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JP2006138329A - Low friction sliding mechanism - Google Patents

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JP2006138329A
JP2006138329A JP2004325788A JP2004325788A JP2006138329A JP 2006138329 A JP2006138329 A JP 2006138329A JP 2004325788 A JP2004325788 A JP 2004325788A JP 2004325788 A JP2004325788 A JP 2004325788A JP 2006138329 A JP2006138329 A JP 2006138329A
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JP
Japan
Prior art keywords
hard carbon
sliding mechanism
piston ring
amorphous hard
piston
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004325788A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshikazu Nanbu
俊和 南部
Yosuke Hizuka
洋輔 肥塚
Yoshiteru Yasuda
芳輝 保田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2004325788A priority Critical patent/JP2006138329A/en
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Abstract

【課題】摺動面の摩擦係数を低減しつつ、耐磨耗性及び耐焼付き性を両立させた低摩擦摺動機構を提供すること。
【解決手段】相手材との間に潤滑油を介して成る2以上の摺動面に、非晶質硬質炭素膜を配設し、該非晶質硬質炭素膜に含まれる水素量の異なる摺動面が2以上存在する低摩擦摺動機構である。ピストンリングと、ピストン及び/又はシリンダボアとから構成される。ピストンリングの上下面やピストンのリング溝に、水素量10%以下の非晶質硬質炭素膜を配設する。ピストンリング側面に、水素量20%以上の非晶質硬質炭素膜を配設する。ピストンリングの上下面及び側面に配設する非晶質硬質炭素膜を、それぞれPVD法、CVD法で成膜する。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide a low-friction sliding mechanism that has both wear resistance and seizure resistance while reducing the friction coefficient of the sliding surface.
An amorphous hard carbon film is disposed on two or more sliding surfaces formed with lubricating oil between a mating material and sliding with different amounts of hydrogen contained in the amorphous hard carbon film. This is a low friction sliding mechanism having two or more surfaces. It is composed of a piston ring and a piston and / or cylinder bore. An amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 10% or less is disposed on the upper and lower surfaces of the piston ring and the ring groove of the piston. An amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 20% or more is disposed on the side surface of the piston ring. Amorphous hard carbon films disposed on the upper and lower surfaces and side surfaces of the piston ring are formed by the PVD method and the CVD method, respectively.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、低摩擦摺動機構に係り、更に詳細には、内燃機関のピストンリングがなす摺動部位に好適に使用できる低摩擦摺動機構に関する。   The present invention relates to a low-friction sliding mechanism, and more particularly to a low-friction sliding mechanism that can be suitably used for a sliding portion formed by a piston ring of an internal combustion engine.

二酸化炭素による温暖化を始めとする環境問題が地球規模で大きくクローズアップされ、CO削減に向けた自動車燃費改善技術が大きな課題の一つであり、摩擦損失の低減が果たす役割は大きい。例えば、エンジンの摺動部位の摩擦損失に着目してみれば、摺動部材に耐磨耗性に優れ且つ低い摩擦係数を発現する材料・表面処理技術を開発することが重要となる。 Environmental problems including global warming due to carbon dioxide is largely closeup on a global scale, is one of the automobile fuel efficiency improvement technologies major issues for CO 2 reduction, the role reduction plays a friction loss is large. For example, if attention is paid to the friction loss at the sliding portion of the engine, it is important to develop a material / surface treatment technology that exhibits excellent wear resistance and a low friction coefficient for the sliding member.

ピストンリングに関しては、耐磨耗性、耐焼付き性向上を目的に、例えば、非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材を組合わせることが提案されている(例えば「特許文献1」参照)。 この特許文献1では、非晶質硬質炭素膜の優れた耐焼付き性、耐磨耗性によりピストンリングとボア内面の摺動を改善することを目的とするが、特に低摩擦を目的としたものではない。また、ピストンリングとボアと接触する部分のみに着目しており、ピストンとピストンリングが接触するピストンリングの上下面、あるいはピストンのリング溝に関する部分に関しては何ら限定されていない。
特願2002−345628号公報(P2002−345628)
With regard to the piston ring, for the purpose of improving wear resistance and seizure resistance, for example, it has been proposed to combine an amorphous hard carbon coated member and an iron-based member (see, for example, “Patent Document 1”). This Patent Document 1 aims to improve the sliding between the piston ring and the inner surface of the bore by the excellent seizure resistance and wear resistance of the amorphous hard carbon film. is not. Further, attention is focused only on the portion where the piston ring and the bore are in contact with each other, and there is no limitation on the upper and lower surfaces of the piston ring where the piston and the piston ring contact, or the portion relating to the ring groove of the piston.
Japanese Patent Application No. 2002-345628 (P2002-345628)

