СКОЛЬЗЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2014 года по МПК C23C14/06 F16J9/26 

Изобретение касается скользящего элемента в двигателе внутреннего сгорания, в частности поршневого кольца.

Важную роль в уменьшении выброса двуокиси углерода двигателями внутреннего сгорания играет расход топлива. На него в значительной степени влияют потери на трение в двигателе, в частности в области поршней, например на поршневых кольцах. Поэтому существует потребность в скользящих элементах в двигателях внутреннего сгорания, в частности поршневых кольцах, обладающих в течение всего срока службы оптимальными возможными фрикционными свойствами. В течение всего срока службы, в частности, должна учитываться прирабатываемость, возможная недостаточная смазка и вероятное образование следов сгорания, которые соответственно приводят к изменению трибологических свойств.

В вышеназванной области известны покрытия, полученные конденсацией из паровой фазы, на основе твердого вещества, которые обладают хорошей износостойкостью, однако оставляют желать лучшего в отношении коэффициентов трения.

Из DE 102005063123 B3 известна слоистая конструкция, которая, снаружи вовнутрь, включает в себя прирабатываемый слой, адгезионный слой и слой, защищающий от износа. Однако оказалось, что характер фрикционных свойств в течение срока службы может быть еще более улучшен.

В основу изобретения положена задача создать скользящий элемент двигателя внутреннего сгорания, в частности поршневое кольцо, который/которое снабжено покрытием, стабильно обладающим благоприятными фрикционными свойствами в течение как можно более долгого периода времени.

Решение этой задачи осуществляется с помощью скользящего элемента, описанного в п.1 формулы изобретения.

Соответственно этому этот элемент снабжен DLC-покрытием (алмазоподобное покрытие) типа ta-C, которое обладает переменными по своей толщине внутренними напряжениями. Другими словами, по толщине покрытия создан по меньшей мере один градиент внутреннего напряжения. Под названием «DLC» описывается, как известно, алмазоподобный углерод. Тип ta-C отличается тетраэдрической структурой, не содержит водорода и определен, например, в VDI инструкции 2840 (VDI=Союз немецких инженеров). Такой слой способствует, с одной стороны, хорошим фрикционным свойствам и, кроме того, обладает особенно долгим сроком службы по следующим причинам.

С одной стороны, варьирование внутренних напряжений по толщине слоя позволяет получать большие толщины слоя, равные, например, более 10 мкм, без возникновения проблем в отношении адгезии или хрупкости слоя. А именно, удалось установить, что, например, зоны низких внутренних напряжений слоя уменьшают напряжения или разгружают от напряжений всю слоистую систему, т.е., в частности, предусмотренное многослойным покрытие. Благодаря этому при высоких сдвиговых напряжениях, которые возникают при применении в двигателе внутреннего сгорания, предел текучести DLC-покрытия не превышается. Соответственно этому возможно успешное ограничение износа покрытия.

Предпочтительные усовершенствования предлагаемого изобретением скользящего элемента описаны в других пунктах формулы изобретения.

Для перехода от покрытия к основному материалу скользящего элемента в этой, т.е. внутренней области покрытия, если рассматривать снаружи вовнутрь, оказался предпочтительным отрицательный градиент внутреннего напряжения. Другими словами, внутренние напряжения в направлении основного материала снижаются до низкого значения, чтобы достичь благоприятного перехода напряжений к основному материалу и хорошей адгезии слоя.

Для расположенной снаружи области, если рассматривать снаружи вовнутрь, оказался предпочтительным положительный градиент внутреннего напряжения. Другими словами, внутреннее напряжение на наружной поверхности покрытия находится на сравнительно низком уровне, что оказалось предпочтительным для благоприятных свойств прирабатываемости. Однако начиная отсюда, внутренние напряжения предпочтительно сильно повышаются во внутреннем направлении, так что возможно достижение вышеописанных эффектов.

Для средней, т.е. расположенной не совсем снаружи и не совсем внутри области покрытия, хорошо зарекомендовал себя отрицательный градиент внутреннего напряжения, который предпочтительно меньше, чем отрицательный градиент внутреннего напряжения во внутренней, т.е. обращенной к основному материалу области покрытия. Благодаря этому внутреннее напряжение наивысшего уровня находится на покрытии сравнительно далеко снаружи, что позволяет ожидать благоприятную характеристику.

В частности, у скользящих элементов, для которых следует ожидать экстремально высокого контактного напряжения, предпочтительно постоянная, низкая характеристика (кривая) внутренних напряжений в самой внутренней области, т.е. непосредственно примыкающей к основному материалу.

Кроме того, за счет также постоянной, сравнительно низкой, однако предпочтительно находящейся на более высоком уровне, чем в самой внутренней области характеристики внутренних напряжений, предусмотренной на наружной стороне покрытия, возможно дополнительное улучшение свойств прирабатываемости.

Чтобы избежать распространения трещин в покрытии, в средней области оказались предпочтительными обширно изменяющиеся внутренние напряжения. Размер зон низких внутренних напряжений может в этой связи быть меньше, равен или больше, чем размер зон с высоким внутренним напряжением.

Для периодичности, т.е. толщины между началом одной области низкого внутреннего напряжения, через область высокого внутреннего напряжения до начала следующей области с низким внутренним напряжением, возможны значения, составляющие от 0,1 до 1 мкм.

В целом с помощью описанных мер возможно получение покрытий с толщиной, составляющей 10 мкм или более, что, с одной стороны, способствует благоприятной прирабатываемости, однако одновременно является достаточной толщиной слоя, чтобы после неизбежного износа обеспечить долгий срок службы с благоприятными фрикционными свойствами покрытия.

