本發(fā)明涉及一種滑動元件，諸如用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，其包括由硬質(zhì)非結(jié)晶碳構(gòu)成的涂層，該涂層設(shè)置有粗糙輪廓，粗糙輪廓能夠促進(jìn)滑動界面上的摩擦降低，并且降低磨損。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機(jī)無論是狄賽爾循環(huán)、奧托循環(huán)、兩或者三沖程，均包括至少一個滑動元件，諸如活塞環(huán)。

在該方案中，活塞環(huán)作用為密封氣缸襯套和活塞的主體之間的空間，隔離燃燒室與發(fā)動機(jī)的剩余內(nèi)部部件?；钊h(huán)徑向布置在活塞的主體的基底上，防止燃燒氣體沿曲軸箱的方向逃離燃燒室，并且防止發(fā)動機(jī)的油滲入燃燒室。

一些內(nèi)燃機(jī)、主要是利用狄賽爾循環(huán)操作的發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷下工作。在高性能汽油發(fā)動機(jī)中能夠發(fā)現(xiàn)其他例子。獨立于能夠引證的例子，發(fā)動機(jī)存在的趨勢是以高速度以及高功率操作，同時降低間隙，結(jié)果，將受到嚴(yán)厲的摩擦行為。這種條件自然在其機(jī)械部件上更嚴(yán)格。在該方案中，這些發(fā)動機(jī)中利用的環(huán)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，重要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)聯(lián)系到用于高性能以及耐久性的需要時，內(nèi)燃機(jī)的環(huán)境影響以一般方式導(dǎo)致要求以更緊容差工作，這自然轉(zhuǎn)換為利用逐漸薄層的潤滑油。正如應(yīng)該見于下文的，已經(jīng)具體地開發(fā)了本發(fā)明以提供一種解決方案，在該解決方案中，良好性能來自于利用占主導(dǎo)地位的較少粘性油。

現(xiàn)有技術(shù)的活塞環(huán)大致包括硬質(zhì)非結(jié)晶碳涂層，還公知為dlc(類金剛石)或者無氫的氫化納米結(jié)構(gòu)dlc，作為實現(xiàn)低摩擦以及高耐磨性的一個方案。

總之，現(xiàn)有技術(shù)的解決方案將dlc涂層施加于具有sp³和sp²鍵的成分中。不過，應(yīng)該注意的是，憑借sp³鍵的高尺寸穩(wěn)定性，其硬度超過sp²鍵時遇到的硬度?；谠撛?，現(xiàn)有技術(shù)的多種解決方案利用具有被sp²(石墨類型)薄層涂覆的sp³的dlc層(鉆石類型)。

為了更好地理解，sp²層憑借非常軟以及潤滑被利用以允許活塞環(huán)嵌入氣缸襯套內(nèi)，并且防止sp³層直接接觸氣缸襯套。這種考慮極其有效，這是由于這樣的事實，除了sp³層會刻痕氣缸襯套的可能性，存在于sp³層中的應(yīng)力濃度非常高，使得其會產(chǎn)生災(zāi)難性后果：對于氣缸襯套來說會使其產(chǎn)生刻痕，對于涂層來說具有破裂發(fā)生以及傳播的可能性，這必然導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作壽命的縮減。

專利文獻(xiàn)wo2010133633揭露了一種活塞環(huán)，其設(shè)置有厚度超過10微米的ta-c類型dlc涂層并且該涂層具有至少一個殘余應(yīng)力梯度以賦予該部件耐久性以及低摩擦。應(yīng)該注意的是，dlc涂層的沉積所固有的高內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致需要查找方案，諸如該文獻(xiàn)的方案。但是，即使降低了殘余應(yīng)力，但是該方案也不能完全解決問題，這是由于這樣的事實，憑借輪廓持續(xù)發(fā)生活塞環(huán)與襯套的接觸界面，例如不能夠確保氣缸襯套不受到現(xiàn)有技術(shù)方案的典型磨損。

文獻(xiàn)us2013/0140776描述了一種活塞環(huán)，其設(shè)置有厚度也超過10微米的ta-c類型dlc涂層，其中，涂層包含厚度從1至3微米的拋光層，其中，sp³的量減小至小于40％的值，目的在于確保更大量的sp²存在于該第二層中用于將活塞環(huán)嵌入氣缸內(nèi)。

