(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンボアと、そのピストンボア内を摺動し、ピストンボアの噴出口を開閉するニードルピストンで構成される燃料噴射インジェクタの製造方法において、ニードルピストンに、該ニードルピストンを拡径したヘッド部を形成すると共に、ピストンボアとニードルピストンの摺動クリアランスを構成するピストンボアのボア面の内径、ニードルピストンのヘッド部の外径を均一に形成し、摺動面を構成する前記ニードルピストンのヘッド部の側面及び該ニードルピストンのヘッド部の側面と対向する前記ピストンボアのボア面の両方に、ＣｒＮ及びＣｒ2Ｎを含む結晶からなるクロム窒化物被膜を、反応性スパッタリング法により、かつ、処理温度が２００〜２５０℃で成膜速度が０．５〜５μｍ／ｈｒで形成すると共に、そのクロム窒化物被膜を摺動方向全面に亘って均一な膜厚で形成し、表面硬度を１５００〜２５００ＨＶ、かつ、摩擦係数を対スチールで０．１２〜０．１８とすることを特徴とする燃料噴射インジェクタの製造方法。
【請求項２】
ピストンボアとニードルピストンの摺動クリアランスが５μｍ未満である請求項１記載の燃料噴射インジェクタの製造方法。
【請求項３】
プランジャバレルと、そのプランジャバレル内を摺動し、燃料を圧送するプランジャで構成される燃料噴射ポンプの製造方法において、プランジャバレルとプランジャの摺動クリアランスを構成するプランジャバレルの内径、プランジャの外径を均一に形成し、摺動面を構成する前記プランジャの側面及び該プランジャの側面と対向するプランジャバレルの内周面の両方に、ＣｒＮ及びＣｒ2Ｎを含む結晶からなるクロム窒化物被膜を、反応性スパッタリング法により、かつ、処理温度が２００〜２５０℃で成膜速度が０．５〜５μｍ／ｈｒで形成すると共に、そのクロム窒化物被膜を摺動方向全面に亘って均一な膜厚で形成し、表面硬度を１５００〜２５００ＨＶ、かつ、摩擦係数を対スチールで０．１２〜０．１８とすることを特徴とする燃料噴射ポンプの製造方法。
【請求項４】
プランジャバレルとプランジャの摺動クリアランスが５μｍ未満である請求項３記載の燃料噴射ポンプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射インジェクタの製造方法及び燃料噴射ポンプの製造方法に係り、特に、摺動クリアランスが微小な燃料噴射インジェクタの製造方法及び燃料噴射ポンプの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射インジェクタのニードルピストンとピストンボア、又は燃料噴射ポンプのプランジャとプランジャバレル等のような燃料系の摺動部材において、粘度の高い燃料、例えば軽油やガソリンを用いた場合、燃料自身が潤滑剤の役割も果たすため、摺動部の耐摩耗性について特に考慮する必要はなかった。
【０００３】
これに対して、粘度の低い燃料、例えばジメチルエーテル（以下、ＤＭＥと示す）やアルコール燃料を用いた場合、燃料自身による潤滑作用を期待することができないことから、摺動部における摩耗などを防ぐべく、耐摩耗性に優れた硬質被膜を摺動部に形成している。
【０００４】
摺動部に形成していた従来の硬質被膜として、ＴｉＮ被膜やＤＬＣ（Diamond Like Carbon）被膜などが挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ＴｉＮ被膜は、硬度が約2000ＨＶ以上と高いものの、摩擦係数が大きいことから、相手材に対する攻撃性が高いという問題があった。
【０００６】
一方、ＤＬＣ被膜は、硬度が3000ＨＶ以上とＴｉＮ被膜より更に高く、かつ、ＴｉＮ被膜より摩擦係数が小さいため、摺動部に形成する硬質被膜として非常に有用である。
【０００７】
しかし、粘度の低い燃料を用いる摺動部においては、粘度の高い燃料を用いる摺動部と同じ摺動クリアランスのままだと、燃料の漏れ量が多くなる（リークが大きくなる）ことから、粘度の高い燃料を用いる摺動部と比較して、摺動クリアランスを小さく（例えば、１０μｍ未満に形成）しなければならない。また、粘度の低い燃料を用いる摺動部においては、“かじり（焼付き）”の発生を防ぐことも問題となっており、硬質被膜としてＤＬＣ被膜を用いたとしても、かじりの発生を防ぐことは困難であった。
