(57)【要約】  滑動体は、移動面と滑接する少なくとも１つの表面を備えている。摩耗層（２）と、炭素から作られた慣らし運転層（４）と、が前記表面上に形成されている。この滑動体は、慣らし運転層が、水素及びナノ結晶炭化物相を含有することに特徴を有する。滑動体の製造方法において、慣らし運転層は、ＰＶＤ法を用いて形成される。滑動システムは、前述した滑動体と、移動面を持つ本体と、を有する。滑動体の被覆は、滑動体の上部に形成されてよい摩耗層と、炭素層として形成される慣らし運転層と、を備えている。この滑動体の被覆は、慣らし運転層が、水素及びナノ結晶炭化物相を含有することに特徴を有する。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動面と滑接する少なくとも１つの表面を備え、
摩耗層と、炭素から作られた慣らし運転層とが、前記表面に形成されていることを特徴とする滑動体であって、
前記慣らし運転層は、水素及びナノ結晶炭化物相を含有することを特徴とする滑動体。
【請求項２】
前記慣らし運転層は、「Ｍｅ−Ｃ：Ｈ」構造を有する金属含有炭素層、特に、タングステン含有層であることを特徴とする請求項１記載の滑動体。
【請求項３】
前記慣らし運転層は、ＷＣ型の粒子及び／またはコバルトを含む粒子を含有することを特徴とする請求項１または２記載の滑動体。
【請求項４】
前記慣らし運転層の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下、特に、３μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の滑動体。
【請求項５】
前記摩耗層は、窒化層、電気化学層、溶射層、及び／または薄層技術により析出した硬質材料層として形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の滑動体。
【請求項６】
好ましくは、金属を含有する中間層、特に、クロム層が、前記慣らし運転層と前記摩耗層との間に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の滑動体。
【請求項７】
前記滑動体の本体は、鋳鉄または鋼鉄から作られていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の滑動体。
【請求項８】
前記滑動体は、ピストンリングとして形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の滑動体。
【請求項９】
前記慣らし運転層は、移動面及び／または前記ピストンリングの接面上に形成されていることを特徴とする請求項８記載の滑動体。
【請求項１０】
前記慣らし運転層は、物理気相成長（ＰＶＤ）法により形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の滑動体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の滑動体と、
移動面を有する本体と、
を備えた滑動システム。
【請求項１２】
前記慣らし運転層は、鉄ベース合金、特に、ねずみ鋳鉄、鋼鉄、アルミニウムベース合金、アルミニウム−ケイ素材料、特にアルミニウム−ケイ素鋳造材料、電気化学的ニッケルまたはクロムベース材料、過共晶ＡｌＳｉ鋳造材料、ＡｌＳｉ吹付け材、特に溶射ＡｌＳｉ吹付け材及び／または溶射層から作られていることを特徴とする請求項１１記載の滑動システム。
【請求項１３】
前記滑動体は、ピストンリングとして形成され、
前記移動面は、シリンダまたはシリンダライナに形成され、
前記ピストンリングは、前記ピストンの第１の溝に、第２の溝のリングとして、２つの部分からなるオイルリングとして、または３つの部分からなるオイルリングのスチールバンドリングとして嵌設されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の滑動システム。
【請求項１４】
滑動体の上部に形成され得る摩耗層と、
炭素層として形成されている慣らし運転層と、
を備え、
前記慣らし運転層は、水素及びナノ結晶炭化物相を含有することを特徴とする前記滑動体の被膜。
【請求項１５】
