CN109415797A - 用于内燃机的滑动元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的滑动元件，所述滑动元件设置有包括两个硬质无定形碳(DLC)层(14，15)的涂层，所述两个硬质无定形碳层具有不同的sp3键百分比和厚度，以及具有等于或超过50％的Rmr(0.3‑0.5)和/或具有等于或超过70％的Rmr(0.4‑0.5)、具有小于0.07微米的Rpk的粗糙度轮廓，除了减小摩擦和磨损，还能够带来良好的运行状况和两个滑动表面之间更好的接触，并且确保了高硬度。

Description

用于内燃机的滑动元件
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环，其设置有涂层，所述涂层包括两层硬质无定形碳并且具有粗糙轮廓，除了减小摩擦和磨损，所述粗糙轮廓能够带来良好的运行条件和两个滑动表面之间的更好的接触，并且确保了高硬度。
背景技术
无论是狄赛尔循环(Diesel cycle)、奥托循环(Otto cycle)、两个或三个冲程，内燃机都包括至少一个活塞环。活塞环用于密封汽缸衬套与活塞本体之间的空间，将燃烧室与发动机的其他内部部件隔离。活塞环沿径向布置在活塞本体的基部上，防止燃烧气体在机油箱的方向上从燃烧室逸出并且防止发动机油渗入到燃烧室中。
通常，发动机设置有三个环，所述三个环平行地位于布置在活塞本体的基部的凹槽中，是两个压缩环和一个刮油环。所述压缩环更靠近活塞头部并且密封活塞与衬套之间存在的间隙，使得活塞能够压缩空气-燃料混合物以进行燃烧，并且随后保持气缸的气密性。所述刮油环具有如下明显的功能：将在压力下抛出的过量润滑油刮到衬垫壁上。
一些内燃机，主要是通过狄赛尔循环运行的发动机，在高负荷下工作。其他示例可以在高性能汽油发动机中找到。独立于可能引用的示例，存在发动机在高速和高功率、减小的间隙下运行，并因此经受苛刻的摩擦学状况的趋势。关于其机械部件，这样的条件自然更严格。在这种意义上，在这些高功率或高性能的发动机中使用的环需要低摩擦、高硬度以及高耐磨性。
而且，重要的是要强调内燃机的环境影响，当与高性能和耐久性的需求放在一起时，导致需要以更严格的公差工作的一般方式，这自然转化为越来越薄的润滑油层的利用。
除了更薄之外，还通过低粘度的油获得润滑油层，确保滑动部件之间的较低摩擦。然而，油膜越薄并且其粘度越低，则滑动部件之间的接触可能性越大。
一般而言，通过蒸汽沉积工艺，尤其是物理气相沉积(PVD)和等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)工艺，实现了涂层在用于在高负荷下工作的发动机的环上的应用。重型柴油发动机第一个通过阴极电弧沉积(Arc-PVD)涂覆的氮化铬(CrN)涂层。近年来，由于出色的耐磨性和确保的耐久性，由PVD涂覆的涂层也开始用于轻型发动机(汽油和柴油)的活塞环。
现有技术中存在的活塞环通常包括硬质无定形碳(也已知为类金刚石碳(DLC))或无氢氢化DLC纳米结构涂层，作为实现低摩擦和高耐磨性的技术方案。通常，现有技术的技术方案在包含sp3(金刚石型)和sp2(石墨型)键的组合物中应用DLC涂层。然而，应该注意的是，由于sp3键的三维(3D)结构，其硬度超过在sp2键中遇到的硬度。
为了更好地理解，sp2结构由于赋予极软的特性和润滑剂材料，因而对于促进汽缸衬套内的环的嵌入和抵消与汽缸衬套接触的sp3结构是重要的。由于以下的事实，这样的担心是非常正当的：除了能够对汽缸衬套进行刻划的sp3结构之外，sp3结构中存在的应力集中非常高，使得其对于所刻划的汽缸衬套以及对于致使裂痕发生的可能性及其传播的涂层二者都会产生损失严重的后果，因此导致部件的使用寿命的减少。由于这样的原因，现有技术的各种技术方案改变为利用DLC涂层，其呈现主要的sp2键，具有降低摩擦和内部应力的目的。
