DE10006426A1

DE10006426A1 - Gleitelement

Info

Publication number: DE10006426A1
Application number: DE10006426A
Authority: DE
Inventors: Katsuaki Ogawa; Keiichi Kanemitsu
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: DE10006426B4; US6235415B1; JP2000234622A

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Gleitelement vorgesehen, welches eine Gleitoberfläche und eine Ablagerungsschicht, die auf der Gleitoberfläche mittels eines Ion-Plating-Verfahrens gebildet ist, aufweist, wobei die Ablagerungsschicht hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist. Die Verbesserung umfaßt das CrN, welches eine bevorzugte Orientierung in der Ebene (110) aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Bor mit einem Inhaltsanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent enthält. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Gleitelement vorgesehen, das eine Gleitoberfläche und eine Ablagerungsschicht, die auf der Gleitoberfläche mittels eines Ion-Plating-Verfahrens gebildet ist, aufweist, wobei die Ablagerungsschicht hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist. Die Verbesserung umfaßt das CrN, welches eine bevorzugte Orientierung in der Ebene (110) aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Bor enthält mit einem Inhaltsanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent, und entweder Sauerstoff oder Kohlenstoff oder beide mit einem Inhaltsanteil von Sauerstoff oder Kohlenstoff oder einem Gesamt-Inhaltsanteil von Sauerstoff und Kohlenstoff von jeweils nicht mehr als 15 Gewichtsprozent. Mit einem verbesserten Gleitelement, das mit den obigen Anordnungen erreicht wird, werden gemäß der vorliegenden Erfindung verbesserte Abriebsfestigkeit und ...

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, wie etwa einen Kolbenring, zur Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen, welches eine an seiner Gleitoberfläche gebildete Ion-Plating-(Ionenplattierungs)-Ablagerungsschicht oder Film aus Chromnitrid aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Für ein Gleitelement, wie etwa einen Kolbenring zum Gebrauch in Verbrennungskraftmaschinen, ist eine Technik zur Verbesserung seiner Abriebsfestigkeit in der japanischen Patentoffenlegungsschrift (JP-A) 8-296030 (1996) veröffentlicht worden, worin die Verbesserung durch Bildung einer Ion- Plating-Ablagerungsschicht aus Chromnitrid, die hauptsächlich zusammengesetzt ist aus CrN, auf der äußeren umlaufenden Gleitoberfläche davon ermöglicht wird, mittels eines physikalischen Dampfablagerungsverfahrens, des sog. Physical- Vapor-Deposition-(PVD)-Verfahrens.

Es gibt zwei Arten von öffentlich bekannten Ion-Plating-Ablagerungsschichten aus Chromnitrid, die hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt sind, d. h., die eine Art von Ablagerungsschicht, welche das CrN des Chromnitrid aufweist, welches eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {111} aufweist, und die andere Art, welche das CrN des Chromnitrid aufweist, welches eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {100} aufweist. Eine CrN-Ablagerungsschicht, welche die bevorzugte Orientierung in der Ebene {111} aufweist, ist überlegen in Abriebsfestigkeit und Oberflächenverschleiß-Festigkeit zu einer CrN- Ablagerungsschicht, welche die bevorzugte Orientierung in der Ebene {100} aufweist, aber aufgrund dessen, daß sie hohe innere Spannungen aufweist, ist sie in der Schälfestigkeit unterlegen. Andererseits, oder andersherum, ist eine CrN- Ablagerungsschicht, welche eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {100} aufweist, einer CrN-Ablagerungsschicht, welche die bevorzugte Orientierung in der Ebene {111} aufweist, unterlegen in der Abriebsfestigkeit und der Oberflächenverschleiß-Festigkeit, aber sie ist, aufgrund ihrer leicht steuerbaren Porosität, überlegen in der Schälfestigkeit.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gleitelement zu schaffen, welches eine Ion-Plating-Ablagerungsschicht aus Chromnotrid, die hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist, aufweist, die weder in der Abriebs- und Oberflächenverschleiß-Festigkeit noch in der Schälfestigkeit unterlegen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Gleitelement vorgesehen, das eine Gleitoberfläche und eine mittels eines Ion- Plating-Verfahrens gebildete Ablagerungsschicht auf der Gleitoberfläche aufweist, wobei die Ablagerungsschicht hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist. Die Verbesserung umfaßt das CrN des Chromnitrid, welches eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Bor mit einem Inhaltsanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent enthält.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Gleitelement vorgesehen, das eine Gleitoberfläche und eine mittels eines Ion-Plating-Verfahrens gebildete Ablagerungsschicht auf der Gleitoberfläche aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Chromnitrid umfaßt, das hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist. Die Verbesserung umfaßt das CrN, welches eine Vorzugsorientierung in der Ebene {110} aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Bor enthält mit einem Inhaltsanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent, und entweder Sauerstoff oder Kohlenstoff oder beide enthält, mit einem Inhaltsanteil entweder von Sauerstoff oder Kohlenstoff oder dem Gesamtinhaltsanteil sowohl von Sauerstoff wie auch Kohlenstoff von jeweils nicht mehr als 15 Gewichtsprozent.

