DE19940064A1 - Gleitelement - Google Patents
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Abstract
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes Gleitelement zur Verfügung gestellt, welches eine Gleitoberfläche und eine Beschichtungslage hat, welche auf der Gleitoberfläche mittels einer Ionenplatierungsmethode gebildet wird, wobei die Beschichtungslage im wesentlichen aus Chromnitrid, enthaltend CrN, besteht. Die Verbesserung umfaßt das CrN des Chromnitrides, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene (111) hat, wobei die Beschichtungslage Bor enthält, in einem Gehaltverhältnis nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes Gleitelement zur Verfügung gestellt, das eine Gleitoberfläche und eine Beschichtungslage hat, die auf der Gleitoberfläche mittels einer Ionenplatierungsmthode gebildet ist, wobei die Beschichtungslage im wesentlichen aus Chromnitrid besteht, enthaltend CrN. Die Verbesserung umfaßt das CrN des Chromnitrides, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene (111) hat, wobei die Beschichtungslage Bor enthält in einem Gehaltverhältnis von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent, und entweder eines oder beides von Sauerstoff und Kohlenstoff in einem Gehaltverhältnis von entweder einem von Sauerstoff und Kohlenstoff, oder einem Gesamtgehaltverhältnis von beidem, Sauerstoff und Kohlenstoff, von nicht mehr als 15 Gewichtsprozent hat. Mit einem verbesserten Gleitelement, wie es bei obiger Anordnung ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, so wie beispielsweise einen
Kolbenring zur Benutzung in Verbrennungskraftmaschinen, wobei das
Gleitelement eine ionenplatierte Beschichtungslage, oder Film, aus Chromnitrid
aufweist, welcher auf der Gleitoberfläche aufgebracht ist.
Für ein Gleitelement, wie beispielsweise einem Kolbenring zur Benutzung in
Verbrennungskraftmaschinen, ist eine Technik zur Erhöhung des
Abrasionswiderstandes von diesem in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
(JP-A) 8-296030 (1996) bekannt gemacht worden, bei der eine Erhöhung
ermöglicht wurde durch Aufbringung einer ionenplatierten Beschichtungslage von
CrN, ebenfalls enthaltend Cr2N, auf dessen äußeren Umfangsgleitoberfläche
mittels einer physikalischen Dampfbeschichtungsmethode (PVD).
Es sind zwei Arten von ionenplatierten Beschichtungslagen im Stand der Technik
bekannt, welche im wesentlichen aus Chromnitrid bestehen, enthaltend Cr2N und
CrN, d. h., eine Art von Beschichtungslage hat CrN des Chromnitrids, welches
eine bevorzugte Orientierung der Ebene {111} hat, und die andere Art hat CrN
des Chromnitrids, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat.
Eine Beschichtungslage von CrN, welche die bevorzugte Orientierung der Ebene
{111} hat, ist überlegen in Bezug auf Abrasionswiderstand sowie
Abwetzwiderstand, jedoch, aufgrund des Vorhandenseins von innerer hoher
Spannungen ist sie unterlegen in bezug auf einen Ablösewiderstand und zu einer
Beschichtungslage aus CrN, welche die bevorzugte Orientierung {100} hat. Im
Gegensatz dazu, oder invers dazu, ist eine Beschichtungslage aus CrN, welches
die bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, unterlegen in bezug auf
Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand, jedoch, aufgrund dessen Porosität,
welche einfach kontrollierbar ist, überlegen in bezug auf Ablösewiderstand
gegenüber einer Beschichtungslage aus CrN, welche die bevorzugte Orientierung
der Ebene {111} hat.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gleitelement zu
schaffen, welches eine ionenplatierte Beschichtungslage aufweist, welche im
wesentlichen aus Chromnitrid besteht, das Cr2N und CrN enthält, das einen
Ablösewiderstand in erhöhter Weise, oder verbessert hat, während der
ausgezeichnete Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand einer
Beschichtungslage aus CrN, welche die bevorzugte Orientierung der Ebene {111}
hat, aufrecht erhalten wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes
Gleitelement zur Verfügung gestellt, das eine Gleitoberfläche und eine
Beschichtungslage hat, die auf der Gleitoberfläche mittels einer
