具有涂层的滑动主体的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种滑动主体(1)，尤其是一种用于内燃机的活塞圈(1’)。所述滑动主体(1)具有主要部分(2)和涂层(3)。本发明的要素是，所述涂层(3)具有第一主要层(4)，所述第一主要层的主要成分仅是钼、氮以及氧。
【专利说明】具有涂层的滑动主体
【技术领域】
[0001]本发明涉及滑动主体，尤其用于内燃机，滑动主体具有主要部分以及涂层。本发明进一步涉及用于生产这种滑动主体的方法。
【背景技术】
[0002]滑动主体有各种应用，并且是现有技术公知充分的。这种用于内燃机的滑动主体例如用于内燃机的燃烧室中，并且能够尤其构建为活塞圈。这种滑动主体典型的是它们沿着另一主体滑动，由此这些主体之间发生摩擦。此处,这种滑动主体在高机械及热动态应力下的寿命是期望的。为了该目的，这种滑动主体能够具有施加在滑动主体的主要部分上的涂层。
[0003]从EP0884400B1公知一种涂层，其例如施加在活塞圈上。该涂层具有晶体线铬氮化物以及晶体线钥氮化物的混合物，其中，至少一个元素的晶体结构包含呈固溶体形式的氧和碳。
【发明内容】
[0004]本发明关注的问题是对于前言提到类型的滑动主体提供一种改善的或者至少可替换的实施例，其区别在于滑动主体具有延长的寿命和/或更好的滑动特性。
[0005]该问题是通过根据本发明独立权利要求的主题解决的。有利实施例是从属权利要求的主题。
[0006]本发明是基于这样的总体构思:提供具有涂层的滑动主体的主要部分，涂层具有第一主要层，第一主要层的主要成分一方面保证足够的稳定性或者保证硬度，另一方面保证涂层(尤其第一主要层)因而滑动主体在另一主体上的改善滑动特性。在使用主要部分的情况下，第一主要层或者其表面接触另一主体，沿着另一主体滑动。根据本发明，该问题被解决在于，第一主要层具有主要成分即钥、氮以及氧。主要成分此处意味着第一主要层，主要地优选地排他地由这些材料或者这些材料的化合物构成。但是，第一主要层还能够具有比这些主要成分更少或更多的可忽略成分或者杂质。本发明此处首先利用了这样的知识:钥氧化物类化合物(尤其钥氧化物)具有自润滑特性。因此，滑动主体的涂层在其外表面即背向主要部分的表面包含钥氧化物，以改善滑动主体的滑动特性，因此降低滑动主体在关联的另一主体上的摩擦。因此，涂层优选布置在滑动主体沿着该另一主体滑动的区域上。但是，滑动主体还能够整个地具有这种涂层。
[0007]沿着第一主要层的厚度，第一主要层相应的主要成分的浓度能够变化。例如，第一主要层的氧浓度能够朝向主要部分阶梯地或者连续地减小，尤其能够是零。在该意义上，第一主要层是具有主要成分即钥以及氮的层，掺杂有氧。换句话说，第一主要层能够尤其具有主要成分即钥氮化物，尤其在表面区域中能够掺杂有氧。
[0008]第一主要层优选具有的厚度为I μ m至50 μ m。第一主要层的厚度此处能够改变。此外，涂层还能够局部覆盖主要部分，使得第一主要层或者涂层在非涂层区域的厚度还能够是零。此外，在0.05N测试负荷下，涂层的层硬度优选在1，500和2，200HV之间。
[0009]滑动主体的主要部分通常由金属可重复使用的材料生产。这能够例如通过铸造处理实现，由此主要部分构造为铸造体并且能够由铁和/或钢生产。此外，主要部分能够被掺氮。在主要部分由钢组成的情况下，其通常用轧制处理来生产。为了改善涂层至主要部分的粘接，涂层能够可选地具有第二主要层，第二主要层有利地布置于主要部分和第一主要层之间。第二主要层此处还能够局部布置于第一主要层和主要部分之间。第二主要层有利地具有的主要成分可确保涂层至主要部分的足够粘接。尤其在主要部分由金属材料生产的情形下，第二涂层能够因此具有金属主要含量。第二主要层的金属主要含量因此尤其是钥和/或铬和/或钛和/或铬-铝合金以及类似物。
