专利名称：特别是活塞环的滑动元件及滑动元件与匹配运行元件组合的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括涂层的滑动元件，特别是活塞环，以及滑动元件与匹配运行元件的组合。许多技术应用需要与匹配的运行元件滑动接触的滑动元件。活塞环与气缸套的组合可认为是经典的应用。如果气缸或气缸套例如由铝-硅合金制成，这对于点燃式发动机尤其如此，则就磨损和摩擦损失而言DLC(类金刚石碳)涂层系统已证明其价值。然而，已知的DLC层系统在与通常具有铁基气缸套的柴油发动机或高增压点燃式发动机一起使用时的使用寿命和适应性方面需要改进。由于明显更高的气缸压力，且特别是与直接喷射组合，所以存在更大比例的混合摩擦情況。关于DLC涂层系统对于这类情形的不足适应性的决定性因素被认为是层厚低，该层厚通常小于5 μ m。
背景技术：
DE 10 2005 063 123 B3公开了具有插入层的DLC涂层。就更高的层厚而言，PVD涂层也是已知的，尤其是基于CrN的具有10-30μπι层厚的PVD涂层。尽管这些确实得到了得以提高的使用寿命，但是在摩擦损失和耐磨性上存在退化，尤其是在润滑和耐磨损性不足的情況。在另一方面，由于DLC层系统的无定形结构，所以DLC层系统具有如下优势它们对于匹配运行元件来说与金属表面基本上无化学反应，因而具有极低的粘着倾向。DE 296 05 666U1涉及在内燃机的、涂覆有无金属的无定形碳层的区域中的组件，该层具有随层厚而渐变的硬度。DE 10 2008 016 864Β3公开了活塞环，该活塞环包含从内侧到外侧分布的粘着
层、含金属的无定形碳层和无金属的无定形碳层。WO 2009/106201Α1涉及内燃机的组件，关于该组件，在基底上存在DLC偶联剂层、DLC功能层和DLC插入层。最后，WO 2006/125683Α1公开了活塞环，该活塞环包含从内侧到外侧分布的具有来自IVB组、VB组或VIB组的元素的层、具有类金刚石纳米复合材料组分的中间层和DLC层。
发明内容
本发明基于如下目标提供滑动元件、特别是活塞环，特别是当用于具有例如铁基的匹配运行元件的柴油发动机或高增压点燃式发动机吋，该滑动元件满足关于使用寿命和摩擦损失方面的需要。本发明还公开滑动元件与匹配运行元件的适当组合。该目标通过权利要求I中描述的滑动元件来实现。另ー方面，该滑动元件的特征在于CrN层和外侧的DLC层的组合。DLC层是无金属的，或者包括含金属的底层结构和无金属的DLC顶层。换句话说，该DLC层是至少部分无金属的，且特别是在外表面上包含无金属DLC层。而且，广泛的测试已经显示如果将Me(CxNy)层设置作为CrN层和DLC层之间的中间层，那么所描述的涂层显示出特别好的特性。对这一层结构的测试已显示出与包含Cr粘合层和DLC顶层的已知结构相比，滑动元件、特别是活塞环的磨损特性得到改善。这可显著提高使用寿命。测试还显示出显著降低相对摩擦系数也是可能的。因此，总的说来，所描述的层结构可提供改进的滑动元件。强调的是，CrN层优选在没有粘合层的情况下施加至基础活塞材料，例如通过金属气相沉积或溅射来施加。然而，在特定的应用中，CrN层可通过粘合层而施加至滑动元件的基础材料。为了清楚起见，应当注意的是，Me代表金属并且这可以是例如钨、铬、钛或硅。此夕卜，碳和氮能够以实际上任何比例存在于所描述的层中，也就是说X和I都可以在0-99原子％的范围内。此外，特别是至少在局部，涂层可提供于特别是至少一个运行表面上。此外，涂层可延伸至表面的过渡和邻近运行表面的表面。这涉及例如活塞环的运行边缘。在其它权利要求中描述了优选的其它演变。已发现值1100-1900HV O. 002适于CrN层或底层结构的硬度。这ー实施方案可与无金属的DLC层的硬度1700-2900HV O. 002和/或含金属的DLC层的硬度800-1600HV O. 002组合。