【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は鋳鉄などの鉄系材料を相手材とした場合の耐摩耗性、耐焼き付き性にすぐれた非晶質硬質炭素皮膜と、それを用いた摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、摺動部材においては耐摩耗性、耐スカッフ（焼き付き）、摩擦損失の低減が要求される。摺動部材は、特殊な場合を除いて、一般にオイルにより潤滑され、摺動部材の面粗さや供給されるオイル量によって摺動箇所の潤滑条件が決まる。
一般にオイルが潤沢に供給される条件下では流体潤滑が支配的となり、ほとんど摺動部材同士の表面は接触することはない。しかしながら、オイル供給量が減少し、接触部の温度が上昇し、あるいは摺動部に高い面圧がかかるような摺動部では油膜厚さが薄くなる場合がある。このような状況下で摺動部材の表面粗さと油膜厚さとの相対的な関係において、油膜厚さの方が小さくなるような場合には摺動部材の表面同士が接触する。このように部分的に固体接触が起こるために摺動部材は摩耗することになる。こうした摩耗を防ぐために摺動面への表面処理、硬化処理や、摺動面形状や粗さの最適化などが必要となる。
【０００３】
たとえば自動車用エンジンの鋳鉄ライナー材を相手材とするピストンリングにはＣｒめっきや窒化などの表面処理が行われ、あるいはディーゼルエンジンなど非常に摺動条件の厳しい場合にはイオンプレーティングによるＣｒＮ被覆などの表面処理が行われている。通常、ピストンリングの摺動面の粗さはＲｚ０．４ミクロン程度であり、相手材である鋳鉄ライナー表面の粗さはＲｚ２−３ミクロン程度である。
【０００４】
通常、鋳鉄ライナー表面にはホーニング加工によりクロスハッチ模様のオイルポケットが形成され、保油性を高める工夫がなされている。ホーニング加工された表面の性状はオイル消費や耐摩耗性に影響する。即ち、通常砥石１回で仕上げると面粗度は山型形状になり、さらに加工すると面粗度の山型先端部が削り取られ、窪みだけが残ったプラトーと呼ばれている台形形状となる。面粗度の良い山型形状の低Ｒａ（０．１２ミクロン程度）鋳鉄ライナーはオイル消費は少なくなるが、耐スカッフ性はやや悪化する傾向がみられる。一方プラトー形状の低Ｒａ（０．１４ミクロン程度）鋳鉄ライナーは表面の保油性が良くかつ耐スカッフ性にも優れる（例えば、非特許文献１参照）。
また、内周面にリン酸塩処理により形成された結晶層を機械的に除去し、一定の粗さとするシリンダライナが開示されている（例えば、特許文献９参照。）。
【０００５】
内燃機関やコンプレッサ等に使用されるアルミニウム合金製シリンダと外周面にダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜を形成したピストンリングとの組み合わせが開示されている（例えば特許文献１参照。）。シリンダ材に使用されるアルミニウム合金としてはＪＩＳ ＡＤＣ１２などのＳｉ７−１２ｗｔ％、Ｃｕ１−５ｗｔ％、不可避不純物６ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる亜共晶アルミニウム合金や、Ａ３９０などのＳｉ１２−２０ｗｔ％、Ｃｕ３−５ｗｔ％、不可避不純物６ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる過共晶アルミニウム合金などがあり、Ａ３９０の場合にはシリンダ内周面にはホーニング仕上げを施す必要がある。
ダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物が分散し、これら元素の含有比率は５〜４０ａｔ％であり、皮膜硬度はＨＶ７００−２０００の範囲にあるのが、耐焼き付き性、耐摩耗性の点で好ましいとされている。
【０００６】
また動弁系摺動部材であるシムやバルブリフター表面の面粗度はＲｍａｘ０．２ミクロン程度でほぼ鏡面状態であり、相手材であるカムシャフトのノーズ部の面粗度は通常Ｒｍａｘ３ミクロン程度となっている。
【０００７】
非晶質硬質炭素膜は結晶構造を持たず、ＨＶ２０００程度の高硬度を有し、耐摩耗性に優れ、摩擦係数も０．２程度と小さいので、摺動部材の表面処理として優れた特徴を有している。従来非晶質硬質炭素膜に水素や金属元素を含有させることにより、さらに高硬度でかつ低摩擦の皮膜を形成することが行われている。またＳＵＪ−２材を相手材とした無潤滑条件下での摩擦係数は皮膜中の炭素含有量による影響がみられるので、炭素含有量を７０−９０％とし、０．０５以下の低摩擦係数を達成することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
また、水素化非晶質硬質炭素膜あるいは金属含有の水素化非晶質硬質炭素膜を適用したバルブリフターが開示されている（例えば、特許文献３参照）。尚、ここで述べた水素化非晶質硬質炭素は炭化水素ガスおよび金属含有有機材料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により生成されたものである。
【０００９】
金属元素を含有するダイヤモンドライクカーボン皮膜を適用したピストンリングもあり、タングステン炭化物やシリコン炭化物を所定量含有させることにより耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させている（例えば、特許文献１、４、５、６参照）。尚、ここで云うダイヤモンドライクカーボンは炭化水素ガスを使用した反応性イオンプレーティング法あるいは反応性スパッタリング法により生成されたものである。
【００１０】
また、合成ダイヤモンドもしくはダイヤモンドライクカーボン材料をピストン、ピストンリングにコーティングし、さらにその上にクロムなど金属薄層をオーバーコートしたものもある（例えば、特許文献７参照）。尚、ここで云う合成ダイヤモンドもしくはダイヤモンドライク材料とは炭化水素ガスから生成されたものである。
【００１１】
さらに、表面の水素含有量が１０ａｔ％以下の非晶質硬質炭素膜であって、表面粗さがＲａ０．１μｍ以下の炭素膜を被覆した摺動部材はエンジン油中で低摩擦特性を示すことが開示されている（例えば、特許文献８参照）。
また、イオンプレーティング法によるＴｉＮ皮膜やＣｒＮ皮膜、ＣＨ４など炭化水素ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜されたＤＬＣ膜、ＣＶＤ法により成膜されたダイヤモンド皮膜などのエンジン油（７．５Ｗ−３０）中でのフリクションン挙動が開示されている（例えば、非特許文献２）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平２００１−２８０４９７号公報
【００１３】
【特許文献２】
特許０２９７１９２８号公報（第４図）
【００１４】
【特許文献３】
米国特許５，２４９，５５４号（第１図）
【００１５】
【特許文献４】
特開平１１−１６６６２５号公報（第１図）
【００１６】
【特許文献５】
特開平１１−１７２４１３号公報（第１図）
【００１７】
【特許文献６】
特開２０００−１２０８７０号公報（第１図）
【００１８】
【特許文献７】
米国特許４，９７４，４９８号（第１図、第２図）
【００１９】
【特許文献８】
特開２０００−２９７３７３号公報
【００２０】
【特許文献９】
特開平１１−１５３０５９号公報
【００２１】
【非特許文献１】
山縣 裕著「現代の錬金術」山海堂、１９９８年６月２０日、ｐ．７６−７７
【００２２】
【非特許文献２】
保田、加納、馬渕、坂根、三宅、斉藤「エンシ゛ン油中における硬質炭素膜の摩擦特性（第１報）」
トライボロジー会議予稿集、Ａ５、ｐ９−１０、１９９９年５月
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、非晶質硬質炭素膜の自動車部品への適用に関しては皮膜自体の低摩擦性に着目したものがほとんどであり、耐摩耗性や耐焼き付き性に着目したものはあまりみられない。本発明者らは非晶質硬質炭素膜の耐摩耗性及び耐焼き付き性について次のように考察した。
