JP4956769B2

JP4956769B2 - 低摩擦摺動部材

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Publication number: JP4956769B2
Application number: JP2004261383A
Authority: JP
Inventors: 洋輔肥塚; 俊和南部; 芳輝保田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2024-09-08
Also published as: JP2006077856A

Description

本発明は、往復摺動を行う内燃機関に用いられているピストンおよびシリンダーに関する。

内燃機関用ピストンおよびシリンダーは、一般的に金属でできているため、高速で摺動することによる摺動部の摩耗や焼付きが問題となってくる。このため、摺動部の摩耗や焼付きを防止すべく、摺動部間に生じる摩擦を低減することが必要である。

摩擦を低減する方法の一つに、摺動部間に潤滑油を介して摺動させる方法がある。しかし、潤滑油を介しただけでは、十分に摩擦を低減し、摩耗や焼付きを防止することができない。

そこで、摩擦を更に低減するために、従来から、摺動部に微細な窪み、凹凸面、溝などを形成する方法が行われている。例えば、潤滑油を介して互いに摺動する摺動部材において、潤滑油の流動抵抗を保持するよう、摺動部材の摺動部に特殊な形状の窪みを設ける手段が開示されている（特許文献１参照）。これにより、潤滑油の油膜厚さが確保され、摩擦が低減する。

しかし、上記のような従来の摺動部材においても、摩擦の低減を実現しうるものの、更なる摩擦の低減が要望されていた。
特開２００２−２１３６１２号公報

そこで、本発明は、潤滑油の存在下で互いに摺動し合う、ピストンおよびシリンダーからなる内燃機関用摺動部材における、摺動部間に生じる摩擦及び摩耗を低減し得る手段を提供することを目的とする。

本発明は、ピストンリングを備えるピストン、および潤滑油の存在下で前記ピストンと摺動するシリンダーからなる内燃機関用摺動部材であって、前記ピストンは、スカート部に凹凸を有し、前記シリンダーは、ボア部に凹凸を有し、摺動方向に平行な方向の前記ピストンの凸部の平均長さＸが、摺動方向に平行な方向の前記シリンダーの凹部の平均長さＹよりも大きい、内燃機関用摺動部材である。

また本発明は、ピストンリングを備えるピストン、および潤滑油の存在下で前記ピストンと摺動するシリンダーからなる内燃機関用摺動部材であって、前記シリンダーは、ボア部に凹凸を有し、摺動方向に平行な方向の前記ピストンリングの接触部の長さＸが、摺動方向に平行な方向の前記シリンダーの凹部の平均長さＹよりも大きい、内燃機関用摺動部材である。

本発明の内燃機関用摺動部材によれば、摺動方向に平行な方向のピストンの凸部の平均長さＸ、または摺動方向に平行な方向のピストンリングの接触部の長さＸが、摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹよりも大きいことにより、摺動部間に生じる摩擦を低減することができる。結果、摺動部の摩耗や焼付きを抑制することができる。

以下、本発明に係る低摩擦摺動部材について、詳細に説明する。

まず、発明のメカニズムについて図面を用いて説明する。図１は、潤滑油の存在下で互いに摺動する摺動部材における、摺動部の断面模式図である。図中の両矢印は、摺動方向を示す。図１に示すように、両摺動部には凹凸形状の加工が施されている。凹部の形状、および凸部の形状には特に制限はなく、長方形状、楕円状、不定形状のあらゆる形状が採用されうる。ここで、一方の摺動部材の摺動方向に平行な方向の凸部の長さＸが、他方の摺動部材の摺動方向に平行な方向の凹部の長さＹよりも大きい場合には、摺動の際、潤滑油を凹部に閉じ込めることができる。これにより、摺動部間に一定の油膜厚さを保持することができ、低摩擦を実現する。本発明は、かような知見に基づいて完成された。

本発明の第１は、ピストンリングを備えるピストン、および潤滑油の存在下で前記ピストンと摺動するシリンダーからなる内燃機関用摺動部材であって、前記ピストンは、スカート部に凹凸を有し、前記シリンダーは、ボア部に凹凸を有し、摺動方向に平行な方向の前記ピストンの凸部の平均長さＸが、摺動方向に平行な方向の前記シリンダーの凹部の平均長さＹよりも大きい、内燃機関用摺動部材である。

