專利名稱：內(nèi)燃機用活塞的制作方法
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本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及內(nèi)燃機用活塞的改進，更具體地說涉及在滑動部分上涂有硬碳薄膜如金剛石狀碳薄膜的活塞，該薄膜顯示出高度優(yōu)異的低摩擦特性，尤其在規(guī)定的潤滑油(組合物)存在下。
全球環(huán)境問題如全球變熱和臭氧層破壞已經(jīng)迫在眉睫。已經(jīng)知道，全球變熱主要由CO2排放所引起，CO2排放的減少，尤其CO2排放標準的制定，已經(jīng)變成了各國家的倍受關(guān)注的問題。減少CO2排放的眾多挑戰(zhàn)中的一個是改進車用燃料效率，該效率取決于發(fā)動機滑動元件的性能和所施加的潤滑油。有下列途徑可改進車用燃料效率(1)降低潤滑油的粘度，由此降低在液力潤滑范圍中的粘滯阻力和在發(fā)動機中的攪動阻力；和(2)向潤滑油中添加合適的摩擦改進劑和其它添加劑以降低在混合潤滑和邊界潤滑的條件下的摩擦損失。
鑒于上述情況，對于各種摩擦改進劑已經(jīng)進行許多研究，其中包括有機鉬化合物，如二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)和二硫代磷酸鉬(MoDTP)。作為研究的結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)含有有機鉬化合物的潤滑油在早期使用階段中對于鋼制滑動元件成功地產(chǎn)生了摩擦降低效果。
本發(fā)明概述在此以前，已經(jīng)對硬涂敷材料在發(fā)動機滑動元件上的涂敷進行了考察，以使得滑動元件能夠達到高的耐磨性和低的摩擦系數(shù)。尤其是，金剛石狀碳(DLC)材料因為在空氣中的低摩擦性能而為人們所知，因此希望用作滑動元件的涂料。
然而，該DLC材料在潤滑油存在下無法提供低的摩擦系數(shù)，如在日本摩擦學會議(Japan Tribology Congress)1999.5，東京，會議錄第11-12，KANO等人中所公開的那些。即使當與含有有機鉬化合物的潤滑油聯(lián)合使用時，DLC材料不能提供足夠低的摩擦系數(shù)，如在世界摩擦學會議(World Tribology Congress)2001.9，維也納，會議錄第342，KANO等人中所公開的那些。
因此本發(fā)明的目的是提供用于內(nèi)燃機的改進活塞，據(jù)此在普通活塞中遇到的缺點能夠有效地克服。
本發(fā)明的另一個目的是提供用于內(nèi)燃機的改進活塞，它甚至在潤滑油存在下顯示出高度優(yōu)異的低摩擦特性，和與在含有有機鉬化合物的潤滑油存在下使用的普通活塞相比而言的優(yōu)異的燃料經(jīng)濟性效果。
本發(fā)明的又一個目的是提供用于內(nèi)燃機的改進活塞，它在涂有規(guī)定的硬碳薄膜之后顯示出高度優(yōu)異的低摩擦特性，特別在規(guī)定的潤滑油(組合物)或其結(jié)合物的存在下。
本發(fā)明的第一方面在于內(nèi)燃機的活塞。活塞包括滑動部件(part)，后者具有在潤滑油存在下與相對的元件實現(xiàn)滑動接觸的滑動部分(section)。另外，硬碳薄膜被涂敷在滑動部分的滑動部分上。
本發(fā)明的第二方面在于包括氣缸體的內(nèi)燃機，該氣缸體具有由低共熔的或過低共熔的鋁合金形成的氣缸內(nèi)徑部分(cylinder boresection)?；瑒硬考哂性跐櫥痛嬖谙屡c氣缸內(nèi)徑部分實現(xiàn)滑動接觸的一個滑動部分。另外，硬碳薄膜被涂敷在滑動部件的滑動部分上并含有不超過1原子％的含量的氫原子。
本發(fā)明的第三方面在于內(nèi)燃機的活塞的活塞環(huán)。活塞環(huán)包括具有滑動表面的滑動部分，該滑動表面在潤滑油存在下與相對的元件實現(xiàn)滑動接觸。另外，硬碳薄膜被涂敷在滑動部分的滑動表面上并含有不超過25原子％的含量的氫原子。
本發(fā)明的第四個方面在于內(nèi)燃機的活塞?；钊ň哂谢钊共?piston skirt section)的活塞體部分?；钊共烤哂谢瑒颖砻妫谠摫砻嫔闲纬闪司哂?5-30μm的槽距和5-15μm的深度的條紋狀凹槽。滑動表面在潤滑油存在下與氣缸體的氣缸內(nèi)徑部分實現(xiàn)滑動接觸。另外，硬碳薄膜被涂敷在活塞裙部的滑動表面上。
本發(fā)明的第五個方面在于滑動元件，它包括由選自鋼和鋁型合金的材料形成的主體部分。主體部分在潤滑油存在下與相對的元件實現(xiàn)滑動接觸。硬碳薄膜被涂敷在該主體部分的表面上。另外，在主體部分和硬碳薄膜之間形成中間層。該中間層由選自橡膠和合成樹脂中的材料形成。
附圖的簡述

圖1是內(nèi)燃機的基本部件的部分示意性剖視圖，包括根據(jù)本發(fā)明的活塞的第一個實施方案；圖2是供根據(jù)第一個實施方案的實施例的評價用的試驗裝置的基本部件的透視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的第二個實施方案的活塞環(huán)的實施例的平面視圖；圖3B是圖3A的活塞環(huán)的部分剖視圖，圖4A是根據(jù)本發(fā)明的第二個實施方案的活塞環(huán)的另一個實施例的平面視圖；圖4B是圖4A的活塞環(huán)的部分剖視圖，圖5A是根據(jù)本發(fā)明的第三個實施方案的活塞的正視圖，提供了部分放大的視圖；圖5B是圖5A的活塞的側(cè)視圖；圖6A是顯示了在圖5A和5B的活塞的活塞裙部的表面上形成的條紋狀凹槽的形狀的部分剖視圖；和圖6B是顯示了在圖5A和5B的活塞的活塞裙部的表面上形成的條紋狀凹槽的另一個形狀的部分剖視圖。
實施方案的敘述下面詳細討論本發(fā)明。在下面的敘述中，全部的百分比(％)是按質(zhì)量，除非另作說明。
第一實施方案根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)燃機的活塞的第一個實施方案，將參考圖1和2來討論。
現(xiàn)在參見圖1，汽車的內(nèi)燃機是由附圖標記1表示。發(fā)動機1包括由低共熔的或過低共熔的鋁合金形成的氣缸體2。氣缸體2上形成了氣缸內(nèi)徑部分2a。根據(jù)本發(fā)明的活塞3是按照可使它往復運動的方式，可運動地位于氣缸內(nèi)徑部分2a內(nèi)。活塞3包括由基礎材料如鐵型材料(鋼)或鋁型材料(鋁合金)形成的主體部分3A，并且在其上形成了兩個活塞環(huán)槽(沒有標識)?；钊h(huán)4(頭道活塞環(huán)4A和油環(huán)4B)分別地裝入主體部分3A的活塞環(huán)形槽中?；钊黧w部分3A是包括活塞裙部3a的整體單件式元件?；钊h(huán)用作滑動部件或元件。每一個活塞環(huán)4具有滑動部分(未標識)，它與氣缸內(nèi)徑部分2a(作為相對的元件)的壁面實現(xiàn)滑動接觸并涂有硬碳薄膜5(雖然沒有標識)?；钊共?a具有滑動部分(未標識)，它與氣缸內(nèi)徑部分2a(作為相對的元件)的壁面實現(xiàn)滑動接觸并涂有硬碳薄膜5?？梢岳斫獾氖?，潤滑油存在于活塞環(huán)4的每一個的滑動部分或活塞裙部3a的滑動部分和氣缸內(nèi)徑部分2a的壁面之間，因此各活塞環(huán)4的或活塞裙3a的滑動部分與氣缸內(nèi)徑部分2a的壁面實現(xiàn)滑動接觸。
在這一實施方案中，硬碳薄膜5優(yōu)選是DLC(金剛石狀碳)薄膜，該薄膜是由各種PVD工藝，更具體地說弧光離子電鍍工藝所形成。這一DLC薄膜主要由碳原子形成并且是無定形的。更具體地說，該DLC薄膜是由不合氫的無定形碳(a-C)(它由碳組成)，含氫的無定形碳(a-CH)，或含有作為其一部分的鈦(Ti)或鉬(Mo)的金屬元素的金屬碳化物或金屬碳(MeC)形成的。為了明顯減少摩擦，該DLC薄膜優(yōu)選不超過1原子％，更優(yōu)選不超過0.5原子％，并且優(yōu)選由不含氫的無定形碳(a-C)形成。
活塞主體部分3A的滑動部分是由基礎材料如鐵型材料(鋼)或鋁型材料(鋁合金)形成的，并在滑動部分還沒有涂敷硬碳薄膜的條件下優(yōu)選具有不超過0.03μm的表面粗糙度Ra。如果滑動部分的表面粗糙度超過0.03μm，則由于硬碳薄膜的表面粗糙度所引起的凸出部分會增加對于相對的元件的局部Hertz氏接觸壓力，從而導致在硬碳薄膜中裂紋的形成。該表面粗糙度Ra在JIS(日本工業(yè)標準)B0601(2001)中被解釋為Ra75。
該潤滑油(組合物)包括基礎油和選自無灰分的脂肪酸酯(脂肪酸的酯)摩擦改進劑和無灰分的脂族胺摩擦改進劑中的至少一種。換句話說，無灰分的脂肪酸酯摩擦改進劑和/或脂族胺摩擦改進劑包含在該基礎油中。該基礎油沒有特別限制并能夠是通常用于潤滑油的任何基礎油(一種或多種化合物)，如礦物油，合成油，油脂(化合物)，或礦物油，合成油和油脂的任何結(jié)合物。
礦物油的特定例子包括鏈烷烴型或環(huán)烷烴型油，和正鏈烷烴，它們通過利用大氣壓或減壓蒸餾從石油中提取潤滑油餾分和然后通過使用下面處理方法中的至少一種方法提純所獲得的潤滑油餾分來制得溶劑脫瀝青，溶劑萃取，氫解，溶劑脫蠟，氫化提純，硫酸處理，粘土處理等，這些方法能以合適的聯(lián)合來進行。一般使用氫化提純或溶劑純化來提純所獲得的潤滑油餾分。另外，優(yōu)選使用通過使用能夠大大地減少芳族組分的高溫-氫解工藝提純潤滑油餾分所獲得的礦物油，或通過GTL(氣體到液體)蠟的異構(gòu)化工藝所生產(chǎn)的礦物油。
