DE4419713A1

DE4419713A1 - Gleitelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4419713A1
Application number: DE4419713A
Authority: DE
Inventors: Satomichi Miyazaki; Nobuyuki Yamashita; Shoji Tanaka; Hiroto Fukutome; Hiroshi Tamagaki
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1993-06-07
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: US5582414A; JPH06346224A; DE4419713C2; JP3350157B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Gleitelemente, beispielsweise Kolbenringe für Verbrennungskraft maschinen, und ein Verfahren zur Herstellung der artiger Gleitelemente.

Beschreibung des Standes der Technik

Um die Maschinenleistungen zu erhöhen und Abgasemissionen herabzusetzen sind die Anforderungen an Kolbenringe insbesondere im Hinblick auf die rauhen Arbeitsbedingungen beträchtlich erhöht worden. Viele Maschinen, bei denen die Gleitflächen gemäß üblichen Verfahren, z. B. Hartverchromen und Nitridbehandlung, oberflächenbehandelt worden sind, sind im Hinblick auf derartige rauhe Betriebsbedingungen nicht dauerhaft genug. Es ist bereits eine Hartbeschichtung aus Materialien wie TiN und CrN unter Anwendung physikalischer Dampfablagerungs prozesse vorgeschlagen worden. So ist insbesondere ein dicker Film aus CrN verwendet worden, um den Anforderungen Maschinen mit erhöhter Lebensdauer zu genügen.

Ein CrN-Film hat ausgezeichnete Abrieb- und Verschleißfestigkeiten. Dieser Film ist einfach in der Massenherstellung und in Filmdicken von mehr als 30 µm verfügbar. Da der CrN-Film spröde ist, führen während des Betriebes hohe Dauer beanspruchungen auf die Gleitflächen zu Rissen, die ein Abschälen bzw. Abblättern des Filmes nach sich ziehen können.

Ausgehend davon haben die Anmelder bereits früher ein Hartbeschichtungsmaterial mit verbesserten Gleiteigenschaften und einer verbesserten Festigkeit auf der Basis von CrN und ein mit diesem Hartbeschichtungsmaterial beschichtetes Gleitelement vorgeschlagen (siehe US-Patentanmeldung Ser. Nr. 8/207 049).

Dieses Hartbeschichtungsmaterial ist dadurch gekennzeichnet, daß 3 bis 20 Gew.-% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristall struktur von CrN enthalten ist, wobei die Vickers- Härte des Hartbeschichtungsmaterials im Bereich von 1600 bis 2200 liegt. Die Oberflächen von Gleitelementen, die mit einem Härtungsfilm beschichtet sind, der aus diesem Hartbeschichtungs material zusammengesetzt ist, haben einen verbesserten Verschleißwiderstand und eine hohe Zähigkeit bzw. Festigkeit. Das Auftragen des Hartbeschichtungsmaterials kann durch Ionen-Plattierung erfolgen.

Da bei der Ionen-Plattierung Stickstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase verwendet werden, wird jedoch die Basismaterialoberfläche des Gleitelementes durch das Sauerstoffgas oxidiert. Dadurch wird die Haftung zwischen der Basis materialoberfläche und dem Härtungsfilm verringert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gleit element mit einem Härtungsfilm, der verbesserte Gleiteigenschaften und eine erhöhte Festigkeit des CrN-Filmes auf mindestens der Gleitfläche mit einer hohen Haftung an der Basismaterial oberfläche hat, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitelementes zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Gleitelement weist eine Zwischenschicht auf mindestens einer Gleitfläche des Gleitelementes und einen Härtungsfilm auf dieser Zwischenschicht auf, wobei diese Zwischenschicht zusammengesetzt ist aus mindestens einem der Stoffe wie Cr (Chrom), Cr2N (Dichromditrid), und CrN (Chromnitrid), während der Härtungsfilm zusammengesetzt ist aus einem Hartbeschichtungsmaterial, welches 3 bis 20 Gew.-% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristallstruktur von CrN enthält, wobei dieser Film eine Vickers-Härte von 1600 bis 2200 hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gleitelementes umfaßt die Schritte der Bildung einer Zwischenschicht auf mindestens einer Gleitfläche des Gleitelementes mittels eines Ionen-Plattierungsprozesses, wobei Chrommetall als eine Verdampfungsquelle verwendet wird, und anschließende Bildung eines Härtungsfilmes auf dieser Zwischenschicht ebenfalls durch einen Ionen-Plattierungsprozeß, wobei Chrommetall als Verdampfungsquelle und Stickstoffgas und Sauer stoffgas als Prozeßgase verwendet werden.

