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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleitelement, das für
eine Hub-Brennkraftmaschine wie etwa für einen Kraftfahrzeugmotor
verwendet wird, und insbesondere auf einen Kolbenring, der gegenüber
einer Bohrung einer Gusseisen-Zylinderlaufbuchse gleitet.
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HINTERGRUND
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Es
besteht die Auffassung, dass der Prozentsatz des Reibungsverlusts,
der zwischen einem Außenumfangsgleitabschnitt eines Kolbenrings,
der ein für eine Hub-Brennkraftmaschine wie etwa für
einen Kraftfahrzeugmotor verwendetes Gleitelement ist, und einer
Bohrung einer Zylinderlaufbuchse auftritt, etwa 20 bis 30 Prozent
des Reibungsverlusts ist, der in der Hub-Brennkraftmaschine wie
etwa einem Kraftfahrzeugmotor auftritt. Die Verringerung des Reibungsverlusts
kann die Kraftfahrzeug-Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern und
das Abgas verringern und zur Umwelterhaltung beitragen.
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Herkömmlich
wird an einer Außenumfangsoberfläche von Kolbenringen
zur Verbesserung des Verschleißwiderstands eine nitrierte
Schicht durch einen Nitrierungsprozess, eine chromplattierte Dünnschicht, eine
harte Dünnschicht durch Ionenplattieren wie etwa Titannitrid
oder Chromnitrid ausgebildet. Außerdem wird in den letzten
Jahren eine Beschichtung mit einer amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht
mit einer hohen Härte und mit ausgezeichneter Selbstschmierung
verwendet.
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Amorpher
harter Kohlenstoff kann allgemein ein diamantartiger Kohlenstoff
(im Folgenden als "DLC" bezeichnet), ein hydrierter amorpher Kohlenstoff
(a-C:H), ein i-Kohlenstoff oder ein diamantartiger Kohlenstoff oder
dergleichen genannt werden, wobei er dadurch charakterisiert ist,
dass er strukturell ein Gemisch einer Bindung, in der die Kohlenstoffbindung
eine Diamantstruktur (sp3-Bindung) ist, und einer Bindung, in der
die Kohlenstoffbindung eine Graphitstruktur (sp2-Bindung) ist, ist
und eine hohe Härte, einen hohen Verschleißwiderstand,
eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe chemische Stabilität
aufweist, die ähnlich der eines Diamanten ist, und außerdem
eine stabile Schmierung ähnlich der eines Graphits aufweist.
Wegen dieser Eigenschaften wird DLC für eine Schutzschicht
z. B. eines Gleitelements für Kraftfahrzeugkomponenten,
eine Gießform, ein Schneidwerkzeug, eine mechanische Komponente
oder eine optische Komponente verwendet.
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Zum
Beispiel ist in Bezug auf einen Kolbenring für eine Kraftfahrzeugkomponente
eine DLC-Dünnschicht mit einer Oberflächenstruktur,
auf der eine Wulst mit einer Größe von 0,5 bis
5 Mikrometern abgelagert wird und die in einer Dicke von 0,5 bis
30 Mikrometern auf der oberen und auf der unteren Oberfläche
eines Kolbenrings ausgebildet wird, nachdem die gesamte Oberfläche
dieser Oberflächen gasnitriert worden ist, offenbart. Dies
kann die Aluminiumhaftung an der oberen und an der unteren Oberfläche
des Kolbenrings, der gegenüber einer Aluminiumlegierung
gleitet, verhindern und den Ringrillenverschleiß eines
aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Kolbens verringern (siehe
JP-A-2000-120869 ).
Ein weiteres Beispiel ist eine DLC-Dünnschicht mit einer
Dicke von 0,5 bis 30 Mikrometern, die auf einer darunter liegenden
Dünnschicht ausgebildet ist, die entweder direkt auf der
oberen und auf der unteren Oberfläche eines Kolbenrings
oder auf einer harten oberflächenbehandelten Schicht wie
etwa einer chromplattierten Dünnschicht, einer gasnitrierten Dünnschicht
oder dergleichen ausgebildet werden kann. Die darunter liegende
Dünnschicht wird aus 70 bis 100 Atomprozent eines Typs
oder mehr als zweier Typen von Elementen hergestellt, die aus der
Gruppe ausgewählt werden, die aus Si, Ti, W, Cr, Mo, Nb
und V besteht, wobei der restliche Inhalt der Dünnschicht
aus Kohlenstoff besteht. Dies kann den Ringrillenverschleiß eines
aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Kolbens verringern (
JP-A-2000-120870 ).
