DE112011102310B4

DE112011102310B4 - Gleitlager

Info

Publication number: DE112011102310B4
Application number: DE112011102310.3T
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Kagohara; Koji Zushi; Shigeru Inami
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: US20130121628A1; JPWO2012005325A1; GB2500974A; KR20130021461A; GB2500974B; US9051967B2; KR101436108B1; GB201302331D0; JP5453532B2; WO2012005325A1; DE112011102310T5

Abstract

Gleitelement, umfassend:
eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht, die Si-Partikel enthält; und
eine DLC-Schicht, welche über die Al-basierte Lagerlegierungsschicht geschichtet ist;
wobei zumindest einige der Si-Partikel, die in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht enthalten sind, auf einer DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind,
wobei die Si-Partikel, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, ein durch ein Bereichs-Zerlegungsverfahren erhaltenes Aspektverhältnis aufweisen, welches gleich oder weniger als 3 ist, und voneinander durch einen Abstand gleich oder weniger als 15 μm beabstandet sind,
wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 1, 5 bis 8 Massen-% der Si-Partikel und einen Rest bestehend aus Al enthält,
wobei unter den Si-Partikeln, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, eine Fläche von Si-Partikeln mit einem Partikeldurchmesser geringer als 4 μm 20% bis 60% der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche belegt, wohingegen eine Fläche der Si-Partikel mit einem Partikeldurchmesser in einem Bereich von 4 μm bis 20 μm 40% oder mehr der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche belegt.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleitelement gemäß den Ansprüchen welches mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht über einer Lagerlegierungsschicht versehen ist.
HINTERGRUND
Ein Gleitelement wie ein Gleitlager, welches mit einer Lagerlegierungsschicht versehen ist, die Al-Legierung oder Cu-Legierung umfasst, zeigt relativ gutes Anfangs-Formanpassungsvermögen und herausragende Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit. Ein solches Gleitelement wird in Lagern für Hochleistungsmotoren verwendet, zum Beispiel in Automobil- und Industriemaschinen im Allgemeinen. Ein Gleitelement mit weiter verbesserten Lagereigenschaften mit Verbesserung hinsichtlich Motorleistungsfähigkeit wird erwünscht.
Ein Gleitelement mit verbesserten Lagereigenschaften, nämlich Formanpassungsvermögen und Verschleißbeständigkeit ist in JP 2001-165167 A offenbart. Das offenbarte Gleitelement hat eine Lagerlegierungsschicht, umfassend Al-Legierung oder Cu-Legierung, welche ringförmige Vorsprünge aufweist, die auf ihr ausgebildet sind. Das Gleitelement weist ferner eine diamantartige Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche der ringförmigen Vorsprünge auf. Das Dokument lehrt, dass die Formanpassungsfähigkeit des offenbarten Gleitelements verbessert wird, weil die ringförmigen Vorsprünge plastischer Deformation empfänglich sind, wenn sie der durch das Gegenelement ausgeübten Last unterzogen werden. Das Dokument lehrt ferner, dass das offenbarte Gleitelement gute Verschleißbeständigkeit wegen der diamantartigen Kohlenstoffschicht zeigt, die auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht vorgesehen ist.
Zusätzlich zur Verbesserung hinsichtlich des Formanpassungsvermögens und der Verschleißbeständigkeit stellt sich ein reduzierter Reibungskoeffizient als eine weitere erwünschte Verbesserung von Lagereigenschaften heraus.
US 2008/0 063 894 A1 bezieht sich auf einen Gegenstand mit einem Substrat aus Al, Mg, Ti oder einer Legierung derselben. Die US 2008/0 063 894 A1 beschreibt die Zusammensetzung und Dicke einer Zwischenschicht und einer Kohlenstoffschicht hoher Härte auf einem Substrat, welches aus einer Legierung hergestellt ist, die vor allem Al enthält.
JP H06-235 038 A beschreibt das Verteilen runder Si-Partikel in einer Al-Matrix durch Präzipitation, wobei die Si-Partikel dahingehend angeordnet sind, einen direkten und punktweisen Kontakt mit einer Welle zu halten.
DE 603 17 026 T2 bezieht sich auf das Auftragen einer Schmiermittelzusammensetzung, welche aschefreie Reibungsmodifizierer wie Fettsäureester enthält, zwischen zwei Gleitoberflächen und lehrt lediglich, dass Materialien wie Al-Legierung durch ein DLC-Material und dergleichen aufgetragen werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
ZU ÜBERWINDENDE PROBLEME
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem vorstehend beschriebenen Hintergrund und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleitelement mit reduziertem Reibungskoeffizient bereitzustellen.
MITTEL ZUR ÜBERWINDUNG DES PROBLEMS
Diese Aufgabe wird durch ein Gleitelement mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält ein Gleitelement eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht, enthaltend Si-Partikel, und eine DLC-Schicht, die über die Al-basierte Lagerlegierungsschicht geschichtet ist, wobei zumindest einige der Si-Partikel, die in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht enthalten sind, auf einer DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind bzw. freiliegen.
Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht ist Al-basiert und enthält Si-Partikel und erforderlichenfalls andere Komponenten. Einige der Si-Partikel innerhalb der Al-basierten Lagerlegierungsschicht sind auf der DLC-(Diamond-Like Carbon = diamantartiger Kohlenstoff)Oberflächenseite exponiert. Es ist zu beachten, dass die auf der Oberfläche in der DLC-Schichtseite exponierten Si-Partikel Si-Partikel bezeichnen, welche nicht durch die Al-Matrix bedeckt sind. Somit enthalten die Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, die Si-Partikel, welche zu der DLC-Schichtseite aus der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht herausragen. Die Si-Partikel, welche auf der DLC-Schichtseite exponiert sind, können durch Einstellungen in dem Prozentanteil (Gewichts-%) der Si-Partikel, die in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht enthalten sind und dem Partikeldurchmesser der Si-Partikel erhalten werden.
Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht kann über einer Metallstütze vorgesehen sein, welche beispielsweise aus Eisen hergestellt ist.
