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BEREICH
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleitelement, welches mit einem Substrat und einer Gleitschicht versehen ist, welche aus mehreren Schichten ausgebildet ist, die in der Oberflächenseite des Substrats vorgesehen sind.
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HINTERGRUND
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Ein Gleitlager zum Tragen einer Kurbelwelle wird als ein Gleitelement in Anwendungen wie Motoren, etc. für Automobile verwendet. Das Gleitelement schmiert bei Vorliegen eines Schmiermittels. Öl wird als ein typisches Schmiermittel verwendet. In einer solchen Art eines Gleitelements wird eine diamantartige Kohlenstoff-([diamond-like carbon =]DLC)-Schicht typischerweise über einer Lagerlegierungsschicht vorgesehen, welche durch Metall unterstützt wird. Die Lagerlegierungsschicht dient als ein Substrat und ist typischerweise aus Materialien wie einer Kupferlegierung ausgebildet. Der mit der DLC-Schicht versehene Aufbau zeigt verbesserte Verschleißbeständigkeit.
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Zum Beispiel offenbart die
japanische Patentveröffentlichung Nr. 2006-8853 A ein erstes Gleitelement, welches auch nachfolgend als ein erstes herkömmliches Beispiel bezeichnet wird. Das erste Gleitelement wird aus einem Substrat und einer harten Kohlenstoffbeschichtung ausgebildet, welche über dem Substrat vorgesehen ist. Die harte Kohlenstoffbeschichtung ist aus einem Laminat einer harten Schicht und einer weichen Schicht ausgebildet. Die Oberfläche der harten Kohlenstoffschicht ist poliert, sodass die harte Schicht in der unteren Schicht des Laminats freiliegt, um eine glatte Gleitoberfläche bereitzustellen. Die
japanische Patentveröffentlichung Nr. 2009-13192 A offenbart ein zweites Gleitelement, welches nachfolgend auch als ein zweites herkömmliches Beispiel bezeichnet wird. Das zweite Gleitelement ist aus einem Substrat, einem Carbonnitridfilm (a-CNx-Film), der über dem Substrat vorgesehen ist, und einem amorphen Kohlenstoffbeschichtungsfilm ausgebildet, der über dem Carbonnitridfilm vorgesehen ist.
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Ein Gleitelement oder ein Lager, welches beispielsweise mit einer DLC-Schicht auf seiner Oberfläche versehen ist, funktionierte gut in einer herkömmlichen Motorumgebung, ohne beschädigt zu werden. Heutzutage ist es jedoch erforderlich, dass Motoren weiter verbesserte Leistungsfähigkeit und Funktionalitäten bereitstellen. Insbesondere in einer Umgebung, in welcher Starten und Stoppen des Motors auf regelmäßiger Basis wiederholt wird, wie in einer Hybridfahrzeug-Anwendung, wird das Gleitelement zunehmend strengeren Bedingungen ausgesetzt. Somit ist weitere Verbesserung hinsichtlich der Verschleißeigenschaften des Gleitelements erforderlich. Zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften des Gleitelements ist es wichtig, den Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand zu reduzieren und den Übergang zu dem Mischschmierungszustand zu beschleunigen.
