配备有非晶硬质碳膜的活塞环、活塞、汽缸和活塞销的制作方法

专利名称：配备有非晶硬质碳膜的活塞环、活塞、汽缸和活塞销的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可在应用润滑油的湿式条件下使用的摩擦系数小的耐磨性好的活塞环、活塞、汽缸及活塞销。
背景技术：
由于资源保护或者环境问题等，要求滑动部件，例如组成发动机的活塞、活塞环、汽缸和活塞销，尽量减少由摩擦导致的能耗。通常，通过在滑动部件的滑动面成膜和通过例如氮化处理的表面处理来试图减少摩擦系数或者提高耐磨性。其中，被称为DLC(类金刚石)膜的非晶硬质碳膜被预测为能增强滑面滑动能力的膜(例如，参照专利文献1和2)。
专利文献1特开平3-240957号公报；专利文献2特开2001-192864号公报发明内容本发明要解决的课题例如，在前述的专利文献1中，披露了一种含Si非晶硬质碳膜。所述膜在不应用润滑油于干式条件下使用时表现出低摩擦系数。然而，应用润滑油在湿式条件下使用该膜时，非常难以减小摩擦系数。作为这种现象的因素，可想到的有润滑油中所含的许多种添加剂的影响。润滑油中的添加剂吸附到非晶硬质碳膜表面上，且与之反应形成边界膜。因此，滑动操作时形成的边界膜决定了摩擦系数。特别是，当使用驱动系统油作为润滑油，假定其动力传送存在高摩擦时，则难以减小摩擦系数。
同时，在前述的专利文献2中，披露了使用含芳族化合物的润滑油的尝试。由于芳族化合物吸附到非晶硬质碳膜上的吸附力高，它们在非晶硬质碳膜表面上形成牢固的边界膜。即是，通过在非晶硬质碳膜表面上形成牢固的边界膜，从而试图减少固体接触比例和减小摩擦系数。然而，在所述方法中，当添加剂改变时，芳族化合物之外其他物质的吸附和反应导致存在可能阻碍摩擦系数减小的担心。此外，从环境问题等的观点来看，相信今后将着手加强对添加剂的类型和用量优化的考察。在此情况下，通过前述取决于添加剂的吸附和反应的方法，预计减小摩擦系数会变得困难。
本发明是考虑到上述情形而完成的，其任务是提供活塞环、活塞、汽缸及活塞销，在应用润滑油于湿式条件下使用时，所述活塞环、活塞、汽缸及活塞销能不依赖润滑油中所含添加剂的吸附和反应而实现低摩擦系数。
解决课题的方法(1)本发明中的活塞环可在应用润滑油的湿式条件下使用，其包括活塞环本体；在活塞环本体至少一部分的表面上形成的非晶硬质碳膜，所述活塞环特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下；且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
即是，本发明的活塞环配备有非晶硬质碳膜，所述膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下，且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。非晶硬质碳膜的表面粗糙度相当的小。因此，当将非晶硬质碳膜制成滑动面时，由固体-固体接触引起的边界摩擦比例减小，但是由润滑油引起的润滑比例增加。从而摩擦系数减小。此外与钢材料相比，非晶硬质碳膜更坚硬，不容易磨损。因此，所述膜即使与配合件滑动接触，也能维持最初的表面粗糙度。而且非晶硬质碳膜包含预定量的Si。根据本发明者的分析，由于所述膜含有硅这一事实，在与非晶硬质碳膜滑动接触时膜表面上产生硅烷醇(SiOH)。通过硅烷醇(SiOH)的产生，即使固体之间须应相互接触，边界摩擦也急剧减小。因此，本发明中的活塞环通过润滑油导致的润滑比例增加以及边界摩擦减小这双重作用，表现出低摩擦系数。而且，所述活塞环的耐磨性也很好。
(2)本发明的活塞可在应用润滑油的湿式条件下使用，其包括活塞本体；在活塞本体至少一部分的表面上形成的非晶硬质碳膜，所述活塞特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下；且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
本发明的活塞配备有与上述本发明的活塞环相同的非晶硬质碳膜。通过将非晶硬质碳膜作为滑动面，本发明的活塞通过润滑油导致的润滑比例增加以及边界摩擦减小这双重作用，表现出低摩擦系数。而且，所述活塞的耐磨性也很好。
(3)本发明的汽缸可在应用润滑油的湿式条件下使用，其包括汽缸本体；以及在汽缸本体内周面上形成的非晶硬质碳膜，所述汽缸特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下；且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
本发明汽缸内的非晶硬质碳膜，和上述本发明活塞环的非晶硬质碳膜相同，其形成与活塞或者活塞环滑动接触的滑动面。从而，本发明汽缸通过润滑油导致的润滑比例增加和边界摩擦减小这双重作用，表现出低摩擦系数。而且，所述汽缸的耐磨性也很好。
