DE112014006361T5 - Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Koji Miyake
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Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden ein Kolbenring, der, auch wenn eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Hülse verwendet wird, die erforderlichen Eigenschaften geringer Reibungseigenschaften, einer Verschleißfestigkeit und einer geringen Aggressivität gegenüber einem Gegenelement in ausreichendem Maße zeigt, und ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings bereitgestellt. Auf dem Kolbenring ist ein Hartkohlenstofffilm als äußerste Schicht ausgebildet, die als eine Gleitfläche bezüglich einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse dient, wobei der Hartkohlenstofffilm ein Röntgenbeugungsmuster ergibt, das Graphitkristallen zugeordnete Peaks aufweist. Der Hartkohlenstofffilm des Kolbenrings wird unter Verwendung eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens ausgebildet. Der Hartkohlenstofffilm des Kolbenrings hat einen Wasserstoffgehalt, der mindestens 20 Atom-%, aber weniger als 30 Atom-% beträgt, und ergibt ein Ramanspektrum, in dem das Verhältnis der Fläche (ID) des D-Band-Peaks zur Fläche (IG) des G-Band-Peaks, ID/IG, 0,5–2,0 beträgt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, der beispielsweise für Kraftfahrzeugmotoren verwendet wird, und insbesondere einen Kolbenring, der in Verbindung mit einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten und als ein Gegenelement dienenden Hülse verwendet wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen des Kolbenrings.
  • Stand der Technik
  • Kolbenringe sind beispielsweise auf Kolben in Motoren von Automobilen montiert. Ein Kolbenring gleitet entlang der Wandfläche einer als ein Gegenelement dienenden Hülse (Zylinder). Daher muss der Kolbenring geringe Reibungseigenschaften, eine hohe Abriebfestigkeit und eine geringe Aggressivität bezüglich des Gegenelements aufweisen.
  • Herkömmlicherweise wurde die als ein Gegenelement dienende Hülse häufig aus Gusseisen hergestellt, und die Oberfläche des Kolbenrings ist oberflächenbehandelt worden; beispielsweise wird ein CrN-(Chromnitrid)Film oder ein Film aus wasserstofffreiem Hartkohlenstoff (Diamond Like Carbon Film: DLC-Film) auf der Oberfläche des Kolbenrings ausgebildet, um dem Kolbenring die vorstehend erwähnten geringen Reibungseigenschaften, die hohe Abriebfestigkeit und die geringe Aggressivität bezüglich eines Gegenelements zu verleihen.
  • Allerdings ist in den letzten Jahren die Nachfrage nach einer Verbesserung der Effizienz von Motoren und nach einer Reduzierung des Gewichts von Motoren seitens der Benutzer stark geworden. Daher ist festgestellt worden, dass anstelle des herkömmlich verwendeten Gusseisens eine Aluminiumlegierung, die 15 Atom-% oder mehr Si enthält und der beispielsweise Fe und Mn beigemischt sind, um die Festigkeit zu erhöhen, als das Material der Hülse verwendet wird.
  • Allerdings hat sich als Ergebnis der Untersuchung bezüglich der oben erwähnten aus der Aluminiumlegierung hergestellten Hülse gezeigt, dass im Fall von Kolbenringen mit nachstehend beschriebenen Oberflächen die folgenden Probleme auftreten werden, die jeweils den nachstehend beschriebenen Oberflächen zugeordnet sind.
  • Zunächst tritt im Fall eines nitrierten Kolbenrings ein Problem dahingehend auf, dass der Kolbenring eine unzureichende Haftungsunterdrückungswirkung aufweist, obwohl sich die Härte des Kolbenrings erhöht. Außerdem tritt im Fall eines Kolbenrings mit einem auf seiner Oberfläche ausgebildeten CrN-Film ein Problem dahingehend auf, dass der Kolbenring anfällig dafür ist, an Aluminium anzuhaften.
  • Außerdem tritt im Fall eines Kolbenrings mit einem auf seiner Oberfläche ausgebildeten wasserstofffreien DLC-Film ein Problem dahingehend auf, dass der Kolbenring eine hohe Aggressivität bezüglich eines Gegenelements zeigt und die Abriebmenge der aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse sehr groß wird, obwohl der Kolbenring aufgrund seiner hohen Härte eine hohe Abriebfestigkeit hat.
  • Darüber hinaus tritt im Fall eines Kolbenrings mit einem auf seiner Oberfläche ausgebildeten wasserstoffhaltigen DLC-Film ein Problem dahingehend auf, dass die Abriebmenge des wasserstoffhaltigen DLC-Films groß wird, weil der Film eine geringe Härte aufweist, obwohl die Abriebmenge der aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse sehr klein ist, weil der wasserstoffhaltige DLC-Film einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine geringe Aggressivität bezüglich eines Gegenelements aufweist. Insbesondere wird in dem Fall, in dem die vorstehend erwähnte, aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Hülse, die Si enthält, um die Festigkeit zu erhöhen, als ein Gegenelement verwendet wird, die Abriebmenge des wasserstoffhaltigen DLC-Films sehr groß.
  • Unter diesen Umständen ist vorgeschlagen worden, eine Zwischenschicht und einen wasserstofffreien DLC-Film auf der Oberfläche eines Kolbenrings bereitzustellen, der entlang einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse gleitet, um die Abriebfestigkeit und die Fressbeständigkeit zu verbessern (vergl. beispielsweise Patentdokument 1).
  • Dokument des Stands der Technik
  • [Patentdokument]
    • [Patentdokument 1] JP-A-2006-57674
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Im Fall des Kolbenrings, auf den die vorstehend erwähnte Technik angewendet wird, sind allerdings die für den Kolbenring erforderlichen Eigenschaften geringer Reibungseigenschaften, einer hohen Abriebfestigkeit und einer geringen Aggressivität gegenüber einem Gegenelement für den Fall, dass eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Hülse verwendet wird, noch nicht ausreichend erfüllt.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring, der in der Lage ist, die für den Kolbenring erforderlichen Eigenschaften geringer Reibungseigenschaften, einer hohen Abriebfestigkeit und einer geringen Aggressivität gegenüber einem Gegenelement sogar in dem Fall zu zeigen, dass eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Hülse verwendet wird, und außerdem ein Verfahren zum Herstellen des Kolbenrings bereitzustellen.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass die vorstehend erwähnten Probleme durch die in den beigefügten Ansprüchen beschriebene Erfindung lösbar sind, wodurch die vorliegende Erfindung vervollständigt ist. Die jeweiligen Ansprüche werden nachstehend beschrieben.
  • Die Erfindung nach Anspruch 1 ist:
    ein Kolbenring, auf dessen oberste Schicht ein Hartkohlenstofffilm ausgebildet ist, wobei die oberste Schicht als eine Fläche verwendet wird, die entlang einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse gleitet,
    wobei
    der Hartkohlenstofffilm in einem Röntgenbeugungsmuster Graphitkristallpeaks aufweist.
