JP2014511449A - エンジン部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１種の円筒空洞を有し、かつ主に鉄又はアルミニウムにより構成されるエンジン部品（エンジンブロック又は固定式若しくは可動式のスリーブ）をコーティングする際の問題を解決する目的を有し、金属基材（１）上へ堆積される３つの異なる層に更に分けられるコーティング（３）を提供し、該層は、基材（１）上へ堆積され、基材（１）と水素化された非晶質炭素を含有する次の副層との間の良好な付着を有する境界面を提供する機能を有し、少なくとも８０％のケイ素を含んでなる第一副層（２１）、ケイ素及び水素化された非晶質炭素の割合（ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ）を含んでなる第二遷移副層（２２）及び最後に水素化された非晶質炭素（ａ−Ｃ：Ｈ）の純粋な組成を有する作用面上の第三副層（２３）であり、その際にそのようなコーティング（３）はプラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によるホローカソード効果（ＨＣＥ）により発生される。

Description

本発明は、蒸気相中での化学堆積により適用される非晶質炭素コーティングを有する、内燃機関のエンジンブロックのシリンダ又は着脱可能なシリンダスリーブに関するものであり、その際に該コーティングは、ケイ素を含有する遷移層を含んでなり、該コーティングは、該シリンダとそのそれぞれのピストンリングとの間の摩擦係数を低下させ、耐摩耗性を改善し、かつ該シリンダの腐食を防止する目的で実施される。

先行技術の説明
内燃機関のエンジンブロックのシリンダ又はブロックの着脱可能なシリンダスリーブは、それらが果たす仕事の種類のために高い摩耗を受ける、エンジン部品である。

新規なエンジンの技術開発と共に、それらの内部部品は、より大きな要求を受け、それに応じて、該エンジンのより良好な性能を保証するだけでなく、より高い信頼性にも寄与することができる解決手段でなければならない。

この原則に基づいて、多数の製造業者が、主に、内燃機関のエンジンブロックのシリンダ又は着脱可能なシリンダスリーブのために、多様な技術的解決手段を達成することを試みてきた。

内燃機関のエンジンブロックのシリンダ又は着脱可能なスリーブの性能を改善することができる、考えられる解決手段の１つは、該シリンダの内面にコーティングを備えさせることである。

今日入手可能で考えられる多様なコーティングの中では、非晶質炭素（ａ−Ｃ：Ｈ）を有するコーティングは、作用面の摩擦係数の低下に関する限り、その接触面の摩耗を低下させ、かつ保護された面の腐食を防止することができる、良い潜在性を示す。しかしながら、非晶質炭素を有する該コーティングは、一般的にコーティングとしてまさに、それらが堆積される該基材への良好な付着を必要とする。

内燃機関のエンジンブロックのシリンダ又は着脱可能なシリンダスリーブの該コーティング上の非晶質炭素の場合に、該基材上への該コーティングの堆積を実施するのに使用される方法と、良好な付着を有する堆積の保証との双方に難点がある。

他方では、該シリンダの幾何学的形状自体はそれ自体として、その内部部分上へのコーティングを堆積させるのを困難にする。例えば、ピストンリングの作用面は容易に露出され、該面にコーティングを容易に適用することができるが、エンジンブロックのシリンダ又は着脱可能なシリンダスリーブはそうできない。加えて、エンジンブロックのシリンダをコーティングしたいならば、その堆積プロセスは、エンジンブロックのサイズ及びそのそれぞれの運動性(maneuverability)のために、ロッド、ピストンリング等のようなより単純な要素と比べて、より複雑になりさえする。

シリンダの該作用面上へコーティングを適用する効率に関して述べた難点は、非晶質炭素コーティングが、金属基材へのそれらの付着に関して幾つかの難点を示すという事実により、更に悪化される。この証拠は、そのような問題を解決するという技術水準の努力である。

シリンダをコーティングするための非晶質炭素の使用を提案する多様な先行技術の刊行物の中で、特許明細書EP1783349が本発明に最も関連性のあるものである、それというのも、該明細書には、ケイ素含有非晶質炭素（ＤＬＣ−Ｓｉ）膜の使用が開示されており、ピストン、ピストンリング、シリンダ及びピストンピン上へ適用することも提案されているからである。

