CN115135912A - 滑动元件，特别是活塞环，及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种滑动元件及其制造方法，所述滑动元件特别是活塞环，其中所述滑动元件包括由铬含量至少为至少6.0质量％的马氏体或奥氏体不锈钢制成的基材以及表面硬度直至950HV1的氮化层。

Description

滑动元件，特别是活塞环，及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种滑动元件，尤其是活塞环，其具有良好的整体耐磨性和改进的疲劳强度，以及用于制造该滑动元件的方法。

背景技术

燃料消耗在减少内燃机的二氧化碳排放方面起着关键作用。这尤其还受到发动机中滑动元件的摩损的影响，特别是在活塞区域。滑动元件，例如活塞环，其中具有滑动面

在滑动面上所述滑动元件与摩擦伙伴滑动接触。这种摩擦系统复杂，并且很大程度上取决于摩擦伙伴的材料匹配。

在此一方面，滑动元件诸如活塞环对疲劳强度的要求越来越高，尤其是通过增加的负载条件驱动的，例如通过增加的气缸尖端压力以及通过减小的活塞环尺寸(特别是轴向环高度)。另一方面，特别是在现代发动机中，热负荷和机械负荷也发生在内燃机的滑动元件上，例如活塞环、活塞或气缸套，它们需要在长使用寿命的过程中的高耐磨性。为了确保这种使用寿命中的性能，滑动元件如活塞环设置有磨损保护层，例如在活塞环的外侧面上。

总而言之，存在对内燃机中的滑动元件这样的需求，即在整个使用寿命期间具有尽可能最有利的摩擦性能，同时仍能确保显著提高的疲劳强度和所需的抗磨损保护。

从现有技术已知的活塞环，其侧面部分或完全氮化并且其滑动面至少部分具有另外的涂层。

例如，DE 102 21 800 A1公开了一种钢活塞环，其具有滑动面、内表面以及设置在它们之间的上下侧面，其中所述滑动面至少部分地设置有作为滑动面涂层的热喷涂层和至少在侧面上提供由等离子体渗氮产生的氮化层。

US 6 508 473 B1描述了一种活塞环，其在上下侧面或上下侧面与内周面上具有氮化层，以及在外周面上具有通过离子镀形成的硬质层。

DE 10 2005 023 627 A1描述了一种钢活塞环，该活塞环具有在一侧有腔室的滑动面，其中该滑动面涂有基于铬陶瓷并具有微裂纹的磨损保护层，并且至少在侧面设有减少磨损的氮化层。

DE 10 2005 011 438 B3公开了一种用于在由钢或铸铁构成的活塞环基体上制造磨损保护层的方法，其中滑动面区域首先至少部分地设置有至少单层的基于氮亲和(stickstoffaffiner)金属元素的热喷涂层，随即至少对侧面和滑动面连同施加在其上的喷涂涂层进行渗氮处理。

虽然这类滑动元件具有令人满意的耐磨性层，但是它们在上述负载条件下表现出降低的疲劳强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滑动元件，优选活塞环，其具有良好的整体耐磨性以及改善的疲劳强度，以及一种用于制造该滑动元件的方法。

该问题通过权利要求1所述的滑动元件和权利要求7所述的用于制造滑动元件的方法来解决。

耐磨性基本上通过在由铬含量至少为6.0质量％的马氏体或奥氏体不锈钢制成的基材中提供氮化层来确保。至少11.0质量％或至少17.0质量％的铬含量有利地提高滑动元件的耐磨性。

边界层经处理的构件的疲劳强度在很大程度上取决于各个相关构件的边界层区的脆性。滑动元件的氮化被视为这种边界层处理。各种测试系列表明，可以通过降低氮化层的硬度来实现所需的脆性降低。特别是，这可以通过渗氮过程中的特殊过程控制来实现。

根据本发明因此建议降低氮化层脆性地对由高铬含量的钢制成的活塞环进行渗氮。特别地，根据本发明，脆性的降低是通过降低氮化层的硬度来实现的。在此已经表明，与氮化层正交测量的直至900HV1的表面硬度可以显著提高疲劳强度。

根据权利要求1所述的滑动元件的构造，即包括由铬含量至少为6.0质量％的马氏体或奥氏体不锈钢制成的基体材料，以及表面硬度直至950HV1的氮化层，在高疲劳强度的同时因此确保了所需的磨损保护。