Die primäre Komponente der DLC-Schicht ist ein amorphes Material, welche Wasserstoffcarbid (hydrogen carbide) oder ein Allotrop von Kohlenstoff umfasst. Die DLC-Schicht ist über der Al-basierten Lagerlegierungsschicht durch Plasmaunterstützte chemische Dampfablagerung (plasma enhanced chemical vapor deposition) (CVD), physikalische Dampfablagerung (physical vapor deposition) (PVD) oder dergleichen ausgebildet.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gleitet die DLC-Schicht bezüglich des Gegenelements auf der Oberfläche in bzw. auf der gegenüberliegenden Seite der Al-basierten Lagerlegierungsschicht. Nachfolgend wird die Oberfläche der DLC-Schicht in bzw. auf der gegenüberliegenden Seite der Al-basierten Lagerlegierungsschicht, welche bezüglich des Gegenelements gleitet, als ”die Gleitoberfläche der DLC-Schicht” bezeichnet.
Die Form der Gleitoberfläche der DLC-Schicht wird durch Steuern bzw. Kontrollieren der Geschwindigkeit der DLC-Schichtausbildung oder Steuern bzw. Kontrollieren der Verteilung der Si-Partikel, welche sich auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht befinden, gesteuert bzw. kontrolliert.
Die DLC-Schicht wächst in der Richtung ihrer Dicke von den Si-Partikeln, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind. Somit gibt die DLC-Schicht, welche von den Si-Partikeln gewachsen ist, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, die planare Form bzw. Planarform der exponierten Si-Partikel wieder. Das heißt, Abschnitte der Gleitschicht der DLC-Schicht, welche den aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponierten Si-Partikeln entsprechen, resultieren in einem Vorsprung, welcher im Vergleich zu anderen Abschnitten herausragt. Kohlenstoff, welcher die DLC-Schicht bildet, bildet eine festere Verbindung mit Silizium (Si), ein Kongener bzw. einen Artverwandter von Kohlenstoff, im Vergleich zu Al, welches die primäre Komponente der Al-basierten Lagerlegierungsschicht ist. Somit dienen die aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponierten Si-Partikel als ein Medium zur Begründung einer stärkeren Verbindung zwischen der DLC-Schicht und der Al-basierten Lagerlegierungsschicht. Ferner erhöht das Ausmaß bzw. die Menge von Vorsprüngen, die auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht beobachtet werden, sich mit der Erhöhung des Ausmaßes bzw. der Menge von Vorsprüngen der Si-Partikel, welche zu der DLC-Schichtseite aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht herausragen.
Die Vorsprünge, welche auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht ausgebildet sind, um so den Planarformen der Si-Partikel zu entsprechen, sind empfänglich, Last von dem Gegenelement zu empfangen. Somit entwickelt sich leicht Reibungswärme auf den Vorsprüngen, wenn die auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht ausgebildeten Vorsprünge in Gleitkontakt mit dem Gegenelement stehen. Die Reibungswärme erleichtert Graphitisierung der Vorsprünge, welche auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht ausgebildet sind und somit die Erweichung bzw. Enthärtung der Vorsprünge, wodurch der Widerstand gegenüber Scherkräften reduziert wird. Deshalb bewirkt auf die DLC-Schicht ausgeübte Scherkraft, wenn diese mit dem Gegenelement gleitet, dass die DLC-Schicht glatt bzw. gleitend wird, was bedeutet, dass der Reibungskoeffizient der DLC-Schicht reduziert wird.
Die Vorsprünge, welche die Planarformen der Si-Partikel wiedergeben, werden auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht ausgebildet, wenn die DLC-Schicht mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausgebildet wird, welche nachfolgend als eine erste Ausbildungsgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Die Gleitoberfläche der DLC-Schicht kann relativ flach durch Kontrollieren der Ausbildungsgeschwindigkeit der DLC-Schicht oder Kontrollieren der Verteilung der Si-Partikel geformt werden, welche aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert werden. Die Gleitoberfläche der DLC-Schicht ermöglicht, wenn sie relativ flach geformt ist, dass die Last des Gegenelements auf die gesamte Gleitoberfläche der DLC-Schicht verteilt wird. Die DLC-Schicht und die Si-Partikel sind härter als Al, welches als die Matrix der Al-basierten Lagerlegierungsschicht dient.
Daher deformiert sich die DLC-Schicht, welche auf den Si-Partikeln ausgebildet ist, die aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, nicht leicht, wenn Last auf die Gleitoberfläche der DLC-Schicht ausgeübt wird. Dahingegen deformiert sich die DLC-Schicht, welche auf Al, welches als die Matrix der Al-basierten Lagerlegierungsschicht dient, wo die Si-Partikel nicht exponiert sind, leicht in Richtung zu der Al-basierten Lagerlegierungsschicht mit der Deformation von Al, wenn Last von der Gleitoberflächenseite der DLC-Schicht ausgeübt wird. Im Ergebnis neigt die Last, welche durch das Gegenelement ausgeübt wird, dazu, sich auf der DLC-Schicht zu konzentrieren, welche auf den exponierten Si-Partikeln angeordnet ist, selbst wenn die Last gleichmäßig auf die Gleitoberfläche der flachen DLC-Schicht verteilt ist. Ferner entwickelt sich, weil die DLC-Schicht, die auf den Si-Partikeln ausgebildet ist, welche aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, und das Gegenelement dazu neigen, in Gleitkontakt zu treten, leicht Reibungswärme an der Kontaktstelle. Die Reibungswärme erleichtert Graphitisierung und somit Erweichung bzw. Enthärtung der DLC-Schicht, welche auf den Si-Partikeln ausgebildet ist, wodurch der Widerstand gegenüber Scherkraft reduziert wird. Deshalb macht Scherkraft, die auf die DLC-Schicht ausgeübt wird, wenn dieses mit dem Gegenelement gleitet, die DLC-Schicht glatt bzw. gleitfähig, was bedeutet, dass der Reibungskoeffizient der DLC-Schicht reduziert wird.
Die Gleitoberfläche der DLC-Schicht wird relativ flach, wenn die DLC-Schicht mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausgebildet wird, welche nachfolgend als eine zweite Ausbildungsgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Ferner kann, wie in 5 gezeigt ist, die DLC-Schicht, die auf den Si-Partikeln ausgebildet ist, welche aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, dünner gemacht werden als die DLC-Schicht, welche mit der zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird durch Kontrollieren der Ausbildungsgeschwindigkeit der DLC-Schicht oder Kontrollieren der Verteilung der Si-Partikel, die aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert werden. Im Ergebnis kann die DLC-Schicht, die auf den Si-Partikeln, welche aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, dünner gemacht werden als andere Abschnitte der DLC-Schicht. Dies resultiert in der Ausbildung von Ausnehmungen bzw. Ausbuchtungen in den Abschnitten der Gleitoberfläche der DLC-Schicht, welche den exponierten Si-Partikeln entsprechen. Schmieröl zum Schmieren des Gleitabschnitts (wird) füllt die somit ausgebildete Ausbuchtung. Dies erleichtert die Schmierung zwischen dem Gleitelement und dem Gegenelement und macht das Gleitelement weniger reibungsempfänglich. Im Ergebnis kann auch die Anforderung zur Verbesserung hinsichtlich der Fressbeständigkeit erzielt werden.