Der Ionen-Plattierungsprozeß zur Bildung der Zwischenschicht kann ohne ein Prozeßgas durch geführt werden, oder mit Stickstoffgas als einem Prozeßgas.

Wenn bei dem Ionen-Plattierungsprozeß zur Bildung der Zwischenschicht Stickstoffgas als das Prozeßgas verwendet wird, kann der Ionen- Plattierungsprozeß einen Prozeß, bei dem die Ionen-Plattierung ohne Zufuhr von Stickstoffgas in die Ionen-Plattierungsatmosphäre durchgeführt wird, und einen Prozeß umfassen, bei dem die Ionen-Plattierung mit Stickstoffgaszufuhr in die Ionen-Plattierungsatmosphäre erfolgt. Die Ionen- Plattierung kann bei verschiedenen Gasdrücken erfolgen, indem man den Druck des Stickstoff gases in der Ionen-Plattierungsatmosphäre ver ändert.

Aufgrund dieser Maßnahmen erhält der Härtungsfilm eine erhöhte Abriebfestigkeit und eine erhöhte Festigkeit und Zähigkeit insgesamt, da der Härtungsfilm zusammengesetzt ist aus einem Hartbeschichtungsmaterial, das die oben beschriebenen Mengen an Sauerstoff in einem flüssigen Lösungszustand in dem CrN-Material enthält.

Da die Zwischenschicht unter dem Härtungsfilm liegt, wird die Basismaterialoberfläche des Gleitelementes gegen Oxidieren durch das Sauer stoffgas geschützt, das bei dem Auftragen des Härtungsfilmes während des Ionen-Plattierungs prozesses verwendet wird. Als ein Ergebnis davon hat der Härtungsfilm ein gutes Haftvermögen an dem Gleitelement. Aus diesen Gründen hat das erfindungsgemäße Gleitelement eine ausgezeichnete Haltbarkeit.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein teilweiser Längsschnitt eines Kolbenringes einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Lichtbogen-Ionen-Plattierungs vorrichtung.

Fig. 3(a) zeigt teilweise im Schnitt die Kontur einer Stift-Auf-Zylinder-Reibungstest maschine.

Fig. 3(b) ist eine Seitenansicht von Fig. 3(a).

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die mittels einer Stift-Auf-Zylinder-Reibungstestmaschine ermittelten Versuchsergebnisse zeigt.

Fig. 5 zeigt ein Röntgendiagramm des Härtungs filmes, der zusammengesetzt ist aus einem Hart beschichtungsmaterial, das 23 Gew.-% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristall struktur von CrN enthält.

Fig. 6 ist ein Röntgendiagramm entsprechend Fig. 5 mit einem Sauerstoffgehalt des Hart beschichtungsmaterial von 10 Gew.-%.

Fig. 7 ist ein Längsschnitt, der den Aufbau einer Hochoberflächendruck-Abriebtestmaschine zeigt.

Fig. 8 ist ein Diagramm, das die mittels einer in Fig. 7 dargestellten Maschine erhaltenden Versuchsergebnisse zeigt.

Fig. 9(a) ist eine Darstellung, die das Auftreten von Rissen in der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes zeigt, und zwar im Rahmen eines durch Eindruckversuch durchgeführten Haftversuches.

Fig. 9(b) ist eine Darstellung, die das Auftreten von Rissen und Abschälungen in der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes zeigt, und zwar im Rahmen eines durch Eindruckversuch durchgeführten Haftversuches.

Fig. 10 ist ein teilweiser Längsschnitt eines Kolbenringes einer abgewandelten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 11 ist ein teilweiser Längsschnitt eines Kolbenringes einer weiteren bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 ist ein teilweiser Längsschnitt eines Kolbenringes einer weiteren bevorzugten Aus führungsform der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt einen Kolbenring 1 mit einem recht eckigen Querschnitt. Der Kolbenring 1 kann aus Stahl, Gußeisen, Titan oder einer Titanlegierung und dergleichen bestehen. Die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes 1 ist mit einer Zwischenschicht 2 und einem Härtungsfilm 3 beschichtet, die mittels eines Lichtbogen-Ionen-Plattierungsprozesses auf getragen worden sind.

Die Zwischenschicht 2 besteht aus einem der folgenden Filme.

(1) Cr-Film
(2) Cr₂N-Film
(3) CrN-Film
(4) Film, zusammengesetzt aus Cr und Cr₂N
(5) Film, zusammengesetzt aus Cr₂N und CrN.

