特許 6861217 トライボロジーシステムとこれを有する内燃エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6861217

(24)【登録日】2021年3月31日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】トライボロジーシステムとこれを有する内燃エンジン

(51)【国際特許分類】

   F16J 9/26 20060101AFI20210412BHJP

   F16J 1/01 20060101ALI20210412BHJP

   F16J 10/00 20060101ALI20210412BHJP

   F02F 1/00 20060101ALI20210412BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20210412BHJP

   F02F 5/00 20060101ALI20210412BHJP

   C23C 4/11 20160101ALI20210412BHJP

【ＦＩ】

   F16J9/26 D

   F16J1/01

   F16J10/00 A

   F16J9/26

   F02F1/00 R

   F02F3/10 B

   F02F5/00 G

   C23C4/11

【請求項の数】12

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2018-541606(P2018-541606)

(86)(22)【出願日】2017年2月9日

(65)【公表番号】特表2019-512068(P2019-512068A)

(43)【公表日】2019年5月9日

(86)【国際出願番号】EP2017052887

(87)【国際公開番号】WO2017137500

(87)【国際公開日】20170817

【審査請求日】2019年11月8日

(31)【優先権主張番号】62/294,488

(32)【優先日】2016年2月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517137767

【氏名又は名称】エリコン サーフェイス ソリューションズ アーゲー，プフェフィコーン

【氏名又は名称原語表記】Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＡＧ，Ｐｆａｆｆｉｋｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100195257

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 一志

(72)【発明者】

【氏名】エルンスト、 ペーター

(72)【発明者】

【氏名】ラム、 ユルゲン

(72)【発明者】

【氏名】ザイバート、 フロリアン

(72)【発明者】

【氏名】ビトリッヒ、 ベノ

【審査官】 大谷 謙仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２５２４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２８０３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３２８４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０６０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−００９１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３２５８９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ ９／２６

Ｃ２３Ｃ ４／１１

Ｆ０２Ｆ １／００

Ｆ０２Ｆ ３／１０

Ｆ０２Ｆ ５／００

Ｆ１６Ｊ １／０１

Ｆ１６Ｊ １０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トライボロジーシステム（１；２）であって、
それぞれがピストン（１０２）、ピストンリング（１０３）又はシリンダ（１０１，１０７）を含む内燃エンジン（１００）のコンポーネントを形成する第１本体（１０２；１０５）及び第２本体（１０１；１０７）を含み、
前記第１本体（１０２；１０３）及び第２本体（１０１；１０７）の表面（１１２，１０８，１１３）は、動作中に少なくともいくつかの領域で互いに接触するようになってトライボロジー接触を形成する第１材料エリア及び第２材料エリア（１１，１２）を有し、
前記第１材料エリア及び前記第２材料エリア（１１，１２）の一方が酸化クロムに基づく層として形成され、
前記第１材料エリア及び前記第２材料エリア（１１，１２）の他方が酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される、トライボロジーシステム（１；２）。

【請求項2】

前記第１材料エリア及び第２材料エリア（１１，１２）はそれぞれが、ランニング表面を形成するコンポーネント（１０１，１０７，１０３，１０２）の表面上に配列される、請求項１に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項3】

ピストンリング（１０３）として形成された第１本体における前記第１材料エリア（１１）は、（Ａｌ−ｘＣｒ−ｙ）２Ｏ３の化学組成を有する酸化アルミニウムクロムに基づく層であり、
ここで、０．１≦ｘ≦１かつｙ≦０．５、０．５≦ｘ≦１かつｙ≦０．５、又はｘ＝０．７かつｙ＝０．３である、請求項１又は２に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項4】

シリンダ（１０１，１０７）として形成された第２本体における前記第２材料エリア（１２）は、１０重量％から１００重量％のＣｒ２Ｏ３と、それに対応して９０重量％から０重量％のＡｌ２Ｏ３とを有する層である、請求項１、２又は３のいずれか一項に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項5】

前記第１材料エリア（１１）は、０．１≦Ｒａ≦０．５、０．１５≦Ｒａ≦０．４、Ｒａ＝０．１５又はＲａ＝０．４が当てはまるμｍ単位の表面粗さＲａを有し、
前記第２材料エリアは、０．１≦Ｒａ≦０．５、０．１５≦Ｒａ≦０．４５、Ｒａ＝０．１５又はＲａ＝０．４５が当てはまる表面粗さを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項6】

前記第１材料エリア及び前記第２材料エリア（１１，１２）の一方は熱溶射法により形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項7】

熱溶射法により形成された材料エリア（１１，１２）は１５０μｍから８００μｍの層厚さを有する、請求項６に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項8】

前記第１材料エリア及び前記第２材料エリア（１１，１２）の一方は、陰極スパーク蒸発を含むＰＶＤ法により形成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項9】

ＰＶＤ法により形成された材料エリアは１０μｍから３０μｍの層厚さを有する、請求項８に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項10】

前記層の少なくとも一方は少なくとも１８ＧＰａの硬さを有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のトライボロジーシステム（１；２）。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか一項に記載のトライボロジーシステム（１；２）を有する内燃エンジン（１００）。

【請求項12】

前記ピストン（１０２）は、ピストンクラウン（１０９）における及び／又はピストンシャフト（１１１）におけるピストンリング溝エリア（１０４，１１０）に、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成された少なくとも一つのさらなる表面領域を有する、請求項１１に記載の内燃エンジン（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に及び詳しくは、それぞれが内燃エンジンのコンポーネント、詳しくはピストン、ピストンリング又はシリンダ、を形成する第１本体及び第２本体を備えたトライボロジーシステムに関し、当該コンポーネントの表面は第１材料エリア及び第２材料エリアを有し、それぞれは層として形成され、動作中に少なくともいくつかの領域において互いに接触してトライボロジー接触を形成する。

【0002】

本開示は、当該層を生成するべく使用される層材料と、これらの層が対応エンジンコンポーネントに塗布される方法との双方に関する。また、対応してコーティングされたエンジンコンポーネントに関する。

【0003】

付加的に本開示は、詳しくは、トライボロジーパートナーがトライボロジーシステムにおいてコーティングされる層材料の組み合わせの選択に関する。

【背景技術】

【0004】

用語「内燃エンジン」は、ここでは、ガソリン、ディーゼル又はガス燃料（ＣＮＧ、ＬＮＧ）のような化石燃料により動作可能なすべての内燃機関、詳しくは往復ピストンエンジン、を含むものとする。

【0005】

燃料の良好な利用、及びバイオ燃料のような添加剤の使用を目的として内燃エンジンにおける動作温度を高くすると、ガソリン、ディーゼル及びガス燃焼のエンジンにおける表面の熱的及び化学的安定性に課される要求が高くなる。こうした高い要求は、エンジンコンポーネントのためのコンパクト材料（バルク材料とも称する）の選択により、限られた程度で又は多大な費用でのみ満たすことができる。

【0006】

用語「コンパクト材料」又は「バルク材料」とは、表面特性を改善するべくコーティングを受ける対象となる基材の材料を称する。当該材料は、コーティング対象となり得る材料、例えば鋼、Ａｌ、インコネル等、すなわち内燃エンジンのコンポーネントが生成される材料及びエンジニアリング材料、のすべてを含む。鋼の中でもとりわけ、例えば４２ＣｒＭｏ４は、ピストンが作られる典型的な材料である。

【0007】

コンパクト材料の特性をコスト効率よく改善する一つの方法は、例えば窒化、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、又は熱溶射法（ＨＶＯＦ又はプラズマ）を使用した粉末若しくはワイヤのスプレイコーティングによる表面処理である。これらのプロセスは、コンパクト材料としては生成することができない材料、又は多大な努力によってのみしか生成できないが、その修正がたとえ表面の相対的に薄いエリアのみに影響を与えるとしても、コンパクト材料表面の摩耗、摩擦及び腐食に劇的な影響を与え得る材料、を生成するべく使用することができる。

【0008】

通常、内燃エンジンにおけるトライボロジーパートナーの表面は、異なる材料又は異なるコンパクト材料からなるが、これらは、所定の供用寿命を目的として最適化されて供用サイクル数が低減される。すなわち供用寿命が適合される。このような場合、材料又は層厚さが調整されるのが普通である。

【0009】

摩耗を低減したいとの願望に加え、摩擦損失を低減することも、内燃エンジンの開発におけるもう一つの目標である。この側面のもとでも、目標となる表面修正は、トライボロジーシステムにおいて重要な役割を果たす。複数表面の機械的特性及びその相互の適合に加え、表面材料はまた、油との濡れ性、並びに、添加剤及び表面の化学反応の、化学的に不安定にならないような所定の制御性、のような重要な機能を想定している。これらの事実はすべて、内燃エンジンのトライボロジーシステムが極めて複合的であり、複数の表面の選択及び調整には柔軟性が必要となることを示す。薄層はここで、コンパクト材料の場合よりも高度な柔軟性を与えてくれる。

【0010】

特許文献１は、シリンダ内側のコーティング、すなわちシリンダランニング表面、を記載する。その層は、プラズマ溶射によって塗布される。ほとんどが鉄製の層はまた、ＦｅＯ及びＦｅ２Ｏ３を含み、その結合酸素の割合は１〜４重量％であり、Ｆｅ２Ｏ３の割合は０．２重量％未満である。プロセスガスに対して５〜５０重量％の割合での酸化物セラミックス粉末の混合が、かなり良好な摩擦係数を達成するべく特に有利として推奨されている。ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２が、酸化物セラミックス粉末として示される。

【0011】

特許文献２は、往復ピストンエンジンのためのシリンダランニング表面層をクレームし、この層がプラズマ溶射法により塗布されている。この方法で生成された層は、結合酸素の含有量が０．５〜８重量％であり、埋め込まれたＦｅＯ及びＦｅ２Ｏ３の結晶を含む。加えて、この層は、多孔度が０．５〜１０％であり、所定の粗さまで磨かれる。この層の細孔は、潤滑剤用のリザーバとして作用するマイクロチャンバを形成し、トライボロジーシステムにおける油の均一な分散を促進する。

【0012】

特許文献３は、表面窒化とＰＶＤコーティングとの組み合わせからなるピストンリングの表面処理を記載する。ピストンリングのランニング表面からシリンダランニング表面まで、ＣｒＮ層がコーティングされ、好ましくはイオンメッキにより堆積される。他の表面はすべてが窒化プロセスを受ける。非窒化ピストンリング表面上のＰＶＤ層の堆積は主に、コーティングにおけるクラックの防止を意図する。

【0013】

特許文献４は、鉄系材料から作られたコーティングピストンリングをクレームする。表面上には、Ａｌ５Ｆｅ２を包含して高硬度を有する耐摩耗層が堆積される。この文献はまた、この層の、５２〜５５重量％のＡｌ及び４５〜４８重量％のＦｅからなる化学組成もクレームする。

【0014】

特許文献５は、ピストン及びシリンダランニング表面からなるトライボロジーシステムを記載する。ピストンはまた、シリンダライナとトライボロジー接触するピストンリングのための凹部も有する。加えて、ピストンスカートは、その表面に、潤滑膜を改善するための溝構造が与えられるように設計される。ピストンリング及びピストンスカートはまた、摺動特性を改善するべくＤＬＣ層が、とりわけ様々な潤滑剤と併用されかつ同潤滑剤に適合されてコーティングされる。

【0015】

これらの例は、表面が、摩耗を低減して摩擦損失も低減するべくコーティングされる。様々なコーティング材料は、この目標を達成するべく使用することができる。これらの材料を基材表面に塗布するべく異なるプロセスが用いられる。さらに、最新技術によりはっきりとしたのは、それぞれの条件下でトライボロジー接触パートナーの有利な表面調整を達成するには、極めて異なる基材材料をコーティングする必要があるということである。

【0016】

いくつかの場合、コーティング対象コンポーネントの幾何学的形状もまた、コーティングプロセスを決定付ける。これは、例えば、シリンダボアをコーティングする必要がある場合に当てはまる。このコンポーネントの内側部分をこのようにコーティングするには、ＰＶＤ法よりも溶射法の方が、はるかに適切である。１００μｍを上回り又は５００μｍをも上回る厚い層を堆積しなければならない場合であっても、そのような方法は、ＰＶＤコーティングよりもはるかに有効である。これはすなわち、基材をバッチプロセスにおいてコーティングできる場合、１０μｍ又は３０μｍまでの範囲にある薄層にとって経済的な利点を有する。

【0017】

摩耗及び摩擦損失に関して特別なトライボロジーシステムの層の対形成を試験することは、もちろん、実際の内燃エンジンにおいて実行されるのが最善となり得る。しかしながら、こうした試験は、すべての可能な材料組み合わせに対して行うにはコストがかかりすぎる。加えて、未知の材料の組み合わせが、内燃エンジンに損傷を与え得るリスクも存在する。この損傷は、試験スタンド全体の破壊をももたらし得る

【0018】

上記は、層を選択して層の対形成をすることについて、可能性が多様であることと、いかに困難であるかの双方を示す。

【0019】

したがって、目的は、詳しくは内燃エンジンのための改善されたトライボロジーシステムを与えることにある。ここで、２体それぞれが内燃エンジンのコンポーネントを形成し、それらの表面には２つの材料エリアが形成され、当該材料エリアは、動作中に少なくとも所定の面積において互いに接触し合ってトライボロジー接触を形成する。詳しくは、ピストンリング及びシリンダからなるか又はシリンダ及びピストンからなるトライボロジーシステムを改善する必要性が存在する。ここでの目的はまた、詳しくは、層として設計される材料エリアが生成され得るさらなる材料又は材料組み合わせを与えることにある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0020】

【特許文献1】欧州特許第１０２２３５１（Ｂ１）号明細書

【特許文献2】欧州特許出願公開第１３４０８３４（Ａ２）号明細書

【特許文献3】国際公開第２０１５／１２８１７８（Ａ１）号

【特許文献4】米国特許出願公開第２０１４／０２６０９５９（Ａ１）号明細書

【特許文献5】米国特許第７，４０６，９４０（Ｂ２）号明細書

【発明の概要】

【0021】

第１側面によれば、本開示は、第１本体及び第２本体を有するトライボロジーシステムを与える。これらはそれぞれが、内燃エンジンのコンポーネントであり、詳しくはピストン、ピストンリング又はシリンダである。それらの表面は、動作中に少なくともいくつかの領域において接触するようになりトライボロジー接触を形成する第１材料エリア及び第２材料エリアを有する。第１材料エリア及び／又は第２材料エリアは、酸化クロム系又は酸化アルミニウムクロム系の層として形成される。さらなる側面及び特徴は、従属請求項、添付図面、及び以下の複数の実施形態の記載から得られる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

以下、例示として及び添付図面を参照して、複数の実施形態が記載される。

【0023】

【図1】本発明に係る内燃エンジンからの複数のコンポーネントに関する模式的な断面図を示す。これは、本発明に係るトライボロジーシステムを含む。

【図1A】図１の拡大断面Ａを示す。これは、本発明に係る第１トライボロジーシステムを例示する。当該システムは、シリンダ及びピストンリングから形成される。

【図1B】図１の拡大断面Ｂを示す。これは、本発明に係る第２トライボロジーシステムを例示する。当該システムは、シリンダ及びピストンから形成される。

【図1C】図１の詳細Ｃを示す。これは、コーティングを有するシリンダ底部を例示する。

【図2】本発明に係るトライボロジーシステムに適切なコーティングを決定するトライボロジー試験のための乾燥試験（左手の例示）及び潤滑試験（右手の例示）のためのＳＲＶ試験設定の模式的な図を示す。

