机动车发动机气门驱动系统垫片或挺杆及与凸轮轴的组合的制作方法

专利名称:机动车发动机气门驱动系统垫片或挺杆及与凸轮轴的组合的制作方法
技术领域：
本发明涉及摩擦特性和耐久性优良的机动车发动机气门系垫片或挺杆及它们与凸轮轴的组合，更为详细地说，涉及使由PVD电弧离子镀法成膜的硬质碳薄膜具有耐久可靠性、而且实现低摩擦系数的技术，该PVD电弧离子镀法用于对作为机动车用内燃机的气门系构件的凸轮凸起部分的配对方构件的滑动部的表面处理。
背景技术：
在机动车内燃机中，凸轮凸起部分和作为其配对构件的挺杆或安装于挺杆冠面的垫片之间发生的摩擦力特别是在包含空转的低转速区域占内燃机整体的机械损失的20％，在这里的摩擦减少为与机动车的燃料费用降低直接相关的重要技术。
凸轮凸起部分与挺杆间的滑动在内燃机内属于面压最高的种类，从机理看，由于包含凸轮凸起部分与挺杆之间的油膜破裂瞬间，所以，可说是作为润滑状态极为恶劣的状况。为此，作为降低这里的摩擦的一个有效方法，通过使双方的表面粗糙度平滑，可改善润滑状态，减少凸轮凸起部分与挺杆的直接接触(金属接触)，使用包含固定润滑材料的表面处理和添加剂，从而降低金属接触时的摩擦。
最近，着眼于这一点，具有在使挺杆侧的表面粗糙度平滑之后适用氮化钛(TiN)和氮化铬(Cr2N)这样的硬质薄膜的例子，和将分散了固体润滑材料的二硫化钼(MoS2)的树脂材料涂覆到滑动部的例子。
可是，由PVD(物理气相淀积)法和CVD(化学气相淀积法)获得的硬质薄膜的最大的优点在于与电镀等表面处理和热处理等表面硬化处理相比可获得高得多的表面硬度，通过适用于滑动部位，可比过去大幅度提高耐摩擦性。
另外，在润滑下，由于可抑制摩擦导致的表面粗糙度的恶化，所以，可防止表面粗糙度的恶化使配对构件磨损和与配对构件的直接接触(金属接触)增加导致的摩擦力的增大，可在初期的状态下长期维持润滑状态。另外，通过使该硬质薄膜自身较硬，从而使配对构件磨合，也可期望获得平滑化的面粗糙度的功能，结果，也可期望使双方的粗糙度平滑化、将润滑状态改善成良好的状态。
另一方面，还知道，在以作为硬质薄膜的一种的类金刚石薄(DLC)膜为代表的非晶质系的碳素膜中，除了膜自身的硬度大外，膜自身具有作为固体润滑材料的性质，示出在无润滑下非常低的摩擦系数。
在润滑油中，当微观地观察触点时，可分类成隔着油膜与配对构成滑动部位和双方的表面粗糙度的凸起部直接接触(金属触点)的部位，在直接接触的那样的部位，通过适用DLC膜在降低该处发生的摩擦力的效果与无润滑下的场合同样，近年来，作为内燃机的低摩擦化技术研究了对滑动构件的适用。
可是，由PVD法和CVD法获得的硬质薄膜与电镀等表面处理相比，膜自身的内部应力高，膜的硬度非常高，所以，当用作机械部件的滑动构件时，经常发生膜从基材剥离或膜破裂的发生。关于膜的剥离，考虑到膜与基材的紧密接触性，此前提出设置适当的中间层和通过使膜为多层构造而缓和内部应力而改善的手法。
然而，关于膜自身的破裂和与其相随的剥离，特别是规定硬质碳薄膜的表面粗糙度和形状、配对构件的粗糙度和形状对其进行改善的例子还不太知道。
作为此前提出的技术，具有规定成为配对构件的凸轮侧的粗糙度的例子(日本专利申请公开公报JP11-294118A)。在该技术中，可考虑通过使凸轮的粗糙度在某值以下，控制对膜的输入，控制在膜发生的剥离。
在限制膜的表面形状的例子中，关于由电弧离子镀法形成的膜，有时规定残留于表面的粗粒(小滴)的高度和量(日本专利申请公开公报JP7-118832A)。
然而，本发明者将此前由PVD电弧离子镀法获得的硬质碳薄膜适用于挺杆部件，进行各种解析后得知，在上述那样的过去的提案的手法中，未必能够充分地确保膜的耐久性。