Die Zwischenschicht 2 verhindert, daß die Basis materialoberfläche während des Auftragens des Härtungsfilmes 3 durch Ionen-Plattierung durch das Sauerstoffgas oxidiert wird. Es bestehen keine speziellen Einschränkungen hinsichtlich der Dicke der Zwischenschicht 2, wobei eine Dicke innerhalb eines Bereiches von 0,1 µm bis 15 µm vorteilhaft ist.

Der Härtungsfilm 3 ist aus einem Hartbeschichtungs material zusammengesetzt, das 3 bis 20 Gew.-% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristallstruktur von CrN enthält und das eine Vickers-Härte von 1600 bis 2200 hat. Die Dicke des Härtungsfilmes 3 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 µm bis 70 µm.

Der Lichtbogen-Ionen-Plattierungsprozeß ist ein solcher, bei dem ein Filmmaterial der verdampfenden Quelle (Kathode) verdampft und durch Vakuum-Lichtbogenentladung ionisiert wird, um einen Film auf der Oberfläche des Substrates zu bilden. Dieser Lichtbogen-Ionen-Plattierungsprozeß ist gekennzeichnet durch eine hohe Ionisierungsrate des Dampfes, wodurch die Bildung eines hoch-haftfähigen, hoch-dichten Filmes ermöglicht wird.

Eine Basisausrüstung eines Lichtbogen-Ionen- Plattierungsapperates wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Eine Kathode (Verdampfungs quelle) 11, die aus einem Filmmaterial zusammen gesetzt ist, und ein Substrat 12, auf dem ein Film gebildet werden soll, werden in einer Vakuumkammer 10 untergebracht. Die Kathode 11 ist an eine außerhalb der Vakuumkammer 10 installierte Lichtbogen-Erzeugungsquelle 13 angeschlossen, und eine in der Zeichnung nicht dargestellte Anode ist an die Lichtbogen-Erzeugungs quelle 13 angeschlossen. An das Substrat 12 wird eine von einer Vorspannungsquelle 14 erzeugte, negative Vorspannung angelegt. Die Vakuumkammer 10 ist mit einem an eine Prozeßgasquelle ange schlossenen Gaseinlaß 15 und mit einem an eine Pumpe angeschlossenen Auslaß 16 versehen.

Zu Beginn der Lichtbogenentladung zwischen der Kathode 11 und der Anode in der Vakuumkammer 10 wird demzufolge der Lichtbogen in einem Punkt (Lichtbogenansatzpunkt) auf der Oberfläche der Kathode 11 konzentriert, und er bewegt sich willkürlich und schnell auf der Oberfläche der Kathode 11. Die Energie des Lichtbogenstromes (einige 10- bis einige 100-Ampere), die in dem Lichtbogenansatzpunkt konzentriert ist, verdampft und ionisiert augenblicklich das Material der Kathode 11, um Metallionen 12 zu erzeugen, die in den Vakuumraum freigegeben werden. Danach beschleunigt eine an das Substrat 12 angelegte negative Vorspannung die Metallionen 17, so daß diese sich zusammen mit den reaktionsfähigen Gasen 18 dicht gepackt an der Oberfläche des Substrates ablagern, um dadurch eine extrem feine Beschichtung zu erzeugen.

Das oben beschriebene Lichtbogen-Ionen-Plattierungs gerät kann dazu benutzt werden, die Zwischenschicht 2 auf dem Kolbenring zu bilden.

Wenn die Zwischenschicht 2 durch Ionen-Plattierung abgelagert wird, wird die Oberfläche des Kolben ringes vor der Ionen-Plattierung gereinigt. Der Kolbenring als Substrat 12 wird dabei mittels eines in der Vakuumkammer 10 befindlichen (nicht dargestellten) Heizgerätes auf etwa 400°C erhitzt. Anschließend wird für mehrere Minuten der Metallionenbeschuß mit einer Vorspannung von 600 bis 1000 Volt durchgeführt, um den Oxidfilm auf der Oberfläche des Kolbenringes zu entfernen. Dabei steigt die Temperatur des Kolbenringes auf etwa 600°C an. Wenn anschließend die Vor spannung schrittweise verringert wird, beginnt die Ablagerung etwa vom 300-Volt-Niveau an.

Wenn die Zwischenschicht 2 ein Cr₂N-Film, ein CrN-Film, ein aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter oder ein aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film ist, kann die Zwischenschicht 2 dadurch gebildet werden, daß man bei der Ionen-Plattierung Chrom metall als das Kathodenmaterial und Stickstoffgas als das Prozeßgas verwendet.

