CN105793625A - 活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃机的活塞环，其包括金属基部(4)，所述金属基部(4)上涂覆有保护性涂层(5)以覆盖基部(4)的表面的至少一部分，其中所述涂层由从至少一种金属元素和铝(Al)产生的氮化物的至少一相组成，并且包括少于1.2GPa的内应力。

Description

活塞环
技术领域
本发明涉及一种活塞环，其具有包括氮化物(金属元素+氮(N))和至少一种从元素周期表的第三主族挑选的额外的金属元素的涂层。
因此而获得的活塞环展示了耐磨损和抗破碎方面的出色的特性，同时由于低水平的内应力和涂层的平均横截面面积的每平方毫米的低数量的大粒子而保持出色的抗磨性。
背景技术
氮化铬(CrN和/或Cr2N)的薄膜在内燃机的滑动构件(诸如活塞环)的外周表面上的使用提供了高度的耐磨损。这种类型的涂层广泛地用在近来发展的发动机的部件中，其中在运转期间高度的热和机械负荷占统治地位。通过由阴极电弧源产生的金属蒸汽的物理沉积而获得这样的涂层。
然而在处于极高的负荷条件下运转并且具有高度的燃烧压力级别的发动机(诸如具有涡轮压缩机的发动机)中，这种CrN和/或Cr2N陶瓷的涂层呈现出导致其表面中的微裂缝的外观的固有的易碎性。这些微裂缝传播并且其连接导致小片涂层的损失(称作“破碎”的现象)，从而在其表面中产生空白空间，并且在一些极端情况下，划伤发动机衬套。涂层在环的某些部分的缺少使开始经历严重磨损的贱金属暴露并且随后这样的部件的性能快速地削弱。
对于阴极弧等离子体沉积的广泛应用的进一步的大障碍是在涂层中出现大粒子。这些大粒子在涂层中引起导致对大体上坚硬和耐腐蚀的涂层的过早破坏的缺陷。由于大粒子自动排斥机构，大粒子的形成的不利效果包括涂层黏附力的局部损失、表面皱纹和表面缩小形成，这些中没有一个是通过摩擦应用而缓解的。
另一种类型的由掺杂TiN的涂层组成的涂层因其高氧化温度和砂轮耐磨损而用于干切削操作中。然而，如可以针对铬陶瓷观察到的，由于阴极弧加工导致的大粒子的出现危及该涂层针对活塞环应用的耐腐蚀性和抗破碎性。
存在属于现有技术的各种情况的专利，其揭示了活塞环或者具有包括氮化物(金属元素+氮(N))和至少一种额外的金属元素的涂层的其他滑动构件，然而，它们公开了与本发明相同的组成成分，并因此在作为明显减少内应力水平和涂层的平均横截面面积的每平方毫米的大粒子的数量的有益特性的功能的抗破碎、耐磨损以及耐磨度方面具有相同的性能。
英国专利第GB2259715号公开了一种活塞环连同其制造工程，所述活塞环具有金属和金属碳/氮化物的表面涂层。
该专利权的过程使用电弧离子镀锌设备，其中不具有形成碳化物或氮化物的能力的金属(诸如钴、镍或者钼)被定义为第一对象，具有形成碳化物或氮化物的能力的金属(诸如硅、钛、钒、铬、铁、锆、铌或者钨)被定义为第二对象，并且乙炔或者甲烷被供给为加工气体以在作为待涂覆工件的活塞环主体上形成薄膜，以这种方式对包括形成在活塞环的主体的至少一个滑动外表面上的硬薄膜的活塞环进行装备。这样的硬薄膜包括由不具有形成碳化物或氮化物的能力的金属和具有形成碳化物或氮化物的能力的金属的碳化物或氮化物形成的混合结构。在这样的发明的活塞环上，硬薄膜具有与主体的材料的好的黏附力或者薄膜硬度，以便即使在形成有具有大厚度的薄膜时不会趋于发生薄膜的裂缝或者脱离。硬薄膜中的碳化物或氮化物对更好的耐磨损的实现做出了贡献。由于硬薄膜的好的结构，可以减少相对的金属的磨损，趋于存在薄膜润滑的零损失以及可以提高耐腐蚀性。接着可以实现已经形成氮化物的硬薄膜。
国际专利申请第WO2008/152104号公开了一种活塞环，其包括支撑材料和由使用PVD加工而应用的三元系统A-B-N组成的耐磨损涂层，其中每种情况中的A和B代表了包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、铝、硅以及碳的组的元素，而N代表氮。耐磨损涂层的厚度为3微米。
美国专利第7.160.635号公开了基于用于在适度升高的温度中运转的基质的保护的保护性的Ti-Al-Cr的经过氮化涂层。更具体地，该涂层针对航空钛合金和固定式燃气涡轮机的部件的保护而开发，连同用于汽车应用的发动机部件、具有这样的涂层的工件以及用于制造其的方法。