前記慣らし運転層は、「Ｍｅ−Ｃ：Ｈ」構造を有する金属含有炭素層、特に、タングステン含有層であることを特徴とする請求項１４記載の被膜。
【請求項１６】
前記慣らし運転層は、ＷＣ型の粒子及び／またはコバルトを含む粒子を含有することを特徴とする請求項１４または１５に記載の被膜。
【請求項１７】
前記慣らし運転層の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下、特に、３μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１つに記載の被膜。
【請求項１８】
好ましくは金属を含む中間層、特にクロム層が、前記摩耗層と前記慣らし運転層との間に形成されていることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか１つに記載の被膜。
【請求項１９】
前記摩耗層は、窒化層、電気化学層、溶射層、及び／または薄層技術により析出した硬質材料層として形成されていることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１つに記載の被膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、滑動体、特にピストンリング、滑動体の製造方法、滑動システム、及び滑動体の被膜に関する。
【０００２】
ピストンリング等の滑動体は、移動面を有し、この移動面を介して摩擦系において相手部材と滑りながら接触（滑接）する。このため、部分的に過酷な要件が課せられる場合などにおいて、所要の耐用期間が達成されることが必要不可欠である。ピストンリングの場合、耐用期間は、例えば、高くなる傾向にあるシリンダ内の圧力、直接噴射、排気ガス循環、及び最新型エンジンが有するその他の特性に関係し、これら特性により、ピストンリングにかかる負荷は増加しつつある。また、新規のシリンダ材料が開発されるとともに、油の消費量を最小限にするという目標がある。
【背景技術】
【０００３】
耐用期間を達成するため、この種の滑動体には、摩耗保護層が設けられている。摩耗保護層は、溶射法や電気化学的（galvanische）手法を用いて、あるいは、窒化や薄層技術を用いて形成することができる。
【０００４】
ＤＥ１９８  ２５  ８６０Ａ１に、移動面にダイヤモンド様炭素の被膜を有するピストンリングが開示されている。この被膜により、耐久性のある効果的な摩耗層が形成される。
【０００５】
ＵＳ６，２７９，９１３Ｂ１及びＵＳ６，３２５，３８５Ｂ１に、ＤＬＣ（diamond like carbon：ダイヤモンド様炭素）層を有するピストンリングが開示されている。このピストンリングでは、ＤＬＣ層とピストンリング材料との間に、窒化層が存在してもよいとのことである。
【０００６】
ＵＳ２００５／０１００７０１Ａ１に、厚さによって水素含有量が異なる硬質炭素層を有するピストンリングに関する記載がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の課題は、良好な摩耗特性を有するとともに、「慣らし運転（Einlauf）」時の動作信頼度に優れた滑動体、特にピストンリングを提供することである。また、かかる滑動体の製造方法、かかる滑動体を有する滑動システム、及び滑動体の被膜を提供することも意図している。
【０００８】
この課題の解決策の１つに、請求項１の滑動体が挙げられる。
【０００９】
本発明は、全耐用期間を通じて優れた摩耗特性を実現することが必要不可欠であるとともに、いわゆる「慣らし運転」時が特に危険であるという認識の下になされている。慣らし運転時において、摩擦系内の部材同士がまだ十分に順応しておらず、このため条痕及び／または擦り傷が生じ得ることが判明している。
【００１０】