【００２４】
従来の非晶質硬質炭素膜を施した部材と相手材である鉄系部材との組み合わせにおいては、非晶質硬質炭素膜の低摩擦性に着目して、固体接触時の摩擦力を低減することを狙いとしていた。これに対して、バルブリフターとカムシャフトなどのエンジン部品ではオイル潤滑を前提としたものであり、オイルによる流体潤滑領域においては摺動面に存在する油膜の粘性によるせん断抵抗が摩擦損失の大半を占めるために、摺動部材の表面処理による影響はほとんど受けない場合が多く、むしろ摺動部の形状、面粗度による影響の方が大きい場合が多いことに本発明者らは着目した。
【００２５】
次に、内燃機関のピストン系の機械損失（摩擦損失）はピストン本体の機械損失とピストンリングによる機械損失からなる。ピストンリングの潤滑状態は上死点付近では境界潤滑的挙動を示し、負荷（ガス圧）による影響が大きい。一方中間工程から下死点にかけては流体潤滑的挙動を示し、摩擦力は負荷による影響は比較的小さく、回転数による影響が大となる。すなわち、行程全体でみた場合にはエンジンオイルによる流体潤滑が支配的で、これにより摩擦損失が決まっている。即ち、上下死点付近で摩擦力のピークが出現するが、この時のピストンスピードは非常に遅いため、摩擦損失としては小さく、むしろ、ピストンスピードの速い中間行程におけるオイル粘性による摩擦損失の方が支配的であり全体に占める割合も大きい。
したがって、ピストンリングによる摩擦損失を低減するためには、リング自体の張力低減、オイルの低粘度化が有効である。しかしながら、オイルを低粘度化する場合には油膜厚さが薄くなるため、非晶質硬質炭素膜の摩耗の増加やスカッフし易くなるなどの問題が発生する。
【００２６】
ところで、自動車用エンジンオイルは現在では５Ｗ−３０（低温側−２５℃で３５００ｃＰ、高温側１００℃で９．３〜１２．５ｃＰ）が標準的であるが、最近では低燃費エンジンに５Ｗ−２０（低温側−２５℃で３５００ｃＰ、高温側１００℃で５．６〜９．３ｃＰ）が採用されてきている。
【００２７】
炭化水素を原料としたプロセスにより生成された非晶質硬質炭素膜は３０−５０％程度の水素を含有する。このため表面が水素原子で終端された状況となり、無潤滑下での摩擦に対しては低摩擦係数を示し、優れた摩擦特性を示すが、エンジンオイル使用時には濡れ性やオイル中の添加剤成分が表面にうまく吸着しないなどの問題がある。
非晶質硬質炭素膜が金属を含有すると金属炭化物が形成されるため硬度が増して、耐摩耗性、耐スカッフ性が向上するが、一方で局所的に高面圧が加えられた場合には、皮膜に欠けなどを発生し、この欠けが起点となって皮膜の破壊が進展するなどの問題がある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決すべくなされたものであり、実施例に対応する図１で説明すると、非晶質硬質炭素膜を被覆した第１部材と鉄系第２部材との組み合わせにおいて、前記非晶質硬質炭素膜は面粗度がＲｚ１ミクロン以下の第１部材の摺動面に形成されており、かつ前記鉄系第２部材の摺動面の面粗度がＲｚ１ミクロン以下であることを特徴とする。さらに、（１）前記非晶質硬質炭素膜の水素含有量が５ａｔ％以下（ゼロを含む）でありかつ金属元素含有量が１ａｔ％以下（ゼロを含む）であり、（２）鉄系第２部材がＦＣ２３０材もしくはＦＣ２５０材またはこれらのチル材であり、（３）非晶質硬質炭素膜被覆第１部材がピストンリングであり、かつ前記鉄系第２部材がシリンダーライナーであり、（４）非晶質硬質炭素膜被覆第１部材がバルブリフターであり、かつ前記鉄系第２部材がカムシャフトであることを特徴とする。
【００２９】
本発明は、非晶質硬質炭素膜を被覆した第１部材と鉄系第２部材との組み合わせにおいて、両方の部材の摺動面粗さを特定することにより、摩耗と焼き付きを防止するものである。すなわち、本発明によるＲｚ１ミクロン以下の平滑面上に非晶質硬質炭素皮膜を形成した第１の摺動部材と、同様にＲｚ１ミクロン以下に仕上げた相手材との組み合わせの摺動面に存在する低粘度エンジンオイルは、油膜厚さが薄いので、オイルの粘性による損失が少なく、摩擦損失が大幅に減少する。また、高面圧の場合において、摺動面が固体接触しても摺動部材表面に形成された非晶質硬質炭素膜の高硬度と低摩擦性によりスカッフ発生を抑制することができる。
摺動面の互いの面粗度はさらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン以下が良く、面粗度が良いほど油膜厚さを薄くすることができ、オイル供給量を減らすことができる。この対策の特長について従来技術と対比して説明する。
【００３０】
これに対して、ホーニング加工を程したシリンダーライナー（鉄系第２部材に相当する）はオイルポケットによる保油性をもっているが、本発明はこのような手段を採用せずに、摩耗と焼き付きを防止する。
特許文献８では、上述のように、表面の水素含有量が１０ａｔ％以下の硬質炭素膜で表面粗さがＲａ０．１μｍ以下である場合に、エンジン油中で低摩擦となる摺動部材が開示されているが、規定している表面粗さは硬質炭素膜を形成した表面の粗さのみであって、相手材の面粗度には言及していない。
【００３１】
特許文献９では、内周面にリン酸塩処理により形成された結晶層を機械的に除去し、一定の粗さとするシリンダライナが開示されている。これによればリン酸塩皮膜は、化成層により形成され、表面にはリン酸塩の結晶層が形成され、その下部には局所的に母材の溶出が生じてエッチングポケットが形成される。このエッチングポケットは保油性に富むため、耐焼き付き性を高める効果がある。
これに対して本発明はリン酸塩処理による保油性に富むエッチングポケットを利用することなく、
非晶質硬質炭素膜を被覆した部材と鉄系部材との組み合わせにおいて、非晶質硬質炭素皮膜の持つ特性により耐摩耗性、耐焼き付き性に優れた摺動部材を提供する。
【００３２】
非特許文献２ではカムフォロワ単体試験において、試験終了時のカムとフォロワの合成表面粗さとフリクショントルクとの間には良い相関があることが示されている。これは互いの部品の面粗度を向上させることによりフリクションを低減できることを示しているが、耐摩耗性や耐焼き付き性については言及されていない。また、非晶質硬質炭素膜は水素化膜である。
【００３３】
【作用】
非晶質硬質炭素膜は無潤滑条件下で低摩擦係数を示すことは良く知られており、潤滑条件の厳しい場合において皮膜の持つ潤滑性を利用した摺動部材もディーゼル燃料噴射ポンプ部品などで数多く実用化されている。
【００３４】
一方、通常の内燃機関部品ではエンジンオイル潤滑下において、摺動初期において互いの摺動面の粗さにより摩擦力が一時的に増大するが、ある程度なじむと面粗度は向上し、摩擦力は減少し、形成される油膜の粘性抵抗により摩擦力は決まる。したがって、内燃機関の摩擦損失を低減するためには、エンジンオイルの粘度を低粘度化すると大きな効果が得られる。しかしながら、エンジンオイルを低粘度化すると油膜厚さが薄くなり、面粗度が粗い場合には固体接触する割合が増大し、摺動面へのダメージが大きくなり、摩耗速度が増大する。
そこで薄い油膜条件下で使用される摺動部材の摺動面の面粗度を向上させる必要性がある。例えば通常の鋳鉄製シリンダーライナーの場合は面粗度は通常Ｒｚ２−３ミクロンであるが、Ｒｚ１ミクロン以下とすることが必要である。しかしながら、面粗度を向上させると真実接触面積が増大するため、接触部での凝着が起こりやすくなるため、従来の表面処理であるＣｒめっきや窒化などではすぐにスカッフ（焼き付き）を発生してしまう。
【００３５】
さらに、非晶質硬質炭素膜の水素含有量は５ａｔ％以下で、金属元素含有量が１ａｔ％以下であることが好ましい。これらの元素の含有量はゼロ、すなわち検出限界未満であってよい。さらに、鉄系部材は、シリンダーライナである場合はＦＣ２３０材またはＦＣ２５０材であり、パーライト地ねずみ鋳鉄が好ましい。カムシャフトの場合はチル鋳鉄、ハードナブル鋳鉄、ＳＣＭ４２０鍛造浸炭焼き入れ材であり、バルブリフターと摺動するカム部はセメンタイトとパーライトの混じったチル組織であることが好ましい。
