CN106795617B - 凸轮轴凸轮的凸头的dlc碳涂覆方法、如此获得的凸轮轴和实施这种方法的设备 - Google Patents

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Abstract

为了处理内燃机车辆用凸轮轴的凸轮，以在具有基于类金刚石碳或DLC类型的无定形碳的硬涂层的区域中降低其相对于相对部件的摩擦系数，将凸轮布置在载体上；将载体和凸轮置于腔室中，该腔室被置于真空下以确保这些凸轮的清洗；使这个载体相对于涂覆源沿着行进轨迹相对运动；并且在将这些凸轮组装到凸轮轴中之前从载体移除所述凸轮；按照固定配置将凸轮布置在载体上，与该轨迹结合的这个固定配置被限定以使得这些凸轮以相对于此源来说基本相同的距离和定向相继面对该涂覆源，以选择性地在向着所述源定向的凸轮侧边的部分上沉积基于类金刚石碳或DLC类型的无定形碳的涂层。

Description

凸轮轴凸轮的凸头的DLC碳涂覆方法、如此获得的凸轮轴和实 施这种方法的设备
技术领域
本发明涉及用于涂覆凸轮轴的凸轮的方法、如此获得的凸轮(came)、如此获得的凸轮轴(arbreàcames)以及用于实施该方法的设备。本发明因而涉及在机械零件如凸轮上应用硬涂层，以降低由于与相对部件的接触所导致的机械应力，所述相对部件典型地是销(linguet)、推杆(poussoir)或者摇臂。本发明相当特别地涉及使用凸轮轴的汽车、摩托车或重型车辆用内燃机的领域。
背景技术
在凸轮/销和凸轮/推杆接触的情况下，尤其通过DLC类型的涂层对销(或推杆)进行处理对于本领域技术人员来说是已知的。要回顾的是，首字母缩写词DLC表示基于无定型碳(“类金刚石碳”)的硬涂层。应用这类涂层的益处在于降低凸轮与销或推杆之间的摩擦(frottement)系数，并且因此降低车辆的燃料消耗和二氧化碳(CO2)排放。这种涂层的应用已经变为是必需的，因为这些部件之间的接触压力不断增加(这种接触压力的增加起因于降低部件尺寸的发展趋势，以便降低它们的质量和由惯性损失的能量)。
然而，尽管DLC涂层具有优异的摩擦性能，但已观察到，某些加有添加剂的油(即包含添加剂)与DLC涂层的组合使用有时会在耐磨损(usure)性和减摩方面导致不能令人满意的结果。当使用包含基于硫和钼的减摩添加剂如MoDTC(二硫代氨基甲酸钼)的油时情况尤其如此；这些MoDTC的益处在于摩擦化学反应导致在所存在的金属表面上、典型地在凸轮/销或凸轮/推杆系统中的凸轮表面上形成保护膜，也被称作摩擦膜。然而已经发现，在(凸轮上形成的)这种摩擦膜的复杂元素与应用到销(或推杆)上的DLC涂层之间发生不希望的化学反应，这导致涂层的加速劣化，也被称作摩擦腐蚀(tribocorrosion)。
由于摩擦膜只在裸(即未涂覆)金属表面上或者在具有高度金属特性的涂层(即大部分由金属元素形成)上形成，一种方案在于以不允许形成这种摩擦膜的涂层(如利用DLC)来涂覆两个相对部件，即凸轮和销(或推杆)。当接触区不存在摩擦膜时，在添加剂与DLC涂层之间没有化学反应发生。DLC涂层则可满足其减摩功能而没有由于存在MoDTC所导致的劣化。
凸轮轴的这种涂层从数年前已被考虑。但迄今为止，与凸轮轴涂层相关的成本的影响是将DLC涂层在凸轮轴上的应用限制到了仅限于赛车领域(尤其是一级方程式赛车)，该成本在一般汽车生产领域中被认为是过高的。
凸轮轴涂层的高成本尤其起因于以下的事实：这种轴是非常大体积的，从而使得不可能同时处理大量的凸轮轴：而且，凸轮轴的形状复杂性使得其处理变得复杂。
不过可以看到，凸轮轴在与销或推杆合作时真正有用的区域只占了整个表面的一小部分(小于25％)，因此将凸轮轴的整个表面进行涂覆看来是多余的。当这与今后已知凸轮轴通过组装轴和多个凸轮而产生的事实组合考虑时，可设想仅在凸轮轴的凸轮上提供保护涂层，条件是随后可将这些凸轮以不引起这种涂层的任何劣化的方式结合到凸轮轴中。
但是，仅处理凸轮轴的凸轮所能够导致的成本降低看起来并不足以将成本降低到可推广该凸轮轴处理的范围内。
一种替代方案看来在于开发对在这些新一代油中所含的MoDTC型添加剂具有化学耐受性的DLC类型的涂层；在这方面可参考文件WO2012/116818A1。但是，这种替代方案也产生额外的成本来源，从而降低了由于仅涂覆凸轮轴的一部分所获得的经济优势。
发明内容
本发明的目的在于以低至足以能够在广义上的汽车推进领域(不仅包括汽车，还包括摩托车和重型车辆)中大规模推广这种处理的成本、借助于保护涂层如DLC涂层来处理凸轮轴，同时能够保持对同样用这种保护涂层(如DLC)处理的部件的良好摩擦性能，即使是在包含添加剂如MoDTC的油的存在下。
为此，本发明提供处理内燃机车辆用凸轮轴的凸轮的方法，以在具有基于类金刚石碳或DLC类型的无定形碳的硬涂层的区域中降低其相对于相对部件的摩擦系数，根据该方法，按照在凸轮和转盘(carrousel)之间的固定配置(configuration)将凸轮布置在转盘上，以将它们的长度沿着这个转盘的半径排齐，在该固定配置中，由这个转盘携带的所有凸轮与该转盘的旋转轴线具有相同的距离，其中它们的凸头(nez)向着转盘的外部定向；将这个转盘以及凸轮布置在腔室中，该腔室被置于真空下以确保这些凸轮的清洗；使这个转盘相对于涂覆源围绕着其轴线旋转，以选择性地在向着转盘的外部定向的凸轮的侧边(tranche)的一部分上沉积基于类金刚石碳或DLC类型的无定形碳的硬涂层；并且在凸轮组装到凸轮轴中之前将其从转盘上移除。