このような背景から、本発明者らは、非晶質硬質炭素膜の優れた耐焼付き性、耐磨耗性、低摩擦性に着目し、ピストンリングに適用する場合に、その優れた効果を最大限に発現するためには、ピストンリングの上下面の摩擦を下げることが重要であることを見出した。即ち、ピストンリングに非晶質硬質炭素膜を適用する場合には、ピストンリングとボアが接触する箇所のみならず、ピストンのリング溝とピストンリングが接触する箇所の低摩擦化が極めて重要であることを見出した。   From such a background, the present inventors pay attention to the excellent seizure resistance, wear resistance, and low friction property of the amorphous hard carbon film, and when applying it to the piston ring, the excellent effect is obtained. It has been found that it is important to reduce the friction between the upper and lower surfaces of the piston ring in order to maximize the expression. That is, when an amorphous hard carbon film is applied to the piston ring, it is extremely important to reduce the friction not only at the location where the piston ring and the bore contact but also at the location where the piston ring groove and the piston ring contact. I found out.

ピストンは、コネクティングロッドによりクランク軸と連結されるが、ピストンスカート部でスラスト及び反スラスト荷重を受ける構造になっている。一方、ピストンリングは、一定の張力が作用するため、ボア内面に均一に力が作用している。
しかしながら、ピストンリングとピストンのリング溝との間の摩擦係数が大きい場合には、ピストンリングもピストンのスラスト及び反スラスト方向の挙動に影響されることがわかってきた。このため、ピストンリングとボアの接触において、例えば上下死点近傍のボア摩耗は、円周上に一定ではなく、スラスト及び反スラスト側で大きいことがわかってきた。
The piston is connected to the crankshaft by a connecting rod, and is structured to receive thrust and anti-thrust loads at the piston skirt. On the other hand, since a constant tension acts on the piston ring, a force acts uniformly on the inner surface of the bore.
However, it has been found that when the coefficient of friction between the piston ring and the ring groove of the piston is large, the piston ring is also affected by the behavior of the piston in the thrust and anti-thrust directions. For this reason, it has been found that in the contact between the piston ring and the bore, for example, bore wear in the vicinity of the top and bottom dead center is not constant on the circumference but is large on the thrust and anti-thrust sides.

また従来より、非晶質硬質炭素膜の中でも、物理気相蒸着(PVD)などで作成した水素をほとんど含有しないものが、化学気相蒸着法(CVD)に比べて、エンジン油中で低摩擦を発現することが知られているが、PVDで作製した非晶質硬質炭素膜は、ドロップレットと呼ばれる未溶融の金属原子の存在や皮膜硬度が高いために、特に相手ボア材料としてアルミ合金を用いた場合には、アルミ合金への攻撃性が高く摩耗や焼き付き性が懸念されていた。   Conventionally, among amorphous hard carbon films, those containing almost no hydrogen prepared by physical vapor deposition (PVD) have a lower friction in engine oil than chemical vapor deposition (CVD). However, the amorphous hard carbon film produced by PVD has a high presence of unmelted metal atoms called droplets and the film hardness is high. When used, there was a concern about wear and seizure due to its high aggressiveness to the aluminum alloy.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摺動面の摩擦係数を低減しつつ、耐磨耗性及び耐焼付き性を両立させた低摩擦摺動機構を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its object is to achieve both wear resistance and seizure resistance while reducing the friction coefficient of the sliding surface. Another object of the present invention is to provide a low friction sliding mechanism.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、摩擦係数を低減したい部位に配設する非晶質硬質炭素薄膜と、耐摩耗性及び耐焼付き性を向上させたい部位に配設する非晶質硬質炭素薄膜との水素含有量を調整することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have developed an amorphous hard carbon thin film disposed at a site where the friction coefficient is desired to be reduced and a site where the wear resistance and seizure resistance are desired to be improved. The inventors have found that the above problems can be solved by adjusting the hydrogen content with the amorphous hard carbon thin film to be disposed, and have completed the present invention.