美国专利申请第2009/0075114号公开了用于制造由金属或导电陶瓷材料(例如经过涂覆的、用于在机加工工具中使用的工具，或者暴露至高温的部件)组成的基质上的硬材料的保护性涂层的方法，其中，在硬保护性材料的涂覆的沉积之前，通过至少一个稀土元素的金属粒子轰击对基质进行预处理，以这种方式导致在所述基质中的所述离子中的一些的植入。
美国专利第5.154.433号公开了一种活塞环，其包括马氏体不锈钢环，所述马氏体不锈钢环具有形成在其表面的一部分上的氮化层以及通过离子电镀加工而涂覆在环的外滑动表面上的氮化钛。在该发明的实施例中的一个中，氮化钛薄膜具有在从其上表面向下逐渐增加的氮含量，在朝向上表面的方向上逐渐增加的薄膜硬度使薄膜表面的一部分比薄膜的其他部分更加易碎。而且，根据该发明的第二实施例，氮化钛薄膜具有在朝向上表面的方向上逐渐减少的氮含量，并且具有1800HV或更少的薄膜表面硬度。
美国专利第5.316.321号公开了一种非铁活塞环，其具有硬表面处理层。更具体地，所述环由钛合金制成，并且至少一个外周表面和其上下表面由氮的扩散层形成，并且其至少一个外周滑动表面通过在扩散氮层上的物理气相沉积涂覆有硬薄膜。
美国专利第6.372.369号公开了一种硬薄膜涂层，覆盖有硬薄膜的、类似于活塞环的滑动构件以及制造其的方法。
在这样的发明中，氮化层形成在活塞环上并且通过在外周表面上的氮化层上的离子弧电镀形成硬薄膜。硬层具有包括CrN和TiN的混合相的晶体结构，并且在固溶体状态下在CrN和TiN的晶体中包含氧。硬薄膜包括从百分之40至百分之75的重量的铬、从百分之10至百分之40的重量的钛、从百分之0.5至百分之15的重量的氧，其余为氮。晶体颗粒尺寸位于1μm内。硬薄膜的维氏硬度位于从1300至2300的范围中。CrN与TiN的晶体具有(200)的优选表面方位或者平行于被覆盖并且具有圆柱形结构的表面的(111)的优选表面方位，从而在薄膜表面的方向上从基部材料的圆柱的形状。处于固溶体状态下的碳可以代替氧而被包含，并且在固溶体的状态下可以包含氧和碳。CrN的下薄膜可以形成在氮化层和硬薄膜之间。
美国专利第6.161.837号公开了一种具有混合涂覆面的活塞环连同用于制造所述环的过程。环形钢的基体具有通过使用铬或氮化钛的主体的周缘面的电镀形成的下层。所述环通常被沐浴直到涂覆、平整以及移去残留的金属电镀瘤，这在下层中产生随机的微研磨。金属氮化物或者铬陶瓷的上层通过使用物理气相沉积的方式形成在下沐浴层上。
美国专利申请第US2008/0260478号公开了一种PVD涂层，并且特别地是包括高硬度、低摩擦系数以及增加的化学惰性的纳米级的多层超晶格PVD涂层。多层涂层包括由(VxMe(i-x))CyN(i-y)/(MezV(1-z))CyN(i-y)表示的重复的双层，其中0.1≦x≦0.9，0.01<y<0.99而0.1≦z≦0.9，并且Me为基本上的纯金属或者金属合金。
贯穿层的涂层的组成根据富含钒的层和富含金属的层的调制序列从层至层地替换。钒被合并到层组成内并且被建立为在滑动磨损期间用作润滑剂。碳也合并到涂层内，用来进一步地使摩擦系数稳固，因此增加化学惰性。
最后，美国专利第2012/037493号公开了一种涂层技术，其中电弧蒸发源以薄膜的形成速度上升的方式被提供，引起有在基质的方向上的磁力线。电弧蒸发源设置有：至少一个外周磁体，其以外周磁体包围对象的外周以及其磁化方向为以垂直的方式横跨对象的表面的方向的方式布置，以及后表面磁体，其布置在对象的后表面侧。后表面对象具有第一永磁体，所述第一永磁体具有不同于环的形式，其中其极性在与外周磁体的极性相同的方向上定位，后表面磁体的磁化方向在以垂直的方式横跨对象表面的方向上。
至今尚未开发有诸如具有如下的涂层的活塞环的滑动构件：通过由HiPIMS源产生的PVD(物理气相沉积)过程而应用，其中这样的涂层为由氮化物(金属元素+氮(N))和除氮化物以外的至少一个金属元素组成的多层，这展示了从低级别内应力和没有阴极弧加工所固有的大粒子的有益特性得出的抗破碎、耐磨损以及耐磨度方面的出色的性能。
发明内容
发明目的
本发明具有如下目的：具有由氮化物(金属元素+氮(N))和至少一种从元素周期表的第三主族挑选的额外的金属元素组成的涂层的活塞环。
