JP5564099B2

JP5564099B2 - シリンダとピストンリングの組合せ

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Publication number: JP5564099B2
Application number: JP2012286718A
Authority: JP
Inventors: 晃国元; 正樹諸貫
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014129826A; US20150300493A1; CN104903630A; CN104903630B; WO2014103940A1; EP2940350B1; EP2940350A4; EP2940350A1; US9644738B2

Description

本発明は、内燃機関のシリンダとシリンダの内周面を摺動するピストンリングとの組合せに関する。

近年、自動車エンジンを中心とする内燃機関は、燃費の向上が強く求められている。そのため、小型化、軽量化、摩擦損失の低減等を目指した研究開発が幅広く行われている。例えば、シリンダにはアルミニウム合金（以下「アルミ合金」という。）を採用し、ピストンリングには低摩擦係数の硬質炭素被膜（「ダイヤモンドライクカーボン（Diamond Like Carbon：DLC）」とも呼ばれている。）を被覆することが試みられている。

アルミ合金シリンダには、ピストンリングと直接摺動する部分について鋳鉄製ライナを鋳包んだものやメッキを施したものがあるが、シリンダの冷却性能とコストの両方を追求した結果、シリンダ自体耐摩耗性に優れたアルミ合金、例えば、比較的硬い初晶Siの晶出した過共晶Al-Si合金が使用されるようになってきた。

一方、ピストンリングは、アルミ合金に対する化学的安定性と低摩擦係数から硬質炭素被膜の適用が試みられている。しかし、硬質炭素被膜は、成膜に起因して大きな残留応力が内在することと、炭素結合が化学的に安定であるという二つの本質的な性質により、基材との密着性が低いことが実用化の大きな障害となっている。

特許文献１は、DLC被膜を被覆したピストンリングにおいて、残留応力を緩和するために、被膜が、内側から外側に向かって、密着層、金属含有DLC層、金属フリーDLC層からなる構成とし、金属フリーDLC層の厚さが金属含有DLC層の厚さに対し0.7〜1.5の比を有し、被膜厚さが5〜40μmであるピストンリングを開示している。すなわち、金属フリーDLC層の非常に高い内部応力を、同程度の厚さの金属含有DLC層によって相殺して密着性を改善している。ここで、金属フリーDLC層の硬さは、1700 HV0.02〜2900 HV0.02が好ましいとされ、ホーニングしたねずみ鋳鉄製シリンダースリーブを相手材とした実験で、優れた摩擦・耐摩耗性能を示している。

しかし、過共晶のAl-Si合金を相手材とし、特にエンジンの運転初期に、境界潤滑になった場合には、Si粒子が脱落、アブレイジブ（研磨材）として作用し、局部応力の増大による局部的な被膜剥離を起こしやすく、長期間の使用には供せないというのが実情である。

米国特許出願公報ＵＳ２０１２／０２０５８７５Ａ１

本発明は、過共晶のAl-Si合金からなるシリンダに対し、外周面に硬質炭素被膜を設けたピストンリングを組み合わせたときに、いずれも優れた耐摩耗性を示すシリンダとピストンリングの組合せを提供することを課題とする。

本発明者らは、特許文献１のピストンリングに被覆した被膜構成を基礎として、鋭意研究の結果、最表面の金属フリーDLC層の残留応力をさらに下げること、すなわち、金属フリーDLC層の剛性、すなわち硬さと弾性率を過共晶Al-Si合金のSi粒子と同レベルまで低く抑え、しかし塑性変形能の増加も抑えることにより、また金属フリーDLC層の厚さの金属含有DLC層の厚さに対する比を高くすることによって、過共晶Al-Si合金からなるシリンダに対しても、優れた耐摩耗性を示すシリンダとピストンリングの組合せとすることができることに想到した。

すなわち、本発明のシリンダとピストンリングの組合せは、シリンダは質量％で12〜38％のSiを含有するアルミニウム合金からなり、ピストンリングは少なくとも外周摺動面に基材側から順に金属層、金属含有硬質炭素層、及び金属フリー硬質炭素層からなる積層被膜を有し、前記積層被膜のマルテンス硬さ（押込み硬さ）HMsが5〜13 GPa、押込み弾性率Eが70〜200 GPa、塑性変形エネルギーWpと弾性変形エネルギーWeとの比（Wp/We）で表される変形率Rpeが0.45以下であり、前記金属フリー硬質炭素層の厚さTmfの前記金属含有硬質炭素層の厚さTmに対する比（Tmf/Tm）が2〜8であることを特徴とする。

