JP2004292952A - 摩擦および摩耗を最小限に抑えるための炭窒化層および該炭窒化層を製作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦学的なシステムにおける摩擦および摩耗を最小限に抑える。
【解決手段】炭窒化層（１９）が微細構造化部（２０）を有しているようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、潤滑された摩擦学的なシステムにおける材料表面の摩擦および摩耗を最小限に抑えるための炭窒化層に関する。さらに本発明は、潤滑された摩擦学的なシステムにおける材料上の摩擦および摩耗を最小限に抑えるための炭窒化層を製作する方法に関する。

互いに強く擦り合わされる、鉄を含有した材料の表面は高い腐食特性および摩耗特性を示す。８０年代初頭から、これらの特性が窒化物層の事後的な酸化により大幅に改善され得ることが分かっている。特に良好な結果は、炭窒化（Ｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｅｒｅｎ）と、これに引き続いての酸化とから成る方法ステップのコンビネーションにより達成される。両方法ステップはガス状の媒体内においても液状の媒体内においても実施されることができる。有利には、炭窒化および酸化は溶融状態にある塩浴内で実行され、その際に、炭窒化はアルカリ金属炭酸塩およびアルカリ金属シアン酸塩をベースに実施される。

そこで例えばドイツ連邦共和国特許第３２４５６８９号明細書に開示されている金属リングを炭窒化する方法の場合、リングのスタックがチャンバ内に装填されて、チャンバは排気され、そして浸炭ガスと窒化ガスとを２５：７５〜７５：２５体積％の割合で混合したガスにより充填され、その際に４５０℃〜６５０℃の間の温度でリングの半径方向外面および側面の炭窒化が実行される。このようにして、摩耗をかなり減少することが達成される。

互いに運動するボディの摩擦、摩耗および潤滑に関する学問はトライボロジ（摩擦学）と呼ばれる。図１には、潤滑された摩擦接触部（摩擦学的なシステム）１０が示されており、摩擦接触部１０はボディ１１と対応ボディ１２とから成っており、両ボディは潤滑膜１３により隔てられている。両ボディ１１，１２は例えば鉄を含有した材料から成っている。ボディ１１，１２の内の少なくとも一方には炭窒化層１４が摩耗保護として被覆されている。炭窒化層１４は図示の例では、ボディ１１に被着されたコンパクトな化合物層１５と、この化合物層上に堆積された、セラミックに類似した多孔性の層（有孔縁部）１６とから成っている。化合物層１５と有孔縁部１６とは同じ材料から成っているが、それぞれ異なる相にあって、このことはプロセスパラメータを適用に選択することにより達成される。ボディ１１，１２は互いに相対的に運動し、このことは双方向矢印１７により暗示されている。

炭窒化層１４の、摩擦学的な作用形式は以下の通りである。被覆パラメータを調節することにより、空隙の形成、ひいては有孔縁部１６の生成は最小限に抑えられるもしくは阻止されることができる。コンパクトな化合物層１５上に、有孔縁部１６が存在していないかまたは僅かな密度（０．５μｍ）を有した有孔縁部１６しか存在していない場合には、化合物層１５は極めて僅かな空隙密度および空隙サイズを有しているに過ぎない。このことは結果的に、例えば潤滑剤としての燃料のような潤滑能力の低い媒体においても、金属の対応ボディ１２と、潤滑された形で接触しているこの層の僅かな摩擦係数につながる。僅かな摩擦係数は摩耗に対してポジティブに作用し、要するに層はより安定性である。しかしながら、僅かな流体力学的な作用を有した潤滑剤（例えば燃料）を使用した場合や、面的に拡がる摩擦接触部の場合には、ボディ１１，１２を隔てる潤滑膜１３が引き裂かれ、これにより凝着摩耗が発生するという危険が存在する。

