DE102016119815B4

DE102016119815B4 - Gleitsystem

Info

Publication number: DE102016119815B4
Application number: DE102016119815.3A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Mori; Mamoru Tohyama; Masaru Okuyama; Keiji Hayashi; Naoya Ikeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2036-10-19
Also published as: JP6295285B2; DE102016119815A1; US10301568B2; JP2017149881A; US20170247625A1

Abstract

Gleitsystem umfassend:ein Paar Gleitelemente mit Gleitoberflächen, die sich relativ bewegen können, während sie einander gegenüber stehen; undein zwischen den sich einander gegenüberstehenden Gleitoberflächen zwischengelagertes Schmieröl,wobei zumindest eine der Gleitoberflächen eine Beschichtungsoberfläche eines kristallinen Chromcarbidfilms umfasst;wobei das Schmieröl eine die Struktur eines Dreikerns von Mo umfassende öllösliche Molybdänverbindung enthält,wobei der Chromcarbidfilm, wenn der Chromcarbidfilm insgesamt 100 At.-% ausmacht, 50-75 At.-% Cr enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitsystem, das durch eine Kombination eines Chromcarbidfilms und eines Schmieröls, das eine öllösliche Molybdänverbindung mit einer bestimmten chemischen Struktur enthält, sowohl eine verringerte Reibung, als auch eine verbesserte Verschleißbeständigkeit erzielen kann.
Stand der Technik
Verschiedene Maschinen sind mit Gleitelementen versehen, die sich relativ bewegen, während sie gleitfähig miteinander in Kontakt stehen. In einem System mit solchen Gleitelementen (in der vorliegenden Beschreibung als ein „Gleitsystem“ bezeichnet, z.B. einer Gleitmaschine) kann der Reibungskoeffizient zwischen den Gleitoberflächen verringert werden, um dadurch den Gleitwiderstand zu verringern und es ist möglich, die Leistungsfähigkeit zu verbessern und eine Betriebsenergie zu verringern. Außerdem können die Dauerhaftigkeit, Zuverlässigkeit und andere erforderliche Eigenschaften des Gleitsystems nicht nur durch Verringern der Reibung, sondern auch durch Verbessern der Verschleißbeständigkeit zwischen den Gleitoberflächen verbessert werden.
Im Übrigen sind die Gleiteigenschaften, wie der Reibungskoeffizient und die Verschleißbeständigkeit, abhängig vom Oberflächenzustand jeder Gleitoberfläche während des Betriebs und des Schmierzustandes zwischen den Gleitoberflächen, verschieden. Um die Gleiteigenschaften zu verbessern, wurden zuvor verschiedene Studien zum Modifizieren der Gleitoberflächen und zum Verbessern des zwischen den Gleitoberflächen zugesetzten Schmiermittels (des Schmieröls) durchgeführt. Beschreibungen, die für die zuvor genannten Studien relevant sind, können zum Beispiel in der nachfolgend erwähnten Patentliteratur (PTL) aufgefunden werden.
Gattungsgemäße Gleitsysteme sind dem Fachmann darüber hinaus beispielsweise aus dem Dokument EP 2 966 152 A1 bekannt.
Liste zitierter Dokumente
Patentliteratur

[PTL 1] JP 2004-339486 A ( EP 1 462 508 B1 )
[PTL 2] JP 3728740 B ( JP H08-296030 A )
[PTL 3] JP 5050048 B ( JP 2009-532580 A )

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
PTL 1 schlägt eine Kombination eines herkömmlichen DLC-Films und eines Schmiermittels vor, wobei der DLC-Film frei von Metallelementen und anderen Zusatzelementen ist und das Schmiermittel dadurch erhalten wird, dass 550 ppm an Molybdändithiocarbamat als ein Anteil an Mo einem Basisöl zugesetzt werden. PTL 1 beschreibt allerdings nur, dass die Kombination den Reibungskoeffizienten verringern kann und nichts in PTL 1 offenbart den Mechanismus, die Verschleißbeständigkeit und andere Details. Außerdem beträgt der durch die Kombination erzielte Reibungskoeffizient bestenfalls ungefähr 0,1 und die Verringerung des Reibungskoeffizienten kann somit unzureichend sein.
PTL 2 beschreibt das Bereitstellen einer Außenumfangsgleitoberfläche eines Kolbenrings für Intemverbrennungsmotoren mit einem Ionenplattierungsfilm aus einem Gemisch von Chromnitrid vom CrN-Typ und Chromnitrid vom Cr₂N-Typ, wobei das Kristallorientierungsverhältnis des CrN und des Cr2N optimiert ist, um dadurch die Verschleißbeständigkeit, die Abriebfestigkeit und andere Eigenschaften des Kolbenrings zu verbessern. Allerdings beschreibt PTL 2 nur ein Durchführen eines Verschleißbeständigkeitstests und andere Tests unter Verwendung eines herkömmlichen Motoröls als Schmieröl und nichts in PTL 2 beschreibt den Einfluss etc., mit dem der zuvor genannte Film den Reibungskoeffizienten zwischen den Gleitoberflächen beeinflusst oder legt diesen nahe.