上記非晶質硬質炭素皮膜は水素をほとんど含まず、金属的な性質を示し、オイルの濡れ性も良く、油中の添加剤成分は皮膜表面に化学吸着により強固に吸着するため、低粘度油に添加される有機モリブデン系添加剤（Ｍｏ−ＤＴＣ）などが有効に作用する。さらに本発明による非晶質硬質炭素皮膜は金属分も含まないため、炭化物粒子の析出が無く、高面圧下においても皮膜に欠けを生じにくい。なお、水素濃度は膜厚方向で変化するので摺動面（皮膜表面）の濃度を指すものとする。
【００３６】
また、相手材である鉄系第２部材である鋳鉄材料などの摺動面を機械加工により摺動部表面をＲｚ１ミクロン、さらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げする。非晶質硬質炭素皮膜１を形成する第１部材２の材質は問わないが、ＳＵＳ４４０Ｂ相当材を窒化した材料、炭素鋼やＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０などの浸炭焼き入れ材などが好ましく、これを同様に機械加工により摺動部表面をＲｚ１ミクロン、さらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げする。
【００３７】
【発明の実施形態】
以下、図面に示す実施形態についてさらに詳細に説明する。
【００３８】
図１は本発明による一実施例の説明図であり、非晶質硬質炭素膜１を被覆した第１部材２と鉄系第２部材３とを組み合わせたものであり、非晶質硬質炭素膜１を被覆した第１部材２の摺動面の面粗度がＲｚ１ミクロン以下であり、相手材である鉄系第２部材３の摺動面面粗度がＲｚ１ミクロン以下である。
【００３９】
非晶質硬質炭素膜１を形成する第１部材２は皮膜を形成する前にＲｚ１ミクロン以下まで機械加工により仕上げを行い、その後非晶質硬質炭素膜１を形成する。本発明による水素、金属分を含まない非晶質硬質炭素膜は真空アーク放電法により所定の圧力下で真空チャンバー（図示せず）内でカーボンカソード上にアーク放電を連続的に発生させ、第１部材２にバイアス電圧を印加することにより所定の膜厚に形成する。膜厚は０．５ミクロンから５ミクロン程度が好ましい。成膜時にマクロパーティクルなどにより面粗度が悪化する場合には再度機械加工により仕上げを行い、面粗度Ｒｚを１ミクロン以下に仕上げる。
【００４０】
図２は非晶質硬質炭素被覆部材がピストンリングであり、鉄系部材がシリンダーライナーである組み合わせの実施形態を示したものである。
ピストンリングは圧延、線引きされた炭素鋼（Ｃ０．７４−０．９０％，Ｓｉ０．３５％以下、Ｍｎ０．６０％以下、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、引張り強さ１３７３Ｎ／ｍｍ２以上、硬度Ｈｖ４００−５８０）の外周表面をバフ仕上げによりＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げ、洗浄を行った後、真空アーク放電法による非晶質硬質炭素膜を膜厚０．３ 〜 １ ミクロン、好ましくは０．５ミクロンで形成する。尚、この時にピストンリング表面と非晶質硬質皮膜との密着性を向上させるため、Ｃｒなどの金属中間層を厚さ０．２−０．５ミクロン程度形成しても良い。相手材であるシリンダーライナーはＦＣ２５０材或いはＦＣ２３０材を旋削、研磨によりＲｚ１ミクロン程度まで仕上げる。さらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げると良い。本発明によればこの様にして仕上げたシリンダーライナーには保油性を高める為に行うホーニング加工は無くても良い。
【００４１】
図３は非晶質硬質炭素被覆部材がバルブリフターであり、鉄系第２部材がカムシャフトである組み合わせの実施形態について示したものである。バルブリフターはＳＣＭ４２０材などを鍛造加工し、冠面をＲａ０．０２ミクロン程度まで超仕上げし、洗浄した後真空チャンバー（図示せず）内でカーボンカソードを使用した真空アーク放電法により水素、金属を含まない非晶質硬質炭素膜を膜厚０．３−２ミクロン程度形成する。尚、この時にリフター冠面と非晶質硬質皮膜との密着性を向上させるため、Ｃｒなどの金属中間層を厚さ０．２−０．５ミクロン程度形成しても良い。相手材であるチルカム材は鋳鉄を凝固させる時にカム部の冷却速度を速めて硬いセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）を析出させたものである。このようにシャフト部とカム部で凝固速度を変えることで硬いカム部とねじりに強いシャフト部を同時に作る。
【００４２】
本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせはこのような構造であるので、低粘度エンジンオイル潤滑下において摩擦損失を低減することができる。
以下実施例を示し、本発明の内容について説明する。
【００４３】
【実施例】
実施例１
本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせの一実施例についてピンオンディスク式の単体スカッフ試験を行い、スカッフ面圧、試験後の表面状態を比較した。試料の作製条件は以下の通りである。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件は次の通りである。
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２Ｍｐａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
尚、成膜した非晶質硬質炭素膜の水素含有量をＨＦＳ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法により分析した結果、表層付近で１．７ａｔ％、深さ５０ｎｍ以下では検出限界以下であった。この組み合わせでのスカッフ面圧は約４００ＭＰａであり、試験後の非晶質硬質炭素膜の表面に欠けは見られなかった。
【００４４】
比較例１
テ゛ィスク面粗度を本発明の値より粗くして実験を行った。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ２．０ミクロン
試験条件は次の通りである。
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２Ｍｐａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
この組み合わせでのスカッフ面圧は約２００ＭＰａであり、皮膜表面に多数のキズが発生し、皮膜摩耗量も多かった。
【００４５】
比較例２
この比較例では非晶質硬質炭素膜でなくピンの窒化を行った。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：ガス窒化（窒化層厚さ８０ミクロン、硬度ＨＶ９００）
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２Ｍｐａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
この組み合わせでのスカッフ面圧は約３６０ＭＰａであり、摩耗がやや大きかった。
【００４６】
比較例３
この比較例では水素含有非晶質硬質炭素膜を使用した。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：水素含有非晶質硬質炭素膜（Ｃ２Ｈ２によるプラズマＣＶＤ法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２０００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２ＭＰａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