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Das erste Gleitelement versucht, den Reibungskoeffizienten durch Glätten seiner Oberfläche zu reduzieren, ermöglicht jedoch nicht das leichte Ansaugen bzw. Ziehen von Öl zu der Gleitoberfläche, was die Ausbildung eines Ölfilms erschwert. Somit zeigte das erste Gleitelement einen hohen Reibungskoeffizienten im Grenzschmierungszustand. Das zweite Gleitelement erzielt einen reduzierten Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand, kann sich jedoch nicht an das Gegenelement anpassen, da die Anpassungsschicht zu dünn ist, und ist daher nicht zur Ausbildung eines Ölfilms in der Lage. Es ist daher nicht möglich, den Übergang zu dem Mischschmierungszustand zu beschleunigen. Das zweite Gleitelement erfordert eine Stickstoffatmosphäre und ist daher zur Anwendung auf ein mit Öl verwendetes Gleitlager nicht vorgesehen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleitelement mit einem Substrat und einer DLC-Schicht, die über dem Substrat vorgesehen ist, bereitzustellen, welche zur Reduzierung des Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand und zur Beschleunigung des Übergangs von dem Grenzschmierungszustand zu dem Mischschmierungszustand in der Lage ist.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten sorgfältige Forschung durch, um einen reduzierten Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand und frühen Übergang zu dem Mischschmierungszustand in einem Gleitelement zu erzielen, welches mit einer DLC-Schicht über einem Substrat versehen ist. Im Ergebnis wurde ein Laminat, in welchem eine weiche Schicht über einem Oberflächenabschnitt der DLC-Schicht vorgesehen ist, als wirksam erkannt. Es wurde ferner als wirksam erkannt, die physikalischen Eigenschaften der weichen Schicht und der DLC-Schicht zu kontrollieren. Die physikalischen Eigenschaften enthalten den Young'schen Modul, die Härte und das Verhältnis der vorstehenden Eigenschaften. Diese Erkenntnisse ermöglichten Verbesserung von Verschleißeigenschaften in dem Grenzschmierungszustand und vereinfachten das Ölansaugen bzw., -ziehen, mit anderen Worten, die Ausbildung eines Ölfilms und führten zu der vorliegenden Erfindung. Die Härte und der Young'sche Modul, auf welche in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, sind numerische Werte, welche durch einen in der Technik bekannten Nano-Indentor erhalten werden können.
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Das Gleitelement der vorliegenden Erfindung ist mit einem Substrat und einer Gleitschicht versehen, die in einer Oberflächenseite des Substrats vorgesehen ist. Das Gleitelement enthält eine weiche Schicht, welche hauptsächlich Kohlenstoff umfasst und in einem obersten Abschnitt der Gleitschicht vorgesehen ist. Die weiche Schicht weist einen Young'schen Modul E im Bereich von 6 bis 30 GPa, eine Härte Ht im Bereich von 0,2 bis 3,0 GPa und einen Wert des Verhältnisses des Young'schen Modul E zur Härte H auf, der durch E/Ht im Bereich von 10 bis 30 gegeben ist. Die Gleitschicht enthält ferner eine diamantartige Kohlenstoffschicht, welche direkt unter der weichen Schicht vorgesehen ist und eine Härte Hd im Bereich von 5 bis 60 GPa aufweist.
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In dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist eine weiche Schicht, die hauptsächlich Kohlenstoff aufweist, in dem oberflächenseitigsten bzw. äußersten Abschnitt der Gleitschicht vorgesehen. Die Gleitschicht ist über einer harten DLC-Schicht mit einer vorbestimmten Härte angeordnet. Der geschichtete Aufbau erzielt ein zweckmäßiges Niveau von anfänglicher Anpassungsfähigkeit mit dem Gegenelement in dem Grenzschmierungszustand. Der Grenzschmierungszustand ist ein Zustand, in welchem regelmäßiges Auftreten direkten Kontaktes zwischen dem Gleitelement und dem Gegenelement vorliegt, weil der Ölfilm zwischen der Gleitschicht und dem Gegenelement extrem dünn ist. Anfängliche Anpassungsfähigkeit bezeichnet die Empfänglichkeit zur Deformation in die Form des Gegenelements in einem frühen Stadium des Betriebs. Es ist somit möglich, Pflügen bzw. Furchen und Adhäsion bzw. Anhaften zu hemmen und dadurch den Reibungskoeffizienten erheblich zu senken Ein Wert eines Verhältnisses des Young'schen Moduls zur Härte, welcher durch Young'schen Modul E/Härte Ht erhalten wird, wurde ferner definiert. Im Ergebnis ist es möglich, frühen Übergang zu dem Mischschmierungszustand herzustellen und den Reibungskoeffizienten weiter zu senken. Der Mischschmierungszustand ist ein Zustand, in welchem ein dünner Ölfilm zwischen der Gleitschicht und dem Gegenelement ausgebildet wird und direkter Kontakt zwischen der Gleitschicht und dem Gegenelement auch zu beobachten ist.