PTL 3 beschreibt ein abgelagertes Material aus kristallinem Chrom (eine sogenannte Cr-Plattierung), das Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel enthält, aber nichts in PTL 3 offenbart ausdrücklich die Gleiteigenschaften.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts solcher Umstände gemacht und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleitsystem bereitzustellen, das mittels einer neuen Kombination eines Gleitfilms und eines Schmieröls die verringerte Reibung und die verbesserte Verschleißbeständigkeit erzielen kann.
Lösung der Aufgabe
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit dem Gleitsystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Gleitsystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Als ein Ergebnis intensiver Studien zum Erzielen des zuvor genannten Ziels haben die Erfinder herausgefunden, dass eine neue Kombination eines Chromcarbidfilms und eines Schmieröls, das eine öllösliche Molybdänverbindung mit einer bestimmten chemischen Struktur enthält, den Reibungskoeffizient zwischen Gleitoberflächen drastisch verringern kann und es auch ermöglichen kann, eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit zu erzielen. Durch Entwickeln dieser Errungenschaft haben die Erfinder, wie nachfolgend beschrieben wird, die vorliegende Erfindung vollendet.
Gleitsystem
(1) Das Gleitsystem der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Paar von Gleitelementen, die Gleitoberflächen aufweisen, die sich relativ bewegen können während sie einander gegenüberstehen; und ein Schmieröl, das zwischen den einander gegenüberstehenden Gleitoberflächen zwischengelagert ist. Das Gleitsystem weist Merkmale auf, wie nachfolgend beschrieben. Zumindest eine der Gleitoberflächen umfasst eine Schichtungsoberfläche aus einem kristallinen Chromcarbidfilm. Das Schmieröl enthält eine öllösliche Molybdänverbindung, die eine chemische Struktur aus einem Dreikern von Mo aufweist. Wenn der Chromcarbidfilm insgesamt 100 At.-% ausmacht, enthält der Chromcarbidfilm 50-75 At.-% Cr.
(2) Nach dem Gleitsystem der vorliegenden Erfindung werden die Gleitoberfläche, die mit einem Chromcarbidfilm beschichtet ist, und das Schmieröl, das eine öllösliche Molybdänverbindung mit einer bestimmten chemischen Struktur enthält, miteinander kombiniert, um dadurch in hohem Maß sowohl den verringerten Reibungskoeffizient zwischen den Gleitoberflächen, als auch die verbesserte Verschleißbeständigkeit zu erzielen. Insbesondere kann eine Niedrigreibungseigenschaft entwickelt werden, sodass der Reibungskoeffizient in einer Ausführungsform 0,06 oder weniger, 0,05 oder weniger in einer anderen Ausführungsform, oder 0,04 oder weniger in einer weiteren Ausführungsform beträgt. Außerdem kann die Gleitoberfläche eines Chromcarbidfilms im Vergleich zu der einer Gleitoberfläche aus einem Stahlmaterial eine Verschleißtiefe, die auf die Verschleißbeständigkeit hindeutet, von zum Beispiel 1/4 oder weniger in einer Ausführungsform und 1/5 oder weniger in einer anderen Ausführungsform ausweisen.
Ein solches Gleitsystem der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für Maschinen, wie in einem Antriebssystem, die für eine lange Zeit unter rauen Bedingungen von einer Grenzflächenschmierungs(reibungs)bedingung bis zu einer Mischschmierungs(reibungs)bedingung betrieben werden. Somit kann die vorliegende Erfindung in hohem Maß zu einer Verringerung eines Treibstoffverbrauchs, zu einem Leistungszuwachs und zu anderen Vorteilen beitragen, während sie die Zuverlässigkeit sicherstellt, wenn das Gleitsystem zum Beispiel für einen Motor oder eine Antriebssystemeinheit, wie ein Getriebe, verwendet wird.
(3) Auch wenn der Mechanismus nicht unbedingt sicher ist, mit dem die Kombination eines Chromcarbidfilms und eines Schmieröls nach der gegenwärtigen Erfindung ausgezeichnete Gleiteigenschaften entwickelt, nehmen die Erfinder unter den gegenwärtigen Umständen das Folgende an.
Wenn das Gleitsystem (insbesondere eine Gleitmaschine) der gegenwärtigen Erfindung betrieben wird, adsorbiert die öllösliche Molybdänverbindung, die in dem Schmieröl enthalten ist, und einen Dreikern von Mo umfasst (und die als eine „Mo-Dreikernverbindung“ oder einfach als ein „Mo-Dreikern“ bezeichnet werden kann) an die Gleitoberfläche des Chromcarbidfilms. Diese Adsorbtion kann sogar auftreten, wenn der Anteil des Mo-Dreikerns in dem Schmieröl sehr gering ist. Auch wenn der Grund nicht sicher feststeht, wird nachdem das Gleitsystem betrieben wird (während des Gleitens) eine MoS₂ ähnelnde Molybdänsulfidverbindung einer geschichteten Struktur an der Gleitoberfläche (den Chromcarbidfilm) gebildet, an welche der Mo-Dreikern adsorbiert ist, und eine ausgezeichnete niedrige Schereigenschaft wird dadurch entwickelt. Dies scheint es zu ermöglichen, dass der Reibungskoeffizient an der Gleitoberfläche des Chromcarbidfilms sogar unter einer großen Bandbreite von Betriebssituationen, einschließlich der Grenzflächenreibung, drastisch verringert wird. Wie verständlich werden wird, kann ein Teil der zu erzeugenden Molybdänsulfidverbindung nicht nur von dem Mo-Dreikern, sondern auch von Elementen (wie Mo und S) als den Zufuhrquellen, die in anderen Zusatzstoffen enthalten sind, gebildet werden, die einem kompetitiven Adsorbtionszusammenhang mit dem Mo-Dreikern unterliegen.
