专利名称：滑动元件，尤其是活塞环以及涂覆滑动元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有涂层的滑动元件，尤其是活塞环，以及涉及一种涂覆滑动元件的方法。在许多技术应用中，滑动元件与滑动接触面滑动接触，活塞环和气缸套的结合可以被看作是典型的应用。假定气缸或气缸套是由例如铝-硅合金制成的，尤其是在四冲程汽油发动机(Otto engine，奥托发动机)的情形下，已经证明DLC (类金刚石碳)涂层体系对磨损和摩擦功率是成功的。然而，需要提高已知的DLC涂层体系对于具有常规的基于铁的气缸套的柴油机或涡轮增压的四冲程汽油发动机的寿命和可用性。由于显著高的气缸压力以及尤其与直接注入的结合，会增加的混合摩擦的比例。DLC涂层体系对这种情况缺乏适应性的决定性原因被认为是小于5 u m的常规的小的层厚度。
背景技术：
DE 10 2005 063 123B3公开了具有磨合层的DLC涂层。对于较大的层厚度，也被称作PVD层，尤其是基于CrN，其具有10至30 y m的层厚度。虽然这些导致了提高的寿命、摩擦功率和耐磨性，尤其是在润滑不充分的情况下，但是损害了耐磨损性(scuffresistance)。相比之下，由于它们的无定形结构，DLC涂层体系具有如下优点，它们对金属表面显现了很大程度的化学惰性，并因此对滑动接触面显现极其低的粘合趋势。例如，对根据DE 10 2008 016 864B3的涂层来说是适用的，在内部其具有包含金属的无定形碳层，在外部具有无金属的无定形碳层。
发明内容
本发明的目的是提供一种滑动元件，尤其是活塞环，尤其当用于例如具有基于铁的滑动接触面的柴油机或涡轮增压的四冲程汽油发动机时，其满足对于寿命和摩擦功率的要求。本发明还进一步提供了一种用于涂覆滑动元件的方法。该目的是通过权利要求I所描述的滑动元件来实现的。设置在其上的涂层是以多个CrN和a-C:H:Me层的交替板层为特征。初始测试已经显示通过这种层结构可以同时提高寿命和相对摩擦系数。为清楚起见，上述的Me表示金属，为此，可使用例如钨、铬、钛或硅。以下提及的a-C:H:Me和a_C:H层都为DLC层，并且能够确保相对低的磨损和良好的摩擦性能。尤其是，例如，对活塞环的周围，由于不同的径向接触压力和由此产生的不同的磨损率，可以认为DLC仍然存在于至少部分环表面上，尤其是在润滑不充分的情况下，也可以保持良好的摩擦性能。在磨损方面，这是以有利的方式结合了 CrN层提供的优点。CrN层的耐磨性通常比DLC的耐磨性好，从一开始或者当最外面的DLC层磨损时，CrN层的耐磨性可以有利地发挥作用。描述的多个板层的涂层可以提供额外的优点，可以制备显著大于常规的DLC涂层体系的总的层厚度。这实质上是基于如下事实与CrN相比，DLC产生的内应力更高，当全部由CrN板层形成涂层时，内应力得到补偿。
所述涂层可尤其被至少设置在至少一个运行面(running surface)上的区域。此夕卜，所述涂层可以延伸至与运行面相邻的表面的过渡部分上。例如，这影响活塞环的运行侧面。应该进一步指出的是，申请人在同日提交了一个申请，其名称为“用于内燃机中活塞的刮油环的螺旋形压缩弹簧以及涂覆螺旋形压缩弹簧的方法”，在该申请中，与本文描述的涂层相似的涂层用于螺旋形压缩弹簧。该申请中描述的涂层的所有特征也适用于本发明描述的涂层。此外，在本文描述的一个实施方式中，所提及的申请中描述的螺旋形压缩弹簧也可以有利地与本申请描述的活塞环结合，并且这种结合可以看做是本申请的主题。此外，申请人在同日提交了一个名称为“用于涂覆活塞环的至少内表面的方法及活塞环”的申请。在该申请中描述的尤其涉及涂覆活塞环的内表面的所有方法可以适用于本发明描述的活塞环，除了内表面以外，所提及的申请中描述的方法尤其还可用于涂覆表面。在其后的权利要求中描述优选的进一步改进。对于CrN层与基板的粘合，也就是说，滑动元件，尤其是活塞环，优选是由铸铁或 钢制成，已发现形成铬的粘合层是有利的。这尤其适用于气相沉积法，并且优选层厚度小于I. 0 u mo当前，所述粘合层的最小层厚度优选为0. 01 V- m。尤其对于上述的粘合层，当前优选选择CrN层作为上述多个板层结构的最里层。对于最初与滑动接触面滑动接触的根据本发明的滑动元件的最外层，优选无金属的DLC层，也就是a-C:H类型的层。这样的层确保了优良的磨合性能。已经发现所述层的厚度为0. I至5. Oiim是有利的。为了良好的磨合性能，最小的层厚度为0. Iiim是有利的。