CN108699674A - 内燃机的具有涂层的摩擦学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种摩擦学系统(1、2)，其包括第一本体(102、105)和第二本体(101、107)，所述第一本体和第二本体分别形成内燃机(100)的组件、尤其是活塞(102)、活塞环(105)或者气缸(101、107)，所述第一本体和第二本体的表面(112、108、113)具有第一和第二材料区域(11、12)，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，其中，所述第一和/或第二材料区域(11、12)构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的涂层。本发明还涉及一种具有这样的系统(1、2)的内燃机(100)。

Description

内燃机的具有涂层的摩擦学系统
技术领域
本公开文本一般性地并且尤其是涉及一种摩擦学系统，其包括第一本体和第二本体，所述第一本体和第二本体分别形成内燃机的组件、尤其是活塞、活塞环或者气缸，并且所述第一本体和第二本体的表面具有第一和第二材料区域，所述第一和第二材料区域分别构成为层并且在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触。
本公开文本不仅涉及用于制造层的层材料，而且也涉及将所述层施加到相应的马达组件上的方法。本公开文本也涉及相应地被施加涂层的马达组件。
此外，本公开文本尤其是涉及在组合层材料时的选择，在摩擦学系统中的摩擦学偶对利用所述层材料被施加涂层。
背景技术
名称“内燃机”在此应包括所有内燃发动机、尤其是能够以化石燃料、如汽油燃料、柴油燃料或者气体燃料(CNG、LNG)运行的活塞式发动机。
以更好地利用燃料为目的提高在内燃机中的运行温度并且例如在生物燃料中使用添加剂提高了对汽油机、柴油机和燃气机中的表面的热稳定性和化学稳定性的要求。这些提高的要求仅可以受限地或者仅可以以高的成本通过选择密实的材料(也被称为密实材料)用于马达组件来实现。
术语密实的材料或者密实材料(基体材料)表示基质的材料，所述基质应被施加涂层，以便改进在该基质表面的基质特性。所述基质的材料包括所有可以被施加涂层的材料：例如钢、铝、镍铬合金等等，亦即制造内燃机的组件的材料和原料。在各种钢材中，42CrMo4例如是制造活塞的典型的原料。
用于低成本地改进密实材料的特性的方法是所述密实材料的表面处理，该表面处理例如通过渗氮处理、物理气相沉积(PVD)或者借助于热喷涂法(HVOF或等离子喷涂)通过喷涂由粉末或者线材制成的涂层来实现。利用所述方法能够制造如下材料，这些材料不能或者仅能以高耗费制造为密实材料，但是即使改型仅涉及表面的相对薄的区域，也可以通过这些材料明显地影响密实材料表面的磨损、摩擦和腐蚀。
通常，在内燃机中的摩擦学偶对的表面由不同的材料或者不同的密实的材料制成，其中，将这些材料优化到确定的寿命，以便减少维修循环的次数，亦即进行寿命适配。通常在这样的情况下适配材料或者层厚。
除了减少磨损的期望之外，减少摩擦损耗是在改进内燃机时的另一个目的。在这种观点下，有针对性地改变在摩擦学系统中的表面也是重要的。除了表面的机械的特性和这些特性相互间的适配之外，表面材料也还必须承担重要的功能、如与油的润湿性以及一定程度地控制添加剂和表面的化学反应，而在此本身不会变得化学不稳定。所有这些事实表明，优化内燃机的摩擦学系统是非常复杂的并且要求在选择方面的灵活性和表面的相互协调。薄的层在此也提供比在密实材料的情况时更高的灵活度。
在EP 1022351 B1中描述了气缸内部的、气缸滑动面的涂层，其中，借助于等离子喷涂方法施加涂层。大部分含铁的层也包含部分FeO和Fe2O3，其中，结合氧的比例处于1wt.％至4wt.％之间并且Fe2O3的比例低于0.2wt.％。特别有利地推荐氧化物陶瓷的粉末以5wt.％至50wt.％的比例与工艺气体混合，以便仍实现更好的摩擦系数。提供TiO2、Al2O3-TiO2和Al2O3-ZrO2作为氧化物陶瓷的粉末。
在EP 1340834 A2中要求保护一种用于活塞式发动机的气缸表面层，其中，通过等离子喷涂方法施加所述层。这样制造的层具有在0.5wt.％至8wt.％之间的结合氧的比例并且具有夹杂的FeO和Fe2O3晶体。此外，层具有在0.5％至10％之间的孔隙率并且通过研磨达到确定的粗糙度。处于层中的孔形成微腔，这些微腔用作润滑材料的容器并且促进在摩擦学系统中的均匀的油分布。
在WO 2015/128178 A1中描述了活塞环的表面处理，该表面处理包括表面渗氮和PVD涂覆的组合。活塞环朝向气缸滑动面的工作面设置、优选利用离子电镀沉积地设置CrN层。所有其它表面经受渗氮方法。PVD层在未渗氮的活塞环表面上的沉积首先应预防在涂层中形成裂纹。
US 2014/0260959 A1要求保护一种由基于铁的材料制成的被施加涂层的活塞环，在该活塞环的表面上沉积耐磨的层，该层包含Al5Fe2并且具有高硬度。此外，要求保护该层的由52wt.％至55wt.％的Al和45wt.％至48wt.％的Fe组成的化学组成。
US 7406940 B2描述了一种由活塞和气缸滑动面组成的摩擦学系统，其中，所述活塞还具有用于活塞环的空隙，这些空隙与气缸衬垫摩擦学接触。附加地这样构造活塞裙，使得该活塞裙在其表面中具有沟槽结构，以便改进润滑油膜。此外，活塞环和活塞裙还以DLC层涂覆，以便改进滑动性能，尤其是涉及多种润滑剂相关并且适配于多种润滑剂。
所述实例表明：表面被施加涂层，以便减少表面的磨损并且减少摩擦损耗。为了实现这一点，可以使用多种层材料。使用不同的方法，以便将所述材料施加到基质表面上。此外，由现有技术明确的是，非常不同的基质材料必须被施加涂层，以便在相应的条件下实现在摩擦学接触中的偶对的有利的表面适配。
