JP2017515979A - 構成部材、構成部材の使用及び耐摩耗性かつ減摩性の構成部材を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの表面（１２）に少なくとも部分的に層系（１４）が設けられている構成部材（１０）を開示する。本発明により、層系（１４）は、構成部材（１０）の少なくとも１つの表面（１２）上に被着される水素フリーの四面体構造の非晶質の第１の炭素層（１６）を有し、第１の炭素層（１６）上には、水素フリーの非晶質の第２の炭素層（１８）が被着されている。

Description

本発明は、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている構成部材に関する。

本発明は、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている構成部材の使用にも関する。

さらに本発明は、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている耐摩耗性かつ減摩性の構成部材を製造する方法に関する。

冒頭に挙げた、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている構成部材は、種々の技術分野において使用されている。そして、トライボロジー特性、例えば耐摩耗性かつ減摩性の機能を、構成部材、例えば高い負荷に曝されるチェーン伝動機構部品、転がり軸受部品、エンジン要素及び工具のためにこれらの特性を保証すべく有している層系も、従来技術において公知である。

摩耗防止を保証することができるように、この種の構成部材、例えばチェーンピンは、現行では、熱化学的な処理、例えばクロマイジングによって、又は熱処理、例えば浸炭窒化によって、かつＣｒＮのＰＶＤ−コーティングによって処理される。このことは、例えば独国特許出願公開第１０２００４０４３５５０号明細書及び独国特許出願公開第１０２００５０４７４４０号明細書に記載されている。しかし、不都合なことに、これらの技術は、一方では、当該構成部材において、負荷が増大したときに、摩耗を確実に防止するには不十分であり、他方では、その摩擦相手にとっても好ましいものではない。

それゆえ、本発明の課題は、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている構成部材が、摩擦に関する負荷から保護されており、しかも、特に確実かつ安定な摩耗防止を保証するように、構成部材を構成することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する構成部材によって解決される。

本発明のさらなる課題は、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている構成部材の使用であって、構成部材が、動作中、摩擦に関する負荷から保護されており、しかも、特に確実かつ安定な摩耗防止を保証するようになっている、構成部材の使用を提示することである。

この課題は、請求項５に記載の特徴を有する構成部材の使用によって解決される。

本発明のさらなる課題は、動作中、負荷が増大したときに、構成部材を確実かつ安定に摩擦に関する負荷から保護する耐摩耗性かつ減摩性の構成部材を製造する、大量生産に適し、プロセス信頼性の高い方法を提示することである。

この課題は、請求項６に記載の特徴を有する、耐摩耗性かつ減摩性の構成部材を製造する方法によって解決される。

本発明に係る構成部材には、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている。

本発明によると、層系は、構成部材の少なくとも１つの表面上に被着される水素フリーの四面体構造の非晶質の第１の炭素層を有し、第１の炭素層上には、水素フリーの非晶質の第２の炭素層が被着されている。

その際、特に第１の炭素層は、極めて硬質のｔａ−Ｃ炭素層であり、第２の炭素層は、摩擦学的に黒鉛に類似した炭素層である。構造的には、第１の炭素層は、ｔａ−Ｃ ｓｐ３−結合炭素層であり、第２の炭素層は、ａ−Ｃ ｓｐ２−結合炭素層である。

好ましくは、層系の総層厚さは、０．５〜５μｍである。これに応じて、存在する構成スペースに関して個別に考慮する必要はない。所与の層厚さで、ｓｐ３あるいはｓｐ２の割合に応じて、トライボロジー特性を極めて広い範囲で調整可能である。

本発明に係る構成部材の第１の実施の形態において、少なくとも構成部材の少なくとも１つの表面上に、第１の炭素層の被着前に、付着層が被着されている。

本発明の別の実施の形態において、両炭素層の特性を必要及び用途に応じて改質することができるように、層系中に少なくとも１種の金属及び／又は少なくとも１種の非金属がドープされている。炭素層への金属のドープにより、これらの層系は、而して例えば高い耐摩耗性、低い摩擦係数及び層相互のより良好な付着を示す。すなわち、金属含有量の変更により、層系の材料特性は、強く影響を受ける。しかし、これらの炭素層に例えばケイ素、酸素等の元素がドープされてもよい。例えばケイ素は、酸素を含む環境内での耐熱性を高める。ケイ素及び酸素のドープは、表面エネルギを（ＰＴＦＥのオーダの値まで）強く引き下げることができる。さらに、透明の、極めて耐スクラッチ性の高い層が製造される。

