用於在內燃機中使用的滑動部件的製作方法

2023-04-25 19:25:11

用於在內燃機中使用的滑動部件的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於在內燃機中使用的滑動部件，其設置有覆蓋有保護性表面層(11)的鐵基體(10)，所述保護性表面層通過物理氣相沉積(PVD)施加並由至少一種氮化物組成或由氮化層組成，在其滑動外周表面(2)上施加類金剛石碳(DLC)的塗層(12)，所述塗層(12)包括至少一個由WC1-x組成的過渡層(122)和/或位於所述鐵基體(10)和無定形碳的外層(124)之間晶體結構(bcc-體心立方)的金屬鉻層(121)。
【專利說明】用於在內燃機中使用的滑動部件

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於在內燃機中使用的滑動部件，例如活塞環，其設置有塗層，該 塗層包含至少一種過渡層，該過渡層由陶瓷材料、如碳化鎢（WCh)或類似物組成，和/或由 金屬、如金屬鉻（bcc-Cr)或一些其它必要或需要等效物組成。
[0002] 這樣構成的滑動部件提供如下優點：如更高的穩定性和耐用性，賦予配備有該滑 動部件的內燃機長的使用壽命。最近的，由 申請人:進行的詳盡的研究證實了：所述塗層的形 態和微結構以及所使用的創新的沉積工藝導致如更大的耐磨性和韌性的提高，該創新的沉 積工藝通過晶體形式的金屬材料的兩個組合層與無定形結構的組合保證更好的粘附。

【背景技術】
[0003] 為了內燃發動機可靠地運行並根據其設計者指定的理想的參數，它的內部部件即 使在最臨界的操作條件下也必須具有高的耐久性。因此，如活塞環和軸承的部件尤其必須 顯示抗磨損的抵抗性和耐久性，所述磨損由不斷滑動，和高溫以及由在汽缸內發生的燃燒 所產生的產物的所帶來的化學和研磨攻擊而造成。
[0004] 鑑於這一點，需要高耐久性，滑動部件、例如活塞環和軸承被施加塗層以更好地承 受發動機的不斷的操作循環，並且以構成部件的基體材料，所述發動機的操作參數以及制 造成本等作為前提，施加到這些部件的塗層不斷被精製。
[0005] 具體地關於活塞環，一些塗層已經被研發出來用於以有利的製造成本的方式賦予 這些部件高耐久性。
[0006] 第一塗層在專利DE 10 2009 046 281中公開，該專利涉及由鋼或鑄鐵製造的活 塞環，其具有塗層，所述塗層由無金屬的DLC層組成或由金屬內層和非金屬的頂層、由PVD 工藝（物理氣相沉積）沉積的氮化鉻（CrN)構成的層以及陶瓷Me(CxNy)中間層組成。
[0007] 氮化層施加在環基體上，並且上述中間層隨後施加在其上。最後，塗層DLC施加在 中間層上。
[0008] 任選地（非強制性地），提供粘附層，其形成在通過PVD所施加的氮化鉻和活塞環 或類似物的基體之間的粘結。
[0009] 這種塗層的一個弱點在於，Me (CxNy)粘結層是脆弱的和易碎的，並可能導致覆蓋層 的過早脫落，從而導致內燃機較短的使用壽命，這在市場營銷方面是不希望的。
[0010] 此外，與現在提出的塗層相比，現有技術的這種塗層不具有由碳化鎢WCh組成的 過渡層。
[0011] 文獻DE 10 2008 042 747公開了一種滑動部件、如活塞環，該活動部件的塗層包 括由施加在基材上的金屬鉻組成的粘附層，由PVD工藝（物理氣相沉積）所施加的氮化層 (氮化鉻），設置有碳的內層，其與設置有優選的a-C :H類型的外層相比具有更大的硬度和 /或含有小百分比的氫。
[0012] 該第二塗層的缺點是氫促進形成sp3的電子結構（與金剛石一樣的結構），並隨著 其減少將會增加 sp2的結構（與石墨一樣的結構）。由此，該覆蓋層的耐磨損性受到損害。
[0013] 此外，作為相對於現在開發的塗層的區別，現有技術的這種塗層作為一個巨大的 區別從外面向內算起具有第二層，所述第二層具有無定形碳形式，而不是創新的多層結構 (W_C:H)和（a_C:H)。因此，通過該塗層獲得的性能指數較低，特別是在抗裂紋擴展方面。
[0014] 文獻DE 10 2009 028 504,反過來，公開了以鋼或鑄鐵製造的活塞環，其最初覆蓋 有粘附層，在所述粘附層上施加包含碳和金屬、特別是鎢的中間層和無金屬成分的DLC層。 該塗層的平均厚度為從5 μ m到40 μ m，外層的厚度與中間層的厚度之比為從0. 7到1. 5,而 外層的厚度與該塗層的總厚度之比為從約〇. 4至0. 6。
[0015] 作為相對於現在開發的塗層巨大區別，該現有技術不具有配置為（W_C:H)和 (a_C:H)的多層結構的中間層。實際上，該層不存在於該塗層中，因此，利用它實現的性能 指數較低，特別是在抗裂紋擴展方面。
[0016] 最後，文件US2007/0078067公開了一種施加於至少一個滑動部件的塗層，其特徵 在於它包括在部件的滑動表面上的無定形碳膜，並具有在拉曼光譜中的D帶（與碳無序sp 2 相關聯）與G帶（單晶石墨）的總強度之比在1. 5和2. 0之間。
[0017] 上面所討論的塗層具有使它們不能令人滿意地用於在發動機部件中使用的特性， 因為它們不同時顯示出適用於在內燃機內的操作的高耐磨損性和耐久性。本 申請人:已開發 了另一種塗層，相比其他的塗層具有新穎性和創造性，它提供顯著優點，如易於沉積的，優 良的機械性能和有競爭力的應用的成本，高的耐磨性和韌性，與現代發動機的要求相兼容。 本發明的塗層可以被施加到在內燃機中所使用的任何滑動部件，如活塞環，軸承，襯套，套 筒等，即使它們是鐵基的。


