JP6339812B2

JP6339812B2 - ピストンリング

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Publication number: JP6339812B2
Application number: JP2014014161A
Authority: JP
Inventors: 松原　誠; 誠松原
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: WO2015115153A1; JP2015140862A

Description

本発明は、非晶質炭素皮膜を形成したピストンリング（以下「リング」ともいう。）に関し、特に耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れたピストンリングに関する。

自動車エンジンでは、ピストンリングとシリンダ又はシリンダライナの摺動によって生じる摩擦損失の占める割合はエンジン全体損失の2〜3割程度と言われており、それ故この摩擦損失の低減は重要で、燃費を向上し、CO₂排出削減への貢献は大きいと考えられている。ピストンリング摩擦損失に関係する因子としては、リング張力、リング形状、摩擦係数などがあるが、特にリング形状の維持は、摩擦損失の低減に寄与するだけでなく、シール性を維持し、燃焼エネルギーをロス無くクランクシャフトに伝達して高い機械効率を維持することにも貢献する。その点、優れた耐摩耗性により摩擦損失の少ないリング形状を維持することを可能にし、且つ摩擦係数の小さい非晶質炭素皮膜をピストンリングに形成することが注目される。

一方、リングの摺動相手であるシリンダライナも、燃費の向上や、車両運動性能の向上を目的として、鋳鉄からアルミ合金へ軽量化の材料置換が進められている。アルミ合金としては、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。

特許文献１は、鋳鉄シリンダライナを摺動相手材として、初期なじみ性に優れ、摩擦損失低減効果の大きな摺動部材を提供することを目的に、真空アーク放電法により成膜された非晶質炭素皮膜の表面に形成されるマクロパーティクルと呼ばれる微少突起に注目し、このマクロパーティクルの後処理による調整が、表面粗さパラメータである十点平均粗さ（Rz）と初期摩耗粗さ（Rpk）により管理できることを教示している。具体的には、Rzが0.7μm以下であり、且つRpkが0.07〜0.14μmであることを要件としている。

しかし、鋳鉄シリンダライナに代えてアルミ合金製シリンダライナを使用した場合、十点平均粗さと初期摩耗粗さを上記の所定の範囲に管理しても、非晶質炭素皮膜は、摺動によりスカッフを起こして傷が入ったり、ひどい場合には摩滅してしまうようなことが生じたりする可能性があった。

特開２００７−２３２０２６号公報

本発明は、自動車の低燃費化のため、アルミ合金製のシリンダ又はシリンダライナに対し、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた非晶質炭素皮膜を形成したピストンリングを提供することを課題とする。

本発明者は、アルミ合金を相手材とした非晶質炭素皮膜の摩擦摩耗特性と非晶質炭素皮膜の表面粗さパラメータとの関係について、鋭意研究した結果、耐スカッフ性が、平均的な表面粗さよりも最大山高さを持つ突起に強く依存するという知見、また二次元の表面粗さパラメータよりもむしろ三次元の最大山高さに強く依存するという知見を得て、本発明の非晶質炭素皮膜形成ピストンリングに想到した。

すなわち、本発明のピストンリングは、摺動面に非晶質炭素皮膜を形成したピストンリングであって、前記非晶質炭素皮膜の表面におけるマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上であり、前記マルテンス硬さHMT115と前記非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpとの積が5.0 kPa・m以下で確実にスカッフを回避できることを特徴とする。前記マルテンス硬さHMT115は11.0 GPa未満であることが好ましく、前記最大山高さSpは0.5μm以下であることが好ましい。

また、前記非晶質炭素皮膜は、15.0〜40.0原子％の水素を含有していることが好ましく、膜厚が4.0〜10.0μmであることが好ましい。

また、本発明のピストンリングは、アルミニウム合金製シリンダライナを摺動相手材として使用されることが好ましい。

本発明のピストンリングは、ピストンリングに形成した非晶質炭素皮膜のマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上で、少なくとも過共晶Al-Si合金のSi粒子と同レベル以上であり、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、非晶質炭素皮膜の摩耗を抑制することができる。また、前記マルテンス硬さHMT115と前記非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpとの積を5.0 kPa・m以下としているので、非晶質炭素皮膜のHMT115が比較的大きい場合には、Spを小さくすることにより最大山高さを持つ突起によるスカッフを回避することができる。特に、最大山高さについて三次元表面粗さを採用したことは、評価の信頼性を著しく高め、確実なスカッフの回避に繋がり、結果的に、アルミ合金製シリンダライナに対し、優れた耐摩耗性及び耐スカッフ性を示し、自動車の低燃費化に貢献することができる。

