滑动部件的制作方法

专利名称：：滑动部件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种在机动车用发动机等往复运动内燃机中使用的滑动部件，特别涉及一种相对铸铁汽缸套的腔体滑动的活塞环。
背景技术：
：可以考虑到，作为在机动车用发动机等往复运动内燃机中使用的滑动部件的活塞环，该活塞环的外周滑动部与汽缸套的腔体之间产生的摩擦损失在机动车用发动机等往复运动内燃机内部发生的摩擦损失中所占的比例为20%30%左右。通过降低该摩擦损失，能够提高机动车的燃料利用率，减少排气，有益于环境保护。以往为了提高耐磨损性，在活塞环外周面形成有通过氮化处理形成的氮化层、铬镀膜、氮化钛或者氮化铬等通过离子电镀法而形成的硬质膜。此外，近些年来逐渐开始采用在活塞环外周面进行覆盖高硬度且自润滑性优良的无定形硬质碳膜的方法。无定形硬质碳一般被称为类金刚石碳(Diamondlikecarbon，以下记做"DLC")、氢化无定形碳(a-C:H)、i-碳或者金刚石状碳等，从结构上来说，碳键为金刚石结构的键(sp3型键)和石墨结构的键(sp2型键)的混合，其特征在于，既具有与金刚石类似的高硬度、耐磨损性、热传递性以及化学稳定性，还具有与石墨类似的固体润滑性。根据这些特征，DLC被用于机动车部件等的滑动部件、金属模、切削工具、机械部件、光学部件的保护膜等。例如关于机动车部件的活塞环公开有在对整个表面进行气体氮化后的活塞环上下表面形成厚度为0.530|im的DLC膜，该DLC膜具有大小为0.55^m的析出的瘤状表面组织，防止在相对铝合金滑动的活塞环上下表面凝结铝，降低铝合金制活塞的环槽磨损(参照专利文献l);以及在活塞环的上下表面直接形成厚度为0.530mui的DLC膜，或者隔着铬镀膜或气体氮化层等硬质表面处理层上的底膜而形成厚度为0.530pm的DLC膜，由此来降低铝合金制活塞的环槽磨损，该底膜构成为其70原子％100原子％是从Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb和V的组中选出的一种或者两种以上元素，其余为碳原子(参照专利文献2)。此外，还公开有铝合金制汽缸与在外周面形成有DLC膜的活塞环的组合。(专利文献3)。进而，在专利文献4和专利文献5中还公开有在内燃机的气门传动机构的凸轮接触部结构中使用硬质膜来降低摩擦损失的方法。专利文献1:日本特开2000-120869号公报专利文献2:日本特开2000-120870号公报专利文献3:日本特开2001-280497号公报专利文献4:日本特开平5-163卯9号公报专利文献5:日本特开平7-118832号公报为了降低活塞环外周滑动部与汽缸套的腔体之间产生的摩擦损失，如下所述是有效的使活塞环低张力化，活塞环外周形状的最适宜化，降低活塞环外周表面粗糙度，通过改变活塞环外周表面材质来降低摩擦系数等。此外，也可以考虑降低汽缸套的表面粗糙度等。然而，极度地推行活塞环的低张力化会产生油耗增加或漏气量增加的问题。此外，极度地降低活塞环外周表面粗糙度会发生烧蚀(烧剥)的问题。进而，根据上述以往技术制成的活塞环在汽缸套内滑动时，活塞环外周的表面粗糙度逐渐降低，虽然暂时降低了活塞环的外周滑动部与汽缸套的腔体之间发生的摩擦损失，但是随着活塞环外周滑动面的磨损的发展，活塞环不能维持最优化设计的初期形状，结果反而增加了活塞环的外周滑动部与汽缸套的腔体之间产生的摩擦损失。