JPWO2015133490A1 - 内燃機関用シリンダブロック及びその製造方法 - Google Patents

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薫 神志那
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信彦 吉本
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純矢 船津
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Abstract

本発明は、内燃機関用シリンダブロック（１０）及びその製造方法に関する。内燃機関用シリンダブロック（１０）において、シリンダボア（１２）の内壁には、ＳｉＣ中間膜（２０）とＤＬＣ膜（２２）が形成される。ＳｉＣ中間膜（２０）の膜厚をＴ１、ＤＬＣ膜（２２）の膜厚をＴ２とするとき、下記の式（１）〜式（３）が成り立つ。Ｔ１≧０．２μｍ …（１）Ｔ１＜Ｔ２ …（２）Ｔ１＋Ｔ２≧７μｍ …（３）なお、０．２μｍ≦Ｔ１≦１μｍ、７μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍであることが好ましい。

Description

本発明は、自動車の走行駆動力の発生源である内燃機関を構成し、ピストンが摺動するシリンダボアが形成された内燃機関用シリンダブロック及びその製造方法に関する。
自動車の走行駆動力である内燃機関は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックを含んで構成される。この種のシリンダブロックは、アルミニウム合金の溶湯から鋳造加工によって作製されるのが一般的である。
通常、シリンダブロックをなすアルミニウム合金は耐摩耗性がさほど大きくない。このため、シリンダボア内に、耐摩耗性に優れるＡｌ−Ｓｉ合金からなるシリンダライナ（「シリンダスリーブ」とも呼称される）を配置し、該シリンダライナ内にピストンを摺動させるようにしている。これに対し、近時、耐摩耗性及び潤滑性が発現する表面処理を施したシリンダボアの内壁に、ピストンを摺動させることが提案されている。例えば、特開２００６−２２００１８号公報には、鉄系金属材料からなる溶射皮膜を形成した後、シリンダボアの内面に潤滑剤を含浸させる処理を行う技術が開示されている。
また、特許第３５５５８４４号公報、特許第４９７３９７１号公報の記載に基づき、潤滑性及び耐摩耗性に優れるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜をシリンダボアの内壁に形成することも考えられる。なお、特許第４９７３９７１号公報には、成膜対象である基材からＤＬＣ膜が剥離することを回避するべく、ＤＬＣ膜の成膜に先んじ、基材の表面に対してクロムメッキ処理、窒化クロム処理又は窒化処理等の予備処理を施すことが推奨されている。
特許第３５５５８４４号公報記載の技術を適用する場合、実用上、ＤＬＣ膜中の水素含有量、窒素含有量及び酸素含有量を規定し、さらに、該ＤＬＣ膜の表面粗さを規定する必要がある。また、特許第４９７３９７１号公報記載の技術においては、ＤＬＣ膜の内部と最表面部とで水素原子濃度を変化させることが必須であり、これを実現するためには、成膜の際、雰囲気に含まれる水素量を減少させる作業を行わなければならない。
以上のように、摺動部材に対してＤＬＣ膜を形成する従来技術には、該ＤＬＣ膜に含まれる成分の濃度、ないしその濃度分布を制御する必要があり、このため、煩雑な管理を行わなければならないという不都合がある。
しかも、上記の通り、ＤＬＣ膜は金属に対する接合力が小さく、特許第４９７３９７１号公報に記載されたような予備処理を施してもなお、ＤＬＣ膜が剥離する懸念がある。
本発明の主たる目的は、シリンダボアの内壁に形成されたＤＬＣ膜が剥離する懸念を払拭し得る内燃機関用シリンダブロックを提供することにある。
本発明の別の目的は、シリンダボアの内壁に、煩雑な管理を行うことなくＤＬＣ膜を形成し得る内燃機関用シリンダブロックの製造方法を提供することにある。
本発明の一実施形態によれば、アルミニウム合金からなり、シリンダボアの内壁がダイヤモンドライクカーボン膜で被覆された内燃機関用シリンダブロックであって、
前記内壁と前記ダイヤモンドライクカーボン膜との間に、ＳｉＣ中間膜が形成され、
前記ＳｉＣ中間膜の膜厚をＴ１、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の膜厚をＴ２とするとき、下記の式（１）〜式（３）が成り立つ内燃機関用シリンダブロックが提供される。
Ｔ１≧０．２μｍ …（１）
Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
