RU2634811C2 - Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо со стойким покрытием - Google Patents

Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо со стойким покрытием Download PDF

Info

Publication number
RU2634811C2
RU2634811C2 RU2015108068A RU2015108068A RU2634811C2 RU 2634811 C2 RU2634811 C2 RU 2634811C2 RU 2015108068 A RU2015108068 A RU 2015108068A RU 2015108068 A RU2015108068 A RU 2015108068A RU 2634811 C2 RU2634811 C2 RU 2634811C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
sliding element
dlc layer
element according
paragraphs
Prior art date
Application number
RU2015108068A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015108068A (ru
Inventor
Юрий ИВАНОВ
Маркус КЕННЕДИ
Original Assignee
Федерал-Могул Буршайд Гмбх
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федерал-Могул Буршайд Гмбх filed Critical Федерал-Могул Буршайд Гмбх
Publication of RU2015108068A publication Critical patent/RU2015108068A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2634811C2 publication Critical patent/RU2634811C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/042—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material including a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxides, ZrO2, rare earth oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/046—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material with at least one amorphous inorganic material layer, e.g. DLC, a-C:H, a-C:Me, the layer being doped or not
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/341—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one carbide layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/343—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one DLC or an amorphous carbon based layer, the layer being doped or not
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/347—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with layers adapted for cutting tools or wear applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Изобретение относится к элементу скольжения для двигателя внутреннего сгорания, снабженному износостойким покрытием (10), которое находится на по меньшей мере одной ходовой поверхности элемента скольжения, причем покрытие (10) изнутри наружу имеет карбидный или нитридный слой (16), расположенный на нем карбидсодержащий DLC-слой (17), расположенный на предыдущем слое свободный от металла PVD-DLC-слой (22) и размещенный на предыдущем слое свободный от металла PACVD-DLC-слой (18). В частном случае осуществления изобретения элемент скольжения представляет собой поршневое кольцо. Обеспечивается элемент скольжения, улучшенный в отношении комбинации из коэффициентов трения и износостойких свойств. 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение касается элемента скольжения, в частности поршневого кольца, с покрытием на подложке, которое образует, по меньшей мере, одну ходовую поверхность.
Элементы скольжения, как например, поршневые кольца, поршни или гильзы цилиндров в двигателях внутреннего сгорания, должны работать на протяжении, по возможности, долгого срока службы как при, по возможности, низком трении, так и с малым износом. Для снижения трения, непосредственно сопряженного с расходом топлива двигателя внутреннего сгорания, в основном, известно, что подобного рода элементы скольжения снабжают покрытием, снижающим трение. Для этого, используют, например, покрытие из DLC (алмазоподобного углерода), что принципиально известно специалисту.
Для нанесения слоя DLC имеются в распоряжении различные способы. Способ, часто используемый из-за высоких возможных скоростей покрытия и сравнительно низких затрат, - это способ PACVD (плазмохимическое осаждение из паровой фазы), который, например, описан в публикации DE 19513614 C1.
Следующий принципиально используемый способ нанесения покрытия на подложку со слоем DLC - это способ PVD (физическое осаждение из паровой фазы), который, например, описан в публикации DE 10203730 В4.
Недостатком осаждения слоя DLC, в частности, посредством PACVD-способа является то, что возникающие при этом высокие механические собственные напряжения влекут за собой относительно плохую устойчивость слоя, поэтому подобного рода слои не могут быть сразу использованы в элементах скольжения.
Из публикации DE 10 2009028504 В3 известен элемент скольжения, у которого покрытие включает два DLC-слоя, а именно металлсодержащий DLC-слой и свободный от металла DLC-слой. При этом металлсодержащий DLC-слой был нанесен способом PVD, свободный от металла - способом PACVD, тем самым, в слоях могут возникать различные микроструктуры. PACVD-DLC-слой, что означает свободный от металла DLC-слой из уровня техники, имеет уже описанные выше высокие механические собственные напряжения. Соответственно уровню техники предполагают, что эти высокие собственные напряжения PACVD-DLC-слоя могут быть уравновешены металлсодержащим промежуточным PVD-DLC-слоем.