尚、成膜した非晶質硬質炭素膜の水素含有量をＨＦＳ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法により分析した結果、３０−５０ａｔ％程度の水素が検出された。この組み合わせでのスカッフ面圧は約３２０ＭＰａであり、比較例１，２よりは高かったが、試験後の皮膜表面にキズが少し見られた。
【００４７】
比較例４
この比較例ではＷ含有非晶質硬質炭素膜を使用した。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：Ｗ含有非晶質硬質炭素膜（ＷＣターゲットによるＣ２Ｈ２反応性スパッタリング法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２２００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２ＭＰａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
尚、成膜した非晶質硬質炭素膜の水素含有量をＨＦＳ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法により分析した結果、約２０ａｔ％程度の水素が検出された。またＥＳＣＡ分析により皮膜中のＷ含有量について分析した結果、約１５ａｔ％程度のＷが検出された。この組み合わせでのスカッフ面圧は約２５０ＭＰａであり、試験後の皮膜表面に欠けが見られた。
表１及び表２は上記の単体スカッフ試験の結果についてまとめたものである。
【００４８】
【表 １】
【００４９】
【表２】
以下実際のエンジン部品での評価結果について述べる。
【００５０】
実施例２（ピストンリング）
図２に示したように本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせの一実施例について非晶質硬質炭素膜１をピストンリング５の外周面に形成し、鋳鉄シリンダーライナー６と組合わせて、往復動モータリング試験を行い、摩擦損失と試験後の表面状態を比較した。試料の作製条件及び試験条件は以下の通り。
ピストンリング（サイドレール）：φ８７．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、材質炭素鋼（Ｃ０．７４−０．９０％，Ｓｉ０．３５％以下、Ｍｎ０．６０％以下、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、引張り強さ１３７３Ｎ／ｍｍ２以上、硬度Ｈｖ４００−５８０）、外周表面粗さＲｚ０．５ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
シリンダーライナー：材質ＦＣ２５０、面粗度Ｒｚ１．０ミクロン
オイル：低粘度油（５ｃＳｔ，４０℃）をボア内周面に塗布後拭き取り。
温度：室温、 回転数：５００ｒｐｍ
この組み合わせでの摩擦損失は２１０分後で約１．６Ｎｍで、表面に損傷は全く見られなかった。
【００５１】
比較例５（ピストンリング、従来粗さ）
ピストンリング（サイドレール）：φ８７．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、材質炭素鋼（Ｃ０．７４−０．９０％，Ｓｉ０．３５％以下、Ｍｎ０．６０％以下、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、引張り強さ１３７３Ｎ／ｍｍ２以上、硬度Ｈｖ４００−５８０）、外周表面粗さＲｚ０．５ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
シリンダーライナー：材質ＦＣ２５０、面粗度Ｒｚ２．０ミクロン
オイル：低粘度油（５ｃＳｔ，４０℃）をボア内周面に塗布後拭き取り。
温度：室温、 回転数：５００ｒｐｍ
この組み合わせでの摩擦損失は２１０分後で約１．８Ｎｍで、実施例２と比較して約１３％程度大きな値となった。また、レール外周面上に若干摩耗が見られた。
【００５２】
実施例３（バルブリフター）
図３に示したように本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせの一実施例について非晶質硬質炭素膜１を被覆したバルブリフター７とカムシャフト８のモータリング試験を行い、摩擦トルクと試験前後の表面粗さを比較した。試料の作製条件及び試験条件は以下の通りである。
バルブリフター：材質ＳＣＭ４２０浸炭ガス軟窒化、冠面面粗度Ｒａ０．０２ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
カムシャフト：材質ＦＣ３００チル材、カム部面粗度Ｒａ０．３ミクロン
オイル：５Ｗ−３０、回転数：２００−３２００ｒｐｍ
この組み合わせの場合には摩擦トルクは比較例６のＣｒ２Ｎ皮膜の場合に比べて平均で４５％程度低減された。またリフター面粗度は試験前後でほとんど変化が無く、カムノーズ９側表面はＲａ０．０５ミクロンであったものが、Ｒａ０．０１ミクロンとリフターと同程度まで向上した。
【００５３】
比較例６（バルブリフター、従来粗さ）
バルブリフター：材質ＳＣＭ４２０浸炭ガス軟窒化、冠面面粗度Ｒａ０．０２ミクロン
表面処理：Ｃｒ２Ｎ膜（アークイオンプレーティング法）膜厚４ミクロン、硬度 ＨＶ２０００
カムシャフト：材質ＦＣ３００チル材、カム部面粗度Ｒａ０．３ミクロン
オイル：５Ｗ−３０、回転数：２００−３２００ｒｐｍ
この組み合わせの場合には摩擦トルクは実施例３の場合に比べて摩擦トルクは大きかった。バルブリフター面粗度は試験前後でＲａ０．０２から０．０５へ悪化しており、カムノーズ側はＲａ０．０５ミクロンであったものが、０．０３ミクロンまで向上した。
表３はバルブリフターの試験結果をまとめたものである。
【００５４】
【表３】
【００５５】
【発明の効果】
上記した低粘度エンジン油中での単体スカッフ試験の結果から、相手材である鋳鉄材料の面粗度を向上させることにより非晶質硬質炭素膜を被覆した摺動部材との組み合わせにおいて耐スカッフ性を大幅に向上できることが分かった。
さらに、低粘度オイルの使用によりその粘性による摩擦損失を低減することができ、エンジンの低燃費化、排出ガスの低減が可能となる。また、面粗度が良いほど油膜厚さを薄くすることができ、オイル供給量を減らすこともでき、しかも初期の面粗度と同等以上の面粗度が運転中に維持される。
水素、金属分を含まない非晶質硬質炭素皮膜を摺動部材に被覆することにより、高硬度で強度の高い皮膜とすることができるため、高面圧下での使用に際しても、欠け、キズの発生が少ない。オイル中の濡れ性も良く、添加剤も充分機能する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例のピストンリングとシリンダボアの組み合わせについて示した図である。
【図３】本発明の実施例のバルブリフターとカムシャフトの組み合わせについて示した図である。
【符号の説明】
１・・・非晶質硬質炭素膜
２・・・第１部材
３・・・鉄系第２部材
４・・・オイル
５・・・ピストンリング
６・・・シリンダーライナー
７・・・バルブリフター
８・・・カムシャフト
９・・・カムノーズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an amorphous hard carbon film having excellent wear resistance and seizure resistance when a ferrous material such as cast iron is used as a mating material, and a sliding member using the same.
