JP5030439B2

JP5030439B2 - 摺動部材

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Publication number: JP5030439B2
Application number: JP2006052790A
Authority: JP
Inventors: 実川西; 亮若林; 諸貫正樹; 勝啓辻; 佐藤貴幸
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: CN101389886B; DE112007000470T5; US8123227B2; US20090026712A1; CN101389886A; WO2007099846A1; JP2007232026A

Description

本発明は、自動車用エンジンなど往復動内燃機関に使用される摺動部材、特に鋳鉄シリンダライナのボアと摺動するピストンリングに関する。

自動車用エンジンなどの往復動内燃機関に使用される摺動部材であるピストンリング外周摺動部と、シリンダライナのボアとの間に発生する摩擦損失の占める割合は、自動車用エンジンなどの往復動内燃機関内部で発生する摩擦損失の２０〜３０％程度と考えられている。この摩擦損失を低減することにより、自動車の燃費向上及び排出ガス低減がなされ、環境保全に寄与することができる。

ピストンリング外周面には、従来から耐摩耗性の向上を目的として、窒化処理により窒化層、Ｃｒめっき皮膜、窒化チタン又は窒化クロムなどのイオンプレーティングによる硬質皮膜が形成されている。また、近年では高硬度で自己潤滑性に優れた非晶質硬質炭素皮膜を被覆することが行われるようになってきている。

非晶質硬質炭素は、一般にダイヤモンド・ライク・カーボン（以下「DLC」と記す。）、水素化アモルファスカーボン（a-C：H）、ｉ-カーボン或いはダイヤモンド状炭素などと呼ばれ、構造的に炭素の結合がダイヤモンド構造の結合（ｓｐ３型結合）とグラファイト構造の結合（ｓｐ２型結合）が混在したものであり、ダイヤモンドに類似した高い硬度、耐摩耗性、熱伝導性及び化学安定性を有するとともに、グラファイトに類似した固体潤滑性を有することを特徴としている。これらの特徴から、DLCは例えば自動車部品などの摺動部材、金型、切削工具、機械部品、光学部品の保護膜などに利用されている。

例えば、自動車部品のピストンリングに関しては、０．５〜５μｍの大きさの瘤状に析出した表面組織を有するDLC皮膜を、全表面をガス窒化した後のピストンリング上下面に０．５〜３０μｍの厚さに形成して、アルミ合金と摺動するピストンリング上下面のアルミ凝着を防止し、アルミ合金製ピストンのリング溝摩耗を低減すること（特許文献１参照）、ピストンリングの上下面に直接、或いはＣｒめっき皮膜やガス窒化層などの硬質表面処理層の上にＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの群から選ばれた1種又は2種以上の元素を７０〜１００原子％、残部が炭素からなる下地皮膜を介してDLC皮膜を０．５〜３０μｍの厚さに形成し、アルミ合金製ピストンのリング溝摩耗を低減すること（特許文献２）が開示されている。

また、アルミニウム合金製シリンダと外周面にDLC皮膜を形成したピストンリングの組合せが開示されている。（特許文献３）

更に、特許文献４及び特許文献５では内燃機関の動弁機構のカム接触部構造に関し、硬質皮膜を用いて摩擦損失を低減する方法について開示されている。

特開2000-120869号公報特開2000-120870号公報特開2001-280497号公報特開平5-163909号公報特開平7-118832号公報

ピストンリング外周摺動部とシリンダライナのボア間に発生する摩擦損失を低減するためには、ピストンリングの低張力化、ピストンリング外周形状の最適化、ピストンリング外周表面粗さの低減、ピストンリング外周表面改質による摩擦係数の低減等が有効である。また、シリンダライナの表面粗さの低減等が考えられる。

しかしながら、極度にピストンリングの低張力化を進めると、オイル消費量の増加やブローバイ量が増加するという問題が発生する。また、極度にピストンリング外周表面粗さを低減すると、焼き付き（スカッフィング）が発生するという問題が生じる。更に、上述した従来技術によるピストンリングは、シリンダライナ内を摺動すると徐々にピストンリング外周の表面粗さが低減し、ピストンリングの外周摺動部とシリンダライナのボア間に発生する摩擦損失は一時的には低減するが、ピストンリング外周摺動面の摩耗が進行して最適設計された初期形状を維持することが出来なくなり、ピストンリングの外周摺動部とシリンダライナのボア間に発生する摩擦損失が結果的に増加するという問題が生じる。