Однако изобретатели обнаружили, что также описанный в публикации DE 102009028504 В3 способ еще не оптимален в отношении стойкости слоя на протяжении всего срока службы двигателя. Конкретно у описанного в уровне техники элемента скольжения в отдельных случаях может приводить к тому, что при тяжелых нагрузках происходят отслаивания слоя и, тем самым, элементы скольжения ухудшаются в отношении своих износостойких свойств и фрикционных свойств.
Из публикации DE 10018143 В4 следует система DLC-слоев, имеющая на подложке адгезионный слой, переходный слой и покровный слой, у которой адгезионный слой может быть нанесен при помощи плазмы, в частности, способом PVD или способом PACVD, а покровный слой нанесен из алмазоподобного углерода может наноситься PACVD-осаждением.
Публикация JP 2004-10923 А касается элемента скольжения с покрытием, имеющим изнутри наружу слой хрома, слой хром-углерод, DLC-слой с постепенно изменяющейся твердостью и твердый DLC-слой.
Из публикации DE 2008016864 В3 известно поршневое кольцо, имеющее изнутри наружу адгезионный слой, металлсодержащий аморфный углеродный слой и свободный от металла аморфный углеродный слой.
Публикация DE 102009046281 В3 касается элемента скольжения, в частности поршневого кольца, у которого изнутри наружу предусмотрены CrN-слой, Me(CxNy)-слой и DLC-слой.
Наконец, публикация US 2008/0220257 A1 описывает подложку с покрытием, имеющим изнутри наружу промежуточный слой из углерода с модулем Юнга более чем 200 ГПа и аморфный углеродный слой с модулем Юнга менее чем 200 ГПа.
Исходя из названного выше уровня техники, задача данного изобретения заключается в том, чтобы предоставить в распоряжение элемент скольжения, далее улучшенный в отношении комбинации из коэффициентов трения и износостойких свойств. В частности, задача заключается в улучшении износостойких свойств в отношении возможного отслоения частей покрытия в двигателе при тяжелых нагрузках.
Эта задача решается с помощью элемента скольжения согласно пункту 1 формулы изобретения. Другие предпочтительные особенности изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению элемент скольжения, в частности поршневое кольцо, имеет на подложке покрытие, которое образует, по меньшей мере, одну ходовую плоскость (дорожка скольжения). При этом покрытие имеет изнутри наружу (предпочтительно PVD-) карбидный или нитридный слой, на нем карбидсодержащий (предпочтительно PVD-)DLC-слой, на нем свободный от металла PVD DLC-слой и на нем свободный от металла PACVD DLC-слой.
Путем использования соответствующего изобретению строения покрытия можно выравнивать переходы между отдельными PVD-слоями и, тем самым, создавать особенно хорошее сцепление между отдельными слоями. Далее, на основе сродства свободных от металла PVD DLC- и PACVD DLC-слоев можно улучшить сцепление между обоими свободными от металла DLC-слоями. Путем плавного изменения параметров процесса можно достичь плавно измененного перехода между соответствующими слоями покрытия. Реализованный таким образом мягкий переход между отдельными слоями и сродство между PVD DLC-слоем и PACVD DLC-слоем препятствует любой форме отслоения, даже при тяжелых нагрузках в двигателе.
Согласно изобретению покрытие нанесено, по меньшей мере, частично, по меньшей мере на одну ходовую поверхность элемента скольжения. Однако также возможно, что покрытие проходит через всю ходовую поверхность и также сформировано полностью или частично на поверхностях, граничащих с ходовой плоскостью. В качестве примера подобных граничащих поверхностей можно назвать боковые поверхности поршневого кольца.
PVD DLC-слой может быть, в частности, путем ионного напыления или электродуговым способом нанесен на подложку или на связующий слой, предварительно нанесенный на подложку. PACVD DLC-слой получают, преимущественно, путем использования плазмы с частотой генератора плазмы по меньшей мере 1 кГц.
В одном предпочтительном варианте исполнения между подложкой и карбидным или нитридным слоем нанесен связующий слой, состоящий, предпочтительно, из хрома или титана. Этот связующий слой иногда также называют как адгезионный слой, и он улучшает сцепление всей системы слоев, в частности DLC-слоев на подложке. В качестве подложки может быть использован предпочтительно чугун или сталь в качестве исходного материала. Эти материалы оказались предпочтительными особенно в отношении поршневых колец.
Предпочтительно карбидный или нитридный слой имеет карбид вольфрама, CrN, Cr2N, TiN или CrTiN.
Под карбидсодержащим (предпочтительно PVD-) DLC-слоем следует понимать DLC-слой, к которому примешан карбид. Содержащийся в DLC-слое аморфный углерод со значительной долей эр3-связей (значительная часть структурированных без дальнего порядка углеродных sp3-связей составляет, при этом, по меньшей мере 20%, предпочтительно, по меньшей мере 50%) образует при этом матрицу для внедряемого материала. Предпочтительно карбидсодержащий DLC-слой имеет дополнительно вольфрам или хром. Наиболее предпочтительно карбидсодержащий DLC-слой имеет при этом карбид вольфрама, в частности, в форме нанокристаллических осаждений карбида вольфрама. Эта особенность воздействует также благоприятно на антифрикционные свойства элемента скольжения.
