JP2014519552A - 内燃機関用の少なくとも１つの摺動面を備えたエレメント - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦を受け且つ等軸形態、低気孔率（１％未満）及び主に結晶配向（１１１）を有する窒化クロムのコーティングを受ける内燃機関及び／又は圧縮機の、摺動するエレメント（１）であって、その耐摩耗性及びその靭性を改善するように、配向（２００）において幾らかの網状を維持し、摺動するエレメント（１）の耐用年数を延ばす、前記エレメントに関する。

Description

本発明は、内燃機関で摺動し且つ耐摩耗性を改善するようにクロムベースのコーティングを受けて、アセンブリの耐用年数を延ばすエレメントに関する。

従来技術の説明
内燃機関は、摩擦を受ける多くのエレメントを含み、その結果、それらのエレメントは、機関が機能する時に大きな応力を受けるので摩耗する。

機関の耐用年数パラメータのために長い／十分な耐用年数を有し得るように、摺動するエレメントの耐摩耗性を保証する方法の１つは、それが作られる卑金属上に１つ以上のコーティング層を適用することである。特に耐磨耗摩滅性の改善されたコーティングは、何百万もの機関の爆発サイクルの後でさえも、摺動するエレメントの動作特性を維持する。

シリンダ、ピストン及びリングの他に、内燃機関は、部品の耐用年数を延ばすようにコーティングできる、少なくとも１つの摺動面を備えた多くの追加のエレメントを有する。これらのエレメントの幾つかは、青銅ブッシュ、シリンダブッシュ、動弁装置等の部品である。

これに関して、コーティングの大部分の多様な組成物を用いる多くの技術及び多くの適用プロセスがあり、それぞれ、殆どの多様な種類の性能及び耐久特性並びに摺動面を有する内燃機関用のエレメントの構成を最適化することを試みている。

摺動し且つ本発明の対象であるエレメントの趣旨において、例えば、内燃機関に適用されるピストンリング用のクロム窒化物（ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ）のフィルム／コーティングは、通常、コーティングされる基材又は金属ベースに対して直交方向の「柱状」形態（図１を参照のこと）を有する。

これが相対的な滑り動作、例えば、往復運動を有する表面に適用されるコーティングであるため、自由面に対する応力接線は、摩擦のためのコーティング材料に固有であることが留意されるべきである。この状態では、摩擦によるコーティングの応力は、その「柱状」テクスチャのためにコーティングの耐性を弱める方向に起きる。

フィルムの耐性にも悪影響を及ぼす別の条件は、ポア（図示しない）の存在である。ポアは、コーティングに存在する領域であり、これは極めて低く局在化された材料の凝集による欠陥を有する。従って、ポアは、ポアの形状と数に応じて、より大きな又は小さな規模で張力コンセントレータとして作用する。

従って、コーティング材料の構造体の配向性は、その性能に直接影響を及ぼす。通常、（１１１）又は（２００）の配向性を有する架橋剤が生成される。材料の第１配向性（１１１）は、良好な耐摩耗性を示すことで知られているが、第２配向性（２００）はコーティングの内部張力を最小にすることに寄与し、その結果、配向性（１１１）のみを有するコーティングを用いて得られたものよりも厚いコーティングを得ることが可能である。

摺動し且つ柱状形態と配向性（１１１）を示す先行技術のエレメントがいくつかある。その例は、文献米国特許第５，７４３，５３６号及び米国特許第５，８５１，６５９号に示されており、これらは柱状形態とコーティング表面に平行な配向性（１１１）を有する一窒化クロムコーティングを備えたピストンリングを記載している。これらの文献は、１〜８０マイクロメートル（μｍ）の範囲の厚さ、６００〜１０００ビッカース（ＨＶ）の範囲の高度及び１．５〜２０％の範囲の気孔率を有するコーティングを開示している。

更に、柱状形態を示し且つ（１１１）及び（２００）の両方の配向性を有する先行技術の文献もある。北米の文献ＵＳ２００９／２７８３２０Ａ１号は、主に靭性に関する利益の達成を目的とする両方の配向性を有する、柱状形態の一窒化クロムを開示している。しかしながら、この先行技術文献は、０．８〜１．２の範囲の、比較的小さな範囲の（１１１）／（２００）比を利用している。換言すれば、両方の配向性は、ほぼ同じ関係性のままであり、これが８０μｍを上回る厚さ、１５００〜２５００ＨＶの範囲の硬度及び１０％を上回る気孔率を有するフィルムをもたらす。

