JP6838709B2 - 内燃機関用部品および内燃機関用部品の製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態の内燃機関(エンジン)は、一気筒当たりそれぞれ二つの吸気バルブと排気バルブを備えたV型6気筒ガソリンエンジンである。エンジン用の部品は、ピストン、インジェクタ、バルブ、シリンダ等を含む。以下、ピストンを例にとって説明する。
以下、本実施形態を実現する具体的な実施例1を説明する。複合膜3を、以下の工程により形成した。前処理として、成膜前に、基材表面(頂面200)における有機物や無機物等からなる汚れを真空装置にて、エッチング等により除去した。
本実施形態の複合膜3は、a-C:Hからなる耐熱性皮膜31における水素含有量が5at%以上である。耐熱性皮膜(a-C:H)31は窒素を含む。a-C:Hに添加された窒素は不対電子を多く持つ。このため、耐熱性皮膜31として、水素含有量が多いDLCであるa-C:Hを使用する場合でも、撥油性皮膜32が含有するシランカップリング基(とa-C:Hとの間における共有結合部320の数を増加させることが可能となる。これにより、耐熱性皮膜31と撥油性皮膜32との共有結合が促進される。なお、窒素を添加したa-C:Hからなる耐熱性皮膜31は、常温大気中においては酸化しにくい特性を持っている。他の点は第1実施形態と同様である。
以下、本実施形態を実現する具体的な実施例2を説明する。a-C:Hからなる耐熱性皮膜31(a-C:H膜)を、真空装置を用いてCVD法で形成した。a-C:H膜の最表面層に窒素を添加するために、窒素を導入したCVD法によって窒化処理を行った。具体的には、上記真空装置に窒素を導入後、a-C:H膜を形成したピストン1を電極として高周波電源を接続し、窒素のプラズマを発生させた。そして、a-C:H膜の表面に、窒素のプラズマを加速して打ち込んだ。a-C:H膜への窒素の侵入深さは、上記加速用の電圧値に依存するが、目的とする共有結合を促進するために必要な深さは表面から数nmあれば十分である。本実施例においては、約5nm(0.005μm)の打ち込み深さを得るために、加速用の電圧値は約-2kVとした。これにより、耐熱性皮膜31の最表面層約5nmに、約10at%濃度となる窒素が添加された。
本実施形態の複合膜3は、耐熱性皮膜31(DLC)における水素含有量が5at%未満であり不対電子が多い。よって、DLCとシランカップリング基との共有結合が発生しやすいため、耐熱性皮膜31と撥油性皮膜32との間で共有結合部320が発生しやすい。したがって、両膜31,32の接合強度がより向上する。この観点からは、DLCに水素が全くないことが理想的である。
以下、本実施形態を実現する具体的な実施例3を説明する。ta-C膜を形成する手段として、低圧アーク放電(Cathodic Vacuum Arc)技術を用いた。本手法によって得られる炭素薄膜は、基本的に炭素イオンと電子のみより形成され、膜中に水素原子をほとんど含まず、sp3構造比率は最大で70%である。よって、極めて緻密で高硬度のテトラヘドラル・アモルファスカーボン膜が形成される。この低圧アーク放電では、プラズマを発生させる際、炭素イオンや電子以外にも多量の炭素微粒子が発生するが、この炭素微粒子は、屈曲した磁場ダクト等を用いて除去する。
本実施形態の複合膜3は、撥油性皮膜32の表面に、複数の粒子による微細な凹凸形状が形成され、この形状によるロータス効果によって、複合膜3(撥油性皮膜32)が更に撥油効果を向上させることができる。
本実施形態では,凹凸形状作製のための粒子は、炭素に限らず、シリコン、チタン、タングステン、クロムといった金属材料またはアルミナといった無機材料であってもよい。また、粒子を皮膜31の表面に埋め込む方法は、イオン化させた粒子を表面に打ち込む等でもよい。但し、各粒子の表面には耐熱性皮膜31で被覆されている必要がある。
以下、本実施形態を実現する具体的な実施例4を説明する。本実施例では、ta-C膜を形成する低圧アーク放電で、炭素粒子を用いた凹凸形状作製方法を用いた。低圧アーク放電では、プラズマを発生させる際、炭素イオンや電子以外にも多量の炭素微粒子が発生する。通常、この炭素微粒子は、屈曲した磁場ダクト等を用いて除去するが、本実施例においては、この炭素微粒子を利用してロータス効果を発現させた。
