滑動元件,特別是一種具有涂層的活塞環(huán)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種滑動元件，尤其涉及一種活塞環(huán)。
[0002]諸如活塞環(huán)之類的滑動元件有滑動表面，在該滑動表面上滑動元件與摩擦配對件滑動接觸。該摩擦學(xué)系統(tǒng)是復(fù)雜的，并且顯著地由諸如摩擦配對件的材料匹配和環(huán)境條件等決定，該環(huán)境條件包括諸如壓力、溫度和周圍介質(zhì)?；瑒釉_地用在現(xiàn)代發(fā)電機(jī)中，特別是在高負(fù)載條件下，例如，在活塞環(huán)上。為了保證功能和延長部件的使用壽命，滑動元件的滑動表面性能尤其需要優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0003]這樣的優(yōu)化通常包括采用諸如熱噴涂、電鍍或薄層等或多或少的復(fù)雜分層系統(tǒng)等技術(shù)方法。這些涂層的主要目的是防止磨損，并且首先通常關(guān)注的是涂層的高硬度。類金剛石涂層(類金剛石，DLC)已經(jīng)被證明是特別硬且可靠的涂層。這些可以以許多方式進(jìn)行變化，例如，通過改變它們的C-C結(jié)合特性，碳的不同結(jié)合片段，在它們的成分中添加或不添加氫和金屬。粘附層經(jīng)常應(yīng)用在這些磨損保護(hù)層的底層，為了確?；瑒釉幕A(chǔ)材料在高負(fù)載磨損保護(hù)層的可靠性和強(qiáng)大粘附性。
[0004]然而，非常硬的DLC層的專有使用會導(dǎo)致一些技術(shù)問題。一方面，這些層的表面必須非常光滑，這樣在一個(gè)更高的表面壓力下，表面不會被破壞，涂層系統(tǒng)也不會被破壞。進(jìn)一步顯示，例如，活塞環(huán)磨損和襯套磨損會隨著磨損保護(hù)層的粗糙度的增加而顯著增加。因此，在使用之前有必要盡可能使磨損保護(hù)層的表面光滑，然而這與大量的工藝上的努力和高成本有關(guān)。例如，EP1829986B1描述了一種通過直立形狀或盤狀形狀元件處理高硬度碳基材料層的方法。另一方面，非常硬的磨損保護(hù)層有不宜的磨合性能。由于其高硬度，磨合性能會導(dǎo)致摩擦配對件的消耗，在磨合階段經(jīng)歷增強(qiáng)磨損，此外形成刻痕和/或燒痕。
[0005]考慮到磨合性能，在這里提供比磨損保護(hù)層還要軟的磨合層是權(quán)宜之計(jì)。這些層的目的是為了產(chǎn)生一種摩擦學(xué)的“平衡”，其中，這些層在與摩擦配對件的第一次接觸時(shí)被剝?nèi)?。通過這樣，這些層與摩擦配對件就產(chǎn)生了一種相互調(diào)節(jié)。緊隨著磨合階段，摩擦磨損減緩并穩(wěn)定下來，然后，堅(jiān)硬的磨損保護(hù)層確保長期有利的摩擦特性和永久的耐久性。
[0006]DE102005063123B3描述了一個(gè)滑動元件的層系統(tǒng)從內(nèi)部到外部，包括一個(gè)磨損保護(hù)層，一個(gè)粘附層和一個(gè)Me-C:H類型的磨合層，也包括硬的物質(zhì)材料，例如碳化鎢。
[0007]DE102008042747A1描述了一個(gè)具有涂層的滑動元件，從內(nèi)到外依次是粘附層、PVD層、a-C: H: W類型的碳基層、a-C: H類型的碳基層和a_C: H類型的碳基層。結(jié)果證明外部的碳層比下面的碳層要軟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是基于提供一種滑動元件的目的，特別是一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，具有最佳的機(jī)械和摩擦性能。更具體地是，該目的包括提供這樣一種滑動元件，其表面有良好的磨合性能，即在磨合過程中具有縮短的磨合時(shí)間，減少抗體磨損和減少燃油消耗。進(jìn)一步地，能夠提高滑動元件表面的加工性能。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，其目的能夠由根據(jù)權(quán)利要求1的滑動元件解決。本發(fā)明的有利的體現(xiàn)和進(jìn)一步的發(fā)展能夠由從屬權(quán)利要求陳述的特征實(shí)現(xiàn)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的滑動元件，特別是活塞環(huán)，具有至少一個(gè)滑動表面，該滑動表面具有涂層，從內(nèi)到外至少有一個(gè)第一粘附層，一個(gè)硬質(zhì)無氫DLC層，一個(gè)第二粘附層，一個(gè)軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層，以及一個(gè)硬質(zhì)含氫的DLC層。該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層比該硬質(zhì)無氫DLC層軟，該硬質(zhì)含氫DLC層比該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳的DLC層硬。
[0011]內(nèi)部的硬質(zhì)無氫DLC層在磨合之后承擔(dān)滑動元件在長時(shí)間運(yùn)行過程中的磨損保護(hù)，從而確?；瑒釉邆涞牧己玫哪途眯院凸δ苄?。為了最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)該功能，ta-C類型的層優(yōu)先被使用，也就是以可實(shí)現(xiàn)的高硬度為特點(diǎn)的四面體的、無氫、非晶碳層。。