同時，現(xiàn)有技術(shù)的解決方案涉及確保低摩擦以及高耐久性，發(fā)現(xiàn)的所有解決方案都需要界面或者存在促進(jìn)嵌入的元件，諸如在活塞環(huán)的滑動區(qū)域中的較軟層，或者添加促進(jìn)這種效果的金屬。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中存在可替換方案，鑒于高應(yīng)力，通過降低自然受到高內(nèi)部應(yīng)力以及高硬度的涂層的內(nèi)部應(yīng)力來維持涂層的功能整體性。

獨立于現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)揭露的努力，還未發(fā)現(xiàn)在最終產(chǎn)品中產(chǎn)生良好結(jié)果的解決方案，也即是說，活塞環(huán)不需要嵌入相應(yīng)的氣缸襯套內(nèi)，同時，利用非常小的間隙工作。

因此，需要找到一種滑動元件，諸如活塞環(huán)，其包括設(shè)置有粗糙輪廓的a-c類型硬質(zhì)非結(jié)晶碳涂層，該粗糙輪廓能夠促進(jìn)降低其滑動界面的摩擦并且減小磨損。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種滑動元件，諸如用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，尤其用于在高負(fù)荷和/或功率下操作的發(fā)動機(jī)，活塞環(huán)包括設(shè)置有粗糙輪廓的非結(jié)晶碳涂層，依靠降低波峰以及最大化波谷，粗糙輪廓能夠促進(jìn)降低其滑動界面中的摩擦，并且減小氣缸襯套的磨損。

本發(fā)明的目的還在于提供一種活塞環(huán)，其設(shè)置有涂層，能夠利用非常小間隙以及具有高耐久性的油薄膜工作。

此外，本發(fā)明的目的是提供一種活塞環(huán)，其能夠利用非常小間隙以及油膜工作。

最終，本發(fā)明的目的是提供一種活塞環(huán)，其包括的硬度范圍為2000至4000hv(維氏硬度)，該硬度范圍不會刻劃氣缸襯套，氣缸襯套的硬度相當(dāng)?shù)?，通常小?00hv(維氏硬度)或者甚至250至300hv。

本發(fā)明的目的通過滑動元件實現(xiàn)，尤其用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，其設(shè)置有滑動面，滑動面上從內(nèi)向外沉積有粘著劑層以及硬質(zhì)非結(jié)晶碳涂層，硬質(zhì)非結(jié)晶碳涂層具有由參數(shù)rpk和rz描述的粗糙度，使得rpk≤0.15μm以及0.7≤rz≤1.5μm。

此外，本發(fā)明的目的通過包括至少一個上文限定的活塞環(huán)的內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)。

附圖說明

下文，基于示出于附圖的實施例的示例，將更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖示出了：

圖1是布置在內(nèi)燃機(jī)的氣缸內(nèi)部內(nèi)的活塞環(huán)的示意圖；

圖2揭露了本發(fā)明的涂層的結(jié)構(gòu)的活塞環(huán)的截面；

圖3是示出氣缸襯套和現(xiàn)有技術(shù)的帶涂層活塞環(huán)的波峰的接觸點的圖；

圖4是示出氣缸襯套和本發(fā)明的帶涂層活塞環(huán)的波峰的接觸點的附圖；

圖5是舉例得自于具有相同量值的波峰和波谷的表面的圖形；

圖6是舉例得自于具有低波峰和深波谷的表面的圖形；

圖7是示出現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明用于dlc的摩擦的結(jié)果的圖形，作為rpk和rz值的函數(shù)；

圖8是示出用于本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的dlc環(huán)和氣缸襯套的磨損的圖形。

具體實施方式

本發(fā)明涉及一種滑動元件，尤其用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)10，其包括a-c類型硬質(zhì)非結(jié)晶碳涂層15，該涂層存在的粗糙輪廓具有的rpk值≤0.15μm以及0.7≤rz≤1.5μm。正如將見于下文的，滿足上述值rpk和rz的粗糙輪廓，當(dāng)連同非結(jié)晶碳涂層利用時，諸如本發(fā)明的非結(jié)晶碳涂層，產(chǎn)生的性能優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的滑動的性能。

最初，應(yīng)該陳述的是，本發(fā)明的滑動元件優(yōu)選用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)10，其在高負(fù)荷和/或功率下操作。通常這些活塞環(huán)10利用非常小間隙以及薄油膜工作以確保良好性能以及co2的低釋放。

作為重要特性，本發(fā)明的活塞環(huán)10具有的重要特征為，具有基于具有高耐久性的碳結(jié)構(gòu)的低摩擦的涂層15，該結(jié)果得自于涂層的表面專門開發(fā)的地形。

