DE19940065C2

DE19940065C2 - Gleitelement

Info

Publication number: DE19940065C2
Application number: DE19940065A
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: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JP2000144391A; DE19940065A1; US6232003B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, so wie beispielsweise einen Kolbenring zur Benutzung in Verbrennungskraftmaschinen, wobei das Gleitele ment eine ionenplattierte Beschichtung oder einen Film aus Chromnitrid aufweist, welche 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 Abrasionswi derstandes von diesem in der japanischen Patentoffenlegungsschrift (JP-A) 8- 296030 (1996) bekannt gemacht worden, bei der eine Erhöhung ermöglicht wurde durch Aufbringung einer ionenplattierten Beschichtung von CrN, ebenfalls ent haltend Cr₂N, auf deren äußeren Umfangsgleitoberfläche mittels einer physikali schen Dampfbeschichtungsmethode (PVD).

Es sind zwei Arten von ionenplattierten Beschichtungen im Stand der Technik bekannt, welche im Wesentlichen aus Chromnitrid bestehen, enthaltend Cr₂N und CrN, d. h. eine Art von Beschichtung CrN des Chromnitrids, welche eine bevor zugte Orientierung der Ebene {111} hat, und die andere Art hat CrN des Chrom nitrids, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat. Eine Be schichtung von CrN, welche die bevorzugte Orientierung der Ebene {111} hat, ist überlegen in Bezug auf Abrasionswiderstand sowie Abwetzwiderstand, jedoch, auf Grund des Vorhandenseins von inneren hohen Spannungen ist sie unterlegen in Bezug auf einen Ablösewiderstand und zu einer Beschichtung aus CrN, welche die bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat. Im Gegensatz dazu, oder invers dazu, ist eine Beschichtung aus CrN, welche die bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, unterlegen in Bezug auf Abrasionswiderstand und Abwetzwi derstand, jedoch, auf Grund dessen Porosität, welche einfach kontrollierbar ist, überlegen in Bezug auf Ablösewiderstand gegenüber einer Beschichtung aus CrN, welche die bevorzugte Orientierung der Ebene {111} hat.

In JP 06-248425 A ist ein Kolbenring mit einer Gleitschicht aus Chromnitrid be schrieben. Das Chromnitrid weist eine Zusammensetzung auf, welche CrN und/oder Cr₂N mit einer bevorzugten (111-)Textur umfasst.

Aus EP 0 702 097 A1 ist ebenfalls eine Gleitschicht bekannt, welche aus CrN und/oder Cr₂N zusammengesetzt sein kann, wobei die Kristalle der Beschichtung eine bevorzugte (111-)Textur aufweisen.

In DE 44 19 713 C2 wird ein Gleitelement aus Stahl oder Gusseisen mit einer auf mindestens einer Gleitfläche abgelagerten Zwischenschicht beschrieben, auf der wiederum eine harte Deckschicht abgelagert ist. Die Zwischenschicht umfasst Cr₂N, CrN, Cr-Cr₂N oder Cr₂N-CrN und weist einen Sauerstoffgehalt von 3 bis 20 Gew.-% als feste Lösung in der Kristallstruktur auf.

Im US-Patent Nr. 5,449,547 ist eine aus CrN bestehende Gleitschicht für die Um fangsoberfläche eines Kolbenrings beschrieben, welche 3 bis 20 Gew.-% Sauer stoff und/oder 2 bis 11 Gew.-% Kohlenstoff enthält.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gleitelement zu schaf fen, welches eine ionenplattierte Beschichtung aufweist, welche im Wesentlichen aus Chromnitrid besteht, das Cr₂N und CrN enthält, das einen verbesserten er höhten Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand hat, während der ausgezeichnete Abstreifwiderstandsgrad einer Beschichtung aus CrN, welche die bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, aufrechterhalten wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Gleitelement mit den Merkmalen ge mäß Anspruch 1 sowie durch ein Gleitelement mit den Merkmalen gemäß An spruch 2 gelöst.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gleitelement zur Verfügung gestellt, das eine Gleitoberfläche und eine Beschichtung hat, die auf der Gleitoberfläche mittels einer Ionenplattiermethode aufgebracht ist, wobei die Beschichtung im Wesentlichen aus Chromnitrid, enthaltend CrN, besteht. Er findungsgemäß umfasst die Beschichtung des Chromnitrids, CrN enthaltend, wel ches eine bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, wobei die Beschichtung Bor in einem Gehaltanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gew.- % enthält.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Gleit element zur Verfügung gestellt, welches eine Gleitoberfläche und eine Beschich tung hat, die auf der Gleitoberfläche mittels einer ionenplattierten Methode aus gebildet ist, wobei die Beschichtung im Wesentlichen aus Chromnitrid, enthaltend CrN, besteht. Die Beschichtung enthält das CrN des Chromnitrids, welches eine bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, wobei die Beschichtung Bor ent hält mit einem Gehaltanteil von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 200 Gew.-%, und wobei die Beschichtung Sauerstoff und/oder Kohlenstoff in einem Gesamtgehalt von nicht mehr als 15 Gew.-% enthält.