本発明は、内燃機関用のピストンおよびシリンダーに関する。図２に示すように、摺動方向に平行な方向のピストン１０の凸部の平均長さＸが、摺動方向に平行な方向のシリンダー１２の凹部の平均長さＹよりも大きいことにより、摺動の際、潤滑油を凹部に閉じ込めることができる。これにより、摺動部間に一定の油膜厚さを保持することができ、低摩擦を実現する。なお、図中の両矢印は、摺動方向を示す。

次に、図３Ａに示すように、内燃機関用ピストンは、一般的に、スカート部に一定のピッチを持つ条痕２０を有している。よって、本発明のメカニズムを実現するために、図３Ｂに示すように、条痕の頂部に相当する部位が平滑部２２を有するように加工して、ＸがＹよりも大きくなるようにする。

この加工により、条痕がシリンダーボア部を大きく摩耗させることを抑制する効果も得られる。このような形状の条痕は、例えば、切削加工や研磨加工により形成することが可能である。

摺動方向に平行な方向のピストンの凸部の平均長さＸの測定方法の一例について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、ピストンのスカート部の凸部形状を２０点測定する。続いて、測定した２０個の摺動方向に平行な方向のピストンの凸部の長さを算術平均することで、Ｘを得る。凸部の測定装置は上記装置以外に、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）でもよい。なお、測定装置によって数値に有意なブレが生じる場合には、ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２により測定された値をＸとする。

摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹの測定方法の一例について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、シリンダーのボア部の凹部形状を２０点測定する。続いて、測定した２０個の摺動方向に平行な方向のシリンダーのボア部の長さを算術平均することで、Ｙを得る。凹部の測定装置は上記装置以外に、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）でもよい。なお、測定装置によって数値に有意なブレが生じる場合には、ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２により測定された値をＹとする。

以下、摺動部材の各構成要素について、詳細に説明する。

シリンダーは、軽金属からなることが望ましい。シリンダーは、内側に鋳鉄製のエンジンライナーをはめ込んだものが一般的であるが、今後、燃費の向上およびエンジンの排気量増加の目的のため、エンジンライナーを取り外すことが多くなるものと考えられる。そこで、エンジンライナーを取り外し、シリンダーの材料に軽金属を用いることで、上記目的を達成することが可能になる。

軽金属は、特に、アルミニウム合金であることが望ましい。アルミニウムは、軽量かつ優れた熱伝導効率を持つため、高速で摺動し、燃焼により高温状態となるエンジンにとって、最適な材料である。

ピストンのスカート部の平坦部における表面粗さは、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以下であることが望ましい。Ｒａが０．０５μｍを超えると、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えきれず、スカッフィングが生じるおそれがある。Ｒａは、例えば、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）により測定される。

ピストンのスカート部は、硬質炭素薄膜を有していることが望ましい。硬質炭素薄膜は、炭素元素を主として構成された非晶質のものであり、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方から成る。具体的には、炭素元素だけから成るアモルファスカーボン薄膜、水素を含有する水素アモルファスカーボン薄膜、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含む金属アモルファスカーボン薄膜が挙げられる。ピストンスカート部が硬質炭素薄膜を有することで、摺動部の更なる低摩擦化が図られる。また、摺動部間に存在する油膜が薄くなり、両摺動部材が直接接触した場合でも、焼付きを抑制することができる。

硬質炭素薄膜は、ＣＶＤ法により成膜されていることが望ましい。ＣＶＤ法により成膜された硬質炭素薄膜は、ＰＶＤ法により成膜された硬質炭素薄膜に比べ、相手摺動部に対する攻撃性が低いため、シリンダーボア部の摩耗を低減することができる。

シリンダーのボア部における凹部の表面積率は、０．３％以上１０％以下であることが望ましい。０．３％より小さい場合には、凹部の油閉じ込め効果が十分でなく、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。また、１０％を超えると負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現しないおそれがある。凹部の表面積率は、例えば、マスクブラスト法で用いる凹部微細形状を有する樹脂製マスクから算出される。