ただし、凹凸を施した有孔縁部１６が存在している場合には、このことは比較的に高い摩擦係数、ひいては比較的に高い摩耗および比較的に高い発熱につながる。凹凸を施した有孔縁部の場合、空隙は約１μｍの幅を有しており、その深さは約１０μｍまでである。それに加えて、高い空隙密度および空隙サイズは層の、空隙間で欠損する傾向を増進してしまう。それというのは、空隙がき裂の始点を成すからである。別の面では、大きな空隙は潤滑剤溜めとして働き、かつこれにより、特に媒体の潤滑能力が低い場合に、潤滑膜の引き裂き、ひいては凝着摩耗を阻止する助けとなる。

つまり、凹凸を施した有孔縁部は、有孔縁部が最小であるかもしくは存在しない場合に比して、逆向きの作用を示す。それゆえ、これらの逆向きの作用を互いに関連付けて、可能な限り僅かな摩擦係数（小さな空隙、僅かな空隙密度）が存在し、潤滑膜が引き裂かれることのないようにすることが望ましい。

公知の解決策における欠点は、小さくてかつ割合に僅かな空隙が存在する場合にも、層が一般に不安定になってしまう点にあって、それというのは、既に述べたように、空隙が層におけるき裂のための出発点を成してしまうからである。
ドイツ連邦共和国特許第３２４５６８９号明細書

したがって本発明の課題は、摩擦学的なシステムにおける摩擦および摩耗を最小限に抑えることである。その際、一方では、本発明による炭窒化層が可能な限り僅かな摩擦係数を有していることが達成されるべきであり、他方では同時に、層に存在する空隙がき裂の始点として働いてしまい、層が不安定になることが阻止されるべきである。

上記課題を解決した本発明の構成によれば、炭窒化層が微細構造化部を有しているようにした。微細構造化部は潤滑剤溜めとして働き、同時に層を安定化する。それというのは、微細構造化部は所定の構造を有しており、それにより層の欠損を阻止するからである。このような形で、層内のき裂形成の原因である空隙形成が阻止される。

本発明による炭窒化層が背景技術に対して有する利点は、炭窒化層がき裂形成の可能性を、その全てを取り除くとは言えないまでも、少なくとも減じる点にある。

別の利点は、潤滑剤溜めが残されたままであり、それにより凝着摩耗の発生が最小限に抑えられる点にある。

本発明の有利な変化形は従属請求項に挙げた手段から得られる。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。

図２には、本発明による炭窒化層の構造が示されている。その内、図２Ａには本来の炭窒化プロセス前の微細構造化部の形成が示されており、図２Ｂには炭窒化プロセス後の形成が示されている。

図２Ａには、図１に示したボディ１１に該当するボディ１８が示されている。このボディ１８には、後続のプロセスステップでコンパクトな化合物層１９が被着されるべきである。このコンパクトな化合物層１９は、図１に示した層１５に該当する。

図１に示した層１５とは異なり、層１９が被着される前に、ボディ１８には微細構造化部２０が設けられる。この場合、構造化部のディメンションは、構造が、ボディ１８の表面上の層１９を通して描出されるような大きさに選択されなければならない。この構造化方法では、それゆえ比較的に粗野な構造のみが可能である。

これに対して、既に存在している炭窒化層に作り込まれる、つまり本来の炭窒化プロセス後（図２Ｂ参照）に作り込まれる構造は任意の大きさであることができる。要するにこの場合、空隙のオーダーは例えば約１μｍ〜約１０μｍの領域で、背景技術に存在していた空隙の作用が可能な限り正確に再現されるように選択されていることができる。

一般に、ほぼ任意の構造が生ぜしめられることができ、その際、制限は構造化プロセスの限界によってのみ付与されている。層が平滑な表面上に被着されるべき場合、層は被覆プロセスの限界内でやはり平滑な表面を有することになる。引き続いて、この層に構造化部が作り込まれることができる。つまり、このやり方では、構造の選択は製作プロセス自体によってのみ制限される。

被覆後に別のプロセスステップが所望されていない場合には、本来の被覆前に、構造化された表面を生ぜしめる可能性が存在する。この事例で、層は構造を覆って成長する。このことにより、この構造は「塗り込められる」。それゆえ、構造の大きさは、構造が被覆後にもまだ描出されているように選択されなければならない。それゆえ、構造は被覆プロセスから得られる層厚さよりも大きくなければならない。