合成油的具體例子包括聚α-烯烴(如1-辛烯低聚物，1-癸烯低聚物和乙烯-丙烯低聚物)，聚α-烯烴的氫化物，異丁烯低聚物，異丁烯低聚物的氫化物，異鏈烷烴，烷基苯，烷基萘，二酯類(如戊二酸雙十三烷基酯，己二酸二辛酯，己二酸二異癸基酯，己二酸雙十三烷基酯和癸二酸二辛酯)，多元醇酯(如三羥甲基丙烷辛酸酯；三羥甲基丙烷壬酸酯；三羥甲基丙烷酯類如三羥甲基丙烷異硬脂酸酯；季戊四醇酯如季戊四醇-2-乙基己酸酯和季戊四醇壬酸酯)，聚氧化烯基二醇，二烷基二苯基醚，和聚苯醚。在這些合成油化合物之中，優(yōu)選的是聚α-烯烴，如1-辛烯低聚物和1-癸烯低聚物和它們的氫化物。
上述的礦物油和合成油(化合物)可以單獨使用，或以對混合比沒有限制的它們的任何兩種或多種的混合物形式使用。
基礎油的硫含量沒有特別地限制。該硫含量優(yōu)選是不超過0.2％，更優(yōu)選不超過0.1％，更加優(yōu)選不超過0.05％。另外，作為基礎油，優(yōu)選使用由氫化所提純的礦物油或合成油，因為此類油具有不超過0.005％的硫含量或基本上沒有硫含量(不超過5ppm)。
基礎油的芳烴含量也沒有特別地限制?；A油的芳烴含量優(yōu)選是15％或15％以下，更優(yōu)選10％或10％以下，和最優(yōu)選5％或5％以下，以使內(nèi)燃機的潤滑油長時間維持它的低摩擦特性。當芳烴含量超過15％時，該基礎油會在氧化穩(wěn)定性上不希望地變劣。如此，該芳烴含量被定義為根據(jù)ASTM D2549“Standard Test Method for Separationof Representative Aromatics and Nonaromatics Fractions ofHigh-Boiling Oils by Elution Chromatography”測定的芳族烴餾分的量。
基礎油的運動粘度沒有特別地限制。當該潤滑油用于內(nèi)燃機時，基礎油于100℃下測得的運動粘度優(yōu)選是2mm2/s或2mm2/s以上，更優(yōu)選3mm2/s和，同時，優(yōu)選是20mm2/s或20mm2/s以下，更優(yōu)選10mm2/s或10mm2/s以下，最優(yōu)選8mm2/s或8mm2/s以下。當運動粘度在100℃下低于2mm2/s時，該潤滑油能夠提供充分的耐磨性和在蒸發(fā)特性變劣。當運動粘度超過20mm2/s時，該潤滑油難以顯示低摩擦特性并在蒸發(fā)特性上下降，這不是優(yōu)選的。根據(jù)本發(fā)明，可以混合至少兩種自由選擇的基礎油形成混合物，其中單種基礎油的運動粘度可以偏出上述范圍，只要混合物在100℃下的運動粘度落在上述優(yōu)選的范圍內(nèi)就行。
基礎油的粘度指數(shù)沒有特別地限制，并且當該潤滑油用于內(nèi)燃機時，優(yōu)選是80或更高，更優(yōu)選100或更高，最優(yōu)選120或更高。提高基礎油的粘度指數(shù)能夠獲得在低溫粘度特性和燃料經(jīng)濟性性能上優(yōu)異的內(nèi)燃機潤滑油。
脂肪酸酯摩擦改進劑和脂族胺摩擦改進劑的例子是各具有C6-C30直鏈或支鏈烴鏈或基團，優(yōu)選C8-C24直鏈或支鏈烴鏈，更優(yōu)選C10-C20直鏈或支鏈烴鏈的脂肪酸酯和脂族胺。當烴鏈的碳數(shù)不在6到30范圍內(nèi)時，則有一種可能性即潤滑油無法產(chǎn)生預期的足夠的摩擦減低效果?？梢岳斫獾氖牵梢允褂弥舅狨ズ椭灏返暮线m混合物。
C6-C30直鏈或支鏈烴鏈的具體例子包括烷基類，如己基，庚基，辛基，壬基，癸基，十一基，十二烷基，十三烷基，十四烷基，十五烷基，十六烷基，十七烷基，十八烷基，十九烷基，二十烷基，二十一烷基，二十二烷基，二十三烷基，二十四烷基，二十五烷基，二十六烷基，二十七烷基，二十八烷基，二十九烷基和三十烷基；和鏈烯基團類，如己烯基，庚烯基，辛烯基，壬烯基，癸烯基，十一碳烯基，十二碳烯基，十三碳烯基，十四碳烯基，十五碳烯基，十六碳烯基，十七碳烯基，十八碳烯基，十九碳烯基，二十碳烯基，二十一碳烯基，二十二碳烯基，二十三碳烯基，二十四碳烯基，二十五碳烯基，二十六碳烯基，二十七碳烯基，二十八碳烯基，二十九碳烯基和三十碳烯基。以上烷基和鏈烯基團包括全部可能的異構(gòu)體。另外，鏈烯基團的位置是自由的。
該脂肪酸酯能夠例舉具有以上C6-C30烴基團或鏈的脂肪酸和單羥基或多羥基脂族醇的酯類。此類脂肪酸酯的具體例子包括甘油單油酸酯，甘油二油酸酯，脫水山梨糖醇單油酸酯和去水山梨糖醇二油酸酯。
該脂族胺能夠例舉脂肪單胺和它的烯化氧加合物，脂族多胺，咪唑啉化合物，和它的衍生物。此類脂族胺的具體例子包括脂族胺化合物，如月桂基胺，月桂基二乙基胺，月桂基二乙醇胺，十二烷基二丙醇胺，棕櫚基胺，硬脂基胺，硬脂基四亞乙基五胺，油基胺，油基丙二胺，油基二乙醇胺和N-羥乙基油基咪唑啉；以上脂族胺(C6-C28烷基或鏈烯基胺)與烯化氧的加合物，如N，N-二聚氧化烯-N-烷基胺；和由以上脂族胺與C2-C30一元羧酸(如脂肪酸)或C2-C30多羧酸(如草酸，鄰苯二甲酸，偏苯三酸和苯均四酸)反應所制備的酸改性化合物，以便中和剩余氨基和/或亞氨基的全部或一部分或使它們酰胺化。根據(jù)本發(fā)明，N，N-二聚氧化烯-N-油基胺是優(yōu)選使用的。
該脂肪酸酯摩擦改進劑和/或脂族胺摩擦改進劑在潤滑油中添加的量沒有特別地限制，優(yōu)選是0.05到3.0％，更優(yōu)選0.1到2.0％，和最優(yōu)選0.5到1.4％，基于潤滑油的總質(zhì)量。
當脂肪酸酯摩擦改進劑和/或脂族胺摩擦改進劑的量低于0.05％時，則有一種可能性即潤滑油無法產(chǎn)生預期的足夠的摩擦減低效果。當脂肪酸酯摩擦改進劑和/或脂族胺摩擦改進劑的量超過3.0％時，該潤滑油產(chǎn)生良好的摩擦減低效果但是會損害貯存穩(wěn)定性和相容性而引起沉淀。
此外，該潤滑油優(yōu)選包括作為無灰分散劑的聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物。根據(jù)本發(fā)明可使用的聚丁烯基琥珀酰亞胺的具體例子包括由下面通式(1)和(2)表示的化合物。
在通式(1)和(2)的每一個中，n表示1到5，優(yōu)選2到4的整數(shù)，從而獲得良好的清凈效果。此外，PIB表示從聚丁烯衍生的聚丁烯基基團。通過在氟化硼催化劑或氯化鋁催化劑存在下聚合高純度異丁烯或1-丁烯和異丁烯的混合物，使得該聚丁烯達到900到3,500，優(yōu)選1,000到2,000的數(shù)均分子量，來制備聚丁烯。當聚丁烯的數(shù)均分子量低于900時，則有可能性無法獲得足夠的清凈效果。當聚丁烯的數(shù)均分子量超過3,500時，該聚丁烯會在低溫流動性上不希望地受損。在聚丁烯基琥珀酰亞胺的生產(chǎn)中，該聚丁烯可以在利用任何合適的處理(如吸附過程或洗滌過程)除去痕量的來自于上述聚丁烯生產(chǎn)催化劑的氟和氯殘留物被提純之后供使用。氟和氯殘留物的量優(yōu)選被控制到50ppm或50ppm以下，更優(yōu)選10ppm或10ppm以下，最優(yōu)選1ppm或1ppm以下。
聚丁烯基琥珀酰亞胺的生產(chǎn)方法沒有特別地限制。例如，該聚丁烯基琥珀酰亞胺能夠通過讓上述聚丁烯的氯化物，或已從中除去了氟和氯殘留物的聚丁烯，與馬來酸酐在100-200℃下反應來形成聚丁烯基琥珀酸酯，然后，讓如此形成的聚丁烯基琥珀酸酯與多胺(如二亞乙基三胺，三亞乙基四胺，四亞乙基五胺或五亞乙基六胺)反應，來制得。
該聚丁烯基琥珀酰亞胺衍生物能夠例舉由通式(1)和(2)的聚丁烯基琥珀酰亞胺與硼化合物或含氧的有機化合物反應所獲得的硼-和酸-改性化合物，以便中和該剩余氨基和/或酰亞胺基團的全部或一部分或使它們酰胺化。在這些之中，含硼的聚丁烯基琥珀酰亞胺，尤其含硼的雙(聚丁烯基)琥珀酰亞胺，是優(yōu)選使用的。
以上硼化物可以是硼酸，硼酸鹽或硼酸酯。硼酸的具體例子包括原硼酸，偏硼酸和仲硼酸。硼酸鹽的具體例子包括銨鹽，其中包括硼酸銨，如偏硼酸銨，四硼酸銨，五硼酸銨和八硼酸銨。硼酸酯的具體例子包括硼酸和烷基醇(優(yōu)選C1-C6烷基醇)的酯，如硼酸單甲基酯，硼酸二甲基酯，硼酸三甲酯，硼酸單乙基酯，硼酸二乙基酯，硼酸三乙酯，硼酸單丙基酯，硼酸二丙基酯，硼酸三丙基酯，硼酸單丁基酯，硼酸二丁基酯和硼酸三丁酯。這里，在含硼的聚丁烯基琥珀酰亞胺中氮與硼(B/N)按質(zhì)量計的含量比通常是0.1到3，優(yōu)選0.2到1。
以上含氧的有機化合物能夠例舉C1-C30一元羧酸，如甲酸，乙酸，乙醇酸，丙酸，乳酸，丁酸，戊酸，己酸，庚酸，辛酸，壬酸，癸酸，十一烷酸，月桂酸，十三烷酸，肉豆蔻酸，十五烷酸，棕櫚酸，十七烷酸，硬脂酸，油酸，十九烷酸和花生酸；C2-C30多羧酸，如草酸，鄰苯二甲酸，偏苯三酸和苯均四酸，和它們的酸酐和酯；C2-C6烯化氧；和羥基(聚)氧化烯基碳酸酯。
聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物在潤滑油中添加的量沒有特別地限制，優(yōu)選是0.1-15％，更優(yōu)選1.0-12％，基于潤滑油的總質(zhì)量。當聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物的量低于0.1％時，則有可能無法獲得足夠的清凈效果。當聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物的量超過15％時，則變得不經(jīng)濟的。另外，如此大量的聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物傾向于引起破乳能力的下降。
此外，該潤滑油優(yōu)選包括作為抗氧化劑和耐磨劑的由下面通式(3)表示的二硫代磷酸鋅。
在通式(3)中，R4，R5，R6和R7各自表示C1-C24烴基團。該C1-C24烴基團優(yōu)選是C1-C24直鏈或支鏈烷基，C3-C24直鏈或支鏈鏈烯基，C5-C13環(huán)烷基或直鏈或支鏈烷基環(huán)烷基，C6-C18芳基或直鏈或支鏈烷基芳基，或C7-C19芳基烷基。以上烷基或鏈烯基團能夠是伯，仲或叔屬的。R4，R5，R6和R7的具體例子包括烷基，如甲基，乙基，丙基，丁基，戊基，己基，庚基，辛基，壬基，癸基，十一烷基，十二烷基，十三烷基，十四烷基，十五烷基，十六烷基，十七烷基，十八烷基，十九烷基，二十烷基，二十一烷基，二十二烷基，二十三烷基和二十四烷基；鏈烯基，如丙烯基，異丙烯基，丁烯基，丁間二烯基，戊烯基，己烯基，庚烯基，辛烯基，壬烯基，癸烯基，十一碳烯基，十二碳烯基，十三碳烯基，十四碳烯基，十五碳烯基，十六碳烯基，十七碳烯基，十八碳烯基(油烯基)，十九碳烯基，二十碳烯基，二十一碳烯基，二十二碳烯基，二十三碳烯基和二十四碳烯基；環(huán)烷基基團，如環(huán)戊基，環(huán)己基和環(huán)庚基； 烷基環(huán)烷基團，如甲基環(huán)戊基，二甲基環(huán)戊基，乙基環(huán)戊基，丙基環(huán)戊基，乙基甲基環(huán)戊基，三甲基環(huán)戊基，二乙基環(huán)戊基，乙基二甲基環(huán)戊基，丙基甲基環(huán)戊基，丙基乙基環(huán)戊基，二-丙基環(huán)戊基，丙基乙基甲基環(huán)戊基，甲基環(huán)己基，二甲基環(huán)己基，乙基環(huán)己基，丙基環(huán)己基，乙基甲基環(huán)己基，三甲基環(huán)己基，二乙基環(huán)己基，乙基二甲基環(huán)己基，丙基甲基環(huán)己基，丙基乙基環(huán)己基，二-丙基環(huán)己基，丙基乙基甲基環(huán)己基，甲基環(huán)庚基，二甲基環(huán)庚基，乙基環(huán)庚基，丙基環(huán)庚基，乙基甲基環(huán)庚基，三甲基環(huán)庚基，二乙基環(huán)庚基，乙基二甲基環(huán)庚基，丙基甲基環(huán)庚基，丙基乙基環(huán)庚基，二-丙基環(huán)庚基和丙基乙基甲基環(huán)庚基；芳基基團，如苯基和萘基；烷基芳基基團，如甲苯基，二甲苯基，乙基苯基，丙基苯基，乙基甲基苯基，三甲基苯基，丁基苯基，丙基甲基苯基，二乙基苯基，乙基二甲基苯基，四甲基苯基，戊基苯基，己基苯基，庚基苯基，辛基苯基，壬基苯基，癸基苯基，十一烷基苯基和十二烷基苯基；和芳基烷基基團，如芐基，甲基芐基，二甲基芐基，苯乙基，甲基苯乙基和二甲基苯乙基。以上烴基團包括全部可能的異構(gòu)體。
適合于R4，R5，R6和R7的上述烴基團包括全部值得考慮的直鏈或支鏈結(jié)構(gòu)。鏈烯基的雙鍵的位置，烷基連接到環(huán)烷基上的鍵接位置和烷基連接到芳基上的鍵接位置是自由的。在以上烴基團之中，尤其優(yōu)選的是具有1到18的碳數(shù)的直鏈或支鏈烷基，具有6到18的碳數(shù)的芳基，和直鏈或支化烷基芳基。
根據(jù)本發(fā)明可用的二硫代磷酸鹽的具體例子包括二異丙基二硫代磷酸鋅，二異丁基二硫代磷酸鋅，二仲丁基二硫代磷酸鋅，二仲戊基二硫代磷酸鋅，二正己基二硫代磷酸鋅，二仲己基二硫代磷酸鋅，二辛基二硫代磷酸鋅，二-2-乙基己基二硫代磷酸鋅，二正癸基二硫代磷酸鋅，二正十二烷基二硫代磷酸鋅，二異十三烷基二硫代磷酸鋅和它們的混合物。
添加在潤滑油中的二硫代磷酸鹽的量沒有特別地限制。二硫代磷酸鋅的含量優(yōu)選是按照磷元素計算的0.1％或0.1％以下，更優(yōu)選0.06％或0.06％以下，最優(yōu)選是最低有效量，基于潤滑油的總質(zhì)量，以獲得較高的摩擦減低效果。當二硫代磷酸鋅的量超過0.1％時，有可能抑制無灰分的脂肪酸酯摩擦改進劑和/或無灰分的脂族胺摩擦改進劑的作用，特別在DLC薄膜和由鐵類材料形成的相對的元件之間的滑動表面(平面)處。
二硫代磷酸鋅能夠通過任何已知的方法制備。例如，通過讓具有以上R4，R5，R6和R7烴基團的醇類或酚類與五硫化磷反應形成二硫代磷酸，然后用氧化鋅中和如此形成的二硫代磷酸，可以制備二硫代磷酸鋅。這里，二硫代磷酸鋅的分子結(jié)構(gòu)將根據(jù)用作二硫代磷酸鋅生產(chǎn)的原料的醇類或酚類來變化?？梢岳斫?，由通式(3)表示的至少兩種類型的二硫代磷酸鋅可以按照合適的比例混合后再使用。
正如以上所討論，根據(jù)本發(fā)明，對于在活塞的滑件部分的滑動表面與相對的元件(如氣缸內(nèi)徑部分的壁面)之間使用的情況，該潤滑油能夠在汽車內(nèi)燃機中顯示出極其優(yōu)異的低摩擦特性，其中活塞的滑動部件的滑動部分涂有硬碳薄膜。為了提高內(nèi)燃機的潤滑油(組合物)所需的性能，當用于內(nèi)燃機時該潤滑油含有其它添加劑，如金屬清凈劑，抗氧化劑，粘度指數(shù)改進劑，除以上脂肪酸酯摩擦改進劑和/或脂族胺摩擦改進劑之外的摩擦改進劑，除以上聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物之外的無灰分分散劑；耐磨劑或極壓添加劑，防銹劑，非離子表面活性劑，破乳劑，金屬減活化劑和/或消泡劑。這些添加劑可以單獨使用或它們的兩種或多種的混合物形式使用，以滿足所要求的潤滑油性能。
該金屬清凈劑能夠是通常用于潤滑油的任何金屬清凈劑化合物。根據(jù)本發(fā)明可用的金屬清凈劑的具體例子包括堿金屬或堿土金屬的磺酸鹽，酚鹽和水楊酸鹽；和它們中的兩種或多種的混合物。堿金屬的例子包括鈉(Na)和鉀(K)，和堿土金屬的例子包括鈣(Ca)和鎂(Mg)。根據(jù)本發(fā)明，鈉和鈣磺酸鹽，鈉和鈣酚鹽，以及鈉和鈣水楊酸鹽是適宜使用的。金屬清凈劑的總堿值和用量能夠根據(jù)所需要的潤滑油性能來選擇。根據(jù)ISO3771“堿值的測定-高氯酸電位滴定法(Determination ofbase number-Perchloric acid potentiometric titration method)”，由高氯酸方法所測量的金屬清凈劑的總堿值通常是0-500mg KOH/g，優(yōu)選150-400mg KOH/g。金屬清凈劑的量通常是0.1-10％，基于潤滑油的總質(zhì)量。
抗氧化劑是能夠通常用于潤滑油的任何抗氧化劑化合物。根據(jù)本發(fā)明可用的抗氧化劑的具體例子包括酚類抗氧劑，如4，4’-亞甲基雙(2，6-二叔丁基苯酚)和3-(3，5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸十八烷基酯；氨基抗氧化劑，如苯基-α-萘胺，烷基苯基-α-萘胺和烷基二苯基胺；和它們中的兩種或多種的混合物?？寡趸瘎┑牧客ǔＪ?.01-5％，基于潤滑油的總質(zhì)量。
該粘度指數(shù)改進劑能夠例舉非分散體型粘度指數(shù)改進劑，如選自各種甲基丙烯酸類中的一種或兩種單體的共聚物，和該共聚物的氫化物；和分散體型粘度指數(shù)改進劑，如甲基丙烯酸酯的共聚物(包括氮化合物)。作為粘度指數(shù)改進劑，還可以使用乙烯和α-烯烴(如丙烯，1-丁烯和1-戊烯)的共聚物和它的氫化物；聚異丁烯和它的氫化物；苯乙烯和二烯烴的氫化共聚物，苯乙烯和馬來酸酐的共聚物和聚烷基苯乙烯。粘度指數(shù)改進劑的分子量需要考慮剪切穩(wěn)定性來選擇。例如，粘度指數(shù)改進劑的數(shù)均分子量，對于非分散型聚甲基丙烯酸酯而言，理想地是在5,000到1,000,000范圍內(nèi)，更理想地在100,000到800,000范圍內(nèi)；對于聚異丁烯和它的氫化物而言，理想地是在800到5,000范圍內(nèi)；和對于乙烯/α-烯烴共聚物和它的氫化物而言，在800到300,000范圍內(nèi)，更理想地在10,000到200,000范圍內(nèi)。以上粘度指數(shù)改進化合物能夠單獨使用或以它們的兩種或多種的混合物形式使用。粘度指數(shù)改進劑的量優(yōu)選是0.1-40.0％，基于潤滑油的總質(zhì)量。
除以上脂肪酸酯摩擦改進劑和/或脂族胺摩擦改進劑之外的摩擦改進劑能夠例舉無灰分的摩擦改進劑，如硼酸酯，高級醇和脂族醚，和金屬摩擦改進劑，如二硫代磷酸鉬，二硫代氨基甲酸鉬和二硫化鉬。
除以上聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物之外的無灰分散劑能夠例舉聚丁烯基芐基胺和聚丁烯基胺，各自具有900到3,500的數(shù)均分子量的聚丁烯基團，具有低于900的數(shù)均分子量的聚丁烯基團的聚丁烯基琥珀酰亞胺，和它們的衍生物。
