專利名稱：：滑動部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種在機動車用發(fā)動機等往復(fù)運動內(nèi)燃機中使用的滑動部件，特別涉及一種相對鑄鐵汽缸套的腔體滑動的活塞環(huán)。
背景技術(shù)：
：可以考慮到，作為在機動車用發(fā)動機等往復(fù)運動內(nèi)燃機中使用的滑動部件的活塞環(huán)，該活塞環(huán)的外周滑動部與汽缸套的腔體之間產(chǎn)生的摩擦損失在機動車用發(fā)動機等往復(fù)運動內(nèi)燃機內(nèi)部發(fā)生的摩擦損失中所占的比例為20%30%左右。通過降低該摩擦損失，能夠提高機動車的燃料利用率，減少排氣，有益于環(huán)境保護。以往為了提高耐磨損性，在活塞環(huán)外周面形成有通過氮化處理形成的氮化層、鉻鍍膜、氮化鈦或者氮化鉻等通過離子電鍍法而形成的硬質(zhì)膜。此外，近些年來逐漸開始采用在活塞環(huán)外周面進行覆蓋高硬度且自潤滑性優(yōu)良的無定形硬質(zhì)碳膜的方法。無定形硬質(zhì)碳一般被稱為類金剛石碳(Diamondlikecarbon，以下記做"DLC")、氫化無定形碳(a-C:H)、i-碳或者金剛石狀碳等，從結(jié)構(gòu)上來說，碳鍵為金剛石結(jié)構(gòu)的鍵(sp3型鍵)和石墨結(jié)構(gòu)的鍵(sp2型鍵)的混合，其特征在于，既具有與金剛石類似的高硬度、耐磨損性、熱傳遞性以及化學(xué)穩(wěn)定性，還具有與石墨類似的固體潤滑性。根據(jù)這些特征，DLC被用于機動車部件等的滑動部件、金屬模、切削工具、機械部件、光學(xué)部件的保護膜等。例如關(guān)于機動車部件的活塞環(huán)公開有在對整個表面進行氣體氮化后的活塞環(huán)上下表面形成厚度為0.530|im的DLC膜，該DLC膜具有大小為0.55^m的析出的瘤狀表面組織，防止在相對鋁合金滑動的活塞環(huán)上下表面凝結(jié)鋁，降低鋁合金制活塞的環(huán)槽磨損(參照專利文獻(xiàn)l);以及在活塞環(huán)的上下表面直接形成厚度為0.530mui的DLC膜，或者隔著鉻鍍膜或氣體氮化層等硬質(zhì)表面處理層上的底膜而形成厚度為0.530pm的DLC膜，由此來降低鋁合金制活塞的環(huán)槽磨損，該底膜構(gòu)成為其70原子％100原子％是從Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb和V的組中選出的一種或者兩種以上元素，其余為碳原子(參照專利文獻(xiàn)2)。此外，還公開有鋁合金制汽缸與在外周面形成有DLC膜的活塞環(huán)的組合。(專利文獻(xiàn)3)。進而，在專利文獻(xiàn)4和專利文獻(xiàn)5中還公開有在內(nèi)燃機的氣門傳動機構(gòu)的凸輪接觸部結(jié)構(gòu)中使用硬質(zhì)膜來降低摩擦損失的方法。專利文獻(xiàn)1:日本特開2000-120869號公報專利文獻(xiàn)2:日本特開2000-120870號公報專利文獻(xiàn)3:日本特開2001-280497號公報專利文獻(xiàn)4:日本特開平5-163卯9號公報專利文獻(xiàn)5:日本特開平7-118832號公報為了降低活塞環(huán)外周滑動部與汽缸套的腔體之間產(chǎn)生的摩擦損失，如下所述是有效的使活塞環(huán)低張力化，活塞環(huán)外周形狀的最適宜化，降低活塞環(huán)外周表面粗糙度，通過改變活塞環(huán)外周表面材質(zhì)來降低摩擦系數(shù)等。此外，也可以考慮降低汽缸套的表面粗糙度等。