(4)本发明的活塞销可在应用润滑油的湿式条件下使用，其包括活塞销本体，在活塞销本体至少一部分的表面上形成的非晶硬质碳膜，所述活塞销特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下；且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
本发明活塞销配备有和上述本发明活塞环相同的非晶硬质碳膜。因此，通过将非晶硬质碳膜作为滑动面，本发明活塞销通过润滑油导致的润滑比例增加和边界摩擦的减小这双重作用，表现出低摩擦系数。而且，所述活塞销的耐磨性也很好。
(5)本发明滑动部件的第一组合包括前述的本发明活塞环，以及前述的本发明活塞。例如，当本发明的活塞采用在活塞环槽上形成非晶硬质碳膜的方式；且本发明的活塞环采用在活塞环本体的两对向面上形成非晶硬质碳膜，所述对向面在活塞的往复运动方向上对向的方式；则在该组合中，非晶硬质碳膜相互滑动。从而，它们各自摩擦系数的减小效应协同发挥，从而，可能更多的减小摩擦系数。
(6)本发明滑动部件的第二组合包括装有前述本发明活塞环的活塞，以及前述的本发明汽缸。例如，当本发明的活塞环采用在活塞环本体的外周面上形成非晶硬质碳膜的方式；则在该组合中，非晶硬质碳膜相互滑动。从而，它们各自摩擦系数的减小效应协同发挥，从而，可能更多的减小摩擦系数。
(7)本发明滑动部件的第三组合包括前述的本发明活塞，以及前述的本发明汽缸。例如，当本发明的活塞采用在活塞本体的活塞裙部上形成非晶硬质碳膜的方式；则在该组合中，非晶硬质碳膜相互滑动。从而，它们各自摩擦系数的减小效应协同发挥，从而，可能更多的减小摩擦系数。
(8)本发明滑动部件的第四组合包括前述的本发明活塞，以及前述的本发明活塞销。例如，当本发明的活塞在活塞孔上形成非晶硬质碳膜；且本发明的活塞销在活塞销本体的外周面上形成非晶硬质碳膜时；则在该组合中，非晶硬质碳膜相互滑动。从而，它们各自摩擦系数的减小效应协同发挥，从而，可能更多的减小摩擦系数。
发明效果本发明的活塞环、活塞、汽缸和活塞销均配备有非晶硬质碳膜，所述膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下，且表面粗糙度为Rzjis0.5μm以下。由于非晶硬质碳膜的表面粗糙度小，因而由润滑油导致的润滑比例增加。此外，由于非晶硬质碳膜含有Si，因而边界摩擦也减小。当使用本发明的活塞环、活塞、汽缸和活塞销从而由非晶硬质碳膜作为滑动面，则可实现不依赖于润滑油中添加剂的吸附和反应而实现低摩擦系数。此外，通过将上述合适地组合而使用，可更大地减小摩擦系数。


图1为汽缸的透明透视图，其中设置有活塞。
图2为装有相同活塞的顶环的透视图。
图3为直流等离子体CVD成膜装置轮廓图。
图4为环-块型摩擦试验机的轮廓图。
图5为DLC-Si膜的表面粗糙度和摩擦系数间的关系图。
图6为膜的表面粗糙度和摩擦系数间的关系图。
图7为往复滑动试验机的轮廓图。
图8为往复滑动试验中，摩擦系数的测量结果(发动机油)。
图9为往复滑动试验中，摩擦系数的测量结果(轻油)。
标号说明1汽缸 10汽缸本体11内周面2活塞 20活塞本体21活塞环槽22活塞裙部23活塞销孔24活塞销30顶环31次级环 32油环300顶环本体 301外周面302上面 303下面4直流等离子体CVD成膜装置40容器41基台42气体导入管43气体导出管
44不锈钢制阳极板45基材5环-块型摩擦试验机50块状试验片51环状试验片52油浴500膜6往复滑动试验机60汽缸模拟部件 61环模拟部件62供油管最佳实施方式下文将详细描述本发明的活塞环、活塞、汽缸和活塞销。起初将统一描述本发明活塞环、活塞、汽缸和活塞销的共同事项。然后分别详细描述本发明活塞环、活塞、汽缸和活塞销各自的特定事项。最后描述本发明的滑动部件组合。
<共同事项>
本发明的活塞环、活塞、汽缸和活塞销都在应用润滑油的湿式条件下使用。关于润滑油，建议使用通常使用的发动机油。
本发明活塞环、活塞、汽缸和活塞销均配备的非晶硬质碳膜，包括碳(C)、氢(H)和Si。Si含量在1原子％以上至20原子％以下。当Si含量在1原子％以下时，边界摩擦的降低效应小。为了更大程度地降低边界摩擦，理想地应使Si含量在5原子％以上，进一步为6原子％以上。此外，从获得实用的成膜速率的观点来看，理想地应使Si含量大于5原子％。同时，当Si含量超过20原子％时，非晶硬质碳膜的磨损量增加了。考虑耐磨性和抗咬合性，理想地应使Si含量在9.8原子％以下。更合适地应使Si含量在9.5原子％以下。
此外，建议使H含量为20原子％以上至40原子％以下。当H含量低于20原子％时，尽管非晶硬质碳膜的硬度变大，但密着力和韧性下降。H含量在25原子％以上比较合适。相反，当H含量超过40原子％，非晶硬质碳膜的硬度变小，从而使耐磨性降低。H含量在35原子％以下比较合适。
非晶硬质碳膜表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。当表面粗糙度超过Rzjis 0.5μm，则不可能期待由润滑油导致的润滑比例会增加，从而不可能减小摩擦系数。优选地，可将表面粗糙度调整到Rzjis 0.45μm以下。进一步地，更合适的是将表面粗糙度调整到Rzjjis 0.3μm以下。表面粗糙度的计算方法按照JIS B0601(1994)中的描述进行。