Der Chromcarbidfilm nach der vorliegenden Erfindung setzt sich aus einem kristallinen Material, das für gewöhnlich härter ist als ein amorpher Film (DLC-Film) und einem Basismaterial (z. B. einem Stahlmaterial) zusammen, und ein Transferieren und Anhaften an der Gleitoberfläche des Gegenstückgleitelements ist weniger wahrscheinlich. Das Gleitsystem der vorliegenden Erfindung ist somit so zu sehen, dass es in Gegenwart des zuvor beschriebenen Schmieröls eine hohe Verschleißverständigkeit aufweist.
Wenn das Schmieröl Ca enthält, adsorbiert dieses auch an die Gleitoberfläche. Das Ca trägt zu einer erhöhten Dicke eines Grenzfilms bei, der an dem Chromcarbidfilm gebildet wird. Es kann in Betracht gezogen werden, dass die Erzeugung eines dicken Grenzfilms die Aggressivität gegenüber dem Chromcarbidfilm während des Gleitens abschwächt und dass die Verschleißbeständigkeit weiter verbessert wird. Das Schmieröl kann oft Ca in einem höheren oder geringeren Ausmaß enthalten. Motoröl zum Beispiel kann oft Ca als ein Element als einen Zusatzstoff oder Reinigungshilfsstoff enthalten, wie überalkalisiertes Calciumsulfonat, das einen reaktiven Film bildet.
Anderes
(1) Der Mo-Dreikern nach der vorliegenden Erfindung ist nicht beschränkt im Hinblick auf seine funktionellen Gruppen, die an die Enden gebunden sind, das Molekulargewicht und andere Eigenschaften, kann aber bevorzugt ein Molekularstrukturskelett von zumindest einen von Mo₃S₇ oder Mo₃S₈ (insbesondere Mo₃S₇) aufweisen. Nur als Bezug, stellt 5 ein Beispiel der Molybdänsulfidverbindung von Mo₃S₇ dar. In der Figur steht R für eine Kohlenwasserstoffgruppe.
Der Mo-Dreikern nach der vorliegenden Erfindung kann so reagieren, dass er an die Gleitoberfläche adsorbiert, wodurch eine Molybdänsulfidverbindung mit einer bestimmten chemischen Struktur, wie Mo₃S₇, Mo₃S₈ und Mo₂S₆, zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen MoS₂ an der Gleitoberfläche gebildet wird. Eine solche Molybdänsulfidverbindung kann auch aufgrund der geschichteten Struktur eine geringere Schmiereigenschaft zwischen den Gleitoberflächen ermöglichen, sodass zu der Verringerung des Reibungskoeffizienten beigetragen wird.
(2) Der Chromcarbidfilm nach der vorliegenden Erfindung enthält hauptsächlich Cr und C, kann aber ferner als zusätzliche Elemente Dotierungselemente (wie O und N) enthalten, welche die Niedrigreibungseigenschaft nicht beeinträchtigen oder welche die Niedrigreibungseigenschaft verbessern. Cr und C in dem Chromcarbidfilm können nicht nur als CrC vorliegen, sondern auch als Cr₇C₃ oder Cr₃C₂. In der vorliegenden Beschreibung kann der Chromcarbid(film) als CrC(film) bezeichnet werden, aber das bedeutet nicht unbedingt, dass die Verbindung oder die Kristallstruktur als ein einzelner Körper aus CrC beschrieben ist. Unter Berücksichtigung des Vorangestellten, ist es bevorzugt, dass, wenn der Chromcarbidfilm insgesamt 100 At.-% ausmacht (einfach als „%“ bezeichnet) der Chromcarbidfilm nach der vorliegenden Erfahrung in einer Ausführungsform 50-65 % Cr und 35-50 % C enthält. Wenn der Gehalt an Cr übermäßig gering ist, wird wahrscheinlich amorpher Kohlenstoff erzeugt und der kristalline Chromcarbidfilm kann nicht erhalten werden. Wenn der Gehalt an Cr übermäßig hoch ist, wird die Bildung eines Chromcarbidfilms selbst schwierig sein.