本発明の非晶質炭素皮膜表面をレーザー顕微鏡で観察した写真で、三次元表面粗さの最大山高さSpが測定される。

本発明のピストンリングの摺動面に形成する非晶質炭素皮膜において、マルテンス硬さHMT115はナノインデンテーション法によって測定される。ナノインデンテーション法は、Berkovich圧子で荷重を測定面に連続して負荷・除荷し、所定の荷重下での表面からの押し込み深さを計測して硬さを求める方法である。このマルテンス硬さHMT115が低すぎると、過共晶Al-Si合金の初晶Siによって非晶質炭素皮膜が摩耗してしまうので、少なくとも5.0 GPa以上とする。さらに、マルテンス硬さHMT115が高すぎると、靱性が低くなって破壊しやすく、破壊によってスカッフを起こすおそれがあり、また非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpが高すぎても高い局部応力が発生してスカッフを起こしやすくなるため、マルテンス硬さと最大山高さの積、すなわち、HMT115×Spが5.0 kPa・m以下となるように調整する必要がある。マルテンス硬さHMT115は5.0 GPa以上11.0 GPa未満であることが好ましく、6.0 GPa以上10.0 GPa未満であることがより好ましい。また三次元表面粗さの最大山高さSpは0.5μm以下であることが好ましく、0.4μm以下であることがより好ましい。

図１は、本発明の非晶質炭素皮膜表面をレーザー顕微鏡で観察した写真であるが、所定の面積内の最大山（1）は確実に観測することができ、三次元表面粗さの測定により、十点平均粗さのような線分析による表面粗さに比べ、遥かに精度が向上していることが理解できる。

前記非晶質炭素皮膜は、本発明の範囲のマルテンス硬度HMT115を有するためには、水素を含有していることが好ましい。非晶質炭素皮膜に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。前記非晶質炭素皮膜は、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15〜40原子％であることが好ましく、20〜35原子％であることがより好ましい。

また、前記非晶質炭素皮膜は、4.0〜10.0μmの膜厚を有することが好ましい。

また、前記非晶質炭素皮膜は、密着性向上のため、ピストンリング母材との間に金属中間層を介して形成されることが好ましい。金属中間層は、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。

また、本発明のピストンリングは、アルミニウム合金製のシリンダライナを摺動相手材として使用されることが好ましい。アルミニウム合金製のシリンダライナは、初晶Siが微細に分散した過共晶Al-Si合金製であることが好ましく、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。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。

本発明のピストンリングに形成される非晶質炭素皮膜は、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法により形成される。好ましい膜厚（4.0〜10.0μm）や、金属中間層の形成を考慮すると、PIGプラズマCVD装置にスパッタターゲットも併設された装置を使用することが好ましい。もちろん、炭化水素系ガスととも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母材（クロムめっき処理した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10本重ねてセットし、PIGプラズマガンとCr及びWCターゲットを備えたCVD装置の真空チャンバー内の回転テーブルに設置した。また、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、PIGプラズマによるボンバードメントにより、母材表面のクリーニング処理を行った後、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。続いて、WCのスパッタリングを同時に処理し、WC/Crの傾斜層を形成した。そして、Crのスパッタリングを停止させ、WCのスパッタリングを実施しながら、Arガスに加えてC₂H₂ガスを導入して、WC/W-a-C:Hの傾斜層を形成した。最後にWCのスパッタリングを停止し、所定の時間、プラズマCVD法による非晶質炭素皮膜を形成した。ここで、成膜治具には、負のバイアス電圧を印加した。成膜後のピストンリングについて、その外周面にフィルムラップ処理を施し、表面粗さを調整した。

次に、実施例１の非晶質炭素皮膜被覆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。実施例１のピストンリングの中間層の厚さは0.8μm、非晶質炭素皮膜の厚さは5.6μmであった。

[2] マルテンス硬さHMT115の測定
マルテンス硬さHMT115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HMT115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。実施例１のマルテンス硬さHMT115は8.1 GPaであった。