基于最小的粘合力得到最大的层厚度，层越厚，最小的粘合力越低。对于所述最外层或顶层，同时涂覆CrN和a-C:H:Me层是可行的。对于CrN和a-C:H:Me层的单个板层,优选其为50nm至400nm。当串联使用时,大于30nm的厚度所提供的优势能够确保层结构的易测性。为确保良好的摩擦性能和长寿命，涂层的总厚度为2至40pm是有利的。就这一点而言，单个板层的数量可以为例如10至400个。对于所述CrN层的硬度，已发现数值范围为800至1900HV 0. 002是适合的。这一数值可以与所述无金属的DLC层的硬度1700至2900HV 0. 002，和/或所述包含金属的DLC层的硬度800至1600HV 0. 002相结合。可以进一步预期，当所述层包含氢时，可以得到DLC层(尤其是包含金属的和/或无金属的DLC层)的特别良好的性能。所述包含金属的DLC层可以进一步有利地包含纳米晶体金属碳化物沉积物，例如，WC、CrC, SiC, GeC 或 TiC0通过权利要求9中所述的方法能够进一步实现上述目的。有利的是，结合溅射和PA-CVD方法，并通过根据本发明的方法的内容可以制备所述涂层。此处进一步公开了至少一个上述滑动元件与滑动接触面的结合，尤其是与内燃机(尤其是柴油机或涡轮增压四冲程汽油发动机)的气缸或气缸套的结合，其中，所述滑动接触面基于铁。
参考附图，下文将更详细地解释本发明优选的示例性实施方式。图I显示根据本发明的层结构；和图2显示具有不同涂层的活塞环的相对磨损。
具体实施例方式由附图I明显可知，首先将铬粘合层12涂覆到滑动元件的基材10上，从内向外交替在其上涂覆多个CrN层14和a-C:H:Me层16。最外层由a_C:H层形成。在所示实施例中，该层被涂覆到DLC层上，但其也能够等同地涂覆到CrN层上。使用这种结构，完成对对比实施例的测试。下表显示使用的层结构。
权利要求
1.一种滑动元件，尤其是活塞环，优选其由铸铁或钢制成，所述滑动元件具有包括多个CrN层(14)和a-C:H:Me层(16)的交替板层的涂层。
2.根据权利要求I所述的滑动元件，其特征在于，向所述滑动元件的基板(10)上涂覆铬的粘合层(12)，优选其厚度为0. 01至I. 0 ii m。
3.根据权利要求I或2所述的滑动元件，其特征在于，所述交替板层的最内层为CrN层(14)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层的最外层为a-C:H层(18)，优选其厚度为0. I至5. Oii m。
5.根据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和/或a-C: H:Me板层各自的厚度为50nm至400nm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层的总厚度为2M 40 u nio
7.根据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层的硬度为800至1900HV 0. 002，和/或所述无金属的DLC层的硬度为1700至2900HV 0. 002，和/或所述包含金属的DLC层的硬度为800至1600HV0. 002。
8.根据前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其特征在于，至少一个DLC层通过金属蒸汽沉积方法制备，和/或所述包含金属和/或无金属的DLC层通过PA-CVD方法制备。
9.一种涂覆滑动元件尤其是活塞环的方法，所述滑动元件优选由铸铁或钢制成，其中，交替涂覆多个CrN和a-C: H: Me层的板层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过溅射和PA-CVD方法的结合制备所述涂层。
全文摘要
一种滑动元件，尤其是活塞环，优选其由铸铁或钢制成，所述滑动元件具有包括多个CrN层(14)和a-C:H:Me层(16)交替的层的涂层。在用于涂覆滑动元件尤其是活塞环的方法中，所述滑动元件优选由铸铁或钢制成，其中，交替涂覆多个CrN层和a-C:H:Me层的板层。
文档编号F16J9/26GK102770584SQ201180010789
公开日2012年11月7日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年3月9日
发明者迈克尔·津内博尔德, 马库斯·肯尼迪 申请人:菲特尔莫古布尔沙伊德有限公司