この刊行物には、ＤＬＣ膜の幾つかの利点、例えば摩擦係数を低減すること、及び結果として、特に該部材が、それらが潤滑油と接触している条件下で使用される場合に、それらが該潤滑流体中に存在する添加剤の吸着又は反応に依存することなく、該部材の摩耗を低下させることが述べられている。この刊行物には更に、異なる３種類の膜：ケイ素含有非晶質膜（ＤＬＣ−Ｓｉ）、非晶質炭素単独（ＤＬＣ）及び窒化クロム（ＣｒＮ）を形成した部材を用いた比較試験が記載されている。該試験には、ケイ素含有非晶質炭素膜を備えた２個の部材（ＤＬＣ−Ｓｉ／ＤＬＣ−Ｓｉ）間の摩擦が、他のいずれの種類の境界膜と比べて、少なくとも４０％の摩擦係数の低下を示すことが開示されている。

該金属基材への該膜の付着を改善するために、該膜は、その組成中に１％〜２０％のケイ素を含有する。特に、シリンダに関して、この刊行物には、該膜が、該エンジンブロックと一体の部材又はシリンダスリーブである、アルミニウム及び鋳鉄製のシリンダに、１％〜２０％のケイ素を含有する非晶質炭素層を適用できることが開示されている。他方では、非晶質炭素膜の作用部は、ケイ素元素の割合を有する（ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ）。

この刊行物には、該シリンダがどのくらいの最大サイズを有するかすら開示されていないけれども、０．８以上のシリンダの長さと直径との比については、直流プラズマＣＶＤ（化学蒸着）法により成膜される場合に利点があることが強調されている。

加えて、この刊行物には、摺動圧が１００ＭＰａ以上と高い摺動環境では、該膜が、該シリンダの内面から剥離し易いことが示されている。元素ケイ素が該コーティングの付着を助けるのに使用される場合ですら、付着になお難点がある。

ゆえに、特許明細書EP1783349には、非晶質炭素膜をシリンダに適用する可能性及びその利点が示されているけれども、該基材への該膜の付着に関連する問題を、ケイ素をこの機能のために用いて解決することを試みることも明らかである。

いずれにせよ、該刊行物自体が、シリンダのＤＬＣを有するコーティングの限界を示している。使用される堆積技術に対して該コーティングの堆積を受ける、シリンダの露出の不足があるという難点は、該刊行物に示された技術の成功への重大な障害である。

ゆえに、この刊行物及び先行技術の技術に示された難点は、エンジンブロックのシリンダ又は着脱可能なシリンダスリーブの内壁に非晶質炭素コーティング（ａ−Ｃ：Ｈ）を堆積している場合に、明白である。そのような難点は、該シリンダの内壁が示す、露出の避けられない不足により説明される。今日まで使用される堆積法、化学蒸着（ＣＶＤ）又は物理蒸着（ＰＶＤ）が、該シリンダの外側の位置から該シリンダの内壁に衝撃を与えるという事実に注意を払うと、シリンダの露出の不足の問題はより明らかになる。

そのような堆積の難点は、該基材上へ堆積される該コーティングの均質性に大きな影響を確実に及ぼす。結果として、不均質な堆積を伴うコーティングが、該表面を保護する機能を適切に果たさないことが公知であり、かつ該表面の全体の保護を保証するために該コーティングの厚さを増加させることが必要である。このことは、その耐剥離性を不可避的に低下させる該コーティングの内部応力をまねく。

ゆえに、ＤＬＣを有するシリンダコーティングの化学堆積は大きく進歩しているけれども、より大きな均質性を有する材料の堆積が促進されるべきであるという意味で技術的進歩が必要である。

先行技術の刊行物EP1619265には、他の分野に適用されるけれども、管状ジオメトリーの内側に非晶質炭素コーティングを堆積させることに大いに関連がある技術が示されている。

この刊行物には、事前に製造された管の内面をＤＬＣ膜でコーティングする方法及びシステムが開示されている。該コーティングは、カソードとして加工物を、該加工物の各入口でアノードに接続して、作用させることによって実施される。原料ガスが一方の端部で導入され、かつ他方の端部に真空ポンプが設置されるので、このアセンブリは、ホローカソード効果（ＨＣＥ）を示す条件を維持するように取り付けられる。

この刊行物により述べられた技術は、先行技術により使用されるものとは全く異なる方法を示している。もちろん、その適用は、管のコーティングのためのものである。しかしながら、管状の形態の内側のＤＬＣ堆積の新しい概念のために扉を開く。

