JP5583207B2 - 滑動部材 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の滑動部材、特にピストンリングに関する。

内燃機関の二酸化炭素を削減する場合、燃料消費が本質的な役割を果たす。これは、本質的にエンジン内の摩擦損失によるものであり、特にピストン領域、例えばピストンリングでそうである。従って、内燃機関の滑動部材、特にピストンリングについての要求、即ちピストンリングの使用寿命に亘り最善の可能な摩擦特性を持つ、という要求が存在する。使用寿命に関しては慣らし運転特性について、摩擦学的性質を変更し得るあらゆる可能な潤滑性欠陥及び焼き付き形成を考慮しなければならない。

当該技術分野においては、硬質基材料上にＰＶＤコーティングすることで、良好な磨耗耐性が生じることは知られている一方で、該摩擦係数につき一層改良することも望まれている。

ＤＥ１０２００５０６３１２３Ｂ３によると、層の外側から内側への構造は、慣らし運転層、接着層及び磨耗抵抗層を有する。しかしながら、全寿命に亘る摩擦特性はなお改良されねばならない。

本発明が解決しようとする課題は、内燃機関の滑動部材、特にピストンリングを提供することであり、前記滑動部材は、使用可能な最大期間に亘る好ましい摩擦特性を安定して発揮することができるものである。

本発明の課題は、請求項１に記載の通りの滑動部材１の手段により解決される。

従って、前記滑動部材は、ｔａ−ＣタイプのＤＬＣコーティングを有し、その厚さに亘り変化する残留応力を有する。言い換えれば、少なくともひとつの残留応力勾配が前記コーティング上の厚さに対し形成されている。「ＤＬＣ」は既知のようにダイヤモンド状炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）の略語である。ｔａ−Ｃタイプは、四面体構造により特徴付けられ、水素を含まず、例えばＶＤＩガイドライン２８４０に定義されるものである。このタイプの層は、良好な摩擦特性を持つと同時にさらに、つぎの理由により特に長寿命を持つ。

前記コーティング層の厚さに対し残留応力を変化させることで、大きい層厚さを作成することができ（例えば１０μｍ）、しかも前記層の接着性又は壊れ易さに関してなんら問題を生じることもない。特に、残留応力が低い層を持つ領域は層構成全体（即ち特に多層コーティングが局所的になされている場合）を緩和させることができる。このようにして、内燃機関で使用される高スラスト荷重応力がある場合でも、ＤＬＣコーティングの弾性限界は超えられることはない。従って、前記コーティングの磨耗は十分抑制されることができる。

本発明によるさらに好ましい実施態様はさらなる請求項に記載される。

前記コーティングから前記滑動部材の基材へ負の残留応力勾配があることは（即ち、前記コーティングの内部を外側から内側を見るように）利点であることが示された。言い換えると、前記残留応力は基材へ向かって小さな値へと減少し前記基材への好ましい応力変化を達成でき、従って前記層への良好な接着性が達成できる。

前記コーティングの外側へ伸びる領域につき正の残留応力勾配（外側から内側へ見るように）は利点があることが示された。言い換えると、残留応力はコーティングの外側表面に比較的低いレベルで存在し、このことが、好ましい慣らし運転特性にとって有利となる。しかしここから、残留応力を好ましくは内側に向かって大きく増加させて上で説明した効果が達成できる。

前記コーティングの中心付近（すなわち、外側でもなく内側でもない）の領域については、負の残留応力（好ましくは、前記コーティングの内側領域、即ち基材へ向かう、での負の残留応力勾配よりは小さい）が有利であることが示された。この方法で、最大のレベルを持つ残留応力は前記コーティングの比較的外側に存在し、これにより好ましい特性を達成することができる。

特に滑動部材については非常に高い表面圧力が予想され、最も内側の領域（即ち、基材に直接対面する）に一定の低い残留応力性があることは好ましい。

さらに、同様の一定の比較的低い残留応力性（しかし好ましくは最も内側の領域よりも高いレベルであり）であって、前記コーティングの外側に与えられる残留応力性により、慣らし運転特性がさらに改良される。

前記コーティングのクラックの拡がりを防止するために、中央領域の広い範囲に亘って変化する残留応力が有利であることが示された。これに関連して、低残留応力を持つ領域のひとつ又はそれ以上の領域は、高い残留応力を持つ領域の広がりよりも小さいか、同じ程度か、又は大きくてもよい。

繰り返しのため、即ち、低残留応力を持つ層が始まり、高い残留応力を持つ領域をへて低い残留応力を持つ次の領域の間の厚さは、０．１〜１μｍであり得る。

すなわち、ここで説明された方法により、１０μｍ以上の厚さを持つコーティングが生成され得る。これにより好ましい慣らし運転特性が達成されるとともに、十分な厚さを持つことから、避けることのできない磨耗の後の前記コーティングの好ましい摩擦特性を持つ長寿命が保証される。