【図3】基準材料Ａ１及びＡｌ−ＣｒＯ材料Ｄ２と鋼材料由来の対抗体との摩擦係数の時間経過を示す。

【図4】図３からの材料の観察及び測定された摩耗を示す。

【図5】図３及び４に例示の層との、ＳＲＶ試験における対抗体の摩耗を示す。

【図6】酸化アルミニウム製の対抗体による、図３〜５に例示の材料Ａ１及びＤ２の摩擦係数の時間経過を示す。

【図7】図６に係る対抗体との、層Ａ１及びＤ２の観察及び測定された摩耗を示す。

【図8】コーティングＡ１及びＤ２と接触する、乾燥条件下のＳＲＶ試験後の対抗体の摩耗を示す。

【図9】第１潤滑剤による潤滑試験条件下での、対抗体としての鋼球とのＡ１及びＤ２摩擦係数の時間経過を示す。

【図10】図９に係る潤滑条件下でのＳＲＶ試験後の、層Ａ１及びＤ２の摩耗を示す。

【図11】図９及び１０に例示のＳＲＶ試験後の、鋼対抗体の摩耗を示す。

【図12】第１潤滑剤による潤滑試験条件下での、対抗体としての酸化アルミニウム球との、Ａ１及びＤ２の摩擦係数の時間経過を示す。

【図13】図１１及び１２に係る潤滑条件下でのＳＲＶ試験後の、層Ａ１及びＤ２の摩耗を示す。

【図14】図１１〜１３に係る潤滑条件下でのＳＲＶ試験後の、対抗体の摩耗を示す。

【図15A】図１５Ａ〜１５Ｃは、室温（図１５Ａ）、摂氏１００度（図１５Ｂ）及び摂氏１６０度（図１５Ｃ）における酸化アルミニウム対抗体との、潤滑ＳＲＶ試験に対する材料Ａ１、Ｄ１及びＤ２の摩擦係数の時間経過を示す。

【図15B】摂氏１００度における酸化アルミニウム対抗体との、潤滑ＳＲＶ試験に対する材料Ａ１、Ｄ１及びＤ２の摩擦係数の時間経過を示す。

【図15C】摂氏１６０度における酸化アルミニウム対抗体との、潤滑ＳＲＶ試験に対する材料Ａ１、Ｄ１及びＤ２の摩擦係数の時間経過を示す。

【図16】層システムＡ１及びＤ２の、図１５Ａ及び１５Ｃに例示の潤滑ＳＲＶ試験に対する層摩耗と対抗体摩耗との比較を示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

実施形態に関する一般的な説明が最初になされた後、図面を参照して実施形態の詳細な説明が続く。

【0025】

一実施形態において、トライボロジーシステムは、それぞれが内燃エンジンのコンポーネント、詳しくはピストン、ピストンリング又はシリンダを形成する第１本体及び第２本体を含み、第１本体及び第２本体の表面は、動作中に少なくともいくつかの領域において互いに接触してトライボロジー接触を形成する第１材料エリア及び第２材料エリアを含み、第１材料エリア及び／又は第２材料エリアは、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成され、内燃エンジンの燃焼室近くに存在するクリティカルなトライボロジーシステムにとって特に好ましい特性を有する。

【0026】

酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層を、異なるプロセスにおいて、内燃エンジンにとって典型的なコンパクト材料を含む異なる材料に塗布することができる。

【0027】

鋼（例えば品質４２ＣｒＭｏ４）は、ピストンが製造される典型的な材料である。ピストンとピストンコネクタ（さらにピストンスカート）におけるそのランニング表面とにとってさらなる典型的な材料は例えば、１１〜１３％のＳｉと、Ｃｕ、Ｍｇ及びＮｉの少量の添加物とを有する包晶アルミニウム・ケイ素合金である。例えばセラミックス、炭素繊維及び多孔性金属材料から作られる補強要素が、特に高い応力がかかるピストン領域に特別に配列される軽金属複合材料も存在する。

【0028】

シリンダは通常、クランクケースの一部であり、モノメタル設計において、例えば鋳鉄合金又はアルミニウム・ケイ素合金から製造することができる。かかるシリンダのランニング表面は、鋳造用の材料に直接形成される。

【0029】

いわゆる塗布技術において、シリンダスリーブがクランクケースの中にインサートされる。この場合、スリーブはＧＣＩ材料、アルミニウム材料、又はさらにアルミニウム・ケイ素合金から作られ、適切に機械加工されたレセプタクルにおいてクランクケースにインサート、又はプレス、シュリンク若しくは鋳造される。

【0030】

いわゆる複合技術においては、適切な金属及びセラミック材料が複合されて作られた円筒形状体が鋳型にインサートされ、高圧下で溶融アルミニウム合金により浸潤されてクランクケースが形成される。

【0031】

すべてのシリンダのシリンダランニング表面は、トライボロジーランニングパートナーとして設計され、精細なボアリング又はターニング及びその後のホーニングによりピストン及びピストンリングに対するシール表面となる。

【0032】

金属シールとして作用して燃焼室をクランクケースに対してシールするピストンリングに対しては、様々な設計及び材料が存在する。鋼又はねずみ鋳鉄材料が広く使用される。この場合、リングランニング表面を補強することも一般的な慣習となっている。リングランニング表面は、シリンダ摺動路と、すなわち耐摩耗保護層とトライボロジーシステムを形成する。すでに言及したリングランニング表面のコーティングに加え、クロム・セラミック層、クロム・ダイヤモンド層又はモリブデン系コーティングも与えられる。窒化又は硝化浸炭プロセスにおいて、窒素と、いくつかの場合には炭素とを、ピストンリングの表面に、拡散により組み入れることができる。

【0033】

コーティングとして作られた第１材料エリア及び第２材料エリアがそれぞれ、ランニング表面を形成するコンポーネントの表面上に配列される設計が存在する。コンポーネント、すなわちピストン、ピストンリング又はシリンダに対し、これらは、ピストンのピストンシャフト摺動路であり、ピストンリングのリングランニング表面であり、及びシリンダ内側のシリンダ摺動路である。これらの表面は、それぞれが本発明に係るトライボロジーシステムを形成するそれぞれのランニング表面を形成し、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として設計することができる。

【0034】

ピストンリングとして形成された第１本体における第１材料エリアが、化学組成（Ａｌ−ｘＣｒ−ｙ）２Ｏ３を有する酸化アルミニウムクロムに基づく化学組成（Ａｌ−ｘＣｒ−ｙ）２Ｏ３を有する層となる設計が存在する。ここで、０．１＜ｘ＜１かつｙ＜０．５、０．５＜ｘ＜１かつｙ＜０．５、又はｘ＝０．７かつｙ＝０．３である。かかるコーティングは、異なる摩擦パートナー（シリンダランニング表面上の第２材料エリア）に対し、乾燥状態及び潤滑状態の双方において正のトライボロジー特性を示す。

【0035】

他の設計において、シリンダとして形成される第２本体の第２材料エリアは、１０重量％から１００重量％のＣｒ２Ｏ３とそれに対応する９０重量％から０重量％のＡｌ２Ｏ３の組成を有する混合アルミナ・クロム酸化物層である。かかる層は、（例えば熱溶射を使用した）適切なコーティング法によりシリンダランニング表面に塗布され、上に示された組成（Ａｌ−ｘＣｒ−ｙ）２Ｏ３を有する（第１材料エリアにより形成された）酸化アルミニウムクロムに基づく他層にとっての良好なトライボロジーパートナーとなる。

【0036】

表面粗さに好ましい影響を与えることによりトライボロジー特性をさらに改善し得る設計が存在する。ここで、表面粗さＲａとして、μｍ単位の以下の値、すなわち１≦Ｒａ≦０．５；０．１５≦Ｒａ≦０．４；Ｒａ＝０．１５又はＲａ＝０．４が第１材料エリアに当てはまり、以下の値、すなわち０．１≦Ｒａ≦０．５；０．１５≦Ｒａ≦０．４５；Ｒａ＝０．１５又はＲａ＝０．４５が第２材料エリアに当てはまる。

【0037】

熱溶射法を使用して材料エリアが形成される設計が存在する。溶射材料（これは例えばＡｌ２Ｏ３及びＣｒ２Ｏ３のような異なるコンポーネントとの粉末混合物となり得る）が、集中された高エネルギー熱源の中に導入され、融合又は一部溶融され、溶射粒子の形態で高速でコーティング対象基材の表面に投入される。このプロセスは、シリンダランニング表面又はさらにピストンシャフト摺動路のような広い表面をコーティングするのに特に適切である。一般的な方法は、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、いわゆるコールドガス溶射、アーク溶射、及びプラズマ溶射である。得られる層の組成は、近似的に開始材料（粉末混合物）の組成に対応する。

【0038】

熱溶射において、層厚さは、５０ｍｍから４００ｍｍであり、詳しくはさらに１５０μｍから８００μｍである。

【0039】

材料の一つがＰＶＤ法（物理的気相成長法）を使用して、詳しくは陰極スパーク蒸発を使用して形成される設計も存在する。周知のＰＶＤ法において、気相又はプラズマからのイオン、原子又は分子の堆積により、トライボロジー保護層が基材（コーティング対象コンポーネントのベース材料）の表面に作られる。これを目的として、必要な開始材料（例えば金属、セラミックス等）が、熱的に蒸発又は微粒化されてコンポーネント上に再び凝縮される。

【0040】

いわゆる陰極スパーク蒸発及びいわゆる陰極微粒化（又はＭＳＩＰ（マグネトロンスパッタイオンプレーティング））は双方とも、かなり以前に確立されたプロセスであり、コーティングツール及びコンポーネントのために使用され、これらが使用されて大抵の異なる層を堆積することができる。

【0041】

例えば、ＰＶＤ法により形成された材料エリアが１０から３０μｍの層厚さを有する設計が存在する。

【0042】

一つの材料エリアがＭｏ、ＭｏＮ、ＭｏＣｕＮ、ＤＬＣ又はｔａ−Ｃに基づく層として形成され、一つの材料エリアが酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される設計も存在する。

【0043】

Ｍｏ、ＭｏＮ、ＭｏＣｕＮは、トライボロジー特性を改善する耐性層である。

【0044】

ＤＬＣ（ダイヤモンド様炭素）層は一般に、本質的に炭素からなるいわゆる薄膜システムを含み、ＰＶＤ又はＣＶＤ（化学的気相成長）法を使用して塗布される。これらの層は、グラファイト、ダイヤモンド様、若しくは非晶質炭素、又はプラズマポリマー層と同様の炭素水素層である。

【0045】

ｔａ−Ｃに基づく層はまた、いわゆるＤＬＣ層であり、グラファイト結合とダイヤモンド様結合との間の所定の比によって区別される。ここでは、ダイヤモンド様結合部分が支配的となる。このようなｔａ−Ｃに基づく層はまた、詳しくは酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層とのトライボロジー組み合わせにおいても、優れたトライボロジー特性を与える。

【0046】

当該層の少なくとも一つが、少なくとも８０ＧＰａのユニバーサル硬さを有する設計が存在する。層の硬さは、耐摩耗性の指標となることが多い。

【0047】

本発明は詳しくは、本発明に係るトライボロジーシステムを備えた内燃エンジンに関する。上述したトライボロジーシステムは、シリンダ／ピストンエリアの摺動摩擦負荷により熱的に高応力を受けるコンポーネントにおいて特に有利となる。これらのシステムは、ピストンシャフト摺動路（ピストンスカート摺動路）及びシリンダ摺動路から形成されるトライボロジーシステムと同様に、ピストンリング８／９（複数のリング）とシリンダ摺動路とのトライボロジーシステムも含む。

【0048】

酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される少なくとも一つのさらなる表面エリアがピストンに与えられる設計が存在する。これらのエリアは、詳しくはピストンリング溝エリア、ピストンクラウン、又はさらにはピストンシャフトを含む。ここで、耐熱性かつ堅牢な硬層が、これらのエリアの高い応力をベース材料へと伝達するのに役立つ。

【0049】

図１に戻ると、この図は、動作時に振動するピストン１０２が配列されたシリンダ１０１を備えた内燃エンジン１００のコンポーネントを、模式的な縦断面図において例示する。ピストン１０２には、ピストンリング溝１０４に配列された３つのピストンリング１０３が与えられる。シリンダ壁１０５は冷却チャネル１０６を有し、実際のシリンダボアが、ここでは、インサートされた（随意的な）シリンダライナ１０７によって形成される。シリンダライナ１０７の内表面１０８にはシリンダランニング表面が形成される。

【0050】

ピストン１０２は、上端にピストンクラウン１０９を有する。円筒形状のピストンリング溝エリア１１０がピストンクラウン１０９に境界を有してピストンコネクタ１１１に合流する。

【0051】

一方ではシリンダ１０１又はシリンダスリーブ１０７（もしあれば）が、他方ではピストンリング１０３又はピストンコネクタ１１１が、ここではトライボロジーシステム１及び２を形成する。

【0052】

図１Ａは、トライボロジーシステム１を示す。ここでは、ピストンリング１０３が第１本体を形成し、その表面では、少なくともリングランニング表面１１２のエリアにおいて、第１材料エリア１１は、例えば（Ａｌ−０．７Ｃｒ−０．３）２Ｏ３層のような酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される。本発明に係る他の組成に関し、以下は（Ａｌ−ｘＣｒ−ｙ）２Ｏ３が当てはまる。ここで、０．１≦ｘ≦１かつｙ≦０．５であり、０．５≦ｘ≦１かつｙ≦０．５である。層厚さは１０から３０μｍであり、硬さが少なくとも１８ＧＰａである。層は、表面粗さ（単位がμｍのＲａ）がＲａ＝０．１５又はＲａ＝０．４であり、他の実施形態では０．１＜Ｒａ＜０．５の範囲内にある。ピストンリング１０３のための他の適切なコーティングは、表１ｂにＣ２及びＤ２として示される。

【0053】

第２材料エリア１２が、シリンダ摺動路１０８の層として形成され、当該層はアルミナ及び酸化クロムの混合物から形成され、Ａｌ２Ｏ３の重量含有量が６２重量％であり、Ｃｒ２Ｏ３の重量含有量が３８重量％である。表面粗さはＲａ＝０．４５μｍである（表１ａのＥ１）。代替的に、第１材料エリアは、Ｒａ＝０．１５μｍの表面粗さ（表１ａのＤ１）を有する酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）層として形成される。

【0054】

代替的に、第２材料エリア１２は酸化アルミニウムクロム層から形成され、酸化クロム含有量が１０から１００の重量％含有量を構成し、酸化アルミニウム含有量が９０から０の、対応する相補的重量％をなす。第２材料エリアに対する他の適切なコーティングはまた、表１ａのＡ１、Ｂ１及びＣ１として示される層システムとすることができる。

【0055】

このように、単数又は複数のピストンリング１０３（第１本体）と、シリンダ１０５又はシリンダスリーブ１０７（第２本体）とがそれぞれ、接触表面１１２及び１０８と、単数若しくは複数の第１材料エリア１１との及び第２材料エリア１２との、トライボロジーシステムを形成する。ここで、接触表面は、動作中に互いに対して滑り合う。

【0056】

すなわちピストン速度が低い又はゼロともなるピストンの上死点及び下死点において、大きな乾燥摩擦が存在する動作条件が存在する。エンジン油により形成される２つの表面間の潤滑膜がその後、大きく破壊される。

【0057】

反転ポイント間のピストンの往復動中に湿潤摩擦又は潤滑摩擦が生じる。その後、エンジン油が有効な潤滑膜を、材料エリア１１及び１２間に形成する。これが、摩擦及び摩耗を大幅に低減する。

【0058】

潤滑剤が材料エリア１１及び１２間の完全な膜としては存在しないが当該表面の凹部では利用可能となる混合摩擦条件も生じ得る。この潤滑効果は、潤滑剤吸収能力が低い（例えば研磨された又はつや消し表面上の）低表面粗さによる滑らかな表面よりも、（例えば磨かれた表面上の）高表面粗さの方が強くなる。

【0059】

第２トライボロジーシステム２が図１Ｂに示される。詳細な例示１Ｂが、第１材料エリア１１が形成された表面１１３上のピストンコネクタ１１１を示す。当該表面には、表１ａにおいてＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１又はＥ１として示されるコーティングが与えられる。代替的に、表面１１３はまた、シリンダ摺動路１０８のコーティングに関連して上述された異なるコーティングも有し得る。ここでもまた、第１トライボロジーシステム１と同様、シリンダ１０５におけるピストン１０２の動きの状態に応じて動作中に、乾燥摩擦、潤滑摩擦又は混合摩擦が生じる。

【0060】

ピストンの他の表面エリアに、さらなる随意的なコーティングも与えることができるが、他方、ピストンクラウン（図１Ｃ参照）において、耐熱性及び耐圧性を改善する層１１４を与えることもできる。ピストンリング溝エリア１１０に、詳しくはピストンリング溝１０４のエリアに、他の層１１５を与えることもできる。ここで、表１ａに挙げられた層Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、及びさらにはモリブデン、モリブデン窒素、モリブデン銅窒素、ＤＬＣ又はｔａ−Ｃに基づく層も使用することができる。

【0061】

さらに、例えば、ピストンリング１０３に（第１材料エリア１１において）酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層が与えられる場合、それと協働する層（第２材料エリア１２）を、Ｍｏ、ＭｏＮ、ＭｏＣｕＮ、ＤＬＣ又はｔａ−Ｃに基づく層としてシリンダ摺動路１０８に形成できることも当てはまる。

【0062】

それとは反対に、そのような層が単数又は複数のピストンリング１０３に与えられる場合、シリンダ摺動路１０８には、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層、詳しくは上に又は下に詳述される特性を有する層、が与えられる。同じことは、シリンダ摺動路１１１とピストンシャフト摺動路１１３とにより形成されるトライボロジーシステムにも当てはまる。

【0063】

以下において、図２から１６は、試験を、とりわけ、本発明に係る上述の実施形態につながる関連試験設定及びいくつかの試験結果とともに説明するべく使用される。この種類の重要な試験は、材料の摩耗及び摩擦の挙動を特徴付けることができる振動摩擦摩耗（ＳＲＶ）試験（ＤＩＮ５１８３４）である。これらの試験により、その後の塗布の多くのトライボロジー状況をシミュレートすることができるので、本体のコーティング及び対抗体の有用な事前選択をすることができる。すなわち、実際の燃焼エンジンにおいて、コーティングを選択するときに、ほぼ事前にある程度最適化された解決策を使用することができるので、微調整のみが必要となる。これは、接触圧力又は温度のようなＳＲＶ試験のパラメータを、すでに行われたエンジン試験の結果を反映する態様で調整することにより達成される。

【0064】

かかるＳＲＶ試験を、本発明に係る調査を目的として使用し、試験のパラメータが、トライボロジー接触での不完全な潤滑がシミュレートされる態様で選択された。パラメータは、不完全な潤滑の場合と、「乾燥」すなわち潤滑剤なしで試験が行われる場合との双方において使用された。実験により、かかる試験が、２つの基本的な摩耗挙動に関する情報を与えることが示された。乾燥試験により、トライボロジー接触のパートナーの、上述したすべての焼き付き挙動が調査され、トライボパートナーの相対的な摩耗が明らかになる。このような高接触圧力下での潤滑試験により、不十分な潤滑がシミュレートされる。これらの試験条件により、トライボパートナーの摩耗についての情報が得られるとともに、材料組み合わせの相対的な比較を許容する摩擦係数も得られる。

【0065】

様々な層材料が実験において調査された。層の選択は、内燃エンジンのピストンリングとシリンダ摺動路とのトライボロジー接触をさらに発展させて改善するように行われた。すなわち、層は、第１グループ１では熱溶射法を使用して、第２グループ２ではＰＶＤ法を使用して、好ましくはスパッタリングにより、さらに好ましくは反応性陰極スパーク蒸発により生成された。

【0066】

試験片をコーティングするべく、２つのコーティング法が使用された。すなわちグループ１のサンプル試料には、シリンダ摺動路への塗布に好適であることが実験により示されている層、又はこの塗布に対して調べられる層が与えられた。

【0067】

グループ２の試料が、ピストンリングコーティングに適切であることが実験により示されている材料、又はかかる塗布のために特性が明らかにされるべき材料によりコーティングされた。層は、平面状試験片に堆積され、部分的に事後処理された。試験は、鋼の対抗体（１００Ｃｒ６）及び酸化アルミニウムの双方により行われた。

【0068】

図２は、ＳＲＶ試験を行うべく使用された装置の模式的な設定を示し、本文において使用される用語を記載する。試験は、かなり多い数の層材料に対して行われたが、それらのすべてがここに記載されるわけではない。

【0069】

内燃エンジン分野の開発に向けられた２つの重要な技術的目標は、摩耗を低減してコンポーネント供用寿命及び供用時間間隔を延ばすこと、並びに摩擦損失を低減して効率を改善することにある。

【0070】

重要な側面はまた、内燃エンジンにおいて使用される材料の温度安定性に関する。ここでの傾向は、燃焼プロセスが高温で生じることによりエンジン効率も増加し得るように温度安定性を改善することにある。こうした高温においてコンパクト材料表面を保護して周囲温度及び高温双方で良好なトライボロジー特性を有する温度安定層材料をサーチすることは、これらの調査の他の重要な理由である。

【0071】

図２は、乾燥条件（左側）及び潤滑条件（右側）のＳＲＶ試験の原理を記載する。トライボロジーシステム又はトライボシステムは、２つのトライボパートナー、すなわち本体（Ｋ）及び対抗体（ＧＫ）からなる。実験では、Ｋが層によりコーティングされる一方、鋼（１００Ｃｒ６）及び酸化アルミニウムから作られた球状の研磨されたＧＫが使用された。Ｋは、ベースに強固にクランプされて加熱される。ＧＫが、Ｋのコーティングされた表面上の２つの矢印で示される力により、Ｋ上を水平振動による振動態様で動く間、負荷Ｌが同時に適用される。潤滑試験（右側）においては、この振動に潤滑剤Ｓが追加される。

【0072】

実験の説明

【0073】

表１ａ及び表ｂは、試験を受けた層材料を示す。これらの材料のいくつかは、すでに技術的に導入され、又はすでにエンジン試験（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１）に適格とされている。加えて、トライボロジー特性は未知であるが改善された温度安定性（Ｄ１、Ｅ１、Ｃ２、Ｄ２）が見込まれるさらなる材料が試験された。これらの材料は主に、酸化物由来であるが、そのいくつかは本発明の内容に属する。表１ａ及びｂは、試験された材料のいくつかのみを記載し、これらの層が有していた表面粗さも示す。これはもちろん、異なる事後処理に依存する。

【0074】

これらの調査では、これらの事後処理のためにホーニング、グラインディング又はつや消しのような一般的な方法のみが使用されたので、本発明が技術的に実装されることが、コーティングのみならず事後処理に対しても保証される。表は、層材料をコーティング法に応じてグループ分けする。すなわち、シリンダランニング表面への塗布が意図される層が表１ａに与えられ、ピストンリングのコーティングが意図されるものが表１ｂに与えられる。この分け方がされたのは、異なるコーティング法が、リング及びライナのコーティングに対して異なる程度とすることが適切だからであるが、制限と見なしてはならない。

【0075】

さらに、異なるコーティング法において生成された同じ化学組成の層材料がまた、トライボロジーシステムにおいて同じ特性を有することは必須ではない。これは、例えば、異なる層厚さ、又は層の多孔度又は残留応力に関する機械的特性に起因し得る。シリンダランニング表面の層に対しては熱溶射法が使用され、厚さが１５０μｍから８００μｍのコーティングが生成された。ピストンリング材料のコーティングに対してはＰＶＤ法が使用された。ＰＶＤ法は、この場合に選択された層に対する反応性陰極スパーク蒸発である。ただし、これを目的として、熱蒸発又はスパッタリングのような他のコーティング法も使用することができる。

【0076】

平坦なサンプルがコーティングされた。熱溶射により生成されたサンプルすべてが、熱溶射されたシリンダ摺動路の事後処理を目的として生成時に使用される標準的なホーニングに対応する表面粗さを有するように事後処理を受けた。

【0077】

スパーク蒸発を使用して生成された層は、事後処理なしか、又は標準的なつや消し法を使用して事後処理された。層材料の製造プロセスへの割り当て、選択、及びさらなる詳細が、事後処理のタイプ、及び得られた表面粗さとともに、表１ａ及び表１ｂに与えられる。

【0078】

ＳＲＶ試験において、研磨された鋼（１００Ｃｒ６）及び酸化アルミニウムの球が対抗体として使用された。２つの異なる油により乾燥及び潤滑双方の試験が行われた。試験は、高温での層の安定性をも調査するべく、周囲温度において、及び使用される潤滑剤の安定性限度に近い１６０℃までの温度に対して行われた。

【0079】

試験により以下の結果が得られた。
１．時間の関数としての摩擦係数の曲線
２．様々な条件下でのコーティングの摩耗
３．様々な条件下での対抗体の摩耗

【0080】

結果は表形式で与えられる。摩擦係数は、各試験の終わりで得られた値が表に組み入れられる。コーティング及び対抗体の摩耗の評価は、光学顕微鏡摩耗画像の光学的評価、及び光学走査表面プロファイルの定量評価に基づく。表形式で与えられる値の良好な理解を目的として、すべてのタイプの結果と、ＳＲＶ試験において調べられた条件とに対し、一例が与えられる。

【0081】

図３は、研磨された鋼球を対抗体とした、事後処理された低合金鋼の層（Ａ１）、及び研磨されたＡｌ−Ｃｒ−Ｏ層（Ｄ２）の摩擦係数の時間経過を示す。ＳＲＶ試験は、乾燥、すなわち潤滑なしで行われた。測定時間の終わりの摩擦係数が、Ａ１に対しては０．８６、Ｄ２に対しては０．７６であることがわかる。曲線Ｄ２のノイズは、酸化物層の方が低合金鉄よりも高い。

【0082】

これらの試験条件のもと、トライボロジーシステムは、当業者にとってトライボロジー接触における「焼き付き」として示される摩擦係数の値を有する。かかる値は、ここに説明される塗布に対して回避する必要がある。

【0083】

図４は層の摩耗を示す。これを目的として、層表面の光学顕微鏡画像が、試験後に取得された（上欄の画像）。層表面における明白な変化が、振動鋼球が動く約１ｍｍの長さのエリアに見られる。ＥＤＸ測定を使用して、Ａ１及びＤ２双方について対抗体（１００Ｃｒ６）の材料を検出することができる。すなわち、材料は、対抗体から層へ移動し（焼き付き）、対抗体の摩耗を示す。

【0084】

層摩耗を詳細に特徴付けるべく、振動する運動方向に直交するように表面が機械的に走査された。これは、図面において白線により示される。製造者Ｎａｎｏｆｏｃｕｓ社のタイプ「μ−Ｓｕｒｆ」（登録商標）の共焦点白色光顕微鏡が、本測定のデバイスとして使用された。走査において得られたＡ１の表面プロファイルは、Ａ１の部分的材料塗布及び部分的層摩耗による表面粗さの増加を示す。Ｄ２の表面プロファイルにおいて、少ない摩耗が観察される。振動する動きの両エッジに塗布がされ、中間には、スクラッチを除いてアブレーションがほとんど存在しない。摩耗尺度（１が摩耗なし、５が摩耗強）に基づくと、この摩耗はＡ１に対して約２、Ｄ２に対して１〜２と評価される。

【0085】

摩擦係数のサイズは、トライボロジー分野の当業者に説明することができる。０．８近辺の値は、鋼上の鋼の乾燥摩擦にとって典型的であり、この場合、材料を層に移動することによって実現される。さらなる摩耗値が表２に与えられる。Ｂ１及びＣ２の値において、マイナス符号が摩耗値の後ろにつけられた。これは、対抗体の非常に強い材料の移動が、これら２つの層において生じたこと、すなわち、摩耗は存在しないが、層に対抗体材料が蓄積されたこと、を示すと考えられる。表の値は、Ｃ１の例外を除き、層が鋼に対して高い摩耗耐性であることを示す。しかしながら、トライボロジーシステムにおいて、鋼耐摩耗層が対抗体としての鋼と組み合わせられる場合、説明された層に対し乾燥条件を避ける必要があることが示される。これらの条件のもと、改善された表面粗さであっても、明確には対抗体材料を焼き付きから防ぐことができない。

【0086】

コーティングされた本体の摩耗に加え、トライボロジーシステムにおいて、トライボシステムの摩耗挙動を最適化するにあたっては、もちろん対抗体の摩耗も重要となる。したがって、図５において、対抗体の、この場合研磨された１００Ｃｒ６鋼球の摩耗が、層と接触する球エリアの光学顕微鏡画像を取得することによって調べられる。いわゆる摩耗キャップの直径が摩耗の尺度であり、それによって依然として摩耗体積を計算することができる。表の評価を目的として、ここで再び１から５の尺度が使用される。再びであるが、１は摩耗なしを意味し、５は非常に高い摩耗を意味する。図５における写真に関し、Ａ１は４に、Ｄ２は３に評価される。

【0087】

さらに目立つのは、Ｄ２の摩擦係数における経時的な低ノイズである。摩耗エリアにおける光学顕微鏡画像及び表面プロファイルを使用して層摩耗を調べることにより、２つの層に対して異なる結果が得られる（図７）。明白な層摩耗が、Ａ１に関連して観察され、４と見積もられる。十分に驚くべきことだが、Ｄ２に層摩耗を見出すことができない。接触エリアの一種類の滑らかさのみが存在する。これに基づくと、層摩耗は１と評価される。