[0010]第二主要层的厚度优选小于第一主要层的厚度。因而，在优选实施例中，第二主要层的厚度在0.5μπι至ΙΟμπι之间。在优选实施例中，第二主要层具有氮。这意味着第二主要层能够掺杂有氮，使得第二主要层至少在特定区域能够包含金属氮化物。优选地，第二主要层内的氮浓度朝向第一主要层增加。尤其，这样的目的是改善第一主要层在第二主要层上的粘接，因此改善这些主要层之间的粘接。优选地，第二主要层的金属主要成分是铬。因此，第二主要层和第一主要层之间的涂层具有从铬氮化物到钥氮化物的过渡以实现特别有利的粘接。
[0011]第二主要层的氮浓度朝向第一主要层增加这能够阶梯地或连续地发生。因此，第二主要层能够具有第一子层，第一子层包含金属氮化物(尤其铬氮化物)并且邻近第一主要层。第二主要层的邻近主要部分的第二子层此外能够具有少量氮或者无氮。当第二主要层的第二子层因此确保粘接至主要部分时，第二主要层的第一子层的目的是创建第二主要层和第一主要层之间尽可能大的粘接。
[0012]用于增加第一主要层和第二主要层之间的粘接的进一步可能方式包括降低第一主要层朝向主要部分或者朝向第二主要层的钥浓度。因此，第二主要层的金属主要含量的浓度还能够朝向第一主要层减小。优选地，第一主要层中的钥浓度朝向第二主要层减小，而第二主要层的金属主要成分的浓度朝向第一主要层减小。结果，因此实现了第二主要层和第一主要层之间的流动过渡以创建稳定的涂层。通过在这些主要层之间的过渡区域调整第一主要层中的钥浓度以及第二主要层的金属主要成分的浓度，可避免或者至少降低尤其第二主要层和第一主要层之间的晶格失配。如果第二主要层的金属主要含量是钥，那么这种过渡不是必须的。
[0013]根据进一步优选实施例，第一主要层沿着其厚度具有至少两个不同的氧浓度。这意味着可想到这样的实施例:第一主要层内的氧浓度增加以及减小若干次。此处这样的实施例是优选的:氧浓度至少在沿着第一主要层厚度的特定区域浮动。这尤其意味着，氧浓度在最大值以及零之间周期性地变化。换句话说，第一主要层沿着其厚度具有掺杂有氧的各层，所述各层与不掺杂有氧的各层交替。结果，创建了多层式层，多层式层优选布置在第一主要层的第一子层内，第一子层布置于主要层的背向主要部分的区域中或者第一主要层的表面的区域中。该多层式层的周期性优选在50nm至300nm之间。此处，周期性尤其给定为掺杂有氧的各层的各层厚度与具有少量氧含量的相邻各层(尤其是无氧各层)的各层厚度之和。此处，相应的各层厚度能够改变，尤其是，厚度在掺杂有氧的各层与具有少量氧含量的各层(尤其是无氧各层)之间能够不同。在第一主要层的这种周期性构造下，利用了这样的知识:钥氮化物具有的硬度大于钥氧化物或者掺杂有氧的相应各层，而优选包含钥氧化物的掺杂有氧的各层具有更好地润滑特性。因此，通过包含钥氧化物的各层与无氧或者具有少量氧的各层的交替布置，既可实现足够的硬度，又可实现第一主要层的足够的自润滑特性。
[0014]根据进一步优选实施例，涂层的第一主要层的表面具有粗糙部，粗糙部例如通过细磨和/或搪磨和/或石磨和/或磨光加工至该表面。粗糙部的平均深度Rz此处优选小于Ιμπι。此夕卜，在0.2μπι深度即Rmr02值处的材料含量Rmr大于60%，在0.3μπι深度即Rmr03值处的材料含量Rmr大于80%。材料含量Rmr的定义和确定此处能够尤其见于标准DIN EN IS04287。