減摩劑或極壓添加劑能夠例舉二硫化物，硫化的脂肪和油，烯烴硫化物，具有一個到三個C2-C20烴基團的磷酸酯，硫代磷酸酯，亞磷酸酯，硫代亞磷酸酯和這些酯的胺鹽。
防銹劑能夠例舉烷基苯磺酸鹽類，二壬基萘磺酸鹽類，鏈烯基琥珀酸的酯類和多元醇的酯類。
非離子表面活性劑和破乳劑能夠例舉非離子聚(亞烷基)二醇表面活性劑，如聚氧化乙烯烷基醚，聚氧化乙烯烷基苯基醚和聚氧化乙烯烷基萘基醚。
金屬鈍化劑能夠例舉咪唑啉化合物，嘧啶衍生物，噻唑和苯并三唑。
消泡劑能夠例舉硅酮類，氟硅酮類和氟烷基醚類。
除脂肪酸酯摩擦改進劑和/或脂族胺摩擦改進劑之外的摩擦改進劑，除聚丁烯基琥珀酰亞胺和/或它的衍生物之外的無灰分分散劑；耐磨劑或極壓添加劑，防銹劑和破乳劑中的每一種通常是以基于潤滑油總質(zhì)量的0.01-5％的量包含，而金屬減活劑是以基于潤滑油總質(zhì)量的0.0005-1％的量包含。
實驗1通過與對比實施例進行對比，參閱下列實施例可以更容易地理解本發(fā)明；然而，這些實施例是為了說明本發(fā)明的目的，不應認為限制本發(fā)明的范圍。
實施例1-1作為具有8×12×40mm尺寸的基礎材料的一般為半圓柱形的試件是從S45C鋼(根據(jù)JIS G4051)的原料上切割下來的。通過弧光離子電鍍工藝(PVD)在這一試件的半圓柱形表面上形成DLC膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機中活塞的滑動部件對應的樣品。該DLC薄膜具有不超過0.5原子％的氫原子含量，2170kg/mm2的努普硬度Hk，0.03μm的最大高度Ry，和0.5μm的厚度h。最大高度Ry在JIS(日本工業(yè)標準)B0601(2001)中解釋為Rz。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FC250(根據(jù)JIS G5501)用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品(或相對的元件)，該試驗是在不含添加劑的潤滑油中進行的。
實施例1-2作為具有8×12×40mm尺寸的基礎材料的一般為半圓柱形的試件是從S45C鋼的原料上切割下來的。通過弧光離子電鍍工藝(PVD)在這一試件的半圓柱形表面上形成DLC薄膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機中活塞的滑動部件對應的樣品。該DLC薄膜具有不超過0.5原子％的氫原子含量，2170kg/mm2的努普硬度Hk，0.03μm的最大高度Ry，和0.5μm的厚度h。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是在潤滑油(其中無灰分的酯型摩擦改進劑被添加到基礎油中)中進行的。
實施例1-3重復在實施例1-2中的程序，不同的是樣品進行摩耗試驗，其中過低共熔的鋁合金用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是在潤滑油(其中酯型添加劑被添加到基礎油中)中進行的。
對比實施例1-1與實施例1-1中相同的半圓柱形的試件從S45C鋼的原材料上切割下來。在這一試件的半圓柱形表面上形成Cr薄膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機中的活塞的滑動部件對應的樣品。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是在不含添加劑的潤滑油中進行。
對比實施例1-2重復在對比實施例1-1中的程序，不同的是樣品進行摩耗試驗，其中過低共熔的鋁合金用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是在潤滑油(其中酯型添加劑被添加到基礎油中)中進行的。
這里，用于摩耗試驗中的潤滑油的細節(jié)在表1中列出，其中潤滑油A用于實施例1-2和1-3和對比實施例1-2中，而潤滑油B用于實施例1-1和對比實施例1-1中。
表1 實施例和對比實施例的樣品中的每一種通過使用在圖2中所示的試驗裝置來進行摩耗(往復)試驗，其中在區(qū)域A中以負荷P，將實施例和對比實施例的樣品(10)的尖部(具有半圓柱形表面的10a)壓靠在板形的相對的樣品(11)的表面上；在該表面上樣品(10)沿著Q和R方向在區(qū)域A內(nèi)做它的往復運動。在使樣品(10)往復運動中，在區(qū)域A的轉(zhuǎn)彎端測量摩擦系數(shù)。這一試驗的結(jié)果列于表2中。按照下列試驗條件進行摩耗(往復)試驗樣品半圓柱形，具有8×12×40mm的尺寸和由S45C鋼形成；相對的樣品板形的，具有40×60×7mm的尺寸，并且由FCA(過低共熔的鋁合金)形成；試驗裝置往復運動型，由Kabushiki Kaisha Kyouwa Giken制造；樣品的往復運動600個循環(huán)(往復運動)/每分鐘；試驗溫度25℃；加壓的荷載(P)10千克力(kgf)；測量時間在試驗開始之后的60分鐘。
表2
表2揭示，與汽車內(nèi)燃機的滑動元件或部件對應的實施例1-1到1-3的樣品在摩擦系數(shù)上大大低于與汽車內(nèi)燃機的滑動元件或部件對應的對比實施例1-1和1-2的樣品。這證明，與對比實施例1-1和1-2的樣品比較，實施例1-1到1-3的全部樣品在抗擦痕性能上是優(yōu)異的。實施例1-3的樣品具有特別低的摩擦系數(shù)，因此證實，在滑動元件的硬碳薄膜，氣缸內(nèi)徑部分的過低共熔的鋁合金和含有酯型摩擦改進劑的潤滑油的綜合下，可以預期在抗擦痕性能和耐磨性上有進一步改進。結(jié)果證實，在汽車內(nèi)燃機中能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦的急劇降低。
從上面的敘述可以認識到，根據(jù)本發(fā)明的以上實施方案，有可能提供在抗擦痕性能和耐磨性上優(yōu)異的，同時顯示出高的摩擦降低效果的汽車發(fā)動機。
第二個實施方案接著，參考圖3A、3B、4A和4B來討論根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機活塞的第二實施方案。
這一實施方案的活塞屬于汽車的內(nèi)燃機的，并包括在圖3A和3B或在圖4A和4B中所示的活塞環(huán)。活塞環(huán)具有滑動部分，后者具有在潤滑油存在下與相對的元件實現(xiàn)滑動接觸的滑動表面。該滑動部分的滑動表面涂有含有不超過25原子％的氫原子的硬碳薄膜。
這里，硬碳薄膜主要地由碳(元素)形成的并且是無定形的，以及在碳之間的鍵接方式上采取金剛石結(jié)構(gòu)(SP3鍵)或石墨結(jié)構(gòu)(SP2鍵)。更具體地說，該硬碳薄膜是由以下物質(zhì)形成由碳組成的無氫的無定形碳(a-C)，含氫的無定形碳(a-CH)，或含有作為其一部分的鈦(Ti)，鉬(Mo)等的金屬元素的金屬無定形碳。
如在說明活塞環(huán)的實例的圖3A和3B中所示，活塞環(huán)的側(cè)面正常與作為相對元件的氣缸內(nèi)徑部分實現(xiàn)滑動接觸，據(jù)此在它們之間產(chǎn)生摩擦?；钊h(huán)的用作滑動表面的側(cè)面涂有硬碳薄膜。
如在說明活塞環(huán)的另一個實例的圖4A和4B中所示，與側(cè)面一樣，活塞環(huán)的上下表面也涂有硬碳薄膜?？梢岳斫?，活塞環(huán)的上下表面與界定(defining)活塞體部分(活塞環(huán)配合在其中)的活塞環(huán)槽的上下壁面實現(xiàn)滑動或運動接觸。在該實施例中的硬碳薄膜提供摩擦降低效果，同時改進發(fā)動機的抗咬合性。
可以理解，活塞環(huán)的整個表面可以涂有硬碳薄膜。另外，氣缸內(nèi)徑部分的滑動表面(與活塞環(huán)實現(xiàn)滑動接觸)可以涂有硬碳薄膜，這是優(yōu)選的實例。
在這一實施方案中，為了獲得高度的摩擦降低效果，優(yōu)選的是硬碳薄膜的氫含量被抑制到盡可能小。優(yōu)選的是，硬碳薄膜的氫含量優(yōu)選是不超過25原子％，更優(yōu)選不超過5原子％，最優(yōu)選不超過0.5原子％。
因為希望氫含量被抑制到盡可能小，所以，優(yōu)選使用由不含氫的無定形碳形成的硬碳薄膜。不含氫的硬碳薄膜可以涂敷活塞環(huán)的側(cè)面和/或上下表面，或整個表面。
優(yōu)選的是，在滑動表面涂敷硬碳薄膜之前，活塞環(huán)的滑動部分的滑動表面進行表面處理，如鍍鉻，氮化鉻處理或硝化，或這些處理的結(jié)合。此類表面處理可改進硬碳薄膜的粘合性和該硬碳薄膜的耐久性。
另外，也優(yōu)選的是，為了獲得滑動穩(wěn)定性，在滑動表面涂敷硬碳薄膜之前，活塞環(huán)的滑動部分的滑動表面具有不大于0.1μm的表面粗糙度Ra。如果該表面粗糙度超過0.1μm，則形成局部的磨損，同時大大地提高摩擦系數(shù)。
該硬碳薄膜是由PVD工藝或CVD工藝，或PVD和CVD工藝兩者，來形成。該硬碳薄膜優(yōu)選是DLC薄膜。該工藝不局限于具體的一種，只要能夠以所希望的排列形成DLC薄膜就行，其中弧光離子電鍍工藝是優(yōu)選的。
