JP2008510863A - 耐摩耗性被膜およびその製造法 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦を減少させ、機械部材（１）の所定面（２）の摩耗抵抗を高めるために、殊に機械部材（１）の所定面（２）上に施こされた、ｓｐ²−およびｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素からなる水素不含またはほぼ水素不含の正四面体の少なくとも１つの無定形炭素層（４）からなる内燃機関のための摩擦による摩耗に晒される機械部材（１）の所定面上の耐摩耗性被膜および該耐摩耗性被膜の製造法に関する。

Description

発明の使用分野
本発明は、摩擦による摩耗に晒される機械部材の予め定められた表面上の耐摩耗性被膜および殊に内燃機関における機械部材のための前記種類の耐摩耗性被膜の製造方法に関する。

任意の機械部材が使用可能であるとしても、本発明ならびに本発明の基礎となる課題は、内燃機関のための機械部材、殊に弁駆動構成成分、例えばカップタペットに関連して詳説される。

例えば、往復動ピストンを備えた内燃機関中に組み込まれており、クランク軸の回転で位相的にかまたは同期的に開閉する空気入口弁および空気出口弁を有するカムタペット装置は、公知である。弁駆動機構は、カム軸が内燃機関のクランク軸と一緒に回転する場合に、カム幅に取り付けられたカムの運動を弁上に伝達するために使用される。この場合、カム軸のカムは、対応配置されたカップタペットの走行面と摩擦接触する。

一般に、現在の弁駆動構成成分、例えばこの種のカップタペットおよびポンプタペットには、耐摩耗性および資金保護に関する要求がますます高まっている。高められた摩耗抵抗が必要となる原因は、制御カムおよび制御タペットからなる摩擦系の負荷および要求が常に高度になることにある。このための原因は、新しいモータの概念、例えば噴射圧力が絶えず上昇し、潤滑剤中の研磨粒子の含量増大し、摩擦成分の油供給量が不足するガソリン直接噴射系およびディーゼル直接噴射系にあり、このことは、混合摩耗量の高められた含量を結果として生じ、費用および質量を減少させるために摩擦的に不利な鋼製カムがますまし使用されている。資金保護のために重要な貢献は、弁の運転において摩擦損失が減少することであり、それにより、同時に全体の弁駆動の寿命が高められると、燃料は節約される。摩擦損失を有効に減少させるために、摩擦モーメントを全回転数範囲内に減少させ、即ちストライベック曲線が全体的に上向きに移動することが必要である。

この種のカップタペットを内燃機関の弁制御のために軽金属タペットとして形成させることは、公知であり、この場合この軽金属タペットは、タペット基体と弁制御の制御カムのための接触面上に嵌め込まれた、硬化した表面を有する鋼板とを有している。

しかし、この取付け物の欠点は、この種のカップタペットが運転の際に冷時開始時の−３０℃から内燃機関の運転中の約１３０℃までの比較大きな温度変動に晒されることから明らかである。この場合、使用される材料の異なることが予想される熱膨張率は、問題である。実際に、耐摩耗性の嵌め込み物として軽金属タペット中に嵌め込まれる鋼板は、良好な耐摩耗特性を有するが、しかし、相応する熱負荷の際に剥離する傾向にある。従って、熱負荷可能性は、制限されている。更に、使用技術的欠点は、構造空間が比較的に幅広の縁部の形で、弁制御の制御カムによって接触される機能面またはカム接触面として失われることにある。

公知技術水準の取付け物によれば、同様に、摩擦摩耗に晒される機械的部材の走行面に、使用の場合に応じて有利に電気メッキにより施こされる金属または溶射法により施こされる金属および／または場合による樹脂添加剤を有する金属合金からなる摩耗保護層を装備することは、公知である。

しかし、前記取付け物について、溶射された金属層が比較的弱い強度を有することは、不利であることが判明し、したがって、強度の改善のために、金属層を施与後に、例えばプラズマビーム、レーザービーム、電子線またはアークによって、噴射材料がこの場合に同時に溶融された基本材料の表面範囲内で融液状に混合されかつ合金化されるように再溶融することは、公知である。しかし、再溶融合金の場合には、異なる組成の不均一な帯域が生じ、この帯域は、基本材料ならびに層材料が占める可能性がある。この場合、基本材料の含量が高すぎる場合には、層摩耗量は、高すぎ、基本材料の含量が僅かである場合には、種々の層の組合せで巨大な亀裂が形成する危険があり、したがってこのような層は、使用可能である。このような場合には、摩擦負荷は、層に対して望ましくない付着摩耗を引き起こし得る。

更に、本出願人によれば、カップタペットの走行面を熱化学的処理法によりカルボニトロ化および／またはカルボ浸炭するという取り組み方は、公知である。しかし、この取り組み方により、満足な摩擦係数が達成されず、僅かな摩耗抵抗が生じるという事実は、不利であることが判明した。

