在润滑状态下覆盖了薄层的滑动接触部件

摘要

薄层沉积在具有其参数与平均周期被测定的粗糙度轮廓的表面上，以便改进摩擦性能，因此如由法国标准ISO 4288所规定的，以μm表示的轮廓平均周期(PSM)的平方与以μm表示的粗糙度轮廓(Pa)之间的比A大于或等于5×105μm，即：A＝PSM2/Pa≥5×105μm。

说明书

本发明涉及在润滑介质中摩擦学的技术领域。

更具体地，本发明涉及用于减少磨损和将切向力传递降至最低的涂 层和表面处理。

曾提出许多技术方案以改进机械部件的摩擦性能。基本上分为传统 的表面硬化处理和通过不同方法得到的硬薄层的沉积物，所述方法如 PVD方法(物理气相沉积)或PACVD方法(等离子体增强化学气相沉积)。

在这些硬薄层沉积物中，可以列举过渡金属氮化物(TiN、CrN、TiAIN 等)的沉积物，无定形碳涂层(DLC)等。由于技术的原因，但也有机械的 原因，显示出这些表面涂层沉积物一般不超过5μm。超过这个厚度，可 能出现该层脆化和鳞片状脱落的危险。获得该薄层的完美粘附和随时间 推移的强度也很重要。因此，本技术领域的技术人员要求具有约0.04μm 粗糙度(Ra)的非常少的不平的表面状态。

因此，由现有技术可知，表面处理和真空沉积物的摩擦性能只是保 证具有低粗糙度的表面。

例如可以提到专利US 6886521的教导，它根据DLC沉积物硬度 及其本身厚度提出了表面粗糙度参数(Rz)的最大值。本技术领域的技术 人员一般要求尽可能低的粗糙度，即例如Ra≤0.04μm。

因此，由现有技术分析得出，高的表面粗糙度不适合接受硬沉积物， 这是因为由此会造成表面不规则效果，导致局部过压，可能引起对涂层 的机械强度不利的过度塑性变形。另外，在润滑状态下，当粗糙度的幅 度太大时，油膜被局部中断，处于相对运动的那些表面不再完美地分离， 这导致摩擦系数升高与所述表面过早磨损。

在摩擦学技术领域中的一些科学出版物也提及粗糙度对润滑的影 响。例如可以列举：“Occurrence of microelastohydrodynamic lubrication in simple sliding motion with transverse roughness″，J.Wang，M.Kaneta， F.Guo，P.Yang，《工程摩擦学杂志)》(Journal of Engineering Tribology)， 第220卷，第J13期(2006年5月)，第273-285页。

由这些出版物得出，需要考虑表面粗糙度的幅度，并且得出结论， 为了降低摩擦系数，必须寻求尽可能最低的粗糙度。

还要指出，如由科学出版物：“Influence of harmonic surface roughness on the fatigue life of elastohydrodynamic lubricated contact”，A. D.Chapkov、F.Colin、A.A.Lubrecht，《工程摩擦学杂志》(Journal of Engineering Tribology)，第220卷，第J13期(2006年5月)，第287-294 页，得出被处理为正弦轮廓(profils 的粗糙表面接触的数值分 析揭示了与接触表面不规则性相关的超压作用，并指出这些超压可以通 过提高轮廓周期(période de profil)而加以限制。不过，对具有长波长的 轮廓的这种接触压力的这种降低可用该基体弹性变形进行解释。在采用 PVD或PACVD方法得到硬沉积物的情况下，考虑到它们的高弹性模量 及其高硬度，它们对基体变形适应较差，因此它们会很快损坏。

因此，由现有技术清楚地得出，在摩擦学领域中，例如在无定形碳 的情况下，应该在具有非常高的精加工水平的表面上，其粗糙度(Ra)不 超过几个百分之一微米，一般小于0.04μm，沉积这些薄层沉积物。

令人惊奇并出乎意料地，并与本技术领域的技术人员一般认识相 反，显示出具有一定粗糙度的表面状态，其具有足够大的周期，能够采 用PVD或PACVD方法得到薄沉积物，并且当这些部件在润滑状态下工 作时也如此。

