气缸与活塞环的组合制造技术

本发明专利技术提供一种气缸与活塞环的组合，对由铝合金构成的气缸，组合在外表面设置了硬质碳被膜的活塞环时，能够长期保持气缸内周面的平滑的形状和耐磨损性。具备有内燃机的气缸(62)和在该气缸的内周面滑动的活塞环(40)的气缸与活塞环的组合，气缸的至少滑动面侧由铝合金构成，所述铝合金含有8质量％以上且22质量％以下的Si，并且含有粒径为3μm以上的选自Si、Al2O3和SiO2中的1种以上的粒子，在活塞环的至少外周面被覆有仅由氢和碳、或者由氢、碳和氮构成的硬质碳被膜(14)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气缸与活塞环的组合
本专利技术涉及内燃机的气缸与在该气缸的内周面滑动的活塞环的组合。
技术介绍
以降低二氧化碳排放量为目标，为了实现油耗的改善、发动机的小型轻量化，汽车等的内燃机的发动机在高输出化的同时推进着铝制化。具体来说，使气缸部为铝合金、在相对活塞环滑动的内周面实施镀敷等表面处理，或者使含有滑动面的气缸部整体为铝合金。另外，这样的气缸通常是对含有高浓度Si的铝合金进行铸造来制造。另外，由于铝合金比较软，因此一直以来在气缸内周面安装气缸套。此外，铸造气缸体后，通过电解蚀刻仅对滑动面侧的铝基质进行选择性地蚀刻，使析出的Si粒子在表面露出而使耐磨损性提高的技术被实用化(专利文献1)。另一方面，对于这样的与铝合金制气缸滑动的活塞环，提出了在自身的外周面被覆硬质碳被膜，降低摩擦系数并提高耐烧熔(焼き付き)性的方案。例如，报道了将含有5～30原子％的Si或W且硬度Hv：700～2000的硬质碳被膜形成于活塞环外周面的技术(专利文献2)。另外，报道了使包含Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb和V的组的元素的碳化物分散且硬度Hv：700～2000的硬质碳被膜形成于活塞环外周面的技术(专利文献3)。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2008－180218号公报(权利要求13)专利文献2：日本特开2008－95966号公报专利文献3：日本特开2001－280497号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的课题但是，相对于在铝合金中配合Si使Si粒子析出、或使Al2O3、SiO2粒子等析出而强化滑动面的气缸，若使用在外表面设置了硬质碳被膜的耐烧熔性高的活塞环，则存在以下问题：气缸内周面这些粒子缺损或脱落，不能够长期平滑地保持气缸内周面的形状，耐磨损性降低。此外，本专利技术人经过潜心研究的结果发现，若含有W等金属成分的硬质碳被膜相对气缸内周面的铝合金滑动，则气缸的滑动面产生微细的凸凹而成为梨皮面状。这被认为是，金属彼此产生借助自由电子而相互作用的金属键，硬质碳被膜中所含的金属成分与构成滑动对象的铝合金的Al发生金属键合而形成微细的磨损粉，该磨损粉是由于攻击构成相对软质的铝合金的Al部分而产生的。本专利技术是解决上述问题的方案，目的在于提供一种气缸与活塞环的组合，在对由铝合金构成的气缸，组合在外表面设置了硬质碳被膜的活塞环时，能够长期保持气缸内周面的平滑的形状和耐磨损性。用于解决课题的方法即，本专利技术的气缸与活塞环的组合，具备内燃机的气缸和在该气缸的内周面滑动的活塞环，所述气缸的至少滑动面侧由铝合金构成，所述铝合金含有8质量％以上且22质量％以下的Si，并且含有粒径为3μm以上且选自Si、Al2O3和SiO2中的1种以上的粒子，在所述活塞环的至少外周面被覆有仅由氢和碳构成的硬质碳被膜。根据该构成，硬质碳被膜自身具有弹性，因此即使气缸的内周面的硬质的粒子被压入硬质碳被膜表面，被膜自身进行弹性变形而承接该力。接着，若活塞环移动而该力被释放，则硬质碳被膜发生弹性变形而恢复原状。按照这样，不会使气缸的内周面的粒子脱落，且硬质碳被膜自身也未受到损伤。因此，能够长期保持气缸内周面的平滑的形状和耐磨损性。另外，本专利技术的气缸与活塞环的组合，具备内燃机的气缸和在该气缸的内周面滑动的活塞环，所述气缸的至少滑动面侧由铝合金构成，所述铝合金含有8质量％以上且22质量％以下的Si，并且含有粒径为3μm以上且选自Si、Al2O3和SiO2中的1种以上的粒子，在所述活塞环的至少外周面被覆有由氢、碳和氮构成的硬质碳被膜。根据该构成，硬质碳被膜自身具有弹性，因此即使气缸的内周面的硬质的粒子被压入硬质碳被膜表面，被膜自身进行弹性变形而承接该力。接着，若活塞环移动而该力被释放，则硬质碳被膜发生弹性变形而恢复原状。按照这样，不会使气缸的内周面的粒子脱落，且硬质碳被膜自身也未受到损伤。因此，能够长期保持气缸内周面的平滑的形状和耐磨损性。优选所述硬质碳被膜的马氏硬度(压入硬度)为5GPa以上且13GPa以下，优选所述硬质碳被膜的杨氏模量为70GPa以上且200GPa以下。优选所述硬质碳被膜的塑性变形能Wp与弹性变形能We之比(Wp/We)所表示的变形率Rpe为0.45以下。根据该构成，硬质碳被膜不过硬且不过软，能够切实地发挥上述效果。所述硬质碳被膜由氢和碳构成时，优选氢含量为20原子％以上且35原子％以下。所述硬质碳被膜由氢、碳和氮构成时，优选氢含量为15原子％以上且30原子％以下。所述硬质碳被膜由氢、碳和氮构成时，优选氮含量为3原子％以上且12原子％以下。优选所述硬质碳被膜的膜厚为2μm以上且10μm以下。优选所述硬质碳被膜的十点平均粗糙度Rzjis为0.15μm以下。专利技术效果根据本专利技术，在对由铝合金构成的气缸，组合在外表面设置了硬质碳被膜的活塞环时，能够长期保持气缸内周面的平滑的形状和耐磨损性。附图说明图1是示意性地表示本专利技术的一个实施方式的活塞环的部分截面的图。图2是示意性地表示本专利技术的另一实施方式的活塞环的部分截面的图。图3是示意性地表示形成于活塞环的外周面的硬质碳被膜相对气缸进行滑动的状态的图。图4是示意性地表示硬质碳被膜为坚硬被膜的情况下，该硬质碳被膜相对气缸进行滑动的状态的图。图5是示意性地表示硬质碳被膜为柔软被膜的情况下，该硬质碳被膜相对气缸进行滑动的状态的图。图6是表示利用硬度试验机的加载卸载试验法得到的载荷-压入深度曲线的图。图7是表示往复运动滑动试验的方法的图。图8是表示硬质碳被膜的磨损量的算出方法的图。具体实施方式以下，对本专利技术的实施方式进行说明。需要说明的是，在本专利技术中，％只要没有特别的说明则表示质量％。本专利技术是具备有内燃机的气缸和在该气缸的内周面滑动的活塞环的气缸与活塞环的组合，活塞环外嵌于公知的活塞，活塞在气缸内往复运动时，活塞环的外周面在气缸的内周面滑动。＜气缸＞气缸的至少滑动面侧由铝合金构成，所述铝合金含有8质量％以上且22质量％以下的Si，并且含有粒径为3μm以上且选自Si、Al2O3和SiO2中的1种以上的粒子的。若铝合金中所含的Si不足8质量％，则析出的Si粒子的量、大小降低，变得难以得到充分的耐磨损性。并且，由于铝合金的强度不充分，因此保持于该铝合金基质内的上述粒子容易脱落，结果变得难以得到充分的耐磨损性。另一方面，若铝合金中的Si含量超过22质量％，则析出的Si粒子阻碍加工，因此生产成本变高。此外，上述铝合金含有粒径为3μm以上的选自Si、Al2O3和SiO2中的1种以上的粒子。这些粒子比Al硬，抑制构成铝合金的Al与活塞环表面直接接触、滑动，使耐磨损性提高。若上述粒子的粒径不足3μm，则耐磨损性无法充分提高。对于该粒子而言，也可以是在例如由上述铝合金铸造气缸时，合金中的Si析出，或者在铝熔液中添加了Al2O3或SiO2的粒子的分散强化合金。对于该粒子的粒径，对得到的气缸的截面的扫描型电子显微镜(SEM)图像而使用扫描型电子显微镜所附带的能量分散型X射线分析(EDX)装置，测定构成与Al基质(基底)不同组成的区域(粒子)的元素的二维分布。在实际的EDX的测定中，首先取得SEM像后，在EDX测定中以Al、Si、O(氧)作为测定对象，通过在Al的扫描分析(マッピング)基础上合并O的扫描分析结果，能够确定Al2O3或SiO2的分布。并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气缸与活塞环的组合，具备内燃机的气缸和在该气缸的内周面滑动的活塞环，所述气缸的至少滑动面侧由铝合金构成，所述铝合金含有8质量％以上且22质量％以下的Si，并且含有粒径为3μm以上的选自Si、Al2O3和SiO2中的1种以上的粒子，在所述活塞环的至少外周面被覆有仅由氢和碳构成的硬质碳被膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.14 JP 2012-056685;2012.09.25 JP 2012-210321.一种气缸与活塞环的组合，具备内燃机的气缸和在该气缸的内周面滑动的活塞环，所述气缸的至少滑动面侧由铝合金构成，所述铝合金含有8质量％以上且22质量％以下的Si，并且含有粒径为3μm以上的选自Si、Al2O3和SiO2中的1种以上的粒子，在所述活塞环的至少外周面被覆有仅由氢和碳构成的硬质碳被膜，所述硬质碳被膜的马氏硬度即压入硬度为5GPa以上且13GPa以下，所述硬质碳被膜的杨氏模量为70GPa以上且200GPa以下，所述硬质碳被膜的氢含量为20原子％以上且35原子％以下，在此，“仅由氢和碳构成”是指：在硬质碳被膜整体的成分中，氢和碳的合计为98原子％以上，且在除去氢的成分之中，碳为97原子％以上。2.一种气缸与活塞环的组合，具备内燃机的气缸和在该气缸的内周面滑动的活塞环，所述气缸的至少滑动面侧由铝合金构成，所述铝合金含有8质量％以上且22...

【专利技术属性】
技术研发人员：辻胜启，筱原章郎，诸贯正树，
申请(专利权)人：株式会社理研，
类型：发明
国别省市：日本;JP