DE19630149C2

DE19630149C2 - Gleitbauteil und dessen Verwendung als Kolbenring

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Publication number: DE19630149C2
Application number: DE19630149A
Authority: DE
Inventors: Toshiro Komuro
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1995-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: GB9615539D0; GB2303640A; CN1154420A; JPH0931628A; CN1068638C; DE19630149A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Gleitstruktur bzw. ein Gleitbauteil, welche bzw. welches eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Festfressen aufweist und einen Film bzw. eine Schicht aus Chromnitrid besitzt, in welchem CrN und Cr₂N die Hauptbestand teile sind, ebenso wie die Verwendung dieser Gleitstruktur bzw. dieses Gleit bauteils als einen Kolbenring.

Gleitbauteile auf welchen mittels einer Oberflächenbehandlung eine Schicht ausgebildet wird, welche ausgezeichnete Gleiteigenschaften aufweist, finden dort ihre Verwendung, wo Teile gegeneinander reiben, wie in Teilen von Automobilmotoren und Teilen verschiedenartiger Maschinen. Die bisher ver wendeten Verfahren zur Oberflächenbehandlung schließen Nitrieren, Ver chromen und Molybdän-Flammspritzen ein.

Die zunehmend härter werdenden Bedingungen, unter welchen Gleitbau teile in den letzten Jahren verwendet wurden, wurden von der Nachfrage nach Teilen mit verbesserten Gleitcharakteristiken begleitet. Es sind Situationen auf getreten, in welchen diese Nachfrage durch herkömmliche Oberflächenbehand lungen nicht länger befriedigt werden kann, und aus diesem Grund besteht eine größere Notwendigkeit für Schichten, welche eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Abrieb und Festfressen aufweisen.

Bei der Bemühung diese Anforderungen zu erfüllen, wurde kürzlich vorge schlagen, die Gleitoberfläche eines Gleitbauteils mit einer Schicht aus einem Metallnitrid oder Metallcarbid mittels PVD (physikalisches Aufdampfen) zu be decken.

Eine PVD-Schicht wie Titannitrid (TiN), Titancarbid (TiC) und Chromnitrid (CrN) zeigt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Abrieb und Festfres sen. Unter diesen haben insbesondere Titannitrid und Chromnitrid die Auf merksamkeit für eine Verwendung als praktikable Schichten auf sich gezogen, und solche Schichten werden in einigen Maschinen und Maschinenteilen ver wendet.

Jedoch werden die Bedingungen, unter welchen solche Teile verwendet werden, zunehmend rauher, und der Stand der Technik ist derart, daß sogar Titannitrid und Chromnitrid nicht mehr die notwendigen Gleitcharakteristiken aufweisen. Es treten besonders harte Gleitbedingungen auf, wenn eine Gleit bewegung von einer zur Gleitoberfläche senkrechten oszillierenden Bewegung begleitet ist, wodurch bewirkt wird, daß die kontaktierenden Oberflächen sich trennen, oder wenn sich während der Gleitbewegung die Belastung in der senk rechten Richtung ändert. Unter rauhen Bedingungen wie diesen, können harte Schichten, wie typischerweise eine durch Ionenplattieren erhaltene Schicht aus Chromnitrid, abblättern und sich abschälen, wodurch die Nutzungsdauer des Gleitbauteils verkürzt wird. Ein ähnliches Abblättern und Abschälen von harten Schichten wird sogar unter harten Schmierbedingungen beobachtet, so wenn es für einen Schmierfilm schwierig ist, sich aufgrund erhöhter Temperaturen oder gesteigerter Kontaktlast auf Gleitbereichen auszubilden. Es besteht folg lich eine Nachfrage nach einem mit einem keramischen Beschichtungsschicht bedeckten Gleitbauteil, welches eine Beständigkeit gegenüber Abblättern und eine Beständigkeit gegenüber Abschälen aufweist, welche gegenüber, durch herkömmliche Oberflächenbehandlungen erhaltene Schichten verbessert sind.

JP 62-120471 A offenbart einen Kolbenring, der zur Erhöhung der Beständigkeit gegen Abnutzung und Festfressen an der oberen, unteren und Innenoberfläche nitriergehärtet ist und an der Außenoberfläche eine Verbundschicht aufweist, die aus einer Mischphase besteht, in der Chrom und Chromnitrid gleichmäßig verteilt sind.

EP 592 310 A1 offenbart eine Gleitschicht für rotierend gelagerte Bauteile, die einen geringen Reibungskoeffizienten und eine gute Haftung auf dem Bauteil besitzt. Die Gleitschicht besteht aus einer NiMo-Matrix mit darin einge betteten Cr₃C₂-Körnern. Diese Cr₃C₂-Körner besitzen zu 90% eine Größe von 10 bis 30 µm und verleihen der relativ weichen Gleitschicht die notwendige Härte. Zusätzlich sind an der Oberfläche der Gleitschicht noch Cr₃C₂-Körner im Submikronbereich vorgesehen, um eine Trockenschmierung sicherzustellen.

