滑動(dòng)元件，尤其是活塞環(huán)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及滑動(dòng)元件、尤其是活塞環(huán)，其具有碳基涂層，并且至少局部地具有根據(jù)DIN EN ISO 4287為0.05μm(優(yōu)選地為0.08μm)到0.11μm(優(yōu)選地為0.1μm)之間的粗糙度R△q。
【專利說(shuō)明】
滑動(dòng)元件，尤其是活塞環(huán)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及滑動(dòng)元件，尤其是活塞環(huán)。
[0002] 對(duì)于通常的滑動(dòng)元件、特別是活塞環(huán)而言，在操作過(guò)程中發(fā)生的摩擦損失的程度 是至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)。在使用活塞環(huán)的內(nèi)燃機(jī)中，市場(chǎng)和法規(guī)都要求減少燃料消耗量，進(jìn)而減 少二氧化碳排放量。由于活塞環(huán)是大約四分之一的機(jī)械摩擦損失，進(jìn)而為近似4 %的燃料消 耗量的原因，所以大量的研究將重點(diǎn)放在能大體上減少由活塞環(huán)和滑動(dòng)元件導(dǎo)致的這些摩 擦損失的措施上。
【背景技術(shù)】
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，例如在DE 4419713A1中所描述的那樣，使用了堅(jiān)硬的金屬涂層，該 堅(jiān)硬的金屬涂層通常經(jīng)由PVD方法產(chǎn)生。另外，可使用無(wú)定形的DLC涂層，然而該無(wú)定形的 DLC涂層通常僅可適用于幾 μπι的層厚度。另一挑戰(zhàn)在于使極其堅(jiān)硬的DLC涂層具有足夠低的 粗糙度，以避免氣缸的工作表面或氣缸襯墊受到損壞或磨損。從DE 102008022039Α1和ΕΡ 0724023Α1中可以得到適用于此目的的不同的TaC涂覆系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于這種背景，本發(fā)明的目的在于提出一種滑動(dòng)元件，且特別是活塞環(huán)，其對(duì)在滑 動(dòng)運(yùn)動(dòng)(尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng))開(kāi)始時(shí)的最低可能的磨損以及最低可能的摩擦的組合 進(jìn)行了改進(jìn)。
[0005] 該目的通過(guò)在權(quán)利要求1中描述的滑動(dòng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)該權(quán)利要求，滑動(dòng)元件、 優(yōu)選為活塞環(huán)具有工作表面，該工作表面設(shè)置有碳基涂層，并且至少局部地具有根據(jù)DIN ΕΝ ISO 4287為0 · 05μπι(優(yōu)選為0 · 08μπι)到0 · Ι?μπι(優(yōu)選地為0 · Ιμπι)之間的粗糙度R Δ q。大量 測(cè)試表明，在使用碳基涂層時(shí)有相對(duì)較低的摩擦損失歸因于由熱誘發(fā)和/或機(jī)械式誘發(fā)的 sp3雜化碳原子轉(zhuǎn)變成sp2雜化碳原子。這產(chǎn)生了非常薄且（與其下方的DLC層相比）較為柔 軟的頂層，該頂層使得摩擦減少。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，這種所期望的轉(zhuǎn)變尤其得益于:粗糙輪廓的平均輪廓坡度大于或者 頂多等于〇. 〇5μπι的最小值。用于本發(fā)明的R △ q值通過(guò)所述標(biāo)準(zhǔn)定義為輪廓坡度相對(duì)于平均 線的均方根值，進(jìn)而為篩選輪廓相對(duì)于平均線的均方梯度。由此，低的值意味著相對(duì)較"平" 的輪廓，并且高的值意味著相對(duì)較"陡"的輪廓。測(cè)試表明，在R A q值低于0.05μπι時(shí)，摩擦系 數(shù)將會(huì)大于0.035，這在不期望的范圍內(nèi)。因此，通過(guò)1?/%值大于、或者頂多等于0.05以 111，可 以確保非常低的摩擦系數(shù)，這可通過(guò)以下情況來(lái)解釋(但是本發(fā)明并不局限于該情況）：輪 廓坡度陡到足以引起從sp3雜化碳原子到sp2雜化碳原子的大量轉(zhuǎn)化，并由此足以通過(guò)所期 望的方式來(lái)積極地影響摩擦系數(shù)。
