WO2004029422A1 - 自動車エンジン動弁系シム及びリフター、並びにこれらとカムシャフトとの組合せ - Google Patents

自動車エンジン動弁系シム及びリフター、並びにこれらとカムシャフトとの組合せ Download PDF

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film
hard carbon
shim
carbon thin
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Yutaka Mabuchi
Yoshiteru Yasuda
Masahiko Shioda
Mototaka Ishihara
Hisanori Ohara
Kazuhiko Oda
Yoshiharu Utsumi
Miki Irie
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Nissan Motor Co., Ltd.
Sumitomo Electric Industries, Ltd
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    • F01L2820/01—Absolute values

Definitions

  • the present invention relates to an automobile engine valve train shim or lifter excellent in friction characteristics and durability, and a combination thereof with a camshaft. More specifically, the present invention relates to a camrob which is a valve train part of an internal combustion engine for automobiles. Applied as a surface treatment to the sliding part of the mating material,
  • the present invention relates to a technique for imparting durability reliability and realizing a low friction coefficient for a hard carbon thin film formed by a PVD arc ion plating method.
  • Friction reduction is an important technology directly linked to reduction of fuel consumption of automobiles.
  • the sliding between the cam lobe and the rifle belongs to the class with the highest surface pressure in the internal combustion engine, and includes the moment when the oil film between the cam lobe and the lifter breaks on the mechanical structure, so the lubrication condition is extremely severe. I can say.
  • the method of reducing friction here is to improve the lubrication condition by smoothing the surface roughness of both, and to reduce the direct contact (metal contact) between the cam lobe and the rifle.
  • it is effective to reduce friction during metal contact by using a surface treatment including a solid lubricant or using an additive.
  • the biggest merit of hard thin film by PVD (physical vapor deposition) method or CVD (chemical vapor deposition) method is that surface treatment such as plating and surface hardening treatment such as heat treatment are compared. It has the advantage of obtaining extremely high surface hardness, and it can be expected that by applying it to sliding parts, the abrasion resistance will be significantly improved compared to the past. In addition, under lubrication, the deterioration of surface roughness due to wear can be suppressed, so that the mating material is worn due to the deterioration of surface roughness, and the friction due to the increase in direct contact with the mating material (metal contact) is increased.
  • a function of obtaining a smooth surface roughness can be expected by adapting the mating material by the fact that the hard thin film itself is hard, and as a result, both roughnesses are smoothed and the lubricating state is improved. It can be expected to improve.
  • amorphous carbon films such as diamond-like carbon (DLC) film, which is a type of hard thin film, have not only the high hardness of the film itself, but also the property of the film itself as a solid lubricant. It is known that it shows a remarkably low friction coefficient without lubrication.
  • DLC diamond-like carbon
  • the contact points when the contact points are viewed microscopically, they can be classified into a part that slides on the mating material through the oil film and a part that the protrusions of both surface roughness directly contact (metal contact).
  • metal contact metal contact
  • the effect of reducing the frictional force generated by the application of the DLC film is expected as in the case of non-lubrication, and in recent years, as a technology for reducing the friction of internal combustion engines, it has been applied to sliding members. Is being considered for application.
  • the present inventors have applied a hard carbon thin film formed by the PVD arc ion plating method to a lifter component and performed various analyses.As a result, the method according to the conventional proposal as described above is not necessarily used. It has been found that the durability of the membrane may not be sufficient.
  • the roughness of the cam side as the mating material is specified (JP11-294914A)
  • the roughness of the cam is specified, but the arc ion plating method is used. If the surface roughness of the hard carbon film on the film side exceeds a certain value, the film may be scratched due to sliding with the cam and peeling may occur due to sliding, regardless of the roughness of the cam.
  • the surface morphology of the film is specified (JP7-111832A)
  • the height of the macro particles (droplets) remaining on the surface of the film formed by the arc ion plating method is reduced.
  • the reason why the morphology of the film surface is specified in a certain range is to polish the surface of the counterpart material so that the counterpart material is not polished more than necessary, and Smooth surface roughness in a short time 2002/010057
  • the present invention has been made in view of the problems and the above findings of the conventional technology, and the object thereof is generally low ductility due to extremely high hardness compared to surface treatment such as plating.
  • the hard thin film is used to prevent cracking and peeling of the film that may occur when applied to sliding parts, to ensure durability reliability and to achieve a low coefficient of friction. Friction characteristics and durability
  • An object of the present invention is to provide an automobile engine valve train shim and a refill lid excellent in performance, and a combination of these with a camshaft.
  • the present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and found that the surface roughness and shape according to the surface hardness and thickness of the hard carbon thin film, particularly the DLC film, and the surface roughness and shape of the mating material, etc. It has been found that the above object can be achieved by appropriately controlling the above, and the present invention has been completed.
  • an automobile engine valve train shim or lifter of the present invention is an automobile engine valve train shim or lifter that slides against a cam lobe of a camshaft to drive an intake / exhaust valve for an internal combustion engine.
  • a hard carbon thin film is coated on the outermost surface of the sliding surface with the cam lobe as a mating material, and the hard carbon thin film has a surface hardness of 150 to 450 kg Z in mm 2, the film thickness is from 0.3 to 2.0 is zm, and the surface roughness R y (maximum height) m] has the following formula Ry ⁇ (0.75—HkZ8000) X h + 0.7 / 0.8)... (A) (where h is the thickness of the hard carbon thin film [ ⁇ ], and Hk is the gnu of the hard carbon thin film. Hardness [kgZmm 2 ]).
  • the surface roughness of the base material before forming the hard carbon thin film is 0.03 ⁇ m or less in terms of Ra (arithmetic average roughness), and The maximum value of the convex shape of the sliding surface after film formation is 10 / im or less.
  • the automobile valve operating system shim or rifle of the present invention is characterized in that the surface hardness of the substrate before the formation of the hard carbon thin film is 45 or more in terms of HRC (Rockwell hardness).
