(57)【要約】  内燃モータ用のピストン（２０）は、少なくとも部分的に研磨され、その後８ＧＰaを越える硬度を有しかつ０．２０未満の摩擦係数を有しているコーティング（２６）を被覆された表面（２４）を有しているスカート（２２）を有する。該ピストンは、性能の向上、寿命の延長、および低減された摩擦を有する。
2007526959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スカート（２２）を備えている内燃モータ用のピストン（２０）であって、
前記スカートが、少なくとも部分的に研磨され、その後に８ＧＰａより高い硬度を有しかつ０．２０未満の摩擦係数を有しているコーティング（２６）を被覆された表面を有することを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記スカート（２２）が平坦な表面形態の表面を有し、かつそれが少なくとも部分的に１．０未満の十点平均粗さＲｚを有している、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記スカート（２２）が、少なくとも部分的に０．１５未満の算術平均粗さＲａを有している表面を有する、請求項１または２に記載のピストン。
【請求項４】
前記コーティング（２６）が、ダイアモンド状炭素コーティング、ダイアモンド状ナノ複合材コーティング、ウォルフラムカーバイドコーティング、またはそれらの組合せの群から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項５】
前記研磨面と前記コーティングとの間に中間結合層が存在している、請求項１から４のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項６】
前記中間結合層が、ダイアモンド状ナノ複合材コーティング、ドープダイアモンド状コーティング、ドープダイアモンド状ナノ複合材コーティング、ＴｉＮコーティング、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コーティング、ＳｉＮコーティング、ＣｒＮコーティング、ウォルフラムカーバイドコーティング、またはそれらの組合せからなる群から選択される、請求項５に記載のピストン。
【請求項７】
前記コーティングが、１マイクロメートルから１０マイクロメートルまでの範囲の厚さを有している、請求項１から６のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項８】
内燃機関モータのピストン（２０）を処理する方法であって、前記ピストンはスカート（２２）を有し、
ａ）前記スカート（２２）の表面を少なくとも部分的に研磨するステップと、
ｂ）前記少なくとも部分的に研磨された表面（２４）を、８ＧＰａより高い硬度を有しかつ０．２０未満の摩擦係数を有しているコーティング（２６）で被覆するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記コーティングが真空内で行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記コーティングが、ＣＶＤプロセス、ＰＶＤプロセス、ＰＡＣＶＤプロセス、または混合ＰＶＤ／ＰＡＣＶＤプロセスによって行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
内燃モータにおける請求項１から７のいずれか一項に記載のピストンの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃モータのピストンに関し、さらに詳しくは、ピストンスカートの表面の改善に関するものである。本発明はまた、ピストンスカートの表面を処理する方法およびピストンの使用にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピストンは広く知られており、内燃モータに使用されている。モータは、高温で毎分数千回転の周期で作動することが多い。ピストンの作動、およびさらに詳しくはシリンダボア内部のピストンの摩擦の低減に、多大な注意が払われてきた。摩擦の大幅な低減、または潤滑の大幅な改善は、モータの効率をかなり高めることができる。
【０００３】
ダイアモンド状コーティングのようなコーティングは、中でも特に、その硬度、その耐食性、およびその低い摩擦係数のため、当分野で周知である。ダイアモンド状コーティングは、バルブヘッド、ロッド、シャフト、ピストンリング、およびシリンダヘッドのような様々な自動車部品に成功裏に適用されてきた。
【０００４】
内燃モータのピストンの広く普及した使用にもかかわらず、かつダイアモンド状コーティングのような硬質コーティングの存在にもかかわらず、ピストンスカートへのダイアモンド状コーティングのような硬質コーティングの適用は、うまくいかず、かつダイアモンド状コーティングの他の適用と合致しないことが証明されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、先行技術の不利点を回避することである。