Wenn der Chromcarbidfilm Dotierungselemente und dergleichen enthält, ist es bevorzugt, dass der Chromcarbidfilm in einer Ausführungsform 1-10 % und in einer anderen Ausführungsform ungefähr 3-7 % andere Elemente als Cr und C enthält. Die Filmzusammensetzung, so wie darauf in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen ist, wird unter Verwendung eines Elektronenstrahlmikroanalysegeräts (EPMA) bestimmt. Röntgenbeugungs- oder Ramanspektroskopieanalyse wird verwendet, um zu bestätigen, dass der Chromcarbidfilm nach der vorliegenden Erfindung kristallin ist.
(3) Das „Gleitsystem“, wie darauf in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, ist ausreichend, solange es Gleitelemente und Schmieröl umfasst und es ist möglich, dass es nicht ein fertiggestelltes Produkt als eine Maschine ist, sondern auch eine Kombination mechanischer Elemente sein kann, die einen Teil des Produkts bilden etc. Das Gleitsystem der vorliegenden Erfindung kann auch als eine Gleitstruktur, eine Gleitmaschine (z. B. ein Motor, ein Getriebe) oder mit einem anderen geeigneten Begriff bezeichnet werden.
Die Beschichtungsoberfläche des Chromcarbidfilms nach der vorliegenden Erfindung kann als eine Gleitoberfläche von zumindest einem der Gleitelemente gebildet werden, die sich relativ bewegen, während sie einander gegenüber stehen. Wie verständlich wird, ist es stärker bevorzugt, dass beide der Gleitoberflächen, die einander gegenüberstehen, die Beschichtungsoberflächen des Chromcarbidfilms sind.
(4) Solange nicht anders erwähnt, umfasst ein numerischer Bereich „x bis y“, wie darauf in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, den unteren Grenzwert x und den oberen Grenzwert y. Jeder numerische Wert, der in verschiedenen numerischen Werten oder numerischen Bereichen umfasst ist, die in der vorliegenden Beschreibung beschrieben werden, kann sachgerecht als ein neuer unterer Grenzwert oder oberer Grenzwert ausgewählt oder extrahiert werden, und jeder numerische Bereich wie „a bis b“ kann dadurch unter Verwendung solcher neuer unterer Grenzwerte oder oberer Grenzwerte neu bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist ein Balkendiagramm, das Reibungskoeffizienten der Proben vergleicht.
2 ist ein Balkendiagramm, das Verschleißtiefen der Proben vergleicht.
3 ist ein Set von Ramanspektren der Proben.
4 ist ein Set von Oberflächenanalyseergebnissen der Proben durch TOF-SIMS.
5 ist ein Molekularstrukturdiagramm, das ein Beispiel des Mo-Dreikerns nach der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Schmieröl
Das Schmieröl nach der vorliegenden Erfindung ist hinsichtlich des Typs eines Basisöls und des Vorliegens oder der Abwesenheit anderer Additive etc. nicht beschränkt, solange das Schmieröl einen Mo-Dreikern enthält. Im Allgemeinen enthält Schmieröl wie Motoröl verschiedene Additive einschließlich S, P, Zn, Ca, Mg, Na, Ba, oder Cu, etc. Sogar in solchem Schmieröl wirkt der Mo-Dreikern nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise an der Gleitoberfläche (Beschichtungsoberfläche), die mit dem Chromcarbidfilm beschichtet ist, und erzeugt eine Molybdänsulfidverbindung (wie MoS₂, Mo₃S₇, Mo₃S₈ und Mo₂S₆), was den Reibungskoeffizienten verringern kann.
Das Schmieröl nach der vorliegenden Erfindung kann andere Mo-basierte Verbindungen als den Mo-Dreikern (wie MoDTC) umfassen, aber die Gesamtmenge des enthaltenen Mo kann bevorzugt klein sein, da Mo ein Typ seltenen Metalls ist.
Eine übermäßig kleine Menge des Mo-Dreikerns macht es schwierig, die Wirkung wie die zuvor genannte zu erzielen, während eine übermäßig große Menge des Mo-Dreikerns kein Problem verursachen kann. Wie zuvor beschrieben, sollte die Verwendung von Mo bevorzugt in geringem Umfang stattfinden. Es ist daher bevorzugt, dass der Mo-Dreikern nach der vorliegenden Erfindung in einer Ausführungsform ein Massenverhältnis von Mo zu dem Schmieröl insgesamt von 25-900 ppm, in einer anderen Ausführungsform 50-800 ppm, in noch einer anderen Ausführungsform 60-500 ppm und in einer weiteren Ausführungsform 70-200 ppm aufweist. Wenn das Massenverhältnis von Mo zu dem Schmieröl insgesamt als ppm wiedergegeben wird, wird es als „ppmMo“ bezeichnet. Es ist anzumerken, dass, auch wenn das Schmieröl andere Mo-basierte Verbindungen und dergleichen als den Mo-Dreikern enthält, der obere Grenzwert der Gesamtanteil an Mo in einer Ausführungsform bevorzugt 1.000 ppmMo und in einer anderen Ausführungsform 400 ppmMo in Bezug auf das Schmieröl insgesamt betragen kann.