層１９に微細構造を設けることは例えばレーザ構造化により達成されることができる。その際に、レーザビームを用いて局所的に高エネルギが材料に入力され、材料はこの箇所で飛ばされて、その際にクレータを生ぜしめる。類似の方法は例えばレーザビーム溶接またはレーザビーム切断である。

層１９に微細構造を作り込む別の可能性は、例えば研削プロセス、ラッピングプロセスもしくは研磨プロセスの組み合わせにより実施されることができる。粗い研削により、最初にボディ１８の表面が粗面化される。このことにより、研削溝が生ぜしめられる。その後で、ラッピングおよび／または研磨により粗さ尖端が除去され、その際に比較的に平滑な面が生ぜしめられる。ただしその際に、研削プロセスから得られた凹部は残されたままであるので、終了時に、平滑な表面には個々の深い溝が後に残される。

つまり、本発明による炭窒化層において、これまで背景技術では層内に存在していた、正確には定義されない空隙が、定義される微細構造によって代替されている。

この微細構造の可能な形状は図３Ａおよび図３Ｂに示されている。図３Ａに示されているように、微細構造はチャネル２１の形状で形成されていることができる。これらのチャネルは有利には、その中に蓄えられた潤滑剤の、運動による追い出しを阻止するために、互いに相対的に運動するボディの運動方向２３に対して垂直に配置されている（図１比較参照）。

本発明による微細構造の別の実施形態は図３Ｂに示されている。ここでは構造が小カップ２２として形成されているので、潤滑剤はボディの摩擦時にしかるべき場所に保たれる。小カップは有利には１〜１０μｍの深さと、５〜１０μｍの直径とを有している。

本発明による炭窒化層は鉄を含有したワークの摩擦特性および摩耗特性の明らかな改善を可能にする。同時に、本発明による炭窒化層は、存在する微細構造化部が潤滑剤溜めとして機能し、それにより凝着摩耗を防止するという利点を提供する。

背景技術による摩擦学的なシステムの構造を概略的に示す図である。

本発明による摩擦学的なシステムの構造を概略的に示す図である。

本発明による炭窒化層の可能な２つの実施形態を概略的に示す図である。

符号の説明

１０ 摩擦接触部（摩擦学的なシステム）、 １１ ボディ、 １２ 対応ボディ、 １３ 潤滑膜、 １４ 炭窒化層、 １５ 化合物層、 １６ 有孔縁部、 １７ 運動方向、 １８ ボディ、 １９ 化合物層、 ２０ 微細構造化部、 ２１ チャネル、 ２３ 運動方向、 ２２ 小カップ

Claims (10)

1. 潤滑された摩擦学的なシステムにおける材料表面（１８）の摩擦および摩耗を最小限に抑えるための炭窒化層（１９）において、炭窒化層（１９）が微細構造化部（２０）を有していることを特徴とする、摩擦および摩耗を最小限に抑えるための炭窒化層。
2. 微細構造化部（２０）がチャネル（２１）または小カップ（２２）から成る、請求項１記載の炭窒化層。
3. チャネル（２１）が材料の運動方向に対して垂直に配置されている、請求項２記載の炭窒化層。
4. 微細構造化部（２０）が、本来の炭窒化プロセス前に付与可能である、請求項１から３までのいずれか１項記載の炭窒化層。
5. 微細構造化部（２０）が、本来の炭窒化プロセス後に付与可能である、請求項１から３までのいずれか１項記載の炭窒化層。
6. 微細構造化部（２０）のサイズが約１μｍ〜約１０μｍの領域にある、請求項２記載の炭窒化層。
7. 微細構造化部（２０）が潤滑剤溜めとして使用可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の炭窒化層。
8. 潤滑された摩擦学的なシステムにおける材料上の摩擦および摩耗を最小限に抑えるための炭窒化層（１９）を製作する方法において、微細構造化部（２０）を炭窒化層（１９）に設けることを特徴とする、炭窒化層を製作する方法。
9. 微細構造化部（２０）を、本来の炭窒化プロセス前に付与する、請求項８記載の方法。
10. 微細構造化部（２０）を、本来の炭窒化プロセス後に付与する、請求項８記載の方法。

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