Mit dem verbesserten Gleitelement, das durch die oben beschriebene Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, wird eine verbesserte Abriebs- und Oberflächenverschleiß-Festigkeit oder gesteigerte Schälfestigkeit erreicht, die besser ist als diejenige der herkömmlichen Gleitelemente, welche eine Ion- Plating-Ablagerungsschicht aufweisen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden näher anhand der vorliegenden Figuren erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis eines Abriebstests in Form von Abriebs-Indizes zeigt;

Fig. 2 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis eines Oberflächenverschleißtests in Form von Oberflächenverschleiß-Indizes zeigt;

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis eines Schältests in Form von Schäl-Indizes zeigt; und

Fig. 4 ist eine schematische Zeichnung, welche eine Testvorrichtung zeigt, die in einem Schältest verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung von illustrativen Ausführungsformen

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Gleitelement, welches eine Ion- Plating-Ablagerungsschicht oder einen Film aufweist, gebildet an der äußeren Umfangsgleitoberfläche davon, zusammengesetzt aus Chromnitrid, wobei darin Bor enthalten ist, mittels eines Ion-Plating-Verfahrens in Stickstoff-Atmosphäre erzeugt werden, wobei eine Chrom-Bor-(Cr-B)-Legierung als Ziel in dem Ion- Plating-Verfahren verwendet wird. Das Chromnitrid der Ablagerungsschicht ist hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt, obwohl sie auch Cr₂N enthält, wobei das CrN eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist. Der Inhalt an Bor in der Ablagerungsschicht wird mittels des Einstellens der Zusammensetzung der Cr-B-Legierung so eingestellt, daß er innerhalb eines Bereiches von 0,05 bis 20 Gewichtsprozent liegt. Der Bereich des Bor-Inhalts ist so festgelegt, da, falls der Bor-Inhalt in der Ablagerungsschicht weniger als 0,05 Gewichtsprozent beträgt, dann die Abriebsfestigkeit und die Oberflächenverschleiß-Festigkeit der Ablagerungsschicht nicht verbessert sind und da, falls der Bor-Inhalt in der Ablagerungsschicht 20 Gewichtsprozent übersteigt, dann die Schälfestigkeit der Ablagerungsschicht deutlich vermindert ist.

Anstelle von Stickstoffgas als Ion-Plating-Atmosphäre kann eine andere Atmosphäre für das Ion-Plating verwendet werden, welche aus einer Gruppe von Mischgasen aus Stickstoff und Kohlenwasserstoff und einem Mischgas aus Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenwasserstoff ausgewählt wird, was die Ablagerungsschicht veranlassen kann, entweder Sauerstoff oder Kohlenstoff oder beides zu beinhalten. In diesem Fall wird der Inhalt in der Ablagerungsschicht entweder von Sauerstoff oder Kohlenstoff oder von beidem so eingestellt, daß er nicht mehr als 15 Gewichtsprozent beträgt. Der Bereich ist so festgelegt, da, falls der Inhalt von Sauerstoff oder Kohlenstoff oder von beidem in der Ablagerungsschicht 15 Gewichtsprozent überschreitet, dann die Schälfestigkeit der Ablagerungsschicht merklich verringert wird.

Beispiele der Ausführungsformen

Im folgenden werden vorteilhafte Eigenschaften von Gleitelementen gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter besprochen werden, wobei Beispiele von Ausführungsformen oder erfinderische Probenmuster der vorliegenden Erfindung (Nr. 2-4, 6-8, 10-12 und 14) im Vergleich mit Vergleichsprobenmustern (Nr. 5, 9 und 13) und einer herkömmlichen Probenmuster (Nr. 1) verwendet werden, wobei auf verschiedene Tests Bezug genommen wird, die unter Verwendung dieser Probenmuster durchgeführt wurden.

