本申請是2012年12月21日在中國專利局提交的申請?zhí)枮?01280068957.9(pct/ep2012/005344)、名稱為“具有摩擦優(yōu)化的工作面表面的熱覆層構件”的專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種熱覆層構件，其具有用于摩擦配對件的工作面的摩擦優(yōu)化的表面。

背景技術：

由現(xiàn)有技術已知的是，對表面特征進行優(yōu)化，例如對與一摩擦配對件相互作用的構件的摩擦進行優(yōu)化。這種類型的構件例如為氣缸活塞副，它們的相互作用對內(nèi)燃機的總功率、特別是也由生態(tài)和經(jīng)濟的角度看來是極重要的。內(nèi)燃機的油耗主要由摩擦決定，通過用于形成抑油結構的機械式的表面處理可以減小該摩擦。作為處理方法可以考慮切削方法、如珩磨，特別是激光珩磨和螺線滑移研磨。如此形成作為“袋”的微結構，在該袋中積聚油并形成流體膜，該流體膜使得摩擦配對件幾乎浮動并且由此理想地降低摩擦。

此外，這種表面處理的、與摩擦配對件相互作用的構件的表面經(jīng)常具有材料特定的結構和處理特定的結構，該材料特定的結構例如在表面覆層的制造中生成并且可能是絕對不期望的；該處理特定的結構根據(jù)有利的方式有利于表面處理。由此可以證實，表面優(yōu)化的構件并不具備期望的摩擦特征。

由文獻de102010049840a1、de102009010790a1以及de19628786a1已知這樣的熱覆層的構件。

技術實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的任務在于，創(chuàng)造一種改進的熱覆層構件，其具有用于摩擦配對件的摩擦優(yōu)化的工作面表面，該構件具有可復現(xiàn)的并且盡可能可預定的含油量，以實現(xiàn)摩擦配對件的期望的運行特征。

該任務通過具有權利要求1的特征的熱覆層構件解決，該熱覆層構件具有用于摩擦配對件的工作面的摩擦優(yōu)化的表面。

該構件的改進方案在從屬權利要求中進行闡述。

此外產(chǎn)生的任務在于，創(chuàng)造一種用于熱覆層構件的構件覆層表面模擬的方法，所述熱覆層構件具有用于摩擦配對件的工作面的摩擦優(yōu)化的表面。

這樣的方法通過具有權利要求6的特征的方法提供。

按照本發(fā)明的熱覆層構件具有用于摩擦配對件的工作面的摩擦優(yōu)化的表面，其中，所述摩擦優(yōu)化的表面具有10～800μm³/mm²的含油量v油。

含油量v油在工作面長度和/或圓周上必然是不恒定的。含油量v油包括摩擦優(yōu)化的處理結構的含油量v油，處理和孔含油量v油,孔。

在優(yōu)選的設計方案中，工作面的摩擦優(yōu)化的表面具有50～200μm³/mm²的含油量v油。

有利地，所述含油量是能通過構件覆層表面模擬預先規(guī)定的理論含油量。

所述摩擦優(yōu)化的表面的表面處理優(yōu)選可以是機械處理、特別是切削處理。在此考慮珩磨處理方法，其是本領域技術人員所已知的并且可以高精度實施。按照本發(fā)明優(yōu)選地，在表面上具有熱噴鍍層、特別是通過電弧噴鍍方法或者通過ptwa噴鍍方法(等離子體轉移弧法)獲得的覆層。

按照本發(fā)明的構件可以是氣缸體曲軸箱或活塞、或者連桿或襯套如氣缸套，在此僅指出了一些構件；所述構件原則上可以具有任意形狀，該形狀應在一個或這一個摩擦配對件中在油潤滑下低摩擦地運行。

有利地，按照本發(fā)明可以借助于構件覆層表面模擬來預先規(guī)定理論含油量v油，其應該為10～800μm³/mm²、特別優(yōu)選地應該為50～200μm³/mm²。