由PVD工藝或CVD工藝形成的硬碳薄膜在膜本身的內(nèi)應力上是高的并在膜硬度上是相當高的，與由例如鍍覆或類似方法之類的表面處理所形成的膜相比。因此，有可能的是該膜從基礎材料上剝離或發(fā)生開裂。通過進行上述的表面處理，考慮到在膜和基礎材料之間的粘合性而在它們之間形成合適的中間層，或為膜采取多層結(jié)構(gòu)而軟化該膜的內(nèi)應力，能夠杜絕此類可能性。
如上所述，該潤滑油(組合物)與本實施方案的活塞環(huán)相結(jié)合用于汽車內(nèi)燃機。用于該實施方案中的潤滑油(組合物)與以上討論的第一個實施方案的相同。
實驗2通過與對比實施例進行對比，參閱下列實施例可以更容易地理解本發(fā)明；然而，這些實施例是為了說明本發(fā)明的目的，不應認為限制本發(fā)明的范圍。
實施例2-1作為具有8×12×40mm尺寸的基礎材料的一般為半圓柱形的試件是從S45C鋼的原料上切割下來的。通過弧光離子電鍍工藝(PVD)在這一試件的半圓柱形表面上形成DLC膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機中活塞的滑動部件對應的樣品。該DLC薄膜具有不超過0.5原子％的氫原子含量，2170kg/mm2的努普硬度Hk，0.03μm的最大高度Ry，和0.5μm的厚度h。最大高度Ry在JIS(日本工業(yè)標準)B0601(2001)中解釋為Rz。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作相對的樣品，該試驗使用不含添加劑的基礎油(PAO＝聚α-烯烴)作為潤滑油。
實施例2-2作為具有8×12×40mm尺寸的基礎材料的一般為半圓柱形的試件是從S45C鋼的原料上切割下來的。通過弧光離子電鍍工藝(PVD)在這一試件的半圓柱形表面上形成DLC膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機中活塞的滑動部件對應的樣品。該DLC薄膜具有不超過0.5原子％的氫原子含量，2170kg/mm2的努普硬度Hk，0.03μm的最大高度Ry，和0.5μm的厚度h。最大高度Ry在JIS(日本工業(yè)標準)B0601(2001)中解釋為Rz。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作相對的樣品，該試驗使用含有無灰分的酯型摩擦改進劑的基礎油(PAO)作為潤滑油。
對比實施例2-1作為具有8×12×40mm尺寸的基礎材料的一般為半圓柱形的試件是從S45C鋼的原料上切割下來的。由鍍鉻處理在這一試件的半圓柱形表面上形成膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機中的活塞的滑動部件對應的樣品。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗通過使用不含添加劑的基礎油(PAO)作為潤滑油來進行。
對比實施例2-2作為具有8×12×40mm尺寸的基礎材料的一般為半圓柱形的試件是從S45C鋼的原料上切割下來的。由鍍鉻處理在這一試件的半圓柱形表面上形成膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機中的活塞的滑動部件對應的樣品。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗通過使用不含添加劑的基礎油(PAO)作為潤滑油來進行。實施例和對比實施例的樣品中的每一種通過使用在圖2中所示的試驗裝置來進行摩耗(往復)試驗，其中在區(qū)域A中以負荷P，將實施例和對比實施例的樣品(10)的尖部(具有半圓柱形表面的10a)壓靠在板形的相對的樣品(11)的表面上；在該表面上樣品(10)沿著Q和R方向在區(qū)域A內(nèi)做它的往復運動。在引起樣品(10)的往復運動中，在區(qū)域A的轉(zhuǎn)彎端測量摩擦系數(shù)。這一試驗的結(jié)果列于表3中。按照下列試驗條件進行摩耗(往復)試驗樣品半圓柱形，具有8×12×40mm和的尺寸并由S45C鋼形成；相對的樣品板形的，具有40×60×7mm的尺寸，并且由FCA形成；試驗裝置往復運動型；樣品的往復運動600個循環(huán)/每分鐘；試驗溫度25℃；加壓的荷載(P)98N；測量時間在試驗開始之后的60分鐘。
表3
表3顯示，實施例2-1和2-2的樣品具有比偏出第二個實施方案的范圍的對比實施例2-1和2-2的樣品更低的摩擦系數(shù)。另外，目前似乎顯示，通過使用涂有硬碳薄膜的滑動部件或元件和潤滑油(組合物)的結(jié)合，實施例2-2的樣品提供最佳結(jié)果。
從上可認識到，根據(jù)第二個實施方案，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，所規(guī)定的硬碳薄膜在潤滑油(組合物)，尤其含有所規(guī)定的無灰分的摩擦改進劑的潤滑油存在下，顯示出優(yōu)異的低摩擦特性。因此，通過將滑動表面涂有某種硬碳薄膜的滑動元件或部件的材料(基礎材料)與某種潤滑油(組合物)相結(jié)合，有可能提供一種汽車內(nèi)燃機的活塞環(huán)，活塞環(huán)顯示極其優(yōu)異的低摩擦特性而同時顯示出比鋼材料和有機鉬化合物的常規(guī)結(jié)合更大的燃料經(jīng)濟性效果。
第三個實施方案接著，參考圖5A、5B、6A和6B來討論根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機活塞的第三個實施方案。
如圖5A和5B中所示，這一實施方案的活塞21屬于汽車的內(nèi)燃機并包括活塞體21A?；钊w21A具有活塞裙部22，后者的外圓周表面形成有延伸的條紋狀凹槽G，這些凹槽彼此平行排列而具有15到30μm的槽距。換句話說，各條紋狀凹槽G位于與活塞軸垂直的想象平面上。各條紋狀凹槽G具有5-15μm的深度。在活塞21中，與氣缸體(未顯示)的氣缸內(nèi)徑部分的壁面實現(xiàn)滑動接觸的裙部22的外圓周表面的一部分涂有硬碳薄膜25。裙部22的這一外圓周表面對應于形成了條紋狀凹槽G的外圓周表面。各條紋狀凹槽G形成為環(huán)形和位于與活塞21的軸垂直的想象的垂直面上，這樣條紋狀凹槽G彼此平行地形成。
這里，各條紋狀凹槽G可采取各種形狀，如在圖6A和6B中所示的形狀。如在圖6A中所示，在相鄰的兩個條紋狀凹槽G之間形成了延伸的槽脊狀(land-like)部分(未標識)，后者具有延伸的平頂表面F。該槽脊狀部分具有兩個延伸的傾斜的壁面(未標識)，它們通過平頂表面F彼此連接而形成了兩個延伸的邊緣(未標識)。兩個延伸的邊緣可以呈圓形或斜面(由R1表示)，其中該圓形邊緣優(yōu)選在與槽脊狀部分的軸垂直的橫截面中具有曲率半徑(R1)＜1μm。另外，如圖6B中所示，延伸的槽脊狀部分(未標識)是在相鄰的兩個條紋狀凹槽G之間形成并具有延伸的圓形頂表面M。該槽脊狀部分具有兩個延伸的傾斜的壁面(未標識)，它們彼此通過圓形頂表面M來連接。該圓形頂表面在與槽脊狀部分的軸垂直的橫截面中具有某種曲率半徑(R2)，其中曲率半徑(R2)可以小于1μm。以上討論的條紋狀凹槽G可以通過，例如，切割或研磨(lapping)來形成。這些條紋狀凹槽G有助于促使在條紋狀脊S的形成之后所形成的硬碳薄膜的表面大大地變光滑，同時維持均勻的油膜。
在這一實施方案中，硬碳薄膜25優(yōu)選是DLC(金剛石狀碳)薄膜，該薄膜是由各種PVD工藝，優(yōu)選弧光離子電鍍工藝所形成。這一DLC薄膜主要由碳原子形成并且是無定形的。更具體地說，該DLC薄膜是由不含氫的無定形碳(a-C)(它由碳組成)，含氫的無定形碳(a-CH)，或含有作為其一部分的鈦(Ti)或鉬(Mo)的金屬元素的金屬碳化物或金屬碳(MeC)形成的。為了明顯減少摩擦，該DLC薄膜優(yōu)選不超過1原子％，更優(yōu)選不超過0.5原子％，并且優(yōu)選由不含氫的無定形碳(a-C)形成。不含氫的無定形碳(a-C)是優(yōu)選使用的。
活塞體部分21A是由基礎材料如鐵型材料(鋼)或鋁型材料(鋁合金)形成并具有與相對的元件如氣缸內(nèi)徑部分實現(xiàn)滑動接觸的滑動部分(未標識)。活塞體部分21A優(yōu)選具有不超過0.01μm的表面粗糙度Ra，該表面粗糙度是未涂有硬碳薄膜的滑動部分所具有的。如果滑動部分的表面粗糙度超過0.01μm，則由于硬碳薄膜的表面粗糙度所引起的凸出部分會增加對于相對的元件的局部Hertz氏接觸壓力，從而導致在硬碳薄膜中裂紋的形成。該表面粗糙度Ra在JIS(日本工業(yè)標準)B0601(2001)中被解釋為Ra75。
活塞體部分21A的活塞裙部22與在潤滑油(組合物)(它與第一個實施方案中的相同)存在下實現(xiàn)氣缸體的氣缸內(nèi)徑部分的壁面實現(xiàn)滑動接觸。
實驗3通過與對比實施例進行對比，參閱下列實施例可以更容易地理解本發(fā)明；然而，這些實施例是為了說明本發(fā)明的目的，不應認為限制本發(fā)明的范圍。
實施例3-1從鋁合金(AC8A，根據(jù)JIS H5202)的原材料上切割具有12×18×5mm的尺寸的作為基礎材料的試件。在該試件的表面上形成了具有20μm的槽距和10μm的深度的條紋狀凹槽。其后，通過弧光離子電鍍工藝(PVD)在試件的表面(形成了條紋狀凹槽)上形成DLC膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機的活塞的活塞體部分對應的樣品。該DLC薄膜具有不超過0.5原子％的氫原子含量，2170kg/mm2的努普硬度Hk，0.03μm的最大高度Ry，和0.5μm的厚度h。最大高度Ry在JIS(日本工業(yè)標準)B0601(2001)中解釋為Rz。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是通過使用不含添加劑的基礎油(PAO)作為潤滑油來進行的。
