(57)【要約】  基板、ベースコーティング、および比較的薄いスライドコーティングを備える、ピストンリングなどの摺動要素が提供される。ベースコーティングは、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ガルバニック蒸着、電着、または溶射プロセスによって基板の滑走面に塗布されるのが典型的である。スライドコーティングは、ポリマーマトリックス、およびこのマトリックスの全体にわたって配置された硬質粒子を含む。ベースコーティングが依然として塗布されたままの状態であってその表面粗さが少なくとも４．０μｍであるときに、スライドコーティングはベースコーティングに塗布される。摺動要素の使用中、薄いスライドコーティングは犠牲ランイン層として機能する。加えて、スライドコーティングのポリマーマトリックスが摩耗すると、硬質粒子は、ベースコーティングの粗い表面を研磨する。したがって、摺動要素の使用に先立って、塗布されたままの状態のベースコーティングの研磨またはラップ仕上げが不要になる。
2018513278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に塗布され、厚さおよび少なくとも４．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）を有するベースコーティングと、
前記ベースコーティングに塗布され、少なくとも１種類のポリマーによって形成されたマトリックスを含み、前記マトリックスに配置された硬質粒子を含み、前記ベースコーティングの前記厚さの２％〜６０％の厚さを有するスライドコーティングと、を備え、前記硬質粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属のうちの少なくとも１つから形成される、摺動要素。
【請求項２】
前記ベースコーティングは、５．０μｍ〜８．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）および０．６μｍ〜０．８μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１に記載の摺動要素。
【請求項３】
前記ベースコーティングは、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、酸窒化クロム（ＣｒＯＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＮ）、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のうちの少なくとも１つから選択される組成を有する、請求項１に記載の摺動要素。
【請求項４】
前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、かつ、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも４０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、前記硬質粒子は前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜２０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜１５．０ｖｏｌ．％の量のＦｅ２Ｏ３を含む、請求項１に記載の摺動要素。
【請求項５】
前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して３．０〜５．０ｖｏｌ．％の量の、Ｆｅ２Ｏ３と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、前記硬質粒子は、少なくとも６００ＨＶ／０．５の硬度および０．０１〜５．０μｍの粒径を有し、
前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して５．０〜３０．０ｖｏｌ．％の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、ＭｏＳ２、グラファイト、ＷＳ２、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、ＰＴＦＥ、および金属硫化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の摺動要素。
【請求項６】
前記摺動要素はピストンリングであり、前記摺動要素は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、前記ベースコーティングは前記滑走面に塗布される、請求項１に記載の摺動要素。
【請求項７】
前記ベースコーティングは前記側面のうちの少なくとも１つに塗布される、請求項５に記載の摺動要素。
【請求項８】
前記基板は鉄系材料で形成されたピストンリングであり、前記基板は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、
