專利名稱：特別是活塞環(huán)的滑動元件及滑動元件與匹配運行元件組合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括涂層的滑動元件，特別是活塞環(huán)，以及滑動元件與匹配運行元件的組合。許多技術(shù)應(yīng)用需要與匹配的運行元件滑動接觸的滑動元件。活塞環(huán)與氣缸套的組合可認(rèn)為是經(jīng)典的應(yīng)用。如果氣缸或氣缸套例如由鋁-硅合金制成，這對于點燃式發(fā)動機(jī)尤其如此，則就磨損和摩擦損失而言DLC(類金剛石碳)涂層系統(tǒng)已證明其價值。然而，已知的DLC層系統(tǒng)在與通常具有鐵基氣缸套的柴油發(fā)動機(jī)或高增壓點燃式發(fā)動機(jī)一起使用時的使用壽命和適應(yīng)性方面需要改進(jìn)。由于明顯更高的氣缸壓力，且特別是與直接噴射組合，所以存在更大比例的混合摩擦情況。關(guān)于DLC涂層系統(tǒng)對于這類情形的不足適應(yīng)性的決定性因素被認(rèn)為是層厚低，該層厚通常小于5 μ m。
背景技術(shù)：
DE 10 2005 063 123 B3公開了具有插入層的DLC涂層。就更高的層厚而言，PVD涂層也是已知的，尤其是基于CrN的具有10-30μπι層厚的PVD涂層。盡管這些確實得到了得以提高的使用壽命，但是在摩擦損失和耐磨性上存在退化，尤其是在潤滑和耐磨損性不足的情況。在另一方面，由于DLC層系統(tǒng)的無定形結(jié)構(gòu)，所以DLC層系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢它們對于匹配運行元件來說與金屬表面基本上無化學(xué)反應(yīng)，因而具有極低的粘著傾向。DE 296 05 666U1涉及在內(nèi)燃機(jī)的、涂覆有無金屬的無定形碳層的區(qū)域中的組件，該層具有隨層厚而漸變的硬度。DE 10 2008 016 864Β3公開了活塞環(huán)，該活塞環(huán)包含從內(nèi)側(cè)到外側(cè)分布的粘著
層、含金屬的無定形碳層和無金屬的無定形碳層。WO 2009/106201Α1涉及內(nèi)燃機(jī)的組件，關(guān)于該組件，在基底上存在DLC偶聯(lián)劑層、DLC功能層和DLC插入層。最后，WO 2006/125683Α1公開了活塞環(huán)，該活塞環(huán)包含從內(nèi)側(cè)到外側(cè)分布的具有來自IVB組、VB組或VIB組的元素的層、具有類金剛石納米復(fù)合材料組分的中間層和DLC層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于如下目標(biāo)提供滑動元件、特別是活塞環(huán)，特別是當(dāng)用于具有例如鐵基的匹配運行元件的柴油發(fā)動機(jī)或高增壓點燃式發(fā)動機(jī)吋，該滑動元件滿足關(guān)于使用壽命和摩擦損失方面的需要。本發(fā)明還公開滑動元件與匹配運行元件的適當(dāng)組合。該目標(biāo)通過權(quán)利要求I中描述的滑動元件來實現(xiàn)。另ー方面，該滑動元件的特征在于CrN層和外側(cè)的DLC層的組合。DLC層是無金屬的，或者包括含金屬的底層結(jié)構(gòu)和無金屬的DLC頂層。換句話說，該DLC層是至少部分無金屬的，且特別是在外表面上包含無金屬DLC層。而且，廣泛的測試已經(jīng)顯示如果將Me(CxNy)層設(shè)置作為CrN層和DLC層之間的中間層，那么所描述的涂層顯示出特別好的特性。對這一層結(jié)構(gòu)的測試已顯示出與包含Cr粘合層和DLC頂層的已知結(jié)構(gòu)相比，滑動元件、特別是活塞環(huán)的磨損特性得到改善。這可顯著提高使用壽命。測試還顯示出顯著降低相對摩擦系數(shù)也是可能的。因此，總的說來，所描述的層結(jié)構(gòu)可提供改進(jìn)的滑動元件。強(qiáng)調(diào)的是，CrN層優(yōu)選在沒有粘合層的情況下施加至基礎(chǔ)活塞材料，例如通過金屬氣相沉積或濺射來施加。然而，在特定的應(yīng)用中，CrN層可通過粘合層而施加至滑動元件的基礎(chǔ)材料。為了清楚起見，應(yīng)當(dāng)注意的是，Me代表金屬并且這可以是例如鎢、鉻、鈦或硅。此夕卜，碳和氮能夠以實際上任何比例存在于所描述的層中，也就是說X和I都可以在0-99原子％的范圍內(nèi)。此外，特別是至少在局部，涂層可提供于特別是至少一個運行表面上。此外，涂層可延伸至表面的過渡和鄰近運行表面的表面。這涉及例如活塞環(huán)的運行邊緣。在其它權(quán)利要求中描述了優(yōu)選的其它演變。已發(fā)現(xiàn)值1100-1900HV O. 002適于CrN層或底層結(jié)構(gòu)的硬度。