Chromcarbidfilm
Das Verfahren zum Bilden des Chromcarbidfilms nach der vorliegenden Erfindung ist nicht beschränkt. Ein erwünschter Chromcarbidfilm kann zum Beispiel unter Verwendung von zum Beispiel einem physischen Dampfablagerungs- (PVT) Verfahren wie eines Sputter- (SP) Verfahrens (insbesondere eines unkompensierten Magnetronsputter-(UBMS) Verfahrens) und eines Lichtbogenionenplattier- (AIP) Verfahrens effizient gebildet werden.
Das SP-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem eine Spannung zwischen einem Ziel an der Kathodenseite und einer zu beschichtenden Oberfläche an der Anodenseite angelegt wird und bewirkt wird, dass Inertgasatomionen, die aufgrund der Glühentladung erzeugt werden, mit der Zieloberfläche kollidieren, sodass die Partikel (Atome/Moleküle) die von dem Ziel freigesetzt werden, abgelagert werden, sodass ein Film an der zu beschichtenden Oberfläche gebildet wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Chromcarbidfilm an der Gleitoberfläche zum Beispiel durch Durchführen des Sputterns unter Verwendung von metallischem Cr als das Ziel und Ar Gas als dem Inertgas gebildet werden, wobei eine Cr-Zwischenproduktschicht von den freigesetzten Cr-Atomen (Ionen) gebildet wird und danach die Zwischenproduktschicht mit einem eingebrachten Kohlenwasserstoffgas (wie C₂H₂ Gas) zur Reaktion gebracht wird.
Das AIP-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Metallziel (eine Verdampfungsquelle) als die Kathode zum Erzeugen einer Lichtbogenentladung zum Beispiel in einem reaktiven Gas (Verfahrensgas) verwendet wird, sodass aus dem Metallziel erzeugte Metallion mit den reaktiven Gaspartikeln reagieren, sodass ein dichter Film an einer zu beschichtenden Oberfläche, an der eine Gittervorspannung (eine negative Spannung) anliegt, gebildet wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel das Ziel metallisches Cr sein, und das reaktive Gas kann ein Kohlenwasserstoffgas (wie ein C₂H₂ Gas) sein.
Wenn der Chromcarbidfilm gebildet wird, der zusätzlich zu Cr und C Dotierungselemente enthält, kann ein Ziel oder ein reaktives Gas verwendet werden, das die Dotierungselemente enthält. Die Zusammensetzung, Struktur und andere Eigenschaften des Chromcarbidfilms können durch Anpassen der Bestandteile des Ziels und/oder des reaktiven Gases und/oder Anpassen des Gasdrucks des reaktiven Gases gesteuert werden.
Nutzung beziehungsweise Anwendung
Die Gleitelemente nach der vorliegenden Erfindung sind nicht im Hinblick auf Typ, Form, Gleitschema und andere Merkmale beschränkt, solange die Gleitelemente GleitOberflächen aufweisen, die sich relativ bewegen, während das Schmieröl dazwischen zwischengelagert ist. Das mit solchen Gleitelementen versehene Gleitsystem ist auch nicht in seiner spezifischen Form, seinem Schema, seiner Nutzung beziehungsweise Anwendung, etc., beschränkt, und kann breit auf verschieden Maschinen, Apparaten und dergleichen angewendet werden, die eine Verringerung des Gleitwiderstandes und eine Verringerung eines Maschinenverlustes aufgrund eines Gleitens erfordern, während die Zuverlässigkeit sichergestellt wird. Zum Beispiel kann das Gleitsystem der vorliegenden Erfindung bevorzugt für eine Motoreinheit und eine Antriebssystemeinheit (wie ein Getriebe) für Fahrzeuge wie Wagen verwendet werden. Beispiele der Gleitelemente, die ein solches Gleitsystem bilden, umfassen: Komponenten, wie einen Nocken, einen Ventilstößel (die Gleitoberfläche ist z. B. eine kontaktierende Oberfläche mit einem Nocken), einen Mitnehmer, eine Scheibe, ein Ventil und eine Ventilführung, die ein dynamisches Ventilsystem bilden; einen Kolben (die Gleitoberfläche ist z. B. ein Kolbenmantel); einen Kolbenring; einen Kolbenbolzen; eine Kurbelwelle; ein Getriebe; einen Rotor; ein Rotorgehäuse; ein Ventil; eine Ventilführung; und eine Pumpe.
Beispiele
Übersicht
Eine Mehrzahl im Testverfahren befindlicher Materialien (Gleitelemente) mit verschiedenen Typen von Gleitoberflächen wurde mit einem Schmieröl kombiniert, das einen Mo-Dreikern (eine öllösliche Molybdänverbindung) enthielt (bezeichnet als „compoundiertes Öl) um einen Gleittest (Block auf Ring Reibungstest) durchzuführen. Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die Ergebnisse des Reibungstest etc. genauer beschrieben.
Herstellung der Proben
Basismaterial
Eine Mehrzahl blockartiger Basismaterialien (6.3 mm×15.7 mm×10.1 mm) wurde hergestellt, von denen jedes ein abgeschrecktes Stahlmaterial (JIS SCM420) umfasste. Eine Oberfläche (eine zu beschichtende Oberfläche) jedes Basismaterials wurde hochglanzpoliert (Oberflächenrauheit: Ra 0,08 Mikrometer).
