JP2013528697A - コーティングを有するスライド要素、特に、ピストンリング、およびスライド要素を製造するプロセス - Google Patents
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Abstract
スライド要素、特に、ピストンリングは、少なくとも１つの滑り面上に、内側から外側に向かって、金属を含有する接着層と、少なくとも１０μｍの厚さのｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層を有するコーティングを有する。
スライド要素、特に、ピストンリングを製造するプロセスにおいて、金属を含有する接着層と、少なくとも１０μｍの厚さのｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層のコーティングを実行する。
スライド要素、特に、ピストンリングを製造するプロセスにおいて、金属を含有する接着層と、少なくとも１０μｍの厚さのｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層のコーティングを実行する。
Description
本発明は、少なくとも１つの滑り面上にコーティングを有するスライド要素、特に、ピストンリング、およびスライド要素を製造するプロセスに関する。
例えば、燃焼機関におけるピストンリング、ピストン、またはシリンダライナのようなスライド要素は、できるだけ小さな摩擦で、かつ、少ない摩耗で、長期の寿命にわたって働く必要がある。燃焼機関において燃料の消費と直接結び付く摩擦は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）のコーティングによって低く保つことができる。さらに、理論的に４０μｍまでの層厚を達成することができる。しかし、５μｍを超える層厚では、例えば、層の構造および組成に関する層の特性が変化し、必要とされる寿命を達成できないという問題がある。これは、層厚が５μｍ未満の場合にも同様である。
本発明の目的は、部品の全寿命の間、最小の摩擦損失を保証するために、金属を含有する接着層と、適切な層厚を備えるｔａ−Ｃ型ＤＬＣコーティングを有するスライド要素を提供することにある。
ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）は、有意な割合のｓｐ３混成炭素を備える準安定型のアモルファスカーボンである。現今、新たな部品を開発するための、種々の物質上へのダイヤモンドライクカーボンの供給が、様々なプロセスを用いて行われている。大量生産可能なスライド要素にコーティングを行うことができる最もよく知られているプロセスは、ＰＡ−ＣＶＤ、スパッタリング、および、真空アーク蒸着プロセス（特許文献２）である。それによって従来提供できる層組織は、ＰＡ−ＣＶＤの場合、水素を含んでおり、スパッタリングまたは真空アーク蒸着プロセスの場合、無水素である。可能なＤＬＣ層組織の概要を、非特許文献１に見出すことができる。
表１は、本願についての従来技術に寄与する文献のリストである。このリストでは、プロセスに関する刊行物と製品に関する刊行物とを区別している。
非潤滑状態下でも、潤滑剤の使用量を減らした状態でも良好な摩擦挙動を有する無水素（＜０．５ａｔ％）ＤＬＣコーティングが特許文献６から知られている。この層は、硬さ＞４０ＧＰで、弾性率＞４００ＧＰで、最大厚さが数μｍである。
滑り挙動が良好なＤＬＣコーティングを有するスライド要素が特許文献７から知られている。寿命が短すぎるので、スライド要素の全寿命にわたって恒久的に低い摩擦を保証することはできない。
特許文献８は、内側から外側に向かって、接着層と、金属および酸素を含有するＤＬＣ層と、無金属で水素を含有するＤＬＣ層を有する、多重コーティングを有するスライド要素に関する。
特許文献１０には、水素化された非晶質の炭素の硬質炭素膜がプラズマＣＶＤプロセスによって内面上に形成されているガイドブシュ、および、ガイドブシュの内面上に硬質炭素膜を形成するプロセスが開示されている。
特許文献１２には、内側から外側に向かって、ＩＶＢ族、ＶＢ族、またはＶＩＢ族の元素を含有する層と、ダイヤモンドライクナノコンポシット成分を有する中間層と、ＤＬＣ層を有するピストンリングが開示されている。
ｓｐ３混成炭素原子の含有量ができるだけ高い場合、特に、６０ａｔ％より高い場合に良好な摩耗値が達成されることが知られている。そのような層は、ｔａ−Ｃ層と呼ばれており、従来、スパッタリング法、または、いわゆる真空アークプロセスによって製造することができる（この点について、特許文献１４、および、表１から特許文献１１参照）。無水素ｔａ−Ｃコーティングは、酸素を含有する層として（例えば、表１から特許文献１３参照）、および無酸素および無水素の層として（この点について、特許文献６参照）、数マイクロメータの厚さを有するように製造することができる。
これに関連して、ほとんどの場合、窒化クロムを含有している、硬質材料に基づくＰＶＤコーティングが知られている。このような層は、要求される摩耗抵抗を有しているが、必要な低い摩擦係数は有していない。
ＶＤＩガイドライン ２８４０ Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｌｍｓ
この背景に対して、本発明の基礎となる目的は、摩擦係数と摩耗特性の組み合わせに関してさらに改良されたスライド要素を提供することにある。
したがって、本発明によるスライド要素は、少なくとも１つの滑り面上に、内側から外側に向かって、金属を含有する接着層と、少なくとも１０μｍの厚さのｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層を有するコーティングを有している。有利なことに、金属を含有する接着層によって、ＤＬＣ層の接着が保証されるだけでなく、当該層に生じる内部応力が均一にされる。１０μｍの最小厚さによって、要求される摩耗抵抗が得られることが保証され、さらに、機関の寿命にわたって良好な摩擦値を実現することが可能となる。特に、摩耗挙動は、スライド要素、特にピストンリング自体と、例えばシリンダライナのような、対の物体との両方に適合させることができる。本発明によるコーティングの生産性は、以下に記載するプロセスステップ、特に、金属イオンスパッタリングプロセスによるコーティングする面の洗浄と、接着層とＤＬＣ層の、記載する製造プロセスによって保証される。その結果、顕著に改善されたスライド要素を提供することができる。
スライド要素、特に、ピストンリングに対する主要な要求の１つは、動作している間中、最小の摩擦損失を保証するために、当該要素の寿命にわたって長持ちするコーティングを提供することである。機関の初期の確認時に、水素を含有するＤＬＣをコーティングされたピストンリングに比べて、ｔａ−Ｃをコーティングされたピストンリング／ＡｌＳｉの滑り経路のシステムの場合に達成される摩耗は６０％低いが、用途およびスライド接触面に応じて、少なくとも１０μｍの層厚が必要であることが見いだされた。コーティングの全体としての厚さは、２０μｍまでであるのが好ましい。
好ましい実施態様が、他の請求項から見いだされる。
特に、ｔａ−Ｃの層厚が数μｍより厚い場合に、十分な層の接着を保証するためには、基体とＤＬＣ層の間に、金属を含有する接着層を設けることがさらに必要である。現時点では、初期の知見に基づいて、以下の物質：クロム、チタン、窒化クロムおよびタングステンのうちの少なくとも１つを含有することが接着層にとって好ましい。
０．１μｍから１．０μｍの厚さが、接着層にとって有利であることがさらに見いだされている。
ＤＬＣ層が、実質的に無酸素および／または無水素であり、すなわち、これらの元素のそれぞれの含有量が０．５ａｔ％より少ない場合に、特に良好な特性が見いだされた。
ＤＬＣ層の硬さ、および弾性係数も、ピストンリングのトライボロジー的な挙動に影響を与える。試験の間に、５５０Ｇｐａを超えない弾性係数で、５５Ｇｐａを超えない表面硬さが、コーティングにとって有利であることが見いだされた。
従来技術とは対照的に、機関外での確認でも機関内での確認でも、ＤＬＣ層が、少なくとも４０ａｔ％のｓｐ３混成炭素原子を有する場合に、特に良好な摩耗値が達成された。
縁に近い層の外側１μｍから３μｍにおけるｓｐ３の含有率の、意図的な低減によって、ならし時の摩擦、および、ならし時間自体のさらなる低減が導かれる。機関外での事前の試験時に、縁に近い外側１μｍから３μｍにドープをしたさらなる実施態様が、７００Ｎまでの最大荷重の下で不十分な潤滑の条件下で耐熱性および焼け挙動について、さらに改善されるという結果になることが見いだされた。
１μｍから３μｍの厚さの、縁に近いＤＬＣ層の外側領域は、ホウ素、酸素、および／またはケイ素のような元素をドープすることができ、それが有利である。特に、低い摩擦値を保証するために、スライド要素の滑り面は、できるだけ滑らかにする必要がある。ここで提供されるＤＬＣ層は、コーティングされた状態で、粗度深度Ｒｚ＜６μｍ、仕上げられた状態で、粗度深度Ｒｚ＜２μｍ、特に＜１μｍであり、また、低減ピーク深度がＲｐｋ＜０．３μｍ、特に＜０．１μｍであるのが好ましい。これに関連して、特許文献５および特許文献１１の方策が本願の内容に含まれる。
特定の用途では窒化することができる鋳鉄または鋳鋼が、コーティングすべきスライド要素の基体および母材として好ましい。母材としての鋳造材料について、好ましい形態は、
−合金ではない、鍛えられていない、層状の黒鉛を備える鋳鉄
−合金の、熱処理された、または熱処理されていない、カーバイドを備えるねずみ鋳鉄
−鍛えられた球状鋳鉄
−鍛えられていないバーミキュラ鋳鉄
−鋳鋼（少なくとも１１ｗｔ％のクロム、特殊カーバイドが埋め込まれた、窒化された、または窒化されていない焼戻しマルテンサイト組織）
である。
−合金ではない、鍛えられていない、層状の黒鉛を備える鋳鉄
−合金の、熱処理された、または熱処理されていない、カーバイドを備えるねずみ鋳鉄
−鍛えられた球状鋳鉄
−鍛えられていないバーミキュラ鋳鉄
−鋳鋼（少なくとも１１ｗｔ％のクロム、特殊カーバイドが埋め込まれた、窒化された、または窒化されていない焼戻しマルテンサイト組織）
である。
母材としての鋼については、好ましい形態は、
−クロムが少なくとも１１ｗｔ％の、窒化されているか、または窒化されていないクロム鋼
−クロム・ケイ素・炭素鋼
である。
−クロムが少なくとも１１ｗｔ％の、窒化されているか、または窒化されていないクロム鋼
−クロム・ケイ素・炭素鋼
である。
非常に小さい「鋭い」下部の滑り縁によって、本発明によるｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層をコーティングされたピストンリングの、特に良好なオイルの擦り取り動作が達成されることが、機関における試験によって示された。したがって、本発明によるピストンリングの滑り面の下部の縁は、０．２ｍｍを超えない、好ましくは、０．１ｍｍ未満の半径を有するのがさらに好ましい。
