DE112014002649T5 - Kohlenstoffbeschichtetes Element und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Es wird ein kohlenstoffbeschichtetes Element bereitgestellt, dessen Oberfläche einfach mit einem DLC-Beschichtungsfilm beschichtet werden kann, um eine ausreichende Reibungsverringerung zu erreichen. Das kohlenstoffbeschichtete Element wird durch Beschichten mit einem DLC-Beschichtungsfilm auf einem inneren Gleitteil eines zylindrischen Elements ausgebildet. Der DLC-Beschichtungsfilm hat eine Härte von 3,0 bis 10,0 GPa und eine Kurtosis von 27,0 oder weniger.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein kohlenstoffbeschichtetes Element und ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Hintergrundtechnik
  • Ein Element mit einem Abschnitt, auf dem ein anderes Element gleitet, um eine Relativbewegung zu machen, wie etwa ein Zylinderblock einer Brennkraftmaschine, muss den mechanischen Verlust des Gleitabschnitts verringern, um eine Verringerung im Energieverbrauch und ähnliches zu erreichen. Folglich wurde die Reibungsverringerung untersucht. Ein kohlenstoffbeschichtetes Element mit einer Kohlenstoffbeschichtung, wie etwa einem diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm (der hier nachstehend in einigen Fällen als DLC-Beschichtungsfilm abgekürzt ist) auf der Oberfläche, ist für die Verwendung in der Reibungsverringerung bekannt (z. B. Patentliteratur 1 und 2).
  • Referenzliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: japanisches Patent 3555844
    • Patentliteratur 2: japanisches Patent 4973971
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Das herkömmliche kohlenstoffbeschichtete Element hat jedoch einen Nachteil, dass die ausreichende Reibungsverringerung nicht erreicht werden kann, indem die Oberfläche einfach mit einem Kohlenstoffbeschichtungsfilm, wie etwa einem DLC-Film, beschichtet wird, während der Gehalt an Wasserstoff, Stickstoff oder Sauerstoff, der in dem DLC-Beschichtungsfilm enthalten ist, spezifiziert werden muss und das Schmieröl für die Verwendung spezifiziert werden muss.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen derartigen Nachteil zu beseitigen und ein kohlenstoffbeschichtetes Element bereitzustellen, dessen Oberfläche einfach mit einem DLC-Beschichtungsfilm beschichtet werden kann, um eine ausreichende Reibungsverringerung zu erreichen.
  • Lösung des Problems
  • Um die Aufgabe zu lösen, umfasst das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung einen zylindrischen Körper und einen diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm zum Beschichten wenigstens eines Abschnitts einer Innenoberfläche des Körpers, auf dem ein anderes Element gleitet, wobei der diamantartige Kohlenstoffbeschichtungsfilm eine Härte in einem Bereich von 3,0 bis 10,0 GPa und eine Kurtosis Rku, die eine Oberflächenrauheitsverteilung pro Fläche anzeigt, hat, die in einer Beschichtungsfilmoberfläche mit 27,0 oder weniger spezifiziert wird.
  • Das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung erreicht eine Reibungsverringerung mit einem ausreichend verringerten Reibungskoeffizienten mit einem DLC-Beschichtungsfilm mit einer Härte im Bereich von 3,0 bis 10,0 GPa und der Kurtosis von 27,0 oder weniger.
  • Mit einer Härte des DLC-Beschichtungsfilms von weniger als 3,0 GPa kann die zufriedenstellende Widerstandsfähigkeit für die Oberfläche des kohlenstoffbeschichteten Elements gegen Abrieb nicht erreicht werden, während mit einer Härte des DLC-Beschichtungsfilms von mehr als 10 GPa die Reibungsverringerung des kohlenstoffbeschichteten Elements nicht erreicht werden kann. Mit der Kurtosis Rku von mehr als 27,0 kann die Reibungsverringerung des kohlenstoffbeschichteten Elements nicht erreicht werden.
  • Das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung umfasst den DLC-Beschichtungsfilm mit der Härte vorzugsweise in einem Bereich von 8,0 bis 10,0 GPa, um die Reibungsverringerung durch weiteres Verringern eines Reibungskoeffizienten zu erreichen. Ferner umfasst das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung den DLC-Beschichtungsfilm mit der Kurtosis Rku von vorzugsweise 20,0 oder weniger, besser 8,0 oder weniger, um die Reibungsverringerung durch weiteres Verringern eines Reibungskoeffizienten zu erreichen.
