CN101918612B - 低摩擦元件的制造 - Google Patents
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Abstract
一种机械元件的制造方法，包括提供(210)具有粗糙曲表面的机械元件，该粗糙曲表面优选地具有大于Sa＝0.1μm的表面粗糙度。该方法的特征在于，在交叉方向上将固体润滑剂物质直接摩擦化学沉积(214)到粗糙曲表面上。机械元件具有曲表面。该曲表面具有摩擦化学沉积的固体润滑剂物质的表面层。机械元件能通过上述方法得到。一种用于制造这样的机械元件的工具，包括：支撑部分、至少一个工具工作表面、用于提供朝着曲表面压紧工具的力的装置以及用于沿着所述曲表面在两个不同的方向上移动所述至少一个工具工作表面的驱动装置。工作表面包括能够形成稳定硫化物的元素的氧化物、碳化物和/或硅化物。
Description
技术领域
本发明总体上涉及低摩擦元件的制造、相关的工具及由此制造的元件。
背景技术
在内燃发动机中，经常允许在汽缸内发生燃烧过程，借此迫使活塞相对于汽缸运动。该相对运动必须是低摩擦的，以便不浪费由燃烧过程释放的能量，特别是不会将释放的能量转化成活塞和汽缸中的热。此外，活塞和汽缸之间的物理关系必须使得能将燃烧气体的任何泄漏降到最低。
为此目的，汽缸的内表面被仔细处理，以达到一般在Sa＝0.15-0.50μm范围内的最终表面粗糙度。这种表面处理过程通常可采用许多步骤来执行：镗孔、粗珩磨、精细珩磨、平顶珩磨和汽缸相对于配套的活塞环的可能磨合。所导致的表面轮廓通常由具有可用于包含润滑剂的平的峰和谷的平台形状突起(plateau shape stylus)，也就是润滑剂储器组成。
在活塞和汽缸的操作期间，通常添加润滑剂。汽缸壁内残留的粗糙度能包含小体积的润滑剂，由此在汽缸和活塞之间形成膜，导致相对较低的摩擦系数，即全膜润滑。然而，当滑动速度在活塞的转折点接近零时，不能满足全膜润滑的要求。在这种情况下，称为边界润滑，摩擦系数由接触的两种固体即活塞环材料和汽缸壁材料的剪切性能所确定。
传统的润滑剂是基于石油产品。当与汽缸内的热环境接触时，一些润滑剂也将会被分解。由于润滑剂经常包含对环境方面不是很友好的元素，所以润滑剂的这种分解会产生危险的燃烧气体。因此为了环境方面的原因，存在降低危险润滑剂的这种添加的需求。然而，如果没有这种润滑油添加剂，保持活塞环和汽缸之间良好的润滑将很困难。
可选的润滑物质，例如固体润滑剂，也已被使用。已知例如石墨、MoS2和WS2展示了低摩擦特性。在WO95/02023中，发动机的汽缸内径壁设置有可热喷射粉末，包含密封于例如Ni或Sn的软金属的薄金属壳中的至少石墨和MoS2的芯部。涂层还提供了可在其中容纳油类润滑剂的多孔性。在中国专利CN 1332270的摘要的英文翻译中，公开了一种方法，在该方法中，通过在包含MoS2或WS2的电镀液中进行电镀或化学镀来提供低摩擦表面。在英国专利GB847,800中，通过包含例如W和S的聚合物的热分解提供了金属硫化物涂层。
曲表面，尤其是内部汽缸壁，为表面处理提供了特别的挑战。很难以平滑的、均匀的和可控制的方式在整个表面上提供基于溅散、电镀、热分解、PVD、CVD等的表面涂层。原因主要是几何学的问题，因为设备或物质供应必须在汽缸内部的一般限制体积内执行，并且还受制于可能的遮蔽效应(shadowingeffect)。必须提供整个新的制造工艺步骤和制造工具，这使得生产成本非常高。
此外，现有技术方法提供的固体润滑剂层具有不同种类的内在缺陷。在使用软金属壳中的粉末时，芯部的润滑特性被软金属部分地禁止。此外，芯部的润滑物质提供在任意的晶体方向上，从而提供低摩擦表面和具有略高摩擦的表面。在电镀或热分解的情况中，很难控制表面层到汽缸壁的附着，以及任何晶体的生长方向。此外，必须提供适合的反应环境。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的用于制造具有低摩擦表面的元件的方法。本发明的进一步目的是提供容易执行且不昂贵的这样的制造方法。根据这种制造方法和用于执行这种制造方法的制造工具提供具有低摩擦表面的元件也是本发明的目的。
