專利名稱：用于汽車發(fā)動機的滑動結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于汽車內(nèi)燃機的滑動結(jié)構(gòu)，該滑動結(jié)構(gòu)有極好的摩擦特征和較高可靠性。更特別是，本發(fā)明涉及一種用于汽車發(fā)動機的氣門組(valve train)或吸氣/排氣系統(tǒng)的滑動結(jié)構(gòu)，其中，活動部件的活動部分由特殊的硬碳膜覆蓋，以便獲得較低摩擦系數(shù)和較高耐久性、可靠性和防咬合性。
背景技術(shù)：
汽車內(nèi)燃機的氣門組和吸氣/排氣系統(tǒng)包括多種滑動部件，例如凸輪凸角和它的相對部件，即氣門挺桿(valve lifter)或安裝在該挺桿的端表面上的墊片。重要的是，當發(fā)動機低速運行時(包括空轉(zhuǎn)速度)，凸輪凸角和挺桿之間的滑動摩擦占發(fā)動機的總機械損失的20％。減小凸輪凸角和挺桿之間的摩擦的技術(shù)很重要，它能夠直接提高汽車的燃料效率。這時，在內(nèi)燃機中，凸輪凸角和挺桿之間的滑動接觸產(chǎn)生的表面壓力最高，且由于它們的滑動機理，凸輪凸角和挺桿之間的潤滑被暫時切斷。因此，凸輪凸角和挺桿之間的潤滑狀態(tài)極其惡劣。已經(jīng)設想了多種有效方法來減小凸輪凸角和挺桿之間的滑動摩擦。例如，凸輪凸角和挺桿的滑動部分都可以制成光滑的，以便改進潤滑狀態(tài)，從而減小凸輪凸角和挺桿之間的直接接觸(金屬接觸)。固體潤滑劑或潤滑劑添加劑可以用于減小凸輪凸角和挺桿之間的金屬接觸的摩擦。因此，已經(jīng)提出使挺桿的滑動部分光滑，然后用氮化鈦(TiN)或氮化鉻(Cr2N)的硬薄膜或者包含固體潤滑劑例如二硫化鉬(MoS2)的樹脂材料來涂覆該滑動部分。
通過物理蒸氣沉積(PVD)方法或化學蒸氣沉積(VCD)方法形成的硬薄膜的最大優(yōu)點是它的表面硬度比通過表面處理(例如電鍍)或表面硬化(例如熱處理)獲得的表面硬度大得多。通過將這樣的硬薄膜施加在滑動部件上，滑動部件的耐磨性可以明顯提高，從而防止在潤滑情況下降低表面粗糙度。還有，可以防止滑動部件由于表面粗糙度降低而磨損它的相對部件。因此，可以防止由于滑動部件和相對部件之間的直接接觸(金屬接觸)增加而增大滑動摩擦，并能夠在很長時間內(nèi)保持初始潤滑狀態(tài)。另外，還認為將硬薄膜施加在滑動部件上將提供對相對部件的光滑作用，這樣，滑動部件和相對部件的滑動部分都可以光滑，以便改善潤滑狀態(tài)。
在各種硬碳膜中，已知無定形碳膜例如鉆石狀碳(DLC)膜用于獲得更高硬度和類似固體潤滑劑性能，以便在無潤滑劑的情況下提供低摩擦系數(shù)。在微觀分析中，在潤滑情況下，滑動部件和相對部件之間的滑動接觸包括滑動部件通過潤滑劑膜與相對部件滑動接觸的區(qū)域以及滑動部件和相對部件在它們的表面粗糙度峰值之間直接接觸(金屬接觸)的區(qū)域。除了能夠在無潤滑的情況下減小在滑動部件和相對部件之間的滑動摩擦，近來已經(jīng)證明將DLF膜施加到滑動部件上，特別是施加到滑動部件與相對部件直接接觸的區(qū)域是用于內(nèi)燃機的低摩擦技術(shù)。
不過，與通過表面處理(例如電鍍)形成的情況相比，通過PVD或CVD方法形成的硬碳膜具有更高的內(nèi)應力和硬度。在將這樣的硬碳膜施加到滑動部件上時，將出現(xiàn)這樣的問題，即硬薄膜通常與滑動部件的基體部分分離和/或產(chǎn)生裂紋。
