JP2013521413A - スライド要素、とりわけピストンリング、およびスライド要素をコーティングするための方法 - Google Patents
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Abstract
鋳鉄または鋼で作製されているのが好ましいスライド要素、とりわけピストンリングは、ＣｒＮ層（１４）およびａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層（１６）が交互に重なり合った多重層を有するコーティングを備える。鋳鉄または鋼で作製されているのが好ましいスライド要素、とりわけピストンリングをコーティングするための方法では、複数のＣｒＮ層とａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層が交互に設けられる。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、コーティングを有するスライド要素、とりわけピストンリング、およびスライド要素をコーティングするための方法に関する。
多くの技術分野において、スライド要素が、スライド接触面にスライドするように接触している。典型的な用途の例として、ピストンリングをシリンダライナと組み合わせたものが知られている。シリンダまたはシリンダライナを、例えばアルミニウム−シリコン合金で作製することは、特にオットーエンジンではよく行なわれていることであるが、そのような場合に、磨耗および摩擦力の点で、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングシステムが良好であることが分かっている。しかしながら、公知のＤＬＣコーティングシステムは、従来型の鉄系シリンダライナを使ったディーゼルエンジンまたはターボチャージャー付きオットーエンジンでは耐用期間および使い勝手を向上する必要がある。シリンダ圧がかなり高くなるため、特に直接噴射と相まって、混合摩擦の割合が高くなる。かかる状況において、ＤＬＣコーティングシステムが十分に適合しない決定的な理由は、層の厚さが、従来から５μｍ未満と薄くなっていることであると考えられる。
特許文献１には、なじみ層を有するＤＬＣコーティングが開示されている。層をより厚くすることに関しては、ＰＶＤ（物理気相成長法）コーティング、特に窒化クロム（ＣｒＮ）系のものが知られている。これらのコーティングでは、層の厚さが１０〜３０μｍの範囲である。これらを用いれば結果として耐用期間は改善されるものの、特に潤滑が不十分な場合の摩擦力および耐摩耗性、並びに耐擦り傷性が悪化する。一方、ＤＬＣコーティングシステムは、構造がアモルファスであるため、金属表面に対する高い化学的不活性性を有し、したがって、スライド接触面に対する接着性が極めて低い傾向があるという利点を提供する。
これは、例えば、内面に金属を含有するアモルファス炭素層を有し、外面に金属を含有しないアモルファス炭素層を有する、特許文献２に係るコーティングに当てはまる。
本発明の背後にある目的は、耐用期間および摩擦力に関して求められる要件を満足するスライド要素、とりわけピストンリングであって、特に、例えば鉄系のスライド接触面を有するディーゼルエンジンまたはターボチャージャー付きオットーエンジンに使用されたときに要件を満足するものを提供することである。更に、スライド要素をコーティングする方法も提供される。
上記目的は、請求項１に記載のスライド要素によって達成される。
その上に設けられるコーティングは、ＣｒＮ層とａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層とが交互に重なり合った多重層が特徴である。当初のテストから、かかる層構造を使って、耐用期間および相対摩擦係数の両方を向上できることが分かった。
明確化のために言及しておくと、Ｍｅは金属を表わしているのであって、例えばタングステン、クロム、チタン、またはシリコンを使用することができる。ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層および後述するａ−Ｃ：Ｈ層は、どちらもＤＬＣ層であり、比較的低い磨耗特性および良好な摩擦特性が確保されている。特に、それによって、径方向の接触圧力が様々であるため、例えばピストンリングの周囲全体にわたって磨耗速度が様々になるが、それにもかかわらず、ＤＬＣは、リング表面の少なくとも一部に常に存在しており、したがって、特に潤滑作用が不十分な条件下でも、良好な摩擦特性が維持されると考えられる。これは、有利な態様で、ＣｒＮ層によってもたらされる磨耗上の利点と組み合わされる。ＣｒＮ層の耐磨耗性は、従来からＤＬＣより高くなっており、最初からまたは最も外側のＤＬＣ層が磨耗したときに、効果を発揮することができ、有利である。上記の多層コーティングは、他にも、全体の層の厚さを従来のＤＬＣコーティングシステムの場合よりも著しく厚くできるといった利点を提供することができる。これは、本質的に、窒化クロムに比べてＤＬＣの方が高くなっている内部応力を、複数のＣｒＮ層によって、コーティング全体として均等化することができるという事実に基づいている。
コーティングは特に、少なくとも１つの滑り面上に少なくとも部分的に設けることができる。更に、コーティングは、滑り面に隣接した表面への移行部へと、および、該表面上に広がる場合がある。これは、例えば、ピストンリングの滑り側面に影響を及ぼす。「内燃エンジンのピストンの油かきリング用圧縮コイルばね及び圧縮コイルばねをコーティングするための方法（Ｈｅｌｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｐｒｉｎｇ ｆｏｒ ａｎ ｏｉｌ ｓｃｒａｐｅｒ ｒｉｎｇ ｏｆ ａ ｐｉｓｔｏｎ ｉｎ ａｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ， ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏａｔｉｎｇ ａ ｈｅｌｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｐｒｉｎｇ）」という名称の出願を本出願人が同日に出願したことにも言及しておかなければならない。同出願において、本明細書に記載されているものと同様のコーティングが、圧縮コイルばねに設けられている。同出願に記載されているコーティングの特徴は全て、本明細書に記載のコーティングにも適用することができる。更に、上記出願に記載の圧縮コイルばねは、同出願に記載されている諸実施形態のうちのいずれかにおいて、本明細書に記載のピストンリングと有利に組み合わせることができ、その組み合わせについても、本出願の内容とみなされるべきである。更に、本出願人は、「ピストンリングの少なくとも内面をコーティングする方法およびピストンリング（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏａｔｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｆａｃｅ ｏｆ ａ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ， ａｎｄ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ）」という名称の出願を同日に出願した。この出願には特にピストンリングの内面をコーティングすることに関連した方策が記載されているが、それらは全て、本明細書に記載のピストンリングに適用することができ、この出願に記載の方法は、特に内面以外の表面をコーティングすることにも適用することができる。
本発明の好適なさらなる態様が、他の請求項に記載されている。
好ましくは鋳鉄製または鋼製の基体、即ちスライド要素、特にピストンリングに対してＣｒＮ層を接着するためには、クロムの接着層を形成した方が有利であることが分かった。これは、特に蒸着によって設けることができ、１．０μｍ未満の厚さの層を有することが好ましい。現在のところ、接着層の厚さとしては最小の０．０１μｍとすることが好ましい。
特に上述した接着層について、現時点では、上述した多層構造のうちの最も内側の層として、ＣｒＮ層を選択することが好ましい。
本発明に係るスライド要素の最も外側の層は、当初、スライド接触面とスライドするように接触するものであり、金属を含有しないＤＬＣ層、換言すると、ａ−Ｃ：Ｈ類型の層であることが好ましい。このような層は、最も良好ななじみ動作が行われることを保証する。この層は、０．１〜５．０μｍの厚さを有することが有利であると分かった。層を０．１μｍという最小の厚さにすると、良好ななじみ動作を行うのに有利である。層の厚さの最大値は、層が厚くなるにつれて低下する接着性について、最低限の接着性に基づいて与えられる。前述した最も外側の層または最上層は、ＣｒＮ層およびａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層のどちらに設けることも考えられる。
ＣｒＮ層およびａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層からなる多重層のそれぞれの層は、５０ｎｍ〜４００ｎｍとすることが好ましい。５０ｎｍを超える厚さによって、重ね合わせて使用したときに、層構造の試験可能性が確保されるという利点が得られる。
良好な耐用期間と併せて良好な摩擦挙動を確保するためには、コーティングの全体の厚さを、２〜４０μｍとするのが好都合である。このため、個々の層の重ね合わせの数は、例えば１０〜４００にすることができる。
ＣｒＮ層の硬度として、８００〜１９００ＨＶ０．００２の値が適切であることが分った。この形態は、１７００〜２９００ＨＶ０．００２の金属を含有しないＤＬＣ層の硬度および／または８００〜１６００ＨＶ０．００２の金属を含有するＤＬＣ層の硬度と組み合わせることができる。
特に、ＤＬＣ層の良好な特性、とりわけ金属を含有するＤＬＣ層および／または金属を含有しないＤＬＣ層の良好な特性は、その層が水素を含有している場合に得られることが更に期待される。
