(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの作動面にコーティングを有しているピストンリングであって、前記コーティングは接着層（１０）と、金属、好ましくはタングステンを含有するＤＬＣ層（１２）と、金属を含まないＤＬＣ層（１４）と、を内側から外側へ備え、
前記金属を含まないＤＬＣ層の厚さは、前記金属を含有するＤＬＣ層の厚さに対して０．７〜１．５の比を有し、及び／又は合計コーティング厚に対して０．４〜０．６の比を有しており、且つ合計コーティング厚が５μｍ〜４０μｍであることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記ピストンリングが、母材として鋳鉄又は鋼を有していることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記金属を含まないＤＬＣ層は１７００ＨＶ０．０２〜２９００ＨＶ０．０２の硬度を有し、及び／又は前記金属を含有するＤＬＣ層は８００〜１６００ＨＶ０．０２の硬度を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記金属を含有するＤＬＣ層及び／又は前記金属を含まないＤＬＣ層が水素を含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項５】
タングステンを含有している前記ＤＬＣ層は、ナノ結晶タングステンカーバイド析出物を含有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記接着層、とりわけクロム接着層は、最大１μｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項７】
前記接着層は金属蒸着によって生じることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項８】
前記金属を含有するＤＬＣ層及び／又は前記金属を含まないＤＬＣ層は、ＰＡ−ＣＶＤプロセスによって実現することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの作動面にコーティングを有する摺動要素、とりわけピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば内燃機関内部のピストンリング、ピストン又はシリンダスリーブのような摺動要素は、可能な限り低い摩擦と低レベルの摩耗との両方を有して、長い耐用年数に亘って作動しなければならない。内燃機関の場合に燃費に直接関わる摩擦を、ＤＬＣ（ダイヤモンド様炭素：ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）のコーティングによって低レベルに保つことができるのは、事実である。さらに、最大４０μｍまでの層厚さを、原理上は達成することができる。それにもかかわらず、５μｍを越える層厚さの場合、層の特性が、例えば層の構造及び組成に関して変化し、これにより必要とされる耐用年数が達成されなくなる、という問題がある。このことは、５μｍ未満の層厚さにも同様にあてはまる。
【０００３】
また、少なくとも窒化クロムを備えた、硬質材料をベースにしたＰＶＤコーティングが、これに関連して知られている。このような層は、摩耗に対する必要な耐性をやはり有しているが、それにもかかわらず、必要とされる低い摩擦係数を有していない。
【０００４】
良好な運転開始期の挙動を有するＤＬＣコーティングを有している摺動要素が、特許文献１から知られている。しかしながら、概して、低い摩擦係数の耐久性をさらに向上させることができる。
【０００５】
特許文献２は、コーティングを有する摺動要素に関し、このコーティングは内側から外側へ、接着層、金属含有ＤＬＣ層、及び金属を含まないＤＬＣ層を備えている。
【０００６】
特許文献３は、ガイドブッシュと、このガイドブッシュの内面に硬質炭素膜を実現する方法とを開示しており、プラズマＣＶＤプロセスを用いて、内面に水素化したアモルファスカーボンの硬質炭素膜を実現している。
【０００７】
最後に、特許文献４は、第ＩＶ族、第Ｖ族又は第ＶＩ族の元素を備える層と、ダイヤモンド状ナノコンポジット組成物を備える中間層と、ＤＬＣ層とを内側から外側へ備えているピストンリングを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許第１０２００５０６３１２３号明細書
【特許文献２】独国特許第１０２００８０１６８６４号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１９７３５９６２号明細書
【特許文献４】国際公開第２００６／１２５６８３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
こうした背景に対して、本発明は、摩擦係数と摩耗特性との組み合わせに関してさらに改良された摺動要素を提供するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本目的は、請求項１に記載の摺動要素によって達成される。
【００１１】
従って、この摺動要素は、少なくとも１つの作動面にコーティングを有し、このコーティングは接着層と、金属、とりわけタングステンを含有するＤＬＣ層と、金属を含まないＤＬＣ層と、を内側から外側へ備え、金属を含まないＤＬＣ層と金属を含有するＤＬＣ層との間の厚さの比が０．７〜１．５であり、及び／又は、金属を含まないＤＬＣ層とコーティング全体との間の厚さの比が０．４〜０．６である。接着層は、好ましくはクロム接着層である。金属を含有するＤＬＣ層はアモルファスカーボンを備え、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅと記すことができ、且つ、タングステンを含有する好ましいＤＬＣ層として、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｗと記すことができる。最外層又は最上層は、同様にアモルファスカーボンを備え、ａ−Ｃ：Ｈと記すことができる。摩擦及び摩耗に関してとりわけ良好な特性が、記載された値の場合に確認された。より長い耐用年数を目的として、これらトライボロジー特性に、より厚い最上層によって影響を与えることができる。しかしながら、この最上層が中間層と比較して過度に厚くなった場合、摩耗量は悪化する。中間層と最上層とが略同一の厚さである場合に、とりわけ良好な摩耗量を確認することができ、約１．０、とりわけ０．９〜１．１の厚さの比、又は約０．５、とりわけ０．４５〜０．５５の、全ての層に対する最上層の厚さの比が、ここでは好ましい。摩擦に関しては、内燃機関内において生じる要求を十分に満たし、且つ、とりわけ概して一定である摩擦係数を、前記範囲内にあるコーティングに対して確認することができた。逆に、これら範囲の外では、高い摩擦係数ピークと一定していない摩擦特性とが、短期間の後にすら確認された。