更に、示された問題が部分的に解決されたとしても、先行技術による更なる研究の対象になっていなかった製造の幾つかの要因がなお残っている。最も重要なものの１つは、該コーティングの均質性、内燃機関のシリンダの内面上への該非晶質炭素の堆積速度の速さに関する。

ゆえに、経済的に実現可能であり、かつ高度に生産的である方法と結び付き、こうしてエンジン産業の発展を可能にするより高い技術的特性を有するシリンダをもたらす、内側でピストンが運動する少なくとも１個のシリンダを有するエンジンの部品を、コーティングの良好な付着を達成する非晶質炭素でコーティングするための技術的解決手段が、まだないことに注意すべきである。

発明の目的
ゆえに、本発明の目的は、内燃機関のシリンダの作用面上に、ケイ素を含有する中間層の存在によって高い付着を達成することのできる、炭素型コーティングを備えさせることである。

本発明の目的は、低い摩擦係数、高い機械的硬さ、低い摩耗及び低い腐食を有するコーティングを保証することでもある。

発明の簡単な説明
本発明の目的は、内側でピストンが運動する少なくとも１個の円筒空洞を有するエンジン部品を提供することにより達成され、該円筒空洞は金属基の基材を有する内面を含んでなり、該基材に少なくとも１つのコーティングが適用され、該コーティングは、該基材に隣接する第一副層と、第一副層と第三副層との間に配置された第二遷移副層と、第二副層の上に重なる第三副層とを含んでなり、第一副層は、該基材への拡散を伴う少なくとも８０％のケイ素を含んでなり、第二副層は、水素化された非晶質炭素とケイ素とから構成され、第三副層は、実質的に１００％の水素化された非晶質炭素を含んでなる。

本発明は、以下に、図面に示されている実施態様の例に関連して、より詳細に記載される。図は以下のものを示す：

本発明のコーティングの概略図。 本発明のコーティング中に存在する化学元素の分布を示す図。

図の詳細な説明
本発明は、内側でシリンダピストンが運動する少なくとも１個の円筒空洞を定義する、エンジン部品（少なくとも１個のシリンダ又は固定式若しくは可動式のエンジンスリーブを有するエンジンブロック）に適用される、ダイヤモンドライクカーボンコーティング３を提案する。

本発明は、その接触面／作用面上のより少ない摩耗を保証し、かつ基材１への該コーティング３の良好な付着を保証することのできる、低い摩擦係数を示すコーティング３を達成しようとするものである。

先行技術の問題を克服するために、本発明は、その生成物及び製造の双方にとって極度に有利な特性を達成することを可能にする、革新的な化学組成を有する水素化された非晶質炭素（ａ−Ｃ：Ｈ）のコーティング３、コーティング３を堆積する方法を提供する技術的解決手段を提案する。

図１は、本発明のコーティング３がなされた後の円筒空洞の部分を示している（エンジンブロック又は固定式若しくは可動式のスリーブのいずれかに由来）。より良い理解のために、本発明のコーティング３が施された円筒空洞は、その内面上に、該コーティング３がなされる部分を有し、この部分をこれから基材１と呼ぶ。本発明の円筒空洞の基材１は、好ましくは、鋳鉄、鋼又はアルミニウムにより主に構成される、金属基のものである。好ましくは、しかし必須ではないが、基材１は、パーライト系ノジュラー鋳鉄製であってよい。

コーティング３は、基材１上へ堆積される、異なる３つの副層に更に分けられる。少なくとも８０％のケイ素を含んでなる第一副層２１は、基材１上へ堆積され、該金属基材と、水素化された非晶質炭素を含有する次の副層との間の良好な付着の境界面を提供する機能を有する。

ケイ素の第一副層２１の後に、ケイ素と水素化された非晶質炭素との割合（ａ−Ｃ：Ｈ）を有する、第二遷移副層２２が堆積される。最後に、その外面又は作用面上で、コーティング３は、実質的に１００％のａ−Ｃ：Ｈを有する、水素化された非晶質炭素（ａ−Ｃ：Ｈ）の純粋な組成を有する第三副層２３を有し、この第三副層２３は好ましくは１μｍの深さまで延在する。

ゆえに、コーティング３は、異なる３つの副層から構成される、すなわち：少なくとも８０％のケイ素を含んでなる第一副層２１、次いでケイ素と水素化された非晶質炭素とを含んでなる第二遷移副層２２及び最後に１００％の水素化された非晶質炭素を含有する第三副層２３。