与传统氮化层相比，高铬钢中显著降低的硬度是通过在渗氮过程中显著较高的温度实现的：

当在升高温度下加入氨和裂解氨气的混合物时，氨在金属滑动元件表面上被分解，直到原子氮被吸收。由于氮浓度梯度，这些被吸收的氮随后扩散到金属活塞环表面并因此形成氮化层。在此氮化层的形成取决于高铬含量的活塞环钢材料的溶解度。

现在根据本发明选择用于渗氮过程的工艺条件，使得基材的氮溶解度被超过，从而在渗氮期间已经形成可以随着工艺的进行继续生长的氮化铁和氮化铬析出物。由于氮化铁和氮化铬析出物的生长增加，铁晶格中的冶金应力受到影响，使得晶格应力的升高受到限制。这些降低的晶格应力与氮化层的脆性和硬度直接相关。发明人现在已经惊奇地发现，在介于至少600°与至多700℃之间的温度下对基材进行渗氮可以实现上述效果，而不会在氮化层的扩散区中形成不期望的所谓褐锰矿相(Braunitphase)。这种有利效果在至少630℃或至多650℃的温度下特别显著。上述温度上限确保避免形成褐锰矿的风险。

所述渗氮过程优选进行15至60分钟的时间。

根据本发明的滑动元件和相应的根据本发明的方法的优选改进在进一步的权利要求中描述。

优选至少700HV1和/或直至900HV1的表面硬度导致进一步改善的疲劳强度。同样，至少11.0质量％铬或至少17.0质量％铬的铬含量有利地提高耐磨性。

根据本发明的一个实施例，滑动元件另外具有磨损保护层，优选选自PVD层或电镀层，特别优选DLC层，作为滑动元件的至少部分表面上的最外层。这种磨损保护层进一步增加了滑动元件的磨损保护。此外，当根据本发明的氮化层与磨损保护层以协同方式结合时，通过非常高的动态气体压力(由于预点火过程或由于所谓的发动机爆震)而导致氮化层在高压下开裂的风险减少。

有利地，滑动元件是活塞环并且磨损保护层被施加到所述活塞环的外周面和/或侧面上。所提及的活塞环的区域特别大地受益于由磨损保护层提供的磨损保护。

根据有利的实施方式，氮化层构成滑动元件的至少部分表面上的最外层，优选地在活塞环的外周面和/或侧面上。这种类型的滑动元件可以特别容易地制造，但在耐磨性和疲劳强度方面仍然具有令人满意的特性。

优选氮化层具有根据ISO6621-2第4.2.15节测量的介于20和100μm之间的氮化硬度深度Nht 700 HV0.1。指定的氮化硬度深度确保了所需的耐磨性和疲劳强度。

磨损保护层的厚度有利地为至少3μm，优选至少10μm。在该值范围内可以实现磨损保护层的特别高的耐磨性。

优选氮化层仅由单区氮化层组成，其从外表面到无氮化层的基材具有连续硬度降低。换言之，所述氮化层不具有多级、不连续的氮化层形成。这种实施形式表现处优异的耐磨性和疲劳强度。

有利地，所述滑动元件的基材具有均匀的细晶粒回火结构，没有碳化物堆积，最大碳化物晶粒尺寸为50μm。由此，滑动元件的疲劳强度以有利的方式增加。

根据一个有利的实施方案，在渗氮之前对基材进行清洁处理。由此可以去除表面污染。

在添加氮气进行渗氮之前，优选在气体渗氮设备中将基材加热至介于450℃与550℃之间的预处理温度。

在渗氮之前，有利地使基材经历单阶段或多阶段蚀刻处理，其中以固态或液态形式添加氨和蚀刻剂。这导致由元素铬和氧形成的钝化氧化物层的去除。此外，氮化物的第一次成核发生在活塞环表面上。