  • the combination of the vehicle engine valve train shim or lifter and the camshaft according to the present invention is a combination of the above-described shim or lifter and a camshaft, and is combined with the cam or lifter.
  • the surface roughness Ra of the cam lobe surface of the cam shaft is not more than 0.0, and the maximum value of the uneven shape of the cross-sectional roughness curve at the cam nose in the shaft direction is not more than 10 / m.
  • the thickness and hardness of the hard carbon thin film, especially the DLC thin film determine the load input conditions that the film can tolerate. For this reason, the input conditions for the film are determined by appropriately defining the factors of the surface roughness and shape of the film and the surface roughness and shape of the mating material with respect to the sliding conditions of the given film and the applied part. By controlling within the range, it is possible to prevent the occurrence of cracking and peeling of the film at the applied site, and to maintain the function as a film for a long period of time.
  • the present invention provides a hard carbon thin film by an arc ion plating method on a cam follower which is a valve operating part for an internal combustion engine, a shim which slides with a cam lobe part, and a lifter.
  • the purpose is to improve the reliability as a film by specifying the roughness and shape, and the roughness and shape of the mating material.
  • the present inventors have conducted intensive analysis on the case where the hard carbon thin film formed by the arc ion plating method is applied to a mating member that slides on the cam opening, and as a result, the hard thin film is particularly damaged during sliding, At this point, the relationship between film hardness, surface roughness, thickness, base material shape, mating material surface roughness, and shape was clarified at the point at which peeling occurred.
  • any type of damage can cause the film to break, and the film can be peeled microscopically as it is, or it can develop into a larger wound by dragging the peeled fragments. confirmed.
  • One of the causes of the excessive load is a conventionally known deposite generated in the film, which is a characteristic feature of the film formed by the PVD arc ion plating method.
  • This deposit is not a single ion or atomic particle during the film formation, but a single particle or a single particle that comes in a molten state remains in the film as it is. Further, since a hard carbon thin film grows around the periphery thereof, it is distributed as hard granular projections in the film.
  • the shearing force is applied to this by the sliding contact with the cam lobe, so that the scratch develops in a streak shape toward the outer periphery, leading to macro exfoliation of the film itself.
  • hardness there is a trade-off relationship between general hardness and ductility, and it is known that the harder the film, the lower the ductility of the film. That is, the lower the hardness of the film is, the higher the resistance to cracking of the film is.
  • the surface roughness of the thin film is defined based on the hardness and thickness of the film, and further, the surface roughness of the cam lobe and the base material.
  • the reason why the thickness of the PVD hard carbon thin film applied to the sliding part of the lifter and the mating member of the cam lobe is set to 0.3 / xm or more in claim 1, This is because, assuming the input, it was experimentally found that if the value was not more than this value, cracking of the film itself would occur.
  • the reason why the thickness is set to 2.0 // m or less is that if the thickness exceeds this value, a large residual stress is generated in the film due to film formation, and the warping of the substrate itself becomes a problem. Since the warpage of the film itself is a direction that promotes point contact in contact with the cam lobe, a film thickness larger than this may indirectly accelerate the cracking of the film due to poor contact.
  • the surface roughness of the hard carbon thin film was specified based on the relationship between the hardness and the thickness of the film.
  • the indentation depth h 'of the contact portion of the hard carbon thin film of Knoop hardness Hk allowed by the deposit particles or the roughness protrusion of the cam lobe is as follows, assuming that the thickness of the carbon thin film is h,
  • the surface roughness Ry of the carbon thin film was obtained by investigating various films, and assuming that the depot height remaining in the film was a,
  • the hard thin film leads to flaws, accompanying cracks and peeling due to the deposits inherent in the hard thin film, it can be prevented by specifying the surface roughness of the carbon thin film. '.
  • Claim 3 is a rule on the base material constituting the shim and the rifle for applying the hard carbon thin film.
  • the surface roughness of the substrate is reflected as the roughness of the film surface even after the film is formed, since the thickness of the hard carbon thin film is extremely thin. For this reason, when the surface roughness of the base material is rough, the projections of the roughness of the film surface increase the local contact surface pressure with the cam lobe, which causes the film to crack.
  • the shape of the base material after the hard carbon thin film is formed, the shape tends to be convex due to the residual stress of the film. If the height of the convexity is too high, the contact with the cam lobe changes from line contact to point contact. The analysis revealed that the increase in surface pressure when deposits and foreign substances were incorporated was greatly amplified.
  • the surface hardness of the sliding portion of the base material of the shim and the lifter is specified.
  • the amount of elastic deformation at the contact part is greatly affected not only by the hardness and thickness of the hard thin film but also by the hardness of the base material. Excessive stress is generated in the inside, leading to the occurrence of cracks in the film.
  • the maximum surface pressure generated in contact with the cam lobe is about 0.5 to 0.7 GPa. Within this range, if the hardness of the base material is 45 or more by HRC, the deformation of the base material It has been experimentally confirmed that the occurrence of cracks in the carbon thin film due to the shape can be suppressed.
  • Claim 5 relates to the combination of the above-described shim lifter of the present invention and a camshaft.
  • the surface roughness and the shape of the cam lobe which is a mating member of the shim lift are specified. are doing.
  • the surface roughness of the cam lobe is 0.08 tm or less in Ra, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the hard carbon thin film due to the protrusion of the surface roughness of the cam lobe. If the surface roughness exceeds 0.08 m, the thickness of the hard carbon thin film must be set to the thicker side accordingly, and the setting range of the film thickness is extremely narrow.
  • the shape of the cam lobe in the cam axis direction induces one-sided contact when sliding with the mating material, and significantly increases the surface pressure of the contact portion. This is a factor that greatly accelerates the influence of the inclusion.
  • the number of the concaves and convexes is 10 or less, the occurrence of cracks in the carbon thin film can be suppressed.