传统上，真空沉积尤其是物理沉积(PVD：物理气相沉积)或者化学沉积(PACVD：等离子体辅助化学气相沉积)。
要理解的是，由于轴线被推开至无穷的旋转将变为平移，因此要理解本发明被概括到以下的情况：其中凸轮被布置为使得它们的长度彼此平行定向，与相对于涂覆源的相对行进轨迹垂直。
而且，本发明被概括到以下的情况：其中不是水平地面对凸轮(并且反之亦然)，而是涂覆源在凸轮之上(或者之下)，其中凸轮例如围绕着水平轴线旋转，或者凸轮在涂覆源之下或者之上平移，或者甚至是在其中凸轮以任何倾斜的方向面对所述源的情况；而这些配置在现有技术的配置中是几乎不现实的。
因而，非常一般地，本发明提供处理内燃机车辆用凸轮轴的凸轮的方法，以在具有基于类金刚石碳或DLC类型的无定形碳的硬涂层的区域中降低其相对于相对部件的摩擦，这些凸轮具有侧边(tranche)，具有圆形区域和形成凸头的延长部分，同时具有由从其凸头一直到圆形区域测量的最大尺寸所限定的长度，根据该方法，将凸轮布置在载体上；将这个载体置于腔室中，该腔室被置于真空下以确保这些凸轮的清洗；使这个载体相对于基于类金刚石碳或DLC类型的无定形碳的硬涂层材料源沿着行进轨迹相对运动；并且在将这些凸轮组装到凸轮轴中之前从载体移除所述凸轮，其特征在于，按照固定配置将凸轮布置在载体上，这个固定配置和这个行进轨迹被限定以使得这些凸轮以基本相同的定向并且以相对于此涂覆源来说基本相同的距离相继面对该涂覆源，以选择性地在向着所述源定向的凸轮侧边的部分上沉积涂层。
行进轨迹可被定义为在相对运动时在载体于所述源面前行进时在载体内任意选择的点所画出的线；要理解的是，因此可根据所选的点定义多个行进轨迹，但这些各轨迹是平行的，以使得可以定义相对于这种行进轨迹的凸轮的定向，而不必具体指明任意选择的点。
在下文中，当该载体由通常为水平的平面盘形成时或者由可以垂直的一个或多个平行平面盘的组装件形成时，该载体被称作托盘。在其中这种托盘或者这种组装件旋转的情况下，它可以使用术语转盘来表示。
在此暗含的意思是，所考虑的涂层具有微米级的厚度(不大于数微米)，这对应于所谓的薄层。因此用于沉积这种涂层的方法是用于形成薄层的方法。
要指出的是，凸轮的侧边(tranche)是指由这个凸轮的平行面界定的实际上窄的区域。本发明并不要求采取预防措施来避免将涂覆材料沉积到这些平行面上。凸头表示凸轮的侧边所具有的最尖的部分，在实际中最远离此凸轮通常所具有的开孔，这解释了为什么凸轮的长度在这个凸头和其侧边所包含的圆形区域之间测量。
本发明获益于以下的事实：在最终分析中，凸轮侧边的仅一部分需要提供保护涂层如DLC，这使得能够显著简化用于形成这种涂层的模式(modalité)，同时在给定体积中对于给定处理条件来说可同时处理的凸轮数目得以增加。
实际上，本发明获益于以下的事实：在实际中仅涂覆凸轮的凸头就足够，或者甚至涂覆这些凸头的仅一部分，以避免相对部件的涂层的劣化，甚至是在油、例如包含MoDTC的油的存在下。更特别地，看来无用的是涂覆凸轮中相对于凸轮旋转轴线来说处于最小距离的部分(通常称作后部)；尽管这个部分在工作时有时也在包含MoDTC的油存在下与相对部件接触，但这种接触在实际中也不会以足够的压力发生，所述足够的压力是指足以在未涂覆区域的表面上存在摩擦膜而促进DLC劣化反应。
而看起来，这个在距凸轮的旋转轴线最小距离处的区域在实际中在围绕这个轴线的大约180°的角度上延伸，这表明为了涂覆在处于最小距离处的这个区域之外的凸轮，不必提供传统上用于确保形成保护涂层的这个凸轮在转盘上的旋转。但要理解的是，本发明并不要求采取特定的措施来避免在摩擦区域之外沉积涂覆材料；甚至可考虑在与相对部件的这些摩擦区域之外沉积材料。
实际上，惯常地，为了确保由涂覆材料源在部件上形成涂层，将这个部件布置在转盘上，转盘本身被安装在转动托盘上，该转动托盘被设计为在真空沉积机器内使其外周面对所述源；在这个转动托盘上安装多个转盘，所述多个转盘被控制围绕着与托盘轴线平行的它们的相应轴线旋转，这赋予了它们的旋转是行星特性的；并且安装在每个转盘上的每个部件能够在这个转盘上转动以将其外周的每个区域呈现给所述源。这意味着存在三种旋转运动的组合(部件相对于其转盘的旋转，这个转盘相对于托盘的旋转，以及托盘在机器中的旋转)。这些旋转传统上围绕着垂直轴线发生。
由于根据本发明不再将凸轮的侧边全部暴露于所述源，因此不再需要提供(本领域技术人员会实施的)部件围绕着它们的轴线的旋转，这使得能够减少要控制的旋转(或运动)的数目。正是这种首要简化导致了成本降低。
而且，由于不再需要提供部件相对于它们的载体的旋转，因此变得可能的是，在给定载体上以比三重旋转的情况要密集得多的方式布置待处理的部件；由此在处理阶段时可处理数目增加的部件，这构成了成本降低的另一个原因。