前記ベースコーティングは、前記滑走面と前記側面の対のうちの少なくとも１つとに塗布され、
前記ベースコーティングは、５．０μｍ〜８．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）および０．６μｍ〜０．８μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有し、
前記ベースコーティングは、塗布されたままの状態であり、研磨またはラップ仕上げが施されず、
前記ベースコーティングは３００μｍ以下の厚さを有し、
前記ベースコーティングは、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、酸窒化クロム（ＣｒＯＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＮ）、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のうちの少なくとも１つから選択される組成を有し、
前記ベースコーティングは、物理蒸着、化学蒸着、ガルバニック蒸着、電着、電気化学蒸着、および溶射プロセスからなる群から選択されるプロセスによって塗布され、
前記スライドコーティングは、前記ベースコーティングの前記厚さの１０％〜５０％の厚さを有し、
前記スライドコーティングは、５０μｍ以下の厚さを有し、
前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも４０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、
前記硬質粒子は前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜２０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜１５．０ｖｏｌ．％の量のＦｅ２Ｏ３、および、３．０〜５．０ｖｏｌ．％の量の、Ｆｅ２Ｏ３と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、
前記硬質粒子は、少なくとも６００ＨＶ／０．５の硬度および０．０１〜５．０μｍの粒径を有し、
前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して５．０〜３０．０ｖｏｌ．％の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、ＭｏＳ２、グラファイト、ＷＳ２、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、ＰＴＦＥ、および金属硫化物のうちの少なくとも１つを含み、
前記摺動要素が内燃機関で使用される場合、前記スライドコーティングは前記内燃機関の全寿命の１％未満の間だけ前記摺動要素上にとどまり、前記ベースコーティングは前記内燃機関の全寿命にわたって前記摺動要素上にとどまる、請求項１に記載の摺動要素。
【請求項９】
摺動要素を形成する方法であって、
厚さおよび少なくとも４．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）を有するベースコーティングを基板に塗布するステップと、
スライドコーティングを前記ベースコーティングに塗布するステップとを含み、前記スライドコーティングは少なくとも１種類のポリマーによって形成されたマトリックスを含み、前記スライドコーティングは前記マトリックスに配置された硬質粒子を含み、前記硬質粒子は窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属のうちの少なくとも１つから形成され、前記スライドコーティングは前記ベースコーティングの前記厚さの２％〜６０％の厚さを有する、方法。
【請求項１０】
前記ベースコーティングは、５．０μｍ〜８．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）および０．６μｍ〜０．８μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングが塗布されたままの状態であって少なくとも４．０μｍの表面粗さを有するときに、前記スライドコーティングを前記ベースコーティングに塗布することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ベースコーティングを前記基板に塗布するステップは、物理蒸着、化学蒸着、ガルバニック蒸着、電着、電気化学蒸着、および溶射プロセスからなる群から選択されるプロセスを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記ベースコーティングは、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、酸窒化クロム（ＣｒＯＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＮ）、