少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に層系が設けられている耐摩耗性かつ減摩性の構成部材を製造する本発明に係る方法は、以下の工程を特徴とする。第１の工程で、構成部材の少なくとも１つの表面上に、ｔａ−Ｃ ｓｐ３−結合炭素層である水素フリーの四面体構造の非晶質の第１の炭素層を析出する。続いての工程で、第１の炭素層上に、ａ−Ｃ ｓｐ２−結合炭素層である水素フリーの非晶質の第２の炭素層を析出する。

本発明に係る方法の第１の実施の形態において、第１の炭素層の析出前に、付着層を少なくとも構成部材の少なくとも１つの表面上に被着してもよい。

さらに本発明に係る方法の別の実施の形態において、層系を用途毎に適合させるべく（コーティングの硬さ及びトライボロジー特性の変更）、層系中に少なくとも１種の金属及び／又は少なくとも１種の非金属をドープしてもよい。

ｓｐ３あるいはｓｐ２−結合炭素層からなる前述の層系は、優れたトライボロジー特性を必然的に伴う。加えて、この層系は、構成部材のための確実かつ安定な摩耗防止を保証する。これにより、本発明は、高い負荷に曝される機械要素にも使用可能である。このような機械要素としては、例えばチェーンピン、さらには転がり軸受部品、そして、高い負荷に曝されるエンジン部品、例えばバケットタペット、ポンプタペット、ロッカアーム、ディーゼル噴射ポンプの制御プランジャ等がある。本発明のさらなる利点は、付加的に、本明細書において説明する両炭素層が、設備工学的観点（例えばインライン設備）及びプロセス工学的観点から、層系の実現を相応に容易かつ経済的に実現し、その結果、本発明により、耐摩耗性かつ減摩性の構成部材の、大量生産に好適であって、プロセス信頼性の高い製造が提供されることにある。

以下、本発明の実施例及びその利点について、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。幾つかの形状は、簡略化し、また、ある形状は、判り易くするために、他の要素と比較して拡大して図示しているため、図中の大きさの関係は、実際の大きさの関係とは必ずしも一致していない。

表面に少なくとも部分的に層系が設けられている本発明に係る構成部材の側面図である。 図１に示した層系の側面図である。 本発明のために引き合いに出し得る層系の機械−技術的特性を示すグラフである。 ボールオンディスク型摩擦摩耗試験機における、層系に関して本発明のために引き合いに出し得る様々な炭素層の摩擦係数を示すグラフである。 ボールオンディスク型摩擦摩耗試験機における、層系に関して本発明のための引き合いに出し得る様々な炭素層の摩耗率を示すグラフである。

本発明の同一又は機能同一の要素には、同一の符号を使用した。さらに、見易さの理由から、個々の図には、それぞれの図の説明に必要な符号だけ記入した。説明する実施の形態は、本発明に係る構成部材、構成部材の本発明に係る使用及び耐摩耗性かつ減摩性の構成部材を製造する本発明に係る方法を如何なる構成とし得るかを示す例にすぎず、発明の最終的な限定をなすものではない。

図１は、本発明に係る構成部材１０の側面図である。構成部材１０の表面１２には、少なくとも部分的に層系１４が設けられている。本発明により、層系１４は、構成部材１０の表面１２上に被着される水素フリーの四面体構造の非晶質の第１の炭素層１６を有し、第１の炭素層１６上には、水素フリーの非晶質の第２の炭素層１８が被着されている。両炭素層１６，１８により形成される層系１４は、好ましくは、０．５〜５μｍの総層厚さＤを有している。

図１に示した実施の形態では、第１の炭素層１６の被着前に、付着層２０が構成部材１０の表面１２上に被着されているので、より良好な付着が保証されている。

図２は、第１の（ｔａ−Ｃ ｓｐ３−結合）炭素層１６と第２の（ａ−Ｃ ｓｐ２−結合）炭素層１８とからなる層系１４の側面図であり、第１の炭素層１６の被着前に、付着層２０が、図１に示した構成部材１０の表面１２上に被着される。

