(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱被覆された構成部品であって、
摩擦相手に対して、摩擦を最適化された摺動面（２）を備え、
該表面（２）は、細孔（１）を有する、構成部品であって、
該細孔（１）は、入口フィレット（４、４’）を有し、
その縁部の勾配（Ａ）は、該表面（２）の長さ部分（ｘ）又は該表面（２）に対して  平行な長さ部分（ｘ）に対する入口フィレット（４、４’）の深さ（ｙ）の比として、２．５μｍ／ｍｍを超える値を有することを特徴とする、構成部品。
【請求項２】
請求項１に記載の熱被覆された構成部品であって、
前記表面（２）の全ての細孔の前記勾配の平均は、３μｍ／ｍｍを超える値であることを特徴とする、構成部品。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱被覆された構成部品であって、
前記摩擦を最適化された表面（２）は、機械加工される、好ましくは切削加工されることを特徴とする、構成部品。
【請求項４】
請求項１、２、又は３に記載の熱被覆された構成部品であって、
前記摩擦を最適化された表面（２）は、ホーニングによって加工されていることを特徴とする、構成部品。
【請求項５】
請求項４に記載の熱被覆された構成部品であって、
前記摩擦を最適化された表面（２）は、最初にダイヤモンドホーニング砥石を有する工具を用いて、続いてセラミックホーニング砥石を有する工具を用いて、少なくとも２回のホーニングによって仕上げ加工されていることを特徴とする、構成部品。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱被覆された構成部品であって、
熱被覆は、熱溶射被覆である、好ましくはワイヤアーク溶射層又はＰＴＷＡ層であることを特徴とする、構成部品。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱被覆された構成部品であって、
前記構成部品は、エンジンブロック又はピストン、又はブッシュ、好ましくはシリンダスリーブであることを特徴とする、構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に詳細に記載された種類の熱被覆された構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な従来技術では、例えば、摩擦相手と相互作用する構成部品の摩擦などの表面特性を最適化することが既知である。この種類の構成部品は、おおよそその相互作用が例えば内燃エンジンにおいて重要性が最も高い、シリンダとピストンとの対であり得る。内燃エンジンの全体的性能及び燃料消費は、この相手間、すなわちシリンダ内壁面とピストンとの間の摩擦によって、実質的に決定される。先行技術では、適切な機械的表面加工によって、例えば、ホーニングによって、表面領域にオイルをある分量保持することをもたらして摩擦を最小化する構造を実現することが既知である。ホーニング時に生成する交差する溝は、そのために適している。
【０００３】
更に、一般的な従来技術では、シリンダ摺動面又は摩擦学的特性に関して最適化すべき別の構成部品にも、被覆を備えることが既知である。選択肢として、例えば、いわゆる熱被覆があり得、この熱被覆は、特に溶射によって、例えば、ワイヤアーク溶射法又はＰＴＷＡ（プラズマ移行型ワイヤアーク）法によって可能になる。このような表面は、特に開口した細孔を有し、この細孔は、同時に、表面領域にオイルを保持することに寄与する。特に、そのような熱的に塗布された被覆は、それに続く、例えば、ホーニングのような切削加工と組み合わせることができる。
【０００４】
このような構成は、特許文献１に記載の種類から公知である。その熱的に被覆した構成部品は、特定のいわゆるオイル保持容量又はオイル保存容量によって特徴付けられ、その部品は、対応する所望のオイル量又は理論的に規定のオイル量が、運転中、すなわち摩擦相手が互いに摺動するときに、摩擦を最適化された表面の領域にとどまることをもたらす。それによって摩擦に関して最適な構成部品の組み合わせが、好ましくは内燃エンジンでのシリンダボアに関して達成可能である。
特許文献２から、良好な摩擦学的特性を有する被覆が公知である。この場合は、微細孔を含む鉄ベースの被覆である。この被覆は、最終的にホーニング法を介して研磨することができる。
