JP7179727B2 - 摩擦片、そのような摩擦片を含む機械システムおよび実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、潤滑媒体中で高温にさらされる可能性がある摩擦片に関する。本発明はまた、そのような片を含む機械システムに関する。デバイスはまた、そのような片を実装するための方法に関する。

本発明の分野は、薄層でコーティングされた金属摩擦片の分野であり、潤滑媒体中の摩擦を低減することを可能にする。

非限定的な例として、摩擦片は自動車エンジンセグメント、特に燃焼室であることができる。実際には、セグメントは、枯渇する可能性がある潤滑媒体中で、２００℃を超える動作温度にさらされる。

他の非限定的な例によれば、薄膜コーティングは、ピストンピン、ピストンスカート、ピストンの他の任意の部品、または高温動作にさらされる可能性のある他の任意の部品に適用され得る。

工業用途では、２つの摩擦片を分離する潤滑膜を存在させることにより、これら２つの片の間の接触を全くなくすことで、摩耗レベルを低くすることが可能になる。

場合によっては、連続膜を経時的に維持することができず、そのことが２つの片の間の直接的な相互作用を引き起こす。潤滑膜の不連続性は、「混合領域」および「境界領域」における潤滑の主な特徴である。

自動車工業では、部品間の摩擦を減らすためにＤＬＣ（「ダイヤモンドライクカーボン」）薄層コーティングが広く使用されている。実際には、ＤＬＣコーティング部品間の摩擦の低減は、主に混合潤滑領域で動作する。

ＤＬＣコーティングの本質的な特徴は、表面の粗さが経時的に低下し、特に低い値に向かう傾向があることである。したがって、境界領域から混合領域へ、または混合領域から流体力学領域への潤滑の移行は、より低速値にシフトする。

ＤＬＣコーティング表面とは異なり、最初に研磨された鋼表面は経時的にその粗さが増加する。表面で反応することにより、ＺＤＴＰタイプの耐摩耗性添加剤は島を形成し、局所的に粗さが増加する。

潤滑接触の中には、２００℃を超える温度で恒久的に動作し、さらに高温であっても一時的に動作するものがある。これらの接触は潤滑が不十分であり、これはまたそこに広がる高温の説明となる。

そのような動作条件下では、ＤＬＣコーティングの摩耗は比較的速い。確率論的挙動がこの摩耗と共に観察され、これはおそらく潤滑が比較的減少し、制御が不十分であるという事実による。

その場合、ＤＬＣコーティングは研磨による摩耗を示し、コーティング層は酸化と同様の機構に従って消費される。コーティング層の炭素および水素は周囲の酸素と結合して水および二酸化炭素を形成する。潤滑剤の枯渇および摩擦部品間の接触界面での温度上昇は、その消失までＤＬＣコーティングの酸化を加速させる。したがって潤滑の制御が不十分な性質は、高温と相まって、摩耗速度の増加をもたらす。

今日では、２つの手法で上記の問題を解決することができる。

第１の手法は、摩擦の減少を犠牲にして、高温動作条件下で高い強度および不十分な潤滑を有する窒化クロムを含むクロム合金コーティングを使用することである。この手法は、自動車エンジンの燃焼室のような、クロム系の層で通常コーティングされた古い設計の機械システムに対応する。この手法は、コーティングされていない鋼と比較して摩擦損失を低くすることを可能にしないが、それにもかかわらず表面を摩耗および引掻きから保護する。

第２の手法は、ＤＬＣコーティングに関連する潤滑を改善する手法であり、より優れた放熱および酸素に対する保護を可能にする。この手法は、潤滑剤の流速、ひいてはこの潤滑剤の循環を確実にするために使用されるエネルギーを増加させるように潤滑剤を分配するために機械システムの設計を変更することを必要とする。実際には、この第２の手法は、追加の設計コスト、および豊富な潤滑を得るために必要な労力のためにコーティングによりもたらされるエネルギー効率が相殺されるという事実のために実施されない。

本発明の目的は、前述の欠点を修正し、改善された摩擦片を提案することである。

この目的のために、本発明は、金属表面と外側コーティング層とを有する摩擦片に関し、外側コーティング層は、原子比５～１２％の窒素を有する窒素でドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）で構成される。

