JP2008095966A

JP2008095966A - シリンダとピストンリングの組合わせ

Info

Publication number: JP2008095966A
Application number: JP2007325131A
Authority: JP
Inventors: Kiyoyuki Kawai; 清行川合; Shinji Kato; 慎治加藤
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; TPR Co Ltd
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】内周摺動面が複合化されたアルミニウム合金製シリンダとピストンリングの組み合わせを提供する。
【解決手段】シリンダとピストンリングの組み合わせにおいて、シリンダの内周摺動面がセラミックス繊維および硬質粒子により強化された金属基複合材料より構成され、該シリンダと組み合わされるピストンリングの外周摺動面がアモルファス炭素皮膜で形成されていることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合わせ。
【選択図】図４

Description

本発明は、内周摺動面が複合化された、通称：アルミＭＭＣシリンダといわれるアルミニウム合金製シリンダとピストンリングの組み合わせに関するものである。

アルミニウム合金基複合材料は、高比強度材料であり、耐摩耗性にも優れていることから、一部内燃機関におけるシリンダ材として使用されている。しかし、アルミニウム合金製シリンダの内周摺動面を通常のホーニング加工にて仕上げると、表面に加工による塑性流動層が生じ、シリンダ材中の硬質相表面がこの塑性流動層で覆われてしまう。そのため、摺動時にこの塑性流動層が相手材に移着し、焼き付きを起こしやすくなる。特に、この傾向はシリンダとピストンリング間に馴染みがつく以前の運転初期段階においてこのような危険性が高い。そこで、例えば、特公昭４３−８１７３号公報では、電解エッチングにより上述した塑性流動層を除去し、硬質相を表面に露出させ、油溜まりとなる凹部を形成させることにより焼き付きを防止するという方法が提案されている。

また、特開平６−３２２４５９号公報では、アルミニウム合金製摺動部材として、摺動面部が強化材で複合強化されたアルミニウム合金製摺動部材の強化材が、アルミナ：８０重量％と残部シリカとからなりαアルミナ含有率が５〜６０重量％である短繊維と、アルミナ：４０〜８６重量％と残部としてのシリカとよりなり平均粒径が３〜６０μｍである非球状ムライト粒子との混合物であり、更に複合部全体の体積率を１００％としてアルミナ短繊維及びムライト粒子の体積率がそれぞれ２〜１２％、５〜２５％であるアルミニウム合金製摺動部材が提案されている。

しかしながら、上述した電解エッチング処理をシリンダに施す場合には、前処理として脱脂が十分に行われていないとエッチングが出来なかったり、処理ムラが出るという問題が生じやすい。なお、電解エッチングを施したかどうかは、ホーニング加工により生じたクロスハッチ条痕が一部消失しているかどうかで識別できる。更に、処理液の劣化に対する管理、被処理面を除く面のシール、或いは処理後の洗浄という課題も多く残されているため、本来なら省略することが望ましい処理である。しかし、ピストンリング外周用表面処理として一般的な、窒化、硬質Ｃｒめっき、或いはＰＶＤ等の処理は、初期馴染み性が悪いうえに、シリンダ材であるアルミが移着しやすいため電解エッチング処理なしでは塑性流動層が容易に移着してしまい、焼き付きが発生する危険性が極めて高いという問題がある。

また、上述したような強化材で摺動面を複合強化したアルミニウム合金製摺動部材においては、耐摩耗性および相手材に対する摩擦摩耗特性は大幅に改善されたものの、相手材との馴染み性或いは耐焼き付きについては上述した電解エッチング処理の課題と併せて依然として更なる改善が求められている。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたもので、ピストンリングの外周摺動面に初期馴染み性に優れ、かつ耐アルミ凝着性に優れるアモルファス炭素皮膜を形成することにより、滑らかな摺動と速やかな馴染み面の形成が実現し、また、シリンダのマトリックスであるアルミのピストンリングへの移着を抑制することにより、電解エッチングを省略しても、焼き付きの発生を防止することができた。実際、乗用ガソリンエンジンにおいて、トップリングおよびオイルリングにこれを適用することによる優れた効果が得られることを確認した。

すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）シリンダとピストンリングの組み合わせにおいて、シリンダの内周摺動面がセラミックス繊維および硬質粒子により強化された金属基複合材料より構成され、該シリンダと組み合わされるピストンリングの外周摺動面がアモルファス炭素皮膜で形成されていることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合わせ。
（２）前記シリンダの内周摺動面を構成する金属基複合材料に含まれるセラミックス繊維が、アルミナ、シリカおよびこれらの混合物の何れか１種からなり、かつ前記硬質粒子が、ムライト、金属シリコンおよび石炭・石油の焼成灰の何れか１種からなることを特徴とする上記（１）に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（３）前記シリンダのマトリックスが、ＪＩＳＡＤＣ１２に規定される組成を有し、かつ前記金属基複合材料として用いられるセラミックス繊維および硬質粒子の体積率が、それぞれ３〜１０％、５〜１５％であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（４）前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜が、炭化タングステンまたは炭化珪素の何れか１種を含むことを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（５）前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜に含まれるタングステンまたは珪素の含有量が、原子比率で、それぞれ５〜３０％で、かつこれらの硬度がＨｖ：７００〜２０００であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（６）前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜が、原子比率で５〜１５％のＮを含有することを特徴とする上記（１）〜（５）の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（７）前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜の厚みが２〜１０μｍで、かつ別種の耐摩耗表面処理層上に形成したことを特徴とする上記（１）〜（６）の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（８）前記別種の耐摩耗表面処理層が窒化層であることを特徴とする上記（７）に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（９）前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜が、原子比率で５〜３０％のＳｉまたはＷを含有することを特徴とする上記（１）〜（８）の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
（１０）前記シリンダの内周摺動面をホーニング加工による仕上げを施したことを特徴とする上記（１）〜（９）の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。

以上説明したように、本発明によるピストンリングの外周摺動面に初期馴染み性に優れ、かつ耐アルミ凝着性に優れるアモルファス炭素皮膜を形成することにより、滑らかな摺動と速やかな馴染み面の形成し、また、シリンダのマトリックスであるアルミのピストンリングへの移着を抑制することにより、電解エッチングを省略しても、焼き付きの発生を防止することが可能になる。

＜実施例１＞
シリンダ製作方法として、強化繊維にアルミナ−シリカの混合繊維を、強化粒子としてムライトを用いた場合について示す。強化材であるアルミナ−シリカの混合繊維とムライト粒子の体積比がほぼ１：２で、かつこれらが三次元的にランダムに配向した円筒型成形体（プリフォーム）を作成し、これにＪＩＳＡＤＣ１２なる組成で規定されるアルミニウム合金溶湯を高圧鋳造にて鋳込み、円筒状複合材料を製造した。この円筒状複合材料の外径および内径は、それぞれ９２．５ｍｍ、８７．５ｍｍであり、内周面には表面粗さが０．８μｍＲｚになるようにホーニング加工を施した。このようにして製造した円筒状複合材料から、軸方向に７０ｍｍ、周方向に１４ｍｍの寸法を有するテストピースを切り出し、単体摩耗試験および焼き付き試験用の下試験片として用いた。また、比較材として内周ホーニング加工後に硝酸水溶液による電解エッチング処理を施したテストピースをも作成した。

ピストンリングの製作方法として、ＷＣを含むアモルファス炭素皮膜の例について説明する。母材となるピストンリングには全表面にわたりガス窒化層が形成されており、これを真空チャンバー内に保持する。この真空チャンバー内に設けたターンテーブルによりワーク（素材）を回転させながらイオンボンバートメントにより表面を清浄化し、皮膜の密着性を向上させるための下地コーティングとしてＣｒ層をスパッタにより被覆した。この後、炭素の供給源として炭化水素を用い、ワーク近傍にプラズマを発生させ、引き続きワークを回転させながらＷＣターゲットをスパッタし、皮膜を積層させた。
摩耗試験方法と摩耗試験結果
シリンダに複合される強化材の体積率が、シリンダおよびピストンリングの摩耗に及ぼす影響について調査するため、これらを表１に示すように体積率を変化させて摩耗試験を実施した。ここでは、強化材としてアルミナ−シリカ混合繊維およびムライト粒子を用いた。体積率：０％のものは、マトリックスであるＪＩＳＡＤＣ１２を表している。図３に示す往復動摩擦試験機を用いて、上試験片（ピストンリング材）１０を上方より油圧シリンダ１２により下試験片（シリンダ材）１３に押しつけ、一定時間運転した後、摩耗量を測定した。ピストンリング材としては、Ｗ含有量が原子比率で２５％を含有する本発明による材料を用い、一定荷重、一定速度のもとで一定時間運転後に摩耗量を測定した。