本実施形態の耐熱性皮膜31は、低硬度な皮膜と高硬度な皮膜とが積層した構造である。耐熱性皮膜31の膜厚に関して、外力に対するロバスト性という観点では、厚いほうが優位となるが、密着性という観点だけから考えれば、薄いほうが優位である。すなわち、ピストン冠面のように、他の部材との物理的な接触がない部材を覆う場合、基材の表面粗さが理想的にゼロであれば、耐熱性皮膜31の最低限必要となる膜厚は、薄膜として存在することが可能な約1nmということになる。しかし、現実の問題としては、少なくとも基材表面の粗さ以上の膜厚がなければ、基材表面への被覆性が100%とならない可能性がある。一方、ピストンリング溝部201のように、他部材(ピストンリング)との物理的な接触が発生する場合、膜厚が厚いほど、外力に対するロバスト性は向上する。しかし、耐熱性皮膜31の硬度が高い場合、その内部の圧縮応力が高いため、膜厚が厚いほど密着性が低下してしまう。上記のa-C:H膜およびta-C膜は、硬度が10〜60GPaと総じて高く、内部の圧縮応力も1〜6GPaとなり、密着性の問題が懸念される。そこで、本実施形態においては、圧縮応力緩和の一手段として、耐熱性皮膜31の中に低硬度な応力緩和皮膜と高硬度な皮膜とが積層する構造を採用した。他の点は第1実施形態と同様である。
本手法によって、耐熱性皮膜31として、膜厚が最大で10μmとなるa-C:H膜およびta-C膜を形成することに成功した。以上のように、耐熱性皮膜31は、表面粗さゼロという理想的な被処理基材を想定すると、その膜厚は、最小で1nmから形成が可能である。また、応力緩和皮膜を含む積層構造の採用により、最大で10μmまで形成が可能である。
本実施形態の耐熱性皮膜31は、第1実施形態の耐熱性皮膜31としての機能に加え、密着性皮膜30としての機能を併せ持つ。本実施形態の耐熱性皮膜31は、第1実施形態の耐熱性皮膜31および密着性皮膜30が1つの膜として構成されたものに相当する。すなわち、耐熱性皮膜31を構成する材料は、第1実施形態の耐熱性皮膜31を主として構成する炭素、および、第1実施形態の密着性皮膜30を主として構成するシリコンやクロム等である。他の点は第1実施形態と同様である。
以下、本実施形態を実現する具体的な実施例6を説明する。耐熱性皮膜31を、スプレー方式で形成した。すなわち、耐熱性皮膜31の材料を、スプレーにより、アルミニウム合金からなる基材20の表面200に噴射した。この方式を用いることで、耐熱性皮膜31の膜厚は数十μmと厚くなった。そこで、耐熱性皮膜31のロバスト性を向上させるために、基材20の表面200にあらかじめブラスト処理等を施し、アンカー効果を得るための凹凸形状とした。この表面200に耐熱性皮膜31を形成し、その上に撥油性皮膜32を形成した。
本実施形態の耐熱性皮膜31は、第6実施形態の耐熱性皮膜31と基本的に同じであるが、低熱伝導性皮膜としても機能する。耐熱性皮膜31の熱伝導率は低く、0.1W/mk以下である。これは、耐熱性皮膜31が複数の中空物質を含むことによる。耐熱性皮膜31が低熱伝導性皮膜として機能することで、エンジンの熱損失の低減ないし燃焼効率の向上を図ることができる。
以下、本実施形態を実現する具体的な実施例7を説明する。本実施例の耐熱性皮膜31の熱伝導率は、パルス光加熱サーモリフレクタンス法による測定結果から、0.02〜0.08W/mKであった。容積比熱は900〜2500KJ/m3Kであった。通常、ピストンを構成するアルミニウム合金の熱伝導率が100W/mK程度であり、容積比熱が3000KJ/m3K程度であることを考えれば、耐熱性皮膜31の熱伝導率は著しく低く、容積比熱も低い。熱伝導率が低いため、熱損失の低減を図ることができる。また、容積比熱が低いため、熱応答性が高い遮熱膜として有効であることがわかる。