DE 41 12 422 A1 offenbart einen auf einem Trägermaterial ausgebildeten abriebfesten Überzug, der ein Chromnitrid enthält. Die Stickstoffkonzentration des Überzugs nimmt von der Grenzfläche zwischen dem Trägermaterial und dem Überzug in Richtung auf die äußere Oberfläche kontinuierlich zu.

DE 44 40 051 C1, die nach dem Prioritätstag dieser Anmeldung veröffentlicht wurde, offenbart eine verschleißbeständige Beschichtung, die auf der Oberfläche eines Substrats vorgesehen ist und eine Zusammensetzung aus Chrom und Stickstoff enthält, die in demjenigen Bereich der Beschichtung, der die Oberfläche des Substrats berührt, Chromnitrid ist. Der Chromanteil dieser Beschichtung nimmt von der Oberfläche des Substrats zur Oberfläche der Beschichtung hin kontinuierlich zu.

Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mit einer Chromnitridschicht beschichtetes Gleitbauteil zur Verfügung zu stellen, welches sowohl eine zufriedenstellende Beständigkeit gegenüber Festfressen als auch gegenüber Abrieb aufweist, wobei die Beschichtungsschicht sogar unter harten Einsatz bedingungen nicht abblättert oder sich abschält.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Patentan sprüche 1 und 3.

Die Erfinder haben im Hinblick auf die Lösung der vorhergenannten Pro bleme ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt und haben die vorliegende Erfindung durch die Entdeckung vervollständigt, daß ein Gleitbauteil, welches eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Abrieb und Festfressen besitzt und welches nicht leicht abblättert oder sich abschält, erhalten wird, indem eine Gasphase aus vermischtem Chrom und Stickstoff mittels des PVD-Verfahrens in Kontakt mit einem Substrat gebracht wird, um eine Verbundschicht, deren Hauptphasen CrN und Cr₂N sind, und in welchem die metallische Chrom struktur verteilt ist bzw. diesen durchsetzt, an der Oberfläche des Substrates auszubilden, wobei zu diesem Zeitpunkt die Größe des verteilten, metallischen Chroms auf 0,2~5 µm und das Flächenverhältnis auf 1~20% einge stellt ist, was den prozentualen Anteil der Gesamtfläche der Schicht angibt, der durch das metallische Chrom besetzt ist bzw. von ihr beansprucht wird.

Insbesondere ist das Gleitbauteil der vorliegenden Erfindung durch die Bildung einer Chromnitridverbundschicht gekennzeichnet, deren Hauptbe standteile CrN und Cr₂N sind, und in welcher metallisches Chrom verteilt ist, wobei die Größe und das Flächenverhältnis der metallischen Chromstruktur zum Zeitpunkt der Schichtbildung festgelegt ist.

Aufgrund der Tatsache, daß das weiche metallische Chrom gleichmäßig in der Schicht aus Chromnitrid verteilt ist, besitzt die Schicht des Gleitbauteils der vorliegenden Erfindung eine Zähigkeit, welche gegenüber der einer Schicht verbessert ist, welche lediglich aus Chromnitrid mit einer hohen Härte besteht.

Zur Ausbildung der Schicht, in welcher die metallische Chromstruktur in der Chromnitridstruktur verteilt ist, wird zum Verdampfen des metallischen Chroms ein Ionenplattierungsverfahren verwendet, welches mit einer Vielzahl an Quellen ausgestattet ist. Durch Anpassen des Partialdruckes des Reak tionsgases und Einstellen der Abstände zwischen dem zu behandelnden Werkstück und jeder der metallischen Chromverdampfungsquellen wird die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem verdampften Chrom und dem Reakti onsgas gesteuert, um die eigentliche Schicht auszubilden. Durch Anpassen des Partialdruckes des Reaktionsstickstoffgases, der Abstände zwischen den me tallischen Chromverdampfungsquellen und dem behandelten Werkstück und des Lichtbogenstromverhältnisses, ist es möglich, sowohl die Menge und Größe des metallischen Chroms in der Schicht, als auch die Zusammen setzung des Chromnitrids einzustellen.

Die Größe des metallischen Chroms ist auf 0,2~0,25 µm begrenzt, und deren Flächenverhältnis ist auf 1~20% begrenzt. Wenn die Größe des metallischen Chroms weniger als 0,2 µm beträgt, oder das Flächenver hältnis weniger als 1% beträgt, sind die Auswirkungen des metallischen Chroms nicht besonders hervorragend, und es wird hinsichtlich der Be ständigkeit gegen Abblättern oder der Beständigkeit gegen Abschälen keine Verbesserung beobachtet. Wenn ferner die Größe des metallischen Chroms größer als 5 µm ist, liegt die metallische Chromstruktur teilweise an der Oberfläche offen, und die Scheuerfestigkeit verschlechtert sich gegenüber der Struktur, welche allein aus Chromnitrid besteht. Wenn das Flächenverhältnis größer als 20% ist, nimmt die Schichthärte ab, und die erhaltene Scheuer festigkeit und Abriebfestigkeit verschlechtert sich gegenüber der Struktur, wel che allein aus Chromnitrid besteht.