更に、本出願人によれば、タペットの走行面を燐酸マンガン層または滑りラッカーで被覆することは、公知である。この場合も、満足な摩擦係数および摩耗抵抗は、達成されない。その上、この種の材料によって、環境は、不必要に負荷される。同じことは、同様に走行面上に施されていてよい電気メッキ層にも言える。

更に、公知技術水準において、被覆材料として硬質金属および高速度工具鋼（ＡＳＰ23）は、公知であるが、しかし、これは、満足できない摩擦係数および満足できない摩耗抵抗と共に、付加的に不利に高い材料を有する。更に、前記の硬質金属および高速度工具鋼の完成は、単に高い完成費用と関連する。

本出願人によれば、例えばＰＶＤまたは（ＰＡ）ＣＶＤ法により製造された硬質層、例えばＴｉＮ、ＣｒＮ、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎは、公知である。しかし、この取り組み方の欠点は、前記層が対向体の高い摩耗を結果として生じるという事実から明らかであった。

米国特許第５２３７９６７号明細書の記載から、被覆層中に水素２０〜６０原子％を有する、炭素を基礎としたＰＶＤ層および（ＰＡ）ＣＶＤ層、所謂金属含有炭化水素層（Ｍｅ−Ｃ：Ｈ）および無定形炭化水素層（ａ−Ｃ：Ｈ）は、公知である。しかし、前記層は、僅かすぎる摩耗抵抗および僅かな化学的安定性を有する。更に、前記層は、高すぎる液体摩擦係数を有する。それというのも、前記層は、潤滑油が塗布された状態で摩擦減少が保証されていないからである。

従って、本発明は、上記欠点を排除し、殊に摩擦モーメントを全使用範囲で減少させ、被覆された機械部材ならびに対向体の寿命を高めるような被膜ならびにそのような被膜の製造方法を得るという課題を基礎とする。

この課題は、本発明によれば、装置面で請求項１の特徴を有する耐摩耗性被膜によって解決され、方法面で請求項１３の特徴を有する方法によって解決される。

本発明の基礎となる観念は、耐摩耗性の被膜が摩擦減少のためおよび機械部材の所定面の摩耗抵抗を高めるために、機械部材の所定面上に取り付けられた、ｓｐ²−およびｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素からのほぼ水素不含の正四面体の少なくとも１つの無定形炭素層からなることにある。この場合、層系は、例えば９７原子％を上廻る炭素からなり、この場合水素含量は、最大３原子％である。

従って、本発明は、公知技術水準による公知の取り組み方と比較して、殊に潤滑油が塗布された状態で水素不含の炭素層によって、摩擦モーメントが著しく減少するという利点を有する。更に、表面状態は、著しく均一化され、安定化される。付加的に、摩耗抵抗は、ｓｐ³−結合の含量のために増大される。優れた摩擦特性によって、僅かな内部摩擦を有し、低い粘度を有する安価な潤滑剤が使用されることができる。その上、油交換間隔を高めることができ、ひいては顧客に便利さを与えることができる。潤滑剤として油圧油、ディーゼル燃料、水ないしガソリンを使用することができることによって、食品工業、油圧的用途および媒体による潤滑作用を有する他の用途における全く新規の使用分野が提供される。

従属請求項には、請求項１に記載された耐摩耗性の被膜の好ましい形成および改良ならびに請求項１３に記載された方法の好ましい形成および改良が見出せる。

好ましい他の形成によれば、被膜は、ハイブリダイズされた炭素少なくとも９７原子％からなり、この場合正四面体の無定形炭素層中のｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素の含量は、５０％を上廻る。このようにｓｐ³−結合の高い含量によって、高い硬度値および極めて低い乾式摩擦値が達成される。

更に、好ましい実施例によれば、正四面体の無定形炭素層中の水素含量は、最大３原子％である。このように低い水素含量は、好ましい。それというのも、水素は、不所望にも、例えば潤滑剤の水素との新しい結合を生じるからである。従って、この種の結合は、減少され、運転中の不変の層特性が保証される。更に、ほぼ水素不含の炭素層によって、摩擦は、潤滑油が塗布された状態で表面状態の均一化および安定化の公知の効果を顧慮しながら、著しく減少される。

更に、好ましい他の形成によれば、正四面体の無定形炭素層は、３０〜９５ＧＰＡの硬度値、３００〜８２０ＧＰａの範囲内のＥ弾性率および少なくとも０．１５の硬度値とＥ弾性率との比を有する。この種の硬度値は、特にモータの全寿命中に保証される高められた耐摩耗性に貢献する。

