JP2017502219A - 摺動組み合わせ - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃エンジンにおいて使用するための摺動組み合わせであって、内側摺動面（３）を規定する筒形状の少なくとも１つのシリンダライナ（２）と、少なくとも１つの外側摺動面（５）によって規定されるリング（４）とを備え、リング（４）の外側摺動面（５）はライナ（２）の内側面（３）に対して摺動し、リングの表面（５）は、ライナ（２）の内側面（３）に塗布されたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の第２コーティング（７）上を摺動する、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって塗布された金属窒化物の第１コーティング（６）を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つのピストンリングと少なくとも１つのシリンダライナとによって形成され、少なくとも１つのリングは物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって塗布される金属窒化物コーティングを有し、シリンダライナはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングを有する、摺動組み合わせに関する。結果として生じる摺動組み合わせは、現行の解決策と比較して優れた耐摩耗性を提供する。現行の解決策は、往々にして、組み合わせの要素の一つの単独での改善に焦点を当てている。

内燃エンジンでは、シリンダライナとピストンリングとの間に存在する摩擦が、その低減がエンジンの機能を最適化すること、性能を向上させること、燃料消費量を低減すること、およびシリンダ壁に存在する潤滑油の焼き付きを減らすことに非常に重要であるために、広く研究されている。

ごく最近までのパラダイムの流れとして、各構成要素について個別に改善が追求されてきた。したがって、研究者はリングおよびシリンダライナのための新しい改良（例えば、ベース金属やコーティング等）を、それらの各々の特性の観点から発展させた。燃焼セルの１つ以上の構成要素の性能を最適化するという目的を有する系統的な研究は一般的でなかった。

したがって、多くの状況において、特定のコーティングを有して摩耗の観点からすると非常に効果的なピストンリングの開発は、当該新しいコーティングが使用においてシリンダライナ中で満足に機能しないという事実のために経済的利益を提供しなかった。

現在存在するシリンダライナの大半は、ピストンのリングおよびスカートとの摩擦学的な適合性の観点において優れた特性を有する材料である鋳鉄で作られている。この適合性は、固体潤滑剤であることによって動摩擦を低減することに、および推論によって当該構成要素の優れた耐久性に貢献する遊離炭素（グラファイト）の粒子を鋳鉄がもともと含んでいるという事実に基づく。

近年、ますます制限的になる汚染物質管理法令によってもたらされるエンジンによる消費および汚染の低減に対する圧力の増大のために、エンジン設計者はいっそう高い圧力での過給や、例えば排ガス再循環（ＥＧＲ）システムの利用等の汚染物質低減のための新手法のような解決策を用いてきた。

これらの解決策は、鋳鉄製のライナについて、当該構成要素がこれらの新しいエンジンにおいて特に上死点（ＴＤＣ）の領域において加速的な摩耗を示したという事実によって、摩擦学的な応用を制限してきた。

結果として、ますます制限的になる汚染物質管理法令の結果としてのエンジンによる消費および汚染の低減に対する圧力の上述した増大は、パラダイムの変化に対する要求をもたらし、製造者は系統的な態様におけるリングとライナとの合同開発について考え始め、新しい摺動ペアを開発し続けている。

この合同的アプローチの最初の成果は、内燃エンジンのピストンリングとシリンダライナとの組み合わせ構造について言及した特許文献１に見られ得る。当該組み合わせ構造は、（ｉ）シリンダライナであって、その摺動面が、０．５〜１．０μｍの十点平均粗さと、０．２〜０．４μｍの有効負荷粗さ（Ｒｋ）と、０．０５〜０．１μｍの初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）と、０．０８〜０．２μｍの油溜まり深さ（Ｒｖｋ）とを有するシリンダライナと、（ii）ピストンリングであって、その外側側面が、１．６μｍ以下の十点平均粗さと、０．３μｍ以下の初期摩耗高さとを有するピストンリングとを備えている。さらに、ピストンリングはシリンダライナに０．０３〜０．２ＭＰａのオーダーの圧力を及ぼすべきである。

