JP6549133B2 - 摺動エレメント - Google Patents

Description

本願発明は、摺動エレメント、特に、ピストンリングに関する。

概して摺動エレメント、特にピストンリングに対して、動作中にどの程度の摩擦損失が生じるかは本質的な評価基準である。ピストンリングが使用される内燃エンジンにおいて、市場および法律の両面において、燃費の減少、ひいては二酸化炭素排出量の削減が要求されている。ピストンリングは、機械的摩擦の原因の約４分の１、ひいては、燃料消費の影響の約４％を負担しているので、ピストンリングおよび摺動エレメントによって生じるこれらの摩擦損失を減少させることに集中して、多くの研究がなされてきた。

例えば、独国特許第４４１９７１３Ａ１号に記載されるように、従来技術において、しばしばＰＶＤ法によって生成されるハードメタルコーティングが使用されている。第２に、アモルファスＤＬＣコーティングが使用されている。しかし、それは、数μｍの厚さの層にのみ適用可能である。他の挑戦は、ランニング面またはシリンダライナーに対するダメージおよび摩耗を避けるために、十分に小さいラフネスを有する極端にハードなＤＬＣコーティングを与えることである。他に、独国特許第１０２００８０２２０３９Ａ１号および欧州特許第０７２４０２３Ａ１号に記載されるような、異なるＴａＣコーティングシステムがこの目的に適している。

これらの従来技術に鑑みて、本願発明は、摺動動作、特にエンジンの開始時点において、できるだけ小さい摩耗およびできるだけ小さい摩擦の組み合わせによって、改良された摺動エレメント、特にピストンリングを与えることを目的としている。

この目的は、請求項１に記載の摺動エレメントによって解決される。本願発明に従い、摺動エレメント、特に、ピストンリングは、カーボンベースコーティングを備え、当該コーティングがランニング面を有し、該ランニング面のプロファイル傾斜の二乗平均平方根ＲΔｑは、少なくとも部分的にＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７規格に従う０．０５、好適には、０．０８から０．１１、さらに好適には０．１以下である。多くの試験の結果、カーボンベースコーティングを使用した時に、比較的小さい摩擦が生じるのは、熱的および／または機械的に誘導されて、ｓｐ３ハイブリッド炭素原子が、ｓｐ２ハイブリッド炭素原子に変換されるという事実によるものであることがわかった。変換の結果、非常に薄く、かつ、その下のＤＬＣ層に比べて柔軟なトップレイヤーが生成され、それが摩擦を減少させる。

本願発明に従い、この所望の変換は、特に、ラフネスプロファイルの平均プロファイル傾斜が、最小値０．０５より大きいか、または、好適に等しいという事実からもたらされる。本願発明で使用されるＲΔｑ値は、プロファイル傾斜の二乗平均平方根、すなわち、平均線に対するフィルタされたプロファイルの平均平方勾配として標準的に定義される。したがって、小さい値は、比較的平坦なプロファイルを意味し、大きい値は比較的急なプロファイルを意味する。試験の結果、ＲΔｑ値が０．０５以下である場合、摩擦係数は、０．０３５より大きくなり、それは不所望な大きさであることがわかった。したがって、ＲΔｑ値は、０．０５以上、好ましくは、それに等しい場合に、非常に小さい摩擦係数が保証される。本願発明はこれに限定されるものではないが、プロファイル傾斜が十分に急勾配であり、ｓｐ３ハイブリッド炭素からｓｐ２ハイブリッド炭素へ多数の変換が生じれば、所望の方法で摩擦係数の好ましい効果を達成できる。

同時に、ＲΔｑ値が０．１以上、特に、０．１１以上である場合、３μｍ以上の範囲で不所望な摩耗が増加することがわかった。非限定的であるが、これは、比較的急勾配なラフネスプロファイル傾斜において、表面圧力が増加した結果、摩耗が促進されることに起因するものである。したがって、本願発明は、好適な摩耗値および低い摩擦係数の間の有利なバランスを与える。所望のＲΔｑ値は、適当なコーティング処理および特に機械的処理によって調節可能である。ＲΔｑ値は、コーティングおよびスムージング処理の適切な組み合わせによって保証される。コーティング処理は、例えば、ＰＡ−ＣＶＤまたはＰＶＤプロセスである。これらのプロセスにより、要求されるラフネス値を達成するのに必要な機械的特性の目標調節が可能になる。蒸着される炭素イオンのエネルギーが設定パラメータである。このエネルギーは、蒸発器内の変化、磁場、および、印加電圧によって影響される。スムージング処理は、ダイヤモンド結合が分布したダイヤモンド分子構造を有するダイヤモンド含有スムージングツールであって、そのツール自体が適切な方法で取り付けられたものを使った超仕上げである。

本願発明は、主に、ＲΔｑ値の範囲に関する上記した知見に基づくものであるが、他のパラメータに関しては、これらは、摩耗値および摩擦係数の間の有利なバランスを達成するべく、特定の範囲に限定するのに適していないことを発見した。上述した測定値に関して、以下の表を参照してわかるように、これらの値は、内燃エンジンの実際の動作に近い混合摩擦条件の下で決定されたものである点を述べておく。ここで、潤滑膜厚は、ベースボディおよびカウンタボディの表面全体のラフネスを本質的に達成する。したがって、例えばピストンリングおよびシリンダライナーの場合、負荷はラフネスピークの直接接触の結果としてランニングパラメータに変換される。この状況において、摩擦条件は、固体ボディ接触によって影響され、それは、できるだけ平坦な表面を要求する。非均一性が最小であっても、それはせん断力を生じさせ、特にカーボンベースコーティングにダメージを与え、コーティングの剥離につながる。

本願発明に従う摺動エレメントの好適実施形態は、他の請求項に記載されている。

例えば、ピストンリングとシリンダライナーとの摺動コンタクトは、特に凸領域、つまり、ピストンリングの凸状に湾曲したランニング面で生じるため、本願発明に従うラフネスはこの凸領域において少なくとも形成されるのが好ましい。

また、所望のＲΔｑ値がピストンリングの軸線方向において、ランニング面の１０から９０％、好適には、２５から７５％の範囲で存在すべきであることを見いだした。

好適には、コーティングは、上述した効果を特に発揮することができるように、ＴａＣタイプのカーボンベースコーティングである。

カーボンベースコーティングの層厚に関して、０．５、好適には、１０〜３０μｍの範囲が、有利であることが実証された。さらに好適な層厚は、０．５〜１０μｍの範囲である。

これは、ｓｐ３の量についても同様に適用される。すなわち、その層厚内の量のｓｐ３が、少なくとも４０原子％の量のｓｐ２ハイブリッド炭素原子に変換可能である。

試験中、ＲΔｑ値と、摩耗および摩擦係数との間で一定の相関関係が、特に、１８０から２６０Ｇｐａの弾性係数および１６００から２８００ＨＶ０．０２の硬度に対して見いだされた。両方のパラメータは、Ｏｌｉｖｅｒ＆Ｐｈａｒｒ法によって測定された。

ｓｐ３／ｓｐ２の比率は、１．２が好ましい。

基板上へのカーボンベースコーティングの安全な接着を保証するために、クロームおよび／またはチタンを含有する金属含有接着層が、カーボンベースコーティングおよび基板との間に与えられるのが好ましい。

接着層の厚さは、０．０５μｍから１．０μｍの範囲が好適であることが実証された。

上述した、摩耗および摩擦係数の両方における好適効果は、特に、コーティング内の炭素の量が、層厚全体にわたって９９％以上である場合に確認された。

最後に、ピストンリングは、好適に鋳鉄またはスチールから作成される。

＜実施例＞
振動摩擦摩耗測定システムを使って、本願発明に従う例として、実際の研磨済みネズミ鋳鉄シリンダパスセグメント上での実際のピストンが、所定の圧力および温度条件で混合摩擦条件の下で試験された。以下の表は、それぞれのリング摩耗および摩擦係数をμｍ値で表す。特に明確なのは、リング摩耗評価、摩擦係数の評価および全体の評価は、ＲΔｑ値が０．０５から０．１１の範囲でのみＯＫであるということである。弾性係数および硬度は、ＲΔｑ値とリング摩耗および摩擦係数との間の特定の一定な関係が見られる上述した範囲にあった。

独国特許第４４１９７１３Ａ１号 独国特許第１０２００８０２２０３９Ａ１号 欧州特許第０７２４０２３Ａ１号

Claims (19)

1. 摺動エレメントであって、基板上にカーボンベースコーティングを備え、前記カーボンベースコーティングが少なくともひとつのランニング面を有し、動作中、前記カーボンベースコーティング中のｓｐ３混成軌道を有する炭素原子がｓｐ２混成軌道を有する炭素原子に変換され、前記カーボンベースコーティングに含まれる炭素原子のうち、変換後の前記ｓｐ２混成軌道を有する炭素原子数の割合が少なくとも４０原子％となるように、前記ランニング面の少なくとも一部において、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７規格によるＲΔｑ値（プロファイル傾斜の二乗平均平方根）が０．０５以上、かつ０．１１未満である、ことを特徴とする摺動エレメント。
2. 前記ＲΔｑ値は、０．０８から０．１１である、ことを特徴とする請求項１に記載の摺動エレメント。
3. 前記ＲΔｑ値は、０．１以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の摺動エレメント。
4. 前記ＲΔｑ値が０．０５から０，１の面は、前記摺動エレメントの少なくとも凸領域に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の摺動エレメント。
5. 前記ＲΔｑ値が０．０５から０．１の面は、軸方向にわたって、前記ランニング面の１０から９０％に形成されている、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摺動エレメント。
6. 前記ＲΔｑ値が０．０５から０．１の面は、軸方向にわたって、前記ランニング面の２５から７５％に形成されている、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摺動エレメント。
7. 前記カーボンベースコーティングは、ＴａＣタイプのものである、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摺動エレメント。
8. 前記コーティングの層厚は、０．５μｍ以上である、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摺動エレメント。
9. 前記コーティングの層厚は、１０から３０μｍ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摺動エレメント。
10. 前記カーボンベースコーティングに含まれる炭素原子のうち前記ｓｐ３混成軌道を有する炭素原子の数は、少なくとも４０原子％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摺動エレメント。
11. 前記カーボンベースコーティングは、１８０から２６０ＧＰａの弾性係数および１６００から２８００ＨＶ０．０２の硬度を有する、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摺動エレメント。
12. 前記カーボンベースコーティングは、１８０から２６０ＧＰａの弾性係数を有する、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摺動エレメント。
13. 前記カーボンベースコーティングは、１６００から２８００ＨＶ０．０２の硬度を有する、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摺動エレメント。
14. 前記カーボンベースコーティングに含まれる炭素原子のうち、ｓｐ３混成軌道を有する炭素原子数／ｓｐ２混成軌道を有する炭素原子数の比率は、０．３から１．２である、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摺動エレメント。
15. クロームおよび／またはチタンを含む金属含有接着層が、前記カーボンベースコーティングと前記基板との間に設けられる、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の摺動エレメント。
16. 前記接着層の層厚は、０．０５から１．０μｍである、ことを特徴とする請求項１５に記載の摺動エレメント。
17. 前記カーボンベースコーティング内に含まれる、炭素原子の割合は、層厚全体にわたって９９原子％以上である、ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の摺動エレメント。
18. 前記摺動エレメントは、ピストンリングである、ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の摺動エレメント。
19. 前記ピストンリングは、鋳鉄またはスチールから作成されている、ことを特徴とする請求項１８に記載の摺動エレメント。