【０００８】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、摺動部において、摩耗や、かじりが生じるおそれがない燃料噴射インジェクタの製造方法及び燃料噴射ポンプの製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る燃料噴射インジェクタの製造方法は、ピストンボアと、そのピストンボア内を摺動し、ピストンボアの噴出口を開閉するニードルピストンで構成される燃料噴射インジェクタの製造方法において、ニードルピストンに、該ニードルピストンを拡径したヘッド部を形成すると共に、ピストンボアとニードルピストンの摺動クリアランスを構成するピストンボアのボア面の内径、ニードルピストンのヘッド部の外径を均一に形成し、摺動面を構成する前記ニードルピストンのヘッド部の側面及び該ニードルピストンのヘッド部の側面と対向する前記ピストンボアのボア面の両方に、ＣｒＮ及びＣｒ2Ｎを含む結晶からなるクロム窒化物被膜を、反応性スパッタリング法により、かつ、処理温度が２００〜２５０℃で成膜速度が０．５〜５μｍ／ｈｒで形成すると共に、そのクロム窒化物被膜を摺動方向全面に亘って均一な膜厚で形成し、表面硬度を１５００〜２５００ＨＶ、かつ、摩擦係数を対スチールで０．１２〜０．１８とするものである。
【００１０】
また、本発明に係る燃料噴射ポンプの製造方法は、プランジャバレルと、そのプランジャバレル内を摺動し、燃料を圧送するプランジャで構成される燃料噴射ポンプの製造方法において、プランジャバレルとプランジャの摺動クリアランスを構成するプランジャバレルの内径、プランジャの外径を均一に形成し、摺動面を構成する前記プランジャの側面及び該プランジャの側面と対向するプランジャバレルの内周面の両方に、ＣｒＮ及びＣｒ2Ｎを含む結晶からなるクロム窒化物被膜を、反応性スパッタリング法により、かつ、処理温度が２００〜２５０℃で成膜速度が０．５〜５μｍ／ｈｒで形成すると共に、そのクロム窒化物被膜を摺動方向全面に亘って均一な膜厚で形成し、表面硬度を１５００〜２５００ＨＶ、かつ、摩擦係数を対スチールで０．１２〜０．１８とするものである。
【００１１】
以上の構成によれば、摺動部の摺動クリアランスが微小なピストンボアとニードルピストン（又はプランジャバレルとプランジャ）であっても、摺動部において、摩耗や、かじりが生じるおそれがなくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１３】
機械加工によって製造した直後の燃料噴射インジェクタのピストンボア及びニードルピストンの要部断面図を図１に、第１の実施の形態に係る燃料噴射インジェクタのピストンボア及びニードルピストンの要部断面図を図２に示す。
【００１４】
図１に示すように、機械加工によって製造した直後のピストンボア１は内径Ｄ１のボア面１ａを有しており、また、ニードルピストン２は、外径がｄ１のヘッド部３と、ロッド部４を有している。つまり、ピストンボア１とニードルピストン２のクリアランスは、Ｃ１（＝（Ｄ１−ｄ１）／２）と表される。
【００１５】
図２に示すように、第１の実施の形態に係る燃料噴射インジェクタ２１は、図１に示した機械加工によって製造した直後のピストンボア１及びニードルピストン２の摺動部、即ちボア面１ａ及びヘッド部３の内、少なくとも一方の摺動部（図２中ではヘッド部３の外面３ａのみ）に、表面硬度が高く、かつ、低摩擦係数であり、膜厚ｔのクロム窒化物（ＣｒＮ及びＣｒ2Ｎを含む結晶）の被膜（以下、微結晶クロム窒化物被膜という）５を形成したものである。
【００１６】
ヘッド部３の外面３ａに膜厚ｔの微結晶クロム窒化物被膜５を形成することで、ニードルピストン１２の外径はｄ２（＝ｄ１＋２ｔ）となる。つまり、微結晶クロム窒化物被膜５を形成した後のピストンボア１とニードルピストン１２の摺動クリアランスは、Ｃ２（＝（Ｄ１−ｄ２）／２）と表される。
【００１７】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００１８】
微結晶クロム窒化物被膜のＸ線回折チャートを図３に示す。ここで、図３は、ターゲットをＣｕ、管電圧を３０ｋＶ、管電流を３０ｍＡ、固定角度を２°とした時の、微結晶クロム窒化物（ＣｒｘＮｙ）被膜のＸ線回折パターンを示している。
【００１９】
本実施の形態においては、機械加工によって製造した直後のピストンボア１及びニードルピストン２の少なくとも一方の摺動部に、表面硬度が高く（例えば約1500〜2500ＨＶ）、かつ、低摩擦係数（例えば、対スチールで0.12〜0.18）の微結晶クロム窒化物被膜５を形成している。この微結晶クロム窒化物被膜５は、前述したＤＬＣ（従来の硬質被膜）と比較して、摩擦係数は略同等又は同等以下であるものの、硬度が低く、適度な“馴染み性”を有しているため、摺動クリアランスＣ２が微小（例えば、１０μｍ未満）であっても、ピストンボア１とニードルピストン１２の摺動部において、摩耗や、かじりが生じるおそれがない。
【００２０】
また、微結晶クロム窒化物被膜５の形成方法として反応性スパッタリング法を用いることで、微結晶クロム窒化物被膜５の成膜速度を約０．５〜５μｍ／ｈｒの範囲で精度良く制御可能であり、この微結晶クロム窒化物被膜５の膜厚ｔを被膜形成部の全面に亘って均一とすることができる。このため、微結晶クロム窒化物被膜５の膜厚ｔを、約１〜１０μｍの範囲で自由に、かつ、精度よく（例えば、０．１μｍオーダー）制御しながら被膜形成をすることができる。これによって、膜厚ｔを精度よく制御しながらヘッド部３の外面３ａに微結晶クロム窒化物被膜５を形成できるため、許容される摺動クリアランスの同軸度が厳しい場合（例えば５μｍ未満）においても、摺動クリアランスＣ２を適正範囲内に収めることができる。
【００２１】
さらに、微結晶クロム窒化物被膜５の結晶構造は、図３に示すＸ線回折チャートからわかるように、回折ピ−クがブロードで、緻密な微細結晶構造であるため、結晶粒界がほとんどなく、被膜５の表面が非常に滑らかとなる。例えば、ＰＶＤ法により得られた従来のＴｉＮ被膜の表面粗さと比較して、反応性スパッタリング法により得られた本実施の形態の微結晶クロム窒化物被膜の表面粗さは半分以下となる。これによって、従来のＴｉＮ被膜と比較して、本実施の形態の燃料噴射インジェクタ２１における微結晶クロム窒化物被膜５の摩擦係数が小さくなる。
【００２２】
また、真空アーク放電イオンプレーティングやＨＣＤ（中空陰極放電）イオンプレーティング等のＰＶＤ法を用いてクロム窒化物被膜５の形成を行なうと、処理温度が高い（３００〜７００℃）ため、ニードルピストン１２のヘッド部３に高温による熱歪みが生じるおそれがあるが、本実施の形態の燃料噴射インジェクタ２１の微結晶クロム窒化物被膜５は反応性スパッタリング法により形成したものであるため、処理温度が２００〜２５０℃と低く、ニードルピストン１２のヘッド部３に熱歪みが生じるおそれは殆どない。
【００２３】
さらに、許容される摺動クリアランスの同軸度が厳しい場合であっても、上述した理由により、適正な摺動クリアランスＣ２を得ることができることから、ロット生産されたピストンボア１及びニードルピストン２の加工精度が、ある一定範囲内（例えば、±６μｍ以下）であれば本実施の形態の燃料噴射インジェクタ２１に適用可能であり、高精度に機械加工したピストンボア１及びニードルピストン２を用いる必要がない。
【００２４】
また、微結晶クロム窒化物被膜５の被膜形成は、バッチ式処理であり、複数個のニードルピストン２に対して同時に処理することができるため、生産性が良好である。
【００２５】
本実施の形態の燃料噴射インジェクタ２１のピストンボア１及びニードルピストン１２は、供給圧が高く、かつ、粘度の低い燃料（ＤＭＥやアルコール燃料など）を使用するコモンレール式噴射インジェクタのピストンボア及びニードルピストンに特に有効である。
【００２６】
また、本実施の形態においては、ニードルピストン２のヘッド部３の外面３ａのみに微結晶クロム窒化物被膜５を形成した場合について説明を行なったが、ピストンボア１のボア面１ａのみ、又はヘッド部外面３ａ及びボア面１ａの両方に微結晶クロム窒化物被膜５を形成してもよく、それらの場合においても本実施の形態と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。ここで、ヘッド部外面３ａ及びボア面１ａの両方に微結晶クロム窒化物被膜５を形成した場合、ヘッド部外面３ａ又はボア面１ａの片方のみに微結晶クロム窒化物被膜５を形成する場合と比較して、被膜形成時間を略半分に短縮することができ、更に生産性が良好となるという新たな作用効果が得られる。
【００２７】
さらに、本実施の形態においては、燃料系の摺動部材として、燃料噴射インジェクタ２１のピストンボア１及びニードルピストン１２について説明を行なったが、燃料系の摺動部材としては、ピストンボア１及びニードルピストン１２に限定するものではなく、その他の摺動部材、例えば、燃料噴射ポンプのプランジャバレル及びプランジャであってもよい。それらの場合においても本実施の形態と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。
【００２８】
【実施例】
＜試験１＞
Ｃｒ−Ｍｏ鋼であるＳＣＭ４１５（ＪＩＳ規格）を用いて、燃料噴射インジェクタのピストンボア及びニードルピストンを形成し、３組の試験材を得る。
【００２９】
（実施例１）
ニードルピストンをチャンバー内に配置し、そのヘッド部の表面に、膜厚４μｍの微結晶クロム窒化物被膜を反応性スパッタリング法により形成し、ピストンボアと合わせて実施例１の試験材とする。
【００３０】
反応性スパッタリング法の各種条件は、チャンバー容積が約１００Ｌ、Ｃｒ材からなるターゲット陰極のサイズが１５０ｍｍ×４５０ｍｍ、ターゲット陰極の出力が１０ｋＷ、基材加熱温度が２５０℃、基材バイアス電圧が−１００Ｖ、ターゲットシャッターは開、アルゴンガス流量が３５ｓｃｃｍ、窒素ガス流量が４０ｓｃｃｍ、成膜時におけるチャンバー内の全圧が０．４Ｐａ、成膜時間が６０分である。
【００３１】
（比較例１）
ニードルピストンをチャンバー内に配置し、そのヘッド部の表面に、実施例１と同程度の膜厚のＴｉＮ被膜をＰＶＤ法により形成し、研磨後、ピストンボアと合わせて比較例１の試験材とする。
【００３２】
（比較例２）
ニードルピストンをチャンバー内に配置し、そのヘッド部の表面に、実施例１と同程度の膜厚のＤＬＣ被膜をＰＶＤ法により形成し、研磨後、ピストンボアと合わせて比較例２の試験材とする。
【００３３】
実施例１及び比較例１，２の各試験材における被膜の表面硬度、摩擦係数、及び表面粗さについて評価を行った。ここで、摩擦係数は、スチールに対する値である。
【００３４】
実施例１の試験材における微結晶クロム窒化物被膜の表面硬度は2000ＨＶ、摩擦係数は0.15、表面粗さ（Ｒａ）は６ｎｍであった。
【００３５】
これに対して、比較例１の試験材におけるＴｉＮ被膜の表面硬度は2300ＨＶであり、実施例１と殆ど変わらなかった。しかし、摩擦係数は0.40、表面粗さ（Ｒａ）は１４ｎｍであり、それぞれ実施例１の２倍以上であった。
【００３６】
比較例２の試験材におけるＤＬＣ被膜の表面硬度は3000〜5000ＨＶであり、実施例１よりも高硬度であった。また、摩擦係数は0.10であり、実施例１よりも低摩擦であった。
【００３７】
＜試験２＞
Ｃｒ−Ｍｏ鋼であるＳＣＭ４１５（ＪＩＳ規格）を用いて、回転部材であるピン部材と、ピン部材の周面を締付けると共に回転するピン部材の周面と摺動する締付け部材を形成する。その後、表面硬度が６０．０（ＨＲＣ）のピン部材及び締付け部材に、順次、浸炭深さ１ｍｍの浸炭焼入れ処理、焼戻し処理、切削仕上げ加工を施し、３組の試験材を得る。
【００３８】
（実施例２）
切削加工後のピン部材をチャンバー内に配置し、その表面に、微結晶クロム窒化物被膜を反応性スパッタリング法により形成し、締付け部材と合わせて実施例２の試験材とする。
【００３９】
反応性スパッタリング法の各種条件は、実施例１の時と同様とする。
【００４０】
（比較例３）
切削加工後のピン部材をチャンバー内に配置し、その表面に、ＤＬＣ被膜をプラズマＣＶＤ法により形成し、締付け部材と合わせて比較例３の試験材とする。
【００４１】
プラズマＣＶＤ法の各種条件は、チャンバー容積が約１００Ｌ、Ｔｉ材からなるターゲット陰極のサイズが１５０ｍｍ×４５０ｍｍ、ターゲット陰極の出力が１０ｋＷ、基材加熱温度が２５０℃、基材バイアス電圧が−１４０Ｖ、プラズマ電流が８Ａ、ターゲットシャッターは閉、アルゴンガス流量が８５ｓｃｃｍ、アセチレンガス流量が１２０ｓｃｃｍ、成膜時におけるチャンバー内の全圧が２Ｐａ、成膜時間が６０分である。
【００４２】
（比較例４）
切削加工後のピン部材及びブロック材をそのまま使用（表面無処理）し、締付け部材と合わせて比較例４の試験材とする。