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Außerdem
ist eine Kombination eines aus einer Aluminiumlegierung hergestellten
Zylinders und eines Kolbenrings mit einer DLC-Dünnschicht,
die an einer Außenumfangsoberfläche davon ausgebildet
wird, offenbart (
JP-A-2001-280497 ).
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In
JP-A-05-163909 und
JP-A-07-118832 sind
in Bezug auf eine Nockenkontaktabschnittstruktur eines Ventilmechanismus
für eine Brennkraftma schine Verfahren zum Verringern des
Reibungsverlusts unter Verwendung einer harten Dünnschicht
offenbart.
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- [Literaturhinweis 1] JP-A-2000-120869
- [Literaturhinweis 2] JP-A-2000-120870
- [Literaturhinweis 3] JP-A-2001-280497
- [Literaturhinweis 4] JP-A-05-163909
- [Literaturhinweis 5] JP-A-07-118832
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ZUSAMMENFASSUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE
PROBLEME
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Mögliche
Wege, die beim Verringern des Reibungsverlusts, der zwischen einem
Kolbenring-Außenumfangsgleitabschnitt und einer Zylinderlaufbuchse
auftritt, wirksam sind, können sein: Verringern der Spannung
des Kolbenrings, Optimieren der Form des Kolbenring-Außenumfangs,
Verringern der Oberflächenrauheit des Kolbenring-Außenumfangs
oder Verringern des Reibungskoeffizienten durch Oberflächenbehandlung des
Kolbenring-Außenumfangs. Ein weiterer wirksamer Weg kann
das Verringern der Oberflächenrauheit der Zylinderlaufbuchse
sein.
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Allerdings
kann der Ölverbrauch zunehmen oder kann die Menge des durchblasenden
Gases zunehmen, wenn die Spannung des Kolbenrings übermäßig
verringert wird. Außerdem kann ein Verklemmen (Scheuern)
auftreten, wenn die Oberflächenrauheit des Kolbenring-Außenumfangs übermäßig
verringert wird. Darüber hinaus kann die Oberflächenrauheit
des Kolbenring-Außenumfangs allmählich abnehmen,
während der Kolbenring gemäß den oben
beschriebenen verwandten Gebieten in der Zylinderlaufbuchse gleitet,
und kann der Reibungsverlust, der zwischen dem Kolbenring-Außenumfang-Gleitabschnitt
und der Zylinderlaufbuchsenbohrung auftritt, vorläufig
abnehmen; allerdings kann der Verschleiß der Kolbenring-Außenumfangsgleitfläche
voranschreiten und somit die optimal entworfene Anfangsform nicht
aufrechterhalten werden. Folglich kann der Reibungsverlust, der
zwischen dem Kolbenring-Außenumfangsgleitabschnitt und
der Zylinderlaufbuchsenbohrung auftritt, zunehmen.
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In
JP-A-2000-120869 kann
eine Gleitfläche des Kolbenrings so behandelt werden, dass
sie eine Oberflächenrauheit (Ra) von 0,05 bis 1 Mikrometer
aufweist, woraufhin die Oberfläche mit einer DLC-Dünnschicht mit
einer Vickers-Härte von Hv 700 bis 2000 und mit einer Dicke
von 0,5 bis 30 Mikrometern beschichtet wird. Allerdings kann bei
der Dünnschicht mit einer so niedrigen Härte der
Eigenverschleiß der Dünnschicht zunehmen, wenn
sie gegenüber einer aus Gusseisen hergestellten Zylinderlaufbuchse
gleitet, sodass keine Einfahrwirkung wegen Verbesserung der Oberflächenrauheit
eines Gegenmaterials erhalten werden kann. In
JP-A-2000-120870 ist
offenbart, dass selbst dann, wenn die DLC-Dünnschicht und
die darunter liegende Dünnschicht verschlissen sind, eine
chromplattierte Dünnschicht, die nitrierte Schicht oder
eine ionenplattierte Dünnschicht für den Verschleißwiderstand
des Kolbenrings wirken können; allerdings gibt es keine
Lehre hinsichtlich der für das Einfahren gegenüber
einem Gegenmaterial erforderlichen Anfangsrauheit. Wie oben beschrieben
wurde, konzentrieren sich hinsichtlich des Gleitens zwischen einem
Gleitelement, insbesondere einem Kolbenring, und einem Gusseisenzylinder
die meisten der verwandten Gebiete auf die Einfahreigenschaft des
Kolbenrings, während es keine Lehre hinsichtlich der Verringerung
des Reibungsverlusts durch die Einfahrwirkung eines Zylindermaterials
gibt. Darüber hinaus unterscheiden sich die Fläche
des Gleitabschnitts des Kolbenring-Außenumfangs und die
Fläche des Gleitabschnitts der Zylinderlaufbuchsenbohrung
im Vergleich zu den Flächen anderer Gleitelemente wesentlich,
wobei sich die Gleitbedingungen von jenen der oben erwähnten
JP-A-05-163909 und
JP-A-07-118832 unterscheiden.