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Es ist erforderlich, dass die DLC-Schicht eine Härte Hd im Bereich von 5 bis 60 GPa aufweist. Der Young'sche Modul E zur Härte Ht der weichen Schicht wird durch einen Nano-Indentor erhalten und der Young'sche Modul E liegt im Bereich von 6 bis 30 GPa und die Härte Ht liegt im Bereich von 0,2 bis 3,0 GPa. Es ist ferner wichtig, dass der Wert des Verhältnisses [E/Ht] der zwei Parameter im Bereich von 10 bis 30 liegt. Der Wert des Verhältnisses [E/Ht] liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30, dies zur höheren Produktivität, welche typischerweise durch die Leistungsrate bzw. Gleitbewegung ausgewertet wird. Dahingegen ist, wenn der Wert des Verhältnisses [E/Ht] der weichen Schicht niedriger als 10 ist, die Härte bezüglich des Young'schen Moduls übermäßig. Somit wird keine anfängliche Anpassung erzielt, da kaum irgendwelcher Verschleiß vorliegt, und ist weniger wirksam hinsichtlich der Reduzierung des Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand. Wenn der Wert des Verhältnisses [E/Ht] andererseits 30 überschreitet, liegt nicht genug Härte relativ zu dem Young'schen Modul vor und erhöht somit die Empfänglichkeit zur Anpassung oder Verschleiß und erzielt niedrigen Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand. Jedoch wird ein Ölfilm nicht leicht ausgebildet, da Öl nicht leicht in einer solchen Ausgestaltung angesaugt bzw. -gezogen wird.
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Die Erfinder haben einen Kugel-auf-Scheiben-Test durchgeführt, um das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Ansaugens bzw. -ziehens von Öl und dem Reibungskoeffizienten für drei unterschiedliche Arten von weichen Schichten zu prüfen, nämlich BEISPIEL A, VERGLEICHSBEISPIEL B und VERGLEICHSBEISPIEL C. 1 zeigt ein Beispiel des Ergebnisses des Kugel-auf-Scheiben-Tests, welcher durch ein Stribeck-Diagramm präsentiert wird. Im BEISPIEL A ist der Wert des Verhältnisses [E/Ht] 0 ≤ E/HT ≤ 30. Im VERGLEICHSBEISPIEL B ist der Wert des Verhältnisses [E/Ht] E/Ht < 10. Im VERGLEICHSBEISPIEL C ist der Wert des Verhältnisses [E/Ht] 30 < E/Ht. 2A, 2B und 2C sind Querschnittsansichten, welche das anfängliche Anpassen oder Verschleiß der weichen Schicht im BEISPIEL A, VERGLEICHSBEISPIEL B und VERGLEICHSBEISPIEL C schematisch darstellen.
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Im VERGLEICHSBEISPIEL B, welches eine relativ harte weiche Schicht aufweist, wird anfängliches Anpassen nicht erzielt, was bedeutet, dass zweckmäßiger Verschleiß nicht auftritt, wie in 2B dargestellt ist, und somit ist der Reibungskoeffizient (μ) in dem Grenzschmierungszustand groß, wie in 1 gezeigt ist. Im VERGLEICHSBEISPIEL C, in welchem die weiche Schicht zu weich ist, wird anfängliches Anpassen hinreichend erzielt, wie in 2C dargestellt ist. Somit kann der Reibungskoeffizient in dem Grenzschmierungszustand reduziert werden, wie in 1 gezeigt ist. Jedoch neigt der Ölfilm zum Reißen und verzögert somit den Beginn des Senkens des Reibungskoeffizienten in dem Mischschmierungszustand. Dahingegen erzielt BEISPIEL A der vorliegenden Erfindung zweckmäßige anfängliche Anpassungsfähigkeit, wie in 2A dargestellt ist und vereinfacht auch die Ölfilmausbildung. Im Ergebnis ist BEISPIEL A zur Reduzierung des Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand in der Lage, wie in 1 dargestellt ist. BEISPIEL ist ferner zur Reduzierung der Geschwindigkeit in der Lage, bei welcher der Reibungskoeffizient zu sinken beginnt und ermöglicht frühen Übergang zu dem Mischschmierungszustand. Es ist somit im BEISPIEL A möglich, die Reibungseigenschaften sogar wirksamer zu verbessern.