金属を含有するＤＬＣ層は、例えばＷＣ、ＣｒＣ、ＳｉＣ、ＧｅＣ、またはＴｉＣといった金属炭化物のナノ結晶堆積物を含有することができ、更に有利である。
前述した目的は、請求項９に記載の方法によってさらに達成される。
前述したコーティングは、本発明に係る方法の範囲内で、スパッタリング過程とプラズマ化学気相成長法（ＰＡ−ＣＶＤ）過程を組み合わせることによって設けることができ、好都合である。
本発明により、前述したスライド要素の少なくとも１つを内燃エンジンのスライド接触面、とりわけ、内燃エンジン、とりわけディーゼルエンジンまたはターボチャージャー付きオットーエンジンのシリンダまたはシリンダライナと組み合わせることができ、ここで、スライド接触面は鉄をベースとするものである。
図面を参照して以下に、本発明の好適な例示の実施形態を更に詳細に説明する。
図１から明らかなように、最初に、スライド要素の基材１０に、クロムの接着層１２を設けられている。そこに、内面から表面へと、複数のＣｒＮ層１４およびａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層１６が交互に設けられている。最も外側の層は、ａ−Ｃ：Ｈ層によって形成されている。図で示した例において、その層はＤＬＣ層に設けられているが、ＣｒＮ層にも同様に設けることができる。
かかる構造を採用して、比較例を使ってテストを実施した。表１に、使用した層のシステムを示す。
これらのコーティングシステムをピストンリングに適用し、磨かれたねずみ鋳鉄のシリンダライナと組み合わせて、潤滑条件下でトライボロジー挙動を調べた。磨耗が最大のコーティングシステムを１００％と規定する。一方、図２から明らかなように、コーティングなしの表面に比べてＤＬＣコーティングにより、磨耗が５０％以上も低減される。本発明に係るコーティングシステム（タイプＥ）は、相対的に磨耗が最も少ないことが示された。当初の所見によれば、これは、多層システムの構造が比較的安定していること、および摩擦および磨耗動作が最適化された結果によって達成されたものである。
Claims (10)
- 鋳鉄または鋼で製作されていることが好ましいスライド要素、とりわけピストンリングであって、ＣｒＮ層（１４）およびａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層（１６）が交互に重なり合った多重層を有するコーティングを備えるスライド要素。
- ０．０１〜１．０μｍの厚さを有することが好ましいクロム（１２）からなる接着層が、前記スライド要素の基体（１０）に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のスライド要素。
- 交互に重なり合った前記多重層の最も内側の層は、ＣｒＮ層（１４）であることを特徴とする、請求項１または２に記載のスライド要素。
- 前記コーティングの最も外側の層は、０．１〜５．０μｍの厚さを有することが好ましいａ−Ｃ：Ｈ層（１８）であることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記ＣｒＮおよび／またはａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅの各層は、５０ｎｍ〜４００ｎｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記コーティングの全体の厚さは、２〜４０μｍであることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記ＣｒＮ層の硬度は８００〜１９００ＨＶ０．００２であり、且つ／または金属を含有しないＤＬＣ層の硬度は１７００〜２９００ＨＶ０．００２であり、且つ／または金属を含有するＤＬＣ層の硬度は８００〜１６００ＨＶ０．００２であることを特徴とする、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のスライド要素。
- 少なくとも一層のＤＬＣ層は金属蒸着法によって設けられ、且つ／または金属を含有するＤＬＣ層および／若しくは金属を含有しないＤＬＣ層は、ＰＡ−ＣＶＤ過程によって設けられていることを特徴とする、請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のスライド要素。
- 鋳鉄または鋼で作製されているのが好ましいスライド要素、とりわけピストンリングをコーティングするための方法であって、複数のＣｒＮ層とａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層が交互に設けられる方法。
- 前記コーティングは、スパッタリングとＰＡ−ＣＶＤを組み合わせることによって設けられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
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