Somit ist es in den verwandten Gebieten sehr schwierig, den zwischen
dem Kolbenring-Außenumfangsgleitabschnitt und der Zylinderlaufbuchsenbohrung auftretenden
Reibungsverlust wesentlich zu verringern.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Gleitelements
mit einer ausgezeichneten Anfangseinfahreigenschaft gegenüber
einem Gegengleitmaterial und mit einer wesentlichen Wirkung beim
Verringern des Reibungsverlusts und insbesondere die Schaffung eines
Kolbenrings, der gegenüber einer aus Gusseisen hergestellten
Zylinderlaufbuchse gleiten kann und eine ausgezeichnete Anfangseinfahreigenschaft
und eine wesentliche Wirkung beim Verringern des Reibungsverlusts
aufweist.
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MITTEL ZUR LÖSUNG
DER PROBLEME
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Im
Ergebnis intensiver Untersuchungen haben die Erfinder festgestellt,
dass auf einer Oberfläche einer amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht,
die durch ein Vakuumbogenentladungsverfahren unter Verwendung einer
Kohlenstoffkatode als ein Grundmaterial gebildet wird, mehrere mikroskopische
Erhebungen, die Makropartikel genannt werden, ausgebildet werden
und dass dann, wenn auf einer Oberfläche eines Gleitelements
eine solche amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht ausgebildet
wird, eine große Anzahl von Makropartikeln ein Gegenmaterial übermäßigen
verschleißen kann, und dass weniger Makropartikel nicht
in der Lage sein können, das Gegenmaterial ausreichend
einzufahren, und dass die Oberflächenrauheit der Makropartikel durch
Ausführen einer Nachverarbeitung unter Verwendung harter
Partikel wie etwa Diamant innerhalb eines gewünschten Bereichs
gesteuert werden kann und durch eine Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit
(Rz) und durch eine Anfangsverschleißhöhe (Rpk)
gesteuert werden kann.
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Außerdem
haben die Erfinder festgestellt, dass dadurch, dass die Oberflächenrauheit
eines Bohrungsgleitabschnitts einer aus Gusseisen hergestellten
Zylinderlaufbuchse, die für einen Kraftfahrzeugmotor verwendet
wird, so eingestellt wird, dass sie eine Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit
(Rz) von 2 bis 4 Mikrometern aufweist, und dadurch, dass die Oberflächenrauheit
einer auf einem Kolbenring-Außenumfangsgleitabschnitt ausgebildeten
amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht durch die Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit
(Rz) und durch die Anfangsverschleißhöhe (Rpk)
gesteuert wird, die Wirkung bei der Verbesserung der Oberflächenrauheit
der Zylinderlaufbuchse maximiert werden kann und der Reibungsverlust
zwischen dem Kolbenring-Außenumfangsgleitabschnitt und
der Zylinderlaufbuchsenbohrung auf ein Minimum verringert werden
kann und dass diese Bedingungen aufrechterhalten werden können.
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Mit
anderen Worten, ein Gleitelement gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass eine Gleitfläche
des Gleitelements mit einer amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht
beschichtet ist und dass die Oberfläche der amorphen harten
Kohlenstoffdünnschicht eine Zehnpunkte-Mittel wert-Rauheit
(Rz, JIS B 0601) gleich oder kleiner 0,7 Mikrometern aufweist und
dass eine Anfangsverschleißhöhe (Rpk, JIS B 0601)
in einem Bereich von 0,07 bis 0,14 Mikrometern liegt.