特許文献１では、ピストンリングの摺動面を表面粗さ０．０５〜１μｍＲａに仕上げた後、ビッカース硬度がＨｖ７００〜２０００のDLC皮膜を０．５〜３０μｍの厚さで被覆しているが、このような低硬度の皮膜では鋳鉄製シリンダライナを相手材とする摺動においては皮膜の自己摩耗が多く、相手材の面粗度向上によるなじみ効果は得られない。また、特許文献２ではDLC皮膜および下地皮膜が摩滅した場合でもＣｒめっき皮膜、窒化層及びイオンプレーティング皮膜がピストンリングの耐摩耗性を担うとされているが、相手材とのなじみに必要な初期粗さについては言及していない。このように、摺動部材、特にピストンリングと鋳鉄シリンダとの摺動において、ピストンリング側のなじみ性について着目したものがほとんどであり、シリンダ材のなじみ効果による摩擦損失の低減について言及したものは無かった。更に、ピストンリング外周摺動部とシリンダライナのボアの摺動部は、それぞれの摺動部分の面積差が他の摺動部材に比べて非常に大きく、上述の特許文献４及び特許文献５など摺動状態が大きく異なり、従来技術ではピストンリング外周摺動部とシリンダライナのボア間に発生する摩擦損失を大幅に低減することは非常に困難であった。

本発明の目的は、摺動相手材との初期なじみ性に優れ、摩擦損失低減効果の大きな摺動部材を提供することにあり、特に鋳鉄製シリンダライナを摺動相手材とし、初期なじみ性に優れ、摩擦損失低減効果の大きなピストンリングを提供することにある。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、カーボンカソードを原料とする真空アーク放電法により成膜された非晶質硬質炭素皮膜の表面には、マクロパーティクルと呼ばれる微小な突起が多数形成され、このような非晶質硬質炭素皮膜を摺動部材表面に成膜すると、形成されたマクロパーティクルが多い場合は相手材を過度に摩耗させ、マクロパーティクルが少ない場合は相手材を十分になじませることが出来ないこと、このマクロパーティクルは、ダイヤモンドなどの硬質粒子を用いた後処理を行うことにより、表面粗さを所望の範囲に調整することができ、十点平均粗さ（Ｒz）と初期摩耗高さ（Ｒpk）で管理できることを知得した。
そして、自動車用エンジンに使用される鋳鉄製シリンダライナのボア摺動部の面粗度を十点平均粗さ（Ｒｚ）で２〜４μｍとし、ピストンリング外周摺動部に形成した非晶質硬質炭素皮膜の表面粗さを十点平均粗さ（Ｒz）と初期摩耗高さ（Ｒpk）で管理することにより、シリンダライナ側の面粗度改善効果が最も大きく、ピストンリング外周摺動部とシリンダライナのボア間の摩擦損失を最大限低減し、その状態を維持できることを見出した。

すなわち、本発明の摺動部材は、摺動面に非晶質硬質炭素皮膜を被覆した摺動部材であって、前記非晶質硬質炭素皮膜表面の十点平均粗さ（Ｒｚ、ＪＩＳＢ０６０１）が０．７μｍ以下であり、且つ初期摩耗高さ（Ｒpk、ＪＩＳＢ０６７１）が０．０７〜０．１４μmであることを特徴とする。

本発明による摺動部材は、非晶質硬質炭素皮膜が硬質クロムめっき層、窒化層又は窒化クロム層の上に形成されるか、基材表面の上に直接形成しても良い。窒化クロム層はイオンプレーティング法などの方法で形成され、柱状組成やポーラスを含むものを用いることもできる。非晶質硬質炭素皮膜には、水素を含まない実質的に炭素のみからなる非晶質硬質炭素皮膜を適用することが好ましい。ここで、水素を含まない実質的に炭素のみからなるとは、ＨＦＳ（Hydrogen Forward Scattering）分析による皮膜の水素含有率が５ａｔｍ％以下であり、残部が実質的に炭素のみからなるものである。この非晶質硬質炭素皮膜の膜厚は０．０１〜２．０μｍが好適である。更に、非晶質硬質炭素皮膜のビッカース硬度がＨｖ２０００以上であることが好適である。