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のうちの少なくとも１つから選択される組成を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ベースコーティングの前記組成は、クロム、クロムおよび酸化アルミニウム、またはクロムおよびダイヤモンドから構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは、ガルバニック蒸着を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ベースコーティングの前記組成はクロムおよび窒素から構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは物理蒸着を含む、請求項１３に記載の方法。 
【請求項１６】
前記ベースコーティングの前記組成はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは、物理蒸着、化学蒸着、またはプラズマアシスト化学蒸着（ＰＡ−ＣＶＤ）を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記ベースコーティングの前記組成はクロムおよび窒素から構成され、前記ベースコーティングを塗布するステップは物理蒸着を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも４０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、
前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜２０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜１５．０ｖｏｌ．％の量のＦｅ２Ｏ３、および、３．０〜５．０ｖｏｌ．％の量の、Ｆｅ２Ｏ３と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、前記硬質粒子は、少なくとも６００ＨＶ／０．５の硬度および０．０１〜５．０μｍの粒径を有し、
前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して５．０〜３０．０ｖｏｌ．％の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、ＭｏＳ２、グラファイト、ＷＳ２、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、ＰＴＦＥ、および金属硫化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記摺動要素はピストンリングであり、前記摺動要素は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、前記ベースコーティングは前記滑走面に塗布される、請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板を設けることを含み、前記基板は鉄系材料で形成されたピストンリングであり、前記基板は、中心軸に面しかつ前記中心軸の周りで周方向に延在する内面、前記内面の反対側に面する滑走面、および各々が前記内面および前記滑走面を相互接続する側面の対を呈し、
前記ベースコーティングは、５．０μｍ〜８．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）および０．６μｍ〜０．８μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有し、前記ベースコーティングは、塗布されたままの状態であり、研磨またはラップ仕上げが施されず、前記ベースコーティングは、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、酸窒化クロム（ＣｒＯＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＮ）、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ならびにダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のうちの少なくとも１つから選択される組成を有し、
前記スライドコーティングの前記マトリックスは、ポリアミドイミドから構成され、前記スライドコーティングの全体積に対して少なくとも４０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜２０．０ｖｏｌ．％の量で存在し、前記硬質粒子は、前記スライドコーティングの全体積に対して０．１〜１５．０ｖｏｌ．％の量のＦｅ２Ｏ３、および、３．０〜５．０ｖｏｌ．％の量の、Ｆｅ２Ｏ３と異なる他の粒子を含み、前記他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択され、前記硬質粒子は、少なくとも６００ＨＶ／０．５の硬度および０．０１〜５．０μｍの粒径を有し、前記スライドコーティングは、前記スライドコーティングの全体積に対して５．０〜３０．０ｖｏｌ．％の量の固体潤滑剤を含み、前記固体潤滑剤は、ＭｏＳ２、グラファイト、ＷＳ２、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、ＰＴＦＥ、および金属硫化物のうちの少なくとも１つを含み、