  • the hard carbon thin film coated on the outermost surface of the sliding surface may be formed by a PVD method, in particular, a diamond by arc ion plating.
  • a like carbon (DLC) thin film is preferable (claim 2), the present invention is not limited to this, and a hard carbon thin film obtained by another known method can be applied.
  • the surface according to the surface hardness and film thickness of the hard carbon thin film, especially the DLC film For the purpose of properly controlling the roughness and shape, and the surface roughness and shape of the mating material, the hardness of the film is extremely high compared to surface treatment such as plating.
  • This is an automotive engine valve system that suppresses film cracking and peeling that can occur when applied to automobiles, ensures durability reliability, and realizes a low friction coefficient, and has excellent friction characteristics and durability. Shims and riffs, and combinations thereof with camshafts can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a shim provided with a hard carbon thin film of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing one example of a valve lifter provided with the hard carbon thin film of the present invention.
  • FIG. 1 shows an example of the shim of the present invention
  • FIG. 2 shows an example of the valve lifter of the present invention
  • reference numeral 1 denotes a shim base material
  • 2 denotes a hard carbon thin film
  • 3 denotes a val-prifter base material
  • 4 denotes a hard carbon thin film.
  • An effect of the present invention is to reduce a friction loss with a cam lobe by forming a hard carbon thin film on a shim, and to obtain sufficient durability to maintain this characteristic.
  • friction was evaluated and evaluated by an engine experiment in which multiple cam lobes with different specifications and a shim with a hard carbon thin film formed on the sliding part were used, and the camshaft was driven directly by a motor. The durability was evaluated. Details of the tested combinations are shown in Table 1 as Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 8.
  • All of the hard carbon thin films used here were subjected to the PVD arc ion plating method.
  • the desired surface hardness and film thickness can be achieved.
  • polishing may be performed after film formation as required for some specifications. And finished to a predetermined surface roughness.
  • the finishing conditions in the same way, the cam lobe and shim base material were finished to a predetermined surface roughness and shape.
  • the test apparatus is a mechanism that directly drives the intake-side camshaft by a motor, taking out one cylinder (right side) of the V-type 6-cylinder 300 cc engine.
  • the torque generated during driving was averaged for one revolution, and this was used as a substitute value for friction between cam lobe noshims.
  • the durability of the hard carbon thin film formed on the shim was evaluated by checking the opening after sliding for a certain period of time and checking the occurrence of cracking and peeling of the film. The friction evaluation was performed after the durability evaluation. As a comparison of friction performance, a shim treated with a manganese phosphate coating, which is now widely used, was also tested. All tests were performed using new test pieces. Details of the test conditions are shown below. Table 1 shows the test results of Examples and Comparative Examples.
  • Camshaft rotation speed 200 rpm (equivalent to 400 rpm crankshaft)
  • Endurance evaluation test time 100 hours
  • Opening confirmation time 1 hour, 100 hours (after the end of the test)
  • Friction evaluation After completion of the test for 100 hours, the temperature was maintained at 100 rpm for 5 minutes, and calculated from the average value during this time.
  • Oil type for lubrication test Commercial engine oil, 10 W 30 SG standard
  • Valve lifter material SCM4 15 carburized hardened material
  • Cam lobe (cam shaft) Material FCA rutile ⁇ iron Table 1 Specifications and test results of the evaluated cam lobes / shims
  • Comparative Example 1 the hardness and thickness of the hard carbon thin film formed on the shim were substituted into the mathematical expression defined in claim 1, and the surface roughness was larger than the calculated upper limit of the surface roughness.
  • the surface roughness of the shim greatly exceeded the specifications, and at one hour after the test, radial hard flaws on the hard carbon thin film and accompanying peeling of the film were confirmed.
  • the thickness of the hard carbon thin film formed on the shim was as thin as 0.2 / m with respect to the thickness of 0.3 / im specified in Claim 1, and after 1 hour from the test. At the time, peeling of the hard carbon thin film due to cracking was mainly observed in the center of the shim.
  • the thickness of the hard carbon thin film formed on the shim is as thick as 2. with respect to the upper limit thickness of 2 m specified in Claim 1, and the convex shape of the shim after film formation is also specified in Claim 3.
  • the measured height of 10 m exceeded 12 and at 1 hour after the test, it was confirmed that the hard carbon thin film had radial scratches and the accompanying peeling of the film.
  • Comparative Example 4 showed that the shim substrate roughness was rough as R a O.06 m compared to the roughness R a 0.03 / m defined in claim 3, and at 1 hour after the test, the hard carbon thin film was used. In the center, peeling of the film along the processing line was confirmed at the center. At 100 hours later, macro peeling of the film was confirmed at the center of the entire shim. At 100 hours later, the entire shim was observed. In this case, macro peeling of the film was observed.
  • the surface roughness of the shim base material was as low as HRC 40 with respect to the value of HRC 45 or more specified in Claim 4, and the hard carbon thin film at the point of 1 hour after the test was mainly in the center. Peeling due to cracking of the film was confirmed, and at 100 hours later, peeling of the film was observed throughout.
  • Comparative Example 8 the shim was subjected to a manganese phosphate treatment in order to compare friction, and the friction torque was 1.2 NZm, which was a much higher value than Examples 1 to 6.
  • Example 1 can be said to be the best mode from the viewpoint of friction characteristics.