本发明还具有如下目的：由于低水平的内应力和不具有大粒子，在保持耐磨度的出色等级的同时具有耐磨损和抗破碎方面的出色特性的活塞环。
发明的简要描述
本发明的目的通过用于内燃机的活塞环实现，其包括金属基部，在所述金属基部上涂覆有保护性涂层以覆盖基部的表面的至少一部分，其中所述涂层由从至少一种金属元素和铝(Al)产生的氮化物的至少一相组成，并且包括少于1.2GPa的内应力。
本发明的目的还通过用于内燃机的活塞环实现，其包括金属基部，在所述金属基部上涂覆有保护性涂层以覆盖基本的表面的至少一部分，其中所述涂层由氮化物(金属元素+(N))以及从元素周期表的第三主族挑选的至少一种额外的金属组成，并且包括少于涂层的平均截面面积的3×104每平方毫米的大颗粒。
本发明的目的还通过用于内燃机的活塞环实现，其包括金属基部，所述金属基部上涂覆有由CrN和CrAlN组成的保护性多层涂层，其中所述涂层包括少于涂层的平均截面面积的3×104每平方毫米的大颗粒并且通过由HiPIMS源产生的PVD(物理气相沉积)过程涂覆。
附图说明
图1为在气缸衬套内、具有三个包括在现有技术中的环的活塞的环的示意图。
图1a为图示在图1中的活塞的环中的一个的细节图。
图1b为图示在图1a中的环的细节示意图，其示出了基部金属和陶瓷涂层。
图2为包括在现有技术中的、不具有任何种类的涂层的环中发生的破碎的细节示意图。
图3为包括在现有技术中的、具有已知的陶瓷涂层的环中发生的破碎的细节示意图。
图4为包括在现有技术中的、具有陶瓷涂层的环中发生的破碎的另一个细节示意图。
图5为在气缸衬套内、具有三个作为本发明的目的的环的活塞的环的示意图。
图5a为具有三个作为本发明的目的的环的活塞的环的细节示意图。
图5b为图示在图5a中的环的细节示意图，其示出了基部金属和由发明人开发的创新的涂层。
图6A为将现有技术的活塞环与本发明的活塞环进行比较，在涂层的区域中的大粒子/液滴的百分比的图表。
图6B为现有技术和本发明的活塞环的涂层中的大粒子/液滴的直径的图表。
图6C为将现有技术的活塞环与本发明的活塞环进行比较，涂层的每个区域的大粒子/液滴的数量的图表。
图6D为现有技术和本发明的活塞环的涂层的平均磨损的图表。
图7为用于根据ASTMC162405标准的划痕试验的执行的超环面仪器(Atlasapparatus)的示意图。
图8为由现有技术的环和涂覆有CrN的本发明的环支撑的分层负荷的比较图表。
图9示出了在划痕试验后，将现有技术的环的涂层的外观与本发明的环的涂层的外观进行比较的两个图像。
具体实施方式
本发明本质上涉及用于内燃机的活塞环3，其包括金属基部4，在所述金属基部4上以至少覆盖基部4的表面的一部分的方式涂覆有特定的新的保护性涂层5。更具体地，滑动构件为压缩活塞环。
构件的金属基部4优选由铁金属(诸如铸铁或不锈钢)组成，然而，清楚的是，如果必须或者需要，可以指定其他类型的材料，只要在没有脱离本发明的保护范围而在技术上同样可行。
如在图1至图4中观察到的，已知的活塞环30具有基部40，在基部40上可以涂覆有涂层50。
图2示意性地示出了没有任何类型的涂层的环。缺少保护基部的涂层引起快速的磨损和破碎的发生。
图3和图4也示意性地示出了具有CrN和/或CR2N的涂层50的环。在一些在极度高负荷或者具有高燃烧压力级别的条件下运转的发动机中，即使具有保护性涂层的类型也会发生破碎。
主要描述作为本发明的目的的活塞环3，其包括金属基部4，在所述金属基部4上涂覆有保护性涂层以覆盖基部4的表面的至少一部分，其中涂层5包括由至少一个金属元素和铝(Al)制造的至少一个氮化物的相，并且包括小于1.2GPa的内部应力。涂层的硬度位于1500HV和2500HV之间。
优选地，涂层5为单层结构并且氮化物相中的金属元素来自元素周期表的B主族，并且具体地由CrN、NbN或者TiN组成。
在替换的实施例中，涂层5由多层结构形成，并且表面涂层通过将多个子层叠加而插入和定位，其中这样的子层中的一个由CrN组成。更具体地，涂层5包括至少第一子层11和至少第二子层12，其中第一子层11由至少一个金属陶瓷组成，而第二子层12由至少一个氮化物化合物以及额外的元素周期表的金属元素组成。
如本领域技术人员已知的，第一子层11优选由铬氮化物(包括Cr2N和CrN，或者TiN)组成，这是由于其好的摩擦特性以及整体性能。铬氮化物展示了出色的耐磨度等级，并且也可以使用TiN，这是由于其好的高氧化温度的特性以及耐磨性。
在该实施例中，最创新性的步骤为至少第二子层12的存在，所述第二子层12由至少一个氮化物化合物加上元素周期表的第三主族的金属元素(优选为铝)组成。更优选地，第二子层12由掺杂铝(Al)的CrN组成，从而确保与纳米级别的多层的结构有关的内部应力的减少，提高耐磨损和抗破碎。铬可以由诸如钛(Ti)、钼(Mo)、铌(Ni)、钒(V)的其他元素替换。
涂层5通过由HiPIMS源在至少两个(并且优选为四个)相对的对象(关于彼此以180°(或90°)的间隔定位)上的共沉积而产生的PVD(物理气相沉积)过程而涂覆在金属基部4上。
考虑到彼此之间以90°间隔而定位的四个对象的使用，优选地存在关于彼此以180°定位的两个Cr对象，以及关于彼此也以180°定位并且关于Cr对象以90°定位的两个CrAl对象。
仅仅一种类型的对象应用为单层结构。例如，四个对象的TiAl或者CrAl。
滑动构件(也就是说，活塞环)被定位在支撑基部上，所述支撑基部在具有使基质替换地暴露至两个或四个对象的目的的沉积操作期间旋转。随着基质旋转，两个对象的金属种类将被沉积并且将形成混合层。旋转速度可以以允许全部子层的整个厚度以及颗粒度的控制的目的改变。
涂层优选地具有10μm和100μm之间的厚度，然而如果必须或者需要，可以自由变化。
涂层5不必要地还包含从如下组挑选的元素：氧(O)和碳(C)形成该组的一部分，并且不超过百分之十的重量的量。
涂层5的进一步的可选步骤为主要由铬、镍或者钴组成的布置在基部4与涂层5之间的中间层。
同样主要地，作为本发明的目的的活塞环3可以描述为包括金属基部4，所述金属基部4上涂覆有保护性涂层以覆盖基部4的外表面的至少一部分，其中涂层5由氮化物(金属元素+氮(N))以及从元素周期表的第三主族挑选的至少一个额外的金属元素组成，包括少于材料涂层的分析结果的平均截面面积的3×104每平方毫米的大颗粒。优选地，额外的金属元素为铝(Al)，然而可以是来自铝IIIA族的其他元素，诸如铟(In)、硼(B)以及镓(Ga)。
在图6A至图6D中图示的图表示出了作为本发明的目的的活塞环的两个变体的液滴的分析结果，并且其益处可以在与属于具有常规的CrN涂层的技术的状态的活塞环的比较中容易地观察到。
当与现有技术的CrN环的几乎1.2％比较时，图6A中的图表清楚地示出了本发明的两个变体的大粒子/液滴区域的减少(分别几乎0.08％(本发明的变体2)以及几乎0.75％(本发明的变体1))。
以同样的方式，图6B中的图表示出了本发明的变体2的大颗粒/液滴的直径(以微米计算)的减少(相比于现有技术的CrN环的几乎0.81μm为几乎0.57μm)。在该具体的分析结果中，本发明的变体1关于具有略微更大的直径(几乎0.82μm)的现有技术的环没有展示出优势。
图6C中的图表示出了大粒子/液滴的数量与涂层的面积的比率(以液滴的数量每平方微米计算)的减少。然而现有技术的CrN的涂层示出了约为0.058的比率，本发明的变体1和变体2示出了更小的数值，分别约为0.014和0.003。
最后，图6D中的图表涉及主要的磨损(以微米计算)，该磨损在涂覆有常规的CrN的环上从大约5.3μm减少至3μm(本发明的变体1)和2.5μm(本发明的变体2)。
执行划痕试验以分析本发明的活塞环3的相比于具有常规的CrN涂层的活塞环的性能。示意性地图示在图7中的划痕试验在符合ASTMC162405标准的超环面仪器上进行。
在这样的试验中，触控笔被强迫在必须被试验的、具有涂层的样本上滑动，同时负荷FN垂直于位移而施加。在触控笔滑动的同时，负荷逐渐增加直到发生涂层的分层。此处清楚地观察到作为本发明的目的的环的涂层5的优势。
图8中图示的、图示出在触控笔位移期间由涂层支撑的分层负荷(以牛顿计算)的图表示出了涂覆有现有技术的CrN的、在分层之前支撑大约100N的负荷的环。
从比较来看，本发明的变体1在分层前支撑150N(关于现有技术的环多了大约50％)。由于没有分层而支承180N的负荷(设备的最大能力)，本发明的变体2表现得更好。
已经描述了优选实施例的示例，应当理解的是，本发明的范围包括其他可能的变化，并且仅由本文所附的权利要求的内容、包括其中的潜在的等同方式限定。

Claims (21)