本発明による摺動部材は、自動車部品のピストンリングの外周摺動面に特に好ましく用いることができる。本発明にかかるピストンリングは、シリンダライナ内を上下に摺動する際、ピストンリング外周表面に施工された水素を含まない実質的に炭素のみからなり、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０．７μｍ以下であり、且つ初期摩耗高さ（Ｒpk）が０．０７〜０．１４μmの非晶質硬質炭素皮膜により、シリンダライナ表面の面粗度を速やかにかつ適度に改善して初期なじみを生じさせる。同時にピストンリング外周表面に形成された非晶質硬質炭素皮膜の面粗度も速やかに低減し、かつ非晶質硬質炭素皮膜の硬度が高く耐摩耗性に優れるため最適形状に設計されたピストンリングの初期外周形状を維持することができる。

本発明の摺動部材によれば、初期なじみにおいて短時間で相手材の面粗度が改善され、大幅な摩擦損失低減効果が得ることができ、摩擦損失効果を維持することができる。特に、ピストンリングの外周摺動面と鋳鉄シリンダライナのボアとの摺動において、大幅な摩擦損失低減効果が得ることができ、摩擦損失効果を維持することができる。

本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る摺動部材のピストンリングの断面を示す模式図である。ピストンリング１の表面に非晶質硬質炭素皮膜２が形成されている。図２は図１のピストンリング１をピストン６に装着し、シリンダライナ７に組み込まれた状態を示す断面図である。ピストンリング１は、ピストン６に装着された状態で、ピストンリングの外周摺動面３とシリンダライナ７との間に適度な油膜を保持しながら上下方向に摺動する。
本発明による摺動部材は、摺動面に非晶質硬質炭素皮膜を被覆した摺動部材であって、非晶質硬質炭素皮膜表面の十点平均粗さ（Ｒz）が０．７μｍ以下であり、且つ初期摩耗高さ（Ｒpk）が０．０７〜０．１４μmである。十点平均粗さ（Ｒz）が０．７μｍを超えると、摩擦損失の低減効果が小さくなり、相手材とのなじみに時間を要し、相手材の初期摩耗が大きくなる。初期摩耗高さ（Ｒpk）が０．０７μｍ未満では、相手シリンダライナのなじみ効果が小さく、一方、０．１４μmを超えると初期なじみに時間を要し、摩擦損失の低減効果が得られない。したがって、十点平均粗さ（Ｒz）は０．７μｍ以下であり、かつ初期摩耗高さ（Ｒpk）は０．０７〜０．１４μmである。尚、表面粗さは、触針に先端２μｍＲを使用し、JIS規格による方法で測定長さ０．８ｍｍ、カットオフ長さ０．０８ｍｍ、測定倍率1万倍、測定速度０．０６mm/sec、カットオフ２ＲC（位相補償）、傾斜補正最小二乗曲線補正の条件で測定している。

相手材の面粗度は、十点平均粗さ（Ｒz）で２〜４μｍが好ましく、Ｒz２．５〜３．０μmであることがより好ましい。本発明にかかるピストンリングを鋳鉄製のシリンダライナと摺動させる場合において、十点平均粗さ（Ｒｚ）を２〜４μｍとしておくとシリンダライナ側の初期なじみによる面粗度向上効果が大きく、摩擦損失を大幅に低減することができる。

本発明の摺動部材の基材には、鉄系合金材料を好ましく使用することができる。本発明に係るピストンリング基材の材料としては、１３Cｒ及び１７Cｒステンレス鋼、バネ鋼、工具鋼及び鋳鉄などの鉄系材料、前記鉄系材料にイオンプレーティング法などにより窒化クロム層、各種の窒化法により窒化層、及び硬質クロムめっき等の表面処理を施したものを使用することができる。本発明の非晶質硬質炭素皮膜は摺動面に直接、或いは硬質クロムめっき皮膜、窒化層又は窒化クロム層の上に形成される。ピストンリングに適用する場合には、ＴＯＰリングでは断面組織が柱状組織や所定のポーラスを有する窒化クロム層の上に非晶質硬質炭素皮膜を形成することが好適である。
ピストンリング外周表面にコーティングされた非晶質硬質炭素皮膜が摩滅した後、ピストンリングの基材及び基材表面に形成したイオンプレーティング層、窒化処理層、硬質クロムめっき層等が露出した場合において、既にシリンダライナ表面の粗さが十分に低減されているためピストンリングとシリンダライナ間に発生する摩擦損失が大幅に増加することはない。

