CN1928148A - 耐磨的涂层及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于耐磨涂层的制造方法以及在用于特别的燃料输送单元的由烧结材料制成的暴露于摩擦磨损的机器零件(1)的预定表面(2)上的耐磨的涂层，该耐磨涂层由至少一个在机器零件(1)的预定表面(2)上涂敷的带有sp2混成碳和sp3混成碳的无金属的非结晶形的碳氢化合物层(5)组成，用于减小摩擦并且用于提高机器零件(1)的预定摩擦面(2)的磨损阻力。

Description

耐磨的涂层及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在由烧结材料制成的并且暴露在摩擦磨损的机器零件的预定表面上的耐磨的涂层，并且还涉及一种用于这样耐磨涂层的制造方法，特别是用于在燃料输送单元中的由烧结材料制成的机器零件的涂层的制造方法。
背景技术
尽管可用于任何由烧结材料制成的机械零件，但是参考用于燃料输送单元的由烧结材料制成的机器零件特别是根据盘形凸轮详细地说明本发明以及基于本发明的问题。
申请人已知一种燃料输送单元，该输送单元在LuK-Automobiltechnik的4缸、5缸或10缸串联泵中基于所谓的封闭叶片原则。在该原则中发现盘形凸轮以可转动的方式设置在输送单元的中央板中使用，并且盘形凸轮通过确定的接触面位于中央板的所属的对接面上。由于成本的原因盘形凸轮和中央板都优选地由烧结材料制造。由于在盘形凸轮和中央板之间产生的摩擦接触位置，在输送单元的中央板上，在5缸和10缸泵时增强，在相应的接触面上径向出现的材料磨损产生了。
该磨损即在接触的配合副的持续应力时产生的磨损现象由于机械的或者摩擦的原因通过最小量的分离导致表面通常不希望的改变，因此通过下面的方式减小磨损，即使得参加的配合副经过用于获得确定特性的热化学处理。例如接触面被碳氮化、氮碳共渗、氮化和/或氧化。
但是在这种方式中被证明为不利的实际情况是，尽管使用热化学过程，例如尽管中央板进行等离子氮碳共渗，特别在5缸和10缸的输送单元中径向上继续更高，当产生减小的磨损阻力时。此外盘形凸轮的等离子氮碳共渗处理本身带来多个问题。为了承受在盘形凸轮上作用的负载，该盘形凸轮在烧结处理之后用亲富甲烷燃气冷却并且在大约200℃至250℃时回火。等离子碳氮共渗在大约550℃至590℃时的温度时进行。在这种情况下，盘形凸轮的原有硬度损失并且该盘形凸轮在负载位置上必须另外进行高频感应加热淬火。在具有方法温度的涂层中，该方法温度大于基本材料或者盘形凸轮材料的回火温度，盘形凸轮的形貌以及因此该盘形凸轮的加工尺寸改变，这由于结构技术的原因是极其不利的和不希望的。
此外，由烧结材料制成的零件是非常多孔的并且因此包括杂质，例如冷却润滑剂或类似物。这些杂质必须在等离子氮碳共渗之前被除去，以便通过材料的放气不干扰涂层的处理。因此不利地要求另外的方法步骤。此外由于盘形凸轮的非常不平的烧结金属表面，涂敷的磨损层在氮碳共渗时不能非常均匀地压制，所以能够导致磨损层的剥落。此外也能够导致材料的边缘的边缘突出。
此外，例如等离子氮碳共渗中的热化学处理的缺点在于，可能设有的带有相对高的硬度的连接层在带有相对小的能经受预热处理的材料硬度的盘形凸轮上仅仅具有较小的支持物，所以可能的连接层能够以不希望的方式从盘形凸轮中脱落。
此外，申请人已知下面的方式，零件的接触面借助于锰-磷钝化处理或者镀有不易滑动层，或者在接触面上涂敷电镀层。虽然能够减小摩擦，但是这样的层的磨损阻力仍然很小，所以该层容易被磨破。另外在电镀层时应该注意环境负荷是不利的因素。
此外申请人已知下面的方式，使用的零件副由硬质合金或者高速钢制造。但是在这种方式中被证明为不利的实际情况是，这样的物品具有极其高的重量并且仅仅在非常昂贵的加工技术下进行加工。
申请人同样知道，具有高表面硬度的层借助于PVD或者(PA)CVD方法能够涂敷在盘形凸轮上，所述高表面硬度层例如是TiN、CrN、(Ti、Al)N或者类似物。但是在这种方式中被证明为不利的实际情况是，由于在零件副和增大的盘形凸轮的表面硬度之间的较高的摩擦，对接件的磨损即输送单元的中央板的磨损被不利地增加了，所以整个输送单元的使用寿命减小了。