特に、正四面体の無定形炭素層は、約６００℃までの熱安定性温度または酸化安定性を有する。従って、例えば単に３５０℃までの熱安定性を有する水素含有炭素層と比較して、高められた熱安定性が達成され、それによって明らかに大きな使用領域が生じる。

好ましくは、水素不含の正四面体の無定形炭素層は、約０．１〜４．０μｍ、殊に２．０μｍの厚さを有する。炭素層の相応する厚さは、それぞれの要件またはそれぞれの顧客の要望に適合させることができる。

更に、好ましい実施例によれば、機械部材の所定面と正四面体の無定形炭素層との間に少なくとも１つの支持層および／または少なくとも１つの付着補助層が設けられ、これらの支持層および／または付着補助層は、例えばＰＶＤ法により金属含有の、例えばタングステンを含む炭素層、遷移金属の炭化物および／または窒化物を有する層、熱処理により嵌め込み物として硬化されたカルボニトロ化またはニトロ浸炭された層、熱化学的方法によりニトロ化または硼酸塩処理された層および／または電気メッキ法によりクロムを有する層として形成されている。特に、少なくとも１つの支持層および／または付着補助層は、それぞれ０．１〜４．０μｍの厚さを有し、この場合この厚さは、再度それぞれ相応する要件または顧客の要望に適合させることができる。

例えば、機械部材の所定面は、１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２または類似物からなる。

本発明による層の好ましい使用は、カップタペット、牽引レバーまたはロッカーレバーとして形成された対向アーマチュア上の対向アーマチュア層、カップタペットのカム接触面またはカム接触面および／またはカップシャツ（Tassenhemd）、弁駆動構成成分、殊に機械的カップタペットおよび液圧的カップタペット、液圧的な支持部材および嵌め込み部材、ロール支承構成成分、制御ピストン、分離支承部、ピストンボルト、支承ブッシュ、線形案内部材または類似物の所定面である。この場合、好ましくは単に個々の機械部材の所定面または機械部材の全表面は、本発明による被膜で形成されていてよい。

個々の層は、有利にＰＶＤ法により析出される。この場合、特に摩擦減少が望ましい場合には、析出された炭素層の熱的後処理および／または機械的後処理は、行なわれない。析出された炭素層の機械的後処理、例えば研磨および／またはブラッシングは、特に有利に摩擦による摩耗からの保護が望ましい場合に実施される。被覆工程は、特に最大１６０℃、殊に１２０℃である温度で実施される。

次に、本発明を実施例につき添付図面に関連して詳説する。図は、次のことを示す：
図面の詳細な説明
図面の説明において、同じ参照符号は、別記しない限り同じ構成成分または機能が同じ構成成分を示す。

図１は、カム接触面５０およびカップシャツ５１を有するカップタペット５ならびにカム６からなる対の摩擦部材を示す。カップタペット５は、図２においては斜視図で示されており、この場合には、カップシャツ５１がカム接触面５０に少なくとも部分的に円弧を描くようにカム接触面５０を包囲している。カップタペット５は、一般に内燃機関中の機械部材のために、弁の軸７と結合しており、この軸は、カム面とカップタペット５のカム接触面５０との構成によって弁を開閉する。

一般に、現在の弁駆動構成成分、例えばカップタペットおよびポンプタペットには、カム接触面５０に対する耐摩耗性および資金保護に関連して高度な要件が課されている。

本発明の好ましい実施例により、機械部材１、例えばカップタペット５のための耐摩耗性被膜の略示断面図が示されている図４に関連して、次に本発明の実施例をさらに詳説する。

カップタペット５は、カム接触面５０の範囲内で摩擦係数を減少させるため、および摩耗抵抗を高めるために、または必要に応じて、カム接触面５０およびカップシャツ５１の範囲内で本発明による耐摩耗性の被膜で被覆される。平板側の範囲内でカム接触面５０のカップシャツ５１を著しく変形させる場合には、選択的にカップシャツ５１の部分被覆、カム接触面５０の専らの被覆またはカップタペット５のカップシャツ５１の範囲内での耐摩耗性被膜の事後の少なくとも部分的な除去を行なうことができる。

本発明の場合には、最初にカップタペット５のカム接触面５０を機械部材の所定面２とみなすことが想定される。当業者にとって、任意の機械部材の任意の所定面を本発明による被膜で被覆することができることは、明らかなことである。

所定面２、即ち当該の場合には、カップタペット５のカム接触面５０は、特に被覆前に嵌め込み物で硬化されるか、カルボニトロ化され、焼き戻しされる。

基体、本発明の場合に有利に安価な鋼材料、例えば１６ＭｎＣｒ、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２または類似物からなるカップタペット５のカム接触面５０は、本発明の実施例により、引続き支持層３および／または付着補助層３で被覆される。支持層３または付着補助層３は、例えば金属含有炭素、例えばタングステンおよび炭素からの化合物、しかも別の金属材料ならびに遷移金属の硼化物、炭化物および窒化物からなることができる。支持層３および／または付着補助層３は、例えば熱処理、例えば嵌め込み物の硬化、カルボニトロ化、ニトロ浸炭、熱化学的法、例えばニトロ化、硼酸塩処理、電気メッキ法、例えばクロム含有層の施与、またはＰＶＤ法、例えば遷移金属のＭｅ−Ｃ、炭化物および窒化物の施与によって形成されてよい。ＰＶＤ法の場合、例えばスパッタリング技術またはＡＲＣ技術の場合には、同時に金属が蒸発され、形成すべき層中に導入される。この場合、黒鉛は、固体の出発材料として蒸発され、含量の増大により、高いエネルギーを導入することによって、カップタペット５の所定面２上に部分結晶相として析出される。

この位置では、単に１つの支持層３または１つの付着補助層３、複数の支持層３または複数の付着補助層３、またはこれらの２つの層の組合せが基体上またはカップタペット５の所定面２上に形成されうることが指摘される。なお形成すべき耐摩耗性被膜の付着力の改善または基体上での支持層の付着力改善が望まれる場合には、例えば０．１μｍ〜２．０μｍの厚さを有する付着補助層３として１つの層が基体上に形成される。しかし、層が支持層として、即ち基体となお形成すべき耐摩耗性被膜との間での機械的支持層として使用される場合には、例えば２．０μｍ〜４．０μｍの厚さが好ましい。支持層によって疲労強度は高められ、即ちなお形成すべき耐摩耗性被膜の亀裂および破壊は、回避される。この種の亀裂は、カム６との接触の際のカップタペット５の曲げおよび変形で、または異なる硬度、弾性率のために、個々の層または基体の変形可能性および耐摩耗性被膜の変形可能性が生じる。この場合には、単独でかまたは適当な付着補助層との組合せでの支持層３として層３を形成させることが好ましい。

図４に示されているように、本発明の実施例によれば、支持層および／または付着補助層３の形成後に耐摩耗性被膜４がその上に形成される。耐摩耗性被膜４は、特に水素不含または少なくともほぼ水素不含の正四面体の無定形炭素層（ｔａ−Ｃ層）または複数のこの種の層４からなる。無定形の炭素層４は、有利に単にｓｐ²−およびｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素からなり、この場合、有利には、ｓｐ²−結合よりも多くのｓｐ³−結合が無定形の炭素層４中に設けられている。それによって、耐摩耗性の向上のために被膜４の硬度が増大される。

被膜４中の水素含量は、特に最大３原子％であり、したがって極端な純度が保証される。このことは、好ましい。それというのも、被膜中の水素は、例えば潤滑剤の水素との新しい結合を生じるからである。本発明によれば、僅かな水素含量または被膜中の水素の排除によって、不変の層特性が運転中の機械部材の全寿命に亘って保証され、このことは、数多くの使用分野でモータおよび機械への使用を可能にする。

特に、水素不含の正四面体の無定形炭素層４（ｔａ−Ｃ層）の硬度値は、別の全ての硬質材料層と比較して、極めて幅広の、それぞれの使用に適合した、３０ＧＰａ〜９５ＧＰａ（ＥＮ ＩＳＯ １４５７７−１）に調節される。

これと比較して、これまでに使用された硬質材料層（Ｍｅ−Ｃ：Ｈ，ａ−Ｃ：Ｈ、窒化金属硬質材料層）を用いた場合には、約２０ＧＰＡ〜４０ＧＰＡの硬度範囲が網羅されるにすぎず、したがってそれ故にｔａ−Ｃ層は、明らかによりいっそう高い硬度値を有し、その結果、特許保護が請求された構造部材にとって十分である前記の摩耗抵抗も有する。即ち、ｔａ−Ｃ層は、カロッテン研磨法（Kalottenschliffverfahren）でダイヤモンド懸濁液（粒度０．２５μｍ）を用いてＶ_r＜０．５×１０^-15ｍ³Ｎｍ^-1の極めて低い摩耗速度を達成し、それに応じて、このことは、極めて高い摩耗抵抗に相当し、それというのも、同一の測定パラメーターおよび測定条件では、これまでに使用された全ての層（Ｍｅ−Ｃ：Ｈ，ａ−Ｃ：Ｈ、窒化金属硬質材料層）は、０．６×１０^-15ｍ³Ｎｍ^-1を上廻り５０×１０^-15ｍ³Ｎｍ^-1までの摩耗速度Ｖ_rを有するからである。重要な品質の特徴は、普遍硬度［ＧＰａ］と弾性率［ＧＰａ］との比である。この場合には、できるだけ高い比を達成しようと努力することができ、即ち高い硬度、ひいては高い摩耗抵抗ならびに比較的低い弾性率を有する層を達成しようと努力することができ、できるだけ僅かな接触応力を伝達することができ、負荷により誘発される僅かな応力を層系、インターフェースおよび構造部材に導入することができ、ひいては高い局部的な（持続性）強度を実現させることができる。