非晶硬质碳膜的硬度不是特别限定的。例如，当考虑耐磨性时，其硬度可以是15GPa以上。在本说明书中，采用通过纳米硬度计试验机(“MTS”，KABUSHIKI KAISHA TOYO TECHNICA Corp.制造)的测量值作为非晶硬质碳膜的硬度。
可采用CVD法或PVD法形成非晶硬质碳膜，例如已知的等离子体CVD法、离子电镀法和溅射法。然而，以溅射法为代表的PVD法，在成膜材料中存在指向性。因此，为了形成均一膜，有必要在装置内设置多个目标，或者将经受成膜的基材进行旋转。其结果使成膜装置变得复杂或者变得昂贵。此外，根据基材的形状如汽缸的内周面，可能会出现难以成膜的情况。同时，等离子体CVD法通过反应气体成膜，即使在复杂形状上也易成膜。而且，成膜装置的结构也比较简单，并且不昂贵。至于等离子体CVD法，利用高频放电的高频等离子体CVD法和利用直流放电的直流等离子体CVD法均可采用。特别是，由于成膜装置可由真空炉和直流电源组成，因而直流等离子体CVD法更适用。此外，由于活塞环的外周面和两对向面能同时进行成膜，即使是对汽缸的内周面也易于进行成膜，因而直流等离子体CVD法合适。
例如，当通过直流等离子体CVD法形成非晶硬质碳膜时，首先在真空容器内设置基材，并将反应气体和载气引入容器内。然后，通过放电产生等离子体，从而可使反应气体中被等离子体电离的C、CH、Si等沉积到基材上。至于反应气体，建议使用烃类气体例如甲烷(CH4)和乙炔(C2H2)，硅化物气体例如Si(CH3)4[TMS]、SiH4、SiCl4和SiH2F4，氢气；建议使用氩气为载气。
当本发明的活塞环、活塞、汽缸和活塞销与配合件滑动接触，同时使各非晶硬质碳膜作为滑动面时，则通过所含Si在非晶硬质碳膜上产生硅烷醇。所述硅烷醇的产生例如可通过采用衍生化法的XPS分析检测到。衍生化XPS分析按照下列程序进行。首先，在具有反应试剂十三氟-1，1，2，2-四氢辛基-二甲基氯硅烷的硫酸中，将滑动后的非晶硬质碳膜浸入其内1小时。此时当硅烷醇产生，则膜表面的OH基团与反应试剂中的C1反应，从而脱去氯化氢。随后取出非晶硬质碳膜，以氯仿充分洗涤。然后，通过XPS分析测定F量从而定量确定硅烷醇的量。
<活塞环>
本发明的活塞环包括活塞环本体、以及在活塞环本体至少一个表面上形成的非晶硬质碳膜。至于活塞环本体的材质，铁系材料如碳钢、合金钢和铸铁比较合适。为了减少活塞环和汽缸之间的摩擦系数，最好在活塞环的外周面上形成非晶硬质碳膜。此外，为了抑制与活塞环槽的滑动接触而产生的咬粘或者磨损，所述膜理想地可在两对向面上形成，在活塞往复运动的方向对向。通过抑制咬粘或者磨损，从而使通常对活塞环槽进行的抗磨损处理如amite变得不再必要，并且可节约成本。因此，理想地可在至少一个表面上形成非晶硬质碳膜，所述表面选自由活塞环本体外周面和在活塞往复运动方向上对向的两个对向面。
通常，据说汽车发动机的寿命为300,000km以上。因此对活塞环也要求高耐久性。因此，考虑到磨损，非晶硬质碳膜的厚度理想地可为2μm以上。更合适地为5μm以上。
在滑动面压力为100Mpa以上高压的滑动环境中，非晶硬质碳膜可能会从活塞环本体上剥离。为了抑制非晶硬质碳膜的剥离，活塞环本体和非晶硬质碳膜之间的密着力可理想地为20N以上(根据后面所述的刮擦试验方法)。当在滑动面压力1,000Mpa以上的滑动环境中使用时，密着力可理想地为30N以上(根据相同的刮擦试验方法)。至于活塞环本体和非晶硬质碳膜之间的密着力，采用普通的刮擦试验测定膜剥离时的荷重。即是，在对膜刮擦的同时，对120度顶角和0.2mm前端半径金刚石锥施加荷重，当膜剥离时的荷重指定为密着力。
从提高活塞环本体和非晶硬质碳膜之间的密着力的观点来看，理想地可通过离子轰击法对活塞环本体的表面进行凹凸形成处理，在所述活塞环的表面上预先形成非晶硬质碳膜。通过凹凸形成处理，所述活塞环本体的表面变成凹凸面，所述凹凸面具有平均高度为10nm以上100nm以下、且平均宽度为300nm以下的凸部。通过在该凹凸面上形成非晶硬质碳膜，使密着性提高。所形成凹凸面上的凸部为半球形。所述半球形凸部从底部到顶部的距离定义为凸部的高。此外，与所述半球形凸部的底部最大直径相对应的水平距离(当凸部的底面形状恰好为圆时的直径，或者当底面形状为椭圆时的长轴直径)，指定为凸部的宽度。
在此情况下，当平均高度小于10nm，得不到机械糙面效应，并且相应的密着性改善效果不充分。同时，平均高度超过100nm，则难以形成平滑的非晶硬质碳膜。需要指出，当平均高度在20nm以上至70nm以下，则密着性改善。此外，当平均高度超过300nm，得不到任何糙面效应，并且相应的密着性改善效果不充分。通过扫面电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等能够测量凸部的宽度和高度。
此外，当将凹凸面的面积看作100％时，则凸部占所述凹凸面的面积比例为30％以上。通过调整凸部面积比例为30％以上，可使所述非晶硬质碳膜充分表现出密着性改善效果。
离子轰击程序如下。首先，将活塞环本体设置在密闭容器内，并且将容器内气体抽空至预定的气体压力。理想地可将气体压力调整为0.13Pa以上和2,666Pa以下。当气压低于0.13Pa，则不可能充分加热活塞环。当超过2,666Pa，则不可能形成微细的凹凸。随后，引入用于凹凸形成处理的气体。对用于凹凸形成处理的该气体，建议使用由选自氦、氖、氩、氪、氙和氡的一种或两种或更多种成分构成的稀有气体。此外，当向稀有气体中加入氢，则可抑制活塞环本体表面的氧化。随后，对其进行离子轰击。对进行离子轰击的方式，建议使用辉光放电或者离子束。当使用200～1000V放电低压和0.5～3.0A电流进行30～60分钟的离子轰击时，可形成均一而微细的纳米级的凹凸。此外，在进行离子轰击时，当将活塞环加热到使活塞环的硬度不会降低的温度(要求200℃以上)，则可形成更均一而微细的凹凸。
此外，为形成均一而微细的凹凸，理想地在进行凹凸形成处理之前，对活塞环本体表面进行氮化处理。至于氮化处理的方法，可用的有气体氮化法、盐浴氮化法和离子氮化法。氮化处理后，建议通过抛光进行表面加工，从而使表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下，然后进行上述的离子轰击。
作为本发明活塞环的配合件，活塞或者汽缸的材质最好为金属如铸铁和铝合金，和陶瓷如硬质合金、氧化铝和氮化硅。此外，如后面所描述，当配合件也配备有非晶硬质碳膜时，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下，且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下；并且在二者的滑动面上应用相同的膜，由此二者之间的摩擦系数能够减小更多，因而是合适的。
<活塞>
本发明的活塞，其包括活塞本体以及在活塞本体的至少一部分表面上形成的非晶硬质碳膜。至于活塞本体的材质，理想的有铝合金(AC8A等)、铸铁等。
为了减小活塞和汽缸之间的摩擦系数，理想地可在活塞本体的活塞裙部形成非晶硬质碳膜。此外，为了抑制与活塞销滑动接触而产生的咬粘或者磨损，理想地可在活塞环槽上形成非晶硬质碳膜。进一步地，为了抑制与活塞销滑动接触而产生的咬粘或者磨损，理想地可在活塞销孔上形成非晶硬质碳膜。因此，非晶硬质碳膜可理想地形成于选自如下的至少一个位置上所述活塞本体的活塞环槽、其活塞裙部和其活塞销孔。
考虑到磨损等，所述非晶硬质碳膜的厚度可理想地为1μm以上。更合适地为3μm以上。需要指出，与活塞销相比，活塞的滑动面压力更小，因此更不易于磨损。因此活塞中非晶硬质碳膜的厚度比活塞环中的膜厚度更小并无多大关系。
在滑动面压力为100Mpa以上高压的滑动环境中，非晶硬质碳膜可能会从活塞环上剥离。为了抑制非晶硬质碳膜的剥离，所述活塞本体和非晶硬质碳膜之间的良好密着性是必要的。例如，铝合金硬度大约100Hv，低于钢材料的硬度。因此用上述刮擦试验方法难以评价其密着性。此外，由于铸铁是含有石墨的结构，与铝合金相似，因此用刮擦试验法难以评价其密着性。因此，当活塞本体由铝合金或者铸铁构成时，密着性通过Rockwell压痕试验法进行评价。
Rockwell压痕试验法为这样一种方法，其中将100-1500N的荷重施加到圆锥金刚石压头上(Rockwell“C”-刻度压头)，然后从压痕周围的膜剥离状态评价密着性。在德国，Rockwell压痕试验即将被标准化为DIN。例如，如W.Heinke等“Evaluation of PVD nitride coatings，usingimpact，scratch and Rockwell-C adhesion tests”，Thin Solid Films，270(1995)，pp.43l-438中所述，当压痕周围没有见到膜的剥离时(HF1-4)，密着性评价良好。同时，当见到膜的剥离时(HF5和6)，则密着性评价不良。因此，当活塞本体由铝合金或者铸铁构成时，通过应用荷重为1,500N的Rockwell压痕试验进行评价，活塞本体和非晶硬质碳膜之间的密着状态可理想地保持在HF1-4状态。
作为本发明中活塞的配合件，汽缸、活塞环或者活塞销的材质可理想地为金属如碳钢、合金钢、铸铁和铝合金，和陶瓷如硬质合金、氧化铝和氮化硅。此外，当上述配合件也配备非晶硬质碳膜，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下，且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下；并且在二者的滑动面上应用相同的膜，由此二者之间的摩擦系数能够减小更多，因而是合适的。
<汽缸>
本发明的汽缸包括汽缸本体以及在汽缸本体内周面上形成的非晶硬质碳膜。至于汽缸本体的材质，理想地为铝合金(A390，AC4C等)、铸铁等。汽缸本体可以是与汽缸柱成一个整体，或者单独形成为汽缸套。本发明汽缸的尺寸不作特别限制；然而，当汽缸的高径比长度“L”和直径“D”的比值“L/D”为0.8以上时，诸如通过直流等离子体CVD法成膜的优势较大。
