CN103930587B - 用于内燃机或压缩机的具有至少一个滑动面的元件 - Google Patents
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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、并且接受通过HIPIMS工艺形成的氮化物硬质陶瓷涂层(4)。特别地,这种涂层(4)表现如下:对该涂层(4)的内张力的控制与其生长无关,这使得能够获得大于常规厚度的涂层(4),从而大幅提高了耐磨损性。
Description
技术领域
本发明涉及这样一种元件,该元件在摩擦作用下于内燃机上进行滑动工作,并且该元件通过气相中的物理沉积而接受铬基陶瓷涂层,所述物理沉积是由大功率脉冲磁控溅射实现的,从而具有更低的内张力、高硬度以及低孔隙率。
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、格板(panel)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。这些元件中有些是轴承、气门传动机构的部件(挺杆、凸轮轴、凸轮凸部(lobe)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。
最接近本发明的现有技术涂层是通过气相中的物理沉积工艺(物理气相沉积)而形成的由氮化物构成的陶瓷涂层,这种工艺在本发明中称作PVD工艺。
通过PVD工艺形成的氮化物涂层所表现出的内张力(innertensions)随涂层厚度的变化而增大(参见图1)。这些张力通常为压缩性张力,并且随膜的生长而变得更有压缩性。
图1示出了氮化铬(CrN)涂层中压缩性内张力(compressiveinnertension)的增大,该涂层是在450℃下,并且颗粒对基底的加速张力为175V的条件下,通过材料在靶表面上的溅射沉积而沉积得到的。
压缩性内张力随涂层生长而增大的这种现象是由如下事实造成的:在等离子体环境中,正离子被电场和磁场吸引到涂层生长的表面,因而将离子轰击到涂层上的能量导致膜中产生了压缩应力。
此外,氮化物膜在通常为数百摄氏度的环境中生长,其中,在涂层沉积于基底之后使膜冷却,由此,不同膨胀系数的存在促进了基底的更大收缩。因此,涂层材料与基底材料之间的不同膨胀促进了在氮化物膜中“形成”压缩性内张力。
这种压缩性内张力的存在带来各种缺陷,一方面限制了涂层厚度,另一方面则降低了具有涂层的所述元件可承受的工作负荷。应当注意到,由于内张力是压缩性内张力,因此其增加了元件所要承受的负荷值。
因此,在受到外部负荷的加压(例如,在用作机器或内燃机的构成部件时)时,涂层将承受由负荷所产生的张力,所以,涂层的初始张力越接近于中性值(或零内张力),则后者可承受的负荷越大,直至达到导致涂层破裂(裂纹核化(crackncleation)及其生长)的张力为止。当压缩性内张力值和负荷值超过涂层所能承受的极限值时,就会产生涂层的位移,这会导致涂层的严重损坏。
关于涂层生长,人们观察到:诸如TiN之类的一些涂层由于其高张力而呈现出生长中的限制,由此,涂层不可能生长至高于2微米或3微米(μm)的厚度。
同样影响所述膜的耐性的另一情况是孔隙的存在。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(tensionconcentrators)。无疑地,高孔隙率损害了涂层的耐磨损性。
在此方面,涂层中相互作用的变量间的如下关系(followingratio)可反映出现有工艺中的氮化物陶瓷涂层模型。层厚度越大,所产生的压缩性内张力越高,而随着涂层中孔隙率的升高,这种情况会更加严重。根据现有技术所示的方案,这种相互关系最终限制了硬度值以及由此导致的耐磨损性。
这样的实例为文献US5,449,547以及US6,270,081,它们分别描述了具有CrCN/CrON以及CrN涂层的活塞环。应当注意到,这些涂层的硬度分别被限制在2200HV以及1800HV,第二篇文献提及孔隙率高于3%。
另外,文献US6,372,369披露了一种用于活塞环的涂层,该涂层由CrN和TiN制成,硬度在1300~2300HV范围内。应当注意到,当涉及氮化物单层涂层时,硬度值很难高于200HV,该硬度最高限度为由这种类型的涂层所存在模型关系导致的局限之一。