水素不含の正四面体の無定形炭素層のＥ弾性率は、３００ＧＰａ〜８２０ＧＰａの範囲内にあり、鋼は、約２１０ＧＰａのＥ弾性率を有し、ａ−Ｃ：Ｈ層は、２５０ＧＰａ〜５００ＧＰａのＥ弾性率を有する。従って、別のこれまでに使用された全ての層系および表面と比較して、水素不含の正四面体の無定形炭素層は、せいぜい０．１０〜０．１５［ＧＰａ／ＧＰａ］とは対照的に０．２０［ＧＰａ／ＧＰａ］の明らかに高い硬度対弾性率の比を有する。

本明細書中に記載されたモータでの使用で摩擦部材間に増加して存在する硬質粒子は、高い局部的応力を表面中に誘発し、このことは、誘発された応力が層系の局部的持続性強度を上廻る場合には、局部的な材料疲労をまねく。従って、できるだけ高い持続性強度値または硬度値ならびに弾性変形可能性のできるだけ高い含量を有する層系が必要とされ；即ち、硬質粒子による同じ材料変系の場合には、変形のできるだけ大きな含量は、弾性的に再変形され、それによって可塑性変形のできるだけ僅かな含量または表面損傷は、そのままである。前記の品質の特徴を定量的に検出するために、ＥＮ ＩＳＯ １４５７７−１"硬度および別の材料パラメーターを測定するための器具による浸透試験（Instrumentierte Eindringpruefung zur Bestimmung der Haerte und anderer Werkstoffparameter）"による弾性含量ηＩＴが使用される。この場合、水素不含の正四面体の無定形炭素層は、９５％までの傑出した値を達成し、７５％〜９５％を生じることができる。これと比較して、硬化された鋼１００Ｃｒ６（６０ＨＲＣ＋４ＨＲＣ）は、約３０％を達成し、これまでに使用された層は、約６０％〜８０％を達成する。

正四面体の無定形炭素層４は、特にＰＶＤ法により支持層または付着補助層３上に析出される。この場合、例えば高エネルギービームを有する黒鉛は、黒鉛からの炭素原子からイオンビームが放出され、カップタペット５または機械部材１の表面上に方向付けられうるように加熱される。それによって、ｓｐ²−結合およびｓｐ³−結合は、支持層または付着補助層３上に析出される。例えば、６０〜１６０電子ボルトのエネルギーを有する、炭素原子からなるイオンビームのイオンのエネルギーに依存して、ｓｐ²−結合およびｓｐ³−結合のそれぞれの含量は、制御されることができる。炭素原子からなるイオンのエネルギーの上昇は、ｓｐ³−結合の含量を上昇させる。従って、小さな結晶範囲を有する全体が無定形の被膜が生じ、この場合この結晶範囲は、高い摩耗抵抗および僅かな摩擦係数を有する。

正四面体の無定形炭素層４の析出の場合、被覆すべき基体は、析出室中で例えば、全ての回転サイクルでｓｐ²−およびｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素の層位置が基体上、または支持層または付着補助層３上に形成されるように回転される。

無定形炭化水素層４の厚さは、０．１μｍ〜４．０μｍ、殊に２．０μｍであることができる。無定形炭化水素層４が良好な表面品質を有する層上に析出される場合には、例えば０．１μｍ〜２．０μｍの厚さで十分である。それというのも、炭素被膜４は、主に摩擦係数の減少に使用されるからである。これとは異なり、炭素被膜４がむしろ粗面上に析出される場合には、被膜４の厚さは、特に約２．０μｍ〜４．０μｍであり、それというのも、この場合被膜４は、主に摩耗抵抗を増大させるために使用されるからである。被膜４の硬度値は、特に６０〜９５ＧＰａであり、これまでに使用された硬質材料層（ａ−Ｃ：Ｈ；Ｍｅ−Ｃ：Ｈ；窒化金属層）と比較して明らかに高い摩耗抵抗を提供する。

最高の摩擦機械的性質を達成させるために、即ち摩擦部材を被覆することによって、該系の摩擦を最少化し、被覆された構造部材の静的強度および周期的強度を上昇させ、付加的に被覆されてない摩擦部材を摩耗から保護するために、平均荒さの値Ｒ_aを被覆後に最大０．０３５に制限することが必要とされる。平均荒さの値Ｒ_aが被覆後に０．０３５μｍを上廻る場合には、機能面、即ち水素不含の正四面体の無定形炭素層の表面の引続く機械的後加工は、例えば研磨および／またはブラッシングによって行なうことができる。