在一些情况下，要施加涂层的组件的几何形状也支配涂层方法。在必须对气缸孔施加涂层时例如是这种情况。对于该组件内部的部件的这种涂层来说，喷涂法比PVD方法适用得多。在必须沉积超过100μm或者甚至超过500μm的较厚的层的情况下，这样的方法也比PVD涂层有效得多。如果可以在批量过程中对基质施加涂层，后者在不超过10μm或者不超过30μm的范围内的较薄的层时又具有经济上的优点。
在磨损和摩擦损耗方面对特定摩擦学系统的层配对的测试当然最好能够在真实的内燃机上执行。不过这种测试为了对于所有可能的材料组合实施而是成本过高的。此外，也包括如下危险，即，未知的材料组合可能导致在内燃机中的损坏，这可能造成整个测试台的破坏。
上述内容不仅示出多种可能性并且阐明了层和层配对的选择有多困难。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种改进的摩擦学系统、尤其是用于内燃机的摩擦学系统，在该摩擦学系统中，两个本体分别形成内燃机的组件并且在这两个本体的表面上构成两个材料区域，这两个材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触。尤其是存在如下需要，即，改进由活塞环和气缸形成的或者由气缸和活塞形成的摩擦学系统。在此，尤其是也存在如下任务，即，提供其它原料或者原料配对，由所述原料或者原料配对可以制造构成为层的材料区域。
按照第一方面，本公开文本提供一种具有第一和第二本体的摩擦学系统，这两个本体分别形成内燃机的组件、尤其是活塞、活塞环或气缸，并且这些组件的表面具有第一和第二材料区域，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，其中，所述第一和/或第二材料区域构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的层。
其它方面和特征由从属权利要求、附图和随后对实施方式的说明得出。
附图说明
现在示例性地并且参照附图描述实施方式。图中：
图1示出来自按照本发明的内燃机的组件的示意性的剖视图，该内燃机具有按照本发明的摩擦学系统；
图1A示出图1的放大的局部A，该局部示出按照本发明的第一摩擦学系统，该第一摩擦学系统由气缸和活塞环形成；
图1B示出图1的放大的局部B，该局部示出按照本发明的第二摩擦学系统，该第二摩擦学系统由气缸和活塞形成；
图1C示出图1的细节C，该细节示出具有涂层的气缸顶；
图2示出用于确定适用于按照本发明的摩擦学系统的涂层的摩擦学试验的、用于干燥测试(左侧视图)的和用于润滑测试(右侧视图)的SRV测试系统的示意性的视图；
图3示出对于参考原料A1和具有由钢材制成的配合本体的Al-CrO原料D2摩擦系数的时间曲线；
图4示出图3的原料的观察到的和测量到的磨损；
图5示出在利用在图3和图4中示出的层的SRV测试中的配合本体的磨损；
图6示出在图3至图5中示出的具有由氧化铝制成的配合本体的原料A1和D2的摩擦系数的时间曲线；
图7示出具有按照图6的配合本体的层A1和D2的观察到的和测量到的磨损；
图8示出在干燥的条件下在SRV测试之后与涂层A1和D2接触的配合本体的磨损；
图9示出在以第一润滑剂润滑的测试条件下A1和D2与作为配合本体的钢球的摩擦系数的时间曲线；
图10示出在按照图9的润滑的条件下在SRV测试之后层A1和D2的磨损；
图11示出在图9和图10中示出的SRV测试之后钢配合本体的磨损；
图12示出在以第一润滑剂润滑的测试条件下A1和D2与作为配合本体的氧化铝球体的摩擦系数的时间曲线；
图13示出在按照图11和图12的润滑的条件下在SRV测试之后层A1和D2的磨损；
图14示出在按照图11至图13的润滑的条件下在SRV测试之后配合本体的磨损；
图15A至图15C示出在室温时(图15A)、在100摄氏度时(图15B)和在160摄氏度时(图15C)用于润滑的SRV测试的原料A1、D1和D2与氧化铝配合本体的摩擦系数的时间曲线，以及
图16示出用于在图15A和图15C中示出的用于涂层系统A1和D2的润滑的SRV测试的层磨损和配合本体磨损的比较。
具体实施方式
在参照附图详细说明实施方式之前，首先如下地对实施方式进行一般性阐述。
在一种实施方式中，摩擦学系统具有第一本体和第二本体，该第一和第二本体分别形成内燃机的组件、尤其是活塞、活塞环或者气缸，并且所述第一和第二本体的表面具有第一和第二材料区域，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，并且其中，所述第一和/或第二材料区域构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的涂层，该实施方式具有一些特性，这些特性尤其是有利于在内燃机中的靠近燃烧室的重要的摩擦学系统。
基于氧化铬或者铝铬氧化物的层能够以不同的方法施加到不同的原料、包括在内燃机的区域中典型的密实的材料上。
钢(例如42CrMo4质量钢)是制造活塞的典型的原料。用于活塞和活塞在活塞接套(亦即活塞裙)上的工作面的其它典型的原料例如是具有11％-13％的Si和少量Cu、Mg和Ni的添加剂的包晶铝硅合金。也存在轻金属复合原料，在所述轻金属复合原料的情况下，将例如由陶瓷、碳纤维和多孔的金属原料组成的增强元件有针对性地设置在特别高负荷的活塞区中。
气缸通常是曲轴箱的组成部分并且可以以单金属结构型式、例如由铸铁合金或者铝硅合金制成的单金属结构型式制造。在这样的气缸中，在铸造原料上直接构成工作面。