然而，極度地推行活塞環(huán)的低張力化會產(chǎn)生油耗增加或漏氣量增加的問題。此外，極度地降低活塞環(huán)外周表面粗糙度會發(fā)生燒蝕(燒剝)的問題。進而，根據(jù)上述以往技術(shù)制成的活塞環(huán)在汽缸套內(nèi)滑動時，活塞環(huán)外周的表面粗糙度逐漸降低，雖然暫時降低了活塞環(huán)的外周滑動部與汽缸套的腔體之間發(fā)生的摩擦損失，但是隨著活塞環(huán)外周滑動面的磨損的發(fā)展，活塞環(huán)不能維持最優(yōu)化設(shè)計的初期形狀，結(jié)果反而增加了活塞環(huán)的外周滑動部與汽缸套的腔體之間產(chǎn)生的摩擦損失。在專利文獻(xiàn)1中，將活塞環(huán)的滑動面加工成表面粗糙度為0.05l,Ra后，覆蓋厚度為0.530fjrn且維氏硬度為Hv7002000的DLC膜，但是這種低硬度的膜在以鑄鐵制汽缸套為對方部件的滑動中，膜自身的磨損較多，不能得到由對方部件的表面粗糙度提高所產(chǎn)生的磨合效果(break-ineffect)。此外，在專利文獻(xiàn)2中，雖然在DLC膜和底膜磨耗掉之后還有鉻鍍膜、氮化層和離子鍍膜來承擔(dān)活塞環(huán)的耐磨損性，但是沒有提及與對方部件磨合所必需的初期粗糙度。這樣，基本上都是注重于滑動部件的磨合性，特別注重在活塞環(huán)和鑄鐵汽缸之間的滑動中活塞環(huán)側(cè)的磨合性，均沒有提到通過汽缸部件的磨合效果降低摩擦損失。進而，活塞環(huán)外周滑動部的滑動部分和汽缸套的腔體的滑動部的滑動部分的面積差與其他滑動部件相比非常大，與上述專利文獻(xiàn)4和專利文獻(xiàn)5等的滑動狀態(tài)有很大不同，通過以往技術(shù)大幅度降低活塞環(huán)外周滑動部和汽缸套的腔體之間發(fā)生的摩擦損失非常困難。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種與對方滑動部件的初期磨合性優(yōu)良且降低摩擦損失效果明顯的滑動部件，特別是相對以鑄鐵制汽缸套為對方滑動部件的初期磨合性優(yōu)良且降低摩擦損失效果明顯的滑動部件。本發(fā)明的發(fā)明者們努力研究的結(jié)果是，了解到以下內(nèi)容在通過以碳陰極為原料的真空電弧放電法形成膜的無定形硬質(zhì)碳膜的表面上，形成有大量被稱作大粒子的微小突起，在滑動部件表面形成這樣的無定形硬質(zhì)碳膜后，如果形成的大粒子較多則會使對方部件過度磨損，而如果大粒子較少則不能使對方部件充分磨合；而通過利用金剛石等硬質(zhì)粒子對該大粒子進行后處理，則能夠?qū)⒈砻娲植诙日{(diào)整到預(yù)期的范圍，并且能夠根據(jù)十點平均粗糙度(Rz)和初期磨損粗糙度(Rpk)進行控制。并且，通過使機動車用發(fā)動機使用的鑄鐵制汽缸套的腔體滑動部的表面粗糙度以十點平均粗糙度(Rz)表示為24^im，并根據(jù)十點平均粗糙度(Rz)和初期磨損粗糙度(Rpk)對形成于活塞環(huán)外周滑動部的無定形硬質(zhì)碳膜的表面粗糙度進行控制，能夠使汽缸套側(cè)的表面粗糙度改善效果最為明顯，最大限度地降低活塞環(huán)外周滑動部和汽缸套的腔體之間的摩擦損失，并維持該狀態(tài)。艮P，本發(fā)明的滑動部件為在滑動面覆蓋有無定形硬質(zhì)碳膜的滑動部件，其特征在于，所述無定形硬質(zhì)碳膜表面的十點平均粗糙度(Rz，JISB0601)為0.7pm以下，且初期磨損粗糙度(Rpk，JISB0601)為0.070.14,。