水素を含まない実質的に炭素のみからなる非晶質硬質炭素皮膜は、水素含有量が５at%以下の非晶質硬質炭素皮膜であり、Siなどの金属添加が添加された水素含有の非晶質硬質炭素皮膜に比べ、炭素の結合状態を示すｓｐ３性が高いので、高硬度で耐摩耗性に優れる。非晶質硬質炭素皮膜中に含有される水素はＨＦＳ（Hydrogen Forward Scattering）法により測定することができる。

非晶質硬質炭素皮膜の硬度は、ビッカース硬度でＨｖ２０００以上が好適である。非晶質硬質炭素皮膜のビッカース硬度がHｖ２０００未満では、初期なじみにおいて相手材の鋳鉄製シリンダライナの面粗度を向上させる効果が小さく、十分な摩擦損失低減効果が得られない可能性がある。非晶質硬質炭素皮膜の膜厚は０．０１〜２．０μｍであることが好適である。前記範囲内の膜厚とすることで、相手材の表面粗さを初期なじみにより改善させた後に非晶質硬質炭素皮膜がちょうど摩滅する。非晶質硬質炭素皮膜の膜厚が０．０１μm未満では相手材の面粗度を向上させる効果が得られない可能性があり、膜厚が２μｍを超える場合には相手材の摩耗が過大となる可能性がある。

以下、本発明の実施例についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

ピストンリングの基材としてＳＵＳ４４０相当材を用い、ガス窒化処理により基材表面に窒化層を形成した呼び径８６．０mmのTOPリング、２NDリング、OILリングの外周摺動面に、水素を含まない実質的に炭素のみからなる非晶質硬質炭素皮膜を膜厚1μm形成した後、ダイヤモンド粒子を用いた後処理（ラップ、微粉ブラストなど）を行ない表面粗さＲzが０．７μｍ以下であり且つＲpkが０．０７〜０．１４μmである実施例１を作製した。図３は、前記の実施例１のピストンリング（合口反対側）の外周摺動面の面粗度（周方向）について測定した非晶質硬質炭素皮膜の初期表面粗さの測定図を示したもので、凸側に突出している箇所がマクロパーティクル８であり、表面粗さＲzが０．７μｍ且つＲpkが０．０７μｍであった。

また、実施例１と同様にピストンリングの基材としてＳＵＳ４４０相当材を用い、下地層をイオンプレーティング法により窒化クロム層及び電解めっき法により硬質クロムめっき層を形成した後、呼び径８６．０mmのTOPリング、２NDリング、OILリングの外周摺動面に、水素を含まない実質的に炭素のみからなる非晶質硬質炭素皮膜を膜厚1μm形成した後、ダイヤモンド粒子を用いた後処理を行ない表面粗さＲzが０．７μｍ以下であり且つＲpkが０．０７〜０．１４μmである実施例２及び実施例３を作製した。更に、下地層を形成せずに基材に直接水素を含まない実質的に炭素のみからなる非晶質硬質炭素皮膜を膜厚1μm形成したダイヤモンド粒子を用いた後処理を行ない実施例４を作製した。

比較例として、前記実施例と同様に下地層を形成し、非晶質硬質炭素皮膜を膜厚1μm形成した後、ダイヤモンド粒子を用いた後処理の条件のみを変え、表面粗さＲz０．８μmかつＲpk０．１５μm以上の比較例１〜３を作製した。また、ＳＵＳ４４０相当材に窒化処理のみを施した比較例４、イオンプレーティング法により窒化クロム層のみ施した比較例５及び電解めっき法により硬質クロムめっき層のみ形成した比較例６を作製した。尚、このピストンリングセット（TOPリング、２NDリング、OILリング）は外周摺動面の表面処理以外は全て同一の仕様とした。

