JP6962998B2 - シリンダとピストンリングとの組み合わせ - Google Patents
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Description
(i)ピストンリングの外周面を、実質的に水素を含まない非晶質炭素皮膜(DLC皮膜)により形成すること、
(ii)非晶質炭素皮膜のビッカース硬さとシリンダのボア面のビッカース硬さの和を2500HV以下にすること、及び
(iii)非晶質炭素皮膜をラマン分光法で測定して得たラマン分光スペクトルにおけるGバンドのピーク強度に対するDバンドのピーク強度の比ID/IGを0.60以上1.33以下とすること、
の全てを充足させることにより、DLC皮膜の摩耗量が顕著に減少するとの知見を得た。
(1)内燃機関のシリンダと、該シリンダの内周面を摺動するピストンリングとを備えたシリンダとピストンリングとの組み合わせであって、
前記ピストンリングは、前記シリンダの内周面と摺動する外周面が、実質的に水素を含まない非晶質炭素皮膜により形成され、
前記非晶質炭素皮膜のビッカース硬さHd及び前記シリンダの内周面のビッカース硬さHbが、Hd+Hb≦2500HVを満足し、
前記非晶質炭素皮膜をラマン分光法で測定して得たラマン分光スペクトルにおけるGバンドのピーク強度に対するDバンドのピーク強度の比ID/IGが0.60以上1.33以下であることを特徴とするシリンダとピストンリングとの組み合わせ。
非晶質炭素皮膜の水素含有率の評価は、摺動部が平坦な面や曲率が十分大きな面に形成された非晶質炭素皮膜に対してはRBS(Rutherford Backscattering Spectrometry)/HFS(Hydrogen Forward Scattering Spectrometry)によって評価することができる。これに対して、ピストンリングの外周面など平坦でない摺動面に形成された非晶質炭素皮膜に対しては、RBS/HFS及びSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を組み合わせることによって評価する。RBS/HFSは公知の皮膜組成の分析方法であるが、平坦でない面の分析には適用できないので、以下のようにしてRBS/HFS及びSIMSを組み合わせる。
本実施形態では、DLC皮膜28のビッカース硬さHd及びシリンダの内周面12のビッカース硬さHbが、Hd+Hb≦2500HVを満足し、かつ、DLC皮膜28をラマン分光法で測定して得たラマン分光スペクトルにおけるGバンドのピーク強度に対するDバンドのピーク強度の比ID/IGが0.60以上1.33以下を満足することが肝要である。これにより、シリンダの内周面の材質によらず、DLC皮膜28の摩耗量を低減することができる。ID/IGは、具体的には、ラマン分光スペクトルをガウス関数によるカーブフィッティングによって、1350cm-1付近にピークを持つDバンドと1550cm-1付近にピークを持つGバンドとに分離し、Gバンドのピーク強度に対するDバンドのピーク強度の比を求めることにより得られる。なお、本発明において着目するID/IGは、ピーク強度の比であり、ピーク面積の比ではない。
なお、前述の実施の形態に係るピストンリングには、ピストンリングの基材に直接DLC皮膜を形成したものを例示したが、本発明はこれだけに限られない。例えば、ピストンリングの基材とDLC皮膜の間に、0.1〜1.0μmの厚さで金属系中間層を形成して密着性を高めることもできる。金属系中間層の材質としては、クロム、チタン、及びタングステンからなる群から選択された一つ以上の元素、又はこれらの炭化物を挙げることができる。さらに、使用環境によりDLC皮膜が万が一摩滅した場合でも、スカッフが発生しないように、耐スカッフ性に優れた硬質金属窒化物をピストンリング基材とDLC皮膜との間、あるいは、基材と金属中間層との間に1〜30μmの厚さで形成してもよい。硬質金属窒化物としては窒化クロム、窒化チタンやこれらの炭化物などであってもよい。
ピストンリングに対応する試験片として、φ6mm×長さ12mmのSUJ2製円柱を基材とし、その曲面に、表1に示す種々の水準のDLC皮膜を形成した。DLC皮膜の成膜は、真空アーク方式による成膜装置を用い、バイアス電圧及び基材温度を種々に設定して行った。表1に示すDLC皮膜の水素含有率及びビッカース硬さHdは、既述の方法により測定した値である。また、表1に示すDLC皮膜のID/IGは、レニショー株式会社製 inViaReflexラマン分光測定器を使用して測定した。具体的には、Arイオン励起レーザー波長は532.0nm、レーザー出力は50mW、対物レンズは100倍、減光器を通した条件で測定した。得られたラマンスペクトルに対して、900〜1900cm-1の範囲で2つのガウス関数にてピーク分離を行った。分離されたピークのうち1350cm-1付近のピークをDバンド、1550cm-1付近のピークをGバンドとし、Gバンドのピーク強度に対するDバンドのピーク強度の比ID/IGを求めた。
ピストンリングに対応する試験片である円柱の曲面と、シリンダに対応する試験片である金属平板の表面とを線接触させた状態で、往復摺動試験を行った。なお、金属平板の表面には予め120℃の添加剤を含まないエンジン油(ベースオイル)を滴下しておいた。試験条件は以下のとおりである。
荷重 :360N
往復摺動時の速度 :1500rpm
往復摺動時の振幅 :3mm
試験時間 :2時間
ピストンリングに対応する試験片として、φ6mm×長さ12mmのSUJ2製円柱を基材とし、その曲面に、表1に示す2水準のDLC皮膜を形成した。シリンダに対応する相手材の試験片として、20×20×3.5mmで、硬さ400HVの炭素鋼からなる平板を用意した。実験例1と同様の摺動試験を行い、DLC皮膜の摩耗量及び相手材の摩耗量を求めた。ただし、本実験例2では、円柱の曲面と平板の表面との間にカーボンブラックパウダーを撒いた状態で試験を行った。DLC皮膜の摩耗量及び相手材の摩耗量は、比較例に相当する水準No.2を1.00とした指数で表示した。
12 シリンダの内周面(ボア面)
20 ピストンリング
20A ピストンリングの基材
22 ピストンリングの外周面
24 ピストンリングの内周面
26A ピストンリングの上面(上側面)
26B ピストンリングの下面(下側面)
28 非晶質炭素皮膜
Claims (4)
- 内燃機関のシリンダと、該シリンダの内周面を摺動するピストンリングとを備えたシリンダとピストンリングとの組み合わせであって、
前記ピストンリングは、前記シリンダの内周面と摺動する外周面が、実質的に水素を含まない非晶質炭素皮膜により形成され、
前記非晶質炭素皮膜のビッカース硬さHd及び前記シリンダの内周面のビッカース硬さHbが、Hd+Hb≦2500HVを満足し、
前記非晶質炭素皮膜をラマン分光法で測定して得たラマン分光スペクトルにおけるGバンドのピーク強度に対するDバンドのピーク強度の比ID/IGが0.60以上1.33以下であることを特徴とするシリンダとピストンリングとの組み合わせ。 - 前記非晶質炭素皮膜のビッカース硬さHdが前記シリンダの内周面のビッカース硬さHbよりも大きい、請求項1に記載のシリンダとピストンリングとの組み合わせ。
- 前記シリンダの内周面のビッカース硬さHbが150HV以上800HV以下である、請求項1又は2に記載のシリンダとピストンリングとの組み合わせ。
- 前記非晶質炭素皮膜のビッカース硬さHdと前記シリンダの内周面のビッカース硬さHbとの差が1750HV以下を満足する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシリンダとピストンリングとの組み合わせ。
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