更に、第二遷移副層２２は、コーティング３が第三副層２３に近づくにつれて減少するケイ素の量を有することに注意すべきである。類似して、第二遷移副層２２は、該コーティングが第三副層２３に近づくにつれて水素化された非晶質炭素が増加し、第三副層２３中の１００％の水素化された非晶質炭素の量で終わる。本発明のコーティング３の組成に応じて、第一副層２１と第三副層２３との間に配置される第二副層２２が、第一副層２１及び第三副層２３から互いに反比例して変化する、水素化された非晶質炭素とケイ素との量を含んでなり、かつそのような変化が徐々に行われることが言える。言い換えれば、第一副層２１から離れるにつれて、コーティング３中のケイ素の量は、常に減少し、かつ水素化された非晶質炭素の量は、それが第三副層２３中で１００％に達するまで常に増加する（図２を参照）。

そのような段階的での該元素ケイ素の存在は、金属基材１と、水素化された非晶質炭素の第三副層２３との間のより良好な付着を促進する目的を有する。該堆積条件のために、基材１に隣接する第一副層２１は、基材１と見分けが付かなくなりうるので、第一副層２１を構成する該元素は、基材１を構成する材料中への拡散を示す。この詳細は、図２に観察することができ、第一副層２１と基材１との間の遷移を表す、線Ｉの左側の領域により表されている。この拡散は、水素化された非晶質炭素から構成される第二副層２２のためにも行われる。

本発明のコーティング３の化学組成及びその顕著な利点が、使用される該堆積技術によってのみ達成されうることに注意すべきである。

ゆえに、ダイヤモンドライクカーボンコーティング３は、特許明細書EP1783349に示されたものに類似している技術原則を使用する。選択的に、示されたコーティング３の性質、すなわち、３つの副層２１、２２、２３を含んでなるコーティング３、すなわち：金属基材１に隣接し、ケイ素を有し、核生成／密着性のための第一副層２１、第一副層２１の上に重なり、ケイ素と水素化された非晶質炭素とを有する第二遷移副層２２及び最後に、第二副層２２の上に重なり、１００％の水素化された非晶質炭素の第三副層２３、が保証される限りは、コーティング３は、他の任意の技術原則により堆積されることができる。

好ましくは、しかし必須ではないが、前記のコーティング３は、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によるホローカソード効果（ＨＣＥ）により発生される堆積を可能にする、導電性内面をコーティングするための新しい技術を用いて達成される。

該円筒空洞の内面のコーティング３は、その加工物が、該加工物の２個の入口のそれぞれの接続によりカソード及びアノードとして機能するように、電圧源に接続することにより実施される。その後に、原料ガスが入口開口部中へ導入され、真空ポンプは反対の出口開口部に接続される。コーティング３は、該シリンダ内側の圧力を監視しながら実施され、かつ生じる圧力の情報が、ホローカソード効果を示す条件を維持するのに使用される。更に、炭化水素での予備清浄化、並びに負電源を該シリンダに適用することにより、該加工物の汚染物をガス、例えば、アルゴンを用いて微粉砕することを実施することができる。この場合に、ＤＬＣコーティング３を堆積させるために、前駆物質として、炭化水素（Ｃ₂Ｈ₂）を使用することができる、それというのも、それらは不活性であり、かつ高い耐腐食性を有するからである。

この原則を、所望の性質を有する金属、セラミック又はＤＬＣ上の任意のコーティングに適用することができるけれども、本発明のコーティング３は、ｓｐ３（ダイヤモンド様の）結合を有するＤＬＣを使用して、低い摩擦、卓越した付着及び耐腐食性を有する該作用面上の硬質コーティング３を生じる。

ゆえに、ケイ素を有する非晶質炭素が使用され、該元素ケイ素が、該ＤＬＣマトリックスに加えて使用されるドープ剤として成功裏に使用され、コーティング３の熱安定性を改善し、かつその圧縮応力を低下させるのに寄与する。

もちろん、本発明は、無数の変更態様を可能にし、かつその卓越した結果が、非対称バイポーラパルス直流（ＤＣ）を通して高いプラズマ密度を維持することにより達成され、毎分少なくとも１μｍのオーダーで堆積速度を達成することを可能にする。先行技術において開示された伝統的な方法が、毎時１μｍのオーダーの堆積速度を達成することができることに注意すべきである。ゆえに、本発明は、顕著により高い生産能力を提供し、先行技術よりも約６０倍高い堆積速度を可能にする。