至今，烧结物品借助于PVD或(PA)CVD的方法设有持久涂层一直没有成功，因为第一基本材料由于小孔和较小的硬度只能提供对必需的硬的磨损保护层的差的支撑作用，并且第二烧结材料的小孔在真空涂层处理中的加工条件下大部分含油的残余物放气，从而干扰涂层处理或者磨损保护层不能连接在基本材料上。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种耐磨的涂层以及用于这样涂层的制造方法，通过该任务消除上述的缺点，并且通过该任务保证在燃料输送单元的整个使用寿命期间具有减小的摩擦系数的特别耐磨性。
根据本发明该任务在装置方面通过具有权利要求1的特征的耐磨涂层实现，并且在方法方面通过具有权利要求14的特征的方法实现。
本发明所基于的思想在于，在暴露于摩擦磨损并且由烧结材料组成的机器零件的预定面上的耐磨涂层包括至少一个在机器零件的预定表面上涂敷的带有sp2混成碳和sp3混成碳的无金属的非结晶形的碳氢化合物层，用于减小摩擦并且用于提高机器零件的预定摩擦面的磨损阻力。
因此本发明相对于现有技术具有如下优点，即相对于现有技术在燃料输送单元中例如提高在盘形凸轮和中间板之间的接触区域的磨损耐性。此外相对于现有技术保证减小相对于中央板的滑动接触的摩擦。
另一个优点在于，在涂敷根据本发明的耐磨涂层时有利地不改变盘形凸轮或者烧结材料在构造以及功能条件的配件公差方面的特性。因此，通过使用根据本发明的耐磨涂层能够采用成本便宜的烧结材料作为底层结构，所以零件在烧结方法中有竞争力地被制造。在烧结材料上涂敷的涂层是持久的并且不改变零件特性的耐磨涂层，该耐磨涂层有利地延长摩擦副的使用寿命并且因此延长输送单元的使用寿命。
在从书权利要求中找到对权利要求1中所给出的耐磨的涂层和对权利要求14所给出的用于这样涂层的制造方法的有利的设计方案和改进。
根据一个优选的改进方案，非结晶形的碳氢化合物层具有最大20％原子比例的氢。因此机器零件或盘形凸轮的预定面具有对机械的相接件即中央板极小的粘附倾向、较高的研磨的磨损阻力、高的化学耐性、高的机械强度和高的硬度/E模比例。较高的氢的比例能够导致与润滑剂或类似物的不期望的连接。
优选地，非结晶形的碳氢化合物层在处理条件下具有污物的原子比例小于1％，所述污物例如是O原子或者Ar原子、金属或者类似物。
根据另一个优选的实施例整个涂层具有从大约2.0μm至5.0μm的厚度，其中非结晶形的碳氢化合物层优选地具有从1.0μm至4.0μm的厚度。通过这样的涂层厚度，机器零件的尺寸以如此小的程度改变，使得不需要精整并且保留调整的表面结构或者形貌。
根据本发明的另一个扩展方案，在机器零件的预定面和非结晶形的碳氢化合物层之间设有至少一个增附层或至少一个中间层或该两层的组合。在这种情况下，至少一个中间层优选地构造为含金属的碳氢化合物层，其中金属成分由W、Ti、Hf、Ge或者前述成分的组合组成。该中间层优选地具有从大约0.5μm至2.0μm的厚度。至少一个增附层优选地由金属材料、过渡金属或类似物的硼化物、碳化物和氮化物构成。优选地所述增附层具有从大约0.1μm至0.5μm的厚度。
根据另一个优选的实施例，非结晶形的碳氢化合物层借助于PVD方法或者(PA)CVD方法沉淀在机器零件的预定面上。优选地借助于PVD方法进行至少一个中间层和/或至少一个增附层的沉淀。
优选地沉淀的非结晶形的碳氢化合物层不需要进行热的和/或机械的精整。
根据另外一个优选的实施例，机器零件的预定面由硬化的烧结钢制成。因此能够采用成本便宜的烧结钢作为底层结构并且机器零件在烧结方法中有竞争力地被制造。
优选地，在非结晶形的碳氢化合物层沉淀之前，机器零件的预定面经过净化，例如接着在净化炉或类似物中的放气过程之后在不同净化电解中的浴净化。因此保证涂层持久地吸附在基体上。
根据另一个优选的实施例，非结晶形的碳氢化合物、至少一个中间层和/或至少一个增附层在各自的涂层温度下沉淀，这些温度分别小于机器零件的回火温度。有利地，可能的放气过程的开始温度也低于机器零件的回火温度。因此机器零件没有硬度损失和变形。
例如盘形凸轮朝向内燃机的柴油输送单元的中央板的接触面应用该耐磨的涂层，其中盘形凸轮由烧结材料制成。但是同样由烧结制成的中央板、阀动装置组件也能设有这样的耐磨涂层，其中阀动装置组件例如是平底挺杆、液压支撑元件和插入元件、滚动轴承组件、控制活塞、分离轴承、活塞销、轴承瓦、线性引导装置或类似物。
附图说明
下面根据在附图中所示的实施例详细地说明本发明。在附图中示出：
图1是根据本发明的一个实施例的柴油输送单元的俯视图；
图2是沿着剖切线A-A的图1中的柴油输送单元的横向剖视图；以及
图3是根据本发明的一个优选的实施例的在盘形凸轮朝向中间盘的接触面沉淀耐磨的涂层的放大视图。
具体实施方式
在附图中相同的附图标记表示相同的或功能相同的部件，总体来说不会给出相反的说明。
图1示出柴油输送单元6的俯视图并且图2示出根据本发明的一个优选的实施例的沿着图1中的柴油输送单元6的线A-A的横向剖视图。柴油输送单元6具有中央板7，盘形凸轮1在构成用于开动串联泵系统的在盘形凸轮1和中央板7之间的摩擦接触面的情况下例如基于封闭叶片原则在所述中央板中转动。在这种情况下，特别是在盘形凸轮1和输送单元6的中央板7之间的摩擦表面由于产生的摩擦力导致材料磨损。
所希望的是，盘形凸轮1的接触面2设有磨损保护的或耐磨的涂层，以便为了延长使用寿命提高盘形凸轮1的磨损阻力。
图3示出图1中的盘形凸轮1的剖视图的放大视图。如在图3中可以看出，在盘形凸轮1的预定表面2上设有用于提高磨损阻力以及用于减小摩擦力矩的耐磨的涂层3、4、5。
根据本发明一个优选的实施例，使用烧结材料特别是硬化的烧结钢制成金属基体作为盘形凸轮1的基体。通过使用这样的基体材料能够采用过去的制造技术并且该基体能够以烧结的方法经得起竞争地制造。
如在图2中还可以看出，在盘形凸轮1的朝向中央板7的预定表面或者接触面2上涂敷有增附层3。增附层3例如能够借助于PVD方法(物理气相淀积)沉淀在盘形凸轮1的预定表面2上。增附层3优选地由金属材料、过渡金属或类似物的硼化物、碳化物和氮化物构成并且优选地厚度从0.1μm至0.5μm。增附层3用于改进涂敷或者改进在基体1上接着涂敷中间层或功能层的原子的网络化。增附层3的厚度依据所使用的中间层4或者客户的希望和要求选择。
根据该实施例，如在图3中所示，接着中间层4借助于例如同样PVD方法沉淀在增附层3上。中间层4例如能够作为含金属的碳氢化合物(Me-C:H)被涂敷，其中出现金属成分W、Ti、Hf、Ge、或者类似物的单个的或者多个。中间层4具有例如大约0.5μm至2.0μm的厚度并且用于改进在增附层3上的功能层的涂敷或者在缺少增附层3的情况下用于在物理机械和化学方面改进在基体1上的功能层的涂敷。
此外如在图3中所示，接着在中间层4上沉淀真正的功能层5。在这种情况下，功能层5或者直接沉淀在基层1上，直接沉淀在增附层3上，或者如图3所示直接沉淀在中间层4上。优选地产生从中间层4到功能层5的专门的过渡部，该过渡部确保功能层5的最优的连接并且尽可能减小在涂层系统中或者在多孔的基本材料和涂层系统之间的重要截面中的应力，从而避免粘结和粘合形式的剥落。在该位置应该指出，在确定的应用范围中也可以放弃增附层3和/或中间层4。
功能层5作为非结晶的碳氢化合物(a-C:H)构成并且优选地借助于PVD方法和/或(PA)CVD方法(等离子辅助化学气相淀积)沉淀在所设的层上，根据该实施例沉淀在中间层4上。
在PVD的方法中，如此加热例如石墨的原材料，使得从石墨中发出高能量的碳离子束并且向待涂敷表面的方向传输。在这种情况下，待涂敷的表面能够一次或多次在处理室中经过高能量的离子束用于构成一个或多个层。
在(PA)CVD方法中，借助于等离子的情况下在处理室中产生混合气，待涂敷的材料部分存在于所述的混合气中。在预定的温度下，产生的气体互相发生化学反应并且导致在待涂敷的材料部分的表面上的薄的冷凝层。
由基体1、增附层3、中间层4以及非结晶形碳氢化合物层5组成的整个涂层系统的任务在于，减小在该涂层和例如燃料输送单元6的中央板7的相接件之间摩擦并且提高已涂层的盘形凸轮1以及相接件的使用寿命。