前記金属フリー硬質炭素層は原子％で20〜35％の水素を含有することが好ましい。あるいは、原子％で15〜30％の水素、3〜12％の窒素を含有することが好ましい。

前記金属層は、Si、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素からなる金属層であることが好ましく、前記金属含有硬質炭素層は、Si、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素を含有する硬質炭素層であることが好ましい。また、前記金属層はCr層であり、前記金属含有硬質炭素層はW含有硬質炭素層であることがさらに好ましい。

本発明のシリンダとピストンリングの組合せは、ピストンリングに被覆した積層被膜最表面の金属フリー硬質炭素層の剛性、すなわち硬さと弾性率を、過共晶Al-Si合金のSi粒子と同レベルとし、且つ塑性変形能の増加も抑えているので、過共晶Al-Si合金製シリンダから脱落したSi粒子がアブレイジブとして摺動面に存在しても、金属フリー硬質炭素層は、クラックを生じることなく単に局部的に摩耗し、クラックの生成及び伝播による被膜剥離を抑えることに貢献する。また、これにより金属含有硬質炭素層の厚さに対して厚めに設定することが可能となり、結果的に、低摩擦損失で長寿命を示すシリンダとピストンリングの組合せを提供することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかるシリンダの摺動面の組織を模式的に示した図である。本発明の一実施形態にかかるピストンリングの部分断面を模式的に示した図である。（a）は往復動摺動試験の方法を示す図であり、（b）はピストンリングの摺動部分を示す図である。摩耗試験の結果として、Tmf/Tmと摩耗量の関係を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態にかかるシリンダの摺動面で、初晶Si粒子１が高い面積率で共晶マトリックス２（共晶Si粒子＋アルミマトリックス）中に分散している様子を示している。Si含有量は質量％で12〜38％とする。Si含有量が12％未満であると軟質な初晶Alが晶出して摩耗が進むので好ましくなく、またSi含有量が38％を超えると鋳造はもちろん熱間押出も困難になり好ましくない。ダイキャストを含む鋳造により製造する場合はSi含有量が18〜22％であるのが好ましく、急冷凝固粉末を焼結固化後、熱間押出法により製造されたものではSi含有量は20〜30％が好ましい。また、初晶Si粒子のサイズは3μm以上であることが好ましく、さらにAl₂O₃及び／又はSiO₂を含むことも好ましい。一般に、熱間押出法によるAl合金は、パイプ材に製造され、所定の加工を施して、別の鋳造性の良いAl合金で製造されたシリンダブロックに鋳包まれる。

一方、ピストンリングは、図２に示すように、基材３上に順に、金属層４、金属含有硬質炭素層５、及び金属フリー硬質炭素層６からなる積層被膜７が形成されている。積層被膜７は、耐摩耗性（寿命）を考慮すると2〜10μmの膜厚が好ましい。最表面の金属フリー硬質炭素層６の硬さと弾性率を、シリンダの摺動面で主に荷重を担う初晶Siの硬さとヤング率（マルテンス硬さHMs 9 GPa、ヤング率E 130 GPa程度）と同等とすることによって、Si粒子がアブレイジブとして作用して生じる硬質炭素層６の局部的な被膜剥離を回避することができる。本発明の被膜特性は、被膜厚さが薄いため、最表面の金属フリー硬質炭素層６のみの特性とは言い難いので、積層被膜７全体の、あるいは基材３の影響も含んだ特性とし、微小硬さ試験におけるマルテンス硬さHMsを 5〜13 GPa、押込み弾性率Eを70〜200 GPa、塑性変形エネルギーWpと弾性変形エネルギーWeとの比（Wp/We）で表される変形率Rpeを0.45以下とする。マルテンス硬さHMsが5 GPa未満、押込み弾性率Eが70 GPa未満、又は変形率Rpeが0.45を超えると、Siアブレイジブによる積層被膜７の摩耗が増加し、一方、マルテンス硬さHMsが13 GPaを超え、又は押込み弾性率Eが200 GPaを超えるとSiアブレイジブによる積層被膜７の局部的な被膜剥離が生じて長期間の使用に供せなくなる。また、積層被膜７の摩耗は、その摩耗粉によるAl合金製シリンダ摺動面の摩耗も促進する。積層被膜７のマルテンス硬さHMsは、6〜12 GPaが好ましく、7.5〜11 GPaがより好ましい。また、積層被膜の押込み弾性率Eは、90〜180 GPaが好ましく、100〜170 GPaがより好ましい。さらに積層被膜の変形率Rpeは、0.1〜0.4が好ましく、0.1〜0.3がより好ましい。