シリンダーのボア部における凹部の平均深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。凹部の深さが０．５μｍより小さい場合には、凹部の油閉じ込め効果が十分でなく、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。また、２０μｍを超えると負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現しないおそれがある。

ここで、凹部の平均深さの測定方法の一例について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、シリンダーのボア部の凹部形状を２０点測定する。続いて、測定した２０個の凹部の深さを算術平均することで、凹部の平均深さを得る。測定方法は、上記方法に限られないが、測定方法によって数値に有意なブレが生じる場合には、上記方法によって測定された値を凹部の平均深さとする。

シリンダーのボア部における凹部の形状は、摺動方向に直角な方向に扁平していることが望ましい。摺動方向に直角な方向に扁平な形状とは、摺動方向に対して平行な方向の最大長さをＬ、摺動方向に対して垂直な方向の最大長さをＤとしたときに、ＤがＬよりも大きくなるような形状である。形状は、直方体に限られず、楕円形状や多角形状であってもかまわない。図４は、凹部形状１４が直方体の場合のシリンダーのボア部１２の表面形状である。図中の両矢印は、摺動方向を示す。凹部形状が、摺動方向に直角な方向に扁平していることにより、摺動部に多くの潤滑油を流入させることができ、摩擦の低減が図られる。

シリンダーのボア部における凹部の短辺長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、凹部の長辺長さは、凹部の短辺長さの２倍以上１０倍以下であることが望ましい。凹部の短辺の長さが５０μｍより小さい場合、潤滑油の凹部への流入保持が十分に行われなくなるおそれがあり、また、１５０μｍを超える場合には、負荷容量が低下し、金属接触が起こりやすくなるおそれがある。更に、長辺長さを短辺長さの２倍以上１０倍以下にすることによって、摺動面に多くの潤滑油を流入させ、また、摺動面からの潤滑油の側方漏れを抑制し、摩擦特性を向上できる。

シリンダーのボア部における表面粗さは、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以下であることが望ましい。Ｒａが０．０５μｍを超えると、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えきれず、スカッフィングが生じるおそれがある。Ｒａは、例えば、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）により測定される。

本発明の第２は、ピストンリングを備えるピストン、および潤滑油の存在下で前記ピストンと摺動するシリンダーからなる内燃機関用摺動部材であって、前記シリンダーは、ボア部に凹凸を有し、摺動方向に平行な方向の前記ピストンリングの接触部の長さＸが、摺動方向に平行な方向の前記シリンダーの凹部の平均長さＹよりも大きい、内燃機関用摺動部材である。

図５に示すように、摺動方向に平行な方向のピストンリング３０の接触部の長さＸが、摺動方向に平行な方向のシリンダー１２の凹部の平均長さＹよりも大きいことにより、摺動の際、潤滑油を凹部に閉じ込めることができる。これにより、摺動部間の油膜３２は、一定の厚さを保持し、低摩擦を実現する。なお、図中の両矢印は摺動方向を示す。

摺動方向に平行な方向のピストンリングの接触部の長さＸの決定方法について説明する。通常、ピストンリングは摺動部が丸みを帯びている（図５参照）。よって、摺動方向に平行な方向のピストンリングの接触部の長さＸは、ピストンリングの外周部３４（図６参照）の曲率半径Ｒが分かれば、ヘルツの接触式により決定することができる。詳しくは、実施例５に記載されている。測定方法は、実施例５の方法に限定されないが、測定方法によりばらつきがあるときは、この方法を用いるとよい。

摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹの測定方法は、本発明の第１の場合と同様である。

以下、摺動部材の各構成要素について、詳細に説明する。

シリンダーは、軽金属からなることが望ましい。シリンダーは、内側に鋳鉄製のエンジンライナーをはめ込んだものが一般的であるが、今後、燃費の向上およびエンジンの排気量増加を目的として、エンジンライナーを取り外すことが多くなると考えられる。そこで、エンジンライナーを取り外し、シリンダーの材料に軽金属を用いることで、上記目的を達成することが可能になる。

軽金属は、特に、アルミニウム合金であることが望ましい。アルミニウムは、軽量かつ優れた熱伝導効率を持つため、高速で摺動し、かつ、燃焼により高温状態となるエンジンにとって、最適な材料である。