次に、摩耗試験結果について説明する。シリンダに複合される強化材体積率への影響について図４に示す。摩耗量は、強化材を含まないマトリックスのみの場合を１として示している。この強化材の体積率が少ない場合には、シリンダ強化が不十分であり、一方、この体積率が多い場合には相手攻撃性が増えるためにリング材の摩耗量が増加する。また、アルミナ−シリカ系繊維の代わりにアルミナまたはシリカを、ムライト粒子の代わりに金属Ｓｉまたは石炭・石油の焼成灰を用いてもほぼ同様の結果が得られる。従って、強化材の体積率としては、アルミナ−シリカ系繊維が３〜１０％、ムライト粒子が５〜１５％とすることが適当である。
焼き付き試験方法と焼き付き試験結果
上記シリンダに対する各ピストンリングの耐焼き付き性について試験した。試験の供したピストンリングおよびシリンダの構成は表１に示した通りである。シリンダの強化材には、アルミナ−シリカ系繊維およびムライト粒子を用いた。また、図３に示した往復動摩擦試験機を用い、上試験片（ピストンリング材）１０を上方より油圧シリンダ１２により一定荷重、一定速度にて下試験片（シリンダ材）１３に押し付け、焼き付き発生までの時間を測定した。ただし、１０分以上焼き付きが発生しない場合にはその時点で試験終了とした。

次に、焼き付き試験結果について説明する。図５は、焼き付き試験結果を示す図である。比較例１〜３に示した窒化、硬質Ｃｒめっき、およびＰＶＤ（ＣｒＮ）は、シリンダの電解エッチングなしでは何れも数分で焼き付きを起こしており、電解エッチングを施した比較例４では、焼き付きをまでの時間はかかるものの、やはり時間内に焼き付きが発生している。また、比較例５、６に示したように、本発明によるアモルファス炭素皮膜は、ＷおよびＳｉ含有量が少ないと皮膜が摩滅し、逆に多くなると密着不良により剥離し、共に焼き付きを起こすが、実施例に示したように、これらの含有量を適切な値とすることにより、電解電解エッチングなしでも焼き付きを防ぐことができる。また、原子比率で５〜１５％のＮが含まれてもよい。

以上の結果から、本発明によるアモルファス炭素皮膜中のＷおよびＳｉの含有量は、原子比率で５〜４０％とすることが適当であるが、１０〜３０％の範囲とすることが好ましい。なお、シリンダに複合される強化材の種類は耐焼き付き性には影響がない。

シリンダ内周摺動面付近の断面図。ピストンリングの断面図。往復動摩擦試験機の模式図。本発明の実施例１による摩耗試験結果を示す図。本発明の実施例１による焼き付き試験結果を示す図。

Claims

シリンダとピストンリングの組み合わせにおいて、シリンダの内周摺動面がセラミックス繊維および硬質粒子により強化された金属基複合材料より構成され、該シリンダと組み合わされるピストンリングの外周摺動面がアモルファス炭素皮膜で形成されていることを特徴とするシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記シリンダの内周摺動面を構成する金属基複合材料に含まれるセラミックス繊維が、アルミナ、シリカおよびこれらの混合物の何れか１種からなり、かつ前記硬質粒子が、ムライト、金属シリコンおよび石炭・石油の焼成灰の何れか１種からなることを特徴とする請求項１に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記シリンダのマトリックスが、ＪＩＳＡＤＣ１２に規定される組成を有し、かつ前記金属基複合材料として用いられるセラミックス繊維および硬質粒子の体積率が、それぞれ３〜１０％、５〜１５％であることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜が、炭化タングステンまたは炭化珪素の何れか１種を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜に含まれるタングステンまたは珪素の含有量が、原子比率で、それぞれ５〜３０％で、かつこれらの硬度がＨｖ：７００〜２０００であることを特徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜が、原子比率で５〜１５％のＮを含有することを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜の厚みが２〜１０μｍで、かつ別種の耐摩耗表面処理層上に形成したことを特徴とする請求項１〜６の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記別種の耐摩耗表面処理層が窒化層であることを特徴とする請求項７に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記ピストンリングの外周摺動面に形成されるアモルファス炭素皮膜が、原子比率で５〜３０％のＳｉまたはＷを含有することを特徴とする請求項１〜８の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。
前記シリンダの内周摺動面をホーニング加工による仕上げを施したことを特徴とする請求項１〜９の何れかの項に記載のシリンダとピストンリングの組合わせ。