金属対向体、即ち当該の場合にはカム６に対するできるだけ僅かな付着傾向、研磨材による高い摩耗抵抗、油と接触した場合でも高い化学的安定性、高い機械的強度および大きな硬度／Ｅ弾性率の比を達成させるために、炭素層は、有利に上記に既に説明したように、３原子％の最大の水素含量を有する。従って、水素不含または少なくとも殆んど水素不含の正四面体の無定形炭素層が析出され、この無定形炭素層は、耐摩耗性に関連し常用の水素含有の炭素層と比較して潤滑減少および摩擦減少を支持する極性の性質を有する非摩擦性（tribophobe）表面を有する。それによって、金属材料との乾式摩擦接触での摩擦減少ならびに潤滑状態での摩擦減少が生じる。潤滑剤として、一定の使用のために、極めて低い粘度を有する液体ないし水またはガソリンが使用されてよい。

１００Ｃｒ６からなる鋼球との振動摩擦接触（処理路１．０ｍｍ、振動周波数２５Ｈｚ、球径１０ｍｍ、被覆された表面に対する球の標準の力２０Ｎ）において、摩擦は、乾式摩擦接触で８０％を上廻って減少し、モータ油で１０％を上廻って減少する。この唯一の種類の摩擦特性は、弁駆動において、カップ床面の被覆によって、油温度および摩擦部材の相対速度に応じて６％〜２８％の摩擦減少が優勢であることを生じる。これまでに使用された層系との特殊な相違は、２０００Ｕ／分〜７０００Ｕ／分の回転数範囲内での摩擦減少をも生じ、したがって弁駆動における摩擦減少のこれまでに実現することができなかった潜在能力、ひいては極めて高い摩耗抵抗のために有利に全モータ寿命に亘って維持されたままである燃料の節約または資金保護がもたらされることである。

更に、ｔａ−Ｃ層４は、公知技術水準の層と比較して、約６００℃の高められた酸化安定性、よりいっそう高い耐蝕性、僅かな導電値および使用時に不変の品質を保証するよりいっそう高い化学的安定性を提供する。極めて高い摩耗抵抗のために、極めて僅かな層厚が必要とされ、それによってインターフェース中に比較応力の最大が存在する、ヘルツシャーによる加圧（Herzscher Pressung）での使用時の危険は、回避されることができる。更に、測定は不要であり、析出時間、ひいては析出費用または被覆費用は、著しく減少させることができる。

また、被覆された物体の耐蝕と共に、対向体は、単数の炭素層または複数の炭素層４の優れた層の摩擦特性のために保護される。被覆の使用によって、安価な材料は、下部構造として使用されてよい。更に、対向体としては、軽量構造および費用の節約の範囲内で、例えばカム軸またはカム６のために鉄−炭素合金も実現可能である。更に、低い粘度および低い添加量の油が使用可能であり、それによって最少の潤滑または高められた油交換間隔が実現可能である。

以下、更に好ましい、本発明による被膜の使用を詳説する。図３は、ピストン９およびケーシング１０を有する液圧的支持部材８の斜視図を示す。液圧的支持部材８は、牽引レバー１１と結合されており、この場合牽引レバー１１は、ロール支承部１２上を旋回可能に支承されている。更に、図３から明らかなように、ピストン９は、ピストン９と牽引レバー１１との間に接触範囲９０を有する。更に、ピストン９は、ピストン９とケーシング１０との間に接触範囲９１を有する。ピストン９と牽引レバー１１との間の接触範囲９０での摩耗を減少させるために、接触範囲９０は、同様にｓｐ²−結合およびｓｐ³−結合からなる、本発明による水素不含またはほぼ水素不含の正四面体の無定形炭素層４で、例えば支持層および／または付着補助層の中間接続下に被覆されている。この場合、耐摩耗性の被膜は、図１、２に記載の第１の実施例中に説明された被膜３、４に相当する。

更に、同様にピストン９とケーシング１０との間の接触範囲９１は、使用および完成技術に応じて全機種類の被膜３，４で被覆されていてよい。それによって、形成された摩擦系の全寿命は、高められ、それによって運転中の個々の機械部材の故障は、減少され、それによって全体的に費用を節約することができる。

更に、ロール支承部１２の一定のロール支承構成成分、例えばロール体、ロール支承部１２の内側リングおよび外側リング、ロール支承部ケージ、軸方向ディスクまたは類似物は、同様に摩耗抵抗を高めるためおよび摩擦減少のために、ｓｐ²−結合およびｓｐ³−結合からなる、上記の水素不含またはほぼ水素不含の正四面体の無定形炭素層４で、例えば支持層および／または付着補助層３の中間接続下に被覆されていてよい。