這樣的模擬用于功能相關的、簡單的、詳細的以及與摩擦配對件相關的表面評估。

因此，在該模擬方法的第一實施形式中，進行用于構件覆層表面的表面結構的特征量確定，該表面結構與摩擦配對件有效連接。所述特征量對構件覆層表面與摩擦配對件之間的功能性/函數(shù)關系作出模擬。因此該方法允許在考慮特征量的情況下借助于軟件技術簡單地模擬出構件覆層表面的功能特性的模型。由此通過按照本發(fā)明的方法產(chǎn)生的可能性在于，根據(jù)待評估的表面的摩擦配對件來實現(xiàn)與功能有關的容差并且如此優(yōu)化接觸副之間的配合間隙。

該方法包括以下步驟：首先利用一輪廓深度確定方法來獲取構件的表面的至少一個預先規(guī)定的部段的表面結構的整體。將該整體作為整體輪廓表示出，其中，所述整體輪廓作為沿截面線獲得的、與預先規(guī)定的測量基線相差的輪廓深度值的數(shù)據(jù)組被記錄，所述輪廓深度值分別與一沿測量基線的長度的位置相對應。然后，將數(shù)學-形態(tài)學計算程序應用到整體輪廓的數(shù)據(jù)組上，在此模擬出一具有規(guī)定半徑的圓在整體輪廓上的滾動并獲得在整體輪廓上的滾動線，所述滾動線模擬出摩擦配對件在構件覆層表面上的輪廓運行。這時，計算出或積分得到由滾動線和整體輪廓規(guī)制的總面積，并確定出總面積作為第一特征量。

在該方法的一種改進方案中，利用第一特征量來確定出第二特征量，該方法包括將總面積投影到與構件覆層表面相關的第三維度中，并計算出整體體積作為第二特征量。

在又一改進方案中，所述總面積的計算包括：對于每個輪廓深度值確定出與滾軸線的差，并且確定出在每個輪廓深度值與滾動線的相應部段之間的單面積作為輪廓深度值沿著截面線的位置的函數(shù)。隨后沿著所述截面線疊加所述單面積。

此外可以與路段/路程相關地使第一特征量標準化，與面積相關地使第二特征量標準化。這有利地用于在不同長度的輪廓截面的情況下用于比較等等的基礎創(chuàng)建。

由此，功能模擬的第一特征量可以是對于用于潤滑相關的油量的度量，由此投影的第二特征量給出構件覆層表面的理論含油量。用于確定滾動線的圓的規(guī)定半徑可以為大約100毫米，該滾動線例如相當于活塞環(huán)的理論上的運行輪廓。

可以確定另外的特征量，如蓋油量(特別是孔部分)、平均孔寬度、來自孔輪廓的平均孔橫截面積。

通常，構件覆層表面與摩擦配對件形成一靜態(tài)的密封系統(tǒng)，特別是在曲軸箱與氣缸蓋的分離面處沿氣缸蓋密封件的密封凹槽/肋，其中在此功能模擬的第一特征量給出理論上的密封間隙。用于確定滾動線——該滾動線相當于密封凹槽的理論上的輪廓運行——的圓的規(guī)定半徑便可以被選擇以匹配于不同的密封構造和密封要求；該規(guī)定半徑可以例如在1毫米至100毫米的范圍內(nèi)。

此外可以確定另外的特征量，特別是最大的單個間隙面積。

通過該方法的應用可以在技術生產(chǎn)文檔中給出用于功能模擬的特征量的容差并且可以針對違反該容差的情況提供方法指示。作為用于確定輪廓深度的方法特別是考慮光學輪廓測量方法或者仿形方法、特別是根據(jù)iso3274的仿形方法。