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Die DLC-Schicht der vorliegenden Erfindung ist eine Schicht, welche hauptsächlich einen amorphen Körper mit einer Diamant- und Graphitstruktur umfasst. Genauer ist es möglich, vielfältige Arten von DLC anzuwenden, wie einem Metall enthaltenden DLC, einem Fluor enthaltenden DLC, einem Wasserstoff enthaltenden DLC und einem wasserstofffreien DLC. Die DLC-Schicht kann über dem Substrat durch CVD ([chemical vapor deposition =] chemische Dampfablagerung), PVD ([physical vapor deposition =] physikalische Dampfablagerung) oder dergleichen ausgebildet werden. Es ist möglich, den Young'schen Modul, die Härte und die Dicke der DLC-Schicht durch Kontrollieren bzw. Steuern der Filmausbildungsbedingungen, wie Leistungs- und Gasbedingungen zu kontrollieren bzw. zu steuern. Die DLC-Schicht erfordert eine Härte Hd im Bereich von 5 bis 60 GPa.
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Die weiche Schicht der vorliegenden Erfindung ist hauptsächlich aus Kohlenstoff ausgebildet und kann eine DLC-Struktur, eine polymerartige Kohlenstoff([polymer-like-carbon =] polymerartige Kohlenstoff)-Struktur oder eine Graphit(Gr)-Struktur anwenden Wasserstoff enthaltender DLC oder wasserstofffreier DLC wird vorzugsweise als DLC verwendet. Wasserstoff enthaltender PLC wird vorzugsweise als der PLC verwendet. Die weiche Schicht kann durch CVD ([chemical vapor deposition =] chemische Dampfablagerung), PVD ([physical vapor deposition =] physikalische Dampfablagerung) oder dergleichen ausgebildet werden. Es ist möglich, den Young'schen Modul, die Härte und die Dicke der weichen Schicht durch Steuern der Filmausbildungsbedingungen, wie Leistungs- und Gasbedingungen, zu kontrollieren bzw. zu steuern. Die weiche Schicht kann ferner eine Graphen-Struktur, eine Kohlenstoff-Nanoröhrenstruktur, eine Fulleren-Struktur oder dergleichen anwenden. In einem solchen Fall kann die weiche Schicht frei von einer Harzüberschicht gemacht werden. Die Harzüberschicht ist eine Schicht, welche von einem Festschmierstoff (wie MoS2, WS2 oder dergleichen) und einem Binderharz ausgebildet wird. Die Dicke der weichen Schicht kann beispielsweise in einem Bereich von 0,05 bis 10 μm liegen.
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In der vorliegenden Erfindung ist das Substrat eine Struktur, über welcher die Gleitschicht vorgesehen ist. Zum Beispiel kann das Substrat aus einem Metallrücken und einer Lagerlegierungsschicht ausgebildet sein, welche über dem Metallrücken vorgesehen ist. Die Gleitschicht kann über der Lagerlegierungsschicht ausgebildet sein. Eine Zwischenschicht kann zwischen der Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht vorgesehen sein. Zum Beispiel kann die Zwischenschicht aus einer adhäsiven Lage, einer anderen DLC-Schicht oder dergleichen ausgebildet sein. Die Lagerlegierungsschicht kann hauptsächlich aus Al, Cu oder dergleichen ausgebildet sein.
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In der vorliegenden Erfindung erfüllt das Verhältnis zwischen der Dicke T (μm) der weichen Schicht und der Härte Hd (GPa) der DLC-Schicht Hd × T ≥ 6, wenn t ≤ 2 und Hqd × (T – 2) ≤ 6, wenn 2< T ≤ 3,2.
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Gemäß der durch die Erfinder ausgeführten Forschung ist die Dicke T der weichen Schicht und die Härte Hd der unten liegenden DLC-Schicht vorzugsweise dahingehend ausgestaltet, die vorstehend beschriebene Formel zusätzlich zu den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen zu erfüllen. Es wurde verifiziert, dass die vorstehend beschriebene Ausgestaltung die Reibungseigenschaften effizienter bzw. wirksamer durch Reduzierung des Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand und frühen Übergang zu dem Mischschmierungszustand verbessern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist Diagramm, welches in Kürze die Ergebnisse von Tests darstellt, welche durchgeführt wurden, um das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit von Ölansaugung bzw. -anziehung und Reibungskoeffizient für drei unterschiedliche Arten von weichen Schichten ausgeführt wurden.
