CN104271929A - 内燃机护套 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机护套，所述护套的内侧被处理成完全光滑并且接纳DLC型的涂层。

Description

内燃机护套
本发明涉及内燃机护套。
更具体地，本发明涉及意图减少摩擦损失的内燃机护套或相似几何结构的物体的处理。本发明发现对汽车领域特别有利的应用，而这并非限制。
本领域的技术人员完全已知的是在环上使用DLC(类金刚石)型涂层以降低大多数金属的摩擦系数。例如，这对内燃机的环、活塞、护套组件确实如此，其中摩擦可能大约产生从30％至40％的发动机损失。
为了试图减小摩擦系数，已提供的是，将DLC型的涂层应用于环，如例如从文献WO 2011/051008的教导中显现的。然而，这样的解决方案并不令人满意。
从运动学的观点来看，应提醒的是，环经受比护套更强的磨损。实际上，环的点在活塞的返回循环中与护套永久性接触，然而护套的点与环接触持续非常短的时间。
此外，为了获得令人满意的结果，有必要应用非常厚的DLC涂层，伴随着厚度通常大于10μm，这是经济上的缺点并且提出显著的技术困难。
实际上，DLC层的大厚度在环上产生显著的粗糙度，使得在沉积之后需要进行修正，没有所述修正护套的磨损将是不可接受的。还可以观察到的是，环达到高温，这可能不利地影响DLC涂层。
如指出的是，因为在护套的情况下磨损是较低的，已提供的是，在护套的内表面的水平下进行以试图减小摩擦。
为了此目的，根据现有技术的教导，发动机护套经历精加工操作，所述精加工操作包括产生空心图案，所述空心图案具有在所考虑的机械接触中保持润滑的作用。被称为“珩磨(honing)”的这样的精加工操作被直接应用在护套中或在被应用在所述护套内侧的厚涂层中。例如，这种类型的解决方案从专利EP 0716151的教导中显现，所述专利EP 0716151涉及使其内侧用厚的沉积物覆盖的护套，所述厚的沉积物通过热投射、并且然后经受珩磨步骤形成，所述珩磨步骤除去至多10μm的沉积物厚度。
还可以提到涉及在应用涂层之后进行的珩磨步骤的文献WO2009106981。
因此，从现有技术中显现，用来试图在护套水平下减小摩擦并且限制堵塞风险的解决方案全部需要产生提高的区域所必需的珩磨步骤以在所考虑的机械接触中例如在环和护套之间保持润滑。
这样的解决方案在护套壁上需要大量的油。部分的功率在膜剪切中被损失。
本发明意图以简单、可靠、高效以及合理的方式克服这些缺点。
本发明意图解决的问题是抑制珩磨护套的内侧以使在护套壁上油的量最小化并且减小在油膜剪切中损失的力。
还意图减小环的磨损以在发动机寿命期间保持分段的最佳紧密性。
为了解决这样的问题，已经设计并且开发了使其内侧被处理成完全光滑的以便接纳DLC型涂层的内燃机护套。
这些特征导致使用例如抛光的并且用DLC涂覆的完全光滑的护套显著地减小由活塞环与护套的摩擦的损失，并且间接地减小发动机的CO2排放。低粗糙度的使用还能够减小环的磨损并且因此在发动机寿命期间保持高性能水平(压缩率或耗油率)。最后，在护套的内侧使用DLC涂层能够去掉最后的珩磨步骤以及其产生的缺点。
在沉积之前，护套表面的粗糙度Ra小于0.06μm并且有利地小于0.04μm。
有利地，包含DLC层的涂层的总厚度小于10μm并且优选地小于7μm并且有利地小于或等于4μm。
发动机护套由金属型的材料制成，所述金属型的材料能够经受抛光操作以获得低粗糙度。作为非限制性的指示，护套由铝合金、钢、不锈钢…制成。