  • Ferner umfasst das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung den DLC-Beschichtungsfilm mit einer Oberflächenrauheit Rz von vorzugsweise 2,7 μm oder weniger. Das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung mit dem DLC-Beschichtungsfilm mit einer Oberflächenrauheit in dem Bereich lässt zu, dass die Vertiefungen von Unregelmäßigkeiten, die auf der DLC-Beschichtungsfilmoberfläche ausgebildet werden, ein Schmieröl halten.
  • Wenn die Temperatur des kohlenstoffbeschichteten Elements der vorliegenden Erfindung hoch wird, brennt das Schmieröl. Folglich ist eine Oberflächenrauheit Rz des DLC-Beschichtungsfilms in dem kohlenstoffbeschichteten Element der vorliegenden Erfindung vorzugsweise besser 2,0 μm oder weniger. Das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung mit dem DLC-Beschichtungsfilm mit der Oberflächenrauheit in dem Bereich lässt zu, dass der Schmierölverbrauch verringert wird.
  • Das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel als ein Zylinderblock einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
  • Ein Herstellungsverfahren für ein kohlenstoffbeschichtetes Element der vorliegenden Erfindung, wobei das kohlenstoffbeschichtete Element einen zylindrischen Körper und einen diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm zum Beschichten wenigstens eines Abschnitts einer Innenoberfläche des Körpers, auf dem ein anderes Element gleitet, umfasst, wobei der diamantartige Kohlenstoffbeschichtungsfilm eine Härte in einem Bereich von 8,0 bis 10,0 GPa und eine Kurtosis Rku, die eine Oberflächenrauhigkeitsverteilung pro Fläche anzeigt, die in einer diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilmoberfläche mit 27,0 oder weniger spezifiziert ist, hat, umfasst die folgenden Schritte: Abdichten beider Endabschnitte des Körpers, um einen Druck im Inneren des Körpers auf einen Vakuumpegel in einem Bereich von 1 bis 100 Pa zu verringern; einen Schritt zum Entfernen von Fremdstoffen, die auf der Innenoberfläche des Körpers vorhanden sind; und einen Schritt zum Zuführen von Azetylengas im Inneren des Körpers mit einem Durchfluss in einem Bereich von 500 bis 4000 sccm, während der Vakuumpegel im Inneren des Körpers in einem Bereich von 1 bis 30 Pa gehalten wird, um Plasma zu erzeugen, um den diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm auf der Innenoberfläche des Körpers abzuscheiden.
  • Gemäß dem Herstellungsverfahren für das herkömmliche kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung wird zuerst der Druck im Inneren des Körpers mit beiden abgedichteten Enden auf einen Vakuumpegel von 1 bis 100 Pa verringert. Anschließend werden die Fremdstoffe, die auf der Innenoberfläche des Körpers vorhanden sind, unter dem Vakuumpegel entfernt.
  • Eine teure Vorrichtung ist notwendig, um den Druck im Inneren des Körpers auf einen Vakuumpegel von weniger als 1 Pa zu verringern, während die Fremdstoffe mit einem Vakuumpegel von mehr als 100 Pa nicht entfernt werden können.
  • Anschließend wird Azetylengas mit einem Durchfluss im Bereich von 500 bis 4000 sccm ins Innere des Körpers zugeführt, während der Vakuumpegel im Inneren des Körpers nach der Entfernung des Fremdstoffs in dem Bereich von 1 bis 30 Pa gehalten wird, um das Gas in Plasma umzuwandeln, um den diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm auf der Innenoberfläche des Körpers abzuscheiden. Als solches kann der DLC-Beschichtungsfilm mit einer Härte im Bereich von 8,0 bis 10,0 GPa und einer Kurtosis Rku im Bereich von 27,0 oder weniger ausgebildet werden.
  • Eine teure Vorrichtung ist notwendig, um den Druck im Inneren des Körpers auf einen Vakuumpegel von weniger als 1 Pa zu verringern, und das Azetylengas kann bei einem Vakuumpegel von mehr als 30 Pa nicht in Plasma umgewandelt werden.
  • Jenseits des vorstehenden Bereichs des Durchflusses des Azetylengases kann der DLC-Beschichtungsfilm mit einer Härte und einer Kurtosis Rku in den Bereichen nicht ausgebildet werden.
  • Das Herstellungsverfahren für das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise einen Schritt, um für eine Zeit in einem Bereich von 5 bis 200 Sekunden einen Impulsstrom in einem Bereich von 2 bis 100 A an den Körper zu liefern, um eine Vorspannung an den Körper anzulegen, um das Azetylengas in Plasma umzuwandeln.
  • Wenn der Impulsstrom von weniger als 2 A weniger als 5 Sekunden lang geliefert wird, kann das Azetylengas in einigen Fällen nicht in Plasma umgewandelt werden. Wenn der Impulsstrom mit mehr als 100 A ferner länger als 200 Sekunden geliefert wird, kann in einigen Fällen der DLC-Beschichtungsfilm mit einer Härte und Kurtosis in den Bereichen nicht ausgebildet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Systemaufbau, der ein Aufbaubeispiel für eine Plasma-CVD-Vorrichtung für die Verwendung in dem Herstellungsverfahren eines kohlenstoffbeschichteten Elements der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für das kohlenstoffbeschichtete Element der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Berechnung eines Reibungskoeffzienten (COF) basierend auf der Eindringreibungstheorie zeigt.
  • 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Härte und einer Kurtosis Rku eines DLC-Beschichtungsfilms und des Reibungskoeffizienten (COF) zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird ein kohlenstoffbeschichtetes Element als ein Zylinderblock 1, dessen Querschnitt in der Längsrichtung in 1 gezeigt ist, als ein Beispiel beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt, hat der Zylinderblock 1 eine zylindrische Form mit einen inneren Hohlraumteil 2, in dem ein (in den Zeichnungen nicht gezeigter) Kolben gleitet. Der Zylinderblock 1 wird in einem Schmieröl verwendet, und die Oberfläche des Hohlraumteils 2 ist mit einem (in der Zeichnung nicht gezeigten) DLC-Beschichtungsfilm beschichtet.
  • Der DLC-Beschichtungsfilm hat eine Härte im Bereich von 3,0 bis 10,0 GPa und eine Kurtosis Rku als statistischen numerischen Wert, der die Oberflächerauheitsverteilung pro winziger Fläche, die in der Beschichtungsfläche spezifiziert wird, von 27,0 oder weniger anzeigt. Der DLC-Beschichtungsfilm hat vorzugsweise eine Härte im Bereich von 8,0 bis 10,0 GPa und die Kurtosis Rku von vorzugsweise 20,0 oder weniger, besser 8,0 oder weniger.
  • Die Härte wird unter Messbedingungen mit einer Maximallast von 5 mN unter Verwendung einer Dünnschichtmessvorrichtung (Nanoeindruckkörper) als eine Eindruckhärte gemessen.
  • Die Kurtosis Rku ist ein Wert, der durch Dividieren des biquadratischen Mittels einer Gleichung Z(x), die eine Rauheitskurve pro Standardlänge einer spezifizierten winzigen Fläche (z. B. einem Bereich von 0,4 mm × 0,1 mm) der DLC-Beschichtungsfilmoberfläche, die von einem Rasterkraftmikroskop (AFM) gemessen wird, darstellt, durch die vierte Potenz einer mittleren Quadratwurzel (Rq), die durch den folgenden Ausdruck (1) dargestellt wird, erhalten wird. Die Kurtosis Rku ist in JIS B0601 definiert.
  • Figure DE112014002649T5_0002
  • Der DLC-Beschichtungsfilm hat eine Oberflächenrauheit Rz von vorzugsweise 2,7 μm oder weniger, besser 2,0 μm oder weniger.
  • Der Zylinderblock 1 mit dem DLC-Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 kann durch eine in 1 gezeigte Plasma-CVD-Vorrichtung 3 hergestellt werden. Die Plasma-CVD-Vorrichtung 3 weist Dichtungselemente 4a und 4b, die beide Enden des Hohlraumteils 2 in dem Zylinderblock 1 abdichten, positive Elektroden 5a und 5b, die jeweils auf den Dichtungselementen 4a und 4b montiert sind, ein Gaszuführungsteilsystem 6 und ein Prozesssteuerungsteilsystem 7 auf.
  • Die Dichtungselemente 4a und 4b dienen auch als Isoliermaterialien, um die positiven Elektroden 5a und 5b von dem Zylinderblock 1 zu trennen. Die positiven Elektroden 5a und 5b sind Stabelektroden, die von (in der Zeichnung nicht gezeigten) Porenteilen, die an den Dichtungselementen 4a und 4b angeordnet sind, ins Innere der Dichtungselemente 4a und 4b eingesetzt sind.
  • Das Gaszuführungsteilsystem 6 weist einen Azetylengasvorratsbehälter 8 und einen Argongasvorratsbehälter 9 auf. Der Azetylengasvorratsbehälter 8 weist auf: eine Leitung 10, die durch einen Druckmesser 11, ein primärseitiges Ventil 12 einer Durchflusssteuervorrichtung, eine Durchflusssteuervorrichtung 13, ein sekundärseitiges Ventil 14 der Durchflusssteuervorrichtung, ein Öffnungs-Schließventil 15 und ein Dichtungselement 4a mit dem Hohlraum 2 des Zylinderblocks 1 verbindet. Andererseits weist der Argongasvorratsbehälter 9 auf: eine Leitung, die durch einen Druckmesser 17, ein primärseitiges Ventil 18 der Durchflusssteuervorrichtung, eine Durchflusssteuervorrichtung 19 und ein sekundärseitiges Ventil 20 der Durchflusssteuervorrichtung mit der Leitung 10 strömungsaufwärtig von dem Öffnungs-Schließventil 15 verbindet.
  • Das Prozesssteuerteilsystem 7 weist auf: eine Steuervorrichtung 21, die aus einem Personalcomputer und ähnlichem besteht, eine Vakuumpumpe 22, die von der Steuervorrichtung 21 gesteuert wird, eine Pulsgleichstromquelle 23 und eine Drucksteuerung 24. Die Vakuumpumpe 22 ist durch ein Ventil 26 und das Dichtungselement 4b durch eine Leitung 25 mit dem Hohlraumteil 2 des Zylinderblocks 1 verbunden. Die Pulsgleichstromquelle 23 weist ein Gleichstromkabel 27 auf, das mit der Außenoberfläche des Zylinderblocks 1 verbunden ist. Die Drucksteuerung 24 ist mit einem Öffnungs-Schließventil 26, das in der Leitung 25 bereitgestellt ist, elektrisch verbunden.
  • Die Steuervorrichtung 21 ist durch ein Schnittstellenkabel 28 mit dem Gaszuführungsteilsystem 6 verbunden, das das primärseitige Ventil 12 der Durchflusssteuervorrichtung, die Durchflusssteuervorrichtung 13, das sekundärseitige Ventil 14 der Durchflusssteuervorrichtung und das Öffnungs-Schließventil 15, die in der Leitung 10 bereitgestellt sind, und das primärseitige Ventil 18 der Durchflusssteuervorrichtung, die Durchflusssteuervorrichtung 19 und das sekundärseitige Ventil 20 der Durchflusssteuervorrichtung, die in der Leitung 16 bereitgestellt sind, steuert.
  • Wenn der DLC-Beschichtungsfilm mit der Plasma-CVD-Vorrichtung auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 des Zylinderblocks 1 ausgebildet wird, werden, wie in 2 gezeigt, zuallererst beide Enden des Zylinderblocks 1 in Schritt 1 mit den Dichtungselementen 4a und 4b abgedichtet. Anschließend wird in Schritt 2 der Druck im Inneren des Hohlraumteils 2 des Zylinderblocks 1 auf einen vorgegebenen Vakuumpegel verringert. Die Druckverringerung wird durch die Steuervorrichtung 21 durchgeführt, wobei das Öffnungs-Schließventil 26 durch die Drucksteuerung 24 in einem vorgegebenen Grad geöffnet wird und wobei die Vakuumpumpe 22 aktiviert ist. Folglich wird der Druck im Inneren des Hohlraumteils 2 auf einen Vakuumpegel von zum Beispiel 1 bis 100 Pa verringert.