本発明のさらなる目的は、内燃機関モータの作業ピストンの摩擦を低減することである。
本発明の別の目的は、追加潤滑油の必要性を低減することである。
本発明のさらに別の目的は、内燃機関モータのピストンの寿命を高めることである。
本発明のさらに別の目的は、内燃機関モータのピストンの性能を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一態様では、スカート付きピストンを提供する。スカートは、少なくとも部分的に研磨され、その後８ＧＰａより高い硬度を有し、かつ０．２０未満の摩擦係数を有しているコーティングを被覆された表面を有している。
用語「硬度」は、ビッカース硬度を指す。
用語「摩擦係数」は、乾燥した状況でボールオンディスク（ｂａｌｌ  ｏｎ  ｄｉｓｋ）試験で測定された摩擦係数を指す。ここではＡＳＴＭ  Ｇ９９およびＤＩＮ  ５０  ３２４を参照されたい。摩擦試験は、フェニックス・トリボロジー・リミテッドによって提供されるＴＥ７９型のような多軸摩擦計によって実行することができる。
【０００７】
スカートの表面の一部分は、平坦な表面形状が得られるまで研磨することが好ましい。表面は少なくとも部分的に、１．０未満の十点平均粗さＲｚを有している。十点平均粗さは次のように決定される。標準片を粗さチャート上の平均線から標本化する。標本化された線の山と谷との間の距離をｙ軸方向に測定する。次いで、最高から五番目までの山の平均の標高と、最深から五番目までの谷の平均の標高を得る。次いで二つの値の合計をマイクロメートル（μｍ）単位で表わす。
【０００８】
スカートの表面の一部分は、０．１５未満の表面粗さＲａに達するまで研磨することが好ましい。用語「Ｒａ」は算術平均粗さを指し、その値はマイクロメートル（μｍ）単位で表わされる。Ｒａは０．０８から０．１５までの範囲であることが好ましく、０．０８から０．１２まで、例えば０．０８から０．１０までであることが最も好ましい。
【０００９】
本発明の作業は次のように説明することができる。
先行技術のピストンスカートには、ストライエーション（ｓｔｒｉａｔｉｏｎ）、隆条、または小さい溝が設けられる。一般的に、スカートの表面は、約７から８の十点平均粗さＲｚ、および約１から約５までの範囲の算術平均粗さＲａを有している。理由は、スカートの表面が、磨耗および摩擦を低減すると同時に摺動を可能にするために、潤滑油を維持しなければならないからである。スカートの比較的表面粗さが高い部分は、潤滑油のリザーバとして機能する。
【００１０】
したがって、スカートの表面は比較的高い山と深い谷の形状を有している。スカートにダイアモンド状炭素コーティングのような硬質なコーティングで被覆しても、既存の粗さは無くならない。山だけが硬質のコーティングによって覆われ、その部分のみ隣接部と接触する。山の表面積は、何らかの効果をもたらすには小さすぎる。
【００１１】
本発明は、スカートの表面が粗面でなければならないという、一般的に受け入れられる前提から出発している。本発明は、スカートの表面の形状が平坦化され、かつより多くの作業表面が得られてダイアモンド状炭素コーティングの効果がより顕著になるように、コーティングの前の研磨処理を提供する。
【００１２】
研磨処理は、既存の粗さおよび潤滑油に利用可能なリザーバを低減する。しかし、これは、ダイアモンド状コーティングの自己潤滑性のため、および余分な潤滑油の必要性が低減されるため、不利点とはみなされなかった。
【００１３】
ＪＰ−Ａ−２０００−３２０６７０は、油圧ポンプまたは油圧モータのピストンの表面処理方法を開示している。ボア内のピストンの摺動性能を改善するために、表面硬化処理が適用され、その後、硬化層が研磨され、研磨層にダイアモンド状炭素が被覆される。しかし、油圧ポンプまたは油圧モータの作動状況は、内燃モータの場合ほど厳しくない。
【００１４】
本発明では、硬質コーティングは、ダイアモンド状炭素コーティング、ダイアモンド状ナノ複合材コーティング、およびドープされた前記コーティングまたはそれらの組合せを含むウォルフラムカーバイドコーティングの群から選択されることが好ましい。
【００１５】
用語「ウォルフラムカーバイド」コーティングとは、ウォルフラムカーバイドコーティングそのものを指すが、ここでは炭素富化ウォルフラムカーバイドコーティング、または摩擦を低減するために炭素の追加層を有しているＷＣ／Ｃコーティングをも指す。
【００１６】
