CN106050466B - 用于内燃机的活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃机的活塞环(1)，设置有基本上环形的铁合金的基体(2)，所述基体(2)上涂覆有包括第一结合层(10)和至少第一外层(11)或第二外层(12)的涂层(4)，所述第一外层(11)和所述第二外层(12)沉积在所述第一结合层(10)上，多个相继沉积的第一和第二外层(11，12)达到最大100微米的厚度，从而由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而在活塞环(1)上提供出色的耐磨性。

Description

用于内燃机的活塞环
技术领域
本发明涉及用于内燃机的活塞环，其中至少活塞环的基体设置有由氮化物组成的多层涂层，所述涂层通过物理气相沉积的工序涂覆并且由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而提供出色的耐磨性。
背景技术
内燃机基本上由两个主要部分组成：发动机机体(设置有一个或多个气缸)以及曲柄轴组件或者连接有一个或多个盖的曲柄轴组件。曲柄轴组件包含活塞、连接杆以及曲柄轴，该组件负责活塞在发动机机体的气缸内的位移。活塞为气缸的一部分，作为一种规则由金属基体组成，并且包括一个或多个环，所述环负责在活塞的外边缘与气缸的内壁之间提供滑动密封。
作为一种规则，更多的当代四冲程发动机在每个活塞上利用三个环，两个压缩环和一个油环。两个最靠近活塞头定位的环被命名为压缩环并且用于在活塞进行压缩运动时防止气体混合物泄漏至曲柄箱的内部。活塞的第三个环被命名为油环并且具有从气缸壁刮过多的油的目的，从而控制油膜的厚度。
通常，活塞环由金属外部基体形成，所述金属外部基体涂覆有至少一层适于与气缸壁接触的涂层。由于力图赋予环低滑动摩擦、高耐磨性、硬度和韧性的特性的事实，所以涂层的功能是非常重要的。
作为一种规则，涂层的涂覆通过离子镀膜工序进行，特别是物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或者通过电镀工序进行。
在用于涂覆活塞环的工序中，物理气相沉积(PVD)工序体现了令人感兴趣的益处，例如，工序以非常低的工作压力操作的可能性、为高纯度材料的烧结提供可行性、由于通过离子撞击而“清洁”基体的表面的可能性而提高涂层与基体的粘和性；统一的涂层厚度、涂层的晶体结构的控制、因在多数情况中不涉及有毒产品或者溶液并且沉积温度相对低的事实，无论如何不会使用污水或污染物。
用于物理气相沉积(PVD)的基本工序已知为蒸镀和溅镀。阴极电弧(蒸镀)产生目标阴极的粗略的微熔化，从而对液体的液滴或大粒子(在阴极电弧工序中产生的液体颗粒或者固体碎片)进行溅镀。这些大粒子可以改变尺寸至大约100纳米，这些大粒子的平均直径在5纳米和30纳米之间，并且影响涂层的诸如摩擦、耐磨性、耐腐蚀性、电阻率以及反射率的许多特性。
耐腐蚀性，例如，在大粒子合并到涂层中时被折中，有可能被认为在密集和连续的涂层中中断。作为一种规则，考虑工作的一个可能的过程而使用过滤，然而这些过滤减少了沉积率并且增加了复杂性和设备成本。
PVD溅镀过程是涉及从源头喷射原子或分子的不加热汽化。该技术的演化，例如，高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)方法，为获得缺少密集的大粒子的涂层提供可能性，从而为其应用至活塞环提供可行性。
在目前，现有技术的活塞环设置有外部基体或者滑动基体，所述外部基体或者滑动基体设置有氮化铬(CrN)的单层涂层，从而提供耐磨性。该涂层由阴极电弧PVD工序获得。
