CN106103788A - 滑动元件、内燃机及用于获得滑动元件的加工 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于内燃机的滑动元件(1)，滑动元件(1)设置有含铁基体材料(2)，所述含铁基体材料(2)上施加有薄膜(6)，所述薄膜(6)相继包括金属连接层(3)、过渡层(4)以及接触层(5)，其中所述连接层(4)包括金属材料，并且所述接触层(5)包括具有最大2％的重量的氢、掺杂有金属元素、形成a‑C:Me型层的DLC(类钻碳)层。

Description

滑动元件、内燃机及用于获得滑动元件的加工
技术领域
为了通过滑动元件的疲劳强度以及耐磨性的提高来增加其使用寿命，并且同时防止与所述滑动元件相互作用的发动机的部件的磨损，本发明涉及一种用于内燃机的滑动元件，所述滑动元件设置有含铁基体，所述含铁基体上施加有相继包括过渡层、连接层以及接触层的薄膜，所述连接层包括掺杂有金属元件的DLC(diamond-like carbon，类钻碳)。
背景技术
考虑到增长的自动化工业的需要，已经出现新的需求反映在内燃机的部件上的更大的应力中。以这种方式，当前的发动机部件并非应对这样的需求设计，经受过早的磨损。部件中的经受该影响的一部分为滑动元件、部分活塞环以及轴承。
很多开发已经显现出提高内燃机的部件的疲劳强度和耐磨性的目的，除了不满足诸如对排放的减少具有直接影响的摩擦的减小的需求外，然而内燃机的工作压力的增加和对于减小摩擦的需求的增长以及发动机的部件的耐久性的增加，由于它们在滑动元件中的一个上或者在发动机的其他部件上导致过早的磨损及失效，所以给这样的尝试的成功提供了难度。
还注意到，对于该活动领域前景不会简单，令人满意的是注意到需要更多有效的发动机来有效地获得更高的转速，且具有更低的消耗和高负荷能力。所有这些因素长期危及发动机的发展，损害发动机的功能，或者而且导致发动机的失效。
自然地，为了新的需求，如果如今那些已知的材料同样限制内燃机的发展，则需要新材料的出现。为了实现更好的发动机性能，最重要的部件中的一些是诸如活塞环、轴承、销等的滑动元件。由于滑动元件的创新，具有了更大的硬度，更大的疲劳强度以及耐磨性，低摩擦系数，并因此更长的使用寿命，与增加的效率、动力以及耐久的发动机相关地，汽车工业已经现代化，对抗所经受的高负荷。
所理解的是，施加至滑动元件的涂层的硬度越大，磨损率越低，然而滑动元件的硬度越大其变得越易碎，并且在其制造期间产生更多的内部应力，特别是导致滑动元件上的涂层的分层的可能性的增加，部件的最硬涂层的分离，或者甚至是部件的损坏或破裂。
在此意义上，现有技术的滑动元件已经尝试通过足够高的硬度的涂层以便其不容易在与发动机的其他部件的接触中磨损，从而达到平衡。通过DLC(diamond-like carbon，类钻碳)的薄膜的沉积，碳的电子结构主要为sp3。更具体地，这种类型的沉积使得使用四方晶碳(ta-C)，也就是说无碳或者具有低氢含量。
通常，在滑动元件的金属基体上施加有连接层，所述连接层随后接受DLC层，金属基体能够在接受连接层之前接受氮化处理或PVD涂覆。
事实上，沉积有DLC的薄膜由于其高硬度而具有非常大的耐磨性，然而它们也体现出缺点。不仅是硬度，而且还有薄膜的厚度确保涂覆有DLC的部件的使用寿命。在此意义上，至少在理论上，对于相同的磨损率更厚的薄膜提供更大的耐久性。然而，如已知的，DLC的薄膜的沉积产生非常高的内部应力，在沉积的过程和更厚的层的生长中产生限制。
与本发明有关的现有技术的文献中的一篇为美国专利US8123227，其描述了一种滑动元件，其中，所述滑动元件涂覆有非晶体碳的硬薄膜，所述硬薄膜具有等于或小于0.7微米的粗糙度以及位于0.07和0.14微米之间的初始磨损高度。
对于纯碳的薄膜或涂层，高硬度是获得合适的表面光洁度的关键因素，对于配合主体，发动机内衬的低磨损是基本的。由于该原因，在该涂层中，粗糙度需要以将初始磨损最小化为目的进行控制，在加工中产生额外的费用，并且对于一些汽车应用给予了不能独立生存的涂层。在该涂层中描述的层能够被抛光，然而由于高内部应力厚度被限制在2和4微米之间。在提议的涂层中，钨用作内部应力渐缩管(internal stress reducer)，给予具有超过10微米的厚度的层的可能性，而不损坏其耐磨性。
