用于內(nèi)燃機或壓縮機的具有至少一個滑動面的元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及在內(nèi)燃機和/或壓縮機中滑動工作的元件（1），該元件（1）經(jīng)受摩擦、并且接受通過HIPIMS工藝形成的氮化物硬質陶瓷涂層（4）。特別地，這種涂層（4）表現(xiàn)如下：對該涂層（4）的內(nèi)張力的控制與其生長無關，這使得能夠獲得大于常規(guī)厚度的涂層（4），從而大幅提高了耐磨損性。
【專利說明】用于內(nèi)燃機或壓縮機的具有至少一個滑動面的元件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及這樣一種元件，該元件在摩擦作用下于內(nèi)燃機上進行滑動工作，并且該元件通過氣相中的物理沉積而接受鉻基陶瓷涂層，所述物理沉積是由大功率脈沖磁控濺射實現(xiàn)的，從而具有更低的內(nèi)張力、高硬度以及低孔隙率。
【背景技術】
[0002]內(nèi)燃機包括無數(shù)經(jīng)受摩擦的元件，因此，由于這些元件承受發(fā)動機運轉時的高應力而發(fā)生磨損。
[0003]保證滑動工作元件的耐磨損性從而使發(fā)動機具有較長/足夠的使用壽命參數(shù)的途徑之一是:在構建元件所用基底金屬上施加一層或多層涂層。這種專門為抵抗磨損及磨耗所開發(fā)的涂層維持了滑動工作的元件的性能，即使在發(fā)動機的無數(shù)次爆發(fā)循環(huán)之后也是如此。
[0004]除了氣缸、活塞、格板(panel)之外，內(nèi)燃機還具有許多其他的具有至少一個滑動面的元件，這些滑動面能接受涂層以延長元件的使用壽命。這些元件中有些是軸承、氣門傳動機構的部件(挺桿、凸輪軸、凸輪凸部(lobe)等)。
[0005]就此而言，存在使用眾多不同的涂層組成的不計其數(shù)的技術以及不計其數(shù)的施加工藝，這些技術和工藝均試圖對用于內(nèi)燃機且具有滑動面的各種類型及構造的元件進行性能和耐久性的優(yōu)化。
[0006]最接近本發(fā)明的現(xiàn)有技術涂層是通過氣相中的物理沉積工藝(物理氣相沉積)而形成的由氮化物構成的陶瓷涂層，這種工藝在本發(fā)明中稱作PVD工藝。
[0007]通過PVD工藝形成的氮化物涂層所表現(xiàn)出的內(nèi)張力(inner tensions)隨涂層厚度的變化而增大(參見圖1)。這些張力通常為壓縮性張力，并且隨膜的生長而變得更有壓縮性。
[0008]圖1示出了氮化鉻(CrN)涂層中壓縮性內(nèi)張力(compressive inner tension)的增大，該涂層是在450°C下，并且顆粒對基底的加速張力為175V的條件下，通過材料在靶表面上的濺射沉積而沉積得到的。
[0009]壓縮性內(nèi)張力隨涂層生長而增大的這種現(xiàn)象是由如下事實造成的:在等離子體環(huán)境中，正離子被電場和磁場吸引到涂層生長的表面，因而將離子轟擊到涂層上的能量導致膜中產(chǎn)生了壓縮應力。
[0010]此外，氮化物膜在通常為數(shù)百攝氏度的環(huán)境中生長，其中，在涂層沉積于基底之后使膜冷卻，由此，不同膨脹系數(shù)的存在促進了基底的更大收縮。因此，涂層材料與基底材料之間的不同膨脹促進了在氮化物膜中“形成”壓縮性內(nèi)張力。
[0011]這種壓縮性內(nèi)張力的存在帶來各種缺陷，一方面限制了涂層厚度，另一方面則降低了具有涂層的所述元件可承受的工作負荷。應當注意到，由于內(nèi)張力是壓縮性內(nèi)張力，因此其增加了元件所要承受的負荷值。
[0012] 因此，在受到外部負荷的加壓(例如，在用作機器或內(nèi)燃機的構成部件時)時，涂層將承受由負荷所產(chǎn)生的張力，所以，涂層的初始張力越接近于中性值(或零內(nèi)張力)，則后者可承受的負荷越大，直至達到導致涂層破裂(裂紋核化(crack ncleation)及其生長)的張力為止。當壓縮性內(nèi)張力值和負荷值超過涂層所能承受的極限值時，就會產(chǎn)生涂層的位移，這會導致涂層的嚴重損壞。