在所谓的插入技术(Einsatztechnik)中将气缸衬套插入到曲轴箱中。在此，气缸衬套由GG原料、铝原料亦或铝硅合金制造并且被推入或者压入、缩入亦或注入到曲轴箱中、到为此相应加工的容纳部中。
在所谓的复合技术中，由适当的金属原料和陶瓷原料组成的复合物制成的圆柱形的模制品被放入到铸模中并且在高压下被形成曲轴箱的铝合金熔化物渗透。
在所有气缸中，气缸滑动面通过精密钻孔或精密车削和随后的珩磨构成为摩擦学工作偶对和用于活塞和活塞环的密封面。
对于活塞环存在多种结构型式和原料，所述活塞环用作金属密封件并且相对于曲轴箱密封燃烧室。钢或铸铁原料是广泛使用的。在此，也常见的是，利用耐磨的保护层加强环工作面，该环工作面与气缸滑动面形成摩擦学系统。除了已经提到的用于环工作面的涂层之外，设置有镀铬层、陶瓷镀铬层、金刚石镀铬层亦或钼基涂层。在渗氮方法或者碳氮共渗方法中可以通过扩散使氮和部分碳进入到活塞环的表面中。
存在一些实施方式，在这些实施方式中，构成为涂层的第一和第二材料区域分别设置在组件的形成工作面的表面上。在活塞、活塞环或者气缸这些构件中，这是活塞上的活塞裙滑动面、活塞环上的环工作面和气缸内侧上的气缸滑动面。形成相应工作面的表面分别成对地形成按照本发明的摩擦学系统并且可以构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的层。
存在一些实施方式，在这些实施方式中，第一材料区域在构成为活塞环的第一本体上是具有(Al1-xCr-y)2O3的化学组成的基于铝铬氧化物的层，其中：0.1≤x≤1并且y≤0.5；0.5≤x≤1并且y<0.5或者x＝0.7并且y＝0.3。因此，涂层不仅在干燥的状态下而且在润滑的状态下对于不同的摩擦偶对(在气缸滑动面上的第二材料区域)示出有利的摩擦学特性。
在其它实施方式中，在构成为气缸的第二本体上的第二材料区域是氧化铝-氧化铬混合层，其组成为10wt％至100wt％的Cr2O3和相应的90wt％至0wt％的Al2O3。因此，要以适当的涂层方法(例如借助于热喷涂)将层施加到气缸滑动面上并且相对于另一个具有上面给出的组成(Al1-xCr-y)2O3的基于铝铬氧化物的层(由该涂层形成第一材料区域)形成良好的摩擦学偶对。
存在一些实施方式，在这些实施方式中可以通过表面粗糙度的有利的影响进一步改进摩擦学特性。在此，表面粗糙度Ra的以μm为单位的如下值适用于第一材料区域：0.1≤Ra≤0.5；0.15≤Ra≤0.4；Ra＝0.15或者Ra＝0.4，并且如下值适用于第二材料区域：0.1≤Ra≤0.5；0.15≤Ra≤0.45；Ra＝0.15或者Ra＝0.45。
在此，存在一些实施方式，在这些实施方式中，材料区域借助于热喷涂方法构造。在此，将喷涂原料(这例如可以是具有不同组成部分、如Al2O3和Cr2O3的粉末混合物)引入到集中的、能量充分的热源中，在那里熔化或者熔融并且以具有高的速度的喷涂颗粒的形式抛投到要施加涂层的基质的表面上。所述方法尤其是适用于对较大的面积、如气缸滑动面亦或活塞裙滑动面施加涂层。常用的方法是火焰喷涂、高速火焰喷涂(HVOF)、所谓的冷气喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂。层的得到的组成大致相当于初始原料(粉末混合物)的组成。
热喷涂时的层厚为50mm至400mm之间、尤其是也为150μm至800μm之间。
也存在一些实施方式，在这些实施方式中，其中一种材料借助于PVD方法(物理气相沉积)并且尤其是借助于阴极火花蒸镀构造。在已知的PVD过程中，通过来自气相或者等离子的离子、原子或者分子的沉积将摩擦学保护涂层构造在基质(要施加涂层的构件的基本原料)的表面上。为此，将所需的初始材料(例如金属、陶瓷等)热蒸镀或者雾化并且再次冷凝到构件上。
所谓的阴极火花蒸镀还有所谓的阴极雾化(或者MSIP-磁控喷溅离子镀膜)均是长久存在的方法，这些方法用于对工具和构件施加涂层并且利用这些方法可以沉积各种各样的涂层。
在此，例如存在一些实施方式，在这些实施方式中，借助于PVD方法构造的材料区域具有在10μm至30μm之间的层厚。
也存在一些实施方式，在这些实施方式中，一个材料区域构成为基于Mo、MoN、MoCuN-、DLC-或者ta-C的层，并且一个材料区域构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的层。
Mo-、MoN-和MoCuN是耐抗的并且是改进摩擦学特性的层。
DLC(类金刚石)层通常包括所谓的薄层系统，这些薄层系统基本上由碳制成并且借助于PVD或者CVD(化学气象沉积)方法施加。在此，涉及石墨状的、金刚石状的或者无定形碳或者碳氢层以及等离子聚合物层。基于ta-C的层通常是所谓的DLC层并且突出之处在于在石墨状结合的碳和金刚石状结合的碳之间的确定的比例，其中，金刚石状结合的部分占主要部分。这样的基于ta-C的层也提供突出的摩擦学特性、尤其是也提供与基于氧化铬或者铝铬氧化物的层的摩擦学结合。
在此，存在一些实施方式，在这些实施方式中，至少一个所述层具有至少80GPa的通用硬度。层的硬度经常是耐磨性的标志。
本发明尤其是涉及一种具有按照本发明的摩擦学系统的内燃机。上面阐述的摩擦学系统尤其是在具有在气缸/活塞区域中的滑动摩擦负荷的高热负荷的组件中是有利的。在活塞环8/9和气缸滑动面之间的摩擦学系统以及由活塞裙滑动面(也称为活塞衬工作面)和气缸滑动面形成的摩擦学系统都属于此。
在此，存在一些实施方式，在这些实施方式中，在活塞上设置至少一个另外的表面区域，该另外的表面区域构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的涂层。尤其是活塞环槽区域、活塞顶亦或活塞裙属于所述区域。在此，热耐抗的并且结实的硬涂层有助于将在所述区域中的高的负荷传递到基本材料中。