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Die
amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht kann für
ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung
entweder auf einer harten Chromplattierungsschicht, auf einer nitrierten
Schicht oder auf einer chromnitrierten Schicht; oder direkt auf
einer Grundmaterialoberfläche ausgebildet werden. Die chromnitrierte
Schicht kann unter Verwendung eines Verfahrens wie etwa Ionenplattieren
ausgebildet werden und ein Material mit einer Säulenstruktur
oder mit einer porösen Struktur kann ebenfalls verwendet
werden. Für die amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht
ist es bevorzugt, dass eine amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht
verwendet wird, die wasserstofffrei und im Wesentlichen nur aus
Kohlenstoff hergestellt ist. Die Dünnschicht, die wasserstofffrei und
im Wesentlichen nur aus Kohlenstoff hergestellt ist, bezieht sich
hier auf eine Dünnschicht, deren Prozentsatz des Wasserstoffgehalts,
gemessen durch HFS-Spektrometrie (Wasserstoffvorwärtsstreuungs-Spektrometrie),
gleich oder kleiner 5 Atomprozent ist, wobei der Rest der Dünnschicht
im Wesentlichen nur aus Kohlenstoff besteht. Vorzugsweise liegt
die Dünnschichtdicke der amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht
in einem Bereich von 0,01 bis 2,0 Mikrometern. Darüber
hinaus ist bevorzugt, dass die Vickers-Härte der amorphen harten
Kohlenstoffdünnschicht gleich oder größer
Hv 2000 ist.
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Vorzugsweise
kann ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung
insbesondere für eine Außenumfangsgleitfläche
eines Kolbenrings für eine Kraftfahrzeugkomponente verwendet
werden. Wenn ein Kolbenring gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Zylinderlaufbuchse nach oben und unten gleitet,
kann er wegen einer amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht,
die auf einer Kolbenring-Außenumfangsoberfläche
ausgebildet ist und die kohlenstofffrei ist und im Wesentlichen
nur aus Kohlenstoff hergestellt ist und die eine Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit
(Rz) gleich oder kleiner 0,7 Mikrometern und eine Anfangsverschleißhöhe
(Rpk) in einem Bereich von 0,07 bis 0,14 Mikrometern aufweist, die
Oberflächenrauheit der Zylinderlaufbuchsenoberfläche
unverzüglich und angemessen verbessern und ein Anfangseinfahren
veranlassen. Gleichzeitig kann die Oberflächenrauheit der
auf der Kolbenring-Außenumfangsoberfläche ausgebildeten
amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht ebenfalls unverzüglich
verringert werden. Die amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht
weist eine hohe Härte und einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand
auf, sodass die in einer optimalen Form entworfene Anfangsaußenumfangsform
des Kolbenrings aufrechterhalten werden kann.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit einem Gleitelement der vorliegenden Erfindung kann die Oberflächenrauheit eines
Gegenmaterials während des Anfangseinfahrens in einer kürzeren
Zeitdauer verbessert werden und kann eine wesentliche Wirkung beim
Verringern des Reibungsverlusts erhalten werden und kann die Wirkung des
Reibungsverlusts aufrechterhalten werden. Insbesondere kann beim
Gleiten zwischen einer Kolbenring-Außenumfangsgleitfläche
und einer Bohrung einer Gusseisen-Zylinderlaufbuchse eine wesentlichen
Wirkung beim Verringern des Reibungsverlusts erhalten werden und
die Wirkung des Reibungsverlusts aufrechterhalten werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Kolbenrings, der eines der Gleitelemente
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Kolbenring veranschaulicht,
der ein Gleitelement der vorliegenden Erfindung ist, der in eine
Zylinderlaufbuchse eingepasst ist;
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3 veranschaulicht
Messungen der Anfangsoberflächenrauheit einer auf einer
Kolbenring-Außenumfangsoberfläche gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildeten
amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht;
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4 veranschaulicht
allgemein die Struktur eines Floating-Liner-Motors zum Messen der
Reibung;
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5 veranschaulicht
Messungen der Oberflächenrauheit der amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht
gemäß der ersten Ausführungsform nach
einem Test durch den in 4 gezeigten Motor;
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6 veranschaulicht
Messungen der Oberflächenrauheit der Zylinderlaufbuchse
gemäß der ersten Ausführungsform vor
und nach dem Test durch den in 4 gezeigten
Motor; und
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7 veranschaulicht
den Prozentsatz der Verringerung des Reibungsverlusts der Ausführungsformen
und Vergleichsproben.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
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1 ist
eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines Kolbenrings
eines Gleitelements gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Auf einer Oberfläche
eines Kolbenrings 1 ist eine amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht 2 ausgebildet. 2 ist
eine Querschnittsansicht, die den in einen Kolben 6 eingebauten
und daraufhin in eine Zylinderlaufbuchse 7 eingepassten
Kolbenring 1 aus 1 veranschaulicht.
