DE4419713C2

DE4419713C2 - Gleitelement und Verfahren zu seiner Herstellung sowie Verwendung des Gleitelementes als Kolbenring

Info

Publication number: DE4419713C2
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: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: DE4419713A1; JP3350157B2; US5582414A; JPH06346224A

Description

Die Erfindung betrifft Gleitelemente, beispielsweise Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen, und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Gleitelemente, sowie die Verwendung des Gleitelementes als Kolbenring.

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 Nitrierbehandlung, 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 Dampfablagerungsprozesse vorgeschlagen worden. So ist insbesondere eine dicke Schicht aus CrN verwendet worden, um den Anforderungen von Maschinen mit erhöhter Lebensdauer zu genügen.

Eine CrN-Schicht hat ausgezeichnete Abrieb- und Verschleißfestigkeiten. Diese Schicht ist einfach in der Massenherstellung und in Schichtdicken von mehr als 30 µm verfügbar. Da die CrN-Schicht spröde ist, führen während des Betriebs hohe Dauerbeanspruchungen auf die Gleitflächen zu Rissen, die ein Abschälen bzw. Abblättern der Schicht nach sich ziehen können.

Aus der US 4 486 285 ist bereits eine Beschichtung für Werkstücke bekannt, die eine Chromschicht und darauf eine weitere Schicht aus Cr und einem Element, das mit Cr eine feste Lösung bildet, bekannt, wobei dieses Element Stickstoff sein kann. Es sollen Schichten hoher Härte und ohne Risse erzeugt werden, die insbesondere für Gleitelemente geeignet sind. Gemäß JP 4-368A wird vorgeschlagen, den Stickstoffgehalt derartiger, durch Ionen-Beschichtung hergestellter Verschleißschichten zur Randzone hin zu steigern, und aus JP57-57868A ist die Anwendung derartiger Schichten für Gleitschichten, insbesondere Kolbenringe, vorbekannt.

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-Patent No. 5 449 547).

Dieses Hartbeschichtungsmaterial ist dadurch gekennzeichnet, daß 3 bis 20 Gew.-% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristallstruktur von CrN enthalten ist, wobei die Vickers-Härte des Hartbeschichtungsmaterials im Bereich von 1600 bis 2200 liegt. Die Oberfläche von Gleitelementen, die mit einer harten Deckschicht beschichtet sind, die aus diesem Hartbeschichtungsmaterial zusammengesetzt ist, haben einen verbesserten Verschließwiderstand und eine hohe Zähigkeit bzw. Festigkeit. Das Auftragen des Hartbeschichtungsmaterials kann durch Ionen- Beschichtung erfolgen.

Da bei der Ionen-Beschichtung Stickstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase verwendet werden, wird jedoch die Basismaterialoberfläche des Gleitelementes durch des Sauerstoffgas oxidiert. Dadurch wird die Haftung zwischen der Basismaterialoberfläche und der harten Deckschicht verringert.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gleitelement mit einer harten Deckschicht bzw. Hartstoffschicht, die verbesserte Gleiteigenschaften und eine erhöhte Festigkeit der CrN-Schicht auf mindestens der Gleitfläche mit einer hohen Haftung an der Basismaterialoberfläche hat, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitelementes zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Gleitelement aus Stahl oder Gußeisen mit einer auf mindestens einer Gleitfläche abgelagerten Zwischenschicht, auf der wiederum als harte Deckschicht eine Hartstoffschicht abgelagert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Zwischenschicht mindestens eines der aus Cr₂N, CrN, Cr und Cr₂N sowie Cr₂N und CrN ausgewählten Materialien umfaßt, und daß die Hartstoffschicht ein Hartbeschichtungsmaterial umfaßt, das 3-20 Gew-.% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristallstruktur von CrN enthält und eine Vickers-Härte von 1600 bis 2200 hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gleitelements ist dadurch gekennzeichnet, daß man auf mindestens einer Gleitfläche des Gleitelements eine Zwischenschicht durch einen Ionenbeschichtungsprozeß, bei dem das Chrommetall als eine Verdampfungsquelle verwendet wird, bildet, und daß man auf dieser Zwischenschicht eine harte Deckschicht bildet, in dem Chrommetall als Verdampfungsquelle und Stickstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase benutzt werden.