為了防止硬碳膜分離，還提出提供中間層，以便提高膜和基體之間的粘接，并使膜形成多層結(jié)構(gòu)，以便減小膜的內(nèi)應力。另一方面，很少提出通過控制硬薄膜的表面粗糙度和外形以及相對部件的表面粗糙度和外形來防止硬碳膜產(chǎn)生裂紋以及硬碳膜由于膜產(chǎn)生裂紋而分離。一種這樣的方法是控制凸輪凸角和挺桿墊片的表面粗糙度(日本專利申請JP11-294118A)。該方法基于這樣的原理，即負載向膜的輸入可以通過將凸輪凸角和挺桿墊片的粗糙度限制為給定值或更小而進行控制。另一方法是控制硬碳膜的表面外形，特別是控制通過電離子電鍍(日本公開專利申請JP7-11883A)而形成的膜的表面上的宏觀顆粒(微滴)的高度和量。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，已經(jīng)對凸輪凸角和挺桿之間的滑動進行了一些研究，但是對在凸輪凸角和其它滑動部件之間的滑動以及在其它滑動部件之間的滑動的研究很少。特別是，還沒有發(fā)現(xiàn)對硬碳膜的厚度、硬度和表面粗糙度、滑動部件的基體部分的表面粗糙度以及潤滑劑特性進行的綜合分析。
此外，硬碳膜比先前已知的TiN和CrN膜更脆，因此，該硬碳膜需要根據(jù)膜的特性來進行控制。為了使滑動部件具有較低摩擦系數(shù)并提高耐久性、可靠性和防咬合性，也需要考慮潤滑劑添加劑的影響。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于汽車發(fā)動機的滑動結(jié)構(gòu)，其中，滑動部件的滑動部分由硬碳膜覆蓋，以便獲得較低摩擦系數(shù)和較高的耐久性和可靠性，并提高了防咬合性，同時防止硬碳膜產(chǎn)生裂紋和分離。
由于深入研究，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)上述目的可以通過合適控制硬碳膜(例如鉆石狀碳膜)的表面粗糙度和外形、滑動部件的基體的表面粗糙度和外形研究潤滑劑的性質(zhì)來實現(xiàn)。本發(fā)明基于這些研究。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于內(nèi)燃機的滑動結(jié)構(gòu)，它包括滑動部件，該滑動部件從活塞環(huán)、活塞銷、凸輪凸角(cam lobe)、凸輪軸頸、滑動軸承、旋轉(zhuǎn)葉片或正時鏈條中選擇，并包括滑動部分；以及潤滑劑，該潤滑劑施加給滑動部分，這樣，該滑動部分通過該潤滑劑與相對部件進行滑動接觸，其中，滑動部分有由鋼材或鋁材制成的基體和形成于該基體上面以覆蓋滑動部分的硬碳膜，該硬碳膜的厚度為0.3至2.0μm，努普(Knoop)硬度為1500至4500kg/mm2，表面粗糙度Ry(μm)滿足以下公式Ry＜{(0.75-Hk/8000)×h+0.07/0.8}，其中，h是硬碳膜的厚度(μm)；而Hk是硬碳膜的努普硬度(kg/mm2)。
由以下說明也可以知道本發(fā)明的其它目的和特征。
具體實施例方式
下面將詳細介紹本發(fā)明。在下面的說明中，所有的百分數(shù)(％)都是質(zhì)量百分數(shù)，除非另外特別說明。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的滑動結(jié)構(gòu)包括滑動部件，該滑動部件有滑動部分；以及潤滑劑，該潤滑劑施加給滑動部分，這樣，該滑動部分可以通過潤滑劑與相對部件(counterpart member)進行滑動接觸。
滑動部件特別(專門)設計成用于內(nèi)燃機，并可以呈活塞環(huán)、活塞銷、凸輪凸角、凸輪軸頸、滑動軸承、旋轉(zhuǎn)葉片或正時鏈條的形式，或者它們的各種組合。其中，活塞環(huán)是安裝在活塞上以便抵靠氣缸滑動的環(huán)?；钊N是使活塞與連桿連接且抵靠活塞、襯套或連桿滑動的銷?；钊故腔钊摹⒌挚繗飧谆瑒拥娜咕壊糠帧Ｍ馆喭菇呛屯馆嗇S頸都用于凸輪軸，以便抵靠氣門挺桿或墊片滑動，從而驅(qū)動吸氣閥和排氣閥。旋轉(zhuǎn)葉片可旋轉(zhuǎn)地安裝在汽車自動變速器的油泵(例如總泵)的殼體(確定了泵室)中，以便抵靠該殼體滑動，或者可旋轉(zhuǎn)地安裝在氣門組(它可變控制吸氣閥或排氣閥的閥升特征(Valve liftcharacteristics))的液壓回路的柱形殼體中，以便抵靠殼體滑動。正時鏈條是連續(xù)滾鏈，它抵靠鏈輪或鏈條引導件滑動，以便由曲軸驅(qū)動凸輪軸。
滑動部件的滑動部分有基體以及硬碳膜，該硬碳膜形成于該基體上，以便覆蓋該滑動部分。
