[发明专利]耐磨覆层及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于摩擦学领域并致力于以降低摩擦损耗和磨损为目的的 机械部件覆层。本发明原则上可以用在遭受摩擦式磨损的多个不同种 类的机械部件上。然而作为特别优选的例子是用在内燃机的部件上， 尤其是用在气门机构组件例如杯形挺杆上。当然，用在工业用途例如 用在滚动轴承和线性导轨上也是可以考虑的。

背景技术

由于机械负载、运动速度以及耐用度的提高，所以对这类组件的 要求基本上越来越高。在此还要愈益以降低维护密集度为前提。由于 对环境可持续发展性的要求日益提高，所以相应的润滑材料使用越来 越少的添加剂，并且趋势一定程度上是低粘度润滑材料或者甚至是无 润滑材料进行工作。

传统的覆层不再能够满足在液体润滑的区域和在干燥以及过渡区 域中对低摩擦力、低附着的要求，及对低粘附力、高耐磨强度以及同 时抵抗冲击负载的韧性和防止剥落的耐受性的相应要求。

通过以特定方法修饰的覆层可以部分地满足个别要求，例如硬度 或者较小的摩擦阻力，然而通常没有照顾到摩擦学系统的其他特性。

这例如在内燃机中的气门机构中、特别是在凸轮挺杆装置上显得 尤为突出。

这种凸轮挺杆装置例如安装在具有来回行进的活塞的汽车发动机 中，所述凸轮挺杆装置具有进气门和出气门，它们在随着曲轴转动的 相位中或者同步于此地打开和关闭。气门传动机构用于在凸轮轴与发 动机曲轴一起转动时将安置在凸轮轴上的凸轮的运动传递到气门上。 其中凸轮轴的凸轮会与所配属的杯形挺杆的作用面发生摩擦接触。

通常对这种气门传动组件(例如杯形挺杆和泵柱塞杆)越来越高 的要求。必须提高耐磨强度的原因在于摩擦学系统越来越高的负载和 应力，所述摩擦学系统由控制凸轮和控制挺杆组成。之所以这样的原 因是，新型发动机方案(例如汽油直喷系统和柴油直喷系统)具有不 断增加的喷射压力，润滑材料中研磨性颗粒所占比例增加，并且摩擦 副缺少供油也导致混合摩擦所占比例增加，而且为了降低成本和减少 尺寸而越来越多地使用了就摩擦学而言不利的钢质凸轮。对于资源保 护的重要贡献在于气门机构中的摩擦损耗的减小，在同时提高整个气 门机构的寿命的情况下伴随由该磨损减小所带来的燃料节省。为了有 效地减小摩擦损耗，必须要在较宽的转速范围上降低摩擦力矩。

已知将这种用于内燃机气门控制机构的杯形挺杆作为轻金属挺杆 构成，杯形挺杆具有挺杆基体和在气门控制机构的控制凸轮的接触面 上安设的钢板，该钢板具有经硬化的表面。

然而经实践证明，这种方案的缺点在于，这种挺杆在工作状态下 需要承受低温启动时-30℃至内燃机工作期间约130℃的较大温度波 动。在此，问题在于，所采用的材料具有不同的热膨胀。虽然作为添 加物安设到轻金属挺杆中的钢板具有良好的耐磨特性，然而该钢板在 相应的热负荷下还是会脱落。耐热能力从而有所局限。另外一种应用 技术上的缺点在于，较宽边缘形式的构造空间作为被气门控制机构的 控制凸轮接触的功能面或凸轮接触面而不能被利用。

根据现有技术还已知给遭受摩擦式磨损的机器部件的作用面设有 磨损保护层，所述磨损保护层视应用情况的不同优选由电镀敷设的金 属或由热喷射方法包覆的金属和/或可能具有硬质材料成份的金属合金 组成。

然而在此经实践证明具有下述缺点，即，经热喷的金属涂层具有 较弱的强度，由此得知，为了改善强度，金属涂层在例如通过等离子 辐射、激光辐射、电辐射或者通过电弧的方式在敷设之后如此被重熔， 以使得喷射的材料与在此同时在表面区域内熔化的基底材料一起熔融 地混合并成为合金。另外，为了具备良好的摩擦学特性，经热喷射的、 并从而粗糙的覆层得到机械式的再加工。然而在重熔成为合金的情况 下会形成各种组成的不均相区域，在这些不均相区域中不仅基底材料 可以占优势而且涂层材料可以占优势。对于过高的基底材料份额而言， 涂层的磨损随后会过高，而对于较小的基底材料份额而言，在不同的 涂层组合情况下存在形成大量裂纹以致于这种涂层不可使用的危险。 在这种情况下，摩擦负载会引发涂层上所不期望的粘性磨损。

另外还已知借助热化学工序对杯形挺杆的作用面进行碳化和/或 碳氮共渗处理。然而证明其在此存在如下缺点，即，不能达到满意的 摩擦系数并且形成过小的耐磨强度。