したがって、本発明は、特に２００℃を超える高い負荷温度に対する耐性を改善しながら、特に混合潤滑領域において、潤滑媒体中でコーティング層がさらされる摩擦を低減することを可能にする。

ＤＬＣコーティングと比較して、本発明のコーティング材料は、良好な熱安定性およびその耐酸化性のために、高温時の摩耗に対してはるかに耐性があり、同時に十分な摩擦低減を提供する。

窒化クロムＣｒＮまたはタングステンカーバイドＷＣ（６重量％のＣｏを含む）のコーティングと比較して、本発明による窒素でドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）タイプのコーティング材料は、十分な耐酸化性を提供しながら摩擦を減らすことを可能にする。

本発明の他の有利な特徴は、別々にまたは組み合わせて、以下に詳述される。

好ましくは、外側コーティング層は、総原子比５～１１％の、コバルト、ニッケルおよび鉄から選択される少なくとも１つの元素を含む。添加元素は純粋であってもよく、コーティング層内で原子比５～１１％を有してもよい。あるいは、コーティング層内で総原子比５～１１％で、より多くの添加元素が混合物を形成してもよい。

好ましい実施形態によれば、コーティング層は：
－原子比４０～４３％の炭素、
－原子比４０～４３％のタングステン、
－原子比５～１２％の窒素、
－総原子比５～１２％の、コバルト、ニッケルおよび鉄から選択される少なくとも１つの元素、
－総原子比０～１０％の他の化合物
を含む。

好ましい実施形態によれば、外側コーティング層は、窒素でドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）から製造され、
－原子比４０～４３％の炭素、
－原子比４０～４３％のタングステン、
－原子比７～９％のコバルト、
－原子比５～１２％の窒素、
－総原子比０～８％の他の化合物
を含む。

実際には、外側コーティング層は、窒素流を導入しながら、タングステンカーバイドＷＣのターゲットを真空スパッタリングすることによって形成される。

コバルト、ニッケルおよび／または鉄はターゲットの元素である。

従来、摩擦片の製造は、コーティングされるべき金属表面をエッチングする工程、特に外側コーティング層を堆積させる前にイオンエッチングする工程を含む。

特定の実施形態によれば、金属表面と外側コーティング層との間の副層の存在を除いて、金属表面は外側コーティング層のみでコーティングされる。

あるいは、金属表面は、外側コーティング層の下に形成された少なくとも１つの副層でコーティングされる。この副層は、例えばクロムまたは窒化クロムで構成される。

本発明はまた、上述のような第１の摩擦片と、第１の摩擦片と潤滑接触するように配置された第２の摩擦片と、摩擦片の間の潤滑接触界面に配置された潤滑剤とを含む機械システムに関する。

特定の実施形態によれば、第２の摩擦片は第１の摩擦片と同様である。言い換えれば、第２の摩擦片は、金属表面と、金属表面上に堆積された外側コーティング層とを含み、第２の摩擦片の外側コーティング層は、原子比５～１２％の窒素を有する窒素でドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）で構成されている。

好ましくは、第１摩擦片の外側コーティング層と第２摩擦片の外側コーティング層とは同じ組成を有する。

あるいは、比較したコーティング層は異なる組成を有し得るが、それでも原子比５～１２％の窒素を有する。

本発明はまた、上述したような摩擦片を実装するための方法に関する。この方法は、以下の工程を含むことを特徴とする：
－摩擦片と潤滑接触する第２の摩擦片を配置する工程；
－摩擦片間の潤滑接触界面に潤滑剤を配置する工程；および
－摩擦部品間の潤滑接触界面が２００℃より高い温度に達するように、摩擦部品を作動させる工程。

本発明は、非限定的な例としてのみ与えられ、添付の図面を参照してなされる以下の説明を読むことによってよりよく理解される。

本発明による機械システムの断面の部分概略図である。 本発明の第２の実施形態による機械システムを示す、図１と同様の図である。 本発明の第３の実施形態による機械システムを示す、図１と同様の図である。 本発明によるコーティング材料を識別するために使用される試験台の概略図である。 本発明によるコーティング材料を識別する異なる工程を示すグラフである。 本発明によるコーティング材料を識別する異なる工程を示すグラフである。 本発明によるコーティング材料を識別する異なる工程を示すグラフである。

