JP6732760B2 - 滑動面を機械要素に製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、滑動面を機械要素、特にカムフォロアに製造する方法であって、機械要素の滑動面は、少なくとも１つの別の機械要素と接触して滑動するように使用することが予定され、少なくとも１つの別の機械要素は、滑動面上を滑動方向で滑動するものであり、機械要素の表面の少なくとも一部に、まずコーティングを設け、続いてコーティングにレーザ干渉構造化（Laserinterferenzstrukturieren）を用いて表面構造を設ける、方法に関する。さらに本発明は、本発明により製造された少なくとも１つの滑動面を備える機械要素と、このような機械要素を備える滑動接触部とに関する。

米国特許出願公開第２００５／０１７５８３７号明細書において、機械要素の表面の少なくとも一部に、まずコーティングを施して、滑動面を機械要素に製造する方法が公知である。コーティングに続いて、レーザ構造化を用いて表面構造をコーティングに設ける。

独国特許出願公開第１０２００９０６０９２４号明細書は、真空摩擦用途に用いられる固体潤滑剤を有する構造を開示している。この場合、基板ベース上に、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる層を含む層系が形成され、層系内、又は基板ベース及び層系内に、レーザ干渉法によって凹部構造が形成され、凹部構造に固体潤滑剤が充填される。

上述の従来技術から出発して、本発明の課題は、改良された滑動面を製造する方法を提供することであり、本方法の範囲内で、コーティングの層厚さが薄くても、コーティングを貫通しない構造を設けることが可能であることが望ましい。

上記課題は、請求項１の上位概念部から出発し、請求項１の特徴部に記載の特徴と関連して解決される。請求項１に後続する従属請求項は、それぞれ、本発明の有利な形態を示している。

本発明により、滑動面を機械要素、特にカムフォロアに製造する方法であって、機械要素の滑動面は、少なくとも１つの別の機械要素と接触して滑動するように使用することが予定され、少なくとも１つの別の機械要素は、滑動面上を滑動方向で滑動するものである、方法を提案する。機械要素の表面の少なくとも一部に、まずコーティングを設け、続いてコーティングにレーザ干渉構造化を用いて表面構造を設ける。コーティングのコーティング表面に垂直に見て、表面構造を、それ自体閉じた複数の構造要素を備えて形成する。

すなわち、滑動面とともに使用される液状の潤滑剤が表面構造とかみ合い、表面構造にできる限り長くとどまれば、特に良好な滑動特性を有する滑動面が実現され得ることが判っている。それゆえ、表面構造は、液状の潤滑剤が充填される容積を提供するとともに、滑動方向でその上を滑動する別の機械要素の荷重及び速度に応じて、潤滑剤を提供あるいは放出しなければならない。

この場合、どの方向で滑動面の滑動負荷が実施されるかが特に重要であることが判っている。それゆえ、別の機械要素がその上を滑動したとき、構造要素の容積内の潤滑剤の圧力を高め、滑動方向で見て構造要素の端部で流体力学上の圧力を高め、流体力学的な潤滑剤クッション（hydrodynamisches Schmierstoffpolster）の形成を可能にする構造要素が形成される。

その際、構造要素は、本発明において、コーティング表面に垂直に見て、構造要素の周りがコーティングにより取り囲まれていれば、すなわち、コーティングの周りと接していなければ、「それ自体閉じた」と見なされ得る。構造要素のこのような構成は、潤滑剤を収容する画定された槽状の容器を提供するので、潤滑剤は、何ら問題なく構造要素から逃げ出さない。

特に、それ自体閉じた構造要素は、コーティング表面に垂直に見て、滑動面の最大１０％の面積広がりを有する。このことは、別の機械要素が滑動面上を滑動したとき、滑動面の十分な箇所に流体力学的な潤滑剤クッションが形成され、一種の「アクアプレーニング（Ａｑｕａｐｌａｎｉｎｇ）」効果が滑動相手間に形成されることを保証する。

特に、それ自体閉じた構造要素を、線状に線分として又は点状にくぼみとして形成する。それ自体閉じた線状の構造要素の長さは、好ましくは約２０μｍ乃至１０ｍｍの範囲、特に２０μｍ乃至５ｍｍの範囲に選択される。点状の構造要素は、特に、滑動面が動的な負荷のみならず、静的な負荷にも曝される場合、あるいは滑動速度が極めて遅いか又はそれどころかゼロにもなり得る場合に設けられる。