【發明內容】

[0018] 本發明的目的是為在內燃機中使用任何滑動部件設有DLC類型的塗層，其應用的 工藝導致創新的塗層相對於目前已知的其它塗層具有新穎性和創造性並且提供許多使用 優點，例如易於沉積的，優異的機械和結構特性和有競爭力的應用的成本。
[0019] 本發明的目的通過一種用於在內燃機中的使用的滑動部件實現，其設置有覆蓋有 保護性表面層的鐵基體，所述保護性表面層由通過物理氣相沉積（PVD)工藝施加的至少一 種氮化物或氮化層組成，在其滑動外周表面上施加類金剛石碳（DLC)的類型的碳塗層，其 中所述塗層包括至少一個由WCh組成的過渡層和/或位於所述鐵基體和碳（DLC)的外層 之間晶體結構（bcc-體心立方）的優選的金屬鉻層，和在過渡層和DLC外層之間的以中間 層形式的呈（a-C :H :W)和（a-C :H)多層結構的碳化物的納米晶相。
[0020] 此外，本發明的目的通過一種用於在內燃機中的使用的滑動部件實現，其設置有 鐵基，在其滑動外周表面上施加有塗層，其中所述塗層從外部朝向鐵基體計算包括：類型 (a-C :H)的類金剛石（DLC)型的無定形碳的外層；具有（a-C :H :W)和（a-C :H)多層結構的 碳化物的納米晶相；和由W(VX組成的過渡層；和/或晶體結構（bcc-體心立方）的金屬鉻 層；和由通過物理氣相沉積（PVD)工藝施加的至少一個氮化物組成的保護層，其中在拉曼 光譜中的D帶（與碳無序sp 2相關聯）與G帶（單晶石墨）的總強度之比具有在0.2和1.0 之間的值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 在下面，基於在附圖中所示的實施例更詳細地描述本發明。附圖示出：
[0022] 圖1是根據本發明的滑動部件以活塞環的形式的優選結構的透視圖。
[0023] 圖2是在圖1所示的活塞環的頂視圖。
[0024] 圖3是在圖2中所示的活塞環沿A-A截面的橫截面的示意圖，其示意性地顯示施 加到它的滑動外周表面上的塗層。
[0025] 圖4是根據本發明施加到所述滑動部件的滑動外周表面上的塗層的一個優選變 型的詳細視圖。
[0026] 圖5是根據本發明施加到所述滑動部件的滑動外周表面的塗層的由（a-C :H :W) 和（a_C:H)組成的中間層的詳細視圖。
[0027] 圖6是根據本發明施加到滑動部件的滑動外周表面上的塗層的1000倍的放大倍 數的照片。

