含有MAX相涂层的滑动元件制造技术

本发明专利技术涉及滑动元件，尤其是活塞环，其制造方法以及所述滑动元件在摩擦学系统中的应用。所述滑动元件含有涂层，其从内至外具有至少一个粘合剂层和一个MAX相层。所述MAX相层的组成为Mn+1AXn(n＝1、2、3)，其中M表示来自Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf和Ta的组的元素，A表示来自Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、TI和Pb的组的元素，X表示C或N元素。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含有MAX相涂层的滑动元件
本专利技术涉及一种含有MAX相涂层的滑动元件。本专利技术的滑动元件的特征在于有利的摩擦学性能。
技术介绍
迄今为止，具有高耐磨性的涂层用于发动机中以延长滑动元件(例如活塞环)的寿命。金属、陶瓷或DLC层系统是现有技术，并且已经广泛用于工业应用中。金属、陶瓷或DLC的性能取决于层系统。无论各种层系统如何强大，它们在可调节性方面也有局限性，因此在诸如内燃机的摩擦应力复合体中相关性能的有用性需要获得所追求的宽特性曲线。对于理想的低摩擦系数，特别使用含碳金属层系统或DLC层系统。DLC涂层确保了大部分所需的性能，例如较低的摩擦，较高的耐磨性和在润滑不足的情况下的最大耐磨性。然而，它们显示出局限性，例如高温下的氧化稳定性，与金属相比的机械可加工性，或与发动机油中使用的添加剂的协同效应差。所谓的MAX相在本领域中是已知的。鉴于它们的高热稳定性和导电性，它们还用作相关应用领域中组件的涂层。MAX相是纳米层复合材料的一族材料，其组成为M(n+1)AX(n)，其中n＝1至3。M表示过渡金属，A表示A族元素，X表示氮和/或碳。MAX相的六边形结构由嵌套有来自A族元素的层的八面体组成。在本文中，过渡金属包括Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf和Ta，来自A族的元素包括Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、Tl和Pb。Max相的晶格以晶胞(211)、(312)和(413)形成。可能的MAX相是：211型晶胞：Ti2CdC,Sc2InC,Ti2AlC,Ti2GaC,Ti2InC,Ti2TlC,V2AlC,V2GaC,Cr2GaC,Ti2AlN,Ti2GaN,Ti2InN,V2GaN,Cr2GaN,Ti2GeC,Ti2SnC,Ti2PbC,V2GeC,Cr2AlC,Cr2GeC,V2PC,V2AsC,Ti2SC,Zr2InC,Zr2TlC,Nb2AlC,Nb2GaC,Nb2InC,Mo2GaC,Zr2InN,Zr2TlN,Zr2SnC,Zr2PbC,Nb2SnC,Nb2PC,Nb2AsC,Zr2SC,Nb2SC,Hf2InC,Hf2TlC,Ta2AlC,Ta2GaC,Hf2SnC,Hf2PbC,Hf2SnN,Hf2SC312型晶胞：Ti3AlC2,V3AlC2,Ti3SiC2,Ti3GeC2,Ti3SnC2,Ta3AlC2413型晶胞：Ti4AlN3,V4AlC3,Ti4GaC3,Ti4SiC3,Ti4GeC3,Nb4AlC3,Ta4AlC3鉴于M-X键具有强共价性质，M(n+1)AX(n)相通常显示出陶瓷性能。另一方面，M-A键相对较弱，结果M(n+1)AX(n)相也显示金属性能。材料在外力作用下通过屈曲而变形，这导致高延展性和可加工性(参见F.Adibi等,J.Appl.Phys.69(1991)6437和Barsoum,MichelW.和TamerEl-Raghy.“TheMAXPhases:UniqueNewCarbideandNitrideMaterialsTernaryceramicsturnouttobesurprisinglysoftandmachinable,yetalsoheat-tolerant,strongandlightweight.”Am.Scientist89.4(2001):334-343和M.W.Barsoum等，Phys.Rev.B62(2000)10194)。含有MAX相涂层的组件在现有技术中通常是已知的。EP1685626B1描述了一种用于与接触构件进行电接触以使电流能够在所述元件和所述接触构件之间流动的元件。所述元件的接触表面涂覆有含有组分MAXn的接触层，其中n＝1、2、3或更多，M为过渡金属或过渡金属的组合，A表示来自A族的元素或来自A族的元素的组合，X表示氮和/或碳。EP2405029A1涉及一种在金属工件上制造耐黏附且耐刮擦的保护层的方法，其中所述保护层显示出低的爆破磨损，该方法包括用M(n+1)AX(n)相涂覆工件，其中M＝Ti、Cr、V、Nb或Mo；A＝Ga、Al、Ge或Si；X＝C或N；其中n＝1、2或3。US8192850B1描述了一种燃气轮机部件，包括基板和设置在基板上的粘合剂层，其中粘合剂层可包括M(n+1)AX(n)相(n＝1、2、3)，其中M选自元素周期表中的IIIB、IVB、VB、VIB和VII族及其组合，A选自元素周期表的IIIA、IVA、VA和VIA族及其组合，X包括至少碳或氮。WO2006/057618A2涉及由金属基板和包含MAX材料的复合涂层组成的涂层产品，其中M(n+1)AZX(n)相包含至少一种选自M组＝Ti、Sc、V、Cr、Zr、Nb、Ta的过渡金属，至少一种选自A组＝Si、Al、Ge和/或Sn的元素，以及至少一种C和/或N元素，其中n＝0.8-3.2，z＝0.8-1.2。