CN104471105A - 滑动元件以及内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用在内燃机上的滑动元件(1)，该滑动元件(1)设置有滑动层(4)，滑动层(4)包括钨基体以及碳化钨，目的是通过改善耐疲劳性和耐磨损性来延长滑动元件(1)的寿命，同时防止与滑动元件(1)相互作用的发动机部件的磨损。

Description

滑动元件以及内燃机

技术领域

本发明涉及用于使用在内燃机上的滑动元件，滑动元件设置有滑动层，滑动层包括钨基体以及碳化钨，目的是通过改善疲劳强度以及磨损强度来延长滑动元件的寿命，同时，防止与所述滑动元件相互作用的发动机部件的磨损。

背景技术

考虑到自动工业的持续需要，出现了新要求，直接反映为对内燃机的部件的更大应力。因此，未设计用于这种要求的当前发动机部件会经历早期磨损。自然经历该效应的一些部件是滑动元件，尤其是轴承以及活塞环。

许多开发的目的是改善内燃机的部件的疲劳强度以及磨损强度。但是，内燃机工作压力的增加以及摩擦强度以及发动机部件之间接触的增加使得这种尝试难以成功，因为其导致滑动元件之一或者其他发动机部件磨损。

还应该注意的是，未来并不蕴藏该行为领域的任何简化；可观察到的是，需要更大功率的发动机，其能够达到更高以及更有效的旋转速度、低消耗以及高负荷容量。所有这些因素影响发动机长期运行的性能，影响发动机操作或者甚至引起其发生故障。

自然，在面对新要求时，需要开发新材料，因为公知的材料是限制当前内燃机性能的材料。一些实现发动机更好性能最重要部件是滑动元件，诸如活塞、轴承等。由于滑动元件的革新，诸如更高硬度、更高疲劳强度以及磨损强度，结果更长的可用寿命，在面对它们要承受的高负荷时自动工业已经保持开发了越来越有效、高功率、耐用的发动机。

本领域技术人员理解的是，滑动元件越硬，其越不易磨损；但是，滑动元件越硬，与其相互作用的较软的发动机部件将更会磨损。而且，公知的是，滑动元件越硬，它变得更脆，在制造时会产生更多内部张力，这主要导致了以下可能性的增加：滑动元件分层、接收部件的更硬层的脱离或者甚至部件的断裂、破裂。

在该方面，现有技术已经尝试达到如下之间的平衡：滑动元件具有充分高硬度，以便接触其他发动机部件时不会易于磨损，而且相对于其他发动机部件是充分非侵占性的，以便不会引起其他发动机部件的磨损，以及充分坚韧以防止滑动元件分层并且总体上延长发动机的可用寿命。如能够看见的，等式并不是容易的。

最后，本发明公开滑动元件，其硬度高于现有技术的滑动元件，但是，另一方面，其不会引起在发动机操作过程中持续作用的其他发动机部件的磨损。

最终，有人提出了一种高硬度的滑动元件，其在高负荷下经历较少磨损，不经历分层，也不引起其他发动机部件的磨损。

然而，以上提到的可能问题，诸如由于使用高硬度滑动元件导致的其他发动机部件的磨损或者发动机中的内部应力，专利申请W02008098548和专利DE10011917揭示了对用于使用在内燃机上的更高硬度的滑动元件的需要。

专利申请W02008098548描述了设置有滑动层的活塞环，滑动层逐渐减小并且通过物理气相沉积(PVD)沉积在活塞环的至少一个面上。但是，通过PVD涂覆的滑动元件相比于设置有通过其他处理沉积的层的滑动元件更易于分层。因此，该技术开始就具有严重的问题。

专利DE10011917公开了活塞环，其包括氮化钛涂覆层，硬度大约2200HV至2500HV，通过PVD或者CVD涂覆至活塞环的滑动表面上，厚度范围为5至20微米。公开于该文献的技术具有严重的缺陷，这是源自沉积层的厚度降低，从而导致部件的可用寿命降低，也即，这本是想要避免的。以相同方式，硬度过高至某点到刮擦气缸滑动表面。

因而，需要实现一种方案，其可确保耐久性的要求，防止与滑动元件相互作用的部件磨损的风险，还防止分层，这自然趋向于随着涂覆层的硬度增加而增加。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于使用在内燃机上的滑动元件，能够对于滑动元件和与这种滑动元件相互作用的发动机部件的表面，协调负责更好的耐磨损性的不同特性。

本发明的目的还在于，提供使用在内燃机上的滑动元件，其包括设置有钨基体以及碳化钨的层，其中，铁基材料涂覆有所述钨基体以及碳化钨，其中，所述层可以依靠镍黏结层关联至铁基。

本发明的另一目的在于，提供使用在内燃机上的滑动元件，包括设置有钨基体以及碳化钨的层，所述层通过化学气相沉积(CVD)施加。

最终，本发明的另一目的在于，提供具有上述提到的滑动元件的发动机。

本发明的目的是依靠用于内燃机的滑动元件实现的，所述滑动元件设置有铁基材料，在所述铁基材料上通过CVD同步以及均匀地施加设置有钨基体以及碳化钨的层，其中，所述层可以依靠黏结镍层关联至铁基。

