JP5991956B2 - Internal combustion engine and automobile - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関及びこれを備えた自動車に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine and an automobile equipped with the same.

従来より、自動車用エンジンに使用されているピストンリングなどの摺動部品の材料として、窒化処理が施された鋼材は、優れた耐摩耗性能を示すことが知られている。また、窒化処理が施された鋼材は、エンジン油の存在下で摺動される摺動部品として使用されている(例えば、特許文献1〜2参照)。   Conventionally, it has been known that a steel material subjected to nitriding as a material for sliding parts such as piston rings used in automobile engines exhibits excellent wear resistance. Further, the steel material subjected to nitriding treatment is used as a sliding component that is slid in the presence of engine oil (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

これらの摺動部品は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン車のエンジン油中、すなわち水分をほぼ含有しないエンジン油中で使用されることを想定して作製されたものである。   These sliding parts are manufactured on the assumption that they are used in the engine oil of a gasoline engine vehicle using gasoline as a fuel, that is, in the engine oil containing almost no moisture.

また、ステンレス鋼の耐摩耗性と塩水に対する耐食性とを、窒化処理により向上させる技術も提案されている(例えば、特許文献3参照)。しかし、この技術は、エンジン油中での使用を想定したものではない。また、耐食性を実現するために、クロム酸化物層が不可欠な成分とされている。つまり、被処理鋼材がクロムという特定の元素を含む組成となっている。   A technique for improving the wear resistance of stainless steel and the corrosion resistance against salt water by nitriding has also been proposed (see, for example, Patent Document 3). However, this technology is not intended for use in engine oil. Further, a chromium oxide layer is an indispensable component for realizing corrosion resistance. That is, the steel material to be treated has a composition containing a specific element called chromium.

一方、カーボンニュートラルな自動車用燃料として、現在、ブラジルや米国などでエタノール燃料が使用されるに至っており、今後もエタノール燃料の使用は拡大していくことが予想されている。このエタノール燃料は、吸湿性が高く、燃料自身の中に水分を含んだり、燃焼による水分生成量がガソリンよりも多いことから、エタノール燃料の使用拡大によりエンジン油中に多量の水分が混入する機会が増加している。ところが、これまでに普及している自動車、すなわちハイブリッドシステムや停車時運転停止システム(アイドルストップシステム)等の、比較的頻繁にエンジンが停止されるシステム(以下、「環境適応システム」ともいう。)を備えず、エンジンが始動した後は車両の走行中及び停止中に関わらず継続的にエンジンが稼働する従来型の自動車(以下、「従来車」ともいう。)では、エンジン環境として、車両走行時の定常的なエンジン油温は80℃〜90℃に達し、したがって水分が蒸発しやすい環境にある。そのため、エタノール燃料を使用した場合にも、混入した水分がエンジン油中に蓄積することは少ない。   On the other hand, ethanol fuel has come to be used in carbon neutral automobile fuel in Brazil and the United States, and the use of ethanol fuel is expected to expand in the future. This ethanol fuel is highly hygroscopic and contains moisture in the fuel itself, or produces more moisture than gasoline, so there is an opportunity for a large amount of moisture to be mixed into engine oil by expanding the use of ethanol fuel. Has increased. However, a system in which the engine is stopped relatively frequently (hereinafter, also referred to as an “environmental adaptation system”) such as an automobile that has been popular so far, that is, a hybrid system or a stop operation system (idle stop system) when stopped. In a conventional vehicle (hereinafter also referred to as “conventional vehicle”) in which the engine is continuously operated regardless of whether the vehicle is running or stopped after the engine is started, The steady engine oil temperature at the time reaches 80 ° C. to 90 ° C., and therefore, it is in an environment where moisture easily evaporates. For this reason, even when ethanol fuel is used, the mixed water hardly accumulates in the engine oil.

特開2012−149743号公報JP 2012-149743 A 特開2006−2814号公報JP 2006-2814 A 特開2011−42862号公報JP 2011-42862 A

しかしながら、エタノール燃料を用いるエンジンを備えた自動車において、比較的頻繁にエンジンが停止される上記のような環境適応システム(ハイブリッドシステム、アイドルストップシステムなど)が搭載される等、エンジン環境として、定常的なエンジン油温が50℃前後の比較的低い温度領域になると、エンジン油中に混入した水分は蒸発せずに、エンジン内に多量に蓄積されるおそれがある。   However, in an automobile equipped with an engine using ethanol fuel, an environment adaptation system (such as a hybrid system or an idle stop system) that stops the engine relatively frequently is installed. When the engine oil temperature is in a relatively low temperature range of about 50 ° C., the water mixed in the engine oil may not be evaporated and accumulated in the engine in a large amount.

このようにエンジン内に水分が多く存在すると、摺動面に存在するエンジン油中に存在する水分量も多くなり、摺動部材が水分を多く含むエンジン油中で摺動する時間も長くなる。このように、摺動部材が摺動するエンジン油中に水分が多く存在すると、摺動部材の摩耗量が増加する傾向があり、耐摩耗性の低下が懸念される。   Thus, when there is a lot of moisture in the engine, the amount of moisture present in the engine oil present on the sliding surface also increases, and the time during which the sliding member slides in the engine oil containing a large amount of moisture also increases. Thus, if there is a lot of moisture in the engine oil on which the sliding member slides, the amount of wear of the sliding member tends to increase, and there is a concern about a decrease in wear resistance.

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、エンジンが高頻度で停止する環境適応システムが搭載されていない従来車の潤滑油に比べて水分をより多く含む潤滑油中で摺動させた場合の摺動部材の耐摩耗性に優れた内燃機関及びこれを備えた自動車を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above, and when the engine is slid in a lubricating oil containing more water than a lubricating oil of a conventional vehicle not equipped with an environment adaptive system in which the engine stops frequently. An object of the present invention is to provide an internal combustion engine excellent in wear resistance of the sliding member and an automobile equipped with the internal combustion engine, and to achieve the object.

本発明は、下記の知見に基づいて達成されたものである。すなわち、
水分を比較的多く含有するエンジンオイル等の潤滑油中で摺動部材を摺動させると、水分をほとんど含まない潤滑油中で摺動させる場合に比べ、摺動面の耐摩耗性が低下しやすいとの知見、及び摺動部材を構成する鋼材の窒化処理された面は摩耗防止剤であるジアルキルジチオリン酸亜鉛と相互作用しやすく、潤滑油中での摺動面の耐摩耗性に大きな影響を及ぼすとの知見である。つまり、水分を含有するエンジンオイル等の潤滑油中では、従来から一般に使用されている摺動部材、具体的には浸炭処理又は焼き入れ処理された鋼材を用いた摺動部材(以下、「従来の摺動部材」ともいう。)は、摺動時の摺動面における摩耗が増加する傾向がある。このように水分を含有する潤滑油中において摩耗が増加する原因の1つとして、摺動面に潤滑油中の摩耗防止剤によって形成される摩耗防止被膜の形成量が少ないとの知見を得た。
The present invention has been achieved based on the following findings. That is,
If the sliding member is slid in a lubricating oil such as engine oil that contains a relatively large amount of water, the wear resistance of the sliding surface will be reduced compared to sliding in a lubricating oil that contains little water. The knowledge that it is easy, and the nitriding surface of the steel material that constitutes the sliding member easily interacts with the zinc dialkyldithiophosphate, an antiwear agent, and greatly affects the wear resistance of the sliding surface in lubricating oil It is knowledge that it affects. That is, in lubricating oil such as engine oil containing moisture, a sliding member generally used conventionally, specifically, a sliding member using a steel material that has been carburized or quenched (hereinafter referred to as “conventional”). Of the sliding member ”) tends to increase wear on the sliding surface during sliding. As one of the causes of the increased wear in the lubricating oil containing moisture, the knowledge that the amount of the anti-wear coating formed by the anti-wear agent in the lubricating oil is small on the sliding surface was obtained. .

本発明においては、上記の知見に基づき、鋼材の窒化物層と潤滑油中の摩耗防止剤との間で発現する相互作用を利用する。上記した課題を達成するための具体的な手段は、次の通りである。すなわち、前記目的を達成するため、第1の発明は、
水分及びジアルキルジチオリン酸亜鉛を含む潤滑油と、鋼材、該鋼材中の少なくとも金属成分が窒化された窒化化合物を含む窒化物層、及び亜鉛(Zn)、硫黄(S)、及びリン(P)を含む被膜をこの順に有し、潤滑油の存在下、被膜を摺動面として摺動する摺動部品と、を設けて構成された自動車用の内燃機関である。第1の発明の内燃機関は、潤滑油の温度(油温)及び内燃機関内部の冷却水の温度のいずれかを30℃以下の温度条件に維持して15分以上運転させた後に採取した潤滑油に含有される水分の含有比率は、0.2質量%〜10質量%とされている。
In this invention, based on said knowledge, the interaction which develops between the nitride layer of steel materials and the antiwear agent in lubricating oil is utilized. Specific means for achieving the above-described problems are as follows. That is, in order to achieve the above object, the first invention
Lubricating oil containing moisture and zinc dialkyldithiophosphate, steel material, nitride layer containing a nitride compound in which at least a metal component in the steel material is nitrided, and zinc (Zn), sulfur (S), and phosphorus (P) It is an internal combustion engine for automobiles having a coating film in this order and a sliding component that slides with the coating film as a sliding surface in the presence of lubricating oil. The internal combustion engine according to the first aspect of the present invention is a lubricant sampled after operating for 15 minutes or more while maintaining either the temperature of the lubricating oil (oil temperature) or the temperature of the cooling water inside the internal combustion engine at a temperature condition of 30 ° C. or lower. The content ratio of water contained in the oil is set to 0.2 mass% to 10 mass%.

第1の発明においては、水分を含む潤滑油がさらに摩耗防止剤としてジアルキルジチオリン酸亜鉛を含み、摺動部材を構成する鋼材上に窒化物層を有し、かつこの窒化物層が摺動時に前記ジアルキルジチオリン酸亜鉛と相互作用することにより、前記窒化物層上にさらにZn、S、及びPを含む被膜が形成されている。これにより、水分を含有する潤滑油中で摺動された場合でも、摩耗が、従来の摺動部材に比べてより効果的に軽減される。すなわち、本発明の内燃機関では、潤滑油全体に対し0.2質量%以上となる比較的多量の水分が含まれる潤滑油中において摺動する摺動部材の耐摩耗性が、水分非含有(潤滑油全体に対する水分含量が0.05質量%未満)の潤滑油中で摺動された場合と同等以上に維持される。   In the first invention, the lubricating oil containing moisture further contains zinc dialkyldithiophosphate as an antiwear agent, has a nitride layer on the steel material constituting the sliding member, and this nitride layer is A film containing Zn, S, and P is further formed on the nitride layer by interacting with the zinc dialkyldithiophosphate. Thereby, even when it slides in the lubricating oil containing a water | moisture content, abrasion is reduced more effectively compared with the conventional sliding member. That is, in the internal combustion engine of the present invention, the wear resistance of the sliding member that slides in the lubricating oil containing a relatively large amount of water of 0.2% by mass or more with respect to the entire lubricating oil is water-free ( The water content is less than 0.05% by mass with respect to the whole lubricating oil) and is maintained at the same level or higher when sliding in the lubricating oil.

始動後の内燃機関の運転停止が高頻度に発生する環境適応システム(ハイブリッドシステムや停車時運転停止システム(アイドルストップシステム)など)と共に搭載される内燃機関に使用される摺動部材では、環境適応システムを搭載していない従来の標準的な自動車(従来車)用の内燃機関に使用される摺動部材に比べ、水分を従来車より多く含む潤滑油中における摺動面の耐摩耗性が低下しやすい傾向がある。しかし、第1の発明は、既述のように、摺動部材上の窒化物層の上に特定の被膜を設けて構成されていることで、水分を従来車より多く含む潤滑油中での耐摩耗性を良好に維持することができる。即ち、
本発明の内燃機関は、摩耗防止剤(ジアルキルジチオリン酸亜鉛)と窒化処理表面との相互作用により摺動面に被膜が形成されることが重要である。これにより、潤滑油中に%オーダーの水分が存在する場合(例えば、エタノール燃料エンジンとハイブリッドシステムとを組み合わせた駆動システムの場合)にも、潤滑油中に水分をほとんど含まず水分含量がppmオーダーの場合(例えば、環境適応システムを備えない従来車の場合)と同等の摩耗量を実現できる。
また、鋼材が特定の金属元素を含有していることを必要としない点でも有意義である。
For sliding members used in internal combustion engines that are installed together with environmental adaptation systems (such as hybrid systems and stationary stop systems (idle stop systems)) that frequently stop operation of the internal combustion engine after startup Compared to sliding members used in internal combustion engines for conventional standard automobiles (conventional vehicles) that are not equipped with a system, the wear resistance of the sliding surfaces in lubricating oil containing more water than conventional vehicles is reduced. It tends to be easy to do. However, as described above, the first invention is configured by providing a specific film on the nitride layer on the sliding member, so that it can be used in a lubricating oil containing more moisture than the conventional vehicle. Good wear resistance can be maintained. That is,
In the internal combustion engine of the present invention, it is important that a coating is formed on the sliding surface by the interaction between the antiwear agent (zinc dialkyldithiophosphate) and the nitriding surface. As a result, even when moisture in the order of% is present in the lubricating oil (for example, in the case of a drive system combining an ethanol fuel engine and a hybrid system), the lubricating oil contains almost no moisture and the moisture content is on the order of ppm. In this case (for example, in the case of a conventional vehicle that does not include an environmental adaptation system), it is possible to achieve the same amount of wear.
It is also significant in that it does not require that the steel material contains a specific metal element.