[0015]滑动主体基本能够是在另一主体滑动的任何物体。尤其，滑动主体能够构造为用于内燃机的活塞的活塞圈，其中，涂层尤其施加在活塞圈面向关联主体的外周上，活塞圈在关联主体上滑动，关联主体尤其是关联的气缸。此处，涂层改善了活塞圈的磨损阻力，降低了活塞圈和关联的内燃机的气缸之间的摩擦。
[0016]滑动主体的涂层基本能够以任何期望方式施加在主要部分上。气态、液态、溶解的以及固态涂层方法此处指出作为例子。涂层能够尤其依靠化学气相沉积或者燃烧化学气相沉积来进行。涂层还能够用喷射法施加在主要部分上。
[0017]涂层优选依靠物理气相沉积(PVD)进行。此处，主要部分典型地作为基板，被引入合适的室。物理气相沉积此处通常在真空条件下进行，其中，在气相沉积涂层之前，主要部分能够被制备，即清洁和/或加热。
[0018]涂层的相应金属含量即第二主要层的金属主要成分以及第一主要层的钥是通过室中的对应金属对象的汽化被施加到主要部分上。优选地，相应对象的汽化依靠电弧进行，即例如通过所谓的电弧PVD方法。当涂层具有第一主要层还具有第二主要层时，首先进行气相沉积第二主要层，之后是气相沉积第一主要层。优选地，气相沉积第二主要层首先在氩气氛下进行，随后在氮气氛下进行，其中，应理解的是，在氩气氛和/或氮气氛下典型地存在低压的氩和/或氮。在氮气氛下气相沉积期间，金属氮化物层此处形成在主要部分上，而在氩气氛下气相沉积期间，金属层(尤其无氮化物层)被气相沉积。
[0019]优选地，气相沉积第二主要层直接接连着气相沉积第一主要层。此处，第一主要层首先在氮气氛中气相沉积，随后额外地在氧气氛中气相沉积。
[0020]在氮气氛中气相沉积第一主要层期间，氮压力设定成使得所沉积的层中的氮含量在ZOatom1^至eOatom1^之间。优选地,氮压力被选择成使得氮含量设定为ZSatom1^至^1atom1^之间，更尤其 SOatom1^至 SSatom1^之间。
[0021]当在气相沉积第一主要层期间、即尤其在气相沉积涂层的最上层期间执行氧掺杂时，以优选一致的氮局部压力，此外将一些氧引入涂层室。氧局部压力此处设定成使得钥氮化物层额外地掺杂有的氧含量在0.Satom1^至Satom1^之间，但是优选0.Satom1^至2atom%之间。因而确保了形成钥氧化物，并且防止形成更高的钥氧化物化合物，钥氧化物化合物具有不好的摩擦特性。
[0022]为了改变第一主要层中的氧掺杂或者改变第一主要层厚度内的氧浓度，氧含量此处能够变化，尤其以浮动方式变化。
[0023]作为第一主要层的最终主要成分的钥的含量作为残余量来自氮含量和氧含量。在均勻层的情况下第一主要层的钥含量因此在SSatom1^至79.Satom1^之间，优选58atom%至75.Satom1^之间，特别优选至69.Satom1^之间。当第一主要层具有这种氧浓度浮动的多层式层时，上述提到的钥含量应用于掺氧的各层。
[0024]对于气相沉积第一主要层，使用钥对象，尤其依靠所述电弧汽化来汽化钥对象。优选地，在第二主要层至第一主要层之间的的过渡中，降低第二主要层的金属对象的汽化，而激活并强化钥对象的汽化。因此，在第二主要层和第一主要层之间实现流动过渡，其中，相应对象的汽化率的相应减小或者增加优选线性进行。此外，过渡优选在氮气氛中进行。
[0025]应该理解的是，根据本发明的主要部分的涂层以及与此相关的优势并不限于滑动主体，而是能够应用于任何期望的结构元件或者对象以实现这些优势。涂层因此还能够尤其气相沉积式地施加在非滑动结构元件上，从而例如实现期望硬度或者将涂层用作保护层。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]在附图的辅助下，本发明的进一步重要的特征及优势将见于从属权利要求、附图以及关联的【专利附图】