このように製作した実施例及び比較例のピストンリングセット（TOPリング、２NDリング、OILリング）をピストン６に組み付けた後、浮動ライナー式フリクション測定用エンジンに組み込み、摩擦損失を摩擦平均有効圧力（ＦＭＥＰ）により評価した。ピストンリングと摺動する相手材には鋳鉄シリンダライナを用い、面粗度は十点平均粗さ（Ｒｚ）で２〜４μｍのものを使用した。図４は浮動ライナー式フリクション測定用エンジンの構造について示したものである。シリンダライナに結合された荷重測定用センサー９によりピストンに装着されたピストンリングが上下方向に摺動する際にシリンダライナに加わる摩擦力を測定した。浮動ライナー式フリクション測定用エンジンにて摩擦損失を測定する際の試験条件を以下に示す。試験結果を表１に示す。尚、リングの張力は、TOP、２ND、OILリングでそれぞれ６．５N、５．５N、１９．４Nに設定した。
エンジン回転数：１，５００rpm
負荷：１５N・m
潤滑油温度：９０℃
冷却水温度：１００℃
試験時間：１０時間

図５は前記図４に示した浮動ライナー式フリクション測定用エンジンによる試験後の実施例１のピストンリング外周摺動面の表面粗さを測定した結果を示したものである。図５と試験前の図３を比較すると、ピストンリングの外周摺動面で多数存在していたマクロパーティクル８はほぼ完全に除去され、ピストンリング外周摺動面の粗さが大幅に低減されている。同様に、図６は試験前後での実施例１のシリンダライナの表面を示したものである。本発明にかかるピストンリングと摺動したシリンダライナは、適度に面粗度が向上し、十分になじみが生じている。特にシリンダライナ表面の突起部分がピストンリングとの摺動により削られて、平滑になっている。

図７は、図４の試験による実施例と比較例の摩擦損失の低減率を示している。この結果、比較例４の初期における摩擦損失に対して、本発明の摺動部材のピストンリングは約４０％を超える大幅な摩擦損失低減が可能であり顕著な効果が確認された。これに対して、非晶質硬質炭素皮膜の表面粗さＲz０．８μmかつＲpk０．１５μm以上の比較例１〜３および従来の表面処理のみを施した比較例４〜５の摩擦損失低減は本発明の半分以下であり、摩擦損失低減効果が不十分であることが確認できる。

本発明では実施例としてピストンリング外周に非晶質硬質炭素皮膜を被覆した場合について示したが、その他に窒化クロム、窒化チタン、ダイヤモンドなどの硬質皮膜でも同様の効果が得られる。

本発明の摺動部材の一つであるピストンリングの断面図である。本発明の摺動部材のピストンリングをシリンダライナに装着した状態を示した断面図である。本発明の実施例１のピストンリング外周面に形成した非晶質硬質炭素皮膜の初期表面粗さの測定図である。浮動ライナー式フリクション測定用エンジンの構造を示した概要図である。図４に示したエンジンによる試験後における実施例１の非晶質硬質炭素皮膜の表面粗さの測定図である。図４に示したエンジンによる試験前後における実施例１のシリンダライナの表面粗さの測定図である。実施例と比較例の摩擦損失の低減率を示した図である。

符号の説明

１ピストンリング
２非晶質硬質炭素皮膜
３外周摺動面
４上下面
５内周面
６ピストン
７シリンダライナ
８ドロップレット
９荷重測定用センサー

Claims

十点平均粗さ（Ｒz）が２〜４μｍの面粗度をもつ相手材に対して摺動され、かつ摺動面に非晶質硬質炭素皮膜を被覆した摺動部材であって、
前記非晶質硬質炭素皮膜表面の十点平均粗さ（Ｒz）が０．７μｍ以下であり、且つ初期摩耗高さ（Ｒpk）が０．０７〜０．１４μmであり、前記非晶質硬質炭素皮膜が、水素を含まない実質的に炭素のみからなる非晶質硬質炭素皮膜であることを特徴とする摺動部材。
前記摺動部材において、非晶質硬質炭素皮膜が硬質クロムめっき層、窒化層又は窒化クロム層の上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
前記摺動部材において、非晶質硬質炭素皮膜が基材の表面に直接形成されていることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
前記非晶質硬質炭素皮膜の硬度が、ビッカース硬度でHｖ２０００以上であり、且つ非晶質硬質炭素皮膜の厚さが０．０１〜２．０μｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摺動部材。
前記摺動部材がピストンリングであり、前記摺動面が少なくともピストンリング外周面であり、前記相手材がシリンダライナであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の摺動部材。