具有涂层的滑动元件,特别是活塞环的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及滑动元件，特别是活塞环，所述滑动元件具有至少一个具有涂层的滑 动表面，所述涂层由内向外地包括含金属的粘结层，以及由覆盖层和主体层构成的DLC层。
【背景技术】
[0002] 对于内燃机降低燃料消耗的日趋严格的法律规定和日益增强的客户期望，需要持 续地减少在机械摩擦方面的损失。然而，由于性能优化的引入，例如直接喷入和涡轮增压， 对它们来说需要尤其耐磨的部件，显著增加的部件要求也随之而来。
[0003] 为了保护高应力活塞环的使用寿命，如DE 4419713中所描述的那样，硬金属涂层 被越来越多地使用。金属氮化物、例如CrN和TiN主要通过物理气相沉积而构造为单层或 是多层。
[0004] 为了减少活塞环/筒形缸面系统中的摩擦力，使用了无定形DLC (类金刚石碳）涂 层（VDI标准2840)。然而，它们具有的使用寿命仍旧太短。并且，由于会减小附着力、进而 减小使用寿命的内部应力的形成，如DE 102005063123 B中所描述的那样，待涂覆的层的厚 度被限制到大致5 μ m。
[0005] DE 4040456 Cl和DE 19850218 Cl描述了使用传统的喷溅涂覆工艺或所谓的真 空电弧涂覆工艺来生产无定形的、无氢的、类金刚石碳层系统。碳层的高硬度保证了提高的 耐磨值。因此，硬度大体上取决于成键特征，即碳键sp2与sp3的比值。sp3含量越高，DLC 层的硬度和刚度越高。
[0006] 在DE 102008022039 Al和EP 0724023 Al中描述了所谓的无氢或无氧且无氢、无 定形、类金刚石层的生产。
[0007] 然而，无定形的、无氢的、类金刚石碳层的高硬度和高弹性模量也伴随有一些技术 问题。一方面，为了阻止在高表面压下的表面破裂及由此带来的层系统故障的发生，这些非 常硬的层的表面必须非常光滑。另外，由于活塞环的基体材料及其涂层的热膨胀系数不同， 会发生所谓的双金属效应。由于这两种材料的弹性模量不同，这种双金属效应会被进一步 加强。结果，当温度升高时，在活塞环的接头区会产生增大的压力，其会造成增大的磨损。此 外，与之配合的元件（筒形缸面）会被刻痕和高的衬套磨损而毁坏。
【发明内容】
[0008] 形成本发明基础的目标是提出一种滑动元件，特别是一种用于内燃机的活塞环， 其具有优化的力学及摩擦学性能。该目标更精确地是提供这样一种滑动元件，由于高的几 何鲁棒性，它的表面确保了尽量低的摩擦和/或尽量低的磨损和/或高的耐磨强度和/或 优化的密封和刮油能力，并因此允许活塞环具有长的使用寿命。与现有的硬质材料系统相 比，由此可以寻求增加的硬度和/或具有足够的抗剪强度的高耐磨性和/或低摩擦和/或 惯性。进一步地，可以最大程度地避免双金属效应。
[0009] 根据本发明，该目标通过权利要求1的滑动元件来实现。有益的实施方式和本发 明的进一步发展通过从属权利要求中的特征来实现。
[0010] 所述滑动元件、特别是活塞环具有至少一个滑动表面，涂层涂覆在其上，所述涂层 由内向外地包括含金属的粘结层以及DLC层，所述DLC层为无定形的、无氢的、类金刚石的 碳层，所述碳层包括DLC主体层和DLC覆盖层，其中该DLC主体层从所述粘结层延伸到邻接 的DLC覆盖层，具有超过约98. 5at %的碳含量，比例分别少于约0. 5at %的氧和/或氢和/ 或氮，以及在约1和约3之间的sp2/sp3碳比值，而DLC覆盖层从所述DLC主体层延伸到滑 动元件的表面，并且相比于所述主体层具有较低的碳含量和/或较高的氧含量和/或较高 的氢含量，还具有金属和/或金属氧化物，以及在约1和约3之间的sp2/sp3碳比值。
[0011] 由于DLC层的高硬度和良好的惯性性能，所述的滑动元件被证明在摩擦和磨损的 减少方面是有益的。由于尤其通过减少弹性模量减少了双金属效应，本发明的sp2/sp3比 值对于减小环周向上的平均环磨损和活塞环接头区的磨损是特别地有益的。由此得到的增 强的几何鲁棒性进一步地有助于获得优化的密封和刮油能力。
