JP6261582B2 - スライドエレメント、特に、耐性コーティングを有するピストンリング - Google Patents

Description

本願発明はスライドエレメントに関し、特に、基板上に少なくともひとつの滑走面を形成するコーティングを有するピストンリングに関する。

内燃エンジンにおける、ピストンリング、ピストンまたはシリンダライナーのようなスライドエレメントは、耐用期間中、できるだけ少ない摩擦で、かつ、低レベルの摩耗で、できるだけ長く動作しなければならない。内燃エンジンの燃料消費に直接関係する摩擦を低減するために、摩擦減少コーティングを有するスライドエレメントを与えることは周知である。この目的のために、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）のコーティングが使用され、例えば、それは当業者に周知である。

ＤＬＣ層を適用するには、いくつかの方法がある。高いコーティング速度および比較的低コストのために、近年しばしば使用される方法は、ＰＡＣＶＤ（プラズマアシスト化学蒸着）法である、それは、例えば、独国特許第１９５１３６１４Ｃ１号に記載されている。

ＤＬＣ層で基板をコーティングするために基本的に使用される他の方法は、ＰＶＤ法（物理的気相成長）法である。それは、例えば、独国特許第１０２０３７３０Ｂ４号に記載されている。

特に、ＰＡＣＶＤ法によるＤＬＣ層蒸着の欠点は、生成される高い機械的残留応力が比較的貧弱なコーティング耐性となり、そのような層はスライドエレメントに困難なく使用することができないという点にある。

スライディングエレメントは独国特許第１０２００９０２８５０４Ｂ３号に記載されている。コーティングは２つのＤＬＣ層、すなわち、金属含有ＤＬＣ層および金属非含有ＤＬＣ層からなる。金属含有ＤＬＣ層はＰＶＤ法によって適用され、金属非含有ＤＬＣ層はＰＡＣＶＤ法によって適用される。それによって異なるマイクロ構造が層内に作成される。ＰＡＣＶＤ―ＤＬＣ層、すなわち、従来の金属非含有ＤＬＣ層は、上述したように、機械的残留応力が大きい。従来技術において、ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層の高い機械的残留応力は、金属含有ＰＶＤ−ＤＬＣ中間層によって補償することが可能である。

しかし、本願の発明者は、独国特許第１０２００９０２８５０４Ｂ３号に記載された方法は、エンジンの耐用期間全体を通じて層の耐性に関してまだ最適ではないことを発見した。具体的には、従来技術に記載されたスライドエレメントに関して、大きい負荷がかかったときに層が剥離する現象がときどき発生する。その結果、スライドエレメントの摩耗特性および摩擦特性が劣化する。

ＤＬＣ層システムは、独国特許第１００１８１４３Ｂ４号から明らかである。それは、基板上の接着層、転移層、およびカバー層を有する。接着層は、特に、ＰＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法によるプラズマアシストコーティングによって適用され、ダイヤモンドライクカーボンのカバー層はプラズマＣＶＤによって適用される。

日本国特許公開第２００４−１０９２３号には、基板側から順に、クロム層、炭化クロム層、変化硬度ＤＬＣ層およびハードＤＬＣ層からなるコーティングを有するスライドエレメントが記載されている。

独国特許第２００８０１６８６４Ｂ３号には、基板側から順に、接着層、金属含有アモルファスカーボン層、および、金属非含有アルゴリズムアモルファスカーボン層からなるピストンリングが記載されている。

独国特許第１０２００９０４６２８１Ｂ３号には、基板側から順に、ＣｒＮ層、Ｍｅ（ＣｘＮｙ）層およびＤＬＣ層が与えられたスライドエレメント、特に、ピストンリングが記載されている。

最後に、米国特許出願公開第２００８／０２２０２５７号には、基板側から順に、２００ＧＰａ以上のヤング率を有するカーボンの中間層および２００ＧＰａ以下のヤング率を有するアモルファスカーボン層からなるコーティングを有する基板が記載されている。

上述した従来技術から出発して、本願発明の目的は、摩擦係数および摩耗特性の組み合わせがさらに向上したスライドエレメントを提供することである。特に、本願発明の目的は、大きな負荷がかかるエンジン内でのコーティングの一部の潜在的な剥離に関する摩耗特性を改善させることからなる。

この目的は、請求項１にかかるスライドエレメントによって解決される。本願発明のさらなる有利な特徴は従属項から明らかとなる。

本願発明に従い、基板上にコーティングを有する、特に、ピストンリングである、スライドエレメントが与えられる。コーティングは、スライドエレメントの少なくともひとつの滑走面を形成する。コーティングは基板側から順に、（好適にＰＶＤ）炭化物または窒化物層と、（好適にＰＶＤ）炭化物含有ＤＬＣ層と、金属非含有ＰＶＤ−ＤＬＣ層と、金属非含有ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層とを有する。