Abstract

内燃機関用吸排気バルブを駆動するためにカムシャフトのカムロブを相手材として摺動する自動車エンジン動弁系シム又はリフターが開示される。カムロブを相手材として摺動する面の最表面に、硬質炭素薄膜が被覆され、この硬質炭素薄膜は、表面硬さがヌープ硬さで１５００～４５００ｋｇ／ｍｍ２、膜厚が０．３～２．０μｍ、表面粗さＲｙ〔μｍ〕が、Ｒｙ＜｛（０．７５−Ｈｋ／８０００）×ｈ＋０．０７／０．８｝…（Ａ）（式中のｈは上記硬質炭素薄膜の厚さ〔μｍ〕、Ｈｋは上記硬質炭素薄膜のヌープ硬さ〔ｋｇ／ｍｍ２〕を示す）で表される関係を満足する。延性が少ないとされる硬質薄膜につき、摺動部品に適用した際に起こる膜の割れや剥離等を抑え、耐久信頼性を確保し且つ低摩擦係数を実現し、摩擦特性及び耐久性に優れた自動車エンジン動弁系シム、リフター及びカムシャフトの組合せが提供される。

Description

明 細 書 自動車エンジン動弁系シム及びリフタ一、 並びにこれらとカムシャフ卜との組 合せ 技術分野
本発明は、 摩擦特性及び耐久性に優れた自動車エンジン動弁系シム又はリフタ 一、 及びこれらとカムシャフトの組合せに係り、 更に詳細には、 自動車用内燃機 関の動弁系部品であるカムロブの相手材の摺動部へ表面処理として適用される、
P V Dアークイオンプレーティング法により成膜された硬質炭素薄膜について、 耐久信頼性を付与し、 且つ低摩擦係数を実現する技術に関するものである。 背景技術
自動車内燃機関において、 カムロブとその相手材のリフタ一又はリフタ一冠面 に取り付けられるシムとの間で発生する摩擦力ほ、 特にアイドルを含む低回転数 域において、 内燃機関全体の機械損失の 2 0 %を占め、 ここでのフリクション低 減は自動車の燃費低減に直結する重要技術である。
カムロブとリフ夕一間の摺動は、 内燃機関内で最も面圧が高い部類に属し、 機 構上、 カムロブとリフタ一間の油膜が切れる瞬間を含むため、 潤滑状態としては 極めて厳しい状況と言える。 このため、 ここでのフリクションを低減する方法と しては、 双方の表面粗さを平滑にすることで潤滑状態を改善し、 カムロブとリフ 夕一との直接接触 （メタルコンタクト） を減らすことや、 固体潤滑材を含む表面 処理や添加剤を用いることでメタルコンタク卜時のフリクションを下げることが 有効である。
最近、 このような点に着目し、 リフ夕一側の表面粗さを平滑にした上で窒化チ タン （T i N ) ゃ窒化クロム （C r 2N) といった硬質薄膜を適用した例や、 固体 潤滑材のニ硫化モリブデン （M o S を分散した樹脂材を摺動部にコーティング した例が知られている。
ところで、 P V D (phys i cal vapor depos i t ion) 法や C V D (chemi cal vapor depos i t i on) 法による硬質薄膜の最大のメリットは、 めっき等の表面処理ゃ熱処 理等の表面硬化処理に比べて著しく高い表面硬さが得られる点にあり、 摺動部位 に適用することで、 従来に比し耐摩耗性を大幅に向上することが期待できる。 また、 潤滑下においては、 摩耗による表面粗さの悪化を抑制できるため、 表面 粗さの悪化により相手材を摩耗させることや、 相手材との直接接触 （メタルコン 夕クト） が増加することによる摩擦力の増大を防ぎ、 潤滑状態を初期の状態のま ま長期間に亘り維持することを可能にする。 更に、 かかる硬質薄膜自体が硬いこ とで相手材をなじませることにより、 平滑化した面粗度を得る機能も期待でき、 その結果、 双方の粗さが平滑化して潤滑状態を良好な状態に改善することも期待 できる。
一方、 硬質薄膜の一種であるダイヤモンドライクカーボン （D L C ) 膜を始め とした非晶質系の炭素膜では、 膜自体の硬さが硬いことに加え、 膜自体に固体潤 滑材としての性質があり、 無潤滑下においては著しく低い摩擦係数を示すことが 知られている。
なお、 潤滑油中では、 接点をミクロに見た場合、 油膜を介して相手材と摺動す る部位と、 双方の表面粗さの突起部が直接接触 （メタルコンタクト） する部位と に分類でき、 直接接触するような部位においては、 D L C膜の適用によりそこで 発生する摩擦力を低減する効果が無潤滑下の場合と同様に期待され、 近年、 内燃 機関の低フリクション化技術として摺動部材への適用が検討されている。
ところが、 P V D法や C V D法による硬質薄膜は、 めっき等の表面処理と比較 して膜自体の内部応力が高く、 膜の硬さが著しく高いため、 機械部品の摺動部材 として用いると、 膜の基材からの剥離や膜の割れの発生が課題となることが多い。 なお、 膜の剥離に関しては、 膜と基材との密着性を考慮して適当な中間層を設け ることや、 膜を多層構造とすることで内部応力を緩和して改善する手法がこれま でに提案されている。
しかし、 膜自体の割れやそれに伴う剥離に関して、 特に硬質炭素薄膜の表面粗 さや形状、 相手材の粗さや形状を規定しこれを改善した例はあまり知られていな い。 '
これまでに提案されたものとしては、 相手材となるカム側の粗さを規定した例 がある （日本国特許出願公開公報 J P 1 1 - 2 9 4 1 1 8 A) 。 この技術では、 カムの粗さをある値以下とすることで、 膜への入力を制御し、 膜に発生する剥離 を抑制する考えを採用している。
また、 膜の表面形態を規定した例では、 アーク式イオンプレーティング法によ り成膜した膜に関して、 表面に残存するマクロパーティクル （ドロップレット） の高さと量を規定したものがある （日本国特許出願公開公報 J P 7 - 1 1 8 8 3 2 A) 。