当所述护套具有大于其直径的长度时通过实施特别适应的方法将DLC涂层应用到护套的内侧，或当所述护套的长度小于其直径或具有其直径的数量级时通过实施更常规的方法将DLC涂层应用到护套的内侧。例如，DLC涂层通过真空沉积技术来应用于护套的内侧，所述真空沉积技术包括以已知方式的离子蚀刻步骤以及对应于实际沉积的步骤。
离子蚀刻包括用大量离子溅射表面。表面原子被喷出，由此，不利地影响沉积物的附着的表面氧化物被除去。表面氧化物的蚀刻没有对表面状态带来改变。沉积包括裂解烃比如乙炔、甲烷、…，这在部件的表面上凝聚以形成DLC涂层。为了能够结合DLC，预先使用能够形成沉积物并且能够使DLC与其结合的底层，所述沉积物与形成护套的材料结合。这样的底层可以通过PVD技术或通过PACVD技术沉积。与护套或等效构件的内侧的处理相关的困难涉及等离子体的均匀性和产生的处理。等离子体可以通过极化护套产生或从辅助的等离子体源中产生，根据其几何结构即根据相对于其直径的其长度，所述等离子体源被设置在护套的内侧或外侧。
在下文中，借助于不同的实施例和实施方案更详细地讨论本发明，这考虑到将DLC涂层应用于根据本发明的特征的完全抛光的护套的内侧和已经经历根据现有技术的珩磨操作的护套的内侧。
在第一实施方案中，具有72mm的直径和150mm的长度的两个钢的发动机护套已经用DLC涂覆。根据本发明，护套中的一个的内表面已经预先通过化学-机械抛光型技术来抛光，使得Ra小于0.02μm。第二发动机护套已经经受比如根据现有技术进行的珩磨操作。这样的第二护套的Ra为0.25μm，并且其具有负的RSk。负的RSk值表明存在珩磨凹槽。
在清洁之后，护套已经被放置在真空盒(vacuum enclosure)中。在抽吸期间，真空室和护套通过在200℃下辐射加热被常规地脱气。当真空已经达到1×10-5毫巴级的压力时，将氩气引入到真空室中以获得1Pa的压力，并且护套采取-500V的高负值以进行离子蚀刻，使得能够除去覆盖钢的天然氧化物以促进涂层的结合。在蚀刻后，通过使用被放置在护套内侧的具有30mm的直径的柱形磁控管阴极在每个护套的内侧进行碳化钨型的沉积。用于这样的沉积的靶标由碳化钨制成。应用至阴极的功率密度为5W/cm2级。在碳化钨沉积期间，乙炔在渐增的流速下被引入，使得沉积物的结构从碳化钨变化至包含钨的无定形碳基体。最后，通过在0.9Pa的压力下、在乙炔气氛中将该部件带至-450V的电压来沉积DLC型的碳层。
这些操作导致在每个护套内侧的DLC型沉积物，其特征为通过记为HF1至HF3的洛氏压痕(Rockwell indentation)来结合。由calotest测定的沉积物的厚度表明底层具有0.7μm的厚度并且DLC具有2.5μm的厚度。
在第二个被认可的实施方案中，具有72mm的直径和150mm的长度的两个钢的发动机护套已经用DLC涂覆。根据本发明，第一护套的内表面已经预先通过磨光型(buffing-type)技术来抛光，其中浸渍有研磨膏的织物的圆盘在护套的内侧旋转，使得Ra小于0.04μm。第二发动机护套已经经受比如根据现有技术进行的珩磨操作，并且其Ra为0.25μm。