[0013]關于涂層生長，人們觀察到:諸如TiN之類的一些涂層由于其高張力而呈現(xiàn)出生長中的限制，由此，涂層不可能生長至高于2微米或3微米(μ m)的厚度。
[0014]同樣影響所述膜的耐性的另一情況是孔隙的存在。存在于涂層中的孔隙區(qū)域因其對材料的局部粘附力極低而具有缺陷。因此，根據(jù)孔隙的幾何形狀及數(shù)量，孔隙充當了或大或小規(guī)模的張力集中體(tension concentrators)。無疑地,高孔隙率損害了涂層的耐磨損性。
[0015]在此方面，涂層中相互作用的變量間的如下關系(following ratio)可反映出現(xiàn)有工藝中的氮化物陶瓷涂層模型。層厚度越大，所產(chǎn)生的壓縮性內(nèi)張力越高，而隨著涂層中孔隙率的升高，這種情況會更加嚴重。根據(jù)現(xiàn)有技術所示的方案，這種相互關系最終限制了硬度值以及由此導致的耐磨損性。
[0016]這樣的實例為文獻US5，449，547以及US6，270，081，它們分別描述了具有CrCN/CrON以及CrN涂層的活塞環(huán)。應當注意到，這些涂層的硬度分別被限制在2200HV以及1800HV，第二篇文獻提及孔隙率高于3%。
[0017]另外，文獻US6，372，369披露了一種用于活塞環(huán)的涂層，該涂層由CrN和TiN制成，硬度在1300~2300HV范圍內(nèi)。應當注意到，當涉及氮化物單層涂層時，硬度值很難高于200HV，該硬度最高限度為由這種類型的涂層所存在模型關系導致的局限之一。
[0018]不幸的是，在嚴峻工作條件下，現(xiàn)有的滑動工作元件的涂層并未呈現(xiàn)適當?shù)哪湍p性能。事實表明，現(xiàn)有的PVD涂層在接下來的幾代發(fā)動機中將無法正常工作，尤其是在具有廢氣再循環(huán)(EGR)以及選擇性催化還原(SCR)的發(fā)動機中，而且，考慮到減少污染排放率，在未來的幾代中將使用這些發(fā)動機。
[0019]因此,現(xiàn)有技術中提出的常規(guī)方法尚未披露這樣一種技術方案，該技術方案能夠獲得具有高性能的氮化物陶瓷涂層，同時其可使膜生長并同時保持降低壓縮性內(nèi)張力，并且該技術方案還能獲得非常高的耐磨損性。
[0020]發(fā)明目的
[0021]本發(fā)明的目的在于提供一種用于內(nèi)燃機的滑動工作的元件，該元件具有氮化物系涂層，該涂層能夠具有更高的耐磨性。
[0022]本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有氮化物系涂層的滑動工作的元件，這種涂層能夠增加其厚度而不會增大壓縮性內(nèi)張力，同時具有非常低的孔隙率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]通過用于內(nèi)燃機的、具有至少一個滑動面的元件從而實現(xiàn)了本發(fā)明的目的，該元件包括由金屬合金制成的基底、以及至少一個具有由物理氣相沉積(PVD)形成的硬質陶瓷涂層的外表面，其中，該元件的孔隙率低于2體積％、維氏硬度在1500~3000HV范圍內(nèi)、并且壓縮性內(nèi)張力低于500MPa?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]下面，參照附圖中所示的實施方案的例子以更具體地描述本發(fā)明。附圖中:
[0025]圖1為示出氮化鉻涂層中壓縮性內(nèi)張力的升高與涂層厚度之間的關系曲線；
[0026]圖2為示出在氮化鉻涂層的磨損系數(shù)(m3/Nm)與在10厘米/分鐘的速度下進行的不同類型的PVD沉積間的關系；以及
[0027]圖3為兩個滑動工作元件的圖，其中一個元件具有本發(fā)明的等軸形態(tài)(equiaxialmorphology)的氮化鉻涂層。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明涉及不論涂層厚度如何而控制涂層內(nèi)張力的創(chuàng)新性，這樣，使得人們能夠利用物理氣相沉積(PVD)工藝實現(xiàn)厚度大于常規(guī)厚度的涂層，并且提高這種氮化物陶瓷涂層的耐磨損性。
[0029]根據(jù)沉積過程中施加至陽離子(例如Cr+和N+)的能量的不同，通過物理氣相沉積而沉積的涂層的性能會有很大變化。