好ましくは、コーティング表面を滑動方向に対して平行に、仮想の中心線により２つの半部に分割し、線分の形態の構造要素を仮想の中心線に対して角度γ≠０をなして方向付ける。特に線状の構造要素を、滑動方向で見て仮想の中心線に対して角度γ≠０をなして指向性に方向付ける。この措置は、流体力学的な潤滑剤クッションの形成をさらに促進する。

特に、線状の構造要素のそれぞれ２つが、Ｖ字形の構造物を形成し、このＶ字形の構造物の先端が滑動方向に向くように配置する。これにより、流体力学上の圧力が特に高められる。これは、潤滑剤が、両線状の構造要素から、その上を滑動する機械要素によってＶ字の先端領域に押し込まれ、そこで特に効果的に流体力学的な潤滑剤クッションを形成するからである。

好ましくは、機械要素に施されるコーティング及び構造化は、コーティング表面の、機械要素が後の使用の際に他の／別の機械要素と滑動接触することになる領域にのみ施される。つまり、コーティング表面のこの部分又はこれらの部分、場合によってはすべてのコーティング表面が、１つ又は複数の対応する滑動面である。

一般に、好適な材料による機械要素の表面のコーティングにより、滑動特性が改善される一方、構造化により、潤滑剤のリザーバが好適に提供される。このリザーバを介して、常に十分な量の潤滑剤が、摩擦相手間に存在することが保証される。その際、この構造を適当に形成することによって、アクアプレーニング効果に類似の効果を奏することができ、その結果、存在する潤滑剤量に基づいて、一方の摩擦相手が、他方の摩擦相手上をいわば浮動する。

表面構造を設けることは、レーザ干渉構造化により実施される。つまり、換言すれば、レーザ構造化は、具体的にはレーザ干渉構造化の形態で実現される。

この種の方法は、レーザ干渉構造化を用いて深さの浅い微細構造を形成し得るという利点を有している。これらの構造は、正確に規定され、かつ周期的に連続するように製造可能であると同時に、製造時間も短く済ますことができる。レーザ干渉構造化により極めて浅い構造深さが実現可能であることによって、コーティングの層厚さが薄くても、コーティングが表面構造によって貫通されない滑動面を製造できる。レーザ干渉構造化に際し、当業者に公知の方法で、複数のレーザビームが、それぞれの構造化を一緒に行うために使用される。

旧来のレーザ構造化法を使用した場合、極めて浅い構造深さは製造されない。このことは、コーティングの層厚さが薄ければ、コーティングを貫通してしまう。これにより、一般に、コーティング及び構造化相互の調整に関する自由度が制限されてしまう。

本発明の一実施の形態に応じて、設けた表面構造の深さの、コーティングの層厚さに対する比は、０．５である。これにより、コーティングの、表面構造との好適な協働が実現可能である。

本発明の別の形態では、コーティングとして、クロムニッケル層（ＣｒＮｉ層）又は非晶質炭素からなる層を被着するので、機械要素の好適な滑動特性が、機械要素の表面の対応する領域に実現される。しかし、原則、これとは異なるコーティングを機械要素の表面に施してもよく、これも本発明の範囲内にある。

その際、１つの非晶質炭素層（ＤＬＣ）の他に、複数の非晶質炭素層（ＤＬＣ）が被着されていてもよい。さらに、窒化物、炭化物、酸化物からなる１つ又は複数の硬質材料層が、ここではこれらの混合形態及び／又は複層としてでも構わないが、被着されていてもよい。１つ又は複数の硬質クロム層、マンガン層及び／又はリン酸亜鉛層、金属硫化物層、グラファイト層、ＰＴＦＥ層及びブルーイング層の形態のコーティングの被着も、実証されている。

本発明の別の構成可能性は、カムフォロア、特にバケットタペット、ロッカアーム、ポンプタペット等の滑動面を製造することである。カムフォロアは、内燃機関の動弁系のバケットタペット又はレバー状のカムフォロアであってもよいし、ポンプの一部品であってもよい。さらに、本発明に係る方法は、滑動面をチェーンピンに製造するためにも使用可能である。

本発明の別の有利な一実施の形態によれば、表面構造が非一様に形成される。その際、この非一様性は、異なる構造深さを設けること及び／又は異なる構造幾何学形状を設けること及び／又は構造の密度を異ならせることにより実現可能であるので、機械要素の表面において、運転中に発生する様々な滑動速度に滑動面を適合させることが可能である。したがって、より高い滑動速度が発生し、それゆえより多くの潤滑剤を蓄えておくことが望ましい表面の領域に、より多数の構造要素を設けることが可能である。しかし、表面構造は、機械要素に一様に形成されていてもよい。特に好ましくは、表面構造の構造深さが、それ自体閉じた１つの構造要素の領域内で、異なって形成されており、これにより、構造要素内で潤滑剤クッションを形成すべく圧力を高めることをさらに促進することができる。

