JP5678075B2 - スライド素子、特にピストンリング、およびスライド素子とかみ合い作動素子の組み合わせ - Google Patents

Description

本発明は、コーティングを備えるスライド素子、特にピストンリング、およびスライド素子とかみ合い作動素子（ｍａｔｉｎｇ ｒｕｎｎｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）の組み合わせに関する。

多くの技術的応用は、作動素子とかみ合って滑り接触するスライド素子を必要とする。ピストンリングとシリンダーライナーの組み合わせは、典型的な応用と考えられる。シリンダーまたはシリンダーライナーが、例えばアルミニウム‐ケイ素合金からなる場合（特に火花点火エンジンの場合）、ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素）コーティングシステムは、磨耗および摩擦損失に対する価値を証明している。しかし、周知のＤＬＣ層システムは、一般的に鉄系シリンダーライナーを備える高度に過給された火花点火エンジンまたはディーゼルでの使用への適合性および耐用年数を改良する必要がある。著しく高いシリンダー圧力および特に直接噴射との組み合わせに起因して、より大きな割合の混合摩擦状態が存在する。このような状況のＤＬＣコーティングシステムの不十分な適合性の決定的要因は、一般的に５μｍ未満である薄い層の厚さにあると考えられる。

ＤＥ １０ ２００５ ０６３ １２３ Ｂ３には、導入層（ｒｕｎ−ｉｎ ｌａｙｅｒ）でのＤＬＣコーティングが開示されている。より厚い層厚に関しては、ＰＶＤコーティングもまた周知であり、特に、１０〜３０μｍの層の厚さを有するＣｒＮベースのものが知られている。これらによって向上した耐用年数がもたらされるが、特に不十分な潤滑および擦り耐性の場合、摩擦損失および耐磨耗性が劣化する。その一方で、それらの非晶質構造に起因して、ＤＬＣ層システムは、金属表面に対して実質的に化学的に不活性であるため、かみ合い作動素子に対して非常に低い接着性を有するという利点を有する。

ＤＥ ２９６ ０５ ６６６ Ｕ１は、内燃エンジンの領域において、層の厚さにわたって段階的な硬度を有する、金属を含まない非晶質炭素層で被覆された部材に関する。

ＤＥ １０ ２００８ ０１６ ８６４ Ｂ３には、内側から外側へ、接着層と、金属含有非晶質炭素層と、金属を含まない非晶質炭素層とを備えるピストンリングが開示されている。

ＷＯ ２００９／１０６２０１ Ａｌは、ＤＬＣ結合剤層と、ＤＬＣ機能層と、ＤＬＣ導入層とが基板上に存在する、内燃エンジンの部材に関する。

最後に、ＷＯ ２００６／１２５６８３ Ａｌには、内側から外側へ、ＩＶＢ、ＶＢまたはＶＩＢ群からの元素を有する層と、ダイヤモンド状ナノ複合組成を有する中間層と、ＤＬＣ層とを備えるピストンリングが開示されている。
ＵＳ ２００８／０２２０２５７ Ａｌは、内側から外側へ、接着層と、４面体構造を有する炭素層と、非晶質炭素層とを有する、金属基板上のコーティングに関する。

独国特許第１０２００５０６３１２３号明細書 独国実用新案第２９６０５６６６号明細書 独国特許第１０２００８０１６８６４号明細書 国際公開第２００９／１０６２０１号 国際公開第２００６／１２５６８３号 米国特許出願公開第２００８／０２２０２５７号明細書

本発明は、特に、例えば鉄系かみ合い作動素子を有する高度に過給された火花点火エンジンまたはディーゼルにおいて使用される場合に、耐用年数および摩擦損失に対する要件を充足する、スライド素子、特にピストンリングを提供する目的に基づくものである。スライド素子とかみ合い作動素子の適当な組み合わせについても開示する。

上記目的は、請求項１に記載のスライド素子によって達成される。
このスライド素子は、一方で、外側のＣｒＮ層およびＤＬＣ層の組合せを特徴とする。ＤＬＣ層は、金属を含まないかまたは金属含有下部構造と金属を含まないＤＬＣ上部層とを備える。言い換えると、ＤＬＣ層は、少なくとも部分的に金属を含まず、特に、外表面上に金属を含まないＤＬＣ層を備える。さらに、詳細な試験では、ＣｒＮ層とＤＬＣ層との間の中間層としてＭｅ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）層を設けた場合、開示されたコーティングは特に優れた特性を表すことが示された。この層構造での試験では、スライド素子、特にピストンリングの磨耗特性が、Ｃｒ接着層及びＤＬＣ上部層を備える周知の構造と比較して向上していることが示された。これにより、耐用年数が著しく向上する。試験ではまた、相対摩擦係数を著しく減少させることも示された。したがって、開示された層構造は、改良されたスライド素子を提供することができる。好ましくは、ＣｒＮ層は、例えば金属蒸着またはスパッタリングによって、接着層を使用することなくピストン基材に適用されることが強調される。しかし、特殊な応用では、ＣｒＮ層は、接着層によってスライド素子の基材に適用することも可能である。

簡略化のために、Ｍｅは金属を意味するものであり、例えばタングステン、クロム、チタンまたはケイ素とすることができることに留意すべきである。さらに、開示された層中に、炭素および窒素は事実上任意の比率で存在することができ、ｘおよびｙの両方が０〜９９原子％の範囲内であり得る。さらに、特に、少なくとも領域的に、少なくとも１つの作動面（ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）上にコーティングを提供することができる。さらに、コーティングは、表面および作動面に隣接する表面への移行に及び得る。これは、例えばピストンリングの作動エッジ（ｒｕｎｎｉｎｇ ｅｄｇｅ）に関連する。