Die Zusammensetzung der Zwischenschicht 2 kann in Abhängigkeit von dem Druck des Stickstoffgases in der Vakuumkammer 10 variiert werden. Im folgenden sind einige Typen der Zwischenschicht aufgelistet. Die Zwischenschicht wird jeweils von einem niedrigeren Type, wenn der Druck des Stickstoff gases höher wird.

Film, zusammengesetzt aus Cr und Cr₂N
↓
Film, zusammengesetzt aus Cr₂N und CrN (der prozentuale Anteil von Cr₂N ist größer als der Anteil von CrN.)
↓
Film, zusammengesetzt aus CrN und Cr₂N (der prozentuale Anteil an CrN ist größer als der Anteil an Cr₂N.)
↓
CrN-Film

Das Verhältnis zwischen dem Druck des Stickstoff gases und der Zusammensetzung der Zwischenschicht 2 ist in Tabelle 1 angegeben. In Tabelle 1 ist die Druckeinheit des Stickstoffgases in mTorr angegeben, und die Einheit der Vorspannung ist in Volt angegeben. Die Ziffer jeweils unterhalb der Zwischenschicht in Tabelle 1 gibt die Vickers- Härte der Zwischenschicht an.

Tabelle 1

Wenn die Zwischenschicht 2 ein Cr-Film ist, wird die Ionen-Plattierung mit Chrommetall als Kathoden material ohne Benutzung eines Prozeßgases durch geführt.

Nachdem eine vorgeschriebene Dicke der Zwischen schicht 2 auf dem Kolbenring erreicht ist, wird die Ionen-Plattierung durchgeführt, indem Stickstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase in die Vakuumkammer 10 des Lichtbogen-Ionen- Plattierungsgeräte eingeleitet werden, wodurch auf der vorher gebildeten Zwischenschicht des Kolben ringes ein Hartfilm gebildet wird, der zusammen gesetzt ist aus einem harten Beschichtungs material, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in dem CrN enthält.

Die Steuerung der Sauerstoffkonzentration erfolgt durch Einstellen des Sauerstoffpartial druckes während des Ionen-Plattierungsprozesses. Wenn der Sauerstoffpartialdruck erhöht wird, nimmt die Sauerstoffkonzentration zu.

Die Steuerung der Härte des Härtungsfilmes, der aus einem Hartbeschichtungsmaterial, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in dem CrN enthält, kann durch Einstellen des Sauerstoff partialdruckes und Einstellen der Vorspannung während des Ionen-Plattierungsprozesses erfolgen. Wenn der Sauerstoffpartialdruck erhöht wird, nimmt die Filmhärte zu (siehe Tabelle 2). Zusätzlich erhöht sich bei ansteigender Vor spannung auch die Filmhärte (siehe Tabelle 3).

Vorspannung: 5 V
Sauerstoffkonzentration
Härte d. Härtungsfilms
(%)
(HVo.1)
7,3
1838
10,0	2059
13,3	2131

Sauerstoffkonzentration: 7,3%
Vorspannung (V)
Härte d. Härtungsfilms
3
1776
5	1838
10	1854

Um die Zähigkeit bzw. Festigkeit des obengenannten Härtungsfilmes 3, der aus einem Hartbeschichtungs material zusammengesetzt ist, das Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, zu ermitteln, wurde eine Stift-Auf-Zylinder-Reibungs testmaschine benutzt, um einen Filmzähigkeits bzw. Filmfestigkeitsermittlungsversuch durch zuführen. Die Grundzüge des Testes, bei dem eine Stift-Auf-Zylinder-Reibungstestmaschine benutzt wird, wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Der Kolbenring 1 wird entlang einer Achse eines Rotors 20 auf die Oberseite der äußeren Umfangs fläche 21 des Rotors 20 (Eisengußmaterial: JIS FC 250) aufgelegt, der um die Horizontalachse rotiert. Eine Last P wird auf den Kolbenring 1 zur Einwirkung gebracht, um den Kolbenring 1 gegen die äußere Umfangsfläche 21 des Rotors 20 zu drücken. In diesem Zustand wird der Rotor 20 in Drehung versetzt, wobei dem Kontaktbereich zwischen dem Kolbenring 1 und dem Rotor 20 Schmieröl zugeführt wird.