實施例3-2從鋁合金(AC8A)的原材料上切割具有12×18×5mm的尺寸的作為基礎材料的試件。在該試件的表面上形成了具有20μm的槽距和10μm的深度的延伸條紋狀凹槽。然后，形成了條紋狀凹槽的表面進行打磨(lapping)以使位于相鄰的條紋狀凹槽之間的每一個延伸的槽脊狀部分的頂部變平整化，這樣在每一個延伸的槽脊狀部分的頂部上形成了平整表面。其后，通過弧光離子電鍍工藝(PVD)在試件的表面(形成了條紋狀凹槽)上形成DLC膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機的活塞的活塞體部分對應的樣品。該DLC薄膜具有不超過0.5原子％的氫原子含量，2170kg/mm2的努普硬度Hk，0.03μm的最大高度Ry，和0.5μm的厚度h。最大高度Ry在JIS(日本工業(yè)標準)B0601(2001)中解釋為Rz。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是通過使用不含添加劑的基礎油(PAO)作為潤滑油來進行的。
實施例3-3重復實施例3-2的程序，不同的是樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗通過使用含有無灰分的酯型摩擦改進劑的基礎油(PAO)作為潤滑油來進行。
對比實施例3-1從鋁合金(AC8A)的原材料上切割與實施例3-1中相同的試件。在這一試件的表面上形成具有5μm厚度的MoS2樹脂涂膜，由此生產(chǎn)與汽車內(nèi)燃機的活塞的活塞體部分對應的樣品。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是通過使用不含添加劑的基礎油(PAO)作為潤滑油來進行的。
對比實施例3-2從鋁合金(AC8A)的原材料上切割與實施例3-1中相同的試件。在這一試件的表面上形成TiN涂膜，由此生產(chǎn)出與汽車內(nèi)燃機的活塞的活塞體部分對應的樣品。然后，該樣品進行摩耗試驗，其中材料FCA用作與氣缸內(nèi)徑部分對應的相對的樣品，該試驗是通過使用不含添加劑的基礎油(PAO)作為潤滑油來進行的。實施例和對比實施例的各樣品進行摩耗試驗，以測量摩擦系數(shù)和發(fā)生卡咬時的卡咬荷載。在該摩耗試驗中，該潤滑油是以變化的載荷壓靠在相對的樣品上，后者發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時將潤滑油滴落在該相對的樣品的表面上，要求該潤滑油提供在樣品和該相對的樣品之間。按照下面所列的條件進行摩耗試驗。試驗的結(jié)果列于表4中。
<試驗條件>
樣品(滑動元件)具有12×12×40mm的尺寸(由鋁合金形成)；相對的樣品(相對的元件)具有139mm的外徑，105mm的內(nèi)徑和6mm的厚度，中空的和圓盤形，并由FCA形成；試驗裝置摩耗試驗裝置(屬于block-on-ring板型)，由TakachihoSeiki Co.，Ltd制造；相對的樣品的轉(zhuǎn)速2m/sec；
試驗溫度25℃；和施加于樣品上的荷載逐步從0kgf變化到200kgf。
表4
表4顯示，實施例3-1到3-3的樣品(與內(nèi)燃機的活塞對應)與對比實施例3-1和3-2的樣品對比具有低得多的摩擦系數(shù)和高的卡咬荷載。這能夠證明，實施例3-1到3-3的全部樣品在抗擦痕性能上是優(yōu)異的。特別在實施例3-3的樣品中，該摩擦系數(shù)急劇地降低，同時避免卡咬的發(fā)生。因此得到證實，在硬碳薄膜和含有無灰分的酯型摩擦改進劑的潤滑油的結(jié)合下，能夠預期在抗擦痕性能和耐磨性上的改進。結(jié)果證實，依據(jù)這一實施方案，能夠在內(nèi)燃機的活塞中實現(xiàn)更大程度的摩擦降低。
從以上可認識到，依據(jù)這一實施方案，能夠獲得內(nèi)燃機的活塞，它在抗擦痕性能和耐磨性兩方面都是優(yōu)異的，同時顯示出大的摩擦降低效果。
第四個實施方案接著，討論根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機活塞的第四個實施方案。
在這一實施方案中，滑動部件或元件(如活塞的活塞裙部)具有滑動部分，后者在潤滑油存在下與相對的元件(如氣缸內(nèi)徑部分)實現(xiàn)滑動接觸?；瑒釉怯蓪儆阡摚X型合金(材料)等的基礎材料形成。基礎材料的表面通過中間層而涂有硬碳薄膜。換句話說，在該基礎材料(在滑動部分上)的表面和該硬碳薄膜之間形成中間層。該中間層是由橡膠，合成樹脂等形成。由于彈性優(yōu)異的中間層的存在，該硬碳薄膜在它的滑動部分上會提高對于該相對的元件的隨動能力。這增加了在硬碳薄膜和相對的元件之間的接觸面積，因此將Hertz氏接觸壓力維持在較低水平。因此，與用作最外(表面)層的硬碳薄膜的耐磨性和低摩擦特性相結(jié)合，滑動元件的摩擦系數(shù)和磨損量能夠大大地減低。
這里，該硬碳薄膜由主要由碳(元素)構(gòu)成的DLC(金剛石狀碳)形成。這一DLC是無定形的并在碳之間的鍵接模式上采取金剛石結(jié)構(gòu)(SP3鍵)或石墨結(jié)構(gòu)(SP2鍵)。更具體地說，硬碳(DLC)薄膜是由不含氫的無定形碳(a-C)(它由碳組成)，含氫的無定形碳(a-CH)，或含有作為其一部分的鈦(Ti)或鉬(Mo)的金屬元素的金屬碳化物或金屬碳(MeC)形成的。為了使摩擦明顯減少，DLC薄膜在氫含量上優(yōu)選盡可能低和因此具有不超過1原子％的氫含量，更優(yōu)選不超過0.5原子％的氫含量，并且優(yōu)選由不含氫的無定形碳(a-C)形成。為了特別地降低硬碳薄膜的最外表面層部分的氫含量，該硬碳薄膜可能采取多個(兩個或多個)層狀結(jié)構(gòu)，其中該最外表面層部分具有不超過0.5原子％的氫含量。
該硬碳薄膜是由已知的薄膜成形技術(shù)如PVD工藝，CVD工藝，噴濺工藝等等形成的。特別地通過使用PVD工藝，能夠形成具有低的氫含量的硬碳薄膜。因此，當形成多層結(jié)構(gòu)的硬碳薄膜時，內(nèi)側(cè)層部分可以由CVD工藝形成而最外表面層部分可由PVD工藝形成，因此在最外表面層部分中的氫含量能夠抑制在低水平如0.5原子％。
該硬碳薄膜(涂層)優(yōu)選具有0.3-2.0μm的厚度。如果該厚度小于0.3μm，則傾向于容易在硬碳薄膜中發(fā)生磨損。如果該厚度超過2.0μm，則硬碳薄膜因為它的脆性而傾向于剝離。
作為中間層的材料，可使用具有不低于150℃的熔點的橡膠或合成樹脂。使用熔點不低于150℃的合成樹脂的理由是用于汽車內(nèi)燃機中的發(fā)動機油(潤滑油)的溫度會達到150℃。中間層的材料的例子是聚酰胺-酰亞胺(PAI)，聚酰亞胺(PI)，橡膠，聚醚醚酮(PEEK)，聚酰胺(PA)等，其中這些可以單獨使用或以兩種或多種的結(jié)合物使用。另外，顆粒狀添加劑如二硫化鉬(MoS2)，四氟乙烯(PTFE)，石墨等可以加入到該中間層中，其中這些添加劑單獨使用或以任何結(jié)合物使用。該顆粒狀添加劑用于在硬碳薄膜的剝離過程中維持良好的μ(摩擦系數(shù))特性。為了降低在硬碳薄膜和相對的元件的表面之間的接觸部分上的Hertz接觸壓力，該中間層優(yōu)選具有約5μm到約20μm的厚度。
滑動元件(它的滑動部分涂有硬碳薄膜)在對鋁的抗擦痕性能上是優(yōu)異的和因此提供附加的效果對于相對的元件是由鋁型合金形成的情況，獲得低的摩擦。在這方面，在為了改進抗擦痕性能而希望避免在活塞裙部和該相對的元件兩者的鋁型合金之間的滑動接觸的普通技術(shù)中，有一個例子，其中活塞是鐵鍍覆的或涂有樹脂膜(有不銹鋼的碎屑分散在其中)；然而，與涂有DLC薄膜的活塞相比，這一普通的活塞在摩擦上是低劣的。
滑動元件(它的滑動部分涂有根據(jù)這一實施方案的硬碳薄膜)能夠應用于，例如，汽車內(nèi)燃機的活塞。在這種情況下，優(yōu)選的是在活塞裙部上形成的中間層和硬碳薄膜，該活塞裙部的表面已經(jīng)預先形成了條紋狀凹槽，這些條紋狀凹槽的每一個一般位于與活塞的軸垂直(或滑動方向)的想象平面上。各條紋狀凹槽是環(huán)形的，因此條紋狀凹槽彼此平行地形成。該條紋狀凹槽為活塞裙部的表面提供不均勻性，從而提供潤滑油攜帶功能。也優(yōu)選的是，中間層和硬碳薄膜在形成時不具有極大的厚度，從而防止由于條紋狀凹槽所引起的不均勻性在活塞裙部的表面上受損失(甚至在中間層和硬碳薄膜已經(jīng)形成之后)，由此維持良好的潤滑油攜帶功能。
另外，滑動元件(它的滑動部分涂有根據(jù)這一實施方案的硬碳薄膜)可應用于內(nèi)燃機的軸承金屬。也在這種情況下，優(yōu)選的是，在軸承金屬的表面上形成該中間層和硬碳薄膜，使得可以防止由于條紋狀凹槽所引起的不均勻性在軸承金屬的表面上受損失。
正如以上所討論，根據(jù)這一實施方案的滑動部分(如活塞的活塞裙部)是在與第一個實施方案中相同的潤滑油(組合物)存在下與相對的元件(如氣缸內(nèi)徑部分)的壁面實現(xiàn)滑動接觸。