Die Gleitoberfläche der DLC-Schicht kann mit Ausbuchtungen versehen werden durch Ausbilden der DLC-Schicht mit einer bestimmten Geschwindigkeit, welche als eine dritte Ausbildungsgeschwindigkeit bezeichnet wird.
In dem Gleitelement eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung belegen die Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, einen Flächenprozentanteil gleich oder größer als 1% und gleich oder weniger als 10%.
Kontrollieren des Flächenprozentanteils der Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind in der beschriebenen Weise, verbessert die Anhaftung bzw. Adhäsion der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht. Der Flächenprozentanteil bezeichnet den Prozentanteil welchen die Projektionsfläche der Si-Partikel, welche zu der DLC-Schichtseite aus der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, das heißt, die Fläche der Planarform der Si-Partikel, innerhalb der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht belegt. Wenn der Flächenprozentanteil der Si-Partikel geringer als 1% ist, werden die Si-Partikel weniger wirksam in der Verbindung zwischen der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht. Ferner werden, wenn der Flächenprozentanteil der Si-Partikel geringer als 1% ist, die Konvexen und Konkaven, die auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht ausgebildet werden, die die Formen der Si-Partikel wiedergeben, ebenso reduziert.
Im Ergebnis wird der Beitrag der Si-Partikel hinsichtlich der Reduzierung der Reibung geringer. Dahingegen wird, wenn der Flächenprozentanteil der Si-Partikel erhöht wird, der Beitrag der Si-Partikel auf die Verbindung zwischen der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht erhöht. Jedoch wird vom Standpunkt der Verschleißbeständigkeit aus der Flächenprozentanteil der Si-Partikel vorzugsweise auf 10% oder weniger kontrolliert. Der Flächenprozentanteil der Si-Partikel, welche zu der DLC-Schichtseite hin exponiert werden, wird auf 1% oder mehr und 10% oder weniger aus den vorstehend beschriebenen Gründen kontrolliert.
Der Flächenprozentanteil der Si-Partikel, welche in dieser Beschreibung bzw. Spezifikation genannt wird, bezeichnet die Summe der Projektionsfläche von jedem Si-Partikel, welcher sich innerhalb der Einheitsfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht befindet.
In dem Gleitelement von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die Si-Partikel, welche auf die DLC-schichtseitige Oberfläche exponiert sind, ein Aspektverhältnis auf, welches durch ein Bereichs-Zerlegungsverfahren erhalten wird, und gleich oder weniger als 3 ist, und sie sind voneinander mit einem Abstand gleich oder weniger als 15 μm beabstandet. Durch Kontrollieren des durch das Bereichs-Zerlegungsverfahren erhaltenes Aspektverhältnisses der Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, und Kontrollieren des Abstands zwischen den Si-Partikeln werden die Si-Partikel gleichmäßig auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht verteilt. Dies verbessert die Verbindung zwischen der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht weiter. Die gleichmäßige Verteilung der Si-Partikel resultiert ferner in der gleichmäßigen Verteilung von Konvexen und Konkaven auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht. Somit wird Reibung mit dem Gegenelement insbesondere während des Startens reduziert. Der Fresswiderstand kann daher wirksamer verbessert werden.
Das Aspektverhältnis der Voronoi-Polygone, welche aus dem Bereichs-Zerlegungsverfahren abgeleitet werden, wird nachfolgend beschrieben. Das Bereichs-Zerlegungsverfahren, welches in der vorliegenden Erfindung angewandt wird, zieht imaginäre Linien zwischen benachbarten Si-Partikeln, die sich auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht befinden, um Voronoi-Polygone abzuleiten, welche die Si-Partikel enthalten. Dies bestimmt den Bereich, welcher durch einen einzelnen Si-Partikel belegt wird, mit anderen Worten, den Bereich, welcher durch die gezogenen imaginären Linien umschlossen wird. Die Fläche des Bereichs, welcher durch die imaginären Linien umschlossen wird, wird durch statistische Berechnung erhalten, um eine quantitative Auswertung der Fläche der zerlegten Bereiche zu ermöglichen. Die Projektionsfläche der exponierten Si-Partikel und die Anzahl der exponierten Si-Partikel zeigen eine Korrelation, wenn der Inhalt der Si-Partikel konstant ist. Genauer wird die Anzahl der exponierten Si-Partikel kleiner, wenn die Projektionsfläche der exponierten Si-Partikel größer wird, wodurch die Fläche des zerlegten Bereichs erhöht wird, mit anderen Worten, der Durchschnitt von Fläche des Bereichs, welcher ein einzelner Si-Partikel belegt. Dahingegen wird die Anzahl der exponierten Si-Partikel größer, wenn die Projektionsfläche der exponierten Si-Partikel kleiner wird, wodurch der Durchschnitt der Fläche der zerlegten Bereiche verringert wird. Dementsprechend kann die Projektionsfläche der exponierten Si-Partikel quantitativ durch die Größe der Fläche der zerlegten Bereiche erhalten werden. Das Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse der belegten Bereiche, welche in der vorstehenden Weise zerlegt wurden, bezeichnet das Aspektverhältnis der Voronoi-Polygone, die durch das Bereichs-Zerlegungsverfahren abgeleitet wurden.
In dem Gleitelement von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 1,5 bis 8 Massen-% der Si-Partikel und einen Rest, bestehend im Wesentlichen aus Al, und unter den Si-Partikeln, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, belegt eine Fläche der Si-Partikel mit einem Partikeldurchmesser niedriger als 4 μm 20% bis 60% der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche, wohingegen eine Fläche der Si-Partikel mit einem Partikeldurchmesser in einem Bereich von 4 μm bis 20 μm) 40% oder mehr der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche belegt.
Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht enthält erfindungsgemäß Si-Partikel in einem Bereich von 1,5 bis 8 Massen-% und einen Rest, bestehend aus Al. Durch Konfigurieren des Anteils der Si-Partikel auf 1,5 Massen-% oder höher, werden die Si-Partikel auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten lagerlegierungsschicht exponiert. Andererseits wird durch Konfigurieren des Anteils der Si-Partikel auf 8 Massen-% oder weniger die Al-basierte Lagerlegierungsschicht nicht übermäßig hart und erzielt somit Verbesserung hinsichtlich Ermüdungsbeständigkeit.
Ferner belegt erfindungsgemäß unter den Si-Partikeln, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, eine Fläche der Si-Partikel mit einem Partikeldurchmesser geringer als 4 μm 20 bis 60% der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche, wohingegen eine Fläche der Si-Partikel mit einem Partikeldurchmesser in einem Bereich von 4 μm bis 20 μm 40% oder mehr der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche belegt. Wenn der Partikeldurchmesser und der Flächenprozentanteil der Si-Partikel in die beschriebenen Bereiche fällt, wird die Fläche der Gleitoberfläche der graphitisierten DLC-Schicht optimal. Die Graphitisierung der Gleitoberfläche der DLC-Schicht schreitet somit in optimalem Ausmaß voran. Dies führt zu reduziertem Reibungskoeffizient der DLC-Schicht und verbesserter Verschleißbeständigkeit. Ferner wird hervorragende Adhäsion zwischen der DLC-Schicht und der Al-basierten Lagerlegierungsschicht erzielt, was wiederum die Fressbeständigkeit verbessert.
Die Gesamtfläche der Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, kann durch Modifizieren des Partikeldurchmessers der Si-Partikel kontrolliert werden.
Die Analyse des Flächenprozentanteils der Si-Partikel wird durch Erfassung von Bildern der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht mit einem Mikroskop und Eingeben der erfassten Bilder durch eine Bildanalyseanlage gemacht. Hierdurch wird jeder Si-Partikel, der sich innerhalb des Beobachtungsfelds von beispielsweise 0,0125 mm² befindet, extrahiert und die Fläche für jeden der extrahierten Si-Partikel berechnet. Der Flächenprozentanteil wird auf der Grundlage des Verhältnisses der Fläche des beobachteten Feldes zu der Summe der Fläche der Si-Partikel berechnet. Der Flächenprozentanteil, den die Gesamtfläche der Si-Partikel, die sich innerhalb des Beobachtungsfeldes befinden, innerhalb der Fläche des Beobachtungsfeldes belegt, ist gleich dem Flächenprozentanteil, den die Gesamtfläche der Si-Partikel, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht innerhalb der Fläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht belegt. Der Flächenprozentanteil kann dahingehend konfiguriert sein, in bestimmten Orten in Abhängigkeit von der Verwendung zu variieren.
Beim Erhalten des Partikeldurchmessers der Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, wird die Fläche von jedem Si-Partikel, der sich innerhalb des 0,0125 mm² Beobachtungsfeldes befindet, gemessen. Dann wird ein imaginärer Kreis gezogen, welcher eine Fläche identisch zu der gemessenen Fläche des Si-Partikels ist, und der Durchmesser des imaginären Kreises wird in den Partikeldurchmesser umgewandelt.
In dem Gleitelement von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gilt A ≥ 0,5 × T, wobei A (%) den Flächenprozentanteil der Si-Partikel repräsentiert, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, und T (μm) die Dicke der DLC-Schicht repräsentiert.
Der Flächenprozentanteil A (%) der Si-Partikel und die Dicke T (μm) der DLC-Schicht beeinflussen die Reibung, welche bei der Gleitbewegung erzeugt wird. Genauer wird es einfacher, Schergleiten (shear slips) innerhalb der DLC-Schicht zu bewirken, wenn eine DLC-Schicht mit einem bestimmten Si-Partikel-Flächenprozentanteil dünner wird oder wenn die Si-Partikelfläche größer wird in einer DLC-Schicht mit einer bestimmten Dicke, wodurch die Reduzierung des Reibungskoeffizienten vereinfacht wird. Der Flächenprozentanteil A (%) der Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, und die Dicke T (μm) der DLC-Schicht stehen in der vorstehend beschriebenen Weise in Wechselbeziehung.
In dem Gleitelement eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gilt H ≤ 10000/T und T ≤ 20, wobei H (HV) die Härte der DLC-Schicht und T (μm) die Dicke der DLC-Schicht repräsentieren.
Der Einfluss der Si-Partikel beim Bewirken des vorstehend beschriebenen Unterschieds in der Härte der DLC-Schicht wird größer, wenn H ≤ 10000/T und T ≤ 20, wobei H (HV) die Härte der DLC-Schicht repräsentiert und T (μm) die Dicke der DLC-Schicht repräsentiert. Wenn die Dicke der DLC-Schicht zu der Härte der DLC-Schicht in dem vorstehend beschriebenen Bereich kontrolliert wird, wird es einfacher, die Graphitisierung von der außerordentlich verschleißbeständigen Gleitoberfläche der DLC-Schicht wirksam zu vereinfachen. Die kontrollierte Korrelation zwischen der Härte und der Dicke der DLC-Schicht erzielt sowohl Reduzierung hinsichtlich des Reibungskoeffizienten wie auch Verbesserung hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit.
In dem Gleitelement von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfüllt die DLC-Schicht H ≤ 6000, und T ≤ 15. Dies bedeutet, dass die Härte H der DLC-Schicht H ≤ 6000 HV und die Dicke T der DLC-Schicht T ≤ 15 μm ist.
Wenn die Dicke der DLC-Schicht gleich oder geringer als 15 μm ist, wird es einfacher, auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht Konvexen und Konkaven auszubilden, welche die Si-Partikel wiedergeben, die von der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind. Die vorstehend beschriebene Dicke der DLC-Schicht wird durch Kontrollieren der Dauer von Verfahren wie Plasma-unterstützten CVD und PVD erhalten, welche beim Ausbilden der DLC-Schicht angewandt werden.
Ferner kann, wenn die Härte H der DLC-Schicht gleich oder geringer als 6000 HV ist, die Aggression bzw. der Angriff der DLC-Schicht auf das Gegenelement einfach unterdrückt werden, während hinreichende Verschleißbeständigkeit erzielt wird. Die Härte der DLC-Schicht kann modifiziert werden durch Einstellungen des Anteils von Additiv-Elementen wie Wasserstoff, Si, Ti und W in der DLC-Schicht, und des Verhältnisses von Hybrid-Orbital (sp²/sp³) in der DLC-Schicht.