本発明によれば、摩擦係数を低減したい部位と、耐摩耗性及び耐焼付き性を向上させたい部位とに配設する非晶質硬質炭素薄膜の水素含有量を調整するので、低摩擦特性、耐摩耗性及び耐焼付き性に優れる低摩擦摺動機構が実現できる。   According to the present invention, the hydrogen content of the amorphous hard carbon thin film disposed in the portion where the friction coefficient is desired to be reduced and the portion where the wear resistance and seizure resistance are desired to be adjusted is low friction characteristics, A low friction sliding mechanism with excellent wear resistance and seizure resistance can be realized.

以下、本発明の低摩擦摺動機構について詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を示す。   Hereinafter, the low friction sliding mechanism of the present invention will be described in detail. In the present specification, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified.

本発明の低摩擦摺動機構は、相手材との間に潤滑油を介して成る摺動面を2以上有する。また、これらの摺動面に非晶質硬質炭素膜を配設し、この非晶質硬質炭素膜に含まれる水素量が異なる摺動部位が2以上存在するようにする。
これより、複数の摺動面が存在し、各摺動面の面圧、表面粗さ、摺動面積及び摺動速度などの諸条件が異なる場合であっても、各摺動面ごとに配設する非晶質硬質炭素膜の含水素量を調節して、低摩擦特性、耐摩耗性及び耐焼付き性を両立させた摺動機構が得られる。
The low-friction sliding mechanism of the present invention has two or more sliding surfaces formed with lubricating oil between the counterpart material. In addition, an amorphous hard carbon film is provided on these sliding surfaces so that there are two or more sliding parts having different amounts of hydrogen contained in the amorphous hard carbon film.
As a result, even when there are multiple sliding surfaces and the conditions such as surface pressure, surface roughness, sliding area and sliding speed of each sliding surface are different, each sliding surface is arranged for each sliding surface. By adjusting the hydrogen content of the amorphous hard carbon film to be provided, a sliding mechanism that achieves both low friction characteristics, wear resistance and seizure resistance can be obtained.

代表的には、内燃機関において、ピストンリングと、ピストン、シリンダボアのいずれか一方又は双方とを任意に組合わせて成る摺動部位に採用することが好ましい。
ここで、ピストンがシリンダボア内を往復運動する際は、ピストンリングの上下面は、ピストンの往復運動方向と直行する方向にピストンのリング溝と摺動し、ピストンリングの側面は、シリンダボアの内壁面とピストンの往復運動方向に摺動する。このように異なる摺動条件を有する場合に、例えば、図1に示すように、ピストンリングの上下面に非晶質硬質炭素膜を被覆したり、ピストンリングの上下面と側面とで異なる水素含有量を有する非晶質硬質炭素膜を被覆することができる。また、図2に示すように、ピストンのリング溝の上下面に非晶質硬質炭素膜を被覆することができる。
これより、ピストンリング上下面とピストンのリング溝との摩擦係数が低減し、ピストンリングとピストンのリング溝との間の動きが非常に滑らかになるとともに、シリンダボアと接触するピストンリング側面の耐焼付き性及び耐磨耗性を向上できる。
Typically, in an internal combustion engine, it is preferable to employ a sliding part formed by arbitrarily combining a piston ring and one or both of a piston and a cylinder bore.
Here, when the piston reciprocates within the cylinder bore, the upper and lower surfaces of the piston ring slide with the ring groove of the piston in a direction perpendicular to the reciprocating direction of the piston, and the side surface of the piston ring is the inner wall surface of the cylinder bore. And slides in the reciprocating direction of the piston. In such a case where the sliding conditions are different, for example, as shown in FIG. 1, the upper and lower surfaces of the piston ring are coated with an amorphous hard carbon film, or the upper and lower surfaces and side surfaces of the piston ring contain different hydrogen. Amorphous hard carbon film having an amount can be coated. Further, as shown in FIG. 2, the upper and lower surfaces of the ring groove of the piston can be coated with an amorphous hard carbon film.
As a result, the friction coefficient between the piston ring upper and lower surfaces and the piston ring groove is reduced, the movement between the piston ring and the piston ring groove becomes very smooth, and the piston ring side surface that contacts the cylinder bore is seized. And wear resistance can be improved.