Ｔ１＋Ｔ２≧７μｍ …（３）
また、本発明の別の一実施形態によれば、アルミニウム合金からなり、シリンダボアの内壁がダイヤモンドライクカーボン膜で被覆された内燃機関用シリンダブロックの製造方法であって、
前記内燃機関用シリンダブロックを陰極、前記シリンダボアを閉塞する第１閉塞部材及び第２閉塞部材を陽極として、前記シリンダボア内にＳｉＣ源ガスを供給することで、プラズマ化学的気相成長法によって前記内壁上にＳｉＣ中間膜を成膜する工程と、
前記ＳｉＣ源ガスの供給を停止するとともに、前記ＳｉＣ中間膜が形成された前記シリンダボア内にダイヤモンドライクカーボン源ガスを供給することで、プラズマ化学的気相成長法によって前記ＳｉＣ中間膜上にダイヤモンドライクカーボン膜を成膜する工程と、
を有し、
前記ＳｉＣ中間膜及び前記ダイヤモンドライクカーボン膜の成膜時のプラズマ化ガスの温度を１３０〜１９０℃の範囲内とするとともに、
前記ＳｉＣ中間膜の膜厚をＴ１、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の膜厚をＴ２とするとき、下記の式（１）〜式（３）が成り立つ成膜を行う内燃機関用シリンダブロックの製造方法が提供される。
Ｔ１≧０．２μｍ …（１）
Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
Ｔ１＋Ｔ２≧７μｍ …（３）
ＳｉＣ中間膜の膜厚Ｔ１を０．２μｍ以上とすることにより、該ＳｉＣ中間膜が下地であるシリンダボアの内壁（アルミニウム合金）に強固に接合する。このため、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜が堅牢に保持され、剥離し難くなる。加えて、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２を７μｍ以上とすることで、ＳｉＣ中間膜とＤＬＣ膜との積層膜にクラックが発生し難くなる。
すなわち、上記の条件を満足させることにより、剥離し難く、且つクラックが発生し難いＤＬＣ膜を形成することができる。しかも、この場合、ＤＬＣ膜に含まれる成分の濃度、ないしその濃度分布を制御する必要がない。従って、成膜の最中に煩雑な管理を行う必要もない。
このシリンダブロックを備える内燃機関では、シリンダボアの内壁に形成されたＤＬＣ膜の存在に基づいて、潤滑性及び耐摩耗性が長期間にわたって維持される。このためにシリンダ内の摩擦損失が低減するので、内燃機関の燃費特性等が良好となる。
なお、ＳｉＣ中間膜の出発原料は概して高価である。このため、ＳｉＣ中間膜の膜厚Ｔ１を過度に大きくすると、コストが高騰する。これを回避するべく、Ｔ１は１μｍ以下とすることが好ましい。また、積層膜の合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２を過度に大きくすると、サイドクラックが生じ易くなる。従って、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２は１３μｍ以下とすることが好ましい。要するに、０．２μｍ≦Ｔ１≦１μｍ、７μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍとするとよい。Ｔ１は、０．４μｍ以上であることがより好ましい。
合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２の一層好ましい範囲は、９μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍである。この場合、成膜温度を比較的低温とすることができるので、シリンダブロック（アルミニウム合金）に熱歪等が生じることを回避することができる。
ＤＬＣ膜は、ナノインデンテーション法による硬度が６〜１４ＧＰａであることが好ましく、８〜１０ＧＰａであることが一層好ましい。これにより、ＤＬＣ膜に対して摺接するピストンスカートに擦過傷が発生する懸念を払拭し得るとともに、ＤＬＣ膜にクラック等が生じることを回避することが容易となる。
ピストンにおいては、燃焼室で燃料を圧縮する関係上、燃焼室に近接する上死点側の摺動抵抗（摩擦抵抗）が大きくなる。このため、ピストンの上死点側で、下死点側に比してＤＬＣ膜の膜厚を大きく設定することが好ましい。これにより、上死点側の潤滑性を大きくして摩擦抵抗を低減することが可能となるからである。また、熱管理も最適化されるので、内燃機関の燃費特性が一層向上する。
そして、ＳｉＣ中間膜の成膜前、又はＤＬＣ膜の成膜前の少なくともいずれかにおいて、プラズマ化酸素ガスによるプラズマエッチングを行うことが好ましい。これにより成膜対象が清浄化されるので、ＳｉＣ中間膜又はＤＬＣ膜に異物が混入することを回避することができる。
