具有摩擦优化的工作面表面的热覆层构件的制作方法

本申请是2012年12月21日在中国专利局提交的申请号为201280068957.9(pct/ep2012/005344)、名称为“具有摩擦优化的工作面表面的热覆层构件”的专利申请的分案申请。

本发明涉及一种热覆层构件，其具有用于摩擦配对件的工作面的摩擦优化的表面。

背景技术：

由现有技术已知的是，对表面特征进行优化，例如对与一摩擦配对件相互作用的构件的摩擦进行优化。这种类型的构件例如为气缸活塞副，它们的相互作用对内燃机的总功率、特别是也由生态和经济的角度看来是极重要的。内燃机的油耗主要由摩擦决定，通过用于形成抑油结构的机械式的表面处理可以减小该摩擦。作为处理方法可以考虑切削方法、如珩磨，特别是激光珩磨和螺线滑移研磨。如此形成作为“袋”的微结构，在该袋中积聚油并形成流体膜，该流体膜使得摩擦配对件几乎浮动并且由此理想地降低摩擦。

此外，这种表面处理的、与摩擦配对件相互作用的构件的表面经常具有材料特定的结构和处理特定的结构，该材料特定的结构例如在表面覆层的制造中生成并且可能是绝对不期望的；该处理特定的结构根据有利的方式有利于表面处理。由此可以证实，表面优化的构件并不具备期望的摩擦特征。

由文献de102010049840a1、de102009010790a1以及de19628786a1已知这样的热覆层的构件。

技术实现要素：

基于现有技术，本发明的任务在于，创造一种改进的热覆层构件，其具有用于摩擦配对件的摩擦优化的工作面表面，该构件具有可复现的并且尽可能可预定的含油量，以实现摩擦配对件的期望的运行特征。

该任务通过具有权利要求1的特征的热覆层构件解决，该热覆层构件具有用于摩擦配对件的工作面的摩擦优化的表面。

该构件的改进方案在从属权利要求中进行阐述。

此外产生的任务在于，创造一种用于热覆层构件的构件覆层表面模拟的方法，所述热覆层构件具有用于摩擦配对件的工作面的摩擦优化的表面。

这样的方法通过具有权利要求6的特征的方法提供。

按照本发明的热覆层构件具有用于摩擦配对件的工作面的摩擦优化的表面，其中，所述摩擦优化的表面具有10～800μm³/mm²的含油量v油。

含油量v油在工作面长度和/或圆周上必然是不恒定的。含油量v油包括摩擦优化的处理结构的含油量v油，处理和孔含油量v油,孔。

在优选的设计方案中，工作面的摩擦优化的表面具有50～200μm³/mm²的含油量v油。

有利地，所述含油量是能通过构件覆层表面模拟预先规定的理论含油量。

所述摩擦优化的表面的表面处理优选可以是机械处理、特别是切削处理。在此考虑珩磨处理方法，其是本领域技术人员所已知的并且可以高精度实施。按照本发明优选地，在表面上具有热喷镀层、特别是通过电弧喷镀方法或者通过ptwa喷镀方法(等离子体转移弧法)获得的覆层。

按照本发明的构件可以是气缸体曲轴箱或活塞、或者连杆或衬套如气缸套，在此仅指出了一些构件；所述构件原则上可以具有任意形状，该形状应在一个或这一个摩擦配对件中在油润滑下低摩擦地运行。

有利地，按照本发明可以借助于构件覆层表面模拟来预先规定理论含油量v油，其应该为10～800μm³/mm²、特别优选地应该为50～200μm³/mm²。

这样的模拟用于功能相关的、简单的、详细的以及与摩擦配对件相关的表面评估。

因此，在该模拟方法的第一实施形式中，进行用于构件覆层表面的表面结构的特征量确定，该表面结构与摩擦配对件有效连接。所述特征量对构件覆层表面与摩擦配对件之间的功能性/函数关系作出模拟。因此该方法允许在考虑特征量的情况下借助于软件技术简单地模拟出构件覆层表面的功能特性的模型。由此通过按照本发明的方法产生的可能性在于，根据待评估的表面的摩擦配对件来实现与功能有关的容差并且如此优化接触副之间的配合间隙。