【附图说明】。
[0027]应该理解的是，以上提到的以及以下进一步详细解释的特征能够不仅使用于示出的组合，而且以其他组合或者单独地使用，这并不超出本发明的范围。
[0028]本发明的优选示范实施例图示于附图中并且在以下说明中进一步详细解释，其中，相同附图标记指代相同或者类似部件或者功能相同的部件。
[0029]此处分别示意地图示了:
[0030]图1是根据第一实施例的滑动主体的截面，
[0031]图2是根据第二实施例的滑动主体的截面。
【具体实施方式】
[0032]根据图1，滑动主体I能够尤其构造为用于内燃机的活塞圈I’，具有主要部分2，主要部分2构造为例如铸造主体并且由铁或者钢生产，其中，主要部分I还能够被掺氮。滑动主体I此外具有气相沉积在主要部分2上的涂层3。主要部分2上的涂层3优选依靠物理气相沉积实现，其中适当的对象依靠电弧汽化被汽化并且沉积在主要部分2上以形成涂层3。
[0033]涂层3此处具有第一主要层4和第二主要层5，其中，第二主要层5布置于主要部分2和第一主要层4之间。第二主要层5包括两个子层6、7，第一子层7邻近第一主要层4，而第二子层7邻近主要部分2。
[0034]第二主要层5具有金属主要含量，尤其是铬。第二主要层5的第二子层7原则上或者排他地是金属，尤其由铬组成，而第二主要层5的第一子层6包含氮，相应地尤其由金属氮化物组成，优选是铬氮化物。第二主要层5的第二子层7此处用作将涂层3粘结在主要部分2上，而第二主要层5的第一子层6尤其旨在改善第二主要层5和第一主要层4之间的粘接。
[0035]第一主要层4具有主要成分即钥、氮以及氧。此处，氧布置在第一主要层4背向主要部分2的区域中，因此尤其在第一主要层4的表面8的区域中，因此在滑动主体I的表面8的区域中。此外，氧浓度小于第一主要层4的钥浓度以及氮浓度，使得第一主要层4掺杂有氧。重要的是，第一主要层4尤其在表面8上或者直接在表面8上包含氧，其中，第一上层4优选在该区域中具有钥氧化物类化合物，以降低滑动主体I在关联物体上的摩擦，尤其在内燃机的气缸上的摩擦。
[0036]图2示出了在进一步实施例中图1的9所指代的区域的剖面，其他相同于图1示出的。此处，能够看见多层式层10，其布置在第一主要层4的表面8的区域中。多层式层10由无氧或者低氧的各第一层12和各第二层13组成，第一层12和第二层13包含氧或者掺杂有氧，沿着第一主要层4的厚度11交替布置。各第二层13直接布置于表面8上，此处包含氧，以确保通过自润滑特性降低所述摩擦。多层式层的周期性即这种各层12的各层厚度14和这种相邻各层13的各层厚度14之和在50nm至300nm之间。各层12和13能够具有不同的各层厚度14。在周期性中这种各层13的各层厚度14的比例此处优选在20%至60%之间。
[0037]第一主要层4的氮含量在ZOatom1^至SOatom1^之间，优选ZSatom1^至^1atom1^之间，特别优选30atom%至35atom%之间。此外，第一主要层4中(尤其掺氧的各层13中)的氧含量在0.Satom1^至Satom1^之间，优选0.Satom1^至Zatom1^之间。第一主要层4的钥含量在SSatom1^至79.Satom1^之间。
[0038]如图1能够进一步可见的，第二主要层5的厚度15在0.5 μ m至10 μ m之间，小于第一主要层4的厚度11，厚度11在I μ m至50 μ m之间。此外，第二主要层5的第二子层7的厚度16小于第二主要层5的第一子层6的厚度17。
[0039]第一主要层4的表面8具有粗糙部18，粗糙部18具有的平均粗糙部深度Rz小于I μ mo此外，0.2μπι深度处的材料含量大于60%，而0.3μπι深度处的材料含量大于80%。