基體通常由鋼材和鋁材中的一種制成。
硬碳膜由只含有無法避免的雜質(zhì)的碳制成，并優(yōu)選是鉆石狀(diamond-like)碳(DLC)膜。盡管DLC膜可以由任意物理蒸氣沉積(PVD)方法形成，但是特別優(yōu)選是由電離子電鍍形成DLC膜。
而且，硬碳膜的厚度為0.3至2.0μm，表面硬度為1500至4500kg/mm2努普硬度，且表面粗糙度Ry(μm)滿足以下公式(A)Ry＜{(0.75-Hk/8000)×h+0.07/0.8}(A)其中，h是硬碳膜的厚度(μm)；Hk是硬碳膜的努普硬度(kg/mm2)。
上述公式(A)是由本發(fā)明人通過實驗獲得的。也就是，已經(jīng)對上述滑動部件和它們的相對部件的各種組合的滑動進行了實驗，以便找出硬碳膜的損壞和分離的方式怎樣受到硬碳膜的硬度、表面粗糙度和厚度、基體的表面粗糙度和外形以及相對部件的表面粗糙度和外形的影響。通過實驗，發(fā)現(xiàn)當受到過大負載時，硬碳膜由于滑動而受到損壞。還發(fā)現(xiàn)，這樣的硬碳膜損壞導致膜產(chǎn)生裂紋、微觀膜分離或通過擦去分離的膜部分而引起的更嚴重的損壞。
當滑動部件和相對部件中的一個的滑動部分形成平面，而另一個的滑動部分形成簡單彎曲時，滑動部件和相對部件在它們的滑動部分之間形成線接觸，這樣，硬碳膜只受到由線接觸引起的壓力。這時，可以通過將硬碳膜的厚度控制為給定值或過大而防止該硬碳膜產(chǎn)生裂紋，同時不需要考慮上述公式(A)的關(guān)系。不過，過大負載作用在硬碳膜上實際是由于以下的原因。
過大負載作用在硬碳膜上的一個原因是沉積物與由任意PVD方法(例如電離子電鍍)形成的表面的比。這里，沉積物定義是來自金屬目標(即膜形成材料源)的顆粒，該金屬目標成簇或熔融狀態(tài)，但不是成離子或原子狀態(tài)，該顆粒仍然保持在膜中。硬碳膜在該沉積物上形成，這樣，該沉積物保留在膜中，從而形成硬顆粒凸起。這些凸起在滑動過程中很容易脫落。當所形成的顆粒卡在滑動部件和相對部件之間的接觸部分中時，硬碳膜通過該顆粒受到來自相對部件的壓力。與基于滑動部件或相對部件的宏觀彎曲并考慮到它的彈性變形而確定的赫茲(Hertz)壓力相比，這樣的局部壓力高得多，并能夠使膜產(chǎn)生裂紋。通過滑動部件和相對部件之間的滑動接觸，該硬碳膜也受到剪切應力。硬碳膜的損壞將以線形徑向向外發(fā)展，從而引起膜的宏觀分離。
在硬碳膜上引起過大負載的另一原因是相對部件的表面粗糙度太大。這有兩種情況在一種情況中，相對部件的表面粗糙度峰值增加了作用在膜上的表面壓力的局部化；在另一情況中，滑動部件和相對部件由于它們的光滑性較低而進行點接觸，而不是線接觸，從而使接觸壓力更加局部化。特別是，當滑動部件和相對部件由于它們的光滑性較低而進行點接觸時，在沉積物以及滑動部件和相對部件的較大表面粗糙度的影響下，將促使硬碳膜不斷產(chǎn)生裂紋。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，硬碳膜的裂紋產(chǎn)生還取決于該膜的厚度和硬度。當膜的厚度增加時，在給定負載下由顆粒壓靠膜而引起的膜的變形變小。因此，膜的防裂紋性提高。為了達到良好的潤滑狀態(tài)，需要根據(jù)在滑動狀態(tài)下可能施加的負載而使該硬碳膜有一定厚度。此外，膜的硬度和延展性通常要進行相互折衷(traded off)，膜的硬度增加時該膜的延展性將減小。因此，當測量到膜的硬度減小時，該膜的防裂紋性增加。
硬碳膜(特別是DLC膜)可承受的負載輸入取決于膜的表面粗糙度、厚度和硬度。通過根據(jù)滑動部件可能的滑動狀態(tài)而合適調(diào)節(jié)硬碳膜的表面粗糙度和外形以及滑動部件和相對部件的基體，可以將膜上的負載輸入控制在特定界限內(nèi)。因此，該硬碳膜可以防止產(chǎn)生裂紋和分離，這樣，該膜可以在更長的時間內(nèi)保持和執(zhí)行特定功能特性。
根據(jù)上述情況，公式(A)的形成如下。
假設硬碳膜的厚度為h，努普硬度為Hk，當滑動部件和相對部件之間接觸時相對部件的沉積物顆?；虼植诙确逯悼赏迫肽?nèi)的深度為h’。
根據(jù)上述假設，通過實驗得出以下公式(1)h’/h＝0.6-Hk/10000(1)還通過實驗得出以下公式(2)a＝0.8Ry-0.07 (2)其中，a是殘留在硬碳膜中的沉積物的高度；而Ry是硬碳膜的表面粗糙度Ry。
通過控制膜的表面粗糙度，可以防止在硬碳膜中殘留的沉積物引起膜的損壞以及膜的裂紋和分離。即，希望沉積物產(chǎn)生的上述推入深度滿足以下公式(3)a＜h’(3)公式(A)由公式(1)至(3)推導出來，這樣，硬碳膜的表面粗糙度可以根據(jù)膜的硬度和厚度而進行控制。
下面解釋公式(A)的限制條件。如上所述，硬碳膜的厚度h控制為0.3至2.0μm。當膜的厚度小于0.3μm時，將在相對部件的可能負載輸入下使膜產(chǎn)生裂紋。另一方面，當厚度超過2.0μm時，在形成膜的處理過程中將在膜中產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，從而使該膜翹曲。膜的翹曲導致在滑動部件和相對部件之間形成點接觸，因此，將由于這樣的較差接觸而間接加速膜的裂紋產(chǎn)生。還有，如上所述，考慮到硬度和延展性之間的折衷，硬碳膜的表面硬度Hk控制為1500至4500kg/mm2。
基體的表面粗糙度和外形也需要根據(jù)滑動部件的種類和特性以及潤滑劑的種類的性質(zhì)而進行控制。這里，基體的表面粗糙度是指將形成硬碳膜的基體表面的粗糙度，因此通常在硬碳膜形成于基體上之前進行測量。優(yōu)選是，基體的Ra(算術(shù)平均粗糙度)表面粗糙度為0.03μm或更小。當硬碳膜的厚度非常小時，基體的表面粗糙度反應了膜的表面粗糙度。當基體的表面粗糙度較大時，由于膜的表面粗糙度峰值而使得施加在膜上的接觸表面壓力更加局部化，從而使膜產(chǎn)生裂紋。不過，通過使基體的表面粗糙度Ra控制為0.03μm或更小，可以防止膜產(chǎn)生裂紋和由于膜產(chǎn)生裂紋而引起的膜分離。而且，根據(jù)基體的外形，滑動部分可能由于硬碳膜的殘余應力而變成凸形。當滑動部分的凸形高度太大時，滑動部件和相對部件將不合適地進行點接觸，而不是進行線接觸，這樣，通過沉積物和外來物質(zhì)卡入滑動部件和相對部件之間的接觸部分中，從而使施加在膜上的表面壓力增加并更加局部化。因此，優(yōu)選是在基體上形成膜之后，將滑動部分的凸形控制為0.03μm或更小。
潤滑油主要包括基礎(chǔ)油。該基礎(chǔ)油優(yōu)選是運動粘度為在100℃時2至8m2/s，粘度指數(shù)為80或更高，以便提供更大的減摩擦效果。
而且，潤滑劑可以另外包含至少一種添加劑，該添加劑從以下組中選定，包括抗磨損劑、清潔分散劑、粘度指數(shù)提高劑、摩擦調(diào)節(jié)劑、抗形成(anti-forming)劑、流點抑制劑、防銹劑和抗氧化劑，以便減小摩擦系數(shù)和提高防咬合性。特別是，在潤滑劑中添加抗磨損劑可以大大減小摩擦系數(shù)。該原因還不清楚，但是可以認為潤滑劑膜通過化學吸附而粘附在硬碳膜上，從而使?jié)櫥饔酶行А?br> 下面將參考以下實例更詳細地說明本發(fā)明。不過，應當知道，下面的實例只是示例性的，而不是對本發(fā)明的限制。
實例這樣形成滑動部件，即通過制備JIS G4104的SCr鋼的柱形件(作為基體)，并通過PVD電離子電鍍而在SCr鋼零件的表面上形成DLC膜。該DLC膜的厚度h為0.5μm，努普硬度Hk為2170kg/mm2，表面粗糙度Ry為0.03μm。
對比實例在對比實例中，JIS G4104的SCr鋼的柱形件用作滑動部件。用于對比實例的SCr鋼零件與實例中所用相同。在對比實例中，沒有在SCr鋼部件上形成DLC膜。
評價實例和對比實例的滑動部件進行摩擦/磨損實驗，以便測量它們的摩擦系數(shù)和咬合負載。摩擦/磨損實驗利用往復運動型(SRV)摩擦/磨損實驗器在以下實驗條件下進行。實驗結(jié)果如表所示。
(實驗條件)頻率50Hz溫度25℃負載以130N/分的速度增加潤滑SAE 5W30表