[0002]
[Prior art]
Generally, a sliding member is required to have wear resistance, scuff resistance (seizing), and a reduction in friction loss. The sliding member is generally lubricated with oil except for a special case, and the lubrication conditions of the sliding portion are determined by the surface roughness of the sliding member and the amount of supplied oil.
Generally, fluid lubrication is dominant under a condition where oil is supplied abundantly, and the surfaces of the sliding members hardly come into contact with each other. However, the oil supply amount may decrease, the temperature of the contact portion may increase, or the oil film thickness may decrease in a sliding portion where a high surface pressure is applied to the sliding portion. Under such circumstances, in the relative relationship between the surface roughness of the sliding member and the oil film thickness, when the oil film thickness becomes smaller, the surfaces of the sliding members come into contact with each other. Since the solid contact occurs partially in this manner, the sliding member is worn. In order to prevent such abrasion, it is necessary to perform surface treatment and hardening treatment on the sliding surface, and to optimize the shape and roughness of the sliding surface.
[0003]
For example, piston rings made of cast iron liner materials for automobile engines are subjected to surface treatment such as Cr plating or nitriding, or CrN coating by ion plating when the sliding conditions are very severe such as diesel engines. Surface treatment has been performed. Usually, the roughness of the sliding surface of the piston ring is about Rz 0.4 microns, and the roughness of the surface of the cast iron liner which is the mating material is about Rz 2-3 microns.
[0004]
Usually, cross-hatch-shaped oil pockets are formed on the surface of the cast iron liner by honing to improve oil retention. The properties of the honed surface affect oil consumption and wear resistance. That is, when finished with a single whetstone, the surface roughness becomes a mountain shape, and when further processed, the tip of the surface roughness is scraped off, leaving a trapezoidal shape called a plateau in which only the depression remains. A low-Ra (about 0.12 micron) cast iron liner having a good surface roughness has a low oil consumption, but the scuff resistance tends to be slightly deteriorated. On the other hand, a plateau-shaped low Ra (about 0.14 micron) cast iron liner has good oil retention on the surface and excellent scuff resistance (for example, see Non-Patent Document 1).
Further, a cylinder liner has been disclosed in which a crystal layer formed on an inner peripheral surface by a phosphate treatment is mechanically removed to have a uniform roughness (for example, see Patent Document 9).
[0005]
There is disclosed a combination of an aluminum alloy cylinder used for an internal combustion engine, a compressor, and the like, and a piston ring having a hard coating made of diamond-like carbon formed on an outer peripheral surface (for example, see Patent Document 1). Aluminum alloys used for the cylinder material include Si7-12 wt% such as JIS ADC12, Cu1-5 wt%, unavoidable impurities of 6 wt% or less, a hypoeutectic aluminum alloy consisting of the balance Al, Si12-20 wt% such as A390, Cu3 There is a hypereutectic aluminum alloy composed of -5 wt%, unavoidable impurities of 6 wt% or less, and the balance being Al. In the case of A390, the inner peripheral surface of the cylinder needs to be subjected to honing.
In the hard coating made of diamond-like carbon, carbides of one or more elements selected from the group consisting of Si, Ti, W, Cr, Mo, Nb, and V are dispersed, and the content ratio of these elements is 5 to 40 at%. It is said that the film hardness is preferably in the range of HV700-2000 from the viewpoint of seizure resistance and abrasion resistance.
[0006]
The surface roughness of the shim or valve lifter, which is a sliding member of the valve train, is approximately Rmax 0.2 micron, which is almost a mirror surface, and the surface roughness of the nose of the camshaft, which is the mating material, is usually approximately Rmax 3 microns. Has become.
[0007]
The amorphous hard carbon film does not have a crystal structure, has a high hardness of about HV2000, has excellent wear resistance, and has a small friction coefficient of about 0.2. Have. 2. Description of the Related Art Conventionally, formation of a film having higher hardness and lower friction has been performed by adding hydrogen and a metal element to an amorphous hard carbon film. The friction coefficient under non-lubricated conditions using SUJ-2 as a mating material is affected by the carbon content in the film. Therefore, the carbon content is 70-90%, and the low friction coefficient is 0.05 or less. (See, for example, Patent Document 2).
[0008]
Further, a valve lifter using a hydrogenated amorphous hard carbon film or a metal-containing hydrogenated amorphous hard carbon film is disclosed (for example, see Patent Document 3). The hydrogenated amorphous hard carbon described here is produced by a plasma CVD method using a hydrocarbon gas and a metal-containing organic material gas.
[0009]
There is also a piston ring to which a diamond-like carbon film containing a metal element is applied, and wear resistance and scuff resistance are improved by containing a predetermined amount of tungsten carbide or silicon carbide (for example, Patent Documents 1, 4, 5, 6). The diamond-like carbon referred to here is produced by a reactive ion plating method or a reactive sputtering method using a hydrocarbon gas.
[0010]
Further, there is a type in which a piston or a piston ring is coated with a synthetic diamond or diamond-like carbon material, and further overcoated with a thin metal layer such as chromium (see, for example, Patent Document 7). Here, the synthetic diamond or diamond-like material referred to herein is one produced from hydrocarbon gas.
[0011]
Further, a sliding member coated with an amorphous hard carbon film having a surface hydrogen content of 10 at% or less and a surface roughness Ra of 0.1 μm or less exhibits low friction characteristics in engine oil. Is disclosed (for example, see Patent Document 8).
In addition, TiN film or CrN film by ion plating method, CH 4 For example, a frictional behavior in an engine oil (7.5 W-30) such as a DLC film formed by a plasma CVD method using a hydrocarbon gas, a diamond film formed by a CVD method, and the like is disclosed ( For example, Non-Patent Document 2).
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-280497
[0013]
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 02971928 (FIG. 4)
[0014]
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 5,249,554 (FIG. 1)
[0015]
[Patent Document 4]
JP-A-11-166625 (FIG. 1)
[0016]
[Patent Document 5]
JP-A-11-172413 (FIG. 1)
[0017]
[Patent Document 6]
JP 2000-120870 A (FIG. 1)
[0018]
[Patent Document 7]
U.S. Pat. No. 4,974,498 (FIGS. 1 and 2)
[0019]
[Patent Document 8]
JP 2000-297373 A
[0020]
[Patent Document 9]
JP-A-11-153059
[0021]
[Non-patent document 1]
Yutaka Yamagata, "Modern Alchemy," Sankaido, June 20, 1998, p. 76-77
[0022]
[Non-patent document 2]
Yasuda, Kano, Mabuchi, Sakane, Miyake, Saito "Friction characteristics of hard carbon film in etching oil (1st report)"
Proceedings of the Tribology Conference, A5, p9-10, May 1999
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
Heretofore, most applications of amorphous hard carbon films to automotive parts have focused on the low friction properties of the films themselves, and few have focused on wear resistance and seizure resistance. The present inventors considered the wear resistance and the seizure resistance of the amorphous hard carbon film as follows.
[0024]
In a combination of a member provided with a conventional amorphous hard carbon film and an iron-based member as a mating material, the frictional force at the time of solid contact is reduced by focusing on the low friction property of the amorphous hard carbon film. I was aiming for that. In contrast, engine parts such as valve lifters and camshafts are based on oil lubrication, and in the fluid lubrication region using oil, the shear resistance due to the viscosity of the oil film on the sliding surface accounts for most of the friction loss. The present inventors have paid attention to the fact that in many cases, the influence of the surface treatment of the sliding member is hardly affected, and rather the influence of the shape and surface roughness of the sliding portion is large in many cases.