本發(fā)明的環(huán)10包括設(shè)置有滑動面11的金屬基底，優(yōu)選由鑄鐵、鋼、包含10％至17％鉻或者碳鋼的不銹鋼構(gòu)成。滑動面11定向成朝向接觸氣缸襯套20的區(qū)域，涂層15沉積在滑動面11上。在優(yōu)選構(gòu)造中，滑動面11從內(nèi)向外接收粘著劑層14和a-c類型硬質(zhì)非結(jié)晶碳的涂層15(見圖1和圖2)。

粘著劑層14具有的目的是促進(jìn)調(diào)節(jié)環(huán)10的金屬結(jié)構(gòu)和非結(jié)晶碳涂層15之間的應(yīng)力，其內(nèi)部應(yīng)力非常高，因此，確保功能涂層15和金屬基底之間的良好粘接。但是，以優(yōu)選方式，而不是強(qiáng)制性，粘著劑層14由鉻的體心立方(bcc)多晶柱狀結(jié)構(gòu)形成，厚度位于0.5至1微米之間。在可替換優(yōu)選構(gòu)造中，粘著劑層可以具有鎳或者鈷。此外，粘著劑層14通過來自金屬源的氣相沉積處理沉積。

圖示于圖2作為涂層15并且下文這樣指代的抗摩擦層由完全非結(jié)晶碳組成，沒有或者基本沒有氫(dlc)，具有優(yōu)越量的sp²。關(guān)于不存在氫，重要需要注意的是，氫量的重量比小于2％。

在sp³與sp²的比率方面，應(yīng)該注意的是，在優(yōu)選構(gòu)造中，sp³與sp²之間的比率包括sp³鍵占據(jù)25％至40％之間，其特征為a-c涂層15。換句話說，在該可替換優(yōu)選構(gòu)造中，sp³與sp²之間比例的比率范圍在0.25至0.45之間，其中，在第二可替換優(yōu)選構(gòu)造中，該比率在0.35和0.85之間。此外，本發(fā)明的膜的總厚度位于8至15微米之間。在可替換優(yōu)選構(gòu)造中涂層15的厚度范圍在5000和30000納米之間。

在硬度方面，基本無氫的非結(jié)晶碳涂層15包括的硬度在20至40gpa之間。

此外，應(yīng)該注意的是，涂層15的沉積處理通過等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(pacvd)處理發(fā)生。

以不同于現(xiàn)有技術(shù)的方式，本發(fā)明利用涂層15的接觸表面中專門開發(fā)的地形，涂層15能夠適于氣缸襯套20的接觸表面21。本發(fā)明的發(fā)展允許其被理解為，在滑動及磨耗的摩擦接觸的許多情形下，具有高粗糙的涂層克服不良結(jié)果。

以這種方式，本發(fā)明的一個目的是設(shè)置有涂層15的活塞環(huán)10，該涂層15包括的硬度范圍為2000至4000hv(維氏硬度)，但是避免氣缸襯套20的高磨損，氣缸襯套20的硬度相當(dāng)?shù)?，大致小?00hv(維氏硬度)，或者甚至250至300hv。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，活塞環(huán)10的涂層15包括這樣一個表面，其具有控制量的波谷，目的是在啟動發(fā)動機(jī)的操作期間最大化油的供給，還增加了油膜以及降低了實心接觸點，在摩擦學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生較低摩擦系數(shù)(活塞環(huán)/氣缸襯套)。

極大地貢獻(xiàn)于本發(fā)明的良好結(jié)果，本發(fā)明的涂層15的表面包括一個地形，其與所述氣缸襯套20的接觸表面21的接觸主要是通過凸部18發(fā)生。

標(biāo)準(zhǔn)iso4287定義了粗糙參數(shù)rpk和rz，分別代表波峰的平均高度以及從最高波峰至最深波谷的平均距離。為了更好地理解，以示例的方式，比較圖3和圖5以及圖4和圖6，能夠意識到的是，當(dāng)給定的地形包括具有相同量值的許多波峰16時(見圖3和圖5)，用于油進(jìn)入的騰空空間減小，使得活塞環(huán)和襯套的分界面中難以存在油。也就是說，使得難以形成潤滑膜。反過來，在包括低波峰和深波谷的地形中，騰空空間較大并且油具有進(jìn)入這些空間的可能性，利于形成潤滑膜。該膜的形成將防止活塞環(huán)和襯套之間的接觸。換句話說，圖5和圖6的圖形揭露了本發(fā)明中存在的表面條件。在該類型的表面中，表面之間油的百分比越大，為潤滑提供的條件越好，防止滑動元件和襯套之間的接觸，降低摩擦和磨損。以這種方式，圖5和圖6允許包含很少儲油部以及很多儲油部的表面之間具有差異。本發(fā)明利用了一種接觸表面，其非常類似于圖6的情形中發(fā)現(xiàn)的接觸表面，也即是說，表面大致由小波峰以及大波谷18形成，確保在活塞環(huán)10和氣缸襯套20之間的接觸區(qū)域中形成良好的支撐，并且易于形成潤滑膜。