根据一个有利的实施方案，渗氮是在供应氨和任选的氮和/或氢的情况下进行的。

优选在加热至渗氮温度期间，设置至少一个保持阶段，在该保持阶段中，将基材保持在低于渗氮温度的温度。

附图的简要说明

下面结合附图以示例的方式更详细地解释本发明的基本思想。其中：

图1显示了根据HV1和HV0.5测量的常规渗氮的活塞环(变体1)和根据本发明渗氮的活塞环(变体2)的表面硬度的比较；和

图2显示了常规渗氮的活塞环(变体1)和根据本发明渗氮的活塞环(变体2)的活塞环特定的疲劳强度的比较；和

图3显示了常规渗氮的活塞环(变体1)和根据本发明渗氮的活塞环(变体2)的金相横截面的比较，其中这两种活塞环都额外配备有PVD-磨损保护层。

附图的详细说明

氮化层的表面硬度与相应的氮化活塞环的疲劳强度之间的预期关系由图1和2中所示的结果证明：一方面，根据本发明的方法导致氮化层的表面硬度显著降低(见图1)。如图2所示，这种降低的表面硬度又导致显著增加的疲劳强度。在图2所基于的测量方法中，通过确定疲劳强度典型的载荷变化(10⁷)的平均应力和应力幅值，推导出活塞环特定的疲劳强度。如图3所示，根据本发明优选的氮化铁和氮化铬析出物的生长还表现出在金相截面中用1％的硝酸醇溶液对氮化层增强的可蚀刻性。

以下另外的实施例再次阐明了根据本发明的渗氮对硬度的影响：在使用标准方法渗氮的滑动元件的氮化层上测得根据表1所示的表面硬度。相比，根据本发明的方法渗氮的滑动元件的氮化层测得表2所示的表面硬度。通过比较这两个表可以清楚地看出，根据本发明的方法导致表面硬度显著降低。

表1：

表2：

Claims (15)

1.滑动元件，特别是活塞环，其包括

由铬含量至少为6.0质量％，优选至少11质量％，特别优选至少17质量％的马氏体或奥氏体不锈钢制成的基材，和

表面硬度直至950HV1，优选至少700HV1和/或直至900HV1的氮化层。

2.根据权利要求1所述的滑动元件，其中所述滑动元件另外具有磨损保护层，优选选自PVD层或电镀层，特别优选DLC层，作为所述滑动元件的至少部分表面上的最外层。

3.根据权利要求2所述的滑动元件，其中所述滑动元件是活塞环，并且所述磨损保护层被施加到所述活塞环的外周面和/或侧面上。

4.根据权利要求1所述的滑动元件，其中所述氮化层是所述滑动元件的至少一部分表面上的最外层，并且优选地被施加到所述活塞环的外周面和/或侧面上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其中根据ISO6621-2第4.2.15节测量，所述氮化层具有介于20和100μm之间的氮化硬度深度Nht 700HV0.1。

6.根据前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其中所述磨损保护层具有至少3μm、优选地至少10μm的厚度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其中所述氮化层仅由单区氮化层组成，所述单区氮化层从外表面到无氮化层的基材具有连续硬度降低。

8.根据前述权利要求中任一项所述的滑动元件，其中所述基材具有均匀的细晶粒回火结构，在最大碳化物粒度为50μm时没有碳化物堆积。

9.一种用于制造滑动元件的方法，其包括

提供由铬含量至少为6.0质量％，优选至少11质量％，特别优选至少17质量％的马氏体或奥氏体不锈钢制成的基材，和

在介于至少600℃，优选至少630℃和至多700℃，优选至多650℃之间的温度下基材的渗氮。

10.如权利要求9所述的用于制造滑动元件的方法，其中所述基材在渗氮之前经过清洁处理。

11.根据权利要求9或10所述的用于制造滑动元件的方法，其中在添加氮气进行渗氮之前在气体渗氮设备中将所述基材加热至介于450℃与550℃之间的预处理温度。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的用于制造滑动元件的方法，其中

在渗氮之前使所述基材经历单阶段或多阶段蚀刻处理，其中以固态或液态形式添加氨和蚀刻剂。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的用于制造滑动元件的方法，其中所述渗氮是在供应氨和任选的氮和/或氢的情况下进行的。

14.如权利要求9至13中任一项所述的用于制造滑动元件的方法，其中在加热至渗氮温度期间，设置至少一个保持阶段，在该保持阶段中，将基材保持在低于渗氮温度的温度。

15.如权利要求9至14中任一项所述的用于制造滑动元件的方法，其中在渗氮期间，氮在所述基材中的溶解度极限被超过。

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