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2A ist eine Querschnittsansicht, welche schematisch die anfängliche Anpassung oder den Verschleiß der weichen Schicht von Beispiel A der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2B ist eine Querschnittsansicht, welche schematisch die anfängliche Anpassung oder den Verschleiß der weichen Schicht von VERGLEICHSBEISPIEL B gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2C ist eine Querschnittsansicht, welche schematisch die anfängliche Anpassung oder den Verschleiß der weichen Schicht von VERGLEICHSBEISPIEL C gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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3 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar und ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den Aufbau eines Gleitelements darstellt
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4 ist ein Beispiel eines Diagramms, welche die Kugel-auf-Scheiben-Testergebnisse zeigt.
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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen durch ein Ausführungsbeispiel einer Gleitlageranwendung beschrieben, die zum Beispiel in einer Kurbelwelle eines Fahrzeugmotors verwendet wird. Wie später beschrieben wird, sind BEISPIELE 1 bis 12, die in der begleitenden 4 gezeigt sind, beispielsweise Gleitelemente oder Gleitlager gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und sind mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen versehen. Gleitelemente von BEISPIELEN 7 bis 12 sind ferner mit im Anspruch 2 genannten Merkmalen versehen.
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3 stellt schematisch den Aufbau eines Gleitelements 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels dar. Ein Beispiel eines Gleitelements 11 kann ein Gleitlager sein. Das Gleitelement 11 ist mit einem Substrat 12 und einer Gleitschicht 13 versehen, welches über der Oberflächenseite vorgesehen ist, d. h. der oberen Oberflächenseite von dem Substrat 12. Die Gleitschicht 13 enthält mehrere Schichten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine weiche Schicht 14 in der Oberflächenseite vorgesehen, mit anderen Worten, dem obersten Abschnitt der Gleitschicht 13, welche mit dem Gegenelement, wie einer nicht gezeigten Kurbelwelle, gleitet. Die weiche Schicht 14 ist in erster Linie bzw. hauptsächlich aus Kohlenstoff gebildet. Die DLC-Schicht 15 ist direkt unter der weichen Schicht 14 vorgesehen und somit ist die Gleitschicht 13 ein doppelschichtiger Aufbau.
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Obwohl dies nicht im Detail dargestellt ist, enthält das Substrat 12 einen metallischen Rücken, der beispielsweise aus Stahl hergestellt ist. Eine Lagerlegierungsschicht ist über der oberen Oberfläche vorgesehen, mit anderen Worten, der Gleitoberflächenseite des Metallrückens. Die Lagerlegierungsschicht kann zum Beispiel aus Al, Al-Legierung, Cu, Cu-Legierung oder dergleichen ausgebildet sein. Eine Zwischenschicht kann zwischen dem Substrat 12, d. h. der Lagerlegierungsschicht, und der DLC-Schicht 15 vorgesehen sein. Zum Beispiel kann die Zwischenschicht aus einer anderen DLC-Schicht oder dergleichen ausgebildet sein.
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Die weiche Schicht 14 ist ein in erster Linie bzw. hauptsächlich aus Kohlenstoff gebildeter Film bzw. dünne Schicht. Genauer verwendet die weiche Schicht 14 einen DLC-, einen PLC- oder einen Gr-Aufbau. Die Dicke T der weichen Schicht 14 kann im Bereich von 0,05 bis 10,0 μm liegen. Der Young'sche Modul E der weichen Schicht 14 liegt im Bereich von 6 bis 30 GPa, die Härte Ht der weichen Schicht 14 liegt im Bereich von 0,2 bis 3,0 GPa und der Wert des Verhältnisses [E/Ht] der zwei Werte liegt im Bereich von 10 bis 30.
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Die DLC-Schicht 15 kann einen Metall enthaltenden DLC, einen Fluor enthaltenden DLC, einen Wasserstoff enthaltenden DLC und einen wasserstofffreien DLC verwenden, welche jeweils als Me, F, H und H-frei in dem später beschriebenen Diagramm repräsentiert werden, welches in 4 bereitgestellt wird. Zum Beispiel liegt die Dicke Td der DLC-Schicht 15 im Bereich von 1,0 bis 5,0 μm und die Härte Hd der DLC-Schicht 15 liegt im Bereich von 5 bis 60 GPa.
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Obwohl dies nur auf die BEISPIELE 7 bis 12 des vorliegenden Ausführungsbeispiels anwendbar ist, erfüllt das Verhältnis zwischen der Dicke T (μm) der weichen Schicht 14 und der Härte Hd (GPa) der DLC-Schicht 15 Hd × T ≥ 6, wenn T ≤ 2 und Hd × (T – 2) ≤ 6, wenn 2 < T ≤ 3,2.