在清洁之后，护套已经被放置在真空盒中。在抽吸期间，真空室和护套通过在200℃下辐射加热被常规地脱气。当真空已经达到1×10-5毫巴级的压力时，将氩气引入到真空室中以获得1Pa的压力，并且护套采取-500V的高负值以进行离子蚀刻，使得能够除去覆盖钢的天然氧化物以促进涂层的结合。在蚀刻后，通过使用被放置在护套内侧的具有30mm的直径的柱形磁控管阴极在每个护套的内侧进行碳化铬型的沉积。在此实例中，柱形磁控管阴极用碳化铬靶标覆盖，5W/cm2的功率密度被应用至所述碳化铬靶标。在碳化铬沉积期间，乙炔在渐增的流速下被引入，使得沉积物的结构从碳化铬变化至包含铬的无定形碳基体。最后，通过在0.9Pa的压力下、在乙炔气氛中将该部件带至-450V的电压来沉积DLC型的碳层。
这些操作导致在每个护套内侧的DLC型沉积物，其特征为通过记为HF1至HF3的洛氏压痕来结合。由calotest测定的沉积物的厚度表明底层具有0.8μm的厚度并且DLC具有2.7μm的厚度。
在第三个被认可的实施方案中，具有86mm的直径和150mm的长度的两个不锈钢的发动机护套已经用DLC涂覆。第一护套的内表面已经预先通过电解沉积技术来抛光，使得Ra小于0.03μm。第二发动机护套已经经受比如根据现有技术进行的珩磨操作，这提供0.25μm的Ra。
方法的其余部分与第二个实施方案相同。
这些操作导致在每个护套内侧的DLC型沉积物，其特征为通过记为HF1至HF3的洛氏压痕来结合。由calotest测定的沉积物的厚度表明底层具有0.8μm的厚度并且DLC具有2.7μm的厚度。
在本发明的第四个被认可的实施方案中，具有92mm的内径和88mm的长度的两个钢的发动机护套已经用DLC涂覆。第一护套的内表面已经经受织物抛光，这提供小于0.03μm的粗糙度。与其内径相比，护套的长度使得能够使用更常规的沉积技术，即等离子源被放置在护套的外侧。第二发动机护套已经经受比如根据现有技术进行的珩磨操作，并且其Ra为0.25μm。
在这些护套已经被清洁之后，其被置于机械组件上，所述机械组件使护套能够根据行星运动自身旋转并且在机器的内侧旋转、使处理能够穿透护套的2端。在200℃下通过加热将真空机脱气之后，护套在0.3Pa的压力下、在氩气气氛中被蚀刻。通过将护套采取到相对于机器壁的-150V的电压来进行蚀刻。氩等离子体在350W的功率下由ECR微波系统形成。在蚀刻之后是使具有从0.1至0.2μm范围的厚度的薄的铬层沉积，所述薄的铬层由平面磁控管阴极形成，所述平面磁控阴极管装备有铬靶标以具有应用到其的5W/cm2的功率密度。然后，碳化钨层通过平面磁控管阴极的溅射来形成以获得1.5μm的厚度。为了获得这个，第二阴极装备有具有应用到其的5W/cm2的功率密度的碳化钨靶标。然后，乙炔在渐增的流速下被引入以获得能够与DLC结合的层。最后，DLC在乙炔气氛中、在1Pa的压力下通过将护套极化至-500V来沉积以获得2.2μm的厚度。
这些操作导致在护套内侧的DLC型沉积物，其特征为通过记为HF1至HF2的洛氏压痕来结合。由calotest测定的沉积物的厚度表明底层具有1.7μm的厚度(0.2+1.5)并且DLC具有2.2μm的厚度。
在第五个实施方案中，意图用于汽车竞赛的具有92mm的直径和80mm的长度的两个钢的发动机护套已经用DLC涂覆。护套中的一个的内表面已经预先通过化学-机械抛光型技术来抛光，使得Ra小于0.06μm。第二发动机护套已经经受比如根据现有技术进行的珩磨操作，并且其Ra为0.25μm。