Mit einem erfindungsgemäßen Gleitelement, wie es durch oben beschriebene An ordnung erzielt wird, wird ein erhöhter Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand erzielt, welcher besser ist als derjenige von herkömmlichen Gleitelementen, die eine ionenplattierte Beschichtung haben, die kein Bor enthält, mit CrN, wel ches eine bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, während der Abstreifwi derstand so ausgezeichnet bleiben wie bei herkömmlichen Gleitelementen, die eine ionenplattierte Beschichtung haben, die kein Bor enthält, mit CrN, welches die bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat.

Der Grund, dass Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand der Beschichtung durch Zugabe von Bor erhöht sind, mag darin beschrieben sein, dass Bor in Be tracht 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 Ver bindungen, entweder in Chrom oder Chromnitrid gemäß Cr × N zu bilden, wobei eine größere Auswirkung auf eine Verstärkung der Basis der Beschichtung produ ziert wird, resultierend in einem erhöhten Abrasionswiderstand und Abwetzwider stand.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die die Ergebnisse eines Abrasionstests in Form von Abrasionsindizes zeigt;

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Resultate eines Abwetztests 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 Ablösetests in Form von Ablöseindizes zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGEN

Ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann ausgeführt sein durch Aufweisen einer ionenplattierten Beschichtung, oder eines Films, welche auf des sen äußerer Umfangsgleitoberfläche gebildet ist, gebildet aus Chromnitrid, wel ches Bor enthält, mittels einer Ionenplattiermethode, in Stickstoffatmosphäre, wo bei eine Chrom-Borlegierung (Cr-B) als das Ziel der Ionenplattiermethode ver wendet wird. Das Chromnitrid der Beschichtung ist im Wesentlichen aus CrN gebildet, auf diese Weise auch Cr₂N enthaltend, wobei das CrN eine bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat. Der Gehalt an Bor in der Beschichtung ist ein gestellt, um in einem Bereich von 0,05 bis 20 Gew.-% zu sein mittels einer Ein stellung der Zusammenstellung der Cr-B-Legierung. Der Bereich des Borgehaltes ist so definiert, dass, wenn der Borgehalt in der Beschichtung geringer als 0,05 Gew.-% ist, dann der Abrasionswiderstand und Abwetzwiderstand der Beschich tung nicht verbessert wird und da, wenn der Borgehalt in der Beschichtung 20 Gew.-% übersteigt, dann der Ablösewiderstand der Beschichtung merklich abge sunken ist.

Anstelle von Stickstoffgas als Ionenplattierungsatmophäre kann auch eine andere Atmosphäre zur Ionenplattierung eingesetzt werden, die aus einer Gruppe von Mischgas aus Stickstoff und Kohlenwasserstoff, und einem Mischgas aus Stick stoff, Sauerstoff und Kohlenwasserstoff, gewählt wird, was bei der Beschichtung dazu führen kann, dass diese entweder Sauerstoff und/oder Kohlenstoff enthält. In diesem Fall ist der Gehalt von entweder einem oder beiden an Sauerstoff und Kohlenstoff in der Beschichtung so eingestellt, dass dieser nicht mehr als 15 Gew.-% beträgt. Der Bereich ist so definiert, dass, wenn der Gehalt von entweder Sauerstoff und/oder Kohlenstoff in der Beschichtung 15 Gew.-% übersteigt, dann der Ablösewiderstand in der Beschichtung merklich abgesunken ist.