好ましいさらなる発展については、その他の請求項に記載される。
１１００〜１９００ＨＶ０．００２の値が、ＣｒＮ層または下部構造の硬度に適当であることが見出された。この実施形態では、硬度１７００〜２９００ＨＶ０．００２の金属を含まないＤＬＣ層および／または硬度８００〜１６００ＨＶ０．００２の金属含有ＤＬＣ層を組み合わせることができる。

水素を含むと、ＤＬＣ層、特に金属含有および／または金属を含まないＤＬＣ層の特に優れた特性が得られるであろうこともまた予測される。

金属含有ＤＬＣ層はまた、例えばＷＣ、ＣｒＣ、ＳｉＣ、ＧｅＣまたはＴｉＣなどのナノ結晶性金属カーバイド析出物を含むことができる。

１〜３０μｍの厚さを有するＣｒＮ層、最大２μｍの厚さを有するＭｅ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）層、および５〜４０μｍの全体厚さを有する層に対して有利な特性が特定された。

粗度に関して、特性をさらに向上させるために、表面を形成する上部層が粗度パラメータＲｚ＜５μｍおよび／またはＲｐｋ＜０．８μｍを有することが好ましい。

実証された方法では、金属含有および／または金属を含まないＤＬＣ層は、ＰＡ−ＣＶＤ法によって形成することができる。

本発明はまた、少なくとも１つの前述のスライド素子と、かみ合い作動素子、特に内燃エンジン、特に、ディーゼルまたは高度に過給された火花点火エンジンのシリンダーまたはシリンダーライナーの組み合わせに関する。ここで、かみ合い作動素子は鉄ベースである。

本発明による層構造を示す。 ピストンリング及びシリンダーライナーの相対磨耗を示す。 異なる層システムの相対摩擦係数を示す。

添付の図面を参照して好ましい例示的実施形態を以下で説明する。
図１に示すように、スライド素子の基材１０上にＣｒＮ層１２が適用される。図１に示されている接着層１４は、必ずしも備える必要はない。特に、これは好ましくは省略される。Ｍｅ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）中間層１６を用いて、金属を含まないＤＬＣ層が外側となるように、ＤＬＣ層１８が外側に設けられる。

比較の試験は、この種類の構造体を用いて、接着層１４を使用せずに実施した。表は、層システムを示す。

ここで、システム「ＤＬＣシリーズ」は、ＣｒＮを含まない標準ＤＬＣ層システムである。これらの層システムをピストンリングに適用して、潤滑状態において、磨かれた鋳鉄シリンダーライナーと組み合わせてトライボロジー挙動を調査した。図２は、ピストンリング（上）およびシリンダーライナーに対する相対磨耗値を示す。示されたパーセント値は、試験後に残る元のＤＬＣ層の割合を示す。この値が１００パーセントを超える場合、ＤＬＣ層に加えて、ＣｒＮまたはＣｒＯＮ層もまた少なくとも部分的に磨耗している。最大磨耗値をシリンダーライナーの相対磨耗の参照値として使用し、１００パーセントとして定義した。

図２に示すように、Ｍｅ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）中間層を用いた本発明によるコーティングが最小の相対磨耗を有する。シリンダーライナーに対する磨耗の場合、周知のＤＬＣコーティングのみがより低い値をもたらす。しかし、シリンダーライナーの磨耗は、本発明による実施例に対しても許容範囲である。

摩擦係数の測定も実施し、結果を図３に示す。ここでは、本発明による実施例が、最小の相対摩擦係数を有する。したがって、比較的低い磨耗、ひいては長い耐用年数に対する要件に加えてこの要件もまた充足される。

１０ 基板
１２ ＣｒＮ層
１４ 接着層
１６ Ｍｅ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）中間層
１８ ＤＬＣ層

Claims (7)

1. ＣｒＮ層と、純Ｃｒ層を除くＭｅ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）層と、ＤＬＣ層とを内側から外側に有するコーティングを備えた鋳鉄または鋼鉄製のスライド素子であって、前記ＤＬＣ層が、金属含有下部構造と金属を含まないＤＬＣ上部層とから構成され、ＣｒＮ層の硬度が１１００ＨＶ０．００２〜１９００ＨＶ０．００２であり、前記金属を含まないＤＬＣ層の硬度が１７００ＨＶ０．００２〜２９００ＨＶ０．００２であり、かつ前記金属含有ＤＬＣ層の硬度が８００ＨＶ０．００２〜１６００ＨＶ０．００２であり、Ｍｅがタングステン、クロム、チタンまたはケイ素であり、ｘおよびｙの両方が０〜９９原子％の範囲内であり、前記金属がタングステン、クロム、ケイ素、ゲルマニウムまたはチタンであるスライド素子。
2. 前記金属含有ＤＬＣ層および／または前記金属を含まないＤＬＣ層が水素を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスライド素子。
3. 前記金属含有ＤＬＣ層が、ナノ結晶性金属カーバイド析出物を含むことを特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載のスライド素子。
4. 前記ＣｒＮ層が１〜３０μｍの厚さを有し、かつ／または前記Ｍｅ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）層が最大２μｍの厚さを有し、かつ／または層全体が５〜４０μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のスライド素子。
5. 前記ＤＬＣ層の外側が、粗度パラメータＲｚ＜５μｍおよび／またはＲｐｋ＜０．８μｍを有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のスライド素子。
6. 前記ＣｒＮ層が金属蒸着され、かつ／または前記金属含有ＤＬＣ層および／または前記金属を含まないＤＬＣ層がＰＡ−ＣＶＤ法によって形成されたことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のスライド素子。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のスライド素子と鉄系かみ合い作動素子。

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