このような潤滑油中への%オーダーの水分混入・蓄積は、水分を含み燃焼時等に水分を放出しやすい燃料(例えばエタノールなど)の使用と、始動後に内燃機関の運転停止が高頻度に発生する環境適応システムと、を組み合わせた動力源を構築する場合により生じやすい。
ここで、水分が混入、蓄積しやすい理由を以下に示す。
(1)エタノール等の燃料を使用した場合、エタノール等の燃料中に水分が含まれることから、その水分が燃料噴射の際に燃焼室近傍のエンジン油と混合(燃料希釈)し、油中に水分が混入する。また、燃焼により水分を生成しやすいことから、水蒸気を含んだ燃焼排気ガスが内燃機関内部のエンジン油経路で凝集し、油中に水分が混入する。
(2)高頻度に内燃機関が停止する環境適応システムでは、従来車に比べ、燃焼や摩擦熱による油温上昇が少なく、低い油水温が保たれるため、水分が蒸発せずに蓄積しやすい。
Such contamination and accumulation of moisture on the order of% in the lubricating oil is frequently caused by the use of fuel that contains moisture and easily releases moisture during combustion, etc. (eg ethanol) and the shutdown of the internal combustion engine after startup This is more likely to occur when constructing a power source that combines the generated environment adaptation system.
Here, the reason why moisture easily mixes and accumulates is shown below.
(1) When a fuel such as ethanol is used, the fuel such as ethanol contains water, so that the water mixes with the engine oil in the vicinity of the combustion chamber during fuel injection (fuel dilution) Moisture is mixed. Moreover, since it is easy to produce | generate a water | moisture content by combustion, the combustion exhaust gas containing water vapor | steam aggregates in the engine oil path | route inside an internal combustion engine, and a water | moisture content mixes in oil.
(2) In the environment adaptation system where the internal combustion engine stops frequently, the oil temperature rises less due to combustion and frictional heat than the conventional car, and the low oil water temperature is maintained, so the water is easy to accumulate without evaporating. .

第1の発明においては、窒化物層に含まれる窒化化合物が、Fe2−3N及びFeNから選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。Fe2−3N又はFeNを含んでいると、耐摩耗性に優れる点で有利である。 In the first invention, the nitride compound contained in the nitride layer is preferably at least one selected from Fe 2-3 N and Fe 4 N. When Fe 2-3 N or Fe 4 N is contained, it is advantageous in that it is excellent in wear resistance.

第1の発明では、窒化物層に含まれる窒化化合物の含有量を、窒化物層の全質量に対して、窒素元素換算値が3原子%(at%(atomic percent);以下同様)〜30原子%(at%)となる量とすることができる。窒化処理の程度が窒素元素換算値で上記範囲であることで、鋼材表面の硬化性が良好である。   In the first invention, the content of the nitride compound contained in the nitride layer is 3 atomic% (at% (atomic percent); the same applies hereinafter) to 30 with respect to the total mass of the nitride layer. The amount can be atomic% (at%). When the degree of nitriding is in the above range in terms of nitrogen element, the steel material surface has good curability.

第1の発明における自動車としては、エタノール燃料自動車が好適である。一般にガソリンを燃料とするガソリンエンジン車は、水分の生成量が比較的少ないのに対し、エタノール燃料自動車は、水分の生成量が比較的多く、エンジン等の内燃機関内の潤滑油に水分が多く混入しやすい。そのため、エタノール燃料自動車の内燃機関が、第1の発明である自動車用の内燃機関である場合に、水を含有する潤滑油中での耐摩耗性の向上効果に優れる。   As the automobile in the first invention, an ethanol fuel automobile is suitable. In general, gasoline engine vehicles that use gasoline as fuel produce a relatively small amount of moisture, whereas ethanol-fueled vehicles produce a relatively large amount of moisture, and the lubricating oil in an internal combustion engine such as an engine has a lot of moisture. Easy to mix. Therefore, when the internal combustion engine of the ethanol fuel automobile is the automobile internal combustion engine according to the first aspect of the invention, the effect of improving the wear resistance in the lubricating oil containing water is excellent.

また、自動車は、ハイブリッドシステム、又は停車時運転停止システム(アイドルストップシステム;idle reduction system)を搭載していることが好ましい。これらのシステムは、比較的頻繁に内燃機関を停止するシステムであるため、エンジンが比較的低い温度で推移し、そのため内燃機関内部に混入した水分は、外部に逃げ難く、潤滑油中の水分量が多くなりやすい。したがって、バイブリッドシステムやアイドルストップシステム等の環境適応システムを搭載した自動車において、本発明の効果がより効果的に奏される。   Moreover, it is preferable that the motor vehicle is equipped with a hybrid system or a stop operation stop system (idle reduction system). Since these systems are systems that stop the internal combustion engine relatively frequently, the engine changes at a relatively low temperature. Therefore, moisture mixed inside the internal combustion engine is difficult to escape to the outside, and the amount of moisture in the lubricating oil. Tends to increase. Therefore, the effect of the present invention is more effectively exhibited in an automobile equipped with an environment adaptation system such as a hybrid system or an idle stop system.

潤滑油中の水分が摩耗に及ぼす影響は、境界潤滑下(接触圧力が大きく摺動速度が低速となる過酷な潤滑下)において大きい。よって、摺動部材としては、そのような潤滑下で摺動され、水分を比較的多く含む潤滑油中で摺動された際の耐摩耗性の向上効果がより大きい点で、バルブリフタ、アジャスティングシム、カム、カムシャフト、ロッカーアーム、ローラーピン、タペット、ピストンリング、ピストンピン、タイミングギア、タイミングチェーン、並びにオイルポンプのドライブギア、ドリブンギア、及びロータからなる群より選ばれるものがより効果的である。   The influence of moisture in the lubricating oil on wear is great under boundary lubrication (under severe lubrication where the contact pressure is large and the sliding speed is low). Therefore, as a sliding member, the valve lifter and adjusting are advantageous in that they have a greater effect of improving the wear resistance when slid under such lubrication and when slid in a lubricating oil containing a relatively large amount of moisture. More effective from the group consisting of shims, cams, camshafts, rocker arms, roller pins, tappets, piston rings, piston pins, timing gears, timing chains, and oil pump drive gears, driven gears, and rotors It is.

摺動部材を構成する窒化物層は、鋼材をプラズマ窒化法で窒化処理することで形成された層であることが好ましい。プラズマ窒化処理によることで、緻密な層が得られ、耐摩耗性に優れた窒化物層が得られる。   The nitride layer constituting the sliding member is preferably a layer formed by nitriding a steel material by a plasma nitriding method. By performing the plasma nitriding treatment, a dense layer can be obtained and a nitride layer having excellent wear resistance can be obtained.

摺動部材における被膜は、電子線マイクロアナライザ(EPMA)により分析した元素のX線強度比の序列が、硫黄(S)>亜鉛(Zn)>リン(P)であることが好ましい。S>Zn>Pの順に多いことで、水分を含有する潤滑油中で摺動された場合の耐摩耗性がより向上する。   The coating on the sliding member preferably has an order of the X-ray intensity ratio of elements analyzed by an electron beam microanalyzer (EPMA) such that sulfur (S)> zinc (Zn)> phosphorus (P). By increasing in the order of S> Zn> P, the wear resistance when sliding in a lubricating oil containing moisture is further improved.

摺動部材を構成する鋼材は、添加元素の有無に関わらず公知の鋼材を選択することができるが、クロムモリブデン鋼、又は炭素鋼をより好適に用いることができる。   As the steel material constituting the sliding member, a known steel material can be selected regardless of the presence or absence of an additive element, but chromium molybdenum steel or carbon steel can be used more suitably.

次に、第2の発明は、既述の第1の発明の内燃機関を備えた自動車である。
第1の発明の内燃機関を備えていることで、長期耐久性に優れており、自動車の耐用期間が飛躍的に高められる。
Next, the second invention is an automobile provided with the internal combustion engine of the first invention described above.
By providing the internal combustion engine of the first invention, the long-term durability is excellent, and the service life of the automobile is dramatically increased.

本発明によれば、エンジンが高頻度に停止する環境適応システムが搭載されていない従来車の潤滑油に比べて水分をより多く含む潤滑油中で摺動させた場合の摺動部材の耐摩耗性に優れた内燃機関及びこれを備えた自動車が提供される。   According to the present invention, the wear resistance of the sliding member when sliding in a lubricating oil containing more water than the lubricating oil of a conventional vehicle not equipped with an environment adaptive system in which the engine stops frequently. An internal combustion engine excellent in performance and an automobile equipped with the same are provided.

本発明の実施形態に係る摺動部材であるピストンリングが取り付けられたピストンを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the piston with which the piston ring which is a sliding member which concerns on embodiment of this invention was attached. ピストンリングを構成する重層構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the multilayer structure which comprises a piston ring. プラズマ窒化処理後の鋼材の窒化処理面のSEM反射電子像である。It is a SEM reflected electron image of the nitriding surface of the steel material after a plasma nitriding process. クロムモリブデン鋼(SCM420)を用いたサンプル摺動材に対して行なったXRD分析の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the XRD analysis performed with respect to the sample sliding material using chromium molybdenum steel (SCM420). 炭素鋼(S50C)を用いたサンプル摺動材に対して行なったXRD分析の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the XRD analysis performed with respect to the sample sliding material using carbon steel (S50C). 摩耗試験に用いるブロック・オン・リング型摩耗試験機を示す概略図である。It is the schematic which shows the block-on-ring type abrasion tester used for an abrasion test. エンジン油中の水分が摩耗に及ぼす影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence which the water | moisture content in an engine oil has on wear. エンジン油中の水分による摩耗増加を示すグラフである。It is a graph which shows the wear increase by the water | moisture content in engine oil. 摩擦試験後の摩耗痕をEPMAにより元素分析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the wear trace after a friction test by EPMA.

以下、図1〜図9を参照して、本発明の内燃機関及びこれを備えた自動車の実施形態について具体的に説明する。但し、本発明においては、以下に示す実施形態に制限されるものではない。   Hereinafter, an embodiment of an internal combustion engine of the present invention and an automobile including the same will be described in detail with reference to FIGS. However, the present invention is not limited to the embodiments shown below.

本実施形態は、動力源として内燃機関とモータとを備えたハイブリッドシステム搭載車の内燃機関であるエンジンにおいて、ピストン外周の溝に摺動部材の1つとしてピストンリングが取り付けられ、このピストンリングがエンジン油中でシリンダボア内壁と摺動するものである。
エンジンとしては、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン、エタノールを燃料とするエタノール燃料エンジン、等のいずれでもよい。エンジンに使用される潤滑油中に含まれる水分量が多くなりやすく、摺動時の耐摩耗性に対する向上効果がより期待できる観点から、エタノール燃料エンジンが望ましい。
In the present embodiment, in an engine that is an internal combustion engine of a hybrid system vehicle including an internal combustion engine and a motor as power sources, a piston ring is attached as one of sliding members to a groove on the outer periphery of the piston. It slides with the cylinder bore inner wall in engine oil.
The engine may be any of a gasoline engine using gasoline as a fuel, an ethanol fuel engine using ethanol as a fuel, and the like. An ethanol fuel engine is desirable from the viewpoint that the amount of water contained in the lubricating oil used in the engine tends to increase and an effect of improving the wear resistance during sliding can be expected more.

本実施形態のエンジン(内燃機関)は、図1に示すようなピストン10の溝にはめられる円環状の部品であるピストンリング11を備えている。本実施形態では、始動したエンジンを高頻度に停止しない従来車のエンジンのエンジン油に比べて水分をより多く含有するエンジン油中において、ピストンリング11がシリンダボア内壁と摺動しながらピストンが往復運動する構成となっている。   The engine (internal combustion engine) of the present embodiment includes a piston ring 11 which is an annular part fitted in the groove of the piston 10 as shown in FIG. In this embodiment, the piston reciprocates while the piston ring 11 slides against the inner wall of the cylinder bore in the engine oil containing more water than the engine oil of the engine of a conventional vehicle that does not stop the engine that is started frequently. It is the composition to do.

ピストンリング11は、図2に示すように、重層された断面構造を有している。図2は、ピストンリングの断面構造を示している。
ピストンリング11には、シリンダボア内壁と摺動する側(ピストン本体から離れた側)の表面に、摩耗防止被膜15が所定の厚みで設けられている。摩耗防止被膜15が設けられていることで、摩耗防止被膜の表面を摺動面として相手材と摺動する。これにより、摺動面は、優れた耐摩耗性を示す。
As shown in FIG. 2, the piston ring 11 has a multilayered cross-sectional structure. FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the piston ring.
The piston ring 11 is provided with an anti-wear coating 15 having a predetermined thickness on the surface that slides with the inner wall of the cylinder bore (the side away from the piston body). By providing the anti-wear coating 15, the surface of the anti-wear coating is slid with the mating member as the sliding surface. Thereby, the sliding surface exhibits excellent wear resistance.