该方法包括以下步骤：首先利用一轮廓深度确定方法来获取构件的表面的至少一个预先规定的部段的表面结构的整体。将该整体作为整体轮廓表示出，其中，所述整体轮廓作为沿截面线获得的、与预先规定的测量基线相差的轮廓深度值的数据组被记录，所述轮廓深度值分别与一沿测量基线的长度的位置相对应。然后，将数学-形态学计算程序应用到整体轮廓的数据组上，在此模拟出一具有规定半径的圆在整体轮廓上的滚动并获得在整体轮廓上的滚动线，所述滚动线模拟出摩擦配对件在构件覆层表面上的轮廓运行。这时，计算出或积分得到由滚动线和整体轮廓规制的总面积，并确定出总面积作为第一特征量。

在该方法的一种改进方案中，利用第一特征量来确定出第二特征量，该方法包括将总面积投影到与构件覆层表面相关的第三维度中，并计算出整体体积作为第二特征量。

在又一改进方案中，所述总面积的计算包括：对于每个轮廓深度值确定出与滚轴线的差，并且确定出在每个轮廓深度值与滚动线的相应部段之间的单面积作为轮廓深度值沿着截面线的位置的函数。随后沿着所述截面线叠加所述单面积。

此外可以与路段/路程相关地使第一特征量标准化，与面积相关地使第二特征量标准化。这有利地用于在不同长度的轮廓截面的情况下用于比较等等的基础创建。

由此，功能模拟的第一特征量可以是对于用于润滑相关的油量的度量，由此投影的第二特征量给出构件覆层表面的理论含油量。用于确定滚动线的圆的规定半径可以为大约100毫米，该滚动线例如相当于活塞环的理论上的运行轮廓。

可以确定另外的特征量，如盖油量(特别是孔部分)、平均孔宽度、来自孔轮廓的平均孔横截面积。

通常，构件覆层表面与摩擦配对件形成一静态的密封系统，特别是在曲轴箱与气缸盖的分离面处沿气缸盖密封件的密封凹槽/肋，其中在此功能模拟的第一特征量给出理论上的密封间隙。用于确定滚动线——该滚动线相当于密封凹槽的理论上的轮廓运行——的圆的规定半径便可以被选择以匹配于不同的密封构造和密封要求；该规定半径可以例如在1毫米至100毫米的范围内。

此外可以确定另外的特征量，特别是最大的单个间隙面积。

通过该方法的应用可以在技术生产文档中给出用于功能模拟的特征量的容差并且可以针对违反该容差的情况提供方法指示。作为用于确定轮廓深度的方法特别是考虑光学轮廓测量方法或者仿形方法、特别是根据iso3274的仿形方法。

此外该模拟方法可以包括：确定出由处理特定的和由材料特定的不同的表面结构的特征量。在此将构件覆层表面的整体轮廓分为由材料特定的孔轮廓和处理轮廓。由现有技术已知的检查和表面评估方法整体上评估构件的表面，如按照本发明的构件的热喷镀层，例如气缸活塞的工作面，并且由此不能将特征描述与成因——例如加工或覆层——进行配对，而加工或覆层恰恰是按照本发明的构件表面所具有的。它们已经经过多个制造和/或处理步骤，以便获得其最终的表面特性。因此应该以按照本发明的用于区别技术表面结构的区别方法由来源特定地确定表面结构的部分。

利用表面处理方法进行处理的、具有材料固有表面粗糙度的构件表面结构——例如气缸的活塞面的经珩磨的覆层——的区分这样实现：

为了能根据类型确定结构的产生原因，基于先验认识，由此可以使结构部分相互分离。据此可以将相互分离的结构部分提供给不同的评估。

为此，在实施轮廓深度确定方法之后获取具有材料固有的表面粗糙度的构件的覆层表面的部段的表面结构的整体并将其作为整体轮廓示出。所述整体轮廓作为沿截面线获得的、与预先规定的测量基线相差的轮廓深度值的数据组被记录。

随后，利用同一轮廓深度确定方法来获取一经表面处理的技术构件——该构件不具有材料固有的表面粗糙度——的表面的部段的表面结构的整体，并将其作为处理轮廓表示出。所述处理轮廓作为沿截面线获得的、与预先规定的测量基线相差的轮廓深度值的数据组被记录，所述轮廓深度值分别与一沿测量基线的长度的位置相对应。