Die hergestellten Proben wurden dadurch erhalten, dass Oberflächen der Basismaterialien mit einem Chromcarbidfilm (einfach als „CrC (Film) / Probe 1 bezeichnet) einen Chromnitridfilm (einfach als „CrN (Film) / Probe C1 bezeichnet) und einem Chromplattierungsfilm (einfach als „Cr-Plattierung / Probe C2 bezeichnet) beschichtet wurden und eine Probe wurde dadurch erhalten, dass bewirkt wurde, dass eine Oberfläche des Basismaterials eine carburierte Oberfläche wurde (Härte: 700, Oberflächenrauheit: Ra 0,08 Mikrometer) ohne einen Film zu bilden (einfach als ein „carburiertes Material“ / Probe C0 bezeichnet).
Film Bildung
Der CrC-Film wurde unter Verwendung eines unkompensierten Magnetronsputterapparats hergestellt. Im Einzelnen wurde nach dem die Kammer vorläufig evakuiert war, ein reines Cr-Ziel mit Ar-Gas gesputtert, sodass eine Cr-Zwischenproduktschicht auf der Basismaterialoberfläche gebildet wurde. Nachfolgend wurde zusätzlich C₂H₂ Gas darein eingebracht, um einen CrC-Film zu synthetisieren.
Der CrN-Film wurde durch Sputtern eines Ziels aus reinem Cr mit Ar-Gas unter Verwendung des gleichen Sputterapparats synthetisiert, um die freigesetzten Cr-Atome (Ionen) mit dem N₂-Gas zur Reaktion zu bringen.
Die Filmbildung des Cr-Plattierens wurde in einem Chromsäure-Natriumsilicofluorid-Schwefelsäurebad bei einer Badtemperatur von 50-60°C mit einer Stromdichte von 30-60 A/dm² durchgeführt.
Messung vor dem Gleittest
Filmzusammensetzung
Vor dem Gleittest wurde die Filmzusammensetzung jeder Probe unter Verwendung eines EPMA (JXA-8200, verfügbar von JEOL Ltd) quantifiziert. Die Ergebnisse sind zusammen in Tabelle 1 aufgelistet. Die Basismaterialzusammensetzung (Einheit: Massen %) des Stahlmaterials (SCM420) enthält 0.9-1.2 % Cr, 0.17-0.23 % C, 0.15-0.35 % Si, 0.60-0.90 % Mn und der Rest ist Fe sowie zufällige Verunreinigungen.
Filmstruktur
Der CrC-Film wurde unter Verwendung eines Ramanspektrometers (NRS-3200, erhältlich von der JASCO Corporation) analysiert. Diese Analyse wurde nicht nur vor dem Gleittest sondern auch nach dem Gleittest durchgeführt. Zum Vergleich wurden ein kommerziell erhältlicher DLC-Film (erhältlich von Kobe Steel, Ltd.) und ein Standardprodukt aus MoS₂ ebenfalls analysiert. Die Ramanspektren davon sind zusammen in 3 dargestellt.
Der CrC-Film wurde unter Verwendung von Röntgenbeugung analysiert und es wurde anhand des Profils bestätigt, dass der CrC-Film Cr₇C₃-Kristalle und Cr₃C₂-Kristalle enthält. Das gleiche wurde auch anhand der Elektronenstrahlbeugung unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) bestätigt.
Der kristalline CrC-Film wird auch anhand des in 3 dargestellten Ramanspektrums des CrC-Films aufgefunden, in dem ein Maximum, wie es in dem des amorphen DLC-Film (des amorphen Materials) auftritt, nicht beobachtet wird.
Schmieröl
Ein Motoröl (Motoröl SN 0W-20, erhältlich von der TOYOTA MOTOR CORPORATION) mit einem Viskositätsgrad von 0W-20 und dem ILSAC GF-5 Standard entsprechend, wurde als das für den Reibungstest zu verwendende Schmieröl vorbereitet. Dieses Motoröl ist frei von Molybdändithiocarbamat (MoDTC).
Für dieses Motoröl wurde ein als „Trinuklear“ bezeichneter Mo-Dreikern, gemäß der offenbarten Dokumentation „Molybdenum Additive Technology for Engine Oil Applications“, erhältlich von Infineum International Limited (der einfach als ein „Mo-Dreikern“ bezeichnet werden kann) zusätzlich compoundiert, um einen Mo-Gehalt in dem Öl von insgesamt 80 ppmMo Äquivalenten zu erzielen. Die Komponenten dieses compoundierten Öls sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Gleittest
Reibungskoeffizient
Ein Block-auf-Ring Reibungstest (einfach als ein „Reibungstest“ bezeichnet) wurde für eine Kombination jedes dem Test unterworfenen Materials und des compoundierten Öls durchgeführt, um den Reibungskoeffizienten (mu) jeder Gleitoberfläche zu messen. Ein Balkengraph, der die so erhaltenen Reibungskoeffizienten vergleicht, ist in 1 dargestellt.