ピストンリング11は、鋼材を用いて成形されており、その鋼材内部から最表層に向かって順に、窒化されていない鋼材21と、鋼材中に窒素原子が拡散して硬化された窒素拡散硬化層23と、窒化処理で窒化化合物が形成されてなる窒化物層25と、を重層した重層構造を有している。ピストンリング11は、運転当初はこの窒化物層25の表面を摺動面としてシリンダボア内を往復運動するが、摺動と同時にエンジン油中の成分と相互作用することで、図2に示すように、窒化物層25の表面に摩耗防止被膜15が形成され、この摩耗防止被膜を摺動面として摺動することになる。
エンジン油中で摺動される場合において、特に、耐摩耗性の低下が抑制され、高耐久性を保持することが可能である。
The piston ring 11 is formed using a steel material. The steel material 21 is not nitrided in order from the inside of the steel material to the outermost layer, and the nitrogen diffusion hardened layer 23 is formed by diffusing and hardening nitrogen atoms in the steel material. And a nitride layer 25 in which a nitride compound is formed by nitriding treatment. At the beginning of operation, the piston ring 11 reciprocates in the cylinder bore with the surface of the nitride layer 25 as a sliding surface, but interacts with components in the engine oil simultaneously with sliding, as shown in FIG. The anti-wear coating 15 is formed on the surface of the nitride layer 25, and the anti-wear coating 15 is slid as a sliding surface.
When sliding in engine oil, in particular, a decrease in wear resistance is suppressed, and high durability can be maintained.

摩耗防止被膜15は、膜を形成する元素として少なくとも亜鉛(Zn)、硫黄(S)、及びリン(P)を含む。これら元素は、エンジン油中の成分由来の元素である。摩耗防止被膜は、エンジン油中の摩耗防止剤(ジアルキルジチオリン酸亜鉛)と鋼材の窒化処理面(窒化物層表面)との相互作用により形成されるため、これら元素が含まれている。
この場合、摩耗防止被膜15中に含まれるZn、S、及びPの含有比率は、電子線マイクロアナライザ(EPMA)により分析した元素のX線強度比で確認することができる。具体的には、この含有比率は、JXA−8200(日本電子社製)を用いて得られる値である。
中でも、Zn、S、及びPの摩耗防止被膜中におけるX線強度比は、S>Zn>Pの序列となっていることが好ましい。X線強度比がこの序列になっていることで、特に凝着摩耗に効果を示す硫化鉄の形成が促進されているために耐摩耗性に優れるものと考えられる。
The anti-wear coating 15 contains at least zinc (Zn), sulfur (S), and phosphorus (P) as elements forming the film. These elements are elements derived from components in engine oil. Since the anti-wear coating is formed by the interaction between the anti-wear agent (zinc dialkyldithiophosphate) in engine oil and the nitriding surface (nitride layer surface) of the steel material, these elements are included.
In this case, the content ratio of Zn, S, and P contained in the anti-wear coating 15 can be confirmed by the X-ray intensity ratio of elements analyzed by an electron beam microanalyzer (EPMA). Specifically, this content ratio is a value obtained using JXA-8200 (manufactured by JEOL Ltd.).
Especially, it is preferable that the X-ray intensity ratio in the anti-wear coating of Zn, S, and P is in the order of S>Zn> P. Since the X-ray intensity ratio is in this order, it is considered that the wear resistance is excellent because the formation of iron sulfide that is particularly effective for adhesive wear is promoted.

摩耗防止被膜の厚みは、厚み分布を考慮して最大厚みで評価すると、数十nm〜数百nm程度の薄膜であり、好ましくは50nm〜200nmとすることができる。   The thickness of the anti-wear coating is a thin film having a thickness of about several tens to several hundreds of nanometers, preferably 50 nm to 200 nm when evaluated with the maximum thickness in consideration of the thickness distribution.

窒化物層25は、鋼材の表面を窒化処理することで硬化された層であり、主にFe2−3N、FeNなどの鉄系の窒化化合物からなる層である。また、窒素を固溶した層に構成されてもよい。ピストンリング11は、窒化物層を有していることで、エンジン油の摩耗防止剤との間で相互作用して窒化物層上に摩耗防止被膜が形成され、優れた耐摩耗性を発現する。 The nitride layer 25 is a layer hardened by nitriding the surface of the steel material, and is a layer mainly made of an iron-based nitride compound such as Fe 2-3 N and Fe 4 N. Moreover, you may comprise in the layer which dissolved nitrogen. Since the piston ring 11 has a nitride layer, the piston ring 11 interacts with the anti-wear agent of the engine oil to form an anti-wear coating on the nitride layer and exhibits excellent wear resistance. .

窒化化合物の窒化物層中における含有量としては、窒素元素換算値で3原子%〜30原子%が好ましい。つまり、窒化物層の窒素濃度が上記範囲内にあることが好ましい。窒化物層中の窒化化合物の含有量、つまり窒素含有量が3原子%以上であることで、摺動材として必要な硬度が得られると共に、エンジン油との相互作用により形成される摩耗防止被膜の形成性がより良好になる。また、窒化物層中の窒素含有量が30原子%以下であると、窒化物層が硬化され過ぎて脆くなるのを防ぎ、荷重を支持する摺動部品の摺動材料としての適性を保つことができる。
中でも、窒化物層中における窒素含有量としては、10原子%〜28原子%の範囲であることがより好ましい。
The content of the nitride compound in the nitride layer is preferably 3 atom% to 30 atom% in terms of nitrogen element. That is, the nitrogen concentration of the nitride layer is preferably within the above range. Nitride compound content in the nitride layer, that is, the nitrogen content is 3 atomic% or more, so that the necessary hardness as a sliding material can be obtained and the anti-wear coating formed by interaction with engine oil The formability of becomes better. Further, when the nitrogen content in the nitride layer is 30 atomic% or less, the nitride layer is prevented from being hardened excessively and becomes brittle, and the suitability as a sliding material for the sliding component supporting the load is maintained. Can do.
Especially, as nitrogen content in a nitride layer, it is more preferable that it is the range of 10 atomic%-28 atomic%.

窒化物層25中の窒素化合物の存在は、X線回折(XRD)分析(例えばD8 ADVANCE(ブルカーAXS社製)を用いた分析)により確認することができる。そして、窒化化合物の窒化物層中における含有量は、窒化物層中の窒素含有量の測定値から換算することが可能であり、窒化物層中における窒素含有量は、電子線マイクロアナライザ(EPMA;JXA−1500F(日本電子社製)を用いて窒素量を測定することで求められる。   The presence of the nitrogen compound in the nitride layer 25 can be confirmed by X-ray diffraction (XRD) analysis (for example, analysis using D8 ADVANCE (manufactured by Bruker AXS)). The content of the nitride compound in the nitride layer can be converted from the measured value of the nitrogen content in the nitride layer, and the nitrogen content in the nitride layer can be calculated using an electron beam microanalyzer (EPMA). ; It is calculated | required by measuring the amount of nitrogen using JXA-1500F (made by JEOL Ltd.).

窒化物層25は、鋼材中に窒素と化合物を形成する添加元素(例えば、アルミニウム,クロム,モリブデンなど)が含まれる場合には、窒化物層は、それら元素の窒化物を含んでもよい。   When the nitride layer 25 includes an additive element (for example, aluminum, chromium, molybdenum, or the like) that forms a compound with nitrogen in the steel material, the nitride layer may include a nitride of these elements.

窒化物層25の厚みとしては、0.2μm〜50μmの範囲とすることができ、好ましくは5μm〜20μmである。厚みが0.2μm以上であると、自動車用エンジンの耐用年数(約10年)が経過する前に窒化物層が摩滅するおそれを回避できる。逆に、厚みが50mm以下であることで、内部応力による窒化物層の亀裂の発生が抑えられる。   The thickness of the nitride layer 25 can be in the range of 0.2 μm to 50 μm, preferably 5 μm to 20 μm. If the thickness is 0.2 μm or more, it is possible to avoid the possibility that the nitride layer is worn out before the service life (about 10 years) of the automobile engine elapses. Conversely, when the thickness is 50 mm or less, the occurrence of cracks in the nitride layer due to internal stress can be suppressed.

また、窒化物層25のさらに下層に位置する窒素拡散硬化層23は、窒化物層の形成に起因して窒素が層内に拡散したことで鋼材より硬化された層であり、具体的には、窒素を固溶した層、あるいは窒素を固溶した層に鉄系窒化物や添加元素の窒化物が分散析出した複合層として形成されている。   Further, the nitrogen diffusion hardened layer 23 located in the lower layer of the nitride layer 25 is a layer hardened from the steel material due to the diffusion of nitrogen into the layer due to the formation of the nitride layer. Specifically, It is formed as a composite layer in which iron-based nitrides and nitrides of additive elements are dispersed and deposited in a layer in which nitrogen is dissolved or in a layer in which nitrogen is dissolved.

窒素拡散硬化層23の厚みとしては、一般的に数十〜数百μm程度であり、好ましくは5μm〜200μmとすることができる。   The thickness of the nitrogen diffusion hardened layer 23 is generally about several tens to several hundreds μm, and preferably 5 μm to 200 μm.

次に、窒化処理に用いた鋼材21について説明する。
鋼材としては、従来公知の自動車エンジン用の摺動部品の製造に使用されている一般的な鋼材を用いることができ、例えば、クロムモリブデン鋼、炭素鋼、ダクタイル鋳鉄等を挙げることができる。
鋼材の種類は、既述の添加元素の有無により2つに大別することができ、添加元素を含有する鋼材、及び添加元素を含有しない鋼材のいずれであってもよい。
Next, the steel material 21 used for the nitriding process will be described.
As the steel material, a general steel material that is conventionally used for manufacturing sliding parts for automobile engines can be used, and examples thereof include chromium molybdenum steel, carbon steel, and ductile cast iron.
The types of steel materials can be broadly classified into two types depending on the presence or absence of the above-described additive elements, and any of steel materials containing additive elements and steel materials not containing additive elements may be used.

窒化物層は、例えば、プラズマ窒化法、ガス窒化法、塩浴軟窒化法、ガス軟窒化法、プラズマ軟窒化法などの窒化処理により形成することができる。窒化物層は、一般に多孔質な層として形成される。中でも、耐摩耗性の点では最表層はより緻密に形成されていることが有利なため、プラズマ窒化法で形成される窒化物層が好ましい。プラズマ窒化法で形成される窒化物層は、プラズマ窒化法以外の他の処理法で形成される層と比較してより緻密な層を得やすく、より優れた耐摩耗性を発揮させることができる。   The nitride layer can be formed by nitriding treatment such as plasma nitriding, gas nitriding, salt bath soft nitriding, gas soft nitriding, plasma soft nitriding or the like. The nitride layer is generally formed as a porous layer. Among these, a nitride layer formed by a plasma nitriding method is preferable because it is advantageous that the outermost layer is more densely formed in terms of wear resistance. The nitride layer formed by the plasma nitriding method is easier to obtain a denser layer than the layer formed by other processing methods other than the plasma nitriding method, and can exhibit more excellent wear resistance. .

上記の窒化処理法は、窒素源としてガスや水溶液などの流体が用いられ、複雑な形状でも窒素源が表面に到達しやすいため、鋼材の形状を問わず、その表面を窒化することができる。つまり、いかなる摺動面にも窒化物層を形成することが可能である。
また、これらの窒化処理法は、窒化処理に必要なコストも、一般的な浸炭処理や焼き入れ処理とほぼ同等であるので、窒化処理を利用して耐摩耗性を高める利点が大きい。
In the nitriding method, a fluid such as a gas or an aqueous solution is used as a nitrogen source, and the nitrogen source can easily reach the surface even in a complicated shape. Therefore, the surface can be nitrided regardless of the shape of the steel material. That is, a nitride layer can be formed on any sliding surface.
In addition, these nitriding methods have a great advantage of improving wear resistance by using nitriding because the cost required for nitriding is almost the same as that of general carburizing or quenching.

本実施形態のエンジンに用いられるエンジン油は、含有成分として、少なくとも、基油と、ジアルキルジチオリン酸亜鉛と、を含む潤滑油である。特に、添加剤としてジアルキルジチオリン酸亜鉛を含んでいることで、鋼材の窒化処理面(窒化物層表面)との間で相互作用し、水分が比較的多く存在する油中での耐摩耗性の向上に適した摩耗防止被膜が形成される。   The engine oil used for the engine of this embodiment is a lubricating oil containing at least a base oil and zinc dialkyldithiophosphate as components. In particular, by containing zinc dialkyldithiophosphate as an additive, it interacts with the nitriding surface of the steel (nitride layer surface), and wear resistance in oil with relatively high moisture content. An anti-wear coating suitable for improvement is formed.

