用于金属构件的涂层、用于涂布金属构件的方法、用于内燃机的活塞和机动车辆技术

本发明专利技术涉及用于金属构件的耐磨和减摩的涂层。所述涂层包括内层(1)、中间层(2)和覆盖层(3)。将内层(1)设计成施加在金属构件上并且包括至少一个选自如下的层：金属层、金属碳化物层、金属氮化物层、金属碳氮化物层和含金属的烃层。中间层(2)包括至少一个无定形碳层并且覆盖层(3)包括W‑C:H‑层或a‑C:H*‑层。涂层的最大层厚度(d)为至多5μm。所述涂层特别适合作为用于内燃机的活塞涂层。

Coating for metal member, method for coating metal member, piston for internal combustion engine and motor vehicle

The invention relates to a wear resistant and antifriction coating for metal components. The coating includes an inner layer (1), an intermediate layer (2) and a cover layer (3). The inner layer (1) is designed to be applied to the metal member and includes at least one layer selected from the following: a metal layer, a metal carbide layer, a metal nitride layer, a metal nitride layer, and a metal containing hydrocarbon layer. The middle layer (2) comprises at least one amorphous carbon layer and covering layer (3) including W C:H C:H* layer or a layer. The maximum layer thickness (d) of the coating is up to 5 m. The coating is particularly suitable for use as a piston coating for an internal combustion engine.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及用于金属构件的涂层以及用于涂布金属构件的方法，所述涂层特别作为内燃机应用中的活塞的活塞涂层。本专利技术还涉及用于内燃机的活塞和具有根据本专利技术的活塞的机动车辆。为了提高耐久性并且特别是对于在具有高摩擦要求的应用中的使用，用耐磨和减摩的层涂布钢制构件从而减少磨损和减少摩擦。通过DE 10 2010 047279 A1已知用于内燃机的活塞的涂层，所述涂层由耐磨内层和外层组成，所述内层由聚合物基质制成并且具有分散在其中的陶瓷颗粒、芳纶纤维和/或碳纤维，所述外层由聚合物基质制成并且具有分散在其中的固体润滑剂。所述活塞涂层的缺点在于活塞表面上降低的粘着性以及特别是在活塞的运行时间内不足够低的摩擦系数。从所述现有技术出发，因此本专利技术的目的在于提供用于金属构件的涂层以及用于内燃机的活塞，其具有高耐磨性和持久的低摩擦系数。本专利技术的目的还在于提供机动车辆，所述机动车辆的特征在于低燃料消耗以及降低的CO2排放和烃排放。同样地，本专利技术的目的在于提供具有高耐久性和良好摩擦性能的金属构件的涂布方法，所述方法的特征在于简单可行性。对于用于金属构件的涂层，根据本专利技术通过多层结构实现所述目的。在此，所述多层结构包括内层，所述内层充当粘着层与金属构件直接连接并且可以提供涂层和金属材料之间的良好连接。为此，内层包括至少一个选自如下的层：金属层、金属碳化物层、金属氮化物层、金属碳氮化物层和含金属的烃层，也可以包括所述单个层的组合。