在专利文献1中，将活塞环的滑动面加工成表面粗糙度为0.05l,Ra后，覆盖厚度为0.530fjrn且维氏硬度为Hv7002000的DLC膜，但是这种低硬度的膜在以铸铁制汽缸套为对方部件的滑动中，膜自身的磨损较多，不能得到由对方部件的表面粗糙度提高所产生的磨合效果(break-ineffect)。此外，在专利文献2中，虽然在DLC膜和底膜磨耗掉之后还有铬镀膜、氮化层和离子镀膜来承担活塞环的耐磨损性，但是没有提及与对方部件磨合所必需的初期粗糙度。这样，基本上都是注重于滑动部件的磨合性，特别注重在活塞环和铸铁汽缸之间的滑动中活塞环侧的磨合性，均没有提到通过汽缸部件的磨合效果降低摩擦损失。进而，活塞环外周滑动部的滑动部分和汽缸套的腔体的滑动部的滑动部分的面积差与其他滑动部件相比非常大，与上述专利文献4和专利文献5等的滑动状态有很大不同，通过以往技术大幅度降低活塞环外周滑动部和汽缸套的腔体之间发生的摩擦损失非常困难。
发明内容本发明的目的在于提供一种与对方滑动部件的初期磨合性优良且降低摩擦损失效果明显的滑动部件，特别是相对以铸铁制汽缸套为对方滑动部件的初期磨合性优良且降低摩擦损失效果明显的滑动部件。本发明的发明者们努力研究的结果是，了解到以下内容在通过以碳阴极为原料的真空电弧放电法形成膜的无定形硬质碳膜的表面上，形成有大量被称作大粒子的微小突起，在滑动部件表面形成这样的无定形硬质碳膜后，如果形成的大粒子较多则会使对方部件过度磨损，而如果大粒子较少则不能使对方部件充分磨合；而通过利用金刚石等硬质粒子对该大粒子进行后处理，则能够将表面粗糙度调整到预期的范围，并且能够根据十点平均粗糙度(Rz)和初期磨损粗糙度(Rpk)进行控制。并且，通过使机动车用发动机使用的铸铁制汽缸套的腔体滑动部的表面粗糙度以十点平均粗糙度(Rz)表示为24^im，并根据十点平均粗糙度(Rz)和初期磨损粗糙度(Rpk)对形成于活塞环外周滑动部的无定形硬质碳膜的表面粗糙度进行控制，能够使汽缸套侧的表面粗糙度改善效果最为明显，最大限度地降低活塞环外周滑动部和汽缸套的腔体之间的摩擦损失，并维持该状态。艮P，本发明的滑动部件为在滑动面覆盖有无定形硬质碳膜的滑动部件，其特征在于，所述无定形硬质碳膜表面的十点平均粗糙度(Rz，JISB0601)为0.7pm以下，且初期磨损粗糙度(Rpk，JISB0601)为0.070.14,。根据本发明的滑动部件，无定形硬质碳膜可以形成在硬质镀铬层、氮化层或者氮化络层之上，也可以直接形成于基材表面。氮化铬层通过离子电镀法等方法形成，也可以采用具有柱状结构或者多孔结构的材料。无定形硬质碳膜优选采用不含氢且实质上仅由碳构成的无定形硬质碳膜。此处所谓"不含氢且实质上仅由碳构成"，是指根据HFS(HydrogenForwardScattering:氢前向散射)分析所得的膜中的含氢率在5atmQ/。以下，并且其余部分实质上仅由碳构成。该无定形硬质碳膜的膜厚优选为0.012.(Vm。进而，无定形硬质碳膜的维氏硬度优选在Hv2000以上。根据本发明的滑动部件，特别优选用于机动车部件的活塞环的外周滑动面。本发明所述的活塞环，通过在活塞环外周表面上形成的不含氢且实质上仅由碳构成、十点平均粗糙度(Rz)为0.7^以下、且初期磨损粗糙度(Rpk)为0.070.14nm的无定形硬质碳膜，从而可以在汽缸套内上下滑动时，迅速且适度地改善汽缸套表面的表面粗糙度并产生初期磨合。