CN103608482A - 具有涂层的滑动件、特别是活塞环和生产滑动件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滑动件，特别是活塞环，其在至少一个工作表面上，从内到外具有含金属的粘结层的涂层和至少10μm厚度的ta-C型DLC层。一种用于生产滑动件，特别是活塞环的方法，其中涂覆含金属的粘结层并且实施至少10μm厚度的ta-C型DLC层。

Description

具有涂层的滑动件、特别是活塞环和生产滑动件的方法
技术领域
本发明涉及一种在至少一个工作表面上具有涂层的滑动件，特别是活塞环，以及用于生产滑动件的方法。
内燃机中的滑动件如活塞环、活塞或缸套必须在其长的寿命期间以尽可能小的摩擦和低磨损来工作。通过DLC（类金刚石碳）涂层，可将内燃机中与燃料消耗直接相关的摩擦保持为低。此外，理论上可实现多达40μm的层厚度。但是，大于5μm的层厚度存在着下面的问题，即层的性能例如会相对于层的结构和组成而言改变，使得无法实现所要求的寿命。这对于小于5μm的层厚度同样如此。
本发明的目的是提供一种具有含金属粘结层和带有适当层厚度的ta-C型DLC涂层的滑动件，以保证在部件的整个寿命期间摩擦功率的损失最小。
背景技术
类金刚石碳层(DLC)是具有sp3-杂化的碳原子占很大比率的亚稳定形式的无定形碳。目前，通过不同的方法在各种基材上提供类金刚石碳层，以便开发新的部件。最熟知的方法是PA-CVD、溅射和真空电弧气相沉积方法(DE4006456)，通过它们可对能够大批量生产的滑动件进行涂覆。因此，可提供的层系统通常在PA-CVD的情况中包含氢，以及在溅射或真空电弧气相沉积方法的情况中为无氢的。在Carbon films VDI Guideline 2840中可找到关于可能的DLC层系统的概述。
下表1列出了对本申请上下文中的现有技术有帮助的文献。在表中对关于方法的出版物和关于产品的出版物之间进行了区别。
Figure BDA00001906025500021
Figure BDA00001906025500031
从EP 0724023中得知了一种无氢（＜0.5原子数%）的DLC涂层，其在无润滑及使用少量润滑剂的条件下具有良好的磨损行为。该层的最大厚度为几微米，具有＞40GPa的硬度和＞400GPa的弹性模量。
从DE 102005063123B3中得知了一种滑动件，其具有带有良好的磨合行为的DLC涂层。由于其寿命过短，因此无法保证在滑动件的整个寿命期间恒定为低的摩擦。
DE 102008016864涉及一种具有多层涂层的滑动件，其从内到外包括粘结层、含金属和氢的DLC层，以及无金属的含氢DLC层。
DE 19735962A1披露了一种导套和用于在导套的内表面上形成硬质碳膜的方法，在其中通过等离子CVD方法在内表面上形成了氢化的、无定形碳的硬质碳膜。
WO 2006/125683A1披露了一种活塞环，其从内到外包括含有IVB、VB或VIB族元素的层、具有类金刚石纳米复合物组成的中间层，以及DLC层。
所熟知地是，当sp3-杂化的碳原子的含量尽可能地高、特别是高于60原子数%时，会达到良好的磨损值。这种层称为ta-C层，并可由传统的溅射过程或所谓的真空电弧方法来生产（关于这一点参见表1中的DE 4040456C1和DE 19850218C1）。无氢的ta-C涂层可生产为具有几微米的厚度，作为含氧层（关于这一点例如参见表1中的DE 102008022039A1中的教导）以及无氧和无氢层（关于这一点例如参见EP 0724023A1）。
在本上下文中也已知了硬质材料基PVD涂层，在绝大多数情况中其包含氮化铬。尽管这种层具有所要求的抗磨损性，但是其没有所必须的低摩擦系数。
发明内容
根据这种背景技术，本发明的目的是提供一种滑动件，其在摩擦系数和磨损性能的结合方面进行了进一步的改进。还提供了用于生产这种滑动件的方法。
因此，根据本发明的滑动件在至少一个工作表面上从内到外地包括具有含金属粘结层的涂层，以及带有至少10μm厚度的ta-C型DLC层。有利地是，含金属的粘结层不但保证了DLC层的粘结，还可使发生在该层内的内应力均匀化。10μm的最小层厚度保证了在发动机的整个寿命期间可获得所要求的抗磨损性，并且额外地允许良好的摩擦值。特别是，磨损行为可适应于滑动件、特别是活塞环本身，并可适应于对应件、例如缸套。通过下文描述的方法步骤，特别是通过金属离子溅射方法来清洁要涂覆的表面，以及所描述的用于粘结层和DLC层的生产方法，保证了根据本发明的涂层的可生产性。因此，可提供显著改进的滑动件。
制造滑动件、特别是活塞环的一项核心要求在于提供一种能够在元件的寿命期间内持续使用的涂层，以保证在整个操作期间最小损失的摩擦功率。在发动机的初始校验中发现，尽管与含氢的DLC涂覆的活塞环相比ta-C涂覆的活塞环/AlSi运行轨道系统所达到的磨损低约60%，但是根据应用和滑动接触表面的情况，必须有至少10μm的层厚度。涂层的厚度作为一个整体优选为至多约20μm。
在其他权利要求中将发现优选的实施方案。
为了保证足够的层粘结性，特别是在厚度大于几微米的ta-C层中，还需要在基材和DLC层之间提供含金属的粘结层。目前，基于最初的发现，对于粘结层优选地是其包含下面材料中的至少一种：铬、钛、氮化铬和钨。
已经发现，从0.1μm到1.0μm的厚度对于粘结层是有利的。
当DLC层基本上无氧和/或无氢、即包含小于0.5原子数%的量的这些元素时，进一步发现了特别好的性能。
DLC层的硬度和弹性模量也影响活塞环的摩擦行为。在测试期间，发现不大于55GPa的表面硬度和不大于550GPa的弹性模量对于涂层是有利的。
与现有技术相比，还已经发现在发动机的外部和内部的校验中，当DLC层具有至少40原子数%含量的sp3杂化的碳原子时，会达到特别好的磨损值。
在该层的靠近边缘的1μm到3μm的外部区域内有目的地降低sp3的含量可导致磨合期内的摩擦和磨合时间本身的进一步降低。在发动机外部的初始测试中，发现了另一实施方案，其中对靠近边缘的外部1μm到3μm进行掺杂，这导致了在不充分润滑的条件下和多达700N的最大载荷下在热阻和烧痕方面的进一步改善。
有利地是，可使用元素如硼、氧和/或硅对DLC层的靠近边缘的具有从1μm到3μm厚度的外部区域进行掺杂。
特别是，为了保证低摩擦值，滑动件的工作表面必须尽可能地平。这里提供的DLC层优选地具有在涂覆状态中RZ＜6μm的粗糙度深度，以及在完成状态中RZ＜2μm、特别是＜1μm的粗糙度深度，以及Rpk＜0.3μm、特别是＜0.1μm的最小峰高。关于这一点，根据EP1829986A1和DE 19850218C1的测量方面的内容包含于本申请的主体中。
待涂覆的滑动件的基材或基础材料优选为可针对特殊应用而氮化的铸铁或钢。对于作为基础材料的铸造材料，其优选形式为：
-带有片层石墨的未合金化、未回火的铸铁
-带有碳化物的合金化的、热处理的或未热处理的灰口铸铁
-回火的球墨铸铁
-未回火的蠕墨铸铁
-铸钢（至少11重量%的铬，带有嵌入的特定碳化物的回火马氏体结构，氮化或未氮化）
对于作为基础材料的钢，其优选形式为：
-铬钢，至少11重量%的铬，氮化或未氮化
-铬-硅-碳钢
发动机内的测试已经显示，通过非常小的“尖锐”的下部运行边缘，可以实现涂覆有根据本发明的ta-C型DLC层的活塞环的特别良好的油刮擦动作。因此，进一步优选地是，根据本发明的活塞环的下部运行表面边缘具有不大于0.2mm、优选小于0.1mm的半径。
通过在权利要求14中描述的用于生产滑动件、特别是活塞环的方法进一步实现了上文提及的目的，其中涂覆了含有金属的粘结层以及至少10μm厚度的ta-C型DLC层。在本发明的上下文中已经改进了在各种文献（见表1）中描述的真空激光电弧方法的生产方法以生产＞10μm的ta-C层，这是由于使用了在材料选择和层厚度方面进行了优化的粘结层，并且工艺参数保证了在整个涂覆时间的工艺稳定性。在一个方面，从根据本发明的滑动件的上述描述中可以清楚通过该工艺而实现的优选方式和优点。在这一点还提及了也可将在下文中描述的关于该工艺的所有特征用于根据本发明的滑动件。
在另一方面，提及了可通过溅射方法、热气相沉积方法或电气相沉积方法、例如电弧方法来特别可靠地形成粘结层。
如上文所述，如果通过金属离子溅射方法来清洁要涂覆的表面，则可实现在将粘结层粘结到滑动件基材方面的特殊优点。
有利地是，可通过抛光、带子和/或刷子打磨来降低所完成的涂层的粗糙度。

