JP5903085B2 - シリンダボアとピストンリングの組合せ - Google Patents
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Description
シリンダボアに相当するJIS ADC12 アルミ合金プレート(70 mm×100 mm×10 mm)の片面をブラスト処理し、その上に、質量%でC:0.3%、Si:0.2%、Mn:0.3%、Cr:0.5%、Mo:0.2%、残部Fe及び不可避的不純物からなるワイヤを溶射材として、アーク溶射法により鉄系溶射皮膜を約500μm形成した。実施例1〜4及び比較例1〜2の鉄系溶射皮膜は基本的に同じ溶射条件で形成されているが、表面性状(Rpk値)が異なるように70 mm幅方向に研磨加工を施した。次に、矩形断面で外周面をバレルフェイス形状としたピストンリング(窒化処理したSUS420J2相当、呼称径(d)90 mm、厚さ(h1)1.2 mm、幅(a1)3.2 mm)に炭素をターゲットとした真空アークイオンプレーティングにより硬質炭素皮膜を約1μm形成した。実施例1〜4及び比較例1〜2の硬質炭素皮膜は、as-coatedの状態でRpkが0.2〜0.3μmであったので、表面性状(Rpk値)が異なるように周方向にラップ処理を施した。なお、硬質炭素皮膜の膜厚はラップ処理を施しても殆ど変化がなかった、
実施例1〜4及び比較例1〜2の鉄系溶射皮膜表面及び硬質炭素皮膜表面について、触針式表面粗さ試験機を用いてRpk値を測定した。ここで、鉄系溶射皮膜は100 mmの長さ方向に、硬質炭素皮膜は厚さ方向に測定した。
実施例1〜4及び比較例1〜2の鉄系溶射皮膜を形成した各アルミ合金プレート(70 mm×100 mm×10 mm)をA試料(50 mm×100 mm×10 mm)とB試料(20 mm×100 mm×10 mm)に切断し、さらにB試料のA試料側断面を含む長さ方向中央部からC試料(10 mm×10 mm×10 mm)を切り出した。C試料の溶射皮膜表面を走査電子顕微鏡で観察し、ピット状に見える微小ピットとそれ以外のマトリックスを2値化処理し、画像解析により微小ピットの面積率を求めた。図1は、実施例1の溶射皮膜表面の走査電子顕微鏡写真である。数10〜100μm程度の大きさの微小ピット1が観察され、微小ピットの面積率は3.1%であった。また、C試料のA試料側断面を鏡面研磨し、走査電子顕微鏡で皮膜の膜厚を求めたが、実施例1〜4及び比較例1〜2において、約430〜約450μmの範囲に入っていた。
硬質炭素皮膜の水素含有量の測定は、ラザフォード後方散乱分光法(RBS)/水素前方散乱分光法(HFS)により求めた。実施例1の水素含有量は1.8原子%であった。実施例2〜4及び比較例1〜2の硬質炭素皮膜も、実施例1と同一の真空アークイオンプレーティングにより製造されているので、水素含有量も実質的に同一であるとみなすことができる。
硬質炭素皮膜のマルテンス硬さHMsは、ISO 14577-1(計装化押込み硬さ試験)に準拠し、超微小硬度計を用いて、Berkovich圧子、試験力:9.8 mNの条件で行った。測定個所は、皮膜表面近傍を平均粒径0.25μmのダイヤモンドペーストを塗布した直径30 mmの鋼球を用いて球面研磨し、研磨部分について行った。マルテンス硬さHMsは荷重-押込み深さ曲線から計算される。実施例1の硬質炭素皮膜のマルテンス硬さHMsは22.6 GPaであった。マルテンス硬さも、水素含有量と同様、実施例2〜4及び比較例1〜2の硬質炭素皮膜についても、実施例1と実質的に同様の硬さであるとみなすことができる。
スカッフ試験は、図2(a)に示すような、シリンダボアに相当する鉄系溶射皮膜3を被覆したA試料のアルミ合金プレート2上に(図示しない固定治具に取り付けた)硬質炭素皮膜を被覆したピストンリングの切断片4(長さ約30 mm)が相対的に厚さ方向に往復摺動する試験により行った。試験は、アルミ合金プレート2を振幅3 mm、50 Hzの条件で往復動させ、垂直荷重を100 N/分の速度で上昇させ、同時にその時の摩擦力を計測して摩擦力が急激に上昇した時の荷重をスカッフ荷重とした。なお、潤滑油5はPAO(Poly Alpha Olefin)の基油に1質量%のGMO(Glycerol Mono Oleate)を含有した潤滑油を用いた。
摩耗試験は、スカッフ試験を行った同じ試験機で、垂直荷重100 N(一定)、時間60分とした以外は、スカッフ試験と同じ条件で往復摺動する試験により行った。硬質炭素皮膜3の摩耗量は、図2(b)に示す試験後のピストンリング片4に生じた楕円形状の摺動部6の長軸長さLで評価した。