1.一种用于内燃机的活塞环，其包括金属基部(4)，所述金属基部(4)上涂覆有保护性涂层(5)以覆盖基部(4)的表面的至少一部分，其特征在于所述涂层由从至少一种金属元素和铝(Al)产生的氮化物的至少一相组成，并且包括少于1.2GPa的内应力。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于氮化物相中的所述金属元素来自包括铝(Al)、硼(B)以及镓(Ga)的元素周期表的B族。
3.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)为多层结构。
4.根据权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于所述氮化物相由CrN、TiN或者NbN组成。
5.根据权利要求1和2所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)具有多层结构，其中通过使多个子层重叠而将表面涂层插入、定位，其中这样的子层中的一个由CrN组成。
6.根据前面的权利要求中的任一项所述的活塞环，其特征在于所述涂层通过由HiPIMS源产生的PVD(物理气相沉积)过程涂覆。
7.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于所述保护性涂层包括少于涂层的平均截面面积的3×104每平方毫米的大颗粒。
8.根据权利要求1和5所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)包含从如下组挑选的元素：氧(O)和碳(C)形成该组的一部分，并且不超过百分之十的重量的量。
9.根据权利要求1至8所述的活塞环，其特征在于所述涂层的硬度在1500HV和2500HV之间。
10.根据权利要求1至8所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)具有10μm和100μm之间的厚度以及减小的尺寸和大粒子的数量。
11.根据权利要求1至8所述的活塞环，其特征在于其包括主要由铬、镍或者钴组成的、布置在所述基部(4)和所述涂层(5)之间的中间层。
12.根据前面的权利要求中的任一项所述的活塞环，其特征在于其为压缩环。
13.一种用于内燃机的活塞环，其包括金属基部(4)，所述金属基部(4)上涂覆有保护性涂层(5)以覆盖基部(4)的外部表面的至少一部分，其特征在于所述涂层(5)为多层，所述多层由氮化物(金属元素+氮(N))和铬的氮化物以及从元素周期表的第三主族挑选的金属元素组成，不具有大粒子并且具有少于1.2GPa的内应力，并且层的周期性少于10nm。
14.根据权利要求13所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)为多层结构。
15.根据权利要求13所述的活塞环，其特征在于氮化物相由CrN、NbN或者TiN组成。
16.根据权利要求13、14或者15所述的活塞环，其特征在于附加的金属元素为铝(Al)。
17.根据权利要求13、14、15或者16所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)通过由HiPIMS源产生的PVD(物理气相沉积)过程涂覆。
18.根据权利要求13至17所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)的硬度在1500HV和2500HV之间。
19.根据权利要求13至18所述的活塞环，其特征在于所述涂层(5)具有10μm和100μm之间的厚度并且不具有大粒子。
20.一种用于内燃机的活塞环，其包括金属基部(4)，所述金属基部(4)上涂覆有保护性涂层(5)，所述保护性涂层(5)由CrAlN组成，其特征在于所述涂层(5)包括通过由阴极弧源产生的PVD(物理气相沉积)过程涂覆的涂层的平均截面面积的5×102与3×104之间的每平方毫米的大颗粒。
21.根据权利要求13和20所述的活塞环，其特征在于其包括主要由铬、镍或者钴组成的、布置在基部(4)和所述涂层(5)之间的中间层。
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