活塞環的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及機動車發動機用活塞環，特別設及通過離子鍛包覆了耐擦傷性、耐磨 損性W及耐皮膜剝離性優異的層疊硬質皮膜的活塞環。
【背景技術】
[0002] 近年來，活塞環由于與發動機的高輸出化、廢氣限制應對相伴的燃燒溫度的高溫 化和面壓負荷的增大、而且低粘度潤滑油的采用、生物乙醇等燃料的多樣化、W及高壓燃料 噴射等，其使用環境逐漸變得嚴苛。即便是通過耐擦傷性及耐磨損性最優異的所謂離子鍛 而產生的硬質氮化銘(CrN)包覆活塞環，由于包括裂紋或缺口的發生在內的皮膜剝離的問 題，隨處可見無法發揮充分的性能的狀況。因此，強烈地要求W往沒有的耐擦傷性、耐磨損 性、W及耐皮膜剝離性優異的活塞環。
[0003] 上述的離子鍛產生的氮化銘通常存在雖然硬但是容易缺口的課題，到目前為止， 進行了結晶方位、組織控制、空隙率(空孔率)控制、或者第=元素的添加、皮膜的層疊化等 各種改良。
[0004] 關于向氮化銘的第S元素的添加，為了提高化N的初性，日本特開平6-265023教了 使氧（0)固溶的情況，日本特開平6-300130教了使碳（C)固溶的情況。此外，國際公開第 2008/059791公開了一種CrCN皮膜，氮化銘皮膜朝向皮膜表面具有柱狀的形態，相對于由 銘、氮、碳構成的主成分的合計的碳濃度為4~8重量％，維氏硬度為1600W上，破壞初性值 為3MPa^^mW上的耐磨損性優異且難W發生缺口。
[000引而且，關于皮膜的層疊化，例如，為了解決W活塞環外周皮膜表面的俯仰疲勞為起 因的缺口狀剝離的問題，日本特開平8-312779公開了使皮膜剖切面的CrN結晶從基材表面 朝向皮膜表面的方向的柱狀層與平滑狀層交替地層疊的皮膜，或者使空孔率0~0.5體積％ 的層與空孔率1.5~20體積％的層交替層疊的皮膜。此外，日本特開2005-187859W同樣的 觀點，關于例如化SiN或TiSiN的復合氮化物皮膜，公開了一種硬質厚膜皮膜，使能夠形成柱 狀晶的高偏壓電壓條件與無法形成柱狀晶的低偏壓電壓條件每隔一定時間交替反復，在柱 狀晶的復合氮化物的硬質皮膜之中每隔一定間隔夾入固定厚度的不是柱狀晶的構造的該 復合氮化物的應力緩和層，來減輕內部應力并具有高緊貼力。
[0006] 上述的日本特開平8-312779及日本特開2005-187859都是在相同的氮化物的范圍 內層疊有不同的組織(柱狀組織層/非柱狀組織層，或多孔質組織層/致密質組織層）的氮化 物層的結構，但是日本特開2005-82822公開了層疊金屬層作為日本特開2005-187859中所 說的應力緩和層的層疊皮膜，即包含不同的組成的層疊皮膜。然而，金屬層的存在雖然在應 力緩和運樣的觀點下具有比日本特開2005-187859的復合氮化物層更優異的效果，但是在 耐擦傷性運樣的觀點上具有起到負作用的缺點。
[0007] 日本特開2007-278314公開了具有將由鐵、碳及氮構成的化合物層與由銘、碳及氮 構成的化合物層交替層疊的層疊皮膜的活塞環。因此，即便使用于柴油發動機的頂環也不 會產生缺口，成為耐磨損性優異的皮膜，因此關于與其性能密切相關的硬質皮膜的破壞初 性值和硬度，W使破壞初性值成為約3MPa^^mW上且硬度成為Hv 1700^上的方式決定碳的 固溶量、空孔率。
[0008] 然而，上述那樣的皮膜的層疊化對于一部分非常嚴格的環境下使用的活塞環而言 并不充分，實際情況是無法完全解決硬質皮膜的疲勞引起的包括裂紋或缺口的發生在內的 皮膜剝離的問題。
【發明內容】
[0009] 發明要解決的課題
[0010] 本發明的課題在于提供一種能夠在發動機的機械及熱負荷高的環境下使用的通 過離子鍛包覆了耐擦傷性、耐磨損性W及耐皮膜剝離性優異的層疊硬質皮膜的活塞環及其 制造方法。
[0011] 用于解決課題的手段
[0012] 本發明者們對于通過離子鍛包覆于活塞環的硬質皮膜上負載的機械應力及熱應 力，除了關注破壞初性及硬度的改善W外，還關注通過成膜而導入的殘留應力，而進行了仔 細研究，結果是想出了，通過將在CrN中固溶C而提高了破壞初性和硬度的CrCN層與硬度比 較低的化N層層疊，并且通過將各層的厚度控制成接近于各微晶尺寸的厚度，能夠形成包覆 了改善硬度和破壞初性并使殘留應力最優化的耐擦傷性、耐磨損性及耐皮膜剝離性優異的 層疊硬質皮膜的活塞環。