Claims (18)

1.一种滑动件，特别是活塞环，其在至少一个工作表面上从内到外地包括具有含金属的粘结层的涂层和至少10μm厚度的ta-C型DLC层。
2.根据权利要求1所述的滑动件，其特征在于，所述粘结层包含下述材料中的至少一种：铬、钛、氮化铬和/或钨。
3.根据权利要求1或2所述的滑动件，其特征在于，所述粘结层具有从0.1μm到1.0μm的厚度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，所述ta-C层包含少于0.5原子数%的量的氧和/或氢。
5.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，硬度不大于55GPa，弹性模量不大于550GPa。
6.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，所述ta-C层具有至少40原子数%含量的sp3杂化的碳原子。
7.根据权利要求6所述的滑动件，其特征在于，在所述层的外部的1μm到3μm的区域中，sp3的含量降低。
8.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，对所述层的外部的1μm到3μm的区域进行掺杂。
9.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，所述ta-C层的外部的1μm到3μm的区域掺杂有下面元素中的至少一种：硼、氧和/或硅。
10.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，所述涂层具有＜6μm、优选为＜2μm、特别是＜1μm的粗糙度深度RZ。
11.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，所述涂层具有＜0.3μm、优选为＜0.1μm的最小峰高Rpk。
12.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，所述基材为铸铁或钢。
13.根据上述权利要求中任一项所述的滑动件，其特征在于，下部运行表面边缘的半径不大于0.2mm，优选为＜0.1mm。
14.一种用于生产滑动件、特别是活塞环的方法，其中进行含金属的粘结层和至少10μm厚度的ta-C型DLC层的涂覆。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述粘结层通过溅射方法、热气相沉积方法或电气相沉积方法如电弧法而形成。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述ta-C层通过真空激光电弧方法而形成。
17.根据权利要求14到16中任一项所述的方法，其特征在于，通过金属离子溅射方法对要涂覆的表面进行清洁。
18.根据权利要求14到17中任一项所述的方法，其特征在于，在所述涂层形成之后，通过抛光、带子和/或刷子打磨使其光滑。
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