下面，确定一表征表面处理方法的、所有处理轮廓深度值的概率分布偏度，并将该偏度规定为用于表面处理方法的理论偏度。

再在整体轮廓中规定起始线，所述起始线平行于整体轮廓的测量基线与最深的轮廓深度值相对应地延伸，确定出整体轮廓在起始线处与起始线相切的轮廓深度值的概率分布的第一偏度。然后，在起始线与测量基线之间规定出以步幅相互间隔开的中间线，从起始线起相继地确定整体轮廓的由相应的中间线相切得到的轮廓深度值的概率分布的偏度。

从起始线起相继地将所有偏度与理论偏度相比较。在整体轮廓的确定的中间线的偏度与理论偏度一致时选择出所有的与所述确定的中间线相切的轮廓深度值。随后将所选择出的轮廓深度值作为孔轮廓表示出。通过选择产生的是，通过处理方法产生的“处理轮廓”被保留，并且在此意义上从整体轮廓中分离出。

由此，结构分离几乎通过使用先验知识实现，在一个不具有材料固有的表面粗糙度的构件经受与一个具有表面粗糙度的构件相同的处理方法的情况下实现。例如检查：在一无孔的构件中的珩磨结构具有哪种结构形式，并由此导出珩磨结构在一个具有孔的构件中的分离。由此，该方法实现了表面结构连同成因配对关系的分离和有针对性的评估。

功能模拟的第一特征量作为与润滑相关的油量的度量以及由此投影的第二特征量——其说明材料表面的理论含油量——也可以分别对于整体轮廓、孔轮廓以及处理轮廓确定。

此外，在该方法的另一实施形式中，可以连续地表示出所选择的轮廓深度值的孔轮廓。如果孔轮廓以与整体轮廓的测量路段的比例尺不同的比例尺、优选放大的比例尺描绘出，则特别显著地表示出该孔轮廓。所述孔并由此材料不平度或粗糙度随后相互依赖地被表示出并且同样还有处理轮廓。

在结构分离之后可以从处理轮廓截面和/或孔轮廓截面不仅分析处理已经国际标准化的特征量(例如以μm为单位的rz、ra，iso4287)，而且还分析处理功能模拟的特征量，并且将其应用在前面的模拟方法中。在此特征量的算法应用到处理轮廓截面和/或孔轮廓截面的数字式存在的结构分离的数据组上。

为了获得好的分辨率或者说是材料轮廓和处理轮廓的分离，所述中间线相互间以及与起始线和测量基线的间距在1nm至20nm的范围内、特别优选在5nm至15nm的范围内、最优选为10nm。

附图说明

附图示意地阐明了用于表面的模拟方法和区分方法：

在此示出：

图1：经处理的具有孔的气缸工作面表面的测量轮廓，具有按照本发明产生的滚动线，该滚动线相应于活塞环的理论上的轮廓运行，用于确定理论总含油量作为特征量；

图2：具有按照本发明产生的滚动线的曲轴箱/气缸盖表面的测量轮廓，该滚动线相应于密封凹槽的理论上的轮廓运行，用于确定理论上的密封间隙作为特征量；

图3：根据图1的构件覆层表面的经处理的具有孔的整体轮廓截面，以及由其分离出的处理轮廓截面以及孔轮廓截面用于确定另外的特征量；

图4：图3中的整体轮廓截面。

具体实施方式

模拟方法用于确定用于构件覆层表面的结构的特征量，所述结构与摩擦配对件相互作用，如在两个例子中阐明：一方面用于确定理论含油量以及根据图1来确定构件、即气缸工作面/活塞环的另外的功能模拟的特征量，另一方面用于确定理论上的密封间隙以及根据图2用于静态密封系统(例如在曲轴箱与气缸盖的分界面处沿气缸盖密封件的密封凹槽的密封特性)的其他功能模拟的特征量。

图1阐明了对系统、即气缸工作面/活塞环的功能模拟的特征量的确定。在活塞环的理论工作轮廓lkr与气缸工作面上测量的表面轮廓之间的差是用于“根据活塞环模拟的理论含油量”的特征量的基础。