文献EP2432913公开了一种用于内燃机的滑动元件，特别是设置有具有至少一个残余应力倾斜度的ta-C类型的DLC涂层的活塞环。在该情况下，为了获得厚涂层通过sp2和sp3结构的处理方式使用内燃机的厚涂层处理。而且，已经的涂层具有sp2结构其具有低的耐磨性。
文献JP2013528697也公开了一种滑动元件以及用于获得内燃机的滑动元件的加工，特别是设置有至少一个具有涂层的滑动表面，所述涂层从内到外包括设置有粘合层和具有最小10微米的厚度的ta-C类型的DLC层的金属。为了获得厚的涂层使用了内部应力的处理，允许直至sp2结构的60％，并且还考虑有氢的添加；由于不同于金刚石(100％的sp3)的纯圆柱形结构的涂层，两种情况导致耐磨性的降低。
文献EP2574685描述了一种滑动元件以及获得滑动元件的方法，所述滑动元件包括在滑动元件的基质上的类钻碳(DLC)的涂层，并且材料的20％至40％比沉积在DLC涂层的表面上的DLC软，其中后述的更软的材料包括比DLC涂层软的金属或金属氧化物。技术方案有利于在操作的开始处的表面中影响/运行，添加软材料，然而具有更高的摩擦系数，导致在其操作的开始处的发动机性能的损失。
日本文献JP4331292公开了一种复合薄膜，由于沉积在基体上的第一无氢层的形成以及包括用作滑动层的第二层的形成，所述复合薄膜设置有与基体材料的良好的粘和性，连同低的摩擦系数。
该涂层为具有至少两层的系统的物质，其中一个层为加氢的，当与DLC的无氢层相比较时，已知的加氢层具有较高的摩擦系数以及较低的耐磨性。本发明为无氢。
因此，除了对层的厚度的增加的限制，存在关于经涂覆的层的硬度的均匀性的限制。这种均匀性的缺失来自在DLC的沉积期间需要监视的残余应力的变化，减小沉积的强度以最大化最敏感区域中的内部应力的积累的防止。结果为具有硬度变化的薄膜导致损坏耐磨性并且减少部件的工作寿命。
以这种方式，如今在ta-C薄膜的沉积中存在的一个大的问题由硬度的均匀性的缺失以及不能减小内部应力而产生，防止了具有较大厚度的DLC层的生长。
因此需要实现一种如下的技术方案：确保耐久性的物质、注意到未在与滑动元件相互作用的部件上发生的磨损的必要性，并且，此外，保持整个薄膜的表面的硬度的均匀性的必要性，同时使其能够以内部应力较少的方式沉积DLC薄膜。
发明内容
发明目的
并且，因此，本发明的一个目的为提供一种用于内燃机中的滑动元件，其能够协调造成滑动元件以及发动机的与这样的滑动元件相互作用的表面的更好的耐磨性的原因的不同特性。
并且，另外地，为了通过疲劳强度以及耐磨性的提高来增加滑动元件的使用寿命，并且同时防止与所述滑动元件相互作用的发动机的部件的磨损，本发明的目的为提供一种用于内燃机的具有低摩擦的滑动元件，其包括含铁基体，所述基体上施加有包括连接层、过渡层以及接触层的薄膜，所述接触层包括掺杂有金属元素的DLC(diamond-like carbon，类钻碳)。
并且，而且，本发明的目的为提供一种薄膜，所述薄膜具有其整个表面均匀的硬度，并且同时实现获得具有较低内部应力的DLC层。
本发明的简要说明
本发明的目的由设置了施加在滑动表面上的薄膜的内燃机的滑动元件实现，所述滑动元件包括含铁基体，所述含铁基体上施加有薄膜，所述薄膜相继包括连接层、过渡层以及接触层，其中所述过渡层包括包含金属元素的碳化物，并且所述接触层包含掺杂有所述过渡层的金属元素的DLC(diamond-likecarbon，类钻碳)，其中所述金属元素原子级地等于或小于5％，其中所述DLC包含最大2％的氢的重量。
作为本申请的目的的内燃机的滑动元件，例如，可以包括但不限于，轴承、活塞环、活塞汽缸以及具有滑动特性的内燃机的其他部件。
本发明的目的还由包括如下沉积阶段的获得内燃机的滑动元件的加工实现：
阶段(i)：含铁基体(2)的离子撞击以清扫滑动元件(1)的将接收薄膜(6)的表面；
阶段(ii)：金属连接层(3)的沉积；
阶段(iii)：将反应气体的流量增加至最大值，从而形成过渡层(4)；以及