根據(jù)本發(fā)明的滑動部件，無定形硬質(zhì)碳膜可以形成在硬質(zhì)鍍鉻層、氮化層或者氮化絡(luò)層之上，也可以直接形成于基材表面。氮化鉻層通過離子電鍍法等方法形成，也可以采用具有柱狀結(jié)構(gòu)或者多孔結(jié)構(gòu)的材料。無定形硬質(zhì)碳膜優(yōu)選采用不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成的無定形硬質(zhì)碳膜。此處所謂"不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成"，是指根據(jù)HFS(HydrogenForwardScattering:氫前向散射)分析所得的膜中的含氫率在5atmQ/。以下，并且其余部分實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成。該無定形硬質(zhì)碳膜的膜厚優(yōu)選為0.012.(Vm。進而，無定形硬質(zhì)碳膜的維氏硬度優(yōu)選在Hv2000以上。根據(jù)本發(fā)明的滑動部件，特別優(yōu)選用于機動車部件的活塞環(huán)的外周滑動面。本發(fā)明所述的活塞環(huán)，通過在活塞環(huán)外周表面上形成的不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成、十點平均粗糙度(Rz)為0.7^以下、且初期磨損粗糙度(Rpk)為0.070.14nm的無定形硬質(zhì)碳膜，從而可以在汽缸套內(nèi)上下滑動時，迅速且適度地改善汽缸套表面的表面粗糙度并產(chǎn)生初期磨合。同時在活塞環(huán)外周表面形成的無定形硬質(zhì)碳膜的表面粗糙度也迅速降低，并維持活塞環(huán)的初期外周形狀，該活塞環(huán)的初期外周形狀是為了使無定形硬質(zhì)碳膜的硬度高且耐磨損性優(yōu)良而設(shè)計的最優(yōu)形狀。根據(jù)本發(fā)明的滑動部件，在初期磨合過程中，在短時間內(nèi)改善對方部件的表面粗糙度，能夠得到大幅度降低摩擦損失的效果，并維持摩擦損失效果。特別是在活塞環(huán)的外周滑動面與鑄鐵汽缸套的腔體滑動接觸過程中，能夠得到大幅度降低摩擦損失的效果，并維持摩擦損失效果。圖1是本發(fā)明的滑動部件之一的活塞環(huán)的剖面圖。圖2是表示將本發(fā)明的滑動部件的活塞環(huán)安裝到汽缸套后的狀態(tài)的剖面圖。圖3是在本發(fā)明的實施例1的活塞環(huán)外周面形成的無定形硬質(zhì)碳膜的初期表面粗糙度的測定圖。圖4是表示浮動套式摩擦測定用發(fā)動機的構(gòu)造的示意圖。圖5是實施例1的無定形硬質(zhì)碳膜通過圖4所示發(fā)動機進行試驗后的表面粗糙度的測定圖。圖6是通過圖4所示發(fā)動機進行試驗前后實施例1的汽缸套的表面粗糙度的測定圖。圖7是表示實施例和比較例的摩擦損失的降低率的圖。標(biāo)號說明1:活塞環(huán)2:無定形硬質(zhì)碳膜3:外周滑動面4:上下表面5:內(nèi)周面6:活塞7:汽缸套8:大粒子(droplet)9:荷重測定用傳感器具體實施例方式對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行說明。圖1是表示本發(fā)明的實施方式所述的滑動部件的活塞環(huán)的剖面的示意圖?；钊h(huán)1的表面形成有無定形硬質(zhì)碳膜2。圖2是表示將圖1中的活塞環(huán)1安裝到活塞6上，并組裝到汽缸套7中的狀態(tài)的剖面圖。在活塞環(huán)1安裝于活塞6的狀態(tài)下，活塞環(huán)的外周滑動面3與汽缸套7之間保持適度的油膜并在上下方向上滑動。