此外該模擬方法可以包括：確定出由處理特定的和由材料特定的不同的表面結構的特征量。在此將構件覆層表面的整體輪廓分為由材料特定的孔輪廓和處理輪廓。由現(xiàn)有技術已知的檢查和表面評估方法整體上評估構件的表面，如按照本發(fā)明的構件的熱噴鍍層，例如氣缸活塞的工作面，并且由此不能將特征描述與成因——例如加工或覆層——進行配對，而加工或覆層恰恰是按照本發(fā)明的構件表面所具有的。它們已經(jīng)經(jīng)過多個制造和/或處理步驟，以便獲得其最終的表面特性。因此應該以按照本發(fā)明的用于區(qū)別技術表面結構的區(qū)別方法由來源特定地確定表面結構的部分。

利用表面處理方法進行處理的、具有材料固有表面粗糙度的構件表面結構——例如氣缸的活塞面的經(jīng)珩磨的覆層——的區(qū)分這樣實現(xiàn)：

為了能根據(jù)類型確定結構的產(chǎn)生原因，基于先驗認識，由此可以使結構部分相互分離。據(jù)此可以將相互分離的結構部分提供給不同的評估。

為此，在實施輪廓深度確定方法之后獲取具有材料固有的表面粗糙度的構件的覆層表面的部段的表面結構的整體并將其作為整體輪廓示出。所述整體輪廓作為沿截面線獲得的、與預先規(guī)定的測量基線相差的輪廓深度值的數(shù)據(jù)組被記錄。

隨后，利用同一輪廓深度確定方法來獲取一經(jīng)表面處理的技術構件——該構件不具有材料固有的表面粗糙度——的表面的部段的表面結構的整體，并將其作為處理輪廓表示出。所述處理輪廓作為沿截面線獲得的、與預先規(guī)定的測量基線相差的輪廓深度值的數(shù)據(jù)組被記錄，所述輪廓深度值分別與一沿測量基線的長度的位置相對應。

下面，確定一表征表面處理方法的、所有處理輪廓深度值的概率分布偏度，并將該偏度規(guī)定為用于表面處理方法的理論偏度。

再在整體輪廓中規(guī)定起始線，所述起始線平行于整體輪廓的測量基線與最深的輪廓深度值相對應地延伸，確定出整體輪廓在起始線處與起始線相切的輪廓深度值的概率分布的第一偏度。然后，在起始線與測量基線之間規(guī)定出以步幅相互間隔開的中間線，從起始線起相繼地確定整體輪廓的由相應的中間線相切得到的輪廓深度值的概率分布的偏度。

從起始線起相繼地將所有偏度與理論偏度相比較。在整體輪廓的確定的中間線的偏度與理論偏度一致時選擇出所有的與所述確定的中間線相切的輪廓深度值。隨后將所選擇出的輪廓深度值作為孔輪廓表示出。通過選擇產(chǎn)生的是，通過處理方法產(chǎn)生的“處理輪廓”被保留，并且在此意義上從整體輪廓中分離出。

由此，結構分離幾乎通過使用先驗知識實現(xiàn)，在一個不具有材料固有的表面粗糙度的構件經(jīng)受與一個具有表面粗糙度的構件相同的處理方法的情況下實現(xiàn)。例如檢查：在一無孔的構件中的珩磨結構具有哪種結構形式，并由此導出珩磨結構在一個具有孔的構件中的分離。由此，該方法實現(xiàn)了表面結構連同成因配對關系的分離和有針對性的評估。

功能模擬的第一特征量作為與潤滑相關的油量的度量以及由此投影的第二特征量——其說明材料表面的理論含油量——也可以分別對于整體輪廓、孔輪廓以及處理輪廓確定。

此外，在該方法的另一實施形式中，可以連續(xù)地表示出所選擇的輪廓深度值的孔輪廓。如果孔輪廓以與整體輪廓的測量路段的比例尺不同的比例尺、優(yōu)選放大的比例尺描繪出，則特別顯著地表示出該孔輪廓。所述孔并由此材料不平度或粗糙度隨后相互依賴地被表示出并且同樣還有處理輪廓。