最表面の金属フリー硬質炭素層６の厚さTmfの金属含有硬質炭素層５の厚さTmに対する比（Tmf/Tm）は2〜8とする。（Tmf/Tm）が2未満であると、最表面の金属フリー硬質炭素層６の内部応力が下がりすぎて硬さも低くなり、Siアブレイジブによる積層被膜７の摩耗が増加する。一方、（Tmf/Tm）が8を超えると、最表面の金属フリー硬質炭素層６の内部応力が十分下がらず、Si粒子のアブレイジブによる局部的な被膜剥離を起こし、摩擦係数が増加するので好ましくない。（Tmf/Tm）は2.5〜6が好ましく、3〜5がより好ましい。

最表面の金属フリー硬質炭素層６の硬さと弾性率は、一般に、被膜の残留圧縮応力に密接に関係し、残留圧縮応力が高いほど硬さと弾性率も高くなる。残留圧縮応力は、硬質炭素層が体積膨張を引き起こしているものと仮定することができ、この中に、例えば、水素が取り込まれると、炭素の結合手の切断を引き起こし、結合を終端させて残留応力の緩和が起こり、硬さと弾性率を下げることが可能となる。金属フリー硬質炭素層６は、不可避的不純物を除き、炭素と水素のみによって構成され、その場合、水素含有量は20〜35原子％であることが好ましい。また、炭素と水素及び窒素によって構成されてもよく、その場合の水素含有量は15〜30原子％、窒素含有量は3〜12原子％であることが好ましい。

金属含有硬質炭素層５も水素を含有することが好ましく、金属に加え、水素を含有することによってさらに残留応力が緩和される。金属含有硬質炭素層５は、炭化物生成自由エネルギーが低く、炭素と反応して炭化物を生成しやすい金属のSi、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素を含有する硬質炭素層とすることが好ましい。W含有硬質炭素層が特に好ましい。また、含有する金属は、原子％で5〜30％であることが好ましく、7〜25％であることがより好ましい。

さらに、金属含有硬質炭素層５は、金属層４側で金属リッチとし、金属を含有しない硬質炭素層６側で炭素リッチとする傾斜構造とすることもできる。

金属層４は、金属含有硬質炭素層５と同様、炭化物生成自由エネルギーが低く、炭素と反応して炭化物を生成しやすい金属のSi、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素からなる金属層とすることが好ましい。Crの金属層が特に好ましい。

基材３は、ピストンリングに通常用いられる炭素鋼、シリコンクロム鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等からなることが好ましい。上記積層被膜７は、基材３上に直接形成されても、あるいは基材３上に下地層として形成された窒化層、Crめっき被膜、CrN被膜等の上に形成されてもよいことはいうまでもない。

また、ピストンリングの摺動面を構成する最表面の金属フリー硬質炭素層６の表面粗さは、Rzjis（十点平均粗さ、JIS B0601 (2001)）で0.15μm以下であることが好ましく、より好ましくは0.12μm以下である。被膜形成後に、必要に応じてピストンリング摺動面を研磨し、その表面のRzjisが0.15μm以下になるように調整することが好ましい。

本発明のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、ピストンリングに被覆される積層被膜は、スパッタリングやアークイオンプレーティング等のPVD（物理蒸着）法や、プラズマCVD（化学蒸着）法等により形成される。特に、積層被膜を形成する上で、マルチターゲットのスパッタリング装置が便利に利用できる。例えば、真空容器にCrターゲットとWターゲットを装備したスパッタリング装置を用い、まず、CrターゲットへのスパッタリングによりCr層を形成し、次に、Crターゲットへのスパッタリングを停止、Wターゲットをスパッタリングしながら、メタン、アセチレンなどの炭化水素系ガスとArガスを導入してW含有硬質炭素層を形成し、さらに続いて、Wターゲットのスパッタリングを停止して最表面の金属フリー硬質炭素層を形成することができる。硬質炭素層の形成は、電源から基材に負のバイアス電圧を印加してプラズマ放電させ、炭化水素系ガスを分解、基材に析出させる所謂プラズマCVD法によるものである。もちろん、炭化水素系ガスの代わりにグラファイトターゲットをスパッタリングして、PVD法により、硬質炭素層を形成することも可能である。

