CN201326025Y - 硬铬层,带有镀层的衬底以及摩擦系统 - Google Patents

硬铬层,带有镀层的衬底以及摩擦系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及到一种硬铬层，其主要通过从含有六价铬的电解质中电沉积而形成，并且其具有在其中储存硬质材料微粒的裂缝。按本发明，硬质材料微粒由立方体氮化硼构成并具有0.1到1.0μm的平均微粒尺寸。本实用新型还涉及到一种镀有这种硬铬层的衬底以及一种由一个基体和一个形式为这种衬底的相对体构成的摩擦系统。

Description

硬铬层，带有镀层的衬底以及摩擦系统
技术领域
本发明涉及到一种硬铬层，其主要通过从含有六价铬的电解质中电沉积而形成，并且其具有在其中储存硬质材料微粒的裂缝。本发明还涉及到一种使用这种硬铬层电镀的衬底以及一种带有基体和使用上述衬底作为相对体的摩擦系统。
背景技术
由DE 19931829A1已知这种硬铬层。DE 19931829涉及涂敷有这种硬铬层的活塞环，这些活塞环在摩擦系统中与汽车发动机中的汽缸工作面共同作用。那里公开的硬铬层包含作为硬质材料微粒的、大小范围为0.25到0.5μm的金刚石微粒。在实践中观察到：在使用这样的硬铬层时，虽然活塞环上的磨损相对较小，但是加大了汽缸工作面上的磨损。此外，这表明了烧损痕迹安全性(Brandspursicherheit)不能按期望得到改善。
在该公开材料中，“烧损痕迹”的概念理解为由于表面的高热负荷所引起的表面变化。尤其是可以观察到活塞环工作面上深色的变色处，在大多数情况下，新的发动机中在相对短的运行时间之后就会发生这种情况。这种烧损痕迹是活塞环卡死的前兆。这种情况首先表现为在硬铬层出现宏观裂缝。然而，对于在实践中安全的发动机运行来说是非常重要的是：如此布置发动机和部件，使得甚至在不利的运行条件下，也尽可能避免烧损痕迹的出现。
由EP 0217126A1也已知这种硬铬层。在其中所描述的硬铬层中储存的是三氧化二铝(Al2O3)微粒。这些硬铬层用于对柴油发动机中第一个压缩环进行涂层。不过，对于现代的、高负荷的柴油发动机，使用这样的硬铬层不再能保证足够高的烧损痕迹安全性。此外，在更长的运行时间之后，会出现明显的镀层磨损，这会减小活塞环的外径。由此在活塞环的开口末端处产生较大的间隙，这导致较高的油耗和较高的漏气量。这两种影响提高了由发动机引起的环境污染，因而是不被期望的。
发明内容
本发明的目的在于：优化这种硬铬层，从而改善含有这种硬铬层的摩擦系统的耐磨损性。尤其应当进一步优化镀在活塞环上的硬铬层的耐磨损性，同时降低相应汽缸的磨损。除此之外，也应当改善烧损痕迹安全性。
该目的通过根据本发明的硬铬层来达到，该硬铬层，其主要通过从由含有六价铬的电解质中电沉积而形成，并且其具有在其中储存硬质材料微粒的裂缝，其特征在于：硬质材料微粒由立方体氮化硼构成并具有0.1到1.0μm的平均微粒尺寸。此外，本发明的对象还有一种具有本发明的硬铬层的衬底。最后，本发明的对象是一种摩擦系统，其由一个以铁为主要材料的基体和形式为本发明的衬底的相对体构成。
使行内人士惊讶的是：本发明的硬铬层不仅明显改善烧损痕迹安全性，而且降低摩擦系统的基体和相对体(即例如汽缸和活塞环)上的磨损值。
立方体氮化硼具有4500的努氏硬度和3.48g/cm3的密度。它可以承受超过1200℃的温度。因此，它的耐热性好于金刚石，金刚石在热负荷下容易释放出碳。这至今被看作是优点，因为这应当带来附加的固体润滑。令人惊讶地，立方体氮化硼较高的耐热性显然是在摩擦系统中使用本发明的的硬铬层时，烧损痕迹安全性得到改善的原因。
由立方体氮化硼构成硬质材料微粒的微粒尺寸是由如下情况得出，即平均尺寸大于1μm的微粒太大，而不能储存在在硬铬层中形成的裂缝中。此外，大的硬质材料微粒在摩擦系统中导致更大的磨损。而平均尺寸小于0.1μm的微粒不能改善耐磨损性或烧损痕迹安全性。
因为在硬铬层的电解质中通过选择合适的处理参数可以影响到显微裂纹的数量及其宽度和深度，所以也可以控制所储存的颗粒数量，因而其与每个面积单位的裂缝体积成比例。因此以有利的方式这样来控制裂缝的形成，即0.1-1μm大小的颗粒可以储存质量百分比为0.5％到5.0％的数量。在该颗粒在与相对体的摩擦接触中将使得，相对体的可能会磨损到层的粗糙尖端以微型标准使之更圆滑并且由此而去除了其侵略性。同时保留了相对体的粗糙凹谷，其被用作含油容积。因此产生了一种根据本发明的摩擦系统，其表现为在两种摩擦体上最小化的磨损，并且随时通过少量的油进行润滑，由此其提供了一种高效的烧损痕迹安全性。
在一种有利的改进方案中，硬质材料微粒的平均微粒尺寸为0.3μm。因此，耐磨损性和烧损痕迹安全性可以得到进一步的优化。
通过这些1.0％到3.0％的硬质材料微粒可以获得非常好的耐磨损性和烧损痕迹安全性。
本发明的硬铬层，优选由一系列的单层组成。这样在其深度上也可以实现硬质材料微粒的均匀分布，从而在发动机运转时能够随时保证耐磨损性和烧损痕迹安全性。