在結構分離之后可以從處理輪廓截面和/或孔輪廓截面不僅分析處理已經(jīng)國際標準化的特征量(例如以μm為單位的rz、ra，iso4287)，而且還分析處理功能模擬的特征量，并且將其應用在前面的模擬方法中。在此特征量的算法應用到處理輪廓截面和/或孔輪廓截面的數(shù)字式存在的結構分離的數(shù)據(jù)組上。

為了獲得好的分辨率或者說是材料輪廓和處理輪廓的分離，所述中間線相互間以及與起始線和測量基線的間距在1nm至20nm的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選在5nm至15nm的范圍內(nèi)、最優(yōu)選為10nm。

附圖說明

附圖示意地闡明了用于表面的模擬方法和區(qū)分方法：

在此示出：

圖1：經(jīng)處理的具有孔的氣缸工作面表面的測量輪廓，具有按照本發(fā)明產(chǎn)生的滾動線，該滾動線相應于活塞環(huán)的理論上的輪廓運行，用于確定理論總含油量作為特征量；

圖2：具有按照本發(fā)明產(chǎn)生的滾動線的曲軸箱/氣缸蓋表面的測量輪廓，該滾動線相應于密封凹槽的理論上的輪廓運行，用于確定理論上的密封間隙作為特征量；

圖3：根據(jù)圖1的構件覆層表面的經(jīng)處理的具有孔的整體輪廓截面，以及由其分離出的處理輪廓截面以及孔輪廓截面用于確定另外的特征量；

圖4：圖3中的整體輪廓截面。

具體實施方式

模擬方法用于確定用于構件覆層表面的結構的特征量，所述結構與摩擦配對件相互作用，如在兩個例子中闡明：一方面用于確定理論含油量以及根據(jù)圖1來確定構件、即氣缸工作面/活塞環(huán)的另外的功能模擬的特征量，另一方面用于確定理論上的密封間隙以及根據(jù)圖2用于靜態(tài)密封系統(tǒng)(例如在曲軸箱與氣缸蓋的分界面處沿氣缸蓋密封件的密封凹槽的密封特性)的其他功能模擬的特征量。

圖1闡明了對系統(tǒng)、即氣缸工作面/活塞環(huán)的功能模擬的特征量的確定。在活塞環(huán)的理論工作輪廓lkr與氣缸工作面上測量的表面輪廓之間的差是用于“根據(jù)活塞環(huán)模擬的理論含油量”的特征量的基礎。

為此以[μm²/mm³]為單位的v油,整體表示理論含油量，其被確定用于整體輪廓，如在圖1中可見。為了能詳細判斷，如在圖3中可見，整體輪廓的表面結構可以分為孔輪廓和處理輪廓。由處理輪廓可以確定基于處理結構以[μm²/mm³]為單位的理論含油量v油，處理(對于珩磨工作面的情況為v油,珩磨)，由孔輪廓確定以材料或覆層特定的表面結構如孔為基礎的理論含油量v油,孔。

另外的特征量——其特別是也可以在結構分離后確定——為孔份額[％]、平均孔寬[μm]以及平均孔截面積[μm²]。特征量v油,罩[μm²/mm³]描述的是罩件的理論含油量，該蓋例如為氣缸罩、氣缸蓋罩或氣門罩。

處理特定的理論含油量v油，處理的特征量計算的基礎是材料特定的表面結構與處理特定的表面結構的分離。由處理輪廓(參見圖3)計算v油，處理，該處理輪廓沿軸向繪出。在工作面表面上的活塞環(huán)運行(ablaufs)的函數(shù)被以如下方式模擬：在一計算程序中將數(shù)學-形態(tài)學方法應用到相應的輪廓、例如整體輪廓(圖1)的數(shù)字式的數(shù)據(jù)組上，該方法對具有限定的半徑在此為100毫米的圓在輪廓上的滾動進行模擬。在此假設：如此產(chǎn)生的滾動線lkr類似于活塞環(huán)在工作面上的運動線。在滾動線lkr與表面輪廓之間的間隙是對于與潤滑或油耗相關的油量的度量。該度量例如在由所有單個間隙面的累加的v油,整體中計算為總面積，并且緊接著在第三維中的投影被計算為體積。為了即使在不同長度的輪廓截面中也獲得類似的結果，將該計算的體積標準化為1mm²。v油,整體、v油，處理以及v油,孔的單位為μm³/mm²。

