铁系喷镀覆膜、内燃机用汽缸体以及内燃机用滑动机构的制作方法

本发明涉及铁系喷镀覆膜，更详细而言，涉及覆盖在内燃机用汽缸体的缸孔内表面上的铁系喷镀覆膜，涉及通过恰当地控制凹坑量、表面粗糙度等能够实现优异的耐划伤性的铁系喷镀覆膜、使用该铁系喷镀覆膜的内燃机用汽缸体以及内燃机用滑动机构。

背景技术：

在以往的汽车内燃机用汽缸体中，主流的是镶铸作为缸孔面的铸铁制衬套而形成的铝合金制汽缸体，但是，从发动机部件轻量化的观点来看，正在对代替铸铁制衬套而镶铸铝制衬套的类型的汽缸体、完全废弃了铸铁制衬套的铝合金制单体进行开发。

但是，在铝制衬套、铝合金制单体中，在耐磨性、耐划伤性方面存在问题，对此，也存在有施加镀镍等的镀处理的情况，但是，可以说对耐磨性、耐划伤性并不充分。

另外，代替上述的方法，还采用有通过利用等离子火焰向缸孔内表面喷射喷镀粉末而形成喷镀覆膜、从而提高耐磨性、耐划伤性的方法。例如，在专利文献1所记载的发明中，通过在发动机用汽缸体的缸孔表面喷镀铁系合金粉末，从而谋求提高相对于活塞环和活塞的耐磨性以及耐划伤性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2003-138366号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，上述通过喷镀铁系合金粉末而形成的喷镀覆膜提高了相对于活塞环和活塞的耐磨性以及耐划伤性，但是，例如在像最近的高功率发动机那样作用有非常高的缸内压力的汽缸体中，因较高的燃烧压力而使喷镀覆膜反复负荷高载荷。

因此，实际上有时发生划伤、即烧结的情况，而且，还明确了会引起覆膜剥离。这样的划伤的发生容易直接引起发动机破损，因而是必须尽可能排除的重要的问题。

本发明即是鉴于具有这样的以往技术的课题而做成的，其目的在于提供能够实现优异的耐划伤性的铁系喷镀覆膜、使用了该铁系喷镀覆膜的内燃机用汽缸体以及内燃机用滑动机构。

用于解决问题的方案

为了达成上述目的，本发明人反复进行了深刻研究，其结果，发现通过恰当地控制喷镀覆膜的凹坑量、表面粗糙度从而能够达成上述目的，以至于完成了本发明。

即，本发明的铁系喷镀覆膜为一种覆盖内燃机用汽缸体的缸孔内表面的铁系喷镀覆膜。

本发明的铁系喷镀覆膜的特征在于，该铁系喷镀覆膜在覆膜表面包含凹坑，凹坑量在0.01％～0.21％的范围内，且该覆膜表面的平均粗糙度ra在0.01μm～0.15μm的范围内。

另外，本发明的内燃机用汽缸体的特征在于，该内燃机用汽缸体包括内表面具有上述这样的铁系喷镀覆膜的缸孔、和具有该缸孔的汽缸体主体。

另外，本发明的内燃机用滑动机构为包括上述这样的内燃机用汽缸体、和与该汽缸体的缸孔相对滑动的活塞的内燃机用滑动机构。

该内燃机用滑动机构的特征在于，上述活塞具有活塞环，该活塞环在其与上述缸孔之间的滑动部具有铬(cr)覆膜、氮化铬(crn)覆膜或类金刚石(dlc)覆膜。

发明的效果

采用本发明，由于设定为恰当地控制喷镀覆膜的凹坑量、表面粗糙度，因此，能够提供可实现优异的耐划伤性的铁系覆膜、使用了该铁系覆膜的内燃机用汽缸体以及内燃机用滑动机构。