同时在活塞环外周表面形成的无定形硬质碳膜的表面粗糙度也迅速降低，并维持活塞环的初期外周形状，该活塞环的初期外周形状是为了使无定形硬质碳膜的硬度高且耐磨损性优良而设计的最优形状。根据本发明的滑动部件，在初期磨合过程中，在短时间内改善对方部件的表面粗糙度，能够得到大幅度降低摩擦损失的效果，并维持摩擦损失效果。特别是在活塞环的外周滑动面与铸铁汽缸套的腔体滑动接触过程中，能够得到大幅度降低摩擦损失的效果，并维持摩擦损失效果。图1是本发明的滑动部件之一的活塞环的剖面图。图2是表示将本发明的滑动部件的活塞环安装到汽缸套后的状态的剖面图。图3是在本发明的实施例1的活塞环外周面形成的无定形硬质碳膜的初期表面粗糙度的测定图。图4是表示浮动套式摩擦测定用发动机的构造的示意图。图5是实施例1的无定形硬质碳膜通过图4所示发动机进行试验后的表面粗糙度的测定图。图6是通过图4所示发动机进行试验前后实施例1的汽缸套的表面粗糙度的测定图。图7是表示实施例和比较例的摩擦损失的降低率的图。标号说明1:活塞环2:无定形硬质碳膜3:外周滑动面4:上下表面5:内周面6:活塞7:汽缸套8:大粒子(droplet)9:荷重测定用传感器具体实施例方式对本发明的优选实施方式进行说明。图1是表示本发明的实施方式所述的滑动部件的活塞环的剖面的示意图。活塞环1的表面形成有无定形硬质碳膜2。图2是表示将图1中的活塞环1安装到活塞6上，并组装到汽缸套7中的状态的剖面图。在活塞环1安装于活塞6的状态下，活塞环的外周滑动面3与汽缸套7之间保持适度的油膜并在上下方向上滑动。本发明的滑动部件为在滑动面上覆盖有无定形硬质碳膜的滑动部件，无定形硬质碳膜表面的十点平均粗糙度(Rz)为0.7pm以下，且初期磨损粗糙度(Rpk)为0.070.14|mi。十点平均粗糙度(Rz)超过0.7pm的话，则降低摩擦损失的效果减弱，与对方部件的磨合需要时间，对方部件的初期磨损较大。初期磨损粗糙度(Rpk)不到0.07pm的话，则对方汽缸套的磨合效果减弱，另一方面如果初期磨损粗糙度(Rpk)超过0.14pm的话，初期磨合需要时间，不能得到降低摩擦损失的效果。因此，十点平均粗糙度(Rz)为0.7Mm以下，且初期磨损粗糙度(Rpk)为0.070.14pm。另外，表面粗糙度是在以下条件下测定的使用前端半径为2,的触针，根据依照JIS标准确定的方法，测定长度为0.8mm，截止波长为0.08mm，测定倍率为10000倍，测定速度为0.06mm/sec，并且采用2RC滤波器(相位补偿)，倾斜校正采用最小二乘曲线拟合。对方部件的表面粗糙度优选十点平均粗糙度(Rz)为24^irn，进一步优选Rz为2.53.0,。在本发明所述的活塞环相对铸铁制汽缸套滑动的情况下，使十点平均粗糙度(Rz)为24pm，则能够增强汽缸套侧的初期磨合带来的表面粗糙度提高的效果，能够大幅度降低摩擦损失。本发明的滑动部件的基材可以优选使用铁基合金材料。本发明的活塞环基材的材料可以使用13Cr和17Cr不锈钢、弹簧钢、工具钢以及铸铁等铁基材料，或者是在所述铁基材料上通过实施离子电镀法等形成氮化铬层、通过实施各种氮化方法形成氮化层、以及实施硬质镀铬等表面处理后得到的材料。本发明的无定形硬质碳膜直接形成于滑动面上，或者形成于硬质镀铬膜、氮化层或者氮化铬层之上。在应用于活塞环的情况下，优选在顶环(TOPring)的具有剖面组织结构为柱状结构或者多孔结构的氮化铬层上形成无定形硬质碳膜。