以這種方式，rpk和rz值對于使本發(fā)明特征為降低的波峰18和存在深波谷極其重要，這是由于這樣的事實，這種值允許理解具體地形，該地形允許獲得具有低摩擦、高耐久性以及降低的磨損的解決方案。

在現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)中，形成潤滑膜16較難，其引起由于高接觸壓力而刻劃以及嚴(yán)重磨損氣缸襯套20的壁。此外，當(dāng)無氫的非結(jié)晶碳(dlc)涂層和襯套之間的存在較少油時，該局部高壓使得難以形成及維持潤滑油膜。

類似于圖4的描述，本發(fā)明的解決方案能夠被描述。以這種方式，為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，已經(jīng)開發(fā)了一種表面，其目的是確保在活塞環(huán)10和氣缸襯套20之間的接觸中的良好的支撐，這是由于可變的形成潤滑膜的事實。對于相同負(fù)荷，當(dāng)相比于具有很少儲油部的地形來說，該表面生成較少接觸。為了實現(xiàn)接觸環(huán)10和襯套20之間的接觸，為了貢獻(xiàn)于發(fā)動機(jī)的良好操作，以這種方式，拋光活塞環(huán)10極其重要。通過移除涂層15的波峰16的處理，在活塞環(huán)10和氣缸襯套20之獲得間良好的兼容，該處理發(fā)生在涂層15沉積之后，沒有完全消除波谷。

在這方面，本發(fā)明具有的特征為活塞環(huán)10的涂層15的地形，rpk值≤0.15μm并且0.7≤rz≤1.5μm。在可替換優(yōu)選模式，rmr(0.3/0.5)的值等于或者超過65％。

在開發(fā)本發(fā)明的滑動元件期間獲得的實驗結(jié)果清楚地證明其優(yōu)勢。在該方面，圖7示出了活塞環(huán)的摩擦以及磨損方面的性能，作為參數(shù)rpk和rz的函數(shù)，用于現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)以及用于本發(fā)明的環(huán)。應(yīng)該注意的是，對于本發(fā)明來說，利用在說明書內(nèi)的rpk和rz的值執(zhí)行測試。

圖7的結(jié)果表明，基本無氫的非結(jié)晶碳涂層和鉻氮化物涂層呈現(xiàn)不同水平的rpk和rz。當(dāng)相比于現(xiàn)有技術(shù)的rpk和rz時，碳涂層摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低。反過來，圖7的表格中距離右邊最遠(yuǎn)處的值揭露的是，本發(fā)明的dlc涂層和crn涂層呈現(xiàn)大致相同rmr值。此外，本發(fā)明的dlc涂層呈現(xiàn)的摩擦系數(shù)大致低于crn涂層25％。

此外，圖8示出了相比于現(xiàn)有技術(shù)的dlc涂層，本發(fā)明的dlc涂層在磨損方面的性能。結(jié)果證明，憑借揭露的內(nèi)容，本發(fā)明的解決方案的優(yōu)勢在于，本發(fā)明的儲油部的存在給活塞環(huán)10帶來較少磨損(零以上的列)，并且給氣缸襯套20帶來較少磨損(零以下的列)。換句話說，對于非結(jié)晶碳涂層，當(dāng)rmr值獲得本發(fā)明的地形輪廓時，活塞環(huán)10和氣缸襯套20的磨損大大減低。

因此，毫無疑問，本發(fā)明結(jié)合使用基本無氫的非結(jié)晶碳涂層15，具有呈現(xiàn)儲油部的地形，利于形成潤滑膜，防止接觸襯套，摩擦系數(shù)極大地降低，還降低活塞環(huán)和氣缸的磨損，確保在操作發(fā)動機(jī)的任何階段的正確行為，并且確保用于發(fā)動機(jī)的較長壽命。

已經(jīng)描述了優(yōu)選實施例的例子，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的范圍覆蓋其他可能的變型，僅僅由附隨的權(quán)利要求的內(nèi)容限制，其中包括可能的等同結(jié)構(gòu)。