[0030]如前所述，對于在內(nèi)燃機上滑動工作的元件I上的氮化物陶瓷涂層現(xiàn)有工藝，由于該涂層具有高壓縮性內(nèi)張力，因此其在摩擦性能方面存在局限。
[0031]本發(fā)明就此問題提供了一種解決方案，該解決方案促進了涂層4的生長而不增大涂層4的壓縮性內(nèi)張力。
[0032]應當注意到，滑動工作的元件I可以包括發(fā)動機中相互接觸且存在摩擦關系的各種部件。因此，可將本發(fā)明的涂層4施加至彼此之間互相作用的兩個元件中的一個元件上，或同時施加至這兩個元件上。
[0033]本發(fā)明的滑動工作的元件I包括:由給定金屬合金構成的基底2、以及接受涂層4的外表面3 (參見圖3)。基底2可以由鐵基合金或鋼構成，例如含有10%~17%的鉻的鋼(不銹鋼)、鋁等。
[0034]本發(fā)明的滑動工作的元件I的實例可見于活塞環(huán)(活塞壓環(huán)和活塞油環(huán))、氣缸及缸套、活塞、軸承及軸套(bearings and segments)、頂桿及凸輪、以及其他眾多部件中。
[0035]本發(fā)明的涂層4是通過PVD工藝、更具體而言是通過大功率脈沖磁控濺射(下文稱為HIPMS)而沉積于滑動工作的元件I的至少一個表面上的涂層4。
[0036]用于滑動工作的元件I的新HIPIMS沉積方法將材料電離并隨后轉化為氮化物，其中所述材料通常是金屬材料(Cr、T1、Mo、Nb、Al等)。由此，具有高能量的金屬離子朝向涂層4表面加速，使得在涂層4的生長期間，實現(xiàn)了涂層4的松弛而并未損失其硬度，這是非常令人驚訝的。
[0037]應當注意到，這種行為(涂層的高硬度和低內(nèi)張力)并非顯而易見的，而是與現(xiàn)有技術有抵觸。無論如何，對于獲得格外的耐磨損性而言，這是非常理想的結果。在受到外部負荷的加壓(例如，在用作機器或內(nèi)燃機的構成部件時)時，涂層將承受由負荷所產(chǎn)生的張力，所以，涂層的初始張力越小，則其可承受的負荷越大，直至達到導致涂層4破裂(裂紋核化及其生長)的張力為止。
[0038] 本發(fā)明的優(yōu)選例子可以由圖3表示。假設該圖涉及內(nèi)燃機的活塞環(huán)和氣缸(二者都是滑動工作的元件1)，可以僅涂覆滑動工作的元件I中的一者、或涂覆這二者。在所示情況下，我們將詳述這樣一種典型例子:活塞環(huán)在將要與氣缸壁接觸的表面上接受本發(fā)明的涂層4，其中所述活塞環(huán)用于安裝在其任一凹槽上。
[0039]優(yōu)選地，但非強制性地，陶瓷涂層4為氮化鉻，但其它金屬元素也可以用來形成陶瓷涂層，其中可以采用鈦、鑰、鈮、鋁等或其混合。
[0040]在用負電勢將基底2 (基體)極化的情況下，通過HIPMS工藝沉積涂層4，可實現(xiàn)OMPa~500MPa的壓縮性內(nèi)張力值，但該值優(yōu)選為OMPa~200MPa。HIPIMS沉積工藝的特性使得能夠實現(xiàn)1000HV~3000HV的維氏硬度。應當注意到，這個范圍高于現(xiàn)有工藝值，3000HV的值高得出乎意料。另外，本發(fā)明設法將涂層4的厚度提高至5 μ m~100 μ m的范圍，與現(xiàn)有技術相比時，該厚度值是非常高的，在涂層為基于氮化鈦的涂層時，該涂層會因其高張力而表現(xiàn)出有限的厚度。
[0041]由于形成涂層4的離子具有高能量(尤其是HIPMS工藝)，因此涂層4足夠致密，這使得孔隙率降低，并且離子在基底2上具有優(yōu)異的附著力。孔隙率值低于2體積％，本發(fā)明的優(yōu)選范圍是低于0.5%，當考慮到硬度和內(nèi)張力值均很優(yōu)異時，該孔隙率值相對于現(xiàn)有技術確實降低了。
[0042]另外，這種工藝還帶來其他的優(yōu)點，即:使得涂層4的生長不會產(chǎn)生液滴(droplets)(微粒)。由此，用于涂層4的沉積的HIPMS工藝使得能夠實現(xiàn)優(yōu)異的摩擦性能，諸如耐磨損性以及耐脫落性。
[0043]圖2清楚地示出了由上述PVD工藝得到的結果的差別。圖2示出了氮化鉻涂層的磨損系數(shù)與現(xiàn)有技術中不同沉積方法之間的關系。相對于本發(fā)明的HIPIMS，列舉了在非平衡磁控(UBM)以及電弧下經(jīng)由靶材料的濺射而進行的沉積。顯然，本發(fā)明的工藝實現(xiàn)了高于現(xiàn)有技術兩倍的耐磨損性，雖然出乎意料，但無可否認的是，對于用于內(nèi)燃機的滑動工作的元件I而言，本發(fā)明的HIPMS涂層4能夠產(chǎn)生非常積極的結果。
[0044]由于本發(fā)明技術所實現(xiàn)的優(yōu)異結果，該技術達到了接下來幾代發(fā)動機所要求的運行標準，尤其是達到了具有廢氣再循環(huán)和選擇性催化還原的發(fā)動機的運行標準，因此有助于污染排放的降低。
[0045]因此，顯然，本發(fā)明的涂層4提出了在涂層生長與其內(nèi)張力之間的出乎意料的關系，由于人們設法獲得常規(guī)技術通常無法實現(xiàn)的具有高摩擦性能和厚度的涂層，因此，所產(chǎn)生的耐磨損性優(yōu)于用現(xiàn)有PVD工藝所獲得的任何一種涂層。
[0046]已經(jīng)描述了實施方式的優(yōu)選實施例，應當理解，本發(fā)明的范圍包含其它可能的變化，本發(fā)明的范圍只由隨附的權利要求的內(nèi)容限定，并且包括權利要求的可能的等同形式。
【權利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機的、具有至少一個帶有涂層的滑動面的元件，所述元件(I)包括由給定金屬合金制成的基底(2)、以及至少一個具有由物理氣相沉積產(chǎn)生的硬質陶瓷涂層(4)的內(nèi)表面(3)，所述元件(I)的特征在于:孔隙率低于2體積％、維氏硬度在1500~3000HV范圍內(nèi)、并且壓縮性內(nèi)張力低于500MPa。
2.根據(jù)權利要求1所述的元件，其特征在于:所述陶瓷涂層(4)包含由元素鉻、鈦、鈮、鑰、或鋁中的至少一種形成的氮化物。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的孔隙率低于0.5體積％。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的壓縮性內(nèi)張力低于200MPa。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的厚度在5 μ m~100 μ m范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的元件，其特征在于:所述物理氣相沉積由大功率脈沖磁控等離子體濺射(HIPIMS)實現(xiàn)，并且用負電勢將所述基底(2)極化。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鑄鐵。
8.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鋼。
9.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鋁。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為活塞環(huán)。
11.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為挺桿。
12.根據(jù)權利要求1至9中任一 項所述的元件，其特征在于:所述元件為氣門。
13.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為凸輪凸部。
14.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為軸承或活塞環(huán)。
【文檔編號】C23C14/06GK103930587SQ201280036171
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年5月28日 優(yōu)先權日:2011年5月27日
【發(fā)明者】保羅·若澤·達羅查·莫爾登特, 羅伯特·理查德·班菲爾德, 若澤·瓦倫廷·利馬·薩拉班達 申請人:馬勒發(fā)動機零部件巴西有限公司, 馬勒國際公司