[0013] 目P，本發明的活塞環是在外周滑動面上包覆有10~60WI1的CrN型硬質皮膜的活塞 環，其特征在于，所述CrN型硬質皮膜包含化N/化CN層疊皮膜，該化N/化CN層疊皮膜由化N層 與在CrN中固溶有C的CrCN層交替層疊而成，由一層所述CrN層和一層所述CrCN層構成的層 疊單位厚度為30nmW上，所述CrN型硬質皮膜的硬度為Hv 1000 W上，壓縮殘留應力為 ISOOMPaW下。所述化CN層的碳濃度優選為2~8質量％，由此，將CrN層和化CN層大致1:1層 疊而成的所述化N型硬質皮膜的碳濃度優選為1~4質量％。
[0014] 關于所述CrN層和所述CrCN層，為了形成剛性高且強度強的皮膜，盡量優選形成為 結晶性高的皮膜，為此，優選所述化N型硬質皮膜的所述層疊單位厚度為30~lOOnm，處于根 據所述化N型硬質皮膜的X線衍射數據而得到的微晶尺寸的2~6倍的范圍內。
[0015] 而且，優選所述化N型硬質皮膜的包覆面的X線衍射強度在化N(200)面最大。
[0016]此外，優選所述外周滑動面的最表面具有由CrN相和在CrN中固溶有C的CrCN相構 成的復合組織。
[0017] 而且，在外周滑動面包覆有10~60WI1的CrN型硬質皮膜的本發明的活塞環的制造 方法的特征在于，將所述活塞環的基材外周面的表面粗糖度WRzjis82調整為0.5~3皿，通 過電弧離子鍛使&N層的形成與在CrN中固溶有C的CrCN層的形成交替反復而形成了 &N/ 化CN層疊皮膜之后，對所述化N/化CN層疊皮膜進行研磨加工。
[0018] 優選所述CrN層的形成使用氮氣作為工藝氣體，所述CrCN層的形成使用氮氣、控氣 及氣氣作為工藝氣體。而且，優選所述工藝氣體通過流量來控制，而且，優選形成所述化N層 時的工藝氣體與形成所述CrCN層時的工藝氣體之間的切換在維持金屬Cr陰極的電弧放電 的狀態下進行。
[0019] 發明效果
[0020] 本發明的耐擦傷性、耐磨損性及耐皮膜剝離性優異的化N/CrCN層疊硬質皮膜包覆 活塞環將硬度相對低的化N層與提高了破壞初性和硬度的CrCN層交替層疊，因此CrN層作為 應力緩和層起作用，抑制裂紋的發生及/或傳播，能夠表現出高的耐皮膜剝離性。而且，在裂 紋的傳播運樣的觀點上，除了層疊楊氏模量和硬度高的CrCN層之外，還使CrN層與CrCN層的 層疊單位厚度成為接近于各結晶的微晶尺寸之和的厚度，由此能夠形成高結晶性即高剛性 的CrN層及CrCN層，形成對于裂紋的傳播表現出高耐性的皮膜。包覆了運樣將CrN層與CrCN 層層疊而成的硬質皮膜的活塞環結果是具有保持發揮優異的耐擦傷性、耐磨損性、耐皮膜 剝離性的平衡的壓縮殘留應力，由此即使在多樣化的嚴格的環境下也能夠使用。
【附圖說明】
[0021] 圖1是示意性地表示本發明的化N/化CN層疊皮膜包覆活塞環的皮膜剖面的圖。
[0022] 圖2是在本發明中使用的電弧離子鍛裝置的概略圖。
[0023] 圖3是表示實施例1的CrN/CrCN層疊皮膜包覆活塞環的皮膜剖面的掃描電子顯微 鏡照片。
[0024] 圖4是表示實施例1的X線衍射圖案的圖。
[0025] 圖5是滾動滑動疲勞試驗機的概略圖。
【具體實施方式】
[0026] 本發明的活塞環是在外周滑動面上包覆有10~60WI1的CrN型硬質皮膜的活塞環， 其特征在于，所述CrN型硬質皮膜包含CrN/CrCN層疊皮膜，該CrN/CrCN層疊皮膜由CrN層與 在CrN中固溶有C的CrCN層交替層疊而成，由一層所述CrN層和一層所述CrCN層構成的層疊 單位厚度為30nmW上，所述CrN型硬質皮膜的硬度為Hv 1000 W上，壓縮殘留應力為ISOOMPa W下。即，為了得到耐擦傷性、耐磨損性及耐皮膜剝離性優異的活塞環，CrN/CrCN層疊皮膜 的層疊構造及其形成方法具有特征。
[0027] CrN型的氮化銘是指雖然也可W包含CnN型的氮化銘，但是主要的氮化銘為CrN 型。CrCN是結晶構造為化N型，且在化N的N的格子位置的一部分W置換方式固溶C后的結構。 因此，在X線衍射圖上，難W區分化N與化CN的峰值，因此后述的化N/化CN的微晶尺寸根據重 疊的兩個峰值來求出。而且，由一層CrN層和一層CrCN層構成的層疊單位厚度即一層CrN層 的厚度與一層CrCN層的厚度之和設為30nmW上。層疊單位厚度小于30nm的話，必須抑制皮 膜的生長速度，因此作為包覆10~60皿的硬質皮膜的本發明的活塞環，制造性下降，因此不 優選。另一方面，當層疊單位厚度超過IOOnm時，W皮膜的生長速度的增加為起因而容易導 入結晶粒界或氣孔等缺陷，因此層疊單位厚度優選為IOOnmW下。更優選為SOnmW下。此外， 皮膜的硬度設為Hv1000 W上。皮膜的硬度小于HvlOOO的話，產生與包覆面垂直的裂紋，因此 不優選。當考慮高硬度側時，優選設為Hv 1450W下。皮膜的殘留應力W壓縮應力計而設為 ISOOMPaW下。當壓縮殘留應力超過1500M化時