附图说明

图1是表示利用金属丝法获得的喷镀覆膜的一例子的截面照片。

图2是表示喷镀覆膜的摩擦试验机的概略立体图。

图3是表示喷镀覆膜的划伤试验机的概略立体图。

图4是表示喷镀覆膜的剥离试验机的概略侧视图。

具体实施方式

以下，详细说明本发明的铁系喷镀覆膜的实施方式。

如上所述，本发明的铁系喷镀覆膜为覆盖内燃机用汽缸体的缸孔内表面的铁系喷镀覆膜。

在该铁系喷镀覆膜的典型的制造过程中，在铸造成型了汽缸体之后，为了提高喷镀覆膜的密合性，对缸孔内表面进行基底加工，将喷射铁系金属材料做成液滴并喷射在基底加工后的缸孔内表面上，从而形成喷镀覆膜。

在此，在将铁系金属材料做成液滴时，如专利文献1(日本特开2003-138366号公报)所记载的那样，还存在有使用铁系合金粉末的情况，但是，在本发明中，基本上使用铁系合金制的金属丝(日文：ワイヤー)。

在专利文献1那样的所谓的粉末法中，由于通过球状的粒子重叠而形成覆膜，因此，有时容易剥离，但是，在所谓的金属丝法(日文：ワイヤー法)中，由于使大于上述粒子的粒子在沿横向伸长的同时重叠，且在形成覆膜时该粒子在沿长度方向收缩的同时相互结合，因此，能够获得比较坚固且难以剥离的覆膜。

在该金属丝法中，通过在使插入于圆筒体的中心孔内的喷镀枪自一端侧向另一端侧移动的同时，将利用燃烧火焰熔融而成的喷镀金属丝的熔滴作为喷镀火焰自喷镀枪顶端喷射到缸孔内表面上，从而形成喷镀覆膜。

图1表示利用金属丝法获得的喷镀覆膜的截面照片的一例子，但是，大多数情况为在覆膜内部包含孔隙2、也就是被封住的孔隙即密闭孔隙。另外，在喷镀覆膜表面上形成有具有敞开的部分的敞开孔隙即凹坑1。

接着，说明本发明的铁系喷镀覆膜的性状、其限定理由。

该铁系喷镀覆膜在覆膜表面上包括凹坑、即像凹部那样的敞开孔隙，凹坑量在0.01％～0.21％的范围内，且该覆膜表面的平均粗糙度ra在0.01μm～0.15μm的范围内。

在此，当平均粗糙度ra超过0.15μm时，由于无法实现低摩擦而使摩擦热升高，因此，容易发生划伤。另一方面，当平均粗糙度ra低于0.01时，由于构成覆膜的铁系金属的滑动部分增大、且供滑动的油、例如润滑油的保持性劣化，因此，容易发生划伤。

另外，由于凹坑可以说为凹部，且具有保油功能，因此，为了进一步提高喷镀覆膜的油保持性，将存在于覆膜表面上的凹坑量设定在0.01％～0.21％的范围内。

另外，该凹坑量是指在平面观察喷镀覆膜的情况下单位覆膜表面积中存在的所有的凹坑所占有的面积的总和(比例)，该凹坑量能够根据该喷镀覆膜的表面照片测量。

如图1所示，本发明的铁系喷镀覆膜有时包含孔隙(密闭孔隙)，这样的孔隙也有助于提高油保持性。

将该孔隙在覆膜截面中的存在率称为“截面孔隙率”，但是，该截面孔隙率是指在如图1所示地截面观察该喷镀覆膜的情况下单位覆膜截面积中存在的所有的孔隙所占有的面积的总和(比例)，能够通过利用图像分析将在喷镀覆膜截面照片中可确认的孔隙数值化来计算出。

在本发明的铁系喷镀覆膜中，优选的是，该截面孔隙率在0.01％～0.21％的范围内。

当截面孔隙率超过0.21％时，有时导致喷镀覆膜的强度变弱而使覆膜剥离。另一方面，在截面孔隙率低于0.01％的情况下，有时导致油保持性下降而产生划伤。

另外，在本发明中，优选的是，该铁系喷镀覆膜的平均硬度在280hv～500hv的范围内。

当平均硬度低于280hv时，喷镀覆膜的磨损变大，有时导致间隙增加而使油(oil)耗增加。另一方面，当平均硬度超过hv500时，相对于对方活塞环、活塞的攻击性升高，而有时导致活塞环、活塞的磨损变大。过度的活塞环磨损、活塞磨损可能导致产生划伤，因此，期望避免过度的活塞环磨损、活塞磨损。