Der Kolbenring 1 kann nach oben und unten gleiten, während
er in den Kolben 6 eingebaut ist, wobei er zwischen einer
Außenumfangsgleitfläche 3 des Kolbenrings
und der Zylinderlaufbuchse 7 eine ausreichende Öldünnschicht
einhält.
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Ein
Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Gleitelement, in dem eine Gleitfläche davon mit
einer amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht beschichtet
ist, wobei die Oberfläche der amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht
eine Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit (Rz) gleich oder kleiner 0,7
Mikrometern und eine Anfangsverschleißhöhe (Rpk)
in einem Bereich von 0,07 bis 0,14 Mikrometern aufweist. Falls die Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit
(Rz) über 0,7 Mikrometern liegt, wird die Wirkung beim
Verringern des Reibungsverlusts kleiner und dauert das Einfahren
gegenüber einem Ge genmaterial Zeit und wird der Anfangsverschleiß des
Gegenmaterials größer. Falls die Anfangsverschleißhöhe
(Rpk) unter 0,07 Mikrometern liegt, kann die Wirkung beim Einfahren
gegenüber einer Gegenzylinderlaufbuchse kleiner werden,
wobei das Anfangseinfahren Zeit dauern kann, wenn sie über
0,14 Mikrometern liegt, sodass die Wirkung beim Verringern des Reibungsverlusts
nicht erhalten werden kann. Somit ist die Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit
(Rz) gleich oder kleiner 0,7 Mikrometern und liegt die Anfangsverschleißhöhe
(Rpk) in einem Bereich von 0,07 bis 0,14 Mikrometern. Die Oberflächenrauheit
wird unter Verwendung einer Spitze von 2 Mikrometern R und eines durch
JIS definierten Verfahrens unter den folgenden Bedingungen gemessen:
Messlänge 0,8 mm, Cut-off-Länge 0,08 mm, Messskalierung
10.000-fache Vergrößerung, Messgeschwindigkeit
0,06 mm/s, Cut-off 2RC (Phasenkompensation), Anpassen an eine Kurve
der kleinsten Quadrate für die Neigungskorrektur.
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Die
Oberflächenrauheit des Gegenmaterials ist vorzugsweise
eine Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit (Rz) in einem Bereich von 2 bis
4 Mikrometern und bevorzugter ein Rz in einem Bereich von 2,5 bis
3,0 Mikrometern. Falls ein Kolbenring gemäß der
vorliegenden Erfindung gegenüber einer aus Gusseisen hergestellten Zylinderlaufbuchse
gleitet, kann die Wirkung der Verbesserung der Oberflächenrauheit
durch das Anfangseinfahren der Zylinderlaufbuchse groß werden
und kann der Reibungsverlust wesentlich verringert werden, wenn die
Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit (Rz) auf einen Bereich von 2 bis 4
Mikrometern eingestellt wird.
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Für
ein Grundmaterial eines Gleitelements der vorliegenden Erfindung
kann vorzugsweise ein Legierungsmaterial auf Eisengrundlage verwendet
werden. Für ein Material eines Kolbenring-Grundmaterials
gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Material
auf Eisengrundlage wie etwa rostfreier Stahl 13Cr und 17Cr, Federstahl,
Werkzeugstahl und Gusseisen oder ein Material, in dem an dem Material
auf Eisengrundlage eine Oberflächenbehandlung wie etwa
eine chromnitrierte Schicht durch Ionenplattieren oder dergleichen,
eine nitrierte Schicht durch verschiedene Nitrierungsverfahren und
eine harte Chromplattierung ausgeführt worden ist, verwendet
werden. Eine amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht der vorliegenden
Erfindung kann entweder direkt auf der Gleitfläche oder
auf der harten Chromplattierungsdünnschicht, auf der nitrierten
Schicht oder auf der chromnitrierten Schicht ausgebildet werden.
Bei Anwendung auf einen Kolbenring ist es bevorzugt, dass eine amorphe
harte Kohlenstoffdünnschicht für einen oberen
Ring auf einer chromnitrierten Schicht mit einer Querschnittsstruktur,
die eine Säulenstruktur oder eine vorgegebene poröse
Struktur ist, ausgebildet wird.
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Falls
die amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht, mit der die Kolbenring-Außenumfangsoberfläche
beschichtet ist, abgetragen wird und daraufhin das Grundmaterial
des Kolbenrings und die Ionenplattierungsschicht, die nitrierte
Schicht, die harte Chromplattierungsschicht oder dergleichen, die
auf der Grundmaterialoberfläche ausgebildet sind, freiliegen,
nimmt der Reibungsverlust, der zwischen dem Kolbenring und der Zylinderlaufbuchse
auftritt, nicht wesentlich zu, da die Oberflächenrauheit
der Zylinderlaufbuchse bereits ausreichend verringert worden ist.