Преимущественно на PACVD DLC-слое сформирован слой для ускорения приработки, который мягче, чем PACVD DLC-слой. Такой мягкий слой для ускорения приработки улучшает свойства элемента скольжения в фазе приработки элемента скольжения, например, в новом двигателе или как запасной части в уже изношенном двигателе.
Предпочтительно PVD DLC-слой включает в себя несколько подслоев. Эти подслои могут быть связаны друг с другом, например, через плавно изменяемые переходы, получаемые из плавно измененных параметров процесса. Тем самым, возможно оптимально один в другой переводить адгезионные свойства между PVD DLC-слоем и карбидсодержащим DLC-слоем, с одной стороны, и карбидсодержащим DLC-слоем и (предпочтительно PVD-) карбидным или нитридным слоем, с другой стороны, не допуская возникновения заметной дискретности внутри слоя, которая обычно сопровождается пониженным сцеплением друг с другом участвующих здесь слоев.
В одном предпочтительном варианте исполнения PACVD DLC-слой имеет толщину, составляющую между 30% и 70%, предпочтительно, между 35% и 65%, от общей толщины покрытия. Это предпочтительное соотношение толщин слоев ведет к хорошей стойкости покрытия, без необходимости включения в покрытие множества дополнительных материалов.
Преимущественно общая толщина покрытия составляет от 2 мкм до 50 мкм. Эта толщина покрытия позволяет создать особенно хороший баланс между коэффициентом трения и износостойкими свойствами элемента скольжения, прежде всего в случае поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания.
Далее предпочтительно, что PVD DLC-слой (22) имеет твердость от 700 HV 0,002 до 2800 HV 0, 002 и, альтернативно или дополнительно, что PACVD DLC-слой имеет твердость от 1200 HV 0,002 до 3000 HV 0,002. Описанный диапазон твердости PVD DLC-слоя и PACVD DLC-слоя оказался особенно предпочтителен именно в отношении комбинации коэффициента трения и износостойкости.
В одном предпочтительном варианте исполнения PVD DLC-слой имеет модуль упругости (E-модуль) от 150 ГПа до 350 ГПа и/или PACVD DLC-слой - модуль упругости от 160 ГПа до 400 ГПа.
Принципиально предпочтительно, что, по меньшей мере, рабочая поверхность элемента скольжения, по меньшей мере, частично покрыта покрытием согласно изобретению. Однако по экономическим причинам также может быть предпочтительно наносить покрытие также на рабочие боковые поверхности и на переход между рабочей поверхностью и рабочей боковой поверхностью или на поверхности, граничащие с рабочей поверхностью.
Преимущественно карбидсодержащий DLC-слой и/или PVD DLC-слой, и/или PACVD DLC-слой содержит водород. Это оказалось благоприятным в отношении прочности покрытия.
Для предпочтительно предусмотренного связующего слоя наиболее предпочтительно то, что он имеет толщину слоя максимально 1 мкм, чтобы проявить свое действие при максимально незначительном нанесении на подложку и тем самым при минимальном использовании материала.
Фиг. 1 показывает схематический вид сбоку элемента скольжения с покрытием согласно уровню техники.
Фиг. 2 показывает схематический вид сбоку элемента скольжения в соответствии с предпочтительным вариантом исполнения данного изобретения.
Фиг. 1 показывает слоистое строение согласно уровню техники. Покрытие 10' элемента скольжения на подложке 12 включает в себя состоящий из хрома, нанесенный на подложку 12 связующий слой 14, который альтернативно также может состоять из титана. На связующий слой 14 нанесен карбидный слой 16, который альтернативно также может быть выполнен в виде нитридного слоя. На карбидный слой 16 нанесен карбидсодержащий DLC-слой (17). В данном примере карбидсодержащий DLC-слой имеет карбид вольфрама, углерод и водород.
На карбидсодержащий DLC-слой 17 иногда наносят PACVD-DLC-слой 18, имеющий особенно хорошую комбинацию из фрикционных и износостойких свойств. На PACVD-DLC-слой 18 наносят, при необходимости, слой 20 для ускорения приработки, который используют, например, в том случае, если элемент скольжения должен во время фазы приработки проявить особые свойства, в частности должен иметь меньшую твердость поверхности.
Фиг. 2 показывает предпочтительный вариант исполнения данного изобретения. По отношению к описанному ранее со ссылкой на фиг.1 покрытию 10', покрытие 10 согласно варианту исполнения, показанному на фиг.2, отличается, в частности, тем, что между карбидсодержащим DLC-слоем 17 и свободным от металла PACVD-DLC-слоем 18 нанесен свободный от металла PVD-DLC-слой 22. Этот PVD-DLC-слой 22 значительно улучшает сцепление между свободным от металла PACVD-DLC-слоем 18 и карбидсодержащим DLC-слоем 17 по причине своего (химического) сродства. Тем самым, может быть существенно улучшена стойкость покрытия 10 даже при высоких нагрузках на двигатель в сравнении с уровнем техники.
Далее на фиг.2 обозначена толщина d PACVD-DLC-слоя, которая по отношению к общей толщине D покрытия составляет долю от 40% до 60%, предпочтительно между 40% и 50%.

