[发明专利]特别是活塞环的滑动元件及滑动元件与匹配运行元件组合

说明书

技术领域

本发明涉及包括涂层的滑动元件，特别是活塞环，以及滑动元件与匹配运行元件的组合。

许多技术应用需要与匹配的运行元件滑动接触的滑动元件。活塞环与气缸套的组合可认为是经典的应用。如果气缸或气缸套例如由铝-硅合金制成，这对于点燃式发动机尤其如此，则就磨损和摩擦损失而言DLC(类金刚石碳)涂层系统已证明其价值。然而，已知的DLC层系统在与通常具有铁基气缸套的柴油发动机或高增压点燃式发动机一起使用时的使用寿命和适应性方面需要改进。由于明显更高的气缸压力，且特别是与直接喷射组合，所以存在更大比例的混合摩擦情况。关于DLC涂层系统对于这类情形的不足适应性的决定性因素被认为是层厚低，该层厚通常小于5μm。

背景技术

DE 10 2005 063 123 B3公开了具有插入层的DLC涂层。就更高的层厚而言，PVD涂层也是已知的，尤其是基于CrN的具有10-30μm层厚的PVD涂层。尽管这些确实得到了得以提高的使用寿命，但是在摩擦损失和耐磨性上存在退化，尤其是在润滑和耐磨损性不足的情况。在另一方面，由于DLC层系统的无定形结构，所以DLC层系统具有如下优势：它们对于匹配运行元件来说与金属表面基本上无化学反应，因而具有极低的粘着倾向。

DE 296 05 666U1涉及在内燃机的、涂覆有无金属的无定形碳层的区域中的组件，该层具有随层厚而渐变的硬度。

DE 10 2008 016 864B3公开了活塞环，该活塞环包含从内侧到外侧分布的粘着层、含金属的无定形碳层和无金属的无定形碳层。

WO 2009/106201A1涉及内燃机的组件，关于该组件，在基底上存在DLC偶联剂层、DLC功能层和DLC插入层。

最后，WO 2006/125683A1公开了活塞环，该活塞环包含从内侧到外侧分布的具有来自IVB组、VB组或VIB组的元素的层、具有类金刚石纳米复合材料组分的中间层和DLC层。

发明内容

本发明基于如下目标：提供滑动元件、特别是活塞环，特别是当用于具有例如铁基的匹配运行元件的柴油发动机或高增压点燃式发动机时，该滑动元件满足关于使用寿命和摩擦损失方面的需要。本发明还公开滑动元件与匹配运行元件的适当组合。

该目标通过权利要求1中描述的滑动元件来实现。

另一方面，该滑动元件的特征在于CrN层和外侧的DLC层的组合。DLC层是无金属的，或者包括含金属的底层结构和无金属的DLC顶层。换句话说，该DLC层是至少部分无金属的，且特别是在外表面上包含无金属DLC层。而且，广泛的测试已经显示：如果将Me(C_xN_y)层设置作为CrN层和DLC层之间的中间层，那么所描述的涂层显示出特别好的特性。对这一层结构的测试已显示出：与包含Cr粘合层和DLC顶层的已知结构相比，滑动元件、特别是活塞环的磨损特性得到改善。这可显著提高使用寿命。测试还显示出：显著降低相对摩擦系数也是可能的。因此，总的说来，所描述的层结构可提供改进的滑动元件。强调的是，CrN层优选在没有粘合层的情况下施加至基础活塞材料，例如通过金属气相沉积或溅射来施加。然而，在特定的应用中，CrN层可通过粘合层而施加至滑动元件的基础材料。

为了清楚起见，应当注意的是，Me代表金属并且这可以是例如钨、铬、钛或硅。此外，碳和氮能够以实际上任何比例存在于所描述的层中，也就是说x和y都可以在0-99原子％的范围内。此外，特别是至少在局部，涂层可提供于特别是至少一个运行表面上。此外，涂层可延伸至表面的过渡和邻近运行表面的表面。这涉及例如活塞环的运行边缘。

在其它权利要求中描述了优选的其它演变。

已发现值1100-1900HV 0.002适于CrN层或底层结构的硬度。这一实施方案可与无金属的DLC层的硬度1700-2900HV 0.002和/或含金属的DLC层的硬度800-1600HV 0.002组合。

还可预期，如果DLC层、特别是含金属的和/或无金属的DLC层包含氢时将获得该DLC层的特别好的性能。

含金属的DLC层还能够以有利的方式包含纳米晶的金属碳化物沉淀，例如，诸如WC、CrC、SiC、GeC或TiC。

对于具有1-30μm厚度的CrN层、具有最大值2μm厚度的Me(C_xN_y)层以及5-40μm的总的层厚，还确定了有利的性能。

就粗糙度而言，为了进一步改善性能，对于形成表面的顶层来说优选的是具有Rz＜5μm和/或Rpk＜0.8μm的粗糙度参数。