考虑到磨损等，所述非晶硬质碳膜的厚度理想地为2μm以上。更理想地为5μm以上。
在滑动面压力为100Mpa以上高压的滑动环境中，非晶硬质碳膜可能会从汽缸上剥离。为了抑制非晶硬质碳膜的剥离，所述汽缸本体和非晶硬质碳膜之间的良好密着性是必要的。当汽缸本体由例如铝合金或者铸铁构成，则密着性通过上述Rockwell压痕试验进行评价。也就是，通过应用荷重为1,500N的Rockwell压痕试验进行评价，汽缸本体和非晶硬质碳膜之间的密着状态可理想地处于HF1-4状态。
作为本发明中汽缸的配合件，活塞环或者活塞的材质理想地可以为金属如碳钢、合金钢、铸铁和铝合金，和陶瓷如硬质合金、氧化铝和氮化硅。此外，当配合件也配备有非晶硬质碳膜时，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下，且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下；并且在二者的滑动面上应用相同的膜，由此二者之间的摩擦系数能够减小更多，因而是合适的。
<活塞销>
本发明的活塞销包括活塞销本体以及在活塞销本体的至少一部分表面上形成的非晶硬质碳膜。对于活塞销本体的材质，理想地为铁系材料如碳钢、合金钢和铸铁等。为了减小活塞销和活塞之间的摩擦系数，理想地可在活塞销本体的外周面上形成非晶硬质碳膜。
考虑到磨损等等，所述非晶硬质碳膜的厚度理想地可为1μm以上。更合适地为3μm以上。在滑动面压力为50Mpa以上高压的滑动环境中，非晶硬质碳膜可能会从活塞销上剥离。为了抑制非晶硬质碳膜的剥离，活塞销本体和非晶硬质碳膜之间的密着力理想地可为10N以上(根据上述的刮擦试验法)。此外，当在滑动面压力100Mpa以上的滑动环境中使用时，密着力理想地可为20N以上(根据上述同样的刮擦试验法)。
作为本发明活塞销的配合件，活塞的材质可理想地为铝合金和铸铁等。此外，当配合件也配备有非晶硬质碳膜时，该非晶硬质碳膜的Si含量在1原子％以上至20原子％以下，且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下；并且在二者的滑动面上应用相同的膜，由此二者之间的摩擦系数能够减小更多，因而是合适的。
目前为止，活塞环、活塞、汽缸和活塞销的具体实施例已经说明完毕。然而，本发明的活塞环、活塞、汽缸和活塞销不仅仅限于前面所提到的实施方式；本领域技术人员在不背离本发明主旨的范围下，做一些变化和修改，能得到不同的实施方式。
<滑动部件组合>
理想地，可将本发明上述的活塞环、活塞、汽缸和活塞销合适地组合在一起使用。例如，可列举如下组合将本发明活塞环与本发明活塞组合的方式；将该方式进一步与本发明汽缸组合得到的方式；将活塞与本发明汽缸组合得到的方式，其中活塞中的本发明活塞环装有活塞环槽；将本发明的活塞与本发明的汽缸组合得到的方式；将本发明的活塞销与本发明的活塞组合得到的方式，等等。
在下文中，将说明由本发明活塞环、活塞、汽缸和活塞销组合的实施方式。图1为汽缸透明透视图，其中设置有活塞。图2为装有相同活塞的顶环的透视图。
如图1所示，活塞2设置在汽缸1内上/下的往复运动方向上。在构成汽缸1的汽缸本体10的内周面11上，形成有Si含量在1原子％以上至20原子％以下且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下的非晶硬质碳膜(未示出)。构成活塞2的活塞本体20，具有活塞环槽21，活塞裙部22以及活塞销孔23。在活塞裙部22和活塞销孔23上形成有同样的非晶硬质碳膜(未示出)。活塞销孔23内安装有活塞销24。在活塞销24的外周面上形成有同样的非晶硬质碳膜(未示出)。
活塞环槽21，顶环30，次级环31和油环32分别按照次序从上至下安装。顶环30，次级环31和油环32包括在本发明的活塞环中。如图2所示，构成顶环30的顶环本体300，具有外周面301，上面302和下面303。顶环本体300包括在本发明的活塞环本体内。此外，上面302和下面303相当于在活塞2的往复运动方向上对向的两个对向面。在外周面301上，形成有同样的非晶硬质碳膜(未示出)。此外，在次级环31和油环32的外周面上，也与顶环30相同的方式形成有相同的非晶硬质碳膜(未示出)。
在润滑油存在下，活塞2在汽缸1内做上/下往复运动。在这种情况下，形成于汽缸本体10的内周面11上的非晶硬质碳膜，形成于活塞环30、31和32的各外周面上的非晶硬质碳膜，以及形成于活塞裙部22上的非晶硬质碳膜，相互滑动接触。此外，形成于活塞销孔23上的非晶硬质碳膜，以及形成于活塞销24外周面上的非晶硬质碳膜，相互滑动接触。此时，由于非晶硬质碳膜的表面粗糙度在0.5μm以下，由固体-固体接触所致的边界摩擦的比例减小，但是由润滑油导致的润滑比例增加。此外在滑动接触时，由于非晶硬质碳膜上产生硅烷醇(SiOH)，因此边界摩擦急剧减小。因此，通过这双重作用，润滑比例增加而边界摩擦减小，活塞环30、31、32和活塞2间的摩擦系数以及它们和汽缸1之间的摩擦系数减小。同样，活塞销孔23和活塞销24之间的摩擦系数也可减小。此外，由于非晶硬质碳膜不大可能被磨耗，因此活塞环30、31、32，活塞2，活塞销24和汽缸1耐磨性良好。
上文已描述了本发明活塞环、活塞、汽缸和活塞销的组合的实施方式。然而，本发明活塞环、活塞、汽缸和活塞销的各自构成及其组合不仅仅限于前面所提到的实施方式。例如，在前面所述的实施方式中，活塞环30、31、32，活塞2，活塞销24和汽缸1分别由本发明的活塞环、活塞、汽缸和活塞销构成。然而，通过以常规部件进行置换，可对活塞环30、31、32，活塞2，活塞销24和汽缸1中的任一种进行置换。
此外，在前述的实施方式中，非晶硬质碳膜在活塞环30、31和32的外周面上形成。然而，非晶硬质碳膜在活塞环内的成膜位置不仅仅限于外周面。例如，如已示出的图2所示，所述膜可在上面302或者下面303上形成。此外，没有必要在所用的全部活塞环上形成非晶硬质碳膜。对于许多活塞环的情形，也可建议仅在它们中的一部分上形成非晶硬质碳膜。
在前述的实施方式中，非晶硬质碳膜在活塞裙部22和活塞销孔23上形成。然而，非晶硬质碳膜在活塞中的成膜位置不仅仅限于所述位置。除了前述的位置，也可建议在活塞环槽21上形成非晶硬质碳膜；或者也可建议在活塞环槽21、活塞裙部22和活塞销孔23的任一个上形成所述膜。
实施例基于前述的实施方式，在基材表面上形成各种非晶硬质碳膜。并且进行了两种类型的滑动试验，以评价各非晶硬质碳膜的摩擦特性。下文中，将描述各滑动试验和对摩擦特性的评价。
(1)环-块型摩擦试验机进行的滑动试验(a)含Si的非晶硬质碳膜的形成(下文中均适宜地称为“DLC-Si膜”)使用如图3所示的直流等离子体CVD(PCVD)成膜装置，在基材表面上形成DLC-Si膜。如图3所示，直流等离子体CVD成膜装置4配备有不锈钢制容器40，基台41，气体导入管42，以及气体导出管43。气体导入管42与各种气瓶(未标出)通过阀门连接(未标出)。气体导出管43与旋转泵(未标出)以及扩散泵通过阀门(未标出)连接。
首先，将基材45设置在放于容器40内的基台41上。由马氏体系不锈钢SUS440C(淬火和回火产品，58HRC)制成的基材45调整成块状试验片(6.3mm×15.7mm×10.1mm)。随后，将容器40密封，通过旋转泵和与气体导出管43相连的扩散泵将容器40内的气体抽出。通过气体导入管42以15sccm的流速引入氢气到容器40内，将容器40内的气压调整至约133Pa。然后，在基台41和设置于容器40内的不锈钢制阳极板44之间施加200V直流电压，从而开始放电。并且，通过离子轰击，使温度增加直到基材45温度达到500℃。随后，通过气体导入管42引入500sccm的氮气和40sccm的氢气，并且在压力约800Pa、电压400V(电流1.5A)、温度500℃的此条件下持续1小时的等离子体氮化处理。当观察到基材45的截面结构时，氮化深度为30μm。
等离子体氮化处理以后，通过气体导入管42以速率30sccm分别引入氢气和氩气；在下列条件下进行溅射处理压力约533Pa；电压300V(电流1.6A)；温度500℃，从而在基材45表面上形成微细的凹凸(凹凸形成处理)。凸部宽度为60nm，高度为30nm。随后，通过气体导入管42以速率1sccm作为反应气体引入TMS气体，以速率100sccm引入甲烷气体；此外氢气和氩气分别以速率30sccm引入；在下列条件下成膜压力约533Pa；电压320V(电流1.8A)，温度500℃。成膜时间控制到使膜厚度为2.7μm。
通过这种方法，在块状试验片上形成三种类型的(Rzjis 0.15μm，0.45μm和0.80μm)DLC-Si膜。将由此形成的DLC-Si膜分别编号为DLC-Si-1到3。这些DLC-Si膜的组成为Si6原子％，C64原子％，H30原子％。另外，所有DLC-Si膜和基材之间的密着力均为50N。所有的DLC-Si膜的硬度均为17GPa。在后面的滑动试验中，形成于各块状试验片上的DLC-Si膜作为与配合件的滑动面。
通过电子探针微量分析(EPMA)、X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)和卢瑟福背散射谱法(RBS)，定量分析DLC-Si膜中的Si含量。另外，通过弹性反冲探测分析(ERDA)进行H含量定量分析。所述ERDA是这样一种方法用2-Mev氦离子束辐照膜的表面；通过半导体探测器测量从所述膜散射出的H，从而测定膜内的H浓度。
(b)滑动试验和对摩擦特性的评价对上述方法制成的各块状试验片，通过环-块型摩擦试验机(“LFW-1”，FALEX公司生产)进行滑动试验。在图4中，图示了环-块型摩擦试验机的轮廓图。如图4所示，环-块型摩擦试验机5由块状试验片50，和作为配合件的环状试验片51组成。块状试验片50和环状试验片51的设置状态使得形成于块状试验片50上的膜500与环状试验片51接触。环状试验片51可旋转地设置在油浴52中。在该滑动试验中，使用“S-10”环状试验片(材质渗碳SAE4620钢构件；形状φ-35mm、宽度8.8mm；表面粗糙度三种类型，Rzjis 0.37μm、0.86μm、1.95μm；FALEX公司生产)作为环状试验片51。此外，在油浴52中，使用加热到80℃的发动机油(Castle Motor Oil“SL5W-30”)。