  • Die Tatsache, dass der Hartkohlenstofffilm (DLC-Film) Graphitkristallpeaks im Röntgenbeugungsmuster zeigt, weist daraufhin, dass Graphitmikrokristalle in den amorphen Bereichen des DLC-Films dispergiert enthalten sind. Weil die Graphitmikrokristalle, die eine hohe Härte haben, in den amorphen Bereichen des wasserstoffhaltigen Hartkohlenstofffilms, der, wie vorstehend erwähnt wurde, eine geringe Härte hat, dispergiert sind, zeigen die Graphitmikrokristalle einen ähnlichen Effekt wie Nanofüllstoffe. Daher wird die Abriebmenge des DLC-Films während des Gleitens verringert und die Abriebfestigkeit des DLC-Films verbessert, im Gegensatz zu dem Fall eines allgemein gebräuchlichen wasserstoffhaltigen DLC-Films, der eine geringe Härte hat und für starken Abrieb anfällig ist. Dadurch wird ferner, weil die amorphen Bereiche geeignet abgerieben werden, die Reibung bezüglich eines Gegenelements vermindert, wodurch der DLC-Film ausgezeichnete geringe Reibungseigenschaften haben kann. Außerdem hat der wasserstoffhaltige DLC-Film eine geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement, wie vorstehend beschrieben wurde.
  • Daher kann sogar in dem Fall, dass der Kolbenring, auf dessen oberster Schicht der vorstehend erwähnte wasserstoffhaltige DLC-Film ausgebildet ist, entlang einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse gleitet, der Kolbenring die für den Kolbenring erforderlichen Eigenschaften geringer Reibungseigenschaften, einer hohen Abriebfestigkeit und einer geringen Aggressivität gegenüber einem Gegenelement in ausreichendem Maß zeigen.
  • Die Erfindung nach Anspruch 2 ist:
    der Kolbenring nach Anspruch 1, wobei der Hartkohlenstofffilm durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren ausgebildet ist.
  • Ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren) und ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) stehen als Verfahren zum Ausbilden des DLC-Films zur Verfügung. Falls das PVD-Verfahren angewendet wird, wird, weil sich Cluster von festem Kohlenstoff zerstreuen und Tröpfchen aus festem Kohlenstoff erzeugt werden, die Oberflächenrauigkeit des DLC-Films groß und es tritt wahrscheinlich aggressiver Abrieb auf, und es besteht die Gefahr, dass die Aggressivität gegenüber einem Gegenelement hoch werden kann.
  • Andererseits wird, falls das CVD-Verfahren angewandt wird, ein DLC-Film mit einer geringen Oberflächenrauigkeit ausgebildet, der in der Lage ist, zufriedenstellende Tribologieeigenschaften zu zeigen, wodurch der Abrieb einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse ausreichend unterdrückt werden kann.
  • Die Erfindung nach Anspruch 3 ist:
    der Kolbenring nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei
    der Wasserstoffgehalt des Hartkohlenstofffilms 20 Atom-% oder mehr und 30 Atom-% oder weniger beträgt, und
    das ID/IG-Verhältnis zwischen der Peakfläche ID des D-Bandes und der Peakfläche IG des G-Bandes im Ramanspektroskopiespektrum des Hartkohlenstofffilms 0,5 oder mehr und 2,0 oder weniger beträgt.
  • Wenn der Wasserstoffgehalt im DLC-Film zu klein ist, hat der DLC-Film eine hohe Härte und eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, hat aber einen hohen Reibungskoeffizienten und eine hohe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement. Anderseits hat der DLC-Film, wenn der Wasserstoffgehalt zu groß ist, einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement, aber der Film hat eine geringe Härte und seine Abriebfestigkeit nimmt ab. Der für ausreichend geringe Reibungseigenschaften, hohe Abriebfestigkeit und geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement bevorzugte Wasserstoffgehalt beträgt 20 Atom-% oder mehr und 30 Atom-% oder weniger, bevorzugter 23 Atom-% oder mehr und 28 Atom-% oder weniger.
  • Wenn ferner das ID/IG-Verhältnis zwischen der Peakfläche ID des D-Bandes und der Peakfläche IG des G-Bandes im Ramanspektroskopiespektrum des DLC-Films zu groß ist, hat der DLC-Film einen geringen Reibungskoeffizienten und eine geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement, aber der Film hat eine geringe Härte und seine Abriebfestigkeit nimmt deutlich ab. Andererseits hat der DLC-Film, wenn das ID/IG-Verhältnis zu klein ist, eine hohe Härte und eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, hat aber einen hohen Reibungskoeffizienten und eine hohe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement. Das für ausreichend geringe Reibungseigenschaften, hohe Abriebfestigkeit und geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement bevorzugte ID/IG-Verhältnis beträgt 0,5 oder mehr und 2,0 oder weniger.
  • Die Erfindung nach Anspruch 4 ist:
    der Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Durchmesser der Graphitmikrokristalle 15 bis 100 nm beträgt.
  • Falls der Durchmesser der Graphitkristalle zu groß ist, wird die Oberflächenrauigkeit des DLC-Films groß und seine Ebenheit beeinträchtigt, wodurch der DLC-Film einen großen Reibungskoeffizienten und einen niedrigen Abriebwiderstand aufweist. Andererseits kann der DLC-Film, falls der Durchmesser zu klein ist, keine bevorzugten Tribologieeigenschaften aufweisen, und hat es schwierig, ausreichend geringe Reibungseigenschaften zu erzielen. Der bevorzugte Durchmesser der Graphitkristalle beträgt 15 bis 100 nm.
  • Die Erfindung nach Anspruch 5 ist:
    der Kolbenring nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei
    eine Metallschicht oder eine Metallnitridschicht, die im Wesentlichen ein beliebig unter Titan, Wolfram, Chrom und Silizium ausgewähltes Metall enthält, als eine Haftschicht auf der unteren Schicht des Hartkohlenstofffilms ausgebildet ist und
    der Hartkohlenstofffilm durch ein Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet ist.
  • Die Metallschicht oder die Metallnitridschicht, die im Wesentlichen Titan (Ti), Wolfram (W), Chrom (Cr) oder Silizium (Si) enthält, hat ausgezeichnete Hafteigenschaften sowohl bezüglich des Basiselements als auch bezüglich des DLC-Films des Kolbenrings. Der Ausdruck ”enthält im Wesentlichen” bedeutet, dass der Gehalt eines jeden Elements 50 Atom-% oder mehr beträgt.