図１には、本発明による機械システム１が部分的および概略的に示されている。

機械システム１は、その接触界面２において潤滑剤３によって分離された２つの摩擦片１０および２０を含む。実際には、界面２は２００℃より高い動作温度にさらされる。これらの条件下では、潤滑剤３は枯渇しやすい。

片１０および２０は、並進および／または回転において相対運動を与えられる。単純化の目的で、片１０および２０は、意図する用途に適した、すなわち機械システム１のタイプに適した任意の形状および配置を有し得る。片１０および２０は金属製、好ましくは鋼製である。

片１０は、本体１１、外側表面１２、および表面１２上に堆積された外側コーティング層１４を含む。層１４は上面１５および下面１６を有する。層１４の堆積中、表面１５は金属表面１２に固定される。表面１６は、潤滑接触界面２で片２０に面している。

片２０は、本体２１および外側表面２２を含む。この片は外側コーティング層がない。表面２０は、潤滑接触界面２で片１０に面している。

境界または混合領域では、コーティング層１４の表面１６および片２０の表面２２は、片１０と２０との間の潤滑接触界面２で、ある位置で接触している。したがって、潤滑剤３は、界面２において、表面１６と２２との間に不連続膜を形成する。

潤滑剤３は、想定される用途に応じて、言い換えれば、機械システム１のタイプに応じて選択される。例えば、潤滑剤３は、従来の添加剤を含むＳＡＥ ５Ｗ３０油のような市販の自動車用潤滑剤であることができる。

本発明によれば、コーティング層１４は、窒素でドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）タイプの化合物であり、原子比５～１２％（両端を含む）の窒素を有する。

実際には、そのようなコーティング層１４は、２００℃より高い温度で潤滑媒体内で動作するのによく適合される。したがって、コーティング層１４を含む片１０は、潤滑媒体中で２００℃より高い温度で動作するのに適している。

予想外にも、タングステンカーバイド層への窒素のドーピングは、タングステンカーバイドＷＣがドープされていないかまたは軽度にドープされている（原子比５％未満の窒素）従来の材料と比較して、潤滑媒体中の摩擦の減少をもたらす。

図２および図３には、本発明の他の実施形態による部分的および概略的な機械システム１が示されている。第１の実施形態と同様のシステム１の構成要素は、同じ参照番号を有する。第１の実施形態と比較した相違点のみを以下に詳述する。

図２において、片１０は、本体１１とコーティング層１４との間に形成された副層１８を含む。表面１２は副層１８でコーティングされ、次いでコーティング層１４でコーティングされる。非限定的な例として、副層はクロムまたは窒化クロムから構成されてもよい。窒化クロムは反応性マグネトロンスパッタリングによって堆積することができる。

図３では、片２０は、表面２２上に堆積された外側コーティング層２４を含む。層２４は、内側表面２５と外側表面２６とを有する。表面２５は、層２４の堆積中に金属表面２２に固定される。表面２６は、潤滑接触界面２において片１０に面している。潤滑剤３は、２つの片１０と２０との間の潤滑接触界面において、コーティング層１４と２４との表面１６と２６との間に不連続な膜を形成する。

特定の実施形態によれば、片２０もまた本発明によるものである。言い換えれば、外側コーティング層２４は、５～１２の窒素原子百分率を有する窒素ドープタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）タイプの組成を有する。この特定の場合、片１０および２０の２つの表面１２および２２がコーティングされている場合、層１４および２４は好ましくは同様の組成を有する。

あるいは、片２０は、層１４の組成とは異なる組成を有する外側コーティング層２４を含み得る。

さらに、片２０は、図２を参照して片１０について上記で記載されたように、本体２１とコーティング層２４との間に形成された副層を含み得る。

潤滑および高温の条件に耐えることができるそれらのコーティング材料のための識別方法を以下に詳述する。

この方法は、鋼試料片上にコーティング層を堆積させ、次いで一方では潤滑剤内の摩擦によって、他方では３５０℃の温度に対する耐性によって、異なるコーティングを特徴付けることからなる。