本願発明に従うコーティングの構造を使用することにより、個々のＰＶＤ層の間の遷移を均一にすることができる。したがって、個々の層の間に特に良好な接着を与えることができる。また、金属非含有ＰＶＤ−ＤＬＣおよびＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層の親和性により、２つの金属非含有ＤＬＣ層の間の接着も改善される。プロセスパラメータを変化させることにより、コーティングのそれぞれの層の間で変化した遷移を作成することもできる。この方法で実現された個々の層間のスムースな遷移およびＰＶＤ−ＤＬＣ層およびＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層との間の親和性は、エンジン内での大きな負荷の下でのあらゆる剥離を防止することが可能である。

本願発明に従うコーティングは、少なくとも部分的に、スライドエレメントの少なくとも滑走面に適用される。しかし、コーティングは滑走面全体に伸長してもよく、滑走面の隣接面上の全体または一部に形成することもできる。

ＰＶＤ−ＤＬＣ層は基板上に形成されるか、または、接着層が、特に、スパッタリングまたは電気アーク法によって、基板上に予め堆積されている。ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層は、少なくとも１ｋＨｚのプラズマ生成周波数を有するプラズマを使って好適に作成される。

好適な実施形態において、バインド層は基板と炭化物または窒化物層との間に形成される。それは、好適には、クロムまたはチタンからなる。このバインド層は、ときどき、接着層と呼ばれ、層システム全体、特に、基板上のＤＬＣ層の接着を改善する。基板の材料として、鋳鉄または鋼鉄が好適に使用される。これらの材料は、特にピストンリングと関連して有利である。

有利なことに、炭化物または窒化物層は、炭化タングステン、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、ＴｉＮ、または、ＣｒＴｉＮを含む。

炭化物含有ＤＬＣ層（好適にはＰＶＤ層）は、炭化物が添加されたＤＬＣ層であるということが理解されよう。大きい割合のｓｐ３結合（長距離秩序無しで架橋された大きい割合の炭素ｓｐ３結合は、少なくとも２０％、好適には少なくとも５０％）を有するＤＬＣ層に含まれるアモルファスカーボンは、添加材料に対するマトリクスを形成する。好適には、炭化物含有ＤＬＣ層は、付加的に、タングステンまたはクロムを含む。特に好適には、炭化物含有ＤＬＣ層は特に、ナノ結晶炭化タングステン沈殿物の形式で、炭化タングステンを含む。この特徴は、スライドエレメントのスライド特性にとっても有益である。

有利なことに、なじみ層がＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層上に形成されている。それはＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層よりも柔らかい。この柔らかいなじみ層、スライドエレメントのなじみ相中のスライドエレメントの特性にとって、例えば、新しいエンジンまたはすでになじみを有するエンジンのスペア部品として有益である。

好適には、ＰＶＤ−ＤＬＣ層は複数のサブレイヤを有する。これらのサブレイヤは例えば、変化遷移されて、互いに結合されている。変化遷移は、プロセスパラメータを徐々に修正することにより得られる。したがって、互いに関連する層の接着力の減少にしばしば関連する目立った不連続性を層中に生じさせることなく、一方ではＰＶＤ−ＤＬＣ層および炭化物含有ＤＬＣ層の接着特性、他方では炭化物含有ＤＬＣ層および（好適にＰＶＤ）炭化物または窒化物層の接着特性を最適に混合させることが可能である。

好適実施形態において、ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層は、コーティングの全層厚に対して３０％から７０％、好適には、３５％から６５％の間の層厚を有する。この好適な層厚比率はコーティング内に大量の添加剤を加えることなくコーティングの良好な耐性を生じさせる。

有利なことに、コーティングの全層厚は、２μｍから５０μｍである。このコーティング層厚により、特に、内燃エンジン用のピストンリングに関して、スライドエレメントの摩擦係数と摩耗特性との間の特に良好なバランスが可能になる。

また、ＰＶＤ−ＤＬＣ層（１８）は、７００ＨＶ０．００２から２８００ＨＶ０．００２の硬度を有する。代替的にまたは付加的に、ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層は、１２００ＨＶ０．００２から３０００ＨＶ０．００２の硬度を有する。ＰＶＤ−ＤＬＣ層およびＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層の上述した硬度範囲は、摩擦係数および摩耗特性の組み合わせに関して特に有利であることがわかった。

好適実施形態において、ＰＶＤ−ＤＬＣ層は１５０ＧＰａから３５０ＧＰａの弾性率を有し、および／または、ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層は１６０ＧＰａから４００ＧＰａの弾性率を有する。

基本的に、スライドエレメントの少なくとも滑走面は、少なくとも一部が、本願発明に従うコーティングによって被覆されている。経済的な理由によって、コーティングは非滑走面、および、滑走面と非滑走面との間の移行部に対して、または滑走面に隣接する面上にも適用可能である。

有利なことに、炭化物含有ＤＬＣ層および／またはＰＶＤ−ＤＬＣ層および／またはＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層は水素を含む。これは、コーティングの強度に関して有益であることがわかった。