  • Nachdem der Druck im Inneren des Hohlraums 2, wie vorstehend beschrieben, verringert wurde, werden in Schritt 3 Fremdstoffe auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 für die Reinigung entfernt. Bei der Entfernung von Fremdstoffen werden zuerst das Öffnungs-Schließventil 15, das in der Leitung 12 des Gaszuführungsteilsystems 6 bereitgestellt ist, und das primärseitige Ventil 18 der Durchflusssteuervorrichtung und das sekundärseitige Ventil 20 der Durchflusssteuervorrichtung, die in der Leitung 16 bereitgestellt sind, von der Steuervorrichtung 21 geöffnet, und von dem Argongasvorratsbehälter 9 wird Argongas an den Hohlraumteil 2 zugeführt. Der Durchfluss des Argongases wird von der Durchflusssteuervorrichtung 19 auf den Bereich von zum Beispiel mehr als 0 sccm bis 2000 sccm oder weniger eingestellt.
  • Anschließens wird durch die Steuervorrichtung 21 von der Pulsgleichstromversorgung 23 über das Gleichstromkabel 27 eine Hochfrequenz-Pulsvorspannung an den Zylinderblock 1 angelegt, und dadurch wird im Inneren des Hohlraumteils 2 Argonplasma erzeugt. Bei dieser Gelegenheit wirkt der Zylinderblock 1 als eine negative Elektrode, und somit trifft das Plasma auf die Oberfläche des Hohlraumteils 2, wobei die Fremdstoffe auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 durch das Plasma entfernt werden, wodurch die Oberfläche des Reinigungsteils 2 gereinigt wird.
  • Alternativ kann die Entfernung von Fremdstoffen auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 durch Zuführen von Sauerstoffgas anstelle des Argongases durchgeführt werden, um Sauerstoffplasma anstelle des Argonplasmas zu erzeugen. Alternativ kann für die Entfernung von Fremdstoffen auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 ein Verfahren zur chemischen Vergasung unter Verwendung von Fluor (C + 2F2 → CF4) verwendet werden.
  • Nach dem Abschluss der Reinigung der Oberfläche des Hohlraumteils 2 werden in Schritt 4 das primärseitige Ventil 12 der Durchflusssteuervorrichtung und das sekundärseitige Ventil 14 der Durchflusssteuervorrichtung, die in der Leitung 10 der Gaszuführungsvorrichtung 6 bereitgestellt sind, durch die Steuervorrichtung 21 geöffnet, und dadurch wird von dem Azetylengasvorratsbehälter 8 Azetylengas zusammen mit dem Argongas an den Hohlraum 2 zugeführt. Bei dieser Gelegenheit wird der Durchfluss des Azetylengases von der Durchflusssteuervorrichtung 13 auf den Bereich von zum Beispiel 500 bis 4000 sccm festgelegt, und der Durchfluss des Argongases wird von der Durchflusssteuervorrichtung 19 auf den Bereich von zum Beispiel 100 bis 1000 sccm festgelegt.
  • Das Öffnungs-Schließventil 26 wird von der Steuervorrichtung 21 durch die Drucksteuerung 24 in eine vorgegebene Ventilöffnungsposition geöffnet, und dadurch wird der Vakuumpegel im Inneren des Hohlraumteils 2 zum Beispiel auf 5 bis 30 Pa gehalten.
  • Anschließend wird in Schritt 5 durch die Steuervorrichtung 21 von der Pulsgleichstromversorgung 23 ein Pulsstrom von zum Beispiel 2 bis 100 A zum Beispiel 5 bis 200 Sekunden lang durch das Gleichstromkabel 27 an den Zylinderblock 1 angelegt. Dadurch wird eine Vorspannung an den Zylinderblock 1 angelegt, der, wie vorstehend beschrieben, als eine negative Elektrode wirkt, und dadurch wird das Azetylengas zwischen dem Zylinderblock 1 und den positiven Elektroden 5a und 5b in Plasma umgewandelt, wobei hauptsächlich Kohlenstoffplasma erzeugt wird.
  • Folglich wird in Schritt 6 das Kohlenstoffplasma an die Oberfläche des Hohlraumteils 2 des Zylinderblocks 1 als eine negative Elektrode angezogen, um auf der Oberfläche abgeschieden zu werden. Dadurch wird der DLC-Beschichtungsfilm ausgebildet. Der Betriebszyklus des Pulsstroms wird von der Steuervorrichtung 21 derart eingestellt, dass das Azetylengas und das Argongas während eines Nichteinschaltzyklus aufgefüllt werden. Als ein Ergebnis ist er fähig, den DLC-Beschichtungsfilm mit einer gleichmäßigen Dicke auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 auszubilden.