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Das Gleitelement 11, welches vorstehend beschrieben ist, wird beispielsweise durch das folgende Verfahren hergestellt. Zunächst wurde eine hauptsächlich Cu oder Al enthaltende Lagerlegierungsschicht über einem Metallrücken ausgebildet, der aus Stahl ausgebildet ist. Als Ergebnis wurde ein sogenanntes bimetallisches Substrat 12 erhalten. Das Substrat 12 wurde in eine halbzylindrische oder zylindrische Form geformt bzw. gegossen. Die Oberfläche des geformten bzw. gegossenen Substrats 12 wurde beispielsweise durch Bohren oder Aufdornen bzw. Anstechen endbearbeitet.
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Die DLC-Schicht 15 wurde über dem Substrat 12, genauer über die Lagerlegierungsschicht, durch Plasma-CVD oder -PVD ausgebildet. Die weiche Schicht 14 wurde ferner über die DLC-Schicht 15 durch Plasma-CVD oder -PVD ausgebildet. Es ist möglich, den Young'schen Modul, die Härte und die Dicke der weichen Schicht durch Einstellung von Filmausbildungsbedingungen wie Ausstoß bzw. Leistung, Gasbedingungen und dergleichen zu steuern. Genauer wurde in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die DLC-Schicht 15 durch Sputtern bzw. Bedampfen ausgebildet, welches ein Beispiel von PVD ist. Dann wurde eine weiche Schicht 14 mit gesteuertem bzw. kontrolliertem Young'schen Modul, kontrollierter Härte und Dicke ausgebildet.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten einen in der Technik bekannten Kugel-auf-Scheiben-Test auf der Grundlage des Gleitelements 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch, um den Reibungskoeffizienten im Grenzschmierungszustand und die Geschwindigkeit des Übergangs zu dem Mischschmierungszustand zu prüfen. Beim Durchführen des Tests wurden 16 Arten von Teststücken einschließlich BEISPIELE 1 bis 12, welche Beispiele der vorliegenden Erfindung sind, und VERGLEICHSBEISPIELE 1 bis 4 zum Vergleich mit den BEISPIELEN vorbereitet, wie in 4 gezeigt. Die Teststücke wurden alle zum Beispiel als eine Scheibe mit einem Durchmesser von 46 mm gestaltet. Eine Cu-Legierungslager-Legierungsschicht wurde verwendet, wie in 4 gezeigt 4 zeigt die Testergebnisse, sowie die Merkmale von BEISPIELEN 1 bis 12 und VERGLEICHSBEISPIELE 1 bis 4, nämlich Art von weicher Schicht 14, Young'schem Modul E, Härte Ht, Wert des Verhältnisses [E/Ht], Dicke T, Art von DLC-Schicht 15, Härte Hd und Dicke Td.
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In den BEISPIELEN 1 bis 12 ist die weiche Schicht 14, die DLC, PLC oder Gr umfasst, über der DLC-Schicht 15, genauer über dem obersten Abschnitt der DLC-Schicht 15, vorgesehen. Die DLC-Schicht 15 weist eine vorbestimmte Härte Hd und Dicke Td auf. Die weiche Schicht 14 weist eine vorbestimmte Dicke T auf. Die BEISPIELE 1 bis 12 sind ferner dahingehend ausgestaltet, dass der Young'sche Modul E, die Härte Ht und der Wert des Verhältnisses [E/Ht] des vorstehenden dahingehend kontrolliert bzw. gesteuert werden, innerhalb vorbestimmter Bereiche zu fallen. Genauer weist die weiche Schicht 14 einen Young'schen Modul E auf, der im Bereich von 6 bis 30 GPa liegt, eine Härte Ht, die im Bereich von 0,2 bis 3,0 GPa liegt und der Wert des Verhältnisses [E/Ht] des vorstehenden im Bereich von 10 bis 30 liegt.