試験したコーティング材料は、窒化クロムＣｒＮ、タングステンカーバイドＷＣ、窒素でドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）、ａ－Ｃ：ＨタイプＤＬＣである。

コーティングを堆積する前に、全ての試験片は同じ準備工程を経る。試験片を脱脂し、最先端の硬質薄膜の真空蒸着に従って、遊星運動で回転するサンプルホルダー上に配置する。次いで真空チャンバのポンピングが行われる。ポンピングは１５０℃への加熱と一緒に行われ、これにより脱着現象を活性化し、真空の質を改善することを可能にする。２時間３０分加熱した後、ペニング真空計を使用して測定された圧力が２×１０^－５ｍｂａｒ未満であることを確実にする。次いで、試料片に－１５０Ｖの電圧を印加しながら、鋼試験片のイオンエッチングが１時間アルゴンプラズマ中で行われる。エッチング後、試験片の不動態化酸化物は消失し、表面は堆積物を受容するのに適する。

窒化クロムの堆積は反応性マグネトロンスパッタリングによって行われる。試験片のイオンエッチングの終了時に、マグネトロンカソードは、その表面を５分間洗浄するために、プレスパッタリングカバーの後ろで５キロワットの電力で励起される。エッチングの終わりに、イオンアシストプラズマを維持し、バイアス電圧を－５０Ｖに下げ、カバーを開けて薄いクロム層が堆積し始めるようにする。この層の堆積中に、プラズマ中のクロム原子によって放出された強度が５２０ｎｍの波長で測定される。この光強度は１００に正規化され、クロムから放出された光が純アルゴン中で放出された強度の５０％の値に減少するまで窒素流が導入される。３時間の堆積にわたって、このようにしてＣｒＮの層が、１０ｍＮの下で２．７μｍの厚さおよび１９００Ｈｖの硬度で得られる。

タングステンカーバイド堆積物は、タングステンカーバイドのターゲットを６質量％のコバルトバインダと共にスパッタリングすることによって形成される。イオンエッチングの最後に、ターゲットをカバーの下で５分間洗浄する。イオンエッチングが完了すると、ＷＣの堆積を開始するためにプラズマイオンアシストがオフにされ、プレスパッタリングカバーが開かれる。３時間の堆積後、１０ｍＮ下で厚さ２．１μｍおよび硬度１９００Ｈｖの層が得られる。

窒素ドープタングステンカーバイド堆積物は、スパッタフラックス内に反応性ガス流を導入することによって製造される。

６０ｓｃｃｍの窒素からの窒素流速に関係なく、コーティング層の組成は安定であり、ＥＤＸ分析は、４０％の炭素、１２％の窒素、８％のコバルトおよび４０％のタングステンを含む組成を示す。これらの条件下で、窒素ドープ堆積物は２９００Ｈｖの硬度を有し、これは反応性ガスを含まないＷＣ堆積物の硬度よりも有意に高い。

堆積物の特徴は以下の表１に要約されている。ＷＣ０からＷＣ４まで記録された堆積物は、窒素飽和まで（ここで使用される堆積条件の特定の場合には６０ｓｃｃｍ）、増加する窒素流で製造される。

最後に、ａ－Ｃ：Ｈ ＤＬＣタイプの堆積は、文献国際公開第２０１２／１５６６４７号パンフレットに記載されているように、ＰＡＣＶＤで調製されたＤＬＣ層の接着を促進するために、その組成を得るように漸進的に炭素で富化されたＷＣ系の副層を堆積するため、ＰＶＤ堆積技術の組み合わせによって行われる。このようにして得られた堆積物は、厚さ０．８μｍのＷ系の層で構成され、その上に２．２μｍのＤＬＣ層が堆積される。総堆積物厚さは３μｍであり、表面硬度は３２００Ｈｖである。