特許文献２は、ピストンリングとシリンダライナとによって形成される組み合わせ摺動部材に言及している。ピストンリングは、０．５〜１．０μｍの粗さＲｚを有する摺動面を含んでおり、シリンダライナは、０．５〜１．５μｍの粗さＲｚと、０．０５〜０．２μｍの初期摩耗高さ（標準ＤＩＮ４７７６に基づく）と、０．２〜０．６μｍの有効負荷粗さ（Ｒｋ）と、０．１０〜０．３５μｍの油溜まり深さ（Ｒｖｋ）とを有している。

ピストンリングの外側側面は、金属クロム層、金属クロム積層、窒化層、または物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって塗布された層で形成されている。次に、シリンダライナの表面は、好ましくは、鋳鉄、ホウ素含有鋳鉄、または鋳鋼で形成されている。

最後に、特許文献３は、シリンダとピストンリングとの組み合わせであって、低度の摺動摩擦、低減されたスカッフィング摩耗、ならびに、リングとライナの摺動面との間の通路を通した燃焼ガスの損失および潤滑油の焼き付き（ブローバイ）の低減をもたらすものについて言及している。シリンダはアルミベース合金から作られ、ピストンリングはオーステナイト系ステンレス鋼のベースと、マイクロクラックが分布した２層以上の硬質クロムの膜で被覆された外側側面とを有しており、当該各膜は、外面に開口しかつより深い層の方へと部分的に延びる、存在する層に対応した深さを有する部分を含んでいる。この構成はマイクロクラックにおける優れた油保持性を確保し、耐久性を確保しかつブローバイを通じた潤滑剤の消費を低減する。

物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスにより塗布される金属窒化物コーティングを有するリングと、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを有するシリンダライナとの使用を通じて所望の耐久性および強度を実現する摺動組み合わせはまだ開発されていない。出願人が行った研究は、例えば熱スプレープロセスによって塗布されるクロムセラミックまたは窒化クロムのような、ピストンリングへの他のタイプのコーティングを使用することによっては期待する結果を得られなかったことを示している。

国際特許公開第２００９／０６９７０３号明細書 特開２００４−１１６７０７号公報 特開２００３−２５４１５６号公報

本発明の目的は、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって塗布される金属窒化物コーティングを有するリングと、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを有するシリンダライナとの使用を通じて、耐久性および強度の向上を実現する摺動組み合わせを提供することである。

具体的には、本発明の目的は、コンプレッションリングが窒化クロム、炭窒化クロム／炭素または窒化チタンのコーティングを有し、ライナがＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを有する、摺動組み合わせを提供することである。

本発明の別の目的は、摺動組み合わせを経済的に実用的でないものにするであろう製造コストの増大を伴うことなく、耐久性および強度の向上を実現する、摺動組み合わせを提供することである。

本発明の目的は、内燃エンジンにおいて使用するための摺動組み合わせであって、内側摺動面を規定する筒形状の少なくとも１つのシリンダライナと、少なくとも１つの外側摺動面によって規定されるリングとを備え、上記リングの上記外側摺動面は、上記ライナの上記内側面に対して摺動し、上記リングの上記表面は、上記ライナの上記内側面に塗布されたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の第２コーティング上を摺動する、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって塗布された金属窒化物の第１コーティングを有している摺動組み合わせによって達成される。

図１は、本発明に係る摺動組み合わせの上部溝（１〜３）の領域における概略断面図である。 図２は、ＰＶＤによって塗布された窒化クロムコーティングを有するピストンリングに対しての、および比較のために、ＨＶＯＦによって塗布された窒化クロムコーティングを有するリングに対しての、ＤＬＣコーティングを有するシリンダライナの１０００時間後の測定された摩耗を示すグラフである。 図３は、従来の摺動組み合わせの摩耗と、本発明の摺動組み合わせの摩耗とを示すグラフである。

以下、図面に示す実施形態の例に基づいて、本発明について詳細に説明する。

本発明に係る摺動組み合わせ１は、内燃エンジンがさらされている、性能向上ならびに消費および汚染物質排出の低減に対するいっそう厳しい要求に対応して開発された。

本発明に係る摺動組み合わせ１は、実質的に内側摺動面３を規定する筒形状の少なくとも１つのシリンダライナ２と、少なくとも１つの外側摺動面５を規定するリング４とを備えており、リング４の外側側面５はライナ２の内側面３に対して摺動する。