實驗4通過與對比實施例進行對比，參閱下列實施例可以更容易地理解本發(fā)明；然而，這些實施例是為了說明本發(fā)明的目的，不應認為限制本發(fā)明的范圍。具有10mm(長度或沖程方向)×10mm(寬度)×5mm(厚度)的尺寸的基礎材料是從AC8A的T6-處理材料的原材料或用于機器結(jié)構(gòu)鋼的碳鋼S45C的硬化的和回火的材料上切割下來。在基礎材料的表面上形成具有10μm深度和200μm槽距的環(huán)狀延伸的條紋狀凹槽，該環(huán)形的條紋狀凹槽位于與沖程方向垂直的平面上。然后，溶于溶劑中的合成樹脂或橡膠(在表5中的“材料”)通過噴涂方法被涂敷在基礎材料的表面(形成了條紋狀凹槽)上，從而形成具有7到10μm的厚度的中間層。其后，由等離子體CVD在基礎材料的中間層上形成具有1μm厚度的DLC薄膜，由此生產(chǎn)出與這一實施方案的滑動元件或部件對應的氣缸體(樣品)。在一些實施例和對比實施例中，該中間層含有添加劑(在表5中中間層的一欄中指定為“添加劑”)?？紤]到添加劑，在單獨用作添加劑的情況，MoS2的量是20wt％，而在MoS2和PTFE兩者用作添加劑的情況，MoS2和PTFE的量分別是20wt％和10wt％。在一些實施例中，為了減少在DLC薄膜的附加層中的氫含量，利用在磁控濺射下的PVD工藝在以上DLC薄膜(由等離子體CVD形成)上形成具有0.3μm厚度的DLC薄膜的附加(外部或上面的)層(在表5中指定為“CVD+PVD”)。以上T6-處理的材料是指對于AC8A的情況已經(jīng)在510℃下進行溶液處理達4小時和在170℃下進行老化處理達10小時的一種材料。
在其中氟橡膠或PEEK的薄膜用作中間層的實施例和對比實施例中，該薄膜直接施涂在從原材料上切割下來的試件的表面上，沒有在具有10μm深度的條紋狀凹槽上讓噴涂層直接在該薄膜的表面上形成。具有60mm(長度或在沖程方向上)×40mm(寬度)×10mm(厚度)的尺寸的基礎材料是從鑄鐵FC25上切割下來。然后，該基礎材料經(jīng)過拋光而具有0.3μm的表面粗糙度Ra，從而生產(chǎn)出作為以上氣缸體(滑動元件)的相對的元件的板(在表5中指定為“FC25”)。在一些實施例中(在表5中指定為“A390”)，具有60mm(長度或在沖程方向)×40mm(寬度)×10mm(厚度)的尺寸的基礎材料是從鋁型合金A390上切割下來的。然后，該基礎材料經(jīng)過拋光而具有不大于0.1μm的表面粗糙度Ra和之后進行蝕刻處理，在該處理中初生晶體Si從鋁的α相中突出了約5μm。為了評價以上氣缸體(滑動元件)的性能，該氣缸體進行一種類型的摩耗試驗，在該類型中氣缸體與以上板(相對的元件)實現(xiàn)滑動接觸并在加壓荷載下被加壓之后在上述的沖程方向和它的相反方向上做它的垂直往復運動。該摩耗試驗采取這樣一種潤滑方式通過為了使?jié)櫥吞幱谠跉飧左w的往復運動(垂直滑動)的下死點之前(之上)的3mm的位置處而設定油浴的油面，當氣缸體在往復運動的下死點處做它的返回沖程時，讓潤滑油向上提升。在這一摩耗試驗中，測量每一氣缸體(樣品)的摩擦系數(shù)和磨損量。該摩耗試驗是按照下面所列的條件來進行并且作為潤滑油使用商購的汽車發(fā)動機油5W30SH(在表5中指定為“商品”)，或?qū)嶒炗冒l(fā)動機油(在表5中指定為“實驗”)，后者通過將添加劑(在表5的潤滑油一欄中指定為“添加劑”)加入到發(fā)動機油5W30SH來制備。考慮到添加劑，對于脂肪酸酯單獨用作添加劑的情況，脂肪酸酯的量是0.5wt％，而對于脂肪酸酯和脂肪酸胺兩者用作添加劑的情況，脂肪酸酯和脂肪酸胺的量分別是0.25wt％和0.25wt％。這一評價的結(jié)果在表5中作為“評價結(jié)果”列出。
<試驗條件>
試驗裝置垂直往復運動型摩耗試驗裝置，由OhtomakkusuKabushiki Kaisha制造；往復運動的沖程40mm；加壓的荷載100kgf；測試時間60分鐘；循環(huán)(二個沖程)1500個循環(huán)/每分鐘；潤滑油的溫度80℃；和摩擦系數(shù)(作為評價結(jié)果)在一個循環(huán)中的平均值。
表5
表5顯示，在根據(jù)這一實施方案(其中硬碳薄膜涂敷在由合成樹脂或類似物形成的中間層上)的實施例的氣缸體中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)磨損，因此，甚至在該摩耗測驗完成之后發(fā)現(xiàn)了條紋狀凹槽的存在。另外也得到證實，通過向潤滑油中添加油性添加劑如酯能夠獲得摩擦降低效果，和通過使用PVD工藝形成低的氫含量的硬碳薄膜能夠獲得進一步的摩擦降低效果。
相反，潤滑特性的下降被發(fā)現(xiàn)歸因于在對比實施例的氣缸體中的條紋狀凹槽的磨損，在對比實施例中在由合成樹脂或類似物形成的中間層上沒有形成硬碳薄膜。即使通過向樹脂膜(中間層)中添加固體潤滑劑發(fā)現(xiàn)了在潤滑特性上的輕微的改進效果，但是這一改進效果不能達到其中在中間層上形成硬碳薄膜的那些實施例的氣缸體的所述效果。
從前面的敘述可以認識到，根據(jù)這一實施方案-其中硬碳薄膜如DLC材料的薄膜通過由橡膠或合成樹脂形成的中間層而被涂敷在由鋼或鋁型合金形成的(滑動元件的)基礎材料的滑動表面上，借助于在彈性優(yōu)異的中間層上所形成的具有優(yōu)異的耐磨性和具有低摩擦特性的硬碳薄膜的存在，滑動元件能夠在摩擦系數(shù)和磨損量上大大地降低。
日本專利申請P2003-167442(2003年6月12日申請)，P2003-167440(2003年6月12日)，P2003-167441(2003年6月12日)，P2003-146076(3003年5月23日)的全部內(nèi)容被引入這里供參考。
雖然本發(fā)明已經(jīng)在以上參考本發(fā)明的某些實施方案和實施例進行了描述，但是本發(fā)明不局限于如上所述的實施方案和實施例。在閱讀以上教導之后，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將可以對如上所述的實施方案和實施例作改進和變化。本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求來定義。
權(quán)利要求
1.內(nèi)燃機用活塞，包括滑動部件，該滑動部件具有在潤滑油存在下與相對的元件實現(xiàn)滑動接觸的滑動部分；和被涂敷在滑動部件的滑動部分上的硬碳薄膜；其中該潤滑油含有下列物質(zhì)的至少一種無灰分的脂肪酸酯摩擦改進劑，無灰分的脂族胺摩擦改進劑，聚丁烯基琥珀酰亞胺，聚丁烯基琥珀酰亞胺衍生物，二硫代磷酸鋅，和二硫代磷酸鋅衍生物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所要求的活塞，其中該相對的元件是由低共熔的或過低共熔的鋁合金形成的氣缸體的氣缸內(nèi)徑部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所要求的活塞，其中該硬碳薄膜含有不超過1原子％的氫原子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所要求的活塞，其中滑動部件是活塞環(huán)和具有活塞裙部的活塞體部分的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所要求的活塞，其中該硬碳薄膜含有不超過0.5原子％的氫原子。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所要求的活塞，其中該潤滑油含有至少一種摩擦改進劑，后者選自無灰分的脂肪酸酯摩擦改進劑和無灰分的脂族胺摩擦改進劑，該至少一種摩擦改進劑具有C6-C30直鏈或支鏈烴鏈并且含量是基于潤滑油總質(zhì)量的0.05-3.0％質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所要求的活塞，其中該潤滑油含有選自聚丁烯基琥珀酰亞胺和聚丁烯基琥珀酰亞胺的衍生物中的至少一種化合物，其含量是基于潤滑油總質(zhì)量的0.1-15％質(zhì)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所要求的活塞，其中該潤滑油含有0.1％或0.1％質(zhì)量以下的以磷元素計的二硫代磷酸鋅，基于潤滑油的總質(zhì)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所要求的活塞，其中硬碳薄膜是由PVD工藝形成的DLC薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所要求的活塞，其中滑動部件的滑動部分在滑動部分涂有硬碳薄膜之前的條件下具有不大于0.03μm的表面粗糙度(Ra)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所要求的活塞，其中滑動部件是活塞環(huán)，其中滑動部分具有滑動表面，后者涂有含有不超過25原子％的氫原子的硬碳薄膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中該硬碳薄膜含有不超過5原子％的氫原子。