Ionenplatierungsmethode aufgebracht ist, wobei die Beschichtungslage im
wesentlichen aus Chromnitrid, enthaltend CrN, besteht. Die Verbesserung umfaßt
das CrN des Chromnitrides, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene
{111} hat, wobei die Beschichtungslage Bor in einem Gehaltanteil von nicht
weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent enthält.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein
verbessertes Gleitelement zur Verfügung gestellt, welches eine Gleitoberfläche
und eine Beschichtungslage hat, die auf der Gleitoberfläche mittels einer
ionenplatierten Methode ausgebildet ist, wobei die Beschichtungslage im
wesentlichen aus Chromnitrid, enthaltend CrN, besteht. Die Verbesserung enthält
das CrN des Chromnitrides, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene
{111} hat, wobei die Beschichtungslage Bor mit einem Gehaltanteil von nicht
weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent enthält, und wobei dieses
eines oder beides an Sauerstoff und Kohlenstoff mit einem Gehaltsverhältnis von
einem von Sauerstoff und Kohlenstoff oder einem Gesamtgehaltsverhältnis von
beidem, Sauerstoff und Kohlenstoff, von nicht mehr als 15 Gewichtsprozent hat.
Mit einem verbesserten Gleitelement, wie es durch oben beschriebene Anordnung
erzielt wird, gemäß der vorliegenden Erfindung, wird ein erhöhter
Ablösewiderstand erzielt, welcher besser ist als derjenige von herkömmlichen
Gleitelementen, die eine ionenplatierte Beschichtungslage haben, die kein Bor
enthält, mit CrN, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene {111} hat,
während der Abrasionswiderstand und der Abwetzwiderstand so ausgezeichnet
bleiben wie bei herkömmlichen Gleitelementen, die eine ionenplatierte
Beschichtungslage haben, die kein Bor enthalten, mit CrN, welches die
bevorzugte Orientierung der Ebene {111} hat.
Der Grund, daß Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand der
Beschichtungslage durch Zugabe von Bor erhöht sind, mag darin beschrieben
sein, daß Bor in Betracht gezogen wird, eine höhere freie
Zusammensetzungsenergie in Chrom als andere Elemente, wie Kohlenstoff,
Sauerstoff und Stickstoff in Chrom haben, und daher es für Bor sehr schwer ist,
Boride zu bilden und dahin tendiert, feste Verbindungen, entweder in Chrom oder
Chromnitrid gemäß CrxN zu bilden, wobei eine größere Auswirkung auf eine
Verstärkung der Basis der Beschichtungslage produziert wird, resultierend in
einem erhöhten Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand.
Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die die Ergebnisse eines Abrasionstestes
in Form von Abrasionsindizes zeigt;
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Resultate eines Abwetztestes in
Form von Abwetzindizes zeigt;
Fig. 3 ist eine schematische Zeichnung, die eine Testvorrichtung zeigt, die in
einem Ablösetest benutzt wird; und
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die das Resultat eines Ablösetestes in
Form von Ablöseindizes zeigt.
Ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann ausgeführt sein durch
Aufweisen einer ionenplatierten Beschichtungslage, oder Film, welche auf dessen
äußerer Umfangsgleitoberfläche gebildet ist, gebildet aus Chromnitrid, welches
Bor enthält, mittels einer ionenplatierten Methode, in Stickstoffatmosphäre, wobei
eine Chromborlegierung (Cr-B) als das Ziel der ionenplatierten Methode
verwendet wird. Das Chromnitrid der Beschichtungslage ist im wesentlichen aus
CrN gebildet, auf diese Weise auch Cr2N enthaltend, wobei das CrN eine
bevorzugte Orientierung der Ebene {111} hat. Der Gehalt an Bor in der
Beschichtungslage ist eingestellt, um in einen Bereich von 0,05 bis 20
Gewichtsprozent zu sein mittels einer Einstellung der Zusammenstellung der Cr-B
Legierung. Der Bereich des Borgehaltes ist so definiert, daß, wenn der Borgehalt
in der Beschichtungslage geringer als 0,05 Gewichtsprozent ist, dann der
Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand der Beschichtungslage nicht
verbessert wird und da, wenn der Borgehalt in der Beschichtungslage 20
Gewichtsprozent übersteigt, dann der Ablösewiderstand der Beschichtungslage
merklich abgesunken ist.