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Dahingegen ist das VERGLEICHSBEISPIEL 1 nicht mit der weichen Schicht 14 versehen und somit dient die DLC-Schicht als die Oberfläche des VERGLEICHSBEISPIELS 1 In den VERGLEICHSBEISPIELEN 2 bis 4 liegt die weiche Schicht 114 über der DLC-Schicht 115 vor. In dem VERGLEICHSBEISPIEL 2 zeigen der Young'sche Modul E und die Härte Ht der weichen Schicht 114 beide große Werte und somit ist der Wert des Verhältnisses [E/Ht] desselben 5, was ein Wert unterhalb von 10 ist. In dem VERGLEICHSBEISPIEL 3 ist der Wert des Verhältnisses [E/Ht] 35, was ein Wert oberhalb von 30 ist. In dem VERGLEICHSBEISPIEL 4 ist der Young'sche Modul E der weichen Schicht 114 40 GPa, was ein Wert größer als 30 GPa ist.
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Für die BEISPIELE 1 bis 12 wird das Verhältnis zwischen der Dicke T der weichen Schicht 14 und der Härte Hd der DLC-Schicht 15 auch in 4 gezeigt. Genauer ist ein durch Hd × T erhaltener Wert gegeben, wenn die Dicke T gleich oder geringer als 2 μm ist und ein durch Hd × (T – 2) erhaltener Wert gegeben, wenn die Dicke T größer als 2 μm und gleich oder geringer als 3,2 μm ist Wie früher beschrieben, erfüllen BEISPIELE 7 bis 12 den durch Hd × T ≥ 6, wenn T ≤ 2, und Hd × (T – 2) ≤ 6, wenn 2 < T ≤ 3,2 präsentierten Bereich. BEISPIELE 1 bis 6 fallen außerhalb des spezifizierten Bereichs.
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Der Kugel-auf-Scheiben-Test ist in der Technik bekannt und wird somit nur kurz beschrieben. Der Test wurde durch Platzieren einer rotierenden Stahlkugel auf einem Außenumfangsabschnitt der oberen Oberfläche eines Teststücks, welches um eine vertikale Achse rotiert, durchgeführt. Die Stahlkugel wurde in der gleichen Position rotiert und auf dem Teststück bei einer Last von beispielsweise 1 N platziert. Die Geschwindigkeit wurde variiert, während beispielsweise die Relativgeschwindigkeit des Teststücks und der Stahlkugel bei einer konstanten Geschwindigkeit von 500 mm/s gehalten wurde. Somit wurde die Geschwindigkeit des Ansaugens bzw. -ziehens des Öls, z. B. SAE#10, welches zwischen der Stahlkugel und dem Teststück vorliegt, variiert und ein Reibungskoeffizient bei jeder Saug- bzw. Zuggeschwindigkeit gemessen. Die Testergebnisse sind in dem Diagramm von 4 gezeigt. Das Diagramm zeigt den Reibungskoeffizienten μb in dem Grenzschmierungszustand, sowie Saug- bzw. Zuggeschwindigkeit Vm, von welchem der Reibungskoeffizient μb begann, zu sinken, d. h. der Reibungskoeffizient μb sank um 0,01.
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Wie in den Testergebnissen gezeigt ist, sind die Gleitelemente 11 der BEISPIELE 1 bis 12 alle mit einer weichen Schicht 14 mit einer Dicke T über der DLC-Schicht 15 versehen. Der Young'sche Modul E, die Härte Ht und der Wert des Verhältnisses [E/Ht] der weichen Schicht 14 sind dahingehend kontrolliert bzw., gesteuert, innerhalb vorbestimmter Bereiche zu fallen. Jedes der Gleitelemente 11 der BEISPIELE 1 bis 12 zeigen einen relativ kleinen Reibungskoeffizienten μb in dem Grenzschmierungszustand und der Reibungskoeffizient μb beginnt bei einer relativ niedrigen Saug- bzw. Zuggeschwindigkeit Vm zu sinken. Demzufolge war es möglich, einen frühen Übergang zu dem Mischschmierungszustand herzustellen. Dahingegen war VERGLEICHSBEISPIEL 1 nicht mit einer weichen Schicht versehen. Ferner fielen in den VERGLEICHSBEISPIELEN 2 bis 4 einer von Young'schem Modul E, Härte Ht und Wert des Verhältnisses [E/Ht] der weichen Schicht 14 außerhalb der vorbestimmten Bereiche. In VERGLEICHSBEISPIELEN 2 bis 4 wurde der Reibungskoeffizient μb relativ groß in dem Grenzschmierungszustand und somit begann der Reibungskoeffizient μb bei einer relativ hohen Saug- bzw. Zuggeschwindigkeit Vm zu sinken.