即，首先，在限定了成为对方构件的凸轮侧的粗糙度的例(JP11-294118A)中，规定凸轮的粗糙度，但当由电弧离子镀法获得的硬质碳薄膜的膜侧的表面粗糙度超过某值时，有时与凸轮的粗糙度无关地发生由与凸轮的滑动产生的膜的损伤和由其带来的剥离。
另一方面，在规定了膜的表面形式的例子(JP7-118832A)中，关于由电弧离子镀法形成的膜，规定残留于表面的粗粒(小滴)的高度和量，但在这里，将膜表面的形式规定于某范围的原因与研磨配对构件的表面相关，是为了不过度地使配对构件研磨，和如何在短时间使配对构件的表面粗糙度平滑化，未考虑涉及剥离的详细机理地进行设定。因此，即使在该规定范围中，对于某些膜和配对构件的表面粗糙度和形状可能发生剥离。另外，由本发明者的解析还可得知，相对过去的TiN和CrN等的膜，硬质碳薄膜由于脆性倾向较强，所以需要与各膜质对应的详细规定。
由以上那样的原因可知，在由已有技术获得的提案手法中，不能充分获得期望的由硬质碳薄膜产生的效果。

发明内容
本发明就是着眼于这样的已有技术存在的问题和上述发现而作出的，其目的在于，对于与电镀等表面处理相比硬度极高因而一般延性低的硬质薄膜，抑制在适用于滑动部件时可能发生的膜的破裂和剥离等，确保耐久可靠性，而且，实现低摩擦系数，提供摩擦特性和耐久性优良的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆及其与凸轮轴的组合。
本发明者为了达到上述目的，进行认真的研究后发现，通过适当控制硬质碳薄膜特别是DLC膜的表面硬度和与膜厚对应的表面粗糙度和形状及配对构件的表面粗糙度和形状等，可达到上述目的，由此完成了本发明。
即，本发明的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆，其沿凸轮轴的凸轮凸起部分滑动从而驱动内燃机用进排气门；其特征在于上述垫片或气门挺杆相对上述凸轮凸起部分的滑动面的最外表面被覆有硬质碳薄膜，该硬质碳薄膜的表面硬度按努普硬度表示时为1500～4500kg/mm2，膜厚为0.3～2.0μm，而且表面粗糙度Ry[μm]满足由下式Ry＜{(0.75-Hk/8000)×h+0.07/0.8}……(A)(式中h为上述硬质碳薄膜的厚度[μm]，Hk为由上述硬质碳薄膜的努普硬度[kg/mm2])表示的关系。
另外，本发明的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆的特征在于上述硬质碳薄膜成膜前的基材的表面粗糙度按Ra(算术平均粗糙度)表示为等于或小于0.03μm，而且，成膜后的滑动面的凸形状的最大值为小于10μm。
另外，本发明的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆的特征在于上述硬质碳薄膜成膜前的基材的表面硬度按HRC(洛氏硬度)表示为大于45。
另外，本发明的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆与凸轮轴的组合为上述那样的垫片或挺杆与凸轮轴的组合；特征在于与上述垫片或挺杆组合的上述凸轮轴的凸轮凸起部分的表面粗糙度按Ra表示等于或小于0.08μm，而且关于该轴向的凸轮凸起部分的凸头部的断面粗糙度曲线，凹凸形状的最大值小于10μm。
在本发明中，由硬质碳薄膜特别是DLC膜的厚度和硬度决定可容许该膜的负荷的输入条件。为此，通过相对适用作提供的膜的部位的滑动条件适当地规定膜的表面粗糙度和形状、配对构件的表面粗糙度和形状的各因子，可将相对膜的输入条件控制到某一范围内，事前防止适用的部位的膜的破裂和剥离的发生，可长期维持作为膜的功能。
下面，进一步详细说明本发明。
本发明的目的在于对作为内燃机用气门部件的凸轮从动件、作为与凸轮凸起部滑动的配对构件的垫片和挺杆的冠面由电弧离子镀法形成硬质碳薄膜，通过规定该膜的表面粗糙度和形状、配对构件的粗糙度和形状，改善作为膜的可靠性。
本发明者对将由电弧离子镀法获得的硬质碳薄膜适用于与凸轮凸起部分滑动的配对构件的场合进行了认真研究后，特别是关于滑动过程中在硬质膜产生损伤或由其带来的剥离这一点，明确了与膜的硬度和表面粗糙度、厚度、基材的形状、配对构件表面粗糙度、形状的关系。
在由滑动使形成于凸轮的配对构件的硬质膜受伤的场合，伤的形式都为膜破裂，膜依原样微观地被剥离，或引起该剥离的断片，从而发展成更大的伤。
产生损伤的原因都是相对膜的负荷成为问题，如仅是从具有曲率的凸轮凸起部分与平坦的垫片的线接触想定的面压的问题，则如硬质膜的膜厚在一定以上的值，则不产生这样的破裂。
作为负荷过大的原因，一个是从过去得知的、作为由PVD电弧离子镀法形成的膜特有的特征的、产生于膜内的淀积。在成膜过程中，该淀积从成为膜的原料的目标飞来的粒子不为单一的离子或原子状，而是按簇状或熔化状态飞来，该飞来的粒子依原状态作为粒子残存于膜，硬质的碳膜重合其周围地成长，所以，作为硬质的粒状凸起分布于膜内。
它们容易在滑动中脱落，所以，在卷入到接触部的场合，使来自凸轮凸起部分的推压力通过粒子在硬质薄膜中传输，该部位的局部压力比根据凸轮凸起部分的宏观的曲率并考虑弹性变形计算出的赫兹(ヘルツ)面压高得多，成为引发膜的破裂的原因。
另外，为了由与凸轮凸起部分的滑动接触将剪切力加到其上，所以，伤朝外周以筋状发展，达到膜自身的宏观(マクロ)剥离。
另一个原因在于凸轮凸起部分的表面粗糙度较粗，存在粗糙的凸起增大局部面压的场合和凸轮与垫片的线接触在双方的平坦度差时成为点接触的场合。
特别是凸轮凸起部分与垫片的平坦度差而成为点接触的场合，可成为由与上述的淀积的复合效果大大地加速膜的破裂的原因。
另外，由解析可知，在凸轮凸起部分与形成了硬质碳薄膜的配对构件垫片和挺杆的滑动中，硬质膜的厚度和膜的硬度可能成为膜破裂发生的原因。
膜的厚度越厚，则由某一负荷推压粒子的场合的变形量减少，所以，相对负荷的破裂发生的阻力提高。即，相应于各滑动条件的负荷，需要某一定的膜厚。另外，对于硬度，已知一般的硬度与延性存在折衷选择的关系，膜越硬则膜的延性越下降。即，膜的硬度在某种程度上较低时相对膜的破裂的阻力增加。
由以上解析，本发明者发现，在对凸轮凸起部分的配对构件滑动部形成硬质碳薄膜的场合，根据膜的硬度和厚度规定薄膜的表面粗糙度，另外，详细规定了凸轮凸起部分的表面粗糙度及基材和凸轮凸起部分的形状，从而可稳定地获得由硬质碳薄膜获得的低摩擦系数。
下面，在本发明中，关于硬质碳薄膜和与其滑动的凸轮凸起部分等，说明规定膜的硬度和厚度等的依据。
在本发明中，在本发明第一方面中，将对凸轮凸起部分的配对构件垫片和挺杆的滑动部形成的PVD硬质碳薄膜的膜厚规定在等于或小于0.3μm，是由于得知，在假定从凸轮凸起部分的输入的场合，如实验上不在该值以上，则发生膜自身的破裂。
另一方面，使厚度等于或小于2.0μm的原因在于，当超过该值时，由成膜在膜上产生大的残留应力，基材自身的翘曲成为问题。膜自身的翘曲由于为在与凸轮凸起部分的接触中促进点接触的方向，所以，成为在此以上的膜厚下、间接由接触不良加速膜的破裂的原因。
另外，硬质碳薄膜的表面粗糙度的规定根据膜的硬度与厚度的关系进行规定。
努普硬度Hk的硬质碳薄膜容许的接触部处的淀积粒子或凸轮凸起部分的粗糙凸起产生的压入深度h′在设碳膜的厚度为h的场合，实验地求出以下关系。
h′/h＝0.6-Hk/10000......(1)另一方面，对各种膜进行研究后可以得知，硬膜的表面粗糙度Ry为将残存于膜内的淀积高度设为a时，以下关系成立。
a＝0.8Ry-0.07......(2)硬质膜由其自身内在的淀积产生损伤和剥离时，由于通过规定碳膜的表面粗糙度防止，所以，将淀积依原样作为压入深度，满足a＜h′即可。
根据以上关系，在本发明第一方面中进行由基于此的下式(A)作出的规定。
Ry＜{(0.75-Hk/8000)×h+0.07/0.8}......(A)另外，本发明第三方面为关于形成硬质碳薄膜的垫片和构成挺杆的基材的规定。
由于硬质碳薄膜的膜厚非常薄，所以，基材的表面粗糙度在成膜后也作为膜表面粗糙度反映。为此，在基材的表面粗糙度大的场合，膜表面的粗糙度的凸起部使凸轮凸起部分的局部的接触面压增大，成为引起膜的破裂的原因。另外，关于基材的形状，通过解析可知，硬质碳薄膜成膜后，膜的残留应力使形状易于成为凸形，在该凸度过高的场合，与凸轮凸起部分的接触从线接触恶化成点接触，使淀积和异物啮入时的面压增大的幅度明显变大。
由实验已经确认，如使基材的表面粗糙度按Ra表示等于或小于0.03μm，关于凸形状，在形成硬质碳薄膜后的最终状态下为小于10μm，则不产生硬质碳薄膜的受伤和破裂及由此带来的剥离。
另外，在本发明第四方面中，关于垫片和挺杆的基材，进行在滑动部下的表面硬度的规定。
在与凸轮凸起部分的滑动中，关于在接触部的弹性变形量，硬质薄膜的硬度和厚度及基材硬度的影响都大，在处于某一值以下的场合，随着基材的变形，在薄膜内发生过大的应力，导致膜的破裂。
由实验确认，在与凸轮凸起部分的接触中发生的最大面压为0.5～0.7GPa左右，在该范围内，如使基材的硬度按洛氏硬度表示时大于45，则可抑制基材变形带来的碳膜的破裂的发生。
本发明第五方面涉及上述那样的本发明的垫片和挺杆与凸轮轴的组合，在该场合，规定成为垫片和挺杆的配对构件的凸轮凸起部分的表面粗糙度和形状。
凸轮凸起部分的表面粗糙度按Ra表示如等于或小于0.08μm，则可抑制凸轮凸起部分的表面粗糙的凸起导致的硬质碳薄膜的破裂的发生。当表面粗糙度超过0.08μm时，与其相应，需要将硬质碳薄膜的膜厚规定到较厚一侧，膜厚的设定范围成为极窄小的范围。
另一方面，关于凸轮凸起部分的凸轮轴向形状，在与配对构件的滑动中，引起单侧接触，显著增大接触部的面压，所以，成为大大地加速了包含于淀积或油中的异物的啮入的影响的原因。该凹凸如为小于10μm，则可抑制碳膜破裂的发生。
在以上说明的本发明的垫片、挺杆、及其与凸轮轴的组合中，作为被覆于滑动面的最表面的硬质碳薄膜，最好为由PVD法特别是由电弧式离子镀形成的类金刚石(DLC)薄膜(本发明第二方面)，但不限于此，也可适用于由已有公知的其它方法形成的硬质碳薄膜。
按照本发明，为了适当地控制硬质碳薄膜特别是DLC膜的表面硬度和与膜厚对应的表面粗糙度和形状及配对构件的表面粗糙度和形状等，对于由于硬度与电镀等表面处理相比极高所以一般延性低的硬质薄膜，抑制在适用于滑动部件时可能发生的膜的破裂和剥离等，确保耐久可靠性，而且，实现低摩擦系数，提供摩擦特性和耐久性优良的机动车发动机气门系垫片和挺杆及其与凸轮轴的组合。



图1为示出形成了本发明硬质碳薄膜的垫片的一例的断面图。
图2为示出形成本发明的硬质碳薄膜的气门挺杆的一例的断面图。
具体实施方式