Die Ionen-Beschichtung ist ein Verfahren, bei dem eine Verdampfungsquelle durch ein Gasplasma verdampft und ionisiert wird, um eine Schicht auf der Oberfläche des Substrats zu bilden.

Wenn die Ionenbeschichtung mit Chrom als Verdampfungsquelle und ohne Verwendung von Prozeßgas ausgeführt wird, entsteht eine Cr-Schicht als Zwischenschicht.

Wenn die Ionenbeschichtung mit Chrom als Verdampfungsquelle unter Verwendung von Prozeßgas ausgeführt wird, entsteht eine Zwischenschicht aus einer Cr₂N-Schicht, einer CrN-Schicht und einer Schicht bestehend aus Cr und Cr₂N oder einer Schicht aus Cr₂N und CrN.

Wenn bei dem Ionen-Beschichtungsverfahren zur Bildung der Zwischenschicht Stickstoffgas als das Prozeßgas verwendet wird, kann das Ionen-Beschichtungsverfahren einen Prozeß, bei dem die Ionen-Beschichtung ohne Zufuhr von Stickstoffgas in die Ionen- Beschichtungsatmosphäre durchgeführt wird, und einen Prozeß umfassen, bei dem die Ionen-Beschichtung mit Stickstoffgaszufuhr in die Ionen- Beschichtungsatmosphäre erfolgt. Die Ionen- Beschichtung kann bei verschiedenen Gas drücken erfolgen, indem man den Druck des Stickstoffgases in der Ionen-Beschichtungsatmosphäre verändert.

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

Wenn die Zwischenschicht vorher auf dem Basismaterial des Gleitelements gebildet wird und die harte Deckschicht anschließend auf der Zwischenschicht entsteht, wird die Basismaterialoberfläche des Gleitelementes gegen Oxidieren durch das Sauerstoffgas geschützt, das bei dem Auftragen der harten Deckschicht während des Ionen-Beschichtungsverfahrenes verwendet wird. Als ein Ergebnis davon hat die harte Deckschicht ein gutes Haftvermögen an dem Gleitelement. Aus diesen Gründen hat das erfindungsgemäße Gleitelement eine ausgezeichnete Haltbarkeit.

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-Beschichtungsvorrichtung.

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

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 der harten Deckschicht, der zusammengesetzt ist aus einem Hartbeschichtungsmaterial, das 23 Gew.-% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristallstruktur von CrN enthält.

Fig. 6 ist ein Röntgendiagramm entsprechend Fig. 5 mit einem Sauerstoffgehalt des Hartbeschichtungsmaterials 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 daargestellten Maschine erhaltenen 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 Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 ist ein teilweiser Längschnitt eines Kolbenringes einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Kolbenring 1 mit einem rechteckigen 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 einer harten Deckschicht 3 beschichtet, die mittels eines Lichtbogen-Ionen-Beschichtungsverfahrenes aufgetragen worden sind.

Die Zwischenschicht 2 besteht aus einer der folgenden Schichten.

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

Die Zwischenschicht 2 verhindert, daß die Basismaterialoberfläche während des Auftragens der harten Deckschicht 3 durch Ionen-Beschichtung 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 und 15 µm vorteilhaft ist.

Die harte Deckschicht 3 ist aus einem Hartbeschichtungsmaterial 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 der harten Deckschicht 3 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 µm bis 70 µm.

Das Lichtbogen-Ionen-Beschichtungsverfahren ist ein solches, bei dem ein Beschichtungsmaterial der verdampfenden Quelle (Kathode) verdampft und durch Vakuum-Lichtbogenentladung ionisiert wird, um eine Schicht auf der Oberfläche des Substrates zu bilden. Dieses Lichtbogen-Ionen-Beschichtungsverfahren ist gekennzeichnet durch eine hohe Ionisierungsrate des Dampfes, wodurch die Bildung einer hoch-haftfähigen, hoch-dichten Schicht ermöglicht wird.