本發(fā)明的滑動部件為在滑動面上覆蓋有無定形硬質(zhì)碳膜的滑動部件，無定形硬質(zhì)碳膜表面的十點平均粗糙度(Rz)為0.7pm以下，且初期磨損粗糙度(Rpk)為0.070.14|mi。十點平均粗糙度(Rz)超過0.7pm的話，則降低摩擦損失的效果減弱，與對方部件的磨合需要時間，對方部件的初期磨損較大。初期磨損粗糙度(Rpk)不到0.07pm的話，則對方汽缸套的磨合效果減弱，另一方面如果初期磨損粗糙度(Rpk)超過0.14pm的話，初期磨合需要時間，不能得到降低摩擦損失的效果。因此，十點平均粗糙度(Rz)為0.7Mm以下，且初期磨損粗糙度(Rpk)為0.070.14pm。另外，表面粗糙度是在以下條件下測定的使用前端半徑為2,的觸針，根據(jù)依照J(rèn)IS標(biāo)準(zhǔn)確定的方法，測定長度為0.8mm，截止波長為0.08mm，測定倍率為10000倍，測定速度為0.06mm/sec，并且采用2RC濾波器(相位補償)，傾斜校正采用最小二乘曲線擬合。對方部件的表面粗糙度優(yōu)選十點平均粗糙度(Rz)為24^irn，進一步優(yōu)選Rz為2.53.0,。在本發(fā)明所述的活塞環(huán)相對鑄鐵制汽缸套滑動的情況下，使十點平均粗糙度(Rz)為24pm，則能夠增強汽缸套側(cè)的初期磨合帶來的表面粗糙度提高的效果，能夠大幅度降低摩擦損失。本發(fā)明的滑動部件的基材可以優(yōu)選使用鐵基合金材料。本發(fā)明的活塞環(huán)基材的材料可以使用13Cr和17Cr不銹鋼、彈簧鋼、工具鋼以及鑄鐵等鐵基材料，或者是在所述鐵基材料上通過實施離子電鍍法等形成氮化鉻層、通過實施各種氮化方法形成氮化層、以及實施硬質(zhì)鍍鉻等表面處理后得到的材料。本發(fā)明的無定形硬質(zhì)碳膜直接形成于滑動面上，或者形成于硬質(zhì)鍍鉻膜、氮化層或者氮化鉻層之上。在應(yīng)用于活塞環(huán)的情況下，優(yōu)選在頂環(huán)(TOPring)的具有剖面組織結(jié)構(gòu)為柱狀結(jié)構(gòu)或者多孔結(jié)構(gòu)的氮化鉻層上形成無定形硬質(zhì)碳膜。涂敷于活塞環(huán)外周表面上的無定形硬質(zhì)碳膜磨耗掉后，使活塞環(huán)的基材以及形成于基材表面的離子鍍層、氮化處理層、硬質(zhì)鍍鉻層等露出時，由于汽缸套表面的粗糙度已經(jīng)被充分地降低了，因而不會大幅度增加活塞環(huán)和汽缸套之間發(fā)生的摩擦損失。不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成的無定形硬質(zhì)碳膜為含氫量在5站％以下的無定形硬質(zhì)碳膜，與添加了Si等金屬添加物的含氫的無定形硬質(zhì)碳膜相比，表示碳結(jié)合狀態(tài)的sp3性高，因此硬度高且耐磨損性優(yōu)良。無定形硬質(zhì)碳膜中含有的氫能夠通過HFS(HydrogenForwardScattering)法進行測定。無定形硬質(zhì)碳膜的硬度優(yōu)選在維氏硬度HV2000以上。無定形硬質(zhì)碳膜的維氏硬度不足Hv2000的話，則在初期磨合過程中提高對方部件即鑄鐵制汽缸套的表面粗糙度的效果較小，可能得不到充分的摩擦損失降低效果。無定形硬質(zhì)碳膜的膜厚優(yōu)選為0.012.0拜。通過使膜厚在所述范圍內(nèi)，可以使無定形硬質(zhì)碳膜在對方部件的表面粗糙度通過初期磨合改善后正好磨耗掉。無定形硬質(zhì)碳膜的膜厚不足0.01pm的話，則可能得不到提高對方部件的表面粗糙度的效果，而膜厚超過2Mm的話，則可能會使對方部件磨損過大。