Die Gleitgeschwindigkeit wurde gemessen, sobald Risse in dem Härtungsfilm 3 des Kolbenringes 1 auftraten, wenn die Geschwindigkeit des Rotors 20 verändert wurde. Die Messung wurde für acht Arten von Kolbenringen (vier Arten von erfindungsgemäßen Kolbenringen und vier Arten von Vergleichskolben ringen) durchgeführt, die jeweils unterschiedliche Sauerstoffmengen in dem Härtungsfilm aufwiesen. Die Dicke des Härtungsfilmes des bei der Messung verwendeten Kolbenringes betrug 50 µm und die Rauhigkeit des Filmes betrug 0,6 µmRZ. Die Zwischen schicht war ein CrN-Film, und die Dicke der Zwischenschicht betrug 7,6 µm.

Die Messung des Sauerstoffs in dem Härtungsfilm erfolgte hauptsächlich durch ESMA (Elektronenstrahl- Mikroanalyse), und sie wurde bestätigt durch ESCA (Elektronenspektroskopie für chemische Analyse). Die Testbedingungen waren wie folgt:
Schmieröl: Hi-Diesel S3 10W Maschinenöl (NIPPON OIL CO., LTD.)
Last (P): 2,2680 kg (5 pounds)
Gleitgeschwindigkeit: Verändert in einem Bereich
von 0 m/s bis 7 m/s
Temperatur: Raumtemperatur
Tabelle 4 enthält die Ergebnisse des Tests und Fig. 4 ist eine Diagrammdarstellung der gleichen Ergebnisse.

Sauerstoffgehalt des Härtungsfilmes (Gew.-%)
Gleitgeschwindigkeit bei der Risse im Härtungsfilm auftraten (m/s)
0,0
3,5
0,9	5,0
2,9	5,5
4,4	7,0 oder mehr
8,5	7,0 oder mehr
10,4	7,0 oder mehr
15,7	7,0 oder mehr
23,0	5,0

Keine Risse traten auf bei einer Gleit geschwindigkeit von 7 m/s für Härtungsfilm- Sauerstoffgehalte von 4,4, 8,5, 10,4 und 15,7 Pro zent.

Wie es sich aus den Testergebnissen in Fig. 4 ergibt, verbesserte sich die Zähigkeit bzw. Festigkeit des Films während des Gleitens, wenn Sauerstoff in dem CrN enthalten war.

Um eine ausreichende Zähigkeit bzw. Festigkeit in dem Härtungsfilm gemäß der bevorzugten Aus führungsform zu erhalten, wurde der Sauerstoff gehalt in dem CrN auf 3,0 oder mehr Gewichtsprozent eingestellt. Wie es sich aus Fig. 5 ergibt, zeigt, wenn der Sauerstoffgehalt 23 oder mehr Gew.-% betrug, das Auftreten von Spitzen für Cr₂O₃ (Dichromtrioxid) wie auch für CrN in dem Röntgenstrahl-Diffraktionsmuster (Röntgenstrahl röhre: Kupfer) eine Verschlechterung der Film zähigkeit bzw. Filmfestigkeit. Es wurde daher eine obere Sauerstoffgrenze von 20 Gew.-% festgelegt. Fig. 6 zeigt das Röntgenstrahl-Diffraktionsmuster (Röntgenstrahlröhre: Kupfer), wenn der Sauerstoff gehalt 10 Gew.-% betrug, wobei für Cr₂O₃ keine Diffraktionsspitzen auftraten. CrN hat eine Kristallstruktur vom NaCl-Typ. Cr₂O₃ hat eine orthorombische Kristallstruktur.

Der Härtungsfilm, der aus einem Hartbeschichtungs material zusammengesetzt ist, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, ist nicht hochdicht und enthält Defekte, wie z. B. Löcher, bei einer Härte weniger als HV 1600. Da ein Abschälen während des Herstellungsprozesses bei einer Härte über HV 2200 auftreten kann, wurde die Filmhärte innerhalb des Vickers-Härtebereiches von 1600 bis 2200 festgelegt.

Um die Abriebeigenschaften des Härtungsfilmes, der aus einem Hartbeschichtungsmaterial zusammen gesetzt ist, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, zu ermitteln, wurde danach eine Abriebtestmaschine für hohen Oberflächendruck benutzt. Der Aufbau einer derartigen Testmaschine wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.

