内燃机的具有涂层的摩擦学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种摩擦学系统(1、2)，其包括第一本体(102、105)和第二本体(101、107)，所述第一本体和第二本体分别形成内燃机(100)的组件、尤其是活塞(102)、活塞环(105)或者气缸(101、107)，所述第一本体和第二本体的表面(112、108、113)具有第一和第二材料区域(11、12)，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，其中，所述第一和/或第二材料区域(11、12)构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的涂层。本发明专利技术还涉及一种具有这样的系统(1、2)的内燃机(100)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】内燃机的具有涂层的摩擦学系统
本公开文本一般性地并且尤其是涉及一种摩擦学系统，其包括第一本体和第二本体，所述第一本体和第二本体分别形成内燃机的组件、尤其是活塞、活塞环或者气缸，并且所述第一本体和第二本体的表面具有第一和第二材料区域，所述第一和第二材料区域分别构成为层并且在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触。本公开文本不仅涉及用于制造层的层材料，而且也涉及将所述层施加到相应的马达组件上的方法。本公开文本也涉及相应地被施加涂层的马达组件。此外，本公开文本尤其是涉及在组合层材料时的选择，在摩擦学系统中的摩擦学偶对利用所述层材料被施加涂层。
技术介绍
名称“内燃机”在此应包括所有内燃发动机、尤其是能够以化石燃料、如汽油燃料、柴油燃料或者气体燃料(CNG、LNG)运行的活塞式发动机。以更好地利用燃料为目的提高在内燃机中的运行温度并且例如在生物燃料中使用添加剂提高了对汽油机、柴油机和燃气机中的表面的热稳定性和化学稳定性的要求。这些提高的要求仅可以受限地或者仅可以以高的成本通过选择密实的材料(也被称为密实材料)用于马达组件来实现。术语密实的材料或者密实材料(基体材料)表示基质的材料，所述基质应被施加涂层，以便改进在该基质表面的基质特性。所述基质的材料包括所有可以被施加涂层的材料：例如钢、铝、镍铬合金等等，亦即制造内燃机的组件的材料和原料。在各种钢材中，42CrMo4例如是制造活塞的典型的原料。用于低成本地改进密实材料的特性的方法是所述密实材料的表面处理，该表面处理例如通过渗氮处理、物理气相沉积(PVD)或者借助于热喷涂法(HVOF或等离子喷涂)通过喷涂由粉末或者线材制成的涂层来实现。利用所述方法能够制造如下材料，这些材料不能或者仅能以高耗费制造为密实材料，但是即使改型仅涉及表面的相对薄的区域，也可以通过这些材料明显地影响密实材料表面的磨损、摩擦和腐蚀。通常，在内燃机中的摩擦学偶对的表面由不同的材料或者不同的密实的材料制成，其中，将这些材料优化到确定的寿命，以便减少维修循环的次数，亦即进行寿命适配。通常在这样的情况下适配材料或者层厚。除了减少磨损的期望之外，减少摩擦损耗是在改进内燃机时的另一个目的。在这种观点下，有针对性地改变在摩擦学系统中的表面也是重要的。除了表面的机械的特性和这些特性相互间的适配之外，表面材料也还必须承担重要的功能、如与油的润湿性以及一定程度地控制添加剂和表面的化学反应，而在此本身不会变得化学不稳定。所有这些事实表明，优化内燃机的摩擦学系统是非常复杂的并且要求在选择方面的灵活性和表面的相互协调。薄的层在此也提供比在密实材料的情况时更高的灵活度。在EP1022351B1中描述了气缸内部的、气缸滑动面的涂层，其中，借助于等离子喷涂方法施加涂层。大部分含铁的层也包含部分FeO和Fe2O3，其中，结合氧的比例处于1wt.％至4wt.％之间并且Fe2O3的比例低于0.2wt.％。特别有利地推荐氧化物陶瓷的粉末以5wt.％至50wt.％的比例与工艺气体混合，以便仍实现更好的摩擦系数。提供TiO2、Al2O3-TiO2和Al2O3-ZrO2作为氧化物陶瓷的粉末。在EP1340834A2中要求保护一种用于活塞式发动机的气缸表面层，其中，通过等离子喷涂方法施加所述层。这样制造的层具有在0.5wt.％至8wt.％之间的结合氧的比例并且具有夹杂的FeO和Fe2O3晶体。此外，层具有在0.5％至10％之间的孔隙率并且通过研磨达到确定的粗糙度。处于层中的孔形成微腔，这些微腔用作润滑材料的容器并且促进在摩擦学系统中的均匀的油分布。在WO2015/128178A1中描述了活塞环的表面处理，该表面处理包括表面渗氮和PVD涂覆的组合。活塞环朝向气缸滑动面的工作面设置、优选利用离子电镀沉积地设置CrN层。所有其它表面经受渗氮方法。PVD层在未渗氮的活塞环表面上的沉积首先应预防在涂层中形成裂纹。US2014/0260959A1要求保护一种由基于铁的材料制成的被施加涂层的活塞环，在该活塞环的表面上沉积耐磨的层，该层包含Al5Fe2并且具有高硬度。此外，要求保护该层的由52wt.％至55wt.％的Al和45wt.％至48wt.％的Fe组成的化学组成。US7406940B2描述了一种由活塞和气缸滑动面组成的摩擦学系统，其中，所述活塞还具有用于活塞环的空隙，这些空隙与气缸衬垫摩擦学接触。附加地这样构造活塞裙，使得该活塞裙在其表面中具有沟槽结构，以便改进润滑油膜。此外，活塞环和活塞裙还以DLC层涂覆，以便改进滑动性能，尤其是涉及多种润滑剂相关并且适配于多种润滑剂。所述实例表明：表面被施加涂层，以便减少表面的磨损并且减少摩擦损耗。