内层的各个单层中的金属可以包括一种金属，或者也可以以掺杂的形式使用。特别合适的掺杂元素选自硼(B)、氮(N)、硅(Si)、氧(O)、氟(F)、磷(P)、钽(Ta)、钼(Mo)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、铌(Nb)、钨(W)、铜(Cu)和钛(Ti)并且可以根据希望实现的性能进行选择。还可以使用多种掺杂元素的组合。掺杂元素的典型含量在5和50原子％之间，优选在20和50原子％之间，分别以单层的各个金属的总含量计。内层中的掺杂份额优选在待涂布金属构件的方向上成梯度和降低。在这种情况下，内层的所有单层的共同之处在于，其具有这样的金属部分，所述金属部分导致与金属表面形成良好连接并且因此可以实现涂层的良好的粘着强度。在内层上施加中间层，所述中间层包括至少一个无定形碳层并且因此带来涂层中的减摩性能。无定形碳层不受具体限制并且可以根据希望的物理、机械和化学耐性进行选择。合适的无定形碳层例如通过规程VDI 2840已知。施加在中间层上的覆盖层形成与金属构件的环境连接的表面层。根据本专利技术，覆盖层包括W-C:H-层或a-C:H*-层。换言之，W-C:H-层或a-C:H*-层因此形成根据本专利技术的涂层的最外层，所述最外层与待涂布的金属构件的环境直接连接。在本专利技术的意义上，W-C:H-层被理解为含烃钨层。a-C:H*-层是由类金刚石部分(sp3-杂化)和类石墨部分(sp2-杂化)组成的成梯度的无定形碳层，其中类石墨部分的份额高于a-C:H层(DCL-类金刚石碳)中的份额并且特别为20至50原子％，并且类金刚石部分的份额为10至30原子％。硬度在金属构件的方向上(即在内层的方向上)增加，因此sp2份额在内层的方向上降低而sp3份额升高。a-C:H*层中可以掺杂用于降低硬度的氮或氢或其它掺杂元素。掺杂元素的典型含量在5和50原子％之间，优选在20和50原子％之间。覆盖层中的掺杂份额优选在待涂布金属构件的方向上成梯度和降低。由此可以实现特别有利的效果：在覆盖层上摩擦的作用下形成固体润滑粒子，所述固体润滑粒子造成根据本专利技术的涂层的摩擦系数的额外降低。因此对于例如具有来自润滑油的硫的一定应用，从W-C:H-覆盖层产生硫化钨并且从a-C:H*-层产生石墨。因此对于石墨的形成，正如常规a-C:H-层中所存在的高的sp2-杂化份额(即至少更高的sp2-部分份额)是有利的。例如相比于聚合物复合物中存在的颗粒状固体润滑剂，由覆盖层直接形成固体润滑剂所具有的优点在于，固体润滑剂可以在覆盖层发生磨损的位置处选择性地形成，因此涂层的滑动性能长期保持良好并且不会影响剩余层复合物的稳定性。然而只有在层复合物稳定、耐磨和减摩时才能实现根据本专利技术的效果。本专利技术的效果以如下方式实现：涂层的最大层厚度为至多5μm。由于根据本专利技术的涂层的高耐磨性和极好的摩擦性能，所述涂层特别适合作为用于内燃机的活塞的涂层。在内燃机的活塞处出现的极大的摩擦负荷和高温下，涂层稳定并且特征在于持久的低摩擦系数。即使在涂层部分磨损时，活塞在围绕活塞的工作面(圆柱形工作面)中的摩擦也能充分降低，因为通过活塞的运行随时形成来自覆盖层的固体润滑剂，因此活塞/工作面系统可以迅速运转，这在发动机启停自动控制方面(在启动时经受临界转速)是特别有利的。从属权利要求包括本专利技术的有利实施方案和设计方案。将内层的一个有利的层结构设计成Cr-层(铬层)、Cr/WC-层(铬/碳化钨层)和W-C:H-层或CrN-层(氮化铬层)、Cr/WC-层和W-C:H-层或Cr-层、CrN-层和Cr/WC-层，这些层各自以所述顺序重叠设置或施加。Cr-层或CrN-层因此形成内层的最底层。还可以使用WC/W-C:H-层代替W-C:H-层。将Cr-层或CrN-层设计成施加在金属构件上。这些层由于其金属特征因此特别良好地适合与金属材料且特别是与钢或铝合金形成稳定耐磨的连接并且可以以可承受的价格制得。Cr/WC-层充当保护层并且保证内层中的层复合物内的良好稳定性。由于其Cr-份额，Cr/WC-层可以和与其连接的Cr-层或CrN-层形成特别机械稳定和耐磨的复合物。