異なる残留応力を生成させるために、例えば、ｓｐ^２及びｓｐ^３混成炭素原子の比率を変えることが有利である。特に圧力残留応力は、ｓｐ^３部分が増えると増加され、このことは全体として残残留応力勾配の形成を可能にする。

これは同様に密度を増加することで適用され、コーティング層の厚さに亘り層の密度を変化させることで、前記コーティング層に亘る残留応力の変化を好ましく生成することができる。

最後に、前記コーティング層の厚さに亘る層の硬度を変化させることが考えられ、より高い硬度はより大きい圧力残留応力を生じる結果となり、この方法で望ましい残留応力勾配が設定され得る。

本発明は以下の実施態様につき例示として、図面を参照して詳細に説明される。
図１は、第一の実施態様によるＤＬＣコーティングの厚さに亘る残留応力プロフィルを示す。 図２は、第二の実施態様によるＤＬＣコーティングの厚さに亘る残留応力プロフィルを示す。

図において、ＤＬＣコーティングの残留応力はそれぞれ前記コーティングの厚さに亘りマークされており、最も外側が図面左側に、最も内側が図面右側に描かれる。言い換えると、基材（例えば鋼又はねずみ鋳鉄）は図面の右に示される残留応力を持つコーティングに隣接する。

図１で示される実施態様においては、（外側から内側へ）負の残留応力勾配が、前記コーティングの内側領域又は前記コーティングの「基材」（領域ＩＩＩ）から始まって形成される。言い換えると、前記基材へ亘る残留応力は、良好な応力変化及び前記コーティングの接着性を達成するために特に低い。中間領域（ＩＩ）では、残留応力はさらに徐々に（しかしより低い勾配をもって）最も高いレベルへ増加される。外側（領域Ｉ）では、残留応力は大きく減少し、言い換えると、外側から内側へ高い正の残留応力勾配が形成される。

これは同様に図２の実施態様においても適用される。最も外側の領域Ｉで残留応力は初め低いレベルで一定であり、その後（領域ＩＩ）大きく増加される。これにより、領域Ｉ及び領域ＩＩの間に応力依存性の変化が適用され、残留応力は広い範囲に亘り交互に変わる。特に、常に高い残留応力を負荷するスラスト応力を持つ場合、クラックの恐れがあることが見出された。この領域では、繰り返し厚さは、例えば０．１及び１μｍの間で可能である。図１の実施態様と同様に、強い負の残留応力勾配を持つ領域ＩＶは基材（図面の右）に隣接する。基材に直接隣接する領域Ｖが存在し、一定の低残留応力プロフィルを持ち、前記基材へ亘る良好な応力及び良好な接着性を達成する。領域Ｖでの残留応力レベルは、領域Ｉ及び領域ＩＩＩのレベルよりも特に低くすることができ、残留応力は完全に最大値と、領域Ｉのレベルの少し上のレベルの間で変更することができる。

Claims (9)

1. 内燃機関の滑動部材、ｔａ−ＣタイプのＤＬＣコーティングを有し、前記コーティングの厚さに亘り残留応力が変化し、少なくともひとつの残留応力勾配を含み、前記コーティングの外側から内側を見て、前記基材の方向へ配置される領域（ＩＶ）において、負の応力勾配が形成され、前記コーティングの外側から内側を見て、前記外側上に配置される領域（ＩＩ）において、正の応力勾配が形成され、前記コーティングの中間領域（ＩＩＩ）で、広く交互に変化する残留応力が形成される、滑動部材。
2. 請求項１に記載の滑動部材であり、前記コーティングの最も内側領域（Ｖ）及び／又は最も外側領域（Ｉ）で、前記残留応力がほとんど一定である、滑動部材。
3. 請求項１又は２のいずれか一項に記載の滑動部材であり、最も内側の領域で前記残留応力が前記コーティングの最も外側の領域よりも小さい、滑動部材。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の滑動部材であり、前記変化の繰り返し（α）が０．１から１μｍである、滑動部材。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の滑動部材であり、前記コーティングが１０μｍ以上の厚さである、滑動部材。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の滑動部材であり、残留応力勾配を持つ少なくともひとつの領域で、ｓｐ２及びｓｐ３混成炭素原子間の比率が変化する、滑動部材。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の滑動部材であり、残留応力勾配を持つ少なくともひとつの領域で、前記層の密度が変化する、滑動部材。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の滑動部材であり、残留応力勾配を持つ少なくともひとつの領域で、前記層の硬度が変化する、滑動部材。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の滑動部材であり、ピストンリングとして使用される、滑動部材。
   

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