在清洁之后，护套已经被放置在真空盒中。在抽吸期间，真空室和护套通过在200℃下辐射加热被常规地脱气。当真空已经达到1×10-5毫巴级的压力时，将氩气引入到真空室中以获得0.3Pa的压力，并且护套在由设置在机器壁上的微波源产生的等离子体中采取-150V的高负值以进行离子蚀刻，使得能够除去覆盖钢的天然氧化物以促进涂层的结合。在整个处理中，护套在机器中根据行星运动移动以便经受不同的等离子体源。在蚀刻之后，通过使用在沉积设备的壁上的平面磁控管阴极在护套的内侧进行碳化钨型的沉积。平面靶标由碳化钨形成并且5W/cm2的功率密度被应用到其以进行沉积。在碳化钨沉积期间，乙炔在渐增的流速下被引入，使得沉积物的结构从碳化钨变化至包含钨的无定形碳基体。最后，通过在0.4Pa的压力下、在乙炔气氛中将该部件带至-380V的电压来沉积DLC型的碳层。等离子体由设置在机器壁上的微波源产生。
这些操作导致在每个护套内侧的DLC型沉积物，其特征为通过记为HF1至HF2的洛氏压痕来结合。由calotest测定的沉积物的厚度表明底层具有1.7μm的厚度并且DLC具有2.5μm的厚度。
在不同的处理之后，10mm的宽度的条带根据护套的长度来切割以在摩擦学上表征涂层。
对于这些测试，已经使用A.C.线性摩擦计。用CrN沉积物或用DLC涂层涂覆的钢球已经被用来对不同的护套部分进行摩擦测试。除了代表在环上沉积的层的沉积物的厚度为15μm之外，球通过PVD(磁控管阴极溅射)用CrN被常规地涂覆。类似地，用DLC涂覆钢球包括：PVD具有1μm厚度的纯Cr的底层；随后PVD具有3μm的厚度的包含碳化钨的层，随着其被拉离钢表面，其渐进地富含碳。最后，DLC层由PECVD形成，其厚度为6μm，所述DLC层提供10μm的总涂层厚度。具有0.02μm的初始Ra的平面抛光的参考元件与球同时用DLC涂覆。在沉积之后，在此平面抛光的参考元件上的粗糙度已经变为0.08μm。这样的粗糙度增加由涂层厚度诱发。
5N的负载被应用至球，这导致540MPa的初始平均接触压力。球具有相对护套部分的以平均35mm/s速度的交替的滑动运动。速度根据由凸轮获得的正弦定律变化。行进长度为10mm。对于这些测试，将SAE 5W30型的发动机油滴引入到接触中。测试在110℃温度下进行。在15,000次循环后，使摩擦系数以及球的磨损和护套部分的磨损升高。球的磨损通过测量摩擦痕迹的直径来量化，然而护套部分的磨损通过横穿摩擦痕迹的轮廓测定法来量化。选择的参数全部能够在对应于在高中性点和低中性点附近遇到的负载的极限负载下操作。这样的负载是大部分的摩擦损失和接触部分的磨损的原因。
测试号 护套 护套的Ra(μm) 沉积实施例号 球 COF 球磨损 轨迹磨损
1 珩磨 0.11 CrN 0.15 105μm N.M.
2 珩磨 0.11 DLC 0.10 100μm 3μm
3 抛光+DLC 0.02 1 CrN 0.11 110μm N.M.
4 珩磨+DLC 0.12 1 CrN 0.12 240μm N.M.
5 抛光+DLC 0.04 2 CrN 0.11 120μm N.M.
6 抛光+DLC 0.04 2 DLC 0.06 110μm N.M.
7 珩磨+DLC 0.12 2 DLC 0.09 180μm N.M.
8 抛光+DLC 0.03 3 CrN 0.10 110μm N.M.
9 珩磨+DLC 0.11 3 CrN 0.11 230μm N.M.
10 抛光+DLC 0.03 4 CrN 0.10 125μm N.M.
11 珩磨+DLC 0.12 4 CrN 0.11 220μm N.M.
12 抛光+DLC 0.02 5 CrN 0.10 105μm N.M.
13 珩磨+DLC 0.12 5 CrN 0.12 215μm N.M.
