[发明专利]活塞环

说明书

本发明涉及一种至少在外周滑动面上有优越的耐摩损性的保护膜的内燃机用的活塞环。

活塞环是以它的外周面与汽缸套内周面形成滑动连接关系地那样被组装在能自由往复移动地配置在发动机汽缸套内的活塞的环沟里，主要起密封燃烧室、控制在汽缸表面上形成的润滑油膜的膜厚和通过把燃烧热从活塞传到汽缸套来冷却活塞的作用。因此对活塞环的耐摩损性、耐烧结性、耐热性、保油性和抑制汽缸侧的摩损等特性均有较高的要求。

为了满足这些要求，现在的活塞环都对韧性好、耐摩损性和耐热性优越的钢等铁系材料进行改良滑动特性的表面处理。至今所用过的活塞环的表面处理方法有氮化处理、镀铬处理、喷镀钼处理等。

这种表面处理的一些具体例子有如日本专利特公平1-52471号和特开昭62-120471号所公开的，用PVD(Physical VaporDeposition)方法，在滑动面上覆盖上一层金属氮化物或金属碳化物等保护膜的活塞环，这种金属氮化物和金属碳化物的保护膜显示出有优越的耐摩损性和耐烧结性，尤其是氮化钛和氮化铬等，因有更好的发动机的适应性而受到注目。

但是，近年来，随着发动机输出功率的提高和性能的不断提高，对活塞环所要求的条件也就越来越苛刻，已开始出现用以前的表面处理方法不能适应最近的高输出功率的发动机用的活塞环的情况，希望开发出一些供具有更优越的耐摩损性的活塞环用的表面处理技术。

例如，在那些用氮化钛或氮化铬保护膜使耐摩损性更优良的最近的发动机上，即使用这些陶瓷涂层保护膜，也发生滑动特性仍不能充分被满足的状况。即，有在活塞环的外周保护膜的表面上产生被认为是由于点状腐蚀疲劳形成的碎片状剥离的问题。因此，希望开发出一种覆盖着比现有表面处理的耐摩损性更优越的陶瓷涂层保护膜的活塞环。

本发明的目的是提供一种覆盖着不易发生碎片状剥离、同时能使耐摩损性和密封性更加优越的保护膜的活塞环。

本发明人对上述的课题进行了精心的研究后，结果发现至少在外周滑动面上形成保护膜破断面结晶呈柱状形态的氮化铬保护膜的活塞环，在外周滑动面的表面上难以产生碎片状剥离，同时能改善耐摩损性和密封性，由此完成本发明。

即，本发明的活塞环的特征是至少在活塞环的外周滑动面上形成由保护膜破裂面结晶里柱状形态的氮化铬构成的厚度为1～80μm的保护膜，或者形成由晶格空位率是1.5～20％的氮化铬构成的厚度为1～80μm的保护膜。

本发明中，用保护膜覆盖的基板，即活塞环本体可用以前公知的无论怎样的形式，其材料可用13Cr和17Cr不锈钢、弹簧钢、工具钢、钢等铁系材料以及在这些材料上实施过氮化处理或镀铬的材料。

活塞环的保护膜厚度，考虑因初期跑合摩损而使表面层消失的可能性，应做成1μm以上，即使在初期跑合完了后还必需使保护膜有所残留。另一方面，若把膜厚做成必要的尺寸以上，做得过厚，则在经济上是不合算的。由于当膜厚超过60μm时，保护膜上容易产生龟裂，使粘合力降低，因而希望把膜厚做成60μm以下。但在特别需要耐摩损耐久性的情况下，也可把保护膜的厚度一直做到80μm。

形成CrN保护膜时CrN的理论密度是6.14g/cm³。活塞环的CrN保护膜，当其致密性变高时，保护膜变脆，容易发生碎片状剥离。为了防止剥离，应增加CrN的空位率，空位率必须在1.5％以上，当保护膜空位率太高时，会使硬度下降，耐摩损性变坏。因此，保护膜的空位率在20％以下是必要的。保护膜的空位率从1.5％增加到20％时，保护膜的硬度会变软，由表面测定的微小硬度HmV从约1000减小到600。保护膜的空位率通过测定保护膜的密度能容易地算出。

同样，在限定空位率的CrN保护膜中，为了进一步提高耐剥离性，将保护膜的破断面形态变成柱状进而其结晶由与外周滑动面平行的CrN(111)面方位定向，有更好的效果。活塞环的保护膜厚度，考虑到会因初期跑合摩损而使表面层消失的可能性，应做成1μm以上，即使在初期跑合以后还必须使保护膜有所保留。另外，若把保护膜厚度做成必要的尺寸以上，做得过厚，则在经济上是不合算的。由于当膜厚超过60μm时保护膜上容易产生龟裂，使粘合力降低，因此希望把膜厚做成60μm以下。但在特别需要耐摩损耐久性的情况下，也可以把膜厚一直做到80μm。