(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーティングを有するピストンリング用のクロムシリコン（ＣｒＳｉ）鋼またはクロムニッケル（ＣｒＮｉ）鋼からなる基材を含む圧縮コイルばね製品の製造方法であって、
ＰＶＤ法およびＰＡ−ＣＶＤ法により、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層を堆積する工程と、ここで、Ｍｅは、タングステン、クロムおよびチタンからなる群から選択される金属を指し、
ＰＶＤ法によって、ＣｒＮ層を堆積する工程と、
前記ＣｒＮ層および前記ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層の各々が、３０ｎｍから１００ｎｍの層厚を有するように、ＰＶＤ法またはＰＶＤ法およびＰＡ−ＣＶＤ法により、前記ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層および前記ＣｒＮ層の対を作成し、前記対を複数重ねて多重層を生成する工程と、
ＰＡ−ＣＶＤ法により、前記多重層の最も外側にａ−Ｃ：Ｈ層を堆積する工程と
を備える圧縮コイルばね製品の製造方法。
【請求項２】
前記基材に、０．０１〜０．５μｍの厚さを有するクロムからなる接着層が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮コイルばね製品の製造方法。
【請求項３】
前記ａ−Ｃ：Ｈ層は０．１〜５．０μｍの層厚を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の圧縮コイルばね製品の製造方法。
【請求項４】
前記コーティングの全体の厚さは、０．５〜１０μｍであることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の圧縮コイルばね製品の製造方法。
【請求項５】
前記ＣｒＮ層の硬度は８００〜１９００ＨＶ０．００２であり、および／または、前記ａ−Ｃ：Ｈ層の硬度は１７００〜２９００ＨＶ０．００２であり、および／または、前記ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層の硬度は８００〜１６００ＨＶ０．００２であることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の圧縮コイルばね製品の製造方法。
【請求項６】
前記対の数は、１０から２００であることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の圧縮コイルばね製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮コイルばねに関する。この圧縮コイルばねは、内燃エンジンのピストンに使用される２つの部分を含む油かきリングのコンポーネントとして、かかる油かきリングの第２のコンポーネント、即ちシリンダまたはシリンダライナと滑り接触状態にあるいわゆる本体をシリンダ壁に押し付けるために提供されるものである。本発明は更に、かかる圧縮コイルばねをコーティングするための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
言及したように、２つの部分を含む油かきリングにおいて、圧縮コイルばねは、構造体の内面に接して、換言すると、シリンダ壁にスライドするように接触するピストンリングの本体と、ピストンリングの溝の底との間に設置されている。エンジン動作時の動的応力に起因して、本体と圧縮コイルばねとの間に相対的運動が起こる。この運動は、いわゆる２次磨耗につながる可能性がある。この２次磨耗は、本体内に、溝内の溝の形態で現れるとともに、ばね上に、摩滅した材料の形態で現れる場合がある。溝内の溝にばねがひっかかる可能性があり、これにより、油リングのかき取り動作が損なわれる。更に、その機能を発揮するのに必要な接線力が低下する可能性がある。
【０００３】
特許文献１は、無水素ｉ―Ｃグラファイト層でコーティングされた圧縮コイルばねを開示している。
特許文献２は、油かきピストンリング用の圧縮コイルばねであって、少なくとも部分的にアモルファスの耐磨耗性グラファイト層が設けられた圧縮コイルばねを開示している。
特許文献３は、金属を含有するアモルファス炭素層及び金属を含有しないアモルファス炭素層を有するピストンリングについて記述している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ特許第１０２００５０１９５００号明細書
【特許文献２】欧州特許第１７１７４９３号明細書