阶段(iv)：在一致的加工条件下的接触层(5)的沉积。
附图说明
将基于在附图中体现的实施例的示例在下文中对本发明进行更加详细的描述。附图示出了：
图1为本发明的滑动元件的层的表现。
具体实施方式
图1示出了本发明的滑动元件1的截面图。在一种优先的但并不必须的方式中，本发明的滑动元件1包括含铁基体材料2，诸如，包含10％至17％的铬的不锈钢、碳钢或铸铁。在这些基体材料上，可以施加有氮化层，和/或甚至可以具有通过PVD施加的氮化层。在基体材料2上直接施加有金属连接层3，或者，可选地，如在现有技术中发生的，在接收连接层3之前材料基体2接受氮化处理或者PVD涂覆。
作为主要特点，金属连接层3包括具有面心立方(fcc)结构的铬、镍或者钴，其中，在一种优先但不必须的方式中，施加有具有fcc结构的铬的多晶柱状层。特别地，连接层具有在500nm与1000nm之间变化的厚度。
另外地，本发明具有作为创造性特点的事实：在连接层3上施加例如由碳化钨(WC1-x)、碳化铬(CrC1-x)或者碳化铌(NbC1-x)组成的过渡层4。该过渡层4作为其目的需用作两个相邻层之间的衬垫。换言之，过渡层4在缓解具有高内部应力的连接层3与接触层5的金属结构之间的应力方面起作用。
过渡层4包括在0.05微米与0.50微米之间变化的厚度，而且其结构为六边形并且包括纳米晶体相或者甚至非晶体相。在纳米晶体相的情况下，在使用金属钨作为WC1-x使用的情况下可以被索引(粉末衍射标准联合委员会卡号20-1316)。该过渡层4作为特点还具有与连接层3和接触层5的粘和性的加强。
在不同于现有技术的技术方案(专利EP2432913B1以及EP2432915B1)中，为了实现沉积的薄膜的更大厚度，在无氢碳的薄膜的沉积期间，该方案利用内部压力的变化，因此本发明具有不同的构思基础。在该方式中，为了构造在sp2和sp3行驶中具有主要的碳键的结构，接触层5包括无氢DLC薄膜(具有作为最大值的2％的氢)，其中无氢DLC的薄膜的沉积掺杂有过渡层4的金属，其中原子级地，金属元素的量等于或小于5％，以形成具有低内部应力的DLC层。接触层5的厚度在3000纳米与30000纳米之间变化。
尽管是意想不到的，但效果可以理论上由碳结构内部的金属用作缓解元素来解释，这提供了更大的强度并将无氢碳的薄膜的摩擦系数和耐磨性保持在出色的水平。
而且，除了低的内部应力值，还观察有金属结构(大约180GPa)与包括掺杂有金属的DLC的连接层3(在180与300GPa之间)和接触层5(大约300GPa)之间的杨氏模量的差异。通过在机械负荷期间防止复杂化的目的，完全需要过渡层4以具备处于连接层3与接触层5中间的杨氏模量。
结果，本发明的薄膜6，其尺寸在4微米与25微米之间变化，实现了内部应力的减小并限制了裂缝的蔓延，导致薄膜6的耐磨性的增加以及低摩擦。通过在掺杂有金属(a-c：Me)的四方晶碳(ta-C)的薄膜内获得不同结构的目的，接触层5通过高沉积能的应用而生长，其中四方构造的sp3杂化作用以及sp2杂化作用为主要的形式，解释了涂层的高硬度。更具体地，接触层5的碳的结构主要由sp2结构组成，使得综合剧烈程度D和G带之间的比率在拉曼光谱中位于0.2与1.0之间。
由于从薄膜6与基体材料2之间的界面得到、以及接触层5与过渡层4的WC通过以低功率喷涂加工的掺杂的事实，内部应力的控制以合适的方式发生。
与接触层5掺杂在一起的金属必须与在过渡层4的形成中所使用的金属相同。因此，例如，如果使用氮化钨的过渡层4，则在DLC中掺杂的金属应当也为钨。
在可能的优选的构造中，在掺杂中使用的金属的量最大为5％的原子重量。出于这样的原因，接触层或者DLC可以为纳米结构的或者非晶体的，这是因为在DLC的结构中金属可以是固溶体，导致非晶体构造，或者其可以是金属元素的小岛(small islands of themetal element),导致纳米构造。
出于这样的原因并且通过仍然不能明确地确定具有关于上述量的碳的结构的金属的结合方式，接触层5作为掺杂的DLC层被参考。另外，a-c:W层的纳米晶体或非晶体形式归因于WC的沉积为阴极弧PVD与PVD喷射加工的结合。而且，包含金属的层通过PACVD(Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition，等离子辅助化学蒸汽沉积)或者PVD(Plasma Vapour Deposition，等离子蒸汽沉积)沉积加工。
用于获得内燃机的滑动元件的加工包括如下沉积阶段：
阶段(i)：含铁基体(2)的离子撞击以清扫滑动元件(1)的将接收薄膜(6)的表面；
阶段(ii)：金属连接层(3)的沉积，优选地，然而并非必须地，为钨的沉积；
阶段(iii)：将反应气体的流量增加至最大值，从而形成过渡层(4)；以及
阶段(iv)：在一致的加工条件下的接触层(5)的沉积。
必须注意的是，在阶段(iii)与阶段(iv)期间，还使用有至少两个截然相反的对象(金属或石墨)。
本发明基于关于本薄膜6的微结构的形态组织的当前发现，连同通过与非晶体结构结合的晶体金属材料(W)的两个结合层的添加而实现更好的粘合的新的沉积加工，这样的特性导致少量的磨损率以及材料的粗糙度的增加。
通过使用认可的摩擦学性能来维持DLC结构，以及通过厚度的增加来改善薄膜6的耐久性的目的，需要金属元素的添加(掺杂)。作为大的优点，由于不干涉sp2碳键的形成，干涉缓解内部应力，所以金属元素(例如，钨)对DLC层的硬度不具有影响。在此，金属插入到以碳化物的形式沉积的层中，与碳复合。钨以合适的合金水平添加，但是低于陶瓷显出的水平，同时并非基于碳化物的形成而维持金属成分的弹性特性，所述碳化物趋于更加耐破坏，但是防止DLC涂层中的典型缺陷，诸如与基质的低粘和性以及对构建厚层的限制。
在本发明之前使用汽车部件实施的不同的试验揭露了，在许多滑动及磨损的摩擦学接触场合下，具有更高硬度的涂层呈现更好的性能。本发明具有非晶体/纳米晶体薄膜6的替代方案，其十分难以获得具有作为基础的两个基本不同的方案的更好的结果。
首先，主要由于强度与粗糙度的结合更适于基体材料的特性及其需要，本质上这些涂层趋于固有地更加耐破坏，防止在基于碳的涂层中发现的典型的缺陷，诸如脱离。
第二，通过确保作为发动机的所有运转状态的功能的好的性能以及通过具有低摩擦值的高耐久性的方案的方式确保发动机的长使用寿命的目的，纳米晶体或非晶体金属相用作应力的释放点并且提供对抗配合主体(诸如，例如，活塞环/汽缸对中的内缸壁)的磨损的额外保护。
图2和图3示出了本发明的样本与现有技术的样本之间的耐磨性和分层的比较。两个试验针对本发明的样本实施，并且两个试验针对现有技术的样本实施，获得以下结果：
根据所发现的，本发明的样本具有比现有技术的样本大大明显出色的耐磨性。以相同的方式，当与现有技术的样本相比较时，本发明的样本揭露了在发生分层之前支撑较大的负荷。
在该方式中，本发明的建设性的构造超过了起初的预期，完全证明了新的滑动元件1。因此，所实现的出色的结果确保了具有高硬度的滑动元件1可以存在并且增加内燃机的部件的使用寿命。这些部件的使用寿命的增加也导致了内燃机的通常的使用寿命的大大的增加，包括在这些当今的发动机中的应力是明显更大的。以这种方式，通过本发明的滑动元件1所实现的结果对于现有技术的效果是较高的，通过实现防止不仅本身的磨损，而且防止与其相互作用的发动机的其他部件上的磨损，可期望商业上的成功。因此，本发明不仅包括滑动元件1，而且包括包含本发明的滑动元件1的发动机。
以这种方式，将证明本发明的滑动元件1的清楚的优点，其中以具体方式沉积的化学元素的结合为之前未实现的出色的结果的根源。
已经描述了优选实施例的示例，应当理解的是，本发明的范围包含仅由所附的权利要求书的内容限定的其他可能的变化，包括在其中的可能的等同替代方式。

Claims (20)

1.一种用于内燃机的滑动元件，其设置有施加在滑动表面上的薄膜(6)，所述滑动元件(1)包括含铁基体(2)，所述含铁基体(2)上施加有薄膜(6)，所述薄膜(6)相继包括金属连接层(3)、过渡层(4)以及接触层(5)，所述滑动元件(1)的特征在于：
所述过渡层(4)包括包含金属元素的碳化物；并且
外层(5)包含掺杂有所述过渡层(4)的金属元素的DLC(类钻碳)，其中所述DLC包含最大2％的氢的重量，