本発明の別の構成可能性は、コーティングが、０．０５乃至６μｍの層厚さを有し、コーティング内に、０．０１μｍ乃至０．４μｍの深さを有する表面構造が設けられていることである。しかし、原則、３０μｍ以下又はそれ以上の深さのより深い構造化も、このことが個々の事例において技術的に有意義であるのであれば、可能である。一般に、層厚さと比較して浅い構造深さを設けることで、コーティング表面上の潤滑剤の保持が実現される。

本発明に係る機械要素と少なくとも１つの別の機械要素とから形成されている滑動接触部であって、機械要素の滑動面は、少なくとも１つの別の機械要素と接触して滑動するように使用することが予定されており、少なくとも１つの別の機械要素は、滑動面上を滑動方向で滑動するように設けられており、滑動面に、全体として液状の潤滑剤が施されている滑動接触部が、実証されている。

その際、特にオイル、特にＳＡＥ表示で０Ｗ−ｘ、又はディーゼル燃料の形態の液状の潤滑剤が使用される。ＳＡＥ表示の０Ｗ−ｘにおけるアルファベットのｘに入る値が小さければ小さいほど、潤滑剤は低粘度である。

本発明は、独立請求項又はこれに従属する請求項の特徴の明示した組み合わせに限定されない。さらに、特許請求の範囲及び本発明の好ましい一実施の形態の以下の説明から読み取ることが可能な特徴、又は直接図面から見て取ることが可能な特徴のそれぞれを、互いに組み合わせてもよい。特許請求の範囲において符号を使用したことによる図面の参照は、特許請求の範囲の権利範囲を限定するものではない。

機械要素の断面図である。 ロッカアームの形態の機械要素の３次元図である。

図１は、機械要素１の一部を断面図で示している。この機械要素１は、カムフォロア、例えばバケットタペット、ロッカアーム等である。機械要素１は、機械要素１の表面２に、ここでは図示しない別の機械要素と接触する滑動面３を備える。滑動面３を形成すべく、まずはコーティング４が表面２に被着される。

本実施の形態では、クロムニッケル層又は非晶質炭素からなる層であってもよいコーティング４は、コーティング表面４ａを有し、０．０５乃至１．２μｍの範囲にある層厚さｓ_１を有する。その後、コーティング４に続いて、表面構造５がコーティング表面４ａに設けられ、この構造化は、レーザ干渉構造化により形成される。その際、それ自体閉じた構造要素５ａ，５ｂ，５ｃが、複数のレーザビームの協働により形成され、その際、表面構造５の構造深さＳ_２は、０．１５乃至０．４μｍの範囲にある。その点においてコーティング４は、表面構造５によって貫通されない。このことは、レーザ干渉構造化を用いることによって、層厚さＳ_１が薄くても実現可能である。符号７は、滑動面３の仮想の中心線７を示している。

これにより、滑動面を製造する本発明に係る方法によって、その際にコーティングが貫通されてしまうことなく、機械要素のコーティングに表面構造を形成することができる。

図２は、２つの滑動面３ａ，３ｂを有するロッカアームの形態の機械要素１’の３次元図である。機械要素１’の滑動面３ａ，３ｂは、少なくとも１つの別の、ここでは図示しない機械要素と接触して滑動するように使用することが予定されており、少なくとも１つの別の機械要素は、滑動面３ａ，３ｂ上を滑動方向ＧＲで滑動する。機械要素１’の表面２（図１参照）の２つの領域には、それぞれ１つのコーティング４，４’が設けられている。コーティング４，４’には、続いて、レーザ干渉構造化により、線状の構造要素５ａ，５ｂ及び点状の構造要素５ｃを有する表面構造５が設けられる。

その際、コーティング４，４’のコーティング表面４ａ，４ａ’に垂直に見て、それぞれのコーティング表面４ａ，４ａ’は、滑動方向ＧＲに対して平行に仮想の中心線７ａ，７ｂによって２つの半部に分割されている。表面構造５は、複数の線状の構造要素５ａ，５ｂを備えて形成されており、線状の構造要素５ａ，５ｂは、仮想の中心線７ａ，７ｂに対して角度γ≠０に方向付けられている。線状の構造要素５ａ，５ｂの複数は、ペア状に配置されて、Ｖ字形の構造物６を形成し、このＶ字形の構造物６の先端は、滑動方向ＧＲに向くように配置される。