微小ピットの面積率が異なるように、鉄系溶射皮膜の溶射条件を変更した以外は、実施例1と同様にして、参考例1〜3のシリンダボアに相当するアルミ合金プレートを製作した。また、これらのアルミ合金プレートと組合せるピストンリングは、実施例1と同じ性状の硬質炭素皮膜を使用した。参考例1〜3の鉄系溶射皮膜のRpk値と微小ピット面積率を実施例1と同様に測定し、またスカッフ試験および摩耗試験も実施例1と同様に行った。
ピストンリングの材質をSUS440B相当材とし、その上に膜厚約30μmのCrN皮膜下地層を形成し、真空アークイオンプレーティングにより金属Cr中間層を約0.5μmと硬質炭素皮膜を約1.5μm形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例5のピストンリングを製作した。硬質炭素皮膜のRpk値、水素含有量、及びマルテンス硬さを測定した結果、Rpk値が0.14μm、水素含有量が0.7原子%、マルテンス硬さは24.1 GPaであった。また、実施例5のピストンリングと組合せるアルミ合金プレートとして、実施例1と同じ性状の鉄系溶射皮膜を使用しスカッフ試験および摩耗試験を行った。
微小ピットの面積率が出来る限り小さくなるように、鉄系溶射皮膜の溶射条件を変更した以外は、実施例1と同様にして、参考例4のシリンダボアに相当するアルミ合金プレートを製作した。参考例4の鉄系溶射皮膜のRpk値及び微小ピットの面積率を測定した結果、Rpk値が0.05、微小ピットの面積率は0.9%であった。また、組合せるピストンリングとして、実施例1と同じ性状の硬質炭素皮膜を使用しスカッフ試験および摩耗試験を行った。結果を参考例1〜3、及び実施例5の結果とともに表2に示す。
2 アルミ合金プレート
3 鉄系溶射皮膜
4 ピストンリング切断片
5 潤滑油
6 摺動部
Claims (8)
- 内燃機関のシリンダボアとピストンリングの組合せであって、前記シリンダボアはピストンリングとの摺動面に鉄系溶射皮膜を形成し、前記ピストンリングは外周摺動面に硬質炭素皮膜を形成し、前記鉄系溶射皮膜の表面の粗さ曲線におけるRpk値(JIS B 0671-2:2002)が0.20μm未満、前記硬質炭素皮膜のRpk値が0.09〜0.14μmであり、前記鉄系溶射皮膜の前記摺動面が微小ピットを有し、前記微小ピットの面積率が1%以上5%未満であることを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
- 請求項1に記載のシリンダボアとピストンリングの組合せにおいて、前記鉄系溶射皮膜の表面の粗さ曲線における前記Rpk値が0.15μm未満であることを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
- 請求項1又は2に記載のシリンダボアとピストンリングの組合せにおいて、前記鉄系溶射皮膜の膜厚が100〜500μmであることを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のシリンダボアとピストンリングの組合せにおいて、前記硬質炭素皮膜の水素含有量が2原子%未満であることを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
- 請求項4に記載のシリンダボアとピストンリングの組合せにおいて、前記硬質炭素皮膜のマルテンス硬さが17〜25 GPaであることを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のシリンダボアとピストンリングの組合せにおいて、前記硬質炭素皮膜の膜厚が0.5〜10μmであることを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のシリンダボアとピストンリングの組合せにおいて、前記ピストンリングが母材上に窒化クロム層、窒化層及びクロムめっき層の少なくとも1種からなる下地層を有することを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
- 請求項1〜7のいずれかに記載のシリンダボアとピストンリングの組合せにおいて、前記硬質炭素皮膜がCr、Ti、W及びCoからなる群から選択された少なくとも1種からなる金属及び/又は金属炭化物の中間層を有することを特徴とするシリンダボアとピストンリングの組合せ。
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