JP2023051683A - 摺動部材 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、従来開示されているDLC被膜を有する摺動部材では、カーボンスラッジ等の異物が混入時の耐摩耗性(耐アブレシブ摩耗性)は十分ではないという問題がある。
カーボンスラッジ等の異物が介在した状態で摺動することにより、DLC被膜の摺動面に微細なクラックが生じることがあり、こうしたクラックの進展により摺動面の微小破壊が生じ、摩耗が増大すると本発明者らは推定している。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、カーボンスラッジ等の異物が存在する環境下でも耐摩耗性(耐アブレシブ摩耗性)を有する摺動部材を提供するものである。
ーション試験で測定される塑性変形仕事量を高めることで、DLC被膜の靭性が向上し、DLC被膜の耐摩耗性が良好になることを見出した。
前記DLC被膜は、ナノインデンテーション試験により荷重100mNで測定された、塑性変形仕事量(Wplast)が5.7nJ以上である摺動部材である。
内燃機関で用いられる摺動部材としては、ピストンリング、シリンダライナ、カムシャフト等があげられ、以下、摺動部材の典型例としてピストンリングを用いて説明する。
なる。本発明者らは、ナノインデンテーション試験により荷重100mNで測定された塑性変形仕事量(Wplast)が5.7nJ以上である場合に、DLC被膜にクラックの進展による摺動面の微小破壊が生じにくく、アブレシブ摩耗の増大を抑制できることを見出した。
更に、前記ナノインデンテーション試験により測定された、塑性変形仕事量(Wplast)は6.2nJ以上であることが好ましい。また、塑性変形仕事量の上限値は特に限定されないが、8.0nJ以下であれば好適である。
上記範囲を満たすことで、DLC被膜にクラックの進展による摺動面の微小破壊が生じにくく、アブレシブ摩耗の増大を抑制できるため、好ましい。
Wtotal = Wplast + Welast (1)
上記範囲を満たすことで、DLC被膜にクラックの進展による摺動面の微小破壊が生じにくく、アブレシブ摩耗の増大を抑制できるため、好ましい。
ηplast = (Wplast / Wtotal)×100(%) (2)
上記範囲を満たすことで、DLC被膜にクラックの進展による摺動面の微小破壊が生じにくく、アブレシブ摩耗の増大を抑制できるため、好ましい。
図1に示すピストンリング10は、ピストンに形成されたピストンリング溝(不図示)に装着され、ピストンの往復運動によってシリンダボア(不図示)の内周面を摺動しながら往復運動する。
ピストンリング10は、トップリング、セカンドリング、オイルリングの何れのピストンリングとして用いてもよい。なお、オイルリングに適用する場合は、オイルリング本体とコイルエキスパンダからなる2ピース構成オイルリングのオイルリング本体、及び2本のセグメント(サイドレールともいう)とエキスパンダ・スペーサからなる3ピース構成オイルリングのセグメント、のいずれにも適用することができる。なお一形態では、ピストンリングは、アルミニウム合金製ピストンに装着され、鋳鉄製シリンダボアに対するピストンリングとして用いられるが、ピストンやシリンダの材質はこれらに限られるものではない。
下地層13の膜厚は0.2μm以上2.0μm以下であることが好ましい。このような膜厚とすることで、DLC被膜12とピストンリング基材11との密着性をより向上させることができる。尚、下地層13を備えることなく、ピストンリング基材11の平滑化加工された外周面に直接DLC被膜12を成膜してもよい。
DLC被膜12の成膜前におけるピストンリング基材11の外周面の平滑化加工の方法は特に限定されないが、研削加工またはバフ研磨加工等を施し、表面粗さを調整することが好ましい。なお、ピストンリング基材11の外周面の表面粗さが小さい場合には、平滑化加工しなくてもよい。
[ナノインデンテーション硬さ]
DLC被膜12は、ナノインデンテーション硬さが15.0GPa以上30.0GPa以下であってよく、28.0GPa以下であってよく、26.0GPa以下であってよい。通常、耐摩耗性を考慮すると、被膜の硬さは高い方が好まれるが、被膜の硬さが高すぎる場合にはシリンダボア摺動面攻撃性が高くなる傾向にあること、及びDLC被膜はピストンリング外周面に形成する被膜のため、ピストンへの組み付け作業時等の変形を伴う場合の被膜破壊が発生することから、本実施形態では過度に硬すぎない上記範囲とすることが好ましい。
DLC被膜12は、ヤング率が335GPa以下であることが好適であり、310GPa以下であることがより好ましい。ヤング率が335GPaを超えると、カーボンスラッジ等によるデポジットまたは摺動によって生じた摩耗粉やダスト等の異物がDLC被膜表面を通り抜ける際、DLC被膜の最表面層は脆性破壊が出現し損耗が増大する。一方、下限は特に限定されないが、ヤング率が120GPa以上であることで、膜内部の剥離が生じにくくなる。