図４～図７は、試験片に対する一連のトライボロジー試験からなる第１の特性試験を示す。

図４は、摩擦計を含む試験台３０の概略図である。一連の試験の目的は、鋼／鋼接触と比較して、潤滑媒体中の摩擦を低減するための特定のコーティング材料の可能性を実証することである。コーティングの効果のみを試験するために、試験が同じ条件下で行われることが確実にされる。特に、全ての試験片は同一の初期粗さを有する。

試験台３０は、鋼製の２つの試験片４１および４２、すなわちシリンダ４１およびディスク４２からなる機械システム４０内の摩擦を特徴付けるために使用される。連続試験は複数のシステム４０、したがっていくつかの試験片４１および４２を実装する。参照システム４０において、試験片４１および４２はコーティングを受けず、これは鋼／鋼接触面を特徴付けることを可能にする。他のシステム４０のそれぞれにおいて、試験片４１および４２は同じコーティング材料を受ける。互いにこすれ合う２つのコーティングされた試験片４１および４２は、図３の構成に対応する。

試験に使用したシリンダ４１は、ころ軸受けの１００Ｃｒ６鋼円筒ころである。シリンダ４１の直径は１０ｍｍである。＜０．０２μｍの算術平均粗さＲａを得るために、シリンダ４１の表面を少なくとも１つの母線上で研磨し、次いでこの母線を試験材料でコーティングする。

試験に使用されたディスク４２は、２５ｍｍの直径および５ｍｍの厚さを有する。各ディスク４２の平らな表面を＜０．０２μｍの平均粗さＲａまで研磨し、次いで試験材料でコーティングする。

試験を実施するために、ディスク４２を、市販の自動車用潤滑剤、この場合は慣用の添加剤を含むタイプ４３ ＳＡＥ ５Ｗ３０の油で満たされたタンク３２に設置する。この油４３は、境界潤滑領域における鋼／鋼接触について０．１２～０．１３のオーダーの摩擦係数を得ることを可能にする。ディスク４２は、油４３に浸された状態でタンク３２内に固定されている。

シリンダ４１は、試験片４１および４２が接触した場合にシリンダ４１とディスク４２の研磨面との自己整合を可能にする可撓性の鋼ブレードによって吊り下げられた支持体３１上に取り付けられている。この自己整合システムは、試験片４１と試験片４２との間の接触の幾何学的形状が摩擦測定値に偏りを引き起こさないように完全に制御されることを確実にする限り、試験を正しく行うために不可欠である。このような試験では、試験片４１および４２を平らな円筒形接触で整列させることが最も困難である。

シリンダ４１の支持体３１は、シリンダ４１のコーティングされた母線とディスク４２のコーティングされた平面との間の潤滑接触に面して配置された圧電センサ３３によって摩擦計の他の部分に接続されている。センサ３３は接線力Ｆｔを測定することを可能にし、そこから摩擦係数が決定される。

シリンダ４１とディスク４２との間の潤滑接触界面は、母線に沿って長さ４ｍｍ、摩擦方向の接触幅３５μｍである。２１Ｎに等しい垂直荷重Ｆｎを適用することにより、２００ＭＰａに等しい接触圧が得られる。試験片４１および４２の配列以外に、接触圧力は摩擦係数を決定する上で不可欠な要素である。

運動学的観点から、コーティング材料の性質に関係なく、シリンダ４１はディスク４２よりも早く摩耗する。したがって、試験後にシリンダ４１が有意な摩耗を示さないことを確実にすることが重要である。実際には、試験後のシリンダ４１の摩耗は、接触面積の拡大による接触圧力の低下をもたらす。それ故、摩擦の減少はもはやコーティング材料のみならず摩耗による接触圧力の低下にも関連する。これを回避するために、１２００グレードのＳｉＣ研磨紙でコーティングされたディスク４２のライト研磨が行われる。この研磨は表面のピークを除去し、それはシリンダ４１の摩耗速度の顕著な減少を引き起こす。試験の終わりに、摩擦トラックの幅が確認される。トラックの幅が４５μｍを超えると試験は不合格になる。示された全ての結果について、摩擦トラックの幅は３５～４５μｍであり、有意な摩耗が生じていないこと、ひいては摩擦がコーティング材料の性質によるものであることを示している。