当用于具有高负荷和高燃烧压力水平的发动机中时，该涂层呈现出脆弱的性能，导致由于高内应力在活塞环的基体中出现细微裂缝。这些细微裂缝传播，导致涂层的小片的脱落，在基体中产生空白，并且甚至可能使气缸衬套的表面出现伤痕。
而且，除了产生粗糙的表面并且导致滑动基体的孔隙率降低这些对于活塞环涂层而言不期望的效果，如上所述，存在形成大粒子的可能性，具有导致基体上的涂层的粘和性损失的可能性。
与本发明具有相同的所有权人的现有技术文献PI 1102335-0以及PI 1102336-8揭露了用于在设置有用于内燃机的滑动表面的元件上获得单层涂层的高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)工序。这样的沉积工序除了低内应力还赋予高耐磨性。
应当注意的是，现有技术中出现的涂层为单层型，也就是说只有一个沉积层。根据沉积工序，单层涂层呈现出或多或少的耐磨性，然而没有呈现出足够的强度而且没有呈现出适于应用在高负荷发动机的活塞上。
因此，需要提供活塞环的获得，其中至少活塞环的基体设置有由氮化物组成的多层涂层，所述涂层由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而提供出色的耐磨性。
发明内容
发明目的
本发明的目的是提供一种活塞环，所述活塞环包括设置有由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而确保出色的耐磨性的多层涂层的基体。
本发明另外的目的是提供一种活塞环，所述活塞环包括基体，所述基体设置有由金属氮化物组成的涂层，所述涂层可通过阴极电弧沉积工序或者通过物理气相沉积(PVD)工序，通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)的方法涂覆。
发明的简要描述
本发明的目的通过用于内燃机的、设置有基本上环形的铁合金的基体的活塞环实现，所述基体上涂覆有包括第一结合层和至少第一或第二外层的涂层，所述第一和第二外层沉积在第一结合层上，多个相继沉积的第一和第二外层达到最大100微米的厚度，第一外层由掺杂的金属化学元素(x)的氮化物组成，掺杂的元素为铝(Al)，第二外层由金属化学元素(x)的氮化物组成，第一外层设置有至少大于第二外层的厚度的一倍且小于第二外层的厚度的十倍的厚度。
本发明的目的还通过包括从铬(Cr)或者钛(Ti)或者铌(Nb)中选择的金属化学元素(x)的活塞环实现，第一和第二外层设置有1和200纳米之间的厚度，涂层包括沉积在第一结合层上的第二结合层，第一结合层由铬(Cr)或者CrAl组成，而第二结合层由CrAlN或者氮化铬(CrN)组成，涂层由第一和第二结合层以及第一和第二外层组成，呈现出1800和2500HV(维氏硬度)之间的硬度，3％至6％的孔隙率以及200和700MPa(兆帕)之间的内应力。
本发明的目的额外地通过用于获得内燃机的活塞环的工序实现，涂层包括第一结合层，第二结合层，第一外层以及第二外层，涂层通过阴极电弧沉积工序沉积，或者通过物理气相沉积(PVD)工序沉积，通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)的方法。
而且，本发明的目的通过包括至少一个如上所限定的活塞环的内燃机实现。
附图说明
基于在附图中体现的实施例的示例将更加详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了本发明的活塞环的上视图及其组成部分；
图2示出了涂覆至本发明的活塞环的涂层的描绘；
图3示出了本发明的涂层的沉积的工序的结构描绘；
图4示出了本发明的工序的阶段的流程图；
图5示出了用于现有技术的活塞环与本发明的活塞环之间的磨损评估的比较测试的图标描绘；
图6示出了用于现有技术的活塞环与本发明的活塞环之间的已完成的磨损的评估的比较测试的图标描绘。