Die Gesamtdicke der Schicht ist vorzugsweise 1~80 µm, insbesondere 20~60 µm. Wenn die Schichtdicke weniger als 1 µm beträgt, wird die Lebens dauer der Schicht durch Abnutzung verkürzt. Wenn die Gesamtschichtdicke 60 µm übersteigt, löst sich andererseits die Schicht ab oder bricht, und die Haftung an dem Substrat nimmt ab. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es nicht wünschenswert, die Schicht dicker als notwendig zu machen.

Abhängig von der speziellen Anwendung wird das mit der Schicht be schichtete Substrat aus Eisenmaterialien, Aluminiummaterialien oder Titanmaterialien ausgewählt. Das unten ausführlich beschriebene PVD-Verfahren ähnelt solchen, wie sie bei niedrigeren Temperaturen, als wie die in Verfahren wie CVD (chemisches Abscheiden aus der Gasphase) verwendeten, durchge führt werden. Da jedoch die Wärmezufuhr aufgrund des Phänomens des Ver dampfens unvermeidbar ist, wird es bevorzugt, daß, falls möglich, wärmebe ständige Eisen- oder Titanmaterialien als das Substrat verwendet werden.

Das Vorausgegangene betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Chromnitridschicht mit einer verteilten metallischen Chromstruktur auf einem Substrat. Es ist jedoch gemäß der Erfindung ebenfalls zulässig, zwischen dem Film und dem Substrat eine Primärbeschichtung einzufügen. Wenn vor dem Einleiten des Stickstoffgases während des oben beschriebenen Verfahrens zur Ausbildung der Schicht ein Ionenplattieren durchgeführt wird, wird auf dem Substrat eine Primärbeschichtung aus Chrommetall ausgebildet werden. Da die Primärbeschichtung aus Chrommetall einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des Substrates besitzt und gegenüber den Auswirkungen einer thermischen Beanspruchung nicht empfindlich ist, zeigt die Primärbeschichtung eine ausgezeichnete Haftung und Flexibilität. Es wird bevorzugt, daß die Pri märbeschichtung aus Chrommetall in einer Dicke von 0,1~2 µm ausgebildet wird. Eine Primärbeschichtung mit einer Dicke von weniger als 0,1 µm wird kaum eine Verbesserung hinsichtlich der Haftung aufweisen. Eine Steigerung der Dicke auf mehr als 2 µm stellt keine angemessene Verbesserung der Haf tung zur Verfügung und ist hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit nachteilig.

Das Ausbilden einer Primärbeschichtung mit hervorragender Haftung und Flexibilität zwischen der Schicht und dem Substrat in der oben beschriebenen Weise hat den Effekt, daß das Abschälen der Schicht verhindert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie an hand der Zeichnungen, in welchen die Bezugszeichen durch alle Zeichnungen hindurch dieselben oder ähnliche Teile bezeichnen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, welche den Aufbau einer Ionenplattie rungsvorrichtung veranschaulicht;

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Aufriß, welche ein Ultrahochdruck- Abnutzungsprüfgerät veranschaulicht;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 2; und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht zur Beschreibung der wesentlichen Bauteile eines Wälz-Dauerfestigkeitsprüfgeräts.

Es wird nun ausführlich eine spezifische Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mischung aus Chrom und Stickstoff in der Gasphase mittels des PVD-Verfahrens in Kontakt mit einem Substrat gebracht. Das PVD-Verfahren ist eine Methode zur Ausbildung einer Schicht und kann grundsätzlich in drei Verfahren unterteilt werden, nämlich Ab scheiden aus der Gasphase, Sputtern und Ionenplattieren.

In der vorliegenden Erfindung ist das am meisten bevorzugte Verfahren das Reaktions-Ionenplattieren, in welchem Chromdampf mit Stickstoff umge setzt wird, um auf dem Substrat eine Schicht aus Chromnitrid abzuscheiden.

Der Chromdampf wird erhalten, indem Chrom mit einem Hochenergie strahl wie einem Elektronenstrahl aus einer HCD-Kanone bestrahlt wird, um das Chrom zu verdampfen. Chromdampf kann ebenfalls durch Emittieren von Chromteilchen aus einer Kathode erhalten werden, wie es im Anodenlichtbo genplasma-Ionenplattieren oder Sputtern durchgeführt wird.

Wenn in einer Gasphase, in welcher Stickstoff mit Chromdampf vermischt ist, ein Plasma erzeugt wird, wird das Chrom ionisiert und bildet Bindungen mit den Nitridionen aus, um Chromnitrid zu bilden. Als ein Ergebnis wird auf der Oberfläche des Substrates eine Schicht aus Chromnitrid gebildet. Obwohl die Erfindung nachfolgend unter Verwendung des Ionenplattierungsverfahrens als ein Beispiel beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung des Ionenplattierungsverfahrens beschränkt.

Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Ionenplattierungsvorrichtung. Die Vorrichtung schließt ein Vaku umgefäß 24 mit einem Einlaß 22 für Stickstoffgas und einem Auslaß 23 ein. In nerhalb des Vakuumgefäßes 24 sind ein mit der Kathode einer Lichtbogen- Stromversorgung 25 verbundenes erstes Target 26 und ein mit der Kathode ei ner Lichtbogen-Stromversorgung 27 verbundenes zweites Target 28 plaziert. Es wurde metallisches Chrom auf das erste und zweite Target gesetzt, welche so angeordnet sind, daß sie einen unterschiedlichen Abstand von einem zu be handelnden Werkstück 31 besitzen. In das Vakuumgefäß 24 wird ebenfalls ein mit einer Vorspannungsversorgung 29 verbundener Rotationstisch 30 plaziert. Das Werkstück 31 wird auf dem Rotationstisch 30 plaziert.

Es wird nun ein Verfahren zur Ausbildung der Schicht der vorliegenden Erfindung auf dem Werkstück 31 unter Verwendung dieser Ionenplattierungs vorrichtung beschrieben.

Als erstes wird das Werkstück 31 gereinigt, um an dessen Oberfläche an haftende Verunreinigung zu entfernen, man läßt das Werkstück ausreichend trocknen und gibt es dann in das Vakuumgefäß 24 der Ionenplattierungsvor richtung. Das Gefäß 24 wird dann über den Auslaß 23 evakuiert. Nachdem das Gefäß soweit evakuiert wurde, daß der Druck innerhalb des Gefäßes einen Wert von 1,3 × 10^-3~5 × 10^-3Pa erreicht, wird das Gefäß mittels einer in der Ionenplattierungsvorrichtung enthaltenen Heizung erhitzt, wodurch das Substrat dazu gebracht wird, sein inhärentes Gas abzugeben. Es wird eine Heiztemperatur von 300 ~ 500°C bevorzugt.

In dem Moment, indem der Druck innerhalb des Gefäßes unterhalb von 4 × 10^-3 Pa fällt, werden die Chromtargets als Kathoden verwendet und es wird an deren Oberfläche eine Bogenentladung erzeugt, um eine Emission von Chrom zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Vorspannung an dem Werkstück 31 angelegt, so daß die von den Kathoden emittierten Metallionen die Substratoberfläche mit einer hohen Energie bombardieren. Diese Verfahren wird "Bombardierungsreinigen" genannt, wobei Oxide von der Substratober fläche entfernt werden und die Oberfläche einer Aktivierungsbehandlung unter zogen wird. Die zu diesem Zeitpunkt angelegte Vorspannung beträgt vorzugs weise -700~-900 V.

Anschließend wird die Vorspannung erniedrigt, und es werden Chromio nen auf der Substratoberfläche abgeschieden, wobei während dieser Zeit Stickstoffgas in das Gefäß eingeleitet und zur Ionisation von Stickstoff durch das Plasma geleitet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Partialdruck von Stick stoff auf 1,3 × 10^-1~13,3 Pa eingestellt, und es wird eine Vorspannung von 0~ -100 V angelegt, um auf der Oberfläche des Substrates eine Ionenplattierungs schicht auszubilden.

Wenn die Schicht ausgebildet wird, kollidieren die verdampften Chromteil chen des ersten Targets 26 mit den Stickstoffmolekülen des Reaktionsgases mit einer relativ geringen Wahrscheinlichkeit, da das Target 26 einen kurzen Abstand von dem Werkstück 31 besitzt. Aus demselben Grund haben die Stickstoffmoleküle eine kurze Durchgangszeit durch das Plasma. Als Folge da von tritt kaum eine Ionisierung auf, und das Metall kann durch geeignete Aus wahl des Gaspartialdruckes und des vorhergenannten Abstandes, auf dem Werkstück 31 abgeschieden werden. Da der Abstand zwischen dem zweiten Target 28 und dem Werkstück 31 größer ist als der zwischen dem ersten Tar get 26 und dem Werkstück 31, sind die verdampften Chromteilchen des zwei ten Targets 28 in der Lage eine Abscheidung von Cr₂N, eine Abscheidung ei ner Schicht, welcher eine Mischung aus Cr₂N und CrN darstellt, oder eine Ab scheidung aus CrN auszubilden, abhängig von der Wahl des Partialdruckes des Gases und des Abstandes vom Werkstück 31. Mit anderen Worten, durch geeignete Wahl des Partialdruckes des Gases, des Plazierens des ersten Tar gets 26 in einem solchen Abstand, daß metallisches Chrom abgeschieden wird, und das Plazieren des zweiten Targets in einem solchen Abstand, daß Chromnitrid abgeschieden wird, ist es möglich, eine Schicht mit einer Mischzu sammensetzung, bestehend aus metallischem Chrom und Chromnitrid, aus zubilden.