Unter Verwendung einer Ion-Plating-Vorrichtung wurden 14 Arten von Ablagerungsschichten oder Filmen auf dem entsprechenden Basismaterial des gleichen Gußeisen-Kolbenrings gebildet, um die Probenmuster für die Tests zu erhalten. Zu dieser Zeit werden die Proben mit einer Vorspannung von -50 V beaufschlagt. Die Ablagerungssschicht aller Proben wurde hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt, wobei das CrN eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufwies.

Für die Proben (Nr. 2-14) wurde die Ablagerungsschicht so erzeugt, daß sie entweder Bor, Bor und Sauerstoff, Bor und Kohlenstoff oder Bor, Sauerstoff und Kohlenstoff enthielt, wobei die Bor-Inhalte und die Inhalte von Sauerstoff und Kohlenstoff in den Probenschichten durch Verändern der Zusammensetzung der Cr-B-Legierung in dem Ziel eingestellt wurden, und die Anteile von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff jeweils in dem atmosphärischen Gas. Die Vergleichsprobenmuster (Nr. 5, 9 und 13) wurden alle erzeugt, so daß sie einen Inhaltsanteil von Bor und Sauerstoff oder Kohlenstoff oder beidem aufwiesen, der außerhalb des durch die vorliegende Erfindung festgelegten Bereichs lag. Das herkömmliche Probenmuster (Nr. 1) wurde so hergestellt, daß es kein Bor enthielt.

Die Kategorie und die anderen als die Chromnitrid-Inhaltsanteile von jeder Probe sind unten in Tabelle 1 gezeigt, wobei herkömmlich, erfinderisch und vergleichend jeweils herkömmliche, erfinderische und Vergleichsmuster bedeuten.

Tabelle 1

Abriebstest

Für den Test befand sich Schmieröl in dem Reservoir einer Testmaschine (nicht gezeigt). Ein scheibenartiges Gegenstück-Materialteil wurde teilweise in das Öl getaucht und wurde mit konstanter Geschwindigkeit gedreht. Unter diesen Bedingungen wurde jede Probe mit einer Last gegen die äußere umlaufende Oberfläche des Gegenstück-Materialteils gepreßt, und nach einer bestimmten Zeitdauer wurde die Stärke des Abriebs gemessen.

Die Testbedingungen waren folgende:

Testmaschine: Amsler Abrasion Tester,
Gegenstück-Material: FC25,
Schmieröl: Lageröl,
Öltemperatur: 353 K (80 Grad C),
Randgeschwindigkeit: 1 m/s,
Last: 150 kg, und
Zeit: 7 Stunden.

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis des Abriebstestes in Form von Abriebs-Indizes zeigt, wobei die Abriebs-Indizes erhalten wurden auf Basis der Bezeichnung der Abriebsstärke der herkömmlichen Probenmuster (Nr. 1) als Bezugsindex von 100.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weisen die erfinderischen und Vergleichsprobenmuster (Nr. 2 bis 14), welche Bor enthalten, verbesserte oder gesteigerte Abriebsfestigkeit auf, verglichen mit dem herkömmlichen Probenmuster (Nr. 1), welche kein Bor enthält.

Oberflächenverschleiß-Test

Für diesen Test befand sich Schmieröl in dem Reservoir einer Testmaschine (nicht gezeigt). Ein scheibenartiges Gegenstück-Materialteil wurde teilweise in das Öl getaucht und wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht. Unter dieser Bedingung wurde jede Probe mit einer Last gegen die äußere Umfangsoberfläche des Gegenstück-Materialteils gepreßt, und die Last wurde periodisch nach und nach erhöht, bis Oberflächenverschleiß auftrat, wobei die Last, welche Oberflächenverschleiß bewirkte, als kritische Last gemessen wurde.

Die Testbedingungen waren folgende:

Testmaschine: Amsler Abrasion Tester,
Gegenstück-Material: FC25,
Schmieröl: Nr. 2 Spindelöl, und
Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s.

Fig. 2 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis des Oberflächenverschleiß-Tests in Form von Oberflächenverschleiß-Indizes zeigt, wobei die Oberflächenverschleiß- Indizes auf Basis der Darstellung der kritischen Last des herkömmlichen Probenmusters (Nr. 1) als ein Referenzindex von 100 erhalten wurden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die erfinderischen und Vergleichsmusterproben (Nr. 2-14), welche Bor enthalten, verbesserte Oberflächenverschleißfestigkeit auf, verglichen mit der herkömmlichen Musterprobe (Nr. 1), welche kein Bor enthält.

