涂覆有无定形碳层用于其相对于其它硬度较低部件的滑动性的机械元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及旨在相对于较软材料制成的部件在高负荷下滑动的机械部件的处理。 本发明尤其但非排它性地涉及燃烧发动机内的活塞销的处理，因为这些部件接受无定形碳 硬涂层(有时会遇到术语"DLC类型"（也称作"金刚石型碳"），这些概念如下定义），并且面对 相对软材料如青铜或错合金(或者这种轴销(axe)所穿过的环，或者接受这种轴销的活塞 体)摩擦(frottent)。不过，本发明更一般地涉及在摩擦学应用中旨在通过滑动与其它硬度 较低部件协同工作(coopgrer)的机械部件(通常是金属机械部件)的情况，所述摩擦学应用 意味着可导致显著损耗(usure)的速度和负荷条件。
【背景技术】
[0002] 现有技术和技术问题
[0003] 本领域技术人员已知的是，尤其通过无定形碳涂层对活塞销进行处理。应用这种 类型的涂层的益处在于防止面向通常由青铜或铝制成的对应部件的活塞销的咬刹 (grippage)〇
[0004] 在这方面，可参考文献DE-102011102209，文献W0-2009/144076或者文献"The effect of various surface treatments on piston pin scuffing resistance'，， I .Etsion，G.Halperin和E.Becher，发表于Wear 261(2006)，第785-791 页；此文献可见于以 下的地址：
[0005] [ http://www.technion.ac.il/~merei02/public/2_The%20effeet %20of% 20various % 20surface % 20treatments % 20on% 20piston% 20pin · pdf] 〇
[0006] 这种防咬刹涂层的应用由于在这些部件之间存在的接触压力的不断增加而变得 必需。接触压力的增加源自于持续减小部件尺度以降低质量和由于惯性损失的能量的趋 势。
[0007] 本领域技术人员通常认为，在通过滑动/摩擦彼此协同工作的一对两个部件内，具 有较低硬度的部件的损耗随着具有较高硬度的部件的表面粗糙度而降低。在活塞销的情况 下，因而通常认为青铜或铝部件的损耗随着涂覆有无定形碳层的对应部件的粗糙度而降 低；因而，为了限制青铜或铝的损耗，对活塞销要提供特别的关照，这通过沉积之前它们的 表面状态来实现。但是，在沉积之前将粗糙度最小化并不是足够的，并且通常应当补充以最 后处理操作，所述最后处理操作旨在降低涂覆部件的粗糙度;这种最后操作可在于刷处理 (brossage)(根据本领域技术人员已知的模式）。
[0008] 但是已经发现，在某些条件下，无论是青铜还是铝都不会损耗，而无定形碳涂层的 损耗则变得异常大，尽管这种无定形碳涂层具有高硬度。因而，具有相同机械特性和粗糙度 (在宏观感觉方面，参见下文）的两个涂层可能表现得完全不同。在一种情况下，可注意到对 应元件(硬度低得多，或者"软"材料)的高损耗以及涂层的微小损耗，而在另一种情况下，软 材料表现出微损耗的特征并且结合有涂层的高损耗，其原因是未知的。
[0009] 容易理解的是，为了系统的良好运行，两个对应元件中的每一个应当具有最小损 耗以确保部件的长寿命。
[0010] 因此存在能够生产和表征下述这样的元件的需求:所述元件具有无定形碳涂层 (至少70%原子的碳，甚至至少90%原子的碳，氢除外），以确保通过与具有显著较低硬度 (例如小于涂层硬度的2/3)的对应元件相结合，两个元件中的每一个在使用中都不具有显 著损耗。
【发明内容】
[0011] 技术问题的解决方案
[0012] 为了能够控制元件的损耗，其中所述元件涂覆有基本上由碳组成(大于70%原子， 排除氢含量)的无定形碳的硬薄层，其旨在对较软材料（即其硬度比涂层硬度小1.5倍以上） 摩擦，本发明教导了关于在宏观等级上(传统测量)和在微观等级上(通过原子力显微术，在 实践中在小于100μπι 2的表面上)的粗糙度的条件。
[0013]更特别地，本发明提供一种元件，所述元件具有无定形碳涂层（至少70 %原子的 碳)并且旨在通过滑动与其表面硬度为涂层硬度的至多三分之二的对应元件协同工作，这 个涂层具有通过轮廓测定法(profilom6trie)测量为至多等于0.050微米的粗糙度Ra，以及 通过原子力显微术测量为至少等于0.004微米并且至多等于0.009微米的微粗糙度。