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所要求的活塞，其中該硬碳薄膜含有不超過0.5原子％的氫原子。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中活塞環(huán)具有接觸部分，該接觸部分的接觸表面與活塞的主體部分的一定部分接觸，該接觸部分涂有硬碳薄膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中該硬碳薄膜基本上不含氫原子。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中在滑動表面涂有硬碳薄膜之前，活塞環(huán)的滑動部分的滑動表面進行至少一種表面處理，該表面處理選自鍍鉻，氮化鉻處理和硝化。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中活塞環(huán)的滑動部分的滑動表面具有不大于0.1μm的表面粗糙度(Ra)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中該硬碳薄膜是由PVD工藝和CVD工藝中的至少一種形成的金剛石狀碳薄膜。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所要求的活塞，其中硬碳薄膜是由PVD工藝形成的金剛石狀碳薄膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中該潤滑油含有選自無灰分的脂肪酸酯摩擦改進劑和無灰分的脂族胺摩擦改進劑中的至少一種摩擦改進劑，該至少一種摩擦改進劑具有C6-C30直鏈或支鏈烴鏈并且其含量是基于潤滑油的總質(zhì)量的0.05-3.0％質(zhì)量。
21.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中該潤滑油含有0.1-15％質(zhì)量的選自聚丁烯基琥珀酰亞胺和聚丁烯基琥珀酰亞胺的衍生物中的至少一種化合物，基于潤滑油的總質(zhì)量。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所要求的活塞，其中該潤滑油含有0.1％或0.1％質(zhì)量以下的以磷元素計的二硫代磷酸鋅，基于潤滑油的總質(zhì)量。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所要求的活塞，其中滑動部件是具有活塞裙部的活塞主體部分，該活塞裙部具有滑動表面，在該表面上形成了具有15-30μm的槽距和5-15μm的深度的延伸條紋狀凹槽，其中該滑動表面涂敷了硬碳薄膜。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中該條紋狀凹槽并排地排列而在相鄰的兩個條紋狀凹槽之間形成延伸的槽脊狀部分，各槽脊狀部分具有延伸的平頂表面，該平頂表面面對該相對的元件。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中該條紋狀凹槽并排地排列而在相鄰的兩個條紋狀凹槽之間形成延伸的槽脊狀部分，各槽脊狀部分具有延伸的頂表面，該頂表面在與槽脊狀部分的軸垂直的橫截面上具有小于1μm的曲率半徑(R1)，該頂表面面對該相對的元件。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中該潤滑油含有至少一種摩擦改進劑，后者選自無灰分的脂肪酸酯摩擦改進劑和無灰分的脂族胺摩擦改進劑，該至少一種摩擦改進劑具有C6-C30直鏈或支鏈烴鏈并且含量是基于潤滑油總質(zhì)量的0.05-3.0％質(zhì)量。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中該潤滑油含有基于潤滑油總質(zhì)量的0.1-15％質(zhì)量的選自聚丁烯基琥珀酰亞胺和聚丁烯基琥珀酰亞胺的衍生物中的至少一種化合物。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中該潤滑油含有0.1％或0.1％質(zhì)量以下的以磷元素計的二硫代磷酸鋅，基于潤滑油的總質(zhì)量。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中該硬碳薄膜含有不超過1原子％的氫原子。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所要求的活塞，其中該硬碳薄膜含有不超過0.5原子％的氫原子。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中硬碳薄膜是由PVD工藝形成的DLC薄膜。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所要求的活塞，其中滑動部件的滑動部分在滑動部分涂有硬碳薄膜之前的條件下具有不大于0.01μm的表面粗糙度(Ra)。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所要求的活塞，其中滑動部件是由選自鋼和鋁型合金中的材料形成的，其中活塞進一步包括在滑動部件的滑動部分和硬碳薄膜之間形成的中間層，該中間層是由選自橡膠和合成樹脂中的材料形成的。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所要求的活塞，其中該中間層含有顆粒狀添加劑。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所要求的活塞，其中該顆粒狀添加劑是選自二硫化鉬(MoS2)，四氟乙烯樹脂(PTFE)和石墨中的至少一種。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所要求的活塞，其中硬碳薄膜具有最外層，該最外層含有不超過0.5原子％的氫原子。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所要求的活塞，其中該中間層包括選自聚酰胺-酰亞胺(PAI)，聚酰亞胺(PI)，橡膠，聚醚醚酮(PEEK)和聚酰胺(PA)中的至少一種材料。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所要求的活塞，其中硬碳薄膜是由金剛石狀碳(DLC)形成的。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所要求的活塞，其中相對的元件是由鋁型合金形成的。
40.根據(jù)權(quán)利要求33所要求的活塞，其中滑動部件是活塞的活塞主體部分，該活塞主體部分具有裙部，在該裙部的滑動部分上形成了條紋狀凹槽，中間層和硬碳薄膜是在條紋狀凹槽上形成的。
41.內(nèi)燃機，包括具有由低共熔的或過低共熔的鋁合金形成的氣缸內(nèi)徑部分的氣缸體；滑動部件，該滑動部件具有在潤滑油存在下與氣缸內(nèi)徑部分實現(xiàn)滑動接觸的滑動部分；和被涂敷在滑動部件的滑動部分上并含有不超過1原子％的含量的氫原子的硬碳薄膜。
42.內(nèi)燃機的活塞的活塞環(huán)，包括滑動部分，該滑動部分具有在潤滑油存在下與相對的元件實現(xiàn)滑動接觸的滑動表面；和被涂敷在滑動部分的滑動表面上并含有不超過25原子％的含量的氫原子的硬碳薄膜。
43.內(nèi)燃機的活塞，包括具有活塞裙部的活塞主體部分，該活塞裙部具有滑動表面，在該滑動表面上形成了具有15-30μm的槽距和5-15μm的深度的條紋狀凹槽，該滑動表面在潤滑油存在下與氣缸體的氣缸內(nèi)徑部分實現(xiàn)滑動接觸；和被涂敷在活塞裙部的滑動表面上的硬碳薄膜。
44.滑動元件，包括由選自鋼和鋁型合金的材料形成的主體部分，該主體部分在潤滑油存在下與相對的元件實現(xiàn)滑動接觸。被涂敷在該主體部分的表面上的硬碳薄膜；和在主體部分和硬碳薄膜之間形成的中間層，該中間層是由選自橡膠和合成樹脂中的材料形成的。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所要求的滑動元件，其中滑動元件是軸承金屬，它的主體部分在它的表面上形成了條紋狀凹槽，該中間層和硬碳薄膜是在條紋狀凹槽上形成的。
全文摘要
汽車的內(nèi)燃機的活塞?；钊哂谢钊h(huán)和活塞裙部，它們中的每一種具有在潤滑油存在下與氣缸體的氣缸內(nèi)徑部分實現(xiàn)滑動接觸的滑動部分。氣缸內(nèi)徑部分是由低共熔的或過低共熔的鋁合金形成的。另外，硬碳薄膜被涂敷在活塞的滑動部分上并含有不超過1原子％的含量的氫原子。該潤滑油含有下列物質(zhì)的至少一種無灰分的脂肪酸酯摩擦改進劑，無灰分的脂族胺摩擦改進劑，聚丁烯基琥珀酰亞胺，聚丁烯基琥珀酰亞胺衍生物，二硫代磷酸鋅，和二硫代磷酸鋅衍生物。
文檔編號F16J1/02GK1573177SQ20041004535
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者西村公男, 馬渕豐, 浜田孝浩, 加納真, 三宅秀典, 太田智仁 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社