JP2018513278A - 被覆された摺動要素 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2015年4月22日に出願された米国実用出願連続番号第14/693,194号の利益を主張し、ここにその全体が引用により援用される。
1.技術分野
本発明は、ピストンリングなどの被覆された摺動要素、および該被覆された摺動要素を製造する方法に関する。
エンジン用途における摺動要素は、摺動特性を最適化するように改変された表面を有する多層材料から構成されることが典型的である。たとえば、摺動要素は鉛、すず、またはアルミニウム系の金属層を含むこともあり、これらの金属層は、ガルバニックプロセス、蒸着、またはイオンプレーティングによって塗布される。また、特定の特性、負荷容量、および耐摩耗性を得るために改変された人工樹脂ベースを有するような非金属摺動層も知られている。
本発明は、耐摩耗性が改良された、高ピーク負荷容量を有する摺動要素を提供する。摺動要素は、たとえば内燃機関内の移動要素上で高温及び高摺動速度で使用可能である。摺動要素は、基板、基板に塗布されたベースコーティング、およびベースコーティングに塗布されたスライドコーティングを備える。ベースコーティングは、厚みを有し、少なくとも4.0μmの表面粗さ(Rz)を有する。スライドコーティングは、少なくとも1種類のポリマーで形成されたマトリックスを含む。また、スライドコーティングはマトリックスに配置された硬質粒子を含み、硬質粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属のうちの少なくとも1つから形成される。スライドコーティングは、ベースコーティングの厚さの2%〜60%の厚さを有する。
本発明の一態様は、基板22、ベースコーティング24、およびベースコーティング24に塗布されたスライドコーティング26を備える摺動要素20を提供する。摺動要素20は内燃機関用途、好ましくは、高ピーク負荷の流体潤滑用途で使用されるのが典型的である。たとえば、摺動要素20は、クランクシャフト、ピストンスカート、またはピストンリングの軸受として使用可能である。図1および図2は、摺動要素20がピストンリングを含む例示的な実施形態を示す。
本発明の摺動要素20の摩擦係数を比較例の摺動要素の摩擦係数と比較するために実験が行なわれた。これら2つの摺動要素は、各々がKV4鋳鉄材料から構成されてピストンリング(直径107mm)として設けられた、同一の基板を含んでいた。基板は、内面と、中心軸の周りで周方向に延在する、内面の反対側に面する滑走面とを備えていた。蒸着されたクロムおよび窒素(CrN)から構成されるベースコーティング24を、物理蒸着(PVD)によって双方の基板の滑走面に塗布した。その後、PAIマトリックスおよびFe2O3の硬質粒子を含むスライドコーティング26が本発明の摺動要素20のベースコーティング24に塗布されたが、比較例の摺動要素には塗布されなかった。
Claims (20)
- 基板と、
前記基板に塗布され、厚さおよび少なくとも4.0μmの表面粗さ(Rz)を有するベースコーティングと、
前記ベースコーティングに塗布され、少なくとも1種類のポリマーによって形成されたマトリックスを含み、前記マトリックスに配置された硬質粒子を含み、前記ベースコーティングの前記厚さの2%〜60%の厚さを有するスライドコーティングと、を備え、前記硬質粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属のうちの少なくとも1つから形成される、摺動要素。 - 前記ベースコーティングは、5.0μm〜8.0μmの表面粗さ(Rz)および0.6μm〜0.8μmの表面粗さ(Ra)を有する、請求項1に記載の摺動要素。
- 前記ベースコーティングは、クロム(Cr)、窒化クロム(CrN)、炭化クロム(CrC)、酸窒化クロム(CrON)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化チタンアルミニウム(AlTiN)、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン(DLC)のうちの少なくとも1つから選択される組成を有する、請求項1に記載の摺動要素。
- 前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、かつ、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも40.0vol.%の量で存在し、前記硬質粒子は前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜20.0vol.%の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜15.0vol.%の量のFe2O3を含む、請求項1に記載の摺動要素。
- 前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して3.0〜5.0vol.%の量の、Fe2O3と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、前記硬質粒子は、少なくとも600HV/0.5の硬度および0.01〜5.0μmの粒径を有し、
前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して5.0〜30.0vol.%の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、MoS2、グラファイト、WS2、六方晶窒化ホウ素(h−BN)、PTFE、および金属硫化物のうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の摺動要素。 - 前記摺動要素はピストンリングであり、前記摺動要素は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、前記ベースコーティングは前記滑走面に塗布される、請求項1に記載の摺動要素。
- 前記ベースコーティングは前記側面のうちの少なくとも1つに塗布される、請求項5に記載の摺動要素。
- 前記基板は鉄系材料で形成されたピストンリングであり、前記基板は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、
前記ベースコーティングは、前記滑走面と前記側面の対のうちの少なくとも1つとに塗布され、
前記ベースコーティングは、5.0μm〜8.0μmの表面粗さ(Rz)および0.6μm〜0.8μmの表面粗さ(Ra)を有し、
前記ベースコーティングは、塗布されたままの状態であり、研磨またはラップ仕上げが施されず、
前記ベースコーティングは300μm以下の厚さを有し、
前記ベースコーティングは、クロム(Cr)、窒化クロム(CrN)、炭化クロム(CrC)、酸窒化クロム(CrON)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化チタンアルミニウム(AlTiN)、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン(DLC)のうちの少なくとも1つから選択される組成を有し、
前記ベースコーティングは、物理蒸着、化学蒸着、ガルバニック蒸着、電着、電気化学蒸着、および溶射プロセスからなる群から選択されるプロセスによって塗布され、
前記スライドコーティングは、前記ベースコーティングの前記厚さの10%〜50%の厚さを有し、
前記スライドコーティングは、50μm以下の厚さを有し、
前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも40.0vol.%の量で存在し、
前記硬質粒子は前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜20.0vol.%の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜15.0vol.%の量のFe2O3、および、3.0〜5.0vol.%の量の、Fe2O3と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、
前記硬質粒子は、少なくとも600HV/0.5の硬度および0.01〜5.0μmの粒径を有し、
前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して5.0〜30.0vol.%の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、MoS2、グラファイト、WS2、六方晶窒化ホウ素(h−BN)、PTFE、および金属硫化物のうちの少なくとも1つを含み、