回到图1，该图以示意性的纵剖视图阐明了具有气缸101的内燃机100的组件，在该气缸中设置在运行中振动的活塞102，该活塞设有三个活塞环103，这些活塞环设置在活塞环槽104中。气缸壁105具有冷却通道106并且实际的气缸孔在此由插入的(可选的)气缸衬套107形成，在该气缸衬套的内表面108上构成气缸滑动面。
活塞102在其上端部上具有活塞顶109，圆柱状的活塞环槽区域110连接到该活塞顶上，该活塞环槽区域过渡到活塞接套111中。
一方面气缸101或者气缸衬套107(如存在)并且另一方面活塞环103或者活塞接套111在此形成摩擦学系统1和2。
图1A示出摩擦学系统1。在此，活塞环103形成第一本体，在该第一本体的表面、至少在环工作面112的区域中，第一材料区域11构成为基于铝铬氧化物的层、例如构成为(Al1-0.7Cr-0.3)2O3层。对于按照本发明的其它组成，(Al1-xCr-y)2O3可以适用，其中，适用：0.1≤x<1并且y≤0.5；0.5≤x≤1并且y≤0.5。层厚为10μm至30μm之间，并且具有至少18GPa的硬度。所述层具有Ra＝0.15或Ra＝0.4的表面粗糙度(Ra以μm为单位)并且在其它实施方式中处于一定范围内：0.1<Ra<0.5。用于活塞环103的其它适当的涂层在表格1b中作为C2和D2已知。
在气缸滑动面108上，第二材料区域12构成为由氧化铝和氧化铬混合物构成的层，并且具有62wt％重量比的Al1O3和38wt％重量比的Cr2O3。表面粗糙度为Ra＝0.45μm(在表格1a中的E1)。备选地，第一材料区域构成为氧化铬(Cr2O3)层，该层具有Ra＝0.15μm的表面粗糙度(在表格1a中的D1)。
备选地，第二材料区域12由铝铬氧化物层构成，在该层中氧化铬的比例总计10wt％至100wt％的比例并且氧化铝的比例相应补充地总计90wt％至0的比例。用于第二材料区域的其它适当的涂层也可以是在表格1a中以A1、B1和C1标示的层系统。
因此，一个或多个活塞环103(第一本体)和气缸105或气缸衬套107(第二本体)与接触的面112和108或者说一个或多个所述第一材料区域11和第二材料区域12形成摩擦学系统，在该摩擦学系统中，接触的面在运行中相互滑动摩擦。
在此，存在一些运行状态，在这些运行状态中发生基本上干燥的摩擦，亦即在活塞的上转变点和下转变点处发生，在该上转变点和下转变点处，活塞速度很低或者甚至等于零。于是，在两个面之间的由机油形成的润滑油膜基本上被破坏。
湿润或者润滑的摩擦在活塞的振动运动期间在止点之间发生。于是，机油在材料区域11和12之间形成有效的润滑油膜，显著地降低摩擦和磨损。
也可以发生混合摩擦状态，在混合摩擦状态中，润滑剂不是作为完全的油膜存在于材料区域11和12之间，而是存在于表面中的凹部中。这种润滑作用可以在表面粗糙度较高时(例如在珩磨的面上)比在具有较低的表面粗糙度的较光滑的表面(例如抛光过或者刷过的面)更强，所述较光滑的表面具有较低的润滑剂容纳能力。
第二摩擦学系统2(在图1B中可看出)。细节视图1B示出活塞接套111，在该活塞接套的表面113上构造有第一材料区域11，该第一材料区域设有涂层，该涂层在表格1a中以A1、B1、C1、D1或E1标示。但是备选地，表面113也可以具有另一个涂层，该涂层在上面结合气缸滑动面108的涂层描述。类似于在第一摩擦学系统1中那样，根据活塞102在气缸105中的运动状态，在此在运行中也发生干燥的、润滑的或者混合摩擦。
在活塞的其它表面区域中也可以设置其它可选的涂层。一方面在活塞顶上(为此见图1C)，该活塞顶为了改进热和压力技术的负荷能力可以设有层114。另一个层115也可以设置在活塞环槽区域110中、尤其是在活塞环槽104的区域中。在此，一方面考虑在表格1a中给出的层A1、B1、C1、D1、E1，但是也考虑基于钼、氮化钼、氮化钼铜、DLC或者ta-C的层。
此外，也适用的是，例如对于活塞环103设有基于氧化铬或者铝铬氧化物的层(在第一材料区域11中)的情况，在气缸滑动面108上的与所述层配合作用的层(第二材料区域12)可以构成为基于Mo、MoN、MoCuN、DLC或者ta-C的涂层。
反之也适用于如下情况，其中，一个或多个活塞环103设有这样的层，使得气缸滑动面108于是设有基于氧化铬或者铝铬氧化物的层、尤其是设有这样的、其特性进一步如上所述或随后详细地描述的层。
同样的情况也适用于由气缸滑动面111和活塞裙滑动面113形成的摩擦学系统。
现在在后文中借助于图2至图16利用配属的试验装置和一些试验结果描述测试，这些试验结果还导向上述的按照本发明的实施方式。
这种类型的一种重要的测试是振动-摩擦-磨损(SRV)测试(DIN 51834)，利用该测试能够表征材料的磨损特性和摩擦特性。可以利用该测试校准后面应用的多种摩擦学情况，从而可以合理地预选择本体和配合本体的涂层。因此，可能的是，在真实的内燃机中在选择涂层时以大多已经优化一些的解决方案处理，从而仅还需要微调。这通过如下方式实现，即，这样校准SRV测试的参量、例如接触压力或者温度，使得测试的结果反映出已经执行的马达测试的结果。
这样的SRV测试被用于按照本发明的试验，并且这样选择用于测试的参量，使得校准在摩擦学接触中的润滑不良。这些参量不仅被用于润滑不良的情况，也被用于实施"干燥的"、亦即无润滑剂的测试的情况。根据经验，这样的测试提供了对两种基本的磨损特性的说明。在干燥的测试中，首先检验偶对在摩擦学接触中的咬合特性并且将摩擦偶对的相对磨损变得明显。在所述高接触压力下的润滑的测试模拟润滑不良。这些测试条件给出关于摩擦偶对的磨损的说明并且也提供摩擦系数，该摩擦系数允许材料组合的相对比较。
在试验中检验不同的层材料。鉴于在内燃机的活塞环和气缸滑动面之间的摩擦学接触的进一步开发和改进，实施涂层的选择，亦即在第一组1中以热喷涂方法并且在第二组2中借助于PVD方法、优选以喷溅并且更优选地以反应性的阴极火花蒸镀制造层。