Der Reibungstest wurde unter Verwendung jedes dem Test unterworfenen Materials als einen Blockteststück mit einer Gleitoberflächenbreite von 6,3 mm und unter Verwendung eines Standardteststücks S-10 (Härte HV 800 und Oberflächenrauheit Rzjis 1,7-2,0 Mikrometer) aus einem carburisierten Stahlmaterial (AISI4620) erhältlich von FALEX CORPORATION, als einem Ringteststück (Außendurchmesser 35 mm und Breite 8,8 mm) durchgeführt. Der Reibungstest wurde für 30 Minuten unter den Bedingungen einer Testlast von 133 N (Hertz Kontaktdruck: 210 MPa) einer Gleitgeschwindigkeit von 0,3 m/s und einer Öltemperatur von 18 °C (fix) durchgeführt, und der durchschnittliche Wert von mu während einer Minute unmittelbar vor Beenden des Tests wurde als der Reibungskoeffizient ermittelt.
Verschließtiefe der Gleitoberfläche
Das Oberflächenprofil (die Rauheit) jeder Gleitoberfläche nach dem Reibungstest wurde unter Verwendung eines interferometrischen kontaktfreien Weißlicht-Oberflächenprofilierungsgeräts (NewView 5000, erhältlich von der Zygo Corporation) gemessen. Ein Balkengraph, der die so erhaltenen Verschleißtiefen vergleicht, ist in 2 dargestellt. Jede Filmdicke vor dem Test, bestimmt anhand einer Reibungsspur unter Verwendung von Calotest, erhältlich von CSM Instruments SA, betrug 1-2 Mikrometer (CrC-Film: 1-1,5 Mikrometer).
Analyse der Gleitoberfläche
Jede Gleitoberfläche nach dem Reibungstest wurde unter Verwendung von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert. Die Anteile (At.-%) der an jeder Gleitoberfläche erfassten Elemente sind zusammen in Tabelle 1 aufgelistet.
Außerdem wurde jede Gleitoberfläche nach dem Reibungstest unter Verwendung von Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie gemessen (TOF-SIMS / a TOF-SIMS-Apparat, erhältlich von Ion-Tof). Während dieser Messung wurde eine hochauflösende Spektrumsmesssung für einen Bereich von 100 Mikrometer × 100 Mikrometer unter Verwendung eines Bi⁺-Strahls von 30 keV als den primären Ionen durchgeführt. 4 stellt die Ergebnisse der Analyse jedes Elements an den Gleitoberflächen dar, die in dem zuvor genannten erzielt wurden.
Bewertung
Reibungskoeffizient
Wie anhand von 1 ersichtlich, sind, wenn das einen Mo-Dreikern enthaltende Schmieröl verwendet wird, die Reibungskoeffizienten der Cr-basierten Filme geringer, als die des carburisierten Materials. Insbesondere ist der Reibungskoeffizient des CrC-Films bedeutend, um ungefähr 60% oder mehr, geringer als der des carburisierten Materials.
Um den Einfluss von in dem Schmieröl enthaltenen Additiven zu erforschen, wurde ein additivfreies Basisöl (YUBASE8 Gruppe 3 Basisöl) vorbereitet, und der zuvor beschriebene Reibungstest wurde auf die gleiche Weise durchgeführt. In diesem Reibungstest betrug der Reibungskoeffizient des CrC-Films 0,09. Wenn das zuvor genannte Motoröl ohne Compoundierung mit dem Mo-Dreikern verwendet wurde, betrug der Reibungskoeffizient 0,08. Anhand der zuvor genannten Ergebnisse wurde somit ersichtlich, dass die Kombination des einen Mo-Dreikern umfassenden Schmieröls und des CrC-Films den Reibungskoeffizienten signifikant verringert.
Verschleißbeständigkeit
Wie anhand von 2 ersichtlich wird, sind, wenn das einen Mo-Dreikern umfassende Schmieröl verwendet wird, die Verschleißtiefen der Cr-basierten Filme geringer, als die des carburisierten Materials. Insbesondere ist die Verschleißtiefe des CrC-Films bedeutend auf 1/5 oder weniger der des carburisierten Materials verringert. Somit wurde anhand der zuvor genannten Ergebnisse ersichtlich, dass die Kombination des einen Mo-Dreikern umfassenden Schmieröls und des CrC-Films, sowohl die verringerte Reibung, als auch die verbesserte Verschleißbeständigkeit auf hohen Niveaus ermöglicht.
Betrachtung
Der Grund dafür, dass die Kombination des CrC-Films und des einen Mo-Dreikern umfassenden Schmieröls, sowohl die verringerte Reibung, als auch die verbesserte Verschleißbeständigkeit auf hohen Niveaus ermöglicht, wird, wie nachfolgend dargestellt, angenommen.
Auch anhand der Ergebnisse der Analyse unter Verwendung des TOF-SIMS (siehe 4) wird nicht nur festgestellt, dass die Ergebnisse denen des Verwendens des XPS ähneln, sondern auch, dass Mo₃S₇-Fragmente, die in dem carburisierten Material in dem CrN-Film nicht festzustellen sind, in dem CrC Film festgestellt werden. Dies ist in dem Mo-Dreikern begründet. Es wird daher angenommen, dass der CrC-Film mit dem Mo-Dreikern wirkt, sodass dadurch bewirkt wird, dass eine große Menge an Mo und S an der Gleitoberfläche nachgewiesen wird.