さらに、ＳｉＣ中間膜及びダイヤモンドライクカーボン膜の成膜時のプラズマ化ガスの温度は、１５０〜１７０℃が一層好適である。
本発明の実施の形態に係る内燃機関用シリンダブロックの概略縦断面側面図である。 図１の内燃機関用シリンダブロックに形成されたシリンダボアの内壁の断面図である。 ＳｉＣ中間膜及びダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を成膜するための成膜装置のシステム系統図である。 ＳｉＣ膜を形成したアルミニウム合金サンプル片に対してロックウェル圧痕試験を行ったときの、ＳｉＣ膜の膜厚と下地の露出面積との関係を示すグラフである。 アルミニウム合金サンプル片に対し、各膜厚を一定としてＳｉＣ中間膜及びＤＬＣ膜を形成したときの成膜温度と、スクラッチ試験におけるＬｃ１値との関係を示すグラフである。 アルミニウム合金サンプル片に対し、ＳｉＣ中間膜の膜厚を一定として種々の膜厚のＤＬＣ膜を形成したときの成膜温度と、スクラッチ試験におけるＬｃ１値との関係を示すグラフである。
以下、本発明に係る内燃機関用シリンダブロック及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る内燃機関用シリンダブロック（以下、単に「シリンダブロック」とも表記する）１０の概略縦断面側面図である。この場合、シリンダブロック１０は、複数個のシリンダボア１２が並列するように形成された多気筒型のものであるが、図１においては、その中の１つのみを示している。
該シリンダブロック１０は、アルミニウム合金から設けられた鋳造品であり、各シリンダボア１２の内部において図示しないピストンが摺動する、いわゆるライナレスタイプである。なお、ピストンは、クランクケース１４内に収容されるクランクシャフト（図示せず）に対し、コネクティングロッド（図示せず）を介して連結される。このため、ピストンは、クランクシャフトの回転に伴ってシリンダボア１２内を往復動作する。また、シリンダボア１２の近傍には、冷却水が導入されるウォータジャケット１６が形成される。以上の構成については周知であり、従って、詳細な説明は省略する。
図２は、シリンダボア１２の内壁の断面図である。この図２に示すように、シリンダボア１２の内壁には、ＳｉＣ中間膜２０、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜２２がこの順序で積層されている。なお、図２中の矢印Ｘ方向、Ｙ方向は、図１中の矢印Ｘ方向、Ｙ方向に対応する。
ＳｉＣ中間膜２０は、シリンダボア１２の内壁（すなわち、アルミニウム合金）と、ＤＬＣ膜２２との双方に良好に接合し、これにより、ＤＬＣ膜２２が剥離することを防止する。
ここで、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚をＴ１、ＤＬＣ膜２２の膜厚をＴ２とするとき、ＳｉＣ中間膜２０及びＤＬＣ膜２２は、Ｔ１及びＴ２の間に下記の式（１）〜（３）が成り立つように成膜されている。なお、理由については後述する。
Ｔ１≧０．２μｍ …（１）
Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
Ｔ１＋Ｔ２≧７μｍ …（３）
Ｔ１は、０．２μｍ以上であり且つＴ２よりも小さければ特に限定されるものではないが、ＳｉＣ中間膜２０の出発原料であるトリメチルシランは高価であるので、膜厚が大きくなるとコストの高騰を招く。これを回避するべく、Ｔ１は、１μｍ以下であることが好ましい。
また、ＳｉＣ中間膜２０とＤＬＣ膜２２の合計膜厚、すなわち、Ｔ１＋Ｔ２は、９μｍ以上であり、且つ１３μｍ以下であることが好ましい。
ＤＬＣ膜２２の硬度が過度に大きいと、靭性が小さくなるとともに、ＤＬＣ膜２２に対して摺接するピストンスカートに擦過傷が発生する懸念がある。一方、硬度が過度に小さいと、剛性が小さくなるためにクラック等が生じ易くなる傾向がある。これを回避するべく、ＤＬＣ膜２２は、ナノインデンテーション法（「超微小押し込み硬度試験」とも指称される）によって求められる硬度が６〜１４ＧＰａであることが好ましい。なお、８〜１０ＧＰａであると一層好適である。
ＳｉＣ中間膜２０及びＤＬＣ膜２２を成膜するためには、図３にシステム系統図として示す成膜装置３０を構成し、プラズマ化学的気相成長（プラズマＣＶＤ）法を行う。ここで、成膜装置３０は、シリンダブロック１０に連結されてシリンダボア１２を封止する供給系３２及び排出系３４と、制御系３６とを有する。この中の供給系３２は、第１ボンベ３８、第２ボンベ４０、第３ボンベ４２及び第４ボンベ４４と、これらのボンベ３８、４０、４２、４４に接続された第１供給管４６、第２供給管４８、第３供給管５０及び第４供給管５２を含む。
第１ボンベ３８には、酸素（Ｏ2）ガスが充填されている。また、第２ボンベ４０、第３ボンベ４２の各々は、アルゴン（Ａｒ）、Ｓｉ（ＣＨ3）3（トリメチルシラン）ガスの供給源であり、第４ボンベ４４は、Ｃ2Ｈ2（アセチレン）の供給源である。