最后，由于只涂覆部件侧边的一部分，因此涂覆材料的量得以减少，这构成了成本降低的又一个原因。
但在实际中对以下的情况可能会存有疑虑：在凸轮侧边的表面的仅一部分的涂层在工作时会具有令人满意的结合力，而不会在将凸轮安装到凸轮轴上时经历劣化(如上所述，这对于简单薄层来说是一个问题)。但已经发现，这不会具有任何明显的后果(当然条件是涂层以常规措施进行沉积)。
应当强调的是，根据本发明的凸轮的处理在选择围绕着垂直轴线的旋转运动时并不会导致涂覆设备的显著改变，除了转盘的结构通过从其去除第三旋转而得以简化之外。
相反，本发明使得主要运动为平移并且不再必需是旋转运动(围绕着可识别的轴)，在这种情况下，由于行进轨迹是直线的，因此将凸轮布置在此载体上以将它们的长度彼此平行地排齐，同时处于距这个行进轨迹的相同距离处。甚至更一般地，该轨迹可以是直线部分和圆形部分的组合。
而且，本发明使得所述源不再必然需要相对于凸轮是水平的；因而，该凸轮可在所述源之上或者之下行进，或者甚至在所述源面前按照另一方向行进。
要指出的是，相对于诸如DE-10 2009 053 046的文献，本发明的区别在于，尽管此文献提及在凸轮的仅一部分上形成DLC涂层，但其完全没有描述也没有建议选择性地涂覆凸轮的凸头或者甚至其仅一部分。由此文献可以理解，这个涂覆部分可被限制到滑动区域，即凸轮的整个侧边；实际上，其解释了涂层通过如下方式获得：将部件布置在芯轴上，然后将其置于炉中，所述部件被相邻布置以使得涂层仅在这些凸轮的滑动表面或外表面上形成(推荐凸轮的中心开孔本身不进行涂覆)；此文献既没有描述也没有建议至多在凸轮的凸头上形成涂层，或者在其仅仅一部分上形成涂层；无论如何，其既没有描述也没有建议如何获得这种结果。
同样，相对于诸如EP-2 682 230的文献，本发明的区别在于，尽管此文献提及凸轮可仅在它们的表面的一些区域上具有无定型碳涂层，但此文献既没有描述也没有建议限制这种涂层到凸头上，甚至此凸头的仅仅一部分上。实际上，此文献涉及在凸轮的表面上形成微观组织以能够捕获润滑剂，并且这仅仅是一般性的描述而没有哪怕是最少的具体信息提及如此改变的涂层本身可被限制到凸轮的区域。此文献既没有描述也没有建议涂覆凸轮的单一区域(凸头的全部或者一部分)并且没有包含任何用于获得这种结果的具体信息。
优选地，由于凸轮具有中心开孔，因此它们在旋转运动的情况下通过使杆穿过开孔而被布置在转盘上，所述杆平行于转盘的轴线进行定位并且被布置在距此轴线的相同距离处，这些杆围绕着此轴线有规律地进行角度分布，以使得在一个杆上接合的凸轮与在最近杆上接合的凸轮是至少大致接触的；更一般地，所述杆在距行进轨迹的相同距离处彼此平行地布置，以便当使它们面对涂覆源时垂直于涂覆源的发射方向来定向，同时沿着其进行有规律地分布，以便接合到一个杆上的凸轮与接合到最近杆上的凸轮至少大致接触。在实际中，在以下情况下时可考虑凸轮与在相邻杆上接合的凸轮至少大致接触：当这些凸轮之间的空间不超过它们的直径的20％甚至10％时。可理解的是，这使得能够在诸如托盘或转盘的载体上精确密集地定位凸轮。
优选地，在转盘上布置掩罩(caches)，全部布置在相对于转盘轴线的相同距离处，该距离大于或等于所述杆相对于此轴线定位所处的距离，同时所述掩罩与这些杆是依圆周交替布置的，以相对于一个或多个沉积源掩蔽凸轮中其侧边面对相邻凸轮的区域；更一般地，在相对于由全部杆在其相对于所述源进行相对运动时所限定的表面的相同距离处布置掩罩，所述掩罩与这些杆交替布置，以便当所述杆和使用它们定位的凸轮面对所述源时，所述掩罩在所述源的方向上在这些杆的前面，以相对于所述源掩蔽凸轮中其侧边面对相邻凸轮的区域。可指出的是，这种掩罩的存在使得能够精确界定出涂覆区域。要理解的是，所述掩罩仅在安装在这些杆上的凸轮与相邻凸轮不是圆周接触时(换言之，凸轮在这种情况下仅是大致接触)可位于由所述杆在它们运动时所限定的表面中。
优选地，掩罩与由所述杆在其运动时所限定的表面周向地(circonférentiellement)或者平行地具有从接合到一个杆上的凸轮的表面延伸到接合到相邻杆上的凸轮的表面的尺寸，约有公差出入；此精确性有助于优化界定每个凸轮的涂覆区域的精度。
优选地，在由旋转的转盘形成的载体的情况下，掩罩到旋转轴线的距离是所述杆的轴线相对于这个旋转轴线的距离的100％至150％；这界定出凸头的表面的部分，所述部分是足够大的以包含凸轮显著抵靠相对部件的区域，但也是足够小的以使得它们能够容易地获得。有利地，掩罩到轴线的这个距离是杆到轴线的这个距离的110％至130％。
优选地，以包含20-50原子％氢、优选20-30原子％氢的组成沉积基于碳的涂层；实际上，对于DLC涂层来说有利地是包含氢，这赋予了所形成的涂层具有低粗糙度的优点；这是因为，无氢的碳沉积物在实际中通过电弧技术获得并且因此在沉积结束时可具有大粗糙度，并且在一些情况下需要使它们在涂覆后经历抛光作用，这不可能是经济有益的。实际上，非氢化无定型碳的层显示出在磨蚀磨损方面的良好耐久性；但是，在磨蚀磨损方面的耐久性稍差的氢化无定型碳a-C:H的层在厚度方面的限制较少。