実施例１
脱脂洗浄した矩形断面で外周面をバレルフェイス形状としたピストンリング（窒化処理したSUS420J2 相当）、呼称径（d）90 mm、厚さ（h1）1.2 mm、幅（a1）3.2 mm）を成膜治具に50本重ねてセットし、第一のターゲット材料としてCr、第二のターゲット材料としてWを装備した成膜装置の自公転回転テーブルに設置した。なお、組成分析用試料として、外径25 mm、厚さ5 mmの焼入処理し、鏡面研磨したSKH51材を、ピストンリングの外周面と同様の動きをする治具にセットして設置した。装置内を所定の真空度まで排気した後、Arガスを導入して成膜治具に負のバイアス電圧を印加し、グロー放電によるクリーニング処理を行い、続いて、Crのスパッタリングにより、所定の時間、ピストンリング外周面にCr層を形成した。Crのスパッタリングを停止後、Wのスパッタリングの開始と同時にArガスに加えてC₂H₂ガスを導入して、所定の時間、W含有硬質炭素層を形成した。次に、Wのスパッタリングを停止し、所定の時間、W（金属）フリー硬質炭素層を形成した。ここで、成膜治具には、負のバイアス電圧を印加した。なお、W含有硬質炭素層の組成分析用試料については、別途、W含有硬質炭素層の形成まで行い、停止することによって作製した。

実施例２〜５及び比較例１〜３
積層被膜の各層の形成時間を変更する以外は、実施例１と同様にして、ピストンリング及び組成分析用試料にCr層/W含有硬質炭素層/金属フリー硬質炭素層（以下、「Cr/DLC(W)/DLC」ともいう。）積層被膜を形成した。

実施例１〜５及び比較例１〜３の得られたCr/DLC(W)/DLC積層被膜を被覆したピストンリング及び組成分析用試料を次の各種測定に供した。

[1] 膜厚測定
膜厚測定は、球面研磨法による所謂CALOTESTにより、積層被膜の基材面から各層の厚さを測定した。

[2] 微小硬さ試験（マルテンス硬さ、押込み弾性率、変形率の測定）
マルテンス硬さHMs、押込み弾性率E、変形率Rpeは、ISO 14577-1（計装化押込み硬さ試験）に準拠し、超微小硬度計（島津製作所、DUH-211）を用いて、Berkovich圧子、試験モード：負荷-除荷試験、試験力：19.6 mN、負荷除荷速度：0.4877 mN/sec、負荷→除荷保持時間：5秒、Cf-Ap補正あり、の条件で行った。測定個所は、被膜表面近傍を平均粒径0.25μmのダイヤモンドペーストを塗布した直径30 mmの鋼球を用いて球面研磨し、研磨部分について行った。マルテンス硬さHMs、押込み弾性率E、及び変形率Rpeは、荷重-押込み深さ曲線から計算される。測定結果としては、10点測定し、平均値を採用した。

[3] 硬質炭素層の組成分析
硬質炭素層中の組成分析は、組成分析用試料を用いて、金属含有量は電子線マイクロアナライザー（EPMA）により、水素含有量はラザフォード後方散乱分光法（RBS）／水素前方散乱分光法（HFS）により求めた。

[4] 表面粗さ測定
表面粗さの測定は、触針式粗さ測定器を用い、測定場所や触針の移動方向を変えながら5点測定し、平均値を採用した。測定条件はJIS B0638（2001）に準拠した。

[5] 密着性試験
積層被膜の密着性については、ドイツ技術者協会の規格（VDI3198 Coating of cold forging tools）されている剥離判定試験により行った。ロックウェル硬度計を用いた方法で、HF1〜HF4までを合格（○）とし、HF5及びHF6を不合格（×）と判定した。

