[发明专利]活塞环

说明书

技术领域

本发明涉及汽车发动机用活塞环，特别涉及耐擦伤性、耐磨损性优良的高热传导活塞环。

背景技术

由于伴随发动机的高输出化和废气规定应对措施而产生的使用环境的严苛化，很久以前就开始使用通过离子镀制造、耐擦伤性及耐磨损性优良的覆盖有硬质氮化铬的活塞环。活塞环是在发动机这样的严苛环境下使用且要求长寿命的部件，因此，所覆盖的硬质材料要求具有10～60μm的被膜厚度。对于氮化铬而言，由于Cr的蒸气压在金属中比较高，因此有能够比较容易地涂布到所要求的被膜厚度的优点，能够在方便地用在活塞环的领域。

这样的氮化铬一般存在硬但容易有缺口的问题，进行了结晶取向控制、组织控制、空隙率(空穴率)控制或第三元素的添加等各种各样的改良。但是，特别是近年来，直接面对想要进一步提高CrN的热传导率这样的问题。其背景是，由于近年来发动机规格的高压缩比、高负荷化的倾向，产生燃烧室温度的高温化和发生爆燃这样的新问题，另外，即使在活塞为铝合金(以下称为“铝”)制的情况下，也会产生由于铝软化而产生环槽的磨损和铝粘附于活塞环这样的问题，为了应对上述问题，存在想要使活塞的热经活塞环向冷却后的气缸壁释放这样的、所谓想要高度地利用活塞环的热传递功能的要求。然而，现实是，CrN的低热传导率阻碍了其活塞环的热传递功能。关于CrN的热传导率，在非专利文献1中有0.0261～0.0307cal/cm·sec·deg(换算成SI单位时为10.9～12.9W/m·K)这样的报告，另一方面，在非专利文献2中也有使用脉冲光热反射法的约3μm的CrN薄膜的热传导率(室温)为约2W/m·K这样的报告。对于热传导率的测定，有测定面内的方法和在膜厚方向进行测定的方法，但特别是在膜厚方向进行测定时，可以说难以测定数十微米左右的表面被膜自身的热传导率。但无论怎样都是与作为代表性活塞环用钢材的SUS440B材料、SUS420J2材料的20～30W/m·K相比相当低的值，被认为是阻碍热传递功能的重要原因。

另一方面，氮化钛(TiN)也被提出作为活塞环用硬质被膜，并实际用在一部分的活塞环中。TiN的热传导率根据非专利文献1为0.07cal/cm·sec·deg(室温)(换算成SI单位时为29.3W/m·K)，在非专利文献2中为11.9W/m·K，高达CrN的约3倍～约6倍，但被膜内部的压缩残留应力反而非常高，如果膜厚增加，则在被膜中产生裂纹、缺口或者被膜的剥离等，现实情况是不能覆盖至活塞环所要求的被膜厚度。在专利文献1中记载了：对TiN进行组织控制，使其为柱状晶组织，以减小被膜的残留应力，从而能够成膜至最大80μm，另外，还公开了：从耐擦伤性的观点考虑，特别优选与覆盖面平行地具有(111)面或(200)面的优先取向。

此外，在专利文献2中公开了：即使仅提高TiN膜的(111)面的强度比，也有时得不到充分的耐磨损性，鉴于此，在提高X射线衍射中(111)面强度比的同时，越减小(220)面强度比，耐磨损性越优良。

然而，如专利文献1及2所公开的那样，使作为TiN的最密填充面的(111)面取向为与覆盖面平行对于提高耐擦伤性及耐磨损性是有效的，但是如果取向过强，则现实是如前所述，TiN被膜内的残留应力变大，成为难以实际作为活塞环使用的状况。例如，即使将TiN成膜至30μm的膜厚，在实际作为活塞环使用的阶段，也会发生被膜的剥离等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-230342号公报

专利文献2：日本特开2009-299142号公报

非专利文献

非专利文献1：冲猛雄、表面技术、Vol.41、No.5、1990、p.462-470。

非专利文献2：X.Z.Ding,et al.,SIM Tech technical reports、Vol.11、No.2、2010、p.81-85。

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的课题在于提供能够在发动机的热负荷高的环境下使用的、耐擦伤性、耐磨损性优良的高热传导性活塞环。另外，其课题还在于提供通过低摩擦来帮助提高燃料效率的活塞环。

用于解决问题的方法