  • Das Kathoden-PIG-(Penning Ionization Gauge)Plasma-CVD-Verfahren ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Films, indem Plasmas unter Verwendung einer DC-Entladung erzeugt und Rohmaterialgas mit hoher Effizienz unter Verwendung dieses Plasmas in aktive Atome, Moleküle und Ionen zerlegt wird. Während der Film sich ausbildet werden die erzeugten Atome, Moleküle und Ionen durch Zuführen von Gleichstromimpulsen zum Basiselement auf dem Basiselement abgeschieden, während das Basiselement mit den erzeugten Atomen, Moleküle und Ionen mit hoher Energie bestrahlt wird, wodurch ein DLC-Film mit hervorragenden Haftungseigenschaften ausgebildet werden kann.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass, wenn der wasserstoffhaltige DLC-Film durch das Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet wird, Graphitmikrokristalle durch geeignetes Einstellen der Filmausbildungsbedingungen leicht in dem amorphen wasserstoffhaltigen DLC-Film dispergiert werden können, wodurch ein wasserstoffhaltiger DLC-Film mit hervorragenden Gleiteigenschaften und einer hohen Haltbarkeit ausgebildet werden kann.
  • Die Erfindung nach Anspruch 6 ist:
    ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings mit einer Gleitfläche, die auf einer Oberfläche einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse gleitet, wobei
    ein Hartkohlenstofffilm mit Graphitkristallpeaks im Röntgenbeugungsmuster auf der obersten Schicht der Gleitfläche ausgebildet ist.
  • Weil die Graphitmikrokristalle in den amorphen Bereichen des DLC-Films, der die Graphitkristallpeaks im Röntgenbeugungsmuster aufweist, dispergiert enthalten sind, wobei der DLC-Film auf der obersten Schicht der Gleitfläche ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Abriebfestigkeit des DLC-Films verbessert werden und der DLC-Film kann ausgezeichnete geringe Reibungseigenschaften aufweisen und hat eine geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement. Daher kann ein Kolbenring, der dafür geeignet ist, eine Gleitbewegung entlang einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse auszuführen, durch Ausbilden eines derartigen DLC-Films auf der obersten Schicht erhalten werden.
  • Der Durchmesser der Graphitmikrokristalle in dem DLC-Film beträgt vorzugsweise 15 bis 100 nm.
  • Die Erfindung nach Anspruch 7 ist:
    ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings nach Anspruch 6, wobei der Hartkohlenstofffilm durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren ausgebildet wird.
  • Ein DLC-Film mit geringer Oberflächenrauigkeit, der in der Lage ist, zufriedenstellende Tribologieeigenschaften zu zeigen, kann, wie vorstehend beschrieben, unter Verwendung des CVD-Verfahrens ausgebildet werden und der Abrieb der aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse kann ausreichend unterdrückt werden.
  • Die Erfindung nach Anspruch 8 ist:
    ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings nach Anspruch 6 oder 7, wobei
    ein Hartkohlenstofffilm mit einem Wasserstoffgehalt von 20 Atom-% oder mehr und 30 Atom-% oder weniger und mit einem ID/IG-Verhältnis zwischen der Peakfläche ID des D-Bandes und der Peakfläche IG des G-Bandes im Ramanspektroskopiespektrum in einem Bereich von 0,5 oder mehr und 2,0 oder weniger als der vorstehend erwähnte Hartkohlenstofffilm ausgebildet wird.
  • Weil ein derartiger DLC-Film ausreichend geringe Reibungseigenschaften, hohe Abriebfestigkeit und geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement aufweist, wie vorstehend beschrieben wurde, kann ein für eine Gleitbewegung entlang einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse geeigneter Kolbenring erhalten werden.
  • Die Erfindung nach Anspruch 9 ist:
    ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings nach Anspruch 7 oder 8, wobei
    eine Metallschicht oder eine Metallnitridschicht, die im Wesentlichen ein beliebig unter Titan, Wolfram, Chrom und Silizium ausgewähltes Metall enthält, als eine Haftschicht vor dem Ausbilden des Hartkohlenstofffilms ausgebildet wird und dann
    der Hartkohlenstofffilm unter Verwendung eines Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahrens ausgebildet wird.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, hat die Haftschicht ausgezeichnete Hafteigenschaften sowohl bezüglich des Basiselements als auch bezüglich des DLC-Films des Kolbenrings. Ein DLC-Film mit ausgezeichneten Hafteigenschaften kann durch das Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet werden.
  • Die Erfindung gemäß Anspruch 10 ist:
    ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings, mit:
    einem Haftschichtausbildungs-Schritt zum Ausbilden einer Metallschicht oder einer Metallnitridschicht, die im Wesentlichen ein beliebig unter Titan, Wolfram, Chrom und Silizium ausgewähltes Metall enthält, als eine Haftschicht auf der Oberfläche des Kolbenrings, der aus nitriertem Edelstahl, Gusseisen, Silizium-Chrom-Stahl oder Kohlenstoffstahl hergestellt ist, durch ein Sputterverfahren unter Verwendung einer Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung, und
    einem Hartkohlenstofffilmausbildungs-Schritt zum Ausbilden eines wasserstoffhaltigen Hartkohlenstofffilms, in der Graphitmikrokristalle dispergiert sind, auf der Oberfläche des Kolbenrings, auf dem die Haftschicht ausgebildet worden ist, durch ein Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren durch Zuführen von Kohlenwasserstoff zur Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung und durch Einstellen der Filmausbildungszeit, während eine Vorspannung angelegt ist.
  • Weil der unter Verwendung des vorstehend erwähnten Herstellungsverfahrens hergestellte Kolbenring ausreichend geringe Reibungseigenschaften, hohe Abriebfestigkeit und geringe Aggressivität gegenüber einem Gegenelement aufweist, kann der Kolbenring als ein Kolbenring verwendet werden, der für eine Gleitbewegung entlang einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse geeignet ist.
  • Wirkung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung kann einen Kolbenring, der ausreichend in der Lage ist, für den Kolbenring erforderliche Eigenschaften geringer Reibungseigenschaften, einer hohen Abriebfestigkeit und einer geringen Aggressivität gegenüber einem Gegenelement zu zeigen, sogar für den Fall, dass eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Hülse verwendet wird, bereitstellen und kann außerdem ein Verfahren zum Herstellen des Kolbenrings bereitstellen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Übersichtsansicht einer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung;
  • 2 ist ein Graph, der ein Messbeispiel des Röntgenbeugungsspektrums des in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildeten wasserstoffhaltigen DLC-Films zeigt;
  • 3 ist ein Graph, der das differentielle Spektrum des in 2 gezeigten Spektrums des wasserstoffhaltigen DLC-Films zeigt;
  • 4 ist ein Graph der die extrahierten Kristallpeaks des in 2 gezeigten DLC-Films zeigt;
  • 5 zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines wasserstoffhaltigen DLC-Films gemäß Beispiel 1;
  • 6 zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines wasserstoffhaltigen DLC-Films gemäß Beispiel 2;
  • 7 zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche des wasserstoffhaltigen DLC-Films gemäß Beispiel 2 aus einer anderen Blickrichtung;
  • 8 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche des wasserstoffhaltigen DLC-Films, die das Vorhandensein granularer Wachstumssubstanzen zeigt;
  • 9 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Verfahren zum Bewerten der Gleiteigenschaften eines Kolbenrings zeigt; und
  • 10 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche des Kolbenrings, von der granulare Wachstumssubstanzen nach einem Gleittest abgefallen sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • In dieser Ausführungsform wird ein Kolbenring gemäß der folgenden Vorgehensweise hergestellt.
