[发明专利]带有DLC涂层的滑动件

说明书

技术领域

本发明涉及滑动件，特别是在基材上带有DLC涂层的活塞环。 

背景技术

基本上，用于高压发动机的活塞环必须具有尽可能抗磨损的工作表面涂层，这就是经常使用基于硬质材料的PVD涂层和DLC涂层的原因。尽管PVD涂层相对抗磨损，但是其不能提供必要的低摩擦系数，而该低摩擦系数将导致在发动机中目前所需的最低摩擦损失，以及因此导致目前所需的最小燃料消耗。为此，通常优选使用DLC涂层。 

DLC涂层是“类金刚石碳”的缩写，意指无定形的类金刚石碳，其特征是特殊的性能，例如良好的抗磨蚀和粘着磨损性、防止表面层裂性、化学稳定性以及良好的导热性和机械性能（硬度和弹性模量）。特别是对于DLC层系统，通过大比率的sp³-杂化的碳原子获得了高硬度，所述碳原子的摩尔分数大于60%。这种物质也称为四面体接合的无定形碳(ta-C)。然而，此外也使用具有较低比率的sp³-杂化的碳原子且硬度低于ta-C层系统的DLC涂层，例如含氢和/或含金属的DLC系统。 

用于活塞环的具有高硬度的已知DLC涂层的缺点在于其弹性和塑性，并且因此与相对软的层相比其吸收剪切力的能力非常低。这意味着特别是在发动机的所谓磨合期内，滑动件或运转配合件的表面上的甚至非常小的不平整可导致涂层表面的层裂，并因此导致DLC涂层的破裂，甚至在低表面压力下也是如此。 

另一方面，软的DLC层具有过低的抗磨损性的缺点，使得在相对短的服务寿命后，DLC层容易磨损，并且不能再保持由此产生的低摩擦系数。 

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种在基材上带有DLC涂层的滑动件，其具有低摩擦系数和高抗磨损性，并且因此也可容许运转配合件表面上的小的不平整而不会由此被显著地破坏。 

通过权利要求1的主题和根据权利要求6的方法实现了这种目的。在从属权利要求中公开了本发明的其他有利的实施方案。 

根据本发明，在基材上带有DLC涂层的滑动件、特别是活塞环的特征在于，在与滑动配合件形成滑动接触的DLC涂层的表面内埋入了比DLC更软的材料。这里，滑动配合件是指滑动件将承靠在其上而滑动的零件，例如在活塞环的情况中，其为配属于相关活塞的气缸壁。 

由于在DLC涂层的表面内埋入了较软的材料，因此尤其是可以没有损伤地完成可形成所谓的第三体的活塞环的重要的磨合过程。所谓的第三体理解为在活塞环承靠汽缸壁的磨合期间所形成的在DLC涂层内的层。特别是，可从WO 2010/009862A1中获得该第三体的性能。也可在除活塞环以外的滑动件中获得形成第三体的作用。 

在一个优选的实施方案中，较软的材料包括比DLC涂层更软的金属或金属氧化物，特别是铁或铁铬化合物或其氧化物。该实施方案是优选的，特别是如果气缸的工作表面即滑动件的滑动配合件具有相应的金属或金属氧化物的涂层。在基于铁的内燃机部分中，热涂覆的缸膛越来越多地用作活塞环的滑动配合件，其包括铁碳合金或铁铬合金等。也可通过具有适当调整的参数的热喷涂工艺来将金属氧化物结合到涂层中，以改进磨损行为。从这种优选实施方案的意义上来说，滑动件的形成意味着能够预期到在磨合过程期间发生的在滑动件的DLC涂层和滑动配合件之间的材料传递，并且因此可实施磨合过程而没有任何损坏或危险。 

有利地是，DLC涂层包括四面体接合的无定形碳(ta-C)，这是由于其特征为特别高的硬度和抗磨损性。 

在一个更优选的实施方案中，DLC涂层的表面包括以其面积计算 在50到60%、优选为20到40%的量的较软的材料。这种较软的材料、特别是金属或金属氧化物的面积含量产生了最佳可能的磨损值和摩擦值。在发动机外和发动机内进行的研究中发现，过高含量的较软材料会增加微焊接和由此带来的刮伤的风险，以及DLC涂层破裂的危险，这是由于较软材料的过快磨损，导致磨损增加以及甚至层的层裂。另一方面，DLC涂层的表面中过低含量的较软材料意味着提高DLC涂层的弹性和塑性的所需效果以及因此提高吸收剪切力的能力不足，这是由于不能再保证最适宜的确保涂层服务寿命的磨合。已经证明，上文提及的面积比率在这两个方面是特别有利的。 

埋有较软材料的DLC涂层的区域优选地在DLC涂层中从表面向下延伸1μm的深度，优选为向下延伸0.5μm的深度。较软的材料在DLC涂层中的埋入深度导致DLC涂覆的活塞环的最佳磨合行为，这是由于可以最大程度地保持DLC涂层的低磨损速率以及低摩擦系数。