图1示出本发明的垫片的一例，图2示出本发明的气门挺杆的一例。在图1和图2中，符号1为垫片的基材，符号2为硬质碳薄膜，符号3为气门挺杆的基材，符号4为硬质碳薄膜。
下面由实施例和比较例更为详细地说明本发明，但本发明不限于这些实施例。
(实施例1～6，比较例1～8)本发明的效果在于通过在垫片形成硬质碳薄膜从而减少与凸轮凸起部分之间的摩擦损失和获得维持该特性的足够的耐久性。为了确认这些效果，使用技术规格不同的多个凸轮凸起部分和在滑动部形成硬质碳薄膜的垫片，由用马达直接驱动凸轮轴的发动机实验进行摩擦的评价和耐久性的评价。在表1中作为实施例1～6、比较例1～8示出试验的组合的详细内容。
在这里使用的硬质碳薄膜全部由PVD电弧离子镀法形成，通过改变成膜条件实现预定的表面硬度和膜厚，另外，关于表面粗糙度，根据一部分的规格的需要在成膜后实施研磨加工，加工成预定的表面粗糙度。对于凸轮凸起部分和垫片基材，通过同样地改变精加工的条件，加工成预定的表面粗糙度和形状。
下面，说明在发动机的评价条件。
试验装置取出V型6缸3000cc的发动机的一方的气缸侧体(右侧)3气缸，为由马达直接驱动进气侧的凸轮轴的机构。
由1次回转平均驱动时发生的转矩，将其作为凸轮凸起部分/垫片间的摩擦的代用值。形成于垫片的硬质碳薄膜的耐久性在滑动一定时间后开封确认，通过确认膜的破裂和剥离的发生状况进行评价。
摩擦评价在耐久性评价后实施。作为摩擦性能的比较对象，也进行现在广泛使用的磷酸锰被膜处理后的垫片的试验。试验全部使用新品的试验片实施。下面示出试验条件的详细内容。另外，表1示出实施例和比较例的试验结果。
凸轮轴转速2000rpm(相当于曲轴4000rpm)耐久评价试验时间100小时开封确认时期1小时、100小时(试验结束后)润滑温度110℃摩擦评价100小时试验结束后，按1000rpm保持5分钟，根据此期间的平均值计算。
润滑试验时的油种类市场上出售的发动机油，10W30SG规格气门挺杆材质SCM415渗碳淬火材料凸轮凸起部分(凸轮轴)材质FCA金红石型铸铁表1评价的凸轮凸起部分/垫片的技术规格和试验结果




*＝(0.75-Hk/8000)×h+0.07/0.8○无损伤，△具有微观的剥离，×发生宏观的剥离发生×为中止，替换成无处理品继续下面说明表1所示试验结果。实施例1～6都属于本发明的范围，相对作为使用磷酸锰处理的垫片的组合的比较例8，在所有组合中获得非常低的摩擦特性，另外，100小时的发动机试验后，对形成于垫片的硬质碳薄膜也基本上看不到影响摩擦性能的损伤及膜的破裂及由此带来的剥离，可确认足够的耐久性。
比较例1相对将形成于垫片的硬质碳薄膜的硬度和厚度代入到由本发明第一方面规定的数学式子计算出的表面粗糙度的上限，由于表面的淀积多，所以，为垫片的表面粗糙度大大地超过的技术规格，在试验1小时后的时刻，在硬质碳薄膜确认到放射状的损伤和由此带来的膜的剥离。
另外，在比较例2中，形成于垫片的硬质碳薄膜的厚度相对由本发明第一方面规定的厚度0.3μm，为0.2μm，较薄，在试验1小时后的时刻，在硬质薄碳膜主要在垫片中央部发现许多由膜的破裂导致的膜的剥离。
在比较例3中，形成于垫片的硬质碳薄膜的厚度相对由本发明第一方面规定的上限厚度2μm，为2.2μm，较厚，成膜后的垫片的凸形也超过本发明第三方面规定的高度10μm，为12μm，试验1小时后，在硬质碳薄膜确认到放射状的损伤和由此带来的膜的剥离。
在比较例4中，垫片的基材粗糙度与由本发明第三方面规定的粗糙度Ra0.03μm相比，为较粗的Ra0.06μm，在试验1小时后的时刻，在硬质碳薄膜的中央部确认到，沿加工缝的膜的剥离，在100小时后的时刻，在垫片全体，在中央部确认到膜的宏观剥离，在100小时后的时刻，在垫片全体确认到膜的宏观剥离。
在比较例5中，凸轮凸起部分的表面粗糙度相对由本发明第五方面规定的值Ra0.08μm，为较粗的Ra0.12μm，在试验1小时后的时刻，在硬质碳薄膜确认到放射状的损伤和由此带来的膜的剥离。
在比较例6中，凸轮凸起部分的凹形状的高度相对由本发明第三方面规定的值10μm，为较大的12μm，在试验1小时后的时刻，在硬质碳薄膜主要在中央部确认到由膜的破裂带来的剥离，在100小时后的时刻确认到沿全体的膜的剥离。
在比较例7中，垫片基材的粗糙度相对由本发明第四方面规定的值HRC45以上为较低的HRC40，在试验1小时后的时刻，在硬质碳薄膜确认到主要在中央部由膜的破裂带来的剥离，在100小时后的时刻，整体确认到膜的剥离。
在比较例8中，为了进行摩擦的比较，对垫片实施磷酸锰处理，摩擦转矩为1.2N/m，与实施例1～6相比，显示出大得多的值。
由以上可知，实施例与比较例相比，都显示出由本发明的规定获得的效果。现从摩擦特性观点看，实施例1也具有最好的形式。
以上根据优选实施例详细说明了本发明，但本发明不限于这些实施例，本领域技术人员在本发明的公开的范围内可进行各种变形实施。
权利要求
1.一种机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆，其沿凸轮轴的凸轮凸起部分滑动从而驱动内燃机用进排气门；其特征在于上述垫片或气门挺杆相对上述凸轮凸起部分的滑动面的最外表面被覆有硬质碳薄膜，该硬质碳薄膜的表面硬度按努普硬度表示时为1500～4500kg/mm2，膜厚为0.3～2.0μm，而且表面粗糙度Ry[μm]满足由下式Ry＜{(0.75-Hk/8000)×h+0.07/0.8}式中h为上述硬质碳薄膜的厚度[μm]，Hk为由上述硬质碳薄膜的努普硬度[kg/mm2]表示的关系。
2.根据权利要求
1所述的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆，其特征在于上述硬质碳薄膜为由电弧式离子镀法形成的由碳构成的类金刚石薄膜。
3.根据权利要求
1所述的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆，其特征在于上述硬质碳薄膜成膜前的基材的表面粗糙度按Ra表示等于或小于0.03μm，而且成膜后的滑动面的凸形的最大值小于10μm。
4.根据权利要求
1所述的机动车发动机气门驱动系统垫片或气门挺杆，其特征在于上述硬质碳薄膜成膜前的垫片或气门挺杆基材的表面硬度按洛氏硬度表示时大于45。
5.一种记载于权利要求
1～4中任何一项所述的垫片或挺杆与凸轮轴的组合，其特征在于与上述垫片或挺杆组合的上述凸轮轴的凸轮凸起部分的表面粗糙度按Ra表示等于或小于0.08μm，而且，关于该轴向的凸轮凸起部分的凸头部的断面粗糙度曲线，凹凸形状的最大值小于10μm。
专利摘要
一种为了驱动内燃机用进排气门而作为配对构件在凸轮轴的凸轮凸起部分滑动的机动车发动机气门系垫片或挺杆。在作为配对构件相对上述凸轮凸起部分滑动的面的最表面被覆硬质碳薄膜，该硬质碳薄膜的表面硬度按努普硬度表示时为1500～4500kg/mm
文档编号F01L1/14GKCN1296603SQ02807066
公开日2007年1月24日 申请日期2002年9月27日
发明者马渕丰, 保田芳辉, 盐田正彦, 石原基固, 大原久典, 织田一彦, 内海庆春, 入江美纪 申请人:日产自动车株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan