缸孔和活塞環的組合的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種內燃機的缸孔和相對于缸孔內周面滑動的活塞環的組合，具體設 及一種在內周滑動面上形成有鐵基熱噴涂膜的缸孔和在外周滑動面上形成有硬質碳膜的 活塞環的組合。
【背景技術】
[0002] 近年，對于W汽車發動機為主的內燃機強烈要求燃油效率的提高。因此，正在廣泛 地進行W小型化、輕量化、降低摩擦損失等為目標的構成部件的研究開發。例如，嘗試對氣 缸采用比重小的侶金屬合金下，稱為"侶合金"）并在活塞環上涂覆低摩擦系數的硬質碳 膜(也稱為"類金剛石碳(Diamond Like Carbon:DLC)")。
[0003] JIS標準材料ADC12等侶合金的特征通常是重量輕且導熱系數良好。但是，侶合金 自身在相對于活塞環的滑動中容易發生粘著或磨損。作為改善對策，在日本特開2005- 273654中公開了一種發動機用部件，其包含一缸體，通過高壓壓鑄法能夠批量生產含有多 達18~22重量％的娃(Si)的鑄造性差的侶合金，并且通過控制滑動面附近的冷卻速度使平 均晶粒尺寸12~5 0 μηι的初晶娃顆粒在滑動面上結晶析出。比較硬的初晶娃顆粒的存在有助 于提高耐磨損性和抑制氣缸磨耗。但是，隨著近年來發動機的高輸出化，氣缸內壓力上升， 滑動條件變得苛刻，對此，變得無法充分滿足對耐磨損性和耐磨耗性的要求。
[0004] 另外，從對侶合金的化學穩定性和低摩擦系數出發，嘗試對活塞環應用硬質碳膜。 日本特開2001-280497公開了娃(Si)含量為7~20重量％的侶合金氣缸與在外周面上形成 有由類金剛石碳構成的硬質膜的活塞環的組合，特別地，對于化C硬質膜，公開了使從Si、 11、胖、吐、1〇、抓及￥的組中選出的一種或兩種^上的元素的碳化物分散、初始一致性、耐磨 損性和耐磨耗性優異的硬質碳膜。但實際情況是，運種初始一致性良好的化網更質膜在上述 的苛刻的滑動條件下將在短時間內磨損。
[0005] 另一方面，對于侶合金氣缸，具有對相對于活塞環直接滑動的部分包嵌鑄造了鑄 鐵制襯套或者熱噴涂了鐵基膜的氣缸。其中，備受關注的是期待通過重量的減輕和傳熱性 能的提高來實現缸孔整體溫度的下降和均勻性的改善的缸孔熱噴涂技術。日本特開2004- 100645公開了一缸體，具備如下的滑動面，即，層疊形成在缸孔內表面上的熱噴涂層的表面 通過巧磨而加工完成，滑動面的凹坑面積率為5~14%，且設由有效負載粗糖度Rk和初始磨 耗高度化k之和表示的表面粗糖度[Rk+R地]為0.9ymW下，在摩擦系數和耐磨損性方面充分 滿足要求，并且所述缸體有助于燃油效率的提高和耐久性的提高。滑動面上存在的凹坑具 有作為油積存部（油槽）的功能，防止滑動時潤滑油用盡，提高耐磨損性。但是，例如，也可 知，在大負載作用于發動機并且滑動條件變得苛刻的情況下，僅通過由該凹坑形成的油積 存部，則油膜的形成將不充分，耐磨損性也不充分。雖然能夠增加滑動面的凹坑的大小和數 量，但發生由潤滑油的燃燒引起的耗油量的增加和摩擦系數的增大也變得明顯。
[0006] 日本特開2002-235852公開了一種低摩擦性滑動部件，其著眼于油積存部，在形成 于滑動表面上的平滑面上具備深度規則地變化的微細的凹部，并且在凹部之間形成有盤狀 凸部。在日本特開2002-235852中，在滑移速度大的沖程工序的中央部，使油積存部的深度 變淺，降低由油膜剪切損失引起的摩擦損失的增大，另一方面，在沖程端(如果是活塞，則是 上止點和下止點），使油積存部的深度變深，避免發生潤滑油用盡，降低了摩擦損失。但是， 精密地控制凹部的深度等來形成上述的結構的滑動面實際上需要大量的精密工序，因此并 不實用。