以上目的通过根据所附的权利要求所述的方法、设备和装置来实现。总体来讲，在第一方面，机械元件的制造方法包括提供具有待覆盖的表面的机械元件。优选地，表面粗糙度高于Sa＝0.1μm，其中Sa定义为三维算术平均粗糙度，也称为中心线平均粗糙度。该方法的特征在于，将固体润滑剂物质直接摩擦化学沉积到待覆盖的表面上。在待覆盖的表面的至少一部分的每个点上，在沿着待覆盖的所述表面的至少两个交叉方向上执行摩擦化学沉积。
在第二方面，机械元件具有低摩擦表面，其含有摩擦化学沉积的固体润滑剂物质的表面层，固体润滑剂物质在沿着表面的至少两个交叉方向上沉积在表面的至少一部分的每个点上。
在第三方面，用于机械元件的表面处理的制造工具包括：支撑部分、至少一个工具工作表面、用于提供朝着待覆盖的表面压紧工具工作表面的力的装置以及用于在沿着曲表面的至少两个交叉方向上在表面的至少一部分的每个点上移动工具工作表面的驱动装置。工具工作表面是摩擦化学沉积工具的工作表面，包括含有Mo和/或W的氧化物、碳化物和/或硅化物。
本发明的一个优点是，与通常的现有技术方法相比，本发明采用更少的表面处理步骤就能够制造具有低摩擦系数的极平滑的元件表面。这是由于以下事实：通过在一些方向上降低表面峰和底部谷，摩擦化学沉积同时作用于两个边缘上的表面粗糙度参数。在至少两个交叉方向上，在每个点的摩擦化学沉积保证了均匀的表面层。当在相对粗糙的原始表面上进行沉积时，还提供了具有良好的附着到汽缸主要材料的特性的相对较厚的表面层。摩擦化学反应过程平行于一个滑动方向的内在方向性，进一步保证了固体润滑剂具有平行于表面定向的低摩擦晶面，并且能够控制以定向到有意的相对运动方向。
附图简要说明
通过参考下面的描述以及附图，可更好地理解本发明及其目的和优点，在附图中：
图1是摩擦化学沉积的示意图；
图2是现有技术发动机汽缸制造工艺的示意图；
图3是根据本发明的发动机汽缸制造工艺的一个实施方式的示意图；
图4是根据本发明的与表面相互作用的工具的一个实施方式的示意图；
图5是根据本发明的制造方法的一个实施方式的步骤的流程图；
图6是根据本发明的机械元件的一个实施方式的示意图；
图7A-B是根据本发明的工具的实施方式的图示；
图8示出了用于制造具有曲表面的机械元件的装置的一个实施方式；
图9A-D是工具工作表面的实施方式；以及
图10A-B示出了交叉方向的含义。
发明详述
在本说明书中，不同附图和实施方式中相同或直接相关的特征由相同的参考数字表示。
在本说明书中，采用术语“交叉(transverse)”。在本说明书中，通过交叉于表面上的一点的两个不平行的运动来定义在表面上或沿着表面在两个交叉方向上运动的预期含义。图10A示出了认为是非交叉的运动的两个例子。图10B示出了交叉运动的三个非排他的例子。在这些例子中，在上述的表面上有至少一个点通过两个非平行方向。
根据本发明所述，通过直接地摩擦化学沉积到待覆盖的表面，优选的是相对粗糙的表面，提供了具有固体润滑剂的表面。摩擦化学沉积在摩擦和磨损领域中广为人知。例如，在2006年瑞典乌普萨拉大学的Nils Stavlid的ISBN为91-554-6743-1的博士论文“On the Formation of Low-Friction Tribofilms inMe-DLC-Steel Sliding Contacts”的综述中观察到，形成了具有类似于WS2的组分的化合物。
在图1中，描述了模型系统。工具10的工作表面12设置有碳化钨14。由力16将工具10压紧待处理的基板表面20。同时，工具10以速度18在基板表面20上移动。在工作表面12和基板表面20之间的接触中，在基板表面20上形成摩擦膜22。也就是说，通过摩擦化学沉积形成了摩擦膜22。摩擦膜通常也称为磨损转移膜、反应层等。
具有处于接触以及相对运动的两个表面导致表面上的摩擦作用。在接触点，发生了极度局部应力和增加的局部温度，这有助于形成摩擦膜的不同的化学反应路径。当两个表面是不同的组分时，即接触是异质的，经常很难预测反应路径。因此，产生的摩擦膜有时得到了不能由其他过程轻易得到的化学组分。