为此以[μm²/mm³]为单位的v油,整体表示理论含油量，其被确定用于整体轮廓，如在图1中可见。为了能详细判断，如在图3中可见，整体轮廓的表面结构可以分为孔轮廓和处理轮廓。由处理轮廓可以确定基于处理结构以[μm²/mm³]为单位的理论含油量v油，处理(对于珩磨工作面的情况为v油,珩磨)，由孔轮廓确定以材料或覆层特定的表面结构如孔为基础的理论含油量v油,孔。

另外的特征量——其特别是也可以在结构分离后确定——为孔份额[％]、平均孔宽[μm]以及平均孔截面积[μm²]。特征量v油,罩[μm²/mm³]描述的是罩件的理论含油量，该盖例如为气缸罩、气缸盖罩或气门罩。

处理特定的理论含油量v油，处理的特征量计算的基础是材料特定的表面结构与处理特定的表面结构的分离。由处理轮廓(参见图3)计算v油，处理，该处理轮廓沿轴向绘出。在工作面表面上的活塞环运行(ablaufs)的函数被以如下方式模拟：在一计算程序中将数学-形态学方法应用到相应的轮廓、例如整体轮廓(图1)的数字式的数据组上，该方法对具有限定的半径在此为100毫米的圆在轮廓上的滚动进行模拟。在此假设：如此产生的滚动线lkr类似于活塞环在工作面上的运动线。在滚动线lkr与表面轮廓之间的间隙是对于与润滑或油耗相关的油量的度量。该度量例如在由所有单个间隙面的累加的v油,整体中计算为总面积，并且紧接着在第三维中的投影被计算为体积。为了即使在不同长度的轮廓截面中也获得类似的结果，将该计算的体积标准化为1mm²。v油,整体、v油，处理以及v油,孔的单位为μm³/mm²。

如同v油,整体那样确定v油，处理以及v油,孔，但是v油,孔在孔轮廓上，而v油，处理在处理轮廓上，如图3所示，它们由整体轮廓的结构分离获得。

图3示出了将由构件材料决定的结构(孔轮廓截面)和通过处理方法产生的处理轮廓截面从经处理的具有孔的构件覆层表面的整体轮廓截面中分离出来。分离的轮廓截面可以基于对按照本发明确定的特征量的表面分析。表面的轮廓截面通过光学轮廓截面方法或优选通过仿形方法测量。在此，沿着截面线获取偏离测量基线的轮廓深度值。

在机械式的仿形方法中，使触头尖端以恒定速度在经处理的构件覆层表面上移动。由关于平行于工件表面走向的、与测量基线垂直的触头尖端位置移动而产生测量轮廓，该位置移动通常通过感应式的位移测量系统获取。在此沿着测量线获得具有轮廓深度值的数据组。

在图3和4中形象地阐明的表面区分方法使得可能的是，将由材料决定的结构与由处理方法决定的表面结构分离，这可以用作进一步的表面分析的基础。

作为用于分离由材料决定和由处理决定的表面结构的基础，首先得出经处理的构件表面的轮廓截面或测量轮廓，构件表面不具有孔并且由此仅仅示出处理结构。因此可以考虑这样的轮廓截面作为先验认识。所获得的、包括轮廓深度值的数据组被作为对轮廓深度值的概率分布的偏度的计算。该偏度说明了轮廓深度值的统计分布的倾向性的强度。以无孔的构件确定的偏度表征相应的处理方法并且描述表面特征，例如对称或不同强度平面式的结构，而不依赖于结构的高度形式，也就是不依赖于是粗糙地还是精细地处理。表征处理方法的偏度作为用于结构分离的决定性的参数的理论偏度。

在获得在具有孔的材料的经处理的表面上的先验认识之后实施的光学或仿形方法产生由沿着测量线获取的轮廓深度值组成的在图3和4中示出的整体轮廓截面。为了实施分离现在限定起始线sl(参照图4)，该起始线平行于在具有孔的材料表面的测量轮廓的最低位置处的测量基线gl，也就是与最低的轮廓深度值相切。