  • 1. Herstellung eines Basiselements (Kolbenrings)
  • Zunächst wird ein in einer vorgegebenen Kolbenringform ausgebildetes Basiselement vorbereitet. Das Basiselement ist vorzugsweise aus nitriertem Edelstahl, Gusseisen, Silizium-Chrom-Stahl oder Kohlenstoffstahl hergestellt und wird vorab einer Vorbehandlung unterzogen, wie beispielsweise Entfetten und Reinigen.
  • 2. Ausbildung einer Haftschicht
  • Als nächstes wird eine Haftschicht, die im Wesentlichen aus Ti, W oder Cr besteht, auf der Oberfläche eines als Basiselement dienenden Kolbenrings ausgebildet. Die Haftschicht wird beispielsweise durch ein Sputterverfahren unter Verwendung einer Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung ausgebildet, die auch zum Ausbilden eines DLC-Films verwendet wird.
  • 1 zeigt eine Übersichtsansicht der für die Ausführungsform zu verwendenden Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung. Wie in 1 dargestellt ist, weist die Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung 1 eine Filmausbildungskammer 11, eine Plasmakammer 12, eine Auslassöffnung 13, eine Pulsspannungsversorgung 14, eine Elektrode 15, eine Ti-Sputterquelle 16 und eine Kolbenringhaltevorrichtung 17 auf. W bezeichnet den Kolbenring (Basiselement).
  • Zunächst werden die Kolbenringe W, die entfettet und gereinigt worden sind, auf die Kolbenringhaltevorrichtung 17 gesetzt und dann im Inneren der Filmausbildungskammer 11 angeordnet. Die Kolbenringe W und die Kolbenringhaltevorrichtung 17 sind mit der Elektrode 15 elektrisch verbunden und durch die Pulsspannungsversorgung 14 wird eine Pulsspannung zugeführt.
  • Nachdem die Plasmakammer 12 und die Filmausbildungskammer 11 unter Verwendung einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Vakuumpumpe über die Auslassöffnung 13 evakuiert worden sind, wird Argon (Ar) als ein Entladungsgas in die Plasmakammer 12 eingeleitet und der Druck im Inneren der Entladungskammern (der Plasmakammer 12 und der Filmausbildungskammer 11) wird eingestellt. Die Kolbenringe W werden auf der Kolbenringhaltevorrichtung 17 gehalten und kreisen im Inneren der Filmausbildungskammer 11, während sie auf deren Achse auf der Elektrode 15 rotieren, bis eine Filmausbildungsberarbeitungsserie abgeschlossen ist.
  • Dann wird Ar-Plasma durch Gleichstromentladung zwischen einem heißen Faden und einer Anode, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, im Inneren der Plasmakammer 12 erzeugt. Das erzeugte Ar-Plasma wird durch eine Transporteinrichtung, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, in die Filmausbildungskammer 11 transportiert und die Oberflächen der Kolbenringe W, an die durch die Pulsspannungsversorgung 14 eine Vorspannung angelegt worden ist, werden mit Ar-Ionen bestrahlt, wodurch eine Reinigung durch Ätzen ausgeführt wird.
  • Als nächstes wird die Entladung im Inneren der Plasmakammer 12 gestoppt und Ti wird von der Ti-Sputterquelle 16 unter vorgegebenen Sputterbedingungen aufgesputtert, wodurch ein Ti-Film auf den Oberflächen der Kolbenringe W ausgebildet wird.
  • Obwohl in der vorstehenden Beschreibung Ti als ein Beispiel verwendet wird, kann auch das vorstehend erwähnte W oder Cr auf eine ähnliche Weise zum Ausbilden einer Haftschicht verwendet werden. Außerdem kann Si verwendet werden und darüber hinaus kann eine Haftschicht auch aus einem Nitrid jedes der vorstehend erwähnten Elemente ausgebildet werden.
  • Die Dicke der auszubildenden Haftschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1,0 μm.
  • 3. Ausbildung eines DLC-Films
  • Als nächstes wird ein wasserstoffhaltiger DLC-Film, in der Graphitmikrokristalle dispergiert sind, unter Verwendung der Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung auf der Oberfläche der Haftschicht ausgebildet.
  • Zu dieser Zeit ist es bevorzugt, dass ein Si enthaltender DLC-Film als Zwischenschicht zwischen der Haftschicht und dem wasserstoffhaltigen DLC-Film ausgebildet wird. Mit dieser Struktur können die Hafteigenschaften zwischen der Haftschicht und dem wasserstoffhaltigen DLC-Film weiter verbessert werden.
  • Die Zwischenschicht kann durch Zuführen von beispielsweise Kohlenwasserstoff, wie Acetylen (C2H2) oder Methan (CH4), und Wasserstoff (H2) als Materialgas zusammen mit einer Si enthaltenden Verbindung, wie Tetramethylsilan (TMS), durch ein Kathoden-PIG Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung der Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung ausgebildet werden.
  • Die Dicke der auszubildenden Zwischenschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1,0 μm.
  • Auf der Oberfläche der Zwischenschicht, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet worden ist, wird ferner ein wasserstoffhaltiger DLC-Film durch das Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung der Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung ausgebildet.
  • Konkret wird der Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung Kohlenwasserstoff, wie C2H2 oder CH4, als Materialgas zugeführt, und die Filmausbildungszeit wird eingestellt, während eine Vorspannung angelegt ist, wodurch ein wasserstoffhaltiger DLC-Film ausgebildet werden kann, in der Graphitmikrokristalle dispergiert sind.
  • 4. Bewertung des wasserstoffhaltigen DLC-Films
  • Der wie vorstehend beschrieben ausgebildete wasserstoffhaltige DLC-Film wird durch die nachstehend beschriebenen Verfahren bewertet.
  • (1) Nanoindentierungshärte
  • Die Nanoindentierungshärte wird unter einer vorgegebenen Last unter Verwendung eines Indentierungshärtemessgeräts gemessen. In der Ausführungsform werden Filmausbildungsbedingungen geeignet derart eingestellt, dass die gemessene Nanoindentierungshärte ungefähr 20 bis 30 GPa beträgt.
  • (2) Ramanspektroskopische Analyse (ID/IG-Verhältnis)
  • Als nächstes wird von der Peakfläche ID des D-Bandes und der Peakfläche IG des G-Bandes im Ramanspektroskopiespektrum, das durch eine ramanspektroskopische Analyse erhalten wird, das ID/IG-Verhältnis bestimmt. In der Ausführungsform werden die Filmausbildungsbedingungen derart geeignet eingestellt, dass das gemessene ID/IG-Verhältnis 0,5 oder mehr und 2,0 oder weniger beträgt.
