CN107035564B - 滑动元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞环(10)，其包括硬质非结晶碳涂层(15)，该涂层具有Rpk≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm的轮廓。

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环，其包括由硬质非结晶碳构成的涂层，该涂层设置有粗糙轮廓，粗糙轮廓能够促进滑动界面上的摩擦降低，并且降低磨损。

背景技术

内燃机无论是狄赛尔循环、奥托循环、两或者三冲程，均包括至少一个滑动元件，诸如活塞环。

在该方案中，活塞环作用为密封气缸衬套和活塞的主体之间的空间，隔离燃烧室与发动机的剩余内部部件。活塞环径向布置在活塞的主体的基底上，防止燃烧气体沿曲轴箱的方向逃离燃烧室，并且防止发动机的油渗入燃烧室。

一些内燃机、主要是利用狄赛尔循环操作的发动机在高负荷下工作。在高性能汽油发动机中能够发现其他例子。独立于能够引证的例子，发动机存在的趋势是以高速度以及高功率操作，同时降低间隙，结果，将受到严厉的摩擦行为。这种条件自然在其机械部件上更严格。在该方案中，这些发动机中利用的环具有高功率或者性能需要低摩擦、高硬度以及高耐磨性。

此外，重要强调的是，当联系到用于高性能以及耐久性的需要时，内燃机的环境影响以一般方式导致要求以更紧容差工作，这自然转换为利用逐渐薄层的润滑油。正如应该见于下文的，已经具体地开发了本发明以提供一种解决方案，在该解决方案中，良好性能来自于利用占主导地位的较少粘性油。

现有技术的活塞环大致包括硬质非结晶碳涂层，还公知为DLC (类金刚石)或者无氢的氢化纳米结构DLC，作为实现低摩擦以及高耐磨性的一个方案。

总之，现有技术的解决方案将DLC涂层施加于具有sp³和sp²键的成分中。不过，应该注意的是，凭借sp³键的高尺寸稳定性，其硬度超过sp²键时遇到的硬度。基于该原因，现有技术的多种解决方案利用具有被sp²(石墨类型)薄层涂覆的sp³的DLC层(钻石类型)。

为了更好地理解，sp²层凭借非常软以及润滑被利用以允许活塞环嵌入气缸衬套内，并且防止sp³层直接接触气缸衬套。这种考虑极其有效，这是由于这样的事实，除了sp³层会刻痕气缸衬套的可能性，存在于sp³层中的应力浓度非常高，使得其会产生灾难性后果：对于气缸衬套来说会使其产生刻痕，对于涂层来说具有破裂发生以及传播的可能性，这必然导致发动机工作寿命的缩减。

专利文献WO2010133633揭露了一种活塞环，其设置有厚度超过10微米的ta-C类型DLC涂层并且该涂层具有至少一个残余应力梯度以赋予该部件耐久性以及低摩擦。应该注意的是，DLC涂层的沉积所固有的高内部应力导致需要查找方案，诸如该文献的方案。但是，即使降低了残余应力，但是该方案也不能完全解决问题，这是由于这样的事实，凭借轮廓持续发生活塞环与衬套的接触界面，例如不能够确保气缸衬套不受到现有技术方案的典型磨损。

文献US2013/0140776描述了一种活塞环，其设置有厚度也超过10微米的ta-C类型DLC涂层，其中，涂层包含厚度从1至3微米的抛光层，其中，sp³的量减小至小于40％的值，目的在于确保更大量的sp²存在于该第二层中用于将活塞环嵌入气缸内。

同时，现有技术的解决方案涉及确保低摩擦以及高耐久性，发现的所有解决方案都需要界面或者存在促进嵌入的元件，诸如在活塞环的滑动区域中的较软层，或者添加促进这种效果的金属。此外，在现有技术中存在可替换方案，鉴于高应力，通过降低自然受到高内部应力以及高硬度的涂层的内部应力来维持涂层的功能整体性。

独立于现有技术的文献揭露的努力，还未发现在最终产品中产生良好结果的解决方案，也即是说，活塞环不需要嵌入相应的气缸衬套内，同时，利用非常小的间隙工作。

因此，需要找到一种滑动元件，诸如活塞环，其包括设置有粗糙轮廓的a-C类型硬质非结晶碳涂层，该粗糙轮廓能够促进降低其滑动界面的摩擦并且减小磨损。

发明内容

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环，尤其用于在高负荷和/或功率下操作的发动机，活塞环包括设置有粗糙轮廓的非结晶碳涂层，依靠降低波峰以及最大化波谷，粗糙轮廓能够促进降低其滑动界面中的摩擦，并且减小气缸衬套的磨损。

本发明的目的还在于提供一种活塞环，其设置有涂层，能够利用非常小间隙以及具有高耐久性的油薄膜工作。

此外，本发明的目的是提供一种活塞环，其能够利用非常小间隙以及油膜工作。

最终，本发明的目的是提供一种活塞环，其包括的硬度范围为 2000至4000HV(维氏硬度)，该硬度范围不会刻划气缸衬套，气缸衬套的硬度相当低，通常小于700HV(维氏硬度)或者甚至250至300HV。