最終的に、文献ＵＳ６，３７２，３６９号は、内燃機関（ピストンリング）で使用される摺動するエレメントを記載しており、該エレメントは酸素を含有する窒化クロムコーティング（ＣｒＮ）と窒化チタン（ＴｉＮ）を備え且つ柱状形態をも示す。このコーティングは１〜１００μｍの範囲の厚さと１３００〜２３００ＨＶの範囲の硬度を有する。かかる特性は、配向性（１１１）又は（２００）優位でコーティングの配向性を通して達成される。従って、窒化クロム及び窒化チタン結晶は、被覆されるべき表面に対して平行な好ましい配向性（２００）又は（１１１）を有し、従って、その形態は、基材からコーティングの外表面まで柱状である。

先行技術文献によって証明された技術的な利点にもかかわらず、靭性を保持し且つ１％未満又はほぼゼロの気孔率を保証しながら、摺動するエレメントのコーティングを、耐摩耗性の増大した内燃機関に適用できるようにし得る解決策は未だ見出されていない。

更に、先行技術が、長い機能サイクルの間にその機能を適切に実行することを可能にする、スライドするエレメントに極めて高い耐摩耗性をもたらすコーティングを達成しないという事実の他に、かかる文献は、代替的な形態を有するコーティングを用いる可能性を開示していない。かかる形態は更に、スライドするエレメントが受ける減摩条件に抵抗することが可能であり、これは更に機能化の耐久条件をもたらし且つ内燃機関がより効率的で且つより低い汚染ガスの排出を示すようにし得る。

従って、先行技術の解決策は、今までのところ解消されなかった２つの大きな欠点を有する。一方では、耐摩耗性の増大は、コーティングの靭性を損なわせ、他方では、コーティングは、コーティングの耐久性にとって有害な多孔性を示す。これに関して、変数：耐摩耗性、靭性及び多孔性は、即ち、窒化クロムコーティングの形態及びその構造の配向性の水準で、より良好な結果を達成するために新たな典型例の導入が必要な反応式に限定されている。

本発明の課題
本発明の課題は、靭性値を維持しながら、耐摩耗性の増大を保証できる窒化クロムコーティングを有する内燃機関で使用される摺動するエレメントを提供することである。

本発明の課題は更に、摺動するエレメントに、大部分が原子配向（１１１）の等軸形態を有し、さらに配向構造（２００）での保持性を有する窒化クロムコーティングを提供することである。

本発明の課題は更に、摺動するエレメントに実質的に孔のない窒化クロムコーティングを提供することである。

本発明の簡単な説明
本発明の課題は、内燃機関で使用される少なくとも１つのスライドする表面を備えたエレメントであって、所与の合金ベースと、気相での物理蒸着によって生じた窒化クロム硬質コーティングを備えた外表面とを含み、該コーティングが１体積％を下回る範囲の気孔率を有し且つ等軸の結晶構造を備えた、前記エレメントによって達成される。

図面の簡単な説明
本発明はここで、図面に表される実施態様の例を参照して更に詳細に記載される。図面は以下のことを示す。

図１は、先行技術によって摺動するエレメントの窒化クロムコーティングの柱状形態の写真である。 図２は、本発明による摺動するエレメントの窒化クロムコーティングの等軸形態の写真である。 図３は、成長の方向及び摩擦から生じる応力の方向を示す柱状形態を有するコーティングを例示する。 図４は、成長の方向と摩擦から生じる応力の方向を示す等軸形態を有するコーティングを例示する。 図５は、摺動する２つのエレメントの図であり、そのうちの１つは本発明による等軸形態を有する窒化クロムコーティングを備えている。 図６は、摺動する２つのエレメントの図であり、そのうちの１つは、本発明の窒化クロムコーティングとベースとの間の結合のための中間層を備える。

発明の詳細な説明
本発明は、内燃機関で使用される少なくとも１つのスライド表面を備えたエレメントに関する。留意するべきことは、摺動するエレメント（１）が、接触を受ける機関の多様な要素を含み、その際、それらの間に摩擦が生じ得ることである。従って、本発明のコーティング（４）は、２つのエレメントのうちの１つに適用されるか又は相互作用する両方のエレメントに同時に適用され得る。

本発明による摺動するエレメント１は、金属合金のベース２と、コーティング４を受ける外表面３とを含む（図５及び６を参照のこと）。ベース２は、鉄合金又は鋼によって構成されてよく、例えば、鋼は１０〜１７％のクロムを含有する（ステンレス鋼）。

