JP2006097759A

JP2006097759A - Bearing device

Info

Publication number: JP2006097759A
Application number: JP2004283336A
Authority: JP
Inventors: Naoki Horibe; 直樹堀部; Takashi Tomikawa; 貴志冨川; Yasuaki Goto; 保明後藤; Yoshiki Yamamoto; 桂己山本; Setsu Shimura; 節志村
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve an anti-seizing property by suitably treating the surface of a mating material in a bearing device by applying a diamond-like carbon (DLC) coating on the small end of a connecting rod of an internal combustion engine. <P>SOLUTION: In the bearing device, a sliding bearing covered with a phosphate chemical conversion coating and a steel shaft having a DLC coating are combined. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は軸受装置に関するものであり、さらに詳しく内燃機関のコンロッドの小端部軸受装置にダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜を応用する技術に関するものである。以下、コネクティングロッド、ＤＬＣ及びリン酸塩化成処理の順に従来技術を説明する。 The present invention relates to a bearing device, and more particularly to a technique for applying a diamond-like carbon (DLC) coating to a small-end bearing device for a connecting rod of an internal combustion engine. Hereinafter, the prior art will be described in the order of connecting rod, DLC, and phosphate chemical conversion treatment.

コネクティングロッド
コネクティングロッド（以下「コンロッド」という）の小端部にはブシュが圧入され、ブシュはピストンピンを介してピストンと連結されている。従来は、ピストンピンとしては、焼入れ炭素鋼製ピンが、またブシュにはCu合金又はCu-Pb合金が、一般に、使用されていた。最近ではブシュを使用しないでコンロッド小端部に直接ピストンピンを支承するいわゆる直承装置も知られている。 Connecting rod A bush is press-fitted into a small end portion of the connecting rod (hereinafter referred to as “connecting rod”), and the bush is connected to the piston through a piston pin. Conventionally, a hardened carbon steel pin is generally used as the piston pin, and a Cu alloy or Cu—Pb alloy is generally used for the bush. Recently, a so-called direct bearing device that directly supports a piston pin at a small end of a connecting rod without using a bush is also known.

コンロッドの摺動条件をエンジンの他の部品と比較したグラフが非特許文献１（トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第23〜27頁「エンジンしゅう動部品へのＤＬＣコーティングの適用課題」）の図１（自動車技術協会：自動車ハンドブック（基礎理論編、自動車技術協会(1990)53より引用）に示されている。この図によると、コンロッドの摩擦圧力はピストンリングと動弁系の中間にある。 Non-Patent Document 1 (Tribologist, Vol. 47 / No. 11/2002, pp. 23-27 “Application of DLC coating to engine sliding parts” The problem is shown in Fig. 1 (Automotive Technology Association: Automotive Handbook (basic theory, quoted from the Automotive Technology Association (1990) 53)). According to this figure, the friction pressure of the connecting rod shows the piston ring and valve system. In the middle.

最近の量産車では、ピストンピンの鋼材を窒化及び酸化処理し、相手材の直受コンロッド小端部を浸炭焼入れする軸受装置が知られている。しかしながら、この窒化＋酸化処理は相手材の攻撃性が高いという問題がある。さらに、ピストンピンの鋼材を焼入れし、相手材コンロッドの鋼材は圧延もしくは鍛造のままとした軸受装置も知られている。 In recent mass-produced vehicles, a bearing device is known in which a steel material of a piston pin is nitrided and oxidized, and a small end portion of a direct receiving connecting rod of a counterpart material is carburized and quenched. However, this nitriding + oxidation treatment has a problem that the aggressiveness of the counterpart material is high. Furthermore, a bearing device is also known in which the steel material of the piston pin is quenched, and the steel material of the mating connecting rod is kept rolled or forged.

ＤＬＣ
ＤＬＣの特性は摩擦係数が低いことと、硬度が高いことなどであるが、硬度はAISI440Cの約5〜10倍であると報告されている（非特許文献２（トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第13頁）。したがって、ＤＬＣ被膜は硬度が高いにも拘わらず相手材への攻撃性は低い傾向があると言えよう。 DLC
The characteristics of DLC include a low coefficient of friction and high hardness, but it has been reported that the hardness is about 5 to 10 times that of AISI440C (Non-Patent Document 2 (Tribologist, Vol. 47 / No. 11/2002, p.13) Therefore, it can be said that the DLC film tends to be less aggressive against the counterpart material despite its high hardness.