  • Konkret wird die Wellenform, die durch Anwendung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 532 nm erhalten wird, unter Verwendung des NRS-5100, hergestellt von JASCO Corporation, basislinienkorrigiert und dann durch Kurvenanpassung (curve fitting) unter Verwendung einer Gauß-Funktion und einer Lorentz-Funktion in das D-Band mit einem Peak bei etwa 1350 cm–1 und das G-Band mit einem Peak bei etwa 1550 cm–1 geteilt und das Verhältnis (das ID/IG-Verhältnis) zwischen der Fläche ID des D-Bandes und der Fläche IG des G-Bandes wird erhalten. Entsprechend dem Verhältnis ist es möglich, zu entscheiden, ob der DLC-Film ein DLC-Film mit einer für einen wasserstoffhaltigen DLC-Film typischen Raman-Wellenform ist.
  • (3) Wasserstoffgehalt
  • Als nächstes wird der Wasserstoffgehalt in dem ausgebildeten wasserstoffhaltigen DLC-Film durch das Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie-Verfahren (RBS-Verfahren) gemessen. In der Ausführungsform werden die Filmausbildungsbedingungen geeignet eingestellt, so dass der gemessene Wasserstoffgehalt 20 Atom-% oder mehr und 30 Atom-% oder weniger, vorzugsweise 23 Atom-% oder mehr und 28 Atom-% oder weniger, beträgt.
  • (4) Röntgenbeugungsmessung (Bestätigung von Graphitkristallen)
  • Die Bestätigung des Vorhandenseins von Graphitkristallen in dem ausgebildeten wasserstoffhaltigen DLC-Film und die Bestätigung des Durchmessers der Kristalle werden durch Röntgenbeugungsmessung wie nachstehend beschrieben durchgeführt.
  • Im Allgemeinen sind im Röntgenbeugungsspektrum eines Kristallmaterials mehrere scharfe Beugungspeaks vorhanden, die jeweiligen Gitterebenen entsprechen, und die Struktur der Kristalle wird durch Abgleichen dieser Peaks bestimmt. Andererseits sind im Fall der vorliegenden Erfindung zwar die Beugungspeaks der Graphitkristalle vorhanden, sie sind aber mit breit verteilten Peaks gemischt, die als, für amorphe Materialien typisches, Halomuster bezeichnet werden.
  • 2 zeigt ein Messbeispiel des Röntgenbeugungsspektrums des in der Ausführungsform ausgebildeten wasserstoffhaltigen DLC-Films. Die Messung wurde unter den Bedingungen durchgeführt, dass die Röntgenquelle eine Strahlungslichtquelle war, die Röntgenenergie 15 keV betrug, dass die Einfallsschlitzbreite 0,1 mm betrug, dass der Detektor ein Szintillationszähler war (ein Solar-Slit war am vorderen Träger angeordnet), dass der Messbereich eines Streuwinkels 2θ 5 bis 100° betrug, dass die Messschrittweite 0,1° betrug und dass die Integrationszeit 30 s/Schritt betrug. Die Messung wurde außerdem ausgeführt, während eine Hartkohlenstofffilm-Probe vom Basiselement abgeschält und in einem dünnen Glasrohr (Kapillare) angeordnet wurde.
  • Wie in 2 dargestellt ist, ist, weil der in der Ausführungsform ausgebildete wasserstoffhaltige DLC-Film amorph ist, die Beugungspeakintensität der Graphitkristalle in einigen Fällen relativ gering. Doch sogar in diesem Fall kann das Vorhandensein von Hauptkristallpeaks unter Verwendung des differentiellen Spektrums bestätigt werden, das in der analytischen Chemie weit verbreitet verwendet wird. 3 zeigt das differentielle Spektrum des in 2 dargestellten Spektrums des wasserstoffhaltigen DLC-Films.
  • In der Ausführungsform wurden 10 im differentiellen Spektrum erkennbare und in der Reihenfolge absteigender Intensität geordnete Peaks ausgewählt. Wenn mindestens drei Peaks davon an den Peakpositionen der Graphitkristalle angeordnet waren, wurde spezifiziert, dass der wasserstoffhaltige DLC-Film Graphitmikrokristalle enthielt. Diese Denkweise entspricht dem Hanawalt-Verfahren, das zur Röntgenbeugung allgemeiner Kristallmaterialien verwendet wird, d. h. einem Verfahren, bei dem ein Beugungsmuster auf der Grundlage von drei Peaks mit der höchsten Intensität gekennzeichnet ist.
  • Außerdem kann der Durchmesser der Graphitmikrokristalle aus der Verteilung der vorstehend erwähnten Beugungspeaks abgeschätzt werden. Konkret kann, nachdem Graphitkristallpeaks extrahiert wurden, indem das durch amorphe Abschnitte bedingte Halomuster als Hintergrund vom Röntgenstreuspektrum abgezogen wurde, der Durchmesser durch Anwendung der nachstehend beschriebenen Scherrer-Gleichung erhalten werden. 4 zeigt das Ergebnis, das durch Extrahieren der Graphitkristallpeaks des wasserstoffhaltigen DLC-Films in 2 erhalten wurde. D = (0,9 × λ)/(β × cosθ) wobei
    • D
    den Kristalldurchmesser (nm),
    λ
    die Wellenlänge von Röntgenstrahlen (nm),
    β
    die Halbwertsbreite eines Kristallpeaks (Radiant) und
    θ
    die Position eines Kristallpeaks bezeichnet.
  • 5. Bewertung des Kolbenrings
  • Als Ergebnis der Bewertung des wie vorstehend beschrieben hergestellten Kolbenrings wurde festgestellt, dass der Kolbenring für den Kolbenring erforderliche Eigenschaften geringer Reibungseigenschaften, einer hohen Abriebfestigkeit und einer geringen Aggressivität gegenüber einem Gegenelement ausreichend aufweist, sogar in dem Fall, dass der Kolbenring eine Gleitbewegung entlang einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse ausführt.
  • [Beispiele]
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher beschrieben.
  • 1. Herstellung von Kolbenringen
  • (1) Herstellung von Basiselementen (Kolbenringen)
  • Basiselemente (Kolbenringe), die aus nitriertem Edelstahl hergestellt wurden und einen Außendurchmesser von 81 mm und eine Breite von 1,2 mm aufwiesen, wurden durch Entfetten und Reinigen vorbereitet.
  • (2) Ausbildung einer Haftschicht
  • Die entfetteten und gereinigten Kolbenringe wurden auf die Kolbenringhaltevorrichtung 17 in der in 1 dargestellten Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung 1 gesetzt und dann durch Ätzen gereinigt.
