具有涂层的滑动元件,特别是活塞环制造技术

技术编号:20352139 阅读:34 留言:0更新日期:2019-02-16 12:20
一种诸如活塞环之类的滑动元件在至少一个滑动面上具有涂层,该涂层从内向外具有粘附层(10)、含有金属(较佳为钨)的DLC层(12)以及不含金属的DLC层(14),其特征在于,不含金属的DLC层的厚度与含有金属的DLC层的厚度之比为0.7至1.5和/或与涂层的总厚度之比为0.4至0.6。

【技术实现步骤摘要】
具有涂层的滑动元件,特别是活塞环本案为申请号2010800315711,申请日2010-05-11,专利技术名称:具有涂层的滑动元件,特别是活塞环的专利技术专利的分案申请。
本专利技术涉及一种滑动元件,特别是一种在至少一个滑动面上具有涂层的活塞环。诸如内燃机中的活塞环、活塞或气缸衬套之类的滑动元件必须在较长的使用时间内同时在尽可能小的摩擦作用以及极小的磨损条件下工作。实际上,通过由DLC(类金刚石镀膜)制成的涂层可将内燃机中与燃油消耗直接相关的摩擦维持在较低的水平。此外,涂层厚度原则上可达40μm。然而,在涂层厚度大于5μm时会产生涂层性能改变的问题,例如在层的结构和组成方面会发生变化,因而不能达到所需求的使用寿命。这种情况同样也会出现在涂层厚度小于5μm时。
技术介绍
在本领域已知基于硬质材料的PVD涂层,其至少包含氮化铬。此类涂层虽然具有要求的耐磨损性,但没有足够低的摩擦系数。DE102005063123B3中涉及一种具有良好磨合性能的DLC涂层的滑动元件。总的来说,其低摩擦系数的耐久性可进一步提高。DE102008016864涉及一种具有涂层的滑动元件,该涂层从内向外依次包含粘附层、含有金属的DLC层和不含金属的DLC层。DE19735962Al公开了一种导向衬套和在导向衬套的内表面上构造硬质碳薄膜的方法,其中,氢化非结晶碳硬质碳膜通过等离子CVD方法构造在内表面上。最后,WO2006/125683Al公开了一种活塞环,该活塞环从内向外具有包含IVB、VB或VIB族元素的涂层、包含类金刚石纳米复合材料的中间层以及DLC层。
技术实现思路
在这种背景下,本专利技术的目的是提供一种滑动元件,该滑动元件在摩擦系数和磨损性能的结合方面有了进一步的改进。该目的是通过在权利要求1中所述的滑动元件来实现的。因此,该滑动元件在至少一个滑动面上具有涂层,该涂层从内向外包含粘附层、含金属的(尤其是含钨的)DLC层以及不含金属的DLC层,其中,不含金属和含金属的DLC层之间的厚度比在0.7与1.5之间和/或不含金属的DLC层和总涂层之间的厚度比为0.4与0.6。粘附层优选的是铬粘附层。含有金属的DLC层具有非结晶碳,其可表示为a-C:H:Me,优选的含钨的DLC层可表示为a-C:H:W。最外层或顶层同样具有非结晶碳并用a-C:H表示。关于摩擦和磨损特别好的优良性能可以通过所述值来确定。更厚的顶层可以影响这些摩擦学性能使其使用寿命更长。但当顶层与中间层相比较太厚时,磨损值会变差。当中间层和顶层具有几乎相同的厚度时,可确定良好的磨损值,此时厚度比大约为1.0,特别是0.9到1.1,或顶层与总层的厚度比约为0.5,特别是0.45到0.55为较佳。在摩擦方面,对于所述范围内的涂层可以确定能良好地满足内燃机的需求并且尤其是可以满足相当恒定的摩擦系数。与此相对,在此范围之外,短时间之后就可确定较高的摩擦峰值和不恒定的摩擦变化。作为这种性能的解释(但本专利技术不限制于这种性能),目前人们认为,不含金属的DLC层首先将非常高的内应力引入总系统,即总涂层,这些内应力可以被层厚类似于最外层厚度的含有金属的DLC层抵消,即涂层实现了强度和韧性之间最优化的组合。由此涂覆的滑动元件,特别是活塞环具有良好的抗磨损性。对于不含金属的DLC层和含有金属的DLC层的层厚比<0.7和/或顶层与总层的层厚比<0.4,滑动元件具有非常短的使用寿命,这是因为最外面的不含金属的DLC层虽然具有高抗磨损性但其层厚不够。与此相对,对于不含金属的DLC层和含有金属的DLC层的层厚比>1.5和/或顶层与总层之间的层厚比>0.6时,含有金属的DLC层的厚度不足以抵消内应力。这导致尽管最外层的厚度较大但DLC层总体过早磨损或者由于在运行过程中过高的负荷而导致DLC层剥落。