(57)【要約】本発明は、概して内燃エンジンに関し、より具体的には、本発明は、内燃エンジンのシリンダのコーティング方法、または内燃エンジンの着脱可能なライナに関する。本発明の実施形態によると、方法はプラズマ補助化学蒸着によって実現され、当該方法は、ａ）蒸着システムに構成要素を提供する段階と、ｂ）蒸着システム内で、アルゴン、水素またはそれらの混合物から形成される不活性ガス雰囲気において４００〜６００ｍＴｏｒｒの負圧を発生させる段階と、ｃ）蒸着されるべき表面を３００〜５５０Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で活性化する段階と、ｄ）１００〜３００ｍＴｏｒｒの圧力においてアルゴン、窒素、炭化水素ガスまたはそれらの混合物の存在下で８００〜１２００Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で構成要素を電離させる段階と、ｅ）炭化水素ガスによって形成される雰囲気において２００〜５００ｍＴｏｒｒの圧力および５０〜４００Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で前駆体としてケイ素を使用する付着層を蒸着させる段階と、ｆ）前駆体が完全になくなるまで非晶質炭素が徐々に増加しかつ前駆体のケイ素が徐々に減少する遷移層を蒸着させる段階と、ｇ）非晶質炭素を含みかつ前駆体を含まない上層を蒸着させる段階とを含んでいる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ補助化学蒸着によって内燃エンジンのシリンダをコーティングする方法であって、
ａ）蒸着システムに構成要素を提供する段階と、
ｂ）上記蒸着システム内で、アルゴン、水素またはそれらの混合物から形成される不活性ガス雰囲気において４００〜６００ｍＴｏｒｒの負圧を発生させる段階と、
ｃ）蒸着されるべき表面を３００〜５５０Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で活性化する段階と、
ｄ）１００〜３００ｍＴｏｒｒの圧力においてアルゴン、窒素、炭化水素ガスまたはそれらの混合物の存在下で８００〜１２００Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で上記構成要素を電離させる段階と、
ｅ）炭化水素ガスによって形成される雰囲気において２００〜５００ｍＴｏｒｒの圧力および５０〜４００Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で前駆体としてケイ素を使用する付着層を蒸着させる段階と、
ｆ）上記前駆体が完全になくなるまで非晶質炭素が徐々に増加しかつ上記前駆体のケイ素が徐々に減少する遷移層を蒸着させる段階と、
ｇ）非晶質炭素を含みかつ前駆体を含まない上層を蒸着させる段階とを含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１において、
上記シリンダが、内燃エンジンのブロック内に直接的に形成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１において、
上記シリンダが、内燃エンジンのブロックの着脱可能なピストンライナに形成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１において、
上記シリンダが、金属材料で実現されている
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４において、
上記金属材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、鋳鉄、または鋼である
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１において、
段階（ｄ）における雰囲気が、アルゴンおよび窒素を異なる比率で含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１において、
段階（ｄ）における雰囲気が、アルゴンおよび炭化水素ガスを異なる比率で含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１において、
上記炭化水素ガスが、ＣＨ２および／またはＣＨ４および／またはＣ２Ｈ２および／またはＣＨ３ＳｉＣｌ３および／またはＣ４Ｈ１４ＯＳｉ２である
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１において、
蒸着速度が、１μｍ／分以上である
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法によって製造されるエンジン用のシリンダ／ライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して内燃エンジンに関し、より具体的には、本発明は、内燃エンジンのシリンダのコーティング方法、または内燃エンジンの着脱可能なライナに関する。
【背景技術】
【０００２】
既知のオットーサイクルまたはディーゼルサイクルを利用するエンジンのような内燃エンジンは、例えば貨物自動車や機関車を含む、乗用車、運搬車および貨物車のような人間および物品の両方の移動用途向けの乗り物において広く一般に使用されている。要約すると、これらのエンジンは、例えば化石燃料または再生可能資源に由来する燃料のような高い炭化水素含有量を有する燃料を、当該燃料の燃焼から生じる熱エネルギーを運動エネルギーに変換するために使用する。
【０００３】
今日では、内燃エンジンによって発生する排気ガスの低減に関して関心が高まっており、当該排気ガスは大気中における二酸化炭素の生成の大部分の原因である。気候変動は今日において最も問題とされる環境的な課題の一つであって、深刻な影響を有するかもしれない。この問題は、温室効果ガス（ＧＧｓ）、その中でも二酸化炭素の大気中濃度の増大に関連する温室効果の深刻化に起因している。
【０００４】
近年では、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素ガス（ＨＣｓ）、または窒素酸化物（ＮＯｘ）のような有害ガスや粒子状物質および／または他の温室効果ガスの環境への排出を最小限に抑えるという目的の下、一連の技術が内燃エンジンに実装されてきている。ガスの排出量の低減は、他の要因の中でも、エンジンの熱的性能の向上およびしたがって、特定の燃料消費量の低減に関連している。
【０００５】
この意味において、例えば電子インジェクション、触媒、粒状物質フィルタのような技術が、今日、普及してほとんど義務的な態様で全ての内燃エンジンにおいて用いられている。直接燃料噴射、およびディーゼルサイクルを利用するエンジンのためのコモンレールのような他のより最近の技術や、機械式コンプレッサまたはターボコンプレッサのような長年にわたって知られてきた技術のより広いスケールでの利用が、エネルギー効率の向上およびいっそう厳しい排ガス規制の遵守といった目的にまた関連してきている。
【０００６】
結果として、内燃エンジンは、シリンダ内におけるピストンの変位量あたりのより高い出力を発達させており、一般に比出力として表示される。１９８０年代のオットーサイクル内燃エンジンの性能が、平均して、５０ＣＶ／ｌを達成した一方で、今日のそれは１００ＣＶ／ｌ以上を容易に達成し得る。このことはシリンダの内部における燃焼圧力が非常に増大したことを意味しており、また内燃エンジンが高速回転を伴うより高い機械的ストレスおよびより高い温度の下で作動していることを表している。この態様において、内燃エンジンの構成要素は、アセンブリの信頼性を確保するため、および期待される動作寿命を維持するために、同様にこれらの過酷な動作条件に耐えるような寸法に作られなければならず、当該動作寿命は今日では自動車のオットーサイクルエンジンにおいて約３０万ｋｍと推定される。
【０００７】
加えて、一般にスタート／ストップとして知られる技術がいっそう一般的になってきており、それによると内燃エンジンは、例えば、乗り物が動いていないときに自動的に停止し、運転者がクラッチを動作させまたはブレーキペダルを放したときに再始動する。この技術は、例えば交通信号や交通渋滞で止まって乗り物が動いていないときに、燃料の消費量およびしたがってガスの排出を低減するという目的を有している。とは言っても、内燃エンジンの定常的な停止および再始動は、構成要素がより頻繁に低度の潤滑にさらされることを意味しており、この態様では内燃エンジンの構成要素の摩耗が増大する。
【０００８】
したがって、内燃エンジンは、機械的ストレス、回転および温度の増大という意味、ならびに潤滑の低下という意味の両方において、いっそう過酷な動作条件にさらされている。
【０００９】
内燃エンジンによって生じるストレスに最もさらされる構成要素の一つは、シリンダまたはピストンライナであって、後者は着脱可能なライナを用いるエンジンブロックの場合である。比出力の増大が、一様に、シリンダまたはライナの壁部に作用するより大きな圧力を意味することは明らかである。したがって、それらは圧力および摩擦の両方のより大きなストレスに耐えなければならない。
【００１０】
要約すると非晶質炭素材料からなるダイヤモンド型の炭素（ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ）で実現されるコーティングが知られており、それらは様々な形態で実現され得かつダイヤモンドに似た特性を有する一方で、しかしながら、大きな面積にわたって堆積され得ることや金属材料に対する高い付着性といった利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際特許公開第２０１２／１０６７９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＤＬＣにより実現されるそのようなコーティングは、優れた硬度、およびしたがって優れた耐摩耗性および低摩擦といった多くの利点を呈する。それにも関わらず、既知の従来の方法によると、基材に対するコーティングの完全な接着に関しては問題があり、その事実は高い動作圧力にさらされた場合にコーティングが分離することを意味し得る。加えて、堆積のレベルは比較的低く、生産性および製造コストについて妥協を要する。
