV and the film thickness satisfy the above formula (B). It has been found that it has aluminum adhesion resistance. This is presumably because by setting the film thickness h to an appropriate value corresponding to the hardness of the first coating 12a, the wear of the piston material can be suppressed without the first coating 12a being worn away.

こうした耐アルミニウム凝着皮膜１２は、既知の様々な方法により形成できる。具体的には、溶射、化学気相成長法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＶＤ）、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、ゾル・ゲル法等を用いて、適切な成膜条件下で成膜を行うことにより、本発明に係るピストンリングを作製することができる。 Such an aluminum adhesive film 12 can be formed by various known methods. Specifically, thermal spraying, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), aerosol deposition, cold spray, sol-gel, etc. are used. The piston ring according to the present invention can be manufactured by performing film formation under appropriate film formation conditions.

なお、上記実施形態では、耐アルミニウム凝着皮膜１２は２層構造を有しているが、２層構造に限定されず、３層以上を有するように構成することもできる。例えば、耐アルミニウム凝着皮膜１２を３層で構成する場合、ピストンリング用母材の上に形成された第１皮膜が最も硬く、第１皮膜の上に形成された第２皮膜、さらに第３皮膜と、表面側の層ほど皮膜の硬さが低くなるように構成する。ただし、第１皮膜と第３皮膜の密着性を向上させるために第２皮膜を設ける場合には、第２皮膜の硬さをこの指針に従って構成する必要はない。
また、皮膜の表面粗さは、第１皮膜の表面粗さを０．３μｍ以下、第３皮膜の表面粗さを０．５μｍ以下とすることが好ましい。第２皮膜については特に限定されないが、第３皮膜の表面粗さが上記範囲となるように適切な表面粗さを有することが好ましい。
さらに、皮膜の厚さは、第１皮膜のみ０．１μｍ以上、第２皮膜以降は１μｍ以上、第３皮膜は（第２皮膜の表面粗さ＋１μｍ以上）とすることが好ましく、皮膜全体で２０μｍ以下とすることが好ましい。
さらにまた、第２皮膜と第３皮膜の材料は同じでも、異なっていてもよいが、最表面の皮膜（すなわち、第３皮膜）を本明細書で記載した樹脂または金属で構成するようにする。
さらにまた、第２皮膜を第１皮膜と第３皮膜とを密着させるための中間層とする場合には、第１皮膜と第３皮膜との複合皮膜とする。
これらの指針は、耐アルミニウム凝着皮膜１２を４層以上で構成する場合も同様である。 In addition, in the said embodiment, although the aluminum-resistant adhesion film 12 has a 2 layer structure, it is not limited to a 2 layer structure, It can also comprise so that it may have 3 or more layers. For example, when the aluminum anti-adhesion coating 12 is composed of three layers, the first coating formed on the piston ring base material is the hardest, the second coating formed on the first coating, and the third coating The film and the surface layer are configured such that the hardness of the film decreases. However, when the second film is provided in order to improve the adhesion between the first film and the third film, it is not necessary to configure the hardness of the second film according to this guideline.
The surface roughness of the film is preferably 0.3 μm or less for the first film and 0.5 μm or less for the third film. Although it does not specifically limit about a 2nd membrane | film | coat, It is preferable to have an appropriate surface roughness so that the surface roughness of a 3rd membrane | film | coat may become the said range.
Further, the thickness of the coating is preferably 0.1 μm or more only for the first coating, 1 μm or more for the second coating and thereafter, and the third coating (the surface roughness of the second coating + 1 μm or more), and the entire coating is 20 μm. The following is preferable.
Furthermore, the materials of the second film and the third film may be the same or different, but the outermost film (that is, the third film) is made of the resin or metal described herein. .
Furthermore, when the second film is an intermediate layer for bringing the first film and the third film into close contact with each other, a composite film of the first film and the third film is used.
These guidelines are the same when the aluminum adhesion-resistant coating 12 is composed of four or more layers.

こうして、本発明に係るピストンリングは、高温かつ高負荷条件下においても長期に亘ってアルミニウム凝着を防止でき、かつピストン材の摩耗量を抑制できる。 Thus, the piston ring according to the present invention can prevent aluminum adhesion over a long period of time even under high temperature and high load conditions, and can suppress the wear amount of the piston material.

＜ピストンリングの作製＞
以下、本発明の実施例について説明する。
低クロム鋼からなるピストンリング母材の上下側面に、表１〜３に示す材料、ビッカース硬さ、表面粗さ、および膜厚を有する皮膜を形成した。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_２のいずれかからなる皮膜はエアロゾルデポジション法により、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、３Ａｌ_２Ｏ_３−２ＳｉＯ_２、２ＭｇＯ−ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３−４０％ＴｉＯ_２のいずれかからなる皮膜は溶射法により、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＡｌＮのいずれかからなる皮膜はＣＶＤ法により、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣおよびＤＬＣのいずれかからなる皮膜はＰＶＤ法により、ＰＡＩ、ＰＢＩ、ＰＩ、ＰＡＲ、樹脂皮膜Ａおよび樹脂皮膜Ｂはスプレー法により、ＰＥＥＫ、ＰＰＳおよびＰＥＳは流動浸漬法により、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、ＩｎおよびＮｉはめっき法により、それぞれ形成した。よって、例えば、発明例１の場合には、ＳｉＣからなる第１皮膜はＣＶＤ法により、Ｓｎからなる第２皮膜はめっき法により形成した。
なお、表１において、発明例１４〜１６は、第１皮膜が２種類のセラミックスからなり、発明例１４の第１皮膜は、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２を３：２で混合したもの、発明例１５の第１皮膜は、ＭｇＯとＳｉＯ_２を２：１で混合したもの、発明例１６の第１皮膜は、Ａｌ_２Ｏ_３に４０質量％のＴｉＯ_２を添加したものであり、第２皮膜は、Ａｌ_２Ｏ_３に４０質量％のＴｉＯ_２を添加したものである。
また、比較例１の樹脂皮膜Ａは、ＭｏＳ_２粉末（平均粒径２μｍ）を５質量％、グラファイト粉末（平均粒径２μｍ）を５質量％含有するポリイミド樹脂皮膜である。
さらに、発明例２４および比較例２の樹脂皮膜Ｂは、Ａｌ_２Ｏ_３粉末（平均粒径０．５μｍ）を１０質量％含有するポリイミド樹脂皮膜である。
さらにまた、比較例５の耐アルミニウム凝着皮膜はＡｌ_２Ｏ_３からなり、１層構造を有している。 <Production of piston ring>
Examples of the present invention will be described below.
Films having the materials, Vickers hardness, surface roughness, and film thickness shown in Tables 1 to 3 were formed on the upper and lower side surfaces of the piston ring base material made of low chromium steel. Here, the film made of any one of Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Y ₂ O ₃ and TiO ₂ is formed by an aerosol deposition method using Cr ₂ O ₃ , MgO, 3Al ₂ O ₃ -2SiO ₂ , 2MgO-SiO _2. and the _Al 2 _O 3 film comprising either -40% TiO ₂ are spraying method, _SiC, by Si _{3 N} 4, film made of any one of SiO 2, _AlN CVD method, TiN, CrN, CrC and DLC A film made of any of the following: PVD method, PAI, PBI, PI, PAR, resin film A and resin film B are spray methods, PEEK, PPS and PES are fluid immersion methods, Cu, Ag, Au, Sn, In and Ni were each formed by a plating method. Therefore, for example, in the case of Invention Example 1, the first film made of SiC was formed by the CVD method, and the second film made of Sn was formed by the plating method.
In Table 1, Invention Examples 14 to 16 have the first film made of two types of ceramics, and the first film of Invention Example 14 is a mixture of Al ₂ O ₃ and SiO ₂ in a ratio of 3: 2, invention. The first coating of Example 15 is a mixture of MgO and SiO ₂ in a ratio of 2: 1. The first coating of Invention Example 16 is obtained by adding 40% by mass of TiO ₂ to Al ₂ O ₃ . The film is obtained by adding 40% by mass of TiO ₂ to Al ₂ O ₃ .
Moreover, the resin film A of Comparative Example 1 is a polyimide resin film containing 5% by mass of MoS ₂ powder (average particle size 2 μm) and 5% by mass of graphite powder (average particle size 2 μm).
Furthermore, the resin film B of Invention Example 24 and Comparative Example 2 is a polyimide resin film containing 10% by mass of Al ₂ O ₃ powder (average particle size 0.5 μm).
Furthermore, the aluminum-resistant adhesive film of Comparative Example 5 is made of Al ₂ O ₃ and has a one-layer structure.

発明例１〜４７および比較例１〜５のピストンリングの耐アルミニウム凝着性能を評価した。そのために、図３に示したエンジン模擬試験装置を使用した。図３に示したエンジン模擬試験装置３０は、ピストン３２が上下に往復運動を行い、ピストンリング３３が回転運動を行う機構を有しており、試験は、ヒーター３１、温度コントローラー３４および熱電対３５により、ピストン３２を加熱制御して行った。試験条件は、面圧１３ＭＰａ、リング回転速度３ｍｍ／ｓ、制御温度２７０℃、試験時間５時間とし、窒素ガスとともに、オイルを所定の間隔で一定量噴射しながら行った。試験後に、ピストンリングの皮膜残存量およびアルミニウム凝着の発生の有無を調べた。得られた結果を表１〜３に示す。なお、皮膜残存量の評価基準は以下のとおりである。
◎：０．８μｍ以上
○：０．４μｍ以上０．８μｍ未満
△：０μｍ超え０．４μｍ未満
×：皮膜なし Aluminum adhesion resistance of the piston rings of Invention Examples 1 to 47 and Comparative Examples 1 to 5 was evaluated. For that purpose, the engine simulation test apparatus shown in FIG. 3 was used. The engine simulation test apparatus 30 shown in FIG. 3 has a mechanism in which the piston 32 reciprocates up and down and the piston ring 33 rotates. The test is performed by the heater 31, the temperature controller 34, and the thermocouple 35. Thus, the piston 32 was heated and controlled. The test conditions were a surface pressure of 13 MPa, a ring rotation speed of 3 mm / s, a control temperature of 270 ° C., a test time of 5 hours, and nitrogen gas and a fixed amount of oil were injected at predetermined intervals. After the test, the remaining amount of the piston ring film and the occurrence of aluminum adhesion were examined. The obtained results are shown in Tables 1-3. In addition, the evaluation criteria of the film remaining amount are as follows.
A: 0.8 μm or more ○: 0.4 μm or more and less than 0.8 μm Δ: 0 μm to less than 0.4 μm ×: No film

また、アルミニウム凝着性能の評価は、目視で確認した。得られた結果を表１〜３に示す。なお、アルミニウム凝着性能の評価基準は以下の通りである。
◎：アルミニウム凝着の発生なし
○：アルミニウム凝着が発生しているが極めて軽微
×：アルミニウム凝着が発生している The evaluation of aluminum adhesion performance was confirmed visually. The obtained results are shown in Tables 1-3. In addition, the evaluation criteria of aluminum adhesion performance are as follows.
◎: Aluminum adhesion not occurred ○: Aluminum adhesion occurred but very slight ×: Aluminum adhesion occurred

ピストン材の摩耗量は、試験後のピストン材表面を形状測定して基準面からの深さを算出した。得られた結果を表１〜３に示す。なお、摩耗量の評価基準は以下の通りである。
◎：０．５μｍ未満
○：０．５μｍ以上１．０μｍ未満
△：１．０μｍ以上３．０μｍ未満
×：３．０μｍ以上 The amount of wear of the piston material was calculated by measuring the shape of the surface of the piston material after the test and calculating the depth from the reference surface. The obtained results are shown in Tables 1-3. The evaluation criteria for the amount of wear are as follows.
A: Less than 0.5 μm O: 0.5 μm or more and less than 1.0 μm Δ: 1.0 μm or more and less than 3.0 μm ×: 3.0 μm or more

ピストンリングの耐アルミニウム凝着性能およびピストン材の摩耗量の評価結果から、ピストンリングの性能を総合的に評価した。得られた結果を表１〜３に示す。なお、摩耗量の評価基準は以下の通りである。
◎：優良
○：良好
△：比較的良好
×：悪い
ここで、総合評価は、皮膜が残存、アルミニウム凝着がなし、ピストン材摩耗量が０．５μｍ未満の皮膜を◎、皮膜がなし、アルミニウム凝着がある、ピストン材摩耗量が３．０μｍ以上の皮膜を×、それ以外を○または△とした。全ての評価項目で×がない皮膜を○、全ての評価項目で×が１〜２の皮膜を△とした。 The performance of the piston ring was comprehensively evaluated from the evaluation results of the aluminum ring anti-adhesion performance of the piston ring and the wear amount of the piston material. The obtained results are shown in Tables 1-3. The evaluation criteria for the amount of wear are as follows.
◎: Excellent ○: Good △: Relatively good ×: Bad Here, the overall evaluation is that the film remains, there is no aluminum adhesion, and the piston material wear amount is less than 0.5 μm ◎, there is no film, aluminum A film with adhesion and a piston material wear amount of 3.0 μm or more was marked with ×, and the others were marked with ◯ or △. A film having no x in all evaluation items was marked with ◯, and a film having x in 1-2 in all evaluation items was marked with Δ.

＜耐アルミニウム凝着性能の評価＞
表１〜３に示すように、発明例１〜４７のピストンリングの全てについて、アルミニウム凝着が発生しなかった。発明例３０、３５および３６については、第１皮膜の膜厚が薄く、試験後に被膜が消失してアルミニウム凝着が発生していたが、無視できる程度の極めて軽微なものであり、問題のない程度のものであった。
一方、比較例１および２については、試験後に皮膜が全く残っておらず、アルミニウム凝着が発生していた。また、比較例３については、比較例１および２と同様、試験後に皮膜が全く残っておらず、アルミニウム凝着が発生していたが、ごく軽微なものであった。
さらに、比較例４については、皮膜残存量が多く、アルミニウム凝着は発生しなかった。
さらにまた、比較例５については、皮膜残存量が多く、アルミニウム凝着は発生しなかった。 <Evaluation of aluminum adhesion resistance>
As shown in Tables 1 to 3, aluminum adhesion did not occur in all of the piston rings of Invention Examples 1 to 47. In invention examples 30, 35 and 36, the film thickness of the first film was thin, and the film disappeared after the test and aluminum adhesion occurred, but this was extremely negligible and could be ignored. It was about.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, no film remained after the test, and aluminum adhesion occurred. In Comparative Example 3, as in Comparative Examples 1 and 2, no film remained after the test, and aluminum adhesion occurred, but it was very slight.
Further, in Comparative Example 4, the amount of remaining film was large, and aluminum adhesion did not occur.
Furthermore, in Comparative Example 5, the amount of remaining film was large, and aluminum adhesion did not occur.

＜ピストン材摩耗量の評価＞
表１〜３に示すように、発明例３０、３５、３６、４０、４４および４７を除く発明例については、ピストン摩耗量は０．５μｍ未満と極めて少なかった。第１皮膜の表面粗さが比較的大きい発明例４４および４７については、摩耗量がやや多かった。また、第１皮膜の膜厚が比較的薄い発明例３０、３５および３６については、摩耗量は少ないものの、発明例１〜２９等ほどではなかった。さらに、第２皮膜の膜厚が比較的薄い発明例４０については、摩耗量がやや多かった。
一方、比較例１および２については、摩耗量が３μｍ以上と多かった。
また、比較例３については、摩耗量はやや多く、比較例４については、摩耗量は多かった。
さらに、比較例５については、ピストン材の摩耗量は少ないものの、発明例１〜２９等ほどではなかった。 <Evaluation of piston material wear>
As shown in Tables 1 to 3, for the inventive examples except the inventive examples 30, 35, 36, 40, 44 and 47, the piston wear amount was very small, less than 0.5 μm. Inventive Examples 44 and 47, in which the surface roughness of the first film was relatively large, the amount of wear was slightly high. Inventive Examples 30, 35, and 36 in which the first film was relatively thin, although the amount of wear was small, it was not as high as Inventive Examples 1 to 29. Furthermore, the amount of wear was a little large for Invention Example 40 in which the film thickness of the second film was relatively thin.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the wear amount was as large as 3 μm or more.
In Comparative Example 3, the amount of wear was slightly large, and in Comparative Example 4, the amount of wear was large.
Further, in Comparative Example 5, although the amount of wear of the piston material was small, it was not as high as Invention Examples 1 to 29.

また、表２は、皮膜の膜厚とピストン材の摩耗量との関係を示しており、第１皮膜のビッカース硬さと膜厚が式（Ｂ）を満足する発明例３１〜３４、３７〜３９および４１については、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。表１に示した発明例１〜２９も式（Ｂ）を満足しており、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。 Table 2 shows the relationship between the film thickness of the film and the amount of wear of the piston material. Invention Examples 31 to 34, 37 to 39 in which the Vickers hardness and film thickness of the first film satisfy the formula (B). About 41 and 41, it turns out that it has high aluminum adhesion-proof performance, suppressing abrasion of piston material. Invention Examples 1 to 29 shown in Table 1 also satisfy the formula (B), and it can be seen that the aluminum material has high aluminum adhesion resistance while suppressing wear of the piston material.

さらに、表３は、皮膜の表面粗さとピストン材の摩耗量との関係を示しており、第１皮膜のビッカース硬さと表面粗さが式（Ａ）を満足する発明例４２、４３、４５および４６については、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。表１に示した発明例１〜２９も式（Ａ）を満足しており、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有していることが分かる。 Further, Table 3 shows the relationship between the surface roughness of the coating and the amount of wear of the piston material, and the inventive examples 42, 43, and 45 in which the Vickers hardness and the surface roughness of the first coating satisfy the formula (A) and About 46, it turns out that it has high aluminum adhesion-proof performance, suppressing abrasion of piston material. Invention Examples 1 to 29 shown in Table 1 also satisfy the formula (A), and it can be seen that the aluminum material has high aluminum adhesion resistance while suppressing wear of the piston material.

＜総合評価＞
実施例１〜４９の全てに対して、優良または比較的良好以上の評価が与えられた。特に、第１皮膜のビッカース硬さおよび表面粗さが式（Ａ）を満足する場合、あるいはビッカース硬さおよび膜厚が式（Ｂ）を満足する場合の全てについて、優良の評価が与えられ、すなわち、ピストン材の摩耗を抑制しつつ高い耐アルミニウム凝着性能を有するピストンリングが得られたことが分かる。
これに対して、樹脂皮膜が設けられた比較例１および２については、耐アルミニウム凝着性能およびピストン材摩耗量の双方について劣っていた。
また、ニッケル皮膜が設けられた比較例３およびＤＬＣ皮膜が設けられた比較例４については、耐アルミニウム凝着性能は良好あるいは優良であったが、ピストン材摩耗特性はやや劣っていた。
さらに、比較例５については、高い耐アルミニウム凝着性能を示した。また、ピストン材の摩耗量も少なかったが、発明例１〜２９等ほどではなかった。 <Comprehensive evaluation>
For all Examples 1 to 49, an evaluation of excellent or relatively good or better was given. In particular, when the Vickers hardness and surface roughness of the first film satisfy the formula (A), or when the Vickers hardness and film thickness satisfy the formula (B), excellent evaluation is given, That is, it can be seen that a piston ring having high aluminum adhesion resistance performance while suppressing wear of the piston material was obtained.
On the other hand, Comparative Examples 1 and 2 provided with a resin film were inferior in both aluminum adhesion resistance and piston material wear.
In Comparative Example 3 provided with the nickel film and Comparative Example 4 provided with the DLC film, the aluminum adhesion resistance was good or excellent, but the piston material wear characteristics were slightly inferior.
Further, Comparative Example 5 showed high aluminum adhesion resistance. Moreover, although the abrasion amount of piston material was also small, it was not as much as invention examples 1-29 grade | etc.,.

本発明によれば、耐アルミニウム凝着皮膜を２層構造とし、ビッカース硬さＨＶが比較的低い、樹脂または金属からなる第２皮膜によりなじみ面を形成し、ビッカース硬さＨＶが比較的低い、セラミックスからなる第１皮膜により耐アルミニウム凝着皮膜の耐久性を持たせるようにして、高温下でも長期に亘ってアルミニウム凝着を防止でき、かつピストン材の摩耗量を抑制することができるため、自動車部品製造業に有用である。 According to the present invention, the aluminum adhesion-resistant film has a two-layer structure, the Vickers hardness HV is relatively low, the familiar surface is formed by the second film made of resin or metal, and the Vickers hardness HV is relatively low. Since the first film made of ceramics has durability of the aluminum adhesion-resistant film, aluminum adhesion can be prevented over a long period of time even at high temperatures, and the wear amount of the piston material can be suppressed. Useful in the automotive parts manufacturing industry.

１，３３ピストンリング
１１ピストンリング用母材
１１ａピストンリング用母材の上側側面
１１ｂピストンリング用母材の下側側面
１２耐アルミニウム凝着皮膜
１２ａ第１皮膜
１２ｂ第２皮膜
２０，３２ピストン
２１ピストンリング溝
２２ピストンリング溝の上面
２３ピストンリング溝の下面
２４シリンダ
３０エンジン模擬試験装置
３１ヒーター
３４温度コントローラー
３５熱電対 1,33 Piston ring 11 Piston ring base material 11a Upper side surface 11b of piston ring base material Lower side surface 12 of piston ring base material Aluminum adhesion coating 12a First coating 12b Second coating 20, 32 Piston 21 Piston Ring groove 22 Piston ring groove upper surface 23 Piston ring groove lower surface 24 Cylinder 30 Engine simulation test device 31 Heater 34 Temperature controller 35 Thermocouple

Claims

ピストンリング用母材の上下側面の少なくとも一方に耐アルミニウム凝着皮膜が被覆された、内燃機関用のピストンリングであって、
前記耐アルミニウム凝着皮膜は、前記ピストンリング用母材の上に形成された、セラミックスからなる第１皮膜と、該第１皮膜の上に形成された、樹脂または金属からなる第２皮膜とを有し、前記第１皮膜のビッカース硬さＨＶと前記第１皮膜の表面の算術平均粗さＲａ（μｍ）とが以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
記
Ｒａ＜−８．７×１０^-5ＨＶ＋０．３９（Ａ） A piston ring for an internal combustion engine, in which at least one of the upper and lower side surfaces of the piston ring base material is coated with an aluminum anti-adhesion film,
The aluminum adhesion-resistant film includes a first film made of ceramics and formed on the piston ring base material, and a second film made of resin or metal formed on the first film. A piston ring for an internal combustion engine, characterized in that the Vickers hardness HV of the first coating and the arithmetic average roughness Ra (μm) of the surface of the first coating satisfy the following formula (A).
Ra <−8.7 × 10 ⁻⁵ HV + 0.39 (A)

前記第１皮膜のビッカース硬さＨＶは５００以上２８００以下であり、前記第２皮膜のビッカース硬さＨＶは２０以上３００以下である、請求項１に記載の内燃機関用ピストンリング。 The piston ring for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the first coating has a Vickers hardness HV of 500 or more and 2800 or less, and the second coating has a Vickers hardness HV of 20 or more and 300 or less.

前記第１皮膜のビッカース硬さＨＶと前記第１皮膜の厚みｈ（μｍ）とが以下の式（Ｂ）を満たす、請求項１または２に記載の内燃機関用ピストンリング。
記
ｈ＞−２．９×１０^-4ＨＶ＋０．８９（Ｂ） The piston ring for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the Vickers hardness HV of the first coating and the thickness h (µm) of the first coating satisfy the following formula (B).
H> -2.9 × 10 ⁻⁴ HV + 0.89 (B)

前記第１皮膜の表面の算術平均粗さは０．３μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 The piston ring for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the arithmetic average roughness of the surface of the first coating is 0.3 µm or less.

前記第１皮膜の厚さは０．１μｍ以上であり、前記第２皮膜の厚さは１μｍ以上であり、前記第１皮膜および前記第２皮膜の厚さの合計が２０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンリング。 The thickness of the first film is 0.1 μm or more, the thickness of the second film is 1 μm or more, and the total thickness of the first film and the second film is 20 μm or less. The piston ring for internal combustion engines as described in any one of 1-4.

前記第２皮膜が硬質粒子を含む樹脂からなり、前記硬質粒子の材料は、アルミナ、ジルコニア、セリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドより選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンリング。 The second film is made of a resin containing hard particles, and the material of the hard particles is at least one selected from alumina, zirconia, ceria, silicon carbide, silicon nitride, cubic boron nitride, and diamond. The piston ring as described in any one of Claims 1-5.

前記セラミックスの材料は、アルミナ、チタニア、イットリア、ジルコニア、シリカ、マグネシア、クロミア、炭化ケイ素、炭化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素、窒化クロムより選ばれる少なくとも一種であり、前記樹脂の材料は、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエステル、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、芳香族ポリシアヌレート、芳香族ポリチオシアヌレート、芳香族ポリグアナミンより選ばれる少なくとも一種、および前記金属の材料は、インジウム、鉛、錫、銅、銀、金より選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。 The ceramic material is at least one selected from alumina, titania, yttria, zirconia, silica, magnesia, chromia, silicon carbide, chromium carbide, aluminum nitride, titanium nitride, silicon nitride, and chromium nitride, and the resin material is , Polyimide, polyetherimide, polyamideimide, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, aromatic polyester, aromatic polyamide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, aromatic polycyanurate, At least one selected from aromatic polythiocyanurate and aromatic polyguanamine, and the metal material is composed of at least one selected from indium, lead, tin, copper, silver, and gold. The symptom, the piston ring according to any one of claims 1 to 6.