【0088】

酸化アルミニウム対抗体の摩耗が図８に示される。対抗体の摩耗は、双方の層システムにとって、１００Ｃｒ６対抗体の場合よりも明らかに小さい。Ａ１（左上）について、対抗体は、多くのスクラッチを有する接触表面を示す。対抗体の丸みの、引き続いての測定（左下）により、酸化アルミニウム対抗体の表面が粗くなっていることが確認される。そうでなければ、球半径に有意な変化が観察されないこととなるのであるが。この材料対は、そのような粗い表面につながる破壊を生じさせると仮定することができる。これらが突発することの背景は、未だにはっきりとは明らかにされていない。Ｄ２に対し、観察される対抗体の摩耗は存在しない（右欄）。これは、高い接触圧力のもとで動作する潤滑なしのトライボロジーシステムにとって驚くべき結果である。Ａ１及びＤ２に対する修正された表面品質の写真における円形エリアは、選択された条件で試験が進行して、各材料対にとって典型的な本体及び対抗体の接触エリアの領域の変形のみが特徴となる場合の、変形エリアを示す。したがって、この変形は必ずしも、１００Ｃｒ６球の場合には存在していたような摩耗キャップとはならない。再びであるが、この証拠は、当初半径を与えて球の平坦化を示すｎａｎｏｆｏｃｕｓ社による表面走査によって与えられる。乾燥ＳＲＶ試験に対する顕著な結果が、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層の層対が利用可能な本体及び対抗体により与えられる。

【0089】

潤滑剤によるＳＲＶ試験の結果が以下に提示される。異なる摩擦係数につながる様々な潤滑剤による試験が行われた。しかしながら、摩耗の点では、これらの差異は小さいか又は区別不能である。通常、接触エリアの異なる色付けが可視とされる。調べることにより、これが主に、油における異なる添加剤に起因することが示された。添加剤の処置は本発明の主題ではないので、これらの差異を詳細に扱うことはしない。

【0090】

図９は、Ａ１（１）及びＤ２（２）に対する経時的な摩擦係数を示す。これは、潤滑剤としてのディーゼル油（ここでは油１と称する）、及び対抗体としての鋼球により測定された。Ａ１が、ならし運転において０．２０の摩擦係数を有する一方、Ｄ２の当該摩擦係数は０．１８である。乾燥試験と比べての摩擦係数の相対的な差異は小さくなった。すなわち、潤滑条件下での材料の影響は目立たなくなった。コーティングの表面品質もまた大きく影響する。すなわち、熱溶射プロセスの結果Ａ１に現れた表面の孔又は多孔構造が、潤滑剤を表面に保持するのに適切となり、ひいてはトライボロジーシステムを特に、不十分な潤滑の場合に安全にする。概要において、これはまた、Ｃ２とＤ２とを比較するとわかる。研磨されていない層Ｃ２が研磨されたものよりも低い摩擦係数を有するからである。表３は、潤滑ＳＲＶ試験に対するすべての摩擦係数を、対抗体としての鋼と一緒に示す。

【0091】

これらの試験条件下で得られた層摩耗が図１０に示される。Ａ１は、２の値という低い層摩耗を示し、それ以外は接触エリアにおいて滑らかにする効果を示す。Ｄ２に対しては層摩耗が測定されない（値１）。ここでもまた、測定された表面プロファイルにおいて明確に実証されてはいないが、滑らかにすることが生じ得る。層摩耗に対する他の値が再び、表３に与えられる。層Ａ１、Ｂ１及びＣ１に対して低摩耗だけが測定される一方、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づくすべての層は摩耗を示さない。

【0092】

潤滑剤油１による鋼対抗体の摩耗が図１１に示される。双方の構成に対して表面変色が見られる。Ａ１の場合に１００Ｃｒ６球の表面プロファイルは、わずかな摩耗（値１〜２）を示す。すなわち、表面変色は接触表面の弾性変形単独により引き起こされ、その変色は、油の中の添加剤又はその分解生成物から主に生じる薄膜により引き起こされる。Ｄ２に対し、接触表面の変色のサイズはＡ１のものと同様であるが、１００Ｃｒ６球の表面プロファイルは値２を有する低摩耗を示す。鋼の本体は、層Ｅ１及びＣ２により、さらに顕著な摩耗を受ける。酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づくすべての層は、２０ＧＰａを超える非常に高い微小硬さを有し（ＩＳＯ１４５７７規格により測定）、これらの層が対抗体としての鋼とともに使用される場合、それに従って表面品質を選択することが重要となる。

【0093】

酸化アルミニウム対抗体によるＳＲＶ試験の結果には、大いに興味が引かれる。Ｄ２に対する２つのトライボパートナーの乾燥条件下では、すでに決定されている摩耗が存在し得ないからである。再びであるが図１０は、摩擦係数の時間経過を示す。試験の終了において、Ａ１に対しては０．１９の値の結果であり、Ｄ２に対しては０．１８である。ここでもまた、摩擦係数へのコーティング材料の相対的な影響は、乾燥試験よりも低い。明らかなことに、材料表面、油及び添加剤の相互作用から生じてそれ自体が変色を表す表面の形成は、重要な役割を果たす。Ｂ１は最も高い摩擦係数を有する。それ以外では、他のすべての材料に対して０．１８の摩擦係数が測定された。これらの試験において、驚くべきことに、摩擦係数は、すでに鋼に対して導入されているＡ１層及びＣ１層の場合よりも低い。

【0094】

図１３は層摩耗を示す。これは、Ａ１に対して非常に低く（値２）、むしろ滑らかにする効果のみを示す。これは、特に、層が多くの孔を包含するバックグラウンドに対し、良好な挙動である。これはひいては、こうした表面の幾何学形状が、良好なトライボロジー特性に寄与すること、すなわち潤滑剤が層の凹部に保持されて摩擦損失を低減すること、を示す。Ｄ２に対しては層摩耗が測定できない（値１）。層は安定している。ただし、ここでも所定の滑らかにする効果が疑われる。高摩耗を示すのはＢ１（値５）及びさらにはＣ１（値４）である。詳しくは、層Ｂ１は、本体及び対抗体を協調させることがどれほど重要であるかを示す。Ｂ１は鋼に対しては最も低い摩擦係数を示し、酸化アルミニウムに対しては最も高い摩擦係数を示すからである。

【0095】

図１４は、酸化アルミニウム対抗体の摩耗を特徴付ける。Ａ１又はＤ２のいずれも、球の摩耗を示さない（双方とも値１）。表面プロファイルにおいて測定された表面エリアの粗さは、材料の所与の多孔度に対して特徴的である。スクラッチは、試験中に層表面と対抗体との間に生じる材料のわずかな噴出により引き起こされ、実際のエンジン試験とは対照的に、我々の試験設定中に油とともに移送されて離れるということがない。

【0096】

表２及び３は、異なる試験条件に対する２つの対抗体材料に関して試験された層材料の結果をまとめる。定量的な見積もりが、前述の文で例示された測定から得られた。これらの調査に基づき、これまでのＳＲＶ試験の結果が、以下のようにまとめられる。

【0097】

ＳＲＶ：対抗体としての１００Ｃｒ６による乾燥
・すべての試験に対し、１００Ｃｒ６鋼対抗体のかなりの摩耗が存在する。
・試験は、０．８付近の範囲の摩擦係数において安定する。これは、対抗体の材料が各層に対して潤滑であり（移動され）、ひいては鋼・鋼接触をもたらすという事実に起因する。したがって、ここで調べられたすべての層に対し、対抗体の明らかかつ高い摩耗が観察される。