在图1的模型系统中，基板表面20是含铁表面，例如钢表面，这表示基板表面20上存在铁原子24或粒子。此外，在接触区8或接触区8附近提供了包含自由形态的硫32的处理液30。可能的化学反应可包括来自工具的工作表面12、来自基板表面20和/或来自处理液30的元素。在当前的模型系统中已经证实，形成的摩擦膜22包括为WS2 26或类似WS2 26的物质，即固体润滑剂材料。此外，基板表面材料也有助于形成第二相28的化学反应，第二相28包括类似FeS的物质，因为Fe能够形成稳定的硫化物。因此，模型系统中形成的摩擦膜22具有散布于复合材料中的固体润滑剂26，其中第二相28来源于基板材料。该第二相28作为将固体润滑剂26粘合到基板表面20的粘合剂。
尽管一般认为WC是非常硬的材料且不易磨损，但是能够确定，通过将W从含W的工作表面12选择性转移到基板表面20导致的摩擦化学沉积并且还通过与来自处理液30的硫的化学反应来形成含WS2的膜。因此，压紧力16足够产生导致钨、硫和基板表面之间的化学反应的材料的变形。尽管工作表面12和处理液30中具有高碳含量，但是摩擦膜22实际上不包含碳。
形成的摩擦膜22基本上填充了基板表面20上原始存在的所有空隙和不平坦的地方。WS2一般通过金属硫粘合剂(如在硫化铁FeS中)结合到基板材料。获得的摩擦膜22的表面实际上变得非常平滑，此外认为在近期内有可能达到10nm以下的粗糙度。平滑是由两种机制来操作的。首先，通过工具的物理作用切掉基板表面凸出的边缘。其次，形成的摩擦膜22填充剩余谷。如果在多于一个交叉方向上执行沉积，则形成这样的摩擦膜22的一致性和效率得到较大改善，因为边缘和谷然后以互补方式受到影响。此外，在滑动接触中使用多于一个交叉方向导致界面处的空隙形成的趋势降低，这则导致增强的涂层附着。
摩擦膜22的厚度主要取决于基板表面20的原始粗糙度。从粗糙表面能比从平滑表面实现较厚的摩擦膜22。同样，已总结出，在粗糙表面上形成的摩擦膜到基板的粘合强于在平滑表面上形成的摩擦膜。然而，形成的摩擦膜的最终粗糙度实际上与原始的基板表面粗糙度无关。
在需要固体润滑剂作为在摩擦接触机械操作中的表面处的减摩剂的应用中，需要相对厚和强的表面涂层。奇怪的是，根据本发明的发现，这些表面更容易在相当粗糙表面而非较平滑表面上直接得到。同时，当比较具有不同原始表面粗糙度的样品时，最终表面涂层的最终粗糙度很难完全不同。这意味着不仅可能在相对粗糙的表面上进行固体润滑剂的摩擦化学沉积，而且更倾向于这种方式。因此发现，为了提供良好的固体润滑表面，原始平均表面粗糙度(Sa)应该大于0.1μm，优选的大于0.5μm，更优选的大于1μm，甚至更优选的大于2μm。
可用不同方式定义平均表面粗糙度。然而，在本说明书中，表面粗糙度的数值由3维的Sa值定义，Sa是算术平均粗糙度，也称为中心线平均粗糙度。
摩擦化学沉积的该奇怪特征能方便地用于在不同的机械元件处产生低摩擦表面。由于与曲表面不相容的其它可选的制造工艺的内在问题，该方法在制备低摩擦曲表面时特别有用。然而，也可能制造平表面。当曲表面是内部表面例如轴承套的内部表面或汽缸内径的内壁时，认为可呈现最大优势。该内径例如可以是内燃发动机的汽缸或液压元件的汽缸。然而，本发明也适用于外凸表面，例如轴或活塞表面。由于沿着旋转地对称的表面的运动相对容易实现，因此优选旋转地对称的表面。
在下面的详细描述中，发动机元件的汽缸被用作模型机械元件。
在图2中，示意性示出了现有技术内燃发动机的汽缸的一般制造工艺。在机械元件41中，本例中是发动机元件42，提供汽缸内径40。具有旋转地对称几何的曲表面43，本例中是汽缸内径40的内部表面44，一般具有粗糙表面。使用例如金刚石执行粗珩磨，这给汽缸内径40提供了精确的正确尺寸。同时，将内部表面磨到较精细的表面粗糙度。对现有技术应用来说，表面粗糙度仍然太大，并且执行精细珩磨程序。使用抛光石创建平顶精加工(plateau finish)。一般使用金刚或碳化硅磨石。现有技术工艺的实施方式的最后步骤是开动发动机，以进一步移除最后的残渣并平滑表面。这部分通常是最麻烦的，因为该工艺的至少一部分通常发生在例如交通工具的传送之后。如果操作条件不利，该磨合程序可导致汽缸内径表面与理想情况相差甚远。磨合步骤也可省略。