因此由其得出，根据基于本发明的特征，将薄层沉积在具有粗糙度 轮廓(其参数和平均周期被确定)的表面上以便改进所述摩擦性能。通过 选择适当的机械加工(车削、铣)参数(拉刀旋转速度、走刀速度等)获得这 些特定的粗糙度轮廓。

更具体地，根据基于本发明的特征，如由法国标准ISO 4288所规定 的，以μm表示的该轮廓平均周期(P_SM)的平方与以μm表示的粗糙度轮 廓(Pa)之间的比A大于或等于5×10⁵μm，即：

$A=\frac{{P_{\mathrm{SM}}}^2}{\mathrm{Pa}}\ge 5\times {10}^5\mathrm{\mu m}$

由于参数(P_SM)的高分散性，这个公式将应用于在由平行于滑动方向 且在摩擦区域测量的8次测量结果所计算的平均参数。

一些摩擦试验也尤其给出了(A)大于10⁶μm，甚至更好地(A)大于 10⁷μm的值得注意的结果。

因此，有可能仅利用波度周期而容许具有通常不被容许的轮廓高度 的严重降质(dégradés)的表面状态。

上式用于粗糙度(Pa)为0.4μm的轮廓表明，当这个轮廓的平均周期 (P_SM)大于450μm时得到良好的结果。当这个轮廓的平均周期(P_SM)大于 2mm时得到更好的结果。

考虑到基于本发明的特征，与现有技术的教导相反，在需要得到具 有高精加工水平的表面状态的情况下，因此有可能以较低成本得到具有 等效，甚至极好的摩擦性能的部件。

于是，当由于经济或技术的原因不可能采用研磨、磨削等方法得到 出色的表面状态时，根据本发明，对该表面简单地进行粗削，以便限制 尖锐边缘和粗糙度峰的存在，同时只保持与上游机械加工方法相关的表 面波度就足够了。后者加工方法甚至可被优化(旋转速度，进刀等)，以 便使前面定义的参数(A)最大。这些波度可以得到适用于润滑的正弦轮 廓，为了降低生产成本，其显示对于装配线的市场应用非常有意义的。

应该指出，获得这些粗糙度特征(les motifs de rugosité)的大周期的方 法是多种的，这些方法通常易于使用常规机械加工方法(车削、铣等)来 实施。

参看下表，该表列出本发明的不同处理示例。这些部件或样品是采 用不同机械加工方法得到的平面试样，以便观察对表面准备与在润滑状 态下的试验过程中摩擦系数的影响。这些表面采用PACVD方法覆盖了 DLC沉积物。这些样品在加热到100℃的5W30油浴中相对于以不变速 度旋转的未处理的100C6钢环在润滑状态下进行了试验。在试验过程中 测量了面对该样品的环的摩擦系数。准备了四个样品(A)、(B)、(C)、(D) 以便比较它们的摩擦系数。

  试样  R_a(μm)  R_z(μm)  P_a(μm)   P_SM(μm)   A＝P_SM²/   P_a(μm)   摩擦系   数  降质面  积(mm²)   A   0.014   0.12   0.18   240   3×10⁵  0.089   2.9   B   0.042   0.25   0.23   1300   7×10⁶  0.087   1.0   C   0.036   0.20   0.23   2400   2.5×10⁷  0.065   0.6   D   0.12   0.79   0.34   578   10⁶  0.088   2.1

这些结果证明了前面定义的比A比粗糙度参数(Ra)和(Rz)更影响摩 擦系数。例如观察到，样品(A)尽管粗糙度非常低，但没有进入本发明的 范围内，具有在这个表中最大的摩擦系数。相反，样品(C)尽管其(Ra) 比试样(A)的(Ra)高得多，但具有非常高的比A，显示出低摩擦性能。

这些优点可清楚地由本说明书中得出。

本发明在汽车领域中，特别在发动机的摩擦部件的情况下有许多有 利的应用。