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Die
amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht, die wasserstofffrei
und im Wesentlichen nur aus Kohlenstoff hergestellt ist, ist eine
amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht, deren Wasserstoffgehalt
gleich oder kleiner 5 Atomprozent ist, wobei die Dünnschicht
im Vergleich zu einer wasserstoffhaltigen amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht,
zu der Metallzusatzstoffe wie etwa Si zugegeben worden sind, eine
höhere sp3-Eigenschaft aufweist, die den Zustand der Kohlenstoffbindung
zeigt, und somit eine höhere Härte und einen ausgezeichneten
Verschleißwiderstand aufweist. Der in der amorphen harten
Kohlenstoffdünnschicht enthaltene Wasserstoff kann durch
HFS-Spektrometrie (Wasserstoffvorwärtsstreuungs-Spektrometrie)
gemessen werden.
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Die
Harte der amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht kann vorzugsweise
eine Vickers-Härte gleich oder größer
Hv 2000 sein. Falls die Vickers-Härte der amorphen harten
Kohlenstoffdünnschicht unter Hv 2000 liegt, ist die Wirkung
bei der Verbesserung der Oberflächenrauheit des aus Gusseisen,
einem Gegenmaterial, hergestellten Zylinders während des
Anfangseinfahrens klein, sodass keine ausreichende Wirkung der Verringerung
des Reibungsverlusts erhalten werden kann. Die Dünnschichtdicke
der amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht liegt vorzugsweise
in einem Bereich von 0,01 bis 2,0 Mikrometern. Dadurch, dass die
Dünnschichtdicke innerhalb des oben beschriebenen Bereichs
eingestellt wird, wird die amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht gerade
abgetragen, nachdem sie die Oberflächenrauheit des Gegenmaterials
während des Anfangseinfahrens verbessert hat. Mit der amorphen
harten Kohlenstoffdünnschicht mit einer Dünnschichtdicke unterhalb
0,01 Mikrometer kann die Wirkung beim Verbessern der Oberflächenrauheit
des Gegenmaterials nicht erhalten werden und eine Dünnschichtdicke über
2 Mikrometern kann zu übermäßigem Verschleiß des Gegenmaterials
führen.
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BEISPIELE
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ausführlich weiter beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung
aber nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt
ist.
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Als
ein Grundmaterial der Kolbenringe wurde ein Material verwendet,
das gleichwertig SUS440 ist, wobei auf einer Oberfläche
des Grundmaterials durch Gasnitrieren eine nitrierte Schicht ausgebildet
wurde. Auf einer Außenumfangsgleitfläche eines
oberen Rings, eines zweiten Rings, eines Ölrings, die jeweils
einen Nenndurchmesser von 86,0 mm aufweisen, wurde bis auf eine
Dünnschichtdicke von 1 Mikrometer eine amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht
ausgebildet, die wasserstofffrei und im Wesentlichen nur aus Kohlenstoff hergestellt
ist. Danach wurde unter Verwendung von Diamantpartikeln eine Nachverarbeitung
(wie etwa Läppen, Mikroabstrahlen) ausgeführt,
um eine Probe der ersten Ausführungsform mit einer Oberflächenrauheit (Rz)
gleich oder kleiner 0,7 Mikrometern und einem Rpk in einem Bereich
von 0,07 bis 0,14 Mikrometern herzustellen. 3 veranschaulicht
Messungen der Anfangsoberflächenrauheit der amorphen harten
Kohlenstoffdünnschicht, die für die Oberflächenrauheit
der Außenumfangsgleitfläche (in Umfangsrichtung)
der Kolbenringe (gegenüberliegende Seite der dicken Endstücke)
gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform
genommen wurden. Die auf der konvexen Seite veranschaulichten Abschnitte
sind Makropartikel 8 und die Oberflächenrauheit
(Rz) war 0,7 Mikrometer und Rpk war 0,07 Mikrometer.