利用两种涂层方法对样本施加涂层，亦即组1的样本设有根据经验良好地适用于在气缸滑动面上的或者应为了这种使用而被检验的涂层。
用这样的材料对组2的样本施加涂层，所述材料根据经验适用于活塞环涂层或者所述材料的特性应该为了这样的应用而被查明。将这些涂层沉积在平坦的样本上并且部分再处理。所述测试不仅以由钢(100Cr6)制成的配合本体而且也以氧化铝进行。
图2示出用于执行SRV测试的整套装置的示意性结构，并且描述了在本文中使用的术语。这些测试对于多得多的数量的层材料实施，但是在此没有全部说明。
在内燃机的领域的开发中力求达到的两个重要的技术目的是减少磨损和减少摩擦损耗，减少磨损是为了提高组件的寿命和维修间隔时间，减少摩擦损耗是为了改进效率。
一个重要的方面也涉及在内燃机中使用的材料的温度稳定性。在此存在如下趋势，改进所述温度稳定性，以便燃烧过程可以在温度较高时发生，以便也借此提高马达的效率。所述检验的另一个重要的原因是寻找温度稳定的层材料，所述层材料在材料表面的温度较高时保护这些密实的材料表面并且在环境温度时和在高温时都具有良好的摩擦学特性。
图2描述了在干燥的条件(左边)和润滑的条件(右边)下SRV测试的原理。摩擦学系统或者摩擦系统包括两个摩擦偶对，即本体(K)和配合本体(GK)。K施加有一种涂层，同时在试验中使用由钢(100Cr6)和氧化铝制成的球状的经抛光的GK。K固定地张紧到底座中并且可以被加热。GK在K上通过以两个箭头表明的力以水平振动方式振动地在涂覆的表面上运动并且同时加载有负荷L。在润滑的测试(右边)中，给所述振动附加润滑剂S。
试验说明
在表格1a和1b中给出被测试的层材料。这些层材料部分是已经技术上引入的材料或者是具有用于马达测试的资格的材料(A1、B1、C1)。
附加地，还测试其它材料，这些材料的摩擦学的特性不是已知的，但是所述材料保证改进的温度稳定性(D1、E1、C2、D2)。这些材料主要来源于氧化物并且部分是本发明的内容。表格1a和1b仅列出一部分所述被测试的材料并且也给出所述层所具有的表面粗糙度。不言而喻地，表面粗糙度取决于不同的再处理。
对于所述再处理来说，在所述检验中仅适用常用的方法，即例如珩磨、研磨或者刷擦，以便不仅对于施加涂层而且也对于再处理保证本发明的技术上的转化。表格按照涂层方法将层材料分组，设置用于在气缸滑动面上的应用的层在表格1a中给出，用于对活塞环施加涂层的层在表格1b中给出。之所以进行这样的分离，是因为不同的涂层方法程度不同地适用于对环和线施加涂层，但所述分离不应理解为限制性的。
此外，不强制的是：在不同的涂层方法中制造的、具有相同化学组成的层材料也具有在摩擦学系统中的相同的特性。这例如可以取决于不同的层厚或者层在其孔隙度或者内应力方面的机械特性。对于在气缸滑动面上的层使用热喷涂方法，并且制造具有在150μm至800μm之间的厚度的层。对于活塞环材料的涂层施加使用PVD方法，该PVD方法对于在此选择的层来说是反应性的阴极火花蒸镀，尽管也可以为此使用其它涂层方法、例如热蒸镀或喷溅。
对平坦的样本施加涂层。将所有借助于热喷涂方法制造的样本这样再处理，使得这些样本具有对应于在生产中用于对热喷涂的气缸滑动面再处理的标准珩磨的表面粗糙度。
借助于火化蒸镀制造的层或是不进行再处理或是在标准刷擦方法中再处理。关于制造方法、层材料的选择和更精确的说明以及再处理的方式和由此造成的表面粗糙度的分类同样在表格1a和1b中给出。
作为在SRV测试中的配合本体，使用由钢(100Cr6)和由氧化铝制成的经抛光的球体。所述测试不仅干燥地并且以两种不同的油润滑地实施。在环境温度下并且对于不超过160℃的温度(接近使用的润滑剂的稳定极限)进行测试，以便也借此检验层在较高温度下的稳定性。
所述测试提供如下结果：
1.摩擦系数作为时间函数的曲线
2.涂层在不同条件下的磨损
3.配合本体在不同条件下的磨损
这些结果以表格形式给出。对于摩擦系数，在表格中采用在相应的测试结束时给出的值。涂层和配合本体的磨损的评估基于光学显微镜的磨损图像的视觉估算和光学扫描的表面轮廓的定量评估。为了更好地理解以图表形式给出的值，对于在SRV测试中的效果和检验条件的所有类型给出一个实例。
图3示出由再处理过的低合金化的钢制成的层与作为配合本体的经抛光的钢球的摩擦系数的时间曲线(A1)和经抛光的Al-Cr-O层与作为配合本体的经抛光的钢球的摩擦系数的时间曲线(D2)。SRV测试干燥的、亦即无润滑地实施。可以看出，摩擦系数在测量时间结束时对于A1是0.86并且对于D2是0.76。曲线D2的噪声在氧化涂层时比在低合金化的铁时更强。
在所述测试条件下，摩擦学系统对于本领域技术人员来说具有用于摩擦系数的值，这些值表明在摩擦学接触中的“咬合”。对于在此讨论的使用来说，必须避免这样的咬合。
在图4中示出层磨损。为此，在测试之后拍摄层表面的光学显微镜的图像(上排的图)。可见，层表面在振动的钢球在其中运动的并且大致为1mm长的区域中明显的改变。借助于EDX测量不仅可以探测在A1上的而且可以探测在D2上的配合本体(100Cr6)的材料，亦即将配合本体的材料转移到涂层上(咬合)，这表明配合本体的磨损。
为了更详细地表征层磨损，垂直于振动的运动方向机械地扫描表面、如由在图像中的白线表明的那样。将制造商Nanofocus的“μ-Surf”型号的共焦的白光显微镜用作用于所述测量的仪器。在扫描中获得的A1的表面轮廓示出表面粗糙度随着A1的部分材料施加和部分层磨损而增大。在D2的表面轮廓中可以观察到少量的磨损：施加在振动的运动的边缘处并且当不考虑划痕时，在中间几乎不存在损坏。在磨损的标度上(1-无磨损，5-程度大的磨损)将所述磨损以例如2评价A1并且以1-2评价D2。
对在摩擦学领域中的本领域技术人员也可解释摩擦系数的大小。0.8左右的值对于钢在钢上的干摩擦来说是常见的，这在这种情况下通过将材料转移到层中实现。其它磨损值在表格2中给出。在用于B1和C2的值中在磨损值后还有负号，该负号应表明，在这两个层的情况下发生配合本体的相当大程度的材料转移，亦即不是产生磨损而是利用配合本体材料形成层结构。在表格中的值表明，除了C1之外，层相对于钢具有高的耐磨性。但是，这些值也指出，当在摩擦学系统中将比钢耐磨的层与作为配合本体的钢组合时，对于探讨的层来说必须避免干燥的条件。在所述条件下，改进的表面粗糙度也明显无法防止配合本体材料的咬合。
当涉及优化摩擦系统的磨损特性时，除了被施加涂层的本体的磨损之外，在摩擦学系统中配合本体的磨损当然也是重要的。因此，在图5中，检验配合本体的(在这种情况下为由100Cr6的钢制成的经抛光的球体)的磨损，其方式为，拍摄球体的与层接触的区域的光学显微镜的图像。所谓的磨损盖(Verschleisskappe)的直径是磨损的程度并且由此还可以计算磨损体积。对于表格的评估，在此再次使用1至5的标度，其中，1又意指无磨损并且5意指非常大的磨损。对于在图5中示出的照片，以4评价A1并且以3评价D2。
进一步突出的是，在用于D2的摩擦系数的时间曲线中较小的噪声。借助于光学显微镜的图像和在磨损区域中的表面轮廓检验层磨损对于两个层得出不同的结果(图7)。在以4评价的A1中观察到明显的层磨损。意外地，在D2中找不到层磨损。仅发生一种接触区域的磨光。基于此，以1评估层磨损。
氧化铝配合本体的磨损在图8中示出。配合本体的磨损对于两各个涂层系统来说明显小于在100Cr6的配合本体的情况。对于A1(左上)，配合本体示出具有许多划痕的接触面。对配合本体的倒圆部的再次测量(左下)确定了氧化铝配合本体的表面的粗糙化，尽管此外观察不到球半径的明显的改变。可以推测，在这种材料配对的情况下生成喷溅，所述喷溅导致这样的粗糙的表面。所述喷溅的背景至今还未无疑义地查明。对于D2，观察不到配合本体的磨损(右列)。这对于无润滑的摩擦学系统是意外的结果，该系统在高的接触压力下运行。在照片中具有对于A1和D2改变的表面质量的圆面表明当在选择的条件下运行测试时变形的区域，并且仅表征在本体和配合本体的接触区域的区域中的变形，所述本体和配合本体对于相应的材料配对也是典型的。因此，所述变形不必是如对于100Cr6的球体的情况中那样的磨损盖。对此的证据再次提供利用Nanofokus对表面的扫描，该扫描提供原始的半径并且不示出球体的椭圆度。因此，所述本体和配合本体提供了干燥的SRV测试的突出的结果，在所述本体和配合本体中存在基于氧化铬或者铝铬氧化物的层的层配对。
以下介绍在具有润滑剂的SRV测试中得出的结果。利用不同的润滑剂实施这些测试。这些不同的润滑剂导致不同的摩擦系数。但是在磨损中几乎或者完全不能区分这些区别。通常仅示出接触区域的另一种颜色。检验得出，这主要是由于在机油中的不同的添加剂。因为添加剂的处理不是本发明的主题，所以不详细探讨这些区别。
在图9中示出A1(1)和D2(2)的摩擦系数的时间曲线，其利用柴油作为润滑剂(在此被称为机油1)并且钢球作为配合本体来测量。对于A1，在磨合运行中得出0.20的摩擦系数，而D2的摩擦系数为0.18。在与干燥测试相比较时在摩擦系数中的相对差别变得更小，亦即在润滑的条件下的材料影响表现地更少。涂层的表面特性也具有较大影响，亦即表面的孔洞结构或者孔隙结构(其在A1中作为热喷涂过程的结果而存在)更适用于将润滑剂保持在表面中并且进而尤其是在润滑不良时使摩擦系统更可靠。这也可以在比较C2和D2时隐含地看出，因为未抛光的涂层C2具有比经抛光的涂层更小的摩擦系数。表格3整理了所有用于利用钢作为配合本体的润滑SRV测试的摩擦系数。
在图10中示出在这些测试条件下获得的层磨损。A1以值2示出少的层磨损并且另外仅示出在接触区域中的磨光效果。对于D2无法测量出层磨损(值1)。在此也可能发生磨光，尽管该磨光不能明显在测量的表面轮廓中探测。用于层磨损的其它值又在表格3中给出。仅可以对于层A1、B1和C1测量出少的磨损，而所有基于氧化铬和铝铬氧化物的层都未示出磨损。
在图11中示出由钢制成的配合本体在利用润滑剂油1时的磨损。对于两种配置观察表面变色。在A1的情况下的100Cr6球的表面轮廓示出少的磨损(值1-2)，亦即，表面变色仅通过接触面的弹性变形实现并且通过薄的油膜形成变色，所述薄的油膜主要由在油中的添加剂或者油的分解产物形成。对于D2，接触面变色的大小是类似于A1的，但是根据100Cr6球的表面轮廓可以确定具有值2的少的磨损。钢本体通过涂层E1和C2经历更明显的磨损。所有基于氧化铬和铝铬氧化物的涂层示出超过20GPa的非常高的显微硬度(按照ISO 14577标准测量)，并且重要的是，如果将具所述层与作为配合本体的钢一起使用，则相应地选择表面质量。
利用氧化铝配合本体的SRV测试的结果是非常有利的，因为在干燥的条件下在两个摩擦偶对上对于D2已经可以确定无磨损。图10又示出摩擦系数的时间曲线，对于所述摩擦系数在测试结束时对于A1得出0.19的值并且对于D2得出0.18的值。在此，层材料对摩擦系数的相对影响比在干燥的测试中要小。表面的成型是明显更重要的，所述成型由材料表面、机油和添加剂的配合作用得出并且在变色中表现出来。B1具有最高的摩擦系数。此外，对于所有其它材料测量出0.18的摩擦系数。在该测试的范围内，摩擦系数意外地比在已经引入的层A1和C1相对于钢的摩擦系数要小。
图13示出层磨损，该层磨损对于A1是相当小的(值2)，并且更确切地说，仅表明磨光效果。这是良好的特性、尤其是在层包含非常多(孔隙)的背景下是良好的特性。这又表明，这样的表面几何结构有助于更好的摩擦学特性，亦即，润滑剂留在涂层凹部中并且减少摩擦损耗。对于D2无法测量出层磨损(值1)。尽管在此也预计一定的磨光效果，但所述层是稳定的。B1示出大的磨损(值5)并且C1也示出大的磨损(值4)。层B1特别是示出，本体和配合本体的相互协调是多么重要，因为B1提供相对于钢的最低的摩擦系数和相对于氧化铝最高的摩擦系数。
图14表征氧化铝配合本体的磨损。对于A1和D2都无法确定球的磨损(两个都是值1)。在表面轮廓中测量的表面区域中的粗糙度对于材料的给出的孔隙度来说是典型的。划痕来源于材料的小的喷溅，这些划痕在测试时在层和配合本体的表面之间形成并且与真实的马达测试相比，在我们的测试结构中不随着油运走。
表格2和3关于两个配合本体材料对于不同的测试条件概括测试的层材料的结果。由所述测量导出定量评估，如在先前的文本中示例性地阐述的那样。基于所述检验能够如下地概括SRV测试的至今的结果：
SRV：以100Cr6作为配合本体，干燥地
·对于所有测试出现100Cr6钢配合本体的显著的磨损
·测试在摩擦系数处于0.8左右的范围内趋于稳定。这是由于：配合本体的材料咬合(转移)到相应的层上并且由此产生钢-钢接触。与此相应地，对于所有在此检验的层观察到配合本体明显的并且高的磨损。
SRV：以氧化铝作为配合本体，干燥地
·层A1、B1和C1示出层磨损，尽管所述层磨损在在此选择的涂层的情况下与其它常见的、未录入到表格中的材料相比是更小的。
·检验的氧化层划分成两组。具有高的表面粗糙度的组(E1)具有0.8左右的摩擦系数并且在摩擦系数的时间曲线中示出大的噪声。第二组(D1、C2、D2)具有0.6左右的摩擦系数并且因此与其它涂层相比明显突出。所述组的层具有Ra低于0.4μm的表面粗糙度。
·所有基于Cr和Al-Cr的氧化层(D1、C2、D2)除了磨光效果之外未示出层磨损。
SRV：以100Cr6作为配合本体，润滑地
·所有检验的层的摩擦系数示出低于0.2的值，其中，B1和D1是最低的。
·非基于氧化铬和铝铬氧化物的层(A1、B1、C1)示出值2的小的磨损。
·在基于氧化铬和铝铬氧化物的层(D1、C2、D2)中无法发现层磨损。
·除了E1和C2、亦即具有较大的表面粗糙度的硬的氧化的涂层之外，对于所有其它的层材料得出值1-2或2的小的配合本体磨损。在润滑条件下的并且具有100Cr6作为配合本体的层的表面粗糙度明显是重要的，并且如果想要实现这样的材料配对，则必须优化磨合性能并且层粗糙度Ra小于0.2μm。
SRV：以氧化铝作为配合本体，润滑地
·除了B1(0.21)之外，摩擦系数全部处于0.18至0.20的范围之内。
·层磨损在B1中是相当大的，在C1和E1中是中等的并且在A1中是小的。在基于氧化铬和铝铬氧化物的涂层D1、C2和D2中无法发现层磨损。
·测试对于大多数层生成配合本体的小的磨损，但是对于A1、D1和D2无磨损。
最后，在较高的温度的情况下也还实施所述测试。为此，使用另一种、例如温度稳定的油2。该油的使用原则上完全不改变先前的SRV测试在室温下给出的、所获得的认知。油2提供稍微不同的摩擦系数，但是对于层和配合本体的磨损特性不给出质量上不同的结果。
这不应意指：这对所有其它油同样如此。仅仅使用另一种添加剂就可以导致摩擦系数的明显的改变。但是这不是所述检验的内容并且因此不会详细探讨。在温度较高时用于SRV测试的油2对于不超过160℃的温度的测试是稳定的。
在表格4中给出测试的层，在室温(RT)、100℃和160℃时测试这些层。表格仅描绘出测试涂层的少量选择并且基本上集中于层材料，这些层材料是本发明的主题。
如上面已经描述的那样，对于所述层和配合本体再次检验摩擦系数的时间曲线、层磨损和配合本体的磨损。以下应再次借助一个实例阐明操作方法，其中，这次省去光学显微镜的拍摄并且仅示出表面轮廓。类似于已经如上描述的评估那样来确定摩擦系数以及对层磨损和配合本体磨损的定量评估。
在图15a至图15c中示出用于以氧化铝作为配合本体的层系统A1、D1和D2的和对于润滑的(机油2)SRV测试的摩擦系数的时间曲线。如果在室温时比较不同的层材料，则可以识别在A1和D1以及D2之间的明显区别。这些区别随着温度增加而减少，然而不消失。对于所有温度，涂层D1和D2具有最小的摩擦系数。
在图16中对比用于涂层A1和D2的层磨损和配合本体磨损。A1具有值2的少的层磨损，而D2未示出层磨损。此外，用于两个层的氧化铝配合本体不存在磨损。
对于在温度较高时的SRV测试可以概括如下：
SRV：在温度较高时以100Cr6作为配合本体，润滑地
·用于所有检验的层的摩擦系数示出0.2左右的值。具有大约0.18或者0.16的层D1和D2在室温下具有比A1(0.20)明显更低的值。在温度较高时，所述区别逐渐消失，尽管基于氧化铬和铝铬氧化物的层仍总是具有最低的摩擦系数。
·A1对于所有的温度范围示出少的层磨损，与之相对，氧化的层D1和D2未示出层磨损。相反，在很多非氧化的层中发生磨损。
除了B1和C2之外，仅发生少的配合本体磨损。层的表面粗糙度在此是重要的并且摩擦系统的磨合性能也是重要的。配合本体磨损在一定时间之后在接触面的大小上趋于稳定。
SRV：在温度较高时以氧化铝作为配合本体，润滑地
·在室温下摩擦系数略低并且对于较高的温度示出少量提升。但是这些摩擦系数在所有情况下都处于0.2左右，其中，基于氧化铬和铝铬氧化物的涂层D1和D2比A1低。
·在所有温度时在A1中都发生的少的层磨损，在B1中发生较大的层磨损。基于氧化铬和铝铬氧化物的层没有磨损。
·对于所有涂层无法测量出配合本体的磨损。
描述了一种摩擦学系统1或2，其包括本体105、107和配合本体103、111的，所述本体和配合本体共同形成摩擦学接触，其中，本体105、107的表面108至少在接触的区域中以第一涂层12被施加涂层并且配合本体103、111的表面112至少在接触的区域中以第二涂层11被施加涂层，特征在于，所述第一和第二涂层12、11中的至少一个涂层是基于氧化铬或者铝铬氧化物的涂层。
