CN114174549A - 滑动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明的滑动机构具备：具有铁类的热喷涂膜的缸孔、具有被以碳为主要成分的硬质膜所包覆的活塞环的活塞。并且，所述热喷涂膜包含金刚石磨粒，所述金刚石磨粒相对于所述热喷涂膜表面的面积率为0.3～1.8％，能够抑制具有以碳为主要成分的硬质膜的活塞环的磨耗。

Description

滑动机构
技术领域
本发明涉及滑动机构，更详细而言，涉及具备内燃机的缸孔和具有活塞环的活塞的滑动机构。
背景技术
车辆等的内燃机的滑动机构需要耐磨耗性、低摩擦性。
作为这样的滑动机构，具有比构成气缸体主体的金属材料硬度更高的铁类的热喷涂膜的缸孔和具有被以碳为主要成分的硬质膜所包覆的活塞环的活塞的组合广为人知。
所述热喷涂膜通过如下方法形成：将对孔内表面进行了基础材料加工的气缸体预热，将铁类金属材料的液滴喷涂至所述孔上。该热喷涂膜由于残留有附着在其表面上的热喷涂液滴的形状，因此表面凹凸较大。因此形成所述热喷涂膜后，为了使缸孔的圆度、圆柱度、和表面粗糙度精密化，要进行珩磨加工。
如专利文献1中公开的，所述热喷涂膜的珩磨加工中，使用包含金刚石磨粒的磨石。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-18908号公报
发明内容
本发明所解决的技术问题
形成有所述以碳为主要成分的硬质膜的活塞环的硬度高且耐磨耗性优异，但存在无法发挥所期待的耐磨耗性的情况。对于该原因，本发明者们进行了锐意研究的结果，发现：作为对象材料的热喷涂膜中埋存有的金刚石磨粒是原因之一。
本发明是基于这样的发现的发明，其目的在于：提供一种能够抑制被以碳为主要成分的硬质膜所包覆的活塞环的磨耗的、具备缸孔和具有活塞环的活塞的滑动机构。
解决技术问题的技术手段
本发明者为了达成所述目的而锐意研究的结果，发现：通过使铁类的热喷涂膜中埋存有的金刚石磨粒的面积率在给定的范围内，能够达成所述目的，进而完成了本发明。
即，本发明的滑动机构具备：
缸孔，所述缸孔具有铁类的热喷涂膜；
活塞，所述活塞具备具有以碳为主要成分的硬质膜的活塞环。
并且，所述热喷涂膜包含金刚石磨粒，
所述金刚石磨粒相对于所述热喷涂膜表面的面积率为0.3～1.8％。
发明的效果
根据本发明，由于将缸孔的铁类的热喷涂膜中埋存有的磨粒设为金刚石磨粒，使所述磨粒相对于所述热喷涂膜表面的面积率在给定的范围内，因此能够提供一种具备以碳为主要成分的硬质膜的活塞环的磨耗得到抑制的滑动机构。
附图说明
[图1]珩磨加工前的热喷涂膜的表面SEM像。
[图2]珩磨加工后的热喷涂膜的表面SEM像。
本发明的具体实施方式
以下将对本发明的滑动机构详细地进行说明。
所述滑动机构具备：具有铁类的热喷涂膜的缸孔、具备具有以碳为主要成分的硬质膜的活塞环的活塞。
<缸孔>
所述缸孔在其内圆周面上具有铁类的热喷涂膜(以下，也简称为“热喷涂膜”)，该热喷涂膜以金刚石制的磨石进行珩磨加工，埋存有来源于所述金刚石制的磨石的金刚石磨粒，热喷涂膜表面中以0.3～1.8％面积％的比例包含所述金刚石磨粒。
就珩磨加工而言，是对于形成了热喷涂膜的缸孔的内圆周面，以一定的压力将磨石按压在其上，在注入珩磨油的同时对其与缸孔之间连续地施加旋转运动和往复运动，从而精密地完成目标表面粗糙度、尺寸、圆度、圆柱度的加工。