图3示出了根据本发明的相应的制造工艺。镗孔步骤基本上没有变化。粗珩磨步骤可存在，但不是完全必要的。如果镗孔足够精确地提供具有精确的最终尺寸的汽缸内径，甚至可省略粗珩磨。精细珩磨和磨合步骤也可省略。代替地，在至少两个交叉方向上执行摩擦化学沉积步骤。固体润滑剂层由此直接形成在粗糙表面上，产生了低摩擦表面和非常小的粗糙度。通过摩擦化学沉积的工业应用实现的表面粗糙度的一般值被估计为约小于0.1μm。对于坚固的膜，最终表面粗糙度优选地小于原始基板表面的表面粗糙度的2/3，原始基板表面即执行摩擦化学沉积的表面。通过比较图2和图3，人们立即认识到，本发明使得可能完全移除制造工艺中的至少两个步骤且用单个步骤取代它们，其产生了低摩擦表面涂层和低表面粗糙度。此外，这个新步骤能够在不对传统制造设备进行太大修改的情况下执行，这意味着本发明也能在现有生产线中非常便宜地执行。
鉴于以上讨论，根据本发明的具有表面的内燃发动机的汽缸经历比常规的汽缸更低的摩擦。测试表明，由于活塞环和汽缸内衬接触的摩擦，一般会丢失提供给内燃发动机的全部能量的6％。对根据本发明制造的表面执行的其它测试显示，边界摩擦级别能够降低60％之多。这种降低因此将允许全部效率改进1.8-3％，降低了燃料需求。根据估计，在汽缸寿命期间，节省的燃料可能对应整个交通工具的全部生产成本的5-10％。
当该制造方法应用于具有需要提供低摩擦的曲表面的其它机械元件时，类似的优点也将显现。
图4示意性示出了根据本发明的由与表面相互作用的工具获得的摩擦化学沉积操作。工具10具有工作表面12，在本实施方式中设置为在圆形工具芯部15周围提供的表面层13，该工具10相对于基板表面20压紧16和移动18。处理前的基板表面20具有至少0.1μm的表面粗糙度，且优选为至少0.5μm。在接触环境中提供包含硫的处理液30。产生了包含固体润滑剂的平滑摩擦膜22。
当使用现有技术方法来利用含WS2的物质覆盖表面时，将实质上随意地引导固体润滑剂的晶面。然而，通过形成包含固体润滑剂的摩擦膜，实际摩擦化学过程在晶面方向引进了偏好。幸运的是，摩擦化学过程有利于固体润滑剂晶面实质上平行于表面引导。这意味着，例如WS2晶体中易修剪的硫-硫平面平行于表面，甚至与随机定向的WS2相比，这显著降低了摩擦。由摩擦化学沉积应用的涂有WS2的表面因此展示了与以其它方式应用的涂有WS2的表面相比较低的摩擦。
摩擦化学过程中的滑动接触导致了基板表面峰的磨损。也就是说，粗糙表面的“峰”的部分将被侵蚀，且有助于与来自工作表面的材料一起填充“谷”。如上所述，如果该磨损在多于一个方向上在待处理的表面的至少一部分的每个点上引导，还将获得更高效的处理。膜的构建变得更加均匀，且产生具有改进的附着的较密的表面层。通常来讲，工具沿着基板表面在至少两个互相交叉即互不平行的不同方向上的运动更有效率。
已经执行过实验测试，比较了通过只在一个方向上摩擦化学沉积应用的涂有WS2的表面和通过在交叉方向上摩擦化学沉积应用的涂有WS2的表面。结果显示，在交叉方向上涂覆的表面提供了更平滑的表面以及更厚的WS2沉积层。在交叉方向上涂覆的表面处的摩擦系数通常也更低。较低的摩擦被认为是更平滑的表面以及更好的摩擦膜覆盖的结果。
在多于一个方向上的表面处理也降低了传递工作表面的不完美的几何而对沉积膜的最终表面结构具有任何重大恶化影响的风险。例如，如果覆盖圆形汽缸表面，单纯轴向方向和单纯切向方向中的沟结构(groove texturing)只导致缺陷。对于具有单纯螺旋形的沟也是如此。然而，通过具有在交叉方向上涂覆的表面，工作表面的任何不完美的几何将导致也分布于交叉方向的不完美。这种模式可有助于例如在随后的使用期间分布附加的液体润滑剂。
然而，基板表面和工具之间的运动的相对方向也将影响晶体方向。在一维运动的情况下，工具被移动的方向通常将比垂直方向展示略微较低的摩擦系数。在已知表面暴露于沿着实质上一个方向的运动物体的情况下，因此优选在同一方向上具有工具的主要工作方向，同时次要工作方向有助于改进摩擦膜质量。已知套内的轴旋转具有实质上正切相对运动。在这种情况下，优选在正切方向即沿着轴和/或套的周边上具有接触表面的大多数工作，以及对其的较小部分交叉。然而，在汽缸中，活塞旨在相对于汽缸基本上轴向地运动。在这种情况下，优选在轴向方向上执行接触表面的大多数工作，以及对其的较小部分非平行。
图5示出了根据本发明的制造方法的一个实施方式的步骤的流程图。制造方法开始于步骤200。在步骤210中，提供具有待覆盖的表面的机械元件。表面可为弯曲的表面，优选为旋转地对称的表面，例如汽缸内径表面。在一般情况下，这样的汽缸内径可以是内燃发动机汽缸内径、涡轮机内部表面、液压汽缸内径或滑动轴承筒表面。它还可以是例如轴或活塞的外部表面。在步骤212，对待覆盖的表面进行粗磨，使表面具有要求的尺寸。优选表面粗糙度大于Sa＝0.1μm，且由于较厚涂层的增加的耐久度，更优选高达至少范围在2-3μm的更粗糙的表面。如果例如步骤210直接提供要求的最终尺寸和合适的粗糙度，则可省略步骤212。在步骤214，在至少两个交叉方向上将固体润滑剂物质直接摩擦化学沉积到表面。优选地，摩擦化学沉积通过将摩擦化学沉积工具的工作表面压紧该表面并贴着该表面滑动摩擦化学沉积工具的工作表面来提供，导致摩擦化学沉积工具的工作表面和待覆盖的表面之间的接触区中的变形。这导致了材料从摩擦化学沉积工具的工作表面到待覆盖的表面的磨损转移，提供了平滑的机械元件表面，远低于0.1μm。在汽缸的情形中，优选在汽缸内径的轴向方向和周边方向执行滑动。通过使用工具的轴向运动和周边运动之间的合适关系，人们能保证产生的涂层是密集的且拥有良好的附着性和低摩擦系数，正如上面进一步讨论的。步骤214优选地还包括在压紧和滑动动作期间向接触区提供硫，其中硫与磨损转移到汽缸的材料发生反应。在步骤216中，可执行任何要求的所覆盖表面例如汽缸内径的后处理，例如表面结构方法或热处理。然而，在该方法的基本方案中，步骤216可省略。程序在步骤299结束。
在上面的例子中，使用WS2作为模型固体润滑剂，因为它包含易修剪的层状晶体结构。然而，还有能使用的其他候选的固体润滑剂。类似WS2的稳定的层状金属二硫化物能由金属Ti、Nb、Mo和Sn形成。然而，由于不可能形成其他具有较高金属比例的硫化物，优选的W和Mo为特别感兴趣的。
图6示意性示出了由图5的方法制造的机械元件41的一个实施方式。一个结构，在本实施方式中是汽缸内径40，设置于机械元件41中，在本实施方式中是发动机元件42，具有曲表面43，在本实施方式中是内部表面44。发动机元件42具有摩擦化学沉积的固体润滑剂物质的层22。由于原始表面粗糙度大于0.1μm，所以表面层22的厚度一般超过0.1μm，并且最终表面粗糙度远低于0.1μm。
图7A示出了用于制造具有曲表面的机械元件的工具10的一个实施方式。在本实施方式中，工具10旨在处理内部圆筒形表面。工具10包括支撑部分50，实际上由圆筒体52形成，其提供散布于圆筒体52的周边周围的多个轴向导向槽54。圆筒体设置于轴56处。在每个槽54中安排设置有工具工作表面12的工具夹58。(图中移除了一个工具夹以增加前面槽的可视性。)在工具夹内部的槽54中提供弹性部件59。弹性部件59可操作地用于提供向外压紧工具工作表面12的装置60。由于本实施方式的整个工具旨在放入用于内部圆筒形表面的摩擦化学沉积的圆筒形孔，所以工具工作表面12朝着该曲表面压紧。弹性部件59例如可以是弹性材料的连续梁或弹簧装置。可选地，用于提供朝着曲表面压紧工具工作表面12的力的装置可以是活动装置(active means)，例如以可控方式提供合适的压紧力的机械装置，如压缩气体或液压流体。
工具10还包括驱动装置61，在本实施方式中在轴56上操作。驱动装置61被安排为沿着曲表面的两个不同方向移动工具工作表面。在本实施方式中，为内部圆筒形表面而准备，驱动装置61旋转轴56并也在轴方向上移动。对于在圆筒形表面内部处理的工具来说，具有多于一个工作表面存在是有利的。在本实施方式中，提供了四个工作表面12。在本实施方式中，所有四个工作表面12都预期是根据上面描述的工作表面。然而，对于纯机械工作表面，一个或一些工作表面可被交换，仅对一般平坦操作起作用，作为摩擦化学工作表面的补充。
在图7B中，示出了用于制造具有曲表面的机械元件的工具10的另一个实施方式。在该工具中，只存在一个摩擦化学工作表面12。工作表面12覆盖圆筒形工具夹58的圆筒形表面，圆筒形工具夹58则由支撑部分50支撑，在本实施方式中，支撑部分50具有通用U-形。工具夹58可能围绕其轴旋转，以便在前面方向显示表面的不同部分。本实施方式中的工具10旨在处理外部曲表面。工具10由安排为沿着预定路径移动支撑部分50的驱动装置61驱动。支撑部分50和工具夹58的弹性与驱动装置61的运动配合，以创建使工作表面12压紧待处理的表面的力。驱动装置61能由例如CNC机器或工业机器人轻易地执行。
在本发明中，摩擦化学惰性石69附加地连接到支撑部分50。支撑部分的连接部分设置为用于交换摩擦化学沉积工具的工作表面和摩擦化学惰性石的位置的装置68。支撑部分50因此变得有利于摩擦化学沉积和其他可能的摩擦化学惰性处理，例如在摩擦化学表面的沉积或沉积后压实之前对表面的粗珩磨、粗加工。
图8示出了一种用于制造具有曲表面的机械元件的装置80的一个实施例。工具10设置成压紧机械元件41的曲表面20并相对于机械元件41的曲表面20移动。因此，在机械元件41处形成了摩擦化学表面层22。在本实施方式中，装置80设置有接触电阻测量装置82，包含通过连接85、86分别电连接到测量探针83和机械元件41的控制单元84。测量探针83是弯曲物体，其半径小于机械元件41的曲表面的最小半径。测量探针83具有良好定义的表面，并且以良好控制的方式与机械元件接触。控制单元84被安排为控制测量探针83的运动。控制单元84还被安排为检测接触电阻中的任何变化。这种接触电阻测量在现有技术中已知，但能应用于本发明中用于控制实际处理期间机械元件41的表面的工作。接触电阻受到表面层22的形成的很大影响，并且表面的工作因此能被控制，直到达到要求的接触电阻。
工具的工作表面的组合物必须提供能够形成稳定的硫化物的元素，例如作为摩擦化学反应源的耐火金属，尤其是W和/或Mo。在这些元素的氧化物、碳化物和硅化物中能发现合适的物质。经测试具有良好结果的工具物质是碳化钨、三氧化钨和碳化钼。能够用不同的方式提供工作表面。工作表面物质的表面层例如能沉积到另一材料的工具芯部，例如由图4中指示的那样。这种沉积能由例如PVD工艺提供。工具表面上的粒子的晶体大小应该保持很小，以增加反应性。优选地，晶体平均大小应该小于100nm。在图9A中，示出了本发明可使用的工作石的一个实施方式。工作石90包括柱状芯部92。在柱状芯部92的表面处，沉积工作表面12。操作期间朝向待处理的表面压紧工作石90，同时旋转工作石90。这样的优点是，工作表面12的材料磨损的速率实际与围绕工作石90的材料的速率相同。
优选地，工作表面12的实际形状适合于想要处理的表面。工作表面和待覆盖的表面之间的点接触的处理是可能的，至少在理论上是可能的。然而，为了实用的目的，优选扩展的接触区或线接触。在图9A的实施方式中，接触区一般是线接触。工作表面因此能具有不同的几何形状。如果待覆盖的表面具有小的凹结构，工作表面的几何扩展必须要小。这里，共形接触区可以是优选的。在这些实施方式中，当两个配套的表面精确地配合或更近地配合在一起时，接触区是创建的扩展表面。如果相反要处理凸表面，能使用更大的和更平的或凹的工作表面。这里也可使用共形接触区。对于待覆盖的平表面，工作表面也可以是平的。然而，整个接触区必须保持足够小，以在接触区内产生足够的压力。在所有平表面和在一个方向弯曲的表面上，一般可能使用线接触。
在图9B中，示出了工作石90的另一种实施方式。这里，芯部90由工作表面只在一个窄的有限部分覆盖。这种实施方式的优点是容易附加到工具，且不必提供进一步的运动。如上所述，具有小的凹曲率半径的表面可被处理。代替地，缺点是工作表面的材料非常有限，且本实施方式的工作石90将很快磨损。