Eine Basisausrüstung eines Lichtbogen-Ionen- Beschichtungsapparates wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Eine Kathode (Verdampfungsquelle) 11, die aus einem Beschichtungsmaterial zusammengesetzt ist, und ein Substrat 12, auf dem eine Schicht 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-Erzeugungsquelle angeschlossen. An das Substrat 12 wird eine von einer Vorspannungsquelle 14 erzeugte, negative Vorspannung angelegt. Die Vakuumkammer 10 ist mit einem an eine Prozeßgasquelle angeschlossenen 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 Lichtbogenstroms (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- Beschichtungsgerät kann dazu benutzt werden, die Zwischenschicht 2 auf dem Kolbenring zu bilden.

Wenn die Zwischenschicht 2 durch Ionen-Beschichtung abgelagert wird, wird die Oberfläche des Kolbenringes vor der Ionen-Beschichtung 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 die Oxidschicht auf der Oberfläche des Kolbenringes zu entfernen. Dabei steigt die Temperatur des Kolbenrings auf etwa 600°C an. Wenn anschließend die Vorspannung schrittweise verringert wird, beginnt die Ablagerung etwa vom 300-Volt-Niveau an.

Wenn die Zwischenschicht 2 eine Cr₂N-Schicht, eine CrN-Schicht, eine aus Cr und Cr₂N zusammengesetzte oder eine aus Cr₂N und CrN zusammengesetzte Schicht ist, kann die Zwischenschicht 2 dadurch gebildet werden, daß man bei der Ionen-Beschichtung Chrommetall 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 geändert werden. Die durch Ionen beschichtung abgeschiedenen Phasen können durch Diffraktionsanalyse bestimmt werden. Typen der Zwischenschicht unterschiedlicher Abscheidungsphasen sind unten aufgeführt, und die Zwischenschicht wird zum niedrigeren Typ, wenn der Druck des Stickstoffgases höher wird.

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

Das Verhältnis zwischen dem Druck des Stickstoffgases und der Zusammensetzung der Zwischenschicht 2 ist in Tabelle 1 angeben. 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.

Wenn die Zwischenschicht 2 eine Cr-Schicht ist, wird die Ionen-Beschichtung mit Chrommetall als Kathodenmaterial ohne Benutzung eines Prozeßgases durchgeführt.

Nachdem eine vorgeschriebene Dicke der Zwischenschicht 2 auf dem Kolbenring erreicht ist, wird die Ionen-Beschichtung durchgeführt, indem Stickstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase in die Vakuumkammer 10 des Lichtbogen-Ionen- Beschichtungsgeräts eingeleitet werden, wodurch auf der vorher gebildeten Zwischenschicht des Kolbenrings eine harte Deckschicht gebildet wird, die zusammengesetzt ist aus einem harten Beschichtungsmaterial, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in dem CrN enthält.

Tabelle 1

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

Die Steuerung der Härte der harten Deckschicht, die aus einem Hartbeschichtungsmaterial besteht, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in dem CrN enthält, kann durch Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks und Einstellen der Vorspannung während des Ionen-Beschichtungsverfahrenes erfolgen. Wenn der Sauerstoffpartialdruck erhöht wird, nimmt die Schichthärte zu (siehe Tabelle 2). Zusätzlich erhöht sich bei ansteigender Vorspannung auch die Schichthärte (siehe Tabelle 3).

Vorspannung 5 V
Sauerstoffkonzentration (%)
Härte der harten Deckschicht (HV_0,1)
7,3
1838
10,0	2059
13,3	2131

Sauerstoffkonzentration 7,3%
Vorspannung (V)
Härte der harten Deckschicht (HV_0,1)
3
1776
5	1838
10	1854

Um die Zähigkeit bzw. Festigkeit der obengenannten harten Deckschicht 3, die aus einem Hartbeschichtungsmaterial zusammengesetzt ist, das Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, zu ermitteln, wurde eine Stift-Auf-Zylinder-Reibungstestmaschine benutzt, um einen Schichtzähigkeits- bzw. Schichtfestigkeitsermittlungsversuch durchzuführen. 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 Umfangsfläche 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 der harten Deckschicht 3 des Kolbenrings 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 Vergleichskolbenringen) durchgeführt, die jeweils unterschiedliche Sauerstoffmengen in der harten Deckschicht aufwiesen. Die Dicke der harten Deckschicht des bei der Messung verwendeten Kolbenrings betrug 50 µm, und die Rauhigkeit der Schicht betrug 0,6 µmRZ. Die Zwischenschicht war eine CrN-Schicht, und die Dicke der Zwischenschicht betrug 7,6 µm.