首先，在无荷重状态，转动环状试验片51。随后，从块状试验片50之上施加300N荷重(赫兹表面压力310Mpa)，然后将块状试验片50和环状试验片51以0.3m/s的速度滑动30分钟，其后测定两者间摩擦系数。其中，“赫兹表面压力”是实际接触表面上的最大压力值，在所述的接触面中考虑块状试验片50和环状试验片51之间接触时的弹性变形。在图5，图示了各块状试验片上的摩擦系数测量结果。图5的水平轴规定滑动前各块状试验片的DLC-Si膜的表面粗糙度。
如图5所示，当DLC-Si的表面粗糙度为Rzjis 0.80μm时，不论配合件的表面粗糙度多少，摩擦系数都很大。然而，当所述粗糙度为Rzjis 0.45μm时，摩擦系数降低；进一步地，当所述粗糙度为Rzjis 0.15μm时，摩擦系数非常显著地降低。此外，配合件的表面粗糙度越小，摩擦系数降低的比例越大。具体地，当配合件的表面粗糙度为Rzjis 0.37μm时，通过将DLC-Si膜的粗糙度从Rzjis 0.45μm调整到0.15μm，摩擦系数降低大约50％。因此可以理解，通过将Si含量为1原子％以上至20原子％以下、表面粗糙度为Rzjis 0.5以下的DLC-Si膜用于滑动面，可减小摩擦系数。特别地可以理解，当表面粗糙度调节到Rzjis 0.3μm以下时，摩擦系数减小效应很明显。
此外，作为对比，在与设置了DLC-Si膜的块状试验片相同的块状试验片上，通过磁控溅射(SP)法形成不含Si的DLC膜(下文中，简称为“DLC膜”)。如此设置的DLC膜被制成三种类型，其表面粗糙度不同，分别编号为DLC-1，DLC-2，DLC-3。类似地，在所述块状试验片上，通过空心阴极(HCD)法形成CrN膜。如此设置的CrN膜被制成三种类型，它们表面粗糙度不同，分别编号为CrN-1，CrN-2，CrN-3。
对形成有DLC膜和CrN膜的各块状试验片和没有成膜的块状试验片本身，通过与前述相同的环-块型摩擦试验机进行滑动试验。图6所示为各块状试验片的摩擦系数测试结果，包括形成有上述DLC-Si膜的各块状试验片的测量结果。图6的水平轴是滑动前各块状试验片的表面粗糙度。在图6中，图示了当环状试验片的表面粗糙度为Rzjis 0.37μm和Rzjis 1.95μm时的测量结果。即在图6中，在关于各块状试验片相同表面粗糙度的绘制数据中，具有高摩擦系数的是Rzjis 1.95μm的结果，具有低摩擦系数的是Rzjis 0.37μm的结果。此外，在表1中，给出了形成于各块状试验片上的膜的厚度、表面粗糙度和密着力。需要指出，没有形成膜的块状试验片本身(SUS440C)根据其表面粗糙度的区别被命名为SUS440C-1和SUS440C-2。
表1


如图6所示，在DLC膜、CrN膜和SUS440C内，即使其表面粗糙度更小，摩擦系数也不降低。另一方面，在DLC-Si膜内，如上所述，通过使表面粗糙度小至0.5μm以下，能显著降低摩擦系数。相信其原因在于，除了由润滑油导致润滑比例增加外，还证实有边界摩擦的减少效应。
(2)通过往复滑动试验机的滑动试验通过往复滑动试验机进行滑动试验，所述试验模拟活塞环和汽缸之间的滑动。在图7中，图示了往复滑动试验机的轮廓图。如图7所示，往复滑动试验机6由汽缸模拟部件60和环模拟部件61构成。汽缸模拟部件60材质为铸铁，环模拟部件61材质为氮化钢。环模拟部件61在上/下方向上作往复运动，同时与汽缸模拟部件60内侧滑动接触。通过供油管62向汽缸模拟部件60和环模拟部件61间的滑动部供应润滑油。
在温度90℃下，使环模拟部件61作往复运动，其运动状态使得环模拟部件61被以100N(赫兹表面压力160Mpa)荷重压向汽缸模拟部件60上，由此进行滑动试验。在此情况下，改变所供给的润滑油，从而使一个试验在发动机油(Castle Motor“SL5W-30”)存在下进行，另一个试验是在轻油(JIS#2)存在下进行。并且，环模拟部件61的往复周期从500到1000、1200、1400cpm(每分钟周期数)改变，并且在每个往复周期期间测量摩擦系数。每个往复周期期间摩擦系数的平均值作为平均摩擦系数。
滑动试验中汽缸模拟部件60和环模拟部件61的各滑动面为如下三种组合(i)没有成膜(铸铁-氮化钢)；(ii)DLC-Si膜仅形成在汽缸模拟部件上[DLC-Si/氮化钢]；(iii)DLC-Si膜同时形成在汽缸模拟部件和环模拟部件上[DLC-Si/DLC-Si]。根据上文(1)(a)中所述的方法进行DLC-Si膜的形成。表2中给出了上述组合的汽缸模拟部件和环模拟部件的滑面粗糙度。此外，图8图示了在发动机油存在下的摩擦系数测量结果。图9图示了在轻油存在下的摩擦系数测量结果。


首先，如图8所示，在轻油存在下，通过在汽缸模拟部件和环模拟部件至少一个上形成DLC-Si膜，使得摩擦系数减小。例如，当以DLC-Si膜作为汽缸模拟部件的滑动面(DLC-Si膜/氮化钢)，摩擦系数平均降低10％。此外，当DLC-Si膜同时作为汽缸模拟部件和环模拟部件的滑动面(DLC-Si/DLC-Si)，摩擦系数平均降低40％。因此可以理解，当DLC-Si膜相互滑动时，摩擦系数的减小效应很大。