ＤＬＣ被膜を利用する技術の提案の一つである特許文献１（特開平１０−２９７６２号公報）は、糸条またはフィルムなどを加熱した状態で延伸するための加熱ローラーの外表面に水素化アモルファスカーボンによる硬質カーボン膜を形成することを提案している。 Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-29762), which is one of the proposals of a technique using a DLC coating, describes a hydrogenated amorphous film on the outer surface of a heating roller for stretching a yarn or a film in a heated state. It has been proposed to form a hard carbon film with carbon.

特許文献２（特開平３−２４０９５７号公報）は、Ｃ、Ｈを主成分とし、さらにケイ素質物質を含むＤＬＣ被膜を提案している。実施例において、試験された相手材はJIS SUJ2 焼入れ焼戻し材であり、試験条件は潤滑なしである。ＤＬＣ被膜のケイ素質物質に由来するSiO₂が相手材表面に形成されており、これが「ころ」の働きをして摺動特性の向上に寄与する。 Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 3-240957) proposes a DLC film containing C and H as main components and further containing a silicon substance. In the examples, the tested counterpart material is JIS SUJ2 quenching and tempering material, and the test condition is no lubrication. SiO ₂ derived from the silicon material of the DLC film is formed on the surface of the counterpart material, which acts as a “roller” and contributes to the improvement of the sliding characteristics.

非特許文献１はエンジン摺動部品へのＤＬＣ被膜について次のように概説している。（イ）ＤＬＣはディーゼルエンジンの燃料噴射ポンププランジャに実用されている。（ロ）競走エンジンのピストンリングのＤＬＣ被膜はCrN被膜と同等の性能をもっている。（ハ）カムフォロワの低摩擦化のためにＤＬＣ被膜を試験した結果、エンジン油中でのＤＬＣの摩擦係数は浸炭鋼のものとほとんど同じとなっている。 Non-Patent Document 1 outlines the DLC coating on engine sliding parts as follows. (A) DLC is practically used for a fuel injection pump plunger of a diesel engine. (B) The DLC coating on the piston ring of the racing engine has the same performance as the CrN coating. (C) As a result of testing the DLC coating for reducing the friction of the cam follower, the friction coefficient of DLC in engine oil is almost the same as that of carburized steel.

非特許文献３（日本トライボロジー学会トライボロジー予稿集（東京1999-5）,A6、「エンジン油中における硬質炭素膜の摩擦特性（第2報）」では、荷重が面圧で0.7Gpa（一定）で試験した結果について「エンジンオイル潤滑下での鋼とＤＬＣの摩擦試験後の摺動表面を分析した結果、鋼と鋼との摺動表面には形成される極圧添加剤：ZnDTPの構成元素が、ＤＬＣ表面には全く認められないこと、相手のSUJ2製のピンには高次の炭化水素の形成が見られることが明らかとなった。」とのまとめが示されている。 Non-Patent Document 3 (Tribology Society of Japan Tribology Proceedings (Tokyo 1999-5), A6, “Friction characteristics of hard carbon film in engine oil (2nd report)”, load is 0.7 Gpa (constant) in surface pressure. As a result of the test, “analysis of the sliding surface after friction test between steel and DLC under engine oil lubrication showed that the extreme pressure additive formed on the sliding surface between steel and steel: the constituent element of ZnDTP "It is clear that the surface of the DLC is not observed at all, and the formation of higher-order hydrocarbons is seen on the partner SUJ2 pin."

リン酸塩化成処理
特許文献３（特開平７−９０６１１号公報）は、ギヤ、歯車、カムなどの鉄鋼材料の表面に、素地粗さの低下及び耐焼付性に良好なリン酸マンガン系化成皮膜を形成するための特定組成の処理液を提案している。実施例における摺動相手材はSUJ2であり、試験条件はモーターオイルを使用した潤滑油条件である。 Phosphatized Patent Document 3 (JP-A-7-90611) is, gear, gear, steel on the surface of the material, good manganese phosphate conversion coating decreases and seizure resistance of matrix roughness such as cams Has proposed a treatment liquid having a specific composition for forming the film. The sliding partner material in the examples is SUJ2, and the test conditions are lubricating oil conditions using motor oil.