【特許文献３】国際特許第２００９／１２１７１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の背後にある目的は、用いることにより、２つの部分を含む油かきリングの少なくとも一方のコンポーネントの摩擦および／または磨耗および／またはなじみ動作が改善される圧縮コイルばね、並びにそれをコーティングするための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、１つのやり方として、請求項１に記載の圧縮コイルばねによって達成される。その上に設けられるコーティングは、ＣｒＮ層とａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層とが交互に重なり合った多重層が特徴である。当初のテストから、かかる層構造を使って、耐用期間および相対摩擦係数の両方を向上できることが分かった。特に層の安定性が向上することで、耐用期間が延びる。更に、ばねとピストンリングとの間のなじみ動作が向上することも、当初のテストで判断できた。
【０００７】
明確化のために言及しておくと、Ｍｅは金属を表しているのであって、例えばタングステン、クロム、チタン、ゲルマニウム、またはシリコンを使用することができる。ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層および後述するａ−Ｃ：Ｈ層はどちらもＤＬＣ層であり、比較的低い磨耗特性および良好な摩擦特性を確保されている。特に、それによって、径方向の接触圧力が様々であるため、例えば圧縮コイルばねの周囲全体にわたって磨耗速度が様々になるが、それにもかかわらず、ＤＬＣは、表面の少なくとも一部に常に存在しており、したがって、特に潤滑作用が不十分な条件下でも、良好な摩擦特性が維持されると考えられる。これは、有利な態様で、ＣｒＮ層によってもたらされる磨耗上の利点と組み合わされる。ＣｒＮ層の耐磨耗性は、従来からＤＬＣより高くなっており、最初からまたは最も外側のＤＬＣ層が磨耗したときに、効果を発揮することができ、有利である。上記の多層コーティングは、他にも、全体の層の厚さを従来のＤＬＣコーティングシステムの場合よりも著しく厚くできるといった利点を提供することができる。これは、本質的に、ＣｒＮに比べてＤＬＣの方が高くなっている内部応力を、複数のＣｒＮ層によって、コーティング全体として均等化することができるという事実に基づいている。
【０００８】
圧縮コイルばねは、鋼、特にクロムシリコン（ＣｒＳｉ）鋼またはクロムニッケル（ＣｒＮｉ）鋼で作製されるのが好適であり、実質的にらせん状に巻かれ、したがって、ばね端部を２つ有している。これらの端部は、ばねが概ね円形をしているため、嵌められた状態または動作状態では、間隙が無い状態で接触する。この点は、ピストンリングの継ぎ目に対して径方向に反対側であることが好ましい。特筆すべきことに、本発明に係るコーティングは、例えば特許文献１に記載された圧縮コイルばねに、特許文献１に記載の無水素ｉ−Ｃグラファイト層に代えて適用することができる。特に、特許文献１に記載の圧縮コイルばねの個々の特徴は全て、本明細書で参照しているため、本出願の内容に属する。参照するこの文献で説明されているように、油かきピストンリングは、周方向に閉じているのではなく、いわゆる継ぎ目、換言すると周方向の間隙を有する形で構成することができる。圧縮コイルばねは、その領域で連続となるように構成されており、継ぎ目の領域において、それに対して対称に５°〜６０°の周方向の角度でコーティングされているのが好ましい。その参照される文献において、ピストンリングの継ぎ目付近の前述の角度は、αと表記されている。ピストンリングは、圧縮コイルばねを受け入れるための溝を内側に有している。この溝は、断面形状が略半円形であることが好ましい。圧縮コイルばねは、圧縮コイルばねの軸方向から見て、好ましくはピストンリングに面する側面が、５°〜１８０°の範囲のある角度（参照している文献によればβ）で、好ましくは中央平面に対して対称にコーティングされている。「スライド要素、とりわけピストンリング、およびスライド要素をコーティングするための方法（Ｓｌｉｄｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ，  ｉｎ  ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ  ａ  ｐｉｓｔｏｎ  ｒｉｎｇ，  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｃｏａｔｉｎｇ  ａ  ｓｌｉｄｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）」という出願を本出願人が同日に出願したことにも言及しておかなければならない。同出願において、本明細書に記載されたものと同様のコーティングが、スライド要素、とりわけピストンリングに設けられている。同出願に記載されているコーティングの特徴は全て、本明細書に記載のコーティングにも適用することができる。更に、同出願に記載のピストンリングは、記載されている諸実施形態のうちのいずれかにおいて、本明細書に記載の圧縮コイルばねと有利なように組み合わせることができ、この組み合わせは、本出願の内容とみなされるべきである。更に、同様に本出願人が同日に出願した「ピストンリングの少なくとも内面をコーティングする方法およびピストンリング（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｃｏａｔｉｎｇ  ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｔｈｅ  ｉｎｎｅｒ  ｆａｃｅ  ｏｆ  ａ  ｐｉｓｔｏｎ  ｒｉｎｇ，  ａｎｄ  ｐｉｓｔｏｎ  ｒｉｎｇ）」という出願に記載のコーティングをピストンリング、特にピストンリングの内面に適用することも可能である。