An Stelle von Stickstoffgas als Ionenplatierungsatmosphäre kann auch eine
andere Atmosphäre zur Ionenplatierung eingesetzt werden, die aus einer Gruppe
von Mischgas aus Stickstoff und Kohlenwasserstoff, und einem Mischgas aus
Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenwasserstoff, gewählt wird, was bei der
Beschichtungslage dazu führen kann, daß diese entweder eines oder beides an
Sauerstoff und Kohlenstoff enthält. In diesem Falle ist der Gehalt von entweder
einem oder beiden an Sauerstoff und Kohlenstoff in der Beschichtungslage so
eingestellt, daß dieses nicht mehr als 15 Gewichtsprozent beträgt. Der Bereich ist
so definiert, da, wenn der Gehalt von entweder einem oder beiden an Sauerstoff
und Kohlenstoff in der Beschichtungslage 15 Gewichtsprozent übersteigt, dann
der Ablöswiderstand in der Beschichtungslage merklich abgesunken ist.
Vorteilhafte Charakteristika von Gleitelementen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden hier nachfolgend im Detail näher diskutiert, wobei Beispiele
von Ausgestaltungen oder erfinderischer Musterproben und der vorliegenden
Erfindung (Nummern 2-4, 6-8, 10-12 und 14) im Vergleich mit
Vergleichsmusterproben (Nummern 5, 9 und 13) und einer konventionellen
Musterprobe (Nummer 1) in bezug auf verschiedene Tests ausgeführt werden,
welche bei diesen Musterproben eingesetzt wurden.
Unter Nutzung einer Ionenplatierungsvorrichtung wurden 14 Arten an
Beschichtungslagen, oder Filmen, auf den jeweiligen Basismaterialien desselben
Kolbenringgußeisens aufgebracht, um Musterproben für die Tests zu erhalten.
Während dieser Zeit sind diese Spezifizierungen mit einer ausgerichteten
Spannung von -50 Volt beaufschlagt worden. Die Beschichtungslage von allen
Musterproben wurden im wesentlichen aus Chromnitrid gebildet, enthaltend CrN,
wobei das CrN eine bevorzugte Ausrichtung der Ebene {100} hat.
Für die Proben (Nummern 2-14) wurde die Beschichtungslage so angeordnet, um
entweder Bor, Bor und Sauerstoff, Bor und Kohlenstoff, oder Bor, Sauerstoff und
Kohlenstoff zu enthalten, wobei der Borgehalt und die Gehalte von Sauerstoff und
Kohlenstoff in den Musterprobenlagen eingestellt worden sind, indem die
Zusammenstellung von Cr-B Legierung in dem Ziel, und bzw. die Gehalte von
Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff in dem Atmosphärengas variiert wurden.
Die Vergleichsmusterproben (Nummern 5, 9 und 13) wurden alle so arrangiert,
daß sie ein Gehaltsverhältnis von Bor und einem oder beidem von Sauerstoff und
Kohlenstoff haben, welches außerhalb des Bereiches liegt, welches durch die
vorliegende Erfindung definiert ist. Die herkömmliche Musterprobe (Nummer 1)
wurde so hergestellt, daß sie kein Bor enthält. Die Kategorie sowie die
Gehaltsverhältnisse von anderen als Chromnitrid von jeder Probe sind in Tabelle 1
unten angegeben, wobei herkömml., erfind. und Vergl. bedeuten herkömmlich,
erfindungsgemäß bzw. Vergleichsproben.
Für den Test wurde Schmieröl in einem Vorratsbehälter einer Testmaschine (nicht
dargestellt) gehalten. Ein scheibenähnliches Gegenstückmaterialteil wurde
teilweise in das Öl getaucht und wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit
rotiert. Unter dieser Bedingung wurde jede Probe mit einer Last gegen die äußere
Umfangsoberfläche des Gegenstückmaterialteiles gedrückt, und nach einer
bestimmten Zeitdauer wurde die Höhe der Abrasion gemessen.