逐步地从起始线sl起朝向测量基线gl的方向以预定的、优选可调节的、例如10nm的步幅界定一中间线zl，在此对于每个中间线zl(如果必要也对于起始线sl)确定轮廓深度值的概率分布的偏度，这些轮廓深度值与相应的中间线(或起始线sl)相切。在此也将“相切的轮廓深度值”理解为与中间线相交的轮廓深度值。

将为每个中间线zl计算出的偏度与一理论偏度比较。对于中间线zl*的偏度与理论偏度相当的情况，将所有的结构凹部、也就是所有的与中间线zl*相切的轮廓深度值由测量基线gl起数字式地从整体轮廓截面中选出，并连续地在一孔轮廓截面中示出(参见图3)。其中自然比例尺沿着测量线变化。孔轮廓截面描述沿着测量线的孔分布，并且对于材料或覆层是典型的。

整体轮廓在除去孔轮廓的位置处收缩，从而如图3所示地从整体轮廓截面得到处理轮廓截面。

分离方法可以自动地通过具有相应算法的计算机实施，该算法实现了偏度的确定、偏度与理论偏度(其可以存储在数据库中)的比较以及对如下轮廓部段的“分选”：所述轮廓部段使得线zl*与相应于理论偏度的偏度相交，还实现了其与孔轮廓截面的接合和处理轮廓截面的建立。

孔轮廓截面和处理轮廓截面都可以基于另外的表面分析。在此所获得的孔轮廓截面和处理轮廓截面作为数据组，所述数据组如图3所示地可以虚拟地显示和/或可以考虑用于表面特征量的计算。

虽然表面结构分离自身没有实现对表面结构的评估，然而其实现了用于有意义的评估的条件。结构分离可以如上所述自动地进行，并且特别是也针对不同的处理方法(通过确定相应的先验认识)进行适配。由此实现用于具有参数和特征量的评估的基础。与此前已知的数据预处理方法、例如滤波不同地，按照本发明的方法在具有极大差别的表面——例如对存在非常宽且深的孔进行了极精细的处理——的情况下不引起如下的错误：该错误在此前由于在较大的孔的情况下处理轮廓被覆盖而出现并由此使得以特征量对处理结构进行评估几乎不可能。

另外的功能模拟的特征量是与静止的密封系统相关的变量，例如理论上的密封间隙，其涉及在曲轴箱与气缸盖的分离面处沿着气缸盖密封件的密封凹槽的密封特性。密封间隙在未经过滤的表面整体轮廓上确定，其方法是也在此计算上述的圆的滚动线。在此使得半径匹配于密封件的特征。因此，例如对于金属层扁平密封件的多个全凹槽以及厚覆层的情况下，选择例如约1mm的较小的半径，而在薄覆层的情况下选择相应更大的半径。在所计算的滚动线与表面整体轮廓之间的间隙是对于预期密封的度量。称为特征量df的密封间隙由所有单个间隙面的累加计算成以μm²为单位的总面积。为了即使在不同长度的轮廓截面的情况下获得类似的结果，将所计算的该面积向1mm标准化。

该家族中的另一特征量是以μm²为单位的dfmax。这是最大的单个间隙面。

对于功能模拟的特征量的特征量确定在此不需要人为理解的中间连接；该整个确定方法在输入测量变量和轮廓之后自动进行。一个特点在于，在理论密封间隙的特征量方面对于在不同的密封构造和要求的参数化能力(匹配能力)。

对于所有功能模拟的特征量可以在技术生产文档中规定出容差。如果违反该容差，则例如根据附带的资料提供方法指示。

在图2中水平线的间隔等于1μm，所示的测量路段的宽度等于几乎12mm。相同的单元适用于图1中的例子，v油,整体表示。应该注意，在图1和2中的轮廓具有不同的比例尺。

图2中的作为确定密封间隙的基础的测量轮廓是经测量的、未经滤波的轮廓(整体轮廓)。作为测量方法可以考虑仿形方法(根据iso3274)以及其他的例如光学轮廓截面方法。因此，模拟方法使得能够通过特征量进行与功能相关的、简单的、详细的、与摩擦配对件有关的表面评估，所述特征量通过软件技术在简单的模型中模拟功能性能。也就是说，在与摩擦配对件相关的较窄的功能特征相关性下进行表面评估。所有已知的特征量仅仅在自身没有摩擦配对件参考的情况下评估所考虑的表面。