在图9C中，示出了工作石90的另一种实施方式。这里，芯部90提供有凹表面，其上沉积有工作表面12。这种工作石90适合于例如处理轴的外部表面。
另一种选择是提供一种具有工作石的工具，其中要求的工作表面物质存在于工作石的整个体积中。在图9D中示意性示出了这种实施方式。采用这种方式，工具的工作表面的寿命能得到相当大的增加。这种工具能例如由使用粘合物质将Mo和/或W的氧化物、碳化物和/或硅化物的晶粒粘合在一起来制造。从金属铁和基于碳的合成粘合剂中能发现合适的候选者。在图9D的实施方式中，工作石90也能展示散布于工作表面的小的多孔体积96，其包含小数量的必要的硫物质。因此，在不需要任何外部供应的情况下就能实现必要的硫的供应。
以上描述的实施方式应理解为本发明的一些示意性例子。本领域技术人员应该了解，可对实施方式进行各种修改、组合和改变而不脱离本发明的范围。特别地，在技术上可行之处，不同实施方式中的不同部分解决方案能与其它配置结合。然而，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (1)
1.机械元件（41）的制造方法，包括以下步骤：
提供（210）具有待覆盖的表面（20）的机械元件（41），
其特征在于，还包括以下步骤：
将固体润滑剂物质直接摩擦化学沉积（214）到待覆盖的所述表面（20）上；
在待覆盖的所述表面（20）的至少一部分的每个点上，在沿着待覆盖的所述表面（20）的至少两个交叉方向上执行所述摩擦化学沉积（214）；沿着所述表面（20）在两个交叉方向上的运动是通过交叉于表面上的一点的两个不平行的运动来定义的。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩擦化学沉积（214）的步骤包括：
将摩擦化学沉积工具工作表面（12）压紧待覆盖的所述表面（20），并在所述至少两个交叉方向上贴着待覆盖的所述表面（20）滑动摩擦化学沉积工具的工作表面（12），从而在所述摩擦化学沉积工具的工作表面（12）和待覆盖的所述表面（20）之间的接触区（8）中产生变形，
由此导致材料从所述摩擦化学沉积工具的工作表面（12）到待覆盖的所述表面（20）的磨损转移，提供了平滑的机械元件表面。
3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述摩擦化学沉积（214）的步骤还包括：
在所述压紧和滑动期间向所述接触区（8）提供硫，
其中，硫与磨损转移的所述材料发生反应。
4．根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述机械元件（41）在待覆盖的所述表面（20）处包括能够形成稳定硫化物的物质。
5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述能够形成稳定硫化物的物质是Fe。
6．根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述提供硫的步骤是从具有所述工具工作表面（12）的工具（10）单独执行的。
7．根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述提供硫的步骤是由包含在所述摩擦化学沉积工具的工作表面（12）中的多孔体积（96）中的硫来执行的。
8．根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，待覆盖的所述表面是具有大于Sa = 0.1μm的表面粗糙度的粗糙表面，其中，Sa定义为三维算术平均粗糙度，也称为中心线平均粗糙度。
9．根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体润滑剂物质包括Mo和W中的至少一种元素的硫化物。