具体实施方式
本发明涉及用于内燃机的活塞环1，所述活塞环1设置有基本上环形的铁合金的基体2，所述基体2上涂覆有多层涂层4，所述多层涂层4包括第一结合层10和至少沉积在第一结合层10上的第一外层11或第二外层12，多个后续沉积的第一外层11和第二外层12的厚度最大可达100微米，从而由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而在活塞环1上提供出色的耐磨性。
为了本发明的恰当的理解，需要参照用于内燃机的活塞环1的使用以及参照用于在活塞环1上涂覆涂层4所使用的工序提供初始的说明。
以通常的方式，活塞环1为自膨胀元件，也就是说是具有高膨胀力、具有作为其目的的提升内燃机的燃烧室的气体密封、连通进行气缸的壁上的润滑油膜控制，并用作从活塞箱气缸传递热的元件的弹性元件。
活塞环1在工作状态下经受可能的最有害的条件，这能够使其经受过早的磨损。在该磨损的主要原因中可提到的尤其是不足的润滑，在高负荷下工作的发动机在许多其他因素中通过磨损或划伤而将活塞环的表面暴露至磨损的恶劣的工序。
具有将磨损最小化并且延长活塞环1的使用寿命的目的，在外部工作表面通常使用包括比环1的材料硬和耐磨的材料的覆盖物或涂层。
这些涂层通常通过离子涂覆工序沉积。在这些工序中，物理气相沉积(PVD)被广泛应用。
PVD工序是原子沉积，其中沉积材料被从处于原子或分子的固体源通过低压气体(等离子)在活塞环1的外部接触基体的方向上汽化，在表面上冷凝。基体的涂层的形成取决于汽化的材料和基体的材料，基体的状态，使用的能量(温度和离子撞击)和氛围(化学反应，反应沉积等)。
在这方面，本发明公开了包括涂层4的活塞环1，所述涂层4具有作为必要特征的多层构造，也就是说多层相继沉积到一定厚度从而提供出色的耐磨性。该涂层4优选但不强制由通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)的方法的物理蒸发沉积(PVD)工序涂覆，并且也可以通过阴极电弧沉积工序涂覆。
本发明的活塞环1允许第一优选、但不强制的构造，其中环1设置有基本上环形的铁合金的基体2，在基体2上涂覆有涂层4，所述涂层4包括第一结合层10和至少沉积在第一结合层10上的第一外层11或第二外层12，多个后续沉积的第一外层11和第二外层12的厚度最大可达100微米(参见图1和图2)。
第一外层11由掺杂的金属化学元素(x)的氮化物组成，掺杂的元素为铝(Al)，而第二外层12由金属化学元素(x)的氮化物组成。
金属化学元素(x)从铬(Cr)、钛(Ti)或者铌(Nb)中挑选。因此，第一外层11由掺杂的氮化铬(CrAlN)组成，而第二外层12由氮化铬(CrN)组成。以同样的方式，如果使用钛，则第一外层11由掺杂的氮化钛(TiAlN)组成，而第二外层12由氮化钛(TiN)组成。使用铌，则第一外层11由掺杂的氮化铌(NbAlN)组成，而第二外层12由氮化铌(NbN)组成。
本发明的活塞环1的涂层4还包括沉积在第一结合层10上的第二结合层20的沉积。第一结合层10由铬(Cr)或者CrAl组成，而第二结合层20由CrAlN或者氮化铬(CrN)组成。
第一结合层10与第二结合层20，如它们的名字所指示的，在由软的铁材料组成的基体2与由硬材料组成的涂层4之间提供结合，进行从软材料向硬材料的过渡，确保涂层4与基体2的粘和性。应当注意的是，第二结合层20的沉积是可选的。在这种情况下，涂层4仅包括第一结合层10。
涂层4包括10微米和100微米之间的厚度，以便第一外层11与第二外层12设置有在纳米序列的范围上的厚度，为1纳米的厚度，可选为2纳米，可选为3纳米，可选为10纳米，可选为直到200纳米的任何尺寸变化。