Claims (20)

1. Элемент скольжения для двигателя внутреннего сгорания, снабженный износостойким покрытием (10), которое находится на по меньшей мере одной ходовой поверхности элемента скольжения, причем покрытие (10) изнутри наружу имеет
карбидный или нитридный слой (16),
на нем карбидсодержащий DLC-слой (17),
на нем свободный от металла PVD-DLC-слой (22) и
на нем свободный от металла PACVD-DLC-слой (18).
2. Элемент скольжения по п. 1, в котором между подложкой (12) и карбидным или нитридным слоем (16) нанесен связующий слой (14).
3. Элемент скольжения по п. 2, в котором связующий слой (14) состоит из хрома или титана.
4. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором карбидсодержащий DLC-слой и/или PVD-DLC-слой, и/или PACVD-DLC-слой содержит водород.
5. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором карбидный или нитридный слой (16) имеет карбид вольфрама или CrN, или Cr2N, или TiN, или CrTiN.
6. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором карбидсодержащий DLC-слой имеет вольфрам или хром.
7. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором на PACVD-DLC-слое (18) сформирован слой (20) для ускорения приработки, который мягче, чем PACVD-DLC-слой (18).
8. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором PVD-DLC-слой (22) включает несколько слоев.
9. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором PACVD-DLC-слой (18) имеет толщину (d), которая составляет между 30% и 70%, предпочтительно между 35% и 65% общей толщины (D) покрытия (10).
10. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором общая толщина (D) покрытия (10) составляет от 2 мкм до 50 мкм.
11. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором PVD-DLC-слой (22) имеет твердость от 700 HV 0,002 до 2800 HV 0,002.
12. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором PACVD-DLC-слой (18) имеет твердость от 1200 HV 0,002 до 3000 HV 0,002.
13. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором PVD-DLC-слой (22) имеет модуль упругости между 150 ГПа и 350 ГПа.
14. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором PACVD-DLC-слой (18) имеет модуль упругости между 160 ГПа и 400 ГПа.
15. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, в котором PVD-DLC-слой (22) нанесен путем реактивного ионного напыления или электродуговым способом и PACVD-DLC-слой (18) нанесен при помощи плазмы с частотой генератора по меньшей мере 1 кГц.
16. Элемент скольжения по любому из пп. 1-3, который представляет собой поршневое кольцо.
RU2015108068A 2012-08-10 2013-07-30 Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо со стойким покрытием RU2634811C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012214284.3A DE102012214284B4 (de) 2012-08-10 2012-08-10 Gleitelement, insbesondere Kolbenring, mit einer widerstandsfähigen Beschichtung
DE102012214284.3 2012-08-10
PCT/EP2013/065993 WO2014023615A1 (de) 2012-08-10 2013-07-30 Gleitelement, insbesondere kolbenring, mit einer widerstandsfähigen beschichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015108068A RU2015108068A (ru) 2016-09-27
RU2634811C2 true RU2634811C2 (ru) 2017-11-03