前記ベースコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングを前記滑走面と前記側面のうちの少なくとも１つとに塗布することを含み、
前記ベースコーティングを前記基板に塗布するステップは、物理蒸着、化学蒸着、ガルバニック蒸着、電着、電気化学蒸着、および溶射プロセスからなる群から選択されるプロセスを含み、
前記ベースコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングが３００μｍ以下の厚さを有するまで前記ベースコーティングを前記基板の前記表面に塗布することを含み、
前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記ベースコーティングが塗布されたままの状態であって少なくとも４．０μｍの表面粗さを有するときに、前記スライドコーティングを前記ベースコーティングに塗布することを含み、
前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記スライドコーティングが５０μｍ以下の厚さを有するまで前記スライドコーティングを塗布することを含み、
前記スライドコーティングを塗布するステップは、前記スライドコーティングを前記ベースコーティングの前記厚さの１０％〜５０％の厚さになるように塗布することを含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本願は、２０１５年４月２２日に出願された米国実用出願連続番号第１４／６９３，１９４号の利益を主張し、ここにその全体が引用により援用される。
【０００２】
発明の背景
１．技術分野
本発明は、ピストンリングなどの被覆された摺動要素、および該被覆された摺動要素を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
エンジン用途における摺動要素は、摺動特性を最適化するように改変された表面を有する多層材料から構成されることが典型的である。たとえば、摺動要素は鉛、すず、またはアルミニウム系の金属層を含むこともあり、これらの金属層は、ガルバニックプロセス、蒸着、またはイオンプレーティングによって塗布される。また、特定の特性、負荷容量、および耐摩耗性を得るために改変された人工樹脂ベースを有するような非金属摺動層も知られている。
【０００４】
公知の被覆によって高い負荷容量がもたらされるが、負荷容量の限界を超えた場合、摺動機能が故障することがある。これに関連して基板材料が露出すると、摺動要素の全体的な故障につながる焼付きを引き起こすことがある。
【０００５】
また、樹脂系スライドコーティングは、機械的構成において摩擦を減少するために長年使用されてきた。金属、プラスチック、およびゴム部品が通常被覆されるが、これらの部品は、さらに潤滑を必要とすることなく、容易に移動可能でなければならない。典型的な用途では、負荷はやや低く、温度や媒体などの境界条件は臨界状態ではない。さまざまな文献、特にＥＰ０９８４１８２Ａ１から、エンジン用途、たとえば、クランク軸受がそのような摺動要素を用いて可能になることも知られている。この文献では、摩耗を減らすために、特に、Ｆｅ３Ｏ４を添加可能な、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、エポキシ樹脂、またはフェノール樹脂のマトリックスによる覆いについて記載されている。
【０００６】
ＤＥ１９６１４１０５Ａ１は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または熱可塑性フッ素重合体、Ｆｅ２Ｏ３、および固体潤滑剤からなるマトリックス材料で構成される、耐摩耗、耐キャビテーションプラスチック摺動層を開示している。この材料は、軸受用に、たとえば緩衝器のガイド要素として使用され、その構造および柔軟なフッ素重合体マトリックスによって、摺動速度が遅くて負荷が低い場合にのみ好適である。
【０００７】
ＥＰ１７７５４８７Ａ２は、金属キャリア材料と、この金属キャリア材料に塗布されるアルミニウム合金およびプラスチック摺動層とを有する滑り軸受けを開示している。プラスチック摺動層の接合強度およびキャビテーション抵抗を改善するために、ＰＩ、ＰＡＩ、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、エンジニアリング（ＥＰ）、機能性ポリマー（ＦＰ）、ならびにＭｏＳ２、グラファイト、ＰＴＦＥ、およびＢＮなどの固体潤滑剤からなるボンディング材を有する材料が示唆されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