ディスク４２は、並進機構３４によって往復直線運動で並進移動可能である。この場合、ディスク４２は容器３２内に固定され、容器は玉軸受レール３５上に配置され、ロッド３６によって回転移動可能な偏心要素３７に接続される。偏心要素３７は、簡略化のために図示されていないモータによって回転させられる。この機構３４は、正弦則に従って、容器３２、したがってディスク４２に、１０ｍｍのストロークで往復直線運動を伝達することを可能にする。

油４３は容器３２内で１１０℃に加熱され、次いで機構３４はドラム３２を前後運動で駆動する。偏心要素３７の回転速度３００ｒｐｍで、２１Ｎの垂直荷重Ｆｎで１時間の予備試験を実施する。この予備試験は、表面を研磨し摩擦を安定させるために使用される。

安定した摩擦を得た後、偏心要素３７の回転速度３００、４５０、６００および７５０ｒｐｍで３分間の試験を実施する。これらの試験から、ディスク４２の並進速度に依存する摩擦係数の漸次的変化が抽出される。

図５は、所与のコーティング材料について、試験ベンチ３０に取り付けられた圧電センサ３３を用いて行われた測定値を示すグラフである。

ｘ軸は秒単位の時間Ｔを表す。左の縦軸は接線力Ｆｔをニュートン単位で表す。右側の縦軸は、４２ｍｍ／ｓのディスクの変位速度Ｖを表す。

図５のグラフは、時間Ｔの関数として、ディスク４２の変位速度Ｖを表す正弦曲線Ｖ４２と、センサ３３によって測定された接線力Ｆｔを表す曲線ＦＴ４０とを示す。

図６のグラフは、所与のコーティング材料についての測定値から、ディスク４２の瞬間変位速度Ｖに応じた摩擦係数Ｃｆの漸次的変化を表す曲線Ｃｆｉを示す。

ｘ軸は曲線Ｖ４２から得られる瞬間速度Ｖ（ｍｍ／ｓ単位）を表し、一方でｙ軸は曲線ＦＴ４０から決定される瞬間摩擦係数Ｃｆを表す。

図７は、異なるコーティング材料についての摩擦係数Ｃｆの漸次的変化を示すグラフである。このグラフに示される曲線のそれぞれは、所与のコーティング材料について、図６の曲線Ｃｆに対応する。

ｘ軸は瞬時速度Ｖをｍｍ／ｓ単位で表し、一方でｙ軸は瞬時摩擦係数Ｃｆを表す。

図７のグラフは：
－コーティングされていない試験片４１および４２を用いて得られた結果に対応する参照曲線ｃｆ０（鋼／鋼接触）；
－窒化クロムでコーティングされた試験片４１および４２を用いて得られた曲線Ｃｆ１（ＣｒＮ／ＣｒＮ接触）；
－参照ＷＣ０のドープされていないタングステンカーバイドでコーティングされた試験片４１および４２を用いて得られた曲線Ｃｆ２（ＷＣ／ＷＣ接触）；
－原子比２％の参照ＷＣ１を有する窒素でドープされたＷＣでコーティングされた試験片４１および４２を用いて得られた曲線Ｃｆ３（ＷＣ（Ｎ）／ＷＣ（Ｎ）接触）；
－原子比５％の参照ＷＣ２を有する窒素でドープされたタングステンカーバイドでコーティングされた試験片４１および４２を用いて得られた曲線Ｃｆ４（ＷＣ（Ｎ）／ＷＣ（Ｎ）接触）；
－原子比９％の参照ＷＣ３を有する窒素でドープされたＷＣでコーティングされた試験片４１および４２を用いて得られた曲線Ｃｆ５（ＷＣ（Ｎ）／ＷＣ（Ｎ）接触）；
－原子比１２％の参照ＷＣ４を有する窒素でドープされたＷＣでコーティングされた試験片４１および４２を用いて得られた曲線Ｃｆ６（ＷＣ（Ｎ）／ＷＣ（Ｎ）接触）；
－ａ－Ｃ：ＨタイプのＤＬＣでコーティングされた試験片４１および４２を用いて得られた曲線ＣＦ７（ＤＬＣ／ＤＬＣ接触）
を示す。