リング４は好ましくは第１溝リングまたはコンプレッションリングであるが、例えば第２溝リングまたはオイルスクレーパリングのような任意の他の考えられる構成であってもよいことは明らかであり、その場合でも本発明が添付の特許請求の範囲の保護範囲を逸脱することはない。同様に、リングの特定の外形は保護範囲の観点から重要ではない。最後に、リングを構成する母材は、それが以下に詳述するコーティングの適用を許容する限り、自由に変更されてもよい。リング４は好ましくは鋳鉄またはステンレス鋼で構成されている。

次に、シリンダライナ２は、また、自由に変更されてもよい内径および外側周囲長を有する様々な特定の構成を呈してもよく、この外側周囲長は、原則として、エンジンブロック（図示せず）への固定を容易にする要素を提示することを想起させる。ライナの母材は好ましくは、しかし強制的にではなく、鋳鉄であり、その特定の組成はライナが取り付けられるエンジンの設計および動作パラメータに基づいて変更され得る。

例えば鋳鋼のような任意の他の材料が、それらが動作可能である限りにおいて使用されてもよく、その場合でも特許請求の範囲の保護範囲にライナが含まれる。

リング４およびライナ２の特定の構成がどのようなものであれ、リングの表面５は、ライナ２の内側面３に塗布されたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の第２コーティング７上を摺動する、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって塗布された金属窒化物の第１コーティング６を有している。この態様において、リングおよびライナを構成する材料が、それらが各コーティングの適用を実行可能にする限りにおいて自由に変更されてもよいことは明らかである。

様々な研究に続いて、出願人は、ピストンリングとライナとの個別の研究が、エンジン動作の何十億回ものサイクルにわたってリングがライナの内部において軸方向に摺動する場合に、当該２つの部品を動作において保護するのに不十分であることに気付いた。

コーティング３の様々な層５，５’が物理蒸着（ＰＶＤ）として当業者に知られるプロセスにより塗布される。

物理蒸着プロセスは、例えば高温、真空蒸発またはプラズマ照射のような純粋に物理的なプロセスに関連していることに留意すべきである。さらに、例えば窒素（Ｎ_２）のようなガスが追加されてもよく、これは窒化物を形成するために蒸着される金属材料と結合する。ソース（ターゲット陰極）から金属材料を蒸発させるために用いられるプロセスの中で最もよく知られているものの一つは、高出力の電気アークを材料ソースに向け、それを蒸発させて部品上に蒸着されるイオンを発生させるカソードアーク法である。窒素（Ｎ_２）のようなガスが存在していると、金属材料の窒化物が部品上に蒸着される。

すなわち、カソードアーク法による蒸着プロセスは、ターゲット陰極から材料を蒸発させるために電気アークが用いられる物理蒸着技術である。蒸発した材料はその後基材上で凝縮し、薄膜を形成する。

本質的に、窒素（Ｎ_２）ガスおよび蒸発した材料の圧力のコントロールは、得ることが望まれるコーティングの正確なコントロールを可能とする。本発明の場合、リング４のコーティング６は好ましくは窒化クロム、炭窒化クロム／炭素または窒化チタンで構成されており、より好ましくは窒化クロムで構成されている。

リング４のコーティング６は、好ましくは、１０００〜２３００ＨＶの硬度と、５μｍを上回る、好ましくは２０〜４０μｍの厚みとを有していて、柱状構造を呈する。

ライナ２のコーティング７は、１０〜２０ＧＰａの硬度と、１μｍを上回る、好ましくは２〜１５μｍの厚みとを有していて、傾斜構造を呈する。

これらの摺動ペアはその構成要素のより低減された摩耗を示し、よってエンジンの本来のパラメータまたは機能原理におけるより優れた耐久性を保証する。

図２のグラフは、ＤＬＣコーティング７を有するシリンダライナ２の、１０００時間後における、ＰＶＤによって塗布された窒化クロムコーティング６を有するピストンリング４に対する平均摩耗、および比較のために、ＨＶＯＦプロセスによって塗布された窒化クロムコーティングを有する不特定のピストンリングに対する平均摩耗を示している。試験は、ライニングがＤＬＣコーティングを伴うパーライト鋳鉄のものである直列６気筒のエンジンにおいて実施した。

