滑动元件，特别是具有耐磨涂层的活塞环的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种滑动元件，特别是一种活塞环，其基板上具有涂层，该基板形成至少一个工作面。
[0002]滑动元件，例如，活塞环，活塞或内燃机的缸套必须在整个寿命期内尽可能长久地工作，即要尽可能少的摩擦和尽量少的磨损。为了减少与内燃机燃料损耗相应的直接摩擦，众所周知的做法是采用这种具有降低摩擦系数涂层的滑动元件。基于这种目的，例如，采用一种DLC(金刚石状碳)涂层对于本领域技术人员来说是公知的做法。
[0003]应用DLC (金刚石状碳)涂层有数种可用的方法。最近经常采用的一种方法是PACVD法(等离子体辅助化学气相沉积)，因为其具有涂覆速率高且相对较低的成本，例如在德国专利DE19513614C1中描述的那样。
[0004]用于基板涂层的另一种基本方法是采用PVD (物理气相沉积)法的DLC (金刚石状碳)涂层，例如德国专利DE10203730B4描述的那样。
[0005]DLC(金刚石状碳)涂层沉积的弊端是，特别是通过PACVD(等离子体辅助化学气相沉积)法时，其弊端是，涂层相对较差的电阻而关联产生的较高的机械残余应力，且该涂层不能在滑动元件上毫无困难地使用。
[0006]德国专利DE102009028B3公开的一种滑动元件，其涂层包括两层DLC(金刚石状碳)层，其中一个叫做含金属的金刚石状碳层和另一个叫做无金属的金刚石状碳层。该含金属的金刚石状碳层通过物理气相沉积的方法使用，从而在涂层上产生不同的微观结构。所述PACVD-DLC (等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳)层，例如现有技术中的无金属的金刚石状碳层，具有上述高的机械残余应力。现有技术中假设这些等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳层的高残余应力能由含金属的物理气相沉积金刚石状碳涂层才补偿。
[0007]但是，发明人发现即使如德国专利DE102009028504B3描述的方法，其对于发动机的整个服务寿命中涂层的阻抗还不是最佳的方法。特别是，偶尔可能发生现有技术中描述的滑动元件的涂层在重负载下脱落，且因此滑动元件的相对磨损和摩擦性能恶化。
[0008]德国专利DE10018143B4公开的金刚石状碳涂层具有在基板上的粘接剂层，一个过渡层和一个覆盖层，其中粘接剂层采用等离子体辅助涂层，特别是通过一种物理气相沉积的方法或血浆化学气相沉积法，所述金刚石状碳涂层的覆盖层能用于血浆化学气相沉积法。
[0009]日本专利号为JP2004-10923的专利涉及一种从内到外包括铬层，铬-碳层，具有渐变的硬度的金刚石状碳层和硬金刚石状碳层。
[0010]德国专利DE2008016864B3公开了一种活塞环，其从内到外包括一个粘接剂层，一个含金属无定形碳层，和一个无金属无定形碳层。
[0011]德国专利DE102009046281B3涉及一种滑动元件，特别是一种活塞环，其中从内到外含氮化铬层，ME(CxNy)层和一个金刚石状碳层。
[0012]最后，美国专利申请US2008/0220257A1公开了一种具有涂层的基板，该涂层从内到外包括，一个杨氏模量大于200GPa的碳中间层和一个杨氏模量小于200GPa的无定形碳层。
【发明内容】
[0013]依据上述现有技术，本发明的目的是进一步提供一种改进摩擦和磨损的组合性能的滑动元件。特别是，改进发动机的所述涂层部分在重载下的潜在电位剥落的磨损性能。
[0014]该目的通过权利要求1所述的滑动元件解决。本发明的更有利的特征见从属权利要求的公开内容。
[0015]根据本发明的滑动元件，特别是活塞环，基板上具有涂层，其形成至少一个工作面。从内到外涂层包括一个(尤其是物理气相沉积)碳化物或氮化物层，其次还有一个含碳化物(优选的是物理气相沉积)金刚石状碳涂层，再次是一个无金属物理气相沉积-金刚石状碳涂层，和无金属等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳层。
[0016]使用根据本发明的涂层结构，在单个的物理气相沉积层之间实现均质化的过渡，并因此在各层之间创造特别好的附着性是有可能的。此外，由于无金属物理气相沉积-金刚石状碳涂层和等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳涂层具有亲和力，两个无金属金刚石状碳涂层之间的附着性也可以改进。随着工艺参数的逐渐提高，也可以创建各涂层之间的渐变的过渡。通过这种方式实现各层之间的平滑过渡和亲和力物理气相沉积-金刚石状碳涂层和等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳涂层之间的亲和力，防止涂层剥落，即使当发动机在重载的情况下亦如此。
[0017]根据本发明的涂层，至少部分可用于所述滑动元件的至少一个工作面。但是，将所述涂层延展到整个工作面是可能的而且也能够在与所述工作面相邻的表面全部或部分成型。活塞环的侧面就是所述相邻的表面的一个例子。
[0018]所述物理气相沉积-金刚石状碳涂层能用于基板上，或先前沉积在基板上的结合层，特别是利用溅射法或电弧法沉积的结合层。所述等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳涂层优选的是使用具有至少IkHz频率的等离子体发射器的等离子。
[0019]在一个优选的实施例中，在所述基板和碳化物或氮化物层之间使用一个结合层，其优选由铬或钛构成。所述结合层偶尔也被定义为粘合剂层，并改善基板上整个涂层系统的粘合性，特别是金刚石状碳涂层。铸铁或钢优选能用于基板的基本材料。这些材料在与活塞环连接时特别有利。
[0020]有益的是，碳化物或氮化物层包含碳化钨，氮化铬(CrN)，氮化二铬(Cr2N)，氮化钛(TiN)或氮化钛铬(CrTiN)。
[0021]含有碳化(优选是物理气相沉积_)金刚石状碳涂层被理解为，一个碳化物被混合的金刚石状碳涂层。因此，包含于sp3_键的显著比例的金刚石状碳涂层中的无定形碳(碳sp3-键)与无长程序列的显著比例为至少20%，优选为至少50%)形成了基材的添加材料。优选的是，含碳化的金刚石状碳涂层还另含有钨或铬。特别优选的是，含碳化的金刚石状碳涂层包含碳化钨，特别是以纳米碳化钨沉淀的形式。该特征也对滑动元件的滑动部分有好处。
[0022]有利的是，在等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳层上形成一个磨合层，该磨合层比等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳层更软。这样一个柔软的磨合层对滑动元件磨合层的滑动元件特性有利，例如，在新的发动机或发动机零部件运行时。
[0023]优选的是，所述物理气相沉积-金刚石状碳层具有数个子层。这些子层能彼此连接，例如，逐步修正工艺参数的渐变过渡层。因此，一方面等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳层和含有碳化金刚石状碳层的粘结性能实现最佳融合是可能的，且另一方面含有碳化金刚石状碳层(优选等离子体辅助化学气相沉积)碳化物或氮化物层，而层与层间通常与其相对粘合的降低有关，没有明显的不连续性。
[0024]在一个优选的实施例中，等离子体辅助化学气相沉积-金刚石状碳层的厚度应该是涂层总厚度的30%-70%之间，优选为35