如同v油,整體那樣確定v油，處理以及v油,孔，但是v油,孔在孔輪廓上，而v油，處理在處理輪廓上，如圖3所示，它們由整體輪廓的結構分離獲得。

圖3示出了將由構件材料決定的結構(孔輪廓截面)和通過處理方法產(chǎn)生的處理輪廓截面從經(jīng)處理的具有孔的構件覆層表面的整體輪廓截面中分離出來。分離的輪廓截面可以基于對按照本發(fā)明確定的特征量的表面分析。表面的輪廓截面通過光學輪廓截面方法或優(yōu)選通過仿形方法測量。在此，沿著截面線獲取偏離測量基線的輪廓深度值。

在機械式的仿形方法中，使觸頭尖端以恒定速度在經(jīng)處理的構件覆層表面上移動。由關于平行于工件表面走向的、與測量基線垂直的觸頭尖端位置移動而產(chǎn)生測量輪廓，該位置移動通常通過感應式的位移測量系統(tǒng)獲取。在此沿著測量線獲得具有輪廓深度值的數(shù)據(jù)組。

在圖3和4中形象地闡明的表面區(qū)分方法使得可能的是，將由材料決定的結構與由處理方法決定的表面結構分離，這可以用作進一步的表面分析的基礎。

作為用于分離由材料決定和由處理決定的表面結構的基礎，首先得出經(jīng)處理的構件表面的輪廓截面或測量輪廓，構件表面不具有孔并且由此僅僅示出處理結構。因此可以考慮這樣的輪廓截面作為先驗認識。所獲得的、包括輪廓深度值的數(shù)據(jù)組被作為對輪廓深度值的概率分布的偏度的計算。該偏度說明了輪廓深度值的統(tǒng)計分布的傾向性的強度。以無孔的構件確定的偏度表征相應的處理方法并且描述表面特征，例如對稱或不同強度平面式的結構，而不依賴于結構的高度形式，也就是不依賴于是粗糙地還是精細地處理。表征處理方法的偏度作為用于結構分離的決定性的參數(shù)的理論偏度。

在獲得在具有孔的材料的經(jīng)處理的表面上的先驗認識之后實施的光學或仿形方法產(chǎn)生由沿著測量線獲取的輪廓深度值組成的在圖3和4中示出的整體輪廓截面。為了實施分離現(xiàn)在限定起始線sl(參照圖4)，該起始線平行于在具有孔的材料表面的測量輪廓的最低位置處的測量基線gl，也就是與最低的輪廓深度值相切。

逐步地從起始線sl起朝向測量基線gl的方向以預定的、優(yōu)選可調(diào)節(jié)的、例如10nm的步幅界定一中間線zl，在此對于每個中間線zl(如果必要也對于起始線sl)確定輪廓深度值的概率分布的偏度，這些輪廓深度值與相應的中間線(或起始線sl)相切。在此也將“相切的輪廓深度值”理解為與中間線相交的輪廓深度值。

將為每個中間線zl計算出的偏度與一理論偏度比較。對于中間線zl*的偏度與理論偏度相當?shù)那闆r，將所有的結構凹部、也就是所有的與中間線zl*相切的輪廓深度值由測量基線gl起數(shù)字式地從整體輪廓截面中選出，并連續(xù)地在一孔輪廓截面中示出(參見圖3)。其中自然比例尺沿著測量線變化。孔輪廓截面描述沿著測量線的孔分布，并且對于材料或覆層是典型的。