Die Messung des Sauerstoffanteils in der harten Deckschicht 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
Last (P): 2,2680 kg
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 der harten Deckschicht (Gew.-%)
Gleitgeschwindigkeit, bei der Risse in der harten Deckschicht 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 Gleitgeschwindigkeit von 7 m/s für Deckschicht-Sauerstoffgehalte von 4,4, 8,5, 10,4 und 15,7 Prozent.

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

Um eine ausreichende Zähigkeit bzw. Festigkeit in der harten Deckschicht gemäß der bevorzugten Ausführungsform zu erhalten, wurde der Sauerstoffgehalt 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 (Röntgenstrahlröhre: Kupfer) eine Verschlechterung der Schichtzähigkeit bzw. Schichtfestigkeit. Es wurde daher eine obere Sauerstoffgrenze von 20 Gew.-% festgelegt. Fig. 6 zeigt das Röntgenstrahldiffraktionsmuster (Röntgenstrahlröhre: Kupfer), wenn der Sauerstoffgehalt 10 Gew.-% betrug, wobei für Cr₂O₃ keine Diffraktionsspitzen auftraten. CrN hat eine Kristallstruktur vom NaCl-Typ. Cr₂O₃ hat eine orthorombische Kristallstruktur.

Die harte Deckschicht, die aus einem Hartbeschichtungsmaterial 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 Schichthärte innerhalb des Vickers- Härtebereichs von 1600 bis 2200 festgelegt.

Um die Abriebeigenschaften der harten Deckschicht, die aus einem Hartbeschichtungsmaterial zusammengesetzt 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 beschreibenden Rotor 31 gegenüberliegt. Eine Scheibe 32 (Eisengußmaterial: JIS FC 250) wird in der Ausnehmung befestigt. Die Scheibe 32 ist dem Rotor 31 zugewandt. Die Oberfläche der dem Rotor gegenüberliegenden 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 schrägverlaufend 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 Stifthalter 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 Oberflächenbehandlungsschichten 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 31 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 (Vergleichsprobe) durchgeführt, die jeweils eine Hartverchromungs-Beschichtung, eine nitrierte Schicht aus rostfreiem Stahl und eine CrN-Schicht ohne Sauerstoffanteil in den CrN enthielten, und andererseits für einen Stift (gemäß der vorliegenden Erfindung), der eine CrN-Schicht aufwies, der auf einer Zwischenschicht aus Cr₂N (Schichtdicke: 5,0 µm) gebildet worden war, wobei die CrN- Schicht Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in dem CrN enthielt.

Die Versuchsbedingungen waren wie folgt:
Schmieröl: Hi-Diesel 53 10W Maschinenöl, Öltemperatur 80 °C;
Last (P): Anwachsend um 10 kgf, ausgehend von einer Anfangslast von 20 kg, in Zeitintervallen von 3 Minuten;
Gleitgeschwindigkeit: 8 m/s konstant;
Temperatur: Raumtemperatur.

Wie sich aus den Versuchsergebnissen gemäß Fig. 8 ergibt, ist es offensichtlich, daß die CrN-Schicht der Hartverchromungs-Beschichtung oder der Nitridschicht hinsichtlich des Abriebwiderstandes überlegen ist. Es ist weiterhin offensichtlich, daß eine CrN-Schicht, die erfindungsgemäß Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, hinsichtlich des Abriebwiderstandes der Schicht ohne Sauerstoff überlegen ist.

Als nächstes wurde die Haftung einer harten Deckschicht, die aus einem Hartbeschichtungsmaterial zusammengesetzt 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 Kolbenrings aufgebrachte Last waren wie folgt:
Stempel: Diamant mit einem Konuswinkel von 120;
Last: 60 kg, 100 kg, 150 kg.