Ein Stator 30 hat eine kreisförmige Aussparung an einer Oberfläche, die einem noch zu beschreiben den Rotor 31 gegenüberliegt. Eine Scheibe 32 (Eisengußmaterial: JIS FC 250) wird in der Aus nehmung befestigt. Die Scheibe 32 ist dem Rotor 31 zugewandt. Die Oberfläche der dem Rotor 31 gegen überliegenden Scheibe 32 bildet eine flache, vertikale Oberfläche. Die Scheibe 32 ist in ihrem zentralen Teil mit einer axial zum Stator 30 ausgerichteten Ölöffnung 33 versehen. Der Stator 30 ist mit einem Ölkanal 34 versehen, der schräg verlaufend in die Ölöffnung 33 mündet. Schmieröl wird durch diese Ölöffnung 33 und den Ölkanal 34 den Kontaktflächen zwischen der Scheibe 32 des Stators und noch zu beschreibenden Stiften 35 zugeführt.

Der Rotor wird um die Horizontalachse in Drehung versetzt und hat im Bereich der dem Stator 30 gegenüberliegenden Oberfläche eine kreisförmige Aussparung. Ein Stifthalter 36 ist konzentrisch zum Rotor in die Ausnehmung eingesetzt. Der Stift halter 36 ist an der dem Stator 30 zugewandten Oberfläche mit vier Aufnahmen versehen, die auf dem gleichen Kreisbogen liegen und gleichmäßige Abstände voneinander haben. Die Stifte 35 (8 mm Durchmesser) werden als Teststücke in diese Aufnahmen eingesetzt und darin befestigt. Jeder Stift 35 ragt in Richtung des Stators 30 horizontal über die Oberfläche des Stifthalters 36 hinaus.

Die vorspringenden Endflächen der Stifte 35 sind mit verschiedenen Arten von Oberflächenbehandlungs filmen 37 versehen, und diese Endflächen sind in Kontakt mit der Oberfläche der Scheibe 32 des Stators 30.

Der Stator 30 wird mit einer Last P beaufschlagt, um die Scheibe 32 gegen die Stifte 35 zu drücken. Der Rotor 30 wird dann in Drehung versetzt, während Schmieröl durch die Ölöffnung 33 und den Ölkanal 34 den Kontaktflächen zwischen den Stiften 35 und der Scheibe 32 zugeführt wird.

Bei sich ändernder Last P und konstant bleibender Gleitgeschwindigkeit des Rotors 31 wurde die Last gemessen, wenn der Stift 35 Abrieberscheinungen aufwies. Die Abriebversuche wurden unter den folgenden Versuchsbedingungen für Stifte (Ver gleichsprobe) durchgeführt, die jeweils einen Hartverchromungs-Plattierungsfilm, eine nitrierte Schicht aus rostfreiem Stahl und einen CrN-Film ohne Sauerstoffanteil in dem CrN enthielten, und andererseits einem Stift (gemäß der vorliegenden Erfindung), der einen CrN-Film aufwies, der auf einer Zwischenschicht aus Cr₂N (Filmdicke: 5,0 µm) gebildet worden war, wobei der CrN-Film Sauerstoff in einem flüssigen Lösungszustand in dem CrN enthielt.

Die Versuchsbedingungen waren wie folgt:
Schmieröl: Hi-Diesel S3 10W Maschinenöl (NIPPON OIL CO., LTD); Öltemperatur 80°C
Last (P): Anwachsend um 10 kgf, ausgehend von einer Anfangslast von 20 kgf, in Zeit intervallen von 3 Minuten.
Gleitgeschwindigkeit: 8 m/s konstant
Temperatur: Raumtemperatur
Wie es sich aus den Versuchsergebnissen gemäß Fig. 8 ergibt, ist es offensichtlich, daß der CrN-Film dem Hartverchromungs-Plattierungsfilm oder der Nitridschicht hinsichtlich des Abriebwider standes überlegen ist. Es ist weiterhin offen sichtlich, daß ein CrN-Film, der erfindungs gemäß Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, hinsichtlich des Abriebwiderstandes dem Film ohne Sauerstoff überlegen ist.

Als nächstes wurde die Haftung eines Härtungsfilms, der aus einem Hartbeschichtungsmaterial zusammen gesetzt ist, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, unter Anwendung des Eindruckversuchs bestimmt. Der Eindruckversuch- Stempel und die auf die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes aufgebrachte Last waren wie folgt:
Stempel: Diamant mit einem Konuswinkel von 120°
Last: 60 kg, 100 kg, 150 kg

Der Härtungsfilm, der aus einem Hartbeschichtungs material zusammengesetzt war, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, ist wie folgt gekennzeichnet:
Ionen-Plattierungsbedingungen:
Vorspannung 5 Volt
Sauerstoffanteil in der Atmosphäre: 10,0%
Filmdicke: 50 µm
Filmhärte: HV_0.1 2059
Sauerstoffgehalt im Film: 11,3%

Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse des Hafttests des obigen Härtungsfilms mit und ohne Zwischen schicht. In Tabelle 5 bedeutet das Zeichen "○" daß Risse 41 in der äußeren Umfangsfläche 40 des Kolbenringes (entsprechend Fig. 9(a)) aufgetreten sind, und das Zeichen "X" bedeutet, daß zusammen mit den Rissen 41 in der äußeren Umfangsfläche 40 des Kolbenringes auch Abschälungen (43 bezeichnet einen abgeschälten Bereich) auf der Peripherie einer Eindruckstelle 42 (entsprechend Fig. 9(b)) aufgetreten sind.