整體輪廓在除去孔輪廓的位置處收縮，從而如圖3所示地從整體輪廓截面得到處理輪廓截面。

分離方法可以自動地通過具有相應算法的計算機實施，該算法實現(xiàn)了偏度的確定、偏度與理論偏度(其可以存儲在數(shù)據(jù)庫中)的比較以及對如下輪廓部段的“分選”：所述輪廓部段使得線zl*與相應于理論偏度的偏度相交，還實現(xiàn)了其與孔輪廓截面的接合和處理輪廓截面的建立。

孔輪廓截面和處理輪廓截面都可以基于另外的表面分析。在此所獲得的孔輪廓截面和處理輪廓截面作為數(shù)據(jù)組，所述數(shù)據(jù)組如圖3所示地可以虛擬地顯示和/或可以考慮用于表面特征量的計算。

雖然表面結構分離自身沒有實現(xiàn)對表面結構的評估，然而其實現(xiàn)了用于有意義的評估的條件。結構分離可以如上所述自動地進行，并且特別是也針對不同的處理方法(通過確定相應的先驗認識)進行適配。由此實現(xiàn)用于具有參數(shù)和特征量的評估的基礎。與此前已知的數(shù)據(jù)預處理方法、例如濾波不同地，按照本發(fā)明的方法在具有極大差別的表面——例如對存在非常寬且深的孔進行了極精細的處理——的情況下不引起如下的錯誤：該錯誤在此前由于在較大的孔的情況下處理輪廓被覆蓋而出現(xiàn)并由此使得以特征量對處理結構進行評估幾乎不可能。

另外的功能模擬的特征量是與靜止的密封系統(tǒng)相關的變量，例如理論上的密封間隙，其涉及在曲軸箱與氣缸蓋的分離面處沿著氣缸蓋密封件的密封凹槽的密封特性。密封間隙在未經(jīng)過濾的表面整體輪廓上確定，其方法是也在此計算上述的圓的滾動線。在此使得半徑匹配于密封件的特征。因此，例如對于金屬層扁平密封件的多個全凹槽以及厚覆層的情況下，選擇例如約1mm的較小的半徑，而在薄覆層的情況下選擇相應更大的半徑。在所計算的滾動線與表面整體輪廓之間的間隙是對于預期密封的度量。稱為特征量df的密封間隙由所有單個間隙面的累加計算成以μm²為單位的總面積。為了即使在不同長度的輪廓截面的情況下獲得類似的結果，將所計算的該面積向1mm標準化。

該家族中的另一特征量是以μm²為單位的dfmax。這是最大的單個間隙面。

對于功能模擬的特征量的特征量確定在此不需要人為理解的中間連接；該整個確定方法在輸入測量變量和輪廓之后自動進行。一個特點在于，在理論密封間隙的特征量方面對于在不同的密封構造和要求的參數(shù)化能力(匹配能力)。

對于所有功能模擬的特征量可以在技術生產(chǎn)文檔中規(guī)定出容差。如果違反該容差，則例如根據(jù)附帶的資料提供方法指示。

在圖2中水平線的間隔等于1μm，所示的測量路段的寬度等于幾乎12mm。相同的單元適用于圖1中的例子，v油,整體表示。應該注意，在圖1和2中的輪廓具有不同的比例尺。

圖2中的作為確定密封間隙的基礎的測量輪廓是經(jīng)測量的、未經(jīng)濾波的輪廓(整體輪廓)。作為測量方法可以考慮仿形方法(根據(jù)iso3274)以及其他的例如光學輪廓截面方法。因此，模擬方法使得能夠通過特征量進行與功能相關的、簡單的、詳細的、與摩擦配對件有關的表面評估，所述特征量通過軟件技術在簡單的模型中模擬功能性能。也就是說，在與摩擦配對件相關的較窄的功能特征相關性下進行表面評估。所有已知的特征量僅僅在自身沒有摩擦配對件參考的情況下評估所考慮的表面。