【發明內容】
[0007] 發明所要解決的課題
[0008] 本發明的課題在于提供一種缸孔和活塞環的組合，其使用能夠利用由通常的壓鑄 形成的侶合金鑄件的缸孔熱噴涂技術，即使在大負載作用于發動機的苛刻的滑動條件下， 耐磨損性、耐磨耗性也優異，摩擦損失也很小。
[0009] 用于解決課題的技術方案
[0010] 本發明人等對將形成有鐵基熱噴涂膜的缸孔和形成有硬質碳膜的活塞環組合的 情況下的耐磨損性進行了研究，潛屯、研究的結果，發現:通過將鐵基熱噴涂膜和硬質碳膜表 面的粗糖度曲線中的突起峰部的高度化k控制為規定值，能夠實現耐磨損性、耐磨耗性優異 且摩擦損失低的缸孔和活塞環的組合。
[0011] 目P，本發明的缸孔和活塞環的組合的特征在于，所述缸孔在相對于活塞環的滑動 面上形成鐵基熱噴涂膜，所述活塞環在外周滑動面上形成硬質碳膜，所述鐵基熱噴涂膜表 面的粗糖度曲線中的化k(JIS B 0671-2:2002)小于0.20皿，所述硬質碳膜的表面的粗糖度 曲線中的化k小于0.15μπι。所述鐵基熱噴涂膜的表面的粗糖度曲線中的所述化k值優選小于 0· 1姐m。
[0012] 所述鐵基熱噴涂膜的所述滑動面具有微小凹坑，所述微小凹坑的面積率優選為 1% W上且小于10%，更優選為1%W上且小于5%。另外，所述鐵基熱噴涂膜的膜厚優選為 100 ~500皿。
[0013] 進一步，所述硬質碳膜的氨含量優選小于2原子％，所述硬質碳膜的馬氏硬度優選 為17~25GPa。所述硬質碳膜的膜厚優選為0.5~10皿。
[0014] 進一步，所述活塞環優選在母材上具有由氮化銘層、氮化層和鍛銘層中的至少一 種所構成的基底層，所述硬質碳膜優選具有由從Cr、Ti、W和Co組成的組中選擇出的至少一 種所構成的金屬和/或金屬碳化物的中間層。
[001引發明效果
[0016]在本發明的缸孔和活塞環的組合中，由于基本上利用侶合金制缸體，因此有助于 輕量化。另外，由于利用缸孔熱噴涂技術在滑動面上形成鐵基熱噴涂膜，因此，可不使用娃 含量高的侶合金，而使用由通常的壓鑄形成的JIS標準材料ADC12等侶合金鑄件。當然，無需 如高壓壓鑄制造技術那樣的昂貴的設備。在運方面，鑄鐵襯套的嵌鑄也能夠利用通常的侶 合金鑄件，但相比于鑄鐵襯套的包嵌鑄造，缸孔熱噴涂技術也可在缸孔之間的部分設置冷 卻通道而獨立缸孔化，由此能夠降低缸孔的整體溫度并大幅改善均勻度。另外，在缸孔的鐵 基熱噴涂膜和活塞環的硬質碳膜雙方的表面的粗糖度曲線中，通過將作為本發明的特征的 Rpk值控制為規定值W下，能夠減少滑動時的摩擦系數并有助于摩擦損失的降低。特別地， 能夠提供一種缸孔和活塞環的組合，其通過在活塞環上涂覆氨含量小于2%的硬質碳膜，即 使鐵基熱噴涂膜的微小凹坑的面積率小，也能夠展示優異的耐磨損性，即使在大負載作用 于發動機的苛刻的滑動條件下，耐磨損性、耐磨耗性也優異，摩擦損失也很小。
【附圖說明】
[0017] 圖1是實施例1的熱噴涂膜表面的掃描型電子顯微鏡照片；
[0018] 圖2(a)是表示本發明的磨損試驗的方法的概要圖；