【0098】

ＳＲＶ：対抗体としての酸化アルミニウムによる乾燥
・層Ａ１、Ｂ１及びＣ１は層摩耗を示すが、この摩耗は、ここで選択される層に対し、表に含まれなかった他の一般的な材料よりも低い。
・調査された酸化物層は、２つのグループに分けられる。高い表面粗さ（Ｅ１）のグループは、０．８近辺の摩擦係数を有し、摩擦係数の時間経過において強いノイズを示す。第２グループ（Ｄ１、Ｃ２、Ｄ２）は、０．６近辺の摩擦係数を有し、ひいては他の層からはっきりと目立つ。このグループの層は、０．４μｍ未満のＲａという表面粗さを有する。
・滑らかにする効果とは別に、Ｃｒ及びＡｌ−Ｃｒに基づくすべての酸化物層（Ｄ１、Ｃ２、Ｄ２）は層摩耗を示さない。

【0099】

ＳＲＶ：対抗体としての１００Ｃｒ６による潤滑
・調べられたすべての層の摩擦係数は、０．２未満の値を示し、Ｂ１及びＤ１が最低であった。
・酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づかない層（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１）は、値２という低い摩耗を示す。
・酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層（Ｄ１、Ｃ２、Ｄ２）において、層摩耗を検出することができない。
・Ｅ１及びＣ２、すなわち表面粗さが大きな硬い酸化物層を例外として、すべての他の層材料が、１〜２又は２という小さな対抗体摩耗値を有する。潤滑条件下の及び対抗体としての１００Ｃｒ６による層の表面粗さは明らかに、重要な役割を果たし、かかる材料対が実現される場合、ならし挙動を最適化する必要があり、層粗さＲａを０．２μｍ未満にする必要がある。

【0100】

ＳＲＶ：対抗体としての酸化アルミニウムによる潤滑
・摩擦係数は、Ｂ１（０．２１）を除いてすべてが０．１８から０．２０の範囲にある。
・層摩耗はＢ１の場合に非常に高く、Ｃ１及びＥ１の場合に中くらいであり、Ａ１では低い。酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層Ｄ１、Ｃ２及びＤ２の場合、層摩耗を観察することができる。
・試験により、ほとんどの層に対し対抗体のわずかな摩耗が生成されるが、Ａ１、Ｄ１及びＤ２に対しては摩耗が存在しない。

【0101】

最終的に、試験はまた、高温でも行われる。これを目的として、異なる、ある程度は温度安定性の油２が使用された。この油の使用によっては、室温でのこれまでのＳＲＶ試験の知見とは原則的に何も変わらなかった。油２は、わずかに異なる摩擦係数を与えたが、コーティング及び対抗体の摩耗挙動に対し、他の定量的な結果は何も与えなかった。

【0102】

これは、このことがすべての他の油にも当てはまるという意味ではない。他の添加剤単独での使用により、摩擦係数の劇的な変化をもたらすことができる。しかしながら、これは、これらの調査の内容ではないので、詳細に説明することはしない。高温でのＳＲＶ試験のために使用される油２は、１６０℃の温度までの試験に対して安定であった。

【0103】

表４は、室温（ＲＴ）、１００℃及び１６０℃で試験された試験層を示す。表は試験層のわずかな選択のみを示し、主に、本発明の主題となる層材料に集中する。

【0104】

再びであるが、すでに上述したように、摩擦係数の時間経過、層摩耗、及び対抗体の摩耗が、これらの層及び対抗体に対して試験された。以下において、この手順が、一例を使用して再び実証されるが、今回は光学顕微鏡画像はなく、表面プロファイルのみが示される。摩擦係数の決定、並びに層摩耗及び対抗体摩耗の定量評価が、すでに上述された評価と同様に行われた。

【0105】

図１５ａ〜１５ｃは、対抗体としての酸化アルミニウムを有するコーティングシステムＡ１、Ｄ１及びＤ２に対する、潤滑（油２）ＳＲＶ試験のための摩擦係数の時間経過を示す。室温における異なるコーティング材料の比較により、Ａ１及びＤ１並びにＤ２間の明確な差異が明らかになる。これらは高温で減少するが、消滅するわけではない。すべての温度に対し、層Ｄ１及びＤ２は最も低い摩擦係数を有する。

【0106】

図１６は、層Ａ１及びＤ２に対する層摩耗と対抗体摩耗とを比較する。Ａ１が値２という低い層摩耗を有する一方、Ｄ２は層摩耗を示さない。加えて、双方の層に対して酸化アルミニウム対抗体の摩耗が存在しない。

【0107】

まとめると、高温でのＳＲＶ試験に対して以下のことがいえる。

【0108】

ＳＲＶ：対抗体としての１００Ｃｒ６による高温での潤滑
・すべての調査済みの層に対する摩擦係数は、０．２近辺の値を示す。室温において、層Ｄ１及びＤ２はそれぞれ、約０．１８及び０．１６の値を有する。これは、Ａ１のもの（０．２０）よりも有意に低い。高温において、これらの差異は次第に消滅するが、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層は依然として最も低い摩擦係数を有する。
・Ａ１が、すべての温度範囲に対し低い層摩耗を示す一方、酸化物層Ｄ１及びＤ２は層摩耗を示さない。他方、多くの非酸化物層が摩耗を受ける。Ｂ１及びＣ２を例外として、対抗体にはわずかな摩耗のみが存在する。ここで、層の表面粗さ、及び恐らくはトライボシステムのならし挙動もまた、重要な役割を果たす。所定の時間周期の後、対抗体摩耗は、接触表面のサイズにわたって安定する。

【0109】

ＳＲＶ：対抗体としての酸化アルミニウムによる高温での潤滑
・室温における摩擦係数はわずかに低く、高温に対してはわずかな増加を示す。しかしながら、０．２近辺となるすべての場合において、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層Ｄ１及びＤ２は、Ａ１の場合よりも低い。
・低い層摩耗は、Ａ１の場合、すべての温度において生じ、大きな摩耗はＢ１の場合に生じる。酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層は摩耗を有しない。
・すべての層に対し、測定できる対抗体の摩耗が存在しない。

【0110】

一緒になってトライボロジー接触を形成する本体１０５、１０７及び対抗体１０３、１１１を有するトライボロジーシステム１又は２が記載されてきた。本体１０５、１０７の表面１０８が、少なくとも接触領域において第１コーティング１２によりコーティングされ、対抗体１０３、１１１の表面１１２が、少なくとも接触領域において第２コーティング１１によりコーティングされ、特徴とされるのは、第１及び第２コーティング１２、１１の少なくとも一方が、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層であることである。

【0111】

トライボロジーシステム１又は２において、他方の層１１、１２は、Ｍｏ、ＭｏＮ、ＭｏＣｕＮ、ＤＬＣ又はｔａ−Ｃに基づく層を含み得る。

【0112】

トライボロジーシステム１又は２において、第１及び第２コーティング１２、１１双方が、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層を含み得る。

【0113】

コーティング１２、１１の少なくとも一方、好ましくはコーティング１２、１１の双方が（Ａｌ−ｘＣｒ−ｙ）２Ｏ３の化学組成を有し得る。ここで、０．１≦ｘ≦１かつｙ≦０である。

【0114】

これらのコーティング１２、１１の少なくとも一つ、好ましくはコーティング１２、１１の双方が、１８ＧＰａ以上の硬さを有し得る。

【0115】

トライボロジーシステムは、ガソリン、ディーゼル又はガスの燃焼のために設計されるのが好ましい内燃エンジン１００の一部となり得る。

【0116】

例えば、本体をピストンリング１０３とし、対抗体を、例えばシリンダランニング表面１０８とすることができる。好ましくは、内燃エンジン１００の他の表面は、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層によりコーティングされ、特にシリンダリング溝１０４、ピストンスカート（ピストンコネクタ１１１）、ピストンコネクタ摺動路１１３、及び／又はピストンクラウン１０９が好ましい。

【0117】

【表1a】

【0118】

【表1b】

【0119】

【表2】

【0120】

【表3】

【0121】

【表4】

【図1】

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15a】

【図15b】

【図15c】

【図16】