これにより、滑動面３ａ，３ｂに塗布された全体として液状の潤滑剤の流体力学上の圧力が、特に高められる。これは、潤滑剤が、両線状の構造要素５ａ，５ｂから、その上を滑動する機械要素によってＶ字の先端領域に押し込まれ、そこで特に効果的に流体力学的な潤滑剤クッションを形成するからである。

１，１’ 機械要素
２ 表面
３，３ａ，３ｂ 滑動面
４，４’ コーティング
４ａ，４ａ’ コーティング表面
５ 表面構造
５ａ，５ｂ，５ｃ 構造要素
６ 構造物
７，７ａ，７ｂ 仮想の中心線
ｓ_１ 層厚さ
ｓ_２ 構造深さ

Claims (13)

1. 滑動面（３，３ａ，３ｂ）を機械要素（１，１’）、特にカムフォロアに製造する方法であって、
   前記機械要素（１，１’）の前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）は、少なくとも１つの別の機械要素と接触して滑動するように使用することが予定され、
   前記少なくとも１つの別の機械要素は、前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）上を滑動方向（ＧＲ）で滑動するものであり、
   前記機械要素（１，１’）の表面（２）の少なくとも一部に、まず、コーティング（４，４’）を設け、続いて前記コーティング（４，４’）にレーザ干渉構造化を用いて表面構造（５）を設け、
   前記コーティング（４，４’）のコーティング表面（４ａ，４ａ’）に垂直に見て、前記表面構造（５）を、それ自体閉じた複数の構造要素（５ａ，５ｂ，５ｃ）を備えて形成し、
   前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）の領域に設ける前記表面構造（５）の構造要素（５ａ，５ｂ，５ｃ）の数を、前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）のこの領域において使用する前記少なくとも１つの別の機械要素の滑動速度が速ければ速いほど、多く形成することを特徴とする方法。
2. 各それ自体閉じた構造要素（５ａ，５ｂ，５ｃ）を、前記コーティング表面（４ａ，４ａ’）に垂直に見て、前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）の最大１０％の面積広がりで形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記それ自体閉じた構造要素（５ａ，５ｂ，５ｃ）を、線状に線分として又は点状にくぼみとして形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記コーティング表面（４ａ，４ａ’）を前記滑動方向（ＧＲ）に対して平行に仮想の中心線（７，７ａ，７ｂ）により２つの半部に分割し、線分の形態の構造要素（５ａ，５ｂ）を前記仮想の中心線（７，７ａ，７ｂ）に対して角度γ≠０をなして方向付けることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記線状の構造要素（５ａ，５ｂ）のそれぞれ２つが、Ｖ字形の構造物（６）を形成し、前記Ｖ字形の構造物（６）の先端が前記滑動方向（ＧＲ）に向くように配置することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 設けた前記表面構造（５）の構造深さ（ｓ_２）の、前記コーティング（４，４’）の層厚さ（ｓ_１）に対する比が、０．５であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. コーティング（４，４’）として、ＣｒＮｉ層又は非晶質炭素からなる層を被着することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. カムフォロア、特にバケットタペット、ロッカアーム又はポンプタペットの前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）を製造することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 異なる構造深さ及び／又は異なる構造幾何学形状及び／又は構造における異なる密度を実現することにより、前記表面構造（５）を前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）にわたって見て非一様に形成することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記表面構造（５）の前記構造深さを、それ自体閉じた１つの構造要素（５ａ，５ｂ，５ｃ）の領域内で、異ならせて形成する、請求項９に記載の方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法で製造された少なくとも１つの滑動面（３，３ａ，３ｂ）を備える機械要素（１）、特にカムフォロア。
12. 前記少なくとも１つの滑動面（３，３ａ，３ｂ）の前記コーティング（４）は、０．０５乃至６μｍの層厚さ（ｓ_１）を有し、前記コーティング（４）内には、０．０１乃至０．４μｍの範囲内、特に０．１５乃至０．４μｍの範囲内の構造深さ（ｓ_２）を有する前記表面構造（５）が設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の機械要素（１）。
13. 請求項１１又は１２に記載の機械要素（１，１’）と、少なくとも１つの別の機械要素とから形成されている滑動接触部であって、
    前記機械要素（１，１’）の前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）は、前記少なくとも１つの別の機械要素と接触して滑動するように使用することが予定されており、
    前記少なくとも１つの別の機械要素は、前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）上を滑動方向（ＧＲ）で、前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）にわたって見て、運転中に発生する様々な滑動速度で滑動するように設けられており、
    前記滑動面（３，３ａ，３ｂ）には、全体として液状の潤滑剤が施されている、
    滑動接触部。

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