第１供給管４６には、第１バルブ５４、第１マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５６、第２バルブ５８が上流側からこの順序で介装される。同様に、第２供給管４８には第３バルブ６０、第２ＭＦＣ６２、第４バルブ６４が上流側からこの順序で介装され、第３供給管５０には第５バルブ６６、第３ＭＦＣ６８、第６バルブ７０が上流側からこの順序で介装される。さらに、第４供給管５２には第７バルブ７２、第４ＭＦＣ７４、第８バルブ７６が上流側からこの順序で介装される。
第１供給管４６、第２供給管４８、第３供給管５０及び第４供給管５２は、１本の集合管７８に収斂される。集合管７８には、第９バルブ８０が介装される。
集合管７８は、シリンダボア１２の一端を閉塞する第１閉塞部材８２を介してシリンダボア１２に接続される。勿論、シリンダブロック１０と第１閉塞部材８２との間には、所定のシールがなされている。
一方の排出系３４は、第２閉塞部材８４を介してシリンダボア１２に連結された１本の排気管８６を有する。排気管８６には、制御弁８８、サーボポンプ９０及び真空ポンプ９２が設けられる。また、第１閉塞部材８２とシリンダブロック１０との間と同様に、シリンダブロック１０と第２閉塞部材８４との間にも所定のシールがなされる。
制御系３６は、制御装置（例えば、コンピュータ）９４と、該制御装置９４によって制御されるバイアス電源９６、圧力コントローラ９８とを含む。制御装置９４は、前記第１バルブ５４〜第９バルブ８０、前記サーボポンプ９０及び前記真空ポンプ９２の動作も制御する。すなわち、かかる制御によって第１バルブ５４〜第９バルブ８０が個別に開閉され、また、サーボポンプ９０及び前記真空ポンプ９２が付勢又は滅勢される。
バイアス電源９６は、リード線１００を介してシリンダブロック１０の外表面に電気的に接続されている。バイアス電源９６により、シリンダブロック１０に対し、負のバイアスが付与される。すなわち、シリンダブロック１０は陰極として機能する。その一方で、第１閉塞部材８２及び第２閉塞部材８４の各々には、接地（アース）された陽極１０２が設けられる。
圧力コントローラ９８は、排気管８６に接地された図示しない圧力センサからの情報に基づき、制御弁８８の開度を調節する。この開度調節により、排気管８６内、ひいてはシリンダボア１２内の圧力が制御される。
ＳｉＣ中間膜２０及びＤＬＣ膜２２は、上記した成膜装置３０を用い、以下のようにして成膜される。この点につき、本実施の形態に係るシリンダブロック１０の製造方法との関係で説明する。
はじめに、制御装置９４は、サーボポンプ９０及び真空ポンプ９２を付勢するとともに、制御弁８８を所定の開度で開放する。これに伴い、排気管８６、第２閉塞部材８４、シリンダボア１２、第１閉塞部材８２及び集合管７８内から排気がなされる。
さらに、制御装置９４は、第１供給管４６に設けられた第１バルブ５４及び第２バルブ５８、集合管７８に設けられた第９バルブ８０を開放する。これにより、第１ボンベ３８からの酸素ガスの供給が開始される。酸素ガスの流量は、第１ＭＦＣ５６によって制御される。
酸素ガスの供給開始と同時、又は前後して、制御装置９４の制御作用下にバイアス電源９６が付勢され、その結果、シリンダブロック１０に負のバイアスが印加される。一方、第１閉塞部材８２には、接地された陽極１０２が設けられている。このため、第１閉塞部材８２が陰極として作用し、該第１閉塞部材８２内で酸素ガスがプラズマ化されてプラズマ化酸素ガスが生成する。プラズマ化される際には所定のエネルギが付与されるので、プラズマ化酸素ガスは、酸素ガスに比して高温である。
このように高温となったプラズマ化酸素ガスにより、第１閉塞部材８２の内部、及びシリンダボア１２の内壁が清浄化される。すなわち、いわゆるプラズマエッチングがなされる。第２閉塞部材８４にも、接地された陽極１０２が設けられているので、第２閉塞部材８４内も同様にして清浄化される。清浄化に要する時間は、シリンダボア１２の容積にもよるが、最大でも、酸素ガスの流通を開始してから３０秒程度で十分である。
所定の時間が経過した後、制御装置９４の制御作用下に第１バルブ５４及び第２バルブ５８が閉塞される。その後直ちに、第３バルブ６０、第４バルブ６４、第５バルブ６６及び第６バルブ７０が開放され、第２ボンベ４０、第３ボンベ４２からアルゴンガス、トリメチルシランガスがそれぞれ供給される。アルゴンガス、トリメチルシランガスの各流量は、第２ＭＦＣ６２、第３ＭＦＣ６８によって制御される。