[00?4]在此应当理解，粗糙度Ra是带有这种涂层的元件的粗糙度。
[0015] 实际上显然，遵循根据两种不同技术测量的这些粗糙度范围将导致这种涂覆元件 的损耗适度，不会导致硬度低得多的对应元件的显著损耗，而与置于摩擦表面之间的可能 润滑剂的特定特性无关。
[0016] 为了区分这两个粗糙度概念(算术平均），在下文中对通过传统措施测量的粗糙度 保留术语"粗糙度"，并且对于通过原子力显微术测量的粗糙度使用表述"微粗糙度(micro-rugosit6)''。
[0017] 传统粗糙度的测量措施由于针尖尺寸(它典型地具有2微米的局部半径)的原因而 在分辨率方面受限;在原子力显微术AFM中使用的针尖要小数个数量级(它典型地具有0.01 微米甚至更小的局部半径）;AFM针尖因而与传统措施可检测的情况相比可以看到更小的细 To
[0018] W0-2012/073717已经提出了设定涂覆有DLC(金刚石型碳)膜的元件的粗糙度的最 大和最小值的原理;推荐包含4.5 %原子-30 %原子的氢和5nm-25nm(或者0.005-0.025微 米)的平均二次方粗糙度的DLC涂层;但是，最小阈值的存在与尽可能减小DLC层和对应元件 的损耗的考虑完全不相关，而是被提供以确保足够的摩擦水平以产生反应所需的能量，所 述反应能够使在所使用的特定润滑剂内提供的添加剂发生作用(该润滑剂包含基于钼的化 合物并且添加锌和硫，并且在此文献中的描述倾向于确保形成M 〇S2);事实上，此文献推荐 两个元件以相当的材料制成，因而在它们之间没有显著的硬度差别并且在它们之间不可能 存在基于本发明的技术问题。无论如何，此文献没有公开通过原子力显微术技术测量粗糙 度的益处，更不用说针对一方面通过传统方式(通过轮廓测定法)并且另一方面通过这种非 常特定的技术测量的粗糙度设定阈值的益处。如果仅局限于通过传统测量的粗糙度(二次 方粗糙度，而非算术平均的Ra)，则要指出，此文献教导了远小于本发明最大值(算术平均的 Ra)的最大值，其非常有可能与通过本发明的AFM的微粗糙度范围不相容。换言之，本发明暗 含地教导了大于此文献范围的通过传统测量的粗糙度范围。
[0019]优选地(但非必需地），通过轮廓测定法测量的粗糙度Ra的这个值大于0.020微米 甚至0.025微米的阈值。在此应当指出，这涉及的是涂层的粗糙度，其可不同于涂覆之前的 表面的粗糙度。
[0020]优选地，通过轮廓测定法测量的粗糙度至多等于0.046微米并且通过原子力显微 术的微粗糙度为0.004-0.0075微米;这种限定的范围看来仍更好地能够确保两个对应元件 的损耗的低水平;但应当指出，本发明并不旨在确认两个元件的损耗适度的充分必要条件； 其仅仅旨在提供获得这种结果的充分条件。
[0021 ]根据本发明的优选特性，任选组合地：
[0022] ?该涂层包含按照所谓ERDA的技术测量的含量为20+/-5%原子的氢，
[0023] ?该元件在氢化的无定形碳涂层之下包含至多一微米CrN的层，
[0024] ?对于至少两微米的膜来说，该涂层在从元件的表面开始的至多一微米上包含钨 掺杂。
[0025] 本发明还提供通过摩擦协同工作的元件对，包含上述类型的元件以及其表示硬度 为涂层硬度的至多三分之二的对应元件。
[0026] 例如，这种对应元件可由铜合金制成，例如青铜；作为变化形式，它可由铝合金制 成，例如由AlSn制成。还可指出，这可涉及锡合金。这种对应元件可以仅表面由这种材料形 成。
【附图说明】
[0027] 参考附图，通过以非限制性的示例性实施例的方式提供的以下描述将更详细地揭 示本发明的目标、特性和优点，在附图中：
[0028] -图1是将涂覆元件的各种实施例的粗糙度与此元件的损耗和青铜制对应元件的 损耗相关联的图，并且
[0029] -图2是将涂覆元件的各种实施例的微粗糙度与此元件的损耗和青铜制对应元件 的损耗相关联的图。
【具体实施方式】
[0030]至少一种实施方式的详细描述
[0031 ]在下文中，考虑金属元件，实际上是钢元件，其涂覆有无定形碳膜，旨在与青铜(或 铝）制对应元件在模拟发动机内的活塞杆(或轴销）的工作条件的条件下协同工作;这可涉 及到曲轴上的杆的咬合或者活塞本身上的杆的咬合。
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