在摩擦学系统1或2中，另外的涂层11、12可以包括基于Mo、MoN、MoCuN、DLC或者ta-C的涂层。
在摩擦学系统1或2中，所述第一和第二涂层12、11都可以包括基于氧化铬或者铝铬氧化物的涂层。
至少一个所述涂层12、11并且优选两个涂层12、11可以具有(Al1-xCr-y)2O3的化学组成，其中，0.1≤x≤1并且y≤0.5。
至少一个所述涂层12、11并且优选两个涂层12、11可以具有18GPa或者更大的硬度。
摩擦学系统可以是内燃机100的部分，其中，所述内燃机优选构造用于燃烧汽油、柴油或者气体。
本体例如可以是活塞环103并且配合本体例如可以是气缸滑动面108。优选内燃机100的其它表面、特别优选气缸环槽104、活塞裙(活塞接套111)、活塞接套滑动面113和/活塞顶109还以基于氧化铬或者铝铬氧化物的层被施加涂层。
表格1a：层，这些层以热喷涂方法制造并且主要考虑用于对气缸滑动面施加涂层。
表格1b：涂层，所述涂层以阴极火花蒸镀制造并且主要考虑用于对活塞环施加涂层。
表格2：结果说明，所述结果由在干燥条件下利用由100Cro6和氧化铝制成的配合本体的SRV测试提供。
表格3：结果说明，所述结果由在润滑条件(润滑剂油1)下以100Cr6和氧化铝制成的配合本体的SRV测试提供。
表格4：结果说明，所述结果由在润滑条件(润滑剂机油2)下以100Cr6和氧化铝制成的配合本体的SRV测试提供为温度函数。

Claims (13)

1.一种摩擦学系统(1、2)，所述摩擦学系统包括第一本体(102、105)和第二本体(101、107)，所述第一本体和第二本体分别形成内燃机(100)的组件、尤其是活塞(102)、活塞环(105)或者气缸(101、107)，并且所述第一本体和第二本体的表面(112、108、113)具有第一和第二材料区域(11、12)，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，其中，所述第一和/或第二材料区域(11、12)构成为基于氧化铬或铝铬氧化物的层。
2.根据权利要求1所述的摩擦学系统(1、2)，其中，所述第一和第二材料区域(11、12)分别设置在组件(101、107、105、102)的形成工作面的表面上、尤其是设置在活塞裙滑动面(113)、环工作面(112)和/或气缸滑动面(108)上。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦学系统(1、2)，其中，在构成为活塞环(103)的第一本体上的第一材料区域(11)是具有(Al1-xCr-y)2O3的化学组成的基于铝铬氧化物的涂层，其中：0.1≤x≤1并且y≤0.5；0.5≤x≤1并且y≤0.5或者x＝0.7并且y＝0.3。
4.根据权利要求1、2或3之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，在构成为气缸(101、107)的第二本体上的第二材料区域(12)是具有10wt％至100wt％的Cr2O3并且相应地具有90wt％至0wt％的Al2O3的组成的层。
5.根据权利要求1至4之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，所述第一材料区域(11)具有以μm为单位的表面粗糙度Ra，对于所述表面粗糙度：0.1≤Ra≤0.5；0.15≤Ra≤0.4；Ra＝0.15或者Ra＝0.4，并且所述第二材料区域具有如下的表面粗糙度，其中：0.1≤Ra≤0.5；0.15≤Ra≤0.45；Ra＝0.15或者Ra＝0.45。
6.根据权利要求1至5之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，所述材料区域(11、12)之一借助于热喷涂方法构成。
7.根据权利要求6所述的摩擦学系统(1、2)，其中，借助于热喷涂方法构成的所述材料区域(11、12)具有在150μm至800μm之间的层厚。
8.根据权利要求1至7之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，所述材料区域(11、12)之一借助于PVD方法、尤其是阴极火花蒸镀构成。
9.根据权利要求8所述的摩擦学系统(1、2)，其中，借助于PVD方法构成的所述材料区域具有在10μm至30μm之间的层厚。
10.根据权利要求1至9之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，一个材料区域(11、12)构成为基于Mo、MoN、MoCuN、DLC或者ta-C的层，并且一个材料区域(11、12)构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的层。
11.根据权利要求1至10之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，至少一个所述层具有至少18GPa的硬度。
12.一种内燃机(100)，所述内燃机具有根据权利要求1至11之一所述的摩擦学系统(1、2)。
13.根据权利要求12所述的内燃机(100)，其中，活塞(102)具有至少一个另外的表面区域、尤其是在活塞环槽区域(104、110)中、在活塞顶(109)上、和/或在活塞裙(111)上具有至少一个另外的表面区域，所述至少一个另外的表面区域构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的层。
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