不幸的是,在严峻工作条件下,现有的滑动工作元件的涂层并未呈现适当的耐磨损性能。事实表明,现有的PVD涂层在接下来的几代发动机中将无法正常工作,尤其是在具有废气再循环(EGR)以及选择性催化还原(SCR)的发动机中,而且,考虑到减少污染排放率,在未来的几代中将使用这些发动机。
因此,现有技术中提出的常规方法尚未披露这样一种技术方案,该技术方案能够获得具有高性能的氮化物陶瓷涂层,同时其可使膜生长并同时保持降低压缩性内张力,并且该技术方案还能获得非常高的耐磨损性。
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,该元件具有氮化物系涂层,该涂层能够具有更高的耐磨性。
本发明的另一目的在于提供一种具有氮化物系涂层的滑动工作的元件,这种涂层能够增加其厚度而不会增大压缩性内张力,同时具有非常低的孔隙率。
发明内容
通过用于内燃机的、具有至少一个滑动面的元件从而实现了本发明的目的,该元件包括由金属合金制成的基底、以及至少一个具有由物理气相沉积(PVD)形成的硬质陶瓷涂层的外表面,其中,该元件的孔隙率低于2体积%、维氏硬度在1500~3000HV范围内、并且压缩性内张力低于500MPa。
附图说明
下面,参照附图中所示的实施方案的例子以更具体地描述本发明。附图中:
图1为示出氮化铬涂层中压缩性内张力的升高与涂层厚度之间的关系曲线;
图2为示出在氮化铬涂层的磨损系数(m3/Nm)与在10厘米/分钟的速度下进行的不同类型的PVD沉积间的关系;以及
图3为两个滑动工作元件的图,其中一个元件具有本发明的等轴形态(equiaxialmorphology)的氮化铬涂层。
具体实施方式
本发明涉及不论涂层厚度如何而控制涂层内张力的创新性,这样,使得人们能够利用物理气相沉积(PVD)工艺实现厚度大于常规厚度的涂层,并且提高这种氮化物陶瓷涂层的耐磨损性。
根据沉积过程中施加至阳离子(例如Cr+和N+)的能量的不同,通过物理气相沉积而沉积的涂层的性能会有很大变化。
如前所述,对于在内燃机上滑动工作的元件1上的氮化物陶瓷涂层现有工艺,由于该涂层具有高压缩性内张力,因此其在摩擦性能方面存在局限。
本发明就此问题提供了一种解决方案,该解决方案促进了涂层4的生长而不增大涂层4的压缩性内张力。
应当注意到,滑动工作的元件1可以包括发动机中相互接触且存在摩擦关系的各种部件。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。
本发明的滑动工作的元件1包括:由给定金属合金构成的基底2、以及接受涂层4的外表面3(参见图3)。基底2可以由铁基合金或钢构成,例如含有10%~17%的铬的钢(不锈钢)、铝等。
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)、气缸及缸套、活塞、轴承及轴套(bearingsandsegments)、顶杆及凸轮、以及其他众多部件中。
本发明的涂层4是通过PVD工艺、更具体而言是通过大功率脉冲磁控溅射(下文称为HIPIMS)而沉积于滑动工作的元件1的至少一个表面上的涂层4。
用于滑动工作的元件1的新HIPIMS沉积方法将材料电离并随后转化为氮化物,其中所述材料通常是金属材料(Cr、Ti、Mo、Nb、Al等)。由此,具有高能量的金属离子朝向涂层4表面加速,使得在涂层4的生长期间,实现了涂层4的松弛而并未损失其硬度,这是非常令人惊讶的。
应当注意到,这种行为(涂层的高硬度和低内张力)并非显而易见的,而是与现有技术有抵触。无论如何,对于获得格外的耐磨损性而言,这是非常理想的结果。在受到外部负荷的加压(例如,在用作机器或内燃机的构成部件时)时,涂层将承受由负荷所产生的张力,所以,涂层的初始张力越小,则其可承受的负荷越大,直至达到导致涂层4破裂(裂纹核化及其生长)的张力为止。
本发明的优选例子可以由图3表示。假设该图涉及内燃机的活塞环和气缸(二者都是滑动工作的元件1),可以仅涂覆滑动工作的元件1中的一者、或涂覆这二者。在所示情况下,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。
优选地,但非强制性地,陶瓷涂层4为氮化铬,但其它金属元素也可以用来形成陶瓷涂层,其中可以采用钛、钼、铌、铝等或其混合。