第一外层11设置有大于第二外层12的厚度的至少一倍，直至最大十倍的厚度，导致接下来的厚度表达式：1<XAlN/XN<10，也就是说第一外层11(XAlN)与第二外层12(XN)的厚度之间的比率应大于1且小于10。
从所描述的表达式，理解了第一外层11应具有超过第二外层12的厚度的厚度。该事实由于第一外层11包括提供低的或无氧化以及高延展性的掺杂的元素铝(Al)的事实而发生。这样的特性在铝(Al)上提供更大的弹性变形能力，以这种方式能够吸收应力并且增加耐磨性。以这种方式，由于更厚的涂层14的第一外层11由铝(Al)组成的事实，以外涂层11、12的形式出现的涂层4提供高耐磨性和低内应力。
此外，涂层4包括第一外层11和具有周期性地相继沉积的第二外层12，这可扩展至数千层，包括从第一外层11和第二外层12的两个沉积层，三个沉积层，四个沉积层，五个沉积层，六个沉积层，100个沉积层，500个沉积层，1000个沉积层等。涂层4的最终沉积层将会是第一外层11或第二外层12。
通过本发明实现的主要技术效果基于这些层用作消灭涂层4中的裂缝的传播的界面或屏障的事实，以这种方式从与基体2脱离的方面增加了涂层4的阻抗。
在优选的构造中，本发明的PVD涂覆工序在真空反应器中进行，所述真空反应器包括阴极或者非平衡磁控溅镀的材料源(UMB)以及高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)，UMB与HiPIMS阴极同时对涂层材料的供给起作用。
HiPIMS沉积工序利用存在于基本上增加使离子到达涂层4的生长所发生的金属基体2的能量(更大的速度)的现象，观测到涂层4的结构和组织上的可观的变型。
在转变为氮化物之前，HiPIMS沉积工序还允许材料的离子化，即通常的金属(Cr、Ti、Mo、Nb、Al等)的离子化。对其而言，金属离子撞向涂层4的表面的高能量加速允许在涂层4的生长期间获得涂层4的松弛，无需损失其硬度。
作为形成涂层4的离子的高能量的自然后果，尤其是HiPIMS工序，发生涂层4的显著的密集化，导致孔隙率的降低以及在基体2上的离子的出色的粘和性。
而且，该工序允许另一个益处，为涂层4的生长免于液滴(小粒子)提供可能性。因此，用于涂层4的沉积的HiPIMS工序允许实现出色的摩擦特性，诸如耐磨性和抗脱离性。
从图3能够看出本发明的PVD涂覆工序包括至少两个阴极，即，沉积铝化铬(CrAl)的UMB阴极，以及包括铬金属(Cr)的沉积、构造在涂层4的外层11、12的沉积中所需的交替的HiPIMS阴极。
在另一个可能的构造中，本发明的PVD工序包括三个阴极，即，沉积铝化铬(CrAl)的两个UMB阴极，以及执行铬金属(Cr)的沉积的HiPIMS阴极。
PVD工序还允许包括四个阴极的第三种可能的构造，即，两个UMB阴极，沉积铝化铬(CrAl)的HiPIMS阴极，以及执行铬金属(Cr)的沉积的第二个HiPIMS阴极。
应当注意的是，真空反应器包含偶数或奇数数量的阴极，依据每个项目和需要，在一个、两个、三个、四个、五个、六个等之间选择阴极。
以这种方式，本发明的涂覆工序允许以替换材料的纳米比例进行外层11、12的沉积，从而改善抗氧化特性，在工序参数的调整的同时导致低内应力，改善碎片的阻抗以及涂层的脱离。
优选地，本发明的PVD工序包括设置有四个阴极的真空反应器，至少一个HiPIMS阴极，以及涂层4的涂覆的五个阶段(参见图4)。它们是：
阶段1。对活塞环1进行化学清洁并安装在真空反应器中。在将活塞环1安装在反应器中之前，通过化学溶液对环1的基体2的表面进行清洁，将其表面的全部油质移除。
阶段2。反应器的撞击和加热。为了防止任何的污染，活塞环1必须被除气。阶段2包括在低于0.00007mbar(毫巴)下持续90分钟的达到400摄氏度的温度。
阶段3。由HiPIMS阴极提供的活塞环1的离子酸洗，以清洁基体2的表面。涂覆等离子与基体2的表面之间的偏电压在待涂覆的表面上提供铬(Cr+)的撞击，这样的工序通过表面的溅镀提供。阶段3发生在纯氩气以及5rpm(转每分钟)的恒转速，达到400摄氏度的温度，0.001mbar(毫巴)的压力，5.5kW(千瓦)和100Hz(赫兹)的铬的脉冲频率，-0.1V(伏特)的偏电压以及30分钟的持续时间的氛围下。
阶段4。设置在活塞环1的基体2上的多层涂层4的涂覆。铝化铬(CrAl)和铬(Cr)阴极交替定位，在环1的基体2的外表面上沉积三重材料(CrAlN)，第一外层11、以及二元材料(CrN)，第二外层12。应当注意的是，铬(Cr+)负责沉积在表面上的涂层4的离子撞击，缓解涂层4的应力。
可替代地，能够仅包括沉积在第一结合层10(Cr)上的第二结合层20(CrAlN)而执行阶段4，第二结合层20用作外层11、12的涂覆的支撑层。在该构造中，第二结合层20通过氮化铬(CrN)的阴极溅镀。
阶段4发生在包括在400摄氏度与420摄氏度之间的温度的50％的氩气和氮气的混合物和0.0022mbar(毫巴)的压力的氛围中。UBM阴极使用8.0kW(千瓦)和23.0Hz(赫兹)的脉冲频率沉积铝化铬(CrAl)，第一HiPIMS阴极使用8.0kW(千瓦)和400Hz(赫兹)的频率沉积铬(Cr)，而第二HiPIMS阴极使用8.0kW(千瓦)和400Hz(赫兹)的频率沉积铝化铬(CrAl)。阶段4还通过-65V(伏特)的偏电压发生，并且具有600分钟的平均持续时间，根据所沉积的涂层4的最终厚度变化。
阶段5。对活塞环1进行冷却和卸荷。在完成涂层4的涂覆后，活塞环1被保持在真空反应器内以便系统冷却至100摄氏度以下，然后移去环1并使用待涂覆的新环1重新开始涂覆工序。阶段5初始处于420摄氏度的温度直到达到环境温度，处于对大气压力0.0022mbar(毫巴)的压力，持续90分钟。
已经在发动机上进行测试以评估本发明的活塞环1的耐磨性以及涂层4与活塞环1的基体2的粘和性。测试在安装在高负荷柴油发动机中的本发明的三个活塞环1上以及安装在高速柴油发动机中的本发明的两个活塞环1上执行。
第一磨损评估测试在高负荷柴油发动机中执行，并且环1在测力计中被递送至加速的热冲击测试超过250小时，其中发动机的机体和气缸衬套的热变形的状态，除了油膜的破裂的恶劣状态，在环1的工作表面上尤其观察到。应当进一步注意的是，为了尽可能地最小化所涉及的变化，气缸衬套与活塞环1从相同的生产批次获得。
图5表现了上述对比磨损评估测试的图标结果，现有技术I为设置有包括由阴极电弧沉积的氮化铬(CrN)的单层涂层4，同时现有技术II包括与现有技术I的涂层类似的涂层4，但是通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)沉积。
图5的图标额外表现了在提供有多层涂层4的构造I下的本发明的活塞环1，所述多层涂层4包括通过阴极电弧沉积的掺杂有铝的铬(CrAlN)和氮化铬(CrN)的相继沉积的外层11、12；并且构造II包括与构造I的涂层类似的涂层4，然而通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)沉积。
在现有技术I和II的活塞环1表现出大约4.0微米的磨损的基础上，从图5能够清楚地看出本发明的活塞环1相对于现有技术表现了最小的磨损，然而本发明的构造I和构造II分别表现出3.5微米和2.3微米的磨损。以这种方式，本发明的活塞环1的构造II相对于现有技术I和II表现出小于大约50％的磨损。对其而言，本发明的构造I虽然没有清楚地产生与本发明的构造II一样好的结果，但无论产生的满意的结构，对于在内燃机中的应用而言，相对于现有技术证明了大大的益处。