【００１３】
本発明の目的は、従来技術において直面する欠点を克服する、シリンダのコーティング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
したがって、本発明の第１の目的は、コーティングと基材との間のより優れた付着性を提供する、シリンダのコーティング方法、特にＤＬＣによるコーティング方法を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、既知の方法と比較してより高いレベルの堆積を有する、シリンダのコーティング方法、特にＤＬＣによるコーティング方法を提供することである。
【００１６】
上述の目的を達成するために、特に、本発明は、内燃エンジンのシリンダをコーティングするための方法に関しており、当該コーティングはプラズマ補助化学蒸着によって実現され、当該方法は、ａ）蒸着システムに構成要素を提供する段階と、ｂ）上記蒸着システム内で、アルゴン、水素またはそれらの混合物から形成される不活性ガス雰囲気において４００〜６００ｍＴｏｒｒ（０．５３〜０．８ミリバール）の負圧を発生させる段階と、ｃ）蒸着されるべき表面を３００〜５５０Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で活性化する段階と、ｄ）１００〜３００ｍＴｏｒｒ（０．１３〜０．４ミリバール）の圧力においてアルゴン、窒素、炭化水素ガスまたはそれらの混合物の存在下で８００〜１２００Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で上記構成要素を電離させる段階と、ｅ）炭化水素ガスによって形成される雰囲気において２００〜５００ｍＴｏｒｒ（０．２７〜０．６７ミリバール）の圧力および５０〜４００Ｖｂｉａｓのバイアス電圧で前駆体としてケイ素を使用する付着層を蒸着させる段階と、ｆ）上記前駆体が完全になくなるまで非晶質炭素が徐々に増加しかつ上記前駆体のケイ素が徐々に減少する遷移層を蒸着させる段階と、ｇ）非晶質炭素を含みかつ前駆体を含まない上層を蒸着させる段階とを含んでいる。
【００１７】
本発明の追加的または代替的な実施形態によると、次の特徴が、単独でまたは組み合わせて存在していてもよい。
−上記シリンダが、内燃エンジンのブロック内に直接的に形成されている。
−上記シリンダが、内燃エンジンのブロックの着脱可能なピストンライナに形成されている。
−上記シリンダが、金属材料で実現されている。
−上記金属材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、鋳鉄、または鋼である。
−段階（ｄ）における雰囲気が、アルゴンおよび窒素を異なる比率で含んでいる。
−段階（ｄ）における雰囲気が、アルゴンおよび炭化水素ガスを異なる比率で含んでいる。
−上記炭化水素ガスが、ＣＨ２および／またはＣＨ４および／またはＣ２Ｈ２および／またはＣＨ３ＳｉＣｌ３および／またはＣ４Ｈ１４ＯＳｉ２である。
−蒸着速度が、１μｍ／分以上である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、特定の実施形態に関連して本発明について説明する。特定の実施形態について詳細に説明するが、それらはその原理の例示であると考えられるべきであって、本覚書に記載するものに本発明を限定するものではない。以下で教示する実施形態の異なる内容は単独であるいは任意の適当な組み合わせにおいて同様の技術的効果を奏するために用いられてもよいことを認識されたい。
【００１９】
上述したように、本発明の目的は、改善された耐摩耗性を有するシリンダまたはピストンライナを提供すること、および同様に、ピストンリングとシリンダまたはライナの壁部との間のより少ない摩擦を提供することである。
【００２０】
ＤＬＣ層の堆積は様々な技術によって実現され得、本発明の方法に対しては、中空陰極効果（ＨＣＥ）によって生成されるプラズマ補助化学蒸着（ＰＡＣＶＤ）による蒸着に特に関係がある。ＰＡＣＶＤプロセスでは、気相における層の蒸着をプラズマが補助する。蒸着されるべき層の要素を含む前駆体は、ガスまたは蒸気の形態で用いられる。これらの前駆体は、蒸着されるべき層に基づいて、特に、不活性ガスと関連付けられているかあるいは関連付けられていない、炭素、ケイ素または窒素であってもよい。
【００２１】
プロセスは構成要素を蒸着システム内に配置することによって開始され、この構成要素は、特に、内燃エンジンのシリンダであって、そのことは当該シリンダがエンジンブロックに直接的に形成されるかピストンライナによって形成されるかによらない。蒸着システムは中空陰極効果を有する、すなわち構成要素の先端の各々の陽極と連携して陰極として機能する構成部分を有する任意のＰＡＣＶＤ蒸着システムであってもよい。
【００２２】
続いて、典型的には４００〜６００ｍＴｏｒｒの低圧における不活性ガス雰囲気中で、蒸着システムの内部において真空形成が開始される。そのような不活性ガス雰囲気は、アルゴン、水素、またはそれらの混合物によって形成されてもよい。この蒸着システム内の不活性ガス雰囲気下での真空生成の段階は、構成要素の大きさや真空ポンプの能力に基づいて、１２０〜３００秒の間続き得る。
【００２３】
続いて、一連の蒸着プロセスが、１８０〜３６０秒間の不活性ガス雰囲気下での蒸着されるべき表面の活性化をもって開始され、バイアス電圧（Ｖｂｉａｓ）は３００〜５５０Ｖｂｉａｓまで上げられる。この表面活性化の段階は、構成要素の表面の電子照射およびこの態様において構成要素の加熱をもたらし、層の蒸着を受容するための表面クリーニングを可能とする。
【００２４】
続いて、基材へのＤＬＣ層の良好な付着を促進するための付着層を受容するために、構成要素の電離が開始される。この点において、電離段階は、アルゴン、窒素のような不活性ガスまたは、ＣＨ２および／またはＣＨ４および／またはＣ２Ｈ２および／またはＣＨ３ＳｉＣｌ３および／またはＣ４Ｈ１４ＯＳｉ２、もしくはそれらの混合物のような炭化水素ガスの存在下における、同様に１００〜３００ｍＴｏｒｒの低圧でのバイアス電圧の８００〜１２００Ｖｂｉａｓへの上昇を伴う。好ましい態様では、不活性ガス雰囲気はアルゴンと窒素の混合物、または、アルゴンと炭化水素ガスとの混合物を異なる比率において含んでいなければならず、この段階は被覆されるべき厚みに基づいて６０〜１８０秒続き得、好ましくは前駆体としてケイ素を使用する。
【００２５】
続いて、付着層の蒸着が続けられる。この段階では、バイアス電圧は５０〜４００Ｖｂｉａｓまで低下されなければならず、また圧力は好ましくは炭化水素ガスによって形成される雰囲気において２００〜５００ｍＴｏｒｒまで下げられ、前駆体としてケイ素を有する。典型的には、この段階は、所望のコーティング厚みに基づいて、６０〜２４０秒続き得る。
【００２６】
表面層と支持層との間の良好な付着を確保するために、基材に直交する方向において前駆体、この例ではケイ素の量が徐々に低減しかつ炭素の量が増大する勾配層から構成される遷移層が設けられなければならない。この意味において、遷移層が蒸着される際には、前駆体の割合の連続的な減少およびＤＬＣの割合の増大が存在し、以下でより明らかにするように、実質的にＤＬＣの蒸着により単独で形成される第３層に到達する。この態様において、この遷移層の蒸着の段階では、バイアス電圧は、得られる遷移層の所望の厚みに基づいて６０〜３００秒の間、２００〜５００ｍＴｏｒｒの圧力の炭化水素ガスによって実質的に形成される不活性ガス雰囲気において、５０〜４００Ｖｂｉａｓに維持されなければならない。遷移層の形成を終えると、遷移層の形成段階における圧力、バイアス電圧および雰囲気と同じ条件下における、実質的にＤＬＣで実現される上層の形成が開始され、その期間はＤＬＣ層の蒸着の厚みに基づいて１２０〜６００秒の間で変わり得る。
【００２７】
ここで記載したように得られるコーティングは、例えば、出願人の所有物であって参照により本明細書に組み込まれる特許文献１において知られており、当該コーティングは１〜２５μｍの総厚みを有していてもよい。本発明に係る方法によって得られる層が最新技術文献に記載されたものと技術的に類似しているにも関わらず、本発明に係る方法は、より迅速に層が実現される良好な蒸着速度、および基材へのＤＬＣ層のより強固な付着に加えて、当該ＤＬＣ層が機械的力にさらわれたときに「剥離」しまたは壊れないという利点を提供し、すなわち、当該方法は改善された摩擦学的特性を有するコーティングを可能とする。
【００２８】
基材は、鋳鉄、鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成され得る金属基材でなければならない。形成されるＤＬＣ表面層は、例えば低摩擦係数、高い耐摩耗性、高い硬度、および金属基材への優れた付着性といった、多数の利点を提供する。
【００２９】
本発明についてその特定の実施形態に関連して記載したが、当業者であれば本明細書に記載した教示から逸れることなく、上では考察していない変形例または組み合わせを実現できるであろうし、それに加えてこの説明的な覚書では考察していない他のアプリケーションに広げることができるだろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の原理の範囲内にある各々および全ての等価物を含むものと解釈されるべきである。
【国際調査報告】
2017500444.tif 000002
2017500444.tif 000003
2017500444.tif 000004