In dem Gleitelement von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Härte der DLC-Schicht das 1,1-fache oder mehr der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und das 0,9-fache oder weniger der Härte des Gegenelements, mit welchem die DLC-Schicht gleitet.
Wenn die Härte der DLC-Schicht das 1,1-fache oder mehr der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht ist, übt die DLC-Schicht ihre Verschleißbeständigkeit wirksamer aus.
Andererseits kann, wenn die Härte der DLC-Schicht das 0,9-fache oder weniger der Härte des Gegenelements ist, mit welchem es gleitet, der Verschleiß des Gegenelements zuverlässiger unterdrückt werden. Somit reduziert das Spezifizieren der Härte der DLC-Schicht in der vorstehend beschriebenen Weise den Verschleiß von sowohl der DLC-Schicht wie auch dem Gegenelement.
Zwischen der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht kann eine Zwischenschicht vorgesehen werden, um die Verbindung zwischen diesen zu verbessern. Die Zwischenschicht umfasst vorzugsweise Metall wie Si, Ti, Cr und W oder Carbide und Nitride. Die Zwischenschicht kann in ihrer Zusammensetzung in der Dickenrichtung variieren. Zum Beispiel kann, wenn die Zwischenschicht ein Si-C-System oder ein Ti-C-System ist, die Konzentration von Si oder Ti so ausgeführt sein, in der Al-basierten Lagerlegierungsschichtseite relativ höher zu sein, wohingegen die Konzentration von C dahingehend ausgeführt sein kann, in der DLC-Schichtseite relativ höher zu sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[1] Eine Querschnittsansicht, welche schematisch ein Gleitelement von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
[2] Eine transversale Draufsicht, welche schematisch eine Gleitoberfläche einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht eines Gleitelements eines Ausführungsbeispiels zeigt.
[3] Eine Querschnittsansicht, welche schematisch ein Gleitelement zeigt, in welchem eine DLC-Schicht mit einer ersten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird.
[4] Eine Querschnittsansicht, welche schematisch ein Gleitelement zeigt, in welchem die DLC-Schicht mit einer zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird.
[5] Eine Querschnittsansicht, welche schematisch ein Gleitelement zeigt, in welchem die DLC-Schicht mit einer dritten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird.
[6A und 6B] Ein Diagramm, welches BEISPIELE und VERGLEICHSBEISPIELE eines Gleitelements von einem Ausführungsbeispiel spezifiziert.
[7] Ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Härte und der Dicke der DLC-Schicht zeigt.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Das Gleitelement des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist in 1 dargestellt. Des in 1 gezeigte Gleitelement 1 ist mit einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 und einer DLC-Schicht 3 versehen. Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 2 ist über einer nicht gezeigten Metallstütze vorgesehen. Die DLC-Schicht 3 ist über einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 vorgesehen. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 2 eine Al-Matrix 2a und Si-Partikel 2b. Mit anderen Worten, enthält die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 2 Si-Partikel 2b innerhalb der Al-Matrix 2a. Si-Partikel 2b, die in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 enthalten sind, sind zumindest teilweise auf der DLC-schicht(3)seitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 exponiert. In diesem Zusammenhang bezeichnet ”exponiert” zu sein, entweder den Zustand, in welchem Si-Partikel 2b sich auf einer mit der DLC-schicht(3)seitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 koinzidierenden bzw. übereinstimmenden Ebene befinden, oder den Zustand, in welchem Si-Partikel 2b zu der DLC-Schicht 3 aus der Oberfläche herausragen.
Wenn die DLC-Schicht 3 mit der ersten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird, wird die DLC-Schicht 3 wie in 3 gezeigt geformt. Das heißt, die Gleitoberfläche der DLC-Schicht 3 bildet Vorsprünge 4 aus, welche die Formen von Si-Partikeln 2b wiedergeben, die auf der DLC-schicht(3)seitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 exponiert sind.
Wenn die DLC-Schicht 3 mit der zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird, wird die DLC-Schicht 3 wie in 4 gezeigt geformt. Das heißt, die Gleitoberfläche der DLC-Schicht 3 bildet eine planare Oberfläche 3a unabhängig von den Formen von Si-Partikeln 2b aus, welche auf der DLC-schicht(3)seitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 exponiert sind.
Wenn die DLC-Schicht 3 mit der dritten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird, wird die DLC-Schicht 3 wie in 5 gezeigt geformt. Das heißt, die Gleitoberfläche der DLC-Schicht 3 bildet Ausbuchtungen 5 aus, welche die Formen von Si-Partikeln 2b wiedergeben, die auf der DLC-schicht(3)seitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht 2 exponiert sind.
Als nächstes wird eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines Gleitelements des vorliegenden Ausführungsbeispiels gegeben.
Zunächst wurde eine Platte (sheet) von Al-basierter Lagerlegierung durch bzw. unter Hinzufügen einer vorbestimmten Menge von Si zu einem geschmolzenen Al ausgebildet und anschließend diese einem kontinuierlichen Gießen (casting) unterzogen. Bei diesem Vorgang wurde die Al-basierte Lagerlegierungsplatte mit einer Dicke von 15 mm ausgebildet.
Dann wurde die Al-basierte Lagerlegierungslage, welche dem kontinuierlichen Gießen unterzogen wurde, kontinuierlich auf eine Dicke von 6 mm kaltgewalzt. Durch Kontrollieren des kontinuierlichen Gießens und des später beschriebenen Walzverbindens zur Kontrolle der Walzreduzierung wurde ein Gemisch von Si-Partikeln mit variierendem Partikeldurchmesser erhalten, welches in einem vorbestimmten Prozentanteil gemischt wurde. Die kontinuierlich gewalzte Al-basierte Lagerlegierungsplatte wurde geheilt bzw. ausgeglüht (annealed), um Spannung zu eliminieren und die Zusatzelemente zu stabilisieren.
