(57)【要約】非常に小さな摩擦抵抗を持つ硬質物質層に関し、該層として、ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相を有する酸化窒化ジルコニウム層を利用する。酸化窒化ジルコニウム層内の前記相が、層の摩擦抵抗を減少させる。この結果、基材を被覆する際、含浸等の他の加工工程を省ける。この層（２６）は、例えばワーク（２８）を切削加工するために用いる工具（２７）に設ける。該工具（２７）の小さな摩擦抵抗に基づき、ワーク（２８）の乾式加工が行える。他の用途は、燃料噴射弁の大負荷を担う部品の被覆である。
2005504892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦抵抗が非常に小さな硬質物質層であって、該硬質物質層が、ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相を有する酸化窒化ジルコニウム層であることを特徴とする硬質物質層。
【請求項２】
ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相が、所定の結晶組織を有することを特徴とする請求項１記載の硬質物質層。
【請求項３】
ジルコニウムと窒素と酸素を含む相が、０．５１１〜０．５３２ｎｍの二値素子パラメータａを持つ立方結晶組織を有することを特徴とする請求項１又は２記載の硬質物質層。
【請求項４】
内燃機関の燃料噴射弁において互いに接触し相対移動する２つの可動弁部品（１７、１８）の少なくとも一方に利用することを特徴とする、ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相を有する酸化窒化ジルコニウム層から成る硬質物質層の利用方法。
【請求項５】
第１弁部品としての弁ニードル（１８）と、該ニードル（１８）で閉鎖できる噴射開口（１１）を有する第２弁部品（１７）とを備えた弁座における少なくとも弁ニードルに、酸化窒化ジルコニウム層を設けることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
噴射開口（１１）を形成する壁に、酸化窒化ジルコニウム層を設けることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相を持つ酸化窒化ジルコニウム層を、工具（２７）の表面層として利用することを特徴とする酸化窒化ジルコニウム層の利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦抵抗が非常に小さな硬質物質層に関する。
【０００２】
そのような硬質物質層は、独国特許第４４１８５１７号明細書に示されている。その明細書において、摩擦負荷を受ける表面に、硬質物質から成る摩耗保護被膜が設けられている。その被膜は、その硬さのために、耐摩耗性の増大に貢献する。
【０００３】
もっとも、その独国特許第４４１８５１７号明細書によれば、摩耗保護被膜は非常に大きな摩擦抵抗を有している。形成した摩耗保護被膜に、別の工程で真空内において圧力供給の下で適当な潤滑材を含浸することで、その摩擦抵抗は減少できる。その場合、硬質物質層に例えば耐熱性無機潤滑材を入れ、硬質物質層の表面の摩擦抵抗を減少させる。
【０００４】
本発明の課題は、摩擦抵抗が極めて小さく、非常に簡単に製造できる硬質物質層を形成することにある。
【０００５】
本発明に基づいて、硬質物質層は、ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相を有する酸化窒化ジルコニウム層を備えている。
【０００６】
ドイツの化学工業大学で作成されたシュテファン  コラード著の論文「クロムおよびジルコニウム基上の酸化窒化物層のＸ線組織研究」で、クロムとジルコニウムの基礎上に反応スパッタリング法で酸化窒化物層を形成することが公知である。その中にジルコニウムと窒素と酸素とを含む相を持つ層が存在するが、その論文は、ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相を持つ層が硬さだけでなく、小さな摩擦抵抗を示し、従って該層が、冒頭で述べた従来技術と異なり唯一の工程で、追加処理なしに製造できることに言及していない。
【０００７】
本発明は、ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相が、本発明に基づく酸化窒化ジルコニウム層の摩擦抵抗を、他の硬質物質層に比べて、特に上述した相を含まない酸化窒化ジルコニウム層に比べても、極めて小さくしている大きな要因であるという考えに基づく。本発明に基づく酸化窒化ジルコニウム層は、専らその相で形成される必要はなく、その層の組成は、酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムから成る相も含まれる。
【０００８】
本発明による層は、その大きな硬さと小さな摩擦抵抗に基づき、大負荷を担う部品に対し優れた摩耗保護層となる。この層はスパッタリング処理工程を経て形成され、その製造は非常に簡単である。特に、形成した層の摩擦抵抗を減少するための別の加工工程、即ち例えば潤滑材による含浸は不要である。このため、本発明による酸化窒化ジルコニウム層を用いる場合、得られる摩耗保護性と製造費に関し、良好な価格・性能比を達成できる。
【０００９】
本発明の実施態様において、ジルコニウムと窒素と酸素とを含む相は、所定の結晶組織を有する。その所定の結晶組織は、この相の場合、該相を含む硬質物質層の摩擦抵抗の上述した減少に有利に貢献する。
【００１０】
本発明の他の実施態様では、酸化窒化ジルコニウム層のジルコニウムと窒素と酸素とを含む相は、０．５１１〜０．５３２ｎｍの二値素子パラメータ(Elementarzellenparameter）を持つ立方結晶組織を有する。この所定の結晶組織において、この相を含む酸化窒化ジルコニウム層の摩擦抵抗が特に小さくなることを確認した。これに伴い、この層は摩耗負荷を受ける部品を被覆するのに特に適する。
【００１１】
本発明に基づく酸化窒化ジルコニウム層は、例えば反応スパッタリング法によって製造される。その場合、酸化窒化ジルコニウム層内に例えばジルコニウムと窒素と酸素とを含み、所定の結晶組織を持つ相を生じさせる製造条件は、上述した論文の付録に記載されている。それに応じて、反応スパッタリングはジルコニウムターゲットを利用して実施される。そのターゲットと被覆すべき基材との間隔を６．５ｃｍに選定する。その製造温度は４００℃であり、放電電流は１．５Ａに保つ。スパッタリング過程中に窒素および酸素を供給し、その窒素流量を２．８ｓｃｃ（標準ｃｍ3／ｍｉｎ）に調整し、酸素流量を０．２５〜２ｓｃｃの間で変化させる。大きな酸素流量と小さな酸素流量では、ジルコニウムと窒素又はジルコニウムと酸素を含む相を持つ酸化窒化ジルコニウム層の形成しか考えられないが、ジルコニウムと窒素と酸素とを含み特に所定の結晶組織を有する相を持つ本発明の酸化窒化ジルコニウム層は、中間酸素流量で製造される。例えば酸素流量が０．５〜１ｓｃｃである場合、０．５１１〜０．５３２ｎｍの二値素子パラメータ（ａ）を持つ立方組織を有する相の形成もできる。ジルコニウムと窒素と酸素とを含み所定の結晶組織を持つ相において、窒素分量は３０〜４０原子％、酸素分量は１８〜３９原子％である。
【００１２】
本発明に基づく酸化窒化ジルコニウム層は種々の用途に利用できる。
【００１３】
独国特許出願公開第１９９４４９７７号明細書に基づいて、例えば所期の寿命を得るために、燃料噴射弁の相対移動する部品上に、窒化クロム又は炭素含有炭化タングステンから成る被膜を設けることが提案されている。それにより、耐摩耗性が高まる。
【００１４】
本発明の課題は、非常に長い寿命を持つ燃料噴射弁を提供することにある。
【００１５】
この課題は、内燃機関の燃料噴射弁において互いに接触し、相対移動する２つの可動弁部品の少なくとも一方に、硬質物質層として、ジルコニウムと窒素と酸素とを含み所定の組織を有する相を持つ酸化窒化ジルコニウム層を用いることで解決される。所定の組織とは例えば０．５１１〜０．５３２ｎｍの二値素子パラメータａを持つ立方組織である。これによって、被覆された部品並びに未被覆対向部品の摩耗が有利に著しく減少される。相対移動する両部品が被覆されている場合、一層の改善が達成される。部品の移動中、搬送される燃料によって、その燃料が不良潤滑特性をしているので、潤滑不足状態が生ずる。しかし、潤滑特性を改善するための補充は、内燃機関における続く燃焼に基づいて禁じられる。従って、本発明に基づく層形成は、被覆された部品の耐摩耗性を改善する方策となっている。相対移動する部品の摩耗減少によって、噴射弁の寿命は長くなる。
【００１６】
本発明の有利な実施態様では、第１弁部品としての弁ニードルとこの弁ニードルで閉鎖できる噴射開口を有する第２弁部品とを備えた弁座において、少なくとも弁ニードルに、酸化窒化ジルコニウム層が設けられる。その弁ニードルは噴射弁の最も強く負荷される部品であり、従って、弁の寿命にとって重大である。
【００１７】
同様に噴射ノズルの壁を被覆するとよく、燃料噴射弁の予想寿命が更に延びる。
【００１８】
更に、被覆された工具は例えば米国特許第６２８４３５６号明細書で知られている。工具の寿命を長くするためにその負荷される表面に、被膜が設けられている。従ってその被膜は摩耗保護層として用いられる。
【００１９】
本発明のもう１つの課題は、非常に長くされた寿命を有する工具を準備することにある。
【００２０】
この課題は、工具の表面層として、ジルコニウムと窒素と酸素とを含み特に所定の結晶組織を持つ相を有する酸化窒化ジルコニウム層を利用することで解決できる。これによって、工具の摩擦負荷時における摩耗を減少できる。これは、酸化窒化ジルコニウム層内に存在するジルコニウムと酸素と窒素を含む相の特殊な特性によって達成される。該相は、通常の工具被覆層に比べ、その層の摩擦抵抗を減少する。所定の結晶組織は、特に０．５１１〜０．５３２ｎｍの二値素子パラメータａを持つ立方組織である。これによって、本発明に基づく酸化窒化ジルコニウム層を備えた工具は、ワークの乾式加工の用途分野を開く。乾式加工によって、潤滑材を用いることなくワークを加工することができ、その際、本発明に基づく層の乾燥潤滑特性が利用できる。例えばワーク切削加工時の冷却潤滑材の節約は、それに応じて設計された工作機械が、潤滑材回路なしで済まされ、これに伴ってその設備費と運転費をなくできるので、極めて大きな節約可能性を含んでいる。同時に潤滑材によって引き起こされる環境問題が回避される。このためにまた、潤滑材の処理には経費がかかるので、ワークの乾式加工の経済性も助長される。
