JP2013108156A - 内燃機関用バルブ駆動系部材およびその使用方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の内燃機関用バルブ駆動系部材は、潤滑油が介在する湿式条件下でカムのカム面と摺接してカムに従動する摺接面を有するカムフォロアからなる。本発明に係るカムフォロアの摺接面は、全体を100原子%としたときに5〜25原子%のHと4〜25原子%のBと残部であるCとからなるDLC膜(DLC−B膜)で被覆されてなる。このDLC−B膜からなる摺接面は、高靱性で耐衝撃性に優れ、カム面から150〜250MPa/degの衝撃力を受けても、欠け等を生じない。またジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン(MoDTC)を含まない潤滑油が介在する湿式条件下で使用される場合に、本発明に係るカムフォロアは優れた低摩擦係数を発揮する。
【選択図】図7A
Description
(1)本発明の内燃機関用バルブ駆動系部材は、内燃機関の吸気または排気を制御するバルブの軸端部と該バルブを開閉駆動するカムとの間に介在すると共に、潤滑油が介在する湿式条件下で該カムのカム面と摺接して該カムに従動し得る摺接面を有するカムフォロアからなる内燃機関用バルブ駆動系部材であって、該カムフォロアの摺接面は、全体を100原子%(単に「%」という。)としたときに5〜25%の水素(H)と4〜25%のホウ素(B)と残部である炭素(C)とからなる非晶質炭素膜を表面に有することを特徴とする。
(1)本発明は内燃機関用バルブ駆動系部材としてのみならず、その使用方法としても把握される。例えば本発明は、100ppm以下のモリブデン(Mo)を含みジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン(MoDTC)を含まない潤滑油が介在する湿式条件下で使用されることを特徴とする内燃機関用バルブ駆動系部材の使用方法としても把握できる。
(1)本明細書中でいう「非晶質炭素膜」は、C、HおよびB(さらにはO)以外であって、非晶質炭素膜の特性改善に有効な元素を含み得る。改善される特性の種類は問わない。また当然ながら、原料中に含まれる不純物や成膜時等に混入する不純物など、コスト的または技術的な理由により除去困難な「不可避不純物」も本発明に係る非晶質炭素膜中に含有され得る。
〈カムフォロア〉
(1)カムフォロアは、エンジン等により駆動されるカムに従動し、エンジンの吸気バルブまたは排気バルブ(両者を合わせて適宜「エンジンバルブ」という。)の軸端部(バルブエンド)を押動する。こうしてカムフォロアを介してエンジンバルブの開閉動がなされる。カムフォロアは、カムにより直接的にエンジンバルブの開閉動がなされる直打式でも、ロッカーアームを介して間接的にエンジンバルブの開閉動がなされるロッカーアーム式でもよい。
(1)組成
カムフォロアの摺接面を構成するDLC−B膜は、B、Hおよび残部(主成分)であるCを必須元素とする。
本発明に係るDLC−B膜は、従来のDLC膜と同様にアモルファス構造からなるが、それのみならず、炭化物を実質的に含まず、無配向性組織からなると、より好ましいことがわかっている。
カムフォロアの摺接面を形成するDLC−B膜は、カムフォロアを構成する鉄鋼(炭素鋼または合金鋼)基材よりも硬く、この鉄鋼基材よりも弾性率が小さいと好ましい。これにより本発明に係るDLC−B膜は、高耐摩耗性と、高靱性または高耐衝撃性とを発揮し得る。
〈潤滑油〉
本発明の内燃機関用バルブ駆動系部材は、潤滑油が存在する湿式条件下で使用される場合に優れた摺動特性を発揮する。本発明では潤滑油の種類を問わないが、潤滑油がMoDTC非含有オイルである場合に、本発明に係るDLC−B膜は他の表面処理膜等よりも特に優れた特性を発揮する。
本発明の内燃機関用バルブ駆動系部材は、カムフォロアの表面(さらには中間層の表面)にDLC−B膜を成膜することにより得られる。ここではDLC−B膜の成膜方法について詳述する。
《非晶質炭素膜》
先ず内燃機関用バルブ駆動系部材に適した非晶質炭素膜(DLC膜)を選定するため、試験用の基材表面に表1に示す種々の被膜を形成した試料を製作した。
基材として、6.3mm×15.7mm×10.1mmの鋼材(マルテンサイト系ステンレス鋼:SUS440C)を用意した。成膜前の表面硬さはHRC60、表面粗さRa(中心線平均粗さ/JIS)は0.005μmであった。
基材表面上へのDLC膜の成膜は、アンバランスドマグネトロンスパッタリング装置(株式会社神戸製鋼所製UBMS504)を用いて行った。具体的には次の通りである。
DLC膜を形成する前に、予め基材表面に中間層を形成した。具体的には、上記のスパッタリング装置内を1×10−5Paまで排気して、基材表面に対向配置した純クロムターゲットをArガスでスパッタした。こうして基材表面に柱状晶のCr膜を形成した。これに続けて、CH4ガスを装置内へ導入し、Cr膜の表面にCr−C系膜を形成した。こうして合計の厚さが約0.8μm程度の中間層を形成した。なお本実施例を通じて、基材表面とターゲット表面との距離は100〜800mmに調整した。なお、膜厚はCMS社製Calotestにより特定した(以下同様)。