更に、特許文献３及び特許文献４から、皮膜が熱溶射、特にプラズマ溶射によって塗布された摺動面を軽合金上に製作する方法が公知である。特許文献５から、滑りベアリング及びその製造方法が公知である。この場合は、充填材料がレーザー塗布を用いて塗布され、続いて切削加工及び／又はエッチング処理される。
別の先行技術に関して、特に、非特許文献１を参照することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２０１２  ００２  ７６６  Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，８６３，８７０  Ａ号明細書
【特許文献３】国際公開第９７／１６５７７  Ａ１号
【特許文献４】独国特許出願公開第４４  ４０  ７１３  Ａ１号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０５３  ３２６  Ａ１号明細書
【非特許文献１】Ｂａｒｂｅｚａｔ  Ｇ．  ｅｔ  ａｌ．： Ｐｌａｓｍａｂｅｓｃｈｉｃｈｔｕｎｇｅｎ  ｖｏｎ  Ｚｙｌｉｎｄｅｒｋｕｒｂｅｌｇｅｈａｅｕｓｅｎ  ｕｎｄ  ｉｈｒｅ  Ｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ  ｄｕｒｃｈ  Ｈｏｎｅｎ，  ｉｎ  ＭＴＺ  Ｍｏｔｏｒｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ  Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ，  Ｖｉｅｗｅｇ  Ｖｅｒｌａｇ，Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ，ＤＥ，Ｖｏｌ．６２  Ｎｏ．４，１．Ａｐｒｉｌ  ２００１，ｐａｇｅ  ３１４〜３２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、熱的に被覆された構成部品のそのような表面を更に最適化することである。
【０００７】
本課題は、本発明により、請求項１の特徴を有する熱被覆された構成部品によって解決される。有利な実施形態及び発展形態は、その従属請求項に開示される。
【０００８】
本発明による熱被覆された構成部品は、熱被覆された表面に生じる細孔が入口フィレットに関して、表面の長さ部分又は細孔が存在する表面に平行な長さ部分に対する入口フィレットの深さの比から算出される入口フィレットの勾配が、いずれの場合も２．５μｍ／ｍｍを超える値を有するように実現される。例えば、表面全体にわたり平均して全ての細孔に対して２．５μｍ／ｍｍを超える入口フィレットのそのような勾配は、実際の表面における細孔縁部の適切ななだらかな移行部によってオイル保持容量が新たに顕著に増加することを可能にする。このような表面特性は、摩擦相手の摩耗に対して、例えば、熱被覆されたシリンダボアの場合にはピストンリングの摩耗に対して、非常に有利に作用する。
【０００９】
入口フィレットのそのような高い勾配値は、特にセラミックホーニング砥石を用いたホーニングによって達成可能であり、好ましくはその前にダイヤモンドホーニング砥石を用いてホーニングされる。その際、セラミックホーニング砥石として、好ましくはセラミック結合をしているセラミック切削材料、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を有するホーニング砥石であると理解される。その際、セラミック切削材料の粒径が４００メッシュ（約４０μｍ）よりも細かいと、よく適合していることが実証されている。それに対してダイヤモンドホーニング砥石は、金属結合をしているダイヤモンド切削材料を有する。基本的に、切削材料はまた、合成樹脂結合又はプラスチック結合を用いてホーニング砥石に結合させることができるが、上述の結合は、経済的理由（ホーニング砥石の耐用年数、工具費用、工具の作製）から有利である。
【００１０】
通常使用されるホーニング砥石、例えば、ダイヤモンドホーニング砥石は、入口フィレットを有する細孔を残し、細孔縁部と実際の入口フィレットとの間に対応する移行部を伴い、それによって通常は０．５〜１．５のスケールであるどちらかと言えば小さな勾配値を有する。驚くべきことに、セラミックホーニング砥石を用いた好適な最終ホーニングによって、入口フィレットの勾配は、２．５μｍ／ｍｍを超える値、通常は３〜５．５μｍ／ｍｍの値まで増大させることができる。その場合、その表面は、個々の細孔のキャッピングがない適切に開いた多孔性を伴う、非常に滑らかな覆い構造を有する。高い勾配値及び入口フィレットにおける細孔縁部の対応するなだらかな移行部によって、その場合、オイル保持容量は、先行技術に対して更に明確に、特に約４０〜５０％増加させることができる。