Die Testbedingungen waren die folgenden:
Testmaschine: Amsler Abrasion Tester,
Gegenstückmaterial: FC25,
Schmieröl: Lageröl,
Öltemperatur: 80°C,
Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s,
Last: 150 kg, und
Zeit: 7 Stunden.
Testmaschine: Amsler Abrasion Tester,
Gegenstückmaterial: FC25,
Schmieröl: Lageröl,
Öltemperatur: 80°C,
Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s,
Last: 150 kg, und
Zeit: 7 Stunden.
Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die die Resultate des Abrasionstestes in
Form von Abrasionsindizes zeigt, wobei die Abrasionsindizes auf einer Basis
erzielt worden sind, bei der die Abrasionshöhe der herkömmlichen Musterproben
(Nr. 1) als ein Referenzindex von 100 verwendet wurde.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, haben die erfindungsgemäßen und
Vergleichsmusterproben (Nummern 2-14), die Bor enthalten, erhöhten oder
gesteigerten Abrasionswiderstand verglichen mit der herkömmliche Musterprobe
(Nr. 1), die kein Bor enthält.
Für den Test wurde Schmieröl in einem Vorratsbehälter der Testmaschine (nicht
dargestellt) gehalten. Ein scheibenähnliches Gegenstückmaterialteil wurde
teilweise in das Öl getaucht und wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit
rotiert. Unter dieser Bedingung wurde jede Probe mit einer Last gegen die äußere
Umfangsoberfläche des Gegenstückmaterialteiles gepreßt, und die Last wurde
periodisch graduell gesteigert, bis ein Abwetzen auftauchte, wobei die Last als
eine kritische Last, die ein Abwetzen verursachte, gemessen wurde.
Die Testbedingungen waren die folgenden:
Testmaschine: Amsler Abrasion Tester
Gegenstückmaterial: FC25,
Schmieröl: Nr. 2 Spindelöl, und
Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s.
Testmaschine: Amsler Abrasion Tester
Gegenstückmaterial: FC25,
Schmieröl: Nr. 2 Spindelöl, und
Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Resultate des Abwetztestes in Form
von Abwetzindizes zeigt, wobei die Abwetzindizes auf der Basis erzielt wurden,
daß die kritische Last der gewöhnlichen Musterprobe (Nr. 1) als ein
Referenzindex von 100 bestimmt wurde.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, haben die erfindungsgemäßen und
Vergleichsmusterproben (Nr. 2-14), die Bor enthalten, einen vergrößerten
Abwetzwiderstand, verglichen mit der gewöhnlichen Musterprobe (Nr. 1), die
kein Bor enthält.
Ein Ablösetest wurde durchgeführt, bei dem eine Aufschlag-Testmaschine, wie in
Fig. 3 dargestellt, benutzt wurde. Wie in Fig. 3 mittels eines Pfeiles dargestellt,
wird ein Einrücker 4 mittels einer Feder 3 energetisiert, dann veranlaßt, auf der
Oberfläche der Beschichtungslage 2, oder Film, einer Probe aufzuschlagen, die
auf einem Unterstützungsblock 1 plaziert ist. Mit einer Aufschlagenergie von 43,1
mJ (4,4 Kgfmm) bei jedem Aufschlag wurden Aufschläge wiederholt ausgeführt,
bis eine Ablösung auftrat, wobei die Anzahl von ausgeführten Aufschlägen
gemessen wurde. Die Ablösungserscheinung wurde bestimmt durch Beobachtung
der Lagenoberfläche, vergrößert mit einem Faktor von 15.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die die Resultate des Ablösetestes in Form
von Ablöseindizes zeigt, wobei die Ablöseindizes auf einer Basis erzielt wurden,
bei der die Anzahl von ausgeübten Aufschlägen auf einer gewöhnlichen
Musterprobe (Nr. 1) bis Ablösung auftrat als ein Referenzindex von 100 bestimmt
wurde.