  • Konkret wurde, nachdem die Plasmakammer 12 und die Filmausbildungskammer 11 auf 2 × 10–3 Pa evakuiert waren, Ar mit einer Durchflussrate von 50 cm3/min eingeleitet, und der Druck innerhalb der Entladungskammern (der Plasmakammer 12 und der Filmausbildungskammer 11) wurde auf 0,3 Pa eingestellt. Als nächstes wurde im Inneren der Plasmakammer 12 durch einen Entladungsstrom von 10 A Ar-Plasma erzeugt und in die Filmausbildungskammer 11 transportiert. Dann wurde an die Kolbenringe W durch die Pulsspannungsversorgung 14 eine Pulsspannung (Vorspannung) von –500 V angelegt, die Oberflächen der Kolbenringe W wurden mit den Ar-Ionen bestrahlt und für 10 Minuten wurde ein Reinigungsvorgang durch Ätzen ausgeführt.
  • Als nächstes wurde Ti von der Ti-Sputterquelle 16 aufgesputtert, wodurch eine Haftschicht (Unterschicht) ausgebildet wurde.
  • Konkret wurde an eine DC-Sputterquelle (in den Zeichnungen nicht dargestellt) eine elektrische Leistung von 6 kW angelegt, eine Vorspannung von –100 V wurde an die Kolbenringe (Basiselemente) angelegt und für 60 Minuten wurde bei einer Ar-Gas-Durchflussrate von 80 cm3/min und einem Druck von 0,4 Pa ein Ti-Sputterprozess ausgeführt, wodurch eine Ti-Film mit einer Dicke von 0,5 μm als eine Haftschicht ausgebildet wurde.
  • (3) Ausbildung eines DLC-Films
  • (a) Ausbildung einer Zwischenschicht
  • Als nächstes wurde durch das Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren ein Si enthaltender DLC-Film als eine Zwischenschicht auf der Haftschicht ausgebildet.
  • Konkret wurde TMS mit einer Durchflussrate von 60 cm3/min und C2H2 mit einer Durchflussrate von 150 cm3/min über eine Materialgaszuführungsöffnung eingeleitet und bei einem Druck von 0,4 Pa wurden ein Entladungsstrom von 10 A und eine Vorspannung von –500 V für 30 Minuten angelegt, um einen Film auszubilden, wodurch ein Si enthaltender DLC-Film mit einer Dicke von 0,5 μm als eine Zwischenschicht ausgebildet wurde.
  • (b) Ausbildung des DLC-Films
  • Als nächstes wurde die Filmausbildungszeit unter jeder der in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen eingestellt und ein DLC-Film mit einer Dicke von 5,0 μm wurde auf der Zwischenschicht ausgebildet. Tabelle 1
    Ar-Durchflussrate Kohlenwasserstoffgas Durchflussrate des Kohlenwasserstoffgases Druck Vorspannung
    (Einheit) (cm3/min) (cm3/min) (Pa) (V)
    Vergleichsbeispiel 40 C2H2 150 0,4 –500
    Beispiel 1 100 C2H2 150 0,1 –700
    Beispiel 2 100 CH4 150 0,1 –700
  • 2. Bewertung des DLC-Films
  • Jeder der erhaltenen DLC-Filme wurde hinsichtlich der folgenden Punkte bewertet.
  • (1) Nanoindentierungshärte
  • Die Nanoindentierungshärte wurde bei einer Messlast von 300 mgf unter Verwendung eines Identierungshärtemessgeräts (Nanoindenter ENT-1100a, hergestellt von Elionix Inc.) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
  • (2) Ramanspektroskopische Analyse
  • Das ID/IG-Verhältnis wurde auf der Basis des vorstehend erwähnten Verfahrens unter Verwendung des NRS-5100, hergestellt von JASCO Corporation, erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
  • (3) Wasserstoffgehalt
  • Der Wasserstoffgehalt in jedem DLC-Film wurde unter Verwendung der RBS-Methode gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
    Nanoindentierungshärte Ramanspektroskopische Analyse ID/IG-Flächenverhältnis Wasserstoffgehalt
    (Einheit) (GPa) (Atom-%)
    Vergleichsbeispiel 21 1,2 27
    Beispiel 1 23 1,3 24
    Beispiel 2 19 1,5 27
  • Gemäß Tabelle 2 ist bestätigt worden, dass alle im Vergleichsbeispiel und in Beispiel 1 und Beispiel 2 erhaltenen DLC-Filme einen Wasserstoffgehalt von 20 Atom-% oder mehr bis 30 Atom-% oder weniger aufwiesen, dass die DLC-Filme eine Härte im Bereich von etwa 20 GPa bis etwa 30 GPa aufweisen, und dass die DLC-Filme eine für den wasserstoffhaltigen DLC-Film typische Raman-Wellenform aufwiesen (a-C:H-Film: hydrierter amorpher Kohlenstofffilm).
  • (4) Röntgenbeugungsmessung
  • Das Röntgenbeugungsspektrum jedes DLC-Films wurde erhalten und das Vorhandensein von Graphitmikrokristallen in dem DLC-Film wurde analysiert und der Durchmesser der Kristalle wurde bestätigt.
  • Bei dieser Messung wurden zusätzlich zu den vorstehend erwähnten jeweiligen DLC-Filmen (a-C:H-Filme), die durch das Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren erhalten wurden, vier Arten von DLC-Filmen, die durch Verwendung von vom Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren verschiedene Verfahren ausgebildet wurden, genauer gesagt, ein a-C:H-Film, der durch das Sputterverfahren ausgebildet wurde, zwei Arten von a-C:H(Me)-Filmen (hydrierte amorphe Kohlenstofffilme mit hinzugefügtem Metall) und ein wasserstofffreier ta-C-Film (tetraedrischer amorpher Kohlenstofffilm), der durch ein Lichtbogenabscheidungsverfahren ausgebildet wurde, der Röntgenbeugungsmessung unterzogen, um ihre Röntgenbeugungsspektren zu erhalten, und dann wurde das Vorhandensein von Graphitmikrokristallen analysiert.
  • Zu dieser Zeit wurde für die jeweiligen DLC-Filme die Röntgenbeugungsmessung unter den Bedingungen durchgeführt, dass die Röntgenenergie 15 keV betrug, dass der Scanbereich (der Messbereich des Streuwinkels 2θ) des Detektors 5 bis 140° betrug, dass die Scanschrittweite (Messschrittweite) 0,1° betrug und dass die Integrationszeit 20 s/Schritt betrug. Die jeweiligen DLC-Filme wurden von den Kolbenringen abgeschält und in einer Kapillare angeordnet.
  • Als Ergebnis der Messung wurden Kristallpeaks nur in den DLC-Filmen gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 nachgewiesen, wodurch das Vorhandensein von Graphitkristallen bestätigt wurde. In dem anderen DLC-Film konnten dagegen keine Kristallpeaks bestätigt werden.
  • Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die Durchmesser der Graphitkristalle in den DLC-Filmen gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 im Bereich von 15 bis 100 nm lagen. Die Deformationen der Graphitmikrokristalle in den DLC-Filmen gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 lagen im Bereich von 0,4 bis 0,8%.