以上、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、複合膜3(コーティング)の適用対象は、実施形態において検討を行った頂面200やピストンリング溝部201に限定されない。ピストンに関して言えば、図1〜図3に示されるピストンスカート部21の外表面、エプロン部22の外表面、および頂面200の裏側を含むピストンの内表面23等も適用対象となりうることは言うまでもない。ピストン以外に関して言えば、図1に示されるインジェクタ107の噴出部表面、シリンダ内壁面103、エンジンバルブ108,109の表面等、エンジンに使用されている部品すべてが適用対象となりうる。さらに、上記エンジンとして、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジン等も含まれることを前提としている。エンジンの燃料としては、ガソリン、軽油、重油、液化石油ガス、液化天然ガス、バイオ燃料、水素等が挙げられる。さらに、上記エンジンとして、車両に限らず船舶等に搭載されるエンジンも含まれる。
以上説明した実施形態から把握しうる技術的思想(または技術的解決策。以下同じ。)について、以下に記載する。
(1) 本技術的思想の内燃機関用部品は、その1つの態様において、
基材と、
前記基材の表面を覆う耐熱性皮膜と、
前記耐熱性皮膜の上にあり、前記耐熱性皮膜よりも撥油性が高い撥油性皮膜であって、ケイ素および酸素を介して前記耐熱性皮膜と共有結合する前記撥油性皮膜とを有する。
(2) より好ましい態様では、前記態様において、
前記耐熱性皮膜はダイヤモンドライクカーボンを含む。
(3) 別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記ダイヤモンドライクカーボンにおけるフッ素含有量は5at%未満である。
(4) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記ダイヤモンドライクカーボンにおける水素含有量が5at%未満である。
(5) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記ダイヤモンドライクカーボンにおける水素含有量が5at%以上であり、
前記ダイヤモンドライクカーボンは窒素を含む。
(6) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記基材と前記耐熱性皮膜の間に接合皮膜があり、
前記接合皮膜が前記基材と接合する力、および前記接合皮膜が前記耐熱性皮膜と接合する力は、前記耐熱性皮膜が前記基材と接合する力よりも大きい。
(7) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記基材の表面に接合する皮膜と前記基材との接合部が酸素を含まない。
(8) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
少なくとも一部が前記耐熱性皮膜の中にある粒子であって、前記耐熱性皮膜の算術表面粗さよりも粒径の大きい前記粒子を複数有する。
(9) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記耐熱性皮膜の膜厚が、1ナノメートル以上、100マイクロメートル以下である。
(10) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記撥油性皮膜の膜厚が1ナノメートル以上である。
(11) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記耐熱性皮膜は、複数の中空物質を含み、熱伝導率が0.1W/mk以下である。
(12) また、他の観点から、本技術的思想の内燃機関用部品の製造方法は、その1つの態様において、
基材の表面に耐熱性皮膜を形成する工程と、
前記耐熱性皮膜の表面に、前記耐熱性皮膜よりも撥油性が高い撥油性皮膜を形成する工程であって、
前記撥油性皮膜の材料はシランカップリング基を含み、
前記シランカップリング基を前記耐熱性皮膜の表面と反応させることで前記撥油性皮膜を形成する工程とを有する。
(13) より好ましい態様では、前記態様において、
前記耐熱性皮膜の表面に前記撥油性皮膜を形成する工程は、
前記耐熱性皮膜の表面に前記シランカップリング基を付着させる工程と、
