用于内燃机的滑动元件制造技术

本发明专利技术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sp

Sliding Elements for Internal Combustion Engines

The present invention relates to a sliding element for an internal combustion engine. The sliding element is provided with a coating comprising two hard amorphous carbon (DLC) layers (14, 15), the two hard amorphous carbon layers having different sp.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于内燃机的滑动元件
本专利技术涉及一种滑动元件，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。
技术介绍
无论是狄赛尔循环(Dieselcycle)、奥托循环(Ottocycle)、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，本专利技术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。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.29 BR BR10201601773591.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊莱尔·多斯·桑托斯·佩斯，
申请(专利权)人：马勒金属立夫有限公司，马勒国际有限公司，
类型：发明
国别省市：巴西,BR