文献US9086148揭示了一种滑动元件，尤其是活塞环，所述活塞环设置有DLC涂层，所述DLC涂层依次沉积有包含金属的粘合剂层和具有至少10微米的厚度的DLC型ta-C层，其中该涂层包含具有1-3微米的厚度的精加工层，其中考虑到确保更大量的sp2存在于用于在汽缸内运行环的第二层中，sp3键的量减少至小于40％的数值。
现有技术的其他技术方案呈现具有精制的表面光洁度的DLC涂层，其具有包括小于0.1微米的低峰值(Rpk)以及高数值的表面材料比例(Rmr)的粗糙度轮廓。粗糙度参数Rpk涉及表面峰值的平均粗糙度值，并且参数Rmr表示两个表面之间存在多少接触。Rpk越低，活塞环在运行时对汽缸衬套进行刻划的可能性越低，而Rmr越高，环与衬套之间的支撑和接触越大。
专利文献US8123227揭示了一种设置有DLC涂层的滑动元件，其中DLC层沉积在由铬(Cr)或氮化材料或氮化铬(CrN)形成的基部材料上，DLC层包括0.01与2微米之间的厚度，具有等于或超过20GPa的硬度，体现包括0.07与0.14微米之间的Rpk以及等于或小于0.7微米的Rz的粗糙度轮廓，并且汽缸衬套具有在2与4微米之间的粗糙度Rz。
以这种方式，当施加在活塞环上时，DLC涂层呈现至少三个特征，所述至少三个特征结合导致更大的耐磨性、更大的硬度和更小的摩擦，这些特征是：sp3/sp2键在DLC基质中的百分比、涂层的厚度以及关于峰值(Rpk)的和滑动表面之间的接触(Rmr)的粗糙度参数的数值的大小。
重要的是要注意，对于非常薄的DLC涂层，也就是说厚度小，由于环的基底材料呈现非常光滑的表面并且涂层的薄层不能显着增加表面的粗糙度的事实，因此可以容易地实现Rmr的高数值。然而，当施加较厚的DLC层(10微米的DLC涂层)时，则难以实现Rmr的高数值。例如，作为参考来讲，表示最高峰(Rpk)与最深谷(Rvk)之间的距离的粗糙度Rz的参数，在施加10微米的涂层之后具有0.5微米的Rz的基底材料，可以获得4与5微米之间的Rz的数值，也就是说，过于粗糙的表面。
就DLC基质中的sp3/sp2键的比例而言，除了键结构的差异之外，事实是不同百分比的sp3包括不同的沉积速率，使得sp3的百分比越低，层的沉积将越快速。例如，具有35％与45％之间的sp3键百分比的层以0.6-0.9微米/小时的平均速率沉积，而具有55％与65％之间的sp3键百分比的层以0.2-0.5微米/小时的平均速率沉积。以这种方式，依据包含在DLC基质中的sp3键的百分比(直接影响产品的成本的因素)，层在环的表面上的沉积速度可以更高或更低。
而且，具有55％与65％之间的sp3百分比的层能够比具有35％与45％之间的sp3百分比的层更好地接受精加工。在这方面，对于包括DLC涂层的活塞环，非常重要的是：由于汽缸衬套的硬度明显更低(通常比超过15GPa的DLC涂层的硬度小7000Mpa)的事实，最终成品表面能够是最高度抛光的，以便通过汽缸体现良好的相容性。
以这种方式，本发明体现了一种滑动元件，诸如活塞环，所述活塞环设置有硬质无定形碳(DLC)涂层，所述涂层包括两层，每层具有不同的sp3键百分比和厚度，这确保了涂层的良好沉积速率连同用于至少10微米厚度的DLC涂层的高级精加工，并且具有体现能够带来良好运行状况以及两个滑动表面之间的更好接触的出色表面处理的粗糙度轮廓。
发明内容
发明目的
本发明的第一个目的是提供一种用于内燃机的滑动元件，所述滑动元件设置有包括两层的硬质无定形碳涂层，为具有低sp3键百分比和大厚度的内层和具有高sp3键百分比和小厚度的外层，获得了内层涂层的良好沉积速率和外层的良好表面处理。
并且，另外地，本发明的目的是提供一种滑动元件，所述滑动元件设置有硬质无定形碳涂层，所述涂层包括10微米的最小厚度，具有呈现低Rpk数值和高Rmr数值的粗糙度轮廓，除了在多种条件下良好地运行之外，带来了两个滑动表面之间的更大的支撑以及接触，减小了在滑动表面上发生刻划的可能性。
并且，最后，本发明的目的是提供一种滑动元件，所述滑动元件设置有硬质无定形碳涂层，所述涂层能够确保从25GPa至50GPa的带中的高硬度。
本发明的简要描述
本发明的目的由用于内燃机的滑动元件实现，所述滑动元件包括设置有环形外表面的基底材料，在所述环形外表面上依次沉积有粘合层、第一涂层以及第二涂层，第一涂层和第二涂层由具有sp3/sp2键的组合基质的硬质无定形碳(DLC)组成，第一涂层包括至多45％的sp3键以及至少10微米的厚度，而第二涂层包含至少55％的sp3键以及至少3微米的厚度，第一涂层被添加至第二涂层的涂层的总厚度至少为13微米。
另外地，本发明的目的由滑动元件实现，所述滑动元件包括第二涂层，所述第二涂层呈现具有等于或超过50％的Rmr(0.3-0.5)和/或具有等于或超过70％的Rmr(0.4-0.5)以及小于0.07微米的Rpk和小于1微米的Rz的粗糙度轮廓，呈现在25GPa与50GPa之间变动的硬度。
而且，本发明的目的由滑动元件实现，所述滑动元件的粘合层由金属铬(Cr)、或者镍(Ni)，或者钴(Co)、或者钨(W)、或者碳化铬(CrC)中的一种材料构成，通过物理气相沉积(PVD)工艺沉积，并且基底材料由含铁金属构成。
此外，本发明的目的由滑动元件实现，优选地由活塞环实现，并且由包括至少一个滑动元件的内燃机实现。
附图说明
基于在附图中体现的实施例的示例，将在下文中更加详细地描述本发明。
所述附图示出了：
图1：在内燃机的汽缸内部内的活塞环的布置的体现；
图2：活塞环的披露了本发明的涂层结构的截面的体现；
图3：将在现有技术中获得的Rmr数值与在本发明中获得的Rmr数值进行比较的图表；
图4：将在现有技术中获得的Rmr数值与在本发明中获得的Rmr数值进行比较的图表；
图5：将在现有技术中获得的Rz和Rpk数值与在本发明中获得的Rz和Rpk数值进行比较的图表；
图6：将在现有技术中获得的Rz和Rpk数值与在本发明中获得的Rz和Rpk数值进行比较的图表；
图7：将在现有技术中获得的表面与在本发明中获得的表面进行比较的图片；以及
图8：将在现有技术中获得的粗糙度轮廓与在本发明中获得的粗糙度轮廓进行比较的图表。
具体实施方式
本发明涉及一种滑动元件，诸如用于内燃机的活塞环10，所述活塞环10设置有涂层，所述涂层包括两层硬质无定形碳层14、15并且具有粗糙度轮廓，所述粗糙度轮廓除了减小了摩擦和磨损，还能够带来良好的运行状况以及两个滑动表面之间的更好接触，确保了高硬度。
本发明的滑动元件可以是保持与润滑剂流体的薄层接触、经受磨损的发动机部件，诸如、例如尤其是汽缸衬套、刮油活塞环、第一沟槽活塞环。
首先，必须注意的是，本发明的滑动元件优选地为用于在高负荷和/或高功率下运转的内燃机的活塞环10，如图1所示。这些活塞环通常通过非常精细的公差和薄油膜运转，以确保出色的性能和二氧化碳的低排放。
本发明的活塞环10包括基底材料12，所述基底材料12设置有环形外表面11，所述环形外表面11优选地由含铁金属构成，例如具有10％至17％的铬的不锈钢或碳钢。环形外表面11对应于环的平行且面向与汽缸衬套20接触的区域的部分，换言之，是用作环与汽缸衬套20之间的界面的表面，在外部表面11上沉积涂层。
在图2所示的优选构造中，外表面11顺序地接收粘合层13，以及在粘合层13上的第一涂层14和第二涂层15，第一涂层14和第二涂层15由a-C/ta-C类型的硬质无定形碳构成。
粘合层13具有带来环的金属结构与硬质无定形碳的涂层之间的应力的缓解的目的，以这种方式确保涂层与基底材料12之间的出色的粘合。在优选但并非必须的方式中，粘合层13由金属铬(Cr)形成。在替代的优选构造中，粘合层13由诸如镍(Ni)、钴(Co)、钨(W)、碳化铬(CrC)的材料中的一种构成，或由陶瓷材料构成。粘合层13包括小于3微米的厚度，优选在1微米与3微米之间的厚度，并通过物理气相沉积(PVD)工艺沉积。
转而，第一和第二涂层14、15由硬质无定形碳(DLC)形成，所述碳是完全不含氢或基本上不含氢(包括小于2％的重量的氢)的无定形碳。
以与现有技术中发现的技术方案不同的方式，本发明呈现了一种硬质无定形碳涂层，所述涂层包括双层，也就是说包括两个沉积层，除了在能够体现与汽缸衬套20的接触表面的良好的相容性的涂层的接触表面上利用具体开发的形貌，每个层还包括sp2/sp3键的基质以及不同的厚度。
为了实现本发明的目的,沉积在粘合层13上的第一涂层14由硬质无定形碳构成，所述无定形碳包括至多45％的sp3键并且具有等于或超过10微米的厚度。在第一层14的这种优选构造中，等于或小于45％的低百分比的sp3键除了缓解和减少内应力之外，还具有优化第一涂层的沉积速率的目的。
而且，在第一涂层14上沉积有第二涂层15，所述第二涂层15由硬质无定形碳组成，所述硬质无定形碳包括至少55％的sp3键并且具有等于或超过3微米的厚度。与第一涂层14不同，第二层涂层15包括等于或超过55％的高百分比的sp3键，并且除了高硬度还具有确保涂层的出色的精加工的目的。
第一涂层14被添加到第二涂层15的涂层的总厚度至少为13微米，优选为15微米，凭此在沉积速率、内应力、精加工、硬度以及涂层厚度两两之间实现了更好的相关性。在硬度方面，第二涂层15在25GPa与50GPa之间，并且在能够防止高度磨损并且减小刻划汽缸衬套的可能性的涂层的接触表面上使用特别开发的精加工，凭此硬度是相当低的。在第二涂层15上观察到硬度和优化的精加工，因为这体现了涂层的直接与汽缸衬套20的接触表面直接接触的最外层的事实。
包括第一涂层14和第二涂层15的涂层的沉积工艺通过气相沉积(PVD)工艺进行。
对于本发明的出色结果有很大贡献，第二涂层15的表面包括形貌，通过小于0.1微米的峰形而主要发生所述形貌与汽缸衬套20的接触表面的接触，体现了滑动表面之间的高度支撑以及更好的接触。
ISO4287标准限定了表面材料比例的粗糙度参数(Rmr)，反映了从参考线在给定的深度处测量的材料的百分比，并体现了两个表面之间存在多少接触。为了更好地理解，就包括许多峰形的形貌的示例而言，Rmr倾向于更低，损害表面之间的支撑和接触。另一方面，包括低峰(例如小于0.1微米)的形貌倾向于呈现高Rmr，指示了表面中的材料比例更大。以这种方式，Rmr的数值对于描绘表面的粗糙度轮廓的特征是非常重要的，这是因为这样的数值允许理解特定的形貌并且获得具有低摩擦和磨损以及高耐久性的技术方案。
因此，为了改善滑动表面之间的支撑和接触，无论是通过减少峰形的数量或是减小这些峰形的大小/高度，都需要获得高Rmr。Rpk是粗糙度参数，其指示了表面的峰形的数量和高度。
除了表面之间的支撑和接触之外，峰形的存在由于高接触压力而带来了汽缸衬套20的接触表面上的刻划以及临界磨损。而且，即使在不含氢的无定形碳(DLC)的第二涂层15的谷中存在油，该局部高压致使难以形成和维持润滑油膜。
因此，为了解决现有技术的问题，已经开发出具有小于0.1微米的低大小/高度的峰的表面，其目的是确保活塞环10与汽缸衬套20之间的接触的良好支撑。对于相同的负荷，当与包含高峰的形貌相比时，该表面产生低接触压力。以这种方式，活塞环10的精加工对于实现环10与衬套20之间的接触非常重要，以这种方式有助于发动机的良好运行。活塞环10与汽缸衬套20之间的良好的相容性通过平滑化和研磨以减小第二涂层15上的峰的高度的过程获得，该过程在涂层沉积之后进行。
在这方面，本发明的涂层呈现具有小于0.07微米的Rpk(也就是说，具有小于0.07微米的大小/高度的峰)的第二涂层15。
因此，本发明的特征在于第二层涂层15的形貌表现出等于或超过50％的Rmr(0.3-0.5)和/或等于或超过70％的Rmr(0.4-0.5)。
除了Rpk和Rmr之外，第二层涂层15表现出小于1微米的Rz。
在本发明的滑动元件的开发期间获得的实验室结果体现在图3至8中，并清楚地示出了本发明与现有技术相关的差异和优点。
图3示出了针对现有技术和本发明的环所获得的Rmr值。在这方面，如在上文中参考的US9086148的文献所披露的，对环进行测试，所述环设置有具有等于或超过10微米并且至多40％的sp3键的硬质无定形碳的涂层。
图3的结果示出了本发明披露的硬质无定形碳涂层表现出超过现有技术实现的数值的Rmr的数值。现有技术的环呈现出具有30％与40％之间的Rmr(0.3-0.5)以及50％与60％之间的Rmr(0.4-0.5)，然而本发明的环实现了80％与90％之间的Rmr(0.3-0.5)以及超过90％的Rmr(0.4-0.5)。
以相同的方式，图4示出了来自第二次测试的结果，其中现有技术的环呈现35％的Rmr(0.3-0.5)和61％的Rmr(0.4-0.5)，而本发明的环达到了78％的Rmr(0.3-0.5)以及89％的Rmr(0.4-0.5)。
图5示出了在现有技术和本发明的环上针对峰和谷的大小/高度而获得的数值。可以观察到现有技术的环包括超过0.8微米的Rz的数值以及0.1微米量级的Rpk，而本发明的环呈现具有0.6与0.8之间的Rz以及小于0.1微米的Rpk的低Rz和Rpk的低数值。
相比于在上文参考的文献US8123227代表的现有技术中披露的数值，图6示出了本发明中获得的Rz和Rpk的数值。本发明的图形的较亮的点表示单独的数值，而较暗的点是所测量的数值的平均值。可以观察到，由于现有技术披露了厚度达到2微米(远小于本发明的涂层的10微米的最小厚度)的硬质无定形碳涂层，因此不能比较本发明与文献US8123227之间的Rmr值。对于薄的涂层，Rmr的数值自然地更大，使得最大的挑战在于获得具有高Rmr数值的厚涂层，该目的通过本发明实现。
最后，图7和图8分别示出了现有技术和本发明的涂层的表面外貌和粗糙度轮廓。在图7中可以观察到本发明的涂层，其包括具有较不明显/高峰的更均匀的表面。另一方面，图8清楚地示出了具有深谷和高峰的现有技术涂层的粗糙度轮廓与具有较浅的谷和较低的峰的本发明的粗糙轮廓之间的区别。
总之，本发明的滑动元件设置有硬质无定形碳涂层，提供了以下优点：
i)体现了25GPa与50GPa之间的高硬度，具有超过10微米的厚度的涂层，带来了摩擦和磨损的减少，确保了高耐用性；
ii)由于具有不同sp3键百分比和不同厚度的两层涂层的沉积的涂层的良好的沉积速率连同出色的精加工，确保了小于1微米的Rz；
iii)滑动元件的接触表面与衬垫20的接触表面之间的良好支撑，具有等于或超过50％的Rmr(0.3-0.5)和/或等于或超过70％的Rmr(0.4-0.5)的高Rmr数值；
iv)由于峰的较低大小/高度的滑动元件和汽缸衬套20组件的运行周期减小，以及在具有小于0.07微米的Rpk数值的衬套20在运行期间在接触表面上发生刻划的低可能性。
以这种方式毫无疑问，保留了本发明的基本上不含氢的硬质无定形碳涂层能够调和与出色的精加工、结合内部应力的缓解和减小的高硬度、结合高Rmr、小于1微米的Rz以及小于0.07微米的Rpk的超过10微米的厚度关联的良好的沉积速率，并且带来了两个滑动表面之间的更好的支撑和接触，在各种条件下具有良好的运行，减小了摩擦、磨损以及在滑动表面上刻划的发生，确保了出色的耐久性。
已经描述了优选实施例的示例，应当理解的是，本发明的范围包括仅由所附的权利要求书的内容限定的其他可能的变型，包括在其中的可能的等同替代方式。

Claims (11)

1.一种用于内燃机的滑动元件，其包括设置有环形外表面(11)的基底材料(12)，在所述环形外表面上依次沉积有粘合层(13)、第一涂层(14)和第二涂层(15)，所述第一和第二涂层(14，15)包括具有sp3/sp2键的组合基质的硬质无定形碳(DLC)，所述滑动元件的特征在于，所述第一涂层(14)包括至多45％的sp3键和至少10微米的厚度，而所述第二涂层(15)包括至少55％的sp3键和至少3微米的厚度。
2.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述第一涂层(14)添加至所述第二涂层(15)的涂层的总厚度为至少13微米。
3.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述第二涂层(15)呈现具有等于或超过50％的Rmr(0.3-0.5)和/或具有等于或超过70％的Rmr(0.4-0.5)的粗糙度轮廓。
4.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述第二涂层(15)呈现具有小于0.07微米的Rpk的粗糙度轮廓。
5.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述第二涂层(15)呈现具有小于1微米的Rz的粗糙度轮廓。
6.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述第二涂层(15)呈现范围在25GPa与50GPa之间的硬度。
7.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述粘合层(13)由金属铬(Cr)、或者镍(Ni)，或者钴(Co)、或者钨(W)、或者碳化铬(CrC)中的一种材料构成。
8.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述粘合层(13)通过物理气相沉积(PVD)工艺沉积。
9.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述基底材料(12)由含铁金属构成。
10.如权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述滑动元件为活塞环(10)。
11.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机包括至少一个如权利要求1所限定的滑动元件。
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