[0007] 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)R Δ q值為〇 . Ιμπι或者更大、尤其為〇 . 1 Ιμπι或者更大，磨損會(huì)通過(guò) 不期望的方式增大，即在大于3μπι的范圍內(nèi)。對(duì)此的解釋(本發(fā)明也不應(yīng)受到該解釋的限制） 為，在相對(duì)較"陡"的粗糙輪廓坡度的情況下，表面擠壓增大了，這會(huì)促進(jìn)磨損。本發(fā)明由此 而提供了在有利的磨損值與低摩擦系數(shù)之間的有益的平衡。對(duì)于所期望的R A q值而言，應(yīng) 當(dāng)注意的是，它們可通過(guò)適當(dāng)?shù)耐扛策^(guò)程、尤其通過(guò)機(jī)械加工過(guò)程來(lái)調(diào)整。R A q值可通過(guò)涂 覆過(guò)程和平滑過(guò)程的適當(dāng)結(jié)合來(lái)確保。涂覆過(guò)程為PA-CVD或者PVD過(guò)程。這些過(guò)程允許對(duì)機(jī) 械性質(zhì)的針對(duì)性調(diào)節(jié)必然會(huì)獲得所需的粗糙度值。設(shè)定參數(shù)為沉積的碳離子的能量。該能 量可受到蒸發(fā)器功率的改變、磁場(chǎng)以及偏壓電源的影響。平滑過(guò)程是使用限定的、含金剛石 的光滑加工工具進(jìn)行的超精加工，其中金剛石的型態(tài)、所結(jié)合的金剛石的分布以及該工具 自身以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行了適應(yīng)。
[0008] 本發(fā)明主要基于上述與RAq值的范圍相關(guān)的發(fā)現(xiàn)，然而，相對(duì)于其他的粗糙度參 數(shù)，這些發(fā)現(xiàn)并不適于限定到實(shí)現(xiàn)磨損值與摩擦值之間的有利平衡的特定范圍。對(duì)于上述 測(cè)量值而言，應(yīng)當(dāng)指出：如參照下文中的表格所詳細(xì)說(shuō)明的那樣，這些值是在混合的摩擦條 件下確定的，因?yàn)檫@些摩擦條件在內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際操作過(guò)程中是相關(guān)的。在這里，潤(rùn)滑膜厚度 基本上達(dá)到了（例如活塞環(huán)和氣缸襯墊的)基體和反作用體的總的表面粗糙度，使得負(fù)載可 以通過(guò)粗糙峰的直接接觸而被轉(zhuǎn)移到運(yùn)行配合物上。在這種情況下，摩擦條件受到緊密的 本體接觸的影響，本體接觸需要盡可能光滑的表面。即使是最小的不平整度也會(huì)導(dǎo)致剪切 力，該剪切力尤其會(huì)破壞碳基涂層，并會(huì)導(dǎo)致涂層分離。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)元件的優(yōu)選實(shí)施方案在其他的權(quán)利要求中進(jìn)行了描述。
[0010] 由于例如在活塞環(huán)與氣缸襯墊之間的滑動(dòng)接觸尤其發(fā)生在凸?fàn)畹膮^(qū)域內(nèi)，進(jìn)而發(fā) 生在活塞環(huán)的凸?fàn)顝澢墓ぷ鞅砻娴膮^(qū)域內(nèi)，所以優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的粗糙度至少形成 在這種凸?fàn)畹膮^(qū)域內(nèi)。
[0011] 另外，發(fā)現(xiàn)所描述的RAq值應(yīng)當(dāng)在活塞環(huán)的軸線方向上存在于工作表面的10%到 90 %、優(yōu)選地25 %到75 %上。
[0012] 涂層優(yōu)選為能夠特別好地得到所描述的效果的TaC類型的碳基涂層。
[0013] 對(duì)于碳基涂層的層厚度來(lái)說(shuō)，0·5μηι到30μηι、優(yōu)選地ΙΟμπι到30μηι的范圍已被證實(shí)是 特別有利的。另一優(yōu)選的層厚度范圍為〇. 5μηι到1 Ομπι。
[0014]這同樣地適用于sp3(雜化碳原子）的量，由此可被轉(zhuǎn)換成sp2雜化碳原子的sp3雜 化碳原子的量為至少40at%。
[0015] 在測(cè)試過(guò)程中，還可進(jìn)一步確定，RA q值與磨損以及摩擦系數(shù)之間的一致相關(guān)性 特別地是在彈性模量值在180GPa到260Gpa之間以及硬度值在1600HV0.02到2800HV0.02之 間的情況下得到的。這兩個(gè)參數(shù)是根據(jù)〇liver&Pha rr(0&P)方法測(cè)得的。
[0016] 對(duì)于sp3/sp2的比值而言，0 · 3到1 · 2是優(yōu)選的。
[0017] 為了確保碳基涂層牢固地粘附在基層上，位于碳基涂層和基層之間的、包含鉻和/ 或鈦的含金屬的粘結(jié)層是優(yōu)選的。