Die harte Deckschicht, die aus einem Hartbeschichtungsmaterial zusammengesetzt war, welches Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in CrN enthält, ist wie folgt gekennzeichnet:
Ionen-Beschichtungsbedingungen:
Vorspannung 5 Volt;
Sauerstoffanteil in der Atmosphäre: 10,0%;
Schichtdicke: 50 µm;
Schichthärte: HV_0,1 2059;
Sauerstoffgehalt in der Schicht : 11,3%.

Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse des Hafttests der obigen harten Deckschicht mit und ohne Zwischenschicht. In Tabelle 5 bedeutet das Zeichen "0", daß Risse 41 in der äußeren Umfangsfläche 40 des Kolbenrings (entsprechend Fig. 9(a)) aufgetreten sind, und das Zeichen "X" bedeutet, daß zusammen mit den Rissen 41 in der äußeren Umfangsfläche 40 des Kolbenrings auch Abschälungen (43 bezeichnet einen abgeschälten Bereich) auf der Peripherie einer Eindruckstelle 42 (entsprechend Fig. 9(b)) aufgetreten sind.

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

Tabelle 5

Fig. 11 zeigt einen Längsschnitt eines Teils eines Kolbenrings 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 der harten Deckschicht versehen sind. Die Zwischenschicht 2 und die harte Deckschicht 3 sind an der äußeren Umfangsfläche, den Ober- und Unterseiten und der inneren Umfangsfläche des Kolbenrings 1 mittels eines Lichtbogen- Beschichtungsverfahrens gebildet worden.

Fig. 12 zeigt einen Längsschnitt eines Teils eines Kolbenrings 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 Kolbenrings dieser Ausführungsform hat eine Zweischichten-Struktur. Diese Zwischenschicht 2 ist ein Zweilagenschicht, bestehend aus jeweils zwei der folgenden Schichten: Cr-Schicht, Cr₂N- Schicht, CrN-Schicht aus Cr und Cr₂N zusammengesetzte Schicht, und aus Cr₂N und CrN zusammengesetzte Schicht.

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

Entsprechend können damit sowohl eine Cr-Schicht und eine weitere Schicht (Cr₂N-Schicht, CrN-Schicht, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzte Schicht, oder aus Cr₂N und CrN zusammengesetzte Schicht) in der im folgenden unter den Ziffern (1) oder (2) beschriebenen Weise gebildet werden.

(1) Zuerst erfolgt eine Ionen-Beschichtung ohne Zufuhr von Stickstoffgas in die Vakuumkammer 10. Als nächstes erfolgt die Ionen-Beschichtung, wobei Stickstoffgas in die Vakuumkammer 10 eingeleitet wird. In diesem Fall wird die Basismaterialoberfläche mit einer Cr-Schicht beschichtet, und eine weitere Schicht (Cr₂N-Schicht, CrN-Schicht, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzte Schicht, oder aus Cr₂N und CrN zusammengesetzte Schicht) auf der Cr-Schicht abgelagert.
(2) Zuerst erfolgt eine Ionen-Beschichtung, wobei Stickstoffgas in die Vakuumkammer 10 eingeleitet wird. Anschließend erfolgt eine Ionen-Beschichtung, wobei das Stickstoffgas aus der Vakuumkammer 10 evakuiert wird. In diesem Fall wird auf der Basismaterialoberfläche eine Schicht (Cr₂N-Schicht, CrN-Schicht, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzten Schicht, oder aus Cr₂N und CrN zusammengesetzten Schicht) abgelagert, und eine Cr-Schicht wird auf dieser Schicht gebildet.

Eine Schicht, bestehend aus einer Kombination von zwei von einer Cr₂N-Schicht, CrN-Schicht, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzten Schicht, und aus Cr₂N und CrN zusammengesetzten Schicht, kann in der unten beschriebene Weise gebildet werden.