【００４３】
各例の試験材を摩擦摩耗試験機（FAVILLE FL-2）にセットし、それぞれ摩擦摩耗試験を行った。摩擦摩耗試験の各種条件は、試験環境が潤滑状態（潤滑剤；パラフィン系１００Ｎ）、ピン部材の回転数が３３０ｒｐｍ、スライド速度が１１０ｍｍ／ｓｅｃ、負荷条件が増加荷重モード（２００〜２５００ｋｇｆの範囲でピン部材を締付ける締付け荷重を１００ｋｇｆずつ増加させる）である。
【００４４】
実施例２及び比較例３，４の各試験材の摩擦摩耗試験結果を表１に、また、摩擦摩耗試験における各例の試験材の、焼付き時の耐久荷重（ｋｇｆ）と試験時間全体の平均摩擦係数を図４に示す。
【００４５】
【表１】
0004607383.tif 000002
【００４６】
表１及び図４に示すように、実施例２の試験材における摩擦係数は、試験開始初期においてこそ、比較例３，４の試験材における摩擦係数よりも大きい（0.174）ものの、試験時間全体を通じて摩擦係数は徐々に小さくなっていき、最小摩擦係数（0.048）は試験最終時（試験開始から１１５秒後）に得られ、試験時間全体における平均摩擦係数は0.068であった。また、実施例２の試験材の耐久荷重（２５００ｋｇｆ）及び耐久時間（１１５ｓｅｃ）は、摩擦摩耗試験機の締付け荷重が上限に達した時の値であって、焼付きは生じていなかった。
【００４７】
これに対して、比較例３，４の試験材における摩擦係数は、試験開始から一定時間に亘って、徐々に小さくなっていくが、試験開始から４２，１２秒後の荷重が１０００，５００ｋｇｆの時、焼付きが生じた。焼付き発生時の最終摩擦係数は0.137，0.435であり、また、試験時間全体における平均摩擦係数は0.070，0.212であり、比較例３，４の順に、最終摩擦係数及び平均摩擦係数が大きくなっている。
【００４８】
試験１及び試験２の結果より、ＴｉＮ被膜を形成した場合、高硬度であるが摩擦係数が大きいため、相手材に対する攻撃性が高く、摩擦摩耗試験は行っていないものの、おそらく焼付き（かじり）が生じ易いと推測される。また、硬質被膜形成なしの場合、硬度が低いため摩擦係数が小さいものの、小さな荷重を短い時間負荷しただけで容易に焼付き（かじり）が生じてしまうことが確認できた。さらに、ＤＬＣ被膜を形成した場合、高硬度・低摩擦であり、ＴｉＮ被膜と比較すると耐久荷重も大きく、かつ、耐久時間も長いが、焼付きが生じるのを防ぐことはできないことが確認できた。
【００４９】
これに対して、微結晶クロム窒化物被膜を形成した場合、ＤＬＣ被膜を形成した場合よりも硬度が低く、かつ、摩擦（初期摩擦）は大きくなるものの、耐久荷重及び耐久時間はＤＬＣ被膜の２倍以上となり、かつ、焼付きは生じないことが確認できた。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、摺動部の摺動クリアランスが微小なピストンボアとニードルピストン（又はプランジャバレルとプランジャ）であっても、摺動部において、摩耗や、かじりが生じるおそれがないという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】機械加工によって製造した直後の燃料噴射インジェクタのピストンボア及びニードルピストンの要部断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る燃料噴射インジェクタのピストンボア及びニードルピストンの要部断面図である。
【図３】微結晶クロム窒化物被膜のＸ線回折チャートである。
【図４】摩擦摩耗試験における各例の試験材の、焼付き時の耐久荷重（ｋｇｆ）と試験時間全体の平均摩擦係数を示す図である。
【符号の説明】
１  ピストンボア
１ａ  ボア面（摺動部）
２  ニードルピストン（被膜形成前のニードルピストン）
３  ヘッド部
３ａ  ヘッド部の外面（摺動部）
５  微結晶クロム窒化物被膜
１２  ニードルピストン（被膜形成後のニードルピストン）
２１  燃料噴射インジェクタ
Ｃ２  摺動クリアランス
【図１】
0004607383.tif 000003
【図２】
0004607383.tif 000004
【図３】
0004607383.tif 000005
【図４】
0004607383.tif 000006