[0012]該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層，特別相比于以上描述的DLC層比較軟，但是，它也有非常好的摩擦性能。該層較好地成形為四面體的無氫的非晶碳層(ta-C)或者為含氫的非晶碳層(a_C:H)或者為含金屬和氫的非晶碳層(Me-DLC)。軟質(zhì)DLC層在兩個(gè)硬質(zhì)DLC層之間作為一個(gè)穩(wěn)定的中間層，因此保護(hù)整個(gè)層系統(tǒng)不被產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力破壞。
[0013]涂層的最外層由硬質(zhì)含氫DLC層形成。該層優(yōu)選地被配置為和比內(nèi)部硬質(zhì)DLC層稍微軟一些，且具有更低的耐磨性。通過這種方式，能夠通過該滑動元件在使用前(例如，內(nèi)燃機(jī)內(nèi))的光滑處理相對經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)較低的表面粗糙度。該層因此適合于作為磨合層，能實(shí)現(xiàn)較好的磨合性能，例如具有圓柱狀滑動表面的活塞環(huán)，該層作為一個(gè)整體能夠縮短磨合時(shí)間，減少抗體摩擦和減少燃料油耗，同時(shí)減少磨合階段的串氣。
[0014]層系統(tǒng)進(jìn)一步由兩個(gè)粘附層形成，該兩個(gè)粘附層將內(nèi)部的硬質(zhì)DLC層和該軟質(zhì)DLC層良好地結(jié)合在一起，這樣涂層在磨合階段的高負(fù)載下不會失去其整體性和功能性。另一方面，第一粘附層作為滑動表面的基礎(chǔ)材質(zhì)的粘合劑，通過這樣形成涂層整體的耐久性和功能性的基礎(chǔ)。
[0015]選擇的DLC層材料考慮到了各層在涂層中單獨(dú)使用時(shí)的層性能的良好的最優(yōu)化效果，例如改變氫的含量或添加金屬的類型。作為一個(gè)整體，該層系統(tǒng)能夠令該滑動元件在整個(gè)使用壽命中始終保持低摩擦。
[0016]優(yōu)選地，該硬質(zhì)無氫DLC層的硬度在大約1800至大約3500HV 0.02之間，該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳的DLC層的硬度在大約800至大約1400HV 0.002之間，該硬質(zhì)含氫DLC層的硬度在大約1800至大約3100HV0.002之間。如上所述，硬度的不同程度取決于各個(gè)單層在涂層中的不同功能。內(nèi)部的硬質(zhì)無氫DLC層高的最大硬度保證在整個(gè)使用壽命內(nèi)的耐久性。該軟質(zhì)DLC中間層的較低硬度有利于涂層的機(jī)械穩(wěn)定性，外部的硬質(zhì)含氫DLC層的稍低的最大硬度被證明有利于滑動元件的磨合性能。改進(jìn)后的磨合性能導(dǎo)致摩擦配對件相互之間的摩擦學(xué)穩(wěn)定性，以及導(dǎo)致滑動元件相對于滑動配對件的幾何結(jié)構(gòu)更好的調(diào)整。因此，硬度程度在給定的數(shù)值范圍內(nèi)被證明是特別有利的。
[0017]為了確保涂層的功能性和可用性，硬質(zhì)DLC層和軟質(zhì)DLC層之間硬度比優(yōu)選地在大約1.2倍至大約4.4倍之間。較小的硬度差異將導(dǎo)致層系統(tǒng)的過度同質(zhì)，非常相似的層屬性將可能使得機(jī)械穩(wěn)定性或最佳磨合性能或優(yōu)質(zhì)的耐久性的效果丟失。另一方面，硬度的更大差異就會導(dǎo)致沒有技術(shù)上的意義，且不會有任何積極的附加效果。
[0018]該軟質(zhì)含氫，含金屬和/或含金屬-碳的DLC層優(yōu)選地包括鎢相和/或鎢碳相和/或硅和/或硅碳相和/或鉻相和/或鉻碳相。已有證據(jù)表明，元素鎢(W)、娃(Si)和鉻(Cr)和/或其碳化物包含在含氫的非晶碳層中形成一個(gè)能良好平衡穩(wěn)定性和摩擦性的層。
[0019]優(yōu)選地，第一和/或第二粘附層是含金屬的，特別是包含鉻。該粘附層由低溫等離子方法形成，例如通過物理氣相沉積。
[0020]優(yōu)選地，滑動元件的滑動表面的涂層的總厚度為大約5 μ m至大約50 μ m。在這個(gè)范圍內(nèi)的層厚度確保磨合層和穩(wěn)定層有足夠的厚度來實(shí)現(xiàn)他們的功能，以及確保磨損保護(hù)層有充分的物質(zhì)保證在持續(xù)運(yùn)行中的良好的摩擦性能。
[0021]包括第一粘附層的硬質(zhì)無氫DLC層的厚度和包括第二粘附層的含氫DLC層的厚度比例在大約1.1和大約12之間。因此，在優(yōu)選的層結(jié)構(gòu)中，作為磨合層的DLC層的通常被配置為比作為磨損保護(hù)層的DLC層要薄。該厚度比在這個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)可以進(jìn)行有益的變化，這取決于滑動元件的運(yùn)行條件，例如，可以實(shí)現(xiàn)相對厚的磨合層或相對薄的磨合層。
[0022]滑動元件的基礎(chǔ)材料能夠由鋼鐵或澆鑄材料形成。這些材料已被證明是特別好的諸如活塞環(huán)的高負(fù)載滑動元件的基礎(chǔ)材料。