Die Ionen-Beschichtung erfolgt bei einem spezifischen Druck des der Vakuumkammer 10 zugeführten Stickstoffgases, und sie wird fortgeführt, indem der Stickstoffdruck in der Vakuumkammer 10 verändert wird, um jeweils unterschiedliche Schichten zu bilden. Durch Veränderung des Drucks des Stickstoffgases können, wie oben erwähnt, unterschiedliche Schichttypen gebildet werden.

Während die Zwischenschicht gemäß Fig. 2 eine Zweilagenschicht ist, kann die Zwischenschicht auch aus einer Dreilagen- oder Mehrlagenschicht bestehen.

Während Fig. 12 ein Beispiel zeigt, bei dem die Zwischenschicht und die harte Deckschicht auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings gebildet sind, können die Zwischenschicht und die harte Deckschicht 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 die harte Deckschicht auf einem Kolbenring aufgetragen sind, sind diese Schichten in ihrer Anwendung nicht auf Kolbenringe beschränkt. Diese Schichten können dazu verwendet werden, um mindestens die Gleitfläche von anderen Gleitelementen, beispielsweise einem Stößel oder einem Nocken zu beschichten, welche als Ventilantriebselemente einer Verbrennungskraftmaschine benutzt werden.

Claims

1. Gleitelement aus Stahl oder Gußeisen mit einer auf mindestens einer Gleitfläche abgelagerten Zwischenschicht, auf der wiederum eine harte Deckschicht abgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mindestens eines der aus Cr₂N, CrN, Cr und Cr₂N sowie Cr₂N und CrN ausgewählten Materialien umfaßt, und daß die Hartstoffschicht ein Hartbeschichtungsmaterial umfaßt, das 3-20 Gew-.% Sauerstoff in einem festen Lösungszustand in einer Kristallstruktur von CrN enthält und eine Vickers- Härte von 1600 bis 2200 hat.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine Cr₂N-Beschichtung umfaßt.

3. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine CrN-Beschichtung umfaßt.

4. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine aus Cr und Cr₂N zusammengesetzte Beschichtung umfaßt.

5. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine aus Cr₂N und CrN zusammengesetzte Beschichtung umfaßt.

6. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine Mehrlagenbeschichtung umfaßt, die zwei oder mehrere Cr₂N, CrN, aus Cr und Cr₂N zusammengesetzte und aus Cr₂N und CrN zusammengesetzte Beschichtungslagen enthält.

7. Verwendung des Gleitelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als ein Kolbenring, auf dem die besagten Schichten abgelagert sind, wobei die Oberfläche, auf der diese Schichten abgebildet sind, eine äußere Umfangsfläche des Kolbenrings ist.

8. Verwendung des Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Kolbenring ist, auf dem die besagten Schichten abgelagert sind, und daß die Flächen, auf denen diese Schichten gebildet sind, eine äußere Umfangsfläche, eine Oberseite und eine Unterseite des Kolbenringes sind.

9. Verwendung des Gleitelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Kolbenring ist, auf dem die besagten Schichten abgelagert sind, und daß die Flächen, auf denen diese Schichten gebildet sind, eine äußere Umfangsfläche, eine Oberseite, eine Unterseite und eine innere Umfangsfläche des Kolbenringes sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelementes, dadurch gekennzeichnet, daß man auf mindestens einer Gleitfläche des Gleitelements eine Zwischenschicht durch einen Ionen beschichtungsprozeß, bei dem das Chrommetall als eine Verdampfungsquelle verwendet wird, bildet, und daß man auf dieser Zwischenschicht eine harte Deckschicht bildet, in dem Chrommetall als Verdampfungsquelle und Stickstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase benutzt werden.

11. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelementes nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man bei dem Ionenbeschichtungsprozeß zur Bildung der Zwischenschicht Stickstoffgas als Prozeßgas verwendet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschichtungsprozeß einen Prozeß ohne und einen mit Zufuhr von Stickstoffgas in die Ionenbeschichtungs atmosphäre umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenbeschichtung bei unterschiedlichen Gasdrücken erfolgt, indem man den Druck des Stickstoffgases in der Ionenbeschichtungsatmosphäre während des Ionenbeschichtungsprozesses zur Bildung dieser Zwischenschicht verändert.