しかしながら、 本発明者らがこれまでに P V Dアークイオンプレーティング法 による硬質炭素薄膜をリフタ一部品に適用し、 様々な解析を進めてきた結果、 上 述のような従来の提案に係る手法では必ずしも膜の耐久性を十分に確保できない ことがあることを知見した。
即ち、 まず、 相手材となるカム側の粗さを規定した例 （J P 1 1— 2 9 4 1 1 8 A ) では、 カムの粗さを規定しているが、 アークイオンプレーティング法によ る硬質炭素膜の膜側の表面粗さがある値を超えると、 カムの粗さによらず、 カム との摺動により生じる膜の傷やそれに伴う剥離が発生することがある。
一方、 膜の表面形態を規定した例 （J P 7— 1 1 8 8 3 2 A ) では、 アークィ オンプレーティング法により成膜した膜に関して、 表面に残存するマクロパ一テ ィクル （ドロップレット） の高さと量を規定しているが、 ここで膜表面の形態を ある範囲に規定した理由は、 相手材の表面を研磨することに関し、 必要以上に相 手材を研磨させないため、 及び如何に相手材の表面粗さを短期間に平滑化させる 2002/010057
かであり、 剥離に関する詳細な機構を考慮して設定されたものではない。 従って、 この規定範囲にあっても、 膜及び相手材の表面粗さや形状によっては剥離が発生 することがある。 更に、 従来の T i Nや C r N等の膜に対し、 硬質炭素薄膜では 脆性的な傾向が強いため、 それぞれの膜質に合った詳細な規定が必要であること も、 本発明者らの解析により明らかになつてきた。
以上のような理由から、 従来技術による提案手法では、 期待した硬質炭素薄膜 による効果を十分に得ることのできないことが明らかになった。 発明の開示
本発明は、 このような従来技術の有する課題や上記知見に着目してなされたも のであり、 その目的とするところは、 めっき等の表面処理に比べて硬度が極めて 高いために一般に延性が少ないとされる硬質薄膜について、 摺動部品に適用した 際に起こり得る膜の割れや剥離等を抑え、 耐久信頼性を確保し、 且つ低摩擦係数 を実現するものであって、 摩擦特性及び耐久性に優れた自動車エンジン動弁系シ ム及びりフタ一、 並びにこれらとカムシャフトの組合せを提供することにある。 本発明者らは、 上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、 硬質炭素薄膜、 特に D L C膜の表面硬さと膜厚に応じた表面粗さや形状、 及び相手材の表面粗さ や形状などを適切に制御することにより、 上記目的が達成できることを見出し、 本発明を完成するに至った。
即ち、 本発明の自動車エンジン動弁系シム又はリフタ一は、 内燃機関用吸排気 バルブを駆動するためにカムシャフ卜のカムロブを相手材として摺動する自動車 エンジン動弁系シム又はリフタ一であって、
上記カムロブを相手材として摺動する面の最表面に、 硬質炭素薄膜が被覆され、 この硬質炭素薄膜は、 その表面硬さがヌ一プ硬さで 1 5 0 0〜 4 5 0 0 k g Z mm2で、 膜厚が 0 . 3〜2 . 0 z mであり、 且つ表面粗さ R y (最大高さ） m〕 が、 次式 Ry< { (0. 75— HkZ8000) X h + 0. 07/0. 8 ) … （A) (式中の hは上記硬質炭素薄膜の厚さ 〔μπί〕 、 Hkは上記硬質炭素薄膜のヌー プ硬さ 〔kgZmm2〕 を示す） で表される関係を満足することを特徴とする。 また、 本発明の自動車エンジン動弁系シム又はリフタ一は、 上記硬質炭素薄膜 成膜前の基材の表面粗さが R a (算術平均粗さ） で 0. 03^m以下であり、 且 つ成膜後の摺動面の凸形状の最大値が 10 /im以下であることを特徴とする。 更に、 本発明の自動車動弁系シム又はリフ夕一は、 上記硬質炭素薄膜成膜前の 基材の表面硬さが HRC (ロックウェル硬さ） で 45以上であることを特徴とす る。
また、 本発明の自動車エンジン動弁系シム又はリフ夕一とカムシャフ卜との組 合せは、 上述の如きシム又はリフタ一と、 カムシャフトとの組合せであって、 上記カム又はリフタ一と組み合わされる上記カムシャフ卜のカムロブ面の表面 粗さ Raが 0. 0 以下であり、 且つこのシャフト方向のカムロブノーズ部 での断面粗さ曲線について、 凹凸形状の最大値が 10 / m以下であることを特徴 とする。
本発明においては、 硬質炭素薄膜、 特に DLC薄膜の厚さと硬さにより、 その 膜が許容できる負荷の入力条件が決まる。 このため、 与えられた膜と適用された 部位の摺動条件に対し、 膜の表面粗さや形状、 相手材の表面粗さや形状の各因子 を適切に規定することで、 膜に対する入力条件をある範囲内に制御し、 適用され た部位での膜の割れや剥離の発生を未然に防ぎ、 膜としての機能を長期間に亘り 維持することが可能となる。
以下、 本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明は、 内燃機関用動弁部品であるカムフォロア、 カムロブ部と摺動する相 手材であるシム及びリフタ一冠面に、 アークイオンプレーティング法による硬質 炭素薄膜を施し、 この膜についての表面粗さや形状、 相手材の粗さや形状を規定 することにより、 膜としての信頼性を改善することを目的とする。 本発明者らが、 アーク式イオンプレーティング法による硬質炭素薄膜をカム口 ブ部と摺動する相手材に適用した場合について鋭意解析した結果、 特に摺動中に 硬質薄膜に傷が生じたり、 これに伴う剥離が発生する点について、 膜の硬さや表 面粗さ、 厚さ、 基材の形状、 相手材の表面粗さ、 形状との関係が明らかになった 摺動によりカムの相手材に施した硬質薄膜に傷が入る場合、 傷の形態はいずれ も膜が割れて、 そのまま膜が微視的に剥がれたり、 又はこの剥がれた断片を引き 摺ることにより更に大きな傷に発展することが確認された。