Family

ID=48917519

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015108068A RU2634811C2 (ru) 2012-08-10 2013-07-30 Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо со стойким покрытием

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9476504B2 (ru)
EP (1) EP2882886B1 (ru)
JP (1) JP6261582B2 (ru)
KR (1) KR102093530B1 (ru)
CN (1) CN105102680B (ru)
BR (1) BR112015002898B1 (ru)
DE (1) DE102012214284B4 (ru)
IN (1) IN2015KN00588A (ru)
RU (1) RU2634811C2 (ru)
WO (1) WO2014023615A1 (ru)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5564099B2 (ja) * 2012-12-28 2014-07-30 株式会社リケン シリンダとピストンリングの組合せ
DE102014213822A1 (de) * 2014-07-16 2016-01-21 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102014217040A1 (de) 2014-08-27 2016-03-03 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beschichtung für Metallbauteile, Verfahren zum Beschichten eines Metallbauteils, Kolben für Verbrennungskraftmaschinen und Kfz
CN107835866B (zh) * 2016-03-04 2019-06-28 株式会社理研 滑动构件及活塞环
DE102016107874A1 (de) * 2016-04-28 2017-11-16 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring
CN106011855A (zh) * 2016-07-18 2016-10-12 大连维钛克科技股份有限公司 一种应用于滑动部件的碳基涂层
BR102016017735B1 (pt) * 2016-07-29 2021-05-18 Mahle Metal Leve S.A. elemento deslizante para motores de combustão interna
BR102017007599B1 (pt) * 2017-04-12 2022-07-26 Mahle Metal Leve S.A. Anel de pistão para motores de combustão interna
US11047478B2 (en) * 2017-06-02 2021-06-29 Mahle International Gmbh Piston ring and method of manufacture
US20190120291A1 (en) * 2017-10-24 2019-04-25 Hamilton Sundstrand Corporation Air bearing
PL239495B1 (pl) * 2018-03-26 2021-12-06 Politechnika Lodzka Sposób wytwarzania powłoki węglowej domieszkowanej tytanem i tlenem
CN109372651B (zh) * 2018-09-25 2021-06-08 安庆帝伯格茨活塞环有限公司 一种类金刚石涂层活塞环及制备方法
EP3650583A1 (en) * 2018-11-08 2020-05-13 Nanofilm Technologies International Pte Ltd Ta-c based coatings with improved hardness
DE102019206420A1 (de) * 2019-05-03 2020-11-05 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Beschichten einer mechanisch hochbelasteten Oberfläche eines Bauteils sowie beschichtetes Bauteil selbst
DE102019214934A1 (de) * 2019-09-27 2021-04-01 Robert Bosch Gmbh Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil
CN113551034B (zh) * 2021-07-28 2024-07-23 安庆帝伯格茨活塞环有限公司 一种双过渡层类金刚石涂层活塞环
CN114875361A (zh) * 2022-05-27 2022-08-09 重庆中光学建设镀膜科技有限公司 一种高附着力金属涂层及其制备工艺

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000128516A (ja) * 1998-10-30 2000-05-09 Riken Corp 低摩耗性と優れた密着性を有する複合ダイヤモンドライクカーボン皮膜
EP2083095A2 (en) * 2008-01-21 2009-07-29 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) Diamond-like carbon film for sliding parts and method for production thereof
DE102008042747A1 (de) * 2008-10-10 2010-04-15 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement in einem Verbrennungsmotor, insbesondere Kolbenring