ピストンリングの外周部における表面粗さは、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以下であることが望ましい。Ｒａが０．０５μｍを超えると、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えきれず、スカッフィングが生じるおそれがある。Ｒａの測定方法は、本発明の第１の場合と同様である。

ピストンリングの外周部は、硬質炭素薄膜を有していることが望ましい。ここで、硬質炭素薄膜は、炭素元素を主として構成された非晶質のものであり、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方から成る。具体的には、炭素元素だけから成るアモルファスカーボン薄膜、水素を含有する水素アモルファスカーボン薄膜、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含む金属アモルファスカーボン薄膜が挙げられる。ピストンスカート部が硬質炭素薄膜を有することで、摺動部の更なる低摩擦化が図られる。また、摺動部間に存在する油膜が薄くなり、両摺動部材が直接接触した場合でも、焼付きを抑制することができる。

シリンダーのボア部における凹部の表面積率は、０．３％以上１０％以下であることが望ましい。０．３％より小さい場合には、凹部の油閉じ込め効果が十分でなく、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。また、１０％を超えると負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現しないおそれがある。ここで、凹部の表面積率の測定方法は、本発明の第１の場合と同様である。

シリンダーのボア部における凹部の平均深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。凹部の深さが０．５μｍより小さい場合には、凹部の油閉じ込め効果が十分でなく、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。また、２０μｍを超えると負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現しないおそれがある。凹部の平均深さの測定方法は、本発明の第１の場合と同様である。
シリンダーのボア部における凹部の形状は、摺動方向に直角な方向に扁平していることが望ましい。摺動方向に直角な方向に扁平な形状とは、摺動方向に対して平行な方向の最大長さをＬ、摺動方向に対して垂直な方向の最大長さをＤとしたときに、ＤがＬよりも大きくなるような形状である。形状は、直方体に限られず、楕円形状や多角形状であってもかまわない。凹部形状が、摺動方向に直角な方向に扁平していることにより、摺動部に多くの潤滑油を流入させることができ、摩擦の低減が図られる。

シリンダーのボア部における表面粗さは、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以下であることが望ましい。Ｒａが０．０５μｍを超えると、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えきれず、スカッフィングが生じるおそれがある。Ｒａの測定方法は、本発明の第１の場合と同様である。

ピストンスカート部およびシリンダーボア部間の摩擦による摩耗深さを測定するため、各摺動部に様々な凹凸形状を形成し、往復摺動実験を行った。

（実施例１）
実験に用いた部材は、図７に示すように、材質がアルミニウムであるピストンを切り出したピストン試験片４０と、材質がアルミニウムであるシリンダーを切り出したシリンダー試験片４２とからなる。図中の両矢印は、摺動方向を示す。ピストン試験片の側面図を図８Ａに、平面図を図８Ｂに示す。また、シリンダー試験片の平面図を図９Ａに、側面図を図９Ｂに示す。往復摺動運動は、クランク機構Ｃを用い、回転運動を往復運動に変換することにより行った。

実験は、垂直加重２５ｋｇｆ、回転速度６００ｒｐｍ（１分間の往復摺動が６００回）として、５Ｗ３０の油（油温度８０℃）を０．８ｃｃ／ｍｉｎで滴下して行った。実験後に粗さ計を用いて、速度が０ｍ／ｓで最も接触状態が厳しくなる、摺動の折り返し点において、摩耗深さを測定した。

ピストン試験片の摺動部における、凹凸の制御は以下のようにして行った。まず、ピストン試験片の摺動部に存在する条痕（ピッチ２５０μｍ）を、研磨加工により条痕の頂部に相当する部位が平滑部を有するように変化させた。次に、ＣＶＤ法を用いて、ピストン試験片の摺動部に硬質炭素薄膜であるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を成膜した。ピストン試験片の摺動部に設けられた条痕の仕様を図１０に示す。図中の両矢印は、摺動方向を示す。

摺動方向に平行な方向のピストンの凸部の平均長さＸの測定方法について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、ピストンのスカート部の凸部形状を２０点測定した。続いて、測定した２０個の摺動方向に平行な方向のピストンの凸部の長さを算術平均することで、Ｘを得た。本実施例では、Ｘ＝１００μｍに設定した。