平均値では、エンジンの１０００時間の動作後、ＨＶＯＦによって塗布されたコーティングを有するピストンリングの使用は上死点（ＴＤＣ）位置における約１６μｍのライニングの摩耗を生じさせる一方、ＰＶＤによって塗布された窒化クロムコーティングを有するリング４の使用は、同じ構造のライナの摩耗を上死点において約３μｍまで低減させた。

次に、図３のグラフは、２つの摺動ペアの間における比較による摩耗を示しており、第１の摺動ペアは従来のライナとＰＶＤによって塗布された窒化クロムコーティングを有するリング４とから形成され、第２の摺動ペアはＤＬＣコーティングを有するライナとＰＶＤによって塗布された窒化クロムコーティングを有するリング４とから形成されている。

グラフは、５００時間後と１０００時間後に測定された各構成要素の摩耗を示していて、５００時間の試験後において、本発明の組み合わせが従来のライナを用いた組み合わせと比較して２３．４％だけ少ない摩耗を呈することを明らかにしている。１０００時間後では結果はより有利なものとなり、摩耗が２９．５％も少ない。本発明の摺動組み合わせ１が、１０００時間の試験後において、従来のライナを有する組み合わせが半分の時間で示した摩耗と同程度の摩耗を示したことを確認することができる。

これらの結果は、リングのコーティングの硬度が高くなるほどライナの摩耗が多くなるだろうという予想に疑問を投げかける。結果は、ライナの表面硬度が高くなるにつれてリングの摩耗がより多くなることが予想されていたため、予期されていなかった。また、得られた結果は、ライナのより高い表面硬度がリングのより少ない摩耗をもたらしたため、驚いたことに予想されていたものと反対のものであった。この減少は図２および図３のグラフに示されていて、出願人によって開示された摩擦学的研究を裏付けるものである。

好ましい実施形態の例について記載したが、本発明の範囲は、他の考えられる変形例を含んでいて、添付の特許請求の範囲の内容によってのみ限定されるものであり、その中には考えられる等価物が含まれていることを理解されたい。

Claims (9)

1. 内燃エンジンにおいて使用するための摺動組み合わせであって、
   内側摺動面（３）を規定する筒形状の少なくとも１つのシリンダライナ（２）と、
   少なくとも１つの外側摺動面（５）によって規定されるリング（４）とを備え、
   上記リング（４）の上記外側摺動面（５）は、上記ライナ（２）の上記内側面（３）に対して摺動し、
   上記リングの上記表面（５）は、上記ライナ（２）の上記内側面（３）に塗布されたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の第２コーティング（７）上を摺動する、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって塗布された金属窒化物の第１コーティング（６）を有している
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
2. 請求項１において、
   上記リング（４）の上記コーティング（６）が、好ましくは、窒化クロム、炭窒化クロム／炭素、または窒化チタンで構成されている
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
3. 請求項２において、
   上記リング（４）の上記コーティング（６）が、より好ましくは、窒化クロムで構成されている
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   上記リング（４）の上記コーティング（６）が、１０００〜２３００ＨＶの硬度と、５μｍを上回る、好ましくは２０〜４０μｍの厚みとを有していて、柱状構造を呈している
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
5. 請求項１において、
   上記ライナ（２）の上記コーティング（７）が、１０〜２０ＧＰａの硬度と、１μｍを上回る、好ましくは２〜１５μｍの厚みとを有していて、傾斜構造を呈している
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
6. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   上記リングが、ステンレス鋼または鋳鉄の母材を有している
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
7. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   上記ライナ（２）が、金属母材を有している
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
8. 請求項７において、
   上記ライナ（２）が、鋳鉄の母材を有している
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。
9. 請求項７において、
   上記ライナ（２）が、アルミ合金の母材を有している
   ことを特徴とする摺動組み合わせ。