図３は、本発明のために引き合いに出し得る層系１４の密着性及び硬さに関する機械−技術的特性を示すグラフである。例えば第１の炭素層１６（これについては図１参照）には、層系１４の特性を必要及び用途に応じて改質することができるように、少なくとも１種の金属、例えば銅（Ｃｕ）及び／又は少なくとも１種の非金属、例えばケイ素（Ｓｉ）がドープされてもよい。

図４は、ボールオンディスク型摩擦摩耗試験機（Ｋｕｇｅｌ−Ｓｃｈｅｉｂｅ−Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ）における、図１及び２に示した層系１４に関して本発明のために引き合いに出し得る様々な炭素層の摩擦係数を示すグラフである。すなわち、本図では、オイル（Ｘ軸）が変更され、オイルの変更によるそれぞれの炭素層の摩擦特性に対する影響を評価することができる。これにより、構成部材１０（これについては図１参照）の用途及び動作中の構成部材１０の負荷に応じて、構成部材１０に関して所望されるトライボロジー特性を充足する１つの層を適切に選択することができる。

図５は、ボールオンディスク型摩擦摩耗試験機における、図１及び２に示した層系１４に関して本発明のために引き合いに出し得る様々な炭素層の摩耗率を示すグラフである。すなわち、本図では、オイル（Ｘ軸）が変更され、オイルの変更によるそれぞれの炭素層の摩耗特性に対する影響を評価することができる。ここでも、構成部材１０（これについては図１参照）の用途及び動作中の構成部材１０の負荷に応じて、構成部材１０に関して所望されるトライボロジー特性を充足する１つの層を適切に選択することができる。

１０ 構成部材
１２ 表面
１４ 層系
１６ 水素フリーの四面体構造の非晶質の第１の炭素層、
ｔａ−Ｃ ｓｐ３−結合炭素層
１８ 水素フリーの非晶質の第２の炭素層；
ａ−Ｃ ｓｐ２−結合炭素層
２０ 付着層
Ｄ 総層厚さ

Claims (8)

1. 少なくとも１つの表面（１２）に少なくとも部分的に層系（１４）が設けられている構成部材（１０）であって、
   前記層系（１４）は、前記構成部材（１０）の前記少なくとも１つの表面（１２）上に被着される水素フリーの四面体構造の非晶質の第１の炭素層（１６）を有し、前記第１の炭素層（１６）上には、水素フリーの非晶質の第２の炭素層（１８）が被着されていることを特徴とする、構成部材（１０）。
2. 前記層系（１４）の総層厚さ（Ｄ）は、０．５〜５μｍである、請求項１又は２に記載の構成部材（１０）。
3. 少なくとも前記構成部材（１０）の前記少なくとも１つの表面（１２）上に、前記第１の炭素層（１６）の被着前に、付着層（２０）が被着されている、請求項１又は２に記載の構成部材（１０）。
4. 前記層系（１４）中に少なくとも１種の金属及び／又は少なくとも１種の非金属がドープされている、請求項１から３に記載の構成部材（１０）。
5. 少なくとも１つの表面（１２）に少なくとも部分的に、請求項１から４までのいずれか１項に記載の層系（１４）が設けられている構成部材（１０）の使用であって、前記構成部材（１０）は、前記層系（１４）の結果として耐摩耗性かつ減摩性に摩擦相手と協働する、構成部材（１０）の使用。
6. 少なくとも１つの表面（１２）に少なくとも部分的に層系（１４）が設けられている耐摩耗性かつ減摩性の構成部材（１０）を製造する方法であって、
   −水素フリーの四面体構造の非晶質の第１の炭素層（１６）を前記構成部材（１０）の前記少なくとも１つの表面（１２）上に析出する工程と、
   −水素フリーの非晶質の第２の炭素層（１８）を前記第１の炭素層（１６）上に析出する工程と、
   を有することを特徴とする方法。
7. 少なくとも前記構成部材（１０）の前記少なくとも１つの表面（１２）上に、前記第１の炭素層（１６）の析出前に、付着層（２０）を被着する、請求項６に記載の方法。
8. 前記層系（１４）中に少なくとも１種の金属及び／又は少なくとも１種の非金属をドープする、請求項６又は７に記載の方法。

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