  • Durch das vorstehend beschriebene Verfahren kann der DLC-Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Hohlraumteils 2 des Zylinderblocks 1 ausgebildet werden. Der DLC-Beschichtungsfilm mit einer Härte im Bereich von 3,0 bis 10,0 GPa mit der Kurtosis Rku von 27,0 oder weniger, erreicht eine Reibungsverringerung mit einem verringerten Reibungskoeffizienten (COF) der Oberfläche des Hohlraumteils 2. Um die Reibungsverringerung zu erreichen, hat der DLC-Beschichtungsfilm eine Härte im Bereich von vorzugsweise 8,0 bis 10,0 GPa mit der Kurtosis Rku von vorzugsweise 20,0 oder weniger, besser 8,0 oder weniger.
  • Die Kurtosis Rku nimmt zu, wenn der Durchfluss des Azetylengases für eine Vorspannung, die an den Zylinderblock 1 in der Plasma-CVD-Vorrichtung 3 angelegt wird, zunimmt. Die Filmdicke des DLC-Beschichtungsfilms wird ungleichmäßiger, wenn der Durchfluss des Azetylengases für die Vorspannung verringert wird. Folglich wird der Durchfluss des Azetlyengases auf den Bereich eingestellt, und daher kann die Gleichmäßigkeit der Filmdicke des DLC-Beschichtungsfilms aufrecht erhalten werden, während die Kurtosis Rku gesteuert werden kann, so dass sie in dem Bereich ist.
  • Der Reibungskoeffizient (COF) wird durch die in 3 gezeigte Eindringreibungstheroie erklärt. Wenn in der Eindringreibungstheorie ein Vorsprung 32 des DLC-Beschichtungsfilms des Zylinderblocks 1 entlang der Oberfläche eines Kolbens 31 gleitet, wird der Durchmesser des Vorsprungs 32 durch d dargestellt, der zwischen der Seitenfläche 33 des Vorsprungs 32 und der Achse des Vorsprungs 32 ausgebildete Winkel wird durch θ dargestellt. Bei dieser Gelegenheit wird eine vertikale Last W durch den folgenden Ausdruck (2) dargestellt, wobei Pf die Härte auf der Kolbenseite darstellt, A1 eine Normalprojektionsfläche des Vorsprungs 32 darstellt, und n die Anzahl der Vorsprünge 32 darstellt. W = A1 × Pf = 1/8 × n × πd2Pf (2)
  • Mit A2, das die Vorsprungfläche in der Bewegungsrichtung des Vorsprungs 32 darstellt, wird eine Reibungskraft F ferner durch den folgenden Ausdruck (3) dargestellt. F = A2 × Pf = 1/4 × πd2Pf × cotθ (3)
  • Hierauf wird der Reibungskoeffizient COF durch den folgenden Ausdruck (4) dargestellt. COF = F/W = 2cotθ/n (4)
  • Aus dem Ausdruck (4) ist offensichtlich, dass der Reibungskoeffizient COF proportional zu cotθ ist, und es wird angenommen, dass θ die Schärfe des Vorsprungs 32 angibt. Um die Reibungsverringerung zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Zylinderblock 1 einen Reibungskoeffizienten COF von 0,07 oder weniger, vorzugsweise 0,05 oder weniger, idealerweise 0,04 oder weniger hat.
  • Anschließend wird die Beziehung zwischen der Härte und der Kurtosis Rku eines DLC-Beschichtungsfilms und dem Reibungskoeffizienten COF in 4 gezeigt.
  • Aus 4 ist offensichtlich, dass der DLC-Beschichtungsfilm mit einer Härte im Bereich von 3,0 bis 10,0 GPa zum Beispiel mit einer Härte von 9,0 GPa, für eine Kurtosis von 27,0 oder weniger einen Reibungskoeffizienten COF von 0,7 oder weniger hat, für eine Kurtosis von 20,0 oder weniger einen Reibungskoeffizienten COF von 0,6 oder weniger hat und für eine Kurtosis von 8,0 oder weniger einen Reibungskoeffizienten COF von 0,4 oder weniger hat.
  • Es ist ebenfalls offensichtlich, dass der DLC-Beschichtungsfilm mit einer Härte von 9,5 GPa für eine Kurtosis Rku von 7,7 oder weniger einen Reibungskoeffizienten von 0,4 oder weniger hat.