BEISPIELE VON AUSGESTALTUNGEN

Vorteilhafte Charakteristika von Gleitelementen gemäß der vorliegenden Erfin dung werden hier nachfolgend im Detail näher diskutiert, wobei Beispiele von Ausgestaltungen oder erfinderischer Musterproben und der vorliegenden Erfin dung (Nummern 2-4, 6-8, 10-12 und 14) im Vergleich mit Vergleichsmusterpro ben (Nummern 5, 9 und 13) und einer konventionellen Musterprobe (Nummer 1) in Bezug auf verschiedene Tests ausgeführt werden, welche bei diesen Muster proben eingesetzt wurden.

Unter Nutzung einer Ionenplattierungsvorrichtung wurden 14 Arten an Beschich tungen, oder Filmen, auf den jeweiligen Basismaterialien des selben Kolbenring gusseisens aufgebracht, um Musterproben für die Tests zu erhalten. Während die ser Zeit sind diese Spezifizierungen mit einer ausgerichteten Spannung von -50 Volt beaufschlagt worden. Die Beschichtung von allen Musterproben wurde im Wesentlichen aus Chromnitrid gebildet, enthaltend CrN, wobei das CrN eine be vorzugte Orientierung der Ebene {100} hat.

Für die Proben (Nr. 2-14) wurde die Beschichtung so angeordnet, um entweder Bor, Bor und Sauerstoff, Bor und Kohlenstoff, oder Bor, Sauerstoff und Kohlen stoff zu enthalten, wobei der Borgehalt und die Gehalte von Sauerstoff und Koh lenstoff in den Musterprobenlagen eingestellt worden sind, indem die Zusammen stellung von Cr-B Legierung in dem Ziel und bzw. die Gehalte von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff in dem Atmosphärengas variiert wurden. Die Ver gleichsmusterproben (Nr. 5, 9 und 13) wurden alle so arrangiert, dass sie ein Ge haltverhältnis von Bor und/oder Sauerstoff und Kohlenstoff haben, welches au ßerhalb des Bereiches liegt, welcher durch die vorliegende Erfindung definiert ist. Die herkömmliche Musterprobe (Nr. 1) wurde so hergestellt, dass sie kein Bor enthält. Die Kategorie sowie die Gehaltverhältnisse, welche nicht Chromnitrid sind, sind von jeder Probe in Tabelle 1 unten angegeben, wobei herköm., erfind. und Vergl. herkömmlich, erfindungsgemäß bzw. Vergleichsprobe bedeutet.

Tabelle 1

Für den Test wurde Schmieröl in einem Vorratsbehälter einer Testmaschine (nicht dargestellt) gehalten. Ein scheibenähnliches Gegenstück-Materialteil wurde teil weise in das Öl getaucht und wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit rotiert. Unter dieser Bedingung wurde jede Probe mit einer Last gegen die äußere Um fangsoberfläche des Gegenstück-Materialteils gedrückt, und, nach einer be stimmten Zeitdauer, wurde die Höhe der Abrasion gemessen.

Die Testbedingungen waren die folgenden:
Testmaschine: Amsler Abrastion 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 Abrasionstests 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 Vergleichsmuster proben (Nr. 2-14), die Bor enthalten, erhöhten oder gesteigerten Abra sionswiderstand, verglichen mit der herkömmlichen Musterprobe (Nr. 1), die kein Bor enthält.