[0018] 已證實(shí)，0.05μπι到1. Ομπι的范圍對(duì)于粘結(jié)層的厚度來(lái)說(shuō)是有利的。
[0019] 尤其是對(duì)于涂層中在整個(gè)層厚度上大于99%的碳的量而言，所描述的對(duì)于磨損和 摩擦系數(shù)來(lái)說(shuō)都有利的效果是確定的。
[0020] 最后，活塞環(huán)優(yōu)選地由鑄鐵或鋼制成。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 形式為位于振動(dòng)-摩擦-磨損測(cè)量系統(tǒng)中的真實(shí)的磨光的灰口鑄鐵氣缸路徑部分 上的真實(shí)的活塞環(huán)部分的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在限定的壓力和溫度條件下的混合的摩擦 條件下進(jìn)行了測(cè)試。下面的表格提供了用Rdq指定的相應(yīng)的μπι值以及相應(yīng)的活塞環(huán)磨損和 摩擦系數(shù)。如從整個(gè)評(píng)價(jià)中可變得非常明顯的那樣，活塞環(huán)磨損以及摩擦系數(shù)都僅在R A q 值處于〇 . 〇5μπι到Ο . 1 Ιμπι的范圍內(nèi)時(shí)為好的（"好"）。彈性模量和硬度在上面提到的范圍內(nèi)， 對(duì)于該范圍，可得到R △ q值和活塞環(huán)磨損以及摩擦系數(shù)之間特別一致的相關(guān)性。
[0022]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 滑動(dòng)元件、尤其是活塞環(huán)，具有至少一個(gè)工作表面，所述工作表面設(shè)置有碳基涂層， 并且至少局部地具有根據(jù)DIN EN ISO 4287為0.05μL?、優(yōu)選地為0.08μπι到Ο.ΙΙμL?、優(yōu)選地為0. Ιμπι之間的粗糙度RAq。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，0.05μπι到Ο.?μπι之間的粗糙度RAq至少 形成于所述滑動(dòng)元件的凸?fàn)畹膮^(qū)域內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，0.05μπι到Ο.?μπι之間的粗糙度RAq 在縱向方向上形成于所述工作表面的10%到90%、優(yōu)選地25%到75%上。4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述碳基涂層為TaC類 型的。5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述涂層的層厚度在 0 · 5μηι、優(yōu)選地1 Ομπι到30μηι之間。6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述碳基涂層具有至 少40at%的量的sp3雜化碳原子。7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述碳基涂層具有 180GPa到260GPa之間的彈性模量和/或1600 HV0.02到2800 HV0.02之間的硬度。8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述碳基涂層包括氧 和/或氫，氧和氫的量均少于〇.5at%。9. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述碳基涂層的sp3/ sp2的比值為0.3到1.2。10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，包含鉻和/或鈦的含 金屬的粘結(jié)層設(shè)置在碳基涂層和基層之間。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述粘結(jié)層的厚度在〇. 〇5μπι到1.0μ m之間。12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述碳基涂層中的碳 的比例在整個(gè)層厚度上大于99 %。13. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述滑動(dòng)元件為由鑄 鐵或鋼制成的活塞環(huán)。
【文檔編號(hào)】F16J9/26GK105992837SQ201480073222
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2014年12月8日
【發(fā)明人】馬卡斯·肯尼迪, 邁克爾·津納鮑爾德, 彼得·艾塞爾
【申請(qǐng)人】菲特爾莫古布爾沙伊德有限公司