上記と同様にして、基材表面に対向配置したホウ素源であるB4CターゲットおよびグラファイトターゲットをArガスでスパッタリングした。これに続けて、200sccmのArガス、10sccmのCH4ガス(炭化水素系ガス)および1sccmのH2ガスを装置内へ導入した。このときの装置内のガス圧は0.7Paであった。こうして中間層およびDLC−B膜からなる被膜が、基材表面に形成された試料を得た。なお、DLC−B膜の厚さは約1.5μmであった。
DLC−B膜以外のDLC膜を成膜した試料も用意した。いずれの場合も、中間層を形成した基材表面にDLC膜を形成した。具体的には、表1に示した試料No.C1のDLC−Si膜は、特許4372663号公報に記載されている直流プラズマCVD法により形成した。試料No.C2のDLC−Ti膜は、ターゲットをB4CからTiに替えてDLC−B膜の場合と同様な方法で形成した。試料No.C3のDLC−H膜は、ターゲットをCに変更し、CH4ガスを導入して形成した。試料No.C4の水素フリーDLC膜は、特開2004−115826号公報に記載されているアークイオンプレティーング法により形成した。
表1に示した各DLC膜について、膜組成、膜構造、配向性、表面硬さ(ナノ硬さ)、弾性率、表面粗さおよび摩擦係数をそれぞれ測定した。
膜中のB、Si、TiおよびOは、電子プローブ微小部分析法(EPMA)、X線光電子分光法(XPS)、オージェ電子分光法(AES)またはラザフォード後方散乱法(RBS)により定量した。Hは、弾性反跳粒子検出法(ERDA)により定量した。ERDAは、2MeVのヘリウムイオンビームを膜表面に照射して、その膜からはじき出される水素を半導体検出器により検出して水素濃度を測定する方法である。こうして得られたDLC膜の組成を表1に併せて示した。
試料No.5のDLC−B膜の厚さ方向の断面中央部に電子線を照射して得た電子線回折像を図1Aに示した。この電子線回折像は透過型電子顕微鏡(TEM))を用いて、図1Bに示すTEM像の微小領域No.3について観察したものである。この電子線回折像から、ハロー状のパターンが観察されており、試料No.5のDLC−B膜がアモルファス構造であることがわかる。なお、他の試料のDLC膜も同様な電子線回折像が観察されており、アモルファス構造であった。
試料No.5のDLC−B膜の配向性を、前述した電子線回折像(図1A)に基づいて分析した結果を図2Aに示した。また試料No.C4のDLC0膜について同様に分析した結果を図2Bに示した。なお、この結果は、電子線回折パターンの強度を、回折リングの径方向に延びる直交二方向(図1Aの水平方向(H方向)および垂直方向(V方向))に沿ってそれぞれ測定し、それらを解析ソフトで処理したものである。図2Aおよび図2Bのグラフの横軸は透過波と回折波の距離(r:単位はnm−1)であり、縦軸は強度である。
各DLC膜の表面硬さおよび弾性率は、ナノインデンター試験機(株式会社東陽テクニカ製MTS)による測定値から求めた。表面粗さは、非接触の表面形状測定機(Zygo社製NewView5000)により測定した。こうして得られたDLC膜の性状を表1に併せて示した。
表1に示すDLC膜の摩擦係数を、リング・オン・ブロック型摩擦試験機(LFW−1、FALEX社製)を用いて測定した。この摩擦試験は、潤滑油が存在する湿式条件下で、上述した基材(ブロック)表面にあるDLC膜と相手材(リング)を一定の摩擦条件下で摺動させてなされる。相手材には、浸炭鋼材(SAE 4620)からなり、表面粗さRz(十点平均粗さ/JIS)が13μmのリング(φ35mm、幅8mm)を用いた。潤滑油には、摩擦調整剤であるMoDTC(ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン)を含有しないエンジンオイル(トヨタキャッスル SM 5W−30(SAE粘度規格)/ILSAC規格:GF−4)を用いた。摩擦条件は、荷重:130N(最大ヘルツ面圧:210MPa)、摺動速度:0.3m/s(回転数:160rpm)、油温:80℃、摺動時間:30分とした。ブロックとリングの摺動部への潤滑油の供給は、潤滑油中に半浴状態にあるリングを回転させることにより行った。こうして得られたそれぞれのDLC膜の摩擦係数を図4Aおよび図4Bに示した。なお、ここで示した摩擦係数は、試験終了直前に測定した値である。
前述した各種のDLC膜を表面に成膜したシム(カムフォロア)の摩擦摺動特性を、エンジン動弁系試験装置を用いて測定した。用いたシムは、シム径φ25mmのアウタ式シムである。