因此非结晶形的碳氢化合物层5优选地具有最大20％原子比例的氢，从而保证对金属的相接件的极小的粘附倾向、较高的研磨的磨损阻力、高的化学耐性、高的机械强度和高的硬度/E模比例。此外，非结晶形的碳氢化合物层5由sp2混成碳和sp3混成碳组成，其中优选地处理条件规定污物的原子百分比小于1％。
非结晶形的碳氢化合物层5优选地具有从大约1.0μm至4.0μm层厚。由单独的层3、4和5组成的涂层的整个厚度优选地为大约2.0μm至5.0μm。通过整个涂层的这样的厚度，机器零件或者盘形凸轮1的尺寸以这样小的程度改变，使得不需要精整并且保留调整的表面结构或者形貌。
涂层的表面承担摩擦的任务，该涂层通过调节的结构减小混合摩擦区域并且由于低摩擦涂层减小摩擦力并从而减小表面应力。与之相反，涂层系统与相接件一起承担机械的任务。
在轻型结构和成本节约的含义上能够用铁碳合金实现相接件，在现在的情况下例如为输送单元6的中央板7。此外，可以使用低粘性和低添加剂的油。而且能够实现最小的润滑或者升高的换油间隔。
各个涂层过程的涂层温度位于大约200℃并且用于基体的放气过程的开始温度位于大约200℃。因此该温度范围低于盘形凸轮1的烧结材料的回火温度。因此盘形凸轮1有利地既没有硬度损失也没有变形。
因此本发明提供一种耐磨的涂层以及用于制造这样耐磨涂层的方法，其中能够运用成本便宜的烧结材料作为底层结构，但是该结构在没有根据本发明的涂层的情况下不能经受摩擦的应力。由于必需的复杂的零件几何形状因此加工条件有利低使用带有根据本发明的涂层的烧结材料，所以零件在烧结方法中有竞争能力地制造。涂层由于较小的整体厚度能够被涂敷的非常均匀并且不会增加粗糙度。因此没有提前量以及没有成本高的精整的涂层是可以的。
通过上面所述的涂层产生摩擦的系统，该系统通过调节的结构减小混合摩擦区域并且由于低摩擦的涂层减小摩擦力并且进而减小表面应力以及提高磨损阻力。
显而易见，除了在输送单元中的盘形凸轮的接触面的涂层之外，其他的机器零件，例如另外的对接件即中央板，其他的阀动装置零件，例如平底挺杆、液压支撑元件和插入元件、滚动轴承组件、控制活塞、分离轴承、活塞销、轴承瓦、线性引导装置或类似物根据本发明被涂层。
尽管根据优选的实施例在上面已经描述本发明，但是本发明不限于此，而是可以进行多样的修改。
附图标记
1 机器零件/盘形凸轮
2 机器零件的预定面/盘形凸轮的朝向中央板的接触面
3 增附层
4 中间层
5 非结晶形的碳氢化合物/功能涂层
6 燃料输送单元
7 中央板

Claims (26)

1.用于特别的燃料输送单元的由烧结材料制成的暴露于摩擦磨损的机器零件(1)的预定表面(2)上的耐磨的涂层，该耐磨涂层由至少一个在机器零件(1)的预定表面(2)上涂敷的带有sp2混成碳和sp3混成碳的无金属的非结晶形的碳氢化合物层(5)组成，用于减小摩擦并且用于提高机器零件(1)的预定摩擦面(2)的磨损阻力。
2.如权利要求1所述的耐磨的涂层，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物层(5)具有最大20％原子比例的氢。
3.如权利要求1或2所述的耐磨的涂层，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物层在处理条件下具有少于原子比例为1％的污物。
4.如前述权利要求中至少一项所述的耐磨的涂层，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物层(5)具有从大约1.0μm至4.0μm的厚度。
5.如前述权利要求中至少一项所述的耐磨的涂层，其特征在于，在机器零件(1)的预定面(2)和非结晶形的碳氢化合物层(5)之间设有至少一个增附层(3)和/或至少一个中间层(4)。
6.如权利要求5所述的耐磨的涂层，其特征在于，至少一个中间层(4)构成为有金属的碳氢化合物层。
7.如权利要求6所述的耐磨的涂层，其特征在于，有金属的碳氢化合物层(4)的金属成分由W、Ti、Hf、Ge或者前述成分的组合组成。