Dann wurde die geheilte bzw. ausgeglühte Al-basierte Lagerlegierungsplatte mit einer dünnen Platte von Al walzverbunden, welche später in eine Verbindungsschicht ausgebildet wird, und wurde ferner mit einer Platte von Metallstütze über der dünnen Platte walzgebunden. Somit bilden die Al-basierte Lagerlegierungsplatte und die Metallstütze ein sogenanntes Bimetall. Dann wurde die walzgebundene Al-basierte Lagerplatte und die Metallstütze geheilt bzw. ausgeglüht, um Spannung zu eliminieren, während ebenfalls die Bindungskraft, welche dazwischen ausgeübt wird, verbessert wird. Die geheilte bzw. ausgeglühte Al-basierte Lagerlegierungsplatte und die Metallstütze können ferner einer Festlösungsbehandlung (solid solution treatment) unterzogen, wassergekühlt und anschließend ausgehärtet (aged) werden, falls es erforderlich ist, um deren strukturelle Festigkeit zu erhöhen. Das Bimetall der Al-basierten Lagerlegierungsplatte und die Metallstütze, welche wie vorstehend beschrieben behandelt wurden, wurden in einer halbzylindrischen Form ausgebildet.
Das in halbzylindrischer Form ausgebildete Bimetall wurde ferner als eine DLC-Schicht ausgebildet, indem seine innere Umfangsoberfläche mit gewöhnlichem Plasma-unterstütztem CVD oder PVD behandelt wurde.
Proben eines Gleitelements wurden in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt und hinsichtlich deren Reibungskoeffizient überprüft.
Genauer können BEISPIELE, die durch das Herstellungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels erhalten werden, die DLC-Schicht bei verschiedenen kontrollierten Geschwindigkeiten ausbilden. Wenn die DLC-Schicht mit der ersten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird, können Vorsprünge auf den Gleitoberflächen der DLC-Schicht ausgebildet werden. Wenn die DLC-Schicht mit der zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird, kann eine relativ flache bzw. glatte Gleitoberfläche erhalten werden. Wenn die DLC-Schicht mit der dritten Ausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird, können Ausbuchtungen auf der Gleitoberfläche der DLC-Schicht ausgebildet werden. Unter den BEISPIELEN, die in 6 gezeigt sind, bildet BEISPIEL 1 die DLC-Schicht mit der ersten Ausbildungsgeschwindigkeit, wie in 3 gezeigt ist. BEISPIEL 2 bildet die DLC-Schicht mit der zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit, wie in 4 gezeigt ist. BEISPIEL 3 bildet die DLC-Schicht mit der dritten Ausbildungsgeschwindigkeit, wie in 5 gezeigt ist. Ferner bilden BEISPIELE 4 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 1 jeweils die DLC-Schicht mit der zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit. Das VERGLEICHSBEISPIEL 1, welches zum Vergleich in der Überprüfung verwendet wird, enthält kein Si in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht. Das VERGLEICHSBEISPIEL 2 ist nicht mit einer DLC-Schicht versehen.
Nachfolgend wird eine Beschreibung von BEISPIELEN und VERGLEICHSBEISPIELEN auf der Grundlage von 6A und 6B gegeben. Die Beispiele 1–10 fallen dabei nicht unter den Wortlaut des Anspruchs 1 und sind damit nicht erfindungsgemäß. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungen.
(Betreffend Si-Anteil)
BEISPIELE 1 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 2 enthalten 1 bis 15 Massen-% von Si innerhalb der Al-basierten Lagerlegierungsschicht. Dahingegen enthält VERGLEICHSBEISPIEL 1 kein Si innerhalb der Al-basierten Lagerlegierungsschicht.
(Betreffend Flächenprozentanteil von Si-Partikeln)
In BEISPIELEN 4 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 2 ist der Flächenprozentanteil der Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, dahingehend konfiguriert, in einem Bereich von 1 bis 10 (%) zu liegen. Dahingegen sind die Flächenprozentanteile von BEISPIELEN 1 bis 3 auf 0,5 (%) konfiguriert. Ferner sind, da VERGLEICHSBEISPIEL 1 kein Si enthält, die Si-Partikel nicht auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert.
(Betreffend das Aspektverhältnis von Si-Partikeln durch Bereichs-Zerlegungsverfahren)
In BEISPIELEN 7 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 2 ist das Aspektverhältnis der Voronoi-Polygone, welche durch das Bereichs-Zerlegungsverfahren für die Si-Partikel abgeleitet ist, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, auf 3 oder weniger konfiguriert. Dahingegen ist das Aspektverhältnis der Si-Partikel in den BEISPIELEN 1 bis 3 auf 4,5 konfiguriert. Ferner ist das Aspektverhältnis der Si-Partikel in BEISPIEL 4 auf 3,6 konfiguriert, das Aspektverhältnis der Si-Partikel in BEISPIEL 5 auf 4 konfiguriert, und das Aspektverhältnis der Si-Partikel in BEISPIEL 6 auf 3,2 konfiguriert.
(Betreffend den Abstand zwischen Si-Partikeln)
In BEISPIELEN 7 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 2 ist der Abstand zwischen den Si-Partikeln, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, auf 15 μm oder weniger konfiguriert. Dahingegen ist der Abstand zwischen den Si-Partikeln in BEISPIELEN 1 bis 3 auf 25 μm konfiguriert. Ferner ist der Abstand zwischen den Si-Partikeln in BEISPIEL 4 auf 18 μm konfiguriert, der Abstand zwischen den Si-Partikeln in BEISPIEL 5 auf 20 μm konfiguriert und der Abstand zwischen den Si-Partikeln in BEISPIEL 6 auf 16 μm konfiguriert.
(Betreffend den Partikeldurchmesser und den Flächenprozentanteil von Si-Partikeln)
In BEISPIELEN 11 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 2 fällt der Flächenprozentanteil der Si-Partikel mit Partikeldurchmessern niedriger als 4 (μm) in den Bereich von 20 bis 60%, und der Flächenprozentanteil der Si-Partikel mit Partikeldurchmessern in einem Bereich von 4 bis 20 μm ist 40% oder höher. Dahingegen ist in BEISPIELEN 1 bis 3 und 6, obwohl der Flächenprozentanteil der Si-Partikel mit Partikeldurchmessern niedriger als 4 μm 15% ist, der Flächenprozentanteil der Si-Partikel mit Partikeldurchmessern in einem Bereich von 4 bis 20 μm 80%. Ähnlich ist in BEISPIELEN 4, 5 und 7 bis 10 der Flächenprozentanteil der Si-Partikel mit Partikeldurchmessern niedriger als 4 μm 65% oder größer und der Flächenprozentanteil der Si-Partikel mit Partikeldurchmessern in einem Bereich von 4 bis 20 μm ist 35% oder niedriger.
