CN103917686B - 用于内燃机的具有至少一个滑动面的元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在内燃机和/或压缩机中滑动工作的元件（1），该元件（1）经受摩擦、并且接受具有等轴形态的铬氮化物涂层，该涂层具有低孔隙率（低于1%），并具有优势晶体取向（111），并维持取向（200）上的一定的网状，从而改进了耐磨损性以及韧性，延长了滑动工作元件（1）的使用寿命。

Description

用于内燃机的具有至少一个滑动面的元件

技术领域

本发明涉及一种元件，该元件在内燃机上滑动工作，并且该元件接受了铬基涂层以提升其耐磨损性，从而提高了组件的使用寿命。

背景技术

内燃机包括无数经受摩擦的元件，因此，由于这些元件承受了发动机运转时的高应力而发生磨损。

保证滑动工作元件的耐磨损性从而使发动机具有较长/足够的使用寿命参数的途径之一是：在构建元件所用基底金属上施加一层或多层涂层。这种专门为抵抗磨损及磨耗所开发的涂层维持了滑动工作的元件的性能，即使在发动机的无数次爆发循环之后也是如此。

除了气缸、活塞和活塞环之外，内燃机还具有许多其他的具有至少一个滑动面的元件，这些滑动面能接受涂层以延长元件的使用寿命。这些元件中有些是青铜轴承衬套、气缸衬套、气门传动部件等。

就此而言，存在使用众多不同的涂层组成的不计其数的技术以及不计其数的施加工艺，这些技术和工艺均试图对用于内燃机且具有滑动面的各种类型及构造的元件进行性能和耐久性的优化。

鉴于本发明的目标物为滑动工作的元件，用于（例如）内燃机中所用活塞环的铬氮化物（CrN、Cr₂N）膜/涂层通常具有“柱状”形态（参见图1），其垂直于将接受该涂层的基体或金属基底。

应当注意到，由于这种涂层被施加至具有相对滑动运动（例如，往复运动）的表面，因此在摩擦作用下，涂层材料会固有地受到与自由面相切的应力。在这种情况下，由于涂层的“柱状”纹理（texture），使得由摩擦所致的涂层应力发生方向为对涂层的阻力较小的方向。

还会影响膜阻力的另一情况是孔隙的存在（图中未示出）。存在于涂层中的孔隙区域因其对材料的局部粘附力极低而具有缺陷。因此，根据孔隙的几何形状及数量，孔隙充当了或大或小规模的张力集中体（tension concentrators）。

因此，涂层材料的结构取向会直接影响其性能。典型地，制备具有取向（111）或（200）的交联剂。已知材料的第一取向（111）用于表现出良好的耐磨损性，而第二取向（200）有助于使涂层的内张力降至最低，由此使得能够得到这样的涂层，该涂层的厚度大于涂层仅具有取向（111）时所得到的厚度。

存在一些现有工艺中的滑动工作元件，其呈现出柱状形态以及取向（111）。其实例在美国专利文献US5,743,536以及US5,851,659中示出，所述文献描述了设置有铬氮化物涂层的活塞环，该涂层具有柱状形态以及与涂层表面平行的取向（111）。这些文献所披露的涂层的厚度在1～80微米（μm）范围内，硬度在600～1000维氏硬度（HV）范围内，并且孔隙率在1.5%～20%范围内。

另外，现有技术文也给出了柱状形态并且同时具有取向（111）和（200）。北美文献US2009/278320A1披露了这样一种铬氮化物涂层，其具有柱状形态、并且同时具有两个取向，以获得主要与韧性相关的益处。然而，该现有技术文献所利用的（111）/（200）比值的范围相对较小，为0.8～1.2。换言之，两个取向保持几乎类似的关系，这样所提供的膜的厚度大于80μm，硬度在1500～2500HV范围内，并且孔隙率高于10%。

最后，文献US6,372,369披露了一种用于内燃机的滑动工作元件（活塞环），该元件设置有包含氮化铬（CrN）和氮化钛（TiN）的涂层，该涂层还含有氧，并且该涂层也呈现出柱状形态。所述涂层的厚度在1～100μm范围内，并且硬度在1300～2300HV范围内。这种特性是通过涂层取向中的优势取向（111）或（200）来实现的。因此，氮化铬和氮化钛晶体具有与待涂覆表面平行的优选取向（200）或（111），其形态为从基底材料至涂层外表面的柱状。

虽然由现有技术文献证实了技术进步，但是人们仍未发现这样的技术方案，该技术方案能使应用于内燃机的滑动工作元件的涂层具有更高的耐磨损性，并且同时维持其韧性并确保孔隙率低于1%或实质上为零。

另外，现有技术不仅没有实现为滑动元件提供极高耐磨损性的涂层，以使元件在较长运行周期内正常工作，此外这些文献也没有公开使用具有其他形态的涂层的可能性。这种形态更能抵抗滑动元件所要经受的摩擦状况，从而提供更持久的运行条件，并且使内燃机表现出更高的效率和更低的污染气体排放。