以上说明的本发明的喷镀覆膜优选的是，以铁(fe)为主要成分，并且包含0.05质量％～0.25质量％的碳(c)。

当碳含量低于0.05质量％时，硬度降低且喷镀覆膜的强度下降，而有时导致发生覆膜剥离。另外，当碳含量超过0.25质量％时，硬度升高且对方攻击性升高，而有时引起作为相对滑动构件的活塞环、活塞的过度的磨损。

接着，说明本发明的内燃机用汽缸体。

如上所述，本发明的内燃机用汽缸体包括内表面具有以上说明的铁系喷镀覆膜的缸孔、和具有该缸孔的汽缸体主体。

在此，铁系喷镀覆膜可以覆盖于缸孔的内表面整体，也可以根据所使用的活塞的行程而覆盖于与活塞相对滑动的缸孔内表面部分。

汽缸体主体可以是铸铁制等，但是优选由铝合金或镁合金构成，由此，能够谋求内燃机的轻量化。

另外，在该内燃机用汽缸体中，还能够在缸孔上配置其他的金属制的衬套，例如铸铁制、铝合金制的衬套，并利用上述的铁系喷镀覆膜覆盖该衬套内表面。

接着，说明本发明的内燃机用滑动机构。

如上所述，本发明的内燃机用滑动机构包括以上说明的内燃机用汽缸体、和与该汽缸体的缸孔相对滑动的活塞。

而且，在该滑动机构中，活塞具有活塞环，该活塞环至少在其与缸孔之间的滑动部具有铬(cr)覆膜、氮化铬(crn)覆膜或类金刚石(dlc)覆膜。

如上所述，该内燃机用滑动机构具有利用上述的铁系喷镀覆膜覆盖了内表面的缸孔，而发挥优异的耐划伤性、低摩擦性能，但是，若与具有上述覆膜的活塞环的活塞一同使用，则能够发挥更优异的耐划伤性、低摩擦性能。

另外，在本发明的内燃机用滑动机构中，优选的是，活塞在其活塞裙部具有含有石墨系或钼系的固体润滑材料的树脂涂层。

由此，在本发明的内燃机用滑动机构中，若与具有上述树脂涂层的活塞一同使用，则能够发挥更优异的耐划伤性、低摩擦性能。

另外，本发明的内燃机用滑动机构所使用的润滑油没有特殊限定，能够使用市场上销售的润滑油，而且，若与将钼(mo)作为添加剂配合而成的润滑油一同使用，则能够发挥更优异的低摩擦性能。

实施例

以下，利用实施例和比较例更详细地说明本发明，但是，本发明并不限定于这些实施例。

实施例1～10、比较例1～7

使用成分不同的铁系金属丝材料，利用等离子喷镀法在作为基材的铝合金表面上形成了铁系喷镀覆膜之后，切下供各种性能评价的各例的评价用试验片。表1中表示各例的喷镀覆膜性状等。

性能评价

(1)与活塞环之间的摩擦评价试验方法

作为喷镀覆膜的摩擦评价方法，向图2所示的往复移动摩擦磨损试验机供给各例的评价用试验片，测量了滑动时的摩擦值。试验条件采用下述规格，在表2中表示所获得的试验结果。

·试验机概要：图2

·滑动速度：0.5m/s

·温度：25℃

·按压载荷：10kgf

·试验时间：1小时

·润滑油：5w30sl

·对方材料(相当于活塞环)：以碳钢为基材，在滑动面上覆盖crn。图2中记载为“环试验片”

(2)与活塞环之间的划伤评价试验方法

作为喷镀覆膜的划伤评价，向图3所示的滑动试验机供给各例的评价用试验片，测量了各试验片的耐划伤载荷。试验条件采用下述规格，在表2中表示所获得的试验结果。

·试验机概要：图3

·测量方法：每次施加10kgf的载荷，将摩擦力骤增点设定为环划伤载荷

·滑动速度：0.2m/s

·温度：25℃

·润滑油：5w30sl(仅初期涂布)