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Außerdem
wurde als ein Grundmaterial der Kolbenringe ähnlich der
ersten Ausführungsform ein Material verwendet, das gleichwertig
SUS440 ist. Als Grundschicht wurden durch Ionenplattieren eine chromnitrierte
Schicht und durch elektrolytisches Plattieren eine harte Chromplattierungsschicht
verwendet. Danach wurde auf einer Gleitfläche eines oberen
Rings, eines zweiten Rings, eines Ölrings, die jeweils
einen Nenndurchmesser von 1 Mikrometer aufweisen, bis auf eine Dünnschichtdicke
von 86,0 mm eine amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht ausgebildet,
die wasserstofffrei und im Wesentlichen nur aus Kohlenstoff hergestellt war.
Danach wurde unter Verwendung von Diamantpartikeln eine Nachverarbeitung
ausgeführt, um eine Probe der zweiten Ausführungsform
und eine Probe der dritten Ausführungsform herzustellen,
die jeweils eine Oberflächenrauheit (Rz) gleich oder kleiner
0,7 Mikrometer und ein Rpk in einem Bereich von 0,07 bis 0,14 Mikrometern
aufweisen. Darüber hinaus wurde direkt auf einem Grundmaterial
bis auf eine Dünnschichtdicke von 1 Mikrometer eine amorphe
harte Kohlenstoffdünnschicht, die wasserstofffrei und im
Wesentlichen nur aus Kohlenstoff hergestellt war, ausgebildet, ohne
eine Grundschicht auszubilden, und unter Verwendung von Diamantpartikeln
eine Nachverarbeitung ausgeführt, um eine Probe der vierten
Ausführungsform herzustellen.
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Für
Vergleichsproben wurde eine Grundschicht ausgebildet, die ähnlich
der oben beschriebenen Ausführungsform ist, wobei eine
amorphe harte Kohlenstoffdünnschicht bis auf eine Dünnschichtdicke
von 1 Mikrometer ausgebildet wurde, woraufhin nur die Bedingungen
der Nachverarbeitung unter Verwendung von Diamantpartikeln geändert
wurden, um die Vergleichsproben 1 bis 3 mit einer Oberflächenrauheit
(Rz) von 0,8 Mikrometern und einem Rpk gleich oder größer
0,15 Mikrometern herzustellen. Darüber hinaus wurden eine Vergleichsprobe
4, an der nur an einem SUS440-äquivalenten Material eine
Nitrierung ausgeführt wurde, eine Vergleichsprobe 5, an
der durch Ionenplattieren nur eine chromnitrierte Schicht bereitgestellt
wurde, und eine Vergleichsprobe 6, an der durch elektrolytisches
Plattieren nur eine harte Chromplattierung ausgebildet wurde, hergestellt.
Bis auf die Oberflächenbehandlung der Außenumfangsgleitfläche
hatte der Kolbenringsatz (oberer Ring, zweiter Ring, Ölring)
dieselbe Spezifikation.
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Die
Kolbenringsätze (oberer Ring, zweiter Ring, Ölring)
der wie oben beschrieben hergestellten Ausführungsformen
und der Vergleichsproben wurden in den Kolben 6 eingebaut
und zur Messung der Reibung in einen Floating-Liner-Motor eingepasst,
woraufhin der Reibungsverlust durch den mittleren effektiven Reibungsdruck
(FMEP) bewertet wurde. Für ein Gegenmaterial, das gegenüber
den Kolbenringen gleitet, wurde eine Gusseisen-Zylinderlaufbuchse
verwendet, deren Oberflächenrauheit eine Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit (Rz)
von 2 bis 4 Mikrometern aufwies. 4 veranschaulicht
die Struktur des Floating-Liner-Motors zum Messen der Reibung. Die
Reibung, die auf die Zylinderlaufbuchse ausgeübt wurde,
wenn die in den Kolben eingebauten Kolbenringe nach oben oder unten
gleiten, wurde durch einen Lastmessungssensor 9 gemessen,
der mit der Zylinderlaufbuchse gekoppelt ist. Die Testbedingungen
beim Messen des Reibungsverlusts in dem Floating-Liner-Motor zum
Messen der Reibung sind im Folgenden beschrieben. Tabelle 1 zeigt
Ergebnisse des Tests. Die Spannungen der Ringe wurden für
den oberen Ring, für den zweiten Ring, für den Ölring
in dieser Reihenfolge auf 6,5 N, 5,5 N, 19,4 N eingestellt.