勿論、上記の層系は、別の構造ユニットおよび機能ユニット、例えば支持部材および嵌め込み部材、ロール支承構成成分、分離支承部、ピストンボルト、支承ブッシュ、例えばモータ範囲内での噴射ノズルのための制御ピストン、線形案内部材および別の機械的および摩擦的に高度な要求が課された部材にも適している。

前記位置で、無定形炭化水素層４は、直接に被覆することができる機械部材の基本体上に析出されてよく、その間に支持層３または付着補助層３は施こされることはないことが指摘される。

従って、本発明は、耐摩耗性被膜ならびにこの種の耐摩耗性被膜の製造法を提供し、それによって摩擦による摩耗に晒される機械部材の摩耗抵抗が高められ、前記機械部材と相応する対向体との間の高すぎる摩擦モーメントが回避される。約０．１μｍ〜４．０μｍの厚さの被膜４または３、４によって、寸法および表面荒さは、殆んど不変のままであり、この場合、それにも拘わらず、表面は、反応的に均一化されている。前記層の摩擦特性は、改善され、機械的要求は、基体で分配され、この場合この基体は、課題の設定および１６０℃未満の僅かな被覆温度のために安価な鋼で完成されていてよい。それによって、通常の安価な完成技術が使用可能である。

提案された水素不含の炭素層は、表面状態の均一化の効果が確認されたことに注目しながら潤滑油が塗布された状態で摩擦を減少させる。潤滑油が塗布された状態で摩擦部材としての鋼または鋳鉄で約２０％の僅かな摩擦モーメントが測定され、それによって性能の上昇および資金保護への明らかな貢献が生じる。優れた摩擦特性によって、僅かな内部摩擦を有し、低い粘度を有する安価な潤滑剤が使用されることができる。更に、油交換間隔は、顧客の要望に沿うように高めることができる。

更に、提案されたｔａ−Ｃ層は、水素含有の炭素層の場合の３５０℃と比較して明らかに高い約６００℃の熱的安定性を有し、それによってよりいっそう大きな使用分野が生じる。潤滑剤として油圧油、ディーゼル燃料、水ないしガソリンを使用することができることによって、食品工業、油圧的用途および媒体による潤滑作用を有する他の用途における全く新規の使用分野が提供される。

本発明は、好ましい実施例につき前記されたとしても、本発明は、これに制限されるのではなく、多種多様な方法で変更可能である。

内燃機関の弁を運転するためのカップタペットおよびカム軸からなる対の摩擦部材を示すの正面図。 、図１からのカップタペットを示す斜視図。 ロール支承構成成分により牽引レバーと結合している液圧的支持部材を示す斜視図。 本発明の実施による耐摩耗性の被膜を有する機械部材を示す略示断面図。

符号の説明

１ 機械部材、 ２ 機械部材の所定面、 ３ 支持層／付着補助層、 ４ 正四面体の無定形炭素層、 ５ カップタペット、 ６ カム、 ７ 弁軸、 ８ 液圧的支持部材、 ９ ピストン、 １０ ケーシング、 １１ 牽引レバー、 １２ ロール支承部、 ５０ カム接触面、 ５１ カップシャツ、 ９０ ピストンと牽引レバーとの接触範囲、 ９１ ピストンとケーシングとの接触範囲

Claims (23)