因此，现有技术方案存在两个缺陷，这两个缺陷迄今尚未被消除。一方面，耐磨损性的提高损害了涂层的韧性，另一方面，涂层所表现出的孔隙率有损于涂层的耐久性。就此而言，为了实现更好的结果，变量：耐磨损性、韧性、以及孔隙率受到方程式（equation）的限定，该方程式需要引入新的范式（paradigm），即：铬氮化物涂层的形态及其结构的取向水平。

发明目的

本发明的目的在于提供一种用于内燃机的滑动工作的元件，该元件具有铬氮化物涂层，该涂层能够确保提高耐磨性，并同时维持其韧性值。

本发明的另一目的在于提供一种带有铬氮化物涂层的滑动工作的元件，该铬氮化物涂层具有以原子取向（111）为主的等轴形态，同时也维持了具有取向（200）的结构。

本发明的又一目的在于提供这样一种滑动工作元件，该元件具有实质上不含孔隙的氮化铬涂层。

发明内容

本发明目的通过用于内燃机的具有至少一个滑动面的元件而得以实现，该元件包括由给定的金属合金制成的基底、以及具有由物理气相沉积形成的铬氮化物硬质涂层的外表面，该涂层的孔隙率在小于1体积%的范围内，并且具有等轴晶体结构。

附图说明

下面，参照附图中所示的实施方案的例子，更具体地描述本发明。

附图中：

图1是根据现有技术的滑动工作元件中铬氮化物涂层的柱状形态的照片；

图2是根据本发明的滑动工作元件中铬氮化物涂层的等轴形态照片；

图3是具有柱状形态的涂层呈现的生长方向以及由摩擦导致的应力方向的图；

图4是具有等轴形态的涂层呈现的生长方向以及由摩擦导致的应力方向的图；

图5是两个滑动工作元件的图，其中一个元件具有根据本发明的等轴形态的铬氮化物涂层；以及

图6是两个滑动工作元件的图，其中一个元件具有用以连接本发明的铬氮化物涂层和基底的中间层。

具体实施方式

本发明涉及用于内燃机的、具有至少一个滑动面的元件。应当注意到，滑动工作的元件（1）可以包括发动机中发生接触的各种部件，其中在这些部件中会产生摩擦。因此，可将本发明的涂层（4）施加至彼此之间互相作用的两个元件中的一个元件上，或同时施加至这两个元件上。

根据本发明的滑动工作元件1包括由金属合金制成的基底2、以及将接受涂层4的外表面3（参见图5和图6）。基底2可以由铁基合金或由钢构成，例如，含有10%～17%的铬的钢（不锈钢）。

本发明的滑动工作的元件1的实例可见于活塞环（活塞压环和活塞油环）、轴承、气缸及缸套、活塞及活塞环、以及其他众多部件中。

如前所述，对于施加在用于内燃机的滑动工作元件1上的根据现有技术的铬氮化物涂层，其特征在于具有柱状形态。具有柱状形态的涂层表现出了材料阻力的各向异性。已经发现，具有柱状形态的这类涂层不会提供耐磨损性的最佳结果，这是因为由于其“柱状”纹理（参见图3），使得由摩擦“A”导致的涂层机械应力的发生方向为对涂层的阻力较小的方向，也就是说，与朝向待涂覆基底的垂直生长方向“C”相切的方向。

本发明的涂层4的形态不同于现有技术的形态，以等轴形态（参见图4）促进涂层4的生长，这使得涂层4具有各向同性的性质。通过对两幅图的观察，由于本发明的形态不具有线性堆叠结构（柱状），因此本发明的形态明显地能够更容易地承受摩擦（A）所产生的负荷。在等轴结构中，存在以等轴方式排布的距“块体(block)”中心的错位（disalignment），使得由一个“块”施加的负荷被分布在下方的两个“块体”上，从而得到了更强的抵抗应力的能力。

图1和图2的照片示出了这种类型形态的一个例子。柱状形态（图1）具有更加清晰的轮廓（more defined），可明显地看出存在重叠的柱状物。而等轴形态（图2）的线性则弱于图1中的形态。

然而，不仅涂层4的形态使得本发明的涂层4能获得出色的结果。本发明涂层4所实现的孔隙率远远低于现有工艺中铬氮化物涂层的孔隙率。因此，经发现涂层4的最大孔隙率不超过1体积%，趋于不存在孔隙，也就是实质上孔隙率为零。

除了由本发明的涂层4的等轴形态所提供的优势之外，重要的是应当注意到，不存在孔隙（或孔隙率趋于零）对于涂层4的机械性能是非常有益的。已知的是，由于孔隙同时充当了缺陷以及张力集中体，因此孔隙会影响涂层的结构抵抗力。因此，孔隙量的降低以及这种不连续性的持续提供了更致密的涂层4，使得涂层4具有更高的耐磨损性以及更大的韧性。

进一步参照引入本发明涂层中的改进，应当注意到，铬氮化物涂层原子取向中的新排列使得机械性能得到相当大的改进。

许多现有技术文献描述了固有的族取向（family orientation）（111）提供了良好的耐磨损性。这部分是由于这种晶体取向接近面心立方体（FCC）的结构，即，具有较小的原子间隔，这反映在薄涂层的磨损方面得到改进。然而，涂层生长中固有的高内应力显然限制了其在方向（111）上的生长（更大的厚度）。