在用负电势将基底2(基体)极化的情况下,通过HIPIMS工艺沉积涂层4,可实现0MPa~500MPa的压缩性内张力值,但该值优选为0MPa~200MPa。HIPIMS沉积工艺的特性使得能够实现1000HV~3000HV的维氏硬度。应当注意到,这个范围高于现有工艺值,3000HV的值高得出乎意料。另外,本发明设法将涂层4的厚度提高至5μm~100μm的范围,与现有技术相比时,该厚度值是非常高的,在涂层为基于氮化钛的涂层时,该涂层会因其高张力而表现出有限的厚度。
由于形成涂层4的离子具有高能量(尤其是HIPIMS工艺),因此涂层4足够致密,这使得孔隙率降低,并且离子在基底2上具有优异的附着力。孔隙率值低于2体积%,本发明的优选范围是低于0.5%,当考虑到硬度和内张力值均很优异时,该孔隙率值相对于现有技术确实降低了。
另外,这种工艺还带来其他的优点,即:使得涂层4的生长不会产生液滴(droplets)(微粒)。由此,用于涂层4的沉积的HIPIMS工艺使得能够实现优异的摩擦性能,诸如耐磨损性以及耐脱落性。
图2清楚地示出了由上述PVD工艺得到的结果的差别。图2示出了氮化铬涂层的磨损系数与现有技术中不同沉积方法之间的关系。相对于本发明的HIPIMS,列举了在非平衡磁控(UBM)以及电弧下经由靶材料的溅射而进行的沉积。显然,本发明的工艺实现了高于现有技术两倍的耐磨损性,虽然出乎意料,但无可否认的是,对于用于内燃机的滑动工作的元件1而言,本发明的HIPIMS涂层4能够产生非常积极的结果。
由于本发明技术所实现的优异结果,该技术达到了接下来几代发动机所要求的运行标准,尤其是达到了具有废气再循环和选择性催化还原的发动机的运行标准,因此有助于污染排放的降低。
因此,显然,本发明的涂层4提出了在涂层生长与其内张力之间的出乎意料的关系,由于人们设法获得常规技术通常无法实现的具有高摩擦性能和厚度的涂层,因此,所产生的耐磨损性优于用现有PVD工艺所获得的任何一种涂层。
已经描述了实施方式的优选实施例,应当理解,本发明的范围包含其它可能的变化,本发明的范围只由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 (13)
1.一种用于内燃机的、具有至少一个带有涂层的滑动面的元件,所述元件(1)包括由给定金属合金制成的基底(2)、以及至少一个具有由物理气相沉积产生的硬质陶瓷涂层(4)的外表面(3),所述元件(1)的特征在于:孔隙率低于2体积%、维氏硬度在1500~3000HV范围内、并且压缩性内张力低于500MPa,其中所述物理气相沉积由大功率脉冲磁控等离子体溅射(HIPIMS)实现,并且用负电势将所述基底(2)极化。
2.根据权利要求1所述的元件,其特征在于:所述陶瓷涂层(4)包含由元素铬、钛、铌、钼或铝中的至少一种形成的氮化物。
3.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述涂层(4)的孔隙率低于0.5体积%。
4.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述涂层(4)的压缩性内张力低于200MPa。
5.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述涂层(4)的厚度在5μm~100μm范围内。
6.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述基底(2)的材料为铸铁。
7.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述基底(2)的材料为钢。
8.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述基底(2)的材料为铝。
9.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述元件为活塞环。
10.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述元件为挺杆。
11.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述元件为气门。
12.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述元件为凸轮凸部。
13.根据权利要求1或2所述的元件,其特征在于:所述元件为轴承或活塞环。
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