本发明的目的通过滑动元件实现，尤其用于内燃机的活塞环，其设置有滑动面，滑动面上从内向外沉积有粘着剂层以及硬质非结晶碳涂层，硬质非结晶碳涂层具有由参数Rpk和Rz描述的粗糙度，使得 Rpk≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm。

此外，本发明的目的通过包括至少一个上文限定的活塞环的内燃机实现。

附图说明

下文，基于示出于附图的实施例的示例，将更详细地描述本发明，附图示出了：

图1是布置在内燃机的气缸内部内的活塞环的示意图；

图2揭露了本发明的涂层的结构的活塞环的截面；

图3是示出气缸衬套和现有技术的带涂层活塞环的波峰的接触点的图；

图4是示出气缸衬套和本发明的带涂层活塞环的波峰的接触点的附图；

图5是举例得自于具有相同量值的波峰和波谷的表面的图形；

图6是举例得自于具有低波峰和深波谷的表面的图形；

图7是示出现有技术和本发明用于DLC的摩擦的结果的图形，作为Rpk和Rz值的函数；

图8是示出用于本发明和现有技术的DLC环和气缸衬套的磨损的图形。

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环10，其包括a-C类型硬质非结晶碳涂层15，该涂层存在的粗糙轮廓具有的Rpk 值≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm。正如将见于下文的，满足上述值Rpk和 Rz的粗糙轮廓，当连同非结晶碳涂层利用时，诸如本发明的非结晶碳涂层，产生的性能优于现有技术的滑动的性能。

最初，应该陈述的是，本发明的滑动元件优选用于内燃机的活塞环10，其在高负荷和/或功率下操作。通常这些活塞环10利用非常小间隙以及薄油膜工作以确保良好性能以及CO₂的低释放。

作为重要特性，本发明的活塞环10具有的重要特征为，具有基于具有高耐久性的碳结构的低摩擦的涂层15，该结果得自于涂层的表面专门开发的地形。

本发明的环10包括设置有滑动面11的金属基底，优选由铸铁、钢、包含10％至17％铬或者碳钢的不锈钢构成。滑动面11定向成朝向接触气缸衬套20的区域，涂层15沉积在滑动面11上。在优选构造中，滑动面11从内向外接收粘着剂层14和a-C类型硬质非结晶碳的涂层15(见图1和图2)。

粘着剂层14具有的目的是促进调节环10的金属结构和非结晶碳涂层15之间的应力，其内部应力非常高，因此，确保功能涂层15和金属基底之间的良好粘接。但是，以优选方式，而不是强制性，粘着剂层14由铬的体心立方(bcc)多晶柱状结构形成，厚度位于0.5至1微米之间。在可替换优选构造中，粘着剂层可以具有镍或者钴。此外，粘着剂层14通过来自金属源的气相沉积处理沉积。

图示于图2作为涂层15并且下文这样指代的抗摩擦层由完全非结晶碳组成，没有或者基本没有氢(DLC)，具有优越量的sp²。关于不存在氢，重要需要注意的是，氢量的重量比小于2％。

在sp³与sp²的比率方面，应该注意的是，在优选构造中，sp³与sp²之间的比率包括sp³键占据25％至40％之间，其特征为a-C涂层15。换句话说，在该可替换优选构造中，sp³与sp²之间比例的比率范围在0.25 至0.45之间，其中，在第二可替换优选构造中，该比率在0.35和0.85之间。此外，本发明的膜的总厚度位于8至15微米之间。在可替换优选构造中涂层15的厚度范围在5000和30000纳米之间。

在硬度方面，基本无氢的非结晶碳涂层15包括的硬度在20至 40GPa之间。

此外，应该注意的是，涂层15的沉积处理通过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方式，本发明利用涂层15的接触表面中专门开发的地形，涂层15能够适于气缸衬套20的接触表面21。本发明的发展允许其被理解为，在滑动及磨耗的摩擦接触的许多情形下，具有高粗糙的涂层克服不良结果。

以这种方式，本发明的一个目的是设置有涂层15的活塞环10，该涂层15包括的硬度范围为2000至4000HV(维氏硬度)，但是避免气缸衬套20的高磨损，气缸衬套20的硬度相当低，大致小于700HV(维氏硬度)，或者甚至250至300HV。

为了实现本发明的目的，活塞环10的涂层15包括这样一个表面，其具有控制量的波谷，目的是在启动发动机的操作期间最大化油的供给，还增加了油膜以及降低了实心接触点，在摩擦学系统中产生较低摩擦系数(活塞环/气缸衬套)。