傷が発生する要因は、 いずれも膜に対する負荷が問題となっており、 単に曲率 を持ったカムロブと平坦なシムの線接触から想定される面圧のみの問題であれば、 硬質薄膜の膜厚がある一定以上の値であればこのような割れには至らない。
負荷が過大になる原因としては、 一つは従来から知られている、 P V Dアーク イオンプレーティング法により成膜した膜特有の特徴である、 膜内に生じるデポ シットがある。 このデポジットは、 成膜中、 膜の原料となるターゲットから飛来 する粒子が単一なイオン又は原子状ではなく、 クラス夕一又は溶融状態で飛来し たものがそのまま粒子として膜に残存するもので、 更にその周囲を硬質の炭素薄 膜が積み重なるように成長するため、 硬質の粒状突起として膜内に分布する。 これらは摺動中に容易に脱落するため、 接触部に巻き込まれた場合、 カムロブ からの押し付け力を粒子を介して硬質薄膜を伝搬することとなり、 この部位での 局所的な圧力は、 カムロブのマクロな曲率を基に弾性変形を考慮して算出される ヘルツ面圧に比べ遙かに高いものであり、 膜の割れを誘発する原因となる。
更に、 カムロブとの滑り接触により剪断力がこれに加わるため、 傷は外周に向 けて筋状に発展し、 膜自体のマクロな剥離に至る。
もう一つの原因は、 カムロブの表面粗さが粗いことであり、 粗さの突起が局所 的な面圧を増大してしまう場合と、 カムとシムの線接触が双方の平坦度が悪い場 合に点接触となる場合である。
特に、 カムロブとシムの平坦度が悪いことで点接触になるケースは、 上述のデ ポシッ卜との複合効果により、 膜の割れを大きく加速する要因となり得る。 またこの一方で、 カムロブと、 硬質炭素薄膜を施した相手材シム及びリフ夕一 との摺動においては、 硬質薄膜の厚さや膜の硬さが膜の割れ発生の要因となり得 ることが解析により明らかになった。
膜の厚さが厚いほど、 ある荷重で粒子を押し付けた場合の変形量が減少するた め、 負荷に対する割れ発生への抵抗が高まる。 即ち、 それぞれの摺動条件におけ る負荷に応じ、 ある一定の膜厚さが必要となる。 また、 硬さについては、 一般の 硬さと延性はトレードオフの関係があり、 膜が硬いほど膜の延性が低下すること が知られている。 即ち、 膜の硬さがある程度低い方が膜の割れに対する抵抗が増 すこととなる。
以上の解析から、 カムロブの相手材摺動部へ硬質炭素薄膜を施した場合に、 膜 の硬さと厚さを基に薄膜の表面粗さを規定し、 更にはカムロブの表面粗さや基材 とカムロブの形状を詳細に規定することで、 硬質炭素薄膜による低摩擦係数を安 定して得る方法を本発明者らは見出した。
以下、 本発明において、 硬質炭素薄膜及びこれと摺動するカムロブなどについ て、 膜の硬さや厚さなどを規定した根拠について説明する。
本発明において、 請求項 1で、 カムロブの相手材シム及びリフタ一の摺動部に 施す P V D硬質炭素薄膜の膜の厚さを 0 . 3 /x m以上と規定した理由は、 カム口 ブからの入力を想定した場合、 実験的にこの値以上でないと膜自体の割れが発生 することが分かったためである。
一方、 厚さを 2 . 0 // m以下とした理由は、 この値を超えると、 成膜により膜 に大きな残留応力が発生し、 基材自体の反りが問題となるためである。 膜自体の 反りは、 カムロブとの接触において点接触を促す方向であるため、 これ以上の膜 厚では間接的に接触不良により膜の割れを加速する要因となる。
また、 硬質炭素薄膜の表面粗さの規定は、 膜の硬さと厚さとの関係より規定を 行った。 ヌープ硬さ Hkの硬質炭素薄膜が許容する接触部でのデポシット粒子又はカム ロブの粗さ突起による押し込み深さ h' は、 炭素薄膜の膜の厚さを hとした場合, 実験的に、
h ' /h= 0. 6 - HkZ l O O O O…①
との関係が求められた。
一方、 炭素薄膜の表面粗さ Ryは、 種々の膜に関して調査した結果、 膜内に残 存するデポシット高さを aとした場合、
a = 0. 8 R y - 0. 0 7…②
なる関係が成立することが分かつた。
硬質薄膜がそれ自体に内在するデポジットにより、 傷やそれに伴う割れ、 剥離 に至る場合については、 炭素薄膜の表面粗さを規定することで防げるため、 デポ シットがそのまま押し込み深さとして、 a<h' を満たせばよい。
以上の関係から、 これに基づく次式 （A)
Ry< { (0. 75 -Hk/8000) X h + 0. 0 7/0. 8} … (A) による規定を請求項 1で行った。
また、 請求項 3は、 硬質炭素薄膜を施すシム及びリフ夕一を構成する基材に関 する規定である。
基材の表面粗さは、 硬質炭素薄膜の膜厚が非常に薄いことから、 成膜した後も 膜表面の粗さとして反映される。 このため、 基材の表面粗さが粗い場合、 膜表面 の粗さの突起部がカムロブとの局部的な接触面圧を増大させ、 膜の割れを誘発す る原因となる。 また、 基材の形状に関しては、 硬質炭素薄膜の成膜後、 膜の残留 応力により形状が凸となり易く、 この凸高さが高すぎる場合、 カムロブとの当た りが線接触から点接触へと悪化し、 デポシットゃ異物嚙み込み時の面圧の増大を 大きく増幅させることが解析により明らかになった。
実験的に、 基材の表面粗さを R aで 0. 03 /zm以下、 凸形状については硬質 炭素薄膜を成膜した後の最終状態で 1 以下であれば、 硬質炭素薄膜の傷や 割れ、 及びこれらに伴う剥離に繋がらないことを確認した。