【００１１】
入口フィレットを検知するために、例えば、細孔の入口フィレット領域を周囲表面から分離する境界線を検知することができる。そのために最初に、それぞれの細孔を囲む表面の平均高さレベルを（例えば、白色光干渉測定法又はその他の通常の測定技術を用いて）決定する。その後、平均高さレベル（所定値、例えば、それぞれの測定技術の分解能限界）に対して下がっていて、周囲表面と境界を接する、この細孔に属する点が検出される。そしてこれらの点は、その細孔の境界線を形成する。
【００１２】
その後、少なくとも境界線のいくつかの点において、境界線に対する接線が生成される。この接線に対して垂直方向で、画定された測定区画に沿って入口フィレットの平均傾斜が測定される。続いて、それぞれの細孔の入口フィレットに対する平均値を得るために、細孔の全測定区画の平均傾斜の平均をとり、そしてこの平均値は、それぞれの細孔入口フィレットのいわゆる勾配と表現される。続いて、表面全体又は表面の個々の区画の全細孔の全入口フィレットの全勾配の平均値を得るために、この方法を他の細孔で連続して行う。
【００１３】
そのために別法として、複数の境界線を用いて作業することも考えられる。そのために初めに、細孔のフィレットの領域を周囲表面から分離する第１の境界線を再び測定する。それに加えてこの別法では、第１の境界線は、定義された第１の高さレベルに延在することに留意する必要がある。続いて内側に、理想的には入口フィレットが細孔自体から分離される領域で、細孔の方向に移動した第２の境界線が形成され、この境界線は、同様に、定義された高さレベルに延在する。次いで、２つの境界線についてその高さが既知の場合、高さの差は、決定できる。次いで、それぞれの細孔の入口フィレットの平均勾配を得るために、この高さの差は、互いに離れた境界線の平均距離で割ることができる。
【００１４】
その際、測定値は、広範囲の表面測定法、特に白色光干渉測定法を介して測定され、続いて、測定に基づく三次元データセットに変換される。次いで、この方法は、例えば、境界線、傾斜、及び勾配を検知するための画像処理方法に対して利用できる。
【００１５】
前述したように、細孔の入口フィレットの２．５μｍ／ｍｍを超える勾配は、表面の摩擦学的特性を明確に向上させることができる。
【００１６】
その際、本発明により熱被覆された構成部品の有利な発展形態に基づき、摩擦が最適化された表面は、機械的に加工されている、好ましくは、切削加工されているようにすることができる。特にホーニングとして実現されるこの切削加工は、その際、熱的被覆が塗布された後に、例えば、シリンダボア表面又はシリンダスリーブが熱溶射によって表面を被覆された後に行われる。次いで、ホーニングによって、表面品質が向上し、表面、例えば、シリンダは、所望の寸法となる。
【００１７】
その際、本概念の更に有利な発展形態に基づき、摩擦が最適化された表面は、最初にダイヤモンドホーニング砥石を用いて、続いてセラミックホーニング砥石を用いてホーニング加工する、多段階ホーニングによって仕上げ加工される。特に、ダイヤモンドホーニング砥石を用いるそのような前加工及びそれに続くセラミックホーニング砥石を用いる後加工は、非常に適切な入口フィレットをもたらし、その結果、入口フィレットの有利な勾配値は、２．５μｍ／ｍｍ超、好ましくは、３μｍ／ｍｍ超に達する。それによって、摩擦が最適化された表面の摩擦学的特性は、特に先行技術に対して更に明白に増加したオイル保持容量によって、更に一段と向上させることができる。
【００１８】
熱被覆された構成部品の更に有利な実施形態は、残りの従属請求項から明らかになり、図面を参照して以下に詳細に記載する実施例から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】細孔の例を伴う表面である。
【図２】細孔のフィレットと細孔の周囲表面との間の境界線を伴う図１に記載の細孔である。
【図３】入口フィレットの視覚化のための、細孔の一部の断面の模式図である。
【図４】本発明による第１の方法用に記入された接線及び測定区画を伴う部分拡大図である。
【図５】本発明による第２の方法の明確化のための２つの境界線を伴う細孔である。
【図６】図５に記載の２つの境界線を伴う細孔の断面の模式図である。