EP2740819A1公开了一种用于压缩机叶片的层系统，包括富铝的MAX相作为涂层，或者其中涂层由富铝的MAX相组成。最后，Gupta等人描述了所选择的MAX相对镍基超合金的摩擦学行为(Gupta，Surojit等，"Ambientand550CtribologicalbehaviorofselectMAXphasesagainstNi-basedsuperalloys."Wear264.3(2008)：270-278)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种滑动元件，优选为活塞环，其制造方法以及所述滑动元件在摩擦学系统中的应用，其中所述滑动元件显示出长寿命，有利的摩擦学性能和良好的可加工性。这通过权利要求1中所述的滑动元件，根据权利要求10所述的用于制造滑动元件的方法以及根据权利要求13所述的滑动元件的应用来实现。专利技术人能够表明，根据权利要求1的滑动元件的涂层，特别是MAX相层，代表了传统层系统固有的典型特性曲线的组合，这对于摩擦学应用是有利的。在这种情况下，所谓的MAX相层的原子键结构促进了陶瓷以及金属性能的协同使用，并且可以弥补各层系统的局限性。此外，鉴于MAX相层根据定义含有碳或氮，它产生低摩擦值并且在润滑不足的情况下显示出良好的干运转性能。MAX相层的陶瓷性能确保了高热稳定性，高温下良好的抗氧化性以及改善的耐腐蚀性。由于MAX相层的金属性能，确保了良好的导热性和抗热冲击应力。此外，所得涂层非常适合通过切削进行加工，并显示出对摩擦应力的极高耐受性。此外，本专利技术人惊奇地发现，粘合剂层的使用显著延长了整个涂层系统的寿命。粘合剂层实现了确保滑动元件基板和涂层之间的黏附的功能目的。尤其是，粘合剂层补偿了由于滑动元件基板和涂层之间的不同热膨胀系数引起的潜在张力。这种张力补偿改善了黏附并允许滑动元件在使用中补偿热应力差异和张力状态，这些差异在由滑动元件基板和涂层组成的材料复合物中产生。这意味着仅仅施加粘合剂层也可以长期延长MAX相层优异的摩擦学性能。在其他权利要求中描述了根据本专利技术的滑动元件的优选改进。优选地，粘合剂层包含铬、氮化铬、钛和/或钨。更优选地，粘合剂层由所述材料组成。已经表明，选择这种材料显着改善了涂层的黏附。有利地，粘合剂层的厚度为0.1至3.0μm。较薄的层不会导致改善的黏附，然而从经济学的角度来看，较厚的层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有涂层的滑动元件，尤其是活塞环，其特征在于，所述涂层从内至外至少具有以下层：粘合剂层，以及MAX相层，所述MAX相层具有组成Mn+1AXn(n＝1、2、3)，其中M表示来自Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf和Ta的组的元素，A表示来自Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、TI和Pb的组的元素，X表示C或N元素。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.31 DE 102016216428.71.一种含有涂层的滑动元件，尤其是活塞环，其特征在于，所述涂层从内至外至少具有以下层：粘合剂层，以及MAX相层，所述MAX相层具有组成Mn+1AXn(n＝1、2、3)，其中M表示来自Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf和Ta的组的元素，A表示来自Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、TI和Pb的组的元素，X表示C或N元素。2.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述粘合剂层包含铬、氮化铬、钛和/或钨，优选由铬、氮化铬、钛和/或钨组成。3.根据权利要求1或2所述的滑动元件，其特征在于，所述粘合剂层的厚度为0.1-3.0μm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层施加在滑动元件基板上，滑动元件基板由铸铁或钢组成，并且优选由以下材料之一组成：-非合金、未回火的含有片状石墨的铸铁-合金、热处理或未经热处理的含有碳化物的灰铸铁-回火球状铸铁-未回火的蠕虫状石墨铸铁-铬含量至少为10重量％的氮化或非氮化的铸钢-铬含量至少为10重量％的氮化或非氮化的铬钢-铬-硅-碳钢。5.根据权利要求1至4中任一项所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层的平均粗糙度深度Rz<7μm，优选Rz<4μm，减小峰值深度Rpk<0.4μm，优选Rpk<0.2μm，和/或核心粗糙度深度Rk<1μm，优选Rk<0.6μm。6.根据权利要求1至5中任一项所述的滑动元件，其特征在于，在具有组成为Mn+1AXn的MAX相层中，元素M表示Ti或Cr，元素A表示Al或Si，n＝1或2。7.根据权利要求6所述的滑动元件，其特征在于，所述MAX相层选自以下层类型之一：-Cr2AlC：211型；Cr的比例为48-52at.％；Al的比例为24-26at.％；C的比例为24-26at.％-Cr2AlN：211型；Cr的比例为48-52at.％；Al的比例为24-26at.％；...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·巴斯图克，
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