【００１２】
しかしながら本発明が限定されるわけではないこの挙動に対する説明として、金属を含まないＤＬＣ層が最初にシステム全体へ、即ちコーティング全体へ、非常に高い内部応力を導入し、この内部応力は、金属を含有するＤＬＣ層が最外層の厚さと同様の層厚さである場合に、コーティングが強度と靱性との組み合わせに関して最適な態様に実現されるように、相殺することができる、ということが現在のところ考えられている。このコーティングによってコートされた摺動要素、とりわけピストンリングは、従って摩耗に対する良好な耐性を有している。金属を含まないＤＬＣ層と金属を含有するＤＬＣ層との間の層厚さの比が０．７未満である場合、及び／又は層全体の層厚さに対する最上層の層厚さの比が０．４未満である場合には、最外層の金属を含まないＤＬＣ層が、摩耗に対する高い耐性を有しているにもかかわらず、層厚さが不十分なので、摺動要素の耐用年数はあまりにも短くなる。これとは対照的に、金属を含まないＤＬＣ層と金属を含有するＤＬＣ層との間の層厚さの比が１．５を上回る場合、及び／又は層全体の厚さに対する最上層の厚さの比が０．６を上回る場合には、金属を含有するＤＬＣ層の厚さは、内部応力を相殺するためには十分ではない。このことは結果として、最外層のかなりの厚さにもかかわらず、ＤＬＣ層全体の早すぎる摩耗をもたらし、又は作動中の過度に高い荷重の結果として、ＤＬＣ層の剥れ落ちをもたらす。
【００１３】
コーティングは少なくとも部分的に、摺動要素の少なくとも１つの作動面に実現されているが、このコーティングは作動面全体にわたって延在させることができ、とりわけ、例えばピストンリングのフランク（ｆｌａｎｋ）のような作動面に隣接している表面に、及び／又は作動面からこの作動面に隣接している表面への遷移部に、全体的又は部分的に実現することもできる。
【００１４】
本発明による摺動要素の好ましい開発は、さらなる請求項に記載される。
【００１５】
現在のところ、鋳鉄又は鋼が、摺動要素、とりわけピストンリングの母材として好ましい。これら材料について、とりわけ良好な特性を確認することができた。
【００１６】
層の硬度に関しては、１７００ＨＶ０．０２〜２９００ＨＶ０．０２の値が金属を含まない（ａ−Ｃ：Ｈ−、最上部の）ＤＬＣ層に対して好ましく、及び／又は８００〜１６００ＨＶ０．０２の値が金属を含有する（ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ−）ＤＬＣ層に対して好ましい。何故ならこれら値によって要求が十分に満たされたからである。
【００１７】
金属を含有するＤＬＣ層及び金属を含まないＤＬＣ層の両方が、水素を含むことが可能であり、このことは、試験において優位性が証明された。
【００１８】
さらに、タングステンを含有しているＤＬＣ層に関しては、このＤＬＣ層がナノ結晶タングステンカーバイド析出物を含有していることが好ましく、これにより、特性はさらに高められる。
【００１９】
とりわけクロム接着層である接着層の厚さに関しては、最大１μｍの値が好ましい。
【００２０】
５μｍ〜４０μｍの、合計コーティング厚が好ましく、これにより、摩擦係数と摩耗特性との間の記載されたバランスを、とりわけ満足のいく方法によって達成することができる。
【００２１】
コーティングの効果的な実現に関しては、現在のところ、金属蒸着によって接着層を生じさせることが好ましい。
【００２２】
本発明によるコーティングの好適な製造は、金属を含有するＤＬＣ層及び／又は金属を含まないＤＬＣ層に関しては、これら層がＰＡ−ＣＶＤプロセスによって実現された場合に、さらに保証される。
【００２３】
本発明の好ましい例示的な実施形態が、図面を参照しつつ、以下においてより十分に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるコーティングの構造を概略的に示す図である。
【図２】本発明による２つの実施例、及び１つの比較実施例の場合の、相対的な摩耗示す図である。
【図３】本発明による２つの実施例、及び１つの比較実施例の場合の、相対的な摩擦係数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１において概略的に示されているように、本発明によるコーティングは、接着層１０と、中間層１２と、最上層１４とを内側から外側に向かって備え、これら層の厚さ及び厚さ比は、上述された範囲内にある。
【実施例】
【００２６】
本発明によるコーティングの特性は、２つの実施例及び１つの比較実施例に基づいて調査された。試験は、以下のコーティングを用いて実施された。
【表１】
0005640088.tif 000002
【００２７】
この場合、例１及び例３は、本発明による実施例であり、例２は比較例である。この研究は、「注油を受けた、ピストンリング／被研磨ねずみ鋳鉄シリンダスリーブ」システムに対して実施された。図２は、ピストンリングの相対的な摩耗量を示している。図２から理解することができるように、本発明による例は、比較例２よりも著しく少ない摩耗、具体的には比較例２の場合に生じた摩耗の約２０％以下しか有しない。
【００２８】
さらに、図３によって示されるように、本発明による例の場合には、摩擦係数は長期間に亘って概して一定であるが、比較例の場合には、一方では、全過程にわたって摩擦係数はより高く、極めて高いピーク値を有している。他方では、摩擦係数は広範囲にわたって変動している。さらに、この比較例によるコーティングは、試験期間の終了の前に破損していたと考えることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  接着層
１２  金属を含有するＤＬＣ層
１４  金属を含まないＤＬＣ層
【図１】
0005640088.tif 000003
【図２】
0005640088.tif 000004
【図３】
0005640088.tif 000005