DE19940064A1

DE19940064A1 - Gleitelement

Info

Publication number: DE19940064A1
Application number: DE19940064A
Authority: DE
Inventors: Katsuaki Ogawa; Keiichi Kanemitsu
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JP3824199B2; JP2000136875A; DE19940064C2; US6494461B1

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

Gebiet der Erfindung

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.

Hintergrund der Erfindung

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.

Zusammenfassung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Figuren

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.

Detaillierte Beschreibung der dargestellten Ausführungen

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.

Beispiele von Ausgestaltungen

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.

Tabelle 1

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.

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.

Abwetztest

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.

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.

Ablösetest

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

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.