因为显微裂纹终结在单层内部，其层厚度要大于单层的最大厚度，所以相对于现有技术中已知的层还明显地改善了整个硬铬层的机械稳定性。
在电沉积之后，硬铬层的总镀层厚度可以为100到200μm，优选为130到180μm。镀层厚度应该足够大，以便允许最后加工，例如磨削。完成最后加工的硬铬层可以具有例如50到150μm的镀层厚度，优选为80到120μm。
本发明的硬铬层适合于所有的摩擦系统。作为本发明的硬铬层的非常大的优点，在这里表现为：在摩擦系统中，该硬铬层可以与很多种的铁基材料化合。此外，这些铁基材料不仅包括通常作为汽缸材料的基于片状铸铁的材料。本发明的硬铬层还可以例如与由蠕墨或球墨铸铁构成的材料以及与钢基材料化合。因此，在由活塞环和汽缸组成的摩擦系统中的实际应用中，实质上扩展了用于汽缸的材料范围。
附图说明
附图示出了作为本发明的衬底实施例的活塞环的横截面，其中，在该活塞环的工作面上镀有本发明的硬铬层。
具体实施方式
现在将进一步解释本发明的一个实施例。
成批的由铸铁构成的活塞环，作为衬底，借助电镀镀上本发明的硬铬层。此外，根据在EP 0217126A1中所述的方法进行，其中，电解质掺有由立方体的氮化硼构成的且平均微粒尺寸为0.3μm的微粒。在电镀过程中，通过搅拌，使由立方体的氮化硼构成的微粒持续处于悬浮状态。电解质温度为55℃。
使用下面的电解质成分：
铬酸(CrO3)        300g/l
硫酸              3g/l
氟化钾            1g/l
甲磺酸            4g/l
立方体氮化硼      20g/l
本发明的硬铬层由一系列的单层构成。每个单层在电流密度为120A/dm2和电镀时间为12分钟的条件下进行沉积，在这里，衬底与阴极连接。此后，衬底与阳极连接，并在电流密度为60A/dm2的条件腐蚀90秒。此外，在单层中自然产生的裂缝被扩大。分散在电解质中的由立方体氮化硼构成的硬质材料微粒储存在这些裂缝中。
重复14次所描述的由电镀和腐蚀组成的步骤。接着，镀上最后的电镀层但不进行随后的腐蚀步骤。在沉积状态下，即在电沉积刚刚结束时，总镀层厚度为大约180μm。
经过这样电镀的活塞环，以已知的方式在其工作面上进行磨削。在磨削之后，本发明的硬铬层厚度为大约120μm。
将本发明的硬铬层的耐磨损性与现有技术已知的储存有相似尺寸的硬质材料微粒的硬铬层进行对比，这里的硬质材料微粒一种为氧化铝微粒(A型，B型)，另一种为金刚石微粒。对此，使用标准的摩擦仪，其产生一个反向的滑动磨损。使用按本发明电镀的活塞环的一个区段以及由片状铸铁制成且经过相应研磨的汽缸区段作为试验件。借助这种装置来描绘活塞环在汽缸中，更确切地说，是在上止点与磨损相关的区域中的运动。相应地选择试验条件，使得在运动缓慢且润滑油供应极少的情况下对试验装置产生高负荷进而产生高的表面压力，相当于在发动机运行时在活塞环上承受的气压。试验条件详见如下：
测试时间：    12h
负荷：        1200N
表面压力：    57N/mm2
行程：        4mm
速度：        1.33m/min
频率：        5Hz
润滑：        每2个小时0.036g
油：          发动机油5W 40
温度：        20℃
试验结果总结见表1。
表1
  使用的硬铬层   活塞环上的磨损(μm)  汽缸上的磨损(μm)   摩擦系数
  实施例   0.4  0.8   0.09-0.13
  Al2O3微粒A型   1.2  5.8   0.08-0.15
  Al2O3微粒B型   1.3  2.8   0.06-0.16
  金刚石微粒   0.5  1.4   0.06-0.11
结果清楚地显示：本发明的储存有由立方体氮化硼构成的硬质材料微粒的硬铬层具有最低的磨损，更确切地说，在活塞环和汽缸上的磨损最低。
烧损痕迹安全性是在一个专门的发动机测试中，在一台四缸涡轮柴油发动机中进行测试。使用片状铸铁作为汽缸材料。试验条件是根据如下要求进行设计：相对于发动机的批量生产状态，提高活塞环工作面上的表面温度，以促使烧损痕迹的产生。为了达到这个目的，相对于批量生产状态，在几何上修改了发动机的一些构件，并人为地提高了发动机运行的平均温度。
通过这样达到了：在很短的运行时间后，就可再现地产生烧损痕迹。抗烧损痕迹性是通过视觉来鉴定。
试验结果总结见表2。
表2
  使用的硬铬层   汽缸1   汽缸2   汽缸3t   汽缸4
  实施例   没有烧损痕迹   没有烧损痕迹   轻微烧损痕迹   没有烧损痕迹
  Al2O3微粒   没有烧损痕迹   轻微烧损痕迹   没有烧损痕迹   严重烧损痕迹
  金刚石微粒   没有烧损痕迹   轻微烧损痕迹   轻微烧损痕迹   严重烧损痕迹
在该试验中，汽缸3和4以最严重的程度显示出烧损痕迹的形成，因为它们具有最高的温度。试验结果清晰地表明：相比于对比示例，本发明的储存有由立方体氮化硼构成的硬质材料微粒的硬铬层产生了明显改善的烧损痕迹安全性。