Ferner ist es durch geeignetes Einstellen der Werte der durch die einzel nen Targets laufenden Lichtbogenströme und der Abstände zwischen den Tar gets und dem Werkstück möglich, das Verhältnis des Verbundstoffes aus der metallischen Chromstruktur und Chromnitridstruktur zu verändern und die Größe und das Flächenverhältnis der verteilten metallischen Chromstruktur zu steuern.

Die Vorgänge und Auswirkungen der Erfindung werden nun unter Bezug auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben.

Durch das oben beschriebene Verfahren werden auf der Oberfläche eines Probenkörpers aus SUS 440 (mit Chrom legierter martensitischer Edelstahl) verschiedene Verbundschichten aus Chromnitrid mit einer verteilten metal lischen Chromstruktur ausgebildet.

Der Abstand zwischen dem ersten Target und dem Werkstück wurde auf ungefähr 50 mm eingestellt, da die Ergebnisse der vorangegangenen Experi mente bestätigten, daß bei diesem Abstand metallisches Chrom abgeschieden wird. Es wurde ebenfalls verifiziert, daß die Größe der metallischen Chrom struktur proportional zum Lichtbogenstrom ist. Das Flächenverhältnis der me tallischen Chromstruktur kann angepaßt werden, indem das Verhältnis zwi schen den beiden Lichtbogenstromwerten eingestellt wird.

Ferner wurde der Abstand zwischen dem zweiten Target und dem Werk stück auf ungefähr 200 mm eingestellt. Die Zusammensetzung variiert abhän gig vom Partialdruck des Stickstoffs. Insbesondere Cr₂N, die Schicht aus der Cr₂N + CrN-Mischung und CrN ändern sich, wenn der Partialdruck des Stick stoffs ansteigt.

Die Zusammensetzung einer jeden Schicht wurde mittels Röntgenbeu gung gemessen, die Größe und das Flächenverhältnis der metallischen Chromstruktur wurden mittels EPMA (Electron Probe Microanalysis (Elektro nenstrahlmikroanalyse)) gemessen, und die Härte der Schicht wurde mittels eines Mikro-Vickers-Härteprüfgerätes gemessen. Tabelle 1 veranschaulicht die Bedingungen unter welchen die Proben gemäß der Erfindung hergestellt wurden, ebenso wie die Meßergebnisse.

Tabelle 1

Um Vergleichsbeispiele zu erhalten, wurden nach dem Stand der Technik gut bekannte Chromnitridschichten hergestellt und deren Eigenschaften auf die oben beschriebene Weise gemessen (Vergleichsbeispiele 1-3). Es wurden ebenfalls Vergleichsbeispiele gemessen, in welchen eine metallische Chrom zusammensetzung in der Chromnitridschicht verteilt ist, in welchen jedoch die Größe und das Flächenverhältnis der metallischen Chromzusammensetzung unpassend waren (Vergleichsbeispiele 4-6). Tabelle 2 veranschaulicht die Bedingungen, unter denen diese Kontrollproben hergestellt wurden, ebenso wie die Meßergebnisse.

Tabelle 2

Beständigkeit gegenüber Festfressen

Die Beständigkeit des Materials der vorliegenden Erfindung gegenüber Festfressen wurde bestimmt.

Es wurde ein Probenkörper 5 hergestellt, welcher aus SKD 61, JIS ((Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl) entsprechend ASTM, H-13, US-Standard) besteht. Wie in den Fig. 2 und 3 aufgeführt, wurde der Probenkörper 5 mit drei nadelförmigen Vorsprüngen 10 zur Verfügung gestellt, jede mit einer Länge von 5 mm, einer Breite von 5 mm und einer Höhe von 5 mm, gleich weit voneinander auf demselben Kreis angeordnet. Unter Verwendung dieses Probenkörpers wurden Versuchsproben hergestellt, indem auf der quadratischen 5 mm Endfläche eines jeden Vorsprunges 10 die Schicht der Erfindung mit einer Dicke von 20~30 µm ausgebildet wurde. Unter Verwendung eines Ultrahochdruck-Abnutzungsprüfgerätes wurde eine Beständigkeitsprüfung gegen Festfressen durchgeführt. Die Untersuchung wurde auf den Schichten dieser Ausführungsform und auf den Schichten der durch das oben beschriebene Verfahren gebildeten Vergleichsbeispiele durch geführt.

Es wurde ferner ein gleicher Test unter Verwendung einer Versuchsprobe durchgeführt, welche durch Ausbilden einer Verchromungsschicht (Vergleichsbeispiel 7) mit einer Dicke von 100 µm auf der quadratischen 5 mm Endfläche des Probenkörpers erhalten wurde.