(Betreffend das Verhältnis zwischen Härte und Dicke der DLC-Schicht)
In BEISPIELEN 14 bis 22 erfüllt das Verhältnis zwischen Härte H (HV) und Dicke T (μm) von DLC H ≤ 10000/T und T ≤ 20. Dahingegen H > 10000/T in BEISPIELEN 1 bis 13. Ferner ist VERGLEICHSBEISPIEL 2 nicht mit einer DLC-Schicht versehen. Des Weiteren ist VERGLEICHSBEISPIEL 1 mit einer DLC-Schicht versehen, aber H > 10000/T. Die Härte H und Dicke T verhalten sich zueinander wie in 7 gezeigt. BEISPIELE 14 bis 22 sind in dem schraffierten Bereich aufgetragen, der sich näher an dem Ursprung von der von H ≤ 10000/T abgeleiteten Kurve befindet.
(Betreffend das Verhältnis zwischen Flächenprozentanteil von Si-Partikeln und Dicke der DLC-Schicht)
in den BEISPIELEN 4, 6, 8, 10 bis 12 und 14 bis 22 erfüllt der Flächenprozentanteil A (%) der Si-Partikel, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, und die Dicke T der DLC-Schicht A 0,5 × T. Dahingegen gilt in BEISPIELEN 1 bis 3, 5, 7 und 13 A < 0,5 × T.
(Betreffend den Adhäsionstest)
BEISPIELE 1 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 1 in 6 wurden für die Adhäsion der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht getestet. Die Adhäsion der DLC-Schicht wurde durch Ablösen der DLC-Schicht durch Ausübung von Abblösungs- bzw. Delaminationslast getestet. Genauer wurde die DLC-Schicht kontinuierlicher Delaminationslast in einem Bereich zwischen 0 N bis 200 N unterzogen. Der Abstand der Bewegung während der Ausübung der Delaminationslast ist auf 10 mm konfiguriert. Die Delaminationslast wird durch ein sphärisches Element gegeben und ist aus Chromstahl (SUJ-2) hergestellt, welches 3 mm im Durchmesser misst. Ferner wurde beim Ausüben der Delaminationslast 10 μ Liter Schmieröl zwischen dem Gleitelement und dem sphärischen Element zugeführt.
Die Delaminationslast, in welcher Delamination in der DLC-Schicht von jeder Probe beobachtet wurde, ist in 6 gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Delaminationslast in BEISPIELEN 1 bis 22 gleich oder größer als 100 N waren. Dahingegen zeigt das VERGLEICHSBEISPIEL 1 eine Delaminationslast von 50 N. Es kann aus dem vorstehenden verstanden werden, dass in den BEISPIELEN 1 bis 22 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, in welchem die Si-Partikel auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, die DLC-Schicht hoch-adhäsiv ist. Mit anderen Worten, ist es klar, dass die Si-Partikel, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, ein beitragender Faktor bei der Verbesserung der Verbindung zwischen der DLC-Schicht und der Al-basierten Lagerlegierungsschicht sind.
Die BEISPIELE 4 bis 22, in welchen der Flächenprozentanteil der exponierten Si-Partikel auf 1% oder mehr kontrolliert wird, zeigen höhere Adhäsion im Vergleich zu BEISPIELEN 1 bis 3. BEISPIELE 7 bis 22, in welchen das Aspektverhältnis der exponierten Si-Partikel und der Abstand zwischen den exponierten Si-Partikeln kontrolliert werden, zeigen verbesserte Adhäsion in der DLC-Schicht im Vergleich zu BEISPIELEN 1 bis 6. Ferner zeigen die BEISPIELE 11 bis 22, in welchen der Partikeldurchmesser und der Flächenprozentanteil der Si-Partikel dahingehend kontrolliert werden, eine vorbestimmte Relation anzunehmen, verbesserte Adhäsion in der DLC-Schicht im Vergleich zu BEISPIELEN 1 bis 10.
(Betreffend den Fresstest)
BEISPIELE 1 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIELE 1 und 2 wurden für deren Fressbeständigkeit getestet. Auf der Grundlage des Standpunkts, dass Fressbeständigkeit durch Reduzieren von Reibung verbessert werden kann, wurde die Reduzierung des Reibungskoeffizienten überprüft. Die Fressbeständigkeit wurde unter den folgenden Bedingungen getestet. Die getestete Probe wurde mit der Geschwindigkeit von 2 m/s relativ zu der Gegenwelle gedreht und einer Testlast von 1 MPa/5 min unterzogen. Das Schmieröl, welches auf die Probe aufgetragen wurde, war SAE#30, welches in einer Menge von 20 ml/min bei der Temperatur von 60°C zugeführt wurde. Die Gegenwelle wurde aus Kohlenstoffstahl (S55C) hergestellt, welches eine Härte von 600 HV aufwies.
Die spezifische Last (MPa), in welcher Fressen in der Probe beobachtet wurde, ist in 6 gezeigt. Auftreten von Fressen wurde in den Proben angenommen, wenn die Temperatur der Oberfläche auf der Rückseite, das heißt, der der Gleitoberfläche gegenüberliegenden Seite bzw. entgegengesetzten Seite, 200°C überstieg, oder wenn die Reibungskraft, die zwischen der Probe und der Gegenwelle erzeugt wurde, 50 N überstieg. Gemäß 6 war die spezifische Last, in welchem Fressen in BEISPIELEN 1 bis 22 beobachtet wurde, gleich oder größer als 18 MPa. Dahingegen war die spezifische Last, in welcher Fressen in VERGLEICHSBEISPIELEN 1 und 2 beobachtet wurde, gleich oder geringer als 9 MPa. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass BEISPIELE 1 bis 22, in welchen die DLC-Schicht über der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht ausgebildet wurde, auf welcher die Si-Partikel exponiert waren, relativ größere spezifische Fresslast zeigten, mit anderen Worten, höhere Fressbeständigkeit, was wiederum ein Anzeichen von relativ kleinem Reibungskoeffizienten ist. Insbesondere zeigten BEISPIELE 14 bis 22, in welchen die Dicke und die Härte der DLC-Schicht auf einen spezifischen Bereich hin kontrolliert bzw. gesteuert wurden, verbesserte Fressbeständigkeit im Vergleich zu BEISPIELEN 1 bis 13. Ferner zeigten BEISPIELE 4, 6, 8, 10 bis 12 und 14 bis 22, in welchen der Flächenprozentanteil der Si-Partikel, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind und die Dicke der DLC-Schicht auf eine vorbestimmte Relation hin kontrolliert bzw. gesteuert wurden, verbesserte Fressbeständigkeit im Vergleich zu BEISPIELEN, welche in annähernden Bedingungen vorbereitet wurden.