Außerdem, wie anhand der Ergebnisse der Ramanspektroskopieanalyse (siehe 3) festgestellt, wurde ein Spektrum, das dem von MoS₂ ähnelte, das vor dem Gleittest nicht erfasst wurde, nach dem Gleittest an dem CrC-Film (der Gleitoberfläche) erfasst. Dies führt zu der folgenden Annahme. Der CrC-Film in Kontakt mit dem einem Mo-Dreikern umfassenden Schmieröls reagiert mit dem während des Gleitens absorbierten Mo-Dreikern, sodass ein geschichteter Strukturkörper (Grenzfilm) an der Oberfläche gebildet wird, der MoS₂ ähnelt. Es wird somit angenommen, dass die zuvor genannte Reaktion es dem CrC-Film ermöglicht, eine ausgezeichnete niedrige Schereigenschaft in Gegenwart des einen Mo-Dreikern enthaltenden Schmieröls zu entwickeln, und ein bemerkenswert geringer Reibungskoeffizient wird erzielt.
Es wird auch angenommen, dass der Grund dafür, dass der CrC-Film mit dem einem Mo-Dreikern umfassendem Schmieröl zusammen wirkt, sodass dadurch eine starke Verschleißbeständigkeit entwickelt wird, nicht nur mit den zuvor beschriebenen Faktoren des Entwickelns einer geringen Reibung in Zusammenhang steht, sondern auch in erheblichen Ausmaß durch die Bildung eines dicken Grenzfilms bewirkt wird, da der CrC-Film kristallin und hart ist und die Adsorbtionsmenge von Ca, abgesehen von Mo und S, groß ist.

Wenn in dem CrC-Film der Gehalt an Cr weniger als 40% betrug (insbesondere 30% oder weniger) war der CrC-Film eher ein Film, in dem Chromcarbid in einer Matrix aus amorphen Kohlenstoff (DLC) (einfach als „DLC-Matrix“ bezeichnet) verteilt ist, und eine hohe Verschleißbeständigkeit wie bei dem CrC-Film nach der vorliegenden Erfindung konnte nicht erzielt werden. Der Film einer solchen DLC-Matrix scheint weich zu sein und sich bezüglich der Verschleißbeständigkeit aufgrund der Einflüsse von Additiven (wie Mo-DTC), die in dem Schmieröl enthalten sind, zu verschlechtern. Die DLC-Matrix wird durch die Ramanspektroskopieanalyse bestätigt, in der ein amorphes Spektrum erhalten wird, das spezifisch für DLC ist (siehe 3). Tabelle 1

Proben Nr.	Name	Zusammensetzung des Films (At.-%)			Ergebnis der Analyse der Gleitoberfläche nach dem Reibungstest
Proben Nr.	Name	Cr	C	N	Fe	Cr	C	O	N	Ca	Zn	P	S	Mo
1	CrC	66,5	33,5	-	0,16	2,82	41,77	27,52	0	6,28	0,74	1,75	12,55	6,4
C1	CrN	62,4	-	37,6	11,28	11,28	44,1	29,39	6,94	2,39	2,13	2,74	0,82	0,01
C2	Cr-plattieren	100	-	-	-
C3	carburisiertes Material	-			1	0	50,92	30,9	0,48	5,01	2,55	5,71	3,25	0,17

Tabelle 2

Zusatzanteil des Mo-Dreikerns	Bestandteile des compoundierten Öls (Rest: Basisöl)
	(ppm)
	Mo	S	Zn	P	N	B	Ca	Na	Si
80 ppm	80	2400	700	630	500	16	2000	0	4

Claims

Gleitsystem umfassend: ein Paar Gleitelemente mit Gleitoberflächen, die sich relativ bewegen können, während sie einander gegenüber stehen; und ein zwischen den sich einander gegenüberstehenden Gleitoberflächen zwischengelagertes Schmieröl, wobei zumindest eine der Gleitoberflächen eine Beschichtungsoberfläche eines kristallinen Chromcarbidfilms umfasst; wobei das Schmieröl eine die Struktur eines Dreikerns von Mo umfassende öllösliche Molybdänverbindung enthält, wobei der Chromcarbidfilm, wenn der Chromcarbidfilm insgesamt 100 At.-% ausmacht, 50-75 At.-% Cr enthält.
Gleitsystem nach Anspruch 1, wobei der Chromcarbidfilm zumindest eines von Cr₇C₃ und Cr₃C₂ enthält.
Gleitsystem nach Anspruch 1, wobei der Dreikern ein molekulares Strukturskelett von zumindest einem von Mo₃S₇ oder Mo₃S₈ aufweist.
Gleitsystem nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Schmieröl die öllösliche Molybdänverbindung mit einem Massenverhältnis von Mo in Bezug auf das Schmieröl insgesamt von 25-900 ppm enthält.
Gleitsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei während des Gleitens MoS₂ an der Beschichtungsoberfläche erzeugt wird.