良好な慣らし運転特性と長期間の稼働に耐える良好な摩耗特性とを兼備させる、という課題に対し、本発明では、移動面と滑接する滑動体の表面が、摩耗層と、摩耗層の上に形成される「慣らし運転層」とを備える、ということによってこの課題を解決した。慣らし運転層は、水素及びナノ結晶炭化物相を含有する炭素からなる。水素の量は、例えば、１０〜２０原子パーセントであってよい。特定の条件下では、ナノ結晶炭化物相を含まなくてもよい。前述した慣らし運転層と摩耗層との組合せにより、全ての要件が良好に満たされ得ることが見出された。慣らし運転層は、ＤＬＣ（diamond like carbon：ダイヤモンド様炭素）層として形成してよく、ＰＶＤ（物理気相成長）法を用いて形成することができる。試験の結果、このような層は、高温の及び／または機械的な応力が印加される場合であっても、擦り傷に対して極めて高い抵抗を有することが明らかになった。また、本発明に係る慣らし運転層は低い摩擦係数を有し、これにより、危険な慣らし運転時において、摩擦系内の相手部材へのエネルギー入力を最小限に抑えることができる。また、ナノ結晶炭化物相は、耐摩耗性に影響を及ぼす。特に、本発明に係る慣らし運転層は、比較的低い硬度を有するが、優れた靱性を有する。このため、摩擦系内の部材同士（特に、部材の表面形状（Topographie）同士）が極めて速やかに順応することが可能になる。
【００１１】
これに関して、本発明の基本的概念は、さらに、滑動体の耐用期間中に要求される様々な事項を考慮に入れ、２つの分離した層を提供することにもある。前述したように、慣らし運転層により摩擦系内の部材同士の迅速な順応が可能になる。このため、慣らし運転時の従来の問題が解消され得る。ここで、慣らし運転層は永久的な摩耗層として機能することはできないということは、ある程度受け入れざるを得ない。慣らし運転層は、少なくとも局部的に侵食されることが考えられる。これにより、滑動部材が速やかに馴染むことが可能になる。その後は、慣らし運転層の下に存在する摩耗層が、所要耐用期間において良好な摩耗特性の効力を発揮する。すなわち、慣らし運転層は、「摩耗層の被覆層」と表現することもできる。
【００１２】
摩耗層は、例えば、溶射層、電気化学（galvanische）層、窒化層、または薄層技術により析出した硬質材料層であってよい。このような摩耗層を用いることにより、慣らし運転後における滑動体の耐用期間が保証される。慣らし運転における、このような摩耗層の従来の問題は、本発明に係る分離した慣らし運転層によって解消され得る。慣らし運転時における前記摩耗層の不備は、とりわけ、擦り傷が発生したり、高温の及び／または機械的な負荷が印加された際に摩耗層でさえ機能しなくなるということであった。薄層技術により形成される被膜等の極めて硬い層の場合、耐摩耗性は保証されてきたが、高い硬度のため、摩擦系内の部材同士の順応は不十分なものであった。部材は、後遺症的な損傷を被ることさえあり得る。
【００１３】
これらの課題は、本発明に係る慣らし運転層によって解消された。慣らし運転層により、問題を伴わない慣らし運転が確保される。前述したように、永続する耐摩耗性は、その下に設けられた摩耗層によって確保され得る。
【００１４】
他の好ましい実施形態は、他の請求項に記載した。
【００１５】
特に、「Ｍｅ−Ｃ：Ｈ」構造を有する本発明に係る慣らし運転層を用いた場合に、よい結果が得られた。このような慣らし運転層は、特に良好な慣らし運転態様及び高い擦り傷耐性を示した。ここで、タングステン含有層を用いた場合、特に良好な結果が得られた。炭素とタングステンとの含有比は、１より大きい値であることが好ましい。特に、タングステンの量は、炭素の量の６０％〜９０％程度としてよい。
【００１６】
慣らし運転層は、ＷＣ（炭化タングステン）型の粒子及び／またはコバルトを含む粒子を含有するのが好ましい。コバルト含有粒子は、コバルトが結合したターゲットを用いることにより生成することができる。ターゲットとは、すなわち金属ドナーである。例えば、慣らし運転層を形成するためのＰＶＤ法の実施中にイオン衝撃によってスパッタされたタングステン−コバルト板である。
【００１７】
試験により、慣らし運転層の厚さは、１μｍ〜５μｍ、特に、３μｍ〜５μｍが好ましいことが明らかになった。慣らし運転層の構造としては、例えば、前述した実施形態に従って、０．５μｍ〜２μｍの厚さを有するＷＣ層が内部領域に形成されるのが好ましい。外部領域では、慣らし運転層はＣ：Ｈ：Ｗの構造を有する。外部領域は、さらに、ＷＣ型のナノ結晶粒子及び／またはコバルトを含む粒子を備えてよい。１μｍ〜５μｍという慣らし運転層の好ましい厚さには、前述した例えば０．５μｍ〜２μｍの厚さを有する内部領域中のＷＣ層が含まれる。
【００１８】