但是，在这样的以往的加工方法中，在缸孔的上端部或下端部处研削方向会变化，由于受到较大的压力，容易埋存金刚石磨粒。
所述缸孔的上端部由于位于活塞的上死点，是供给的润滑油较少的部位，如果缸孔的上端部埋存有较多的磨粒，则活塞环的耐磨耗性会降低。特别是，在上死点的位置会变化的可变压缩比引擎中，上死点上升时润滑油难以供给，活塞环的耐磨耗性显著降低。
图1表示珩磨加工前的热喷涂膜的表面SEM像，图2表示珩磨加工后的表面SEM像。在图2中，中央的黑点为埋存的金刚石磨粒。
在本发明中，并非在将旋转的磨石留在缸孔内的状态下使其连续往复而进行研削，而是将旋转的磨石从一端侧往另一端侧，单方向地抽出而进行研削，由于能够抑制缸孔的上端部、下端部处的磨粒的埋存，因此能够将热喷涂膜中埋存有的金刚石磨粒的面积率设为0.3～1.8％，使活塞环的磨耗降低、耐磨耗性提高。
如果所述金刚石磨粒的面积率超过1.8％则耐磨耗性会降低，如果小于0.3％，则需要在极稳定的条件下进行珩磨加工，操作效率会降低。
在珩磨加工中，作为将金刚石磨石按压到热喷涂膜上的力，优选为1900(N)以下。如果按压力超过1900(N)则金刚石磨石容易破损，金刚石磨粒的面积率会增加。
此外，按压力的下限无特别限制，但从操作效率的观点出发优选为300(N)以上。
如果珩磨加工的余量、即通过珩磨加工进行研磨的热喷涂膜的厚度变厚，则金刚石磨粒的面积率会增加，因此余量优选为15μm以下。此外，如果余量小于5μm，则来源于热喷涂液滴的热喷涂膜表面的凹凸难于去除，难以对缸孔进行镜面处理(表面粗糙度Ra为0.1μm以下)。出于以上的理由，优选为5μm以上15μm以下。
并且，进行珩磨加工时磨石往上方向或下方向抽出的冲程次数无特别限制。热喷涂膜中埋存的金刚石磨粒的面积率根据按压磨石的力、热喷涂膜的硬度等而不同，但如果冲程次数增多，则有增加的倾向。
所述热喷涂膜埋有的金刚石磨粒优选硬度为6000～16000(HV)，并且最大粒径为8μm以下。
珩磨加工中使用的金刚石磨石的硬度越低，越能够提高活塞环的耐磨耗性。
此外，如果埋存的金刚石磨粒的最大粒径超过8μm，则对象攻击性变高，活塞环的耐磨耗性降低。
热喷涂膜中埋存的金刚石磨粒的最大粒径可以通过将金刚石磨石按压到热喷涂膜上的力等而进行调节。
需要说明的是，本发明中磨粒的最大粒径是指，从缸表面的法线方向观察埋存的金刚石磨粒中最大的磨粒时最长处的长度。
在本发明中，使用扫描型电子显微镜(SEM)，以5000倍的观察倍率拍摄进行了珩磨加工的缸孔的上端部(从上端起至1cm处)的内圆周面，通过图像处理进行2值化而计测热喷涂膜埋有的磨粒的形状、面积率、最大粒径。需要说明的是，0.1μm以下的大小的磨粒不算入面积率。
在本发明中，热喷涂膜的平均硬度(HV)优选在300～500的范围内。
如果平均硬度(HV)小于300，则热喷涂膜的磨耗变大，间隙(Clearance)增加，油(oil)消耗可能会增加。另一方面，如果平均硬度(HV)超过500，则对于作为对象材料的活塞环的攻击性变高，活塞环的磨耗可能会变大。
以上说明的本发明的热喷涂膜以铁(Fe)为主要成分，但优选包含0.05～0.25质量％的碳(C)。
如果热喷涂膜的碳量小于0.05质量％，则硬度变低，热喷涂膜的强度降低，可能会发生膜剥离。另一方面，碳量如果超过0.25质量％，则硬度变高，对象攻击性变高。
此处，热喷涂膜可以包覆孔的内表面整体，但也可以根据使用的活塞的冲程，而包覆与活塞发生滑动的孔内表面部分。