由表可知，與對比實例的滑動部件相比，實例的滑動部件有更好的低摩擦特性和更高的防咬合性。
如上所述，在本實施例的滑動結(jié)構(gòu)中可以通過合適控制硬碳膜(特別是DLC膜)的表面粗糙度和外形、滑動部件的基體的表面粗糙度和外形以及潤滑劑特性而防止硬碳膜產(chǎn)生裂紋和分離，并獲得較低摩擦系數(shù)、較高耐久性、可靠性，并通過防咬合性。
日本專利申請No.2002-302205(申請日為2002年10月16日)的整個內(nèi)容被本文參引。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的特定實施例介紹了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于上述實施例。根據(jù)上述說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對上述實施例進行各種變化和改變。本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機的滑動結(jié)構(gòu)，包括滑動部件，該滑動部件從活塞環(huán)、活塞銷、凸輪凸角、凸輪軸頸、滑動軸承、旋轉(zhuǎn)葉片和正時鏈條中選擇，并包括滑動部分；以及潤滑劑，該潤滑劑施加給滑動部分，這樣，該滑動部分通過該潤滑劑與相對部件進行滑動接觸，其中，滑動部分有由鋼材或鋁材制成的基體和形成于該基體上面以覆蓋滑動部分的硬碳膜，該硬碳膜的厚度為0.3至2.0μm，努普硬度為1500至4500kg/mm2，表面粗糙度Ry(μm)滿足以下公式Ry＜{(0.75-Hk/8000)×h+0.07/0.8}其中，h是硬碳膜的厚度(μm)；而Hk是硬碳膜的努普硬度(kg/mm2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動結(jié)構(gòu)，其特征在于該硬碳膜是通過電離子電鍍形成的鉆石狀碳膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動結(jié)構(gòu)，其特征在于該基體的表面粗糙度Ra為0.03μm或更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動結(jié)構(gòu)，其特征在于由硬碳膜覆蓋的滑動部分的凸形的最大高度為0.3μm或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動結(jié)構(gòu)，其特征在于該潤滑劑包括基礎(chǔ)油，該基礎(chǔ)油的運動粘度為2至8m2/s，粘度指數(shù)為80或更高。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動結(jié)構(gòu)，其特征在于該潤滑劑包括從以下組中選定的至少一種添加劑抗磨損劑、清潔分散劑、粘度指數(shù)提高劑、摩擦調(diào)節(jié)劑、抗形成劑、流點抑制劑、防銹劑和抗氧化劑。
全文摘要
一種用于內(nèi)燃機的滑動結(jié)構(gòu)，包括滑動部件，該滑動部件包括滑動部分；以及潤滑劑，該潤滑劑施加給滑動部分，這樣，該滑動部分通過該潤滑劑與相對部件進行滑動接觸。該滑動部件從活塞環(huán)、活塞銷、凸輪凸角、凸輪軸頸、滑動軸承、旋轉(zhuǎn)葉片或正時鏈條中選擇。滑動部分有由鋼材或鋁材制成的基體和形成于該基體上面以覆蓋滑動部分的硬碳膜。該硬碳膜的厚度為0.3至2.0μm，努普硬度為1500至4500kg/mm
文檔編號F02B77/00GK1497147SQ20031010126
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者浜田孝浩, 馬渕豐, 加納真, 保田芳輝, 岡本裕介, 介, 輝 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社