更に、 請求項 4では、 シム及びリフタ一の基材について、 摺動部での表面硬さ の規定を行っている。
カムロブとの摺動において、 接触部での弾性変形量については、 硬質薄膜の硬 さや厚さのみならず基材硬さの影響も大きく、 これがある値以下の場合、 基材の 変形に伴い薄膜内には過大な応力が発生し、 膜の割れ発生に繫がる。
カムロブとの接触において発生する最大面圧は 0 . 5〜 0 . 7 G P a程度であ り、 この範囲内においては、 基材の硬さを H R Cで 4 5以上とすれば、 基材の変 形に伴う炭素薄膜の割れ発生を抑えられることを実験的に確認した。
請求項 5は、 上述のような本発明のシムゃリフタ一と、 カムシャフトの組合せ に関するものであり、 この場合、 シムゃリフ夕一の相手材となるカムロブの表面 粗さ、 及び形状を規定している。
カムロブの表面粗さが R aで 0 . 0 8 t m以下であれば、 カムロブの表面粗さ の突起による硬質炭素薄膜の割れ発生を抑えることができる。 表面粗さが 0 . 0 8 mを超えると、 これに応じて硬質炭素薄膜の膜厚を厚い側に規定する必要が あり、 膜厚の設定範囲は極めて狭い範囲となる。
一方、 カムロブのカム軸方向の形状については、 相手材との摺動において片当 たりを誘発するものであり、 接触部の面圧を著しく向上させるため、 デポジット 又は油中に含まれる異物の嚙み込みの影響を大きく加速する要因となる。 この凹 凸が 1 0 以下であれば、 炭素薄膜の割れの発生を抑制することができる。 以上に説明した本発明のシム、 リフ夕一及びこれらとカムシャフ卜との組合せ において、 摺動面の最表面に被覆する硬質炭素薄膜としては、 P V D法、 特にァ —ク式イオンプレーティングによるダイヤモンドライクカーボン （D L C ) 薄膜 が好ましいが （請求項 2 ) 、 これに限定されものではなく、 従来公知の他法によ る硬質炭素薄腠であっても適用できる。
本発明によれば、 硬質炭素薄膜、 特に D L C膜の表面硬さと膜厚に応じた表面 粗さや形状、 及び相手材の表面粗さや形状などを適切に制御することとしたため、 めっき等の表面処理に比べて硬度が極めて高いために一般に延性が少ないとされ る硬質薄膜について、 摺動部品に適用した際に起こり得る膜の割れや剥離等を抑 え、 耐久信頼性を確保し、 且つ低摩擦係数を実現するものであって、 摩擦特性及 び耐久性に優れた自動車ェンジン動弁系シム及びリフ夕一、 並びにこれらとカム シャフトの組合せを提供することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の硬質炭素薄膜を施したシムの一例を示す断面図である。
図 2は、 本発明の硬質炭素薄膜を施したバルブリフタ一の一例を示す断面図で ある。 発明を実施するための最良の形態
図 1に本発明のシムの一例を示し、 図 2に本発明のバルブリフタ一の一例を示 す。 図 1及び図 2において、 符号 1はシムの基材、 2は硬質炭素薄膜、 3はバル プリフタ一の基材、 4は硬質炭素薄膜を示している。
以下、 本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、 本発明はこれ ら実施例に限定されるものではない。
(実施例 1〜 6、 比較例 1〜 8 )
本発明の効果は、 シムに硬質炭素薄膜を成膜することでカムロブとの間の摩擦 損失を低減することと、 この特性を維持する十分な耐久性を得ることにある。 こ れらの効果を確認するため、 仕様の異なる複数のカムロブと、 摺動部に硬質炭素 薄膜を成膜したシムを用い、 カムシャフトをモ一夕で直接駆動するエンジン実験 によりフリクションの評価と耐久性の評価を行った。 試験した組合せの詳細を実 施例 1 ~ 6、 比較例 1〜 8として表 1に示す。
ここで用いた硬質炭素薄膜は、 全て P V Dアーク式イオンプレーティング法に より成膜したもので、 成膜条件を変更することで所定の表面硬さや、 膜厚を実現 し、 また、 表面粗さについては、 一部の仕様につき必要に応じて成膜後に研磨加 ェを実施し、 所定の表面粗さに仕上げた。 カムロブとシム基材についても、 同様 に仕上げ加工の条件を変更することで、 所定の表面粗さと形状に仕上げた。 次に、 エンジンでの評価条件を説明する。
試験装置は V型 6気筒 3 0 0 0 c cのエンジンの一方のバンク （右側） 3気筒 を取り出したもので、 モータにより吸気側のカムシャフトを直接駆動する機構で ある。
駆動時に発生するトルクを 1回転で平均し、 これをカムロブノシム間のフリク ションの代用値とした。 シムに成膜した硬質炭素薄膜の耐久性は一定時間摺動し た後に開封確認し、 膜の割れや剥離の発生状況を確認することで評価した。 フリクション評価は、 耐久性評価の後に実施した。 フリクション性能の比較対 象として、 現在広く用いられているリン酸マンガン被膜処理を施したシムの試験 も行った。 なお、 試験は全て新品の試験片を用いて実施した。 試験条件の詳細を 以下に示す。 また、 実施例及び比較例の試験結果を表 1に示す。
カム軸回転数： 2 0 0 0 r p m (クランク軸 4 0 0 0 r p mに相当） 耐久評価試験時間： 1 0 0時間
開封確認時期： 1時間、 1 0 0時間 （試験終了後）
潤滑温度： 1 1 0 °C
フリクション評価： 1 0 0時間試験終了後、 1 0 0 0 r p mで 5分間保持し、 この間の平均値から算出した。
潤滑試験時の油種：市販エンジン油、 1 0 W 3 0 S G規格
バルブリフター材質： S C M 4 1 5浸炭焼き入れ材