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Es wird davon ausgegangen, dass eine zweckmäßige anfängliche Anpassungsfähigkeit mit dem Gegenelement in dem Grenzschmierungszustand in den Gleitelementen 11 von den BEISPIELEN 1 bis 12 durch das Vorliegen einer weichen Schicht 14 über der DLC-Schicht 15 mit einer vorbestimmten Härte Hd erzielt wurde. Demzufolge war es möglich, den Reibungskoeffizienten durch Hemmen bzw. Verhindern von Pflügen und Adhäsion signifikant zu reduzieren. Es wird ferner davon ausgegangen, dass früher Übergang zu dem Mischschmierungszustand durch Spezifieren des Young'schen Modul E, der Härte Ht und des Wertes des Verhältnisses [E/Ht] der vorstehenden Werte der weichen Schicht 14 dahingehend, innerhalb der vorliegenden Bereiche zu fallen, erzielt wurde. Es wird davon ausgegangen, dass dies zur weiteren Reduzierung des Reibungskoeffizienten geführt hat.
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In VERGLEICHSBEISPIEL 2, in welchem der Wert des Verhältnisses [E/Ht] der weichen Schicht 114 geringer als 10 ist, wurde andererseits anfängliche Anpassungsfähigkeit nicht erreicht, da Verschleiß kaum beobachtet wurde wegen übermäßiger Härte. Somit ist das VERGLEICHSBEISPIEL 2 weniger wirksam hinsichtlich der Reduzierung des Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand. In VERGLEICHSBEISPIEL 3, in welchem der Wert des Verhältnisses [E/Ht] größer als 30 ist, ist die Härte Ht zu klein im Verhältnis zu dem Young'schen Modul. Somit ist es möglich, einen niedrigen Reibungskoeffizienten in dem Grenzschmierungszustand zu erzielen, wegen des relativ großen Anpassungsgrades, d. h. Verschleiß wurde beobachtet. Jedoch wird davon ausgegangen, dass ein Ölfilm schwierig auszubilden ist infolge der Schwierigkeit hinsichtlich des Saugens bzw. Ziehens von Öl.
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Unter den BEISPIELEN wurde ein größeres Niveau von Reduzierung hinsichtlich Saug- bzw. Zuggeschwindigkeit Vm, von welcher an der Reibungskoeffizient μb zu sinken beginnt, in den BEISPIELEN 4 bis 6 und BEISPIELEN 10 bis 12 erzielt, in welchen der Wert des Verhältnisses [E/Ht] gleich oder größer als 20 war. Somit wird davon ausgegangen, dass der Wert des Verhältnisses [E/Ht] vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30 liegt. Ferner wurde ein größeres Niveau der Reduzierung hinsichtlich des Reibungskoeffizienten μb in dem Grenzschmierungszustand in den BEISPIELEN 7 bis 12 erzielt, in welchen das Verhältnis zwischen der Dicke T der weichen Schicht 14 und der Härte Hd der DLC-Schicht 15 dahingehend kontrolliert bzw. gesteuert wurde, innerhalb des vorbestimmten Bereichs zu fallen, dies im Vergleich zu BEISPIELEN 1 bis 6, welche außerhalb des vorbestimmten Bereichs fallen. Ähnliche Testergebnisse wurden erhalten, wenn ein hauptsächlich AI umfassendes Material als die Lagerlegierungsschicht verwendet wurde.
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Das Gleitelement der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele und BEISPIELE beschränkt. Zum Beispiel können die in der Metallrückseite und der Lagerlegierungsschicht verwendeten Materialien, sowie deren Dicken variieren. Die DLC-Schicht und die weiche Schicht können durch unterschiedliche bzw. andere Herstellungsverfahren ausgebildet werden. Ferner kann jede der Komponenten unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Des Weiteren ist das Gleitelement nicht auf eine Gleitlageranwendung für Fahrzeugmotoren beschränkt, sondern kann in vielfältigen anderen Anwendungen mit Modifikationen innerhalb des Gedankens der Erfindung variiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006-8853 A [0003]
- JP 2009-13192 A [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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