JP2014129826A - シリンダとピストンリングの組合せ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ピストンリングの少なくとも外周摺動面に、基材側から順に、金属層、金属含有硬質炭素層、及び金属フリー硬質炭素層からなり、マルテンス硬さ(押込み硬さ)HMsが5〜13 GPa、押込み弾性率Eが70〜200 GPa、塑性変形エネルギーWpと弾性変形エネルギーWeとの比(Wp/We)で表される変形率Rpeが0.45以下であり、前記金属フリー硬質炭素層の厚さTmfの前記金属含有硬質炭素層の厚さTmに対する比(Tmf/Tm)を2〜8とする積層被膜を被覆する。
【選択図】図2
Description
脱脂洗浄した矩形断面で外周面をバレルフェイス形状としたピストンリング(窒化処理したSUS420J2 相当)、呼称径(d)90 mm、厚さ(h1)1.2 mm、幅(a1)3.2 mm)を成膜治具に50本重ねてセットし、第一のターゲット材料としてCr、第二のターゲット材料としてWを装備した成膜装置の自公転回転テーブルに設置した。なお、組成分析用試料として、外径25 mm、厚さ5 mmの焼入処理し、鏡面研磨したSKH51材を、ピストンリングの外周面と同様の動きをする治具にセットして設置した。装置内を所定の真空度まで排気した後、Arガスを導入して成膜治具に負のバイアス電圧を印加し、グロー放電によるクリーニング処理を行い、続いて、Crのスパッタリングにより、所定の時間、ピストンリング外周面にCr層を形成した。Crのスパッタリングを停止後、Wのスパッタリングの開始と同時にArガスに加えてC2H2ガスを導入して、所定の時間、W含有硬質炭素層を形成した。次に、Wのスパッタリングを停止し、所定の時間、W(金属)フリー硬質炭素層を形成した。ここで、成膜治具には、負のバイアス電圧を印加した。なお、W含有硬質炭素層の組成分析用試料については、別途、W含有硬質炭素層の形成まで行い、停止することによって作製した。
積層被膜の各層の形成時間を変更する以外は、実施例1と同様にして、ピストンリング及び組成分析用試料にCr層/W含有硬質炭素層/金属フリー硬質炭素層(以下、「Cr/DLC(W)/DLC」ともいう。)積層被膜を形成した。
膜厚測定は、球面研磨法による所謂CALOTESTにより、積層被膜の基材面から各層の厚さを測定した。
マルテンス硬さHMs、押込み弾性率E、変形率Rpeは、ISO 14577-1(計装化押込み硬さ試験)に準拠し、超微小硬度計(島津製作所、DUH-211)を用いて、Berkovich圧子、試験モード:負荷-除荷試験、試験力:19.6 mN、負荷除荷速度:0.4877 mN/sec、負荷→除荷保持時間:5秒、Cf-Ap補正あり、の条件で行った。測定個所は、被膜表面近傍を平均粒径0.25μmのダイヤモンドペーストを塗布した直径30 mmの鋼球を用いて球面研磨し、研磨部分について行った。マルテンス硬さHMs、押込み弾性率E、及び変形率Rpeは、荷重-押込み深さ曲線から計算される。測定結果としては、10点測定し、平均値を採用した。
硬質炭素層中の組成分析は、組成分析用試料を用いて、金属含有量は電子線マイクロアナライザー(EPMA)により、水素含有量はラザフォード後方散乱分光法(RBS)/水素前方散乱分光法(HFS)により求めた。
表面粗さの測定は、触針式粗さ測定器を用い、測定場所や触針の移動方向を変えながら5点測定し、平均値を採用した。測定条件はJIS B0638(2001)に準拠した。
積層被膜の密着性については、ドイツ技術者協会の規格(VDI3198 Coating of cold forging tools)されている剥離判定試験により行った。ロックウェル硬度計を用いた方法で、HF1〜HF4までを合格(○)とし、HF5及びHF6を不合格(×)と判定した。
摩耗試験は、図3(a)に示すような、シリンダに相当するアルミ合金製プレート8の上を(図示しない固定治具に取り付けた)ピストンリングが厚さ方向に往復摺動する試験により行った。ここで、プレート8は、Al-20質量%Si合金板を研磨加工により表面粗さ(Rzjis)1.1μmに調整したものを使用し、ピストンリングは、長さ約30 mmに切断したピストンリング片9を使用した。試験条件は、垂直荷重(F)100 N、往復幅50 mm、往復周波数10 Hz、プレート温度120℃、潤滑下(市販エンジン油(5W-30SM)10を1 cm3滴下)にて、試験時間20分とした。ピストンリングの摩耗量は、図3(b)に示す試験後のピストンリング片9に生じた楕円形状の摺動部11の長軸長さLを摩耗量とした。一方、プレート8の摩耗量は、触針式粗さ計を用い、測定長さの両端に未摺動部が入るようにして摺動方向に測定した。この時の未摺動部と摺動部の差の最大値を摩耗量とした。また、プレート8の摺動面を目視で観察し、欠陥の有無で評価した。なお、長さ10 mm以上の大きなキズが認められる場合を「キズ」と表記した。
実施例6は、第一及び第二のターゲット材料にいずれも同じ金属、Crを装備した以外は、実施例1と同様にして、ピストンリング及び組成分析用試料にCr/DLC(Cr)/DLC積層被膜を形成し、実施例7は実施例6のCrの代わりにTiを、実施例8は実施例6のCrの代わりにWを装備して、それぞれTi/DLC(Ti)/DLC積層被膜及びW/DLC(W)/DLC積層被膜を形成した。また、実施例7及び8ではTi及びWのスパッタリングの停止とともに、ArガスとC2H2ガスに加えてN2ガスも導入した。なお、実施例1に比較してターゲットが2倍となり金属イオンの発生量も増加するため、スパッタリングパワーを落とし、各層の形成時間を調整して、Tmf/Tmが所定の数値範囲に入るよう調整している。各種測定結果を表3及び表4に示す。いずれも、優れた耐摩耗性を示した。
2 共晶マトリックス
3 ピストンリング基材
4 金属層
5 金属含有硬質炭素層
6 金属フリー硬質炭素層
7 積層被膜
8 アルミ合金製プレート
9 ピストンリング片
10 潤滑油
11 被膜摺動部
Claims (6)
- 内燃機関のシリンダとピストンリングの組合せであって、シリンダは質量%で12〜38%のSiを含有するアルミニウム合金からなり、ピストンリングは少なくとも外周摺動面に基材側から順に金属層、金属含有硬質炭素層、及び金属フリー硬質炭素層からなる積層被膜を有し、前記積層被膜のマルテンス硬さHMsが5〜13 GPa、押込み弾性率Eが70〜200 GPa、塑性変形エネルギーWpと弾性変形エネルギーWeとの比(Wp/We)で表される変形率Rpeが0.45以下であり、前記金属フリー硬質炭素層の厚さTmfの前記金属含有硬質炭素層の厚さTmに対する比(Tmf/Tm)が2〜8であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
- 請求項1に記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属フリー硬質炭素層の水素含有量が20〜35原子%であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
- 請求項1に記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属フリー硬質炭素層の水素含有量が15〜30原子%、窒素含有量が3〜12原子%であることを特徴とするシリンダとピストンリングとの組合せ。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属層が、Si、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素からなる金属層であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属含有硬質炭素層が、Si、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素を含有する硬質炭素層であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
- 請求項5に記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属層がCr層であり、前記金属含有硬質炭素層がW含有硬質炭素層であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
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