优选地，在沉积基于碳的涂层之前，形成由碳化钨或氮化钨、碳化铬或氮化铬或钨和铬的碳化物和/或氮化物的混合物制成的亚层，或者本领域技术人员已知用于在金属基材上结合DLC涂层的任何其它层或者层组合。这在实际中是常常发生的，因为已知DLC层本身相对于众多基材来说具有低结合力，在这种情况下需要存在打底层。
有利地，在施加DLC涂层之前或者之后，形成凸轮的凸头的全部或者部分表面的表面微观组织化；这使得能够尤其通过减少达到凸轮和相对部件的整体的流体弹性动力状态(也即连续工作的常规状态)所需的时间来优化润滑。
本发明还涉及通过上述方法获得的凸轮，即对于其来说仅侧边的一部分具有基于无定型碳DLC的涂层的凸轮。
照此类推，本发明涵盖包含通过上述方法获得的凸轮的轴，即包含凸轮的凸轮轴，该凸轮的仅侧边的一部分，至多是这些凸轮的凸头，具有基于无定型碳类金刚石碳的涂层；正是在这种配置中本发明获得了其全部效力。
优选地，凸轮的侧边一直到相对于这些凸轮的圆形区域的末端为这些凸轮的这种圆形区域的半径的至少20％甚至30％的距离处才具有所述涂层；这有助于确保涂层仅以有效厚度存在于真正有用的凸轮侧边的区域上。
有利地，这些凸轮在具有所述涂层的侧边的全部或部分区域上进行微观组织化。
照此类推，本发明涵盖包含上述类型的凸轮轴以及多个分别与这些凸轮合作的推杆(或销)的机动化(motorisation)组装件，这些推杆(或销)中的每一个具有接触表面，所述接触表面具有基于碳(类金刚石碳)的涂层；要理解的是，正是在工作中其凸轮已经通过上述方法处理的凸轮轴变得有用。
根据另一个方面，本发明提供在包含基于硫和钼的减摩添加剂(尤其是MoDTC化合物)的油的存在下，具有多个与这些凸轮分别合作的推杆(或销)的上述类型的凸轮轴的用途，这些推杆(或销)中的每一个具有接触表面，所述接触表面具有基于碳(类金刚石碳)的涂层。这再次表明本发明克服在凸轮上完全不存在涂层的缺陷的条件。
根据另一个方面，本发明提供用于实施上述方法的涂覆处理设备，包括涂覆材料真空沉积源，调适为围绕着旋转轴线转动以使其外周面对这个源的转盘，这个转盘包括多个与其轴线平行的杆，这些杆相对于这个转盘被固定，围绕着该轴线以距此轴线相同的距离有规律地分布，同时具有角间距以允许预定规格(format)的凸轮能够接合到这些杆上，同时径向地定向，它们的凸头指向转盘的外部；这在用于实施上述方法的装置方面再次对本发明进行了说明。
在一般情况下，这种设备可被限定为包括涂覆材料真空沉积源，以及被调适为在这些源的面前沿着相对行进轨迹移动的载体，这个载体包括多个彼此平行的杆，其相对于这个托盘而被固定，在距行进轨迹相同距离处有规律地分布，以在使它们面对涂覆材料源时与涂覆材料源的发射方向垂直地定向，在它们之间具有间距以允许预定规格的凸轮能够接合到这些杆上，同时按照相对于行进轨迹来说相同的配置被定向，它们的凸头在其面对这个源时向着所述源定向。
附图说明
通过以非限制性说明的方式参考附图给出的以下描述可以显示本发明的目标、特性和优点，在附图中：
-图1是根据本发明的凸轮轴的透视图，
-图2是在组装到凸轮轴(如图1中所示的凸轮轴)中之前的凸轮的涂覆方法的原理图，
-图3是适合用于实施图2中的方法的转盘的透视原理图，
-图4是包括转盘(如图3中所示的转盘)的处理设备的示意图，
-图5是凸轮(如在前面图中所示的凸轮)的轮廓示意图，
-图6是适合用于实施本发明方法的转盘的实施变化方案的原理示意图，
-图7是表示对于以双重旋转或者三重旋转获得的涂层来说磨损体积随时间变化的图，
-图8是将磨损率与在凸轮/推杆类型的两个相对部件上表面存在的材料的性质相关联的图，
-图9是对于在两个相对部件上表面存在的两对材料来说将摩擦系数与相对运动速度相关联的图，
-图10是对于在图9中的两个相对部件上表面存在的两对材料来说将摩擦系数与速度/压力比相关联的图，并且
-图11是根据图2的变化形式(其中运动为平移运动)的用于涂覆凸轮的原理示意图(在将其组装到凸轮轴中之前)。
具体实施方式
图1显示了以标号1表示的凸轮轴，其通过组装多个接合到共用轴3上的凸轮2形成，每个凸轮相对于相邻凸轮具有角度位移，该角度位移根据旨在与此凸轮轴合作的内燃机的类型来限定。
根据本发明，仅凸轮的一部分4具有保护膜，所述保护膜基于被称作DLC(“类金刚石碳”)的无定型碳，有利地加载有氢。这个部分4对应于通常被称作“凸轮凸头”部分的全部或者一部分，该凸头部分也即是相对于凸轮的其余部分来说的凸轮的延长部分，该其余部分有时被称作“凸轮的后部”，其相对于凸轮轴的轴线具有实际上恒定的最小距离：这是因为，这个后部的轮廓传统地是圆柱的一部分。
实际上，每个凸轮2包括圆柱形中心开孔5(参见图2)，其中心C旨在位于凸轮轴的轴线O-O上；正是相对于这个中心，该后部是具有标记为R的半径的圆柱(或者圆形区域)的一部分。这个圆形区域在围绕此轴线的180°的角度上延伸。
在图1中还以虚线示出了凸轮轴旨在与其在工作时合作的推杆100之一。
图2示意性地示出了其中凸轮2仅在其区域4具有DLC类型的保护涂层的方法。
这些凸轮2通过如下方式各个地进行处理：将这个区域4呈现于以标号9示意的任何合适的已知类型的涂覆材料真空沉积源下，所述沉积源在实际中是在物理气相沉积(缩写为“PVD”)设备中的碳源，有利地是等离子体辅助的(“等离子体增强PVD”或“PEPVD”)；这种沉积也可通过化学气相沉积(“CVD”，或者如果是等离子体增强的话则为“PECVD”)形成。为简化起见，并未示出用于这种沉积的被调适置于真空下的腔室。
为了能够同时处理大量凸轮，这些凸轮在实际中被安装在转盘10上，所述转盘10被调适为围绕着被表示为X-X的轴线在源9面前旋转。但应当指出，由于这些凸轮并不打算在它们的整个表面上进行涂覆，因此它们相对于该转盘没有任何类型的旋转运动；这解释了为什么与其中这些凸轮相对于它们的转盘以行星运动的方式转动的情况相反，根据本发明的凸轮可被一个挨一个布置。实际上，正如将在下文中结合图5所示出的，在一个挨一个布置的凸轮接触的区域之外沉积保护涂层是无用的。
要理解的是，其中凸轮一个挨一个彼此接触布置的图2所示配置对应于最大密度的配置，即允许在给定转盘上布置最大数目的凸轮的配置，使得这些凸轮均具有相同的涂覆处理。但在一些情况下，可能希望在相邻凸轮之间存在间距的较低密度配置，这也在本发明的范围之内。
凸轮在转盘上的定位在实际中通过多个杆(或核心)12保证，所述杆(或核心)12平行于轴线X-X，同时在距此轴线X-X的相同距离处定位。这些杆与在凸轮内提供的圆形开孔具有相同的形状和相同的截面，但具有小的间隙，这有助于它们良好的角度定位。要理解的是，将凸轮以彼此接触的方式布置的事实还有助于保持它们的角度定位。
凸轮不仅可以沿着转盘的外周一个挨一个地布置，它们还可以被堆叠，就如图3中所示出的。
要理解的是，在横向于旋转轴线的平面中布置的凸轮数目以及在每个堆中的凸轮数目可自由地根据要求和可用空间进行选择。
图2对应于特别简单的情况，其中只有一个转盘围绕着其轴线转动。但是，这种情况从经济的角度来看在工业上是并不现实的；实际上，根据在部件上批量真空沉积领域中的通常实践，存在与转盘10相同的多个转盘，它们中的两个在图4中被标示为10A和10B；这些转盘被安装在标示为15的总托盘上，围绕着与转盘旋转轴线平行的轴线Y-Y旋转安装。由此，由该托盘携带的各转盘上所安装的所有凸轮均在它们转动时面对源9并且因此经历相同的涂覆。
所有这些凸轮在实际中具有相同的组成和相同的几何形状。
图5显示了凸轮2的轮廓。中心C被示出，但没有中间开孔。具有圆柱形壁(即具有圆形轮廓)的所谓后部由以A和B标示的点界定，这两个点是在直径上彼此对置的。在实际中正是在这些点处这个凸轮在图2和3的配置中与相邻的凸轮彼此接触。涂覆区域4优选在这些点A和B的“上游”延伸，即比这些点更接近凸头的末端。还可以看到，该涂覆区域可在位于与这些点A和B的非零距离处的点D和E处停止(这将在随后讨论)。
图6部分地显示了能够良好控制各凸轮上的涂覆区域末端的位置的配置；这种控制通过在凸轮之间布置掩罩20实现，从而防止材料被沉积到接近点A和B的凸轮上。要理解的是，这些掩罩20在距转盘的轴线X-X的相同距离处布置。
已经发现，涂覆区域末端的这种控制使得能够获得(如果这看来是希望的话)在整个涂覆区域4上不具有超过20％的变化的厚度；这可尤其有助于避免过低厚度区域的结合力损失。
涂层的厚度是微米级的，即它在实际中是1-10微米，优选1-5微米，这使得能够这种涂层归类到薄层的类别当中；这就是为什么这种涂层可通过上述薄层沉积技术形成的原因，所述技术尤其是PVD或PECVD类型的技术。
有利地，上述方法在沉积上述涂层之前或之后补充以微观组织化(microtexturation)步骤，即在其中在小于一微米(例如十分之几微米)的深度上形成起伏(relief)的步骤，以促进润滑流体在如此产生的空腔之上的分散，并且因而优化润滑；这种微观组织化在凸轮凸头的全部或部分表面上进行，优选在涂层沉积区域中进行。这尤其能够使流体弹性动力状态与混合态之间的过渡向更严格的操作条件移动。用于形成这种微观组织化的模式(modalités)尤其描述于文献WO 2008/047062中。
应当指出的是，该涂层不必存在于凸轮凸头之外的凸轮的侧边上，也不必存在于与其平移轴线横向的其表面上(其不参于任何摩擦接触)。
如上所述的方法例如在由低合金碳钢、更特别的是100C6钢(1％碳和1.5％Cr)制成的凸轮上进行；当然，本发明可应用于许多其它钢等级，无论是合金的或者非合金的，在它们的获得模式方面没有限制(因而其尤其可应用于粉末冶金的领域中)；当然，材料的选择要考虑所选应用的所希望硬度水平以及其与涂覆方法的相容性。它们使用图2和3中的配置进行处理。以下所述的特定模式仅以实例的方式提及，该实例涉及其后部具有16.50mm的半径的凸轮(这足以根据附图限定出这些凸轮的几何形状的其余部分)。
更特别地，在通过本领域技术人员已知的任何方法清洗凸轮之后，将它们置于这些图2和3中的转盘上，其中的一些凸轮一个挨一个彼此接触，另一些凸轮被堆叠。将如此装载了凸轮的转盘放置于真空处理腔室中。在泵吸以获得所需真空水平期间，该腔室、转盘和凸轮通过在设定温度下的辐射加热进行除气，该设定温度被选择为低于这些各部件的回火温度的水平(这种选择在本领域技术人员的能力范围之内)，该除气使得能够避免钢的机械性能的任何劣化。
当真空达到令人满意的值时(在此情况下是2.10-5毫巴)，将氩气引入到该腔室中以达到大约10-3毫巴的压力，并且根据调适的清洗参数(等离子体功率、偏压)进行清洗以使得能够去除在部件上存在的天然氧化物层，其中包括在凸轮之间接触处限定的区域中。调适这些参数在本领域技术人员的能力范围之内。
在此清洗之后，通过磁控溅射法产生碳化钨沉积物。在PVD沉积结束时，该层中的碳量逐渐升高以产生过渡层；这种类型的层被标示为WCC。氢化的无定型碳类型的沉积物最终通过PECVD法获得。
这种WCC亚层仅作为实例提及；为了DLC的良好结合力也可使用其它亚层，例如尤其是CrN或者Cr+WCC的亚层。这种亚层的存在仅仅是任选的，取决于凸轮表面区域的材料性质。
在这些条件下，从相对于两个凸轮之间的接触点A或B来说的4mm距离处开始获得具有令人满意的结合力的涂层。这个涂层的测量厚度从相对于这个相同接触点来说的8mm距离处开始在仅±20％的范围内变化。观察到在凸轮的后部上、即在其轮廓(如图5中的轮廓AB)是圆形的部分上完全不存在涂层。
例如，结合力和厚度的测量在如上处理的凸轮上在相对于接触点A或B的不同位置处来进行；这些位置从这些点A或B开始来计算，点A或B因而具有0mm的读数。
结合力试验根据标准VDI3198来进行，厚度测量通过Calotest来进行。
Figure BDA0001218290120000151
可以看到，在点A或B处仅可见痕量的涂层，该涂层仅在从这些点开始的3mm处为大约1微米，但从5mm开始具有显著的厚度，其在超过10mm时达到最大值。换言之，该涂层一直到距接触点的5mm距离处都具有接近大约2-3微米的厚度，并且以确实快速降低的厚度延伸，一直到距这些点的3mm处。因而在凸轮的凸头上获得令人满意的DLC涂层，同时使其后部处于裸状态，这确认了在涂覆阶段中凸轮相对于转盘不运动的选择有效性。更具体地，所获得的涂层在上述的实施例中是符合商业标志Certess DDT的涂层，即含氢DLC(类型a-C:H–参见文献WO 2012/156746)。当然，在此仅涉及可能的涂层的一个实例；氢的存在并不是必不可少的；而且，当其存在时，氢浓度可根据要求进行选择。
本领域技术人员能够根据特定要求和下层的材料优化部件的安装、清洗的参数以及然后的沉积的参数。
根据另一实施例，具有33mm外径(在后部中)和41.6mm长度(即与第一实施例中的情况相同)的钢制凸轮使用图6中的配置以DLC涂层涂覆，在图6的配置中，掩罩20位于从接触点A和B开始的大约5mm处；这使得能够获得基本上在掩罩的延伸部分上整齐停止的涂层。
凸轮经历与第一实施例相同的操作程序(清洗、置于真空下，除气，清洗和沉积)。可证实，如此获得的涂层所具有的厚度在暴露于涂覆材料源的表面上的变化不超过20％(凸轮的侧边的其余部分没有任何涂层)。
如此可以确认，为了确定涂覆区域的停止而进行的额外部件的添加使得所获得的涂层是结合性的并且在由DLC涂层所涉及的整个区域上具有均匀的厚度。本领域技术人员能够根据需求调节相对于点A和B距转盘轴线的距离的掩罩的位置。
用于沉积DLC涂层的给定设备的占空因数的增益可通过指出以下的事实而很好地理解：在由HEF Durferrit公司制造的以标号TSD 850标记的工业沉积设备中，可在此占空因数方面实现大约30％-50％的增益。在这种对比中，部件具有已经考虑的尺寸(直径为33mm，长度为41.60mm并且厚度为9.3mm)。
而且，与通过凸轮相对于转盘旋转的这种机器TSD 850在凸轮的整个表面上获得3微米的涂层的情况相比，以大约35％的循环时间降低获得限于这些凸轮的凸头的全部或者一部分上的相同涂层(凸轮相对于转盘不旋转)。
图7示出了由本发明提供的在磨损速度方面的改善；它给出了在利用加氢DLC涂覆的两种类型的部件上进行的“Calotest”磨损试验的结果。这些部件分别地：在它们的整个侧表面上涂覆(360°，具有三重旋转)–以符号3R表示，–以及在其表面的一角度部分上涂覆(归因于不存在相对于携带用转盘的旋转)–以符号2R表示。
在图7中可以看到，在根据本发明的双重旋转下涂覆的部件具有比在其整个侧表面上涂覆的部件具有更低的磨损速度。
微硬度试验在圆柱形部件上进行，所述圆柱形部件具有以三重旋转(3R)施加或者根据本发明以双重旋转(2R)施加的涂层。结果在下表中给出。
Figure BDA0001218290120000161
可以看到，对于相当的直径来说，在双重旋转配置下产生的涂层的特性优于在三重旋转配置下产生的涂层的特性。这些信息证实了磨损试验的结果。应当理解，在上表中所提及的直径范围完全是非限制性的，并且本发明可应用于更小的部分，或者相反地，应用于更大的部件。
从硬度的角度来看，可以说在三重旋转配置的情况下，所产生的涂层的硬度(以及因此的耐磨蚀(abrasion)磨损性)往往会降低。这种降低可通过调节沉积参数补偿，但仅达到一定的点。这是因为，这些参数的调节反映为在涂覆时部件所达到的温度的升高。而这些机械部件非常大量地来源于渗碳钢，其无法耐受过高的温度。通常看来可推荐在低于220℃、甚至低于200℃的温度下进行沉积。