【図７】異なる方法で加工された異なる細孔の勾配値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１の画像には、単なる例として、熱溶射されて摩擦が最適化された表面２の細孔１を示している。図１のここではグレースケールに変換された画像は、白色光干渉測定法に由来し、材料の高さごとに様々な色で、ここでは様々なグレースケールで表示している。図１の画像はまた、測定された表面２の三次元トポグラフィを、細孔１及び細孔１の周囲表面２と共に再現している。次いで、特に画像処理手法を介して、表面２のトポグラフィのこの三次元描写は、更に加工することができる。図２の画像では、図１の画像と類似した細孔１は、図２の画像の左側で再度認識できる。その際、図１の画像とは異なり、境界線３が記入されており、図２の右の画像では更に分離して表示している。第１の境界線と呼んでもよいこの境界線３は、後でもう一度示すように、その際、図１及び図２の画像で対応するグレートーンで認識できるいわゆる入口フィレット４の領域を、細孔１の周囲表面２から分離する。そのために、白色光干渉測定法を用いて、まず、細孔１の周囲表面２の平均高さレベルを決定する。その後、この細孔１に付随する点が検知され、この点は、その平均高さレベルに対して分解能限界の２倍まで下がっていて、周囲表面と境界を接している。次いで、これら点は、表面２に対する細孔１の境界線３を形成する。
【００２１】
図３の図示では、その形成のことを、細孔１の側面の断面模式図で再度表示している。その際、スケールは、ｙ方向ではμｍを、ｘ方向ではｍｍを選択し、それによって変形した図示となっている。しかし、このスケールの選択は、入口フィレットの視覚化のために必要である。細孔１は、５と示した材料、例えば、熱溶射被覆、の表面２における部分的なくぼみとして認識され得る。その際、実線を用いて、実際の細孔１の表面２との接続が認識でき、その接続は、比較的平坦な移行部を、細孔１の縁部６から入口フィレット４の領域に、それと同時に表面２に示す。その際、実線を用いて、細孔縁部６の比較的なだらかな移行部は、入口フィレット４に示されている。図３の図示で４’と示した破線を用いて、４と示した入口フィレットよりも格段に尖っている別の入口フィレット４’が示されている。
【００２２】
入口フィレット４、４’は、どのような結果になったかに応じて構成部品又は被覆５の機能にここでは必ず影響する可能性がある。このことから、この入口フィレット４、４’は、表面２のパラメータとして測定技術的に決定できることが望ましい。図２に表示された画像に基づいて、ここでは適切な画像処理方法を用いて例えば、図４の画像で概略を示したように、境界線３の１つの点で、ただし具体的にはそれぞれの点に対して、Ｔと示した接線を接触させることで、入口フィレット４、４’のいわゆる勾配を検知可能である。この接線Ｔに対して垂直方向に、測定区画Ｍは、定義された長さで形成され、その長さは、境界線３に対して対称的に細孔の方向と同様に周囲の方向でも確定される。ここで例として検討している構造では、測定区画Ｍの全長は６０μｍに達する。その後、境界線３の外側の測定区画Ｍの始点から出発して、細孔１の方向で内部に向かい、平均傾斜は、例えば、線形回帰法を用いて、測定区画Ｍに沿って検知される。ここで境界線３に沿ってこの境界線３の複数の点、特に全ての点で、傾斜のこの決定が一様に実施される場合、次いで、対応する平均値を生成でき、その結果、細孔１の入口フィレット４の平均傾斜を得ることができる。
【００２３】
この平均傾斜は、次いで、入口フィレット４、４’のいわゆる勾配として表現される。したがって、図３に記入した座標ｘ及びｙを用いて、入口フィレット４、４’の測定された深さｙの、入口フィレットを囲む表面２に対する比率によって、表面２に平行な平均長さ部分ｘに関する比率で、又は規格化して（全測定区画Ｍの全投影の平均値に対応して）計算される。それによって以下の式が得られる。
【００２４】
Ａ＝ｙ／ｘ［μｍ／ｍｍ］
【００２５】
その際、勾配Ａの値は、好ましくは、表面２の方向の長さ部分ｘのμｍ／ｍｍで表示される。この値が大きくなればなるほど、細孔縁部６から表面２への移行部は、よりなだらかになる。対応するなだらかな移行部は、図３の縮尺が変更された図示で４と示した入口フィレットに対応している。勾配値がより小さくなる場合は、次いで、細孔縁部６に対する移行部は、なだらかさがより減少し、例えば、図３の図示で４’と示した移行部に対応するであろう。
【００２６】
そのようにして得られた勾配Ａ、例えば、細孔１の勾配Ａ、又は、表面部分若しくは表面全体２の全細孔１に対する平均勾配Ａ、に関する値に基づき、入口フィレット４、４’の形状は、非常に容易に対応させて比較でき、これは、表面２の機能指向の測定を容易にし、μｍ／ｍｍでの平均勾配Ａによって数字で表現され測定された入口フィレットを手かがりとして、表面２の良好な比較可能性を、例えば、様々な工具を用いて加工及び／又は様々な被覆５の後で、互いに可能にする。
【００２７】
測定区画Ｍの境界をより容易に生じさせるために、境界線３に加えて、細孔１の入口フィレット４、４’の領域を細孔１自体から分離する細孔境界線７を設定することができる。次いで、この細孔境界線７は、接線Ｔに対して垂直方向の測定区画Ｍの内側の境界を形成する。明確化のために、そのような細孔境界線７は、図５の画像に記入してある。
【００２８】
細孔境界線７は、この場合のように、第１の境界線３と同様に、ある高さレベルに走っている場合、入口フィレット４、４’の傾斜を測定するための別法にもまた利用可能である。この場合、細孔境界線７は、第２の境界線７を形成する一方で、境界線３が第１の境界線３を形成する。この場合、２つの境界線３、７は、それ自体の（平均）高さレベル上に表面２に対する比率で走っていることに、十分に留意すべきである。次いで、それは、図６の断面図に例として示した経過となり、その図示で３と示した第１の境界線は、表面２の高さにある一方で、高さのある一部分Δｙだけ下に、第２の境界線７は、示されている。ここで２つの境界線３、７の平均距離Δｘを細孔１の全周にわたって決定し、同時に２つの境界線３、７の間の高さの差Δｙを決定する場合、次いで、それらの値から同様に、傾斜又は勾配Ａ＝ｙ／ｘが計算できる。
【００２９】
この方法は、上述の方法に対する別法として使用することができ、画像処理に応じて、場合により前述した方法よりも迅速であり得、それに対応してより少ない演算能力しか必要としない。一方、表面２の機能指向の評価を実施するために、適切な方法がそれぞれの細孔について実行できること、及び、全表面２又は表面２の部分に対応して、それぞれの細孔１のフィレットは、個々に又は平均値として利用可能であることもまた、ここでは重要である。もちろんその際、２つの境界線３、７の代わりに３つ以上の境界線を使用すること、及び／又は、細孔１のいくつかは、記載した第１の方法によって、そして別の細孔１は、記載した第２の方法によって、細孔の入口フィレット４、４’の勾配Ａに関して評価することもまた可能である。
【００３０】
勾配Ａは、ここでは特に、摩擦が最適化された表面２の摩擦学的特性を評価するために利用できる。図７のグラフには、異なる製造方法で加工された個々の細孔１の平均勾配Ａを提示した。その際、細孔１は、自動車の内燃エンジン用のシリンダスリーブ又はシリンダハウジングに塗布された熱被覆５に存在する。細孔１をダイヤモンドホーニング工具を用いる従来の手法でホーニングした後で、上述の方法によって細孔１の平均勾配Ａが決定される。ダイヤモンドホーニング工具を用いてホーニングされた表面２のこの平均勾配Ａは、図７のグラフの一番右にある。その表面は、勾配が−１〜＋１．５の値を有する。この値は、入口フィレット４の領域の細孔縁部６のかなり尖った移行部に有利であることによって、比較的小さい。すなわち、表面２のダイヤモンド加工だけのこの細孔１でのフィレットは、図３の図示に記載の入口フィレット４’に対応したであろう。その際、負の測定値は、このとき細孔１のうち１つの領域に材料が蓄積した状態になったことに関係があり、その結果、負の勾配が生じた。
【００３１】
図７のグラフの左に、表面２に、ダイヤモンドホーニング工具を用いて加工され、セラミック砥石を有する工具を用いて続けて後加工された後に実現された、５つの細孔の測定値がある。勾配値は、全て大きく２．５μｍ／ｍｍを超え、特に３．５μｍ／ｍｍを超え、またほとんどの場合に４すら超えている。入口フィレット４の細孔縁部６の適切になだらかな移行部に有利な、このような大きな勾配値は、例えば、図３の図示に入口フィレット４として示されたように形成される。細孔１のこのような実施形態は、次いで、適切な高いオイル保持容量を可能にし、その結果、摩擦が最適化された表面２の最良の摩擦学的特性が達成可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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