如图9所示，即使在轻油的存在下，通过在汽缸模拟部件和环模拟部件至少之一上形成DLC-Si膜也使摩擦系数得以减小。根据不存在膜[铸铁/氮化钢]的情况之间的对比，使用轻油时的摩擦系数比使用发动机油时的摩擦系数(如图中虚线所示)增加很多。然而，当以DLC-Si膜作为汽缸模拟部件的滑动面(DLC-Si膜/氮化钢)时，摩擦系数显著降低，降低比例平均约40％。此外，当以DLC-Si膜同时作为汽缸模拟部件和环模拟部件(DLC-Si/DLC-Si)的滑动面，摩擦系数平均降低高达约80％。根据前述可确知，由Si含量为1原子％以上至20原子％以下、且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下的DLC-Si膜导致摩擦的减少效应。此外，也确定通过DLC-Si膜相互滑动能进一步减小摩擦系数。
权利要求
1.一种可在应用润滑油的湿式条件下使用的活塞环，其包括活塞环本体；以及在活塞环本体的至少一部分表面上形成的非晶硬质碳膜，所述活塞环特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量为1原子％以上至20原子％以下；且其表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
2.权利要求1的活塞环，其中所述非晶硬质碳膜形成于至少一个表面之上，所述表面选自所述活塞环本体的外周面和在活塞的往复运动方向上对向的两个对向面。
3.权利要求1的活塞环，其中所述活塞环本体与所述非晶硬质碳膜之间的密着力为20N以上。
4.权利要求1的活塞环，其中通过用离子轰击法进行凹凸形成处理，使将要形成所述非晶硬质碳膜的活塞环本体的表面变成凹凸面，所述凹凸面具有平均高度为10nm以上且100nm以下、且平均宽度为300nm以下的凸部。
5.权利要求1的活塞环，其中通过直流等离子体CVD法形成所述非晶硬质碳膜。
6.一种可在应用润滑油的湿式条件下使用的活塞，其包括活塞本体；以及在活塞本体的至少一部分表面上形成的非晶硬质碳膜，所述活塞特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量为1原子％以上至20原子％以下；且其表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
7.权利要求6的活塞，其中所述非晶硬质碳膜形成于选自如下的至少一个位置上所述活塞本体的活塞环槽，其活塞裙部，以及其活塞销孔。
8.权利要求6的活塞，其中通过直流等离子体CVD法形成所述非晶硬质碳膜。
9.一种可在应用润滑油的湿式条件下使用的汽缸，其包括汽缸本体；以及形成于汽缸本体内周面上的非晶硬质碳膜，所述汽缸特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量为1原子％以上至20原子％以下；且其表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
10.权利要求9的汽缸，其中通过直流等离子体CVD法形成所述非晶硬质碳膜。
11.权利要求9的汽缸，其中所述汽缸的高径比为0.8以上。
12.一种可在应用润滑油的湿式条件下使用的活塞销，其包括活塞销本体；以及在活塞销本体的至少一部分表面上形成的非晶硬质碳膜，所述活塞销特征在于，该非晶硬质碳膜的Si含量为1原子％以上至20原子％以下；且其表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下。
13.权利要求12的活塞销，其中所述活塞销本体与所述非晶硬质碳膜之间的密着力为10N以上。
14.权利要求12的活塞销，其中通过直流等离子体CVD法形成所述非晶硬质碳膜。
15.一种滑动部件的组合，其包括权利要求1的活塞环；和权利要求6的活塞。
16.一种滑动部件的组合，其包括装有权利要求1的活塞环的活塞；和权利要求9的汽缸。
17.一种滑动部件的组合，其包括权利要求6的活塞；和权利要求9的汽缸。
18.一种滑动部件的组合，其包括权利要求6的活塞；和权利要求12的活塞销。
全文摘要
本发明涉及活塞环、活塞、汽缸和活塞销，当应用润滑油在湿式条件下使用时，其能够不依赖于润滑油中所含添加剂的吸附或者反应而实现低摩擦系数。本发明构造了可在应用润滑油的湿式条件下使用的活塞环、活塞、汽缸和活塞销，从而能够分别配备Si含量为1原子％以上至20原子％以下，且表面粗糙度为Rzjis 0.5μm以下的非晶硬质碳膜。
文档编号C23C16/27GK1985083SQ200580022950
公开日2007年6月20日 申请日期2005年7月5日 优先权日2004年7月6日
发明者森谷浩司, 堀田滋, 森广行, 大森俊英, 远山护, 志村好男, 太刀川英男, 村上元一, 岩下誉二 申请人:丰田自动车株式会社, 帝国活塞环株式会社