リン酸マンガン系化成被膜は金属どうしの接触を防止し、また犠牲的に摩耗する初期なじみ効果をもっていることが知られている。このような高硬度のリン酸マンガン系被膜が初期なじみ性に優れている理由に関しては、潤滑油の保持効果及び表面発熱の抑制と考えられている（非特許文献４（トライボロジスト、Vol.47/No.8/2002,第54頁））。
特開平１０−２９７６２号公報特開平３−２４０９５７号公報特開平７−９０６１１号公報トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第23〜27頁トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第13頁日本トライボロジー学会トライボロジー予稿集（東京1999-5）,A6 トライボロジスト、Vol.47/No.8/2002,第54頁 It is known that the manganese phosphate-based chemical conversion coating has an initial conforming effect of preventing contact between metals and sacrificing wear. The reason why such a high-hardness manganese phosphate-based coating is excellent in initial conformability is considered to be the retention effect of the lubricating oil and the suppression of surface heat generation (Non-Patent Document 4 (Tribologist, Vol. 47). /No.8/2002, p. 54)).
JP-A-10-29762 JP-A-3-240957 JP-A-7-90611 Tribologist, Vol. 47 / No. 11/2002, pp. 23-27 Tribologist, Vol. 47 / No. 11/2002, p. 13 Japanese Society of Tribology Tribology Proceedings (Tokyo 1999-5), A6 Tribologist, Vol. 47 / No. 8/2002, p. 54

従来技術では、ＤＬＣ被膜を被覆した摺動部材の相手材の表面処理については検討されていなかった。本発明者らは自動車エンジンコンロッド小端部の軸受装置において、ピストンピンにＤＬＣ被膜を施すと耐焼付性が改善されるが、相手材であるブシュ又はコンロッド小端部にリン酸塩化成処理を施すと耐焼付性が一層改善されることを見出した。 In the prior art, the surface treatment of the mating member of the sliding member coated with the DLC film has not been studied. In the bearing device of the automobile engine connecting rod small end, when the DLC film is applied to the piston pin, the seizure resistance is improved. However, the bushing or the connecting rod small end which is the counterpart material is subjected to a phosphate chemical conversion treatment. It has been found that the seizure resistance is further improved when applied.

本発明は、リン酸塩系化成処理被膜を施したすべり軸受と、ＤＬＣ被膜を有する鋼軸とを組合わせたことを特徴とする軸受装置を提供する。具体的には、前記すべり軸受が内燃機関コネクティングロッドの小端部自体又は小端部に圧入されたブシュであり、前記鋼軸がピストンピンである。
以下、本発明を詳しく説明する。 The present invention provides a bearing device comprising a combination of a plain bearing having a phosphate chemical conversion coating and a steel shaft having a DLC coating. Specifically, the slide bearing is a bushing press-fitted into the small end portion of the internal combustion engine connecting rod or the small end portion, and the steel shaft is a piston pin.
The present invention will be described in detail below.

図１は、耐焼付性試験装置の概略図であり、１は周速が0.6ｍ/sで回転する軸受材に相当する材料を用いた供試材平板鍛造材（生材：硬度Hv250）あるいはこれに表面処理を施したもの)、２は30kgf/10minの割合で漸増する荷重を受ける軸である。軸はSCM440浸炭焼入れ軸(硬度Hv550)あるいはＤＬＣ被膜（厚さ３μm）を被着したものである。供試材平板１と軸２は油種SL 5W/30（温度50℃）で潤滑した。試験の結果を図２のグラフを参照して説明する。 FIG. 1 is a schematic diagram of a seizure resistance test apparatus, wherein 1 is a test plate flat forged material (raw material: hardness Hv250) using a material corresponding to a bearing material rotating at a peripheral speed of 0.6 m / s or 2 is a shaft that receives a gradually increasing load at a rate of 30 kgf / 10 min. The shaft is a SCM440 carburizing and quenching shaft (hardness Hv550) or a DLC coating (thickness 3 μm). The specimen flat plate 1 and the shaft 2 were lubricated with oil type SL 5W / 30 (temperature 50 ° C.). The test results will be described with reference to the graph of FIG.

グラフ中の「生材」、「焼入れ」の組合せは従来の一般的コンロッド小端部のブシュを用いない場合の材料構成に該当している。
次に「化成処理リン酸Mn」、「焼入れ」の組合せは、リン酸Mnの初期なじみ効果によって耐焼付性が向上している。この効果は特許文献３より予測されるところである。 The combination of “raw material” and “quenching” in the graph corresponds to the material configuration in the case where the bushing of the conventional general connecting rod small end is not used.
Next, the combination of “chemical conversion treatment phosphoric acid Mn” and “quenching” has improved seizure resistance due to the initial conformation effect of phosphoric acid Mn. This effect is expected from Patent Document 3.