[6] 摩耗試験
摩耗試験は、図３（a）に示すような、シリンダに相当するアルミ合金製プレート８の上を（図示しない固定治具に取り付けた）ピストンリングが厚さ方向に往復摺動する試験により行った。ここで、プレート８は、Al-20質量％Si合金板を研磨加工により表面粗さ（Rzjis）1.1μmに調整したものを使用し、ピストンリングは、長さ約30 mmに切断したピストンリング片９を使用した。試験条件は、垂直荷重（F）100 N、往復幅50 mm、往復周波数10 Hz、プレート温度120℃、潤滑下（市販エンジン油（5W-30SM）１０を1 cm³滴下）にて、試験時間20分とした。ピストンリングの摩耗量は、図３（b）に示す試験後のピストンリング片９に生じた楕円形状の摺動部１１の長軸長さLを摩耗量とした。一方、プレート８の摩耗量は、触針式粗さ計を用い、測定長さの両端に未摺動部が入るようにして摺動方向に測定した。この時の未摺動部と摺動部の差の最大値を摩耗量とした。また、プレート８の摺動面を目視で観察し、欠陥の有無で評価した。なお、長さ10 mm以上の大きなキズが認められる場合を「キズ」と表記した。

実施例１〜５及び比較例１〜３の各種測定結果は、次の表１及び表２に示す。積層被膜とプレートの摩耗量は、比較例１を１とした相対値で示している。

ピストンリングの積層被膜の摩耗量もAl合金プレートの摩耗量も、図４から、Tmf/Tmと密接な関係を示しており、Tmf/Tmが2〜8の間で優れた結果を示している。Tmf/Tmが8を超えると、密着性が低下し、脱落したSi粒子による局部的な被膜剥離が生じ、大きなキズが付いたことも観察された。

実施例６〜８
実施例６は、第一及び第二のターゲット材料にいずれも同じ金属、Crを装備した以外は、実施例１と同様にして、ピストンリング及び組成分析用試料にCr/DLC(Cr)/DLC積層被膜を形成し、実施例７は実施例６のCrの代わりにTiを、実施例８は実施例６のCrの代わりにWを装備して、それぞれTi/DLC(Ti)/DLC積層被膜及びW/DLC(W)/DLC積層被膜を形成した。また、実施例7及び８ではTi及びWのスパッタリングの停止とともに、ArガスとC₂H₂ガスに加えてN₂ガスも導入した。なお、実施例１に比較してターゲットが２倍となり金属イオンの発生量も増加するため、スパッタリングパワーを落とし、各層の形成時間を調整して、Tmf/Tmが所定の数値範囲に入るよう調整している。各種測定結果を表３及び表４に示す。いずれも、優れた耐摩耗性を示した。

1 初晶Si粒子
2 共晶マトリックス
3 ピストンリング基材
4 金属層
5 金属含有硬質炭素層
6 金属フリー硬質炭素層
7 積層被膜
8 アルミ合金製プレート
9 ピストンリング片
10 潤滑油
11 被膜摺動部

Claims

内燃機関のシリンダとピストンリングの組合せであって、シリンダは質量％で12〜38％のSiを含有するアルミニウム合金からなり、ピストンリングは少なくとも外周摺動面に基材側から順に金属層、金属含有硬質炭素層、及び金属フリー硬質炭素層からなる積層被膜を有し、前記積層被膜のマルテンス硬さHMsが5〜13 GPa、押込み弾性率Eが70〜200 GPa、塑性変形エネルギーWpと弾性変形エネルギーWeとの比（Wp/We）で表される変形率Rpeが0.45以下であり、前記金属フリー硬質炭素層の厚さTmfの前記金属含有硬質炭素層の厚さTmに対する比（Tmf/Tm）が2〜8であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
請求項１に記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属フリー硬質炭素層の水素含有量が20〜35原子％であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
請求項１に記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属フリー硬質炭素層の水素含有量が15〜30原子％、窒素含有量が3〜12原子％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合せ。
請求項１〜３のいずれかに記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属層が、Si、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素からなる金属層であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
請求項１〜４のいずれかに記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属含有硬質炭素層が、Si、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、Wの群から選択された1又は2以上の元素を含有する硬質炭素層であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。
請求項５に記載のシリンダとピストンリングの組合せにおいて、前記金属層がCr層であり、前記金属含有硬質炭素層がW含有硬質炭素層であることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合せ。