汽缸与活塞环的组件制造技术

为了提供一种在由过共晶的Al-Si合金构成的汽缸上装配硬质碳被膜被覆活塞环时，均显示出优异的耐磨耗性的汽缸与活塞环的组件，在活塞环的至少外周滑动面上被覆层叠被膜，其从基材侧起按顺序，由金属层、含金属硬质碳层和无金属硬质碳层构成，马氏硬度(压痕硬度)HMs为5～13GPa，压痕弹性率E为70～200GPa，由塑性变形能Wp与弹性变形能We之比(Wp/We)表示的变形率Rpe在0.45以下，所述无金属硬质碳层的厚度Tmf相对于所述含金属硬质碳层的厚度Tm之比(Tmf/Tm)为2～8。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】汽缸与活塞环的组件
本专利技术涉及内燃机的汽缸和在汽缸的内周面滑动的活塞环的组件。
技术介绍
近年来，以汽车发动机为中心的内燃机，强烈要求燃油效率的提高。因此，以小型化、轻量化、减少摩擦损失等为目标的研究开发广泛进行。例如，尝试汽缸采用铝合金(以下称为“铝合金”。)，在活塞环上被覆低摩擦系数的硬质碳被膜(也称为“类金刚石碳膜(DiamondLikeCarbon：DLC)”。)。在铝合金汽缸中，有对于与活塞环直接滑动的部分镶铸铸铁制衬垫或实施镀覆的情况，但追求汽缸的冷却性能和成本这两方面的结果是，汽缸本身就使用耐磨耗性优异的铝合金，例如有比较硬的初晶Si的结晶析出的过共晶Al-Si合金。另一方面，从对于铝合金的化学上的稳定性和低摩擦系数的角度出发，活塞环尝试的是硬质碳被膜的应用。但是，硬质碳被膜，因成膜而致使内部存在很大的残留应力、以及碳键在化学性质上稳定这两个本质上的性质，由此与基材的密接性低，这成为实用化的巨大障碍。美国专利申请公报US2012/0205875A1(专利文献1)中公开有一种活塞环，其是被覆有DLC被膜的活塞环，其中，为了缓和残留应力，被膜其结构为：从内侧朝向外侧，由密接层、含金属DLC层、无金属DLC层构成，无金属DLC层的厚度相对于含金属DLC层的厚度，具有0.7～1.5的比，被膜厚度为5～40μm。即，利用同程度的厚度的含金属DLC层来抵消无金属DLC层的非常高的内部应力，从而改善密接性。在此，无金属DLC层的硬度，认为优选为1700HV0.02～2900HV0.02，在以经过珩磨的灰铸铁制汽缸套为对方材的实验中，显示出优异的摩擦·耐磨耗性能。但是实际情况是，以过共晶的Al-Si合金作为对手材，特别是在发动机的运转初期，在处于边界润滑的情况下，Si粒子脱落，作为磨料(研磨材)起作用，容易发生因局部应力增大造成的局部性的被膜剥离，无法供长期性的使用。
技术实现思路
本专利技术其课题在于，提供一种汽缸与活塞环的组件，在对由过共晶的Al-Si合金构成的汽缸组装有在外周面设有硬质碳被膜的活塞环时，均显示出优异的耐磨耗性。本专利技术者们以专利文献1(US2012/0205875A1)的被覆于活塞环的被膜结构为基础，进行了锐意研究，其结果想到，通过进一步降低最表面的无金属DLC层的残留应力，即将无金属DLC层的硬度与弹性率抑制得很低，直至与过共晶Al-Si合金的Si粒子同等水平，但是也抑制塑性变形能的增加，并且提高无金属DLC层的厚度相对于含金属DLC层的厚度的比，由此能够达成即使对于由过共晶Al-Si合金构成的汽缸，仍显示出优异的耐磨耗性的汽缸与活塞环的组件。即，本专利技术的汽缸与活塞环的组件，其特征在于，汽缸由以质量％计含有12～38％的Si的铝合金构成，活塞环至少在外周滑动面具有从基材侧开始按顺序由金属层、含金属硬质碳层、及无金属硬质碳层构成的层叠被膜，所述层叠被膜的马氏硬度(压痕硬度)HMs为5～13GPa，压痕弹性率E为70～200GPa，由塑性变形能Wp与弹性变形能We之比(Wp/We)表示的变形率Rpe在0.45以下，所述无金属硬质碳层的厚度Tmf相对于所述含金属硬质碳层的厚度Tm之比(Tmf/Tm)为2～8。所述无金属硬质碳层优选以原子％计，含有20～35％的氢。或者，优选以原子％计，含有15～30％的氢、3～12％的氮。所述金属层优选为从Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、W的群中选择的1或2种以上的元素所构成的金属层，所述含金属硬质碳层优选为含有从Si、Ti、Cr、Mn、Zr、Nb、W的群中选择的1或2种以上的元素的硬质碳层。另外，优选所述金属层是Cr层、所述含金属硬质碳层是含W硬质碳层。本专利技术的汽缸与活塞环的组件，使被覆于活塞环的层叠被膜最表面的无金属硬质碳层的硬度和弹性率，与过共晶Al-Si合金的Si粒子为同等水平，并且也抑制塑性变形能的增加，因此，即使从过共晶Al-Si合金制汽缸脱落的Si粒子以磨料形式存在于滑动面，无金属硬质碳层也不会产生裂纹，而仅仅局部性地磨耗，有助于抑制裂纹的生成及传播造成的被膜剥离。另外，据此对于含金属硬质碳层的厚度可以设定得厚一些，结果是，可以提供低摩擦损失并显示出长寿命的汽缸与活塞环的组件。附图说明图1是模式化地表示本专利技术的一个实施方式的汽缸的滑动面的组织的图。图2是模式化地表示本专利技术的一个实施方式的活塞环的局部截面的图。图3(a)是表示往复式滑动试验的方法的图。图3(b)是表示往复式滑动试验中的活塞环的滑动部分的图。图4是作为磨耗试验的结果，表示Tmf/Tm与磨耗量的关系的图。具体实施方式图1表示在本专利技术的一个实施方式的汽缸的滑动面，初晶Si粒子1以高面积率分散在共晶基体2(共晶Si粒子+铝基体)中的情况。Si含量以质量％计为12～38％。若Si含量低于12％，则软质的初晶Al结晶出来，磨耗进展，因此不为优选，另外若Si含量高于38％，则铸造自不必说，就连热挤出也变得困难，因此不为优选。通过包含压铸在内的铸造进行制造时，优选Si含量为18～22％，使急冷凝固粉末烧结固化后，通过热挤出法制造的优选Si含量为20～30％。另外，初晶Si粒子的尺寸优选为3μm以上，此外也优选含有Al2O3和/或SiO2。一般来说，热挤出法制造的Al合金被制造成管材，实施规定的加工，被镶铸在其他铸造性良好的Al合金所制造的汽缸体上。另一方面，如图2所示，活塞环在基材3上按顺序形成有金属层4、含金属硬质碳层5、及无金属硬质碳层6所构成的层叠被膜7。关于层叠被膜7，若考虑耐磨耗性(寿命)，则优选为2～10μm的膜厚。通过使最表面的无金属硬质碳层6的硬度和弹性率、与汽缸的滑动面主要承担载荷的初晶Si的硬度和杨氏模量(马氏硬度HMs9GPa，杨氏模量E130GPa左右)同等，能够避免Si粒子作为磨料起作用而产生的硬质碳层6的局部性的被膜剥离。本专利技术的被膜特性，因为被膜厚度薄，所以很难仅说成是最表面的无金属硬质碳层6的特性，因此为层叠被膜7整体的，或者也包含基材3的影响在内的特性，显微硬度试验中的马氏硬度HMs为5～13GPa，压痕弹性率E为70～200GPa，塑性变形能Wp与弹性变形能We之的比(Wp/We)所代表的变形率Rpe为0.45以下。若马氏硬度HMs低于5GPa，压痕弹性率E低于70GPa，或变形率Rpe高于0.45，则Si磨料导致层叠被膜7的磨耗增加，另一方面，若马氏硬度HMs高于13GPa，或压痕弹性率E高于200GPa，则Si磨料导致的层叠被膜7的局部性的被膜剥离发生，无法供长期使用。另外，层叠被膜7的磨耗，其磨耗粉末也促进Al合金制汽缸滑动面的磨耗。层叠被膜7的马氏硬度HMs优选为6～12GPa，更优选为7.5～11GPa。另外，层叠被膜的压痕弹性率E优选为90～180GPa，更优选为100～170GPa。此外层叠被膜的变形率Rpe优选为0.1～0.4，更优选为0.1～0.3。最表面的无金属硬质碳层6的厚度Tmf相对于含金属硬质碳层5的厚度Tm之比(Tmf/Tm)为2～8。若(Tmf/Tm)低于2，则最表面的无金属硬质碳层6的内部应力过度下降，硬度也变低，Si磨料造成的层叠被膜7的磨耗增加。另一方面，若(Tmf/Tm)高于8，则最表面的无金属硬质碳层6的内部应力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内燃机的汽缸与活塞环的组件，其特征在于，汽缸由以质量％计含有12～38％的Si的铝合金构成，活塞环至少在外周滑动面，具有从基材侧起按顺序由金属层、含金属硬质碳层和无金属硬质碳层构成的层叠被膜，所述层叠被膜的马氏硬度HMs为5～13GPa，压痕弹性率E为70～200GPa，由塑性变形能Wp与弹性变形能We之比即Wp/We表示的变形率Rpe在0.45以下，所述无金属硬质碳层的厚度Tmf相对于所述含金属硬质碳层的厚度Tm之比即Tmf/Tm为2～8。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.12.28 JP 2012-2867181.一种内燃机的汽缸与活塞环的组件，其特征在于，汽缸由以质量％计含有12～38％的Si的铝合金构成，活塞环至少在外周滑动面，具有从基材侧起按顺序由金属层、含金属硬质碳层和无金属硬质碳层构成的层叠被膜，所述层叠被膜的马氏硬度HMs为5～13GPa，压痕弹性率E为70～200GPa，由塑性变形能Wp与弹性变形能We之比即Wp/We表示的变形率Rpe在0.45以下，所述无金属硬质碳层的厚度Tmf相对于所述含金属硬质碳层的厚度Tm之比即Tmf/Tm为2～8，所述含金属硬质碳层由碳元素C和氢元素H，以及从Ti、Cr、Mn、Zr、...

【专利技术属性】
技术研发人员：国元晃，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