Der Aufbau des Ultrahochdruck-Abnutzungsprüfgeräts und die bei der Untersuchung verwendeten Prüfbedingungen waren wie folgt:
Die Testvorrichtung ist schematisch in Fig. 2 und Fig. 3 veranschaulicht, welche eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 2 darstellt. Eine po lierte Scheibe 2 (das zugehörige Teil wird in Reibungskontakt mit den Ver suchsproben gebracht) mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Dicke von 10 mm wird abnehmbar auf einer Ständerhalterung 1 befestigt. Von der dem Probenkörper 5 gegenüberliegenden Seite wird durch eine Schmiermittel leitung 3 Schmieröl in die Mitte der Scheibe 2 geleitet. Die Anordnung ist derart, daß mittels einer nicht aufgeführten hydraulischen Vorrichtung bei einem vorherbestimmten Druck von der rechten Seite eine Druckkraft P auf die Ständerhalterung 1 angewendet wird. Ein der Scheibe 2 gegenüberliegender Rotor 4 wird mittels einer nicht aufgeführten Antriebseinheit mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit rotiert. Der Probenkörper 5 ist auf eine solche Weise am Rotor 4 befestigt, daß die quadratischen 5 mm Endflächen der Vorsprünge 10, auf welchen die Oberflächenbehandlungsschichten ausgebildet wurden, freiliegen, um gegen die Scheibe 2 als Gleitoberflächen zu gleiten.

Die vorherbestimmte Druckkraft P wird auf die Ständerhalterung 1 ange wendet, so daß die Scheibe 2 und die nadelförmigen Vorsprünge 10 auf dem Prüfkörper 5 mit einem vorherbestimmten Oberflächendruck in Kontakt ge bracht werden, und während die Gleitoberflächen mit Öl geschmiert wurden, welches mit einer vorherbestimmten Schmiermittelrate über die Schmiermittel leitung 3 zugeführt wurde, wurde der Rotor 4 rotiert. Der auf die Ständerhalte rung 1 ausgeübte Druck wird in festen Zeitintervallen stufenweise erhöht, und ein an der Ständerhalterung 1 entstandenes Drehmoment T, welches von der Reibung zwischen dem Prüfkörper 5 und der Scheibe 2 durch Rotieren des Rotors 4 herrührt, wird über eine Edelstahlfaser 6 auf eine Belastungsmeßzel le 7 ausgeübt. Jede Änderung des Drehmomentes T wird mittels eines dynami schen Dehnungsmeßfühlers 8 gemessen und mittels eines Aufzeichnungsgerä tes 9 aufgezeichnet. Eine plötzliche Zunahme des Drehmomentes T wird als Anzeichen ausgelegt, daß ein Festfressen stattfindet, und die Annehmbarkeit der Festfreßcharakteristik wird aufgrund des Kontaktflächendrucks zu einem solchen Zeitpunkt beurteilt. Das für die Scheibe 2 verwendete Material war Ei sen, insbesondere FC 250, JIS ((Grauguß mit einer Zugfestigkeit von 250 MPa) ASTM Klasse Nr. 4012, US-Standard). Die Prüfbedingungen waren wie folgt:
Reibungsgeschwindigkeit: 8 m/s
Scheibenmaterial: FC 250 (Grauguß)
Kontaktflächendruck: Nachdem ein Glätten bei einem Oberflä chendruck von 1,96 MPa (20 kgf/cm²) durchgeführt wurde, wurde der Druck um Stufen von 0,98 MPa (10 kgf/cm²) bis zum Auftreten des Festfressens erhöht. Jedes Niveau des Oberflächendruckes wurde für 3 Minuten beibehalten.
Schmiermittel: Motoröl #30
Temperatur: 80°C
Zuführrate: 250 cm³/min

Die Meßergebnisse sind in Tabelle 3 veranschaulicht.

Tabelle 3

Mit der aus FC 250 (Grauguß) hergestellten Scheibe erfuhren die Artikel der vorliegenden Erfindung ein Festfressen bei Oberflächendrücken von 27,5 bis 28,4 MPa (281 bis 290 kgf/cm²). Dies ist höher als der Wert von 24,8 MPa (253 kgf/cm²) für den verchromten Artikel des Vergleichsbeispiels und ist gleich dem Wert für die Schicht (Vergleichsbeispiel 3), welcher lediglich aus CrN besteht, welches eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Festfressen aufweist. Sogar wenn eine metallische Chromstruktur in der Schicht aus Chromnitrid verteilt ist, sind die Auswirkungen minimal, wenn die metallische Chromstruktur groß ist und ihr Flächenverhältnis groß ist (Vergleichsbeispiel 6).