[0025]
Next, mechanical loss (friction loss) of the piston system of the internal combustion engine includes mechanical loss of the piston body and mechanical loss due to the piston ring. The lubrication state of the piston ring shows a boundary lubrication behavior near the top dead center, and is greatly affected by the load (gas pressure). On the other hand, a fluid lubricating behavior is exhibited from the intermediate step to the bottom dead center, and the frictional force is relatively little affected by the load, and the influence of the rotational speed is large. That is, when viewed over the entire stroke, fluid lubrication by engine oil is dominant, and this determines the friction loss. That is, the peak of the frictional force appears near the top and bottom dead center, but the piston speed at this time is very slow, so the friction loss is small, and rather, the friction loss due to oil viscosity in the intermediate stroke where the piston speed is fast is more It is dominant and accounts for a large percentage of the total.
Therefore, in order to reduce the friction loss due to the piston ring, it is effective to reduce the tension of the ring itself and reduce the viscosity of the oil. However, when the viscosity of the oil is reduced, the thickness of the oil film is reduced, and thus problems such as increased wear of the amorphous hard carbon film and easy scuffing occur.
[0026]
The standard engine oil for automobiles is 5W-30 (3500 cP at -25 ° C on the low temperature side and 9.3 to 12.5 cP at 100 ° C on the high temperature side), but recently, 5W-20 is used for low fuel consumption engines. (3500 cP at −25 ° C. on the low temperature side, and 5.6 to 9.3 cP at 100 ° C. on the high temperature side).
[0027]
An amorphous hard carbon film produced by a process using a hydrocarbon as a raw material contains about 30 to 50% of hydrogen. As a result, the surface is terminated with hydrogen atoms, showing a low coefficient of friction against non-lubricated friction and excellent friction characteristics.However, when engine oil is used, wettability and additive components in oil However, there is a problem that it does not adhere well to the surface.
When the amorphous hard carbon film contains a metal, a metal carbide is formed so that the hardness increases, and the abrasion resistance and the scuff resistance are improved, but when a high surface pressure is locally applied, In addition, there is a problem that the film is chipped, and the chipping is a starting point, and the destruction of the film is advanced.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. Referring to FIG. 1 corresponding to the embodiment, in a combination of a first member coated with an amorphous hard carbon film and an iron-based second member, The amorphous hard carbon film is formed on a sliding surface of a first member having a surface roughness of Rz1 micron or less, and a surface roughness of a sliding surface of the iron-based second member is Rz1 micron or less. It is characterized by the following. Further, (1) the amorphous hard carbon film has a hydrogen content of 5 at% or less (including zero) and a metal element content of 1 at% or less (including zero), and (2) an iron-based ferrous carbon film. (2) The first member coated with the amorphous hard carbon film is a piston ring, and the iron-based second member is a cylinder liner; A) The first member coated with the amorphous hard carbon film is a valve lifter, and the second iron-based member is a camshaft.
[0029]
The present invention prevents wear and seizure by specifying the sliding surface roughness of both members in a combination of a first member coated with an amorphous hard carbon film and an iron-based second member. is there. That is, the present invention exists on the sliding surface of the combination of the first sliding member having the amorphous hard carbon film formed on the smooth surface of Rz 1 micron or less and the mating material similarly finished to Rz 1 micron or less. Since the low-viscosity engine oil has a small oil film thickness, loss due to oil viscosity is small, and friction loss is greatly reduced. Further, in the case of a high surface pressure, even when the sliding surface makes solid contact, the high hardness and low friction of the amorphous hard carbon film formed on the surface of the sliding member can suppress the occurrence of scuffing.
The surface roughness of the sliding surfaces is more preferably Rz 0.5 micron or less. The better the surface roughness, the thinner the oil film thickness can be, and the less the oil supply amount. The features of this measure will be described in comparison with the prior art.
[0030]
On the other hand, the honing-treated cylinder liner (corresponding to the iron-based second member) has oil retaining properties due to oil pockets, but the present invention does not employ such means and prevents wear and seizure. I do.
Patent Document 8 discloses a sliding member that has low friction in engine oil when a surface carbon content of the hard carbon film is 10 at% or less and the surface roughness is Ra 0.1 μm or less, as described above. However, the prescribed surface roughness is only the roughness of the surface on which the hard carbon film is formed, and does not refer to the surface roughness of the counterpart material.
[0031]
Patent Literature 9 discloses a cylinder liner in which a crystal layer formed on an inner peripheral surface by a phosphate treatment is mechanically removed to have a uniform roughness. According to this, the phosphate film is formed by a chemical conversion layer, a phosphate crystal layer is formed on the surface, and a base material is locally eluted below the phosphate layer to form an etching pocket. These etching pockets are rich in oil retention, and have an effect of improving seizure resistance.
On the other hand, the present invention does not use an etching pocket rich in oil retention by phosphate treatment,
Provided is a sliding member that is excellent in wear resistance and seizure resistance due to the characteristics of an amorphous hard carbon film in a combination of a member coated with an amorphous hard carbon film and an iron-based member.
[0032]
Non-Patent Document 2 shows that in a cam follower unit test, there is a good correlation between the combined surface roughness of the cam and the follower at the end of the test and the friction torque. This indicates that the friction can be reduced by improving the surface roughness of the parts, but no mention is made of the wear resistance or the seizure resistance. The amorphous hard carbon film is a hydrogenated film.
[0033]
[Action]
It is well known that amorphous hard carbon films have a low coefficient of friction under non-lubricated conditions, and even under severe lubrication conditions, sliding members that utilize the lubricity of the film can be used in diesel fuel injection pump parts, etc. Many have been put to practical use.
[0034]
On the other hand, in a normal internal combustion engine component, under engine oil lubrication, the frictional force temporarily increases due to the roughness of each other's sliding surfaces in the initial stage of sliding. The frictional force is determined by the viscosity resistance of the formed oil film. Therefore, in order to reduce the friction loss of the internal combustion engine, a great effect can be obtained by reducing the viscosity of the engine oil. However, when the viscosity of the engine oil is reduced, the oil film thickness becomes thin, and when the surface roughness is rough, the ratio of solid contact increases, the damage to the sliding surface increases, and the wear rate increases.
Therefore, there is a need to improve the surface roughness of the sliding surface of a sliding member used under a thin oil film condition. For example, in the case of a normal cast iron cylinder liner, the surface roughness is usually Rz2-3 microns, but it is necessary to set the surface roughness to Rz1 micron or less. However, if the surface roughness is increased, the true contact area increases, and adhesion at the contact portion is likely to occur. Therefore, the conventional surface treatment such as Cr plating or nitriding immediately causes scuffing (burn-in). Would.
[0035]
Further, the hydrogen content of the amorphous hard carbon film is preferably 5 at% or less, and the metal element content is preferably 1 at% or less. The content of these elements may be zero, ie below the detection limit. Further, when the iron-based member is a cylinder liner, it is FC230 material or FC250 material, and pearlite gray cast iron is preferable. In the case of a camshaft, it is preferably chill cast iron, hard nable cast iron, or SCM420 forged carburized and quenched material, and the cam portion sliding with the valve lifter preferably has a chill structure in which cementite and pearlite are mixed.