  • Der Zylinderblock 1 der vorliegenden Ausführungsform hat den DLC-Beschichtungsfilm mit einer Oberflächenrauheit Rz von vorzugsweise 2,7 μm oder weniger, so dass ein Schmieröl in den Vertiefungen von Unregelmäßigkeiten, die auf der Oberfläche des DLC-Beschichtungsfilms ausgebildet sind, gehalten werden kann. Wenn die Temperatur hoch wird, brennt das Schmieröl. Folglich wird bevorzugt, dass der Zylinderblock 1 den DLC-Beschichtungsfilm mit einer Oberflächenrauheit Rz von 2,0 μm oder weniger hat, so dass der Verbrauch des Schmieröls verringert werden kann.
  • Wenngleich in der vorliegenden Ausführungsform der Zylinderblock 1 als ein Beispiel beschrieben wird, kann die vorliegende Erfindung auf jedes kohlenstoffbeschichtete Element in einem zylindrischen Formelement angewendet werden, das einen inneren Gleitteil mit einem DLC-Beschichtungsfilm hat.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinderblock
    2
    Hohlraumteil
    3
    Plasma-CVD-Vorrichtung
    6
    Gaszuführungsteilsystem
    7
    Prozesssteuerteilsystem

Claims (9)

  1. Kohlenstoffbeschichtetes Element, das aufweist: einen zylindrischen Körper und einen diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm zum Beschichten wenigstens eines Abschnitts einer Innenoberfläche des Körpers, auf dem eine anderes Element gleitet; wobei der diamantartige Kohlenstoffbeschichtungsfilm eine Härte in einem Bereich von 3,0 bis 10,0 GPa und eine Kurtosis Rku, die eine Oberflächenrauheit pro Fläche, die in einer Beschichtungsfilmoberfläche spezifiziert ist, von 27,0 oder weniger hat.
  2. Kohlenstoffbeschichtetes Element nach Anspruch 1, wobei die Härte des diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilms in einem Bereich von 8,0 bis 10,0 GPa ist.
  3. Kohlenstoffbeschichtetes Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kurtosis Rku des diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilms 20 oder weniger ist.
  4. Kohlenstoffbeschichtetes Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kurtosis Rku des diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilms 8,0 oder weniger ist.
  5. Kohlenstoffbeschichtetes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der diamantartige Kohlenstoffbeschichtungsfilm eine Oberflächenrauheit Rz von 2,7 μm oder weniger hat.
  6. Kohlenstoffbeschichtetes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der diamantartige Kohlenstoffbeschichtungsfilm eine Oberflächenrauheit Rz von 2,0 μm oder weniger hat.
  7. Kohlenstoffbeschichtetes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Körper ein Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffbeschichteten Elements mit einem zylindrischen Körper und einem diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm zum Beschichten wenigstens eines Abschnitts einer Innenoberfläche des Körpers, auf dem eine anderes Element gleitet, wobei der diamantartige Kohlenstoffbeschichtungsfilm eine Härte in einem Bereich von 8,0 bis 10,0 GPa und eine Kurtosis Rku, die eine Oberflächenrauheit pro Fläche, die in einer Beschichtungsfilmoberfläche spezifiziert ist, von 27,0 oder weniger hat, wobei das Verfahren aufweist: einen Schritt zum Abdichten beider Enden des Körpers, um einen Druck im Inneren des Körpers auf einen Vakuumpegel in einem Bereich von 1 bis 100 Pa zu verringern; einen Schritt zum Entfernen von Fremdstoffen, die auf der Innenoberfläche des Körpers vorhanden sind; und einen Schritt zum Zuführen von Azetylengas ins Innere des Körpers mit einem Durchfluss in einem Bereich von 500 bis 4000 sccm, während der Vakuumpegel im Inneren des Körpers in einem Bereich von 1 bis 30 Pa gehalten wird, um Plasma zu erzeugen, um den diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungsfilm auf der Innenoberfläche des Körpers abzuscheiden.
  9. Verfahren zur Herstellung des kohlenstoffbeschichteten Elements nach Anspruch 8, das ferner einen Schritt zum Zuführen eines Pulsstroms in einem Bereich von 2 bis 100 A an den Körper für eine Zeit in einem Bereich von 5 bis 200 Sekunden aufweist, um eine Vorspannung an den Körper anzulegen, um Azetylengas in Plasma umzuwandeln.
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