前記基油としては、特に制限はなく、従来からエンジン用潤滑油に使用されている油(オイル)を所望により選択して使用することができる。   There is no restriction | limiting in particular as said base oil, The oil (oil) conventionally used for the lubricating oil for engines can be selected and used as desired.

前記ジアルキルジチオリン酸亜鉛は、下記の化学式で表される化合物であり、エンジン油中に含有することで、耐摩耗性の向上効果がある。
(RORO(=S)P−S)Zn(−SP(=S)OROR
、R、R、及びRは、各々独立に、炭素数1〜24の炭化水素基を表す。
〜Rで表される炭化水素基としては、炭素数1〜24の直鎖状又は分岐状のアルキル基、炭素数3〜24の直鎖状又は分岐状のアルケニル基、炭素数5〜13のシクロアルキル基又は炭素数5〜13の直鎖状若しくは分岐状のアルキルシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基又は炭素数6〜18の直鎖状又は分岐状のアルキルアリール基、炭素数7〜19のアリールアルキル基等から選ばれるものであることが望ましい。また、アルキル基やアルケニル基は、第1級、第2級、及び第3級のいずれであってもよい。
The zinc dialkyldithiophosphate is a compound represented by the following chemical formula, and when contained in engine oil, has an effect of improving wear resistance.
(R 2 OR 1 O (= S) P-S) Zn (-SP (= S) OR 3 OR 4)
R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 each independently represents a hydrocarbon group having 1 to 24 carbon atoms.
Examples of the hydrocarbon group represented by R 1 to R 4 include a linear or branched alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, a linear or branched alkenyl group having 3 to 24 carbon atoms, and 5 carbon atoms. A cycloalkyl group having 13 to 13 carbon atoms, a linear or branched alkylcycloalkyl group having 5 to 13 carbon atoms, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or a linear or branched alkylaryl group having 6 to 18 carbon atoms. In addition, it is desirable to be selected from arylalkyl groups having 7 to 19 carbon atoms. Further, the alkyl group or alkenyl group may be any of primary, secondary, and tertiary.

上記のうち、R〜Rで表される炭素数1〜24のアルキル基の例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基、テトラコシル基等が挙げられる。 Among the above, examples of the alkyl group having 1 to 24 carbon atoms represented by R 1 to R 4 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a heptyl group, an octyl group, Nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, pentadecyl group, hexadecyl group, heptadecyl group, octadecyl group, nonadecyl group, icosyl group, henocosyl group, docosyl group, tricosyl group, tetracosyl group, etc. It is done.

また、R〜Rで表される炭素数3〜24のアルケニル基の例としては、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ブタジエニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、トリデセニル基、テトラデセニル基、ペンタデセニル基、ヘキサデセニル基、ヘプタデセニル基、オクタデセニル基(例えばオレイル基)、ノナデセニル基、イコセニル基、ヘンイコセニル基、ドコセニル基、トリコセニル基、テトラコセニル基等が挙げられる。 Examples of the alkenyl group having 3 to 24 carbon atoms represented by R 1 to R 4 include a propenyl group, an isopropenyl group, a butenyl group, a butadienyl group, a pentenyl group, a hexenyl group, a heptenyl group, an octenyl group, and a nonenyl group. Group, decenyl group, undecenyl group, dodecenyl group, tridecenyl group, tetradecenyl group, pentadecenyl group, hexadecenyl group, heptadecenyl group, octadecenyl group (e.g. oleyl group), nonadecenyl group, icocenyl group, heicosenyl group, dococenyl group, tricocenyl group, tricocenyl group, Groups and the like.

〜Rで表される炭素数5〜13のシクロアルキル基の例としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基等が挙げられる。 Examples of the cycloalkyl group having 5 to 13 carbon atoms represented by R 1 to R 4 include a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, and a cycloheptyl group.

〜Rで表される炭素数5〜13のアルキルシクロアルキル基の例としては、メチルシクロペンチル基、ジメチルシクロペンチル基、エチルシクロペンチル基、プロピルシクロペンチル基、エチルメチルシクロペンチル基、トリメチルシクロペンチル基、ジエチルシクロペンチル基、エチルジメチルシクロペンチル基、プロピルメチルシクロペンチル基、プロピルエチルシクロペンチル基、ジプロピルシクロペンチル基、プロピルエチルメチルシクロペンチル基、メチルシクロヘキシル基、ジメチルシクロヘキシル基、エチルシクロヘキシル基、プロピルシクロヘキシル基、エチルメチルシクロヘキシル基、トリメチルシクロヘキシル基、ジエチルシクロヘキシル基、エチルジメチルシクロヘキシル基、プロピルメチルシクロヘキシル基、プロピルエチルシクロヘキシル基、ジプロピルシクロヘキシル基、プロピルエチルメチルシクロヘキシル基、メチルシクロヘプチル基、ジメチルシクロヘプチル基、エチルシクロヘプチル基、プロピルシクロヘプチル基、エチルメチルシクロヘプチル基、トリメチルシクロヘプチル基、ジエチルシクロヘプチル基、エチルジメチルシクロヘプチル基、プロピルメチルシクロヘプチル基、プロピルエチルシクロヘプチル基、ジプロピルシクロヘプチル基、プロピルエチルメチルシクロヘプチル基等が挙げられる。 Examples of the alkylcycloalkyl group having 5 to 13 carbon atoms represented by R 1 to R 4 include a methylcyclopentyl group, a dimethylcyclopentyl group, an ethylcyclopentyl group, a propylcyclopentyl group, an ethylmethylcyclopentyl group, a trimethylcyclopentyl group, diethyl Cyclopentyl group, ethyldimethylcyclopentyl group, propylmethylcyclopentyl group, propylethylcyclopentyl group, dipropylcyclopentyl group, propylethylmethylcyclopentyl group, methylcyclohexyl group, dimethylcyclohexyl group, ethylcyclohexyl group, propylcyclohexyl group, ethylmethylcyclohexyl group, Trimethyl cyclohexyl group, diethyl cyclohexyl group, ethyl dimethyl cyclohexyl group, propyl methyl cyclohexyl group Propylethylcyclohexyl group, dipropylcyclohexyl group, propylethylmethylcyclohexyl group, methylcycloheptyl group, dimethylcycloheptyl group, ethylcycloheptyl group, propylcycloheptyl group, ethylmethylcycloheptyl group, trimethylcycloheptyl group, diethylcyclohexane Examples include heptyl group, ethyldimethylcycloheptyl group, propylmethylcycloheptyl group, propylethylcycloheptyl group, dipropylcycloheptyl group, propylethylmethylcycloheptyl group and the like.

〜Rで表される炭素数6〜18のアリール基の例としては、フェニル基、ナフチル基等が挙げられる。 Examples of the aryl group having 6 to 18 carbon atoms represented by R 1 to R 4 include a phenyl group and a naphthyl group.

〜Rで表される炭素数6〜18のアルキルアリール基の例としては、トリル基、キシリル基、エチルフェニル基、プロピルフェニル基、エチルメチルフェニル基、トリメチルフェニル基、ブチルフェニル基、プロピルメチルフェニル基、ジエチルフェニル基、エチルジメチルフェニル基、テトラメチルフェニル基、ペンチルフェニル基、ヘキシルフェニル基、ヘプチルフェニル基、オクチルフェニル基、ノニルフェニル基、デシルフェニル基、ウンデシルフェニル基、ドデシルフェニル基等が挙げられる。 Examples of the alkylaryl group having 6 to 18 carbon atoms represented by R 1 to R 4 include tolyl group, xylyl group, ethylphenyl group, propylphenyl group, ethylmethylphenyl group, trimethylphenyl group, butylphenyl group, Propylmethylphenyl, diethylphenyl, ethyldimethylphenyl, tetramethylphenyl, pentylphenyl, hexylphenyl, heptylphenyl, octylphenyl, nonylphenyl, decylphenyl, undecylphenyl, dodecylphenyl Groups and the like.

〜Rで表される炭素数7〜19のアリールアルキル基の例としては、ベンジル基、メチルベンジル基、ジメチルベンジル基、フェネチル基、メチルフェネチル基、ジメチルフェネチル基等が挙げられる。 Examples of the arylalkyl group having 7 to 19 carbon atoms represented by R 1 to R 4 include benzyl group, methylbenzyl group, dimethylbenzyl group, phenethyl group, methylphenethyl group, and dimethylphenethyl group.

なお、上記の炭化水素基には、考えられる全ての直鎖状構造及び分岐状構造が含まれ、またアルケニル基の二重結合の位置、アルキル基のシクロアルキルへの結合位置、アルキル基のアリール基への結合位置、及びアリール基のアルキル基への結合位置は任意に選択することができる。   The above hydrocarbon group includes all possible linear and branched structures, and also includes the position of the double bond of the alkenyl group, the position of bond of the alkyl group to cycloalkyl, and the aryl of the alkyl group. The bonding position to the group and the bonding position of the aryl group to the alkyl group can be arbitrarily selected.

ジアルキルジチオリン酸亜鉛の好適な具体例としては、ジイソプロピルジチオリン酸亜鉛、ジイソブチルジチオリン酸亜鉛、ジ−sec−ブチルジチオリン酸亜鉛、ジ−sec−ペンチルジチオリン酸亜鉛、ジ−n−ヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−sec−ヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジオクチルジチオリン酸亜鉛、ジ−2−エチルヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−n−デシルジチオリン酸亜鉛、ジ−n−ドデシルジチオリン酸亜鉛、ジイソトリデシルジチオリン酸亜鉛、及びこれらの1つ又は2つ以上を任意に組み合わせた混合物、等を挙げることができる。   Preferred examples of zinc dialkyldithiophosphate include zinc diisopropyldithiophosphate, zinc diisobutyldithiophosphate, zinc di-sec-butyldithiophosphate, zinc di-sec-pentyldithiophosphate, zinc di-n-hexyldithiophosphate, di- -Sec-hexyl dithiophosphate zinc, dioctyl dithiophosphate zinc, di-2-ethylhexyl dithiophosphate zinc, di-n-decyl dithiophosphate zinc, di-n-dodecyl dithiophosphate zinc, diisotridecyl dithiophosphate zinc, and these The mixture etc. which combined 1 or 2 or more arbitrarily can be mentioned.

前記ジアルキルジチオリン酸亜鉛のエンジン油中における含有量は、エンジン油の全質量に対して、リン元素換算量で0.02質量%〜0.20質量%が好ましく、0.05質量%〜0.10質量%がより好ましい。ジアルキルジチオリン酸亜鉛の含有比率が0.02質量%以上であることで、窒化物層上に形成される摩耗防止層の形成性がよく、摩耗防止効果に優れる。また、ジアルキルジチオリン酸亜鉛の含有比率が0.20質量%以下であると、排気触媒の被毒抑制の点で有利である。   The content of the zinc dialkyldithiophosphate in the engine oil is preferably 0.02% by mass to 0.20% by mass in terms of phosphorus element with respect to the total mass of the engine oil, and 0.05% by mass to 0.00%. 10 mass% is more preferable. When the content ratio of the zinc dialkyldithiophosphate is 0.02% by mass or more, the wear prevention layer formed on the nitride layer has good formability and an excellent wear prevention effect. Moreover, when the content ratio of the zinc dialkyldithiophosphate is 0.20% by mass or less, it is advantageous in terms of suppressing poisoning of the exhaust catalyst.

ジアルキルジチオリン酸亜鉛は、上市されている市販品を用いてもよく、市販品の例として、Lubrizol社製のLZ−1371、DOG社製のDeophos Zn 8などを使用することができる。   Commercially available products that are commercially available may be used as the zinc dialkyldithiophosphate, and as examples of commercially available products, LZ-1371 manufactured by Lubrizol, Deophos Zn 8 manufactured by DOG, and the like can be used.

本実施形態におけるエンジン油中における水分含量は、内燃機関内部の潤滑油の温度及び水温のいずれかを30℃以下の温度条件に維持して15分以上連続運転させた後に採取した際の含有量として、エンジン油の全質量に対して、0.2質量%〜10質量%である。この水分含量は、ハイブリッドシステムやアイドルストップシステム等の、比較的頻繁にエンジンが停止されるシステムに搭載されたエンジンの運転/停止を繰り返した場合に、エンジン油中に含有され得る最大の水分量を想定したものである。
すなわち、水分含量が0.2質量%以上であることは、始動後に高頻度にエンジン停止する環境適応システムを搭載していない従来車のエンジンのエンジン油に比べ、より多量の水分を含んでいることを示している。また、水分含量が10質量%以下であることは、例えば水分量が増えると見込まれるエタノール等の燃料を用いた内燃機関と、ハイブリッドシステム等の環境適応システムと、を組み合わせたシステムを考慮した場合に潤滑油中に含まれる最大量と推定される水分量を示している。
The water content in the engine oil in the present embodiment is the content obtained when the temperature of the lubricating oil inside the internal combustion engine and the water temperature are maintained at a temperature condition of 30 ° C. or lower and continuously operated for 15 minutes or longer. As 0.2 mass% to 10 mass% with respect to the total mass of the engine oil. This water content is the maximum amount of water that can be contained in the engine oil when the engine mounted / removed in a system where the engine is stopped relatively frequently, such as a hybrid system or an idle stop system, is repeatedly operated. Is assumed.
That is, the water content of 0.2% by mass or more contains a larger amount of water than the engine oil of an engine of a conventional vehicle not equipped with an environment adaptive system that frequently stops the engine after starting. It is shown that. Moreover, when the water content is 10% by mass or less, for example, when a system combining an internal combustion engine using a fuel such as ethanol, which is expected to increase the water content, and an environment adaptive system such as a hybrid system is considered. Indicates the maximum amount of water contained in the lubricating oil.