The amorphous hard carbon film contains almost no hydrogen, exhibits metallic properties, has good oil wettability, and the additive components in the oil are firmly adsorbed to the film surface by chemical adsorption. , An organic molybdenum-based additive (Mo-DTC) or the like effectively functions. Further, since the amorphous hard carbon film according to the present invention does not contain any metal component, there is no precipitation of carbide particles, and the film is hardly chipped even under a high surface pressure. Since the hydrogen concentration changes in the film thickness direction, it indicates the concentration on the sliding surface (coating surface).
[0036]
Further, the sliding surface of the other material, such as a cast iron material, which is the second iron-based member, is machined to finish the surface of the sliding portion to Rz1 micron, and more preferably to Rz0.5 micron. Although the material of the first member 2 forming the amorphous hard carbon film 1 is not limited, a material obtained by nitriding a SUS440B equivalent material, a carbon steel, or a carburized and quenched material such as SCM415 or SCM420 is preferable. The surface of the sliding portion is finished to Rz1 micron, more preferably to Rz0.5 micron by processing.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments shown in the drawings will be described in more detail.
[0038]
FIG. 1 is an explanatory view of an embodiment according to the present invention, in which a first member 2 coated with an amorphous hard carbon film 1 and an iron-based second member 3 are combined, and an amorphous hard carbon film is formed. The surface roughness of the sliding surface of the first member 2 coated with No. 1 is Rz1 micron or less, and the sliding surface roughness of the iron-based second member 3 which is the mating material is Rz1 micron or less.
[0039]
The first member 2 on which the amorphous hard carbon film 1 is formed is finished by machining to Rz 1 μm or less before forming the film, and then the amorphous hard carbon film 1 is formed. The amorphous hard carbon film not containing hydrogen and metal according to the present invention continuously generates an arc discharge on a carbon cathode in a vacuum chamber (not shown) under a predetermined pressure by a vacuum arc discharge method. One member 2 is formed to a predetermined thickness by applying a bias voltage. The thickness is preferably about 0.5 to 5 microns. If the surface roughness deteriorates due to macro particles or the like at the time of film formation, finishing is again performed by machining to finish the surface roughness Rz to 1 μm or less.
[0040]
FIG. 2 shows an embodiment in which the amorphous hard carbon coating member is a piston ring and the iron-based member is a cylinder liner.
The piston ring is made of rolled and drawn carbon steel (C 0.74 to 0.90%, Si 0.35% or less, Mn 0.60% or less, P 0.030% or less, S 0.030% or less, tensile strength 1373N / mm 2 As described above, after the outer peripheral surface having a hardness of Hv400-580) is finished by buffing to about Rz 0.5 μm and washed, an amorphous hard carbon film formed by vacuum arc discharge is formed to a thickness of 0.3 to 1 μm, preferably. Is formed at 0.5 microns. At this time, in order to improve the adhesion between the piston ring surface and the amorphous hard film, a metal intermediate layer of Cr or the like may be formed to a thickness of about 0.2 to 0.5 μm. The mating cylinder liner is finished by turning and polishing FC250 material or FC230 material to about Rz 1 micron. More preferably, it is preferable to finish Rz to about 0.5 μm. According to the present invention, the cylinder liner thus finished may not be provided with a honing process to enhance oil retention.
[0041]
FIG. 3 shows an embodiment in which the amorphous hard carbon coating member is a valve lifter and the iron-based second member is a camshaft. The valve lifter is forged from SCM420 material and the like, and the crown surface is ultra-finished to about Ra 0.02 microns. After cleaning, hydrogen and metal are removed by a vacuum arc discharge method using a carbon cathode in a vacuum chamber (not shown). An amorphous hard carbon film not containing is formed to a thickness of about 0.3-2 μm. At this time, in order to improve the adhesion between the lifter crown surface and the amorphous hard film, a metal intermediate layer of Cr or the like may be formed to a thickness of about 0.2 to 0.5 μm. The chill cam material, which is the mating material, increases the cooling rate of the cam portion when solidifying the cast iron, and hardens cementite (Fe). 3 C) is deposited. By changing the solidification rate between the shaft and the cam in this way, a hard cam and a torsion-resistant shaft are simultaneously produced.
[0042]
Since the combination of the amorphous hard carbon coating member and the iron-based member according to the present invention has such a structure, friction loss can be reduced under lubrication with low-viscosity engine oil.
Hereinafter, examples will be shown to explain the contents of the present invention.
[0043]
【Example】
Example 1
An example of the combination of the amorphous hard carbon-coated member and the iron-based member according to the present invention was subjected to a single scuff test of a pin-on-disk type, and the scuff surface pressure and the surface condition after the test were compared. The preparation conditions of the sample are as follows.
Pin: SUS440B material, sliding part size 3.5 mm x 5.0 mm, tip R20, surface roughness Rz 0.4 micron
Surface treatment: amorphous hard carbon film (vacuum arc discharge method using carbon cathode) 1 micron film thickness, hardness HV 2500
Disk: Material FC250 (diameter 60 mm x thickness 12 mm), surface roughness Rz 0.5 micron
The test conditions are as follows.
Test conditions: sliding speed 8 m / sec, load 1-30 MPa, gradually increased in 0.2 MPa steps, maintained for 30 sec, used oil-5W-20, temperature 100 ° C.
The hydrogen content of the formed amorphous hard carbon film was analyzed by HFS (Hydrogen Forward Scattering). The scuff surface pressure in this combination was about 400 MPa, and no chipping was observed on the surface of the amorphous hard carbon film after the test.
[0044]
Comparative Example 1
An experiment was conducted with a disk surface roughness greater than the value of the present invention.
Pin: SUS440B material, sliding part size 3.5 mm x 5.0 mm, tip R20, surface roughness Rz 0.4 micron
Surface treatment: amorphous hard carbon film (vacuum arc discharge method using carbon cathode) 1 micron film thickness, hardness HV 2500
Disk: Material FC250 (diameter 60 mm x thickness 12 mm), surface roughness Rz 2.0 microns
The test conditions are as follows.
Test conditions: sliding speed 8 m / sec, load 1-30 MPa, gradually increased in 0.2 MPa steps, maintained for 30 sec, used oil-5W-20, temperature 100 ° C.
The scuff surface pressure in this combination was about 200 MPa, a large number of scratches were generated on the film surface, and the film abrasion was large.
[0045]
Comparative Example 2
In this comparative example, pins were nitrided instead of the amorphous hard carbon film.
Pin: SUS440B material, sliding part size 3.5 mm x 5.0 mm, tip R20, surface roughness Rz 0.4 micron
Surface treatment: Gas nitriding (nitride layer thickness 80 microns, hardness HV900)
Disk: Material FC250 (diameter 60 mm x thickness 12 mm), surface roughness Rz 0.5 micron
Test conditions: sliding speed 8 m / sec, load 1-30 MPa, gradually increased in 0.2 MPa steps, maintained for 30 sec, used oil-5W-20, temperature 100 ° C.
The scuff surface pressure in this combination was about 360 MPa, and the abrasion was somewhat large.
[0046]
Comparative Example 3
In this comparative example, a hydrogen-containing amorphous hard carbon film was used.