涂敷于活塞环外周表面上的无定形硬质碳膜磨耗掉后，使活塞环的基材以及形成于基材表面的离子镀层、氮化处理层、硬质镀铬层等露出时，由于汽缸套表面的粗糙度已经被充分地降低了，因而不会大幅度增加活塞环和汽缸套之间发生的摩擦损失。不含氢且实质上仅由碳构成的无定形硬质碳膜为含氢量在5站％以下的无定形硬质碳膜，与添加了Si等金属添加物的含氢的无定形硬质碳膜相比，表示碳结合状态的sp3性高，因此硬度高且耐磨损性优良。无定形硬质碳膜中含有的氢能够通过HFS(HydrogenForwardScattering)法进行测定。无定形硬质碳膜的硬度优选在维氏硬度HV2000以上。无定形硬质碳膜的维氏硬度不足Hv2000的话，则在初期磨合过程中提高对方部件即铸铁制汽缸套的表面粗糙度的效果较小，可能得不到充分的摩擦损失降低效果。无定形硬质碳膜的膜厚优选为0.012.0拜。通过使膜厚在所述范围内，可以使无定形硬质碳膜在对方部件的表面粗糙度通过初期磨合改善后正好磨耗掉。无定形硬质碳膜的膜厚不足0.01pm的话，则可能得不到提高对方部件的表面粗糙度的效果，而膜厚超过2Mm的话，则可能会使对方部件磨损过大。实施例下面，对本发明的实施例进一步详细说明，但本发明并不限定于这些实施例。采用与SUS440相当的材料作为活塞环的基材，在通过气体氮化处理在基材表面形成有氮化层的标称直径为86.0mm的顶环、第二道环、油环的外周滑动面上形成膜厚lpm的不含氢且实质上仅由碳构成的无定形硬质碳膜后，使用金刚石粒子进行后处理(研磨、喷磨处理等)，从而制作出表面粗糙度Rz在0.7|_im以下且Rpk为0.070.14pm的实施例1的活塞环。图3是表示对所述实施例1的活塞环(接口相反侧)的外周滑动面的表面粗糙度(周向)进行测定所得的无定形硬质碳膜的初期表面粗糙度的测定图，在凸侧突出来的部分为大粒子8，且表面粗糙度Rz为0.7(im且Rpk为0.07pm。此外，与实施例1相同地，采用与SUS440相当的材料作为活塞环的基材，通过离子电镀法形成氮化铬层以及通过电镀形成硬质铬镀层作为底层后，在标称直径为86.0mm的顶环、第二道环、油环的外周滑动面上形成膜厚小m的不含氢且实质上仅由碳构成的无定形硬质碳膜后，使用金刚石粒子进行后处理，从而制作出表面粗糙度Rz在0.7pm以下且Rpk为0.070.14pm的实施例2和实施例3的活塞环。进而，不形成底层而在直接在基材上形成膜厚为l|im的不含氢且实质上仅由碳构成的无定形硬质碳膜后，使用金刚石粒子进行后处理，从而制作出实施例4的活塞环。作为比较例，与所述实施例同样地形成底层，并形成膜厚为l,的无定形硬质碳膜后，仅改变使用金刚石粒子进行后处理这一条件，制作出表面粗糙度Rz为0.8|im且Rpk为0.15pm以上的比较例13。此外，还制作出仅对与SUS440相当的材料实施氮化处理的比较例4，仅通过离子电镀法形成氮化铬层的比较例5，以及仅通过电镀形成硬质铬镀层的比较例6。另外，该活塞环组(顶环、第二道环、油环)除外周滑动面的表面处理之外全部为相同规格。将如此制作出的实施例和比较例的活塞环组(顶环、第二道环、油环)安装到活塞6，并组装到浮动套式摩擦测定用发动机中，根据摩擦平均有效压力(FMEP)对摩擦损失做出评价。相对活塞环滑动的对方部件采用表面粗糙度的十点平均粗糙度值(Rz)为24^m的铸铁汽缸套。图4表示浮动套式摩擦测定用发动机的构造。通过结合于汽缸套的荷重测定用传感器9，对安装于活塞的活塞环沿上下方向滑动时向汽缸套施加的摩擦力进行测定。