Verschleißfestigkeit

Das Material der Erfindung wurde einer Korrosionsabriebprüfung mittels eines Abnutzungsprüfgerätes vom Kaken-Typ unterzogen (Dabei wird ein Probenkörper unter einer vorbestimmten Last mit einer rotierenden Trommel in Kontakt gebracht und es wird der Kontaktfläche während des Tests eine korrosive Flüssigkeit zugeführt. Der Probenkörper ist dabei an einem drehbar gelagerten Arm befestigt, an dessen äußerem Ende zur Einstellung der vorbestimmten Last ein entsprechendes Gewicht angebracht ist). Es wurden Probenkörper aus einem aus SKD-6 (Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl) bestehenden Substratmaterial hergestellt. Jeder Probenkörper hatte eine Länge von 5 mm, eine Breite von 5 mm und eine Höhe von 20 mm, wobei ein Ende zu einer gebogenen Oberfläche mit einem Radius R von 6 mm abgerundet wurde. Diese Enden der Probenkörper wurden mit den Schichten der oben beschriebenen Ausführungsform und mit den Schichten der Ver gleichsbeispiele bei einer Dicke von 20~35 µm beschichtet.

Es wurde ferner eine gleiche Prüfung unter Verwendung einer Versuchs probe durchgeführt, welche durch Ausbilden einer Verchromungsschicht (Vergleichsbeispiel 7) mit einer Dicke von 100 µm auf dem abgerundeten Ende des oben erwähnten Probenkörpers erhalten wurde.

Bei der Prüfung wurde das oberflächenbehandelte abgerundete Ende der Versuchsprobe auf eine solche Weise gegen den äußeren Randbereich eines zugehörigen trommelförmigen Teiles gedrückt, daß die gebogene Oberfläche des zugehörigen trommelförmigen Teiles und die gebogene Oberfläche der Versuchsprobe in einen linearen Kontakt gebracht wurden, es wurde eine vor herbestimmte Belastung aufgebracht, und das zugehörige trommelförmige Teil wurde mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit rotiert. Es wurde eine Schmierung durchgeführt, in dem eine bestimmte Menge einer wäßrigen Lö sung an Schwefelsäure, eingestellt auf einen pH von 2, auf die Kontaktbereiche getropft wurde, wodurch eine saure Atmosphäre erzeugt wurde. Die Prüfungsbedingungen waren wie folgt:
Trommelmaterial: FC 250 (Grauguß)
Reibungsgeschwindigkeit: 0,25 m/s
Reibungszeit: 6 h
Kontaktlast: 39,2 N (4 kg)
Atmosphäre: eine wäßrige Lösung an Schwefelsäure, eingestellt auf einen pH von 2, aufgetropft auf die Gleitbe reiche mit einer Rate von 1,5 cm³/min.

Die Meßergebnisse des Ausmaßes an Schichtabrieb sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4

Die Ergebnisse werden als relative Werte angegeben, wobei das Ausmaß an Abnutzung der Verchromungsschicht als 100 genommen wird.

Die Artikel gemäß der vorliegenden Erfindung reduzieren das Ausmaß des Abriebs auf 1/20 bis 1/25 des Abriebs von den verchromten Artikeln der Vergleichsbeispiele. Das von den Artikeln der vorliegenden Erfindung an den Tag gelegte Ausmaß an Abrieb ist gleich dem der Schicht (Vergleichs beispiel 3), welcher lediglich aus CrN besteht, dessen Verschleißfestigkeit hervorragend ist. Sogar wenn eine metallische Chromstruktur in der Schicht aus Chromnitrid verteilt ist, sind die Auswirkungen minimal, wenn die metal lische Chromstruktur groß ist und deren Flächenverhältnis groß ist (Vergleichsbeispiel 6).

Haftfestigkeit

Die Haftfestigkeit von dem mit der Schicht beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung wurde mittels eines Wälz-Dauerfestigkeitsprüfge räts (Walzen-Belastungs-Prüfgerätes (roller pitching tester)), welches einen Schlupf verwendet, bestimmt. Das Substratmaterial des Prüfkörpers war ein Material, welches durch Karburieren von SCM 420, JIS (Chrommolybdänstahl) erhalten wird, und hatte die Form einer Walze mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Länge von 28 mm. Auf die äußere Umfangsfläche solcher Walzen wurden Schichten gemäß der Erfindung und Schichten gemäß den Vergleichsbeispielen in einer Dicke von ungefähr 50 µm aufgebracht. Durch Anpassen der Beschichtungszeit wurden die Dicken der verschiedenen Schichten einheitlich gemacht.