Pin: SUS440B material, sliding part size 3.5 mm x 5.0 mm, tip R20, surface roughness Rz 0.4 micron
Surface treatment: Hydrogen-containing amorphous hard carbon film (C 2 H 2 Plasma CVD method) 1 μm thick, HV2000 hardness
Disk: Material FC250 (diameter 60 mm x thickness 12 mm), surface roughness Rz 0.5 micron
Test conditions: sliding speed 8 m / sec, load 1-30 MPa, gradually increased at 0.2 MPa, 30 sec hold, oil used-5W-20, temperature 100 ° C.
In addition, as a result of analyzing the hydrogen content of the formed amorphous hard carbon film by HFS (Hydrogen Forward Scattering), about 30 to 50 at% of hydrogen was detected. The scuff surface pressure in this combination was about 320 MPa, which was higher than Comparative Examples 1 and 2, but some scratches were observed on the film surface after the test.
[0047]
Comparative Example 4
In this comparative example, a W-containing amorphous hard carbon film was used.
Pin: SUS440B material, sliding part size 3.5 mm x 5.0 mm, tip R20, surface roughness Rz 0.4 micron
Surface treatment: W-containing amorphous hard carbon film (C with WC target 2 H 2 Reactive sputtering method) Film thickness 1 micron, hardness HV2200
Disk: Material FC250 (diameter 60 mm x thickness 12 mm), surface roughness Rz 0.5 micron
Test conditions: sliding speed 8 m / sec, load 1-30 MPa, gradually increased at 0.2 MPa, 30 sec hold, oil used-5W-20, temperature 100 ° C.
The hydrogen content of the formed amorphous hard carbon film was analyzed by HFS (Hydrogen Forward Scattering), and as a result, about 20 at% of hydrogen was detected. Further, as a result of analyzing the W content in the film by ESCA analysis, about 15 at% of W was detected. The scuff surface pressure in this combination was about 250 MPa, and chipping was observed on the film surface after the test.
Tables 1 and 2 summarize the results of the above-described single scuff test.
[0048]
[Table 1]
[0049]
[Table 2]
Hereinafter, evaluation results of actual engine parts will be described.
[0050]
Example 2 (piston ring)
As shown in FIG. 2, in one embodiment of the combination of the amorphous hard carbon coating member and the iron-based member according to the present invention, the amorphous hard carbon film 1 is formed on the outer peripheral surface of the piston ring 5 and the cast iron cylinder liner 6 is formed. A reciprocating motoring test was performed in combination with the above, and the friction loss and the surface condition after the test were compared. The sample preparation conditions and test conditions are as follows.
Piston ring (side rail): φ87.5 mm, thickness 0.5 mm, material carbon steel (C0.74-0.90%, Si 0.35% or less, Mn 0.60% or less, P0.030% or less, S0. 030% or less, tensile strength 1373N / mm 2 Above, hardness Hv400-580), outer peripheral surface roughness Rz 0.5 micron
Surface treatment: amorphous hard carbon film (vacuum arc discharge method using carbon cathode) 1 micron film thickness, hardness HV 2500
Cylinder liner: Material FC250, surface roughness Rz 1.0 micron
Oil: Low viscosity oil (5 cSt, 40 ° C.) is applied to the inner peripheral surface of the bore and wiped off.
Temperature: room temperature, number of revolutions: 500 rpm
The friction loss for this combination was about 1.6 Nm after 210 minutes, and no surface damage was seen.
[0051]
Comparative Example 5 (piston ring, conventional roughness)
Piston ring (side rail): φ87.5 mm, thickness 0.5 mm, material carbon steel (C0.74-0.90%, Si 0.35% or less, Mn 0.60% or less, P0.030% or less, S0. 030% or less, tensile strength 1373N / mm 2 Above, hardness Hv400-580), outer peripheral surface roughness Rz 0.5 micron
Surface treatment: amorphous hard carbon film (vacuum arc discharge method using carbon cathode) 1 micron film thickness, hardness HV 2500
Cylinder liner: Material FC250, surface roughness Rz 2.0 microns
Oil: Low viscosity oil (5 cSt, 40 ° C.) is applied to the inner peripheral surface of the bore and wiped off.
Temperature: room temperature, number of revolutions: 500 rpm
The friction loss of this combination was about 1.8 Nm after 210 minutes, which was about 13% larger than that of Example 2. In addition, some wear was observed on the outer peripheral surface of the rail.
[0052]
Example 3 (valve lifter)
As shown in FIG. 3, a motoring test of the valve lifter 7 and the camshaft 8 coated with the amorphous hard carbon film 1 was performed on one embodiment of the combination of the amorphous hard carbon coating member and the iron-based member according to the present invention. The friction torque was compared with the surface roughness before and after the test. The sample preparation conditions and test conditions are as follows.
Valve lifter: Material SCM420 carburizing gas nitrocarburizing, crown surface roughness Ra 0.02 micron
Surface treatment: amorphous hard carbon film (vacuum arc discharge method using carbon cathode) 1 micron film thickness, hardness HV 2500
Camshaft: FC300 chill material, cam part surface roughness Ra 0.3 micron
Oil: 5W-30, rotation speed: 200-3200 rpm
In the case of this combination, the friction torque was Cr of Comparative Example 6. 2 It was reduced by about 45% on average compared to the case of the N film. Further, the lifter surface roughness was hardly changed before and after the test, and the surface of the cam nose 9 side was Ra 0.05 μm, but improved to Ra 0.01 μm, which is almost the same as that of the lifter.
[0053]
Comparative Example 6 (valve lifter, conventional roughness)
Valve lifter: Material SCM420 carburizing gas nitrocarburizing, crown surface roughness Ra 0.02 micron
Surface treatment: Cr 2 N film (arc ion plating method), thickness 4 microns, hardness HV2000
Camshaft: FC300 chill material, cam part surface roughness Ra 0.3 micron
Oil: 5W-30, rotation speed: 200-3200 rpm
In the case of this combination, the friction torque was larger than that of Example 3. The valve lifter surface roughness deteriorated from Ra 0.02 to 0.05 before and after the test, and the cam nose side was Ra 0.05 micron, but improved to 0.03 micron.
Table 3 summarizes the test results of the valve lifter.
[0054]
[Table 3]
[0055]
【The invention's effect】
From the results of the above-mentioned single-scuff test in low-viscosity engine oil, the scuff resistance was improved in combination with a sliding member coated with an amorphous hard carbon film by improving the surface roughness of the cast iron material as the mating material. Has been found to be significantly improved.
In addition, the use of low-viscosity oil can reduce friction loss due to its viscosity, thereby making it possible to reduce fuel consumption of the engine and reduce exhaust gas. Also, the better the surface roughness, the thinner the oil film thickness can be, and the amount of oil supply can be reduced, and the surface roughness equal to or higher than the initial surface roughness is maintained during operation.
By coating the sliding member with an amorphous hard carbon film that does not contain hydrogen or metal, it can be made into a film with high hardness and high strength, so even when used under high surface pressure, chipping and scratching Low occurrence. It has good wettability in oil and works well with additives.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a combination of a piston ring and a cylinder bore according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a combination of a valve lifter and a camshaft according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Amorphous hard carbon film
2 First member
3 ... Iron-based second member
4 ・ ・ ・ Oil
5 ... Piston ring
6 ... Cylinder liner
7 ... Valve lifter
8 camshaft
9 ... Cam nose