Claims (13)

1.硬铬层，其主要通过从由含有六价铬的电解质中电沉积而形成，并且其具有在其中储存硬质材料微粒的裂缝，其特征在于：硬质材料微粒由立方体氮化硼构成并具有0.1到1.0μm的平均微粒尺寸。
2.根据权利要求1所述的硬铬层，其特征在于：硬质材料微粒的平均微粒尺寸为0.3μm。
3.根据权利要求1或2所述的硬铬层，其特征在于：该硬铬层包含占整个镀层的质量百分比为0.5％到5.0％，优选为1.0％到3.0％的硬质材料微粒。
4.根据权利要求1所述的硬铬层，其特征在于：该硬铬层由一系列的单层组成。
5.根据权利要求4所述的硬铬层，其特征在于：单层的厚度为10-20μm，优选为12-16μm。
6.根据权利要求1所述的硬铬层，其特征在于：在电沉积之后，该硬铬层的厚度为100到200μm，优选为130-180μm。
7.根据权利要求1所述的硬铬层，其特征在于：在加工过程结束之后，该硬铬层的厚度为50到150μm，优选为80-120μm。
8.带有根据权利要求1到7其中之一所述的硬铬层的衬底。
9.根据权利要求8所述的衬底，其特征在于，所述衬底即是活塞环。
10.由基体和相对体组成的摩擦系统，其特征在于：基体由铁基材料组成，而相对体为根据权利要求9所述的衬底。
11.根据权利要求10所述的摩擦系统，其特征在于：基体由基于含有片状石墨，蠕虫状石墨或球状石墨的铸铁的材料组成。
12.根据权利要求10所述的摩擦系统，其特征在于：基体由钢基材料组成。
13.根据权利要求10到12其中之一所述的摩擦系统，其特征是以汽车发动机的发动机缸体的汽缸作为基体，而以活塞环作为相对体。
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