极大地贡献于本发明的良好结果，本发明的涂层15的表面包括一个地形，其与所述气缸衬套20的接触表面21的接触主要是通过凸部18发生。

标准ISO4287定义了粗糙参数Rpk和Rz，分别代表波峰的平均高度以及从最高波峰至最深波谷的平均距离。为了更好地理解，以示例的方式，比较图3和图5以及图4和图6，能够意识到的是，当给定的地形包括具有相同量值的许多波峰16时(见图3和图5)，用于油进入的腾空空间减小，使得活塞环和衬套的分界面中难以存在油。也就是说，使得难以形成润滑膜。反过来，在包括低波峰和深波谷的地形中，腾空空间较大并且油具有进入这些空间的可能性，利于形成润滑膜。该膜的形成将防止活塞环和衬套之间的接触。换句话说，图5和图6的图形揭露了本发明中存在的表面条件。在该类型的表面中，表面之间油的百分比越大，为润滑提供的条件越好，防止滑动元件和衬套之间的接触，降低摩擦和磨损。以这种方式，图5和图6允许包含很少储油部以及很多储油部的表面之间具有差异。本发明利用了一种接触表面，其非常类似于图6的情形中发现的接触表面，也即是说，表面大致由小波峰以及大波谷18形成，确保在活塞环10和气缸衬套20之间的接触区域中形成良好的支撑，并且易于形成润滑膜。

以这种方式，Rpk和Rz值对于使本发明特征为降低的波峰18 和存在深波谷极其重要，这是由于这样的事实，这种值允许理解具体地形，该地形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。

在现有技术的环中，形成润滑膜16较难，其引起由于高接触压力而刻划以及严重磨损气缸衬套20的壁。此外，当无氢的非结晶碳 (DLC)涂层和衬套之间的存在较少油时，该局部高压使得难以形成及维持润滑油膜。

类似于图4的描述，本发明的解决方案能够被描述。以这种方式，为了解决现有技术的问题，已经开发了一种表面，其目的是确保在活塞环10和气缸衬套20之间的接触中的良好的支撑，这是由于可变的形成润滑膜的事实。对于相同负荷，当相比于具有很少储油部的地形来说，该表面生成较少接触。为了实现接触环10和衬套20之间的接触，为了贡献于发动机的良好操作，以这种方式，抛光活塞环10极其重要。通过移除涂层15的波峰16的处理，在活塞环10和气缸衬套20之获得间良好的兼容，该处理发生在涂层15沉积之后，没有完全消除波谷。

在这方面，本发明具有的特征为活塞环10的涂层15的地形， Rpk值≤0.15μm并且0.7≤Rz≤1.5μm。在可替换优选模式，Rmr(0.3/0.5) 的值等于或者超过65％。

在开发本发明的滑动元件期间获得的实验结果清楚地证明其优势。在该方面，图7示出了活塞环的摩擦以及磨损方面的性能，作为参数Rpk和Rz的函数，用于现有技术的环以及用于本发明的环。应该注意的是，对于本发明来说，利用在说明书内的Rpk和Rz的值执行测试。

图7的结果表明，基本无氢的非结晶碳涂层和铬氮化物涂层呈现不同水平的Rpk和Rz。当相比于现有技术的Rpk和Rz时，碳涂层摩擦系数呈现降低。反过来，图7的表格中距离右边最远处的值揭露的是，本发明的DLC涂层和CrN涂层呈现大致相同Rmr值。此外，本发明的 DLC涂层呈现的摩擦系数大致低于CrN涂层25％。

此外，图8示出了相比于现有技术的DLC涂层，本发明的DLC 涂层在磨损方面的性能。结果证明，凭借揭露的内容，本发明的解决方案的优势在于，本发明的储油部的存在给活塞环10带来较少磨损(零以上的列)，并且给气缸衬套20带来较少磨损(零以下的列)。换句话说，对于非结晶碳涂层，当Rmr值获得本发明的地形轮廓时，活塞环10和气缸衬套20的磨损大大减低。

因此，毫无疑问，本发明结合使用基本无氢的非结晶碳涂层 15，具有呈现储油部的地形，利于形成润滑膜，防止接触衬套，摩擦系数极大地降低，还降低活塞环和气缸的磨损，确保在操作发动机的任何阶段的正确行为，并且确保用于发动机的较长寿命。

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，仅仅由附随的权利要求的内容限制，其中包括可能的等同结构。

Claims (9)

1.一种滑动元件，其设置有滑动面(11)，在滑动面(11)上从内向外沉积有粘着剂层(14)和硬质非结晶碳涂层(15)，所述滑动元件的特征在于，所述涂层呈现sp³和sp²之间的比例的比率范围在0.25至0.45之间，以及呈现的粗糙轮廓具有的Rmr(0.3/0.5)等于或者超过65％、Rpk≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm，并且其中所述涂层(15)的接触表面具有小波峰和大波谷结构，限定出包括凸部(18)的地形。

2.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述滑动元件是用于内燃机的活塞环(10)。

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)包含重量比小于2％的氢。

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)的厚度超过8微米。

5.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)的厚度范围在8微米至15微米之间。

6.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述粘着剂层(14)由具有体心立方(bcc)多晶柱状结构的铬金属形成，或者具有镍或者钴。

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)的硬度范围在20GPa至40GPa之间。

8.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述滑动元件的基底材料由不锈钢组成，所述不锈钢具有10％至17％铬并且剩余物为铸铁和碳。

9.一种内燃机，其特征在于，其包括至少一个根据权利要求1所述的滑动元件。

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