【权利要求】
1.一种滑动主体(1)，尤其用于内燃机，具有主要部分(2)和至少局部覆盖主要部分(2)的涂层(3)，其中，所述涂层(3)具有第一主要层(4)，所述第一主要层的主要成分仅是钥、氮以及氧。
2.根据权利要求1所述的滑动主体,其特征在于， 所述第一主要层⑷具有的厚度(11)为I μ m至50 μ m。
3.根据权利要求1或2所述的滑动主体，其特征在于， 所述第一主要层(4)至少在背向所述主要部分(2)的区域中、尤其在表面(8)上具有钥氧化物类化合物。
4.根据权利要求1至3中一项所述的滑动主体，其特征在于， 至少在所述第一主要层(4)和所述主要部分(2)之间的局部，所述涂层(3)具有第二主要层(5)，所述第二主要层具有金属主要含量，尤其钥和/或铬和/或钛和/或铬-铝合金。
5.根据权利要求4所述的滑动主体，其特征在于， 所述第二主要层(5)具有的厚度(15)在0.5μπι至1ym之间。
6.根据权利要求4或5所述的滑动主体，其特征在于， 所述第二主要层(5)具有氮，其中，尤其设置成氮浓度朝向所述第一主要层(4)增加。
7.根据权利要求1至6中一项所述的滑动主体，其特征在于， 所述第一主要层(4)的氧浓度朝向所述主要部分(2)减小。
8.根据权利要求2至7中一项所述的滑动主体，其特征在于， 所述第一主要层(4)中的钥浓度朝向所述主要部分(2)减小，和/或所述第二主要层(5)的金属主要含量的浓度朝向所述第一主要层(4)减小。
9.根据权利要求1至8中一项所述的滑动主体，其特征在于， 所述第一主要层(4)具有的氮含量在ZOatom1^至eOatom1^之间，尤其ZSatom1^至^1atom1^之间，更尤其 SOatom1^至 SSatom1^之间。
10.根据权利要求1至9中一项所述的滑动主体，其特征在于， 所述第一主要层(4)沿着其厚度(11)具有至少两个不同的氧浓度，其中，尤其设置成氧浓度至少在沿着厚度(11)的特定区域浮动。
11.根据权利要求10所述的滑动主体，其特征在于， 由氧浓度的浮动形成的多层式层(10)具有的周期性在50nm至300nm之间。
12.根据权利要求1至11中一项所述的滑动主体，其特征在于， 所述第一主要层⑷的氧浓度在0.5atom %至5atom %之间，尤其0.5atom %至Satom1^之间。
13.根据权利要求1至12中一项所述的滑动主体，其特征在于， 所述第一主要层(4)的表面(8)具有粗糙部(18)，其中，尤其设置成平均粗糙部深度Rz小于I μ m，和/或0.2 μ m深度处的材料含量Rmr大于60%，和/或0.3 μ m深度处的材料含量Rmr大于80% (根据DIN EN IS04287)。
14.根据权利要求1至13中一项所述的滑动主体，其特征在于， 所述主要部分(2)是用于内燃机的活塞圈(I，)。
15.一种用于生产根据权利要求1至14中一项所述的滑动主体(I)的方法，其中，依靠物理气相沉积方法、尤其依靠电弧汽化将所述第一主要层(4)和/或所述第二主要层(5)气相沉积在所述滑动主体(I)的所述主要部分(2)上。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于， 所述第一主要层(4)在氮气氛中以及额外地在氧气氛中被气相沉积。
【文档编号】C23C14/32GK104271791SQ201380024268
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年5月7日 优先权日:2012年5月10日
【发明者】库尔特·迈尔 申请人:马勒国际有限公司