本発明は、耐摩耗性が改良された、高ピーク負荷容量を有する摺動要素を提供する。摺動要素は、たとえば内燃機関内の移動要素上で高温及び高摺動速度で使用可能である。摺動要素は、基板、基板に塗布されたベースコーティング、およびベースコーティングに塗布されたスライドコーティングを備える。ベースコーティングは、厚みを有し、少なくとも４．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）を有する。スライドコーティングは、少なくとも１種類のポリマーで形成されたマトリックスを含む。また、スライドコーティングはマトリックスに配置された硬質粒子を含み、硬質粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属のうちの少なくとも１つから形成される。スライドコーティングは、ベースコーティングの厚さの２％〜６０％の厚さを有する。
【０００９】
本発明の他の態様は、摺動要素を製造する方法を提供する。この方法は、ベースコーティングを基板に塗布することと、スライドコーディングをベースコーティングに塗布することとを含む。
【００１０】
摺動要素の使用中、スライドコーティングは他の構成要素に沿って摺動する際に、犠牲ランイン層として作用する。加えて、スライドコーティングのポリマーマトリックスが摩耗すると、硬質粒子はベースコーティングの表面を研磨する、または、その表面粗さを減少させる。これによって、摺動要素の使用に先立って、塗布したままの状態のベースコーティングの研磨またはラップ仕上げが不要になる。
【００１１】
本発明の他の利点は、添付の図面に関連付けて以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に認識され、かつ、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の一例に係る、被覆されたピストンリングの斜視図である。
【図２】図１の線２−２に沿った、被覆されたピストンリングの断面図である。
【図３Ａ】実施形態のある例に係る、被覆されたピストンリングの光学顕微鏡画像を示す図である。
【図３Ｂ】実施形態のある例に係る、被覆されたピストンリングの光学顕微鏡画像を示す図である。
【図４Ａ】実施形態のある例に係る、被覆されたピストンリングの光学顕微鏡画像を示す図である。
【図４Ｂ】実施形態のある例に係る、被覆されたピストンリングの光学顕微鏡画像を示す図である。
【図５】本発明の摺動要素の例の摩擦係数を比較例の摺動要素の摩擦係数と比較する実験の結果を示すグラフである。
【図６Ａ】実験後の本発明の摺動要素の例に沿った摩耗痕のＳＥＭ画像を示す図である。
【図６Ｂ】実験後の本発明の摺動要素の例に沿った摩耗痕のＳＥＭ画像を示す図である。
【図６Ｃ】実験後の本発明の摺動要素の例に沿った摩耗痕のＳＥＭ画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施可能な実施形態の説明
本発明の一態様は、基板２２、ベースコーティング２４、およびベースコーティング２４に塗布されたスライドコーティング２６を備える摺動要素２０を提供する。摺動要素２０は内燃機関用途、好ましくは、高ピーク負荷の流体潤滑用途で使用されるのが典型的である。たとえば、摺動要素２０は、クランクシャフト、ピストンスカート、またはピストンリングの軸受として使用可能である。図１および図２は、摺動要素２０がピストンリングを含む例示的な実施形態を示す。
【００１４】
摺動要素２０の基板２２は、金属で形成されていることが典型的であるが、非金属で形成されていてもよい。例示的な実施形態では、基板２２は、鋳鉄または鋳鋼などの金属系材料で形成されている。また、基板２２は、ベースコーティング２４およびスライドコーティング２６が塗布される、少なくとも１つの滑走面２８を呈する。図１および図２の例示的な実施形態では、基板２２は、中心軸Ａ面しておりかつ中心軸Ａの周りで周方向に延在する内面３０を呈するピストンリングである。滑走面２８は内面３０と反対側に面し、側面３２の対は、内面３０と滑走面２８とを相互接続する。図１および図２に示すように、側面３２は互いに平行に延在し得る。代替的に、側面３２はキーストーン構成（図示せず）をもたらす角度で配置可能である。加えて、図１および図２に示すように、滑走面２８および内面３０は互いに平行であり得る。代替的に、滑走面２８および／または内面３０は、傾斜していても、凸状でも、または凹状でもよい。
【００１５】
ベースコーティング２４は基板２２の少なくとも滑走面２８に塗布されるが、他の表面のうちの１つ以上に塗布してもよい。例示的な実施形態では、ベースコーティング２４は、基板２２の滑走面２８および側面３２の双方に塗布される。
【００１６】