上記のうち、エンジン油中における水分含量は、エンジン油の全質量に対して、0.5質量%〜10質量%が好ましく、1.0質量%〜10質量%がより好ましい。   Among the above, the water content in the engine oil is preferably 0.5% by mass to 10% by mass, and more preferably 1.0% by mass to 10% by mass with respect to the total mass of the engine oil.

エンジン油中の水分含量が上記範囲内である場合は、摺動部材の摺動面の耐摩耗性が低下しやすいが、既述のように、内燃機関が、ジアルキルジチオリン酸亜鉛を含むエンジン油(潤滑油)と、このエンジン油中で摺動し、鋼材上の窒化物層の上にZn、S、及びPを含む摩耗防止被膜を有する摺動部材と、を組み合わせた構成であることで、耐摩耗性に特に優れている。   When the water content in the engine oil is within the above range, the wear resistance of the sliding surface of the sliding member is likely to decrease. However, as described above, the engine oil contains zinc dialkyldithiophosphate. (Lubricating oil) and a sliding member that slides in the engine oil and has a wear preventing coating containing Zn, S, and P on the nitride layer on the steel material. Especially excellent in wear resistance.

上記の実施態様では、ピストンリングを例に説明したが、摺動部材としては、ピストンリングのほか、バルブリフタ、アジャスティングシム、カム、カムシャフト、ロッカーアーム、ローラーピン、タペット、ピストンピン、タイミングギア、タイミングチェーン、並びにオイルポンプのドライブギア、ドリブンギア、及びロータ等が好適に挙げられる。
これら摺動部材の場合も、上記したピストンリングの場合と同様に、摺動部において、鋼材上に、該鋼材が窒化された窒化化合物を含む窒化物層と、Zn、S、及びPを含む被膜(摩耗防止被膜)とをこの順に有していることで、水分を含むエンジン油中において優れた耐摩耗性を発揮することができる。
In the above embodiment, the piston ring has been described as an example. However, as the sliding member, in addition to the piston ring, a valve lifter, an adjusting shim, a cam, a camshaft, a rocker arm, a roller pin, a tappet, a piston pin, a timing gear A timing chain, and an oil pump drive gear, driven gear, rotor, and the like are preferable.
In the case of these sliding members as well as in the case of the above-described piston ring, the sliding portion includes a nitride layer containing a nitride compound obtained by nitriding the steel material, and Zn, S, and P on the steel material. By having a coating (a wear-preventing coating) in this order, excellent wear resistance can be exhibited in engine oil containing moisture.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は質量基準である。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist thereof. Unless otherwise specified, “part” is based on mass.

<摺動部材の作製>
−1.鋼材の準備−
鋼材として、クロムモリブデン鋼(SCM420)と炭素鋼(S50C)とを用意した。これら鋼材の化学組成を下記の表1に示す。表1に示されるように、クロムモリブデン鋼は、添加元素としてクロム(Cr)とモリブデン(Mo)を含む鋼材であり、炭素鋼は、このような添加元素を含まない鋼材である。
<Production of sliding member>
-1. Preparation of steel
As the steel material, chromium molybdenum steel (SCM420) and carbon steel (S50C) were prepared. The chemical composition of these steel materials is shown in Table 1 below. As shown in Table 1, chromium molybdenum steel is a steel material containing chromium (Cr) and molybdenum (Mo) as additive elements, and carbon steel is a steel material not containing such an additive element.


−2.窒化処理−
鋼材として用意したクロムモリブデン鋼(SCM420)と炭素鋼(S50C)のそれぞれに対して、下記の表2に示す窒化処理条件下、プラズマ窒化法により窒化処理を施した。
以上により、図2に示す重層構造と同じように、鋼材上に窒素拡散硬化層と窒化物層とを重層して有する摺動部材(サンプル摺動材1〜2;実施例1〜2)を作製した。
-2. Nitriding treatment
Each of chromium molybdenum steel (SCM420) and carbon steel (S50C) prepared as steel materials was nitrided by plasma nitriding under the nitriding conditions shown in Table 2 below.
By the above, like the multilayer structure shown in FIG. 2, the sliding member (sample sliding material 1-2; Examples 1-2) which has a nitrogen diffusion hardening layer and a nitride layer superimposed on steel materials is carried out. Produced.


〜EPMA分析〜
作製したサンプル摺動材1〜2に対して、所望とする窒化物層の形成を確認するため、表2に示す条件にてプラズマ窒化処理を施したクロムモリブデン鋼及び炭素鋼を観察すると共に、EPMA(Electron Probe MicroAnalyser Analysis)による分析を行なった。具体的には、プラズマ窒化処理を施したクロムモリブデン鋼及び炭素鋼の断面を研磨し、研磨した断面に対し、走査型電子顕微鏡(SEM)にて撮影するとともにその反射電子像撮像を観察し、また、電子線マイクロアナライザ(JXA−1500F(日本電子社製)を用いて窒素(N)と鉄(Fe)の定量分析を実施した。
更に、プラズマ窒化処理を施したクロムモリブデン鋼及び炭素鋼の表面にX線回折(XRD)分析を実施し、クロムモリブデン鋼の窒化物層及び炭素鋼の窒化物層について結晶構造解析を行なった。ここでは、未処理(窒化処理前)のクロムモリブデン鋼、炭素鋼に対する分析も実施した。
-EPMA analysis-
In order to confirm the formation of the desired nitride layer for the produced sample sliding materials 1 and 2, while observing chromium molybdenum steel and carbon steel subjected to plasma nitriding treatment under the conditions shown in Table 2, Analysis by EPMA (Electron Probe MicroAnalyser Analysis) was performed. Specifically, the cross section of chromium molybdenum steel and carbon steel subjected to plasma nitriding treatment is polished, and the polished cross section is imaged with a scanning electron microscope (SEM) and the reflected electron image is observed, Moreover, quantitative analysis of nitrogen (N) and iron (Fe) was performed using an electron beam microanalyzer (JXA-1500F (manufactured by JEOL Ltd.)).
Further, X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on the surfaces of chromium molybdenum steel and carbon steel subjected to plasma nitriding treatment, and crystal structure analysis was performed on the nitride layer of chromium molybdenum steel and the nitride layer of carbon steel. Here, analysis was also performed on untreated (before nitriding) chromium molybdenum steel and carbon steel.

まず、SEM像(反射電子像)及びEPMA分析の結果を図3及び下記表3に示す。なお、EPMA分析結果は、分析点により多少のばらつきが存在するため、1つの窒化物層に対して5点分析を行ない、それらの平均値を用いて評価した。
図3及び表3に示すように、サンプル摺動材1〜2の両方において、表面から10μm程度に高濃度(窒素元素換算量で20at%以上)に窒素を含有する層が形成されていることがわかる。そして、後述するXRD分析からも明らかなように、この高濃度に窒素を含有する層においては、窒素は窒化化合物として存在していることがわかる。また、高濃度に窒素を含有する層より固体内部側でも深部まで低濃度の窒素を含む層が観察され、深部まで窒素が拡散していることがわかった。
よって、クロムモリブデン鋼及び炭素鋼にプラズマ窒化処理を施すことで、所望とする窒化物層が形成されていることが確認された。
First, the results of SEM image (reflection electron image) and EPMA analysis are shown in FIG. Note that the EPMA analysis results vary somewhat depending on the analysis points, so a five-point analysis was performed on one nitride layer, and evaluation was performed using an average value thereof.
As shown in FIG. 3 and Table 3, in both sample sliding materials 1 and 2, a layer containing nitrogen is formed at a high concentration (at least 20 at% in terms of nitrogen element) about 10 μm from the surface. I understand. As is apparent from the XRD analysis described later, it can be seen that nitrogen exists as a nitride compound in the layer containing nitrogen at a high concentration. In addition, a layer containing nitrogen at a low concentration was observed deeper than the layer containing nitrogen at a higher concentration even inside the solid, and it was found that nitrogen diffused to the deep portion.
Therefore, it was confirmed that the desired nitride layer was formed by performing plasma nitriding treatment on chromium molybdenum steel and carbon steel.


次に、クロムモリブデン鋼(SCM420)又は炭素鋼(S50C)を用いた各サンプル摺動材について、D8 ADVANCE(ブルカーAXS社製)を用い、X線回折(XRD)分析を行なった。XRD分析の結果を図4及び図5に示す。ここで、比較のため、サンプル摺動材1〜2に用いた各鋼材の未処理面に対する結果も示す。
図4及び図5に示すように、クロムモリブデン鋼の窒化物層及び炭素鋼の窒化物層では、FeN相及びFeN相の明瞭なピークが観察されていることが分かる。これより、いずれの窒化物層も、FeN相及びFeN相を含むことが分かる。FeN相及びFeN相は、プラズマ窒化した鋼材の窒化物層に典型的にみられるものである。
Next, X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on each sample sliding material using chromium molybdenum steel (SCM420) or carbon steel (S50C) using D8 ADVANCE (Bruker AXS). The results of XRD analysis are shown in FIGS. Here, the result with respect to the untreated surface of each steel material used for the sample sliding materials 1-2 for a comparison is also shown.
As shown in FIGS. 4 and 5, it can be seen that clear peaks of the Fe 3 N phase and the Fe 4 N phase are observed in the nitride layer of chromium molybdenum steel and the nitride layer of carbon steel. From this, it can be seen that any nitride layer includes an Fe 3 N phase and an Fe 4 N phase. The Fe 3 N phase and the Fe 4 N phase are typically found in the nitride layer of plasma nitrided steel.

<比較材の準備>
比較用の摺動材料として、下記の比較材1(比較例1)及び比較材2(比較例2)を用意した。
・比較材1:
クロムモリブデン鋼(SCM420)に対し、ガス浸炭処理及びショットブラスト処理を施した摺動材料
・比較材2:
炭素鋼(S50C)に対し、焼き入れ処理及びショットブラスト処理を施した摺動材料
<Preparation of comparative materials>
The following comparative material 1 (comparative example 1) and comparative material 2 (comparative example 2) were prepared as comparative sliding materials.
Comparative material 1:
Sliding material / comparative material 2 in which gas carburizing treatment and shot blasting treatment are applied to chromium molybdenum steel (SCM420):
Sliding material with quenching and shot blasting applied to carbon steel (S50C)

なお、上記のガス浸炭処理、焼き入れ処理、及びショットブラスト処理としては、いずれもクロムモリブデン鋼や炭素鋼を自動車エンジン用の摺動部品として使用する際の一般的な表面処理を行なった。
例えば浸炭層は、表面を浸炭処理して形成された層であり、浸炭処理とは、低炭素鋼又は低炭素合金鋼を機械加工した後、その表面における炭素量を増加させて焼入することで、表面に炭素を浸入させ固溶させて硬化する処理法のことをいう。浸炭処理には、固体浸炭、ガス浸炭、液体浸炭、真空ガス浸炭、プラズマ浸炭などがある。
In addition, as said gas carburizing process, quenching process, and shot blasting process, all performed the general surface treatment at the time of using chromium molybdenum steel or carbon steel as a sliding component for automobile engines.
For example, a carburized layer is a layer formed by carburizing the surface, and carburizing is a process in which low carbon steel or low carbon alloy steel is machined and then hardened by increasing the amount of carbon on the surface. It means a treatment method in which carbon is infiltrated into the surface to be dissolved and hardened. Examples of the carburizing process include solid carburizing, gas carburizing, liquid carburizing, vacuum gas carburizing, and plasma carburizing.

以下において、便宜上、ガス浸炭処理及びショットブラスト処理を総じて「浸炭処理」と、焼き入れ処理及びショットブラスト処理を総じて「焼き入れ処理」と、それぞれ称する。
また、浸炭処理されたクロムモリブデン鋼(SCM420)表面に形成された表面硬化層を「浸炭層」と、また焼き入れ処理された炭素鋼(S50C)表面に形成された表面硬化層を「焼き入れ層」と、それぞれ称する。
Hereinafter, for the sake of convenience, the gas carburizing process and the shot blasting process are collectively referred to as “carburizing process”, and the quenching process and the shot blasting process are collectively referred to as “quenching process”, respectively.
The carburized chromium molybdenum steel (SCM420) surface hardened layer formed on the surface of the carburized layer and the carburized carbon steel (S50C) surface hardened layer formed on the surface of the hardened steel. Each of these is referred to as a “layer”.