Wie in Fig. 4 gezeigt, haben die erfindungsgemäßen Musterproben (Nr. 2-4, 6-8,
10-12 und 14) einen verbesserten Ablösewiderstand in Form von Ablöseindizes
von diesem, d. h. 100 der herkömmlichen Musterproben (Nr. 1), so daß gesagt
werden kann, daß der Ablösewiderstand von den erfindungsgemäßen Proben im
wesentlichen derselbe ist wie der der herkömmlichen Musterproben (Nr. 1). Im
Gegensatz dazu, wie auch in Fig. 4 gezeigt, haben die herkömmlichen
Musterproben (Nr. 5, 9 und 13) einen abgesenkten Ablösewiderstand in Form von
Ablöseindizes gegenüber demjenigen der herkömmlichen Musterproben (Nr. 1).
Wie oben beschrieben, ist ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung ein
verbessertes Gleitelement, wenn es eine ionenplatierte Beschichtungslage, oder
Film, hat, im wesentlichen aufgebaut aus Chromnitird, enthaltend CrN, mit einer
bevorzugten Orientierung der Ebene {111}, wobei die Beschichtungslage Bor in
einem Gehaltsverhältnis von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20
Gewichtsprozent enthält, und die Beschichtungslage ebenfalls entweder eines
oder beides an Sauerstoff oder Kohlenstoff mit einem Gehaltsverhältnis von
entweder einem aus Sauerstoff oder Stickstoff, oder einem
Gesamtgehaltsverhältnis von beidem, Sauerstoff und Stickstoff von nicht mehr als
15 Gewichtsprozent enthält. Auf diese Weise hat ein verbessertes Gleitelement
gemäß der vorliegenden Erfindung darin einen Vorteil, daß die ionenplatierte
Beschichtungslage, oder Film davon, mit dem CrN, welches eine bevorzugte
Orientierung der Ebene {111} hat, einen erhöhten Ablösewiderstand, erhöhten
Abrasionswiderstand und erhöhten Abwetzwiderstand hat, im Vergleich mit
herkömmlichen Beschichtungslagen, die kein Bor enthalten, mit dem CrN,
welches die bevorzugte Orientierung der Ebene {111} haben, während im
wesentlichen dieselbe Höhe an Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand
aufrechterhalten bleibt wie diejenigen von herkömmlichen Beschichtungslagen,
die kein Bor enthalten, mit dem CrN aufweisend, welches die bevorzugte
Orientierung der Ebene {111} hat.
Claims (2)
1. Ein verbessertes Gleitelement, welches eine Gleitoberfläche und eine
Beschichtungslage aufweist, die auf der Gleitoberfläche durch eine
Ionenplatierungsmethode aufgebracht ist, wobei die Beschichtungslage sich
im wesentlichen zusammensetzt aus Chromnitrid, enthaltend CrN, wobei
die Verbesserung aufweist: daß das CrN des Chromnitrides eine bevorzugte
Orientierung einer Ebene {111} hat, und daß die Beschichtungslage Bor mit
einem Gehalt von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20
Gewichtsprozent enthält.
2. Ein verbessertes Gleitelement, welches eine Gleitoberfläche und eine
Beschichtungslage aufweist, wobei die Beschichtungslage auf der
Gleitoberfläche mittels einer Ionenplatierungsmethode aufgebracht ist,
wobei die Beschichtungslage im wesentlichen aus Chromnitrid besteht,
enthaltend CrN, wobei die Verbesserung aufweist: daß das CrN des
Chromnitrides eine bevorzugte Orientierung einer Ebene {111} hat, und daß
die Beschichtungslage Bor mit einem Gehalt von nicht weniger als 0,05 und
nicht mehr als 20 Gewichtsprozent enthält, und wobei von Sauerstoff und
Kohlenstoff entweder eines oder beides entweder einen Gehalt von einem
aus Sauerstoff und Kohlenstoff oder einen Gesamtgehalt an beiden,
Sauerstoff wie Kohlenstoff, hat, welcher nicht mehr als 15 Gewichtsprozent
beträgt.
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