Tabelle 5

Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt eines Teils eines Kolbenringes einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung. Ein Kolbenring 1 gemäß dieser Aus führungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Kolbenring nur in den Bereichen, die mit der Zwischenschicht und dem Härtungsfilm beschichtet sind. Die Zwischenschicht 2 und der Härtungsfilm 3 sind an der äußeren Umfangsfläche und den Ober- und Unterseiten des Kolbenringes 1 mittels eines Lichtbogen-Ionen-Plattierungsprozesses gebildet worden.

Fig. 11 zeigt einen Längsschnitt eines Teiles eines Kolbenringes einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Kolbenring 1 dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 1 abgebildeten Kolbenring nur hinsichtlich der Bereiche, die mit der Zwischenschicht und dem Härtungsfilm versehen sind. Die Zwischenschicht 2 und der Härtungsfilm 3 sind an der äußeren Umfangsfläche, den Ober- und Unterseiten und der inneren Umfangsfläche des Kolbenringes 1 mittels eines Lichtbogen-Ionen-Plattierungsprozesses gebildet worden.

Fig. 12 zeigt einen Längsschnitt eines Teils eines Kolbenringes einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Kolbenring 1 dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Kolbenring nur hinsichtlich der Struktur der Zwischenschicht. Die Zwischenschicht 2 des Kolbenringes dieser Ausführungsform hat eine Zweischichten-Struktur. Diese Zwischenschicht 2 ist ein Zweischichtenfilm, bestehend aus jeweils zwei der folgenden Filme: Cr-Film, Cr₂N-Film CrN-Film, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter Film, und aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film.

Die Zwischenschicht 2 kann mit dem Lichtbogen- Ionen-Plattierungsgerät abgelagert werden, wobei Chrommetall als Kathodenmaterial und Stickstoffgas als ein Prozeßgas verwendet werden. Der Cr-Film kann mit dem Ionen-Plattierungsprozeß ohne Zufuhr von Sauerstoffgas in die Vakuumkammer 10 erfolgen. Die anderen Filmtypen können unter jeweils einem spezifischen Druck von in die Vakuumkammer 10 eingeleiteten Stickstoffgas gebildet werden.

Entsprechend können damit sowohl ein Cr-Film und ein weiterer Film (Cr₂N-Film, CrN-Film, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter Film, oder aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film) in der im folgenden unter den Ziffern (1) oder (2) beschriebenen Weise gebildet werden.

(1) Zuerst erfolgt eine Ionen-Plattierung ohne Zufuhr von Stickstoffgas in die Vakuumkammer 10. Als nächstes erfolgt die Ionen-Plattierung, wobei Stickstoffgas in die Vakuumkammer 10 eingeleitet wird. In diesem Fall wird die Basismaterialober fläche mit einem Cr-Film beschichtet, und ein weiterer Film (Cr₂N-Film, CrN-Film, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter Film, oder aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film) auf dem Cr-Film abgelagert.
(2) Zuerst erfolgt eine Ionen-Plattierung, wobei Stickstoffgas in die Vakuumkammer 10 eingeleitet wird. Anschließend erfolgt eine Ionen-Plattierung, wobei das Stickstoffgas aus der Vakuumkammer 10 evakuiert wird. In diesem Fall wird auf der Basis materialoberfläche ein Film (Cr₂N-Film, CrN-Film, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter Film, oder aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film) abgelagert, und ein Cr-Film wird auf diesem Film gebildet.

Ein Film, bestehend aus einer Kombination von jeweils zweien von einem Cr₂N-Film, CrN-Film, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter Film, und aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film, kann in der unten beschriebenen Weise gebildet werden.

Die Ionen-Plattierung erfolgt bei einem spezifischen Druck des der Vakuumkammer 10 zugeführten Stickstoffgases, und sie wird fort geführt, indem der Stickstoffdruck in der Vakuum kammer 10 verändert wird, um einen unterschied lichen Film zu bilden. Durch Veränderung des Drucks des Stickstoffgases können, wie oben erwähnt, unterschiedliche Filmtypen gebildet werden.