アルゴンガスは、負のバイアスが印加されて陰極として機能するシリンダブロック１０と、第１閉塞部材８２に設けられて接地された陽極１０２との作用下にプラズマ化される。同様に、トリメチルシランガスもプラズマ化され、プラズマ化アルゴンガス及びプラズマ化トリメチルシランガスが生成する。これらプラズマ化アルゴンガス及びプラズマ化トリメチルシランガスの温度は、１３０〜１９０℃の範囲内、好適には１５０℃となるように制御される。なお、この温度制御は、シリンダブロック１０に印加する電圧を調節したり、ヒータを利用したりすることによって行われる。
プラズマ化トリメチルシランガスが活性であり、且つ活性なプラズマ化アルゴンガスが存在するため、トリメチルシランを源として活性なＳｉＣが生成する。ＳｉＣは、電気的作用によって陰極であるシリンダブロック１０に引き寄せられて付着する。この現象が逐次的に継続されることにより、ＳｉＣ中間膜２０が形成される。
ここで、ＳｉＣ膜を形成したアルミニウム合金サンプル片に対し、ロックウェル圧痕試験を行った結果を、ＳｉＣ膜の膜厚との関係で図４に示す。なお、圧子としてはダイヤモンドを選定し、付与荷重は６．２５ｋｇとしている。そして、圧痕を観察し、ＳｉＣ膜が剥離して下地（アルミニウム合金）が露出しているとき、その露出面積を算出した。
図４は、ＳｉＣ膜の膜厚を種々変更したときの試験結果、すなわち、下地の露出面積を示している。下地の露出面積が小さいほど、ＳｉＣ膜と下地との接合（密着）が強固であることを意味する。
この図４から、ＳｉＣ膜が０．２μｍ未満であるときには露出面積が大きくなる場合があるのに対し、０．２μｍ以上となると、露出面積が最大でも１０００μｍ2以下の小さな規模で安定することが分かる。このような理由から、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１（図２参照）は０．２μｍ以上、一層好ましくは０．４μｍ以上に設定される。ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１は、０．２μｍ以上であり且つＤＬＣ膜２２の膜厚Ｔ２を下回る大きさであれば特に制限はないが、上記したようにＳｉＣ膜の出発原料であるトリメチルシランは高価であるので、コストが高騰することを回避するべく、１μｍ以下であることが好ましい。
なお、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１が０．２μｍに到達したか否かは、予備成膜試験に基づいて判断することができる。すなわち、予備成膜試験を同一条件下で行い、成膜時間と、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１との関係を求める。そして、ＳｉＣ中間膜２０を成膜する際、予備成膜試験において、膜厚Ｔ１が０．２μｍに到達した成膜時間となったときに、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１が０．２μｍに到達したと判断する。
制御装置９４は、所定の時間が経過すると、「ＳｉＣ中間膜２０の成膜が終了した」と判断する。そして、第３バルブ６０、第４バルブ６４、第５バルブ６６及び第６バルブ７０を閉止し、第１バルブ５４及び第２バルブ５８を再開放する。これにより、特に、第１閉塞部材８２内及び第２閉塞部材８４内の残留トリメチルシランガスや、反応残渣である炭化水素等がプラズマ化酸素ガスに捕捉される。すなわち、プラズマエッチングによる清浄化がなされる。
その後、制御装置９４は、第１バルブ５４及び第２バルブ５８を閉塞し、その後直ちに、第３バルブ６０、第４バルブ６４、第７バルブ７２及び第８バルブ７６を開放する。その結果、第２ボンベ４０、第４ボンベ４４からアルゴンガス、アセチレンガスがそれぞれ供給される。アルゴンガスの流量は、上記したように第２ＭＦＣ６２によって制御され、一方、アセチレンガスの流量は、第４ＭＦＣ７４によって制御される。
アルゴンガス及びアセチレンガスは、上記と同様にプラズマ化され、プラズマ化アルゴンガス及びプラズマ化アセチレンガスが生成する。これらプラズマ化アルゴンガス及びプラズマ化アセチレンガスの温度も、１３０〜１９０℃の範囲内、好適には１５０℃となるように制御される。
プラズマ化アセチレンガスが活性であり、且つ活性なプラズマ化アルゴンガスが存在するため、アセチレンを源として活性な炭素が生成する。炭素は、電気的作用によってシリンダブロック１０に引き寄せられ、付着して堆積する。これにより、ＤＬＣ膜２２が形成される。
ここで、アルミニウム合金サンプル片に対してＳｉＣ中間膜２０及びＤＬＣ膜２２を形成したときのプラズマ化ガスの温度（成膜温度）と、周知のスクラッチ試験におけるＬｃ１値との関係を図５に示す。なお、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１は０．５μｍ、ＳｉＣ中間膜２０とＤＬＣ膜２２の合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２は１０μｍに設定している。すなわち、このスクラッチ試験においては、成膜温度のみが相違する。