本申请的用于内燃机的滑动元件可以包括但不限于轴承、活塞环、发动机活塞以及内燃机的具有滑动属性的其他部件。

附图说明

本发明将详细描述其所参考的附图代表的示例实施例，附图示出了：

图1是本发明的滑动元件的层的示意图；

图2是本发明的滑动元件的层的照片；

图3是本发明的滑动元件的截面的照片；

图4是现有技术滑动元件在经过刮擦测试之后在120N时经历分层的照片；

图5是本发明的滑动元件在经过刮擦测试之后在180N时经历分层的照片；

图6示出了两个现有技术材料-PVD(CrN)和氮化钢的活塞槽之间的磨损的比较图；

图7示出了两个现有技术材料-PVD(CrN)和氮化钢的活塞环的底面的磨损的比较图。

图8示出了本发明的滑动元件比铬氮化物的滑动元件经历较少磨损的图；

图9示出了本发明的滑动元件比现有技术铬氮化物的滑动元件引起与其相互作用的内燃机部件的较少磨损的图。

具体实施方式

图1、2和3代表本发明的滑动元件1的截面图。优选地，但并不强制的，本发明的滑动元件1包括铁基材料2，在铁基材料2上通过CVD施加设置有钨基体以及碳化钨的层4，其中，层4可以依靠黏结镍层3关联至铁基2，目的是促进层4和铁基2之间的更好地粘接。

图3示出了滑动元件的厚度在滑动元件的所有表面上是均匀的。应该注意的是，通过CVD处理强制实现了将该层均匀沉积至滑动元件上。CVD处理具有将层施加在滑动元件上的有利条件，使得该元件的所有表面将暴露至发生CVD沉积的炉中的气氛。因此，滑动元件所有表面上的涂层通过CVD同步及均匀地执行。因而，如下文指出的，除了指出的优势之外，CVD还证明是相比PVD是优势的，后者的沉积层更易于分层。

考虑到优选的是均匀以及同步地施加层至滑动元件的所有表面，还可以仅在滑动元件的特定区域施加设置有钨基体以及碳化钨的层。更具体来说，设置有钨基体以及碳化钨的层可以仅施加在滑动元件的滑动表面上，或者仅施加在滑动元件的滑动表以及顶表面和底表面(相邻表面)上。在后个情形下，沉积在相邻层上的层可以进一步设置成厚度小于施加至滑动表面上的层，因而在滑动元件上创建厚度梯度。

关于本发明的滑动元件1的其他特性，应该注意的是，基底材料2包括铁合金，优选地但不强制地是碳钢、不锈钢或者铸铁，其中，例如，低碳钢或者中碳钢包括的厚度范围为0.25mm至10mm。

如果有的话，黏结层3包括纯镍，优选地但不强制地是，厚度为1至5微米之间。

关于通过CVD沉积的层4，其成分是钨金属基体以及碳化钨。更具体来说，基体除了钨金属可以包括：WC碳化钨；W2C低碳化钨；W3C低碳化钨；W12C低碳化钨；或者这些碳化物的混合物。

应该进一步注意的是，层4设置有厚度，范围为5至150微米，优选5至60微米。而且，层4具有硬度，范围为1000HV至3500HV，厚度根据施加基体的深度而变化。更具体来说，滑动元件的沉积层4(最外区域)的表面的区域具有的硬度范围为1500HV至3500HV，沉积层4的从铁基(或者黏结层3)至CVD沉积层的中间的部分具有的硬度低于1500HV。

图4和图5的组合示出了两个滑动元件在刮擦测试之后的结果，一个指的是现有技术，截止发生分层承受120N负荷，另一个代表本发明，当受到设备的最大负荷即180N时没有发生分层。图4代表的现有技术的滑动元件由通过PVD沉积的铬氮化物层提供。另一方面，图5代表的本发明的滑动元件设置有通过CVD沉积的钨基体以及碳化钨。经历分层(图4)的滑动元件的层是通过PVD沉积的。相反，不经历分层(图5)的滑动元件的层是通过CVD沉积的。图4和图5的组合辅助于显示通过CVD进行层的沉积的重要性，以防止可能沉积至滑动元件上的层的分层。

除了这些利益，CVD沉积的层还能够消除现有技术中需要的提供渗氮进行热处理，因为在邻近接触面上的面上也需要硬的耐磨损层，因为在现有技术中耐磨损材料(PVD)仅同时施加在部件的外面上并且在这些情况下通常需要进行渗氮硬化处理。公知的是，该类处理会使得部件易脆化，这主要发生在更高应力集中的拐角区域，部件受到的周期应力会导致部件疲劳破裂。

根据本发明的关注，因为如之前提到的利用的是CVD处理，所以暴露于炉气氛的所有部件面同时接收硬材料的覆盖。在该情况下，就不再需要通常通过渗氮硬化施加的这些，相比于现有技术这不仅给予了部件耐磨损优势，而且还有强度优势。