摩擦係数Ｃｆの２種類の漸次的変化が図７から区別できる。

第１のグループの材料は、鋼、ＣｒＮ、ドープされていないＷＣおよび軽度にドープされたＷＣ（Ｎ）（原子比５％未満の窒素）を含む。これらの材料は、０．１２より高い摩擦係数Ｃｆを特徴とし、これは滑り速度Ｖが増加すると徐々に減少する。この摩擦レベルは、境界潤滑領域および油４３内に含まれるＺｎＤＴＰ添加剤から形成される表面（トライボフィルム）上に成長する耐摩耗性反応膜の剪断の非常に典型的なものである。ＺｎＤＴＰは、表面上で反応し、ポリリン酸亜鉛のトライボフィルムを形成することによって分解し得る。摩擦面は最初に研磨されているが、境界潤滑領域における摩擦は、島の形で生成されたトライボフィルムの粗さによって引き起こされる。光学顕微鏡を使用して平面およびシリンダを観察すると、これらの島の存在が明らかになり、これらは、その厚さに応じて青および茶色の色を有する。

第２群の材料は、窒素含有量が、参照番号ＷＣ２、ＷＣ３、ＷＣ４に対応する５％の原子比に達するかまたはそれを超える窒素ドープＷＣの層およびタイプａＣ：ＨのＤＬＣを含む。これらの材料は、摺動速度Ｖが増加すると減少する摩擦係数Ｃｆによって特徴付けられる。この挙動は混合潤滑領域の典型である。この領域における摩擦の減少は、試験後に摩擦面が滑らかなままであるという事実によって達成される。摩擦係数が低下する速度は、試験後の試験片の粗さを反映している。ここで試験された全ての材料の中で、ＤＬＣは摩擦の最大の減少を引き起こすものである。試験後の摩擦面を観察したところ、トライボフィルムの明らかな存在は見られなかった。これらのフィルムは、存在しないかまたは従来のトライボフィルムと比較して著しく薄い厚さのいずれかである。より薄い厚さは、それが島の構造および粗さを生じる厚さである限り、最初に研磨された表面上の粗さを制限することにつながる。

ＤＬＣに関しては、ＺｎＤＴＰに関して低い親和性をもたらすのはおそらくその非金属的性質である。タングステンカーバイドに酸素または窒素をドープすると、ＺｎＤＴＰとの親和性が著しく低下するようである。意外なことに、窒素原子比が５％を超えるＷＣＣＯの堆積物内の窒素の添加は、ドープされていないまたは軽度にドープされた層と比較して摩擦の低下をもたらす。

コーティング材料の第２の特性試験は、平らにコーティングされた試験片を用いて行われる。

試験は、試験片を空気中３５０℃で２時間加熱することからなる。材料が無傷のままであることを確実にするために、コーティング層の厚さを加熱の前後で測定する。３５０℃の温度の選択は、数十時間の代わりに数時間の試験期間内で酸化速度を加速し、材料を分類することを可能にする。

以下の表２は、加熱前後の各コーティング層の厚さ測定値を示す。堆積物の厚さはカロテストによって特徴付けられる。

ＤＬＣの他、全てのコーティング層は加熱後（測定精度の範囲内まで）同じ厚さを有し、その酸化は重要ではないことを示している。さらに、これはその視覚的外観が変わらないという事実によって確認される。酸化を検出可能するには温度および持続時間が低すぎる。逆に、ａ－Ｃ：Ｈ ＤＬＣ堆積物全体は酸化により消失した。ＷＣＣタイプの副層のみが適所に残り、それはＤＬＣをつなぐのに役立つ。試料片の目視検査は、酸化後に初期には黒色の表面が金属光沢を帯びている限り、ＤＬＣの酸化および消失を示すのに十分である。

以下の表３は、上記の様々な試験によって決定されたコーティングの特性を示す。特に、それは、５０ｍｍ／ｓと３００ｍｍ／ｓとの摺動速度間の摩擦係数の漸次的変化、ならびに３５０℃の中程度の温度におけるコーティングの耐性を示す。