図５から、成膜温度が高いほどＬｃ１値が大きいこと、換言すれば、ＤＬＣ膜２２の緻密性が大きいことが分かる。
また、図６に、成膜温度を１３０℃、１５０℃、１７０℃、１９０℃としたときの合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２と、Ｌｃ１値との関係を示す。なお、この場合も、各サンプル片におけるＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１を０．５μｍに設定している。
この図６から、成膜温度が高いほど、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２が小さくても緻密で高強度のＤＬＣ膜２２が得られることが分かる。例えば、成膜温度が１９０℃である場合、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２が７μｍ程度でも十分大きなＬｃ１値を示す。
ここで、シリンダブロック１０はアルミニウム合金からなる。周知の通り、アルミニウム合金の融点は低く、このため、成膜温度を過度に高くすると、シリンダブロック１０に熱歪が生じる。１９０℃では熱歪が生じることはないが、熱歪を一層確実に回避するべく、１９０℃よりも低温で成膜を行うことが好ましい。例えば、１７０℃や１５０℃等で成膜を行っても、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２を８〜９μｍ程度とすることで、１９０℃で成膜されて合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２が７μｍである積層膜と同程度のＬｃ１値を示す積層膜が得られる。
図６からは、成膜温度が低温であっても、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２を大きくすることにより、同程度のＬｃ１値を示す積層膜が得られることが分かる。しかしながら、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２が１３μｍを超えると、ＤＬＣ膜２２にサイドクラックが生じ易くなる。この理由は、積層膜の膜厚が大きくなったことに伴って膜中の応力が増大するとともに、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１が相対的に小さくなるので該ＳｉＣ中間膜２０の靭性が低下するためであると考えられる。
成膜温度を過度に低温にすると、十分に大きなＬｃ１値を示す積層膜を得るには、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２を１３μｍ超とすることが必要となる。この場合、上記したようにサイドクラックが生じ易くなるので、潤滑性等を維持することが困難となる。また、このような厚膜を形成するためには成膜時間を長くせざるを得ないので、アセチレンガス等の出発原料の消費量が多くなり、不経済である。
以上のような理由から、成膜温度を１５０〜１７０℃程度とし、合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２を７〜１３μｍの範囲内とすることが好ましい。勿論、ＤＬＣ膜２２の膜厚Ｔ２は、ＳｉＣ中間膜２０の膜厚Ｔ１よりも大きくする。
制御装置９４は、所定の時間が経過すると、「ＤＬＣ膜２２の成膜が終了した」と判断し、第３バルブ６０、第４バルブ６４、第７バルブ７２及び第８バルブ７６を閉止する。以上により、シリンダボア１２の内壁に対するＳｉＣ中間膜２０及びＤＬＣ膜２２の成膜が終了する。
さらに、第９バルブ８０、制御弁８８が閉止され、サーボポンプ９０及び真空ポンプ９２が滅勢（停止）されるとともに、バイアス電源９６からのバイアスの印加が停止される。
なお、ＤＬＣ膜２２の膜厚Ｔ２が所定の厚み（例えば、７．５〜９μｍ）に到達したか否かは、ＳｉＣ中間膜２０と同様に、予備成膜試験での結果に基づいて判断することができる。ＳｉＣ中間膜２０及びＤＬＣ膜２２の成膜の最中、シリンダボア１２内の圧力は、制御弁８８の開度が調節されることで略一定に保たれる。
以上のようにして得られたＤＬＣ膜２２は、ナノインデンテーション法による硬度が６〜１４ＧＰａの範囲内である。
別のシリンダブロック１０のシリンダボア１２の内壁に対してＳｉＣ中間膜２０及びＤＬＣ膜２２の成膜を行うには、第１閉塞部材８２及び第２閉塞部材８４を、該別のシリンダブロック１０に取り付けてシリンダボア１２を閉塞する。その後、制御装置９４の制御作用下に、上記と同様にして先ずプラズマエッチングが行われる。