上記とは別に、更に、窒化物層の優位性を明確化するための、比較用の摺動材料として、下記の比較材3(比較例3)及び比較材4(比較例4)を用意した。
・比較材3:
上記のサンプル摺動材1の最表層である窒化物層を研磨して窒化物層を除去し、窒素拡散硬化層を露出させて、クロムモリブデン鋼上の窒素拡散硬化層を摺動面とした摺動材料
・比較材4:
上記のサンプル摺動材2の最表層である窒化物層を研磨して窒化物層を除去し、窒素拡散硬化層を露出させて、炭素鋼上の窒素拡散硬化層を摺動面とした摺動材料
なお、上記において、窒化物層を除去するための研磨深さは、上記のようにサンプル摺動材1〜2に対して行なった断面観察の結果に基づいて決定した。また、窒化物層が除去されて窒素拡散硬化層が露出したことは、研磨面のビッカース硬さを計測し、窒化物層に対して硬さが90%以下であることを確認することで判断した。ビッカース硬さは、MVK−E(明石製作所社製)を用い、試験片両端から0.5mmの2点とその中央の計3点の硬さを計測し平均することにより求めた。
In addition to the above, the following Comparative Material 3 (Comparative Example 3) and Comparative Material 4 (Comparative Example 4) were prepared as comparative sliding materials for clarifying the superiority of the nitride layer. .
Comparative material 3:
The nitride layer which is the outermost layer of the sample sliding material 1 is polished to remove the nitride layer, the nitrogen diffusion hardened layer is exposed, and the nitrogen diffusion hardened layer on the chromium molybdenum steel is used as a sliding surface. Sliding material / comparative material 4:
The nitride layer which is the outermost layer of the sample sliding material 2 is polished to remove the nitride layer, the nitrogen diffusion hardened layer is exposed, and the nitrogen diffusion hardened layer on the carbon steel is used as a sliding surface. In the above, the polishing depth for removing the nitride layer was determined based on the result of cross-sectional observation performed on the sample sliding materials 1 and 2 as described above. Further, the fact that the nitride layer is removed and the nitrogen diffusion hardened layer is exposed is determined by measuring the Vickers hardness of the polished surface and confirming that the hardness is 90% or less with respect to the nitride layer. did. The Vickers hardness was determined by measuring and averaging the hardness of 2 points of 0.5 mm from the both ends of the test piece and a total of 3 points at the center using MVK-E (manufactured by Akashi Seisakusho).

<供試エンジン油の準備>
供試エンジン油として、一般的なガソリンエンジン用潤滑油である市販のエンジン油(以下、「市販油」という。)と、基油及び複数の添加剤を用いて調製したエンジン油(以下、「試作油」という。)と、を用意した。
・市販油:
トヨタ自動車社製のILSAC GF−4規格油、粘度グレード:5W−30
・試作油:
下記表4に示す組成を有する試作油
<Preparation of test engine oil>
As the engine oil to be tested, a commercially available engine oil (hereinafter referred to as “commercial oil”), which is a general lubricating oil for gasoline engines, and an engine oil prepared using a base oil and a plurality of additives (hereinafter referred to as “ "Prototype oil").
・ Commercial oil:
ILSAC GF-4 standard oil manufactured by Toyota Motor Corporation, viscosity grade: 5W-30
・ Prototype oil:
Prototype oil having the composition shown in Table 4 below

以下に、試作油の作製手順を示す。すなわち、
基油に、試作油全量(質量基準)に対して、過塩基性カルシウムスルホネートをカルシウム元素換算値が0.24質量%となる量と、ホウ素を含有しないコハク酸イミド系無灰分散剤のみからなるコハク酸イミド系無灰分散剤を窒素元素換算値が0.06質量%となる量と、ジアルキルジチオリン酸亜鉛をリン元素換算値が0.08質量%となる量と、を配合した。その後、油温60℃にて1時間撹拌した。なお、試作油の基油及び添加剤の種類・添加量は一般的なエンジン油のそれを模擬したものである。
The procedure for producing the trial oil is shown below. That is,
The base oil consists only of an overbased calcium sulfonate with a calcium element conversion value of 0.24% by mass and a succinimide-based ashless dispersant containing no boron with respect to the total amount (mass basis) of the prototype oil. A succinimide-based ashless dispersant was blended in an amount such that the nitrogen element equivalent value was 0.06% by mass, and a zinc dialkyldithiophosphate was an amount such that the phosphorus element equivalent value was 0.08% by mass. Then, it stirred at the oil temperature of 60 degreeC for 1 hour. Note that the types and amounts of the base oil and additive used in the prototype oil simulate those of general engine oil.


<エンジン油中に混入する水分の最大混入量に関する予備実験>
摩耗試験に供試するための潤滑油として、水分を含有するエンジン油を調製するにあたり、エンジン油中に混入し得る最大水分量を検討した。
具体的には、まず、エンジン環境によるエンジン油中の水分量への影響を定量的に把握するため、供試燃料の違い(エタノール100%燃料又は市販のハイオクガソリン燃料)と、油温(低温又は高温)と、がエンジン油中の水分量に及ぼす影響を検討した。ここで、高油温条件は、従来車のエンジン環境(すなわちエンジン始動後の車両走行中はエンジンが稼働し続ける環境)を模擬したものであり、低油温条件は、ハイブリッドシステム(環境適応システム)を想定して始動後のエンジンが高頻度で停止するシステムでのエンジン環境を模擬したものである。
エンジン油中の水分量は、実機の自動車用エンジンを用いた台上運転試験を行ないながら、定期的にエンジンよりエンジン油を採取し、この採取油から測定した。採取場所は、オイルパン、ヘッドデッキ、ヘッドカバーとした。結果を下記表5に示す。
なお、表5において、水温は、内燃機関内の冷却水の温度を表し、油温は、内燃機関内の潤滑油の温度を表している。
<Preliminary experiment on maximum amount of water mixed in engine oil>
In preparing an engine oil containing water as a lubricating oil for use in the wear test, the maximum amount of water that can be mixed into the engine oil was examined.
Specifically, in order to quantitatively understand the influence of the engine environment on the amount of water in the engine oil, the difference in the test fuel (100% ethanol fuel or commercially available high-octane gasoline fuel) and the oil temperature (low temperature) (Or high temperature) and the effect of the water content in the engine oil. Here, the high oil temperature condition simulates the engine environment of a conventional vehicle (that is, the environment in which the engine continues to operate while the vehicle is running after the engine is started), and the low oil temperature condition is a hybrid system (environment adaptation system). The engine environment is simulated in a system where the engine after starting is frequently stopped.
The amount of water in the engine oil was measured by periodically collecting the engine oil from the engine while performing a bench driving test using an actual automobile engine. The sampling location was an oil pan, head deck, and head cover. The results are shown in Table 5 below.
In Table 5, the water temperature represents the temperature of the cooling water in the internal combustion engine, and the oil temperature represents the temperature of the lubricating oil in the internal combustion engine.


まず、供試燃料として市販ハイオクガソリン燃料を用いた場合に着目する。
表5に示すように、水温30℃の条件で15分間運転した場合、エンジン油中の水分量は0.16%であった。一方、水温100℃の条件で20分間運転した場合、エンジン油中の水分量は0.034%であった。これより、油水温が低温に保たれた場合には、油中水分量が増加しやすいことが分かる。また、ガソリン燃料を用いたエンジンが、高頻度にエンジン停止するハイブリッドシステム等の環境適応システムと共に搭載された場合、エンジン油中に混入し得る水分量は最大で0.2質量%程度とみることができる。
次に、供試燃料としてエタノール100%燃料を用いた場合に着目する。
水温30℃の条件で15分間運転された場合、エンジン油中の最大水分量は7.8%であった。一方、水温100℃の条件で20分間運転された場合、エンジン油中の水分量は0.032%であった。これより、エタノール100%燃料を用いたエンジンが、従来車の使用環境(すなわちエンジン始動後の車両走行中はエンジンが稼働し続ける環境)で使用された場合、エンジン油中に混入しうる水分量は最大で0.05質量%程度となる。一方、エタノール100%燃料を用いたエンジンが、エンジンが高頻度に停止するハイブリッドシステム等の環境適応システムと共に搭載された場合、エンジン油中に混入し得る水分量は最大で10質量%程度とみることができる。
以上の結果から、エンジン環境とエンジン油中に混入し得る最大水分量との関係は、下記表6に示す通りである。
First, focus on the case where commercial high-octane gasoline fuel is used as the test fuel.
As shown in Table 5, when the engine was operated for 15 minutes at a water temperature of 30 ° C., the water content in the engine oil was 0.16%. On the other hand, when operated for 20 minutes at a water temperature of 100 ° C., the water content in the engine oil was 0.034%. From this, it can be seen that when the oil water temperature is kept at a low temperature, the amount of water in the oil tends to increase. In addition, when an engine using gasoline fuel is installed with an environmental adaptation system such as a hybrid system that frequently stops the engine, the maximum amount of water that can be mixed into the engine oil is about 0.2% by mass. Can do.
Next, attention is paid to the case where 100% ethanol fuel is used as the test fuel.
When operated for 15 minutes at a water temperature of 30 ° C., the maximum water content in the engine oil was 7.8%. On the other hand, when it was operated for 20 minutes at a water temperature of 100 ° C., the water content in the engine oil was 0.032%. As a result, when an engine using 100% ethanol fuel is used in an environment where a conventional vehicle is used (that is, an environment where the engine continues to operate while the vehicle is running after the engine is started), the amount of water that can be mixed into the engine oil Is about 0.05% by mass at the maximum. On the other hand, when an engine using 100% ethanol fuel is mounted together with an environmentally adaptive system such as a hybrid system in which the engine stops frequently, the amount of water that can be mixed into the engine oil is about 10% by mass at maximum. be able to.
From the above results, the relationship between the engine environment and the maximum amount of water that can be mixed in the engine oil is as shown in Table 6 below.


上記の表6に示すように、始動後にエンジンが高頻度に停止されるシステムでは、低温環境になる結果、エンジン油中の水分量は、従来車のエンジン油に比べて多く、しかもエタノール等の水分を含む燃料を用いた場合は、エンジン油中の水分量が大幅に増えることが分かる。
一方、これまでエタノール等の水分を含む燃料を使用し、かつハイブリッドシステム等の環境適応システムが搭載された自動車は提供されるに至っていないのが実情であり、したがってエンジン油の水分量が格段に増え、エンジン油中の水分量が0.2質量%〜10質量%の範囲にある水分環境下での摺動部材の耐摩耗性についても考慮されていない。
このような状況下、既述のように、ジアルキルジチオリン酸亜鉛を含む潤滑油と、鋼材上の窒化物層の上にZn、S、及びPを含む被膜を有する摺動部品と、を設けた構成は、上記のように水分を多く含むエンジン油中での耐摩耗性を維持するのに適している。
As shown in Table 6 above, in a system in which the engine is frequently stopped after starting, as a result of a low temperature environment, the amount of water in the engine oil is larger than that of the engine oil of a conventional vehicle, and ethanol etc. It can be seen that the amount of water in the engine oil increases significantly when fuel containing water is used.
On the other hand, it has been the case that automobiles that use fuels containing water such as ethanol and that are equipped with environmentally compatible systems such as hybrid systems have not been provided so far. The wear resistance of the sliding member in a moisture environment in which the amount of moisture in the engine oil is in the range of 0.2% by mass to 10% by mass is not taken into consideration.
Under such circumstances, as described above, a lubricating oil containing zinc dialkyldithiophosphate and a sliding component having a coating containing Zn, S, and P on a nitride layer on a steel material were provided. The configuration is suitable for maintaining the wear resistance in the engine oil containing a large amount of moisture as described above.

<水分含有のエンジン油の調製>
上記の検討を踏まえて、エンジン油中の水分量を、0質量%、0.2質量%、0.5質量%、1質量%、10質量%とした。これら水分を含むエンジン油は、油中へ水を添加した後、室温(25℃)下で24時間撹拌することにより調製した。
<Preparation of moisture-containing engine oil>
Based on the above examination, the water content in the engine oil was set to 0 mass%, 0.2 mass%, 0.5 mass%, 1 mass%, and 10 mass%. These water-containing engine oils were prepared by adding water into the oil and then stirring at room temperature (25 ° C.) for 24 hours.