前記撥油性皮膜が付着した前記耐熱性皮膜の表面を加熱する工程とを含む。
(14) 別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記基材の表面に前記耐熱性皮膜を形成する工程は、
前記基材の表面に水素含有アモルファスカーボン膜を形成する工程と、
前記水素含有アモルファスカーボン膜の表面に窒素を添加する工程とを含む。
2 ピストン本体
20 ピストンヘッド(基材)
3 複合膜
31 耐熱性皮膜
32 撥油性皮膜
Claims (14)
- 内燃機関用部品であって、
基材と、
前記基材の表面を覆う耐熱性皮膜と、
前記耐熱性皮膜の上にあり、前記耐熱性皮膜よりも撥油性が高い撥油性皮膜であって、ケイ素および酸素を介して前記耐熱性皮膜と共有結合する前記撥油性皮膜とを有する、
内燃機関用部品。 - 請求項1に記載の内燃機関用部品において、
前記耐熱性皮膜はダイヤモンドライクカーボンを含む、内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
前記ダイヤモンドライクカーボンにおけるフッ素含有量は5at%未満である、内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
前記ダイヤモンドライクカーボンにおける水素含有量が5at%未満である、内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
前記ダイヤモンドライクカーボンにおける水素含有量が5at%以上であり、
前記ダイヤモンドライクカーボンは窒素を含む、
内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
前記基材と前記耐熱性皮膜の間に接合皮膜があり、
前記接合皮膜が前記基材と接合する力、および前記接合皮膜が前記耐熱性皮膜と接合する力は、前記耐熱性皮膜が前記基材と接合する力よりも大きい、
内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
前記基材の表面に接合する皮膜と前記基材との接合部が酸素を含まない、内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
少なくとも一部が前記耐熱性皮膜の中にある粒子であって、前記耐熱性皮膜の算術表面粗さよりも粒径の大きい前記粒子を複数有する、内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
前記耐熱性皮膜の膜厚が、1ナノメートル以上、100マイクロメートル以下である、内燃機関用部品。 - 請求項2に記載の内燃機関用部品において、
前記撥油性皮膜の膜厚が1ナノメートル以上である、内燃機関用部品。 - 請求項1に記載の内燃機関用部品において、
前記耐熱性皮膜は、複数の中空物質を含み、熱伝導率が0.1W/mk以下である、内燃機関用部品。 - 内燃機関用部品の製造方法であって、
基材の表面に耐熱性皮膜を形成する工程と、
前記耐熱性皮膜の表面に、前記耐熱性皮膜よりも撥油性が高い撥油性皮膜を形成する工程であって、
前記撥油性皮膜の材料はシランカップリング基を含み、
前記シランカップリング基を前記耐熱性皮膜の表面と反応させることで前記撥油性皮膜を形成する工程とを有する、
内燃機関用部品の製造方法。 - 請求項12に記載の内燃機関用部品の製造方法において、
前記耐熱性皮膜の表面に前記撥油性皮膜を形成する工程は、
前記耐熱性皮膜の表面に前記シランカップリング基を付着させる工程と、
前記撥油性皮膜が付着した前記耐熱性皮膜の表面を加熱する工程とを含む、
内燃機関用部品の製造方法。 - 請求項12に記載の内燃機関用部品の製造方法において、
前記基材の表面に前記耐熱性皮膜を形成する工程は、
前記基材の表面に水素含有アモルファスカーボン膜を形成する工程と、
前記水素含有アモルファスカーボン膜の表面に窒素を添加する工程とを含む、
内燃機関用部品の製造方法。
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