例えば、硬質コーティングは二つの層、つまりダイアモンド状コーティング（ＤＬＣ）の第一層と、ＤＬＣの摩擦係数よりさらに低い摩擦係数を有しているダイアモンド状ナノ複合材コーティング（ＤＬＮ）の表面層とを有することができる。ＤＬＣコーティング（ａ−Ｃ：Ｈ）は０から８０％の間の水素濃度を有しているｓｐ２およびｓｐ３混成炭素原子の混合物である。ＤＬＮコーティング（ａ−Ｃ：Ｈ／ａ−Ｓｉ：Ｏ）は、商標ＤＹＬＹＮ（登録商標）により市販されており、Ｃ、Ｈ、ＳｉおよびＯ：を含む。ａ−Ｓｉ：Ｏは高い温度安定性を強化し、より低い摩擦を導き、かつ膜応力を低減する。ａ−Ｃ：Ｈはダイアモンド状特性を提供する。
【００１７】
鋼またはアルミニウムの基材と硬質コーティングとの間の接着性を高めるために、研磨スカート面とコーティングとの間に中間結合層を設けることができる。中間結合層が存在する場合、中間結合層は、ダイアモンド状ナノ複合材コーティング、ドープダイアモンド状コーティング、ＴｉＮコーティング、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コーティング、ｉ−Ｃコーティング、ウォルフラムカーバイドコーティング、ＳｉＮコーティング、ＣｒＮコーティング、またはそれらの組合せからなる群から選択することができる。
【００１８】
研磨されたスカートの表面上の硬質コーティングは、１マイクロメートルから１０マイクロメートルまでの範囲、例えば２マイクロメートルから６マイクロメートルまでの範囲、例えば４μｍの厚さを有している。
【００１９】
本発明の第二態様では、スカートを有しているピストンを処理する方法を提供する。
本方法は、
ａ）スカートの表面を少なくとも部分的に研磨するステップと、
ｂ）このように研磨された表面を、８ＧＰａより高い硬度を有しかつ０．２０未満の摩擦係数を有しているコーティングで被覆するステップと、
を含む。
【００２０】
好ましくは、コーティングは真空下で、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスによって、最も好ましくはプラズマアシスト化学気相成長（ＰＡＣＶＤ）プロセスによって、または混合ＰＶＤ／ＰＡＣＶＤプロセスによって行われる。
【００２１】
本発明の第一態様に係る本発明のピストン、または本発明の第二態様に従って処理される本発明のピストンは、内燃機関モータで使用することができる。
【００２２】
本発明を、添付の図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００２３】
［先行技術の実施形態の説明］
図１は、ピストン１０の先行技術の実施形態を示している。ピストン１０はスカート１２を有している。その表面１４の拡大図も示される。この拡大図は、３から５までの範囲およびもっと高い粗さＲａを有している表面を示している。山の間の谷は潤滑油のリザーバとして役立ち、潤滑油を上方に上らせることを容易にする。この先行技術のピストンスカートの硬質コーティングによる被覆は、何ら実質的な利点をもたらさない。理由は、例えばシリンダボアとの接触が、山の表面に限定され、とても小さくなるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
実施形態１
図２は、本発明に係るピストン２０の実施形態を示している。ピストン２０は、鋼製またはアルミニウム製またはチタン製とすることのできるスカート２２を有している。スカート２２は、好ましくはその表面２４が０．１０未満の粗さＲａを得るまで、研磨処理を受けている。その後、ＰＡＣＶＤプロセスで、１μｍから６μｍの範囲の厚さ、１０ＧＰａより高い硬度、および０．２０未満の摩擦係数を有している硬質ダイアモンド状炭素コーティングを堆積する。
【００２５】
ＰＡＣＶＤプロセスは主に次のように行われる。
研磨されたスカートの表面２４を有しているピストン２０を真空チャンバ内に配置する。
元素ＣおよびＨを適切な比率で含有する液状有機前駆体を真空チャンバ内に導入する。フィラメントに５０から１５０Ａのフィラメント電流、５０から３００Ｖの負のフィラメントバイアスＤＣ電圧、および０．１から２０Ａの間のプラズマ電流を使用した、電子補助ＤＣ放電によって、導入された前駆体からプラズマを形成し、プラズマ中に形成されたイオンを引き付けるために、２００から１２００Ｖの負のＤＣバイアスまたは負のＲＦ自己バイアス電圧が印加されたピストンスカートに組成物を堆積させる。
【００２６】
プラズマの生成および真空蒸着は、単一のチャンバ内で実行することができる。ピストン２０は、米国特許第５，３５２，４９３号に示されたものと同様の仕方で、（真空チャンバの上部の）回転自在の支持体上に配設することができる。真空チャンバの基準圧は３×１０-7ｍｂａｒであり、一般的な作業圧力は拡散ポンプ（スロットル弁によって制御される）によって１×１０-4から１×１０-3ｍｂａｒに維持される。
【００２７】
ピストンスカート２２は、蒸着前にインサイチュ（Ａｒ-）プラズマエッチングプロセスによってクリーニングすることができる。このプラズマエッチングは３から３０分間続けることができる。蒸着プロセス中にピストンスカートの温度は一般的に２００℃を超えない。
【００２８】
液状前駆体は、真空チャンバ内に放出する前または放出中に、３０℃より高く予熱することが好ましい。液状前駆体は、例えば３０から５０％の空隙率を有している、例えば耐熱性多孔質体を介して、真空チャンバ内に送達される。液状前駆体は、それを蒸気または噴霧として多孔質体に送達する管中において、少量単位で連続的に計測することができる。さもなければ、液状前駆体は、チャンバを真空にする前にチャンバ内に配置される開口リザーバ内に一回の作業で導入することができる。このリザーバは、チャンバ内で蒸着プロセスの開始前に電気的に加熱して蒸気を形成させることができる。
【００２９】
一束のタングステン合金フィラメントが、接地された多孔質体の前に約−１５０Ｖ（ＤＣバイアス電圧）で一般的にカソードとして配置される。多孔質体の後部に前駆体用の入口管を有する多孔質体自体を、チャンバの下部に装着することができる。フィラメント束は、例えば垂直面内に１５から３０ｃｍの長さの半円形に凸状に屈曲される。カソードフィラメントの電流は５０から１２０Ａ（ＡＣ）の間であることが好ましい。次いでプラズマ電流（フィラメント束と接地された多孔質体との間で測定される）は一般的に約０．５から３Ａとすることができる。前駆体の予熱は、後で（プラズマを発生するために）カソードフィラメントで必要になる電流を低減できるという利点をもたらすことができる。
【００３０】
屈曲したカソード束の最上領域とピストンスカートとの間の距離は、少なくとも約２０ｃｍである。蒸着は、一般的に約４００Ｖの負のＲＦ自己バイアス電圧を印加される基材支持体によるプラズマイオンの吸引により底部から頂部に向って発生する。また、ＲＦ周波数は、米国特許第５，３５２，４９３号に従って使用されるものよりずっと低く、つまり１００から５００ｋＨｚの間、特に約２００から３００ｋＨｚであることが好ましい。
【００３１】
二工程サイクルのモータ用の本発明のピストンは、既存の先行技術のピストンに対して改善された挙動を示した。この改善された挙動は、寿命の延長または性能の向上の結果得られたものであった。
【００３２】
実施形態２
研磨したピストンスカート２２に次の二重コーティングを堆積した。
最初に３μｍのダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）コーティングを行う。
その後、ＤＬＮの通常低い摩擦係数から利益を得るため、１μｍのダイアモンド状ナノ複合材（ＤＬＮ）コーティング（例えばＤＬＣでは０．２０未満であるのに対して、ＤＬＮでは０．１０未満）を行う。ＤＬＣの硬度はより低いが、ＤＬＮトップコートは以前として１０ＧＰａより高い硬度を有している。
【００３３】
実施形態３
研磨したピストンスカートに最初に何らかの結合層を堆積させ、その後にｉ−Ｃコーティングを堆積した。
ＴｉＮ層
Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）層
ｉ−Ｃコーティング。
コーティングは、３０ＧＰａより高い硬度、および０．１０未満の摩擦係数を有している。
【００３４】
実施形態４
研磨したピストンスカートに最初に窒化シリコンをドープしたダイアモンド状炭素コーティングの結合層を堆積する。このコーティングは、基材に対して優れた接着性を有している。その後、ＤＬＣ最上層を堆積する。
【００３５】
実施形態５
研磨したピストンスカート上に結合層として最初にＤＬＮ層を堆積する。その後、ＤＬＣトップコーティングを堆積する。
【００３６】
実施形態６
ピストンスカートの初期の粗面は次の粗さパラメータを有した。
Ｒａ＝０．７９μｍ
Ｒｚ＝６．３２μｍ
研磨後、ピストンスカートは、次の粗さパラメータを有している平滑な平面を持っていた。
Ｒａ＝０．０２μｍ
Ｒｚ＝０．２１μｍ
研磨されたピストンスカートをその後、ＤＬＣコーティングで被覆した。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ピストンの先行技術の実施形態を示す略図である。
【図２】本発明の第一態様に係るピストンを示す略図である。
【図１】
2007526959.tif 000003
【図２】
2007526959.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成18年11月28日(2006.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
スカート（２２）を備えている内燃モータ用のピストン（２０）であって、
前記スカートが、少なくとも部分的に研磨され、その後に８ＧＰａより高い硬度を有しかつ０．２０未満の摩擦係数を有しているコーティング（２６）で被覆された表面を有することを特徴とするピストン。
【国際調査報告】
2007526959.tif 000005
2007526959.tif 000006
2007526959.tif 000007