In BEISPIELEN 1 bis 8, 11 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIELEN 1 und 2, welche in 6 gezeigt sind, wurden die mit den Proben gleitenden Gegenwellen aus Kohlenstoffstahl (S55C) hergestellt, aufweisend einen Gleitabschnitt, der eine Härte von 600 HV besitzt. Dahingegen hatten in BEISPIELEN 9 und 10 die Gegenwelle eine DLC-Schicht, welche über der Gleitoberfläche des Kohlenstoffstahls (S55C) beschichtet ist und die Härte des Gleitabschnitts betrug 3000 HV. Ein Vergleich von BEISPIELEN 7 und 9 zeigt, dass die spezifische Fresslast in BEISPIEL 9 im Vergleich zu BEISPIEL 7 relativ verbessert wurde. Das heißt, in BEISPIEL 9 beträgt die Härte der DLC-Schicht das 0,9-fache oder weniger der Härte der Leitoberfläche der Gegenwelle. Somit erzeugt BEISPIEL 9 weniger Abrasionsstaub (abrasion powder) im Vergleich zu BEISPIEL 7, und zeigt dadurch eine verbesserte spezifische Fresslast. Zwischen BEISPIELEN 8 und 10, welche sich identische Bedingungen mit Ausnahme des Gegenelements teilen, zeigte BEISPIEL 10, welches mit einer DLC-Schicht versehen ist, die eine Härte gleich oder weniger als 0,9 mal die Härte der Gleitoberfläche der Gegenwelle aufweist, verbesserte spezifische-Fresslast im Vergleich zu BEISPIEL 8.
(Wirkung der Ausbildungsgeschwindigkeit der DLC-Schicht)
BEISPIELE 1, 2 und 3, die in 6 gezeigt sind, bilden die DLC-Schicht mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Genauer bildet BEISPIEL 1 die DLC-Schicht, die in 3 gezeigt ist, mit der ersten Ausbildungsgeschwindigkeit aus, BEISPIEL 2 bildet die DLC-Schicht, die in 4 gezeigt ist, mit der zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit aus, und BEISPIEL 3 bildet die DLC-Schicht, die in 5 gezeigt ist, mit der dritten Ausbildungsgeschwindigkeit aus. Ferner haben BEISPIELE 1 bis 3 identische Eigenschaften wie den Si-Anteil und den Flächenprozentanteil von Si-Partikeln. Dennoch unterscheiden sich BEISPIELE 1 bis 3 nicht signifikant hinsichtlich Delaminationslast und spezifischer Fresslast. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass der Einfluss der Ausbildungsgeschwindigkeit der DLC-Schicht auf die Delaminationslast und die spezifische Fresslast klein ist. Da der Einfluss der Ausbildungsgeschwindigkeit der DLC-Schicht auf die Eigenschaften des Gleitelements klein ist, sind BEISPIELE 4 bis 22 und VERGLEICHSBEISPIEL 1 dahingehend konfiguriert, die DLC-Schicht mit der zweiten Ausbildungsgeschwindigkeit auszubilden.
(Wirkung der BEISPIELE)
BEISPIELE 1 bis 22, die vorstehend beschrieben sind, ermöglichen Reduzierung des Reibungskoeffizienten, der beim Gleiten mit der Gegenwelle gemessen wird. BEISPEIELE 1 bis 22 zeigten relativ höhere Bindungskraft zwischen der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der DLC-Schicht, wodurch die Fressbeständigkeit verbessert und die Reibung gleichzeitig reduziert werden.
Obwohl dies nicht beschrieben ist, kann jede seiner Komponenten des Ausführungsbeispiels unvermeidbare Fremdstoffe bzw. Verunreinigungen enthalten.

Claims

Gleitelement, umfassend: eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht, die Si-Partikel enthält; und eine DLC-Schicht, welche über die Al-basierte Lagerlegierungsschicht geschichtet ist; wobei zumindest einige der Si-Partikel, die in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht enthalten sind, auf einer DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, wobei die Si-Partikel, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, ein durch ein Bereichs-Zerlegungsverfahren erhaltenes Aspektverhältnis aufweisen, welches gleich oder weniger als 3 ist, und voneinander durch einen Abstand gleich oder weniger als 15 μm beabstandet sind, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 1, 5 bis 8 Massen-% der Si-Partikel und einen Rest bestehend aus Al enthält, wobei unter den Si-Partikeln, welche auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, eine Fläche von Si-Partikeln mit einem Partikeldurchmesser geringer als 4 μm 20% bis 60% der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche belegt, wohingegen eine Fläche der Si-Partikel mit einem Partikeldurchmesser in einem Bereich von 4 μm bis 20 μm 40% oder mehr der Gesamtfläche der DLC-schichtseitigen Oberfläche belegt.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei die Si-Partikel, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, einen Flächenprozentanteil gleich oder größer als 1% und gleich oder weniger als 10% belegen.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Si-Partikel, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche exponiert sind, ein durch ein Bereichs-Zerlegungsverfahren erhaltenes Aspektverhältnis aufweisen, welches gleich oder weniger als 2,2 ist, und voneinander durch einen Abstand gleich oder weniger als 7,5 μm beabstandet sind.
Gleitelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei A ≥ 0,5 × T, wobei A (%) einen Flächenprozentanteil der Si-Partikel repräsentiert, die auf der DLC-schichtseitigen Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht exponiert sind, repräsentiert und T (μm) eine Dicke der DLC-Schicht repräsentiert.
Gleitelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei H ≤ 10000/T und T ≤ 20, wobei H (HV) eine Härte der DLC-Schicht repräsentiert und T (μm) eine Dicke der DLC-Schicht repräsentiert.
Gleitelement nach Anspruch 5, wobei die DLC-Schicht H ≤ 6000 und T ≤ 15 erfüllt.
Gleitelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Härte der DLC-Schicht das 1,1-fache oder mehr einer Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und das 0,9-fache oder weniger einer Härte eines Gegenelements, mit welchem die DLC-Schicht gleitet, beträgt.