好適に付与されたバインド層に対して、その効果を広げないために、基板上にできるだけ少なく適用しつつ、したがって、できるだけ少ない材料を使って、最大で１μｍの層厚を有することが特に好適である。

図１は、従来技術のコーティングを有するスライドエレメントの側面略示図である。 図２は、本願発明の好適実施形態に従うスライドエレメントの側面略示図である。

図１は、従来技術の層構造を示す。基板１２上のスライドエレメントのコーティング１０’は、クロムからなり、基板１２上に適用されたバインド層１４を有する。それは代替的にチタンからなってもよい。カーバイド層１６はバインド層１４上に適用される。それは代替的に窒化物層として構成されてもよい。カーバイド含有ＤＬＣ層１７がカーバイド層１６上に適用される。本例において、カーバイド含有ＤＬＣ層は、タングステンカーバイド、カーボンおよび水素を含む。

摩擦および摩耗特性の特に良好な組み合わせを有するＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層１８は、しばしばカーバイド含有ＤＬＣ層１７に適用される。付加的に、なじみ層２０がＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層１８に適用される。それは例えば、なじみ相間に、スライドエレメントが特定の性質、特に、低い表面硬度を有するように使用される。

図２は、本願発明の好適実施形態を示す。図１を参照して上述したコーティング１０’と比べ、図２に示す本願発明の実施形態に従うコーティング１０は、炭化物コーティングＤＬＣ層１７と金属非含有ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層１８との間に金属非含有ＰＶＤ−ＤＬＣ層２２が適用されている点で異なる。このＰＶＤ−ＤＬＣ層２２は、金属非含有ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層１８と炭化物含有ＤＬＣ層１７との間の接着を、その親和力によって有意に改善する。したがって、大きなエンジン負荷の下において、コーティング１０の耐性は従来技術に比べかなり改善される。

また、ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層の厚さが図２に示されている。その厚さは、コーティング全体の層厚の４０％から６０％、好適には４０％から５０％である。

独国特許第１９５１３６１４Ｃ１号明細書 独国特許第１０２０３７３０Ｂ４号明細書 独国特許第１０２００９０２８５０４Ｂ３号明細書 独国特許第１００１８１４３Ｂ４号明細書 特許公開第２００４−１０９２３号公報 独国特許第２００８０１６８６４Ｂ３号明細書 独国特許第１０２００９０４６２８１Ｂ３号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２２０２５７号明細書

Claims (16)

1. 基板上にコーティングを有するスライドエレメントであって、前記コーティングは、前記スライドエレメントの少なくともひとつの滑走面を形成し、前記コーティングは前記基板側から順に、
   炭化物または窒化物層と、
   炭化物含有ＤＬＣ層と、
   金属非含有ＰＶＤ−ＤＬＣ層と、
   金属非含有ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層と
   を有し、
   前記ＰＶＤ−ＤＬＣ層は複数のサブレイヤからなり、
   前記複数のサブレイヤは、変化遷移するように構成されている、ことを特徴とするスライドエレメント。
2. 前記コーティングは、前記基板と前記炭化物または窒化物層との間に適用されたバインド層をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載のスライドエレメント。
3. 前記バインド層は、クロムまたはチタンから形成される、ことを特徴とする請求項２に記載のスライドエレメント。
4. 前記炭化物含有ＤＬＣ層、前記ＰＶＤ−ＤＬＣ層、および、前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層からなる群から選択される少なくともひとつは水素を含む、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エレメント。
5. 前記炭化物または窒化物層は、炭化タングステン、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、ＴｉＮおよびＣｒＴｉＮからなる群から選択されるいずれかを含む、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エレメント。
6. 前記炭化物含有ＤＬＣ層はタングステンまたはクロムを含む、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エレメント。
7. なじみ層は前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層上に形成され、前記なじみ層は前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層よりも柔らかい、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
8. 前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層の厚さは、前記コーティングの全体の層厚の３０％から７０％である、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
9. 前記コーティングの前記全体の層厚は、２μｍから５０μｍである、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
10. 前記ＰＶＤ−ＤＬＣ層の硬度は、７００ＨＶ０．００２から２８００ＨＶ０．００２である、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
11. 前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層の硬度は、１２００ＨＶ０．００２から３０００ＨＶ０．００２である、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
12. 前記ＰＶＤ−ＤＬＣ層は、１５０ＧＰａから３５０ＧＰａの弾性率を有する、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
13. 前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層は、１６０ＧＰａから４００ＧＰａの弾性率を有する、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
14. 前記ＰＶＤ−ＤＬＣ層は反応性スパッタリングまたは電気アーク法によって形成され、前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層は少なくとも１ｋＨｚの発生周波数を有するプラズマによって形成される、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
15. 前記ＰＡＣＶＤ−ＤＬＣ層の厚さは、前記コーティングの全体の層厚の３５％から６５％である、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のスライドエレメント。
16. 前記スライドエレメントは、ピストンリングである、ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のスライドエレメント。

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