通过浮动套式摩擦测定用发动机进行摩擦损失的测定时的试验条件如下所示。试验结果如表1所示。另外，顶环、第二道环、油环各环的张力分别设定为6.5N、5.5N、19.4N。发动机转速l，500rpm负荷15Nm润滑油温度90°C冷却水温度100'C试验时间10小时表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图5表示通过图4所示浮动套式摩擦测定用发动机进行试验后实施测定例1的活塞环外周滑动面的表面粗糙度的结果。图5与试验前的图3比较的话，存在于活塞环的外周滑动面的大量大粒子8几乎被完全除去，活塞环外周滑动面的粗糙度大幅度降低。同样地，图6表示试验前后的实施例1的汽缸套的表面。本发明的与活塞环滑动接触的汽缸套的表面粗糙度适当地提高，并产生了充分的磨合。特别是汽缸套表面的突起部分通过与活塞环的滑动接触而被切削下来，汽缸套表面变得平滑。图7表示根据图4的试验得到的实施例和比较例的摩擦损失的降低率。其结果是相对于比较例4初期的摩擦损失，本发明的滑动部件活塞环可降低超过大约40%的大幅度摩擦损失，确认到显著的效果。与此相对地，无定形硬质碳膜的表面粗糙度Rz为0.8(im且Rpk为0.15pm以上的比较例13和仅进行了以往的表面处理的比较例45的摩擦损失降低量为本发明的一半以下，能够确认其摩擦损失降低效果不充分。本发明示出了在活塞环外周覆盖无定形硬质碳膜的情况作为实施例，但是除此之外，氮化铬、氮化钛、金刚石等的硬质膜也能够得到相同的效果。权利要求1.一种滑动部件，在该滑动部件的滑动面上覆盖有无定形硬质碳膜，其特征在于，所述无定形硬质碳膜表面的十点平均粗糙度(Rz)为0.7μm以下，且初期磨损粗糙度(Rpk)为0.07～0.14μm。2.如权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，在所述滑动部件中，无定形硬质碳膜形成在硬质铬镀层、氮化层或者氮化铬层之上。3.如权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，在所述滑动部件中，无定形硬质碳膜直接形成于基材的表面。4.如权利要求13中任一项所述的滑动部件，其特征在于，所述无定形硬质碳膜为不含氢且实质上仅由碳构成的无定形硬质碳膜。5.如权利要求14中任一项所述的滑动部件，其特征在于，所述无定形硬质碳膜的硬度在维氏硬度Hv2000以上，且无定形硬质碳膜的厚度为0.012.0拜。6.如权利要求15中任一项所述的滑动部件，其特征在于，所述滑动部件为活塞环，所述滑动面至少为活塞环外周面。全文摘要本发明提供一种滑动部件，该滑动部件相对于对方部件的初期磨合性优良，且摩擦损失降低效果明显，特别是提供一种活塞环，该活塞环以铸铁制汽缸套为对方部件，初期磨合性优良，且摩擦损失降低效果明显。在滑动面上覆盖有无定形硬质碳膜的滑动部件的无定形硬质碳膜表面的十点平均粗糙度(Rz)在0.7μm以下，且初期磨损粗糙度(Rpk)为0.07～0.14μm。优选对方部件的滑动表面粗糙度的十点平均粗糙度值(Rz)为2～4μm。文档编号F02F5/00GK101389886SQ200780006828公开日2009年3月18日申请日期2007年2月22日优先权日2006年2月28日发明者佐滕贵幸,川西实,若林亮,诸贯正树,辻胜启申请人:株式会社理研