前記摺動要素が内燃機関で使用される場合、前記スライドコーティングは前記内燃機関の全寿命の1%未満の間だけ前記摺動要素上にとどまり、前記ベースコーティングは前記内燃機関の全寿命にわたって前記摺動要素上にとどまる、請求項1に記載の摺動要素。 - 摺動要素を形成する方法であって、
厚さおよび少なくとも4.0μmの表面粗さ(Rz)を有するベースコーティングを基板に塗布するステップと、
スライドコーティングを前記ベースコーティングに塗布するステップとを含み、前記スライドコーティングは少なくとも1種類のポリマーによって形成されたマトリックスを含み、前記スライドコーティングは前記マトリックスに配置された硬質粒子を含み、前記硬質粒子は窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属のうちの少なくとも1つから形成され、前記スライドコーティングは前記ベースコーティングの前記厚さの2%〜60%の厚さを有する、方法。 - 前記ベースコーティングは、5.0μm〜8.0μmの表面粗さ(Rz)および0.6μm〜0.8μmの表面粗さ(Ra)を有する、請求項9に記載の方法。
- 前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングが塗布されたままの状態であって少なくとも4.0μmの表面粗さを有するときに、前記スライドコーティングを前記ベースコーティングに塗布することを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記ベースコーティングを前記基板に塗布するステップは、物理蒸着、化学蒸着、ガルバニック蒸着、電着、電気化学蒸着、および溶射プロセスからなる群から選択されるプロセスを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記ベースコーティングは、クロム(Cr)、窒化クロム(CrN)、炭化クロム(CrC)、酸窒化クロム(CrON)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化チタンアルミニウム(AlTiN)、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン(DLC)のうちの少なくとも1つから選択される組成を有する、請求項12に記載の方法。
- 前記ベースコーティングの前記組成は、クロム、クロムおよび酸化アルミニウム、またはクロムおよびダイヤモンドから構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは、ガルバニック蒸着を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記ベースコーティングの前記組成はクロムおよび窒素から構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは物理蒸着を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記ベースコーティングの前記組成はダイヤモンドライクカーボン(DLC)から構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは、物理蒸着、化学蒸着、またはプラズマアシスト化学蒸着(PA−CVD)を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記ベースコーティングの前記組成はクロムおよび窒素から構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは物理蒸着を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも40.0vol.%の量で存在し、
前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜20.0vol.%の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜15.0vol.%の量のFe2O3、および、3.0〜5.0vol.%の量の、Fe2O3と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、前記硬質粒子は、少なくとも600HV/0.5の硬度および0.01〜5.0μmの粒径を有し、
前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して5.0〜30.0vol.%の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、MoS2、グラファイト、WS2、六方晶窒化ホウ素(h−BN)、PTFE、および金属硫化物のうちの少なくとも1つを含む、請求項9に記載の方法。 - 前記摺動要素はピストンリングであり、前記摺動要素は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、前記ベースコーティングは前記滑走面に塗布される、請求項9に記載の方法。
- 前記基板を設けることを含み、前記基板は鉄系材料で形成されたピストンリングであり、前記基板は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、
前記ベースコーティングは、5.0μm〜8.0μmの表面粗さ(Rz)および0.6μm〜0.8μmの表面粗さ(Ra)を有し、前記ベースコーティングは、塗布されたままの状態であり、研磨またはラップ仕上げが施されず、前記ベースコーティングは、クロム(Cr)、窒化クロム(CrN)、炭化クロム(CrC)、酸窒化クロム(CrON)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化チタンアルミニウム(AlTiN)、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン(DLC)のうちの少なくとも1つから選択される組成を有し、
前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも40.0vol.%の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜20.0vol.%の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して0.1〜15.0vol.%の量のFe2O3、および、3.0〜5.0vol.%の量の、Fe2O3と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、前記硬質粒子は、少なくとも600HV/0.5の硬度および0.01〜5.0μmの粒径を有し、前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して5.0〜30.0vol.%の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、MoS2、グラファイト、WS2、六方晶窒化ホウ素(h−BN)、PTFE、および金属硫化物のうちの少なくとも1つを含み、
前記ベースコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングを前記滑走面と前記側面のうちの少なくとも1つとに塗布することを含み、
前記ベースコーティングを前記基板に塗布するステップは、物理蒸着、化学蒸着、ガルバニック蒸着、電着、電気化学蒸着、および溶射プロセスからなる群から選択されるプロセスを含み、
前記ベースコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングが300μm以下の厚さを有するまで前記ベースコーティングを前記基板の前記表面に塗布することを含み、
前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングが塗布されたままの状態であって少なくとも4.0μmの表面粗さを有するときに、前記スライドコーティングを前記ベースコーティングに塗布することを含み、
前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記スライドコーティングが50μm以下の厚さを有するまで前記スライドコーティングを塗布することを含み、
前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記スライドコーティングを前記ベースコーティングの前記厚さの10%〜50%の厚さになるように塗布することを含む、請求項9に記載の方法。
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