为了实现这一点，可以使用多种层材料。使用不同的方法，以便将所述材料施加到基质表面上。此外，由现有技术明确的是，非常不同的基质材料必须被施加涂层，以便在相应的条件下实现在摩擦学接触中的偶对的有利的表面适配。在一些情况下，要施加涂层的组件的几何形状也支配涂层方法。在必须对气缸孔施加涂层时例如是这种情况。对于该组件内部的部件的这种涂层来说，喷涂法比PVD方法适用得多。在必须沉积超过100μm或者甚至超过500μm的较厚的层的情况下，这样的方法也比PVD涂层有效得多。如果可以在批量过程中对基质施加涂层，后者在不超过10μm或者不超过30μm的范围内的较薄的层时又具有经济上的优点。在磨损和摩擦损耗方面对特定摩擦学系统的层配对的测试当然最好能够在真实的内燃机上执行。不过这种测试为了对于所有可能的材料组合实施而是成本过高的。此外，也包括如下危险，即，未知的材料组合可能导致在内燃机中的损坏，这可能造成整个测试台的破坏。上述内容不仅示出多种可能性并且阐明了层和层配对的选择有多困难。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务在于，提供一种改进的摩擦学系统、尤其是用于内燃机的摩擦学系统，在该摩擦学系统中，两个本体分别形成内燃机的组件并且在这两个本体的表面上构成两个材料区域，这两个材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触。尤其是存在如下需要，即，改进由活塞环和气缸形成的或者由气缸和活塞形成的摩擦学系统。在此，尤其是也存在如下任务，即，提供其它原料或者原料配对，由所述原料或者原料配对可以制造构成为层的材料区域。按照第一方面，本公开文本提供一种具有第一和第二本体的摩擦学系统，这两个本体分别形成内燃机的组件、尤其是活塞、活塞环或气缸，并且这些组件的表面具有第一和第二材料区域，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，其中，所述第一和/或第二材料区域构成为基于氧化铬或者铝铬氧化物的层。其它方面和特征由从属权利要求、附图和随后对实施方式的说明得出。附图说明现在示例性地并且参照附图描述实施方式。图中：图1示出来自按照本专利技术的内燃机的组件的示意性的剖视图，该内燃机具有按照本专利技术的摩擦学系统；图1A示出图1的放大的局部A，该局部示出按照本专利技术的第一摩擦学系统，该第一摩擦学系统由气缸和活塞环形成；图1B示出图1的放大的局部B，该局部示出按照本专利技术的第二摩擦学系统，该第二摩擦学系统由气缸和活塞形成；图1C示出图1的细节C，该细节示出具有涂层的气缸顶；图2示出用于确定适用于按照本专利技术的摩擦学系统的涂层的摩擦学试验的、用于干燥测试(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种摩擦学系统(1、2)，所述摩擦学系统包括第一本体(102、105)和第二本体(101、107)，所述第一本体和第二本体分别形成内燃机(100)的组件、尤其是活塞(102)、活塞环(105)或者气缸(101、107)，并且所述第一本体和第二本体的表面(112、108、113)具有第一和第二材料区域(11、12)，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，其中，所述第一和/或第二材料区域(11、12)构成为基于氧化铬或铝铬氧化物的层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.12 US 62/294,4881.一种摩擦学系统(1、2)，所述摩擦学系统包括第一本体(102、105)和第二本体(101、107)，所述第一本体和第二本体分别形成内燃机(100)的组件、尤其是活塞(102)、活塞环(105)或者气缸(101、107)，并且所述第一本体和第二本体的表面(112、108、113)具有第一和第二材料区域(11、12)，所述第一和第二材料区域在运行中至少局部地接触并且形成摩擦学接触，其中，所述第一和/或第二材料区域(11、12)构成为基于氧化铬或铝铬氧化物的层。2.根据权利要求1所述的摩擦学系统(1、2)，其中，所述第一和第二材料区域(11、12)分别设置在组件(101、107、105、102)的形成工作面的表面上、尤其是设置在活塞裙滑动面(113)、环工作面(112)和/或气缸滑动面(108)上。3.根据权利要求1或2所述的摩擦学系统(1、2)，其中，在构成为活塞环(103)的第一本体上的第一材料区域(11)是具有(Al1-xCr-y)2O3的化学组成的基于铝铬氧化物的涂层，其中：0.1≤x≤1并且y≤0.5；0.5≤x≤1并且y≤0.5或者x＝0.7并且y＝0.3。4.根据权利要求1、2或3之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，在构成为气缸(101、107)的第二本体上的第二材料区域(12)是具有10wt％至100wt％的Cr2O3并且相应地具有90wt％至0wt％的Al2O3的组成的层。5.根据权利要求1至4之一所述的摩擦学系统(1、2)，其中，所述第一材料区域(11)具有以μm为单位的表面粗糙度Ra...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·恩斯特，J·拉姆，F·赛贝特，B·维德里希，
申请(专利权)人：欧瑞康表面解决方案普费菲孔股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH