JP2017523359A - スライディングエレメント、特にピストンリング、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、スライディングエレメント、特にピストンリング、及びその製造方法に関し、スライドエレメントの走行面、好ましくはピストンリングの外周面が、窒化層、好ましくは表面硬化を有さず、前記中間層とは異なる最外層として、ＤＬＣ層又は金属系窒化物層、好ましくは金属窒化物層、好ましくはＣｒＮ層を有し、少なくとも１つの金属含有中間層、好ましくは金属層、特に好ましくはクロム層が、スライドエレメントの基材とDLC層との間に設けられ、さらに、スライドエレメントの少なくとも１つの別の表面、好ましくは前記ピストンリングの側面が、表面硬化され、好ましくは窒化層を有する。

Description

本発明は、良好な全体的な耐摩耗性及び走行面の領域における良好なトライボロジー特性を有するスライドエレメント、特にピストンリング及びその製造方法に関する。

内燃機関の二酸化炭素排出を削減する場合、燃料消費が重要な役割を果たす。これは、とりわけ、エンジンのスライドエレメントの、特にピストンの領域における摩擦損失によっても影響される。スライドエレメント、例えばピストンリングは、走行面を有し、この走行面で、それらが摩擦相手と摺動接触する。このトライボロジーシステムは複雑であり、摩擦相手の材料ペアリングによって大きく決定される。

したがって、寿命全体にわたって可能な限り最も好適な摩擦挙動を有する内燃機関のスライドエレメントの必要性が存在する。しかし、特に現代のエンジンでは、高い熱的及び機械的負荷がスライドエレメントに生じる。

スライドエレメント、例えば、内燃機関のピストンリング、ピストン又はシリンダライナは、そのため、長い耐用年数にわたり低い摩擦係数と高い耐摩耗性を有するべきである。

従来技術から、側面が部分的又は全体的に窒化され、その走行面が少なくとも部分的に他のコーティングを有するピストンリングが知られている。

ＤＥ１０２２１８００Ａ１には、走行面と、内面と、その間に設けられた上側面及び下側面とを備えた鋼ピストンリングであって、走行面が少なくとも部分的に走行面コーティングとして熱溶射層を備え、少なくとも側面上にプラズマ窒化によって生成された窒化層を備えたピストンリングが開示されている。

ＵＳ６５０８４７３Ｂ１には、上側及び下側の側面上、又は、上側及び下側の側面及び内周面上に窒化物層を有し、さらに、外周面上にイオンプレーティングによって形成された硬質層を有するピストンリングが記載されている。

ＤＥ１０２００５０２３６２７Ａ１は、片側にチャンバが設けられた走行面を有する鋼ピストンリングであって、走行面がマイクロクラックを有するクロムセラミックベースの摩耗保護層で被覆され、少なくとも側面に摩耗低減窒化層が設けられたものが示されている。

ＤＥ１０２００５０１１４３８Ｂ３は、鋼又は鋳鉄からなるピストンリング基体に、摩耗保護層を製造する方法を開示しており、まず走行表面領域には、少なくとも部分的に、少なくとも１層の窒素アファイン金属元素ベースの熱溶射層が設けられ、次に少なくとも側面及び走行面がその上に堆積された溶射層とともに窒化処理される。

このようなスライドエレメントは、十分な耐摩耗性を有する層を有しているが、特に低い摩擦係数を有する走行面を有さないか、又は、基材と摩耗保護層との間に十分な固着作用を有さない。

さらに、ピストンリング走行面上のＤＬＣコーティングが、従来技術から知られている。ダイヤモンドライクカーボン層（ＤＬＣ）は、ｓｐ３混成炭素の有意な割合を有するアモルファス炭素の準安定性の形態を構成し、特に好適なトライボロジー特性を示す。可能なＤＬＣ層システムの概要は、ＶＤＩガイドライン２８４０炭素層に記載されている。

ＤＥ１０２０１１００３２５４Ａ１は、少なくとも１つの走行面が内側から外側に金属含有固着層と、少なくとも１０μｍの厚さのｔａ−ＣｔｙｐｅのＤＬＣ層とを有するコーティングを備えたスライドエレメントが開示されている。スライドエレメントの基本材料は、窒化されていてもよいし、窒化されていなくてもよい。

このようなスライドエレメントは、走行面上の摩擦係数が低いが、耐摩耗性が十分ではない。

ＤＥ１０２０１１０１４４８３Ｂ３から、鋼ピストンリングを製造する方法が知られており、走行面側にチャンバを設けた基体を製造し、走行面に耐摩耗性の層を直接設け、耐摩耗性の層が設けられていない、基体の周面領域及び側面領域が窒化される。耐摩耗性層は、とりわけＤＬＣ層又はクロム層からなり、ＤＬＣ層上にクロム層を堆積させてもよい。