【具體實施方式】
[0028] 根據優選實施例並且如從圖1可以看出，本發明涉及一種用於在內燃機使用的滑 動部件1，其具有鐵基體10,在鐵基體的滑動外周表面2上施加有類金剛石碳（DLC)類型的 碳的塗層12。
[0029] 由本 申請人:開發的本發明的塗層12相比於其他現有技術具有新穎性和創造性 的--這將在下面進行解釋的，並提供顯著的優點，如易於沉積的，優異的機械和結構特性 和有競爭力的應用的成本。
[0030] 首先，應當指出的是，優選地，所述滑動部件1是活塞環，但也可以採用任何其它 必要或可取的結構，例如軸承，襯套，套筒或任何其他部件。
[0031] 仍然作為基本原則，應該注意的是，根據本發明的滑動部件1具有至少施加到其 滑動外周表面2上的塗層，但是不必阻止另外施加到部件的其他部分和表面的塗層。
[0032] 當部件1具有活塞環優選的結構，本發明的塗層12被施加到橫向的外周表面2,其 與氣缸的壁接觸，當活塞執行其往復運動時，所述環相對於所述壁滑動。
[0033] 然而，不必阻止環的其他部分，例如摩擦在活塞中存在的相應的環槽的頂部，底部 和內表面，也接收到本發明的塗層。
[0034] 在一個概念性的說明中，滑動部件1設置有鐵基體10,該鐵基體覆蓋有保護表面 層11，所述保護表面層由通過物理氣相沉積（PVD)施加的氮化鉻組成，也被稱為離子鍍和/ 或氮化層如在圖6中所示的情況。如上所述，滑動外周表面2被施加 DLC類型的碳塗層12， 該塗層包括由WCh組成的至少一個過渡層122和/或位於鐵基體10和無定形碳124的外 層之間的晶體結構（bcc-體心立方）的金屬鉻的層121。在圖3和圖4中能夠看出具有清 楚示出地各個層的塗層示意圖。
[0035] 鐵基體10可以具有多樣的構成，但最好由碳素鋼，鑄鐵或其他不鏽鋼（後者優選 包含17%的鉻-Cr)的基底組成。
[0036] 該鐵基體10通過PVD工藝被施加由至少一種氮化物（最好是氮化鉻）組成的上 述保護表面層11。氮化鉻最好具有CrN的主要成分，但顯然如果必要或希望也可以主要使 用Cr 2N。此外，作為替代的，可以設想使用氮化層。
[0037] 本領域的技術人員已廣泛知道，通過PVD工藝在鐵基體10上施加氮化層11或覆 蓋CrN，因此由本 申請人:開發的塗層12的新穎性在於施加在氮化層和/或CrN層上的各個 層。
[0038] 因此，開始對本發明的創新性方面的描述，並描述從基體朝外部施加的各個層的 成分，氮化層被施加在類金剛石碳（DLC)型的碳塗層12上，其包括金屬粘附層121，由WCg 組成的過渡層122,由碳化物的納米晶層組成的中間層123,具有多層結構（a-C :H :W)和 (a-C :H)以及最後，（a-C :H)類型的無定形碳的外層124。
[0039] 金屬粘附層121優選是具有上述晶體結構（bcc-體心立方）的金屬鉻的層。仍然 優選，但不必須的是，粘附層的厚度為從大約500nm到2000nm。
[0040] 粘附層121的主要功能，如其名稱所示的，是為了增加相對於施加在鐵基體10上 的氮化層11而沉積的各個層的粘附性，以保證塗層12作為一個整體的凝聚力，從而避免剝 落和積聚應力，以及如果它們發生而產生減少滑動部件1使用壽命的現象。
[0041] 由WCh組成的過渡層122被施加到粘附層121的頂部上，並且包括碳化鎢（其反 過來又包括可變比例的化學元素）。該成分WCg表示，如果x=零，比例是一個碳原子（C) 比一個鎢原子（W)。同樣，如果例如X = 0. 5,這表示兩個鎢原子比一個碳原子。
[0042] 如果必要或需要時，金屬鎢也可以用其它金屬元素代替。
[0043] 如上所述由以具有子層（a-C :H :W)和（a-C :H)的多層結構的碳化物的納米晶體 結構組成的中間層123被施加到過渡層122的頂部上，允許隨後應用（a-C :H)的無定形碳 124,以從塗層12的最外層的形式，外層124含有氫。
[0044] 子層（a-C :H :W)和（a-C :H)施加在另一個的頂部，從操縱在應用的時刻存在的鎢 量開始，在其進行的實際設備中，形成如圖5所示的上述多層結構。如果與中間層沒有被配 置為多層的現有的塗層相比，這種結構顯然是有利的，因為這種多個結構極大減少了裂紋 的擴展。即使在子層中的一個（a-C :H:W)或（a-C :H)中開始裂紋或斷裂，其生長或擴展在 它到達直接相鄰的子層中的瞬間中斷，由於該事實，它具有在應力消耗/積聚方面的完全 不同的結構。
[0045] 通過根據本發明的塗層的中間層123顯示這種防止裂紋擴展的特性，意味著根據 本發明的滑動發動機部件具有更大的耐磨性，並因此給發動機提供更長的使用壽命，並且 所以是更理想的。
[0046] 根據本發明的塗層12的各個層的優選厚度列於下表中，但厚度可以自由地改變 只要得到的本發明仍然在權利要求保護的範圍之內。

【權利要求】
1. 一種用於在內燃機中使用的滑動部件，設置有覆蓋有保護性表面層（11)的鐵基體 (10)，所述保護性表面層由通過物理氣相沉積（PVD)工藝施加的至少一種氮化物或氮化層 組成，在其滑動外周表面（2)上施加類金剛石碳（DLC)的類型的碳塗層（12)，其特徵在於， 所述塗層（12)包括至少一個由WCh組成的過渡層（122)和/或位於所述鐵基體（10) 和無定形碳的外層（124)之間晶體結構（bcc-體心立方）的金屬鉻層（121)，和以中間層 (123)形式的呈（a-C :H :W)和（a-C :H)多層結構的碳化物的納米晶相。
2. 如權利要求1所述的滑動部件，其特徵在於，碳的外層（124)包含氫。
3. 如權利要求1所述的滑動部件，其特徵在於，所述過渡層（122)包括碳化鎢的納米晶 沉澱物。
4. 如權利要求1的所述的滑動部件，其特徵在於，所述塗層的各個層中的一個是完全 無定形的。
5. 如權利要求1或3所述的滑動部件，其特徵在於，所述過渡層（122)具有在100nm到 500nm之間的厚度。
6. 如權利要求1所述的滑動部件，其特徵在於，所述總塗層（12)的厚度為從Ιμπι至 5 μ m，並優選在3μηι至4μηι之間。
7. 如權利要求1所述的滑動部件，其特徵在於，所述塗層（12)的硬度為從1500HV到 2000HV。
8. -種用於在內燃機中使用的滑動部件，設置有鐵基體（10)，在其滑動外周表面（2) 上施加有類金剛石碳（DLC)類型的碳塗層（12)，其特徵在於，所述塗層（12)從外部朝向鐵 基體（10)計算包括：類型（a-C :Η)的無定形的外層（124);對應於碳化物的納米晶相的中 間層（123)，具有多層結構（a-C:H:W)和（a-C:H);和由W(V X組成的過渡層（122);和/或 晶體結構（bcc-體心立方）的金屬鉻層（121);和由通過物理氣相沉積（PVD)工藝施加的 至少一個氮化物組成的保護層（10)，其中在拉曼光譜中的D帶（與碳無序sp 2相關聯）與 G帶（單晶石墨）的總強度之比具有在0. 2和1. 0之間的值。
9. 如權利要求8所述的滑動部件，其特徵在於，碳的外層（124)包含氫。
10. 如權利要求8所述的滑動部件，其特徵在於，所述過渡層（122)包括碳化鎢納米晶 沉澱物。
11. 如權利要求8所述的滑動部件，其特徵在於，所述塗層的各個層中的一個是完全無 定形的。
12. 如權利要求8或10所述的滑動部件，其特徵在於，所述過渡層（122)具有在100nm 到500nm之間的厚度。
13. 如權利要求8所述的滑動部件，其特徵在於，在拉曼光譜中的D帶與G帶的總強度 之比具有在0. 2和1. 0之間的值。
14. 如權利要求1至13中任一項的滑動部件，其特徵在於，它是活塞環。
15. 如權利要求5或12所述的滑動部件，其特徵在於，通過濺射工藝實現金屬離子的沉 積。
【文檔編號】C23C14/02GK104204272SQ201280064380
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2012年12月7日 優先權日:2011年12月7日
【發明者】茹利亞諾·阿韋拉爾·阿勞若, 努諾·科斯塔 申請人:馬勒金屬立夫有限公司, 馬勒國際有限公司