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19513614C1 (de) 1995-04-10 1996-10-02 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Abscheidung von Kohlenstoffschichten, Kohlenstoffschichten auf Substraten und deren Verwendung
DE10018143C5 (de) * 2000-04-12 2012-09-06 Oerlikon Trading Ag, Trübbach DLC-Schichtsystem sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Schichtsystems
DE10203730B4 (de) 2002-01-30 2010-09-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Abscheidung von metallfreien Kohlenstoffschichten
JP4085699B2 (ja) * 2002-06-04 2008-05-14 トヨタ自動車株式会社 摺動部材及びその製造方法
DE102004041234A1 (de) * 2004-08-26 2006-03-02 Ina-Schaeffler Kg Verschleißfeste Beschichtung und Verfahren zur Herstellung derselben
JP2006097871A (ja) * 2004-09-30 2006-04-13 Nsk Ltd 転がり摺動部材及び転動装置
WO2006125683A1 (en) * 2005-05-26 2006-11-30 Nv Bekaert Sa Piston ring having hard multi-layer coating
US7947372B2 (en) * 2005-08-18 2011-05-24 Sulzer Metaplas Gmbh Substrate coated with a layered structure comprising a tetrahedral carbon layer and a softer outer layer
JP2007070667A (ja) * 2005-09-05 2007-03-22 Kobe Steel Ltd ダイヤモンドライクカーボン硬質多層膜成形体およびその製造方法
ATE452218T1 (de) * 2005-09-10 2010-01-15 Schaeffler Kg VERSCHLEIßFESTE BESCHICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN
JP2007162099A (ja) * 2005-12-15 2007-06-28 Toyota Motor Corp 硬質炭素膜及びその製造方法並びに摺動部材
DE102006029415B4 (de) * 2006-06-27 2023-07-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Verschleißfeste Beschichtung sowie Herstellverfahren hierfür
DE102008016864B3 (de) * 2008-04-02 2009-10-22 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring
DE102009028504C5 (de) * 2009-08-13 2014-10-30 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring mit einer Beschichtung
DE102009046281B3 (de) * 2009-11-02 2010-11-25 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Kombination eines Gleitelements mit einem Laufpartner
JP2012047603A (ja) * 2010-08-26 2012-03-08 Tokai Kiyouhan Kk エアマイクロメータの測定ヘッド

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000128516A (ja) * 1998-10-30 2000-05-09 Riken Corp 低摩耗性と優れた密着性を有する複合ダイヤモンドライクカーボン皮膜
EP2083095A2 (en) * 2008-01-21 2009-07-29 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) Diamond-like carbon film for sliding parts and method for production thereof
DE102008042747A1 (de) * 2008-10-10 2010-04-15 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement in einem Verbrennungsmotor, insbesondere Kolbenring

Also Published As

Publication number Publication date
CN105102680B (zh) 2018-07-31
EP2882886B1 (de) 2018-03-21
US9476504B2 (en) 2016-10-25
EP2882886A1 (de) 2015-06-17
IN2015KN00588A (ru) 2015-07-17
KR20150060691A (ko) 2015-06-03
DE102012214284A1 (de) 2014-02-13
CN105102680A (zh) 2015-11-25
JP2015525861A (ja) 2015-09-07
BR112015002898A2 (pt) 2018-05-22
JP6261582B2 (ja) 2018-01-17
KR102093530B1 (ko) 2020-03-25
WO2014023615A1 (de) 2014-02-13
DE102012214284B4 (de) 2014-03-13
US20150240944A1 (en) 2015-08-27
RU2015108068A (ru) 2016-09-27
BR112015002898B1 (pt) 2021-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2634811C2 (ru) Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо со стойким покрытием
RU2558024C2 (ru) Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента
KR101420142B1 (ko) 코팅을 구비한 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링, 및 슬라이딩 요소의 제조방법
US9611543B2 (en) Sliding element having a coating
RU2531220C2 (ru) Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и комбинация скользящего элемента с ответным рабочим элементом
JP5855026B2 (ja) ピストンリングの少なくとも内側面を被覆する方法
US20150292622A1 (en) Sliding element, in particular a piston ring, having a coating
RU2649490C2 (ru) Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, с покрытием
US10697543B2 (en) Sliding element, in particular piston ring, and method for producing the same
US20100044967A1 (en) Piston ring
US11401598B2 (en) Friction reduced and wear resistant coating, preparation method thereof and piston ring
JP4359979B2 (ja) 被覆摺動部材
US20100019458A1 (en) Piston ring
US11739426B2 (en) Component, in particular for a valve train system, and method for producing a component of this type
US20100117304A1 (en) Piston ring
US20130168906A1 (en) Helical Compression Spring for an Oil Scraper Ring of a Piston in an Internal Combustion Engine and Method for Coating a Helical Compression Spring
US9388900B2 (en) Method for producing a piston ring having embedded particles

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200731