10．根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述工具工作表面（12）包括含有Mo和W中的至少一种元素的氧化物、碳化物和硅化物中的至少一种化合物。
11．根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述工具工作表面（12）包括粘合剂物质，所述粘合剂物质粘合包含Mo和W中的至少一种元素的氧化物、碳化物和硅化物中的所述至少一种化合物的晶粒。
12．根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，待覆盖的所述表面（20）是曲表面（43）。
13．根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述曲表面（43）是汽缸内径（40）的凹表面（44）。
14．根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述曲表面（43）是外凸表面。
15．具有低摩擦表面的机械元件（41），其特征在于，所述低摩擦表面（20）具有摩擦化学沉积的固体润滑剂物质的表面层（22），所述固体润滑剂物质在沿着所述低摩擦表面（20）的至少两个交叉方向上沉积在所述低摩擦表面（20）的至少一部分的每个点上；沿着所述表面（20）在两个交叉方向上的运动是通过交叉于表面上的一点的两个不平行的运动来定义的。
16．根据权利要求15所述的机械元件，其特征在于，所述固体润滑剂物质包括Mo和W中的至少一种元素的硫化物。
17．根据权利要求15所述的机械元件，其特征在于，所述低摩擦表面（20）是曲表面（43）。
18．根据权利要求17所述的机械元件，其特征在于，所述曲表面（43）是旋转地对称的表面。
19．根据权利要求17所述的机械元件，其特征在于，所述曲表面（43）是汽缸内径（40）的内部表面（44）。
20．根据权利要求15到19中任一项所述的机械元件，其特征在于，所述机械元件（41）是内燃发动机元件（42）。
21．根据权利要求15到19中任一项所述的机械元件，其特征在于，所述机械元件（41）是液压汽缸元件。
22．根据权利要求15到18中任一项所述的机械元件，其特征在于，所述机械元件（41）是轴承元件，并且所述低摩擦表面（20）是内套表面。
23．根据权利要求18所述的机械元件，其特征在于，所述曲表面（43）是外凸表面。
24．根据权利要求15到19中任一项所述的机械元件，其特征在于，所述机械元件（41）选自轴和活塞。
25．机械元件，根据权利要求1到7中任一项的方法得到。
26．用于制造提供低摩擦表面（20）的机械元件（41）的工具（10），包括：
支撑部分（50）；
至少一个工具工作表面（12）；以及
用于提供力的装置（60），其用于提供向着待覆盖的所述机械元件（41）的表面（20）压紧所述至少一个工具工作表面（12）的力，
其特征在于，所述至少一个工具工作表面（12）是摩擦化学沉积工具的工作表面，包括含有能够形成稳定的层状金属二硫化物的元素的氧化物、碳化物和硅化物中的至少一种化合物；并且
通过还包括驱动装置（61）来在相对于待覆盖的所述机械元件（41）的所述表面（20）的至少两个交叉方向上，在所述表面（20）的至少一部分的每个点处移动所述至少一个摩擦化学沉积工具的工作表面；沿着所述表面（20）在两个交叉方向上的运动是通过交叉于表面上的一点的两个不平行的运动来定义的。
27．根据权利要求26所述的工具，其特征在于：所述摩擦化学沉积工具的工作表面包括含有Mo和W中的至少一种元素的氧化物、碳化物和硅化物中的至少一种化合物。
28．根据权利要求26所述的工具，其特征在于：所述摩擦化学沉积工具的工作表面（12）包括粘合剂物质，所述粘合剂物质粘合氧化物、碳化物和硅化物中的所述至少一种化合物的晶粒。
29．根据权利要求26到28中任一项所述的工具，其特征在于：所述摩擦化学沉积工具的工作表面包括含有硫物质的多孔体积（96）。
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