DE10006426B4

DE10006426B4 - Gleitelement

Info

Publication number: DE10006426B4
Application number: DE10006426A
Authority: DE
Inventors: Katsuaki Yono Ogawa; Keiichi Yono 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: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: US6235415B1; JP2000234622A; DE10006426A1

Abstract

Verbessertes Gleitelement, das eine Gleitoberfläche und darauf eine mittels eines Ion-Plating-Verfahrens gebildete Ablagerungsschicht aus Chromnitrid, das hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist, aufweist, wobei das CrN eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist und die Ablagerungsschicht Bor mit einem Anteil von 0,05 bis 20 Gew.-% enthält.

Description

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.

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 mit einer bevorzugten Orientierung in der Ebene {111} aufweist, wie aus der DE 199 40 064 A1 bekannt, und die andere Art, welche das CrN des Chromnitrid mit einer bevorzugten Orientierung in der Ebene {100} aufweist, wie aus der DE 199 40 0965 A1 bekannt. Eine CrN-Ablagerungsschicht, welche die bevorzugte Orientierung in der Ebene {111} aufweist, ist überlegen in Abriebfestigkeit 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 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.

Aus der Literaturstelle „Thin Solid Films" 185 (1990), Seiten 219 bis 230 ist die Einstellbarkeit einer Vorzugsorientierung mittels Variation der Verfahrensparameter des Ion-Plating-Verfahrens bekannt.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gleitelement zu schaffen, welches eine Ion-Plating-Ablagerungsschicht aus Chromnitrid, die hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist, aufweist, die sowohl eine hohe Abriebfestigkeit und Oberflächenverschleiß-Festigkeit als auch gleichzeitig eine hohe Schälfestigkeit aufweist.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch ein Gleitelement erreicht, wie es im Anspruch 1 definiert ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Gleitelements wird in Anspruch 2 beansprucht.

Mit dem verbesserten Gleitelement, das durch die oben beschriebene Ablagerungsschicht 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.

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

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

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

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

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 an der äußeren Umfangsgleitoberfläche eine Ion-Plating-Ablagerungsschicht aufweist, 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. De rGehalt 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-Gehalts ist so festgelegt, da, falls der Bor-Gehalt 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-Gehalt 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 Gehalt 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 Gehalt 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 einm 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 Ablagerungsschicht 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-Gehalte und die Gehalte 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 Anteil 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-Anteile 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.
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 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.
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 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 4 gezeigt, durchgeführt. Wie durch einen Pfeil in 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.
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 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 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 Anteil 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 Anteil von entweder Sauerstoff oder Kohlenstoff oder einem Gesamt-Anteil teil 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 {110} 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

Verbessertes Gleitelement, das eine Gleitoberfläche und darauf eine mittels eines Ion-Plating-Verfahrens gebildete Ablagerungsschicht aus Chromnitrid, das hauptsächlich aus CrN zusammengesetzt ist, aufweist, wobei das CrN eine bevorzugte Orientierung in der Ebene {110} aufweist und die Ablagerungsschicht Bor mit einem Anteil von 0,05 bis 20 Gew.-% enthält.
Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagerungsschicht zusätzlich Sauerstoff und/oder Kohlenstoff mit einem Gesamt-Anteil von bis zu 15 Gew.-% enthält.