用于在包含MoDTC的油的存在下将DLC涂层的劣化最小化的本发明效力可在图8中看出，所述图8示出了针对三对摩擦接触材料，在包含MoDTC的油中在珠/平面(bille/plan)摩擦试验中观察到的磨损率，具有以下的参数：
-施加的载荷：10N
-移动的线速度：35mm/s
-模式：偏心的
-循环数：15000
-球半径：5mm
-位移：10mm
-油温：110℃
-珠的性质：钢并且是DLC涂覆的。
可以观察到，利用一对各自包含DLC涂层的两个部件，所具有的磨损率比在DLC涂覆珠/磨削钢这一对的情况下(这对应于组合有钢制凸轮的涂覆推杆的传统配置)获得的磨损率低接近70倍。
最后，图9和10示出了基于具有以下参数的圆柱/平面配置中的摩擦试验的本发明在摩擦系数降低方面的益处：
-圆柱和平面是抛光的(Ra＝0.02μm)，
-在18 000个循环的磨合阶段之后，
-在21N的恒定载荷下。
在开始试验时，在磨合阶段的过程中，处于极限润滑状态，摩擦系数在DLC涂覆钢/钢的摩擦的情况下以及对于DLC涂覆钢/DLC涂覆钢的摩擦来说是相同的。在磨合结束时，可观察到DLC涂覆钢/钢具有与速度无关的恒定摩擦系数，表明总是处于极限润滑状态下。
DLC涂覆钢/DLC涂覆钢这一对在低于35mm/s的速度时具有相同的摩擦系数。当高于这个速度时，摩擦系数在速度提高时会下降，表明过渡到了混合润滑状态。
在相同的操作条件下，DLC涂覆钢/DLC涂覆钢这一对更为快速得多地具有较低的摩擦系数。
一旦达到混合状态(更大的速度/载荷比)，DLC涂覆钢/DLC涂覆钢这一对与DLC/钢这一对相比具有更低的摩擦系数值(参见图10)。
可以理解，本发明能够在凸轮上生产DLC涂层时提供经济增益。而且，在凸轮上部分应用涂层的事实使得能够提高所述涂层的厚度，同时保持其良好的机械性能，并且从经济的角度来看仍然是有益的。
出人意料地，在这种配置(双重旋转)中获得的沉积物比在三重旋转配置中获得的整体沉积物具有更好的性能。
在DLC涂覆钢/DLC涂覆钢接触的情况下，这种方案显示出涂覆部件(凸轮/销或凸轮/推杆)的摩擦和磨损的显著下降。它还可避免由使用具有添加剂(尤其包含MoDTC类型的化合物)的油所引起的DLC涂层的任何加速劣化。
在其中该接触具有极限润滑的情况下，油在该接触的最应力化的区域中的保留通过涂覆区域与未涂覆区域之间的润湿性的差异得以确保。
在凸轮/销接触的情况下，通常使用辊式销，这涉及到不太严苛的凸轮规则。这种方案使得能够耐受应用于滑块式销的更为严苛的凸轮规则，同时保持低摩擦损失。而且，向滑块式销的技术的转换还有助于获得燃料消耗的增益，这归因于系统重量的降低以及凸轮规则本身。
每个转盘的边缘构成了用于这个转盘的参考线，并且在图2中的配置中(具有固定轴线的单个转盘)以及在图4中的配置中(具有由转动托盘所带有的旋转轴线的多个转盘)，可设定正对涂覆材料源的凸轮具有与此参考线平行(同心)的轨迹。
重要的是要指出，本发明的极限情况在旋转中心被推至无穷大时对应于平移运动。图11是在图2和4中如上所示的配置的一种变化形式，显示了安装在托盘115上的凸轮，其平行于由托盘的边缘115A构成的参考直线；这个托盘在涂覆材料源(如在图2中一样以相同的标号9表示)的面前以平移运动驱动；按照箭头F所示轨迹的这种运动可以是严格直线的或者可以具有轻微的曲率，这取决于可用的空间。平移运动可以是连续运动或者往复运动；往复运动的益处在于允许每个凸轮在涂覆材料源的面前经过多次；但要理解的是，假设将托盘的至少大致直线的轨迹在与该源的一定距离处关联到半圆轨迹的部分，该托盘可沿着变形的环连续运动。
在具有平移运动的这种配置中，可仅具有携带所有待处理凸轮的单个托盘，而不是象在图4的情况下的两个载体。
在此也可提供掩罩20，以良好地界定进行涂覆的凸轮侧边的部分。
在所示的实施例中，边缘具有简单的几何形状，在图2中的情况下是圆形(以转盘的旋转轴线为中心)或者在图11中的情况下是直线；取决于要求，这个边缘可被视为在其平面中具有波动，例如用于最小化相邻杆之间的材料。在这种情况下，参考线可由沿着这个边缘的最简单的几何线限定。
根据又一种变化形式(未示出)，涂覆材料源9不是面对凸轮的载体来说侧向(即水平)布置，而是在其上布置；因而，凸轮可被接合到与充当它们的载体的托盘平行的水平杆上，其中它们的凸头指向上。
相反，该源也可被布置在凸轮之下，该凸轮被接合到位于该托盘之下的杆上，采取的定向为其凸头由于简单重力而指向下。
根据再一种变化形式，所述杆能够按照倾斜的方向布置，条件是所述凸轮按照限定的固定配置布置在载体上，共同地具有行进轨迹以使得凸轮以基本相同的定向并且在相对于涂覆源来说基本相同的距离处相继地面对所述源，以选择性地在向着所述源定向的凸轮侧边的部分上沉积涂层。
同样地，凸轮可如前述一样结合掩罩。
根据另一变化形式，图2或4中的转盘可被定向以围绕着非垂直的、水平的或者相对于水平和垂直非零角度倾斜的轴线旋转。