シリンダー試験片の摺動部における、凹凸の制御はマスクブラスト法を用いて行った。マイクロブラスト加工では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成した。次に、その樹脂製マスクをシリンダー試験片の表面に貼り付けた後、投射ノズルからワークまでの距離１００ｍｍ、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件で、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を樹脂製マスクに投射し、凹部微細形状を形成した。凹部微細形状の形成後、凹部形状周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを、粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。シリンダー試験片の摺動部に設けられた微細な凹部の仕様を図１１に示す。図中の両矢印は、摺動方向を示す。

摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹの測定方法について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、シリンダーのボア部の凹部形状を２０点測定した。続いて、測定した２０個の摺動方向に平行な方向のシリンダーのボア部の長さを算術平均することで、Ｙを得た。

凹部の表面積率は、マスクブラスト法で用いた凹部微細形状を有する樹脂製マスクから算出した。

凹部の平均深さの測定方法について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、シリンダーのボア部の凹部形状を２０点測定した。続いて、測定した２０個の凹部の深さを算術平均することで、凹部の平均深さを得た。本実施例では、摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹを８０μｍに設定し、凹部の表面積率を５％、凹部の平均深さを３μｍとした。

（実施例２）
Ｘ＝１２０μｍ、Ｙ＝８０μｍに設定し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（実施例３）
Ｘ＝８０μｍ、Ｙ＝５０μｍに設定し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（実施例４）
Ｘ＝１２０μｍ、Ｙ＝５０μｍに設定し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（比較例１）
Ｘ＝０μｍ、Ｙ＝８０μｍに設定し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（比較例２）
Ｘ＝５０μｍ、Ｙ＝８０μｍに設定し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

表１に、各実施例および各比較例における、摺動方向に平行な方向のピストンの凸部の平均長さＸ、摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹ、摺動方向に直角な方向のシリンダーの凹部の平均長さＳ、および実験結果を示す。

表１から、本発明を適用した実施例は、いずれも比較例と比べて摩耗深さが減少していることがわかる。比較例１および各実施例の比較から、ピストンスカート部上の条痕の頂部に相当する部位を平滑にすることで、摩耗深さが減少することがわかる。更に、比較例２および各実施例の比較から、摺動方向に平行な方向のピストンの凸部の平均長さＸと摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹの関係を、Ｘ＞Ｙとすることで、摩耗深さが減少することがわかる。

続いて、ピストンリング外周部およびシリンダーボア部間の摩擦による摩耗深さを測定するため、ピストンリング外周部の形状を様々に変え、シリンダーボア部に様々な凹凸形状を形成して、往復摺動実験を行った。

（実施例５）
実験に用いた部材は、図１２に示すように、ピストンリングを模擬した、材質が鋼（ＳＣＭ４３５）で、摺動部が丸みを帯びた角柱状のピストンリング試験片５０と、シリンダーを模擬した、アルミニウム平板のシリンダー試験片５２とからなる。図中の両矢印は摺動方向を、片矢印は荷重方向を示す。ピストンリング試験片の平面図を図１３Ａに、側面図を図１３Ｂに示す。また、シリンダー試験片の平面図を図１４Ａに、側面図を図１４Ｂに示す。往復摺動運動は、クランク機構を用い、回転運動を往復運動に変換することにより行った。

実験は、垂直加重２５ｋｇｆ、回転速度６００ｒｐｍとして、５Ｗ３０の油（油温度８０℃）を０．８ｃｃ／ｍｉｎで滴下して行った。実験後に粗さ計を用いて、速度が０ｍ／ｓで最も接触状態が厳しくなる、摺動の折り返し点において、摩耗深さを測定した。

ピストンリング試験片の摺動部における、表面形状の制御は以下のようにして行った。まず、ピストンリング試験片の摺動部を研磨加工により丸みを帯びるように変化させた。次に、ＣＶＤ法を用いて、ピストンリング試験片の摺動部に硬質炭素薄膜であるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を成膜した。摺動方向に平行な方向のピストンリングの接触部の長さＸは、以下に示すヘルツの接触式から計算した値を用いている。