- Motordrehzahl:
1500 min–1
- Last: 15 N·m
- Schmiermitteltemperatur: 90 Grad Celsius
- Kühlwassertemperatur: 100 Grad Celsius
- Testdauer: 10 Stunden
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[Tabelle 1]
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5 veranschaulicht
Ergebnisse der Messung der Oberflächenrauheit der Kolbenring-Außenumfangsgleitfläche
der ersten Ausführungsform nach dem Test durch den in 4 gezeigten
Floating-Liner-Motor zum Messen der Reibung. Durch Vergleich von 5 mit 3,
die die Ergebnisse vor dem Test zeigt, wird beobachtet, dass eine
große Menge der Makropartikel 8, die auf der Außenumfangsgleitfläche
des Kolbenrings vorhanden waren, fast vollständig entfernt
wurden und dass die Rauheit der Kolbenring-Außenumfangsgleitfläche
wesentlich verringert wurde. Ähnlich veranschaulicht 6 die
Oberfläche der Zylinderlaufbuchse gemäß der
ersten Ausführungsform vor und nach dem Test. Die Zylinderlaufbuchse,
die gegenüber den Kolbenringen gemäß der
vorliegenden Erfindung gleitet, ist in Bezug auf die Oberflächenrauheit
ausreichend verbessert und es wurde ein ausreichendes Einfahren
sichergestellt. Insbesondere wurden die Erhebungen auf der Zylinderlaufbuchsenoberfläche
durch das Gleiten gegenüber den Kolbenringen entfernt,
wobei sie glatt wurde.
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7 veranschaulicht
den Prozentsatz der Verringerung des Reibungsverlusts der Ausführungsformen
und der Vergleichsproben durch den in 4 gezeigten
Test. Im Ergebnis wurde eine erkennbare Wirkung beobachtet, sodass
der Kolbenring, der ein Gleitelement gemäß der
vorliegenden Erfindung ist, im Vergleich zu dem Reibungsverlust
in dem Anfangseinfahren der Vergleichsprobe 4 eine wesentliche Reibungsverlustverringerung
von etwa 40 Prozent erreichen kann. Im Gegensatz dazu wird beobachtet,
dass die Reibungsverlustverringerung der Vergleichsproben 1 bis
3, in denen die Oberflächenrauheit (Rz) der amorphen harten
Kohlenstoffdünnschicht 0,8 Mikrometer war, gleich oder
größer 0,15 Mikrometern war und dass die Verringerung
der Vergleichsproben 4 und 5, in denen nur eine herkömmliche
Oberflächenbehandlung ausgeführt wurde, gleich
oder kleiner der halben Reibungsverlustverringerung der vorliegenden
Erfindung war, wobei die Wirkung beim Verringern des Reibungsverlusts
ausreichte.
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Obgleich
die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für
die Fälle beschrieben wurden, in denen ein Kolbenring-Außenumfang
mit einer amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht beschichtet
wurde, kann mit anderen als diesen Ausführungsformen mit
einer harten Dünnschicht wie etwa Chromnitrid, Titannitrid
oder Diamant eine ähnliche Wirkung erhalten werden.
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Zusammenffassung
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Gleitelement
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Es
wird ein Gleitelement mit einer ausgezeichneten Anfangseinfahreigenschaft
gegenüber einem Gegenmaterial und mit einer wesentlichen
Wirkung beim Verringern des Reibungsverlusts und insbesondere ein Kolbenring,
der gegenüber einer aus Gusseisen hergestellten Zylinderlaufbuchse
gleitet und eine ausgezeichnete Anfangseinfahreigenschaft und eine
wesentliche Verringerung beim Verringern des Reibungsverlusts aufweist,
geschaffen. Die Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit (Rz) der Oberfläche
einer amorphen harten Kohlenstoffdünnschicht, mit der eine
Gleitfläche des Gleitelements beschichtet ist, ist gleich
oder kleiner 0,7 Mikrometern eingestellt und die Anfangsverschleißhöhe
(Rpk) davon ist auf 0,07 bis 0,14 Mikrometer eingestellt. Die Rauheit
einer Gleitfläche des Gegenmaterials weist vorzugsweise
eine Zehnpunkte-Mittelwert-Rauheit (Rz) von 2 bis 4 Mikrometern
auf.
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- 1
- Kolbenring
- 2
- amorphe
harte Kohlenstoffdünnschicht
- 3
- Außenumfangsgleitfläche
- 4
- obere
und untere Oberfläche
- 5
- innere
Umfangsfläche
- 6
- Kolben
- 7
- Zylinderlaufbuchse
- 8
- Tröpfchen
- 9
- Lastmesssensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2000-120869
A [0005, 0007, 0010]
- - JP 2000-120870 A [0005, 0007, 0010]
- - JP 2001-280497 A [0006, 0007]
- - JP 05-163909 A [0007, 0007, 0010]
- - JP 07-118832 A [0007, 0007, 0010]