第二测试在高速柴油机中执行了超过500小时，使用如现有技术II的设置有包括掺杂有钛的氮化钛(TiAlN)的多层涂层4的活塞环1和在构造II中的本发明的活塞环1。再一次，本发明的活塞环1产生出色的结果，揭露了2.3微米的磨损，同时现有技术III的环1表现出20.1微米的磨损。以这种方式，本发明的环1相比于现有技术III的环1(参见图6)表现出小于大约80％的磨损。
而且，现有技术I、II以及III的活塞环表现出涂层4从基体2的脱离，同时本发明的活塞环1确保了涂层4与基体2的粘和性。
还需要注意的是，通过1800和2500HV(维氏硬度)之间的硬度和200和700MPa(兆帕斯卡)之间的内应力，优选300和600Mpa(兆帕斯卡)之间的内应力，本发明的活塞环1的涂层4表现出小于6％的孔隙率，优选表现出3％的孔隙率。
本发明的PVD工序的具体布置，连同工序的参数和材料的选择允许获得具有达到60微米的厚度的涂层，不会损害涂层的结构和机械强度。
本发明的活塞环1设置有具有高耐磨性、低应力的涂层4，以这种方式防止了大粒子或者结构的不连续的形成，导致对碎片的高阻抗以及防止涂层4从活塞环1的基体脱离。
已经描述了优选实施例的示例，应当理解的是，本发明的范围覆盖其他可能的变型，仅由所附的权利要求的内容限定，其中包括可能的等同替代方式。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的活塞环(1)，其设置有环形的、铁合金的基体(2)，在所述基体上涂覆有包括第一结合层(10)的涂层(4)，所述环(1)其特征在于所述涂层(4)额外包括：
第一外层(11)和第二外层(12)，所述第一外层(11)和所述第二外层(12)沉积在所述第一结合层(10)上，多个相继沉积的第一外层(11)和第二外层(12)达到最大100微米的厚度，
所述第一外层(11)由掺杂的金属化学元素(x)的氮化物组成，所述掺杂的元素为铝(Al)，
所述第二外层(12)由该金属化学元素(x)的氮化物组成，
所述第一外层(11)设置有至少大于所述第二外层(12)的厚度的一倍且小于所述第二外层(12)的厚度的十倍的厚度，
所述涂层(4)包括沉积在所述第一结合层(10)上的第二结合层(20)，所述第一结合层(10)由铬(Cr)或者CrAl组成，而所述第二结合层(20)由CrAlN或者氮化铬(CrN)组成，所述涂层(4)由所述第一结合层(10)和所述第二结合层(20)以及所述第一外层(11)和所述第二外层(12)组成，呈现出1800HV(维氏硬度)和2500HV(维氏硬度)之间的硬度。
2.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于所述金属化学元素(x)从铬(Cr)或者钛(Ti)或者铌(Nb)中选择。
3.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于所述第一外层(11)和所述第二外层(12)分别设置有1纳米到200纳米之间的厚度。
4.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于所述涂层(4)呈现出3％至6％的孔隙率。
5.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于所述涂层(4)呈现出200MPa(兆帕)和700MPa(兆帕)之间的内应力。
6.一种用于获得如权利要求1所述的用于内燃机的活塞环(1)的工序，其特征在于涂层(4)通过阴极电弧沉积工序沉积，或者通过物理气相沉积(PVD)工序沉积，通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)的方法。
7.一种内燃机，其特征在于其包括至少一个如权利要求1所限定的活塞环(1)。
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