对于比率Me/C，所述外层(5)中的金属和碳之间的原子比率等于或小于0.1。
2.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述接触层(5)包括掺杂有金属元素的非晶体碳(ta-C或者a-C)，所述金属元素原子级地最大为5％。
3.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，在所述过渡层和接触层(4,5)中使用的金属元素为钨、铬或铌。
4.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述外层(5)包括掺杂有金属元素的无氢的DLC层，其中所述DLC层为非结构性的或者非晶体的。
5.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述碳结构以综合剧烈程度D和G带之间的比率在拉曼光谱中位于0.2与1.0之间的方式为sp3和sp2。
6.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述过渡层(4)包括WC1-x、CrC1-x、NbC1-x。
7.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述过渡层(4)包括在0.05和0.50微米之间变化的厚度。
8.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述薄膜(6)的厚度从5微米变化至25微米，特别是在10和20微米之间。
9.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述薄膜(6)的硬度在2500HV和5000HV之间变化。
10.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，基体材料(2)由包含10％至17％的铬、碳钢或者铸铁的不锈钢组成。
11.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述连接层(3)包括具有面心立方(fcc)结构的铬、镍或者钴。
12.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述连接层(3)通过任何金属源的蒸汽沉积获得。
13.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于包含金属的层通过PACVD(等离子辅助化学蒸汽沉积)或者PVD(等离子蒸汽沉积)加工沉积。
14.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述连接层(3)通过阴极电弧加工获得。
15.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述基体(2)在接收所述连接层(3)之前接受氮化处理或者PVD涂覆。
16.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，其为活塞环、挺杆、轴承或者销。
17.一种内燃机，其包括如在前面的权利要求中限定的滑动元件(1)。
18.一种用于获得内燃机的滑动元件的加工，其包括如下沉积阶段：
阶段(i)：含铁基体(2)的离子撞击以清扫滑动元件(1)的将接收薄膜(6)的表面；
阶段(ii)：金属连接层(3)的沉积；
阶段(iii)：将反应气体的流量增加至最大值，从而形成过渡层(4)；以及
阶段(iv)：在一致的加工条件下的接触层(5)的沉积。
19.根据权利要求18所述的加工，其特征在于，在阶段(ii)中所沉积的层为钨。
20.根据权利要求18所述的加工，其特征在于，在阶段(iii)和阶段(iv)的沉积期间使用有至少两个金属或石墨的截然相反的对象。
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