【０００９】
他の好適な改善策が、他の請求項に述べられている。
【００１０】
好ましくは鋼製の基体、即ち圧縮コイルばねに対してＣｒＮ層を接着するために、クロムの接着層を形成した方が有利であることが分かった。これは、特に蒸着によって設けることができ、層の厚さは０．５μｍ未満であることが好ましい。現在のところ、接着層の厚さとしては最小の０．０１μｍが好ましい。
【００１１】
本発明に係る圧縮コイルばねの最も外側の層は、当初、ピストンリングと接触するものであり、金属を含有しないＤＬＣ層、換言するとａ−Ｃ：Ｈタイプの層であることが好ましい。かかる層は、実現し得る最高のなじみ動作を保証する。この層は、０．１〜５．０μｍの厚さを有することが有利であることが分かった。層を０．１μｍという最小の厚さにすると、良好ななじみ動作を行うのに有利である。層の厚さの最大値は、層が厚くなるにつれて低下する接着性について、最低限の接着性に基づいて与えられる。前述した最も外側の層または最上層は、ＣｒＮ層およびａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層のどちらに設けることも考えられる。
【００１２】
ＣｒＮ層およびａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層からなる多重層のそれぞれの層は、３０ｎｍ〜１００ｎｍとすることが好ましい。３０ｎｍを超える厚さによって、重ね合わせて使用されたときに、層構造の試験可能性が確保されるという利点が得られる。
【００１３】
良好な耐用期間と併せて良好な摩擦動作を確保するためには、コーティング全体の厚さは、０．５〜１０μｍとするのが好都合である。このため、個々の層の重ね合わせの数は、例えば１０〜２００にすることができる。
【００１４】
ＣｒＮ層の硬度としては、８００〜１９００ＨＶ０．００２の値が適切であることが分った。この形態は、１７００〜２９００ＨＶ０．００２の硬度である金属を含有しないＤＬＣ層および／または８００〜１６００ＨＶ０．００２の硬度である金属を含有するＤＬＣ層の硬度と組み合わせることができる。
【００１５】
特に、ＤＬＣ層の良好な特性、とりわけ金属を含有するＤＬＣ層および／または金属を含有しないＤＬＣ層の極めて良好な特性は、その層が水素を含有している場合に得られることが更に期待される。
【００１６】
金属を含有するＤＬＣ層は、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭化ゲルマニウム（ＧｅＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）といったナノ結晶金属または金属炭化物堆積物を含有することができ、更に有利である。
【００１７】
前述した目的は、請求項８に記載の方法によってさらに達成される。
【００１８】
前述したコーティングは、本発明に係る方法の範囲内で、物理気相成長（ＰＶＤ）過程とプラズマ化学気相成長（ＰＡ−ＣＶＤ）過程を組み合わせることによって設けることができ、好都合である。
【００１９】
前述した圧縮コイルばねの少なくとも１つをピストンリングと組み合わせたものを、更に開示する。このピストンリングは特に、同時に出願された前述した出願に記載されているコーティングを有することができる。このように形成された２つの部分を含む油かきリングを、内燃エンジン、特にディーゼルエンジンまたはターボチャージャー付きオットーエンジンのスライド接触面、特にシリンダまたはシリンダライナと組み合わせたものを更に開示する。オットーエンジンは鉄系またはアルミニウム系のスライド接触面を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る層構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面を参照して以下に、本発明の好適な例示の実施形態を更に詳細に説明する。
【００２２】
図から明らかなように、最初に、スライド要素の基材１０にクロムの接着層１２が設けられている。そこに、複数のａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層１４およびＣｒＮ層１６が内側から外側へと交互に設けられている。最も外側の層は、ａ−Ｃ：Ｈ層によって形成されている。図示した例において、この層はＤＬＣ層に設けられているが、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層にも同様に設けることができる。これらは、ＰＶＤでＣｒＮ層を形成し、ＰＶＤおよびＰＡ−ＣＶＤでａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ層を形成し、ＰＡ−ＣＶＤでａ−Ｃ：Ｈ層を形成することによって設けることが好ましい。
【図１】
0005878485.tif 000002