しかし、ＤＬＣ層を走行面の基材に直接適用することにより、スライドエレメントの耐摩耗性はＤＬＣ層の走行面への不十分な固着によって制限される。

独国特許公開公報第１０２２１８００号公報 米国特許登録公報第６５０８４７３号公報 独国特許公開公報第１０２００５０２３６２７号公報 独国特許登録公報第１０２００５０１１４３８号公報 独国特許公開公報第１０２０１１００３２５４号公報 独国特許登録公報第１０２０１１０１４４８３号公報

本発明は、全体として良好な耐摩耗性を有し、かつ、走行面の領域において好適なトライボロジー特性を示す、スライドエレメント、好ましくはピストンリング及びその製造方法を提供する、という課題に基づくものである。

この課題は、請求項１に記載のスライドエレメント及び請求項７に記載のスライドエレメントを製造する方法により解決される。

走行表面を構成しない面の表面硬化は、その耐摩耗性を保証する。しかしながら、走行表面の最外層として、ＤＬＣ層又は金属ベースの窒化物層が設けられており、これは特に有利なトライボロジー特性及び走行面の摩耗挙動に寄与する。

驚くべきことに、種々のテストシリーズにおいて、ＤＬＣ層又は金属系窒化物層を備えた、窒化層を有さない基材は、ノッキング燃焼に調整されたサイクル負荷に対して、ＤＬＣ層又は金属系窒化物層の下に窒化層を有する基材よりも、顕著に高い耐性を有する。

荷重のために、基材は塑性変形するが、その際、窒化層の脆さは窒化領域及びＤＬＣ層においてクラックの開始をもたらす。しかしながら、窒化層を有さない基材では、これに対して、クラックの形成が材料内で開始される前に、塑性変形によって相当に高い張力を低減することができる。ＤＬＣ層又は金属系窒化物層は、基材に比べて薄い層厚のために弾性的に変形される。

さらに、基材とＤＬＣ層又は金属系窒化物層との間に、金属含有中間層、好ましくは金属層、特に好ましくはクロム層を適用することによって、基材とＤＬＣ層又は金属系窒化物層との間の固着をさらに顕著に改善することができる。

請求項１による走行面上でのコーティングの構造は、特に窒化されていない基材表面が、その上に、少なくとも金属含有中間層及び最外面層としてＤＬＣ層又は金属系窒化物層が設けられており、走行面を構成しない面の耐摩耗性を表面硬化によって保証する間に、低い摩擦係数における走行面摩耗保護を保証する。

走行面は、好ましくは、チャンバのない、多角形の断面領域を有するリング、好ましくは中空円筒又は中空切頭円錐の外周面に相応する。

本発明による、スライドエレメントを製造する方法において、走行面を構成しない少なくとも１つの面の表面硬化である中間層を堆積した後に必要となるＤＬＣ層又は金属系窒化物層の堆積は、中間層の堆積前、ＤＬＣ層又は金属系窒化物層の堆積前の中間層の堆積後、及び／又は、ＤＬＣ層又は金属系窒化物層の堆積後にも行うことができる。

本発明によるスライドエレメントの好ましい発展形態は、さらなる請求項に記載されている。

本発明による実施形態によれば、スライドエレメントの走行面は表面硬化されていない。走行面のコーティング下の表面硬化を行わないことは、窒化された走行面における作用メカニズムと同様に、亀裂の開始を著しく減少させることができるので、耐摩耗性を顕著に増加させる。

好ましくは、本発明による金属含有中間層は、ガルバニック中間層及び／又はＰＶＤ中間層を構成する。これらは固着にポジティブな影響を及ぼすからである。

さらなる好ましい実施形態によれば、金属含有中間層、好ましくはガルバニック中間層は、基材表面に直接隣接しており、従って、固着がさらに改善される。

金属含有中間層が基材とＤＬＣ層又は金属系窒化物層の間に直接配置されている、走行面上の層構造は、特に有利である。このような構造は、コーティングの固着に特に有利であることが見出された。

有利には、金属含有中間層、好ましくはガルバニック中間層は、１μｍ〜５μｍの層厚を有する。コーティングの耐用年数にポジティブな影響を及ぼすからである。

本発明による、スライドエレメントを製造するための方法の好ましい実施形態は、金属含有中間層がガルバニック法を用いて堆積される。これにより、簡易な方法を用いてコストよく金属含有中間層をデポジットすることができる。