ＣｒＮ、窒素でドープされていないＷＣ（参照ＷＣ０）、窒素でわずかにドープされたＷＣ（Ｎ）（参照ＷＣ１）のコーティングは、本発明に従わない硬質層である潤滑媒体中の摩擦は、コーティングされていない研磨鋼と比較して摩擦の減少をもたらさない。これらの材料は３５０℃の中程度の温度に耐えることができる。

潤滑媒体中で広く使用されているＤＬＣコーティングもまた本発明に従わない。実際、潤滑媒体中の摩擦の減少は注目に値するが、３５０℃の温度にさらされると酸化コーティングが破壊される。

参照ＷＣ２、ＷＣ３およびＷＣ４の被覆ＷＣ（Ｎ）は本発明によるものである。ドープされていないまたは軽度にドープされたＷＣとは異なり、潤滑媒体では摩擦の有意な減少が観察される。この減少はＤＬＣほど劇的ではないが、これらの材料は３５０℃の温度にさらされることによる劣化を受けないという利点を有する。

当業者であれば、上記の説明で言及した様々な実施形態および変形形態の技術的特徴は、全体としてまたはそのいくつかについて互いに組み合わせることができることを理解する。したがって、摩擦片１０は、コスト、機能性および性能の点で適合され得る。

Claims (10)

1. 金属表面（１２）と外側コーティング層（１４）とを有する摩擦片（１０）であって、前記外側コーティング層（１４）は、窒素でドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）で構成され、前記外側コーティング層（１４）が、
   －原子比４０～４３％の炭素、
   －原子比４０～４３％のタングステン、
   －原子比５～１２％の窒素、
   －原子比５～１２％のコバルト、
   －総原子比０～１０％の他の化合物
   を含むことを特徴とする、摩擦片（１０）。
2. 前記外側コーティング層（１４）が：
   －原子比４０～４３％の炭素、
   －原子比４０～４３％のタングステン、
   －原子比５～１２％の窒素、
   －原子比７～９％のコバルト、
   －総原子比０～８％の他の化合物
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の摩擦片（１０）。
3. 前記金属表面（１２）が前記外側コーティング層（１４）のみでコーティングされていることを特徴とする、請求項１または２に記載の摩擦片（１０）。
4. 前記金属表面（１２）が、前記外側コーティング層（１４）の下に形成された少なくとも１つの副層（１８）でコーティングされていることを特徴とする、請求項１または２に記載の摩擦片（１０）。
5. 前記副層（１８）がクロムまたは窒化クロムで構成されることを特徴とする、請求項４に記載の摩擦片。
6. －請求項１～５のいずれか一項に記載の第１の摩擦片（１０）、
   －前記第１の摩擦片（１０）と潤滑接触するように配置された第２の摩擦片（２０）；
   －前記摩擦片（１０；２０）の間の潤滑接触界面（２）に配置された潤滑剤（３）
   を含む機械システム（１）。
7. 前記第２の摩擦片（２０）が、前記第１の摩擦片（１０）と直接潤滑接触するように配置された金属表面（２２）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の機械システム（１）。
8. 前記第２の摩擦片（２０）が、金属表面（２２）と、前記金属表面（２２）上に堆積された外側コーティング層（２４）とを含むことを特徴とし、前記第２の摩擦片（２０）の前記外側コーティング層（２４）は、原子比５～１２％の窒素を有する窒素ドープされたタングステンカーバイドＷＣ（Ｎ）で構成される、請求項６に記載の機械システム（１）。
9. 前記第１の摩擦片（１０）の前記外側コーティング層（１４）および前記第２の摩擦片（２０）の前記外側コーティング層（２４）が同じ組成を有することを特徴とする、請求項８に記載の機械システム（１）。
10. 請求項１～５のいずれか一項に記載の摩擦片（１０）を実装する方法であって、前記方法が以下の工程：
    －前記摩擦片（１０）と潤滑接触する第２の摩擦片（２０）を配置する工程；
    －前記摩擦片（１０；２０）間の潤滑接触界面（２）に潤滑剤（３）を配置する工程；および
    －前記摩擦片（１０；２０）間の前記潤滑接触界面（２）が２００℃より高い温度に達するように、前記摩擦片（１０；２０）を作動させる工程
    を含む方法。

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