以上的定向和距离可仅仅是“基本”相同的，因为如果所述源与多个凸轮在与行进轨迹横向上不具有相同尺寸的话，则位于该多个凸轮的外周处的凸轮以与在该多个凸轮的中间处布置的凸轮略微不同的定向接受涂覆材料，并且可以处于比位于中心位置处的凸轮略微大的距离处。在实际中，这些定向大约相差至多5°并且距离大约相差至多5％。
在前述内容中，凸轮和所述源之间的运动是相对的，因为尽管在所述实施例中凸轮相对于一个固定源移动，但本发明也涵盖相对于多个固定凸轮运动的源的情况。
一般地，可注意到，本发明使得能够选择性地并且受控地涂覆凸轮侧边的仅仅一部分(该涂层存在于所希望的地方而不是不需要的地方)，该涂覆以足够简单的方式进行以便不引起相对于100％涂覆的传统技术来说显著的额外成本，并且因而获益于涂覆材料量的降低。而且，在凸轮投入工作之前不需要任何精加工(finition)。

Claims (13)

1.处理内燃机车辆用凸轮轴的凸轮的方法，以在具有基于类金刚石碳类型的无定形碳的硬涂层的区域中降低其相对于相对部件的摩擦，这些凸轮具有中心开孔和侧边，其具有圆形区域和形成凸头的延长部分，同时具有由从其凸头一直到圆形区域测量的最大尺寸所限定的长度，根据该方法，将凸轮布置在载体上；将这个载体置于腔室中，该腔室被置于真空下以确保这些凸轮的清洗；使这个载体相对于基于类金刚石碳类型的无定形碳的硬涂层材料真空沉积源沿着行进轨迹相对运动；并且在将这些凸轮组装到凸轮轴中之前从载体移除所述凸轮，其特征在于，该载体包括多个杆，所述多个杆在距行进轨迹相同距离处彼此平行定位，以在使它们面对涂覆源时与该涂覆源的发射方向垂直地定向，并且通过使所述杆穿过凸轮的开孔而按照固定且密集配置将凸轮布置在载体上，这些杆沿着此轨迹有规律地分布，以使得在一个杆上接合的凸轮与在最近杆上接合的凸轮是至少大致接触的，使得在这个固定且密集配置中的这些凸轮沿着此行进轨迹以基本相同的定向并且以相对于此源来说基本相同的距离相继面对该涂覆源，以选择性地在向着所述源定向的凸轮的至多凸头的侧边部分上沉积涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中载体是具有旋转轴线的转盘，在转盘上布置凸轮，以将它们的长度沿着这个转盘的半径排齐，处于与该旋转轴线的相同距离处，并且应用于转盘的运动是围绕着所述轴线的旋转。
3.根据权利要求1所述的方法，其中载体具有直线行进轨迹，并且将凸轮布置在此载体上以将它们的长度彼此平行地排齐，处于距这个行进轨迹的相同距离处。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在载体上布置掩罩，全部布置在由全部杆在其相对于所述源进行相对运动时所限定的表面的相同距离处，所述掩罩与这些杆是交替的，以便当所述杆和凸轮面对所述源时，所述掩罩在所述源的方向上在这些杆的前面，以相对于所述源掩蔽凸轮中其侧边面对相邻凸轮的区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中掩罩与由所述杆限定的所述表面平行地具有从接合到一个杆上的凸轮的侧边延伸到接合到相邻杆上的凸轮的侧边的尺寸，有公差出入。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中载体是具有旋转轴线的转盘，并且掩罩到轴线的距离是杆的轴线相对于这个轴线的距离的100％至150％。
7.根据权利要求6所述的方法，其中掩罩到轴线的距离是杆的轴线相对于这个轴线的距离的110％至130％。
8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中以包含20-50原子％氢的组成沉积基于碳的涂层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述涂层包含20-30原子％氢。
10.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中在沉积基于碳的涂层之前，形成由碳化钨或氮化钨、碳化铬或氮化铬或钨和铬的碳化物和/或氮化物的混合物制成的亚层。
11.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中在形成DLC涂层之前或者之后，实施凸轮的凸头的全部或者部分的表面微观组织化。
12.用于实施根据权利要求1-11任一项所述的方法的涂覆处理设备，包括涂覆材料源，以及被调适为在这些源的面前沿着相对行进轨迹移动的载体，这个载体包括多个彼此平行的杆，这些杆相对于这个载体是固定的，在距行进轨迹相同距离处有规律地分布，以在使它们面对这个源时与涂覆材料源的发射方向垂直地定向，并且在它们之间具有间距以允许预定规格的凸轮能够接合到这些杆上，同时按照相对于行进轨迹来说相同的固定且密集配置被定向，它们的凸头在其面对这个源时向着所述源定向。
13.根据权利要求12所述的设备，其中载体是转盘，其被调适为在所述源的面前围绕着旋转轴线转动。
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