ベースコーティング２４は、摺動要素２０の使用中に基板２２をスカッフィングおよび摩耗から保護可能な材料で形成されている。ベースコーティング２４の組成は、金属もしくはセラミックなどの非金属、または金属と非金属との混合物を含み得る。たとえば、ベースコーティング２４の組成は、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、酸窒化クロム（ＣｒＯＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＮ）、クロムおよび酸化アルミニウム、クロムおよびセラミック、クロムおよびダイヤモンド、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ならびにこれらの多層のうちの１つ以上から選択可能である。
【００１７】
さまざまな異なるプロセスを使用して、ベースコーティング２４を基板２２に塗布可能である。たとえば、ベースコーティング２４は、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、ガルバニック蒸着、電着、電気化学蒸着、および溶射などの熱プロセスからなる群から選択されるプロセスによって、塗布可能である。物理蒸着プロセスの例としては、プラズマアシスト物理蒸着（ＰＡ−ＰＶＤ）、陰極アーク蒸着、スパッタリング、および電子ビーム蒸着が挙げられる。化学蒸着プロセスは、プラズマアシスト化学蒸着（ＰＡ−ＣＶＤ）を含み得る。
【００１８】
一つの例示的な実施形態では、ベースコーティング２４は、クロムから構成されており、ガルバニック蒸着によって塗布される。他の実施形態では、ベースコーティング２４はクロムおよび酸化アルミニウム、たとえば、クロムセラミックコーティング（ＣＫＳ（登録商標））と呼ばれる材料から構成され、ガルバニック蒸着または電気化学蒸着によって塗布される。さらに他の実施形態では、ベースコーティング２４は、小亀裂網状組織に埋め込まれたクロムおよびダイヤモンド粒子、たとえばＧＯＥＴＺＥダイヤモンドコーティング（ＧＤＣ（登録商標））と呼ばれる材料から構成され、ガルバニック蒸着または電気化学蒸着によって塗布される。他の実施形態では、ベースコーティング２４は全体的にクロムによって構成され、ガルバニック蒸着によって塗布される。さらに他の実施形態では、ベースコーティング２４は、クロムおよび窒素によって構成され、物理蒸着によって塗布される。さらに他の実施形態では、ベースコーティング２４は、ダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）によって構成され、物理蒸着、化学蒸着、またはプラズマアシスト化学蒸着（ＰＡ−ＣＶＤ）によって塗布される。
【００１９】
ベースコーティング２４を基板２２に塗布するために使用されるプロセスによって、ベースコーティング２４には、その塗布されたままの状態で少なくとも４．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）が残る。例示的な実施形態では、ベースコーティング２４は、５．０μｍ〜８．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）、および０．６μｍ〜０．８μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する。また、ベースコーティング２４は、５０μｍ以下の厚さｔ１になるよう塗布されることが典型的である。しかしながら、ガルバニックコーティングの場合、厚さは３００μｍまで可能である。ベースコーティング２４には、研磨、ラップ仕上げ、または、表面粗さをスライドコーティング２６の塗布に先立って減少させる他のいかなるプロセスも施されることはない。スライドコーティング２６が塗布されるとき、ベースコーティング２４は塗布された状態のままである。
【００２０】
スライドコーティング２６は、ベースコーティング２４が依然として塗布されたままの状態であるため少なくとも４．０μｍの表面粗さ（Ｒｚ）を有しているときに、ベースコーティング２４上に直接配置される。スライドコーティング２６は、さまざまな異なる方法で塗布可能である。たとえば、スライドコーティング２６は、液体または粉末材料として、化学的または物理的なプロセスによって塗布可能であり、かつ、連続した薄い層状に形成可能である。一実施形態では、スライドコーティング２６をベースコーティング２４に塗布するプロセスには、溶剤の蒸着または紫外線照射による硬化が含まれる。基板２２がピストンリングである例示的な実施形態では、スライドコーティング２６は、５０μｍ以下、より典型的には、２０μｍ未満の厚さｔ２になるように塗布されることが好ましい。
【００２１】