另一方面，族晶体取向（200）导致非常难以产生运动位错以减轻施加于涂层表面的外部剪切应力，从而造成了具有取向（200）的晶面的位移，而这对于滑动工作的元件1中的涂层是非常不利的。

因此，根据对本发明的涂层4的理解，族（111）的晶面提高了对裂隙出现的抵抗力，而少量的族（200）则提高了对裂隙蔓延的抵抗力。本发明同时使用了这两种晶体取向作为冶金机制（metallurgical mechanism），从而通过降低平面之间界面的能量以避免涂层的位移并提高耐磨损性。

考虑到有效地实现上述优点，本发明所述的涂层4中的晶面分布主要为（111）。对该值进行量化，根据族取向（111）的晶体分布大约是族（200）的晶面的1.5倍～100倍，即，（111）/（200）=1.5～100。

因此，之前对涂层生长的限制（即，在预定情况下将涂层限制至1μm或2μm）现在已得到了解决。由本发明提出的技术方案使得在有利地维持相同韧性值的情况下，还能够提高涂层的厚度。

最后，为了实现用于内燃机的滑动元件1中涂层4的性能，使用了通过物理气象沉积以形成铬氮化物的沉积工艺，更具体而言，使用了大功率脉冲磁控溅射-HPIMS从而通过大脉冲功率来形成涂层。

所述沉积工艺利用了这样的现象：通过大幅提高离子达到金属基底1（其上进行涂层4的生长）的能量（更高的速度），并使涂层4的结构发生相当大的变化，从而使得由典型的柱状形态（参见图1和图3）转变为等轴形态（参见图2和图4）。因此，所述现象能够产生愈加致密的膜，该膜的厚度与形成涂层的离子的能量相关。

作为沉积工艺特性的应变量，已观察到：随着（111）的量越大，会越来越优选地形成交联取向，但仍然保留具有取向（200）的结构，从而赋予涂层4以韧性。

通过图5和图6可以理解本发明的优选实施例。假设该图涉及内燃机的活塞环和气缸（二者都是滑动工作元件1），可以仅涂覆滑动工作元件1中的一者，或者涂覆这二者。在具体情况下，我们将详述这样一种典型例子：活塞环在将要与气缸壁接触的表面上接受本发明的涂层4，其中所述活塞环用于安装在其任一凹槽上。。

因此，通过HIPIMS工艺使活塞环的金属基底2在其外表面3上接受沉积的铬氮化物涂层4。实验结果表明：涂层4具有等轴形态，具有极低的（低于1%）的孔隙率或根本没有孔隙。此外，网状（reticulate）结构与优选的基底2的方向（111）平行，这使得能够观察到膜具有极高的耐磨损性（高于现有技术），而同时也呈现出在活塞环工作面上适当形成保护功能所需的韧性（取向（200）的剩余值）。

应当注意到，测量值表明晶体取向（111）与（200）之比在1.5倍～100倍之间。由此，硬度值在1500HV～2500HV范围内，涂层4厚度已经达到了5μm～60μm的范围。

因此，显然，本发明的涂层4不仅在用于内燃机的滑动工作元件1上形成了一种新的等轴形态，还带来了能够克服现有技术涂层所遇到的困难的众多特性，并赋予其以更长的耐久性。

本发明已经描述了实施方案的优选的例子，应当理解，本发明的范围包含其它可能变化，本发明的范围随附的权利要求的内容限定，并且包括权利要求的可能的等同形式。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的具有至少一个滑动面的元件，所述元件(1)包括由给定金属合金形成的基底(2)、以及由硬质涂层(4)构成的外表面(3)，该硬质涂层(4)由通过物理气相沉积产生的铬氮化物形成，所述元件(1)的特征在于：所述涂层(4)具有低于1体积％的孔隙率，并且具有等轴晶体结构，

所述涂层(4)的晶体取向由与所述涂层(4)的表面平行的平面的比例限定，其中，相对于所述晶体平面，所述晶体平面(111)相对于晶面(200)的比值为1.5～100。

2.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述涂层(4)的硬度在1500HV～2500HV范围内。

3.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述涂层(4)的厚度在5μm～60μm范围内。

4.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述涂层(4)的晶体取向主要由致密晶面(111)限定。

5.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述基底(2)的材料为铸铁。

6.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述基底(2)的材料为钢。

7.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述基底(2)的材料为铬含量在10重量％～17重量％范围内的钢。

8.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述涂层(4)含有选自氧和碳所构成的组中的元素，并且该元素的含量大于5％。

9.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：设置有中间层(5)，所述中间层(5)用于连接所述涂层(4)和所述基底(2)，所述中间层(5)包含铬、镍、钴中的一种元素。

10.根据权利要求1所述的元件，其特征在于：所述物理气相沉积是通过大功率脉冲磁控溅射以高脉冲功率而实现的。