實施例下面，對本發(fā)明的實施例進一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限定于這些實施例。采用與SUS440相當(dāng)?shù)牟牧献鳛榛钊h(huán)的基材，在通過氣體氮化處理在基材表面形成有氮化層的標(biāo)稱直徑為86.0mm的頂環(huán)、第二道環(huán)、油環(huán)的外周滑動面上形成膜厚lpm的不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成的無定形硬質(zhì)碳膜后，使用金剛石粒子進行后處理(研磨、噴磨處理等)，從而制作出表面粗糙度Rz在0.7|_im以下且Rpk為0.070.14pm的實施例1的活塞環(huán)。圖3是表示對所述實施例1的活塞環(huán)(接口相反側(cè))的外周滑動面的表面粗糙度(周向)進行測定所得的無定形硬質(zhì)碳膜的初期表面粗糙度的測定圖，在凸側(cè)突出來的部分為大粒子8，且表面粗糙度Rz為0.7(im且Rpk為0.07pm。此外，與實施例1相同地，采用與SUS440相當(dāng)?shù)牟牧献鳛榛钊h(huán)的基材，通過離子電鍍法形成氮化鉻層以及通過電鍍形成硬質(zhì)鉻鍍層作為底層后，在標(biāo)稱直徑為86.0mm的頂環(huán)、第二道環(huán)、油環(huán)的外周滑動面上形成膜厚小m的不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成的無定形硬質(zhì)碳膜后，使用金剛石粒子進行后處理，從而制作出表面粗糙度Rz在0.7pm以下且Rpk為0.070.14pm的實施例2和實施例3的活塞環(huán)。進而，不形成底層而在直接在基材上形成膜厚為l|im的不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成的無定形硬質(zhì)碳膜后，使用金剛石粒子進行后處理，從而制作出實施例4的活塞環(huán)。作為比較例，與所述實施例同樣地形成底層，并形成膜厚為l,的無定形硬質(zhì)碳膜后，僅改變使用金剛石粒子進行后處理這一條件，制作出表面粗糙度Rz為0.8|im且Rpk為0.15pm以上的比較例13。此外，還制作出僅對與SUS440相當(dāng)?shù)牟牧蠈嵤┑幚淼谋容^例4，僅通過離子電鍍法形成氮化鉻層的比較例5，以及僅通過電鍍形成硬質(zhì)鉻鍍層的比較例6。另外，該活塞環(huán)組(頂環(huán)、第二道環(huán)、油環(huán))除外周滑動面的表面處理之外全部為相同規(guī)格。將如此制作出的實施例和比較例的活塞環(huán)組(頂環(huán)、第二道環(huán)、油環(huán))安裝到活塞6，并組裝到浮動套式摩擦測定用發(fā)動機中，根據(jù)摩擦平均有效壓力(FMEP)對摩擦損失做出評價。相對活塞環(huán)滑動的對方部件采用表面粗糙度的十點平均粗糙度值(Rz)為24^m的鑄鐵汽缸套。圖4表示浮動套式摩擦測定用發(fā)動機的構(gòu)造。通過結(jié)合于汽缸套的荷重測定用傳感器9，對安裝于活塞的活塞環(huán)沿上下方向滑動時向汽缸套施加的摩擦力進行測定。通過浮動套式摩擦測定用發(fā)動機進行摩擦損失的測定時的試驗條件如下所示。試驗結(jié)果如表1所示。另外，頂環(huán)、第二道環(huán)、油環(huán)各環(huán)的張力分別設(shè)定為6.5N、5.5N、19.4N。