[3] 三次元表面粗さの最大山高さSpの測定
三次元表面粗さの最大山高さSpは、レーザー顕微鏡（オリンパス株式会社製OLS4000）により、カットオフ値λ=0.08 mm、測定範囲64μm×64μmとして測定した。測定結果としては、5点測定し、平均値を採用した。実施例１の最大山高さSpは0.31μmであった。上記マルテンス硬さHMT115と最大山高さSpとの積は2.53 kPa・mであった。

[4] 非晶質炭素皮膜の水素含有量分析
非晶質炭素皮膜中の水素含有量は、組成分析用試料を用いて、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。実施例１の水素含有量は31原子％であった。

[5] 往復摺動試験
往復摺動試験は、Optimol社製のSRVIII型試験機を用い、シリンダライナに相当するアルミ合金製円板上をピストンリングが軸方向に往復摺動する試験により行った。ここで、アルミ合金製円板は、Al-80質量％、Si-20質量％の合金円板を研磨加工により表面粗さ（Rzjis-82）0.45〜0.65μmに調製したものを使用し、ピストンリングは、長さ約15 mmに切断したピストンリング片を使用した。試験条件は、垂直荷重300 N、往復幅2 mm、往復周波数60 Hz、円板温度100℃、潤滑下（市販エンジン油（0W-20SM）を1 cm³滴下）にて、試験時間90分とした。試験結果としては、試験後の摺動痕の光学顕微鏡観察と摩擦係数を記録したチャートの確認から、傷がなく、スカッフ（摩擦係数の急上昇）も確認されないものを○、傷及び／又はスカッフが確認されたものを×として評価した。加えて、非晶質炭素皮膜が摩滅して、ピストンリングの母材が摺動方向に1 mm以上露出した場合を摩滅とした。実施例１の往復摺動試験の結果は、傷もスカッフも確認されずに良好であった。

比較例１
実施例１の成膜後のピストンリングについて、その外周面のフィルムラップ処理時間を短くしたものを比較例１として、三次元表面粗さの最大山高さSpの測定と往復摺動試験を行った。最大山高さSpは0.79μm、HMT115×Sp＝6.40 kPa・m、往復摺動試験の結果は、相手材に傷が確認され、またスカッフも確認された。

実施例２〜５及び比較例２〜４
プラズマCVDにおけるH₂ガスとC₂H₂ガスの比率又はC₂H₂ガスの導入量を変えて非晶質炭素皮膜中の水素含有量を変更し、フィルムラップ処理におけるフィルムの粗さ、処理時間を変えて表面粗さを変更した以外は、実施例１と同様にして（但し、実施例２と比較例２、実施例３と比較例３、実施例４と実施例５は非晶質炭素皮膜の形成を一緒に行い、フィルムラップ処理のフィルム粗さおよび処理時間を変えただけであるので、水素含有量は同じである。）、ピストンリング及び組成分析用試料にCr等の中間層と非晶質炭素皮膜を形成した。

実施例２〜５及び比較例２〜４の測定結果について、実施例１及び比較例１の結果も併せて、表１に示す。

表１から明らかなように、非晶質炭素皮膜のマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上で、且つHMT115と三次元表面粗さの最大山高さSpとの積が5.0 kPa・m以下であれば、往復摺動試験において、傷の発生もスカッフの発生も確認されなかった。なお、マルテンス硬さHMT115が5.0 GPa未満の比較例４では非晶質炭素皮膜が摩滅していた。

1 最大山

Claims

摺動面に非晶質炭素皮膜を形成したピストンリングであって、前記非晶質炭素皮膜の表面におけるマルテンス硬さHMT115が5.0 GPa以上であり、前記マルテンス硬さHMT115と前記非晶質炭素皮膜表面の三次元表面粗さの最大山高さSpとの積が5.0 kPa・m以下で確実にスカッフを回避できることを特徴とするピストンリング。
請求項１に記載のピストンリングにおいて、前記マルテンス硬さHMT115が11.0 GPa未満であることを特徴とするピストンリング。
請求項１又は２に記載のピストンリングにおいて、前記最大山高さSpが0.5μm以下であることを特徴とするピストンリング。
請求項１〜３に記載のピストンリングにおいて、前記非晶質炭素皮膜が15.0〜40.0原子％の水素を含有していることを特徴とするピストンリング。
請求項１〜４のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記非晶質炭素皮膜の膜厚が4.0〜10.0 μmであることを特徴とするピストンリング。
請求項１〜５のいずれかに記載のピストンリングにおいて、アルミニウム合金製のシリンダ又はシリンダライナを摺動相手材として使用されることを特徴とするピストンリング。