另一方面，钨份额保证与W-C:H-层形成良好连接，这还有助于根据本专利技术的涂层的摩擦最小化。在降低金属构件的涂层的摩擦系数方面还有利的是，中间层包括a-C:H-层。a-C:H-层为具有至少20原子％的sp3-份额的无定形碳层，也被称为DLC(类金刚石碳)层。a-C:H-层可以例如用氢(H)、Si、N、P或氧掺杂。掺杂元素的典型含量在5和50原子％之间，优选在20和50原子％之间。中间层中的掺杂份额优选在待涂布金属构件的方向上成梯度和降低。另一个有利的实施方案在于，中间层包括a-C:H-层和a-C:H*-层，其中a-C:H-层面向内层设置并且a-C:H*-层面向覆盖层设置。由于a-C:H*-层中相比于a-C:H-层更高的sp2部分份额，中间层的硬度在覆盖层的方向上降低。这连同覆盖层造成运转良好的柔软顶层，所述顶层的特征在于极好的摩擦系数。在内层的方向上，a-C:H-层由于其更高的硬度保证层结构的良好稳定性和层复合物中极好的粘着强度。根据一个特别有利的实施方案，用于金属构件的涂层的特征在于，内层由Cr-层、Cr/WC-层和W-C:H-层形成，并且这些层以所述顺序或层顺序施加在金属构件上。Cr-层在此与金属构件直接连接，即施加在金属构件上。根据所述实施方案，中间层为a-C:H-层并且覆盖层为W-C:H-层或a-C:H*-层。替代性地，根据本专利技术的用于金属构件的涂层的特征在于，内层由Cr-层、Cr/WC-层和WC/W-C:H-层以所述顺序形成，其中将Cr-层设计成施加在金属构件上。此外，中间层包括朝着内层取向的a-C:H-层和朝着覆盖层取向的a-C:本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于金属构件的涂层，特别是用于内燃机的活塞涂层，所述涂层包括施加在金属构件上的内层(1)、中间层(2)和覆盖层(3)，其中内层(1)包括至少一个选自如下的层：金属层、金属碳化物层、金属氮化物层、金属碳氮化物层和含金属的烃层；中间层(2)包括至少一个无定形碳层并且覆盖层(3)包括W‑C:H‑层或a‑C:H*‑层，其中涂层的最大层厚度(d)为至多5μm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.27 DE 102014217040.01.用于金属构件的涂层，特别是用于内燃机的活塞涂层，所述涂层包括施加在金属构件上的内层(1)、中间层(2)和覆盖层(3)，其中内层(1)包括至少一个选自如下的层：金属层、金属碳化物层、金属氮化物层、金属碳氮化物层和含金属的烃层；中间层(2)包括至少一个无定形碳层并且覆盖层(3)包括W-C:H-层或a-C:H*-层，其中涂层的最大层厚度(d)为至多5μm。2.根据权利要求1所述的用于金属构件的涂层，其特征在于，内层(1)具有Cr-层(1a)、Cr/WC-层(1b)和W-C:H-层(1c)并且将Cr-层(1a)设计成施加在金属构件上，或者内层(1)具有CrN-层(1d)、Cr/WC-层(1b)和W-C:H-层(1c)并且将CrN-层(1d)设计成施加在金属构件上，或者内层(1)具有Cr-层(1a)、CrN-层(1d)和Cr/WC-层(1b)并且将Cr-层(1a)设计成施加在金属构件上。3.根据权利要求1或2所述的用于金属构件的涂层，其特征在于，中间层(2)包括a-C:H-层(2a)。4.根据前述权利要求任一项所述的用于金属构件的涂层，其特征在于，中间层(2)包括a-C:H-层(2a)和a-C:H*-层(2b)，其中a-C:H-层(2a)朝着内层(1)取向并且a-C:H*-层(2b)朝着覆盖层(3)取向。5.根据前述权利要求任一项所述的用于金属构件的涂层，其特征在于，内层(1)通过Cr-层(1a)或CrN-层(1d)、Cr/WC-层(1b)和W-C:H-层(1c)以该顺序形成，其中将Cr-...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·普罗科皮奥，N·斯托瑟德，S·翁加尔，
申请(专利权)人：宝马股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE