CN107013360A - 滑动元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞圈(10)，其包括硬非晶碳涂层(15)，Rmr(0.3‑0.5)轮廓大于至少25％，和/或Rmr(0.3‑0.5)轮廓大于至少50％。

Description

滑动元件
技术领域
本发明涉及一种滑动元件，诸如用于内燃机的活塞圈，其包括设置有粗糙轮廓的硬非晶碳涂层，粗糙轮廓能够在其滑动界面上带来减小的摩擦，以及减小磨损。
背景技术
无论是具有狄塞尔循环、奥托循环、两个或者三个冲程的内燃机，均包括至少一个滑动元件，诸如活塞圈。
在这方面，活塞圈的作用为密封气缸衬套和活塞主体之间的空间，隔绝燃烧室与发动机的其他内部部件。活塞圈径向布置在活塞主体的基底上，防止燃烧气体从燃烧室朝向油箱逃离，以及防止发动机油渗透燃烧室。
一些内燃机利用迪塞尔循环操作发动机，利用高负荷工作。其他例子可以发现在高性能汽油发动机中。独立于引证的例子，存在的趋势是发动机以高速利用较高功率、降低的间隙操作，结果，受到严重的磨损机制。一旦其机械部件经受这种条件，这种条件自然更严厉。在这方面，在这些高功率或者性能发动机中利用的圈需要低摩擦、高硬度以及高磨损阻力。
此外，需要着重强调的是，当与性能以及耐久性的重大需要一起考虑时，内燃机的环境冲击以一般方式导致需要利用更紧容差工作，这自然转化成利用越来越薄的润滑油层。正如下文将看到的，已经具体地开发了本发明，以提供解决方案，利用占主导地位的较少的粘性油实现了良好性能。
在现有技术中陈述的活塞圈大致包括硬非晶碳涂层，还公知为DLC(钻石碳)或者氢化DLC无氢纳米结构，正如用于实现低摩擦以及高磨损阻力的方案。
总之，现有技术的解决方案将DLC涂层应用于合并sp3以及sp2键的成分。不过，必须注意的是，由于sp3键的高尺寸稳定性，其硬度超过利用sp2键发现的硬度。基于该原因，现有技术的各种解决方案使用涂覆有sp2薄层(石墨类型)的sp3DLC层(钻石类型)。
为了更好地理解，凭借非常软以及润滑剂，sp2层被利用以允许活塞圈嵌入气缸衬套内并且防止sp3层直接接触气缸衬套。这种考虑是极其有效的，凭借的事实是，除了sp3层会刻痕气缸衬套的事实，存在于sp3层的应力浓度非常高，使得其会生成灾难性后果：刻痕气缸衬套，以及涂层会发生破裂以及传播，结果导致发动机的工作寿命减少。
专利文献WO2010133633显示了一种活塞圈，其设置有ta-C类型DLC涂层，具有的厚度超过10微米并且具有至少一个残余应力梯度以赋予经受应力的部件耐久性以及低摩擦。应该注意的是，沉积在DLC涂层的固有的高内应力导致在该技术领域需要查找解决方案。不过，虽然降低了残余应力，但该方案未完全解决问题，因为事实上活塞圈与衬套的接触界面依靠轮廓继续发生，例如，这不确保气缸衬套不遭受现有技术的解决方案的典型磨损。
文献US2013/0140776描述了一种设置有厚度也超过10微米的ta-C类型的DLC涂层的活塞圈，涂层包含的抛光层具有的厚度从1至3微米，其中，sp3的质量减小至小于40％的值，以确保较大质量的sp2存在于该用于将圈嵌入气缸内的第二层中。
虽然现有技术的解决方案关注的是确保低摩擦以及高耐久性，但是发现的所有方案都需要界面或者存在元件，界面或者存在元件诸如能够使较软层嵌入圈的滑动区域，或者添加带来这种效果的金属。此外，在现有技术中存在可替换物，鉴于涂层遭受的高内应力以及高硬度，通过降低内应力，来维持涂层的完整性功能。
独立于现有技术的文献显示的努力，在抛光产品中还未发现生成良好结果的解决方案，即不需要嵌入相应气缸衬套内并且同时利用非常小的间隙工作的活塞圈。
结果，需要找到一种滑动元件，诸如活塞圈，其包括ta-C类型的硬非晶碳涂层，设置有粗糙轮廓，能够降低其滑动界面的摩擦，同时能够减小磨损。
发明目的
本发明的目的是提供一种滑动元件，诸如用于内燃机的活塞圈，尤其利用高负荷和/或功率操作的发动机，该活塞圈包括非晶碳涂层，其设置有粗糙轮廓，能够降低其滑动界面的摩擦，同时能够依靠降低波峰以及最大化波谷而减小活塞圈以及气缸衬套的磨损。
此外，本发明的目的是提供一种活塞圈，其设置有能够利用非常小间隙以及具有高耐久性的油薄膜作业的涂层。
此外，本发明的目的是提供一种能够利用非常小间隙以及油膜作业的活塞圈。
最后，本发明的目的是提供一种硬度超过4000HV(维氏硬度)的活塞圈，其不刻痕气缸衬套，其硬度相当低，大致小于700HV(维氏硬度)或者甚至250至300HV。
发明内容
本发明的目的通过滑动元件、尤其通过用于内燃机的活塞圈实现，该活塞圈设置有滑动面，粘接层和硬非晶碳涂层从内朝外沉积在滑动面上，粘接层和硬非晶碳涂层具有的Rmr(0.2-0.5)轮廓大于至少25％，和/或Rmr(0.3-0.5)轮廓超过至少50％。
此外本发明的目的是通过包括至少一个上文限定的活塞圈的内燃机实现的。
附图说明
下文中，将在附图表示的实施例的示例的基础上更详细描述本发明。附图示出了：
图1是活塞圈配置在内燃机的气缸内部内的示意图；
图2是活塞圈的截面，显示本发明的涂层的结构；
图3是示出气缸衬套和现有技术中涂层式活塞圈的波峰的接触点的图表；
图4是气缸衬套和本发明的涂层式活塞圈的平台的接触点的图表；
图5是例举源自于具有低Rmr值的表面的结果的图；
图6是例举源自于具有低Rmr值的表面的结果的图；
图7是示出现有技术以及本发明中根据Rmr值的函数的摩擦结果的图表；以及
图8是示出根据Rmr值的函数的各种类型非晶碳涂层的圈以及气缸衬套的磨损的图表。
具体实施方式
本发明涉及一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞圈10，其包括ta-C类型的硬非晶碳涂层15，该涂层呈现粗糙轮廓，具有的Rmr(0.3-0.5)值大于至少25％和/或Rmr(0.3-0.5)值大于至少50％。
正如下文将看到的，粗糙轮廓具有平台18的优势，当连同诸如本发明的非晶碳涂层利用时，产生优于现有技术的滑动元件的性能。
在开始时，必须陈述的是，本发明的滑动元件优选是用于利用高负荷和/或功率操作的内燃机的活塞圈10。通常这些活塞圈10利用非常小间隙以及油薄膜作业，以确保良好性能以及较低释放CO2。
作为主要特性，本发明的活塞圈10具有的作为主要特性的低摩擦涂层15是基于具有高耐久性的碳结构，其结果是源自于涂层表面特别开发的形貌。
本发明的圈10包括设置有滑动面11的金属基底，优选由铸铁、钢、不锈钢构成，包含10％至17％的铬或者碳钢。滑动面11朝向接触气缸衬套20的区域定位，并且涂层15沉积在滑动面11上。在优选构造中，滑动面11从内朝外接收粘接层14和ta-C类型的硬非晶碳的涂层15(见图1和图2)。
粘接层14的目的是，收纳圈10的金属结构和非晶碳涂层15之间的应力，其内应力非常高，以这种方式确保功能涂层15和金属基底之间的良好粘接。以优选方式，但是非强制性的，粘接层14由铬构成的体心立方(bcc)多晶柱结构形成，其厚度为0.5和1微米之间。在可替换优选构造中，粘接层可以由镍或者钴构成。此外，粘接层14通过气相沉积处理从金属源沉积。
相反，图2示出的抗摩擦层为涂层15，下文这样指代，其由没有或者基本没有氢的完全非晶碳(DLC)组成，具有占主导地位的sp3质量。相对于不存在氢，重要的是，需要注意其重量小于2％。
关于sp3与sp2的比例，必须注意的是，在优选构造中，其比例包括超过50％的sp3键，其特征为ta-C涂层15。在可替换优选构造中，sp3的百分比范围为55％至70％。换句话说，sp3与sp2的比例范围为0.42至2.33，因此，在第二可替换优选构造中，该比例范围为0.70至1.50。在该优选构造中，大量sp3在涂层15中，大于50％，其目的是确保发动机作业条件的耐久性，由于事实上对于内燃机热稳定性来说sp3的质量是重要的，考虑到发动机中的高热负荷可以引起sp3(钻石类型)转化为sp2(石墨类型)。