Abwetztest

Für den Test wurde Schmieröl in einem Vorratsbehälter der Testmaschine (nicht dargestellt) gehalten. Ein scheibenähnliches Gegenstück-Materialteil wurde teil weise in das Öl getaucht und wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit rotiert. Unter dieser Bedingung wurde jede Probe mit einer Last gegen die äußere Um fangsoberfläche des Gegenstück-Materialteils gepresst, und die Last wurde perio disch 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 Abrastion Tester,
Gegenstückmaterial: FC25,
Schmieröl: Nr. 2 Spindelöl und
Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Resultate des Abwetztests in Form von Abwetzindizes zeigt, wobei die Abwetzindizes auf der Basis erzielt wurden, dass die kritische Last der gewöhnlichen Musterprobe (Nr. 1) als ein Referenzin dex von 100 bestimmt wurde.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, haben die erfindungsgemäßen und Vergleichsmuster proben (Nr. 2-14), die Bor enthalten, einen vergrößerten Abwetzwiderstand, ver glichen 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 Pfeils dargestellt, wird ein Stempel 4, energetisiert mittels einer Feder 3, dann veranlasst, auf der Oberfläche der Beschichtung 2, oder des Films, einer Probe aufzuschlagen, die auf einem Unterstützungsblock 1 platziert ist. Mit einer Aufschlagenergie von 43,1 mJ (4,4 Kgfmm) bei jedem Aufschlag wurden Aufschläge wiederholt ausge führt, 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 Ablösetests in Form von Ablöseindizes zeigt, wobei die Ablöseindizes auf einer Basis erzielt wurden, bei der die Anzahl von ausgeübten Aufschlägen auf einer gewöhnlichen Muster probe (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 nur um 2-10% erniedrigten Ablösewiderstand in Form von Ablöseindizes von diesem, d. h. 100 der herkömmlichen Musterproben (Nr. 1), wobei gesagt werden kann, dass der Ablösewiderstand von den erfindungsgemä ßen Proben im Wesentlichen derselbe ist wie der der herkömmlichen Musterpro ben (Nr. 1). Im Gegensatz dazu, wie auch in Fig. 4 gezeigt, haben die herkömmlichen Musterproben (Nr. S. 9 und 13) einen Ablösewiderstand, welcher hinsicht lich dem Ablöseindex um 25-28% stark abgesenkt ist gegenüber demjenigen der herkömmlichen Musterproben (Nr. 1).

Wie oben beschrieben, ist ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Gleitelement, wenn es eine ionenplattierte Beschichtung, oder einen Film, hat, im Wesentlichen aufgebaut aus Chromnitrid, enthaltend CrN, mit einer bevorzugten Orientierung der Ebene {100}, wobei die Beschichtung Bor in einem Gehaltverhältnis von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gew.-% ent hält, und die Beschichtung ebenfalls Sauerstoff und/oder Kohlenstoff von nicht mehr als 15 Gew.-% enthält. Auf diese Weise hat ein verbessertes Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung darin einen Vorteil, dass die ionenplattierte Beschichtung, oder ein Film davon, mit dem CrN, welches eine bevorzugte Ori entierung der Ebene {100} hat, einen erhöhten Abrasionswiderstand und Ab wetzwiderstand hat im Vergleich mit herkömmlichen Beschichtungen, die kein Bor enthalten, mit dem CrN, welches die bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, während im Wesentlichen dieselbe Höhe an Ablösewiderstand wie diejenige von herkömmlichen Beschichtungen, die kein Bor enthalten, das CrN aufweisend, welches die bevorzugte Orientierung der Ebene {100} hat, aufrecht erhalten bleibt.

Claims

1. Ein Gleitelement, welches eine Gleitoberfläche und eine Beschichtung aufweist, die auf der Gleitoberfläche durch eine Ionenplattiermethode auf gebracht ist, wobei die Beschichtung sich im wesentlichen zusammensetzt aus Chromnitrid, enthaltend CrN, wobei das CrN des Chromnitrids eine bevorzugte Orientierung einer Ebene {100} hat, und wobei die Beschich tung Bor enthält mit einem Gehalt von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent.

2. Ein Gleitelement, welches eine Gleitoberfläche und eine Beschichtung aufweist, wobei die Beschichtung auf der Gleitoberfläche mittels einer Io nenplattiermethode aufgebracht ist, wobei die Beschichtung im wesentli chen aus Chromnitrid besteht, enthaltend CrN, wobei das CrN des Chrom nitrids eine bevorzugte Orientierung einer Ebene {100} hat, und wobei die Beschichtung Bor enthält mit einem Gehalt von nicht weniger als 0,05 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent, und wobei die Beschichtung Sauer stoff und/oder Kohlenstoff in einer Gesamtmenge nicht mehr als 15 Gew.- % enthält.