本発明による摺動するエレメント１の例は、数多くの中でも特に、圧縮及びオイルのピストンリング、ベアリング、シリンダ及びシリンダスリーブ、ピストン、及びリングに見出される。

前述の通り、内燃機関に使用される摺動するエレメント１に適用される先行技術による窒化クロムのコーティングは、柱状形態を特徴とする。柱状形態を有するコーティングは、材料の異方性抵抗を示す。既に見られた通り、摩擦「Ａ」より生じるコーティングの機械的応力が、その「柱状」テクスチャのためにより低いコーティングの抵抗の方向に（図３を参照のこと）、即ち、被覆されるべきベースに対して直交成長の接線方向"Ｃ"に発生するので、この種の柱状形態のコーティングは、最良の耐摩耗性の結果をもたらさない。

本発明のコーティング４は、先行技術のものではない形態に基づき、これは等軸形態を有するコーティング４の成長を促進し（図４を参照のこと）、その結果、等方性を備えたコーティング４が得られる。２つの図面を見ると、本発明の形態が、直線的に積重ねられた構造（柱状）を有していない事実によって、摩擦（Ａ）から生じる荷重をより容易に受けられることが明らかである。等軸構造では、等軸方法における「ブロック」の中心からのアライメントの狂いがあり、これが２つの「ブロック」に分けられるべき「ブロック」によって及ぼされる荷重を引き起こし、従って、より大きな応力抵抗性が得られる。

この種の形態の１例を、図１及び図２の写真によって示す。柱状形態（図１）を更に定義すると、これらが重なった柱であることが明らかである。次に、等軸形態（図２）は上で説明したようにあまり直線的ではない。

しかしながら、本発明のコーティング４によって達成される優れた結果を可能にしたのは、コーティング４の形態のみではなかった。本発明のコーティング４は、窒化クロムコーティングの場合、先行技術に見出されるものよりも遙かに低い気孔率の値を達成した。従って、見出された最大気孔率はコーティング４の１体積％を超えず、気孔率欠如の傾向、即ち、ほぼゼロの気孔率を有する。

本発明によって提案された、コーティング４の等軸形態によってもたらされる利益の他に、気孔率の欠如（又はそのゼロの傾向）は、コーティング４の機械的特性にとって更に有益であることに注意することが重要である。公知のように、多孔性は、欠陥として及び張力コンセントレータとして同時に作用するので、コーティングの構造的な抵抗性を損なわせる。従って、かかる不連続の量及び耐久性の低下は、より高い摩耗性とより高い靭性を備えた、更に高密度のコーティング４をもたらす。

更に本発明のコーティングに導入された改善に関して、留意するべきことは、窒化クロムコーティングの原子配向における新たな配列の結果として機械的特性が顕著に改善されたことである。

多くの先行技術文献は、良好な耐摩耗性を固有に備える系統配向（１１１）を記載している。かかる発見は、部分的に、この結晶配向が面心立方（ＣＦＣ）構造にアプローチする事実によるものであり、該構造は、より小さな原子間隔を備え、濃縮したコーティングの耐摩耗性の改善に反映する。しかしながら、コーティングの成長において固有の高い内部応力は、明らかに、方向（１１１）の下で、その成長（より大きな厚み）を制限している。

他方では、系統（２００）の結晶配向は、コーティング表面に適用される外部せん断応力を軽減することを目的とする可動転位がより困難になる原因となり、配向（２００）を有する結晶面の転位を引き起こすので、摺動するエレメント１のコーティングではあまり望ましくない。

従って、本発明のコーティング４に関する理解によれば、系統（１１１）の結晶面は、亀裂の外観に対する抵抗を改善し、少量の系統（２００）は、亀裂の伝播に対する抵抗を改善する。本発明は、コーティングの転位を防ぎ且つ平面間の境界面のエネルギーを低減することによって耐摩耗性を改善することが可能な冶金機構として両方の結晶配向性を適用する。

記載された利益を効果的に達成することを目的として、本発明の前記コーティング４は、主に結晶面（１１１）の分配を実行する。この値を定量化すると、系統（１１１）の配向による結晶分配は、系統（２００）の結晶面のものよりも約１．５倍〜１００倍高い、即ち、（１１１）／（２００）＝１．５〜１００である。