スライドコーティング２６の厚さは、ベースコーティング２４の厚さよりも小さい。例示的な実施形態では、スライドコーティング２６の厚さは、ベースコーティング２４の厚さのわずか２％〜６０％である。より典型的には、スライドコーティング２６の厚さは、ベースコーティング２４の厚さの１０％〜５０％、または、ベースコーティング２４の厚さの２５％〜４５％である。たとえば、スライドコーティング２６は、５μｍ〜２５μｍの範囲の厚さを有し得、ベースコーティング２４は２０μｍ〜６０μｍの範囲の厚さを有し得る。しかしながら、各コーティング２４、２６の厚さ、したがって厚さ比は、摺動要素２０の特定の用途またはその他の要因に応じて調節可能である。図３Ａおよび図３Ｂは、２つの異なる倍率の、摺動要素２０のベースコーティング２４、具体的には、ピストンリングの滑走面２８に塗布されたスライドコーティング２６の光学顕微鏡画像を示す図であり、スライドコーティング２６の厚さは、ベースコーティング２４の厚さの約４１％である。この例では、スライドコーティング２６は１３μｍの厚さを有し、ベースコーティング２４は３２μｍの厚さを有する。図４Ａおよび図４Ｂは、２つの異なる倍率の、ベースコーティング２４が設けられていない摺動要素２０、具体的にはピストンリングの側面３２に塗布されたスライドコーティング２６の光学顕微鏡画像を示す図であり、スライドコーティング２６の厚さは約９μｍである。
【００２２】
スライドコーティング２６は、基板２２の、ベースコーティング２４と同じ表面に塗布されることが典型的である。しかしながら、スライドコーティング２６は、ベースコーティング２４を含まない基板２２の他の表面に塗布することも可能であり、または、ベースコーティング２４を含むだけの基板２２の表面でもあり得る。基板２２がピストンリングである例示的な実施形態では、ベースコーティング２４およびスライドコーティング２６は、双方とも滑走面２８および側面３２に塗布されている。
【００２３】
スライドコーティング２６は少なくとも１種類のポリマーで形成されたマトリックスを有する。さまざまな種類の樹脂およびプラスチックを使用して、架橋性接着剤、熱可塑性物質、およびデュプロプラスチックを含むポリマーマトリックスを形成可能である。たとえば、ポリマーマトリックスは、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、エポキシ樹脂、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン、ポリアクリレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のうちの少なくとも１つを含み得る。２３０℃を超える融点を有する他の高融点熱可塑性材料も使用可能である。例示的な実施形態では、ポリマーマトリックスは、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）から構成され、スライドコーティング２６の全体積に対して少なくとも４０．０ｖｏｌ．％の量で存在する。
【００２４】
また、スライドコーティング２６は、マトリックス全体にわたって配置された硬質粒子を含む。硬質粒子は、スライドコーティング２６の全体積に対して０．１〜２０．０ｖｏｌ．％の量で存在するのが典型的である。好ましくは、硬質粒子は、少なくとも６００ＨＶ／０．５の硬度および０．０１〜５．０μｍの粒径を有する。例示的な実施形態では、硬質粒子は、スライドコーティング２６の全体積に対して０．１〜１５．０ｖｏｌ．％の量のＦｅ２Ｏ３、および、３．０〜５．０ｖｏｌ．％の量の、Ｆｅ２Ｏ３と異なる他の粒子を含む。他の粒子は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および金属からなる群から選択される。他の硬質粒子の例としては、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｂ４Ｃ３、立方晶ＢＮ、ＴｉＯ２、またはＳｉＯ２、ならびに、Ａｇ、Ｐｂ、Ａｕ、ＳｎＢｉおよび／またはＣｕからなる金属粉末が挙げられる。
【００２５】
また、スライドコーティング２６は、スライドコーティング２６の全体積に対して５．０〜３０．０ｖｏｌ．％の量の固体潤滑剤を含むのが典型的である。固体潤滑剤は、ＭｏＳ２、グラファイト、ＷＳ２、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、ＰＴＦＥ、および金属硫化物のうちの少なくとも１つを含む。
【００２６】
本発明の他の態様は、摺動要素２０を形成する方法を提供する。この方法には、ベースコーティング２４を基板２２に塗布することと、スライドコーティング２６をベースコーティング２４に塗布することとが含まれる。ベースコーティング２４を基板２２に塗布するステップには、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、ガルバニック蒸着、着電、電気化学蒸着、および溶射プロセスからなる群から選択されるプロセスが含まれる。また、ベースコーティング２４を塗布するステップには、ベースコーティング２４が３００μｍ以下の厚さ、しかし典型的には５０μｍ以下の厚さを有するまでベースコーティング２４を基板２２の表面に塗布することが含まれる。スライドコーティング２６を塗布するステップには、ベースコーティング２４が塗布されたままの状態であって少なくとも４．０μｍの表面粗さを有する場合に、スライドコーティング２６をベースコーティング２４に塗布することが含まれる。また、スライドコーティング２６を塗布するステップには、スライドコーティング２６が５０μｍ以下の厚さを有するまで、スライドコーティング２６を塗布することが含まれる。
【００２７】