<耐摩耗性の評価>
−評価方法−
図6に示すブロック・オン・リング型摩耗試験機を用い、その容器にエンジン油として上記の市販油又は調製した試作油とを順次装填し、エンジン油に一部が漬かるようにリング試験片を配置すると共に、ブロック試験片の摺動面に上記の各摺動材(サンプル摺動材1〜2、比較材1〜4)を順次取り付けた。そして、ブロック試験片に取り付けられた摺動材を、下記の摺動摩耗条件下、所定荷重で回転するリング試験片(硬さ:HV560−770、表面粗さ(Ra):0.35mmの市販のFalex S−10試験片(AISI4620浸炭焼き入れ合金鋼))に押し付けることで、線接触形態における連続すべり条件にて摩擦試験を行ない、摺動材の各々の耐摩耗性を評価した。
ここでは、各々の表面粗さを揃えるため、サンプル摺動材1〜2の各窒化物層、比較材1〜4の浸炭層又は焼き入れ層を、プラズマ窒化処理後に同一条件で研磨したものを用いた。
<摺動摩耗条件>
・荷重(W) :286N
・すべり速度(v):0.3m/sec
・油温(T) :40℃
・試験時間(t) :30min
<Evaluation of wear resistance>
-Evaluation method-
Using the block-on-ring type wear tester shown in FIG. 6, the container is sequentially charged with the above-mentioned commercially available oil or the prepared prototype oil as the engine oil, and the ring test piece is placed so that a part of the oil is immersed in the engine oil. While arranging, each said sliding material (sample sliding materials 1-2, comparative materials 1-4) was attached to the sliding surface of the block test piece one by one. And the sliding material attached to the block test piece is a commercially available ring test piece (hardness: HV560-770, surface roughness (Ra): 0.35 mm) rotating under a predetermined load under the following sliding wear conditions. Falex S-10 test piece (AISI 4620 carburized and hardened alloy steel)) was subjected to a friction test under continuous sliding conditions in a line contact form, and the wear resistance of each sliding material was evaluated.
Here, in order to make each surface roughness uniform, each nitride layer of the sample sliding materials 1 and 2 and the carburized layer or the quenching layer of the comparative materials 1 to 4 are polished under the same conditions after the plasma nitriding treatment. Using.
<Sliding wear conditions>
・ Load (W): 286N
・ Sliding speed (v): 0.3 m / sec
Oil temperature (T): 40 ° C
Test time (t): 30 min

上記の摺動摩耗条件及び試験片形状で摺動された場合、潤滑状態は境界潤滑となる。境界潤滑とは、油膜が十分に形成されず、固体同士の接触が生じる過酷な潤滑状態のことである。自動車エンジンにおいて、境界潤滑下で摺動される摺動部品には、バルブリフタ、アジャスティングシム、カム、カムシャフト、ロッカーアーム、ローラーピン、タペット、ピストンリング、ピストンピン、タイミングギア、タイミングチェーン、並びにオイルポンプのドライブギア、ドリブンギア、及びロータがある。
耐摩耗性の評価は、摩耗試験後のブロック試験片上の摩耗痕深さを、白色干渉式の非接触表面形状測定機を用いて測定することにより行なった。ここで、摩耗痕深さとは、非摺動部と凹型摩耗痕の最深部との間の高低差である。
When sliding under the above-described sliding wear condition and test piece shape, the lubrication state is boundary lubrication. The boundary lubrication is a severe lubrication state in which an oil film is not sufficiently formed and solids contact each other. In automobile engines, sliding parts that slide under boundary lubrication include valve lifters, adjusting shims, cams, camshafts, rocker arms, roller pins, tappets, piston rings, piston pins, timing gears, timing chains, and There are oil pump drive gears, driven gears, and rotors.
The wear resistance was evaluated by measuring the depth of wear on the block test piece after the wear test using a white interference type non-contact surface shape measuring machine. Here, the wear scar depth is a height difference between the non-sliding portion and the deepest portion of the concave wear scar.

−評価結果−
(1)エンジン油中の水分量が摩耗に及ぼす影響について
まず、エンジン油中の水分が、クロムモリブデン鋼の窒化物層、及びクロムモリブデン鋼の浸炭層(現状で一般に使用されているエンジン用摺動部品を想定)の摩耗に及ぼす影響を図7に示す。
図7に示すように、摺動面が浸炭層では、水分量0.2質量%を境に摩耗が著しく増加するのに対し、摺動面を窒化物層としたサンプル摺動材1〜2では、水分量による摩耗への影響はみられるが、著しい摩耗への影響はほとんどみられなかった。更に、浸炭層の摩耗に水分量が及ぼす影響に着目すると、水分量が1質量%における摩耗痕深さは水分0質量%におけるそれの約4倍であった。また、水分量が1質量%以上の領域では、摩耗痕深さは高止まりし、水分量が摩耗に及ぼす影響はおよそみられなかった。
この結果から、窒化物層では、エンジン油中に多量の水分が存在する場合にも、エンジン油中にほとんど水分が含まれない場合と同等の耐摩耗性を維持することができた。一方、従来の摺動材料は、従来車のエンジン油に含まれる水分量の範囲(水分量≦0.2質量%)で使用される場合には摩耗に大きな問題は生じないものの、水分量が0.2質量%以上の範囲では過大摩耗を生じ、使用に耐えないことがわかった。
-Evaluation results-
(1) Effect of water content in engine oil on wear First, the water content in engine oil is changed to a nitride layer of chromium molybdenum steel and a carburized layer of chromium molybdenum steel (engine slides commonly used at present). FIG. 7 shows the influence of wear on moving parts).
As shown in FIG. 7, in the case where the sliding surface is a carburized layer, the wear increases remarkably at a moisture content of 0.2% by mass, whereas the sample sliding materials 1-2 in which the sliding surface is a nitride layer are used. However, the effect of water content on wear was observed, but there was almost no significant effect on wear. Furthermore, paying attention to the influence of the moisture content on the wear of the carburized layer, the wear scar depth when the moisture content was 1% by mass was about four times that when the moisture content was 0% by mass. Moreover, in the area | region where the moisture content is 1 mass% or more, the wear scar depth remained high, and the influence which the moisture content has on the wear was not observed.
From this result, the nitride layer was able to maintain the same wear resistance as when the engine oil contained almost no water even when a large amount of water was present in the engine oil. On the other hand, when the conventional sliding material is used in the range of the amount of moisture contained in the engine oil of the conventional vehicle (moisture amount ≦ 0.2% by mass), there is no significant problem in wear, but the moisture amount is low. It was found that excessive wear occurred in the range of 0.2% by mass or more and it could not be used.

次に、上記で用意した各摺動材(サンプル摺動材1〜2、比較材1〜4)に対して行なった摩擦試験の結果をもとに、エンジン油中の水分による摩耗増加に対する影響を図8に示す。図8は、試作油を用いて摩擦試験を行なった場合に、油中水分が各摺動材の摩耗に及ぼす影響を示す。   Next, based on the result of the friction test performed on each of the sliding materials prepared above (sample sliding materials 1 and 2 and comparative materials 1 to 4), the influence on the increase in wear due to moisture in the engine oil Is shown in FIG. FIG. 8 shows the effect of moisture in the oil on the wear of each sliding material when a friction test is performed using the prototype oil.

まず、鋼材がクロムモリブデン鋼(SCM420)の場合に着目する。
油中に10質量%の水分を存在させた場合、浸炭層では摩耗痕深さが2.6倍に、窒素拡散硬化層では摩耗痕深さが4.7倍に増加しているのに対し、サンプル摺動材1〜2(実施例1〜2)の窒化物層では、摩耗痕深さの増加が1.4倍に留まった。
次に、鋼材が炭素鋼(S50C)の場合に着目する。
油中に10質量%の水分を存在させた場合、焼き入れ層では摩耗痕深さが4.1倍に、窒素拡散硬化層では摩耗痕深さが2.4倍に増加しているのに対し、サンプル摺動材1〜2(実施例1〜2)の窒化物層では、摩耗痕深さの増加が1.4倍に留まった。
以上のように、クロムモリブデン鋼及び炭素鋼において、窒化物層では、従来の浸炭層や焼き入れ層、及び窒素拡散硬化層と比較し、水分を含有するエンジン油中においても耐摩耗性が維持された。
本実施例では、水分含量を10質量%とした場合を例に示したが、本発明で規定する水分含量(0.2質量%〜10質量%)のうち最も水分量の多い場合において良好な耐摩耗性が得られたことから、10質量%以外の0.2質量%〜10質量%の範囲内においては良好な耐摩耗性を確保することができるものと推察される。
First, attention is focused on the case where the steel material is chromium molybdenum steel (SCM420).
When 10% by weight of water is present in the oil, the wear scar depth is increased 2.6 times in the carburized layer, and the wear scar depth is increased 4.7 times in the nitrogen diffusion hardened layer. In the nitride layers of the sample sliding materials 1 and 2 (Examples 1 and 2), the increase in the wear scar depth remained 1.4 times.
Next, attention is focused on the case where the steel material is carbon steel (S50C).
When 10% by mass of water is present in the oil, the wear scar depth increases 4.1 times in the quenched layer and the wear scar depth increases 2.4 times in the nitrogen diffusion hardened layer. On the other hand, in the nitride layers of the sample sliding materials 1 and 2 (Examples 1 and 2), the increase in the wear scar depth remained at 1.4 times.
As described above, in chromium molybdenum steel and carbon steel, the nitride layer maintains wear resistance even in engine oil containing water compared to conventional carburized layers, quenched layers, and nitrogen diffusion hardened layers. It was done.
In this example, the case where the water content was 10% by mass was shown as an example. However, the moisture content (0.2% by mass to 10% by mass) specified in the present invention is good when the water content is the highest. Since wear resistance was obtained, it is presumed that good wear resistance can be ensured in the range of 0.2 mass% to 10 mass% other than 10 mass%.

また、本実施例において、添加元素を含有するクロムモリブデン鋼と添加元素を含有しない炭素鋼との双方において同様の結果が得られたことから、この耐摩耗性の向上効果は、鋼材全般に対して奏されるものである。   Further, in this example, similar results were obtained for both chromium molybdenum steel containing an additive element and carbon steel containing no additive element. It is played.

(2)作用・効果について
−摩耗防止被膜の形成性の保持−
鋼材の窒化物層が水分を含有するエンジン油中において耐摩耗性能を維持する理由を示すのに先立ち、まず背景となるエンジン油中の水分による従来の摺動部品の摩耗増加現象について説明する。
水分を含まないエンジン油中でクロムモリブデン鋼の浸炭層が摺動された場合、エンジン油中のジアルキルジチオリン酸亜鉛(摩耗防止剤)と鋼材とが摺動面で化学反応を生じ、摺動面に亜鉛(Zn)、硫黄(S)、リン(P)、鉄(Fe)などから構成される摩耗防止被膜が形成される。この摩耗防止被膜によって、浸炭層の摩耗は抑制される。本現象は、一般的な鋼材を摺動材料として用いた場合にも生じる。
一方、水分を含有するエンジン油中でクロムモリブデン鋼の浸炭層が摺動された場合、摺動面での摩耗防止被膜の形成量が減少する。これは、摩擦面におけるジアルキルジチオリン酸亜鉛、水分、及び炭酸カルシウムの間での化学反応によりジアルキルジチオリン酸亜鉛が変質するためである。なお、炭酸カルシウムは、油成分中の過塩基性カルシウムスルホネートに含まれるものであり、炭酸カルシウムは燃焼により生じる酸を中和する機能を有する。
上記した摩耗増加現象に基づくと、窒化物層が水分を含有するエンジン油中において耐摩耗性を維持する理由として、窒化物層上では、浸炭層上及び焼き入れ層上と比較し、ジアルキルジチオリン酸亜鉛、水分、及び炭酸カルシウムの存在下での摩耗防止被膜の形成量が多いことが考えられる。
(2) Actions and effects-Maintaining the formability of the anti-wear coating-
Prior to showing the reason why the nitride layer of the steel material maintains the wear resistance performance in the engine oil containing moisture, first, the conventional phenomenon of increased wear of sliding parts due to the moisture in the engine oil will be described.
When a carburized layer of chromium molybdenum steel is slid in engine oil that does not contain moisture, the zinc dialkyldithiophosphate (antiwear agent) in the engine oil and the steel material undergo a chemical reaction on the sliding surface, and the sliding surface In addition, an anti-wear coating composed of zinc (Zn), sulfur (S), phosphorus (P), iron (Fe) and the like is formed. The wear of the carburized layer is suppressed by this anti-wear coating. This phenomenon also occurs when a general steel material is used as a sliding material.
On the other hand, when the carburized layer of chromium molybdenum steel is slid in engine oil containing moisture, the amount of the anti-wear coating formed on the sliding surface decreases. This is because the zinc dialkyldithiophosphate is altered by a chemical reaction between the zinc dialkyldithiophosphate, moisture, and calcium carbonate on the friction surface. Calcium carbonate is contained in the overbased calcium sulfonate in the oil component, and calcium carbonate has a function of neutralizing an acid generated by combustion.
Based on the above phenomenon of increased wear, the reason why the nitride layer maintains the wear resistance in engine oil containing water is that the dialkyldithiophosphorus on the nitride layer is higher than that on the carburized layer and the quenched layer. It is considered that the amount of the anti-wear coating formed in the presence of zinc acid, moisture, and calcium carbonate is large.

この機構を検証するため、図7の結果を得た摩擦試験後の摩耗痕(サンプル摺動材1)に対し、EPMAによる元素分析を実施した。この元素分析では、摩耗防止被膜に由来する亜鉛(Zn)、硫黄(S)、及びリン(P)に着目した。この元素分析の結果を図9に示す。   In order to verify this mechanism, elemental analysis by EPMA was performed on the wear scar (sample sliding material 1) after the friction test, which obtained the results of FIG. In this elemental analysis, attention was focused on zinc (Zn), sulfur (S), and phosphorus (P) derived from the anti-wear coating. The results of this elemental analysis are shown in FIG.