8.如权利要求5-7中至少一项所述的耐磨的涂层，其特征在于，至少一个中间层(4)具有从大约0.5μm至2.0μm的厚度。
9.如权利要求5-8中至少一项所述的耐磨的涂层，其特征在于，至少一个增附层(3)由金属材料、过渡金属或类似物的硼化物、碳化物和氮化物构成。
10.如权利要求5-9中至少一项所述的耐磨的涂层，其特征在于，所述增附层(3)具有从大约0.1μm至0.5μm的厚度。
11.如前述权利要求中至少一项所述的耐磨的涂层，其特征在于，机器零件(1)的预定面(2)由硬化的烧结钢构成。
12.使用如前述权利要求中至少一项所述的涂层(3、4、5)作为由烧结材料制成的盘形凸轮(1)的朝向燃料输送单元的泵装置的中央板的接触面(2)。
13.如前述权利要求中至少一项所述的涂层(3、4、5)应用在阀动装置组件、燃料输送单元(6)的由烧结材料制成的中央板(7)的预定面(2)上，其中所述阀动装置例如为平底挺杆、液压支撑元件和插入元件、滚动轴承组件、控制活塞、分离轴承、活塞销、轴承瓦、线性引导装置或类似物。
14.一种在用于特别的燃料输送单元的由烧结材料制成的暴露于摩擦磨损的机器零件(1)的预定面(2)的耐磨涂层的制造方法，具有下列方法步骤：
在机器零件(1)的预定面(2)上涂上至少一个带有sp2混成碳和sp3混成碳的无金属的非结晶形的碳氢化合物层(5)，用于减小摩擦并且提高机器零件(1)的预定面(2)的磨损阻力。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物(5)借助于PVD方法和/或(PA)CVD方法沉淀在机器零件(1)的预定表面(2)上。
16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物层(5)构造有最大20％原子比例的氢。
17.如权利要求14-16中至少一项所述的方法，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物层(5)构造有在处理条件下少于原子比例为1％的污物。
18.如权利要求14-17中至少一项所述的方法，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物层(5)构造有从大约1.0μm至4.0μm的厚度。
19.如权利要求14-18中至少一项所述的方法，其特征在于，在非结晶形的碳氢化合物层(5)沉淀之前，机器零件(1)的预定面(2)经过净化，例如接着在净化炉中的放气过程之后在不同净化电解中的浴净化。
20.如权利要求14-19中至少一项所述的方法，其特征在于，在机器零件(1)的预定面(2)和非结晶形的碳氢化合物层(5)之间构造有至少一个增附层(3)和/或至少一个中间层(4)。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，至少一个中间层(4)构成为有金属的碳氢化合物层。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，有金属的碳氢化合物层(4)的金属成分由W、Ti、Hf、Ge或者前述成分的组合组成。
23.如权利要求20-22中至少一项所述的方法，其特征在于，至少一个中间层(4)构造有从大约0.5μm至2.0μm的厚度。
24.如权利要求20-23中至少一项所述的方法，其特征在于，构造有至少一个由金属材料、过渡金属或类似物的硼化物、碳化物和氮化物构成的增附层(3)。
25.如权利要求20-24中至少一项所述的方法，其特征在于，至少一个增附层(3)构造有从大约0.1μm至0.5μm的厚度。
26.如权利要求14-25中至少一项所述的方法，其特征在于，非结晶形的碳氢化合物(5)、至少一个中间层(4)和/或至少一个增附层(3)在各自的涂层温度下沉淀，这些温度分别小于机器零件(1)的回火温度。
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