カムロブ （カムシャフト） 材質： F C Aルチル铸鉄 表 1 評価したカムロブ/シムの仕様及び試験結果
* =(0.75-Hk/8000) x h+0.07/0.8 O :傷無し、 Δ :微視的な剥離有り、 X：マク αな剥離発生
Xは中止、処理無し品に差し替えて継続
表 1に示した試験結果について説明すると、 実施例 1〜 6はいずれも本発明の 範囲に属するものであり、 リン酸マンガン処理のシムを用いた組合せである比較 例 8に対し、 全ての組合せで著しく低いフリクション特性が得られ、 また、 1 0 0時間のエンジン試験後も、 シムに成膜した硬質炭素薄膜にはフリクション性能 に影響する傷や膜の割れ、 及びこれに伴う剥離は殆ど認められず、 十分な耐久性 を確認することができた。
比較例 1は、 シムに成膜された硬質炭素薄膜の硬さと厚さを請求項 1で規定す る数式に代入し、 算出される表面粗さの上限に対し、 表面のデポジットが多いた めに、 シムの表面粗さが大きく超えた仕様であり、 試験 1時間後の時点で硬質炭 素薄膜には放射状の傷とこれに伴う膜の剥離が確認された。
また、 比較例 2は、 シムに成膜された硬質炭素薄膜の厚さが請求項 1で規定す る厚さ 0. 3 /imに対して 0. 2 / mと薄く、 試験 1時間後の時点で硬質炭素薄 膜には膜の割れによる膜の剥離が主にシム中央部で多く確認された。
比較例 3は、 シムに成膜された硬質炭素薄膜の厚さが請求項 1で規定する上限 厚さ 2 mに対し 2. と厚く、 成膜後のシムの凸形状も請求項 3で規定さ れる高さ 1 0 mを 1 2 と超しており、 試験 1時間後の時点で硬質炭素薄膜 には放射状の傷とこれに伴う膜の剥離が確認された。
比較例 4は、 シムの基材粗さが請求項 3で規定される粗さ R a 0. 03 / mに 比べ R a O. 0 6 mと粗く、 試験 1時間後の時点で硬質炭素薄膜には加工目に 沿った膜の剥離が中央部に確認され、 1 00時間後の時点ではシム全体で膜のマ クロな剥離が中央部に確認され、 1 0 0時間後の時点ではシム全体で膜のマクロ な剥離が認められた。
比較例 5は、 カムロブの表面粗さが請求項 5で規定する値 R a 0. 08 //mに 対し R a O. 1 2 mと粗く、 試験 1時間後の時点で硬質炭素薄膜には放射状の 傷とこれに伴うマクロな膜の剥離が確認された。
比較例 6は、 カムロブの凹形状の高さが請求項 3で規定する値 1 に対し 1 2 mと大きく、 試験 1時間後の時点で硬質炭素薄膜には主に中央部で膜の割 れに伴う剥離が確認され、 1 0 0時間後の時点では全体に亘つて膜の剥離が認め られ.た。
比較例 7は、 シム基材の表面粗さが請求項 4で規定する値 H R C 4 5以上に対 し H R C 4 0と低く、 試験 1時間後の時点で硬質炭素薄膜には主に中央部で膜の 割れに伴う剥離が確認され、 1 0 0時間後の時点では全体に亘つて膜の剥離が認 められた。
比較例 8は、 フリクションの比較を行うためにシムにリン酸マンガン処理を施 したもので、 フリクショントルクは 1 . 2 NZmと、 実施例 1〜6に比べて大幅 に高い値を示した。
以上より、 実施例はいずれも比較例に比べて優れたフリクション特性と耐久性 を示し、 本発明の規定による効果を確認した。 なお、 現時点においては、 フリク ション特性の観点から、 実施例 1が最も良好な態様ということができる。
以上、 本発明を好適実施例により詳細に説明したが、 本発明はこれら実施例に 限定されるものではなく、 当業者は本発明の開示の範囲内において種々の変形実 施が可能である。

Claims

請求の範囲
1. 内燃機関用吸排気バルブを駆動するためにカムシャフ卜のカムロブを相手 材として摺動する自動車ェンジン動弁系シム又はリフ夕一であって、
上記カムロブを相手材として摺動する面の最表面に、 硬質炭素薄膜が被覆され、 この硬質炭素薄膜は、 その表面硬さがヌープ硬さで 1 500〜 4500 k gZ mm2で、 膜厚が 0. 3〜2. 0 mであり、 且つ表面粗さ Ry 〔 m〕 が、 次式
R y < { (0. 75 -Hk/8000) X h + 0. 07/0. 8 } ··· (A) (式中の hは上記硬質炭素薄膜の厚さ 〔Aim〕 、 Hkは上記硬質炭素薄膜のヌー プ硬さ 〔kgZmm を示す） で表される関係を満足することを特徴とする自動 車エンジン動弁系シム又はリフ夕一。
2. 上記硬質炭素薄膜が、 アーク式イオンプレーティング法により成膜された 炭素から成る DL C薄膜であることを特徴とする請求項 1記載の自動車エンジン 動弁系シム又はリフタ一。
3. 上記硬質炭素薄膜成膜前の基材の表面粗さが R aで 0. 03 ; m以下であ り、 且つ成膜後の摺動面の凸形状の最大値が 1 0 im以下であることを特徴とす る請求項 1記載の自動車エンジン動弁系シム又はリフタ一。
4. 上記硬質炭素薄膜成膜前の基材の表面硬さが H RCで 45以上であること を特徴とする請求項 1記載の自動車動弁系シム又はリフタ一。
5. 請求項 1〜4のいずれか 1つの項に記載のシム又はリフ夕一と、 カムシャ フ卜との組合せであって、
上記カム又はリフタ一と組み合わされる上記カムシャフ卜のカムロブ面の表面 粗さ R aが 0. 0 8 zm以下であり、 且つこのシャフト方向のカムロブノーズ部 での断面粗さ曲線について、 凹凸形状の最大値が 1 0 m以下であることを特徴 とする自動車エンジン動弁系シム又はリフタ一とカムシャフ卜との組合せ。
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