図9に示すように、水分量が0質量%の場合、4種の摺動面のいずれにおいても亜鉛(Zn)、硫黄(S)、及びリン(P)が0.20%以上のX線強度比で検出され、十分な摩耗防止被膜が形成されていることが示された。
次に、水分量が10質量%である場合に着目する。
クロムモリブデン鋼の窒化物層及び炭素鋼の窒化物層では、クロムモリブデン鋼の浸炭層及び炭素鋼の焼き入れ層と比較し、亜鉛(Zn)、硫黄(S)、及びリン(P)のX線強度比が大きいことがわかる。すなわち、クロムモリブデン鋼の窒化物層及び炭素鋼の窒化物層においては、クロムモリブデン鋼の浸炭層及び炭素鋼の焼き入れ層と比較し、ジアルキルジチオリン酸亜鉛、水分、及び炭酸カルシウムを含有するエンジン油中において、摩耗防止被膜が保持されていたことを示している。
以上の結果より、鋼材の窒化物層は、浸炭層及び焼き入れ層と比較し、ジアルキルジチオリン酸亜鉛、水分、及び炭酸カルシウムを含有するエンジン油中において、ジアルキルジチオリン酸亜鉛由来の摩耗防止被膜の形成量を維持できることが確認された。このことが、水分を含有するエンジン油中において鋼材の窒化物層が耐摩耗性能を維持する理由と考えられる。
As shown in FIG. 9, when the water content is 0% by mass, X-rays containing zinc (Zn), sulfur (S), and phosphorus (P) of 0.20% or more in any of the four types of sliding surfaces. It was detected by the intensity ratio, and it was shown that a sufficient anti-wear coating was formed.
Next, attention is paid to the case where the water content is 10% by mass.
In the nitride layer of chrome molybdenum steel and the nitride layer of carbon steel, X of zinc (Zn), sulfur (S), and phosphorus (P) is compared with the carburized layer of chrome molybdenum steel and the hardened layer of carbon steel. It can be seen that the line intensity ratio is large. That is, in the nitride layer of chrome molybdenum steel and the nitride layer of carbon steel, an engine containing zinc dialkyldithiophosphate, moisture, and calcium carbonate as compared with a carburized layer of chrome molybdenum steel and a hardened layer of carbon steel. This shows that the anti-wear coating was retained in the oil.
From the above results, the nitride layer of the steel material has a wear-resistant coating film derived from zinc dialkyldithiophosphate in an engine oil containing zinc dialkyldithiophosphate, moisture, and calcium carbonate as compared with the carburized layer and the quenched layer. It was confirmed that the amount formed could be maintained. This is considered to be a reason why the nitride layer of the steel material maintains the wear resistance performance in the engine oil containing moisture.

−摺動面と摩耗防止剤との相互作用−
鋼材の窒化物層は、浸炭層及び焼き入れ層と比較し、ジアルキルジチオリン酸亜鉛、水分、及び炭酸カルシウムを含有するエンジン油中において、ジアルキルジチオリン酸亜鉛由来の摩耗防止被膜の形成量を維持する機構を検討する。
鋼材の摺動面とエンジン油添加剤との相互作用については、例えば「表面化学から見た境界潤滑 −潤滑油添加剤のトライボケミカル反応に対する新生面の役割−、森誠之、JTEKT ENGINEERING JOURNAL,No. 1008 (2010)」において、金属表面を被覆している金属酸化物は脂肪酸やリン系摩耗防止剤などとの化学的親和性が高いことが報告されている。これは、PearsonのHard and Soft Acids and Bases (HSAB)の原理、すなわち硬い酸(Hard Acid)と硬い塩基(Hard Base)との組み合わせ、及び軟らかい酸(Soft Acid)と軟らかい塩基(Soft Base)との組み合わせは、反応しやすく強い結合を形成するという原理に基づくものである(R. G. Pearson (ed.): Hard and Soft Acids and Bases, Dowden, Huchinson & Ross, Inc. (1973) 参照)。具体的には、金属酸化物は、イオン結合性であり極性を持っているため硬い酸に分類され、極性官能基を持ち硬い塩基に分類される脂肪酸やリン系摩耗防止剤と反応しやすく強い結合を形成するという機構である。
ここで、窒化物層の主成分である窒化鉄(Fe2−3N、FeN)は、イオン結合性であるから、炭素を固溶する浸炭層や焼き入れ層、窒素を固溶した層が主体である拡散層と比較して、硬い酸に分類できる。一方、ジアルキルジチオリン酸亜鉛も、試作油中の他の添加剤と比較して高い極性を持つため、硬い塩基に分類できる。上記の機構を応用すると、窒化物層とジアルキルジチオリン酸亜鉛は、浸炭層や焼き入れ層と比較して、反応しやすく強い結合を形成することが推察される。また、窒化物層上の摩耗防止被膜と浸炭層上及び焼き入れ層上の摩耗防止被膜では、構造が異なることが想定される。
図9における各層(摺動面)における水分量が0質量%での結果をみると、クロムモリブデン鋼の浸炭層、炭素鋼の焼き入れ層では、X線強度比の序列が亜鉛(Zn)、硫黄(S)、リン(P)であるのに対し、窒化物層ではX線強度比の序列が硫黄(S)、亜鉛(Zn)、リン(P)となっている。これは、窒化物層では、浸炭層や焼き入れ層と比較して、異なる構造の摩耗防止被膜が形成されていることを示唆している。
窒化物層においてジアルキルジチオリン酸亜鉛由来の摩耗防止被膜の形成量が多い機構は、以上の通りであると推察する。
-Interaction between sliding surface and anti-wear agent-
Compared with carburized and hardened layers, the steel nitride layer maintains the amount of anti-wear coating derived from zinc dialkyldithiophosphate in engine oils containing zinc dialkyldithiophosphate, moisture, and calcium carbonate. Consider the mechanism.
Regarding the interaction between the sliding surface of steel and engine oil additives, for example, “Boundary lubrication from the viewpoint of surface chemistry-Role of new surface for tribochemical reaction of lubricating oil additives-, Masayuki Mori, JTEKT ENGINEERING JOURNAL, No. 1008 (2010) "reports that the metal oxide coating the metal surface has a high chemical affinity with fatty acids and phosphorus-based antiwear agents. This is because of the principle of Pearson's Hard and Soft Acids and Bases (HSAB), that is, a combination of a hard acid and a hard base, and a soft acid and a soft base. This combination is based on the principle of forming a strong bond that is easy to react (see RG Pearson (ed.): Hard and Soft Acids and Bases, Dowden, Huchinson & Ross, Inc. (1973)). Specifically, metal oxides are classified as hard acids because they are ion-bonded and polar, and are strong and easily react with fatty acids and polar antiwear agents that have polar functional groups and are classified as hard bases. It is a mechanism that forms a bond.
Here, since iron nitride (Fe 2-3 N, Fe 4 N), which is the main component of the nitride layer, is ion-bonded, it is a carburized layer or a quenching layer that dissolves carbon, and nitrogen is dissolved. Compared with a diffusion layer mainly composed of a layer, it can be classified as a hard acid. On the other hand, zinc dialkyldithiophosphate can also be classified as a hard base because it has a higher polarity than other additives in the trial oil. When the above mechanism is applied, it is presumed that the nitride layer and the zinc dialkyldithiophosphate form a strong bond that is more likely to react than the carburized layer or the quenched layer. Further, it is assumed that the anti-wear coating on the nitride layer and the anti-wear coating on the carburized layer and the quenched layer have different structures.
When looking at the results when the moisture content in each layer (sliding surface) in FIG. 9 is 0% by mass, in the carburized layer of chromium molybdenum steel and the hardened layer of carbon steel, the order of the X-ray intensity ratio is zinc (Zn), In contrast to sulfur (S) and phosphorus (P), the order of the X-ray intensity ratio in the nitride layer is sulfur (S), zinc (Zn), and phosphorus (P). This suggests that in the nitride layer, an anti-wear coating having a different structure is formed as compared with the carburized layer and the quenched layer.
It is assumed that the mechanism in which the amount of the anti-wear coating derived from the zinc dialkyldithiophosphate in the nitride layer is large is as described above.

以上の結果から、摺動面が鋼材の窒化物層で構成されている摺動部材を用いることで、従来の摺動部材では摩耗が増加するような比較的水分含量の多いエンジン油中においても、水分をほぼ含有しない場合と同等の耐摩耗性を維持することが可能になる。   From the above results, the use of a sliding member having a sliding surface made of a nitride layer of a steel material allows the conventional sliding member to be worn even in engine oil with a relatively high water content that increases wear. It becomes possible to maintain the same wear resistance as when almost no moisture is contained.

上記において、クロムモリブデン鋼の窒化物層と炭素鋼の窒化物層とを中心に説明したが、耐摩耗性の向上効果は、これら鋼材の窒化物層に限られるものではない。その理由は、他の鋼材を窒化処理した場合にも、耐摩耗性という観点では、その鋼材が添加元素を含有する場合にはクロムモリブデン鋼の化合物層と同様の化合物層を形成し、その鋼材が添加元素を含有しない場合には炭素鋼の化合物と同様の化合物層を形成するためである。   In the above description, the nitride layer of chromium molybdenum steel and the nitride layer of carbon steel have been mainly described. However, the effect of improving wear resistance is not limited to the nitride layer of these steel materials. The reason for this is that even when other steel materials are nitrided, from the viewpoint of wear resistance, when the steel materials contain additive elements, a compound layer similar to the compound layer of chromium molybdenum steel is formed, and the steel material This is because when no additive element is contained, a compound layer similar to the compound of carbon steel is formed.

10・・・ピストン
11・・・ピストンリング
15・・・摩耗防止被膜
21・・・鋼材
23・・・窒素拡散硬化層
25・・・窒化物層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Piston 11 ... Piston ring 15 ... Abrasion prevention coating 21 ... Steel material 23 ... Nitrogen diffusion hardening layer 25 ... Nitride layer

Claims (10)

水分及びジアルキルジチオリン酸亜鉛を含む潤滑油と、
鋼材、該鋼材中の少なくとも金属成分が窒化された窒化化合物を含む窒化物層、及び亜鉛(Zn)、硫黄(S)、及びリン(P)を含む被膜をこの順に有し、前記潤滑油の存在下、前記被膜を摺動面として摺動する摺動部材と、
を備え、前記潤滑油の温度及び内燃機関内の水温のいずれかを30℃以下の温度条件に維持して15分以上運転させた後に採取した前記潤滑油に含有される水分の含有比率が0.2質量%〜10質量%である自動車用の内燃機関。
A lubricating oil comprising moisture and zinc dialkyldithiophosphate;
A steel layer, a nitride layer containing a nitride compound in which at least a metal component in the steel material is nitrided, and a coating containing zinc (Zn), sulfur (S), and phosphorus (P) in this order; A sliding member sliding in the presence of the coating as a sliding surface;
The water content ratio contained in the lubricating oil collected after operating for 15 minutes or more while maintaining either the temperature of the lubricating oil or the water temperature in the internal combustion engine at a temperature condition of 30 ° C. or lower is 0. An internal combustion engine for automobiles of 2 mass% to 10 mass%.
前記窒化物層に含まれる窒化化合物が、Fe2−3N及びFeNから選ばれる少なくとも一種である請求項1に記載の内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1, wherein the nitride compound contained in the nitride layer is at least one selected from Fe 2-3 N and Fe 4 N. 前記窒化物層に含まれる窒化化合物の含有量は、窒化物層の全質量に対して、窒素元素換算値が3原子%〜30原子%となる量である請求項1又は請求項2に記載の内燃機関。   The content of the nitride compound contained in the nitride layer is an amount such that the nitrogen element conversion value is 3 atomic% to 30 atomic% with respect to the total mass of the nitride layer. Internal combustion engine. 前記自動車は、エタノール燃料自動車である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the automobile is an ethanol fuel automobile. 前記自動車は、ハイブリッドシステム又は停車時運転停止システムを搭載している請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the automobile is equipped with a hybrid system or a stop operation stop system. 前記摺動部材は、バルブリフタ、アジャスティングシム、カム、カムシャフト、ロッカーアーム、ローラーピン、タペット、ピストンリング、ピストンピン、タイミングギア、タイミングチェーン、並びにオイルポンプのドライブギア、ドリブンギア、及びロータからなる群より選ばれる少なくとも1つである請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の内燃機関。   The sliding members include valve lifters, adjusting shims, cams, camshafts, rocker arms, roller pins, tappets, piston rings, piston pins, timing gears, timing chains, and oil pump drive gears, driven gears, and rotors. The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the internal combustion engine is at least one selected from the group consisting of: 前記窒化物層は、鋼材をプラズマ窒化法で窒化処理することで形成された層である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the nitride layer is a layer formed by nitriding a steel material by a plasma nitriding method. 電子線マイクロアナライザ(EPMA)により分析した前記被膜中の元素のX線強度比の序列が、硫黄(S)>亜鉛(Zn)>リン(P)である請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の内燃機関。   The order of the X-ray intensity ratio of the elements in the film analyzed by an electron beam microanalyzer (EPMA) is Sulfur (S)> Zinc (Zn)> Phosphorus (P). The internal combustion engine according to item 1. 前記鋼材は、クロムモリブデン鋼又は炭素鋼である請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, wherein the steel material is chromium molybdenum steel or carbon steel. 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の内燃機関を備えた自動車。   The motor vehicle provided with the internal combustion engine of any one of Claims 1-9.
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