1. 摩擦を減少させ、機械部材（１）の所定面（２）の摩耗抵抗を高めるために、殊に機械部材（１）の所定面（２）上に施こされた、ｓｐ²−およびｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素からなる水素不含またはほぼ水素不含の正四面体の少なくとも１つの無定形炭素層（４）からなる内燃機関のための摩擦による摩耗に晒される機械部材（１）の所定面（２）上の耐摩耗性被膜。
2. 被膜がハイブリダイズされた炭素少なくとも９７原子％からなり、この場合ハイブリダイズされた炭素中のｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素の含量は、少なくとも５０％である、請求項１記載の耐摩耗性被膜。
3. 正四面体の無定形炭素層（４）中の水素含量が最大１原子％である、請求項１または２記載の耐摩耗性被膜。
4. 正四面体の無定形炭素層（４）が、３０〜９５ＧＰＡの硬度値、３００ＧＰａ〜８２０ＧＰａの範囲内のＥ弾性率および少なくとも０．１５の硬度値とＥ弾性率との比を有する、請求項１から３までのいずれか１項に記載の耐摩耗性被膜。
5. 正四面体の無定形炭素層（４）が約６００℃までの熱的安定温度または酸化安定温度を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の耐摩耗性被膜。
6. 正四面体の無定形炭素層（４）が約０．１μｍ〜４．０μｍ、殊に２．０μｍの厚さを有する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の耐摩耗性被膜。
7. 機械部材（１）の所定面（２）と正四面体の無定形炭素層（４）との間に少なくとも１つの支持層（３）および／または少なくとも１つの付着補助層（３）が設けられ、これらの支持層および／または付着補助層が、例えばＰＶＤ法により金属含有の、例えばタングステンを含む炭素層、遷移金属の炭化物および／または窒化物を有する層、熱処理により嵌め込み物として硬化されたカルボニトロ化またはニトロ浸炭された層、熱化学的方法によりニトロ化または硼酸塩処理された層、電気メッキ法によりクロムを有する層、例えば窒化クロム層または類似物として形成されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載の耐摩耗性被膜。
8. 少なくとも１つの支持層（３）および／または少なくとも１つの付着補助層（３）が約０．１μｍ〜４．０μｍの厚さを有する、請求項７記載の耐摩耗性被膜。
9. 機械部材（１）の所定面（２）が、１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２等からなる、請求項１から８までのいずれか１項に記載の耐摩耗性被膜。
10. カップタペット（５）、牽引レバーまたはロッカーレバー（１１）として形成された機械部材上の対向アーマチュア層としての請求項１から９までのいずれか１項に記載の耐摩耗性被膜（３、４）の使用。
11. カップタペット５のカム接触面５０、またはカップタペット５のカム接触面５０およびカップシャツ５１が完全にかまたは少なくとも部分的に請求項１から９までのいずれか１項に記載の耐摩耗性被膜で形成されている、請求項１０記載の耐摩耗性被膜の使用。
12. 弁駆動構成成分、機械的カップタペットおよび液圧的カップタペット、液圧的な支持部材および嵌め込み部材、ロール支承構成成分、制御ピストン、殊にモータ範囲内での噴射ノズルのため、分離支承部、ピストンボルト、支承ブッシュ、線形案内部材または類似物の所定面上での層としての請求項１から９までのいずれか１項に記載の被膜の使用。
13. 摩擦による摩耗に晒される機械部材（１）の所定面（２）上の耐摩耗性被膜の製造方法において、次の処理工程：摩擦を減少させるため、および所定面（２）の摩耗抵抗を高めるために、ｓｐ²−およびｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素からなる、水素不含またはほぼ水素不含の正四面体の少なくとも１つの無定形炭素層（４）を機械部材（１）の所定面（２）上に析出させる工程を有する摩擦による摩耗に晒される機械部材（１）の所定面（２）上の耐摩耗性被膜の製造方法。
14. 析出をＰＶＤ法により実現させる、請求項１３記載の方法。
15. 正四面体の無定形炭素層（４）を約０．１μｍ〜４．０μｍ、殊に２．０μｍの厚さで形成させる、請求項１３または１４記載の方法。
16. 被覆工程を最大１６０℃、殊に１２０℃である温度で実施する、請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の方法。
17. 有利に摩擦の減少が望ましい場合には、析出された無定形炭化水素層（４）の熱的後処理および／または機械的後処理を実施しない、請求項１３から１６までのいずれか１項に記載の方法。
18. 有利に摩擦による摩耗からの保護が望ましい場合には、析出された無定形炭化水素層（４）の機械的後処理、例えば研磨および／またはブラッシングを実施する、請求項１３から１６までのいずれか１項に記載の方法。
19. 機械部材（１）の所定面（２）を、１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２または類似物から製造する、請求項１から１８までのいずれか１項に記載の方法。
20. 機械部材（１）の所定面（２）を析出前に嵌め込み物で硬化しおよび／またはカルボニトロ化し、焼き戻しする、請求項１３から１９までのいずれか１項に記載の方法。
21. 機械部材（１）の所定面（２）と正四面体の無定形炭素層（４）との間に少なくとも１つの支持層（３）および／または少なくとも１つの付着補助層（３）を設け、これらの支持層および／または付着補助層が、例えばＰＶＤ法により金属含有の、例えばタングステンを含む炭素層、遷移金属の炭化物および／または窒化物を有する層、熱処理により嵌め込み物として硬化されたカルボニトロ化またはニトロ浸炭された層、熱化学的方法によりニトロ化または硼酸塩処理された層、電気メッキ法によりクロムを有する層、例えば窒化クロム層または類似物として形成される、請求項１３から２０までのいずれか１項に記載の方法。
22. 少なくとも１つの支持層（３）および／または少なくとも１つの付着補助層（３）を約０．１μｍ〜４．０μｍの厚さで形成させる、請求項２１記載の方法。
23. 被膜をハイブリダイズされた炭素少なくとも９７原子％から形成させ、この場合ハイブリダイズされた炭素中のｓｐ³−ハイブリダイズされた炭素の含量は、少なくとも５０％である、請求項１３から２２でのいずれか１項に記載の方法。

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