利点として、本発明のコーティング３は、該円筒空洞の当初のトポグラフィを改変せず、鋳鉄の規則構造と比較して、少なくとも５０％の摩耗への低下の達成を保証し、該シリンダ内側の該エンジン中の不完全燃焼からの炭素残留物の望ましくない堆積を防止し、かつ該コーティング３を有しないリングによる摩擦係数を大きく低下させる。

加えて、当該コーティング３は、該円筒空洞に、例えば、高い機械的硬さ及び化学的及び電気機械的な不活性さのような、ダイヤモンド自体の性質を付与する。トライボロジー的には、その低い摩擦及び低い摩耗のために極度に魅力的であり、これらは、多様な機械的な用途、特に相対的な摺動を有するものにおいて大きく重要な点である。

もちろん、そのような特性は、該堆積の条件及び方法に応じて大きく変化しうる。こうして、本発明のコーティング３は、１〜２５μｍにわたる厚さを有していてよく、その水素の量は、３〜４０原子％にわたっていてよく、その硬さは、７〜４０ギガパスカル（ＧＰａ）にわたっていてよく、ISO 14577による、スクラッチ試験により測定されるその付着は、少なくとも３０Ｎであり、かつ１５０Ｎに達していてよく、その内部応力は好ましくは１．５（ＧＰａ）より低い。粗さに関する限り、これは任意の値を示すことができるけれども、好ましくは０．３ミクロン未満のＲｐｋ、１ミクロン未満のＲｋ及び３ミクロン未満のＲｖｋである。

ゆえに、本発明は、その機械的性質、化学的性質、トライボロジー的性質等に関して多様な利点を有する生成物を達成し、更に、高い生産能力及び低い不合格を有する堆積方法であるという事実によって、そのようなコーティング３を製造することを大きく容易にする。

実施態様の好ましい例が記載されているが、本発明の範囲は、考えられる他の変更態様を包含し、考えられる均等物を含む添付された請求の範囲の内容によってのみ限定されると理解すべきである。

１ 基材、 ２１ 第一副層、 ２２ 第二副層、 ２３ 第三副層、 ３ コーティング

Claims (12)

1. 内側でピストンが運動する少なくとも１個の円筒空洞を有し、該円筒空洞が金属基の基材（１）を有する内面を含んでなり、該基材に少なくとも１つのコーティング（３）が適用される、エンジン部品であって、
   該コーティング（３）が、以下のものを有する：
   ・該基材（１）に隣接する第一副層（２１）、第一副層（２１）は、該基材への拡散を伴う少なくとも８０％のケイ素を含んでなる；
   ・第一副層（２１）と第三副層（２３）との間に配置された第二遷移副層（２２）、第二副層（２２）は、水素化された非晶質炭素とケイ素とから構成されている；及び
   ・第二副層（２２）の上に重なる第三副層（２３）、第三副層（２３）は、実質的に１００％の水素化された非晶質炭素を含んでなり、該コーティング（３）は、該金属基材（１）上へ堆積される
   ことを特徴とする、エンジン部品。
2. 第二副層（２２）の非晶質炭素及びケイ素の量が、第一副層（２１）から第三副層（２３）へと徐々にかつ互いに反対に変化する、請求項１記載の部品。
3. 該基材が、主に鉄又は鋼により構成される、請求項１又は２記載の部品。
4. 該基材が、主にアルミニウムにより構成される、請求項１又は２記載の部品。
5. 該コーティング（３）が１〜２５μｍにわたる厚さを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の部品。
6. 該コーティング（３）が７〜４０ＧＰａにわたる硬さを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の部品。
7. 該コーティング（３）が、スクラッチ試験の基準による３０Ｎ〜１５０Ｎにわたる付着を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の部品。
8. 該コーティング（３）が、多くとも２．５ＧＰａの内部応力を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の部品。
9. ホローカソード効果が、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）による該コーティング（３）を促進する、請求項１から８までのいずれか１項記載の部品。
10. 該コーティング（３）の堆積の速度の効果が、実質的に少なくとも１μｍ／分である、請求項１から９までのいずれか１項記載の部品。
11. エンジンブロックである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の部品。
12. エンジンスリーブである、請求項１から１１までのいずれか１項記載の部品。

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