·对方滑动材料(相当于活塞环)：以碳钢为基材，在滑动面上覆盖crn。图3中记载为“环试验片”

(3)与活塞环之间的磨损评价试验方法

作为喷镀覆膜的摩擦评价方法，向图2所示的往复移动摩擦磨损试验机供给各例的评价用试验片，测量了喷镀试验材料和对方活塞环材料(或活塞材料)的磨损量(使用形状测量器测量磨损壁厚减少量)。试验条件采用下述规格，在表2中表示所获得的试验结果。

·试验机概要：图2

·滑动速度：0.5m/s

·温度：25℃

·按压载荷：10kgf

·试验时间：1小时

·润滑油：5w30sl

·对方材料(相当于活塞环)：以碳钢为基材，在滑动面上覆盖crn。图2中记载为“环试验片”

(4)喷镀覆膜的剥离评价方法

作为喷镀覆膜的剥离评价，向图4所示的喷砂试验机供给各例的评价用试验片，测量喷砂试验前后的喷镀试验片的重量，将喷镀覆膜的减少量(剥离量)设定为耐剥离性的指标。试验条件采用下述规格，在表2中表示所获得的试验结果。

·试验机概要：图4

·试验片形状：50×50mm(壁厚5mm)

·喷砂粒：氧化铝颗粒

·照射量：50g/次，合计5次(250g)

·测量方法：向喷镀面照射氧化铝颗粒，测量试验前后的喷镀试验片的重量

表1

另外，在表1中，表面凹坑率根据各例的喷镀覆膜的表面照片测量，截面孔隙率根据各例的喷镀覆膜的截面照片测量。

表2

另外，在表2中，摩擦试验结果以实施例1的摩擦值为基准值1.0进行表述。数值越小则表示摩擦值越良好。

另外，在划伤试验结果中，将产生了划伤的按压载荷(kg)设定为划伤载荷。数值越大则表示耐划伤性越优异。

磨损试验结果以实施例1的磨损量为基准值1.0进行表述。“喷镀磨损量”的数值越小则表示喷镀覆膜自身的磨损越小，“环磨损量”的数值越小则表示对方环材料的磨损量越小，且不存在对方攻击性的问题。

另外，剥离试验结果是以实施例1的重量减少量为基准值1.0进行表述。数值越小则表示耐剥离性越良好。

根据表1和表2能够明确的是：属于本发明的范围内的实施例1～实施例4的摩擦特性以及耐划伤性优于在本发明的范围外的比较例1。

另外，明确的是：属于本发明的范围内的实施例5和实施例6的耐划伤性优于截面孔隙率在优选范围外的比较例2，且耐剥离性优于比较例3。

另外，明确的是：属于本发明的范围内的实施例7和实施例8的耐磨性优于hv在优选范围外的比较例4，且耐对方攻击性优于比较例5。

另外，明确的是：属于本发明的范围内的实施例9和实施例10的耐磨性·耐剥离性优于碳含量在优选范围外的比较例6，且耐对方攻击性优于比较例7。

以上，利用一些实施方式和实施例说明了本发明，但本发明并不限定于此，在本发明的主旨的范围内能够进行各种变形。

产业上的可利用性

本发明的铁系喷镀覆膜由于具有低摩擦性以及良好的油保持性，因此原则上能够发挥优异的耐划伤性，但是通过进一步控制维氏硬度、成分比，能够发挥极优异的耐磨性、耐剥离性以及极低的对方攻击性。

因而，即使在近年的汽车行业中的高功率发动机等较高的负荷环境下，也能够提供充分的信赖性。

另外，高功率发动机等的低摩擦的体现在于，还能够实现使这样的高性能发动进一步提高燃料效率，而有助于节能。

另外，本发明的铁系喷镀覆膜能够实现具有优异的划伤性能等的无铸铁制衬套的铝合金制单汽缸体，特别是能够进一步促进高性能发动机中的汽缸体的轻量化，因此，还能够促进节能化。

另外，本发明的技术的实质不仅能够应用于汽车行业，还能够应用于使用内燃机的其他的行业。

附图标记说明

1、凹坑；2、孔隙(密闭孔隙)。