すなわち、制御装置９４は、その後、第１バルブ５４及び第２バルブ５８を開放する。これにより、第１閉塞部材８２内及び第２閉塞部材８４内の残留アセチレンガスや、反応残渣である炭素等がプラズマ化酸素ガスに捕捉されて清浄化がなされる。
その後、ＳｉＣ中間膜２０の成膜が行われる。第１閉塞部材８２及び第２閉塞部材８４の内部は、上記したようにプラズマエッチングによって清浄化されている。このため、この成膜時に異物が混入すること、すなわち、コンタミネーションを回避することができる。
なお、ＤＬＣ膜２２の膜厚Ｔ２は、ピストンの下死点側に比して摺動抵抗が大きな上死点側、すなわち、燃焼室に近接する側で大きいことが好ましい。このようにすることにより、燃焼室の熱管理が最適化される。従って、内燃機関の燃費特性が向上する。
このような成膜を行うには、ピストンの上死点側となる部位の成膜速度を大きくすればよい。このためには、例えば、シリンダブロック１０のシリンダヘッド側端部をヒータで加熱する等すればよい。
本発明の一実施形態によれば、アルミニウム合金からなり、シリンダボアの内壁がダイヤモンドライクカーボン膜で被覆された内燃機関用シリンダブロックであって、
前記内壁と前記ダイヤモンドライクカーボン膜との間に、ＳｉＣ中間膜が形成され、
前記ＳｉＣ中間膜の膜厚をＴ１、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の膜厚をＴ２とするとき、下記の式（１）〜式（３）が成り立つ内燃機関用シリンダブロックが提供される。
Ｔ１≧０．２μｍ …（１）
Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
７μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍ …（３）
また、本発明の別の一実施形態によれば、アルミニウム合金からなり、シリンダボアの内壁がダイヤモンドライクカーボン膜で被覆された内燃機関用シリンダブロックの製造方法であって、
前記内燃機関用シリンダブロックを陰極、前記シリンダボアを閉塞する第１閉塞部材及び第２閉塞部材を陽極として、前記シリンダボア内にＳｉＣ源ガスを供給することで、プラズマ化学的気相成長法によって前記内壁上にＳｉＣ中間膜を成膜する工程と、
前記ＳｉＣ源ガスの供給を停止するとともに、前記ＳｉＣ中間膜が形成された前記シリンダボア内にダイヤモンドライクカーボン源ガスを供給することで、プラズマ化学的気相成長法によって前記ＳｉＣ中間膜上にダイヤモンドライクカーボン膜を成膜する工程と、
を有し、
前記ＳｉＣ中間膜及び前記ダイヤモンドライクカーボン膜の成膜時のプラズマ化ガスの温度を１３０〜１９０℃の範囲内とするとともに、
前記ＳｉＣ中間膜の膜厚をＴ１、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の膜厚をＴ２とするとき、下記の式（１）〜式（３）が成り立つ成膜を行う内燃機関用シリンダブロックの製造方法が提供される。
Ｔ１≧０．２μｍ …（１）
Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
７μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍ …（３）
酸素ガスの供給開始と同時、又は前後して、制御装置９４の制御作用下にバイアス電源９６が付勢され、その結果、シリンダブロック１０に負のバイアスが印加される。一方、第１閉塞部材８２には、接地された陽極１０２が設けられている。このため、第１閉塞部材８２が陽極として作用し、該第１閉塞部材８２内で酸素ガスがプラズマ化されてプラズマ化酸素ガスが生成する。プラズマ化される際には所定のエネルギが付与されるので、プラズマ化酸素ガスは、酸素ガスに比して高温である。

Claims (11)

  1. アルミニウム合金からなり、シリンダボア（１２）の内壁がダイヤモンドライクカーボン膜（２２）で被覆された内燃機関用シリンダブロック（１０）であって、
    前記内壁と前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）との間に、ＳｉＣ中間膜（２０）が形成され、
    前記ＳｉＣ中間膜（２０）の膜厚をＴ１、前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）の膜厚をＴ２とするとき、下記の式（１）〜式（３）が成り立つことを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）。
    Ｔ１≧０．２μｍ …（１）
    Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
    Ｔ１＋Ｔ２≧７μｍ …（３）