上述の目的は、金属を含有する接着層と、少なくとも１０μｍのｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層のコーティングを行う、スライド要素、特にピストンリングを製造する、請求項１４に記載するプロセスによってさらに達成される。様々な文献（表１参照）に既に記載されている真空レーザアークプロセスの製造プロセスを、＞１０μｍのｔａ−Ｃ層を製造する本発明に関係する範囲で、材料選択と層厚について最適化した接着層を用い、プロセスパラメータによって、全コーティング時間にわたってプロセスの安定性を保証するように改善した。好ましい方策、および、当該プロセスによって達成できる利点が、一方で、本発明によるスライド要素の前述の記載から明らかである。ここで、プロセスに関して下記する全ての特徴は、本発明によるスライド要素にも当てはまることをさらに述べておく。
他方で、接着層は、スパッタリングプロセス、熱的蒸着プロセス、または、例えばアークプロセスのような電気蒸着プロセスによって、特に高い信頼性で形成することができることを述べておく。
上述のように、コーティングする面を、金属イオンスパッタリングプロセスによって洗浄すれば、スライド要素の基体に対する接着層の接着について、特別な利点が達成される。
仕上げしたコーティングの粗さは、ラッピング、ベルト研磨、および／またはブラシ研磨によって低減することができ、それが有利である。
Claims (18)
- 少なくとも１つの滑り面上に、内側から外側に向かって、金属を含有する接着層と、少なくとも１０μｍの厚さのｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層を有するコーティングを有するスライド要素、特に、ピストンリング。
- 前記接着層は、クロム、チタン、窒化クロム、および／またはタングステンのうちの少なくとも１つの物質を含有し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。
- 前記接着層は、０．１μｍから１．０μｍの厚さを有す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ｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層は、酸素および／または水素の含有量が０．５ａｔ％未満であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 硬さが５５ＧＰａより小さく、弾性係数が５５０ＧＰａより小さいことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記ｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層は、ｓｐ３混成炭素原子の含有率が少なくとも４０ａｔ％であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記ｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層の外側１μｍから３μｍにおけるｓｐ３の含有率が低減されていることを特徴とする、請求項６に記載のスライド要素。
- 前記ｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層の外側１μｍから３μｍがドープされていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記ｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層の外側１μｍから３μｍが、ホウ素、酸素、および／またはケイ素の少なくとも１つをドープされていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記コーティングは、粗度深度Ｒｚ＜６μｍ、好ましくは、＜２μｍ、特に、＜１μｍであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 前記コーティングは、低減ピーク深度Ｒｐｋ＜０．３μｍ、好ましくは、＜０．１μｍであることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 母材が鋳鉄または鋳鋼であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のスライド要素。
- 滑り面の下部の縁の半径が０．２ｍｍを超えず、好ましくは、＜０．１ｍｍであることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のピストンリング。
- 金属を含有する接着層と、少なくとも１０μｍの厚さのｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層のコーティングを実行する、スライド要素、特にピストンリングを製造するプロセス。
- スパッタリングプロセス、熱蒸着プロセス、または、例えばアークプロセスのような電気蒸着プロセスによって前記接着層を形成することを特徴とする、請求項１４に記載のプロセス。
- 真空レーザアークプロセスによって前記ｔａ−Ｃ型ＤＬＣ層を形成することを特徴とする、請求項１４または１５に記載のプロセス。
- コーティングする面を、金属イオンスパッタリングプロセスによって洗浄することを特徴とする、請求項１４から１６のいずれか１項に記載のプロセス。
- コーティングを、形成した後に、ラッピング、ベルト研磨、および／またはブラシ研磨によって滑らかにすることを特徴とする、請求項１４から１７のいずれか１項に記載のプロセス。
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