[發明專利]用于內燃機的滑動元件

有效

• 申請號: 201380020095.7
• 申請日: 2013-02-15
• 公開（公告）號: CN104271802B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 尤利亞諾·阿韋拉爾·阿勞約;努諾·科斯塔
• 申請（專利權）人: 馬勒發動機零部件巴西有限公司;馬勒國際公司
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04;C23C14/06;F16J9/26;F16C33/10
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司11112
• 代理人: 丁業平,金小芳

本發明涉及一種用于內燃機(例如活塞環)的、具有涂層的滑動元件，所述涂層從內到外包含：金屬粘合層(例如鉻金屬(BCC-Cr)或者其它需要的或期望的等同物)、由陶瓷材料(如碳化鎢(WC1-x))構成的至少一個過渡層、金屬(特別是鎢)的DLC層、以及不含金屬的DLC層等，并且所述涂層具有大于等于4μm且小于等于15μm的總厚度。

在本發明涂層中，所述不含金屬的DLC層的厚度與所述金屬層的厚度之比大于4，和/或全部層的總厚度與外層(a-C:H)的厚度之比大于1，優選為在1和1.4之間。粘合層應優選為鉻。金屬的DLC層被稱為a-C:H:Me，在這種情況下，金屬優選為鎢時則稱為a-C:H:W，該層具有多層結構，所述多層結構包括a-C:H層和a-C:H:W層。

鎢可以促使DLC層之間具有良好的粘附性；并且作為中間層起到逐漸改變內部應力的作用，使得由基材(低內應力)到DLC層(高內應力)的內部應力突變最小化；此外，其還具有高的化學惰性和低的磨耗。最外層或頂層呈現含有碳和氫的無定形結構，并且可以被稱為a-C:H。

由于上述構成，所以在摩擦和磨耗方面實現了特別有益的性能。較厚的頂層對這些典型的性能具有影響作用。與具有平均厚度的層相比，其具有較低的摩擦和較高的耐久性。當最外層(a-C:H)的厚度大于含金屬的DLC層的厚度時，觀察到特別好的摩擦值，因此二者的厚度比接近5，優選大于4；并且全部層的總厚度與外層(a-C:H)的厚度之比大于1，優選為在1和1.4之間。

這種構造使DLC層的減摩性和耐久性這兩個問題得以解決。作為這種現象的解釋，已發現：無金屬的DLC層和一般的涂層在整個體系中會產生高應力，通過金屬層和最外層厚度的合理組合、以及設置含有鉻和碳化鎢(WC1-x)的中間層能夠減小所述應力，從而獲得具有改善的耐磨性和低摩擦性的組合這樣的涂層。

因此，可以得到具有合適的耐久性和低的摩擦性的活塞環。已知的是，不含金屬的DLC具有較高的耐磨性和低摩擦性。然而，由于不含金屬的DLC厚涂層具有高內應力，因此不可能制備這樣的涂層；而采用本文所提出的構造，則可以建立起不含金屬的DLC厚涂層，該涂層不會因高應力而變弱，其中，不含金屬的DLC層與金屬層的層厚之比為>4，和/或全部層的總厚度與外層(a-C:H)的厚度之比大于1，優選為在1和1.4之間；這賦予活塞環更長的使用壽命和更低的摩擦性，這是與通過下述DLC最外層加以保護的情況相比而言的，其中該DLC最外層只能保證低的耐磨性和短的使用期，并且金屬DLC層在發動機啟動時就暴露在外，因此使得該層具有高于不含金屬的DLC層的摩擦性。本發明所述構造的滑動元件具有以下優點：例如，穩定性和耐久性提高，使配置有該滑動元件的內燃機具有長的商業服務壽命和低摩擦性。

相反，如果所形成的涂層中不含金屬的DLC層與金屬DLC層的層厚之比<4、和/或總厚度與外層(a-C:H)的厚度比<1，殘余應力將無法得到補償。由于運行過程中的高負荷(接觸壓力)，這導致了DLC層整體的過早磨損(即使最外層具有較大的厚度)或者DLC層的剝離。基于申請人近期廣泛的研究已經證實，對于基本上介于4μm和15μm之間的厚度來說，不管厚度如何，本發明的涂層都能導致引人注目的有益的耐磨性和耐久性。

相關技術的描述

為了使內燃機可靠地并且按照設計者設計的參數運行，必須使它的內部組件即使在最嚴苛的操作條件下也具有高的耐久性。

為了確保發動機的耐久性以及高效的輸出，組件(例如活塞環和軸承，以及其他)必須提供對持續滑動所產生的磨耗作用、高溫、以及氣缸內的燃燒產物的化學侵蝕和磨蝕作用的耐受性，因而要施加涂層以更好地承受發動機運行期間不停進行的循環過程。另外，該涂層應具有低摩擦性，因為內燃機中的摩擦損失多達能量的15％，進而導致燃料消耗更大，以及排放更多的污染氣體。

在確定了構成這些部件的基本材料、發動機運行參數、制造成本等的前提下，不斷地對施加到這些部件的涂層加以改進。

具體就活塞環來說，開發了一些目的在于使這些部件具有高的耐久性和低摩擦性的涂層。

文獻DE 102009046281中公開了一種涂層，其涉及由鋼或鑄鐵制成的活塞環，所述活塞環上設置有由不含金屬的DLC層構成的、或者包含內部金屬層和不含金屬的頂層的涂層，通過PVD工藝(“物理氣相沉積”)沉積的氮化鉻(CrN)層，以及Me(CxNy)的陶瓷中間層。

將所述氮化層施加在所述環基體上，隨后在該層上施加上述中間層。最后在所述中間層上施加所述DLC涂層。