此外，本发明的膜的总厚度范围在2和25微米之间，优选在3和7微米之间，利用此实现内应力和涂层厚度之间更好的关系。关于硬度，基本没有氢的非晶碳涂层15包括的硬度位于30至50GPa之间。
此外必须注意的是，涂层15沉积处理通过由等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)处理发生。
以不同于现有技术的自动解决方案的方式，本发明利用了能够适应气缸衬套20的接触表面21的涂层15的接触表面的特别设计的形貌。本发明的设计允许这样理解，在摩擦滑动以及磨耗接触的许多情形下，具有高粗糙度的涂层呈现较次结果。
以这种方式，本发明的目的是设置有涂层15的活塞圈10，涂层15包括的硬度超过4000HV(维氏硬度)，但是避免气缸衬套20的高磨损，气缸衬套20硬度相当低，一般小于700HV(维氏硬度)，或者甚至250至300HV。
为了实现本发明的目的，活塞圈10的涂层15包括一个表面，该表面具有控制质量的波谷，目的是在开动发动机操作期间最大化油供给，还增加油膜以及降低接触实心点，在摩擦系统(活塞圈/气缸衬套)中产生较低摩擦系数。
极大地贡献于本发明的良好结果，本发明的涂层15的表面包括一种形貌，其与所述气缸衬套20的接触表面21的接触主要依靠平台18发生。
ISO4287限定了用于表面材料粗糙度的参数(Rmr)，其反映了从参考线以给定深度测量的在给定深度的材料的百分比。为了更好地理解，在例子方面，比较图3和图5以及图4和图6，允许感到的是，当给定形貌包括许多波峰16时(见图3和5)，距参考线0.2微米的距离生成较低Rmr值，以及距参考线0.3微米的距离生成较高Rmr值。
反过来，包括平台18而不是波峰16的形貌生成更高Rmr(见图4和图6)，这证明了，表面中的材料比例较大。换句话说，图5和图6的图形显示了在给定深度测量的最高波峰16(0％)和最深波谷17(100％)之间的材料的百分比。在该类型分析中，以相同距离以及相同深度绘制一条水平线获得百分比，确定该线穿过材料达线总长度的多少。
以这种方式，图5和图6允许理解具有以及不具有波峰的表面之间的差异。本发明使用非常类似于图6的情形下发现的接触表面，即基本由平台18形成的表面，从而确保在活塞圈10和气缸衬套20之间的接触区域中良好的支撑。结果，接触区域拥有的平台18越多，摩擦系数将越低。
以这种方式，Rmr值非常重要，能够是本发明的平台18的特征，由于事实上这种值允许包含特殊形貌，从而允许获得具有低摩擦、高耐久性以及降低的磨损的解决方案。
在现有技术的圈中，波峰16的存在由于高接触压力引起对气缸衬套20的壁的刻痕以及关键磨损。此外，该高的局部压力使得润滑油膜形成以及维持困难，虽然油存在于无氢非晶碳(DLC)涂层的波谷17中。
本发明的解决方案可以描述为类似于图4中发现的。以这种方式，解决了现有技术的问题，已经开发了平台18的表面，目的是确保活塞圈10和气缸衬套20之间的接触的良好支撑。相比于包含波峰16的形貌，对于相同负荷来说，该表面生成低接触压力。以这种方式，抛光的活塞圈10对实现圈10和衬套20之间的接触极其重要，诸如贡献于发动机的良好操作。活塞圈10和气缸衬套20之间的良好兼容性通过移除涂层15的波峰16的处理而获得，该处理发生在涂层15沉积之后。
从这个意义上讲，本发明具有的活塞圈10的涂层15的形貌特性是，Rmr(0.2/0.5)值等于或者超过25％，Rmr(0.3/0.5)值等于或者超过50％。在可替换优选模式中，Rmr(0.3/0.5)值等于或者超过65％。
在开发本发明的滑动元件期间获得的实验室结果清楚地证明其优势。在该方面，图7示出了活塞圈的摩擦以及磨损方面的性能，作为Rmr参数的函数，都用于现有技术的圈以及本发明的圈。必须注意的是，利用记录内的Rmr值执行测试，对于本发明获得的Rmr值(0.2-0.5)大于或者等于25％，以及Rmr(0.3-0.5)大于或者等于50％。
图7的结果表明，基本无氢非晶碳涂层和铬氮化物涂层存在不同的Rmr水平。碳涂层的摩擦系数随着Rmr百分比的增加而降低。反过来，图7的表格右边的值进一步表明，本发明的DLC涂层和CrN涂层存在基本相同Rmr值。在所有情形下，本发明的DLC涂层存在的摩擦系数大致低于CrN涂层的50％。
此外图8示出了本发明的不同DLC涂层相比于现有技术的DLC涂层在磨损方面的性能。结果证明，本发明的解决方案的优势是，本发明存在的平台18(更高Rmr值)使得活塞圈10上存在较少磨损(列为零以上)以及气缸衬套20上存在较少磨损(列为零以下)。换句话说，对于非晶碳涂层来说，当在本发明的形貌轮廓中获得Rmr值时，活塞圈10以及气缸衬套20的磨损都非常低。
结果，毋庸置疑的是，本发明结合使用基本无氢非晶碳涂层15，其具有呈现高Rmr轮廓的形貌，其中主要由平台18维持接触气缸衬套，摩擦系数极大地降低并且圈以及气缸的磨损也降低，确保在发动机功能的任何阶段的正确行为，以及确保发动机的较长寿命。
已经描述了优选实施例的例子，应该理解的是，本发明的范围覆盖其他可能的变型，这些可能的变型仅仅被随附权利要求的内容限制，其中包括可能的等同结构。

Claims (11)

1.一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞圈(10)，其设置有滑动面(11)，粘接层(14)和硬非晶碳涂层(15)从内朝外沉积在所述滑动面(11)上，所述滑动元件的特征在于，所述涂层呈现的sp3与sp2的比例范围为0.42至2.33，并且Rmr(0.2-0.5)轮廓大于至少25％，和/或Rmr(0.3-0.5)轮廓大于至少50％。
2.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)包含的氢重量比小于2％。
3.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)为ta-C类型并且包括超过50％的sp3键。
4.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)为a-C类型，并且包括的sp3键具有的sp3值在25％和45％之间。
5.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，Rmr(0.2)为至少25％，和/或Rmr(0.3)为至少65％。
6.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)的厚度范围为2微米至25微米。
7.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)的厚度范围为3微米至8微米之间。
8.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述粘接层(14)具有铬金属，镍或者钴，所述铬金属具有体心立方(bcc)结构。
9.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)的硬度范围为30至50GPa之间。
10.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述圈(10)的基底材料由具有10％至17％铬的不锈钢组成，其余部分为铸铁以及碳钢。
11.一种内燃机，其特征在于，其包括至少一个根据权利要求1限定的活塞圈(10)。
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