[0023]進(jìn)一步地，至少一個(gè)DLC層的表面是機(jī)械地光滑處理過的。盡可能光滑的摩擦表面有助于諸如活塞環(huán)磨損和襯套磨損的減少。
【具體實(shí)施方式】
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性的實(shí)施例，可以想象出一個(gè)復(fù)雜的層系統(tǒng)，在該層系統(tǒng)中，第一含鉻粘附層首先被設(shè)置于滑動元件的基礎(chǔ)材料上，例如鋼鐵或鑄造材料。然后是硬質(zhì)無氫DLC層被設(shè)置于該含鉻粘附上，確保層系統(tǒng)作為一個(gè)整體在整個(gè)使用壽命中的耐久性。硬質(zhì)無氫DLC層之后進(jìn)一步是含金屬的粘附層，該含金屬的粘附層之后接著是相對軟質(zhì)的含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層，以上都吸收機(jī)械剪切力和保持層系統(tǒng)穩(wěn)定。該層系統(tǒng)在外表面上是由硬質(zhì)含氫DLC層構(gòu)成的，該硬質(zhì)含氫DLC層的最大硬度比內(nèi)部的硬質(zhì)DLC層的最大硬度低，并充當(dāng)該滑動元件的磨合層。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.滑動元件，尤其是活塞環(huán)，具有至少有一個(gè)滑動表面，其中所述滑動表面具有一個(gè)涂層，該涂層從內(nèi)到外依序包括至少有一個(gè)第一粘附層，硬質(zhì)無氫DLC層，第二粘附層，軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層，以及硬質(zhì)含氫DLC層，該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層比該硬質(zhì)無氫DLC層軟，該硬質(zhì)含氫DLC層比該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳的DLC層硬。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動元件，其中，該硬質(zhì)無氫DLC層的硬度在大約1800至大約3500HV 0.02之間，該含氫、含金屬和/或含金屬-碳的軟質(zhì)DLC層的硬度在大約800至大約1400HV 0.002之間，該硬質(zhì)含氫DLC層的硬度在大約1800至大約3100HV 0.002之間。3.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的滑動元件，其中，該硬質(zhì)DLC層和該軟質(zhì)DLC層之間的硬度比大約1.2倍至大約4.4倍之間。4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的滑動元件，其中，所述含氫、含金屬和/或含金屬-碳的軟質(zhì)DLC層具有鎢相和/或鎢碳相和/或硅相和/或硅碳相和/或鉻相和/或鉻碳相。5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的滑動元件，其中，所述第一粘附層和/或第二粘附層優(yōu)選含金屬，特別是含鉻。6.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的滑動元件，其中，所述涂層的總的厚度在大約5μm至大約50 μ m之間。7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的滑動元件，其中，包括第一粘附層的硬質(zhì)無氫DLC層的厚度和包括第二粘附層的含氫DLC層的厚度比在大約1.1至大約12之間。8.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的滑動元件，其中，該滑動元件的基礎(chǔ)材料是鋼鐵或鑄造材料。9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的滑動元件，其中，至少一個(gè)DLC層的表面是光滑的。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種滑動元件，尤其是活塞環(huán)，具有至少有一個(gè)滑動表面，其中所述滑動表面具有一個(gè)涂層，該涂層從內(nèi)到外依序包括至少有一個(gè)第一粘附層，硬質(zhì)無氫DLC層，第二粘附層，軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層，以及硬質(zhì)含氫DLC層，該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳DLC層比該硬質(zhì)無氫DLC層軟，該硬質(zhì)含氫DLC層比該軟質(zhì)含氫、含金屬和/或含金屬-碳的DLC層硬。
【IPC分類】C23C28/00, F16J9/26
【公開號】CN104919086
【申請?zhí)枴緾N201480004622
【發(fā)明人】尤里·伊萬諾夫, 馬庫斯·肯尼迪, 拉爾夫·拉默斯, 邁克爾·津納伯德
【申請人】輝門布爾沙伊德有限公司
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2014年1月8日
【公告號】DE102013200846A1, EP2946030A1, US20150362071, WO2014111294A1