图6和图7的图形代表现有技术的滑动元件。它们示出了它们经历的磨损，具有高硬度的滑动元件与它们相互作用的发动机部件的表面的磨损。尤其，图6示出了两个现有技术材料PVD(CrN)和氮化钢之间的活塞槽的磨损比较。另一方面，图7代表了两个现有技术材料-PVD(CrN)和氮化钢之间的活塞环的底面的磨损比较。

如图6和7的图形中可见的，对于存在渗氮硬化层的例子，滑动元件和与其相互作用的部件(在该例中是活塞槽)都经历了10至20微米大小的磨损。现在，比较于其他现有技术的例子(PVD CrN)，虽然滑动元件的磨损已经最小化至最多5微米，但是在与其相互作用的部件即活塞槽中，磨损增加了30至40微米，这表面需要开发一种能提高滑动元件的耐磨损性但不破坏与其作用的其他部件的材料。

最后，结合图形8和图9的分析分别示出了本发明的滑动元件，硬度的范围为175HV至1900HV，相比于现有技术滑动元件(层设置有铬氮化物，通过PVD施加)时，呈现显著更高耐磨损性。还示出了本发明的滑动元件能够最大化它们的耐磨损性，尽管它们具有更高硬度但不会引起与滑动元件相互作用的发动机部件的磨损，。

简言之，本发明的新颖构思涉及使用通过CVD沉积在滑动元件上的具有高硬度的层，滑动元件的性能出乎意外地不允许滑动元件磨损与其相互作用的发动机部件，同时该元件本身也不会磨损。而且，如果滑动元件本身和其他发动机部件上发生了磨损，这种磨损将是相对不显著的，尤其是比照现有技术滑动元件经历的磨损来说。

作为例子，现有技术的滑动元件可以是活塞环、轴承、发动机气缸或者阀。考虑到其是活塞环，本发明的优势是很大的。例如，设置有本发明的沉积层4的活塞环将不再经历如此多的磨损，将不影响其相应气缸的寿命，以及将不引起其所插入的活塞槽的可测量的磨损。

一方面，有理由认为，沉积层4将保证良好的耐磨损性，但现有技术示出，具有高硬度的层(诸如本发明的层)将分层并且磨损与其相互作用的其他发动机部件。

惊人的是，施加CVD沉积层4在滑动元件上的应用具有超出预期的结果，即使用具有高硬度的层也不会磨损与其相互作用的部件。甚至会减小滑动元件本身的磨损，具有承受更高负荷而不分层的优势。

因而，本发明构造构思已经超出了原先的预期，完全证明了是新颖的滑动元件1。因此，实现的良好结果保证了具有高硬度的滑动元件1可以存在并且延长内燃机的部件的寿命。这些部件的寿命的延长还引起发动机本身可用寿命的延长，包括具有大量更高应力的现代发动机。以该方式，通过本发明的滑动元件1实现的结果比起现有技术是如此优异的，其可以视为是商业上的成功，因此不仅可以预测其磨损，而且还可预测与其相互作用的其他发动机部件的磨损。因而，本发明不仅包括滑动元件1，而且包括包含本发明的滑动元件1的发动机。

因而，本发明的滑动元件1的清楚优势是显然的，其中，以特定方式沉积的化学元素的组合已经给出了现在没有实现过的良好结果。

已经描述了实施例的优选示例，本领域技术人员应该理解的是，本发明的范围涵盖其他变型，仅由包括可能等同结构的附随权利要求的内容限制。

Claims (12)

1.一种用于内燃机的滑动元件，所述滑动元件(1)设置有铁材料基底(2)，黏结镍层(3)以及沉积层(4)顺序施加在基底的所有表面上，其特征在于，所述沉积层(4)包括金属钨基体以及碳化钨。

2.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述沉积层(4)是依靠化学气相沉积被沉积的。

3.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述沉积层(4)具有的硬度范围为1000HV至3500HV，优选1250HV至2000HV。

4.根据权利要求3所述的滑动元件，其特征在于，所述硬度根据层深度而变化。

5.根据权利要求3所述的滑动元件，其特征在于，从所述沉积层(4)的外部至中间，所述硬度从1500HV变化至3500HV，从所述沉积层(4)的中间至其始点部分的硬度低于1500HV。

6.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述沉积层(4)设置的厚度为5至150微米之间，优选5至60微米之间。

7.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述沉积层(4)包括金属钨基体以及以下碳化钨之一或组合：WC碳化钨、W2C低碳化钨、W3C低碳化钨或者W12C低碳化钨。

8.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述沉积层(4)仅施加至所述滑动表面上以及相邻表面上。

9.根据权利要求8所述的滑动元件，其特征在于，施加至所述相邻表面的层设置的厚度为不大于施加至所述滑动表面的层的厚度的70％。

10.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述沉积层(4)仅施加至所述滑动表面。

11.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述滑动元件是活塞环、轴承、发动机气缸或者阀。

12.一种内燃机，包括前述权利要求中限定的滑动元件。