滑动元件制造技术

本发明专利技术涉及一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞环(10)，其包括硬质非结晶碳涂层(15)，该涂层具有Rpk≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm的轮廓。

【技术实现步骤摘要】
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，其包括由硬质非结晶碳构成的涂层，该涂层设置有粗糙轮廓，粗糙轮廓能够促进滑动界面上的摩擦降低，并且降低磨损。
技术介绍
内燃机无论是狄赛尔循环、奥托循环、两或者三冲程，均包括至少一个滑动元件，诸如活塞环。在该方案中，活塞环作用为密封气缸衬套和活塞的主体之间的空间，隔离燃烧室与发动机的剩余内部部件。活塞环径向布置在活塞的主体的基底上，防止燃烧气体沿曲轴箱的方向逃离燃烧室，并且防止发动机的油渗入燃烧室。一些内燃机、主要是利用狄赛尔循环操作的发动机在高负荷下工作。在高性能汽油发动机中能够发现其他例子。独立于能够引证的例子，发动机存在的趋势是以高速度以及高功率操作，同时降低间隙，结果，将受到严厉的摩擦行为。这种条件自然在其机械部件上更严格。在该方案中，这些发动机中利用的环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，重要强调的是，当联系到用于高性能以及耐久性的需要时，内燃机的环境影响以一般方式导致要求以更紧容差工作，这自然转换为利用逐渐薄层的润滑油。正如应该见于下文的，已经具体地开发了本专利技术以提供一种解决方案，在该解决方案中，良好性能来自于利用占主导地位的较少粘性油。现有技术的活塞环大致包括硬质非结晶碳涂层，还公知为DLC(类金刚石)或者无氢的氢化纳米结构DLC，作为实现低摩擦以及高耐磨性的一个方案。总之，现有技术的解决方案将DLC涂层施加于具有sp3和sp2键的成分中。不过，应该注意的是，凭借sp3键的高尺寸稳定性，其硬度超过sp2键时遇到的硬度。基于该原因，现有技术的多种解决方案利用具有被sp2(石墨类型)薄层涂覆的sp3的DLC层(钻石类型)。为了更好地理解，sp2层凭借非常软以及润滑被利用以允许活塞环嵌入气缸衬套内，并且防止sp3层直接接触气缸衬套。这种考虑极其有效，这是由于这样的事实，除了sp3层会刻痕气缸衬套的可能性，存在于sp3层中的应力浓度非常高，使得其会产生灾难性后果：对于气缸衬套来说会使其产生刻痕，对于涂层来说具有破裂发生以及传播的可能性，这必然导致发动机工作寿命的缩减。专利文献WO2010133633揭露了一种活塞环，其设置有厚度超过10微米的ta-C类型DLC涂层并且该涂层具有至少一个残余应力梯度以赋予该部件耐久性以及低摩擦。应该注意的是，DLC涂层的沉积所固有的高内部应力导致需要查找方案，诸如该文献的方案。但是，即使降低了残余应力，但是该方案也不能完全解决问题，这是由于这样的事实，凭借轮廓持续发生活塞环与衬套的接触界面，例如不能够确保气缸衬套不受到现有技术方案的典型磨损。文献US2013/0140776描述了一种活塞环，其设置有厚度也超过10微米的ta-C类型DLC涂层，其中，涂层包含厚度从1至3微米的抛光层，其中，sp3的量减小至小于40％的值，目的在于确保更大量的sp2存在于该第二层中用于将活塞环嵌入气缸内。同时，现有技术的解决方案涉及确保低摩擦以及高耐久性，发现的所有解决方案都需要界面或者存在促进嵌入的元件，诸如在活塞环的滑动区域中的较软层，或者添加促进这种效果的金属。此外，在现有技术中存在可替换方案，鉴于高应力，通过降低自然受到高内部应力以及高硬度的涂层的内部应力来维持涂层的功能整体性。独立于现有技术的文献揭露的努力，还未发现在最终产品中产生良好结果的解决方案，也即是说，活塞环不需要嵌入相应的气缸衬套内，同时，利用非常小的间隙工作。因此，需要找到一种滑动元件，诸如活塞环，其包括设置有粗糙轮廓的a-C类型硬质非结晶碳涂层，该粗糙轮廓能够促进降低其滑动界面的摩擦并且减小磨损。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种滑动元件，诸如用于内燃机的活塞环，尤其用于在高负荷和/或功率下操作的发动机，活塞环包括设置有粗糙轮廓的非结晶碳涂层，依靠降低波峰以及最大化波谷，粗糙轮廓能够促进降低其滑动界面中的摩擦，并且减小气缸衬套的磨损。本专利技术的目的还在于提供一种活塞环，其设置有涂层，能够利用非常小间隙以及具有高耐久性的油薄膜工作。此外，本专利技术的目的是提供一种活塞环，其能够利用非常小间隙以及油膜工作。最终，本专利技术的目的是提供一种活塞环，其包括的硬度范围为2000至4000HV(维氏硬度)，该硬度范围不会刻划气缸衬套，气缸衬套的硬度相当低，通常小于700HV(维氏硬度)或者甚至250至300HV。本专利技术的目的通过滑动元件实现，尤其用于内燃机的活塞环，其设置有滑动面，滑动面上从内向外沉积有粘着剂层以及硬质非结晶碳涂层，硬质非结晶碳涂层具有由参数Rpk和Rz描述的粗糙度，使得Rpk≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm。此外，本专利技术的目的通过包括至少一个上文限定的活塞环的内燃机实现。附图说明下文，基于示出于附图的实施例的示例，将更详细地描述本专利技术，附图示出了：图1是布置在内燃机的气缸内部内的活塞环的示意图；图2揭露了本专利技术的涂层的结构的活塞环的截面；图3是示出气缸衬套和现有技术的带涂层活塞环的波峰的接触点的图；图4是示出气缸衬套和本专利技术的带涂层活塞环的波峰的接触点的附图；图5是举例得自于具有相同量值的波峰和波谷的表面的图形；图6是举例得自于具有低波峰和深波谷的表面的图形；图7是示出现有技术和本专利技术用于DLC的摩擦的结果的图形，作为Rpk和Rz值的函数；图8是示出用于本专利技术和现有技术的DLC环和气缸衬套的磨损的图形。具体实施方式本专利技术涉及一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞环10，其包括a-C类型硬质非结晶碳涂层15，该涂层存在的粗糙轮廓具有的Rpk值≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm。正如将见于下文的，满足上述值Rpk和Rz的粗糙轮廓，当连同非结晶碳涂层利用时，诸如本专利技术的非结晶碳涂层，产生的性能优于现有技术的滑动的性能。最初，应该陈述的是，本专利技术的滑动元件优选用于内燃机的活塞环10，其在高负荷和/或功率下操作。通常这些活塞环10利用非常小间隙以及薄油膜工作以确保良好性能以及CO2的低释放。作为重要特性，本专利技术的活塞环10具有的重要特征为，具有基于具有高耐久性的碳结构的低摩擦的涂层15，该结果得自于涂层的表面专门开发的地形。本专利技术的环10包括设置有滑动面11的金属基底，优选由铸铁、钢、包含10％至17％铬或者碳钢的不锈钢构成。滑动面11定向成朝向接触气缸衬套20的区域，涂层15沉积在滑动面11上。在优选构造中，滑动面11从内向外接收粘着剂层14和a-C类型硬质非结晶碳的涂层15(见图1和图2)。粘着剂层14具有的目的是促进调节环10的金属结构和非结晶碳涂层15之间的应力，其内部应力非常高，因此，确保功能涂层15和金属基底之间的良好粘接。但是，以优选方式，而不是强制性，粘着剂层14由铬的体心立方(bcc)多晶柱状结构形成，厚度位于0.5至1微米之间。在可替换优选构造中，粘着剂层可以具有镍或者钴。此外，粘着剂层14通过来自金属源的气相沉积处理沉积。图示于图2作为涂层15并且下文这样指代的抗摩擦层由完全非结晶碳组成，没有或者基本没有氢(DLC)，具有优越量的sp2。关于不存在氢，重要需要注意的是，氢量的重量比小于2％。在sp3与sp2的比率方面，应该注意的是，在优选构造中，sp3与sp2之间的比率包括sp3键占据25％至40％之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞环(10)，其设置有滑动面(11)，在滑动面(11)上从内向外沉积有粘着剂层(14)和硬质非结晶碳涂层(15)，所述环的特征在于，所述涂层呈现sp

【技术特征摘要】
2015.12.21 BR 10201503212791.一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞环(10)，其设置有滑动面(11)，在滑动面(11)上从内向外沉积有粘着剂层(14)和硬质非结晶碳涂层(15)，所述环的特征在于，所述涂层呈现sp3和sp2之间的比率，该比率表明sp2键占主导地位，以及呈现的粗糙轮廓具有的Rpk≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm。2.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)包含重量比小于2％的氢。3.根据权利要求1所述的滑动元件，其特征在于，所述涂层(15)为a-C类型并且包括sp3键，所述sp3键具有的sp3值在25％至45％之间。4.根据权利要求1所述的滑动元件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：茹利亚诺·阿韦拉尔·阿劳霍，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