还可预期，如果DLC层、特别是含金属的和/或无金属的DLC层包含氢时将获得该DLC层的特别好的性能。含金属的DLC层还能够以有利的方式包含纳米晶的金属碳化物沉淀，例如，诸如WC、CrC、SiC、GeC_TiC。对于具有ト30 μ m厚度的CrN层、具有最大值2 μ m厚度的Me (CxNy)层以及5_40 μ m的总的层厚，还确定了有利的性能。就粗糙度而言，为了进一歩改善性能，对于形成表面的顶层来说优选的是具有Rz< 5 μ m和/或Rpk < O. 8 μ m的粗糙度參数。以经证实的方式，含金属的和/或无金属的DLC层可通过PA-CVD方法生产。本发明还涉及至少ー个如上文所述的滑动元件与匹配运行元件、特别是内燃机(特别是柴油发动机或高增压点燃式发动机)的气缸或气缸套的组合，其中所述匹配运行元件是铁基的。附图
简述下文參考附图描述了优选的示例性实施方案，所述附图显示图I为根据本发明的层结构；图2为活塞环和气缸套上的相对磨损，以及图3为不同的层系统的相对摩擦系数。
具体实施方案如图I所示，CrN层12被施加至滑动元件的基础材料10上。图I中显示的粘合层14不是必须提供的。特别地，所述粘合层14优选被省略。借由Me(CxNy)中间层16，DLC层18被设置于外侧，其中无金属DLC层在外侧。对没有粘合层14的该类型结构执行关于相当示例的测试。下表示出层系统。
权利要求
1.一种滑动元件，特别是活塞环，所述滑动元件优选地由铸铁或钢制成，包含具有从内侧到外侧的CrN层、Me (CxNy)层和DLC层的涂层，其中，所述DLC层是无金属的或由含金属的底层结构和无金属的DLC顶层组成。
2.如权利要求I所述的滑动元件，其特征在于，所述CrN层的硬度是1100-1900HV0.002和/或所述无金属的DLC层的硬度是1700-2900HV 0. 002和/或所述含金属的DLC层的硬度是 800-1600HV 0.002。
3.如权利要求I或2所述的滑动元件，其特征在于，所述含金属的DLC层和/或所述无金属的DLC层含有氢。
4.如前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其特征在于，所述含金属的DLC层含有纳米晶的金属碳化物沉淀，例如WC、CrC, SiC, GeC或TiC。
5.如前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其特征在于，所述CrN层具有1-30ii m的厚度，和/或所述Me (CxNy)层具有2 u m的最大厚度和/或整体层具有5_40 u m的厚度。
6.如前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其特征在干，所述DLC层的所述外侧具有Rz < 5 ii m和/或Rpk < 0. 8 ii m的粗糙度參数。
7.如前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其特征在干，所述CrN层是金属气相沉积的，和/或所述含金属的和/或所述无金属的DLC层通过PA-CVDエ艺生产。
8.如前述权利要求中任一项所述的滑动元件与铁基的匹配运行元件、特别是内燃机的气缸或气缸套的组合。
全文摘要
本发明涉及一种滑动元件，特别是活塞环，所述滑动元件优选由铸铁或钢制成，包含具有从内侧到外侧的CrN层、Me(CxNy)层和DLC层的涂层，其中所述DLC层是无金属的，或由含金属的底层结构和无金属的DLC顶层组成。本发明还涉及这样的滑动元件与铁基的匹配运行元件的组合。
文档编号F16J10/04GK102666925SQ201080049448
公开日2012年9月12日 申请日期2010年8月19日 优先权日2009年11月2日
发明者迈克尔·津内博尔德, 马库斯·肯尼迪 申请人:联邦摩高布尔沙伊德公司