[0019] 圖2(b)表示磨損試驗后的活塞環片上產生的楠圓狀的滑動部的圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發明的缸孔和活塞環的組合的特征在于，在缸孔內周面上形成鐵基熱噴涂膜， 在活塞環外周滑動面上形成硬質碳膜，并且鐵基熱噴涂膜表面的粗糖度曲線中的化k(JIS B 0671-2:2002)小于0.20μπι，硬質碳膜表面的粗糖度曲線中的化k小于0.15μπι。在缸孔和活 塞環的相對滑動中，一般而言，滑動面越平滑，摩擦系數就越低，但發現:耐磨損性特別展現 出與JIS Β 0671-2:2002中規定的突起峰部高度化k很強的相關性，而沒有展現出與作為表 面粗糖度的代表性指標的算術平均粗糖度Ra和十點平均粗糖度Rzjis很強的相關性，通過 將鐵基熱噴涂膜的化k值設為小于0.20μπι，將硬質碳膜的化k值設為小于0.15μπι，展現出低 摩擦系數且優異的耐磨損性。在鐵基熱噴涂膜和硬質碳膜的化k值分別為0.20μπι、0.15μπιΚ 上時，耐磨損性降低，且使磨耗增大，因此非優選。鐵基熱噴涂膜的化k值優選小于0.15WI1， 硬質碳膜的化k值優選小于0.13皿。
[0021] 在本發明的缸孔和活塞環的組合中，缸體由JIS標準材料ADC12那樣的侶合金鑄件 制成，并且是在該缸孔內周面直接熱噴涂有鐵基膜的無襯套缸體。娃(Si)的含量也無需特 別多，可使用具有規定的耐熱性、強度、延伸性等的鑄造性良好的侶合金。另一方面，活塞環 優選使用壓縮環用娃銘鋼(JIS SW0SC-V)或馬氏體不誘鋼(JIS SUS440B)。
[0022] 形成在缸孔內周面上的鐵基熱噴涂膜不特別限定，但是從耐磨損性、耐磨耗性、低 摩擦系數的觀點出發，優選在碳鋼中含有少量的銘、鋼、鶴等。例如，日本特開2010-275581 中公開了一鐵基熱噴涂膜，含有質量比為0.3~0.4%的C、0.2~0.5%的Si、0.3~1.5%的 Μη、合計0.5% W下的Cr和/或Mo,剩余部分為Fe和不可避免的雜質。熱噴涂為等離子熱噴 涂、電弧熱噴涂、高速火焰熱噴涂等，不特別限定，但是使用鐵基合金的線材的線材電弧熱 噴涂在經濟上面有利，因此優選。在電弧熱噴涂中，電流、霧化氣體壓力、噴嘴形狀等操作條 件對熱噴涂膜的特性產生較大的影響。鐵基熱噴涂膜通常包含氣孔和氧化物，但是，例如， 如果增加霧化氣體的流量，則氣孔率減少，氧化物的比例增多。
[0023] 缸孔內周面最終通過巧磨而加工完成，但是，此時，發生填充性較低的鐵合金顆粒 和氧化物顆粒的脫落，或者出現內在的氣孔，從而在表面上形成直徑幾 μπι~100M1左右的微 小凹坑。熱噴涂顆粒的脫落還受巧磨的程度(例如，切入深度)影響，由于氣孔率和氧化物的 比例如上所述由熱噴涂條件決定，因此基本上由熱噴涂膜的組織決定。微小凹坑作為油積 存部(油槽)而發揮功能，特別是在缸孔和活塞環的組合中存在有在活塞的上止點和下止點 的附近形成為邊界潤滑的傾向，因此，活塞的上止點和下止點的附近的微小凹坑的存在極 為重要。熱噴涂膜滑動面上的微小凹坑的面積率優選為1%W上且小于10%。由于如果微小 凹坑的面積率增大則存在有鐵基熱噴涂膜的強度和硬度降低的傾向，因此，熱噴涂膜滑動 面上的微小凹坑的面積率更優選為1 % W上且小于5%，更進一步優選為2% w上且小于 5%。另外，微小凹坑的尺寸優選在1~200WI1的范圍內。
[0024] 鐵基熱噴涂膜的膜厚不特別限定，作為巧磨后的最終的膜厚，優選為100~500μπι。
[0025] 形成在活塞環的外周滑動面上的硬質碳膜在制造方法上大多含有氨，但是，在本 發明中，氨含量優選小于2原子％。運是因為：當在硬質碳膜內加入氨，則引起碳的原子鍵的 斷裂，原子鍵在氨終止，但在氨量較少的硬質碳膜中，潤滑油中的油性劑容易吸附于膜表 面，在碳原子的末端配位有0Η基而保持真實接觸，從而實現低摩擦化。更優選地，氨含量小 于1原子％。在減少氨含量的方面上，優選使用對蒸發源上使用了碳的真空電弧離子鍛 (Vacuum Arc Ion Plating:VAIP)法。鐵基