ここで、本発明の低摩擦摺動機構の摺動面に配設される上記非晶質硬質炭素膜は、不可避的不純物を除き、炭素のみから構成された膜であり、代表的には、各種PVD法やCVD法で成膜できる。具体的には、アーク式イオンプレーティング法で形成されたDLC薄膜(ダイヤモンド状炭素薄膜)が挙げられる。このDLC薄膜は、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造(SP結合)とグラファイト結合(SP結合)の両方から成る硬質炭素薄膜である。 Here, the amorphous hard carbon film disposed on the sliding surface of the low friction sliding mechanism of the present invention is a film composed only of carbon except for inevitable impurities. Films can be formed by various PVD methods and CVD methods. Specifically, a DLC thin film (diamond-like carbon thin film) formed by an arc ion plating method can be used. This DLC thin film is a hard carbon thin film in which the bonding form between carbons consists of both a diamond structure (SP 3 bond) and a graphite bond (SP 2 bond).

また、摩擦係数を低減させるためには、摺動面に水素を殆ど含有しない非晶質硬質炭素膜を形成することが好ましい。具体的には、上記ピストンリングの上下面、上記ピストンのリング溝のいずれか一方又は双方に、水素量10%以下の非晶質硬質炭素膜を配設することができる。これより、エンジン油中において非常に小さい摩擦係数を示し、ピストンリングとピストンのリング溝との間の動きが非常に滑らかになり得る。   In order to reduce the coefficient of friction, it is preferable to form an amorphous hard carbon film containing almost no hydrogen on the sliding surface. Specifically, an amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 10% or less can be disposed on one or both of the upper and lower surfaces of the piston ring and the ring groove of the piston. Thereby, a very small coefficient of friction is exhibited in the engine oil, and the movement between the piston ring and the ring groove of the piston can be very smooth.

更に、シリンダボアと摺動する上記ピストンリング側面には、水素量20%以上の非晶質硬質炭素膜を配設することが好ましい。これより、シリンダボア内壁面の摩耗が抑制されるという優れた効果が得られる。特に、シリンダボア内壁面をADC12のようなアルミダイカスト材とした場合には、耐摩耗性が顕著に現れる。   Further, an amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 20% or more is preferably disposed on the side surface of the piston ring that slides with the cylinder bore. Thereby, the outstanding effect that abrasion of a cylinder bore inner wall surface is suppressed is acquired. In particular, when the inner wall surface of the cylinder bore is made of an aluminum die-cast material such as ADC12, the wear resistance remarkably appears.

更にまた、上記非晶質硬質炭素膜を、ピストンリングの上下面及びシリンダボアと摺動するピストンリング側面に配設するときは、それぞれの膜をPVD(物理気相蒸着)法、CVD(化学気相蒸着)法で成膜することが好ましい。例えば、図1に示すピストンリングのように成膜できる。
このときは、シリンダボア内壁面がADC12のようなアルミダイカスト材から成る場合でも、該シリンダボア内壁面の摩耗を抑制しつつ、ピストンとピストンリング上下面との摩擦を低減し動きが滑らかになり易い。
Furthermore, when the amorphous hard carbon film is disposed on the upper and lower surfaces of the piston ring and the side surface of the piston ring that slides with the cylinder bore, the respective films are formed by PVD (physical vapor deposition) or CVD (chemical vapor deposition). It is preferable to form a film by a phase deposition method. For example, a film can be formed like a piston ring shown in FIG.
At this time, even when the inner wall surface of the cylinder bore is made of an aluminum die-cast material such as ADC12, the friction between the piston and the upper and lower surfaces of the piston ring is reduced and the movement tends to be smooth while suppressing the wear of the inner wall surface of the cylinder bore.

また、上記ピストンリングの上下面、上記ピストンのリング溝のいずれか一方又は双方に配設する非晶質硬質炭素膜は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mg)又はコバルト(Co)、及びこれらを任意に組合わせたものを含むことが好ましい。
このときは、摺動面の摩擦が更に減少し、動きが滑らかになることにより、シリンダボア内壁面の摩耗が抑制され易い。
The amorphous hard carbon film disposed on one or both of the upper and lower surfaces of the piston ring and the ring groove of the piston is made of nickel (Ni), manganese (Mg), cobalt (Co), and these. It is preferable to include any combination.
At this time, the friction on the sliding surface is further reduced and the movement becomes smooth, so that wear on the inner wall surface of the cylinder bore is easily suppressed.

一方、上記シリンダボア内壁面、言い換えればシリンダボアがピストンリング側面と擦摺する面には、微細な凹部を形成することが好ましい。これより、往復摺動中の流体摩擦を低減するとともに、上下死点の折り返し部での摩擦低減効果が得られる。
具体的には、上記微細な凹部の面積率をシリンダボア摺動面の0.5〜10%以下とし、その深さを1〜15μmとすることが好ましい。例えば、図3に示すような凹部を形成できる。面積率が0.5%より小さい場合や、その深さが1μmより小さい場合には、凹部の効果が十分得られず、潤滑油保持効果が少ないために、焼き付きが懸念される。一方、面積率が10%より大きく、その深さが15μmより大きい場合には、負荷容量が低下し、流体潤滑効果が十分得られず金属接触の発生に伴い、摩擦が増大し、摩耗や焼き付きが発生し易くなる。
On the other hand, it is preferable to form fine concave portions on the inner wall surface of the cylinder bore, in other words, on the surface where the cylinder bore rubs against the side surface of the piston ring. Thereby, while reducing the fluid friction during reciprocating sliding, the friction reduction effect in the return part of a vertical dead center is acquired.
Specifically, the area ratio of the fine recesses is preferably 0.5 to 10% or less of the sliding surface of the cylinder bore, and the depth is preferably 1 to 15 μm. For example, a recess as shown in FIG. 3 can be formed. When the area ratio is smaller than 0.5% or when the depth is smaller than 1 μm, the effect of the recess is not sufficiently obtained, and there is a concern that seizure may occur because the lubricating oil retaining effect is small. On the other hand, when the area ratio is larger than 10% and the depth is larger than 15 μm, the load capacity decreases, the fluid lubrication effect cannot be obtained sufficiently, and the friction increases with the occurrence of metal contact, and wear and seizure occur. Is likely to occur.

また、ピストンリング側面に非晶質硬質炭素膜を配設するときやシリンダボアに凹部を形成するときは、上記シリンダボアは、アルミニウム合金製とすることも可能となる。このときは、非晶質硬質炭素膜の優れた耐焼付き性と、シリンダボアに形成した凹部により優れた潤滑油の保有性を付与できることにより、従来困難であった、シリンダボアのアルミニウム合金化が可能となる。
更に、上記シリンダボアは、シリコン(Si)が12%以下の割合で含まれることが好ましい。例えば、Siが10.8%程度のAl−Si−Cu系のADC12のようなアルミ合金が使用できる。このときは、エンジンブロックの軽量化を目的に開発されたAl−Si系過共析合金にCuやMgを添加しマトリックスを強化したADC14のような材料を使わずとも、耐摩耗性、耐焼付き性が克服でき、低摩擦化が可能となる。
Further, when the amorphous hard carbon film is disposed on the side surface of the piston ring or when the recess is formed in the cylinder bore, the cylinder bore can be made of an aluminum alloy. At this time, the excellent seizure resistance of the amorphous hard carbon film and the excellent retention of the lubricating oil can be imparted by the recess formed in the cylinder bore, which makes it possible to make the cylinder bore aluminum alloy, which has been difficult in the past. Become.
Further, the cylinder bore preferably contains silicon (Si) at a ratio of 12% or less. For example, an aluminum alloy such as Al-Si-Cu-based ADC 12 having Si of about 10.8% can be used. In this case, wear resistance and seizure resistance can be achieved without using a material such as ADC14, which is made by adding Cu or Mg to an Al-Si hypereutectoid alloy developed to reduce the weight of the engine block. Can be overcome, and low friction can be achieved.

なお、摺動面に使用される潤滑油としては、例えば、潤滑油基油に、脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤、脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤、ポリブテニルコハク酸イミド、ポリブテニルコハク酸イミドの誘導体又はジオチリン酸亜鉛及びこれらの任意の組合せに係る成分を含有させた潤滑油が挙げられる。また、上記潤滑油基油は特に限定されるものではなく、鉱油、合成油、油脂及びこれらの混合物など、潤滑油の基油として通常使用されるものであれば、種類を問わず使用することができる。また、上記潤滑油には、液体状の潤滑油の他、半固体状のグリースなども含まれる。   The lubricating oil used for the sliding surface includes, for example, a lubricant base oil, a fatty acid ester-based ashless friction modifier, an aliphatic amine-based ashless friction modifier, polybutenyl succinimide, Examples thereof include lubricating oil containing a derivative of tenenyl succinimide or zinc dithiolinate and any combination thereof. The lubricating base oil is not particularly limited and may be used regardless of the type as long as it is normally used as a base oil for lubricating oil, such as mineral oil, synthetic oil, fats and oils, and mixtures thereof. Can do. The lubricating oil includes semi-solid grease in addition to liquid lubricating oil.

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in full detail, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1,2及び比較例1,2)
実際にエンジンを試作し、ピストンリングがピストン及びシリンダボアと構成する低摩擦摺動機構について評価を行った。エンジンは、直列4気筒エンジン QR25DEを用いた。通常のエンジンには鋳鉄製ライナーが鋳込まれているが、今回は、この鋳鉄ライナーを切削により削り取り、その代わりに、ALDC12材のダイカストライナーを試作し、圧入することで評価を行った。
また、圧入したアルミニウム合金の内径面には必要に応じて、マスクブラスト処理を施し、規則的な凹部を形成した。マスクブラスト処理では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成し、その樹脂マスクを円筒表面に貼り付けた後、平均粒径20μmのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワークまでの距離を100mmとし、投射流量100g/min、投射圧0.4MPaの条件下で投射し、凹部微細形状を得た。その後、凹部微細形状周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを粒径9μmのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。
また、ピストンリングには、トップリング、セカンドリング及びオイルリングの全てに非晶質硬質炭素膜を形成した。非晶質硬質炭素膜は、化学気相蒸着(CVD)法と物理気相蒸着(PVD)法の2種類を用いて成膜した。
実験は1番気筒から4番気筒までの仕様をそれぞれ表1に示すような異なるものとしてエンジン組み立てを行った。5600rpm、全負荷、5W30エンジン油、油温90℃にて30Hrのファイアリング試験を行い、試験後のボア面の上死点近傍のスラスト側摩耗量の測定を行った。
(Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2)
A prototype engine was actually manufactured, and the low friction sliding mechanism in which the piston ring is composed of the piston and cylinder bore was evaluated. The engine used was an in-line four-cylinder engine QR25DE. A cast iron liner is cast in a normal engine, but this time, this cast iron liner was cut off by cutting, and instead, a die cast liner made of ALDC12 material was prototyped and evaluated by press fitting.
Further, the inner surface of the pressed aluminum alloy was subjected to mask blasting as necessary to form regular recesses. In the mask blasting process, a concave fine shape is formed on a resin mask using optical lithography technology, and the resin mask is attached to the cylindrical surface, and then alumina abrasive grains having an average particle diameter of 20 μm are applied from the projection nozzle to the workpiece. The distance was set to 100 mm, and projection was performed under the conditions of a projection flow rate of 100 g / min and a projection pressure of 0.4 MPa, thereby obtaining a concave fine shape. Then, the bulge of the edge part formed in the circumference | surroundings of the recessed micro shape was removed with the tape wrap film with a particle size of 9 micrometers, and it used for the test.
The piston ring was formed with an amorphous hard carbon film on all of the top ring, the second ring, and the oil ring. The amorphous hard carbon film was formed using two types of chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD).
In the experiment, the engine was assembled with different specifications from cylinder 1 to cylinder 4 as shown in Table 1. A 30-hour firing test was conducted at 5600 rpm, full load, 5W30 engine oil, and oil temperature of 90 ° C., and the amount of thrust side wear near the top dead center of the bore surface after the test was measured.

Figure 2006138329
Figure 2006138329

表1に示すように、本発明の好適形態である実施例1,2の低摩擦摺動機構(2,3番気筒)では、摩耗量が抑制される効果が得られた。   As shown in Table 1, in the low friction sliding mechanism (second and third cylinders) of Examples 1 and 2, which is a preferred embodiment of the present invention, an effect of suppressing the amount of wear was obtained.

ピストンリングに形成する非晶質硬質炭素膜の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the amorphous hard carbon film | membrane formed in a piston ring. ピストン溝部に形成する非晶質硬質炭素膜の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the amorphous hard carbon film formed in a piston groove part. シリンダボアの内壁に形成する微細凹部の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the fine recessed part formed in the inner wall of a cylinder bore.

Claims (10)

相手材との間に潤滑油を介して成る摺動面を2以上有する低摩擦摺動機構であって、
上記2以上の摺動面に非晶質硬質炭素膜を配設し、該非晶質硬質炭素膜に含まれる水素量の異なる摺動面が2以上存在することを特徴とする低摩擦摺動機構。
A low-friction sliding mechanism having two or more sliding surfaces formed with lubricating oil between the counterpart material,
A low-friction sliding mechanism characterized in that an amorphous hard carbon film is disposed on the two or more sliding surfaces, and there are two or more sliding surfaces having different amounts of hydrogen contained in the amorphous hard carbon film. .
内燃機関において、ピストンリングと、ピストン及び/又はシリンダボアとから構成されることを特徴とする請求項1に記載の低摩擦摺動機構。   2. The low friction sliding mechanism according to claim 1, wherein the internal combustion engine comprises a piston ring and a piston and / or a cylinder bore. 上記ピストンリングの上下面及び/又は上記ピストンのリング溝に、水素量10%以下の非晶質硬質炭素膜を配設して成ることを特徴とする請求項2に記載の低摩擦摺動機構。   3. The low friction sliding mechanism according to claim 2, wherein an amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 10% or less is disposed on the upper and lower surfaces of the piston ring and / or the ring groove of the piston. . 上記ピストンリングにおいて、シリンダボアと摺動する側面に、水素量20%以上の非晶質硬質炭素膜を配設して成ることを特徴とする請求項2又は3に記載の低摩擦摺動機構。   4. The low friction sliding mechanism according to claim 2, wherein an amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 20% or more is disposed on a side surface of the piston ring that slides with the cylinder bore. 上記ピストンリングにおいて、ピストンリングの上下面及びシリンダボアと摺動する側面に配設する非晶質硬質炭素膜を、それぞれPVD法、CVD法で成膜したことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つの項に記載の低摩擦摺動機構。   The said piston ring WHEREIN: The amorphous hard carbon film | membrane arrange | positioned on the upper and lower surfaces of a piston ring and the side surface which slides with a cylinder bore was formed into a film by PVD method and CVD method, respectively. The low friction sliding mechanism according to any one of the items. 上記ピストンリングの上下面及び/又は上記ピストンのリング溝に配設する非晶質硬質炭素膜が、ニッケル、マンガン及びコバルトから成る群より選ばれた少なくとも1種のものを含んで成ることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つの項に記載の低摩擦摺動機構。   The amorphous hard carbon film disposed on the upper and lower surfaces of the piston ring and / or the ring groove of the piston comprises at least one selected from the group consisting of nickel, manganese and cobalt. The low friction sliding mechanism according to any one of claims 2 to 5. 上記シリンダボアにおいて、擦摺面に微細な凹部を形成したことを特徴とする請求項2〜6のいずれか1つの項に記載の低摩擦摺動機構。   The low friction sliding mechanism according to any one of claims 2 to 6, wherein in the cylinder bore, a fine recess is formed on the rubbing surface. 上記微細な凹部の面積率が0.5〜10%以下であり、その深さが1〜15μmであることを特徴とする請求項7に記載の低摩擦摺動機構。   The low-friction sliding mechanism according to claim 7, wherein an area ratio of the fine recesses is 0.5 to 10% or less and a depth thereof is 1 to 15 µm. 上記シリンダボアがアルミニウム合金製であることを特徴とする請求項2〜8のいずれか1つの項に記載の低摩擦摺動機構。   The low friction sliding mechanism according to any one of claims 2 to 8, wherein the cylinder bore is made of an aluminum alloy. 上記シリンダボアにシリコンが12%以下の割合で含まれることを特徴とする請求項2〜9のいずれか1つの項に記載の低摩擦摺動機構。   The low friction sliding mechanism according to any one of claims 2 to 9, wherein silicon is contained in the cylinder bore at a ratio of 12% or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008019718A (en) * 2006-07-10 2008-01-31 Nissan Motor Co Ltd Internal combustion engine
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