發(fā)動機轉(zhuǎn)速l，500rpm負(fù)荷15Nm潤滑油溫度90°C冷卻水溫度100'C試驗時間10小時表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>圖5表示通過圖4所示浮動套式摩擦測定用發(fā)動機進行試驗后實施測定例1的活塞環(huán)外周滑動面的表面粗糙度的結(jié)果。圖5與試驗前的圖3比較的話，存在于活塞環(huán)的外周滑動面的大量大粒子8幾乎被完全除去，活塞環(huán)外周滑動面的粗糙度大幅度降低。同樣地，圖6表示試驗前后的實施例1的汽缸套的表面。本發(fā)明的與活塞環(huán)滑動接觸的汽缸套的表面粗糙度適當(dāng)?shù)靥岣?，并產(chǎn)生了充分的磨合。特別是汽缸套表面的突起部分通過與活塞環(huán)的滑動接觸而被切削下來，汽缸套表面變得平滑。圖7表示根據(jù)圖4的試驗得到的實施例和比較例的摩擦損失的降低率。其結(jié)果是相對于比較例4初期的摩擦損失，本發(fā)明的滑動部件活塞環(huán)可降低超過大約40%的大幅度摩擦損失，確認(rèn)到顯著的效果。與此相對地，無定形硬質(zhì)碳膜的表面粗糙度Rz為0.8(im且Rpk為0.15pm以上的比較例13和僅進行了以往的表面處理的比較例45的摩擦損失降低量為本發(fā)明的一半以下，能夠確認(rèn)其摩擦損失降低效果不充分。本發(fā)明示出了在活塞環(huán)外周覆蓋無定形硬質(zhì)碳膜的情況作為實施例，但是除此之外，氮化鉻、氮化鈦、金剛石等的硬質(zhì)膜也能夠得到相同的效果。權(quán)利要求1.一種滑動部件，在該滑動部件的滑動面上覆蓋有無定形硬質(zhì)碳膜，其特征在于，所述無定形硬質(zhì)碳膜表面的十點平均粗糙度(Rz)為0.7μm以下，且初期磨損粗糙度(Rpk)為0.07～0.14μm。2.如權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，在所述滑動部件中，無定形硬質(zhì)碳膜形成在硬質(zhì)鉻鍍層、氮化層或者氮化鉻層之上。3.如權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，在所述滑動部件中，無定形硬質(zhì)碳膜直接形成于基材的表面。4.如權(quán)利要求13中任一項所述的滑動部件，其特征在于，所述無定形硬質(zhì)碳膜為不含氫且實質(zhì)上僅由碳構(gòu)成的無定形硬質(zhì)碳膜。5.如權(quán)利要求14中任一項所述的滑動部件，其特征在于，所述無定形硬質(zhì)碳膜的硬度在維氏硬度Hv2000以上，且無定形硬質(zhì)碳膜的厚度為0.012.0拜。6.如權(quán)利要求15中任一項所述的滑動部件，其特征在于，所述滑動部件為活塞環(huán)，所述滑動面至少為活塞環(huán)外周面。全文摘要本發(fā)明提供一種滑動部件，該滑動部件相對于對方部件的初期磨合性優(yōu)良，且摩擦損失降低效果明顯，特別是提供一種活塞環(huán)，該活塞環(huán)以鑄鐵制汽缸套為對方部件，初期磨合性優(yōu)良，且摩擦損失降低效果明顯。在滑動面上覆蓋有無定形硬質(zhì)碳膜的滑動部件的無定形硬質(zhì)碳膜表面的十點平均粗糙度(Rz)在0.7μm以下，且初期磨損粗糙度(Rpk)為0.07～0.14μm。優(yōu)選對方部件的滑動表面粗糙度的十點平均粗糙度值(Rz)為2～4μm。文檔編號F02F5/00GK101389886SQ200780006828公開日2009年3月18日申請日期2007年2月22日優(yōu)先權(quán)日2006年2月28日發(fā)明者佐滕貴幸,川西實,若林亮,諸貫正樹,辻勝啟申請人:株式會社理研