專利名稱：滑動元件，尤其是活塞環(huán)以及涂覆滑動元件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有涂層的滑動元件，尤其是活塞環(huán)，以及涉及一種涂覆滑動元件的方法。在許多技術應用中，滑動元件與滑動接觸面滑動接觸，活塞環(huán)和氣缸套的結合可以被看作是典型的應用。假定氣缸或氣缸套是由例如鋁-硅合金制成的，尤其是在四沖程汽油發(fā)動機(Otto engine，奧托發(fā)動機)的情形下，已經證明DLC (類金剛石碳)涂層體系對磨損和摩擦功率是成功的。然而，需要提高已知的DLC涂層體系對于具有常規(guī)的基于鐵的氣缸套的柴油機或渦輪增壓的四沖程汽油發(fā)動機的壽命和可用性。由于顯著高的氣缸壓力以及尤其與直接注入的結合，會增加的混合摩擦的比例。DLC涂層體系對這種情況缺乏適應性的決定性原因被認為是小于5 u m的常規(guī)的小的層厚度。
背景技術：
DE 10 2005 063 123B3公開了具有磨合層的DLC涂層。對于較大的層厚度，也被稱作PVD層，尤其是基于CrN，其具有10至30 y m的層厚度。雖然這些導致了提高的壽命、摩擦功率和耐磨性，尤其是在潤滑不充分的情況下，但是損害了耐磨損性(scuffresistance)。相比之下，由于它們的無定形結構，DLC涂層體系具有如下優(yōu)點，它們對金屬表面顯現了很大程度的化學惰性，并因此對滑動接觸面顯現極其低的粘合趨勢。例如，對根據DE 10 2008 016 864B3的涂層來說是適用的，在內部其具有包含金屬的無定形碳層，在外部具有無金屬的無定形碳層。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種滑動元件，尤其是活塞環(huán)，尤其當用于例如具有基于鐵的滑動接觸面的柴油機或渦輪增壓的四沖程汽油發(fā)動機時，其滿足對于壽命和摩擦功率的要求。本發(fā)明還進一步提供了一種用于涂覆滑動元件的方法。該目的是通過權利要求I所描述的滑動元件來實現的。設置在其上的涂層是以多個CrN和a-C:H:Me層的交替板層為特征。初始測試已經顯示通過這種層結構可以同時提高壽命和相對摩擦系數。為清楚起見，上述的Me表示金屬，為此，可使用例如鎢、鉻、鈦或硅。以下提及的a-C:H:Me和a_C:H層都為DLC層，并且能夠確保相對低的磨損和良好的摩擦性能。尤其是，例如，對活塞環(huán)的周圍，由于不同的徑向接觸壓力和由此產生的不同的磨損率，可以認為DLC仍然存在于至少部分環(huán)表面上，尤其是在潤滑不充分的情況下，也可以保持良好的摩擦性能。在磨損方面，這是以有利的方式結合了 CrN層提供的優(yōu)點。CrN層的耐磨性通常比DLC的耐磨性好，從一開始或者當最外面的DLC層磨損時，CrN層的耐磨性可以有利地發(fā)揮作用。描述的多個板層的涂層可以提供額外的優(yōu)點，可以制備顯著大于常規(guī)的DLC涂層體系的總的層厚度。這實質上是基于如下事實與CrN相比，DLC產生的內應力更高，當全部由CrN板層形成涂層時，內應力得到補償。
所述涂層可尤其被至少設置在至少一個運行面(running surface)上的區(qū)域。此夕卜，所述涂層可以延伸至與運行面相鄰的表面的過渡部分上。例如，這影響活塞環(huán)的運行側面。應該進一步指出的是，申請人在同日提交了一個申請，其名稱為“用于內燃機中活塞的刮油環(huán)的螺旋形壓縮彈簧以及涂覆螺旋形壓縮彈簧的方法”，在該申請中，與本文描述的涂層相似的涂層用于螺旋形壓縮彈簧。該申請中描述的涂層的所有特征也適用于本發(fā)明描述的涂層。此外，在本文描述的一個實施方式中，所提及的申請中描述的螺旋形壓縮彈簧也可以有利地與本申請描述的活塞環(huán)結合，并且這種結合可以看做是本申請的主題。此外，申請人在同日提交了一個名稱為“用于涂覆活塞環(huán)的至少內表面的方法及活塞環(huán)”的申請。在該申請中描述的尤其涉及涂覆活塞環(huán)的內表面的所有方法可以適用于本發(fā)明描述的活塞環(huán)，除了內表面以外，所提及的申請中描述的方法尤其還可用于涂覆表面。在其后的權利要求中描述優(yōu)選的進一步改進。對于CrN層與基板的粘合，也就是說，滑動元件，尤其是活塞環(huán)，優(yōu)選是由鑄鐵或 鋼制成，已發(fā)現形成鉻的粘合層是有利的。這尤其適用于氣相沉積法，并且優(yōu)選層厚度小于I. 0 u mo當前，所述粘合層的最小層厚度優(yōu)選為0. 01 V- m。尤其對于上述的粘合層，當前優(yōu)選選擇CrN層作為上述多個板層結構的最里層。對于最初與滑動接觸面滑動接觸的根據本發(fā)明的滑動元件的最外層，優(yōu)選無金屬的DLC層，也就是a-C:H類型的層。這樣的層確保了優(yōu)良的磨合性能。