Der Aufbau des Belastungs-Prüfgerätes (pitching testers) und die in der Untersuchung verwendeten Prüfbedingungen waren wie folgt:
Die Prüfvorrichtung ist schematisch in Fig. 4 veranschaulicht. Die Vorrich tung beinhaltet eine Prüfwalze 11 auf welcher ein Prüfkörper 13 mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Länge von 28 mm befestigt ist, und eine gegenüber der Prüfwalze 11 angeordnete Belastungswalze 12. Sie ist so ange ordnet, daß eine Druckkraft mit einem vorherbestimmten Druck angewendet wird. Die Prüfwalze 11 wird mittels einer nicht aufgeführten Antriebseinheit mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit rotiert. Auf der äußeren Umfangsflä che des Probenkörpers 13 ist eine Oberflächenbehandlungsschicht ausgebil det. Die Belastungswalze 12 hat einen Durchmesser von 130 mm und eine Länge von 18 mm, und deren äußerer Umfangsbereich ist auf einen Radius von 300 mm abgerundet, so daß die Belastungswalze 12 und der Prüfkörper 13 bei einer mikroskopischen Betrachtung in einem punktuellen Kontakt kommen. Die Anordnung ist derart, daß eine große Druckkraft angewendet wird. Ferner läuft die Belastungswalze 12 der Prüfwalze 11 über Zahnräder (nicht aufge führt) nach und rotiert unter einem Schlupf relativ zu der Prüfwalze 11. Der Schlupf-Faktor wird durch (U13 - U12)/U13 dargestellt, wobei U13 die Umfangs geschwindigkeit des Prüfkörpers und U12 die Umfangsgeschwindigkeit der Belastungswalze bezeichnen. Der Schlupf-Faktor kann nach Belieben festge legt werden. Durch eine Schmiermittelleitung, welche nicht aufgeführt ist, wird Schmieröl in die Kontaktbereiche der Belastungswalze 12 und des Prüfkör pers 13 eingeleitet.

Auf dem Prüfkörper 13 wird eine vorherbestimmte Druckkraft angewendet, so daß der Prüfkörper 13 und die Kontaktwalze 12 bei einem vorherbestimmten Oberflächendruck in Kontakt miteinander gebracht werden, die Belastungswal ze 12 wird rotiert, während die Kontaktbereiche mit Öl geschmiert werden, wel ches mit einer vorherbestimmten Schmierrate zugeführt wird, und die Bela stungswalze 12 wird mit einem vorherbestimmten Schlupf-Faktor rotiert.

Die Oberfläche des Prüfkörpers wurde periodisch während der Prüfung sehr sorgfältig beobachtet, und die Annehmbarkeit der Haftfestigkeit wurde aus der Gesamtsumme an Umdrehungen bis zum Auftreten von abplatzendem Ablösen an der Oberfläche des Prüfkörpers beurteilt. Die als das zugehörige Teil dienende Belastungswalze 12 wurde aus FC 250 (Grauguß) hergestellt. Die Prüfungsbedingungen waren wie folgt:
Oberflächendruck (Hertz'sche Belastung): 1568 MPa (160 kgf/mm²)
Umfangsgeschwindigkeit des Prüfkörpers: 82 m/s
Schlupf-Faktor: 20%
Verwendetes Öl: #30 (Grundöl)
Öldurchflußmenge: 1200 cm³/min
Öltemperatur: 80°C

Die Meßergebnisse sind in Tabelle 5 veranschaulicht.

Tabelle 5

Die gemäß der Erfindung hergestellten Artikel zeigen eine Haftbeständig keit, welche weit besser ist als die des harten Chromnitrids der Vergleichsbei spiele. Die Vergleichsbeispiele 4 und 5 zeigen an, daß sogar wenn die metalli sche Chromstruktur in der Schicht aus Chromnitrid verteilt ist, eine Neigung zum Ablösen auftritt, wenn die Strukturgröße zu gering ist oder das Oberflä chenverhältnis zu gering ist.

Wie oben beschrieben stellt somit die vorliegende Erfindung ein Gleitbau teil zur Verfügung, welches in Bezug auf die Beständigkeit gegenüber Abnut zung und Festfressen hochwertiger ist als die herkömmlichen verwendeten harten Schichten, und bei welchen ein Abblättern und Ablösen nicht leicht statt findet, durch Ausbildung einer Verbundschicht mittels des PVD-Verfahrens auf der Oberfläche eines Substrates, wobei die Hauptphasen oder Zusammenset zungen der Schicht CrN und Cr₂N sind und eine verteilte metallische Chrom struktur beinhalten. Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung des Gleitbauteils zur Verfügung.

Das durch die Erfindung zur Verfügung gestellte Gleitbauteil ist gut geeig net für die Verwendung in Gleitteilen, deren Beispiele Maschinenteile wie Kol benringe und Nockenstössel, und Kompressorenteile wie Gleitschuhscheiben (shoe disks) sind. Das Gleitbauteil findet ebenfalls Verwendung in verschieden artigen Schneidewerkzeugen.

Claims

1. Gleitbauteil, umfassend
eine Schicht mit einer Zusammensetzung aus metalli schem Chrom und Chromnitrid, welches aus CrN oder Cr₂N und einer Mischung daraus zusammengesetzt ist, und
ein Substrat, welches mit der Schicht beschichtet ist,
wobei das metallische Chrom in der Schicht verteilt ist und eine Größe von 0,2 bis 5 µm aufweist, und der An teil des metallischen Chroms an der Gesamtfläche 1 bis 20% beträgt.

2. Gleitbauteil gemäß Anspruch 1, wobei eine Primärschicht aus Chrommetall zwischen der Schicht und dem Substrat angeordnet ist.

3. Verwendung eines Gleitbauteils gemäß Anspruch 1 oder 2 als Kolbenring.