這ー實施方案可與無金屬的DLC層的硬度1700-2900HV O. 002和/或含金屬的DLC層的硬度800-1600HV O. 002組合。還可預(yù)期，如果DLC層、特別是含金屬的和/或無金屬的DLC層包含氫時將獲得該DLC層的特別好的性能。含金屬的DLC層還能夠以有利的方式包含納米晶的金屬碳化物沉淀，例如，諸如WC、CrC、SiC、GeC_TiC。對于具有ト30 μ m厚度的CrN層、具有最大值2 μ m厚度的Me (CxNy)層以及5_40 μ m的總的層厚，還確定了有利的性能。就粗糙度而言，為了進(jìn)一歩改善性能，對于形成表面的頂層來說優(yōu)選的是具有Rz< 5 μ m和/或Rpk < O. 8 μ m的粗糙度參數(shù)。以經(jīng)證實的方式，含金屬的和/或無金屬的DLC層可通過PA-CVD方法生產(chǎn)。本發(fā)明還涉及至少ー個如上文所述的滑動元件與匹配運行元件、特別是內(nèi)燃機(jī)(特別是柴油發(fā)動機(jī)或高增壓點燃式發(fā)動機(jī))的氣缸或氣缸套的組合，其中所述匹配運行元件是鐵基的。附圖
簡述下文參考附圖描述了優(yōu)選的示例性實施方案，所述附圖顯示圖I為根據(jù)本發(fā)明的層結(jié)構(gòu)；圖2為活塞環(huán)和氣缸套上的相對磨損，以及圖3為不同的層系統(tǒng)的相對摩擦系數(shù)。
具體實施方案如圖I所示，CrN層12被施加至滑動元件的基礎(chǔ)材料10上。圖I中顯示的粘合層14不是必須提供的。特別地，所述粘合層14優(yōu)選被省略。借由Me(CxNy)中間層16，DLC層18被設(shè)置于外側(cè)，其中無金屬DLC層在外側(cè)。對沒有粘合層14的該類型結(jié)構(gòu)執(zhí)行關(guān)于相當(dāng)示例的測試。下表示出層系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種滑動元件，特別是活塞環(huán)，所述滑動元件優(yōu)選地由鑄鐵或鋼制成，包含具有從內(nèi)側(cè)到外側(cè)的CrN層、Me (CxNy)層和DLC層的涂層，其中，所述DLC層是無金屬的或由含金屬的底層結(jié)構(gòu)和無金屬的DLC頂層組成。
2.如權(quán)利要求I所述的滑動元件，其特征在于，所述CrN層的硬度是1100-1900HV0.002和/或所述無金屬的DLC層的硬度是1700-2900HV 0. 002和/或所述含金屬的DLC層的硬度是 800-1600HV 0.002。
3.如權(quán)利要求I或2所述的滑動元件，其特征在于，所述含金屬的DLC層和/或所述無金屬的DLC層含有氫。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在于，所述含金屬的DLC層含有納米晶的金屬碳化物沉淀，例如WC、CrC, SiC, GeC或TiC。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在于，所述CrN層具有1-30ii m的厚度，和/或所述Me (CxNy)層具有2 u m的最大厚度和/或整體層具有5_40 u m的厚度。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在干，所述DLC層的所述外側(cè)具有Rz < 5 ii m和/或Rpk < 0. 8 ii m的粗糙度參數(shù)。
7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在干，所述CrN層是金屬氣相沉積的，和/或所述含金屬的和/或所述無金屬的DLC層通過PA-CVDエ藝生產(chǎn)。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的滑動元件與鐵基的匹配運行元件、特別是內(nèi)燃機(jī)的氣缸或氣缸套的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種滑動元件，特別是活塞環(huán)，所述滑動元件優(yōu)選由鑄鐵或鋼制成，包含具有從內(nèi)側(cè)到外側(cè)的CrN層、Me(CxNy)層和DLC層的涂層，其中所述DLC層是無金屬的，或由含金屬的底層結(jié)構(gòu)和無金屬的DLC頂層組成。本發(fā)明還涉及這樣的滑動元件與鐵基的匹配運行元件的組合。
文檔編號F16J10/04GK102666925SQ201080049448
公開日2012年9月12日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者邁克爾·津內(nèi)博爾德, 馬庫斯·肯尼迪 申請人:聯(lián)邦摩高布爾沙伊德公司