已經發(fā)現所述層的厚度為0. I至5. Oiim是有利的。為了良好的磨合性能，最小的層厚度為0. Iiim是有利的?；谧钚〉恼澈狭Φ玫阶畲蟮膶雍穸?，層越厚，最小的粘合力越低。對于所述最外層或頂層，同時涂覆CrN和a-C:H:Me層是可行的。對于CrN和a-C:H:Me層的單個板層,優(yōu)選其為50nm至400nm。當串聯(lián)使用時,大于30nm的厚度所提供的優(yōu)勢能夠確保層結構的易測性。為確保良好的摩擦性能和長壽命，涂層的總厚度為2至40pm是有利的。就這一點而言，單個板層的數量可以為例如10至400個。對于所述CrN層的硬度，已發(fā)現數值范圍為800至1900HV 0. 002是適合的。這一數值可以與所述無金屬的DLC層的硬度1700至2900HV 0. 002，和/或所述包含金屬的DLC層的硬度800至1600HV 0. 002相結合?？梢赃M一步預期，當所述層包含氫時，可以得到DLC層(尤其是包含金屬的和/或無金屬的DLC層)的特別良好的性能。所述包含金屬的DLC層可以進一步有利地包含納米晶體金屬碳化物沉積物，例如，WC、CrC, SiC, GeC 或 TiC0通過權利要求9中所述的方法能夠進一步實現上述目的。有利的是，結合濺射和PA-CVD方法，并通過根據本發(fā)明的方法的內容可以制備所述涂層。此處進一步公開了至少一個上述滑動元件與滑動接觸面的結合，尤其是與內燃機(尤其是柴油機或渦輪增壓四沖程汽油發(fā)動機)的氣缸或氣缸套的結合，其中，所述滑動接觸面基于鐵。
參考附圖，下文將更詳細地解釋本發(fā)明優(yōu)選的示例性實施方式。圖I顯示根據本發(fā)明的層結構；和圖2顯示具有不同涂層的活塞環(huán)的相對磨損。
具體實施例方式由附圖I明顯可知，首先將鉻粘合層12涂覆到滑動元件的基材10上，從內向外交替在其上涂覆多個CrN層14和a-C:H:Me層16。最外層由a_C:H層形成。在所示實施例中，該層被涂覆到DLC層上，但其也能夠等同地涂覆到CrN層上。使用這種結構，完成對對比實施例的測試。下表顯示使用的層結構。
權利要求
1.一種滑動元件，尤其是活塞環(huán)，優(yōu)選其由鑄鐵或鋼制成，所述滑動元件具有包括多個CrN層(14)和a-C:H:Me層(16)的交替板層的涂層。
2.根據權利要求I所述的滑動元件，其特征在于，向所述滑動元件的基板(10)上涂覆鉻的粘合層(12)，優(yōu)選其厚度為0. 01至I. 0 ii m。
3.根據權利要求I或2所述的滑動元件，其特征在于，所述交替板層的最內層為CrN層(14)。
4.根據前述權利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在于，所述涂層的最外層為a-C:H層(18)，優(yōu)選其厚度為0. I至5. Oii m。
5.根據前述權利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在于，所述CrN和/或a-C: H:Me板層各自的厚度為50nm至400nm。
6.根據前述權利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在于，所述涂層的總厚度為2M 40 u nio
7.根據前述權利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在于，所述CrN層的硬度為800至1900HV 0. 002，和/或所述無金屬的DLC層的硬度為1700至2900HV 0. 002，和/或所述包含金屬的DLC層的硬度為800至1600HV0. 002。
8.根據前述權利要求中任一項所述的滑動元件，其特征在于，至少一個DLC層通過金屬蒸汽沉積方法制備，和/或所述包含金屬和/或無金屬的DLC層通過PA-CVD方法制備。
9.一種涂覆滑動元件尤其是活塞環(huán)的方法，所述滑動元件優(yōu)選由鑄鐵或鋼制成，其中，交替涂覆多個CrN和a-C: H: Me層的板層。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，通過濺射和PA-CVD方法的結合制備所述涂層。
全文摘要
一種滑動元件，尤其是活塞環(huán)，優(yōu)選其由鑄鐵或鋼制成，所述滑動元件具有包括多個CrN層(14)和a-C:H:Me層(16)交替的層的涂層。在用于涂覆滑動元件尤其是活塞環(huán)的方法中，所述滑動元件優(yōu)選由鑄鐵或鋼制成，其中，交替涂覆多個CrN層和a-C:H:Me層的板層。
文檔編號F16J9/26GK102770584SQ201180010789
公開日2012年11月7日 申請日期2011年2月17日 優(yōu)先權日2010年3月9日
發(fā)明者邁克爾·津內博爾德, 馬庫斯·肯尼迪 申請人:菲特爾莫古布爾沙伊德有限公司