Для получения различных внутренних напряжений предпочтительно, например, изменение отношения между sp2- и sp3-гибридизированными атомами углерода. В частности, внутренние напряжения сжатия могут быть повышены за счет повышения доли sp3, что в целом обеспечивает возможность возникновения градиента внутреннего напряжения.

Это аналогичным образом относится к возрастающей плотности, так что для изменения плотности слоя по его толщине следует ожидать возможности изменения внутренних напряжений предпочтительным образом по толщине слоя.

Наконец, предусмотрено изменение твердости слоя по его толщине, так как более высокая твердость приводит к более высоким внутренним напряжениям сжатия, так что тем самым можно также задавать желаемые градиенты внутренних напряжений.

Ниже в качестве примера более подробно поясняются варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи. Показано:

фиг.1: изображение характеристики внутренних напряжений по толщине DLC-покрытия в первом варианте осуществления; и

фиг.2: изображение характеристики внутренних напряжений по толщине DLC-покрытия во втором варианте осуществления.

На чертежах нанесены внутренние напряжения DLC-покрытия соответственно по толщине этого покрытия, при этом крайняя наружная область покрытия расположена на графиках слева, а крайняя внутренняя область покрытия - справа. Другими словами, справа к покрытию с изображенными внутренними напряжениями примыкает основной материал, например, сталь или серый чугун.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1, начиная от внутренней области, или «дна» покрытия (зона III) создан (снаружи вовнутрь) отрицательный градиент внутреннего напряжения. Другими словами, внутренние напряжения на переходе к основному материалу являются особенно низкими для достижения хорошего перехода напряжений и хорошей адгезии покрытия. В средней области (зона II) внутреннее напряжение повышается далее, однако с более низким градиентом, до наивысшего уровня. На наружной стороне (зона I) внутренние напряжения сильно понижаются, другими словами, снаружи вовнутрь создан высокий положительный градиент внутреннего напряжения, что приводит к благоприятной прирабатываемости.

Это равным образом относится к варианту осуществления, изображенному на фиг.2, в котором в крайней наружной зоне I внутренние напряжения сначала являются постоянными на низком уровне, а затем (зона II) сильно повышаются. Это способствует отвечающему требованиям переходу между зоной I и зоной III, в которой внутренние напряжения обширно изменяются. В частности, именно при нагрузке сдвиговыми напряжениями постоянно высокое состояние внутреннего напряжения оказалось опасным в отношении трещин. Изменяющиеся внутренние напряжения в зоне III препятствуют распространению трещин. В этой области периодичность α может составлять, например, между 0,1 и 1 мкм. Аналогично варианту осуществления, показанному на фиг.1, к основному материалу (на фигуре справа) примыкает зона IV с сильно отрицательным градиентом внутреннего напряжения, и предусмотрена непосредственно примыкающая к основному материалу зона V с постоянно низкой характеристикой внутренних напряжений для достижения хорошего перехода напряжений к основному материалу и хорошей адгезии. Уровень внутренних напряжений в зоне V может быть, в частности, ниже, чем в крайней наружной зоне I, а в зоне III внутренние напряжения могут варьироваться между абсолютными максимальными значениями и уровнем, несколько превышающим уровень зоны I.

Изобретение относится к скользящему элементу двигателя внутреннего сгорания, в частности поршневому кольцу. Указанный скользящий элемент выполнен с покрытием, которое представляет собой алмазоподобное покрытие типа ta-C с изменяющимися по его толщине внутренними напряжениями и тем самым с, по меньшей мере, одним градиентом внутреннего напряжения. Покрытие в обращенной к основному материалу области (IV) выполнено в направлении вовнутрь с отрицательным градиентом внутреннего напряжения, в расположенной снаружи области (II) - с положительным градиентом внутреннего напряжения, а в средней области (III) - с чередующимися зонами высоких и низких внутренних напряжений. Обеспечивается увеличение срока службы покрытия при сохранении заданных фрикционных свойств. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Скользящий элемент двигателя внутреннего сгорания, в частности поршневое кольцо, выполненный с покрытием, отличающийся тем, что покрытие представляет собой алмазоподобное покрытие типа ta-C с изменяющимися по его толщине внутренними напряжениями и тем самым с, по меньшей мере, одним градиентом внутреннего напряжения, причем покрытие в обращенной к основному материалу области (IV) выполнено в направлении вовнутрь с отрицательным градиентом внутреннего напряжения, в расположенной снаружи области (II) - с положительным градиентом внутреннего напряжения, а в средней области (III) - с чередующимися зонами высоких и низких внутренних напряжений.

2. Скользящий элемент по п.1, отличающийся тем, что в самой внутренней (V) и/или самой наружной области (I) покрытия внутренние напряжения являются в значительной мере постоянными.

3. Скользящий элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что в самой внутренней области (V) внутренние напряжения ниже, чем в самой наружной области (I) покрытия.

4. Скользящий элемент по п.1, отличающийся тем, что периодичность (α) изменения внутренних напряжений в средней области (III ) составляет от 0,1 до 1 мкм.

5. Скользящий элемент по п.1, отличающийся тем, что покрытие имеет толщину 10 мкм или больше.

6. Скользящий элемент по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере в одной области с градиентом внутреннего напряжения имеется изменяющееся отношение между sp2- и sp3-гибридизированными атомами углерода.

7. Скользящий элемент по п.1 или п.6, отличающийся тем, что покрытие в, по меньшей мере, одной области с градиентом внутреннего напряжения выполнено с изменяющейся толщиной слоя.

8. Скользящий элемент по п.1 или п.6, отличающийся тем, что покрытие в, по меньшей мере, одной области с градиентом внутреннего напряжения выполнено с изменяющейся твердостью слоя.