活塞環及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及安裝于侶合金制的活塞而使用的、形成有硬質碳覆膜的活塞環及其制 造方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，對于W汽車引擎為代表的內燃機，在要求高輸出化、長壽命化的同時，還 要求燃料效率的提高。尤其是，為了有效地將燃氣的膨脹能轉化為動能，對燃燒時的高壓氣 體進行密封的活塞環暴露于更為嚴酷的使用環境。例如，如果為了提高內燃機的熱效率而 提高燃氣的壓縮率，則燃燒室的溫度變高。此外，為了提高燃油效率，需要降低活塞環與氣 缸套內壁之間的摩擦損失，活塞環中壓縮環的寬度窄化（薄幅化）不斷推進。此外，對于活 塞環，還要求耐久性。
[0003] 此外，在將活塞環安裝于侶合金制活塞的活塞環槽的情況下，在燃燒室的溫度上 升的同時，活塞的溫度也變高，構成活塞的侶在活塞環的沿活塞環槽滑動的側面粘著，有可 能密封特性降低或耗油量增加。因此，要求抑制侶在用于侶合金制的活塞的活塞環的側面 粘著的功能。
[0004] 而隨著上述活塞環（壓縮環）的寬度窄化，如圖11所示，發生活塞環槽W在軸向 上擴展的方式發生磨耗的所謂"卿趴狀磨耗"。
[0005] 圖11顯示的是將活塞環（頂環）200安裝于活塞20的活塞環槽20a的狀態。隨 著從初始的狀態（圖11(a))開始使用，頂環200的下側面20化2由于燃氣的壓力等而W相 對于水平面傾斜的狀態壓靠于活塞環槽20a的第二槽脊20c。此外，由于活塞20的往復運 動，頂環200的上側面200b1也同樣地壓靠于活塞環槽20a的頂部槽脊20b。運樣就發生了 活塞環槽20a在軸向上擴展的"卿趴狀磨耗"。
[0006] 此時，頂環200的上側面200b1和下側面200b2也發生磨耗，因此提出了在活塞環 的外周面和側面形成耐磨耗性優異的硬質碳覆膜的技術。
[0007] 例如，專利文獻1記載了在活塞環的側面形成類金剛石碳，選自Si、Ti、W、化、Mo、 佩、V的組的1種或2種W上的元素W5~40原子％的比例分散于所述類金剛石碳中，覆 膜硬度在HV700~2000的范圍內。
[000引此外，專利文獻2記載了使氧含量為1原子％ ^上10原子％ ^下、氨含量為10原 子％ ^上40原子％ ^下、娃含量為0. 1原子％ ^上20原子％W下的硬質碳膜在活塞環的 外周W致密的組織的形式形成、在活塞環的側面W柱狀組織的形式形成。
[0009] 現有技術文獻
[0010] 專利文獻
[0011] 專利文獻1 :日本特許第3355306號公報
[0012] 專利文獻2 :日本特開2008-241032號公報
【發明內容】
[0013] 發明所要解決的課題
[0014] 然而，當將活塞環安裝于侶合金制的活塞、活塞環沿W化為主要成分的氣缸套滑 動時，活塞環的外周面和側面的滑動狀態是不同的，因此，外周面和側面對活塞環要求的覆 膜特性也是不同的。具體而言，活塞環的外周面暴露于比側面更為嚴酷的滑動環境，因此， 對于該外周面要求高的耐磨耗性。而對于活塞環的側面，則要求對于與侶合金的滑動的耐 磨耗性、活塞側的侶的粘著少。
[0015] 然而，專利文獻1記載的技術中，活塞環的外周面和側面形成有同一硬質碳覆膜， 因此，滑動環境比活塞環的側面更嚴酷的外周面難W獲得長期充分的耐磨耗性。
[0016] 此外，專利文獻2記載的技術中，硬質碳覆膜含有氨，因此，覆膜的耐熱性低，如果 暴露于高溫的燃氣，則容易由于熱分解而從覆膜放出氣體、或者覆膜由于氧化而消耗。
[0017] 本發明解決了上述問題，其目的在于提供一種活塞環及其制造方法，對活塞環的 外周面和側面賦予不同的覆膜特性，能夠在長期維持耐磨耗性的同時，抑制侶在所述活塞 環與活塞環槽之間的粘著。
[0018] 用于解決課題的方法
[0019] 為了解決上述課題，本發明的活塞環的特征在于，其為安裝于侶合金制的活塞的、 沿W Fe為主要成分的氣缸套滑動的活塞環，外周面和至少一個側面形成有不含氨的硬質 碳覆膜，形成于上述外周面的上述硬質碳覆膜是沒有柱狀組織的覆膜，形成于上述側面的 上述硬質碳覆膜具有在與該側面交叉的方向上伸展的柱狀組織。
[0020] 外周面的硬質碳覆膜位于活塞環的外周側，沿W化為主要成分的氣缸套滑動，要 求高的耐磨耗性。因此，通過將外周面的硬質碳覆膜設為沒有柱狀組織的覆膜，覆膜變得致 密，具有良好的耐磨耗性，能夠長期維持耐磨耗性。
[0021] 另一方面，通過將形成于側面的硬質碳覆膜設為柱狀組織，潤滑油從硬質碳覆膜 的表面滲透至柱狀組織間的間隙并得W保持，因而難W發生油量不足。其結果是，即使侶合 金制的活塞的活塞環槽的壁面與活塞環的側面（硬質碳覆膜）滑動，也難W發生侶的粘著。
[0022] 此外，通過使硬質碳覆膜的柱狀組織W相對于法線方向向外周側傾斜的方向上伸 展的方式形成，在W硬質碳覆膜傾斜的狀態壓靠于活塞環的第二槽脊時，柱狀組織的伸展 方向接近（沿著）壓靠合力的方向。其結果是，沿與柱狀組織的分界交叉的方向（與側面 平行的方向）將柱狀組織彼此切斷的力減小，柱狀組織（硬質碳覆膜）的耐磨耗性變得良 好。
[0023] 優選上述柱狀組織在相對于上述側面的法線方向向外周側傾斜10~30度的方向 上伸展。
[0024] 優選上述硬質碳覆膜含有98原子％ ^上的碳。
[00巧]本發明的活塞環的制造方法的特征在于，其為使用具有碳陰極的電弧式蒸發源 的、通過電弧離子鍛法在活塞環的外周面和至少一個側面形成硬質碳覆膜的活塞環的制造 方法，在W上述活塞環的側面與來自上述電弧式蒸發源的離子流所成的角為10°~40° 的方式進行配置、且不從外部導入除惰性氣體W外的任意氣體的條件下使硬質碳覆膜成 膜。
[0026] 優選上述硬質碳覆膜成膜時的壓力為5X 10 2Pa W下。
[0027] 發明的效果
[0028] 根據本發明，能夠對活塞環的外周面和側面賦予不同的覆膜特性，長期維持耐磨 耗性，并且抑制侶在活塞環與活塞環槽之間的粘著。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發明的一個實施方式設及的活塞環的截面圖。
[0030] 圖2是顯示在實施例1的試樣的外周面形成的硬質碳覆膜的截面沈Μ圖像的圖。
[003。圖3是顯示在實施例1的試樣的側面形成的硬質碳覆膜的截面沈Μ圖像的圖。
[003引圖4是顯示從圖3的截面沈Μ圖像提取柱狀組織的輪廓而得的畫像的圖。
[0033] 圖5是顯示活塞環的側面的硬質碳覆膜被壓靠于發生了卿趴狀磨耗的活塞環槽 的狀態的示意圖。
[0034] 圖6是顯示本發明的實施方式設及的活塞環的變形例的截面圖。
[0035] 圖7是保持活塞環的基材的治具的截面圖。
[0036] 圖8是顯示活塞環保持板的立體圖。
[0037] 圖9是顯示用于形成硬質碳覆膜的成膜裝置的截面圖。
[0038] 圖10是顯示使硬質碳覆膜在基材上成膜的過程的圖。
[0039] 圖11是顯示活塞環槽發生了卿趴狀磨耗的狀態的示意圖。
【具體實施方式】
[0040]W下對本發明的實施方式進行說明。
[0041] 本發明的實施方式設及的活塞環是安裝于侶合金制的活塞所形成的活塞環槽的、 沿W化為主要成分的氣缸套滑動的活塞環。
[0042] 圖1顯示的是本發明的實施方式設及的活塞環10的截面圖。活塞環10是在基材 12的外周面12a和兩個側面12bl、12b2分別形成硬質碳覆膜3而成。運里，活塞環10的 "側面"是活塞環10的板面，"外周面"是與"側面"鄰接并與"側面"交叉的面。此外，如圖 1所示，"外周面"可優選使用曲面（桶狀），只要是適用于活塞環的外周面的形狀，則任何 形狀均可。其中，形成于外周面12a的硬質碳覆膜用符號"3a"表示，分別形成于兩個側面