  • (5) Oberflächenbeobachtung
  • Als nächstes wurden die Oberflächen der Kolbenringe, auf denen die jeweiligen DLC-Filme gemäß dem Vergleichsbeispiel, Beispiel 1 und Beispiel 2 ausgebildet waren, unter Verwendung des Mikroskops VHX-1000, hergestellt von Keyence Corporation, beobachtet. 5 zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche des DLC-Films gemäß Beispiel 1, und die 6 und 7 zeigen mikroskopische Aufnahmen der Oberfläche des DLC-Films gemäß Beispiel 2.
  • Wie in den 5 bis 7 dargestellt ist, wurde festgestellt, dass charakteristische Oberflächen auf den DLC-Filmen gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 ausgebildet waren, die Graphitmikrokristalle enthielten. Konkret waren granulare Wachstumssubstanzen dispergiert, wie in der elektromikroskopischen Aufnahme von 8 dargestellt ist. Es wurde bestätigt, dass diese granularen Substanzen eine Größe von etwa 1 bis 6 μm aufwiesen und mit einer Dichte von etwa 300 bis 4000 Stück/mm2 dispergiert waren.
  • Da diese Größe etwa 10-mal so groß ist wie diejenige von Graphitmikrokristallen, gehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung davon aus, dass die granularen Substanzen unter Verwendung der Graphitmikrokristalle als Keime gewachsen sind. Die Erfinder gehen ferner davon aus, dass, weil der Durchmesser der granularen Substanzen einige Mikrometer beträgt, die granularen Substanzen häufig mit dem Gegenelement in Kontakt kommen und der Abrieb des DLC-Films unterdrückt wird.
  • 3. Bewertung der Gleiteigenschaften
  • Als nächstes wurden die Gleiteigenschaften zwischen jedem der Kolbenringe, auf denen die DLC-Filme unter den verschiedenen in Tabelle 3 dargestellten Filmausbildungsbedingungen ausgebildet waren, und einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse bewertet. Ein wasserstoffhaltiger ta-C:H-Film (hydrierter tetraedrischer amorpher Kohlenstofffilm), der durch das Lichtbogenabscheidungsverfahren ausgebildet wurde, wurde ebenfalls als ein DLC-Film ausgebildet. Außerdem wurden bei dieser Auswertung die Gleiteigenschaften zwischen einer aus Gusseisen hergestellten Hülse und einem Kolbenring, auf dem ein CrN-Film ausgebildet war, und die Gleiteigenschaften zwischen einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse und einem Kolbenring, auf dem ein CrN-Film ausgebildet war, bewertet.
  • (1) Bewertungsverfahren
  • Konkret wurde, wie in 9 dargestellt ist, ein ausgeschnittenes Hülsenstück S, das von jeder der unter den jeweiligen in Tabelle 3 dargestellten Bedingungen hergestellten Hülsen in einer flachen Plattenform ausgeschnitten wurde, entlang eines Kolbenringteststücks W' gleitend bewegt, das von jedem der Kolbenringe, auf denen Filme unter den jeweiligen in Tabelle 3 dargestellten Bedingungen ausgebildet sind, bogenförmig ausgeschnitten wurde, und die Abriebmengen des Kolbenringteststücks W' und des ausgeschnittenen Hülsenstück S wurden gemessen.
  • Die in Tabelle 3 dargestellte, aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Hülse, die aus Al-17Si-2Cu-1Mg-1Fe-0,4Mn (Gew.-%) bestand und eine Härte von Hv122 bis 125 aufwies, wurde unter Verwendung eines Druckgussverfahrens hergestellt. Es wurden die Kolbenringe aus nitriertem Edelstahl verwendet.
  • Im Gleittest wurde, wie in 9 dargestellt ist, die Gleitfläche (bogenförmige Außenumfangsfläche) des Kolbenringteststücks W' mit dem ausgeschnittenen Hülsenstück S in Kontakt gebracht und einer hin- und hergehenden Gleitbewegung unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen für eine hin- und hergehende Gleitbewegung unterzogen, und die Abriebmengen des Kolbenringteststücks W' und des ausgeschnittenen Hülsenstücks S wurden gemessen.
  • (Bedingungen für eine hin- und hergehende Gleitbewegung)
    • Schmieröl: Basisöl
    • Last: 60 N
    • Geschwindigkeit: 600 cpm
    • Dauer: 10 min
    • Temperatur: 120°C
  • (2) Ergebnis der Bewertung
  • Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Bewertung. Tabelle 3
    Hülsenmaterial Filmtyp Verfahren DLC-Typ Kolbenringabriebmenge (μm) Hülsenabriebmenge (μm)
    Aluminiumlegierung CrN Lichtbogenabscheidung - 1,40 1,88
    DLC Sputtern a-C:H enthält keine Graphitmikrokristalle 0,32 0,95
    Lichtbogenabscheidung ta-C: 1,31 4,72
    Lichtbogenabscheidung ta-C:H 1,65 2,20
    CVD a-C:H(Me) 1,49 3,20
    PIG (Vergleichsbeispiel) a-C:H enthält keine Graphitmikrokristalle 0,22 0,54
    PIG (Beispiel 1) a-C:H enthält Graphitmikrokristalle 0,06 0,51
    PIG (Beispiel 2) a-C:H enthält Graphitmikrokristalle 0,11 0,29
    Gusseisen CrN Lichtbogenabscheidung - 2,46 0,67
  • Gemäß Tabelle 3 wird zunächst für den Fall, dass die Hülse aus Gusseisen hergestellt ist, das gegenwärtig hauptsächlich als Hülsenmaterial verwendet wird (der Kolbenring ist mit CrN beschichtet) festgestellt, dass die Abriebmenge der Hülse mit 0,67 μm relativ klein ist. Für den Fall, dass das Hülsenmaterial durch eine Aluminiumlegierung ersetzt wird, tritt allerdings ein Haftungsabrieb zwischen der Aluminiumlegierung und dem Film auf dem Kolbenring auf, und es wird festgestellt, dass die Abriebmenge der Hülse nahezu auf das dreifache, d. h. auf 1,88 μm, erhöht ist.
  • Für den Fall, dass die Beschichtungsfilme auf den Kolbenringen durch kaum an einer Aluminiumlegierung anhaftende DLC-Filme ersetzt werden, wird daher, weil der ta-C-Film und der ta-C:H-Film (hydrierte tetraedrischer amorpher Kohlenstofffilm) eine wesentlich größere Härte haben als die Aluminiumlegierung, aggressiver Abrieb gefördert und die Abriebmengen der Hülsen haben nicht abgenommen, sondern zugenommen.
  • Die Abriebmenge der Hülse für den Fall des Kolbenrings, auf dem der a-C:H-Film durch das Sputterverfahren ausgebildet ist, kann kleiner gemacht werden als jene in den Fällen der Kolbenringe, auf denen der ta-C-Film und der ta-C:H-Film ausgebildet ist. Die Abriebmenge beträgt jedoch etwa das 1,5-fache der Abriebmenge der vorstehend erwähnten, aus Gusseisen hergestellten Hülse und ist immer noch groß.