ピストンリング基材を装置内にセットした状態で、装置内を真空排気して減圧した後、基材を加熱した。その後に基材に対して、FCVA法により、基板温度、パルスバイアス電圧、チャンバの圧力(真空度)、アーク電流、ターゲットの純度などを適宜変化させることで、表1に示すとおり、実施例1~7及び比較例1~4の硬質炭素被膜を有するピストンリングを得た。
得られたピストンリングの硬質炭素被膜に対し、以下の条件でナノインデンテーション試験を実施した。測定値は、一つのピストンリングの周方向において、ピストンリングの合い口の反対側の位置と、合い口からそれぞれ両側に90°の位置、計3箇所の各位置において、それぞれ4点総計12点の測定値の平均値とした。
装置名:フィッシャー・インストルメンツ製ナノインデンテーション測定器、型式HM-2000
押し込み荷重:100mN
負荷時間:30s(秒)
保持時間:5s(秒)
除荷時間:30s(秒)
得られた荷重-押し込み深さ曲線を解析し、結果を表1にまとめた。
図2に、ピンオンプレート式往復動摩擦摩耗試験の概要を示す。まず、マルテンサイト系ステンレス鋼を呼び径86mm、摺動方向の幅が1.2mmのピストンリング基材とし、その外周面に上記各実施例、比較例のDLC被膜を成膜し、外周摺動面を加工したピストンリングを準備した。該ピストンリングの合い口の反対側の位置と、合い口からそれぞれ両側90°の位置、計3箇所の各位置において、周長20mmのピストンリング部材を切り出し、供試した。切り出したピストンリング部材は最終仕上げを行い、最終仕上げ後のピストンリング部材の表面粗さは、粗さ曲線がプラトー形状であり、最大高さRz1.0μmとし、上試験片100とした。
下試験片110は、JIS FC250相当材であり、硬さがHRB100、炭化物析出が3%の片状黒鉛鋳鉄製シリンダボアを見立てた幅17mm、長さ70mm、厚さ14mmのプレートを作製し、最終表面仕上げを#600エメリーペーパーにより行って、表面粗さは最大高さRzで1.2μmであった。
<試験条件>
・ストローク:50mm
・荷重:50N
・速度:300cycle/min
・下試験片の温度:80℃(可動ブロック120に設けた下試験片加熱用ヒータ122使用)
・試験時間:60min
摩耗量(n=3の平均値)の測定結果を表2に示した。なお、表2の摩耗量は、比較例1の値を1とした相対値である。
また、図3に、実機運転におけるDLC被膜表面に生じたクラックの電子顕微鏡画像を示し、図4及び図5に、それぞれ実施例1及び比較例1のDLC被膜に対するロックウェル圧痕試験結果を示すレーザー顕微鏡画像を示す。
ISO26443に準拠し、先端半径0.2mmのダイヤモンド圧子を、荷重150kgfでDLC被膜に押し込み、DLC被膜表面をレーザー顕微鏡で観察した。圧痕の上下左右4視野を拡大(レンズ倍率50倍)し、それぞれの視野内における最も長いクラックから(長い順)3本の長さの平均値を計算した。1サンプルについて3回計測し、その平均値を採用した(n=12)。結果を表3に示す。
Anton Paar製スクラッチ試験機を用い、荷重を1Nで一定とし、速度10mm/minで水平に2mm移動させた。スクラッチ試験の結果を電子顕微鏡で観察し、クラックの発生について評価した(n=3)。評価基準は以下のとおりであり、結果を表3に示す。
A:スクラッチ試験後のDLC被膜表面にクラックは発生していなかった。
B:スクラッチ試験後のDLC被膜表面にクラックは発生していたが、その数は比較的少なかった。
C:スクラッチ試験後のDLC被膜表面にクラックがある程度の数発生していた。
D:スクラッチ試験後のDLC被膜表面にクラックが相当多く発生していた。
11 ピストンリング基材
12 DLC被膜
13 下地層
100 上試験片
110 下試験片
120 可動ブロック
122 下試験片加熱用ヒータ
Claims (6)
- 外周摺動面にDLC被膜を有する摺動部材であって、
前記DLC被膜は、ナノインデンテーション試験により荷重100mNで測定された、塑性変形仕事量(Wplast)が5.7nJ以上である、摺動部材。 - 前記DLC被膜は、前記ナノインデンテーション試験により測定された、下記式(1)で計算される全仕事量(Wtotal)が18.1nJ以上である、請求項1に記載の摺動部材。
Wtotal = Wplast + Welast (1) - 前記DLC被膜は、前記ナノインデンテーション試験により測定された、下記式(2)で計算される塑性変形仕事率(ηplast)が31.3%以上である、請求項1又は2に記載の摺動部材。
ηplast = (Wplast / Wtotal)×100(%) (2) - 前記DLC被膜は、前記ナノインデンテーション試験により測定された、ナノインデンテーション硬さ(HIT)と塑性変形仕事量(Wplast)の比率(HIT/Wplast)が5.3GPa/nJ以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 前記DLC被膜は、水素含有量が0.5at%以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の摺動部材。
- ピストンリングである、請求項1~5のいずれか1項に記載の摺動部材。
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