ここで、Ｒはピストンリングの外周部の曲率半径、Ｅは試験片の等価縦弾性係数、Ｗは試験片に加えられた荷重、Ｌは試験片の摺動方向に直角な方向の接触長さである。

ここで、Ｒ_１およびＲ_２は各試験片接触部の曲率半径、Ｅ_１およびＥ_２は各試験片の縦弾性係数、ν_１およびν_２は各試験片のポアソン比である。本実施例では、曲率半径Ｒを７０ｍｍに設定し、ヘルツの接触式により、摺動方向に平行な方向のピストンリングの接触部の長さＸ＝９６μｍを得た。なお、曲率半径Ｒは、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）により測定した。

シリンダー試験片の摺動部における、凹凸の制御はマスクブラスト法を用いて行った。マイクロブラスト加工では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成した。次に、その樹脂製マスクをシリンダー試験片の表面に貼り付けた後、投射ノズルからワークまでの距離１００ｍｍ、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件で、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を樹脂製マスクに投射し、凹部微細形状を形成した。凹部微細形状の形成後、凹部形状周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを、粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。シリンダー試験片の摺動部に設けられた微細の凹部の仕様を図１１に示す。摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹ、凹部の表面積率、および凹部の平均深さの測定方法は、実施例１と同様である。本実施例では、摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹを８０μｍに設定し、凹部の表面積率を５％、凹部の平均深さを３μｍとした。

（実施例６）
Ｒ＝８０ｍｍ、Ｘ＝１０２．６μｍ、Ｙ＝８０μｍに設定し、実施例５と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（実施例７）
Ｒ＝３０ｍｍ、Ｘ＝６２．８μｍ、Ｙ＝５０μｍに設定し、実施例５と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（実施例８）
Ｒ＝１００ｍｍ、Ｘ＝１１４．７μｍ、Ｙ＝８０μｍに設定し、実施例５と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（比較例３）
Ｒ＝３０ｍｍ、Ｘ＝６２．８μｍ、Ｙ＝８０μｍに設定し、実施例５と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（比較例４）
Ｒ＝１５ｍｍ、Ｘ＝４４．４μｍ、Ｙ＝５０μｍに設定し、実施例５と同様の手順により往復摺動実験を行った。

表２に、各実施例および各比較例における、ピストンリングの曲率半径Ｒ、摺動方向に平行な方向のピストンリングの接触部の長さＸ、摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹ、摺動方向に直角な方向のシリンダーの凹部の平均長さＳ、および実験結果を示す。

表２から、本発明を適用した実施例は、いずれも比較例と比べて摩耗深さが減少していることがわかる。また、各実施例および各比較例の比較から、摺動方向に平行な方向のピストンリングの接触部の長さＸと摺動方向に平行な方向のシリンダーの凹部の平均長さＹの関係を、Ｘ＞Ｙとすることで、摩耗深さが減少することがわかる。

（ＣＶＤ法およびＰＶＤ法による硬質炭素薄膜の成膜における、摩耗量の差異）
ＣＶＤ法により硬質炭素薄膜を成膜した場合と、ＰＶＤ法により硬質炭素薄膜を成膜した場合における、摩耗深さの差異を調べるため、ＰＶＤ法により硬質炭素薄膜を成膜した以外は、実施例１と同様の手順によりピストン試験片を作成し、往復摺動実験を行った。ＸおよびＹは、実施例１と同条件に設定した。

結果、比較例１の摩耗深さを１とした場合の摩擦深さが０．６１であった。このことから、ＣＶＤ法により硬質炭素薄膜を成膜した場合の方が、ＰＶＤ法により硬質炭素薄膜を成膜した場合よりも、摩耗深さが減少することがわかる。