  • Weil der a-C:H(Me)-Film mit hinzugefügtem Metall einen Haftungsabrieb mit Si in der Aluminiumlegierung verursacht, hat die Abriebmenge der Hülse ebenfalls zugenommen.
  • Andererseits sind in den Fällen der a-C:H-Filme (Vergleichsbeispiel, Beispiel 1 und Beispiel 2), die unter Verwendung des Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahrens ausgebildet sind, sowohl die Abriebmengen der Hülsen als auch die Abriebmengen der DLC-Filme (die Abriebmengen der Ringe) kleiner als diejenigen im Fall der aus Gusseisen hergestellten Hülse. Daher können die mit den a-C:H-Filmen beschichteten Kolbenringe vorteilhaft als Kolbenringe für die aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Hülse verwendet werden.
  • Die Abriebmenge des im Vergleichsbeispiel erhaltenen DLC-Films (die Abriebmenge des Rings) beträgt 0,2 μm, und hinsichtlich der Langzeitverwendung des Kolbenrings ist es erforderlich, ein DLC-Film mit einer Dicke von etwa 10 μm auf der Oberfläche des Kolbenrings bereitzustellen. Je dicker der Film wird, umso mehr Zeit wird für die Oberflächenbehandlung benötigt, und die Herstellungskosten des Kolbenrings steigen. Darüber hinaus wird, wenn der Film dicker wird, die Spannung in dem Film größer und die Gefahr, dass sich der Film abschält, nimmt zu.
  • Andererseits sind in Beispiel 1 und Beispiel 2, in denen Graphitmikrokristalle dispergiert sind, die Abriebmengen der Hülsen derart vermindert, dass sie kleiner oder gleich derjenigen der aus Gusseisen hergestellten Hülse sind, und die Abriebmengen der DLC-Filme (die Abriebmengen der Ringe) sind im Vergleich zu dem Fall der aus Gusseisen hergestellten Hülse ebenfalls ausreichend vermindert auf 0,06 und 0,11 μm. Im Fall der Abriebmengen der DLC-Filme im Bereich von 0,06 bis 0,11 μm beträgt die Dicke der auf den Oberflächen der Kolbenringe bereitzustellenden DLC-Filme etwa 3 bis 5 μm. Dadurch nehmen die Herstellungskosten der Kolbenringe erheblich ab und die Gefahr einer Abschälung der Filme sinkt ausreichend, anders als im Fall des vorstehend beschriebenen Vergleichsbeispiels.
  • Wie in 10 dargestellt ist, die eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche des Kolbenringteststücks W' nach dem Gleittest zeigt, finden sich nach dem Gleittest zahlreiche Dellen, die durch das Abfallen der granularen Wachstumssubstanzen erzeugt werden, die vor dem Gleitvorgang auf der Oberfläche vorhanden waren. Es wird angenommen, dass sich in dem Fall, dass der Gleitvorgang mit einem übermäßigen Oberflächendruck durchgeführt wird, die granularen Wachstumssubstanzen ablösen und die Aggressivität gegenüber und der Abrieb an dem Gegenelement unterdrückt werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend auf der Basis der Ausführungsform beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung
    11
    Filmausbildungskammer
    12
    Plasmakammer
    13
    Auslassöffnung
    14
    Pulsspannungsversorgung
    15
    Elektrode
    16
    Ti-Sputterquelle
    17
    Kolbenringhaltevorrichtung
    S
    ausgeschnittenes Hülsenstück
    W
    Kolbenring (Basiselement)
    W'
    Kolbenringteststück

Claims (10)

  1. Kolbenring, auf dessen oberster Schicht ein Hartkohlenstofffilm ausgebildet ist, wobei die oberste Schicht als eine gleitende Fläche bezüglich einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse verwendet wird, wobei der Hartkohlenstofffilm in einem Röntgenbeugungsmuster Graphitkristallpeaks aufweist.
  2. Kolbenring nach Anspruch 1, wobei der Hartkohlenstofffilm durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren ausgebildet ist.
  3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Wasserstoffgehalt des Hartkohlenstofffilms 20 Atom-% oder mehr und 30 Atom-% oder weniger beträgt, und das ID/IG-Verhältnis zwischen der Peakfläche ID des D-Bandes und der Peakfläche IG des G-Bandes im Ramanspektroskopiespektrum des Hartkohlenstofffilms 0,5 oder mehr und 2,0 oder weniger beträgt.
  4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Durchmesser der Graphitmikrokristalle 15 bis 100 nm beträgt.
  5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Metallschicht oder eine Metallnitridschicht, die im Wesentlichen ein beliebig unter Titan, Wolfram, Chrom und Silizium ausgewähltes Metall enthält, als eine Haftschicht an der unteren Schicht des Hartkohlenstofffilms ausgebildet ist, und der Hartkohlenstofffilm durch ein Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet ist.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings mit einer Gleitfläche, die entlang einer Oberfläche einer aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Hülse gleitet, wobei ein Hartkohlenstofffilm mit Graphitkristallpeaks im Röntgenbeugungsmuster auf der obersten Schicht der Gleitfläche ausgebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Hartkohlenstofffilm durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Hartkohlenstofffilm mit einem Wasserstoffgehalt von 20 Atom-% oder mehr und 30 Atom-% oder weniger und mit dem ID/IG-Verhältnis zwischen der Peakfläche ID des D-Bandes und der Peakfläche IG des G-Bandes im Ramanspektroskopiespektrum in einem Bereich von 0,5 oder mehr und 2,0 oder weniger ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Metallschicht oder eine Metallnitridschicht, die im Wesentlichen ein beliebig unter Titan, Wolfram, Chrom und Silizium ausgewähltes Metall enthält, als eine Haftschicht ausgebildet wird, bevor der Hartkohlenstofffilm ausgebildet wird, und dann der Hartkohlenstofffilm unter Verwendung eines Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahrens ausgebildet wird.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings mit: einem Haftschichtausbildungs-Schritt zum Ausbilden einer Metallschicht oder einer Metallnitridschicht, die im Wesentlichen ein beliebig unter Titan, Wolfram, Chrom und Silizium ausgewähltes Metall enthält, als eine Haftschicht auf der Oberfläche des Kolbenrings, der aus nitriertem Edelstahl, Gusseisen, Silizium-Chrom-Stahl oder Kohlenstoffstahl hergestellt ist, durch eine Sputterverfahren unter Verwendung einer Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung; und einem Hartkohlenstofffilmausbildungs-Schritt zum Ausbilden eines wasserstoffhaltigen Hartkohlenstofffilms, in dem Graphitmikrokristalle dispergiert sind, auf der Oberfläche des Kolbenrings, auf dem die Haftschicht ausgebildet worden ist, durch ein Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Verfahren durch Zuführen von Kohlenwasserstoff zur Kathoden-PIG-Plasma-CVD-Vorrichtung und durch Einstellen der Filmausbildungszeit, während eine Vorspannung angelegt ist.
DE112014006361.4T 2014-02-13 2014-02-13 Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung Withdrawn DE112014006361T5 (de)

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