試験装置は、実機の小型ガソリンエンジン(排気量:1600cc)を構成する動弁系部分からなり、その一部であるカムシャフトはモータにより駆動とした。カムシャフトが回転すると、バルブスプリングにより所定の荷重(バネ荷重)を付与されたシムのDLC膜上を、カム面が摺接する。そしてシムは、カムプロフィールに沿った従動を行う。
この試験装置に、DLC−B膜(試料No.5)を被膜したシム(表面粗さRz:0.3μm)、 DLC−Si膜(試料No.C1)を被膜したシム(表面粗さRz:1.1μm)および前述した小型エンジン(市販品)に現実に採用されている現行シム(表面粗さRz:2.9μm)を順次組み付けて、それぞれの摩擦摺動特性を調べた。なお、各シムは全てSCM材(JIS)からなる。また現行シムは、その基材上にリュブライト処理が施されていた。
(1)摩擦係数
図6に示した摩擦係数は、カムシャフトの回転速度:500rpm(エンジン回転速度:1000rpm相当)、潤滑油温:80℃のときの値である。DLC−B膜で被膜されたシムを用いると、潤滑油の種類に依らず、摩擦係数が0.04以下となり、他のいずれのシムよりも摩擦係数が低くなった。特に図6Aからわかるように、MoDTC非含有オイルを用いる場合、シムの摺動面にDLC−B膜を設けると、摩擦係数が著しく低下することが明らかとなった。具体的にいうと、現行シムとの比較でいうと約60%も摩擦係数が低下した。
MoDTC含有オイルの湿式条件下で上記の試験を行った後、各シムのDLC−B膜(試料No.5)表面と、DLC−Si膜(試料No.C1)表面を光学式三次元形状測定機(Zygo社製New View)により観察した。それらの外観写真を図8Aおよび図8Bにそれぞれ示した。DLC−B膜からなるシムの摺接面には、シムの中心部から1mmほど離れた位置(接触開始点近傍)に微細な摺動痕が観察された程度で、欠け等は観察されなかった。一方、DLC−Si膜からなるシムの摺接面には、シムの中心部から1mmほど離れた位置(接触開始点近傍)に大きな摺動痕が観察され、さらには欠けも観察された。
Claims (11)
- 内燃機関の吸気または排気を制御するバルブの軸端部と該バルブを開閉駆動するカムとの間に介在すると共に、潤滑油が介在する湿式条件下で該カムのカム面と摺接して該カムに従動し得る摺接面を有するカムフォロアからなる内燃機関用バルブ駆動系部材であって、
該カムフォロアの摺接面は、全体を100原子%(単に「%」という。)としたときに5〜25%の水素(H)と4〜25%のホウ素(B)と残部である炭素(C)とからなる非晶質炭素膜を表面に有することを特徴とする内燃機関用バルブ駆動系部材。 - 前記カムフォロアの摺接面には、前記カムの回動により150〜300MPa/degの衝撃力が作用し得る請求項1に記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 前記非晶質炭素膜は、無配向性組織からなる請求項1または2に記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 前記非晶質炭素膜は、炭化物を実質的に含まない請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 前記非晶質炭素膜は、前記カムフォロアを構成する鉄鋼基材よりも硬く、該鉄鋼基材よりも弾性率が小さい請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 前記非晶質炭素膜中のホウ素は、6.5〜20%である請求項1〜5のいずれかに記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 前記非晶質炭素膜は、酸素(O)の含有量が6%未満である請求項1〜6のいずれかに記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 前記非晶質炭素膜は、前記カムフォロアの基材表面に形成された中間層上に形成されている請求項1〜7のいずれかに記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 前記カムは鋳鉄からなる請求項1〜8のいずれかに記載の内燃機関用バルブ駆動系部材。
- 100ppm以下のモリブデン(Mo)を含み、ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン(MoDTC)を実質的に含まない潤滑油が介在する湿式条件下で請求項1〜9のいずれかに記載の内燃機関用バルブ駆動系部材を使用することを特徴とする内燃機関用バルブ駆動系部材の使用方法。
- 前記潤滑油は、全体を100質量%としたときに、硫黄(S)またはリン(P)の一種以上と、亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)または銅(Cu)の一種以上とを合計で500ppm以上含む請求項10に記載の内燃機関用バルブ駆動系部材の使用方法。
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