スライドエレメントを製造するための本発明による方法によれば、金属含有中間層及び／又は金属系窒化物層及び／又はＤＬＣ層は、ＰＶＤプロセスを用いて有利に堆積される。したがって、定義された層厚及び化学組成を有する層を確実にデポジットすることができる。

さらに好ましい実施形態によれば、表面硬化した表面は、特定の適用状態において実際には被覆されることができたとしても、コーティングを有しない。

以下の元素の窒化物を有する金属系窒化物層が特に有利である：
アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）。化合物ＣｒＮ、ＣｒＮ（Ｏ）、ＶＮ及びＡｌＮは特に有利である。さらに、３成分系Ａ−Ｂ−Ｎが好ましく、Ａ及びＢは、それぞれＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＣのグループから選択される元素であり、Ｎは窒素である。Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎ、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ、Ｃｒ−Ｚｒ−Ｎ、Ｃｒ−Ｔｉ−Ｎ及びＣｒ−Ｖ−Ｎの系は特に好ましい。これらは、化学量論的相又は非化学量論的相又はそれらの混合物であり得る。さらに、金属系窒化物層は、上記の組成物の任意の組み合わせを含むことができ、特に、これらはまた、勾配して設けられ得る。さらに、それらは液滴を含み、多層系又は超格子構造として形成することができる。

さらに、以下の文献の金属ベースの窒化物層が好ましい変形として挙げられる：
ＤＥ１０２０１２２００３６８Ａ１
ＤＥ１０２００８０１７５８３Ａ１
ＤＥ１０２００７０２７２４５Ａ１
ＤＥ１０２００７０３５５０２Ａ１
ＤＥ１０２００６０４６９１５Ｂ３
ＤＥ１０２００６０４６９１７Ｂ３
ＤＥ１０２００４０３２４０３Ｂ３

好ましい実施形態によれば、鋼ピストンリングは、上側及び下側の側部並びに内側及び外側の周面を有する。上側及び下側の側部並びに内周面の各々は、窒化層を有し、この窒化層は例えば、プラズマ窒化、浴窒化又はガス窒化によってピストンリングに設けられる。ピストンリングの走行面を構成し、窒化されていない外周面には、好ましくは１〜５μｍの層厚を有する第１のクロム中間層と、第２のクロム中間層と、ｔａ−Ｃ型のＤＬＣ層とを含むコーティングが堆積される。第１のクロム中間層は、好ましくは、ガルバニックデポジションによって走行面上に堆積され、第２のクロム中間層及びＤＬＣ層は、ＰＶＤプロセスを用いて堆積される。

Claims (10)

1. スライドエレメント、特にピストンリングであって、スライドエレメントの走行面の非窒化基材ベース面、好ましくは前記ピストンリングの外周面に、
   少なくとも１つの金属含有中間層、好ましくは金属層、特に好ましくはクロム層、及び、
   前記中間層とは異なる最外層として、ＤＬＣ層又は金属系窒化物層、好ましくは金属窒化物層、好ましくはＣｒＮ層が設けられ、
   前記スライドエレメントの少なくとも１つの別の表面、好ましくは前記ピストンリングの側面が、表面硬化され、好ましくは窒化層を有する、
   スライドエレメント。
2. 前記スライドエレメントの前記走行面が表面硬化されていない、請求項１に記載のスライドエレメント。
3. 少なくとも１つの金属含有ガルバニック中間層及び／又はＰＶＤ中間層が存在する、請求項１又は２に記載のスライドエレメント。
4. 金属含有中間層、好ましくはガルバニック中間層が基材表面に直接隣接している、請求項１又は２に記載のスライドエレメント。
5. 金属含有中間層が、基材とＤＬＣ層又は金属系窒化物層との間に直接配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のスライドエレメント。
6. 前記金属含有中間層の少なくとも１つ、好ましくはガルバニック中間層が、１μｍから５μｍまでの層厚を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のスライドエレメント。
7. 前記最外層と基材表面との間に、少なくとも１つの金属系窒化物層、好ましくは金属窒化物層が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のスライドエレメント。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のスライドエレメントを製造する方法であって、
   金属含有中間層が前記スライドエレメントの前記走行面に堆積され、
   ＤＬＣ層又は金属系窒化物層が前記走行面にデポジットされ、
   前記スライドエレメントの少なくとも１つの別の表面は表面硬化され、かつ、前記走行面の窒化は回避される、方法。
9. 少なくとも１つの金属含有中間層がガルバニックプロセスによって堆積される、請求項８に記載の方法。
10. 少なくとも１つの金属含有中間層及び／又は金属ベースの窒化物層及び／又はＤＬＣ層が、ＰＶＤプロセスによって堆積される、請求項８に記載の方法。