Schältest

Ein Schältest wurde unter Verwendung einer Schlagtestmaschine, wie in Fig. 4 gezeigt, durchgeführt. Wie durch einen Pfeil in Fig. 4 gezeigt, wird ein durch eine Feder 3 mit Energie versorgter Stempel 4 veranlaßt, auf die Oberfläche der Ablagerungsschicht oder des Films 2 einer Probe aufzuschlagen, die auf einem Unterlegeblock 1 plaziert ist. Bei einer Aufschlagsenergie von 43,1 mJ (4,4 Kgfm m) bei jedem Aufschlag wurden die Aufschläge wiederholt vorgenommen, bis Schälen auftrat, wobei die Anzahl der aufgebrachten Aufschläge gemessen wurde. Das Auftreten des Schälens wurde durch Beobachtung der Schichtoberfläche bei 15-facher Vergrößerung bestimmt.

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis des Schältests in Form von Schäl- Indizes zeigt, wobei die Schäl-Indizes auf Basis der Festlegung der Anzahl von Aufschlägen, welche auf das herkömmliche Probenmuster (Nr. 1) aufgebracht wurden, bis Schälen auftrat, als Referenzindex von 100 erhalten wurden.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die Erfindungsprobenmuster (Nr. 2-4, 6-8, 10- 12 und 14) eine nur um 1-10% erniedrigte Schälfestigkeit in Form von Schäl- Indizes von dem des herkömmlichen Probenmusters (Nr. 1), d. h. 100 auf, wobei gesagt werden kann, daß die Schälfestigkeit dieser Erfindungsmuster im wesentlichen die gleiche ist wie die diejenige des herkömmlichen Probenmusters (Nr. 1). Demgegenüber weisen, wie auch aus Fig. 3 ersichtlich ist, die Vergleichsprobenmuster (Nr. 5, 9 und 13) in Form von Schäl-Indizes eine um 16- 20% scharf erniedrigte Schälfestigkeit von dem des herkömmlichen Probenmusters (Nr. 1) auf.

Wie oben beschrieben, ist ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Gleitelement, welches eine Ion-Plating-Ablagerungsschicht oder einen Film aufweist, zusammengesetzt hauptsächlich aus CrN, welches eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Bor mit einem Inhaltsanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent enthält, und die Ablagerungsschicht auch Sauerstoff oder Kohlenstoff oder beides enthalten kann, mit einem Inhaltsanteil von entweder Sauerstoff oder Kohlenstoff oder einem Gesamt-Inhaltsanteil von sowohl Sauerstoff als auch Kohlenstoff von nicht mehr als 15 Gewichtsprozent. Daher weist ein verbessertes Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung darin einen Vorteil auf, daß die Ion-Plating-Ablagerungsschicht, oder ein Film davon, wobei das CrN die bevorzugte Orientierung in der Ebene {1110} aufweist, eine erhöhte Abriebsfestigkeit und Oberflächenverschleiß-Festigkeit aufweist im Vergleich mit herkömmlichen Ablagerungsschichten, welche kein Bor enthalten, mit dem CrN, welches die bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist, während sie im wesentlichen das gleiche Niveau der Schälfestigkeit beibehält, wie das herkömmlicher Ablagerungsschichten, welche kein Bor enthalten, mit dem CrN, welches die bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist.

Claims

1. Verbessertes Gleitelement, welches eine Gleitoberfläche und eine Ablagerungsschicht, die an der Gleitoberfläche mittels eines Ion-Plating- Verfahrens gebildet ist, aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Chromnitrid umfaßt, das hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist; wobei die Verbesserung umfaßt, daß
das CrN eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist; und daß
die Ablagerungsschicht Bor mit einem Inhaltsanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht als 20 Gewichtsprozent enthält.

2. Verbessertes Gleitelement, welches eine Gleitoberfläche und eine Ablagerungsschicht, die auf der Gleitoberfläche mittels eines Ion-Plating- Verfahrens gebildet ist, aufweist, wobei die Ablagerungsschicht Chromnitrid umfaßt, das hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist; wobei die Verbesserung umfaßt, daß
das CrN eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist; und daß
die Ablagerungsschicht Bor mit einem Inhaltsanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent enthält, und Sauerstoff oder Kohlenstoff oder beide, mit einem Inhaltsanteil von entweder Sauerstoff oder Kohlenstoff oder einem Gesamt-Inhaltsanteil sowohl von Sauerstoff wie auch Kohlenstoff von jeweils nicht mehr als 15 Gewichtsprozent.