[0012] 进一步地，本发明的sp2/sp3比值的范围是特别有益的，因为它允许设置一种DLC 层的硬度和弹性的最优性质组合。为了优化摩擦学特性，金属有益地主要是以金属氧化物 的形式存在于DLC覆盖层中，并且由此充当固体润滑剂。总之，因此得到了具有高耐磨性和 延长的使用寿命的滑动元件。
[0013] DLC层有益地具有优选地为大致1. 05到大致2的sp2/sp3碳比值。该优选的范围 允许DLC层很好地适应滑动元件的基体材料。尤其是可以有利地减小弹性模量，因此可以 改善DLC层的弹性，并且例如减小双金属效应。
[0014] 在进一步优选的实施方式中，DLC层包含铁和氧化铁，其中这些氧化铁可以为FeO 和Fe3O4，如通过X射线衍射所证实的那样。DLC覆盖层进而有益地包括大致30at %或更少的 铁含量。从文献中可知，氧化铁作为固体润滑剂可引起摩擦的减少。此外，它们是比无氢的 DLC涂层显著更软的材料，结果，磨合行为可以得到大大的改善。这些金属和金属氧化物的 限定的表面部分导致磨损、磨合行为和摩擦的最优化。基于在所谓的BSE (背散射电子）模 式下使用扫描电子显微镜检查法的测量，直接在表面上的金属和金属氧化物的表面部分可 以根据本发明的优选实施例进行确定。该表面部分为大致5-40 %，优选地为大致5-25 %。
[0015] 对于DLC覆盖层所包括的金属和/或金属氧化物而言，它们特别优选地存在于或 者尤其是更具体地是嵌入在DLC覆盖层的粗糙凹部中。对于金属和/或金属氧化物而言， 它们更加优选地仅存在于覆盖层中。
[0016] DLC覆盖层进一步优选地具有大致25at %或更少的碳含量，以及优选地大致 50at%或更少的氧含量。
[0017] 在正常大气压的条件下，覆盖层的表面有益地具有大致20at%到大致30at%的 C-O键，大致8at%到大致15at%、优选地大致10at%到大致15at%的C = 0键，以及大致 6at%到大致10at%的O-C = 0键。特别是在本发明的层中增加的C-O键的比例导致了碳 键饱和度的增加，并且有利地导致了磨损与摩擦的减少。
[0018] DLC覆盖层具有最大为大致2 μ m、优选地为大致1 μ m的厚度，并且DLC主体层具 有大致5 μπκ最大到大致40 μπι的厚度。该优选的厚度以积极的方式确保了涂层的长的 使用寿命和运行时间，以及因此针对磨粒磨损和粘着磨损以及部件故障的持续时间长的保 护。
[0019] 在DLC覆盖层中，铁含量和/或氧含量和/或氢含量有益地在朝向其外部的方向 上增加。这些元素在外部优选地增加的浓度导致了涂层的有益的摩擦学特性，并且导致了 在环周向上的平均环磨损的减少和在活塞环的接头区的磨损的减少。
[0020] DLC层优选地具有大致1800-3500HV0. 02的硬度，和/或进一步优选地大致 150-320GPa的弹性模量。由于增强了耐磨性和几何鲁棒性，并且以此方式减小了双金属效 应，因此相比于传统的硬质金属材料的高硬度与相比于传统的（特别是无氢的）DLC材料的 减小的弹性模量的结合是特别地有益的。
[0021] DLC层有益地进一步具有小于大致2 μ m、优选地小于大致Ιμπι的平均粗糙度深度 Rz，并且具有小于大致0. 15 μπκ优选地小于大致0. 1 μπι的减小的峰高Rpk。这种可以用少 量的技术花费在较软的表面区域中获得的低粗糙度是特别地有益的，因为以这种方式可以 减少由于硬质碳层的不均匀造成的破裂而导致的层系统故障。
[0022] 粘结层优选地具有大致0. 05 μπι到大致I. 0 μπι的厚度，并且进一步优选地包含铬 或钛。滑动元件的基体材料进一步优选地为铸铁或钢。本发明的实施例首先确保了磨损减 小的DLC层和滑动元件的基体材料间优化的和可持续的粘结，并因此大大地有助于其功