  2. 請求項１記載のシリンダブロック（１０）において、０．２μｍ≦Ｔ１≦１μｍ、７μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍが成り立つことを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）。
  3. 請求項２記載のシリンダブロック（１０）において、９μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍが成り立つことを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリンダブロック（１０）において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）のナノインデンテーション法による硬度が６〜１４ＧＰａであることを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）。
  5. 請求項４記載のシリンダブロック（１０）において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）のナノインデンテーション法による硬度が８〜１０ＧＰａであることを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリンダブロック（１０）において、ピストンの上死点側で、ピストンの下死点側に比してダイヤモンドライクカーボン膜（２２）の膜厚が大きく設定されていることを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）。
  7. アルミニウム合金からなり、シリンダボア（１２）の内壁がダイヤモンドライクカーボン膜（２２）で被覆された内燃機関用シリンダブロック（１０）の製造方法であって、
    前記内燃機関用シリンダブロック（１０）を陰極、前記シリンダボア（１２）を閉塞する第１閉塞部材（８２）及び第２閉塞部材（８４）を陽極として、前記シリンダボア（１２）内にＳｉＣ源ガスを供給することで、プラズマ化学的気相成長法によって前記内壁上にＳｉＣ中間膜（２０）を成膜する工程と、
    前記ＳｉＣ源ガスの供給を停止するとともに、前記ＳｉＣ中間膜（２０）が形成された前記シリンダボア（１２）内にダイヤモンドライクカーボン源ガスを供給することで、プラズマ化学的気相成長法によって前記ＳｉＣ中間膜（２０）上にダイヤモンドライクカーボン膜（２２）を成膜する工程と、
    を有し、
    前記ＳｉＣ中間膜（２０）及び前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）の成膜時のプラズマ化ガスの温度を１３０〜１９０℃の範囲内とするとともに、
    前記ＳｉＣ中間膜（２０）の膜厚をＴ１、前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）の膜厚をＴ２とするとき、下記の式（１）〜式（３）が成り立つ成膜を行うことを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）の製造方法。
    Ｔ１≧０．２μｍ …（１）
    Ｔ１＜Ｔ２ …（２）
    Ｔ１＋Ｔ２≧７μｍ …（３）
  8. 請求項７記載の製造方法において、前記ＳｉＣ中間膜（２０）の成膜前、又は前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）の成膜前の少なくともいずれかに、プラズマ化酸素ガスによるプラズマエッチングを行うことを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）の製造方法。
  9. 請求項７又は８記載の製造方法において、０．２μｍ≦Ｔ１≦１μｍ、７μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍが成り立つ成膜を行うことを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）の製造方法。
  10. 請求項９記載の製造方法において、９μｍ≦Ｔ１＋Ｔ２≦１３μｍが成り立つ成膜を行うことを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）の製造方法。
  11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の製造方法において、前記ＳｉＣ中間膜（２０）及び前記ダイヤモンドライクカーボン膜（２２）の成膜時のプラズマ化ガスの温度を１５０〜１７０℃の範囲内とすることを特徴とする内燃機関用シリンダブロック（１０）の製造方法。
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