气缸体主体可以为铸铁制等，优选由铝合金或镁合金制成。由此能够追求内燃机的轻量化。
需要说明的是，在该内燃机用气缸体中，也可以在孔中配置其他的金属制的衬垫，例如配置铸铁制、铝合金制的衬垫，以所述热喷涂膜包覆该衬垫的内表面。
<活塞环>
就本发明的活塞环而言，母材至少在外圆圆周面上具有以碳为主要成分的硬质膜(以下，也简称为“硬质膜”)。
本发明中的硬质膜是以碳(C)为主要成分的结晶质或非晶质的膜。作为结晶质的硬质膜，可以举出包含金刚石的膜，作为非晶质的硬质膜，可以使用碳彼此的结合形态包含金刚石结构(SP3结合)和石墨结构(SP2结合)双方的、所谓的类金刚石碳(DLC)。
作为类金刚石碳，可以举出不含氢的无定形碳(amorphous Carbon(a-C))、含氢的氢无定形碳(a-C：H)，它们也可以包含一部分钛(Ti)、钼(Mo)等金属元素。
所述硬质膜可以通过CVD法、PVD法等而形成。一般而言，通过热CV D法、等离子体CVD法等CVD法形成的硬质膜中包含来源于原料的有机化合物(例如，烃气体)的氢，硬质膜的氢浓度典型地为15～40原子％。
所述硬质膜的平均硬度(HV)优选为1600～5000，更优选为1600～2100。
作为活塞环的母材，可以使用Cr-V钢、Mn-Cr钢等，以往在活塞环中使用的公知的金属材料。
实施例
以下，将通过实施例更详细地说明本发明，但本发明不限于下述实施例。
在铝合金(ADC12Z)制汽油引擎用气缸体的缸孔内圆周面，形成深度为约85μm的凹槽而进行基础材料加工。
对于包含碳的铁类的热喷涂丝，使用铜(Cu)电镀处理，通过电弧热喷涂方式，形成从凹槽底部起算的膜厚为270μm的热喷涂膜。
就热喷涂而言，是将所述气缸体预热至120℃后，在室温下向缸孔内部***喷嘴，使用氮气使热喷涂液滴飞散，以1200L/min喷涂热喷涂液滴，以500L/min流通氮气作为保护气体，在大气中进行，制作了内径为约80mm，全长约120mm的缸孔。
接下来，向所述缸孔中***金刚石磨石，以表1所示的条件，在使其旋转的同时按压到缸孔上，交替地重复往上方向的磨石的抽出和往下方向的磨石的抽出而进行珩磨加工，从而对缸孔的内表面进行了镜面处理(表面粗糙度Ra为0.1μm以下)。
<评价>
将镜面处理了的缸孔和具有以碳为主要成分的硬质膜的活塞环以下述的条件进行振动摩擦磨耗试验(SRV试验)，对活塞环的耐磨耗性(磨耗量)进行了评价。此外，热喷涂膜埋有的金刚石磨粒的硬度为9000(HV)。表1表示评价结果。
缸孔试验片尺寸：15mm×20mm
试验片温度：未测温
油：100℃运动粘度4cSt的PAO
负载：300N
冲程：3mm
频率：25Hz
试验时间：1hr
Figure BDA0003488449700000071
从表1所示的结果可以看出，金刚石磨粒的面积率为0.3～1.8％的实施例与比较例的滑动机构相比耐磨耗性更优异。

Claims (2)

1.一种滑动机构，其具备：
缸孔，所述缸孔具有铁类的热喷涂膜；和
活塞，所述活塞具备具有以碳为主要成分的硬质膜的活塞环，
所述热喷涂膜包含金刚石磨粒，
所述金刚石磨粒相对于所述热喷涂膜表面的面积率为0.3～1.8％。
2.根据权利要求1所述的滑动机构，其中，
所述金刚石磨粒的硬度为6000～16000(HV)，并且最大粒径为8μm以下。
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