ベースコーティング２４とスライドコーティング２６とを組み合わせることによって、摺動要素２０の性能は改善され、全体的な製造コストおよび時間の減少にもつながる。スライドコーティング２６およびベースコーティング２４がピストンリングの滑走面２８に塗布される例示的な実施形態では、スライドコーティング２６は、犠牲ランイン層として機能し、ベースコーティング２４の耐擦りきず性を改善し得る。スライドコーティング２６がエンジン（図示せず）のシリンダボアにぶつかる、またはそれに沿って摺動すると、スライドコーティング２６のポリマーマトリックスは摩耗し、硬質粒子はベースコーティング２４の表面を研磨する、または、その表面粗さを減少させる。スライドコーティング２６の厚さが薄いこと、およびその組成によって、スライドコーティング２６はベースコーティング２４よりもずっと早く摩耗する。スライドコーティング２６はエンジンの全寿命の１％未満の間だけしか摺動要素２０上に留まらないのに対して、ベースコーティング２４はエンジンの全寿命の間摺動要素２０上に留まることが典型的である。
【００２８】
内燃機関において被覆された摺動要素２０を使用している間、スライドコーティング２６はシリンダボア、または他の同等物に対してこすれ合い、それによって、スライドコーティング２６のポリマーまたは硬質粒子が摩耗し、かつ、露出された硬質粒子がシリンダボアまたは他の同等物に対してこすれ合う。ポリマーが摩耗すると、ベースコーティング２４はシリンダボアおよび同等物に対してこすれ合っている硬質粒子にさらされる。硬質粒子がシリンダボアまたは同等物にこすれる際の硬質粒子とベースコーティング２４との間の摩擦によって、ベースコーティング２４が研磨される。時間が経つにつれ、ベースコーティング２４の表面粗さは、硬質粒子がシリンダボアまたは同等物にこすれることによって、許容レベルまで大幅に低減される。そのため、滑らかなベースコーティング２４は、別の研磨、ラップ仕上げ、または別の態様では内燃機関で摺動要素２０を使用する前にベースコーティング２４の表面粗さを減少させることなく、実現可能である。加えて、スライドコーティング２６が側面３２に塗布される場合、スライドコーティング２４は、ベースコーティング２４および／または基板２２の、ピストン（図示せず）のリング溝に対する摩耗を遅らせることができる。最終的に、滑走面２８の外径（ＯＤ）および側面３２に塗布されると、スライドコーティング２６は、ピストンの上方で作用するガスを含む初期封止機構をもたらし、構成要素の軸受接触が密接になるにしたがって、改善された封止状態を維持するであろう。
【００２９】
実験
本発明の摺動要素２０の摩擦係数を比較例の摺動要素の摩擦係数と比較するために実験が行なわれた。これら２つの摺動要素は、各々がＫＶ４鋳鉄材料から構成されてピストンリング（直径１０７ｍｍ）として設けられた、同一の基板を含んでいた。基板は、内面と、中心軸の周りで周方向に延在する、内面の反対側に面する滑走面とを備えていた。蒸着されたクロムおよび窒素（ＣｒＮ）から構成されるベースコーティング２４を、物理蒸着（ＰＶＤ）によって双方の基板の滑走面に塗布した。その後、ＰＡＩマトリックスおよびＦｅ２Ｏ３の硬質粒子を含むスライドコーティング２６が本発明の摺動要素２０のベースコーティング２４に塗布されたが、比較例の摺動要素には塗布されなかった。
【００３０】
その後、摺動要素にはキャメロンプリント試験プロトコルが施された。摺動要素の被覆された滑走面は、圧縮されたグラファイト鉄（直径１１８ｍｍ）で形成されたシリンダライナに対して延びていた。試験中、摺動要素は、４００Ｎの負荷（ＦＮ）、１９０℃の温度、１０Ｈｚの周波数、ｖ※１３．５ｍｍのストローク、および５Ｗ３０潤滑油にさらされた。摺動要素に、４時間にわたり負荷がかけられた。
【００３１】
図５は、本発明の摺動要素２０の被覆された滑走面によってもたらされた摩擦係数を含む、キャメロンプリント試験の結果を、比較例の摺動要素の被覆された滑走面によってもたらされた摩擦係数と比較して示す図表である。試験結果によると、ベースコーティング２４およびスライドコーティング２６の組合せを含む本発明の摺動要素２０は、試験の全継続期間を通じて低い摩擦係数を実現した。
【００３２】
図６Ａ〜図６Ｃは、キャメロンプリント試験を終えた後の本発明の摺動要素２０の被覆された滑走面に沿った摩耗痕のＳＥＭ画像を示す図である。この試験の間、スライドコーティング２６が摩耗するにつれて、スライドコーティング２６の硬質粒子はシリンダライナに対してこすれ始め、ベースコーティング２４の表面を研磨した。図６Ｃは、キャメロンプリント試験後の、部分的に摩耗したコーティング２４、２６を明瞭に示すために大幅に拡大されている。
【００３３】
上述の教示に鑑みると本発明の多くの修正例および変形例が実現可能であることが明らかであり、添付の特許請求の範囲内であれば、本発明が具体的に記載された以外の態様でも実施され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【国際調査報告】
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