慣らし運転層の下にある摩耗層については、窒化層、電気化学層、溶射層、及び薄層技術により析出した硬質材料層を用いることにより、良好な結果を得ることができる。窒化層は、拡散により鋼鉄ベースまたは鋳造物ベース材料の内部へ成長する層として生成され得る。電気化学層は、好ましくは、硬質クロム層または硬質材料を導入した硬質クロム層であってよい。溶射層は、モリブデンをベースとして、またはセラミック成分混合物から形成することができる。
【００１９】
また、慣らし運転層と摩耗層との結合は、好ましくは金属中間層、特にクロム層を導入することによって強化され得る。
【００２０】
慣らし運転層や摩耗層などが形成される滑動体の本体材料としては、鋳鉄または鋼鉄が特に好ましいことが見出された。
【００２１】
前述したように、本発明に係る滑動体は、好ましくは、移動面を介してシリンダまたはシリンダライナと滑接するピストンリングであって、少なくとも移動面に慣らし運転層を備えたピストンリングである。また、慣らし運転層は、ピストンリングの片側または両側の面（接面、側面）に形成してよい。
【００２２】
本発明に係る滑動体の製造方法は、ＰＶＤ（physical vapor deposition：物理気相成長）法を用いて慣らし運転層を形成することを構成要素とする。ここで、ＰＶＤ法の開始段階において、アーク強化グロー放電（ArcEnhancedGlowDischarge：ＡＥＧＤ）を用いることができる。これにより、滑動体のイオン衝撃が実施され、表面が清掃される。ＰＶＤ法は、例えば、２００℃±３０℃の気相成長温度で実施することができる。また、ＰＶＤ法の実施中にイオン衝撃によりスパッタされるターゲットまたは金属ドナーとして、ＰＶＤ法の実施中に、タングステン−コバルト板を用いることができる。
【００２３】
本発明はさらに、前述した実施形態の１つの滑動体と、移動面を持つ本体と、を用いた滑動システムに関する。
【００２４】
移動面については、鉄ベース合金から移動面を作製した場合に、特に良好な結果を得ることができる。鉄ベース合金としては、とりわけ、ねずみ鋳鉄、鋼鉄、アルミニウムベース合金、アルミニウム−ケイ素材料（特に、アルミニウム−ケイ素鋳造材料）、電気化学的（galvanischen）ニッケルまたはクロムベース材料、過共晶ＡｌＳｉ鋳造材料、ＡｌＳｉ吹付け材（特に、溶射ＡｌＳｉ吹付け材、及び／または溶射層）が挙げられる。
【００２５】
滑動システムは、本発明に係る滑動体としてのピストンリングに対し、これに対応したシリンダまたはシリンダライナを備えているのが好ましい。このピストンリングは、ピストンの第一の溝に、第２の溝のリングとして、２つの部分からなるオイルリングとして、または３つの部分からなるオイルリングのスチールバンドリングとして嵌設してよい。
【００２６】
上に挙げた課題に対する解決策は、最終的に、摩耗層と、その上に形成される慣らし運転層と、を備えた滑動体の被覆によって達成される。この被覆の好ましい実施形態は、基本的に、上述した好ましい実施形態の滑動体に相当しており、これにより前述した利点が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
以下、図面に表した実施形態の一例を参照しつつ、本発明についてより詳細に説明する。
【００２８】
【図１】本発明に係る滑動体の表面の構造を表した模式図である。
【００２９】
（本発明の実施形態の説明）
図１は、摩耗保護層２、金属製の下塗り層３、及び慣らし運転層４が、基材１の上に「内部から外部へ」形成される過程を表した模式図である。初期状態では、慣らし運転層４は最も外側に位置する層であり、前述した好ましい慣らし運転特性を発現する。慣らし運転時には、慣らし運転層は、少なくとも一部が侵食されてもよい。この結果、その後においては、摩耗保護層２がその効果を発揮し、これによって恒久的な耐摩耗性が確保される。図１は、厚さの比を表している。慣らし運転層４は、例えば、１μｍ〜５μｍの厚さを有する。金属製の下塗り層３は、これよりかなり小さい厚さで形成される。摩耗層２は、慣らし運転層４よりかなり大きい厚さを有する。
【図１】
2009522509.tif 000002
【国際調査報告】
2009522509.tif 000003
2009522509.tif 000004
2009522509.tif 000005
2009522509.tif 000006