在构造涂层的过程中,在滑动元件的至少一个滑动面上,该涂层可在整个滑动面上延伸,特别是可以完全或部分构造在与滑动面紧邻的各面上,例如活塞环的侧面和/或从滑动面到与其紧邻的各面的过渡区域处。在其它权利要求中描述了根据本专利技术的滑动元件的较佳改型。作为滑动元件,特别是活塞环的基本材料,目前优选的是铸铁或钢。可以确定的是这些材料具有尤其良好的性能。关于层的硬度,不含金属(a-C:H-,顶部-)的DLC层的硬度值较佳为1700HV0.02至2900HV0.02,和/或含有金属(a-C:H:Me-)的DLC层的硬度值较佳为800到1600HV0.02,这是因为这些取值可良好地满足要求。包含金属和不含金属的DLC层都可包含氢,这经试验证实是有利的。此外,对于含钨的DLC层来说,优选的是,DLC层含有纳米结晶的碳化钨沉积,这可进一步提高其性能。对于粘附层(特别是铬粘附层)的厚度,较佳地,其最大值为1μm。为了很好地解决摩擦系数和磨损性能之间的所述平衡,涂层的总厚度较佳为5μm至40μm。关于涂层的有效构造,对于粘附层来说,目前优选的是通过金属气相沉积实现。此外,借助PA-CVD方法来构造包含金属和/或不含金属的DLC层,进一步确保了有利于按照本专利技术的涂层生产。附图说明下列附图进一步阐释本专利技术的较佳实施例。附图中:图1根据本专利技术示意地示出涂层结构;图2示出在两个按照本专利技术的示例和一个对比示例中的相对磨损;以及图3示出在两个按照本专利技术的示例和一个对比示例中的相对摩擦系数。具体实施方式如图1中示意所示,根据本专利技术的涂层从内向外包含粘附层10、中间层12和顶层14,它们的厚度和厚度比处于上文给出的范围内。实施例根据两个示例和一个对比示例来验证本专利技术的涂层的性能。用以下涂层来进行试验:示例123中间层/顶层之比0.712.401.08顶层占总层的比例0.420.710.52在此,示例1和3是按照本专利技术的示例,而示例2是对比示例。针对系统“已润滑的活塞环/研磨的灰口铸铁-气缸衬套”进行测试。在图2中示出活塞环的相对磨损值。如图2可见,按照本专利技术的示例相比于示例2具有明显较小的磨损,其只占示例2中的磨损值的大约20%甚至更小。如图3所示,按照本专利技术的示例中的摩擦系数随着时间推移仍相当恒定,而对比示例中的摩擦系数在整个变化过程中一方面越来越高并具有非常高的峰值。另一方面,摩擦系数波动范围大。此外,此对比示例的涂层在测试结束前可以说已经失效。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.活塞环,其在至少一个滑动面上具有涂层,所述涂层从内向外包含粘附层(10)、含有金属(特别是含钨)的DLC层(12)以及不含金属的DLC层(14),其特征在于,不含金属的DLC层的厚度与含有金属的DLC层的厚度之比为0.7至1.5,和/或与涂层的总厚度之比为0.4至0.6,并且所述涂层的总厚度为5 μm至40 μm, 其中,铬粘附层的厚度小于1 μm,且所述含有金属的DLC层包含氢,含有金属的DLC层的硬度为800至1600 HV0.02,所述不含金属的DLC层的厚度为1.4‑36μm,所述含有金属的DLC层的厚度为2‑24μm。

【技术特征摘要】
2009.08.13 DE 10200902850401.活塞环,其在至少一个滑动面上具有涂层,所述涂层从内向外包含粘附层(10)、含有金属(特别是含钨)的DLC层(12)以及不含金属的DLC层(14),其特征在于,不含金属的DLC层的厚度与含有金属的DLC层的厚度之比为0.7至1.5,和/或与涂层的总厚度之比为0.4至0.6,并且所述涂层的总厚度为5μm至40μm,其中,铬粘附层的厚度小于1μm,且所述含有金属的DLC层包含氢,含有金属的DLC层的硬度为800至1600HV0.02,所述不含金属的DLC层的厚度为1.4-36μm,...

【专利技术属性】
技术研发人员:马库斯·肯尼迪迈克尔·兹纳鲍德
申请(专利权)人:菲特尔莫古布尔沙伊德有限公司
类型:发明
国别省市:德国,DE

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