在1号测试中，在根据常规的方法形成的护套前面、在用氮化铬涂覆的环的接触的极限负载下的行为被重现。可以观察到的是，摩擦系数是所有测试中最高的。CrN涂覆的球未磨损，摩擦直径对应于初始的接触区域。球的检查还示出通过在球上形成由油的添加剂诱发的抗磨损膜诱发的着色。
在2号测试中，用DLC涂覆的环的行为被重现。DLC涂层能够减小摩擦系数。在球上可以未测量到磨损。然而，在护套上可以观察到磨损。这样的磨损可能由与其粗糙度组合的在球上的沉积物的硬度诱发。
然后，测试结果可以按照4个大类来收集：
-DLC涂覆的抛光护套/DLC涂覆的球(测试6)
在此构造中，摩擦系数是特别低的(0.06)并且涂覆的球的磨损是可忽略的。这个实施例与在发动机中的使用相一致。
-DLC涂覆的抛光护套/CrN涂覆的球(测试3、5、8、10以及12)
在此构造中，摩擦系数大约在0.10和0.11之间的范围内，并且因此低于在无DLC涂层下获得的摩擦系数。氮化铬的磨损是可忽略的。还可以观察到的是，抗磨损的油添加剂已经在氮化铬上反应并且形成抗磨损的膜。这个系列的测试与本发明相一致。
-具有珩磨型表面状态的DLC涂覆的护套/DLC涂覆的球(测试7)
在此构造中，保持护套的表面状态，如在没有DLC涂层下使用的护套中限定。虽然对抗物(antagonist)是如在测试6中的DLC，摩擦系数是显著更高的(0.09)。还可以观察到的是，在球上的DLC沉积物已经显著地磨损(180μm)。此构造与本发明不一致。与DLC涂层的存在相关的护套的粗糙度已经导致代表环的护套对抗物的显著磨损。
-具有珩磨型表面状态的DLC涂覆的护套/CrN涂覆的球(测试4、9、11以及13)
在此构造中，保持护套的表面状态，如在没有DLC涂层下使用的护套中限定。摩擦系数大约在0.11和0.12之间的范围内。这样的值稍大于用于测试3、5、8、10以及12的值。然而，在CrN涂覆的球上可以观察到在215μm和240μm之间的范围中的相对高的磨损。此构造与本发明不一致。与DLC涂层的存在相关的护套的粗糙度已经导致护套对抗物的过度磨损。
最后，这些测试清楚地示出DLC的底层或用于形成涂层的方法没有显著地影响磨损和摩擦结果。
从描述中可以容易地想到优点，并且应特别强调并且提醒，用抛光操作和DLC涂层替代在护套内侧的珩磨操作能够使环的磨损最小化并且减小摩擦损失，并且因此在燃烧发动机的情况下，特别地在汽车领域中减小CO2排放。

Claims (8)

1.一种内燃机护套，其特征在于所述护套的内侧被处理成完全光滑并且接纳DLC型的涂层。
2.如权利要求1所述的内燃机护套，其特征在于所述涂层的厚度小于10μm。
3.如权利要求1所述的内燃机护套，其特征在于所述涂层的厚度小于7μm。
4.如权利要求1所述的内燃机护套，其特征在于所述涂层的厚度小于或等于4μm。
5.如权利要求1至4中任一项所述的内燃机护套，其特征在于其由金属型的材料制成，所述金属型的材料能够经受抛光操作以获得低粗糙度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的内燃机护套，其特征在于所述DLC涂层通过真空沉积技术被应用到所抛光的护套的内侧，所述真空沉积技术包括离子蚀刻步骤和对应于实际沉积的步骤。
7.如权利要求1所述的内燃机护套，其特征在于在沉积之前所述护套表面的粗糙度值Ra小于0.06μm。
8.如权利要求1所述的内燃机护套，其特征在于在沉积之前所述护套表面的粗糙度值Ra小于0.04μm。
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