潤滑油の存在下で互いに摺動する摺動部材における、摺動部の断面模式図である。潤滑油の存在下で互いに摺動するピストンおよびシリンダーの、摺動部の断面模式図である。図３Ａは、ピストンのスカート部における、一般的な条痕の形状を示す断面図であり、図３Ｂは、スカート部における条痕の形状を示す図であって、頂部に平滑部を有する条痕の断面図である。凹部形状が直方体の場合の、シリンダーのボア部表面の模式図である。潤滑油の存在下で互いに摺動するピストンリングおよびシリンダーの、摺動部の断面模式図である。ピストンリングの外周部を示す図である。本発明の第１に係る実施例および比較例で用いた、往復摺動試験装置を示す概略構成図である。本発明の第１に係る実施例および比較例で用いた、ピストン試験片を示す図であり、図８Ａは側面図、図８Ｂは平面図である。本発明の第１に係る実施例および比較例で用いた、シリンダー試験片を示す図であり、図９Ａは平面図、図９Ｂは側面図である。ピストン試験片の摺動部に設けられた条痕の仕様を示す断面模式図である。シリンダー試験片の摺動部に設けられた条痕の仕様を示す模式図である。本発明の第２に係る実施例および比較例で用いた、往復摺動試験装置を示す概略構成図である。本発明の第２に係る実施例および比較例で用いた、ピストンリング試験片を示す図であり、図１３Ａは平面図、図１３Ｂは側面図である。本発明の第２に係る実施例および比較例で用いた、シリンダー試験片を示す図であり、図１４Ａは平面図、図１４Ｂは側面図である。

符号の説明

１０ピストンのスカート部、１２シリンダーのボア部、１４凹部、２０条痕、２２平滑部、３０ピストンリング、３２油膜、３４ピストンリングの外周部、４０ピストン試験片、４２シリンダー試験片、５０ピストンリング試験片、５２シリンダー試験片、Ｃクランク機構。

Claims

ピストンリングを備えるアルニミウム製のピストン、および潤滑油の存在下で前記ピストンと摺動するアルニミウム合金製のシリンダーからなる内燃機関用摺動部材であって、
前記ピストンは、スカート部に凹凸を有し、
前記シリンダーは、ボア部に凹凸を有し、
摺動方向に平行な方向の前記ピストンの凸部の平均長さＸが、摺動方向に平行な方向の前記シリンダーの凹部の平均長さＹよりも大きく、
前記シリンダーのボア部における凹部の形状が摺動方向に直角な方向に扁平しており、
前記シリンダーのボア部における凹部の短辺長さが５０〜８０μｍであり、凹部の長辺長さが凹部の短辺長さの４倍である、内燃機関用摺動部材。
前記ピストンのスカート部における表面粗さＲａが０．０５μｍ以下である、請求項１に記載の内燃機関用摺動部材。
前記ピストンのスカート部に硬質炭素薄膜を有する、請求項１または２に記載の内燃機関用摺動部材。
前記シリンダーのボア部における凹部の表面積率が０．３％以上１０％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用摺動部材。
前記シリンダーのボア部における凹部の平均深さが０．５μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用摺動部材。
機関用摺動部材。
前記シリンダーのボア部における表面粗さＲａが０．０５μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関用摺動部材。
ピストンリングを備えるアルニミウム製のピストン、および潤滑油の存在下で前記ピストンと摺動するアルニミウム合金製のシリンダーからなる内燃機関用摺動部材であって、
前記シリンダーは、ボア部に凹凸を有し、
摺動方向に平行な方向の前記ピストンリングの接触部の長さＸが、摺動方向に平行な方向の前記シリンダーの凹部の平均長さＹよりも大きく、
前記シリンダーのボア部における凹部の形状が摺動方向に直角な方向に扁平しており、
前記シリンダーのボア部における凹部の短辺長さが５０〜８０μｍであり、凹部の長辺長さが凹部の短辺長さの４倍である、内燃機関用摺動部材。
前記ピストンリングの外周部における表面粗さＲａが０．０５μｍ以下である、請求項７に記載の内燃機関用摺動部材。
前記ピストンリングの外周部に硬質炭素薄膜を有する、請求項７または８に記載の内燃機関用摺動部材。
前記シリンダーのボア部における凹部の表面積率が０．３％以上１０％以下である、請求項７〜９のいずれか１項に記載の内燃機関用摺動部材。
前記シリンダーのボア部における凹部の平均深さが０．５μｍ以上２０μｍ以下である、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関用摺動部材。
前記シリンダーのボア部における表面粗さＲａが０．０５μｍ以下である、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関用摺動部材。