特許文献２及び非特許文献１〜３におけるＤＬＣ被膜の評価は荷重一定の条件で行なわれているので、荷重が増大して境界潤滑領域の割合が多くなった場合の摺動特性を予測することはできない。これに対して、図２に示された「生材」もしくは「化成処理リン酸Mn」と「ＤＬＣ」の組合せは境界潤滑領域が多く、かつ潤滑油中で摺動されるＤＬＣ被膜に関して、化成被膜はなじみ性をもつことを示している。この性質の原因となっている物性については、Hv1000〜2000に達するＤＬＣ被膜の高硬度が考えられる。すなわち、リン酸マンガン被膜は、相手材との摺動によって初期摩耗するとき、相手材は硬質で平坦なＤＬＣ被膜であるため、摩耗後の化成皮膜表面も平坦になる；そして潤滑油中での互いに平滑な面同士の摺動となるため、化成被膜はそれ以上摩耗しないとの現象が起こっているのであろう。 Since the evaluation of the DLC film in Patent Document 2 and Non-Patent Documents 1 to 3 is performed under a constant load condition, predict the sliding characteristics when the load increases and the ratio of the boundary lubrication region increases. I can't. On the other hand, the combination of “raw material” or “chemical conversion treatment phosphoric acid Mn” and “DLC” shown in FIG. It shows that the coating has a conformability. Regarding the physical properties that cause this property, the high hardness of the DLC film reaching Hv 1000 to 2000 can be considered. That is, when the manganese phosphate coating is initially worn by sliding with the mating material, the mating material is a hard and flat DLC coating, so that the surface of the chemical coating after wear is also flattened; It is likely that there is a phenomenon in which the chemical conversion coating does not wear any more because it is a smooth sliding surface.

ＤＬＣ被膜としてはH：20〜40wt%を含有し、残部がCであるものが好ましく、より好ましくは、さらに、特許文献２で開示されたSiを２〜６wt%含有するものであることが好ましい。ＤＬＣ被膜の厚さは０．１〜１０μmであることが好ましく、２〜４μmがより好ましい。また、ＤＬＣ被膜の基材としては、鋼材が好ましく、より好ましくは浸炭もしくは窒化処理鋼材である。また、基材とＤＬＣ被膜の中間には下地膜として0.01 〜1μmの厚さのSiC被膜を介挿することが好ましい。 The DLC film preferably contains H: 20 to 40 wt%, with the balance being C, more preferably 2 to 6 wt% Si disclosed in Patent Document 2. . The thickness of the DLC film is preferably 0.1 to 10 μm, and more preferably 2 to 4 μm. Further, the base material of the DLC film is preferably a steel material, more preferably a carburized or nitrided steel material. Moreover, it is preferable to insert a SiC film having a thickness of 0.01 to 1 μm as a base film between the substrate and the DLC film.

リン酸塩系化成処理は、リン酸マンガン化成処理であることが好ましい。リン酸マンガン化成被膜の厚さは０．１〜１０μmが好ましく、より好ましくは０．５〜２μmである。リン酸化成処理を施す基材は炭素鋼、銅合金などである。 The phosphate chemical conversion treatment is preferably a manganese phosphate chemical conversion treatment. The thickness of the manganese phosphate conversion coating is preferably 0.1 to 10 μm, more preferably 0.5 to 2 μm. The base material to be subjected to the phosphorylation treatment is carbon steel, copper alloy or the like.

実施例１
図１を参照して説明した耐焼付性試験をＤＬＣ被膜−化成処理の組合せについて行った。
ＤＬＣ被膜は、浸炭炭素鋼に特許文献２、実施例１に記載されたプラズマ化学蒸着法により成膜し、四塩化珪素の流量を調節することによりＤＬＣ被膜中のSi量を変化させた。H量は２０〜３０重量％とした。ＤＬＣ被膜の厚さは３μmであった。
試験の結果を図３に示す。Si量が２〜６重量％において耐焼付性が最も高くなっている。 Example 1
The seizure resistance test described with reference to FIG. 1 was performed on the combination of DLC film and chemical conversion treatment.
The DLC film was formed on carburized carbon steel by the plasma chemical vapor deposition method described in Patent Document 2 and Example 1, and the amount of Si in the DLC film was changed by adjusting the flow rate of silicon tetrachloride. The amount of H was 20 to 30% by weight. The thickness of the DLC film was 3 μm.
The test results are shown in FIG. The seizure resistance is highest when the Si amount is 2 to 6% by weight.

実施例２
実施例１において、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_５）とテトラメチルシラン（（ＣＨ_３）_４Ｓｉ）の流量を変化させてＤＬＣ被膜のH量を変化させ、またSi量は一定とした。図４に試験の結果を示す。この結果はSi、H量が同じ組成のＤＬＣ膜では同じ耐焼付性の値が得られている。 Example 2
In Example 1, the flow rate of acetylene (C ₂ H ₅ ) and tetramethylsilane ((CH ₃ ) ₄ Si) was changed to change the H content of the DLC film, and the Si content was constant. FIG. 4 shows the results of the test. As a result, the same seizure resistance value is obtained in the DLC film having the same composition of Si and H.

実施例３
図５は、摩耗試験装置の概略図であり、１はストローク：10mm、周波数：7Hzで往復する供試材板(S55C圧延材のまま（生材：硬度Hv250）あるいはこれに表面処理を施したもの)、２は980Nの荷重を受ける軸である。軸はS55C焼入れ軸(硬度Hv550)、あるいはＤＬＣ被膜（厚さ３μm）を被着したものである。供試材板１と軸２は油種SL 5W/30（温度50℃）で潤滑した。試験の結果を図６及び図７のグラフを参照して説明する。 Example 3
FIG. 5 is a schematic diagram of an abrasion test apparatus, where 1 is a specimen plate that reciprocates at a stroke of 10 mm and a frequency of 7 Hz (S55C as a rolled material (raw material: hardness Hv250) or surface treatment was applied to this plate. 1) A shaft 2 receives a load of 980N. The shaft is an S55C quenching shaft (hardness Hv550) or a DLC coating (thickness 3 μm). The specimen plate 1 and the shaft 2 were lubricated with oil type SL 5W / 30 (temperature 50 ° C.). The results of the test will be described with reference to the graphs of FIGS.

S55C圧延材（供試材１、生材）にリン酸塩化成処理被膜を施すと、その初期なじみ作用により、焼入れ軸２により供試材１は多く摩耗され、摩擦係数は低くなる。一方、リン酸塩化成処理被膜を施したS55C圧延材とＤＬＣ被膜を組合わせると、初期なじみ作用は現れるが、リン酸塩化成処理被膜及び軸の摩耗量が少ない。即ち、摩耗の進行が停止すると見られる。 When a phosphate chemical conversion coating is applied to an S55C rolled material (sample 1, raw material), the sample 1 is worn much by the quenching shaft 2 due to its initial conforming action, and the friction coefficient is lowered. On the other hand, when the S55C rolled material to which the phosphate chemical conversion coating film is applied and the DLC coating are combined, the initial conforming effect appears, but the phosphate chemical conversion coating film and shaft wear are small. That is, it appears that the progress of wear stops.

本発明によると、従来の一般的コンロッド小端部軸受機構と比較して、耐摩耗性（自材および相手材）：約1/2、耐焼付き性：約2倍、低摩擦係数：約2/3という優れた性能を達成することができる。 According to the present invention, compared with a conventional general connecting rod small end bearing mechanism, wear resistance (self-material and counterpart material): about 1/2, seizure resistance: about twice, low friction coefficient: about 2 Excellent performance of / 3 can be achieved.

耐焼付性試験機の要部の説明図である。It is explanatory drawing of the principal part of a seizure resistance testing machine. 耐焼付性試験結果を、供試材と軸の材料組合せ別々に示すグラフである。It is a graph which shows a seizure resistance test result separately for the test material and the shaft material combination. 耐焼付性試験結果を、ＤＬＣ膜のSi量に対して表示したグラフである。It is the graph which displayed the seizure resistance test result with respect to Si amount of a DLC film. 耐焼付性試験結果を、ＤＬＣ膜のH量に対して表示したグラフである。It is the graph which displayed the seizure resistance test result with respect to the amount of H of a DLC film. 摩耗試験機の要部の説明図である。It is explanatory drawing of the principal part of an abrasion tester. 摩耗試験の結果を、供試材と軸の材料組合せ別に示すグラフである。It is a graph which shows the result of an abrasion test according to the material combination of a test material and a shaft. 摩擦係数を、供試材と軸の材料組合せ別に示すグラフである。It is a graph which shows a friction coefficient according to the material combination of a test material and a shaft.

Explanation of symbols

１供試材
２軸 1 specimen 2 axis

Claims

A bearing device comprising a combination of a plain bearing provided with a phosphate chemical conversion coating and a steel shaft having a DLC coating.

The bearing device according to claim 1, wherein the sliding bearing is a small end portion of an internal combustion engine connecting rod itself or a bush press-fitted into the small end portion, and the steel shaft is a piston pin.