Während die Zwischenschicht gemäß Fig. 2 ein Zweischichtenfilm ist, kann die Zwischenschicht auch aus einem Dreischichten- oder Mehrschichten film bestehen.

Während Fig. 12 ein Beispiel zeigt, bei dem die Zwischenschicht und der Härtungsfilm auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes gebildet sind, können die Zwischenschicht und der Härtungs film auch die äußere Umfangsfläche und die Ober- und Unterseiten oder die äußere Umfangsfläche, die Ober- und Unterseiten und die innere Umfangsfläche bedecken.

Obwohl in den oben behandelten Ausführungsformen die Zwischenschicht und der Härtungsfilm auf einem Kolbenring aufgetragen sind, sind diese Filme in ihrer Anwendung nicht auf Kolbenringe beschränkt. Diese Filme können dazu verwendet werden, um mindestens die Gleitfläche von anderen Gleitelementen, beispielsweise einem Stößel oder einem Nocken, zu beschichten, welche als Ventilantriebselemente einer Verbrennungskraft maschine benutzt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben behandelten, bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist, so daß verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Gleitelement, dadurch gekennzeichnet,
daß auf mindestens einer Gleitfläche eine Zwischen schicht und auf dieser Zwischenschicht ein Härtungsfilm abgelagert sind,
daß die Zwischen schicht zusammengesetzt ist aus mindestens einem der Materialien wie Cr, Cr₂N und CrN, und
daß der Härtungsfilm aus einem Hart beschichtungsmaterial besteht, der 3 bis 20 Gew.-% Sauerstoff in einem festen Lösungs zustand in einer Kristallstruktur von CrN enthält und eine Vickershärte von 1600 bis 2200 hat.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht ein Cr-Film ist.

3. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht ein Cr₂N- Film ist.

4. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht ein CrN-Film ist.

5. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht ein aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter Film ist.

6. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht ein aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film ist.

7. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht ein Mehr schichtenfilm ist, der aus zwei oder mehreren der Filme wie Cr-Film, Cr₂N-Film, CrN-Film, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzter Film und aus Cr₂N und CrN zusammengesetzter Film besteht.

8. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Kolbenring ist, auf dem die besagten Filme abgelagert sind, und daß die Oberfläche, auf dem diese Filme abgebildet sind, eine äußere Umfangsfläche des Kolbenringes ist.

9. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Kolbenring ist, auf dem die besagten Filme abgelagert sind, und daß die Flächen, auf dem diese Filme gebildet sind, eine äußere Umfangsfläche, eine Oberseite und eine Unterseite des Kolbenringes sind.

10. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Kolbenring ist, auf dem die besagten Filme abgelagert sind, und daß die Flächen, auf denen diese Filme gebildet sind, eine äußere Umfangsfläche, eine Oberseite, eine Unterseite und eine innere Umfangsfläche des Kolbenringes sind.

11. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelementes, dadurch gekennzeichnet, daß man auf mindestens einer Gleitfläche des Gleitelementes eine Zwischenschicht durch ein Ionen-Plattierungs prozeß, bei dem Chrommetall als eine Ver dampfungsquelle verwendet wird, bildet, und daß man auf dieser Zwischenschicht einen Härtungs film bildet, indem Chrommetall als Verdampfungs quelle und Stickstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase benutzt werden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelementes nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bildung der Zwischenschicht Stickstoff gas als Prozeßgas bei dem Ionen-Plattierungs prozeß verwendet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ionen-Plattierungsprozeß zur Bildung dieser Zwischenschicht einen Prozeß umfaßt, bei dem die Ionen-Plattierung ohne Zufuhr von Stickstoffgas in die Ionen- Plattierungsatmosphäre erfolgt, und einen Prozeß, bei dem die Ionen-Plattierung durch geführt wird, indem Stickstoffgas in die Ionen-Plattierungsatmosphäre eingeleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ionen-Plattierung bei unterschiedlichen Gasdrücken erfolgt, indem man den Druck des Stickstoffgases in der Ionen- Plattierungsatmosphäre während des Ionen- Plattierungsprozesses zur Bildung dieser Zwischenschicht verändert.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ionen-Plattierung bei unterschiedlichen Gasdrücken erfolgt, indem man den Druck des Stickstoffgases in der Ionen-Plattierungsatmosphäre während des Ionen- Plattierungsprozesses zur Bildung dieser Zwischenschicht variiert.