従って、決められた状況下でコーティングの成長を１μｍ又は２μｍに制限する前に、その成長を限定したものは、ここでは解決された課題である。本発明によって提案された解決策は、同じ靭性の値を維持する利点を有するコーティングの厚さを増大させることが可能である。

最終的には、内燃機関に使用されるスライドするエレメント１のコーティング４の特性を達成するために、物理蒸着によって生成される窒化クロムの堆積方法が、更に具体的には、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング−ＨＰＩＭＳによる高パルス出力を通して使用された。

この堆積方法は、コーティング４の成長が起こる金属ベース１にイオンが到達するエネルギー（高速）を実質的に増大させ、コーティング４の構造をかなり改良し、そして通常、柱状形態（図１及び図３を参照のこと）から等軸形態（図２及び図４を参照のこと）まで通ることからなる現象を用いる。結果的に、かかる現象は、コーティングを形成するイオンのエネルギーに応じてより高密度のフィルムを製造する能力を有する。

堆積方法の特徴に応じて、より多量（１１１）で架橋の配向のさらに好ましい形成が見られるが、（２００）の配向を有する構造はそのままであり、従ってコーティング４に靭性を付与する。

本発明の好ましい実施態様は、図５及び図６を通して理解され得る。図面がピストンリングと内燃機関のシリンダ（摺動するエレメント１の両方）に対応すると仮定すると、摺動するたった１つの又は両方のエレメント１は被覆され得る。具体的な例では、本発明者らは、それらの溝のいずれかに配置するためのピストンリングが、シリンダの壁に接触する表面上で本発明のコーティング４を受ける、典型例についてよく検討している。

従って、ピストンリングの金属ベース２は、その外表面３上で、ＨＩＰＩＭＳプロセスによって堆積された窒化クロムコーティング４を受ける。実験室の結果は、コーティング４が、極めて低い出現率（１％未満）の気孔率を有する又は気孔の全くない等軸形態を備えていることを示す。これと一緒に、好ましい（１１１）のベース２に対して平行な方向の網状構造は、（先行技術のものよりも）極めて高い耐摩耗性のフィルムが見られるが、ピストンリングの作用面で適切な保護機能を発揮するために要求される靭性（配向（２００）の残存値）を示す。

測定された値が、結晶配向（１１１）と（２００）との間の比が１．５倍〜１００倍の間であることを示したことに留意するべきである。同様に、硬度は１５００ＨＶ〜２５００ＨＶの範囲であり、コーティング４は５μｍ〜６０μｍの範囲の厚さを達成した。

従って、本発明のコーティング４が、スライド１を作用させるエレメントについて新規な等軸形態を提示することに加えて（内燃機関で使用される場合）、より長期の耐久性を付与する、先行技術のコーティングで遭遇する課題を解決できる無数の特性をもたらすことが明らかである。

記載された実施態様の好ましい例については、本発明の範囲が、他の可能な変更を包含することが理解されるべきであり、可能な等価物を含む、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されている。

Claims (11)

1. 内燃機関で使用するための少なくとも１つの摺動面を備えたエレメントであって、該エレメント（１）が、任意の金属合金のベース（２）及び物理蒸着によって生成した窒化クロムの硬質コーティング（４）の外表面（３）を含み、該コーティング（４）が１体積％未満の割合で気孔率を有し且つ等軸結晶構造を有することを特徴とする、前記エレメント。
2. コーティング（４）の結晶配向が、コーティング（４）の表面に対して平行な面の比によって規定され、その際、結晶面（１１１）及び（２００）が、結晶面に対して１．５〜１００の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のエレメント。
3. コーティング（４）が１５００ＨＶ〜２５００ＨＶの範囲の硬度を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のエレメント。
4. コーティング（４）が５〜６０μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のエレメント。
5. コーティング（４）の結晶配向が主に高密度の結晶面（１１１）によって規定されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のエレメント。
6. ベース材料（２）が鋳鉄であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のエレメント。
7. ベース材料（２）が鋼であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のエレメント。
8. ベース材料（２）が１０〜１７質量％の範囲のクロム量を備えた鋼であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のエレメント。
9. コーティング（４）が５％よりも高い量で酸素及び炭素の群から選択される元素を含有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のエレメント。
10. コーティング（４）とベース（２）との間の結合のための中間層（５）を備え、該中間層（５）がクロム、ニッケル及びコバルトの中の元素の１つを含むことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のエレメント。
11. 蒸気相での物理蒸着が高出力インパルスマグネトロンスパッタリングによる高パルス出力によって達成されることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のエレメント。

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