【００２１】
本発明による層は、切削加工用だけでなく、変形加工用工具に設けてもよい。後者はワークの加工中に大きな摩擦負荷を受ける。それに伴う摩耗は、本発明による層で大幅に減少する。変形加工過程に対する例は、例えばねじを成形する際に利用する溝切である。
【００２２】
本発明に基づく酸化窒化ジルコニウム層の小さな摩擦抵抗は、部品に対する摩耗保護としての用途を開き、その部品は使用中に全くあるいは殆ど潤滑を必要としない。そのような用途において、潤滑材の不足や不十分な作用は、層の良好な摩擦特性によって補償される。その場合、被覆された部品の負荷が減少するだけでなく、それと共働する摩擦対向部品の負荷も、その対向部品自体が摩耗保護層を有しているか否かに無関係に減少する。
【００２３】
本発明の他の詳細が図から理解できるが、図は本発明の範囲を限定するものではない。
【００２４】
図１は燃料噴射弁を示す。該弁は、シリンダヘッド（図示せず）に、噴射開口１１がシリンダの燃焼室（同様に図示せず）に開口するよう組み込まれている。燃料噴射弁は、更にアクチュエータとして、コイルケース１３内に封じ込まれた電磁コイル１２と、管状内側磁極１４と、スリーブ状外側磁極１５とを備える。該磁極１５はノズル体１６につながっている。
【００２５】
ノズル体１６に弁座体１７がはめ込まれ、この弁座体１７は噴射開口１１を形成している。弁は弁ニードル１８で閉鎖される。その弁ニードル１８は、噴射開口１１を弁座面１９により開閉する。そのため、弁ニードルは接極子２０に取り付けられ、該接極子２０はばね２１で与えられる閉鎖力に抗し、電磁コイル１２により弁座から開放位置迄移動する（図示せず）。その開放位置で、燃料は矢印に応じ通路系２２を経て導かれる。そのとき燃料は、ばね２１に対する組込み空間２４の入口孔２３と、接極子２０にある溝２５と、ノズル体１６とを経て、噴射開口１１に導かれる。
【００２６】
摩耗抵抗を低減すべく、弁ニードル１８と弁座体１７は、ジルコニウムと窒素と酸素とを含み所定の結晶組織を持つ相（図示せず）を有する酸化窒化ジルコニウム層を備える。これら両者を、個別部品として夫々被覆し、続いて噴射弁の対応した部品に取り付ける。大負荷を担う弁座面１９の範囲の層が特に重要であり、スパッタダイオード(Sputterdiode)の部品の相応の位置決めにより、その範囲に特に大きな被膜厚さが得られる。しかし、それに続く範囲、即ち弁座体１７の噴射開口１１および弁ニードル１８の軸部も被覆できる。
【００２７】
図２は、酸化窒化ジルコニウム層２６の他の利用例を示す。それはワーク２８を切削加工するための工具２７である。この工具２７はチャック２９に取り付けられ、ワーク２８は矢印の方向に回転される。即ち、ワーク２８の旋盤加工を概略的に示す。その際、工具２７は刃３０に沿い、工具２７の表面の一部にわたりせん断する削り屑３１を削り出す。潤滑材は利用せず、酸化窒化ジルコニウム層２６はジルコニウムと窒素と酸素とを含み所定の組織を持つ相を有している。これによって、その酸化窒化ジルコニウム層２６は削り屑３１に小さな摩擦抵抗で対抗する。これは乾燥潤滑を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】内燃機関の燃料噴射弁の断面図。
【図２】バイトとして形成された工具の実施例の概略図。
【符号の説明】
【００２９】
１１  噴射開口、１７  弁座体、１８  弁ニードル、２７  工具（バイト）
【国際公開パンフレット】
2005504892.tif 000003
2005504892.tif 000004
2005504892.tif 000005
2005504892.tif 000006
2005504892.tif 000007
2005504892.tif 000008
2005504892.tif 000009
2005504892.tif 000010
2005504892.tif 000011
2005504892.tif 000012
2005504892.tif 000013
2005504892.tif 000014
2005504892.tif 000015
2005504892.tif 000016
2005504892.tif 000017
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005504892.tif 000018
2005504892.tif 000019
【国際調査報告】
2005504892.tif 000020
2005504892.tif 000021
2005504892.tif 000022
2005504892.tif 000023
2005504892.tif 000024
2005504892.tif 000025
2005504892.tif 000026
2005504892.tif 000027
2005504892.tif 000028
2005504892.tif 000029